摘 要：隨著對(duì)低油耗高性能汽車需求的不斷增長，鈦及鈦合金憑借其優(yōu)越的材料性能，逐漸被汽車工業(yè)所重視。如何在汽車行業(yè)利用鈦及鈦合金已成為研究的熱點(diǎn)。本文詳細(xì)的介紹了鈦合金在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零部件，整車用零部件和防腐蝕零部件的應(yīng)用案例，分析了鈦合金在汽車零件上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及存在的問題，最后對(duì)將來車用鈦合金的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：鈦及鈦合金；汽車零部件；應(yīng)用現(xiàn)狀

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.030

0 引言

隨著汽車保有量不斷的持續(xù)快速增長，汽車的排放污染對(duì)我國環(huán)境質(zhì)量造成了嚴(yán)重威脅。這種現(xiàn)狀使得我國的汽車行業(yè)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。要解決汽車保有量增加帶來的巨大能源消耗和環(huán)境污染問題，我國的汽車行業(yè)必須采取積極有效的節(jié)能減排措施。汽車 “輕量化”是汽車行業(yè)一項(xiàng)非常重要直接的節(jié)能減排的措施，目前已成為行業(yè)的共識(shí)。研究表明，汽車所用燃料約60%消耗于汽車自重，汽車每減輕10%的重量，廢氣排放量可減少10%，可降低油耗 7%[1]。鈦及鈦合金是 20 世紀(jì) 50 年代發(fā)展起來的一種非常重要的金屬及合金，它們具有密度小，抗腐蝕性能強(qiáng)，比剛度、比強(qiáng)度高，抗疲勞和蠕變性能好，高溫力學(xué)性能優(yōu)等優(yōu)良的綜合性能[2]。鈦及其合金逐漸廣泛的應(yīng)用于汽車行業(yè)，它的使用減輕了車身自重，帶來燃料消耗的降低和工作效率的升高，并提供更低的排放來改善環(huán)境。因此鈦及鈦合金是實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能減重的最理想金屬，也是以后汽車設(shè)計(jì)制造中重要的發(fā)展方向。

1 鈦及鈦合金在汽車上的應(yīng)用

目前，在國內(nèi)外鈦及鈦合金在汽車產(chǎn)品上的用途主要分為兩大類，第一類的目的是減少原有零件的質(zhì)量，涉及零件主要有發(fā)動(dòng)機(jī)的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)件和汽車自重。對(duì)于高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)零件而言，即使質(zhì)量減少幾克也會(huì)對(duì)零件性能造成非常大的影響，而降低汽車總質(zhì)量是我們節(jié)能減排的重要措施之一。第二類是用來制作耐腐蝕件，主要包括排氣系統(tǒng)，底盤零件，懸架系統(tǒng)等零件這類所處環(huán)境惡劣的汽車零部件，提高汽車零件的使用壽命。目前為止，汽車上鈦及其合金主要應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵元件和底盤部件上。在發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，鈦及其合金可制作連桿、閥門彈簧、閥門、閥簧承座等部件；在底盤部件主要為消聲器及其連接件、減震彈簧、半軸和緊固件等[1]，主要使用部位的示意圖如圖1所示[3]。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)用零部件

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)氣門

用于發(fā)動(dòng)機(jī)上的進(jìn)、排氣門，是發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要部件。進(jìn)排氣門工作環(huán)境十分惡劣，它不僅受到高溫燃?xì)獾臎_擊，還要承受高頻的往復(fù)高應(yīng)力的反復(fù)作用。氣門質(zhì)量的輕微改變都會(huì)很大程度影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。鈦合金對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣門是一種非常理想的結(jié)構(gòu)金屬，利用鈦及其合金來制作發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門，可以極大的減輕氣門重量，降低往復(fù)慣性力以提高提高轉(zhuǎn)速，延長使用壽命，節(jié)省燃油[4][5]。美國和日本先后有公司把鈦合金氣門應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)上，其中，日本早在20年前就把鈦應(yīng)用于賽車及一部分跑車，如日產(chǎn)R382汽車因采用了鈦合金制氣門，在日本大賽中獲勝。戶田制作所用Ti-6Al-4V生產(chǎn)的進(jìn)、排氣氣門，降低了氣門質(zhì)量，提高了輕度，從而改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，結(jié)果使汽車速度提高10%～15%。采用優(yōu)良的鈦合金粉末制成汽車進(jìn)、排氣氣門已通過日本豐田公司的應(yīng)用考核，目前已裝配在新型的豐田轎車上[6]，其開發(fā)的氣門如圖2。在美國方面，利用鈦合金制作發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣門比較普遍。由考慮到進(jìn)排氣門工況的不同，所以采用不同特性的鈦合金，進(jìn)氣門使采用6Al-4V合金，排氣門使采用Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo合金。

2.2 氣門座

鈦制氣門座廣泛應(yīng)用于是賽車上，它一般用Ti-6Al-4V合金制造，也有采用Ti-5Al-2Cr-1Fe合金制作的。氣門座形狀非常簡(jiǎn)單，加工制造成本低廉，也不必要進(jìn)行一些特殊的表面處理，所以也是最容易推廣的汽車鈦零件。鈦制的氣門座和鋼制的氣門座相比，能減重10 g～12 g[7]。

2.3 連桿

連桿是汽車的高速運(yùn)動(dòng)件，用鈦合金制造連桿對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能最有效，鈦制連桿能極大地提高燃油效率，減少排氣量。與鋼制連桿相比，鈦制連桿的重量可以減輕15%-20%，速度提高15%。首次使用鈦合金連桿的汽車是意大利的法拉利（Ferrari）315LV8發(fā)動(dòng)機(jī)與Acura的NSX發(fā)動(dòng)機(jī) [8]。1992年，日本本田轎車在新型高性能轎車上應(yīng)用Ti-3Al-2V-rareearth材料的鈦合金連桿，極大提高了車輛性能。1999年，保時(shí)捷運(yùn)用Ti-6Al-4V材料制作鈦合金連桿，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，增強(qiáng)了發(fā)動(dòng)機(jī)功率，減小了燃料消耗，取得較好效果。國內(nèi)有研究表明，鈦合金連桿和鋼制連桿在保持相同的油膜厚度條件下，采用鈦合金連桿的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速比采用鋼制連桿的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可提高700 r/min。轉(zhuǎn)速的提高可使發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率大幅度提高，并且降低發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲和排放，有利于環(huán)保。

2.4 曲軸和其它發(fā)動(dòng)機(jī)部件

曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中重要的運(yùn)動(dòng)部件，對(duì)其質(zhì)量的減輕可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和降低振動(dòng)和噪聲。目前，鈦合金曲軸還處于研究階段，日本正在試制Ti-5Al-2Cr-1Fe合金曲軸，但是這種曲軸因需要進(jìn)行防粘接處理，目前還未實(shí)用。其它發(fā)動(dòng)機(jī)部件如搖臂，氣門彈簧，活塞閥，渦輪盤和連桿的連接螺栓等可利用鈦合金來自制造，并有成功的例子，如1999年，豐田公司就在它的汽車上運(yùn)用了Ti-6Al-4V & PM-Ti材料制作的活塞閥。2000年，三菱公司在汽車上運(yùn)用了β-titanium alloys簧保持器和γ-TiAl渦輪盤。

3 整車用零部件

3.1 車用彈簧

鈦合金彈簧是汽車上應(yīng)用最廣，也是目前應(yīng)用最成功的零件之一。與汽車使用的普通鋼彈簧相比，有以下6個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：

（1） 在滿足相同彈性功能的前提下，鈦合金彈簧比鋼制彈簧的高度降低了40%，可以降低車身高度； （2） 因?yàn)殁亸椈蓮椥詷O限高，彈性模量低，這就導(dǎo)致彈性應(yīng)變能非常高，是普通鋼制彈簧的 10倍以上，因此，對(duì)乘車舒適度有著非常明顯的改善；（3）鈦合金具有優(yōu)異的疲勞極限性能，可以承受較大彎曲疲勞強(qiáng)度的載荷，增長了使用壽命；（4） 車用彈簧往往是裸露在環(huán)境中的，所以要求很強(qiáng)的抗腐蝕性能，鈦合金彈簧不用對(duì)表面做額外的防銹處理就能擁有很強(qiáng)的抗腐蝕性能，并且使用壽命比汽車本身還長，無需中間更換；（5）制備彈簧的鈦合金一般為 β 鈦合金，其，加工容易，生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單；（6）由于鈦合金的密度小，鈦彈簧的質(zhì)量比鋼彈簧重量減輕60%～70 %，所以在油耗方面表現(xiàn)優(yōu)異。endprint

從以上6個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)，可以看出鈦合金彈簧應(yīng)用到汽車上是非常具有優(yōu)勢(shì)的，同時(shí)也涌現(xiàn)出一批裝備鈦合金彈簧的汽車。1999年，歐洲大眾汽車公司在Lupo FSI上首次使用了TIMETAL LCB材質(zhì)的鈦合金彈簧。2003年，法拉利采用了同樣材質(zhì)的鈦合金彈簧（圖3）。

3.2 緊固件

目前，鈦合金緊固件在飛機(jī)，航天以及船舶上被廣泛的運(yùn)用，但是在汽車上的應(yīng)用比較少。隨著人們對(duì)汽車使用和性能要求的不斷提高，在2009年3月初世界首輛陸空兩用汽車在美國實(shí)現(xiàn)了首飛。2010年7月6日，美國Terrafugia公司制造的陸空兩用汽車，被美國航空主管部門允許投入商業(yè)性生產(chǎn)。這些高科技的汽車對(duì)零件的特殊要求加大了對(duì)鈦合金在汽車上的運(yùn)用范圍，從目前汽車發(fā)展趨勢(shì)來看，未來輕型運(yùn)輸工具中運(yùn)用鈦緊固件是一條可行或必須的道路的。

3.3 車體及其他部件

Timet認(rèn)為鈦及其合金可用在家用汽車中，以大大削減車重，提高效率，降低排放。可以運(yùn)用的部件包括發(fā)動(dòng)機(jī)元件、懸掛系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)齒輪系零件、減震緩沖器中心桿、門突入梁、掛耳螺帽和螺栓、控制桿緊固件、車擋支架、從動(dòng)軸、銷軸栓等。用Ti-6Al-4V合金可制造離合器片、壓力板等變速器部件。日本利用一種新的組合滑動(dòng)模開發(fā)了一種汽車鈦合金鏈輪。

4 防腐蝕零部件

4.1 回氣管

鈦制尾噴管/回氣管組件由于良好的抗腐蝕性能，可以不受路鹽和含有硫的排出廢氣的腐蝕，不會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)蝕.并與不銹鋼回氣管相比可減輕40%的重量，同時(shí)降低油耗。新型雪佛萊CorvetteZ06型車中，與傳統(tǒng)不銹鋼零件相比每輛汽車可減輕8.2kg重量，這是一個(gè)很可觀的重量削減。

4.2 消音器

對(duì)于消聲器這樣大尺寸的汽車零件，是節(jié)能減重的重要關(guān)注對(duì)象。消聲器減重不僅能減低燃油消耗，更能提高發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛的整體性能。目前，汽車在消耗鈦材料一大半都用于消聲器。鈦制消聲器與不銹鋼消聲器相比有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）鈦消聲器比傳統(tǒng)的消聲器減重40%以上；（2）鈦合金焊接性能較好，與不銹鋼相比不容易焊縫開裂；（3） 鈦合金消聲器不受路鹽和含有硫的排出廢氣的腐蝕，耐腐蝕性能優(yōu)于不銹鋼；（4）鈦合金的回收利用要好于不銹鋼；

基于以上鈦合金消聲器的優(yōu)良性能，全球各大汽車廠家紛紛嘗試在自己的產(chǎn)品中運(yùn)用鈦消聲器。GM公司的2000款雪佛萊Corvette Z06汽車上，用了一個(gè)11.8 kg重的鈦消音器和尾氣管系統(tǒng)代替了原來重20 kg的不銹鋼系統(tǒng)，減重41%，強(qiáng)度不變，開創(chuàng)汽車用鈦消聲器的先河[1]。2010年末開始批量生產(chǎn)的雷克薩斯LFA采用了Ti-1.2ASNEX材質(zhì)的消聲器，也取得較好的效果。

5 鈦及鈦合金在汽車上的發(fā)展前景

目前，為了滿足市場(chǎng)對(duì)車輛節(jié)油和環(huán)境保護(hù)的要求，車輛的設(shè)計(jì)的輕量化扮演著越來越重要的地位，這時(shí)鈦制汽車零件表現(xiàn)出的優(yōu)異性能，將是汽車設(shè)計(jì)開發(fā)重要的發(fā)展方向。在上文中已經(jīng)闡述了鈦及鈦合金在汽車上主要的應(yīng)用部位及相應(yīng)成功的例子，可見在汽車上鈦合金的用途非常的廣泛，但是目前汽車上鈦零件應(yīng)用的還是較少，制約其在汽車上運(yùn)用的因素還是成本。但是，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前各種低成本鈦合金不斷地研發(fā)成功，在汽車上鈦合金的成本將會(huì)越來越低，鈦零件運(yùn)用將會(huì)是有著很大的發(fā)展空間。到2015年，全球的乘用車和商用車產(chǎn)量將超過7700萬輛，其中預(yù)計(jì)中國貢獻(xiàn)40%左右，約3000萬輛，如果每輛車上有1kg鈦零件使用，那么全球汽車用鈦就將達(dá)到77000多噸，中國汽車用鈦達(dá)到接近30000噸，這將是非常大的市場(chǎng)。

綜上所述，鈦及鈦合金在汽車行業(yè)的運(yùn)用將有非常大的發(fā)展前景，它會(huì)為汽車的工業(yè)進(jìn)一步發(fā)展提供強(qiáng)大的推進(jìn)力。

參考文獻(xiàn)：

[1]李中，陳偉等.鈦在汽車上的應(yīng)用[J].世界有色金屬， 2010（01）：66-69.

[2]彭昂，毛振東.鈦合金的研究進(jìn)展與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].船電技術(shù)，2012，10（10）：57-60.

[3]Friedrich H et al. Titanium in Automotive Applications-nightmare， Vision or Reality[M]. Weinheim： TMS， 2003：3393

[4] Toshiya Yamaguchi et al. Development of P/M Titanium Engine Valves[J].SAE 2000-01-0905

[5]燕來榮.現(xiàn)代汽車上的鈦合金[J].交通與運(yùn)輸，2006（03）：66-67.

[6]肖永清.詮釋現(xiàn)代車用鈦合金的應(yīng)用及前景[J].鋁加工，2008（01）：41-43.

[7]馮穎芳.發(fā)展中的汽車用鈦合金[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2002（03）：9-11.

[8]羅鷹.鋁、鎂、鈦合金材料在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用[J].上海汽車，2009，03（03）：43-45.

基金項(xiàng)目：攀枝花學(xué)院2013年校級(jí)項(xiàng)目（2013YB45）.

作者簡(jiǎn)介：姚杰，男，四川人，碩士，講師，研究方向：新能源汽車。endprint