鈦合金在汽車輕量化制造中的應用
鈦及鈦合金具有密度小、機械性能優(yōu)異、生物相容性好、耐腐蝕、耐高溫、低溫韌性好等特點, 目前已被大量應用于汽車制造領域。
鈦合金密度只有鋼的60%, 而強度可以達到800MPa以上, 在500℃左右仍然保持良好的機械性能, 且焊接和成形性能都較好, 在20多年以前就已經(jīng)被應用于賽車的制造上, 大幅減輕了賽車發(fā)動機的質(zhì)量, 同時提高了發(fā)動機性能。
目前, 汽車制造中所使用的鈦合金零部件主要分布在汽車排氣系統(tǒng)、發(fā)動機系統(tǒng)、傳動和減振系統(tǒng)以及車體框架部分。
1. 排氣系統(tǒng)
汽車排氣系統(tǒng)材料要求具有較好的高溫力學性能和耐S、Cl元素腐蝕性能。傳統(tǒng)的排氣門組件都是由不銹鋼制備的, 但是人們發(fā)現(xiàn)鈦合金在性能方面更加適合用作排氣門材料。
在新型的雪佛蘭Corvette Z206汽車上使用的鈦制回氣管, 有效地避免了不銹鋼管上出現(xiàn)的點蝕和焊縫銹蝕等問題, 同時還提高了燃油的燃燒效率和加速能力, 縮短了制動距離。
美國最大的鈦材制造商Timet一直致力于鈦合金排氣系統(tǒng)的研發(fā)與制造, 日本多家公司也開展了相關的研制工作, 目前, 富士重工株式會社已經(jīng)限量生產(chǎn)了440套鈦合金車用排氣管。
2. 發(fā)動機系統(tǒng)
汽車發(fā)動機系統(tǒng)是汽車領域使用鈦合金最多的部件，鈦合金在發(fā)動機系統(tǒng)上的應用主要有氣門、連桿、曲軸、氣門座等零部件。
日本本田汽車公司在NSX賽車V-6發(fā)動機中使用了鍛造鈦連桿；三菱汽車公司制造的高容量、四缸發(fā)動機中使用了鈦氣門彈簧座, 保時捷汽車中也使用了鈦連桿。
(1) 氣門
鈦合金氣門方面, 美國和日本都進行了大量的研究工作, 美國目前普遍使用Ti-6Al-4V合金制造進氣門, 使用Ti-6Al-2Sn-4Zr-2M o合金制造排氣門;而日本豐田公司則使用Ti-6Al-4V/Ti B合金制備進氣門, 使用Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Nb-Si/Ti B合金制備排氣門。這幾類鈦合金都具有較好的高溫力學性能、抗氧化和抗蠕變性能, 有效改善了發(fā)動機性能, 提高了汽車速度。
(2) 氣門座
鈦合金氣門座在賽車和運動汽車上已得到廣泛的應用, 每年生產(chǎn)25萬套以上, 主要采用Ti-6Al-4V或Ti-5Al-2Cr-1Fe合金制備, 由于氣門座形狀比較簡單, 所以在機械加工方面要求不高, 且不需要特殊的表面處理, 成本較便宜, 在汽車減重方面效果明顯。
(3) 連桿
鈦合金連桿的使用能夠有效減輕發(fā)動機的質(zhì)量, 提高汽車性能。目前主要的制備材料為Ti-6Al-4V合金。日本大同株式會社目前正在開發(fā)一種兩相鈦合金Ti-3Al-2V-0.2Si-0.47Ce-0.27La, 該合金具有良好的切削性, 在力學性能、疲勞性能和耐腐蝕性方面也較為優(yōu)異, 期望用在發(fā)動機的急加速、急減速的連桿部件上。
(4) 曲軸
鈦合金曲軸目前雖然沒有得到廣泛的應用, 但是日本專門開發(fā)的Ti-3Al-2.5V合金已經(jīng)在本田賽車上面得到驗證, 在有效減輕質(zhì)量的同時, 將發(fā)動機轉速提高了700r/min, 證明了鈦合金曲軸的優(yōu)越性。同時, 日本已經(jīng)在試制Ti-5Al-2Cr-Fe合金曲軸, 期望鈦合金在曲軸部件上得到更加廣泛的應用。
3. 減振系統(tǒng)
汽車減振懸掛系統(tǒng)的核心部件就是懸簧。鈦合金相比于一般汽車彈簧用鋼而言, 具有更高的比強度和更低的切變模量, 抗疲勞強度也較高, 更加適合用作制造汽車減振彈簧。由于彈簧的撓度和圈數(shù)呈正比, 與材料的切變模量呈反比, 因此, 鈦合金彈簧在達到相同彈簧反應的情況下, 比鋼制彈簧需要更少的圈數(shù), 有效減輕了彈簧質(zhì)量, 節(jié)約了空間。
同時, 鈦合金彈簧還能夠有效提高彈簧的共振頻率, 提高其使用壽命。目前大部分的鈦合金彈簧都是用單相β鈦合金制備。德國大眾公司已經(jīng)在部分汽車上使用了Lupo FSI鈦合金齒輪彈簧, 用量約為3500輛。
4. 車體框架
車體框架部件方面, 鈦合金較高的比強度, 較低的密度以及良好的耐蝕性能, 都說明其是良好的車體框架制備材料。目前, 已經(jīng)有汽車公司在車檔支架、制動器卡鉗活塞等部件上使用鈦合金。變速器部件中, 日本目前正在開發(fā)一種高旋壓成型法制備鈦合金外殼的工藝, 與鋼制外殼相比, 鈦合金外殼更好地減輕飛輪的沖擊, 緩沖效果更好。
另外, 鈦合金還在汽車緊固件等部件上得到了應用, 隨著鈦合金制備工藝和汽車工業(yè)的不斷發(fā)展, 鈦合金必將在汽車零部件上得到更多的應用。
5. 鈦合金對汽車輕量化的意義
國外研究機構測算發(fā)現(xiàn), 當汽車整備質(zhì)量下降10%, 油耗可降低6%~8%。還有研究表明, 汽車每減重91kg, 平均每升燃油可多行駛0.43km。因此, 隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展, 汽車保有量的不斷增加, 汽車輕量化已經(jīng)成為減少能源消耗, 降低空氣污染的重要途徑之一。
鈦及鈦合金材料因其出色的物理化學性能, 目前在汽車零部件中的到了大量應用。鈦材料的使用不僅有效提高了汽車的性能和安全系數(shù), 還在汽車輕量化方面發(fā)揮了重要作用, 有效減輕了汽車整備質(zhì)量, 降低了燃油消耗。
汽車排氣系統(tǒng)采用鈦制尾噴管-回氣管組件相比于傳統(tǒng)不銹鋼系統(tǒng), 大約能夠減重8.2kg。而發(fā)動機零部件中氣門、連桿等部件使用鈦合金制品替代傳統(tǒng)鋼和鑄鐵材料都能夠有效減輕發(fā)動機質(zhì)量。
根據(jù)日本汽車行業(yè)的研究, 汽車動力閥使用約0.8kg的鈦材料零件相當于20kg鋼制零件所達到的效果;每一個鈦制氣門座相比于鋼制氣門座能夠減輕10g左右的質(zhì)量;連桿和曲軸用于鈦合金, 對減輕發(fā)動機質(zhì)量最為有效。
減振系統(tǒng)上面, 每個鈦合金彈簧可比鋼制彈簧減輕60%以上的質(zhì)量, 以每輛車4個懸簧計算, 換用鈦合金彈簧之后, 每輛車可減重9~13.6kg。另外, 鈦合金消音器的質(zhì)量只有5~6kg, 比不銹鋼消音器輕了40%。
以普通中型轎車為例, 如果用現(xiàn)有的鈦合金汽車零件替換掉傳統(tǒng)的零件, 汽車整備質(zhì)量將由原來的1500kg左右減重至1000kg左右, 減重率可達30%, 綜合油耗可降低20%以上, 這將大大減少全世界的燃油消耗, 有效緩解能源緊缺和環(huán)境污染的問題。
以上數(shù)據(jù)顯示, 鈦合金的使用在汽車輕量化方面效果明顯, 在現(xiàn)代汽車工業(yè)中, 應不斷開發(fā)鈦及鈦合金在汽車零部件中的應用技術, 提高鈦合金在汽車上的應用比例。
目前鈦合金在我國汽車行業(yè)中的應用還只是處于嘗試階段。存在的主要問題是鈦合金材料成本過高, 零部件不易加工等。
因此, 未來的主要任務應該是通過開發(fā)廉價的鈦合金材料, 降低鈦合金原材料的生產(chǎn)成本等方式, 降低鈦合金零部件價格, 通過改善加工工藝提高鈦合金零部件的加工效率。
國外的經(jīng)驗表明, 只有汽車設計制造方和鈦合金研制方聯(lián)合, 才能為汽車提供更加優(yōu)質(zhì)的鈦合金材料。
相信隨著研發(fā)工作的不斷深入, 鈦及鈦合金在我國的現(xiàn)代汽車工業(yè)中必將發(fā)揮越來越重要的作用, 推動汽車工業(yè)的不斷發(fā)展。