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钛标准件、钛异形加工件在汽车制造工业中的应用

发布时间:2020-07-21 22:26:00 浏览次数 :

钛合金材料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2019年全世界汽车用钛量将突破10000t。钛异形加工件在汽车工业有以下主要应用:

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-S n-0.5S i等,其他钛合金材料如Ti-4Al-2S i-4Mn和Ti-7M-4Mo等在连杆中的应用也在研发中。

钛标准件

2、发动机气门

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-6A l-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

钛及钛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Mitsubishi Lancer Evolution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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