汽车零部件中的钛材应用

汽车的构成主要由发动机部分、排气系统、车体及结构部分和传动部分等组成。新一代汽车设计更注重减轻质量、降低燃料消耗、降低发动机噪声和震动、减少环境污染，同时，因速度的提高对安全性也提出了更高要求。在这种需求下，作为高尖端领域使用的钛受到了设计者们的青睐。日本和美国在钛应用到汽车方面一直走在前列。1956年，美国GM公司和其供货商装配了一种车型为FinebirdⅡ的涡轮发动机陈列车，其车体是全钛的，主要用作展览。从此以后，GM公司就非常想在发动机中使用钛，包括气门和连杆。

1.排气系统

传统的尾喷管／回气管组件是采用不锈钢制造的，而钛具有良好的耐卤盐和含硫排放废气腐蚀的性能，在Chevrolet Corvette Z06中使用后，其排气系统避免了点蚀，在焊接处也不会出现锈蚀，同时质量是传统材料的60％，可提高加速能力，并具备较短的制动距离。美国最大的钛材制造商Timet一直与北美排气系统制造商Arvin Meritor合作制造和开发排气系统部件。富士重工株式会社（SUBRAU），采用工业纯钛制作的排气管的价格比不锈钢管的成本增加4～5倍，采用由新日铁生产的工业纯钛材限量生产了440台车用排气管。

2.发动机部分

发动机是汽车动力来源，提高汽车动力除了采用和更新发动机的类型外，通常选择合适的材料也可起到事半功倍的效果。在日本，1998年丰田双门敞篷轿车上采用Ti-6Al-4V／TiB材料粉末冶金法制得的进气阀，采用Ti-Al-Zr-Sn-Nb-Mo-Si／TiB材料制成的排气阀，质量减小了1／2，这类材料在加入Nb和Si后提高了抗氧化性和抗蠕变性能并且密度小、导热性能良好、在540℃以上的条件下强度高于常用合金、有良好的耐磨性。与钢相比，钛的弹性模量低，密度小适合制作弹簧，美国与德国VW公司协作开发了发动机用钛制阀簧。意大利法拉利2003 Enzo型超级汽车的V12发动机采用了钛合金制造的发动机连杆，使其助推速度在3.9s内可达62km／h。

（1）阀 钛发动机阀门比传统的不锈钢阀门轻约45％，采用钛后，转矩降低，使某些发动机节油2％～3％，阀门噪声降低5～10dB。一般进气阀的最大受力区的温度约为300℃，而排气阀的温度会高达760℃。现在大量用于赛车和生产发动机样机中的材料是Ti-6Al-4V（进气阀）和Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si（进气阀和排气阀）。排气阀采用特殊热处理（β相温度区加工接着加以控制的冷却），使之具有极好的力学性能。如果排气阀的工作环境温度较高，排出气体中氧含量增大，用普通钛合金做阀门寿命会有影响。这时需用γ钛铝化合物，它具有工作温度更高，重量更轻的优点。一旦其生产工艺开发完善后，钛铝化合物阀门会比目前高温领域使用的镍基超合金便宜。钛阀门可采用与钢阀门类似的加工方法，阀头用热锻，阀杆用摩擦焊固定上去，然后阀门进行机加工。不同的是阀杆的防磨表面，钢阀是用热处理硬化，镀一层坚硬的铬；钛阀最常用的是火焰喷涂钼工艺。 （2）阀簧承座 阀簧承座的重量对阀门系列的惯性质量起作用，减少重量和减少阀和其他部件重量一样重要。疲劳是其主要设计原则，钛已在赛车上应用多年，其承座一般是从棒材上用机械加工法生产。在大量生产应用时这样做并不节省成本。因此，目前在工艺开发上重点放在粉末冶金法和热／冷成形上。

（3）阀簧 钛可使阀簧减轻可观的重量，除此之外，为避免弹簧共振引起的疲劳尽可能提高共振频率是很重要的，而钛的共振频率比具有相同运行参数的钢簧高40％以上，因而能够避免共振。

（4）连杆 重量减轻的连杆加上轻的活塞和活塞销可以显著改善车辆的噪声、振动与舒适性（NVH），并且，对提高发动机性能和节油具有潜力。钛连杆具有承受大振动力的优点，可在高负载下工作。连杆用坯料可用棒坯高温锻造或用粉末冶金致密成形。到目前为止，Ti-6Al-4V已成为生产连杆的主要合金，通过等离子渗碳／CrN覆层改性、离子注入、喷丸表面强化处理技术，可以提高连杆的抗疲劳性能。为了降低成本开发了主要成分为Ti-3Al-2V的钛合金，通过使稀土金属（REM）的硫化物在其中弥散分布而赋予其易切削性，钛连杆，与以前的钢制连杆相比，质量减小了30％。1994年本田汽车公司Acura部门在NSX赛车中使用锻造钛连杆，用于3.0L24气门-6发动机中钛气门、弹簧应用于三菱汽车公司制造的4缸发动机中。Porsche AG公司也使用了钛连杆。

3.传动与减震部分

国际上钛制造商与汽车制造商联合，对汽车中的传动和减震部分使用钛的可行性进行了深入的研究并已投入批量生产，先后在减震缓冲器用弹簧和中心杆，如图6-27a所示。从动轴、驱动齿轮配件和传动连杆等上，使用的钛合金主要有低成本的β型钛合金弹簧和高强合金系列，α＋β型钛合金系列结构件，如图6-27b所示。宝鸡有色金属加工厂也向日本提供了汽车传动部件样品，如图6-27c所示。汽车用减震弹簧也在研制中。

4.车体框架部分 钛具有高的比强度、良好的耐蚀性（尤其在沿海地区耐海水的侵蚀）以及低的密度，是制造车体框架的良好材料。在日本，汽车制造商采用纯钛级的焊接管制造框架，如图6-28所示。这类框架给在高速公路上高速行驶的驾车者和赛车手们足够的安全感。制造车体框架目前所采用的钛管材执行标准为JIS 4635—2001，牌号为TTP340W，管材规格为Φ31.88mm×1mm×4000mm，化学成分：w（N）≤0.03％w（C）≤0.08％，w（H）≤0.013％，w（O）≤0.20％，w（Fe）≤0.25％，R_m＝340～510MPa，A≥23％。

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图6-27 汽车用钛部件

a）减震缓冲器用弹簧和中心杆 b）汽车用钛合金构件 c）钛合金制汽车传动部件

图6-28 纯钛管制造的车体框架

5.底盘部件

（1）弹簧 钛是理想的弹簧材料，因为它具有高的比强度和低的弹性模量。钛簧和钢簧比又轻又小，密度和弹性模量只有钢簧的一半，而强度却几乎一样。因此，钛簧比钢簧轻70％。β型钛合金如Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr和Timetal LCB，因为强度高被认为是弹簧应用中的最佳选择。钛悬簧比相应的钢簧轻52％。对于汽车中的4个悬置弹簧来说，总重量可减轻约11kg。钛耐蚀性好，不需要涂层，使重量进一步减轻。钛簧的生产与钢簧类似，可以采用相同的设备进行热或冷加工。唯一不同的是，钛绕簧后不进行热处理而进行时效硬化处理。虽然钛簧价格之高仍使一般汽车应用望而却步，但盘状悬簧仍是钛的最大潜在市场。

（2）半轴 钛的强度水平能满足车轴和半轴市场的要求，如Timetal 62S含铁和铝屈服强度896～965MPa，钛轴可减重50％而不增加体积或直径，但刚度有所下降。 （3）紧固件 对于许多类型的紧固件来说，都可用钛取代钢。在未来轻型运输工具中钛紧固件是可行或必需的。

6.赛车及摩托车用钛 从历史看，赛车率先使用钛气门和连杆，从而降低了转矩、功率损失，改善了有关部件振动等特性。日本三菱公司研制的TiAl涡轮增压器使空气的供给压达到50kPa，装配TiAl涡轮增压器的三菱赛车参加了1999年的世界汽车拉力赛，并获得了冠军。目前赛车几乎都使用了钛材。

日本本田公司的摩托车用钛零件研究始于1955年赛车发动机使用的Ti-4Al-4Mn吸排气阀。1962年在RC112赛车上使用了钛制连杆、阀弹簧护筒、挺杆、凸轮传动件等但后来却未能实用。这是因为滑动部位的耐磨处理选择了氮化，所形成的硬化层薄而脆，反而使部件的疲劳强度降低。1979年，在四冲程发动机的赛车中，发动机往复运动部件动阀系统与车体的轻量化技术要求使钛的功能部件的应用研究又活跃起来。在车体零部件中，开发了钛制排气管、套筒、悬架弹簧、链轮、传动链条及螺钉等。

以上这些开发，也将钛在赛车中的应用扩展到普通车。对赛车，是以车最轻、最强为原则设计选择最佳材料和表面处理的开发为主要着眼点，不断改进，从中探讨面向大量生产的普通车的适宜的规格。在普通车的研究中，则主要是材料及表面处理的低成本化生产技术。

普通摩托车零件对钛材料化有以下几点要求：保持可靠耐久的轻质化；采用廉价材料达到可大量生产的低成本化；大量生产中确立低成本的制造体系。依据上述原则，在摩托车发动机中应用的钛零件主要有连杆和进气阀。新开发的改进型Ti-6Al-4V基钛合金，专用于发动机连杆。通过等离子凝壳炉熔炼，使钛废料的再利用成为可能。耐磨性表面处理是通过大气中的加热，进行氧扩散处理，制造成本非常低廉。这种连杆在1987年最先用于VFR750R型普通二轮摩托车上，发动机的性能评价为功率约1.5kW转速约1000r／min。近年来，各汽车公司进行了改进坯料加工的廉价发动机阀的开发并且大量生产。由于海绵钛占材料价格的三分之一，为降低成本，本田公司利用等外海绵钛来制造加工，开发出了Ti-6Al-4V基廉价合金。在阀的坯料制造中，对传统工艺进行了改进。一般来说，如果要用锻造法制出阀的伞部，则要使用与阀的杆部直径相当的棒材，将导致价格较高。本田公司采用挤压锻造法，用廉价的棒材获得了阀的锻造坯耐磨处理采用大气氧化扩散处理，同时还简化了前处理工序，因而大大降低了零件成本。这种阀在2002年样车CRF450R上采用，虽然伞径大，但仍比传统耐热钢质量小40％以上，发动机既轻又紧凑。两轮普通摩托车车体部件的排气管和回气管是车体的大型构件，材料使用量多，与发动机零件相比，更要求低成本化。以两种纯钛为基础，开发了新的廉价材料，使用的原料仍是杂质较多的等外海绵钛。以压力弯曲成形、焊接性和零件所要求的服役特性来确定化学成分和力学性能。这些零件已在2002年的模型车CBR954RR Fire Blade和CRF 450R上采用。为兼顾大型两轮摩托车在低排放、低噪声与发动机高输出的技术要求，有时在排气管的汇集部加装排气联动的可变控制阀装置，采用钛阀和阀体来减重。该阀体和阀形状复杂，考虑到生产性和耐热性，可选择LEVI-CAST法（日本大同特殊钢公司开发）。这种方法适用于活性、高熔点金属，是综合了可悬浮熔炼的冷坩埚炉和控制熔炼室和铸型室的气体压力、向铸模内抽吸的负压精密铸造技术。熔体铸造时的输送时间仅需1～2min，生产效率高，铸造缺陷少，精度高，成本较低。因可变控制阀直接接触800℃的高温排气，所以必须注意抗高温蠕变特性。以铸造时的残留β相控制再结晶晶粒，使韧性和抗高温蠕变兼顾。