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        新能源時代,無法撼動“鈦”的角色

        2018/1/22 8:48:28點擊:

        汽車用鈦現狀

         

         近些年來,隨著汽車工業的迅猛發展,汽車產生的油耗、環保和安全的問題日益受到人們的關注。展望未來汽車工業的發展方向,輕量化、油耗低及排放少是發展的主題。根據國際權威部門統計的數據,汽車燃料燃燒能量的60%消耗于自身質量,盡管目前高強度薄鋼板、鋁材、鎂材、金屬基復合材料及塑料樹脂類材料在減輕汽車重量方面已經發揮了作用,但是工業用鈦材料的出現使得汽車制造有了更好的選擇。

          鈦材最初是在批量化生產的高級車NSX V-6車上使用,接著是在1998年在日本獲獎的豐田雙門敞篷轎車的閥類采用了鈦。該車的進氣閥使用了采用了粉末冶金法生產的Ti-6Al-4V/TiB合金,排氣閥則采用了耐熱性的Ti-Al-Zr-Sn-Nb-Mo-Si/TiB合金。該車的發動機為2000cc,采用了1個27g的進氣閥和24g的排氣閥8個,一輛車用的鈦材總計為408g。原材料為鋼時各自的重量則為40.0g與44.6g,閥的總重量比鈦材的2倍還多。這種車的閥彈簧也使用了鈦,其重量從43g減輕到36g。豐田公司的這種新型車最初生產的臺數為 4000臺,其中一半使用了鈦材。
          另外,日本其它公司使用鈦的例子則是本田S2000及R型車。歐洲的一些車上則在批量化生產的連接軸也采用了鈦。

        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。此項設計已成功在Mitsubishi Lancer Evolution系列車型上得到了商業化應用。

          

        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。


        汽車用鈦優劣


        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。

          無論是金屬最初的冶煉還是后續的加工,鈦合金的價格都遠遠高于其他金屬。汽車工業能夠接受的鈦制零件成本,用連桿鈦材8~13美元/kg,氣閥用鈦材13~20美元/kg,彈簧、發動機排氣系統及緊固件用鈦材希望在8美元/kg以下。而目前用鈦材料生產的零件成本比這些價格高了很多,鈦板材的生產成本大多數高于33美元/kg,是鋁板材的6~15倍,鋼板材的45~83倍。


         汽車用鈦展望

          

            將鈦材大量用于汽車的開端是特殊處所的部件對鈦的采用。當然車體鋼板還不能考慮用價格比其高50~100倍的鈦板代替,開發的特殊處所的部件用途,是通過今后設計與生產技術的發展而擴大的,并可考慮追加新的特殊用途。應解決的問題是通過削減成本將鈦部件用途從特殊狀態向大量生產過渡。得到廉價的海綿鈦是有希望的,但要通過大幅度改進克羅爾法或亨特法來實現的可能性則不大。Fray法目前則在試驗階段,很有可能是極有前途的新技術。在目前情況下,粉末冶金技術與冷爐床熔化或等離子熔煉技術等都有望削減鈦產品的成本。鈦材的廠商與用戶若簽訂長期價格合同也有可能降低成本。通過盡可能利用生產鋼鐵的大型設備,對汽車用鈦材的穩定供應與質量保證也至關重要。

         

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