鈦及鈦合金在汽車中的應(yīng)用現(xiàn)狀

摘 要：隨著對低油耗高性能汽車需求的不斷增長，鈦及鈦合金憑借其優(yōu)越的材料性能，逐漸被汽車工業(yè)所重視。如何在汽車行業(yè)利用鈦及鈦合金已成為研究的熱點。本文詳細的介紹了鈦合金在汽車發(fā)動機零部件，整車用零部件和防腐蝕零部件的應(yīng)用案例，分析了鈦合金在汽車零件上的應(yīng)用優(yōu)勢及存在的問題，最后對將來車用鈦合金的發(fā)展前景進行了展望。

關(guān)鍵詞：鈦及鈦合金；汽車零部件；應(yīng)用現(xiàn)狀

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.030

0 引言

隨著汽車保有量不斷的持續(xù)快速增長，汽車的排放污染對我國環(huán)境質(zhì)量造成了嚴重威脅。這種現(xiàn)狀使得我國的汽車行業(yè)面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。要解決汽車保有量增加帶來的巨大能源消耗和環(huán)境污染問題，我國的汽車行業(yè)必須采取積極有效的節(jié)能減排措施。汽車 “輕量化”是汽車行業(yè)一項非常重要直接的節(jié)能減排的措施，目前已成為行業(yè)的共識。研究表明，汽車所用燃料約60%消耗于汽車自重，汽車每減輕10%的重量，廢氣排放量可減少10%，可降低油耗 7%[1]。鈦及鈦合金是 20 世紀 50 年代發(fā)展起來的一種非常重要的金屬及合金，它們具有密度小，抗腐蝕性能強，比剛度、比強度高，抗疲勞和蠕變性能好，高溫力學性能優(yōu)等優(yōu)良的綜合性能[2]。鈦及其合金逐漸廣泛的應(yīng)用于汽車行業(yè)，它的使用減輕了車身自重，帶來燃料消耗的降低和工作效率的升高，并提供更低的排放來改善環(huán)境。因此鈦及鈦合金是實現(xiàn)汽車節(jié)能減重的最理想金屬，也是以后汽車設(shè)計制造中重要的發(fā)展方向。

1 鈦及鈦合金在汽車上的應(yīng)用

目前，在國內(nèi)外鈦及鈦合金在汽車產(chǎn)品上的用途主要分為兩大類，第一類的目的是減少原有零件的質(zhì)量，涉及零件主要有發(fā)動機的高速往復運動件和汽車自重。對于高速往復運動零件而言，即使質(zhì)量減少幾克也會對零件性能造成非常大的影響，而降低汽車總質(zhì)量是我們節(jié)能減排的重要措施之一。第二類是用來制作耐腐蝕件，主要包括排氣系統(tǒng)，底盤零件，懸架系統(tǒng)等零件這類所處環(huán)境惡劣的汽車零部件，提高汽車零件的使用壽命。目前為止，汽車上鈦及其合金主要應(yīng)用在發(fā)動機關(guān)鍵元件和底盤部件上。在發(fā)動機系統(tǒng)中，鈦及其合金可制作連桿、閥門彈簧、閥門、閥簧承座等部件；在底盤部件主要為消聲器及其連接件、減震彈簧、半軸和緊固件等[1]，主要使用部位的示意圖如圖1所示[3]。

2 發(fā)動機用零部件

2.1 發(fā)動機氣門

用于發(fā)動機上的進、排氣門，是發(fā)動機中的重要部件。進排氣門工作環(huán)境十分惡劣，它不僅受到高溫燃氣的沖擊，還要承受高頻的往復高應(yīng)力的反復作用。氣門質(zhì)量的輕微改變都會很大程度影響發(fā)動機的性能。鈦合金對于發(fā)動機進排氣門是一種非常理想的結(jié)構(gòu)金屬，利用鈦及其合金來制作發(fā)動機的氣門，可以極大的減輕氣門重量，降低往復慣性力以提高提高轉(zhuǎn)速，延長使用壽命，節(jié)省燃油[4][5]。美國和日本先后有公司把鈦合金氣門應(yīng)用到發(fā)動機上，其中，日本早在20年前就把鈦應(yīng)用于賽車及一部分跑車，如日產(chǎn)R382汽車因采用了鈦合金制氣門，在日本大賽中獲勝。戶田制作所用Ti-6Al-4V生產(chǎn)的進、排氣氣門，降低了氣門質(zhì)量，提高了輕度，從而改善了發(fā)動機的性能，結(jié)果使汽車速度提高10%～15%。采用優(yōu)良的鈦合金粉末制成汽車進、排氣氣門已通過日本豐田公司的應(yīng)用考核，目前已裝配在新型的豐田轎車上[6]，其開發(fā)的氣門如圖2。在美國方面，利用鈦合金制作發(fā)動機進、排氣門比較普遍。由考慮到進排氣門工況的不同，所以采用不同特性的鈦合金，進氣門使采用6Al-4V合金，排氣門使采用Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo合金。

2.2 氣門座

鈦制氣門座廣泛應(yīng)用于是賽車上，它一般用Ti-6Al-4V合金制造，也有采用Ti-5Al-2Cr-1Fe合金制作的。氣門座形狀非常簡單，加工制造成本低廉，也不必要進行一些特殊的表面處理，所以也是最容易推廣的汽車鈦零件。鈦制的氣門座和鋼制的氣門座相比，能減重10 g～12 g[7]。

2.3 連桿

連桿是汽車的高速運動件，用鈦合金制造連桿對提高發(fā)動機性能最有效，鈦制連桿能極大地提高燃油效率，減少排氣量。與鋼制連桿相比，鈦制連桿的重量可以減輕15%-20%，速度提高15%。首次使用鈦合金連桿的汽車是意大利的法拉利（Ferrari）315LV8發(fā)動機與Acura的NSX發(fā)動機 [8]。1992年，日本本田轎車在新型高性能轎車上應(yīng)用Ti-3Al-2V-rareearth材料的鈦合金連桿，極大提高了車輛性能。1999年，保時捷運用Ti-6Al-4V材料制作鈦合金連桿，提高了發(fā)動機轉(zhuǎn)速，增強了發(fā)動機功率，減小了燃料消耗，取得較好效果。國內(nèi)有研究表明，鈦合金連桿和鋼制連桿在保持相同的油膜厚度條件下，采用鈦合金連桿的發(fā)動機轉(zhuǎn)速比采用鋼制連桿的發(fā)動機轉(zhuǎn)速可提高700 r/min。轉(zhuǎn)速的提高可使發(fā)動機的輸出功率大幅度提高，并且降低發(fā)動機的噪聲和排放，有利于環(huán)保。

2.4 曲軸和其它發(fā)動機部件

曲軸是發(fā)動機中重要的運動部件，對其質(zhì)量的減輕可以提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速和降低振動和噪聲。目前，鈦合金曲軸還處于研究階段，日本正在試制Ti-5Al-2Cr-1Fe合金曲軸，但是這種曲軸因需要進行防粘接處理，目前還未實用。其它發(fā)動機部件如搖臂，氣門彈簧，活塞閥，渦輪盤和連桿的連接螺栓等可利用鈦合金來自制造，并有成功的例子，如1999年，豐田公司就在它的汽車上運用了Ti-6Al-4V & PM-Ti材料制作的活塞閥。2000年，三菱公司在汽車上運用了β-titanium alloys簧保持器和γ-TiAl渦輪盤。

3 整車用零部件

3.1 車用彈簧

鈦合金彈簧是汽車上應(yīng)用最廣，也是目前應(yīng)用最成功的零件之一。與汽車使用的普通鋼彈簧相比，有以下6個方面的優(yōu)勢：

（1） 在滿足相同彈性功能的前提下，鈦合金彈簧比鋼制彈簧的高度降低了40%，可以降低車身高度； （2） 因為鈦彈簧彈性極限高，彈性模量低，這就導致彈性應(yīng)變能非常高，是普通鋼制彈簧的 10倍以上，因此，對乘車舒適度有著非常明顯的改善；（3）鈦合金具有優(yōu)異的疲勞極限性能，可以承受較大彎曲疲勞強度的載荷，增長了使用壽命；（4） 車用彈簧往往是裸露在環(huán)境中的，所以要求很強的抗腐蝕性能，鈦合金彈簧不用對表面做額外的防銹處理就能擁有很強的抗腐蝕性能，并且使用壽命比汽車本身還長，無需中間更換；（5）制備彈簧的鈦合金一般為 β 鈦合金，其，加工容易，生產(chǎn)設(shè)備簡單；（6）由于鈦合金的密度小，鈦彈簧的質(zhì)量比鋼彈簧重量減輕60%～70 %，所以在油耗方面表現(xiàn)優(yōu)異。endprint

從以上6個方面的優(yōu)勢，可以看出鈦合金彈簧應(yīng)用到汽車上是非常具有優(yōu)勢的，同時也涌現(xiàn)出一批裝備鈦合金彈簧的汽車。1999年，歐洲大眾汽車公司在Lupo FSI上首次使用了TIMETAL LCB材質(zhì)的鈦合金彈簧。2003年，法拉利采用了同樣材質(zhì)的鈦合金彈簧（圖3）。

3.2 緊固件

目前，鈦合金緊固件在飛機，航天以及船舶上被廣泛的運用，但是在汽車上的應(yīng)用比較少。隨著人們對汽車使用和性能要求的不斷提高，在2009年3月初世界首輛陸空兩用汽車在美國實現(xiàn)了首飛。2010年7月6日，美國Terrafugia公司制造的陸空兩用汽車，被美國航空主管部門允許投入商業(yè)性生產(chǎn)。這些高科技的汽車對零件的特殊要求加大了對鈦合金在汽車上的運用范圍，從目前汽車發(fā)展趨勢來看，未來輕型運輸工具中運用鈦緊固件是一條可行或必須的道路的。

3.3 車體及其他部件

Timet認為鈦及其合金可用在家用汽車中，以大大削減車重，提高效率，降低排放?？梢赃\用的部件包括發(fā)動機元件、懸掛系統(tǒng)、驅(qū)動齒輪系零件、減震緩沖器中心桿、門突入梁、掛耳螺帽和螺栓、控制桿緊固件、車擋支架、從動軸、銷軸栓等。用Ti-6Al-4V合金可制造離合器片、壓力板等變速器部件。日本利用一種新的組合滑動模開發(fā)了一種汽車鈦合金鏈輪。

4 防腐蝕零部件

4.1 回氣管

鈦制尾噴管/回氣管組件由于良好的抗腐蝕性能，可以不受路鹽和含有硫的排出廢氣的腐蝕，不會產(chǎn)生點蝕.并與不銹鋼回氣管相比可減輕40%的重量，同時降低油耗。新型雪佛萊CorvetteZ06型車中，與傳統(tǒng)不銹鋼零件相比每輛汽車可減輕8.2kg重量，這是一個很可觀的重量削減。

4.2 消音器

對于消聲器這樣大尺寸的汽車零件，是節(jié)能減重的重要關(guān)注對象。消聲器減重不僅能減低燃油消耗，更能提高發(fā)動機和車輛的整體性能。目前，汽車在消耗鈦材料一大半都用于消聲器。鈦制消聲器與不銹鋼消聲器相比有如下優(yōu)點：

（1）鈦消聲器比傳統(tǒng)的消聲器減重40%以上；（2）鈦合金焊接性能較好，與不銹鋼相比不容易焊縫開裂；（3） 鈦合金消聲器不受路鹽和含有硫的排出廢氣的腐蝕，耐腐蝕性能優(yōu)于不銹鋼；（4）鈦合金的回收利用要好于不銹鋼；

基于以上鈦合金消聲器的優(yōu)良性能，全球各大汽車廠家紛紛嘗試在自己的產(chǎn)品中運用鈦消聲器。GM公司的2000款雪佛萊Corvette Z06汽車上，用了一個11.8 kg重的鈦消音器和尾氣管系統(tǒng)代替了原來重20 kg的不銹鋼系統(tǒng)，減重41%，強度不變，開創(chuàng)汽車用鈦消聲器的先河[1]。2010年末開始批量生產(chǎn)的雷克薩斯LFA采用了Ti-1.2ASNEX材質(zhì)的消聲器，也取得較好的效果。

5 鈦及鈦合金在汽車上的發(fā)展前景

目前，為了滿足市場對車輛節(jié)油和環(huán)境保護的要求，車輛的設(shè)計的輕量化扮演著越來越重要的地位，這時鈦制汽車零件表現(xiàn)出的優(yōu)異性能，將是汽車設(shè)計開發(fā)重要的發(fā)展方向。在上文中已經(jīng)闡述了鈦及鈦合金在汽車上主要的應(yīng)用部位及相應(yīng)成功的例子，可見在汽車上鈦合金的用途非常的廣泛，但是目前汽車上鈦零件應(yīng)用的還是較少，制約其在汽車上運用的因素還是成本。但是，隨著科學技術(shù)的不斷進步，目前各種低成本鈦合金不斷地研發(fā)成功，在汽車上鈦合金的成本將會越來越低，鈦零件運用將會是有著很大的發(fā)展空間。到2015年，全球的乘用車和商用車產(chǎn)量將超過7700萬輛，其中預計中國貢獻40%左右，約3000萬輛，如果每輛車上有1kg鈦零件使用，那么全球汽車用鈦就將達到77000多噸，中國汽車用鈦達到接近30000噸，這將是非常大的市場。

綜上所述，鈦及鈦合金在汽車行業(yè)的運用將有非常大的發(fā)展前景，它會為汽車的工業(yè)進一步發(fā)展提供強大的推進力。

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基金項目：攀枝花學院2013年校級項目（2013YB45）.

作者簡介：姚杰，男，四川人，碩士，講師，研究方向：新能源汽車。endprint