鈦及鈦合金在汽車工業領域的發展和應用
發布時間：2021-01-30
時至今日，汽車已有一百多年的歷史，是我們生活當中不可缺少的交通工具。鈦的輕質、高強度等性能早已為汽車制造商所矚目。鈦谷鈦在賽車上應用已有許多年歷史，目前的賽車幾乎都使用了鈦材。但是，普通汽車領域是鈦的一個新興發展市場。
鈦材作為汽車部件材料使用的優點有：強度高、密度小、彈性模量約是鋼的一半、熱膨脹系數低，約是不銹鋼及鋁材的一半、無磁性、熱導率低、對環境無污染等。另外在汽車行業用鈦后，可極大減輕汽車重量，降低其燃料消耗，提高汽車工作效率，降低噪音。
1．鈦合金在汽車上的應用
汽車上典型的鈦合金零件包括：用TiAl制造的渦輪充電器的轉子葉片，用Ti-6A1-4V合金等制造的連桿、閥等。為了實現低成本化，采用粉末冶金法制的Ti-6A1-4Sn-4Zr-1Nb-1Mo-0.2Si-0.3C合金基體中加入TiB粒子彌散的鈦基MMC，制造了發動機閥。除連桿和發動機閥以外，原有的低成本β型鈦合金TImetaL LCB制造的懸簧也是最初的應用例。最近，發動機閥、排氣用的低成本鈦合金的開發取得進展。特別是摩托車的排氣系(消音器)上的鈦合金的需求增大，所以排氣系用低成本合金的開發較為盛行。
表1 鈦制汽車標準部件的應用狀況
1956年，通用汽車公司(GM)和其供貨商裝配了一種展覽用的理想小汽車，其車體是全鈦。自此，GM就一直想在發動機中使用鈦，包括排氣氣門和連桿。目前，一些汽車制造商已在某些型號車中使用了少量鈦零件。例如日本本田汽車公司1994年在NSX賽車3.0L24閥V-6發動機中使用鍛造鈦連桿；三菱汽車公司制造的高容量、四缸發動機中使用了鈦氣門彈簧承座；保時捷汽車中也使用了鈦連桿。隨著鈦的日益發展，在汽車上的特殊用途已大量用作高級車零部件。
1.1、氣門
用鈦合金制作汽車氣門，不僅可減輕重量，延長使用壽命，而且可靠性高，還可節省燃油。排氣門除要求耐熱，耐磨外，還要不含鉛和鈷。美國廠家利用鈦合金制作進、排氣門較普遍，進氣門使用Ti-6A1-4V合金，排氣門使用的是Ti-6A1-2Sn-4Zn-2Mo合金。日本日立公司制造的燒結進氣門已供應日本的汽車工業市場。
美國Howmet鑄造公司用連續鑄造方法生產氣門，每個氣門有1/4重量用鈦，預計新車上每年有2億個氣門的潛在市場，每年有8000萬個氣門的替換市場。
1.2、氣門座
在賽車及運動汽車上，最廣泛使用的鈦材部件是氣門座每年生產25萬個以上，一般是用Ti-6A1-4V合金制作，日本也采用Ti-5A1-2Cr-1Fe合金制作。由于形狀簡單和小巧，所以有機械加式是容易制造的，成本也便宜。不一定需要進行特殊的表面處理，和鋼制的氣門座相比，能減輕10～12克。
1.3、連桿
用鈦合金制造連桿對減輕發動機重量最有效，能大大提高性能。連桿所用材料主要是Ti-6A1-4V，其它如Ti-4A1-2Sn-4Mn，Ti-7A1-4Mo等也在研制中。
1.4、曲軸和其它發動機部件
日本正在試制Ti-5A1-2Cr-Fe合金曲軸，這種曲軸因需要進行防粘接處理，目前還未實用化。其它發動機部件如搖臂，閥簧和連桿的下螺栓等也可利用Ti-6A1-4V合金制造。
日本專門開發的易切削Ti-3A1-2．5V合金曲軸已用于本田280馬力3．O升V6NSX型豪華賽車上，與具有相同疲勞強度的鋼制曲軸比較，重量減輕30％，引擎轉速提高了700r/min。這些研制應用結果表明，鈦在賽車上已被接受并擴大了用量。
1.5、回氣管
采用鈦制尾噴管/回氣管組件不受氯鹽和廢氣中硫的排出引起的腐蝕，其排氣系統不會出現點蝕，甚至在焊接處也不會出現銹蝕，鈦谷有色金屬交易中心與傳統排氣系統材料-不銹鋼相比可減輕40％的重量，同時改善了燃料的經濟性，具有較快加速能力和較短的制動距離。因鈦成本較高，美國鈦金屬公司(Timet)研制出一種特別的表面處理方法，這樣生產的零件有助于滿足汽車制造商的成本標準。新型雪佛萊Corvette Z06汽車上已采用了鈦制回氣管。
1.6、懸簧
鈦彈簧與普通汽車使用的鋼彈簧相比具有重量輕、耐腐蝕性好和低剪切模量(可減少彈簧卷的轉向)。Timet專門為滿足汽車懸簧生產商的成本和零件裝配要求開發了一種鈦合金，該材料保留了航空用鈦合金彈簧的優異性能，且大大降低了成本。最初的生產用量很小，是用在歐洲大眾汽車公司的新型Lupo FSI汽車的齒輪懸簧。Timet與大眾于2001年1月宣布，在Lupo FSI的2001款車上使用鈦懸簧，預計該型號車生產3500輛。
用鈦制成的彈簧可比鋼的減輕60-70％的重量。在一個典型的美國造的5-6座家用車中，通過使用4個懸簧，每輛車就可減重9kg～13.6kg。
1.7、消音器
鈦消音器只有5-6kg，比不銹鋼等消音器輕很多，操作簡便。日本汽車領域的鈦需求(1999年實際需求達457t)基本上全是用于消音器，主要是大型汽車(900cc以上)上使用。日本本田、鈴木等四家較大的廠家已采用鈦制消音器。鈦消音器主要用于大型汽車和個別中型汽車。鈦的耐蝕性、強度、表面意匠性等正在評價中。
GM公司在2000款雪佛萊Corvette 206型汽車上，已經用一個11.8kg重的鈦消音器和尾氣管系統代替了原來重20kg的不銹鋼系統，且強度不變。重量減輕4l％，汽車速度加快、操作靈活且節約燃料。
1.8、車體及其他部件
美國Timet公司認為鈦可以用在家用車輛的其它形式部件中以大大削減重量和提高耐用性，包括發動機元件、驅動齒輪系零件、懸掛系統和結構件。如減震緩沖器中心桿、掛耳螺帽和螺栓、控制桿、緊固件、從動軸、車擋支架、門突人梁、制動器卡鉗活塞、發動機連桿、銷軸栓、閥、閥彈簧和承座等。
用鈦合金Ti-6A1-4V制造離合器片，壓力板等變速器部件，最近開始用高旋壓成型制造鈦合金外殼，與鋼制外殼相比，可以大減輕飛輪的沖擊破壞，使緩沖變得容易。日本學者設計了一種新的組合滑動模，采用下沖式成形開發另一種汽車鏈輪。
1.9、緊固件
對許多類型的緊固件來講都可用鈦取代鋼。在未來輕型運輸工具中鈦緊固件是可行或必須的。
2．汽車用鈦及鈦合金的研究現狀
2.1美國
汽車上用鈦量最多的國家是美國與日本。首先，美國十分重視鈦在汽車上的應用，如Timet專門成立了汽車廠來開發鈦用汽車部件。鈦谷虧損美國已生產出賽車用的鈦制進氣門、排氣門、氣門護圈和連桿等部件，每年專用于汽車上的鈦材達50t。1996在拉斯維加斯召開的國際鈦協會展覽會上展示了Timet用工業純鈦制造的鈦汽車排氣系統，隨后克萊斯勒和GM公司制出了純鈦排氣系統商用樣機，大規模的生產評估正在進行：同時GM公司還在進行Timetal-62S和Timetal-LCB輪軸的研究，并正在考慮把這種合金投入批量生產。另外美國的高性能汽車NSX Acura也使用了鈦連桿，這是批量生產汽車連桿用鈦的一個實例。美國福特汽車公司已確認了幾種在汽車上適用的鈦合金部件為Ti-3A1-8V-6Cr-4Mo-4Zr彈簧、Ti-6A1-4V進氣閥和閥門護圈、Ti-6A1-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-6A1-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si排氣門。該公司在1989年前后生產的鈦彈簧重量只有同等鋼彈簧重量的三分之一，而且更加小巧緊湊．生產的進、排氣門能使汽車消耗一加侖汽油所行的里程延長3～4％。該氣門與鈦彈簧相結合時能夠降低發動機的燃料消耗。
美國開發了一系列低成本鈦合金。如Timet和GM研制出Timetal 62S(Ti-6A1-2Fe-0．1Si)合金被用于汽車發動機部件，性能優于Ti-6A1-4V，成本比Ti-6A1-4V低15％～25％。Timet公司新開發的用于摩托車和汽車排氣系統的鈦合金Timetal Exhaust XT是一種Ti-Fe-Si-O系的合金，合金元素的最高質量分數為：0.5％Fe；0.6％Si；0.15％O。該公司用電子束一次熔煉生產了3.2t的扁錠，熱軋后冷軋成規格為1.65～0.91 mm的帶卷。
美國鈦冶煉公司開發出Timetal1100(Ti-6Al-2.7Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si)合金排氣門，在6000℃時具有抗蠕變強度、抗氧化能力。Timet的Timetal LCB(Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5A1)合金，是為打入汽車市場而專門研制的，它的綜合性能優異，尤其是抗疲勞性能優于其它任何鈦合金，Timetal LCB是一種低成本亞穩態β鈦合金，其主要合金元素是低廉的Fe-Mo合金，屈服強度高于900Mpa，延伸率約為18％，性能不亞于高強度鋼，與使用鋁鉬中間合金相比，使用鉬鐵可使成本降低25％～33％左右。在非公路競賽卡車上已使用了LCB懸掛式彈簧，除了能降低車重之外還有2個優點：響應速率比鋼彈簧更快，因此行駛更加平穩；重量減輕60％，體積縮小25％，壽命超過鋼彈簧的4倍。美國曼利高性能產品公司生產出Ti-1000和Ti-6A1-2Sn-4Zr-2Mo兩種鈦氣門，已參加多種類型的摩托車比賽。
2.2日本
日本早在20年前就把鈦應用于賽車及一部分跑車，但尚未用于重視成本的一般小客車。如日產汽車R382因采用了鈦合金制汽門，在日本大賽中獲勝。目前，鈦及其合金在汽車上的應用主要有發動機部件彈簧，車桿，連桿，標準件，車輪，動力閥等。據日本的經驗，在汽車動力閥使用0.8～0.9kg/臺的鈦相當于減重20kg/臺的效果。
日本對開發鈦在汽車中的應用進行了大量的研究。未來技術研究所開發了SAT64AW，SAT64HM，SAT325HM，Ti-20V-4A1-lSn等汽車用鈦合金。AT64HM，SAT325HM合金具有良好的熱加工性，鉆削性和抗疲勞性能，或做鉆孔多的連桿等部件，切削加工成本較低。日本三菱汽車公司開發的Ti-2V-4A1合金冷加工性好，適用于制造氣門桿。日本戶田制作所用Ti-6Al-4V制作的進氣門和排氣門，鈦谷詐騙改善了發動機的性能，使汽車速度提高10～15％。值得一提的是，在1992年日本東京召開的第29界國際汽車展覽會上，首次展出了鈦制車身外板和鈦制節能低公害發動機汽車，引起了與會者各方面的關注。1996年日本制造的太陽能汽車結構部件上采用鈦，在第四次世界太陽能汽車大賽上取得了名次。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。該車的進氣門使用了采用了粉末冶金法生產的Ti-6A1-4V/TiB合金，排氣門采用了耐熱性的Ti-Al-Zr-Sn-Nb-Mo-Si/TiB合金。該車的發動機為2000cc，采用了1個279的進氣門和249的排氣門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.Og與44.6g，氣門的總重量比鈦材的2倍還多。這種車的氣門彈簧也使用了鈦，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。
日本大同鋼鐵公司研制成一種新型鈦鋁合金，將它應用于制造汽車發動機的排氣門，可大大改善發動機的性能。這種新型鈦鋁合金的成分為Ti-33.5A1-1Nb-0.5Cr-0.5Si(wt％)，其中加入了Nb和Si是為了提高抗氧化性能及抗蠕變性能。與排氣門常用的馬氏體耐熱鋼和鎳基合金相比，該合金的突出特點是比重小(只有馬氏體耐熱鋼的一半)，且導熱性良好。日本金屬材料研究所與韓國機械與金屬研究所合作，采用元素混合法把合金粉末和強化粉末均勻混合、真空燒結、熱等靜壓制成兩種低成本的合金，具有優良的拉伸、蠕變和疲勞性能，可望制成汽車零件。
汽車排氣系用鈦合金的要求的特性必須符合以下4點：
(1)在600℃以上的高溫下有足夠的強度，長時間使用后強度降低小。
(2)在700℃以上的高溫下氧化引起的壁厚的減少十分小。
(3)在室溫下，與JIS 2類、ASTMGr.2純鈦(以下簡稱Gr.2)具有同等以上的成形性(彎曲性、脹形特性、深沖性等)。
(4)在600℃以上的高溫下，低于溫度0.2％屈服強度的一定載重長時間施加也難于變形，即抗蠕變性優良。
日本新日鐵公司開發的汽車排氣系統用Ti-lCu及Ti-1Cu-0．5Nb設計概念及其優良的特性(室溫成形性、高溫強度、耐氧化性、耐蠕變性)。這些合金通過Cu的添加實現了低氧化，必要Nb的添加，原來合金設計思想中所沒有的新理念誕生了，如Super-TIX 10CU及Super-TIX 1OCUNB作為汽車排氣系材料已廣泛地應用。如Super-TIX 10CU從2007年開始已用在鈴木GSX系列的消音器的對耐熱性有要求的部位。2009年開始用在日產GT-Rspec-V及從2010年開始使用在GT-R EGOIST的消音器上(圖-1(a))，與不銹鋼相比約重量減輕了30％。Super-TIX 10CUNB在歐洲最大的排氣系部件制造商Akrapovic不僅用在摩托車上，也用在汽車的消音器(圖1(b))的一部分上均是充分活用了這些合金室溫下的高加工性與高溫強度、高耐氧化性、耐蠕變性，合金設計及制造條件的設定是合適的。i
(1)在600℃以上的高溫下有足夠的強度，長時間使用后強度降低小。
(2)在700℃以上的高溫下氧化引起的壁厚的減少十分小。
(3)在室溫下，與JIS 2類、ASTMGr.2純鈦(以下簡稱Gr.2)具有同等以上的成形性(彎曲性、脹形特性、深沖性等)。
(4)在600℃以上的高溫下，低于溫度0.2％屈服強度的一定載重長時間施加也難于變形，即抗蠕變性優良。
日本新日鐵公司開發的汽車排氣系統用Ti-lCu及Ti-1Cu-0．5Nb設計概念及其優良的特性(室溫成形性、高溫強度、耐氧化性、耐蠕變性)。這些合金通過Cu的添加實現了低氧化，必要Nb的添加，原來合金設計思想中所沒有的新理念誕生了，如Super-TIX 10CU及Super-TIX 1OCUNB作為汽車排氣系材料已廣泛地應用。如Super-TIX 10CU從2007年開始已用在鈴木GSX系列的消音器的對耐熱性有要求的部位。2009年開始用在日產GT-Rspec-V及從2010年開始使用在GT-R EGOIST的消音器上(圖-1(a))，與不銹鋼相比約重量減輕了30％。Super-TIX 10CUNB在歐洲最大的排氣系部件制造商Akrapovic不僅用在摩托車上，也用在汽車的消音器(圖1(b))的一部分上均是充分活用了這些合金室溫下的高加工性與高溫強度、高耐氧化性、耐蠕變性，合金設計及制造條件的設定是合適的。i
來源：搜鈦網
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