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鈦合金在汽車工業的應用現狀

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發表時間:2017-12-27 14:41

鈦合金在汽車工業的應用現狀

目前鈦合金零部件有以下幾種比較常用。

1. 發動機連桿

鈦合金是連桿用材料的理想選擇。用鈦合金制造的發動機連桿能有效減輕發動機質量,提高燃油利用率和減少排氣量。相比于鋼制連桿,鈦制連桿可減輕15%~20%的質量。鈦合金連桿的應用首先在意大利的新型法拉利轎車3.5LV8與Acura的NSX發動機上得到了體現。鈦合金連桿所用的材料主要有Ti-6Al-4V、Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-3Al-2.0V和Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si等,其他鈦合金材料如Ti-4Al-2Si-4Mn和Ti-7M-4Mo等在連桿中的應用也在研發中。

2.發動機氣門

用鈦合金制造的汽車發動機氣門,不但能減輕質量、延長使用壽命,而且可降低油耗和提高汽車的可靠性。鈦制氣門與鋼制氣門相比,質量可減少30%~40%,發動機極限轉速可提高20%。就目前的應用而言,進氣門的材料以Ti-6Al-4V為主,排氣門的材料以Ti-6242S為主,通常Sn和Al一起被添加,可以得到較低的脆性和較高的強度;Mo的添加可改善鈦合金的熱處理性能,加強淬火及時效鈦合金的強度,同時增加硬度。其他具有發展潛力的鈦合金有:

1)進氣門可采用Ti-62S,其特性相當于Ti-6Al-4V,且價格較便宜。

2)排氣門可采用Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo-0.45Si,因為較低的Mo含量,故其耐潛變抵抗性較Ti-6242S優,耐氧化溫度可達600℃。

3)排氣門可采用γ-TiAl,其具有耐高溫及重量輕的特點,但加工時不適合用傳統的鍛造法,僅適合采用鑄造法與粉末冶金法加工。

3.氣門彈簧座

高強度及耐疲勞性是汽門彈簧座必須具備的性能,β鈦合金為熱處理型合金,能通過固溶時效處理來獲得很高的強度,相應的比較適合的材料有Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn與Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si。三菱汽車在其規模化生產汽車上使用Ti-22V-4Al 鈦合金汽門彈簧座,較原鋼制鎖扣減輕了42%的質量,氣門機構減少了6%的慣性質量,發動機最大轉速增加了300r/min。

4.鈦合金彈簧

鈦及其合金相對于鋼材料具有較低的彈性模量,σs/E值大,適合制造彈性元件。與鋼制汽車彈簧相比,在相同彈性功的前提下,鈦制彈簧的高度僅為鋼彈簧的40%,質量僅為鋼制彈簧的30%~40%,便于車體設計。另外,鈦合金優異的疲勞性能和耐蝕性能可提高彈簧的使用壽命。目前,可用來制造汽車用彈簧的鈦合金材料有Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al和Ti-13V11C-3Al等。

5.渦輪增壓器

渦輪增壓器可以提高發動機的燃燒效率并增強發動機的功率及扭力。渦輪增壓器的輪機轉子需要長期工作在850℃以上的高溫廢氣中,因此要求有很好的耐熱性。傳統的如鋁合金等輕金屬,因熔點較低而無法使用。雖然陶瓷材料因為重量輕且耐高溫性佳而在輪機轉子上得到應用,但由于成本高及形狀上無法最佳化而使其應用受限。為了解決這些問題,Tetsui等人研發了TiAl輪機轉子,經過多次試驗驗證,其不但具有良好的耐久性及效能,而且也能改善發動機的加速性。

6.排氣系統及消聲器

鈦在汽車的排氣系統中使用量較大。用鈦及其合金制造的排氣系統,不僅可以提高可靠性、延長壽命和改善外觀,還可以減少質量及提高燃料燃燒效率。鈦制排氣系統與鋼制排氣系統相比,質量可減少約40%。在Golf系列汽車中,鈦制排氣系統質量可減少7~9kg,目前排氣系統使用的鈦材主要為工業純鈦。

鈦制消聲器質量只有5~6kg,比不銹鋼等消聲器輕。2000款雪佛萊CorvetteZ06汽車上用一個11.8kg的鈦消聲器和尾氣管系統代替原來20kg的不銹鋼系統,質量減輕了41%。替代后的系統強度不變,并使汽車速度更快、操作更靈活及節約燃料。消聲器使用的鈦材同樣主要是工業純鈦。

7.車體框架部分

為了提高汽車的安全性和可靠性,需要從設計和制造方面,尤其是制造材料方面進行考慮。鈦是一種用來制造車體框架很好的材料,其不僅比強度較高,還具有良好的韌性。在日本,汽車生產廠商選擇純鈦金屬焊接管制作車身框架,這種框架能夠使得駕車者在駕駛時具有足夠的安全感。

8.其他鈦合金部件

除了以上幾種部件,鈦還應用于發動機搖臂、懸掛彈簧、發動機活塞銷、車用緊固件、掛耳螺帽、汽車門突入梁、汽車擋支架、制動器卡鉗活塞、銷軸栓、壓力板、變速按鈕及汽車離合器圓板等汽車零件。


1.優點

鈦合金具有質量輕、比強度高、耐腐蝕性好等優點,故被廣泛應用在汽車工業中,應用鈦合金最多的是汽車發動機系統。利用鈦合金制造發動機零件有很多好處,主要表現在:

1)鈦合金的密度低,可以降低運動零件的慣性質量,同時鈦氣門彈簧可以增加自由振動,減弱車身的振顫,提高發動機的轉速及輸出功率。

2)減小運動零件的慣性質量,從而使摩擦力減小,提高發動機的燃油效率。

3)選擇鈦合金可以減輕相關零件的負載應力,縮小零件的尺寸,從而使發動機及整車的質量減輕。

4)零部件慣性質量的降低,使得振動和噪聲減弱,改善發動機的性能。

鈦合金在其他部件上的應用可提高人員的舒適度和汽車的美觀等。在汽車工業上的應用,鈦合金在節能降耗方面起到了不可估量的作用。

2.應用限制

鈦合金零部件盡管具有如此優越的性能,但距鈦及其合金普遍應用在汽車工業中還有很大的距離,原因包括價格昂貴、成形性不好及焊接性能差等問題。

隨著近年來鈦合金近凈成形技術及電子束焊、等離子弧焊、激光焊等現代焊接技術的發展,鈦合金的成形及焊接問題已不再是制約鈦合金應用的關鍵因素,阻礙鈦合金普遍應用于汽車工業的最主要原因還是成本過高。


文章分類: 新聞動態
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