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钛及钛合金在汽车工业领域的发展和应用

作者:超级管理员 来源:本站 日期:2021-10-19 16:59:55 人气:184

钛及钛合金在汽车工业领域的发展和应用


时至今日,汽车已有一百多年的历史,是我们生活当中不可缺少的交通工具。钛的轻质、高强度等性能早已为汽车制造商所瞩目。钛谷钛在赛车上应用已有许多年历史,目前的赛车几乎都使用了钛材。但是,普通汽车领域是钛的一个新兴发展市场。

  钛材作为汽车部件材料使用的优点有:强度高、密度小、弹性模量约是钢的一半、热膨胀系数低,约是不锈钢及铝材的一半、无磁性、热导率低、对环境无污染等。另外在汽车行业用钛后,可极大减轻汽车重量,降低其燃料消耗,提高汽车工作效率,降低噪音。

  1.钛合金在汽车上的应用

  汽车上典型的钛合金零件包括:用TiAl制造的涡轮充电器的转子叶片,用Ti-6A1-4V合金等制造的连杆、阀等。为了实现低成本化,采用粉末冶金法制的Ti-6A1-4Sn-4Zr-1Nb-1Mo-0.2Si-0.3C合金基体中加入TiB粒子弥散的钛基MMC,制造了发动机阀。除连杆和发动机阀以外,原有的低成本β型钛合金TImetaL LCB制造的悬簧也是最初的应用例。最近,发动机阀、排气用的低成本钛合金的开发取得进展。特别是摩托车的排气系(消音器)上的钛合金的需求增大,钛谷有色金属交易中心所以排气系用低成本合金的开发较为盛行。

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1956年,通用汽车公司(GM)和其供货商装配了一种展览用的理想小汽车,其车体是全钛。自此,GM就一直想在发动机中使用钛,包括排气气门和连杆。目前,一些汽车制造商已在某些型号车中使用了少量钛零件。钛谷有色金属交易中心例如日本本田汽车公司1994年在NSX赛车3.0L24阀V-6发动机中使用锻造钛连杆;三菱汽车公司制造的高容量、四缸发动机中使用了钛气门弹簧承座;保时捷汽车中也使用了钛连杆。随着钛的日益发展,在汽车上的特殊用途已大量用作高级车零部件。

  1.1、气门

  用钛合金制作汽车气门,不仅可减轻重量,延长使用寿命,而且可靠性高,还可节省燃油。排气门除要求耐热,耐磨外,还要不含铅和钴。美国厂家利用钛合金制作进、排气门较普遍,进气门使用Ti-6A1-4V合金,排气门使用的是Ti-6A1-2Sn-4Zn-2Mo合金。日本日立公司制造的烧结进气门已供应日本的汽车工业市场。

  美国Howmet铸造公司用连续铸造方法生产气门,每个气门有1/4重量用钛,预计新车上每年有2亿个气门的潜在市场,每年有8000万个气门的替换市场。

  1.2、气门座

  在赛车及运动汽车上,最广泛使用的钛材部件是气门座每年生产25万个以上,一般是用Ti-6A1-4V合金制作,日本也采用Ti-5A1-2Cr-1Fe合金制作。由于形状简单和小巧,所以有机械加式是容易制造的,成本也便宜。不一定需要进行特殊的表面处理,和钢制的气门座相比,能减轻10~12克。

  1.3、连杆

  用钛合金制造连杆对减轻发动机重量最有效,能大大提高性能。连杆所用材料主要是Ti-6A1-4V,其它如Ti-4A1-2Sn-4Mn,Ti-7A1-4Mo等也在研制中。

  1.4、曲轴和其它发动机部件

  日本正在试制Ti-5A1-2Cr-Fe合金曲轴,这种曲轴因需要进行防粘接处理,目前还未实用化。其它发动机部件如摇臂,阀簧和连杆的下螺栓等也可利用Ti-6A1-4V合金制造。

  日本专门开发的易切削Ti-3A1-2.5V合金曲轴已用于本田280马力3.O升V6NSX型豪华赛车上,与具有相同疲劳强度的钢制曲轴比较,重量减轻30%,引擎转速提高了700r/min。这些研制应用结果表明,钛在赛车上已被接受并扩大了用量。

  1.5、回气管

  采用钛制尾喷管/回气管组件不受氯盐和废气中硫的排出引起的腐蚀,其排气系统不会出现点蚀,甚至在焊接处也不会出现锈蚀,钛谷有色金属交易中心与传统排气系统材料-不锈钢相比可减轻40%的重量,同时改善了燃料的经济性,具有较快加速能力和较短的制动距离。因钛成本较高,美国钛金属公司(Timet)研制出一种特别的表面处理方法,这样生产的零件有助于满足汽车制造商的成本标准。新型雪佛莱Corvette Z06汽车上已采用了钛制回气管。

  1.6、悬簧

  钛弹簧与普通汽车使用的钢弹簧相比具有重量轻、耐腐蚀性好和低剪切模量(可减少弹簧卷的转向)。Timet专门为满足汽车悬簧生产商的成本和零件装配要求开发了一种钛合金,该材料保留了航空用钛合金弹簧的优异性能,且大大降低了成本。最初的生产用量很小,是用在欧洲大众汽车公司的新型Lupo FSI汽车的齿轮悬簧。Timet与大众于2001年1月宣布,在Lupo FSI的2001款车上使用钛悬簧,预计该型号车生产3500辆。

  用钛制成的弹簧可比钢的减轻60-70%的重量。在一个典型的美国造的5-6座家用车中,通过使用4个悬簧,每辆车就可减重9kg~13.6kg。

  1.7、消音器

  钛消音器只有5-6kg,比不锈钢等消音器轻很多,操作简便。日本汽车领域的钛需求(1999年实际需求达457t)基本上全是用于消音器,主要是大型汽车(900cc以上)上使用。日本本田、铃木等四家较大的厂家已采用钛制消音器。钛消音器主要用于大型汽车和个别中型汽车。钛的耐蚀性、强度、表面意匠性等正在评价中。

  GM公司在2000款雪佛莱Corvette 206型汽车上,已经用一个11.8kg重的钛消音器和尾气管系统代替了原来重20kg的不锈钢系统,且强度不变。重量减轻4l%,汽车速度加快、操作灵活且节约燃料。

  1.8、车体及其他部件

  美国Timet公司认为钛可以用在家用车辆的其它形式部件中以大大削减重量和提高耐用性,包括发动机元件、驱动齿轮系零件、悬挂系统和结构件。如减震缓冲器中心杆、挂耳螺帽和螺栓、控制杆、紧固件、从动轴、车挡支架、门突人梁、制动器卡钳活塞、发动机连杆、销轴栓、阀、阀弹簧和承座等。

  用钛合金Ti-6A1-4V制造离合器片,压力板等变速器部件,最近开始用高旋压成型制造钛合金外壳,与钢制外壳相比,可以大减轻飞轮的冲击破坏,使缓冲变得容易。日本学者设计了一种新的组合滑动模,采用下冲式成形开发另一种汽车链轮。

  1.9、紧固件

  对许多类型的紧固件来讲都可用钛取代钢。在未来轻型运输工具中钛紧固件是可行或必须的。

  2.汽车用钛及钛合金的研究现状

  2.1美国

  汽车上用钛量最多的国家是美国与日本。首先,美国十分重视钛在汽车上的应用,如Timet专门成立了汽车厂来开发钛用汽车部件。钛谷亏损美国已生产出赛车用的钛制进气门、排气门、气门护圈和连杆等部件,每年专用于汽车上的钛材达50t。1996在拉斯维加斯召开的国际钛协会展览会上展示了Timet用工业纯钛制造的钛汽车排气系统,随后克莱斯勒和GM公司制出了纯钛排气系统商用样机,大规模的生产评估正在进行:同时GM公司还在进行Timetal-62S和Timetal-LCB轮轴的研究,并正在考虑把这种合金投入批量生产。另外美国的高性能汽车NSX Acura也使用了钛连杆,这是批量生产汽车连杆用钛的一个实例。美国福特汽车公司已确认了几种在汽车上适用的钛合金部件为Ti-3A1-8V-6Cr-4Mo-4Zr弹簧、Ti-6A1-4V进气阀和阀门护圈、Ti-6A1-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-6A1-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si排气门。该公司在1989年前后生产的钛弹簧重量只有同等钢弹簧重量的三分之一,而且更加小巧紧凑.生产的进、排气门能使汽车消耗一加仑汽油所行的里程延长3~4%。该气门与钛弹簧相结合时能够降低发动机的燃料消耗。

  美国开发了一系列低成本钛合金。如Timet和GM研制出Timetal 62S(Ti-6A1-2Fe-0.1Si)合金被用于汽车发动机部件,性能优于Ti-6A1-4V,成本比Ti-6A1-4V低15%~25%。Timet公司新开发的用于摩托车和汽车排气系统的钛合金Timetal Exhaust XT是一种Ti-Fe-Si-O系的合金,合金元素的最高质量分数为:0.5%Fe;0.6%Si;0.15%O。该公司用电子束一次熔炼生产了3.2t的扁锭,热轧后冷轧成规格为1.65~0.91 mm的带卷。

  美国钛冶炼公司开发出Timetal1100(Ti-6Al-2.7Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si)合金排气门,在6000℃时具有抗蠕变强度、抗氧化能力。Timet的Timetal LCB(Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5A1)合金,是为打入汽车市场而专门研制的,它的综合性能优异,尤其是抗疲劳性能优于其它任何钛合金,Timetal LCB是一种低成本亚稳态β钛合金,其主要合金元素是低廉的Fe-Mo合金,屈服强度高于900Mpa,延伸率约为18%,性能不亚于高强度钢,与使用铝钼中间合金相比,使用钼铁可使成本降低25%~33%左右。在非公路竞赛卡车上已使用了LCB悬挂式弹簧,除了能降低车重之外还有2个优点:响应速率比钢弹簧更快,因此行驶更加平稳;重量减轻60%,体积缩小25%,寿命超过钢弹簧的4倍。美国曼利高性能产品公司生产出Ti-1000和Ti-6A1-2Sn-4Zr-2Mo两种钛气门,已参加多种类型的摩托车比赛。

  2.2日本

  日本早在20年前就把钛应用于赛车及一部分跑车,但尚未用于重视成本的一般小客车。如日产汽车R382因采用了钛合金制汽门,在日本大赛中获胜。目前,钛及其合金在汽车上的应用主要有发动机部件弹簧,车杆,连杆,标准件,车轮,动力阀等。据日本的经验,在汽车动力阀使用0.8~0.9kg/台的钛相当于减重20kg/台的效果。

  日本对开发钛在汽车中的应用进行了大量的研究。未来技术研究所开发了SAT64AW,SAT64HM,SAT325HM,Ti-20V-4A1-lSn等汽车用钛合金。AT64HM,SAT325HM合金具有良好的热加工性,钻削性和抗疲劳性能,或做钻孔多的连杆等部件,切削加工成本较低。日本三菱汽车公司开发的Ti-2V-4A1合金冷加工性好,适用于制造气门杆。日本户田制作所用Ti-6Al-4V制作的进气门和排气门,钛谷诈骗改善了发动机的性能,使汽车速度提高10~15%。值得一提的是,在1992年日本东京召开的第29界国际汽车展览会上,首次展出了钛制车身外板和钛制节能低公害发动机汽车,引起了与会者各方面的关注。1996年日本制造的太阳能汽车结构部件上采用钛,在第四次世界太阳能汽车大赛上取得了名次。钛材最初是在批量化生产的高级车NSX V-6车上使用,接着是在1998年在日本获奖的丰田双门敞篷轿车的阀类采用了钛。该车的进气门使用了采用了粉末冶金法生产的Ti-6A1-4V/TiB合金,排气门采用了耐热性的Ti-Al-Zr-Sn-Nb-Mo-Si/TiB合金。该车的发动机为2000cc,采用了1个279的进气门和249的排气门8个,一辆车用的钛材总计为408g。原材料为钢时各自的重量则为40.Og与44.6g,气门的总重量比钛材的2倍还多。这种车的气门弹簧也使用了钛,其重量从43g减轻到36g。丰田公司的这种新型车最初生产的台数为4000台,其中一半使用了钛材。

  日本大同钢铁公司研制成一种新型钛铝合金,将它应用于制造汽车发动机的排气门,可大大改善发动机的性能。这种新型钛铝合金的成分为Ti-33.5A1-1Nb-0.5Cr-0.5Si(wt%),其中加入了Nb和Si是为了提高抗氧化性能及抗蠕变性能。与排气门常用的马氏体耐热钢和镍基合金相比,该合金的突出特点是比重小(只有马氏体耐热钢的一半),且导热性良好。日本金属材料研究所与韩国机械与金属研究所合作,采用元素混合法把合金粉末和强化粉末均匀混合、真空烧结、热等静压制成两种低成本的合金,具有优良的拉伸、蠕变和疲劳性能,可望制成汽车零件。

  汽车排气系用钛合金的要求的特性必须符合以下4点:(1)在600℃以上的高温下有足够的强度,长时间使用后强度降低小。(2)在700℃以上的高温下氧化引起的壁厚的减少十分小。(3)在室温下,与JIS 2类、ASTMGr.2纯钛(以下简称Gr.2)具有同等以上的成形性(弯曲性、胀形特性、深冲性等)。(4)在600℃以上的高温下,低于温度0.2%屈服强度的一定载重长时间施加也难于变形,即抗蠕变性优良。日本新日铁公司开发的汽车排气系统用Ti-lCu及Ti-1Cu-0.5Nb设计概念及其优良的特性(室温成形性、高温强度、耐氧化性、耐蠕变性)。这些合金通过Cu的添加实现了低氧化,必要Nb的添加,原来合金设计思想中所没有的新理念诞生了,如Super-TIX 10CU及Super-TIX 1OCUNB作为汽车排气系材料已广泛地应用。如Super-TIX 10CU从2007年开始已用在铃木GSX系列的消音器的对耐热性有要求的部位。2009年开始用在日产GT-Rspec-V及从2010年开始使用在GT-R EGOIST的消音器上(图-1(a)),与不锈钢相比约重量减轻了30%。Super-TIX 10CUNB在欧洲最大的排气系部件制造商Akrapovic不仅用在摩托车上,也用在汽车的消音器(图1(b))的一部分上均是充分活用了这些合金室温下的高加工性与高温强度、高耐氧化性、耐蠕变性,合金设计及制造条件的设定是合适的。

  2.3 我国

  我国正在大力开展汽车用钛的推广工作。首先通过网站、报刊、杂志和推广会等形式,把钛应用的知识普及到社会的每一个角落,进而将钛与汽车联系起来,以促进钛在汽车方面的应用。而汽车用钛研究工作则一直在展开,如粉末冶金钛,TiAl的研究。


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