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钛材在汽车上的应用

2018-01-11 10:58:49 

1、前言

因钛的轻量、高强度,用作内燃机零件时可提高其性能,所以很早以来就引起了人们的注意。钛零件首先是作为竞赛用摩托车而研究的,并向应用可能的零件上扩大。但是在量贩车应用时,因其价格较高,采用钛零件是困难的。

近年来,由于环境问题,不仅是四轮车(轿车),对二轮车(摩托车或量贩车)也制定了严格的规则,并是世界性地普及,对量贩车的低尾气排放技术、低燃料费用技术的要求也越来越高。然而以往提到低排放、低噪音时总是要涉及到发动机的高输出难题。从这两面来看,既要提高运动性能,又要降低燃料费用的技术手法就必须使零件钛化。面临的长期课题就是成本问题,必须通过以量贩车为对象的钛材开发,应用零件也正在日益扩大。

钛材作为汽车部件材料使用时,其特征如下:抗拉强度和屈服强度大、疲劳强度大、密度小、弹性模量约是钢的一半、热膨胀系数低,约是不锈钢及铝材的一半、非磁性、热导率低、容易产生烧结、对环境无污染等。另外在汽车行业用钛后,可极大减轻汽车重量,降低其燃料消耗,保护环境和降低噪音。

2、发动机阀

近年来,各汽车公司纷纷进行发动机阀用廉价钛材的开发,并有一部分已达到批量化。钛材的制造成本中占材料1/3以上的价格是海绵钛,若用等外海绵钛生产加工材,这样价格自然就会降低。在这种情况下开发了廉价的Ti-6Al-4V基合金。即使用制造阀坯料时也应以降低成本为主。一般说来,阀的锻造坯料将伞部镦锻,采用轴径略相同的丝材。但在制造丝材时,要重复轧制、拉丝、退火工艺,再除取表面氧化层,这样材料的成品率较不好,与棒材相比价格较高。这里所指的阀采用廉价的棒材到锻坯采用的是挤压锻造法耐磨处理时采用的是廉价的OD法。再加之前处理工艺的省略,可大幅度实现零件成本的降低。

2.1进气阀

最近,搭载于二轮车、四轮车用的进气阀的大部分采用的是钛合金中最通用的Ti-6Al-4V。本公司考虑到进气阀的使用环境及批量化,也得出了Ti-6Al-4V为最佳的结论,特别是在二轮车进气阀上的使用。

钛合金制进气阀开发时的最大课题是耐磨性表面处理技术的开发。TiN涂层、Mo注射层及Cr喷镀等表面处理均成本高、且难以长时间维持其耐磨性,不适合大批量生产。最适宜的方法就是氧化处理,即在钛中固溶高浓度的氧,其硬度上升,内部得到了较厚的硬化层。氧化处理基本上是在大气中高温区加热并保温的单纯热处理。但抗蠕变性能低的Ti-6Al-4V制阀属通常的退火组织,在处理中因自重易发生变形。抗蠕变性优良的针状组织为阀的基本组织,但这种组织的延性及疲劳性能较低。因此在β区加热后,通过控制各种冷却条件,防止粗大的α相在晶界析出,就可得到很微细的针状组织,在确保高延展性及与等轴组织一样的疲劳性的同时成功控制了氧化处理时的蠕变变形。采用从实际制造过程中阀轴部切出的试样,评价了其拉伸性能,拉伸性能高达980MPa以上,延伸率也高达12%以上。并确认,即便是针状组织也得到了不逊色于等轴材的高的疲劳特性。施以氧化硬化层以提高阀的耐磨性,但若条件控制得不好,确保的疲劳性能有可能出现极端降低。因此把握最佳的热处理条件特别重要。因此在670~820℃的温度范围施以1~16h的大气热处理,在测定表面性状及表层部硬度分布的同时调查氧化处理条件对疲劳性能的影响。图2所示为在不同的温度下的施以1h氧化处理的试样的表层硬度分布。图3所示为在670℃及820℃下不同时间的氧化处理试样的表层硬度分布。随着处理温度的升高,氧在钛合金内部的扩散距离增长,在更深层就可得到高硬度值。如,在这次试验条件的温度范围内,在最高温长时间的820℃下,4h氧化处理的试样约为50μm,在最低温短时间的670℃,1h处理的试样硬化厚度约为10μm。在表面生成的氧化蚀刻(Ti02),氧就从这里扩散到基体中,在蚀刻正下方最表层部的硬度无论在哪种条件下施以热处理其硬度均是相同的。然而在显微维氏硬度测定可能表层到数μm的深度,在不同的热处理条件下确认有较大的硬度差。同时在一部分的高温长时间的氧化处理条件下,氧化硬化层产生了裂纹,这说明氧化处理不合适。按照上述的顺序所得的氧化硬化层厚度与处理条件的关系,在实际生产中按照这个数据制作了施以氧化处理的发动机阀,并评价了疲劳性能及耐磨性。图4所示为制作的阀施以重复弯曲应力测定的氧化处理阀的S-N曲线。该试验方法可参照文献9。氧化硬化层一增厚,疲劳强度就降低,在670℃处理材中接近未氧化处理的材料则得到了高疲劳强度。在选择氧化处理条件应考虑耐磨性,在考虑到阀的耐磨寿命与要求疲劳特性时应决定合适的氧化处理条件。美国厂家利用钛合金制作进、排气阀较普遍,进气阀使用Ti-6Al-4V合金。利用钛合金制作汽车阀,不仅可减轻重量,延长使用寿命,而且可靠性高,还可节省燃油。日本日立公司制造的烧结进气阀门已供应日本的汽车工业市场。

2.2排气阀

使用中暴露在高温下的排气阀使用的代表性合金是Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si(6242S)。但二轮车较四轮车阀更易长期暴露在高温区,所以又选用了耐热性更好的TIMETAL@1100(Ti-2.7Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si)。该合金在实用钛合金中是耐热性最好合金之一,但其耐用温度约为600℃,而二轮排气阀则要求要有800℃左右的耐热性,所以必须选择最佳的热处理条件,再探讨是否适用。因此在不同的热处理条件下,评价了在室温~800℃下的拉伸特性、耐高温蠕变特性,冲击特性及疲劳特性,以把握最好的材料特性匹配,并在合适的条件下制作发动机阀。施以最佳热处理的TIMETAL@1100在室温~700℃的温度范围,其0.2%屈服强度高于普通钢制排气阀材SUH35,在800℃附近两者基本相同。该合金在800℃下的疲劳性能与SUH35也相同。最担心的抗高温蠕变性能也优于SUH35。也就是说对该合金处理以适当的热处理,就可确保阀的各种特性。
大家已经知道,含Al钛合金在600℃温度区若长时间暴露则会生成α2规则相,致使延性降低。但本合金在该温度区长时间暴露仍保留有足够的延性。

3、排气管及消音器

到目前为止,排气管及消音器多采用普通钢、不锈钢、铝合金、FRP等。这些部件属车体的大型构造部件,容易实现车的轻量化、对降低燃料费用、发动机的输出功率及提高行驶安全性均是重要的。同时因与排气直接接触,在400℃以上的高温下,比起铝合金来钛的耐热性更优良,且比强度比钢高,也容易实现轻量化。钛的热膨胀系数及杨氏模量小于铁素体耐热钢,因热膨胀及收缩产生的应力也减半,有利于热周疲劳性能。如,因热热膨胀产生的应力值(热膨胀系数×杨氏模量)相比较,铁素体系不锈钢为1,奥氏体系不锈钢为1.5,钛仅有0.45。制造排气管、消音器时必须经过冷压、弯曲等各种成形加工,要求材料必须要有好的冷成形性,最通用的就是JIS2类纯钛就有足够的成形性。除此之外,消音器为车体的外装部件,如果钛化则更新颖、更时尚。特别是钛独特的表面肌理最受市场的亲睐。在使用中钛又能变化为各种衍射色,这是钢所不能的。随着二轮车的轻量化,对输出功率及行驶安全性影响较大的排气管及消音器等采用钛的呼声较高。然而这些零件均为车体的大型零零件,材料使用重量增多了势必会影响其成品的价格,所以其价格应比发动机的价格还低。因此我们要确保强度与生产性为重点,开发以纯钛(2类)为基的廉价钛材。纯钛允许的杂质量对机械性能影响较大。因此原材料含的杂质较多时,使用等外海绵钛的主要零件制造工艺的弯曲成形性、焊接性及零件所要求的特性值,决定了化学成分及机械性能,进尔决定了允许的杂质量,应从氧当量观点看进行管理并实用化。这些零件在2002年样品车的CBR954RR FireBlade,CRF450R上使用了。CBR954RR的场合,与以往的不锈钢相比,排气管1.3kg、消音器1.2kg,实现了轻量化的效果。这些车体的轻量化,有助于良好的动力性能、操作稳定性。该消音器的外缸上施以了喷丸处理,其外观漂亮。
钛的弱点之一就是其抗氧化性。其氧化极限温度为排气系耐热不锈钢约为850~1050℃,钛在700℃附近就开始急剧氧化。今后,随着发动机的高输出功率化及新的排气制度的要求,抗氧化性的改善就成为重要的课题。

另外,为了提高意匠性的附加值,对其表面又施以喷丸处理或大气氧化等。若强调钛材所独特的表面肌理时,材料纹理的均匀性就特别重要。本公司在钛建材拥有这面的高的表面控制技术,同样可活用于排气管及消音器。钛制排气管及消音器最早于1997在大型二轮的后期市场初露端睨,于1998年已搭载于大型二轮车。目前已成长为数百吨规模的大市场,搭载钛制排气管、消音器的二轮车已随处可见。即便是四轮车,在重视轻量化及设计性时也已使用了钛制排气管及消音器。

4、汽车零件用新合金的开发及应用研究

前面介绍的均是已开发的钛合金在汽车零件上的使用。另一方面,低成本钛合金的开发也较为活跃,其中之一就是Super-TIX系列合金的开发。其强度与延性的平衡状态如图8所示。Super-TIX系列包括Ti-Al-Fe及Ti-Fe-O-N二大合金系,Ti-Al-Fe合金群多是在已知的合金中不使用V和Mo,采用廉价的Fe来代替,适合在温度上升过程中的用途。如Super-TIX51F就是指Ti-5Al-1Fe,其拉伸强度达1000MPa,与Ti-6Al-4V相当。而Ti-Fe-O-N系合金则不能在太高的温度区使用,但因采用了廉价的Fe及氧及氮,其热加工性能优良。此合金系的代表合金为Ti-1%Fe-0.35%O-0.01%N(Super-TIX800),其拉伸强度约为800MPa,具有优良的热加工性及冷加工性。
类似上述Super-TIX系列是专门为航空以外用途设计的合金,还有β钛合金TIMETAL@LCB(Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5Al),该合金的杨氏莫量低,强度高,正在探讨应用在悬簧上,于2001年已用在德国的国民牌汽车LupoFSI上。

5、结言

轻量及高强度的钛作为汽车零件的使用已从少量向大批量发展。今后,钛在此领域的使用仍有二个大课题需要解决:一是钛的制造成本的大幅度降低;二是耐热性引起的在苛刻条件下的耐蚀性。关于成本的降低,不仅是材料成本,还要降低加工费用。为了实现此目标,原材料厂家、零件生产厂家及汽车厂家均要加强协作,共同推动研究开发我们期待着钛在此领域能有所作为

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