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钛管钛板等钛合金材料在汽车排气减振车体框架中的应用案例

发布时间:2021-06-29 23:00:49 浏览次数 :

钛及钛合金具有密度小、机械性能优异、生物相容性好、耐腐蚀、耐高温、低温韧性好等特点,目前已被大量应用干航空航天、船舶、汽车制造、医疗器械和运动器械等领域。

钛合金密度只有钢的60% ,而强度可以达到800MPa以上,在500℃左右仍然保持良好的机械性能, 且焊接和成形性能都较好,在20多年以前就已经被应用于赛车的制造上,大幅减轻了赛车发动机的质量,同时提高了发动机性能。随着现代汽车工业的不断发展,人们对汽车的安全、舒适以及油耗等方面提出了更高的要求,这也促使钛及钛合金在汽车工业中得到更多的应用。

汽车用钛合金

钛合金在汽车上的应用

目前,汽车制造中所使用的钛合金零部件主要分布住汽车排气系统、发动机系统、传动和减振系统以及车体框架部分。

1、排气系统

汽车排气系统材料要求具有较好的高温力学性能和耐S、Cl元素腐蚀性能。传统的排气门组件都是由不锈钢制备的,但是人们发现钛合金在性能方面更加适合用作排气门材料。在新型的雪佛兰CorvetteZ206汽车上使用的钛制回气管,有效地避免了不锈钢管上出现的点蚀和焊缝锈蚀等问题,同时还提高了燃油的燃烧效率和加速能力,缩短了制动距离。美国最大的钛材制造商Timet一直致力于钛合金排气系统的研发与制造,日本多家公司也开展了相关的研制工作,目前,富士重工株式会社已经限量生产了440套钛合金车用排气管。

2、发动机系统

汽车发动机系统是汽车领域使用钛合金最多的部件。旱在20多年前,美国赛车手手Warren Johnson首次使用装备五气门增压式804cc发动机的质量只有85kg的赛车参赛,由于发动机转速由7 500r/min提高到了9 000r/min, 因此在1993年举行的7次比赛中5次夺冠。钛合金在发动机系统上的应用主要有气门、连杆、曲轴、气门座等零部件。日本本田汽车公司在NSX赛车V一6发动机中使用了锻造钛连杆;三菱汽车公司制造的高容量、四缸发动机中使用了钛气门弹簧座,保时捷汽车中也使用了钛连杆。

1)气门

钛合金气门方面,美国和日本都进行了大量的研究工作,美国目前普遍使用Ti一6Al一4V合金制造进气门,使用Ti—6Al—2Sn一4Zr—2Mo合金制造排气门;而日本丰田公司则使用Ti一6Al—4V/TiB合金制备进气门,使用Ti—Al一Zr—Sn—Mo-Nb—Si/TiB合金制备排气门。这几类钛合金都具有较好的高温力学性能、抗氧化和抗蠕变性能,有效改善了发动 机性能,提高了汽车速度。

2)气门座

钛合金气门座在赛车和运动汽车上已得到广泛的应用,每年生产25万套以上, 主要采用Ti一6Al一4V或Ti一5Al—2Cr一1Fe合金制备,由于气门座形状比较简单,所以在机械加工方面要求不高,且不需要特殊的表面处理,成本较为便宜,但在汽车减重方面效果明显。

3)连杆

钛合金连杆的使用能够有效减轻发动机的质量 ,提断汽车性能。目前主要的制备材料为Ti一6Al-4V合金。日本大同株式会社目前正在开发一种两项钛合金Ti一3Al一2V一0.2S i一0.47Ce一0.27La,该合金具有良好的切削性, 在力学性能、疲劳性能和抗耐腐蚀性方面也较为优异, 期望用在发动机的急加速、急减速的连杆部件上。

(4)曲轴

钛合金曲轴目前然没有得到广泛的使用,似是日本专门开发的Ti一3Al一2.5V合金已经在本田赛车上面得到验 ,在有效减轻质量的同时,将发动机转速提高了700r/min,证明了钛合金曲轴的优越。同时,日本已经 在试制Ti一5Al一2Cr一Fe合金曲轴,期望钛合金金在曲轴部件上得到更加广泛的应用。

3、减振系统

汽车减振悬挂系统的核心部件就是悬簧。钛合金相比于一般汽车弹簧用钢而言,具有更高的比强度和更低的的切变模 量,抗疲劳强度也较高,更加适合用作制造汽车减振弹簧。由于弹簧的挠度和圈数呈正比,与材料的切变模最反比,此,钛合金弹簧在达到相同弹簧反应的情 况下,比钢制弹簧需要更少的圈数,有效减轻了弹簧质最,节约了空间。同时,钛合金弹簧还能够有效提高弹簧的共振频频率,提高其使用寿命。目前大部分的钛合金弹簧是用单相β合金制制备。德国大众公司已经在部分汽车上使用Lupo FSI钛合金齿轮弹簧,用量约为3500辆。

4、车体框架

车体框架部件 ,铁合金较高的比强度,较低的密度以及良好的耐蚀性能,都说明其是良好的车体框架制备材料。目前,已经有汽车公司在车档支架、制动器卡钳活塞等部件使用钛合金。变速器部件中, 日本目前正在开发种高旋压成型法制备钛合金外壳的工艺,与钢制外壳相比,钛合金外壳更好地减轻飞轮的冲击, ,缓冲效果更好。

另外,钛合金还存汽车紧固件等部件上得到了应用,随着钛合金制备工艺和汽车工业的不断发展,钛合金必将在汽车零部件上得到更多的应用。

钛管

钛合金对汽车轻量化的意义

国外研究机构测算发现,当汽车整备质量下降10%,油耗可降低6%~8%。还有研究表明,汽车每减重91kg,平均每升燃油可多行驶0.43km。因此,随着我国经济的不断发展,汽车保有量的不断增加,汽车轻量化已经成为减少能源消牦,降低空气污染的重要途径之一。

钛及钛合金材料因其出色的物理化学性能,目前在汽车零部件中得到了大量应用。钛材料的使用不仅有效提高了汽车的性能和安全系数,还在汽车轻量化方面发挥了重要作用,有效减轻了汽车整备质量,降低了燃油消耗。

汽车排气系统采用钛制尾喷管一同气管组件相比于传统不锈钢系统,大约能够减重8.2kg。 而发动机零部件中气门、连杆等部件使川用钛合金制品替代传统钢和铸铁材料都 能够有效减轻发动机质量。根据日本汽车行业的研究,汽车动力阀使用约0.8kg钛材料零件相当20kg钢制零件所达到的效果;每个钛制气门座卡相比于钢制气门座能够减轻10g左右的质量;连杆和曲轴用于钛合金,对减轻发动机质量最为有效。减振系统上面,每个钛合金弹簧可比钢制弹簧减轻60%以上的质量,以每辆车4个悬簧计算,换用铁钛合金弹簧之后,每辆车可减重9~13.6kg。 另外,钛合金消音器的质量只有5~6kg,比不锈钢消音器轻了40%。以普通中型轿车为例,如果用现有的钛合金汽车零件替换掉传统的零件,汽车整备质量将由原求的1 500kg/左右减重至1000kg左右,减重率可达30%,综合油耗可降低20%以上 ,这将大大减少全世界的燃油消耗,有效缓解能源紧缺和环境污染的问题。

以上数掂显示,钛合金的使用在汽车轻量化方面效果明显,在现代汽车工业中,应不断开发钛及钛合金在汽车零部件中的应用技术,提高钛合金在汽车上的应用比例。

钛板

结论

目前钛合金在我国汽车行业中的应用还 是处于尝试阶段。仔在的主要问题是铁合金材料成本过高,零部件不易加工等。因此,未来的主要任务应该是通过开发廉价的钛合金材料,降低钛合金原材料的生产成术等方式,降低钛合金零部件价格,通过改善加工上艺提高钛合金零部件的加工效率。国外的经作用,推动汽车工业的不断发展。

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