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钛及钛合金在汽车上的应用

发布时间 :2018-09-28 10:42:22 浏览次数 :

一、钛与钛合金的优点

钛合金是一种新型结构及功能材料,它具有优异的综合性能,密度小,比强度高。钛的密度为 4.51g/cm 3 ,介于铝(2.7g/cm 3 )和铁(7.6g/cm 3 )之间。钛合金的比强度高于铝合金和钢,韧性也与钢铁相当。钛及钛合金抗蚀性能好,优于不锈钢,特别是在海洋大气环境中抵抗氯离子的侵蚀和微氧化气氛下耐蚀性好,钛合金的工作温度较宽,低温钛合金在 -253℃还能保持良好的塑性,而耐热钛合金的工作温度可达 550℃左右,其耐热性明显高于铝合金和镁合金。同时具有良好的加工性、焊接性能。

钛合金材料

钛金属的优点 : 强度高 , 重量轻、耐高温、抗腐蚀性强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 50%, 无磁性 , 热导率低 , 耐腐蚀、对环境无污染等。因此 , 不但宇航工业及化学工业已大量用钛 , 而且作为汽车用材很早就引起人们的注意。汽车用钛可极大减轻车重 , 降低燃料消耗 , 提高工作效率 , 改善环境和降低噪音等。

二、钛合金在汽车上的应用

尽管钛合金已广泛应用于航空航天、石油化工以及舰船工业上,但是在汽车工业中的应用却发展缓慢。从 1956年美国通用公司研制成功第一辆全钛汽车开始,钛制汽车零部件直到 20 世纪80 年代才达到批量生产的水平,90 年代随着豪华汽车、跑车、赛车需求量的逐年增加,钛制零部件才得到了飞快发展。1990 年全世界汽车用钛量仅为 50t,1997 年 达 到 了 500t,2002 年达到了 1100t,2009 年达到了 3000t,预计 2015 年全世界汽车用钛量将突破5000t。目前钛合金零部件有以下几种比较常用。

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1、发动机连杆

钛合金是连杆用材料的理想选择。

用钛合金制造的发动机连杆能有效减轻发动机质量,提高燃油利用率和减少排气量。相比于钢制连杆,钛制连杆可减轻 15% ~ 20% 的质量。钛合金连杆的应用首先在意大利的新型法拉利轿车 3.5LV8 与 Acura 的 NSX 发动机上得到了体现。钛合金连杆所用的材料主要有 Ti - 6Al - 4V、Ti - 10V - 2Fe -3Al、Ti - 3Al - 2.0V 和 Ti - 4Al -4Mo - Sn - 0.5Si 等,其他钛合金材料如 Ti - 4Al - 2Si - 4Mn 和 Ti - 7M -4Mo 等在连杆中的应用也在研发中。

2、发动机气门

用钛合金制造的汽车发动机气门,不但能减轻质量、延长使用寿命,而且可降低油耗和提高汽车的可靠性。钛制气门与钢制气门相比,质量可减少30% ~ 40%,发动机极限转速可提高20%。就目前的应用而言,进气门的材料以 Ti - 6Al - 4V 为主,排气门的材料以 Ti - 6242S 为主,通常 Sn 和 Al 一起被添加,可以得到较低的脆性和较高的强度;Mo 的添加可改善钛合金的热处理性能,加强淬火及时效钛合金的强度,同时增加硬度。

3、气门弹簧座

高强度及耐疲劳性是汽门弹簧座必须具备的性能,β 钛合金为热处理型合金,能通过固溶时效处理来获得很高的强度,相应的比较适合的材料有 Ti·15V - 3Cr - 3Al - 3Sn 与 Ti -15Mo - 3Al - 2.7Nb - 0.2Si。 三 菱汽车在其规模化生产汽车上使用 Ti -22V - 4Al 钛合金汽门弹簧座,较原钢制锁扣减轻了 42% 的质量,气门机构减少了 6% 的惯性质量,发动机最大转速增加了 300r/min。

4、钛合金弹簧

钛及其合金相对于钢材料具有较低的弹性模量,σs/E 值大,适合制造弹性元件。与钢制汽车弹簧相比,在相同弹性功的前提下,钛制弹簧的高度仅为钢弹簧的 40%,质量仅为钢制弹簧的 30% ~ 40%,便于车体设计。另外,钛合金优异的疲劳性能和耐蚀性能可提高弹簧的使用寿命。目前,可用来制造汽车用弹簧的钛合金材料有 Ti -4.5Fe6.8Mo - 1.5Al 和 Ti - 13V11C -3Al 等。

5、涡轮增压器

涡轮增压器可以提高发动机的燃烧效率并增强发动机的功率及扭力。涡轮增压器的轮机转子需要长期工作在 850℃以上的高温废气中,因此要求有很好的耐热性。传统的如铝合金等轻金属,因熔点较低而无法使用。虽然陶瓷材料因为重量轻且耐高温性佳而在轮机转子上得到应用,但由于成本高及形状上无法最佳化而使其应用受限。为了解决这些问题,Tetsui 等人研发了 TiAl轮机转子,经过多次试验验证,其不但具有良好的耐久性及效能,而且也能改善发动机的加速性。此项设计已成功在MitsubishiLancerEvolution 系列车型上得到了商业化应用。

6、排气系统及消声器

钛在汽车的排气系统中使用量较大。用钛及其合金制造的排气系统,不仅可以提高可靠性、延长寿命和改善外观,还可以减少质量及提高燃料燃烧效率。钛制排气系统与钢制排气系统相比,质量可减少约 40%。在 Go1f 系列汽车中,钛制排气系统质量可减少 7 ~ 9kg,目前排气系统使用的钛材主要为工业纯钛。

钛制消声器质量只有 5 ~ 6kg,比不锈钢等消声器轻。2000 款雪佛莱CorvetteZ06 汽车上用一个 11.8kg 的钛消声器和尾气管系统代替原来 20kg 的不锈钢系统,质量减轻了 41%。替代后的系统强度不变,并使汽车速度更快、操作更灵活及节约燃料。消声器使用的钛材同样主要是工业纯钛。

7、车体框架部分

为了提高汽车的安全性和可靠性,需要从设计和制造方面,尤其是制造材料方面进行考虑。钛是一种用来制造车体框架很好的材料,其不仅比强度较高,还具有良好的韧性。在日本,汽车生产厂商选择纯钛金属焊接管制作车身框架,这种框架能够使得驾车者在驾驶时具有足够的安全感。

8、其他钛合金部件

除了以上几种部件,钛还应用于发动机摇臂、悬挂弹簧、发动机活塞销、车用紧固件、挂耳螺帽、汽车门突入梁、汽车挡支架、制动器卡钳活塞、销轴栓、压力板、变速按钮及汽车离合器圆板等汽车零件。

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