汽車制造用TC4鈦合金板

詳細(xì)描述

TC4鈦合金材料的特點：

TC4鈦合金具有密度小，硬度高、可焊接性能好以及成形性能好的優(yōu)勢，其應(yīng)用領(lǐng)域也極為廣泛。TC4鈦合金在兩相區(qū)主要以再結(jié)晶的軟化機(jī)制為主，而在高溫單相區(qū)以動態(tài)回復(fù)機(jī)制為主。TC4鈦合金隨著不同工藝的變化，在壓下量相同的情況下，實測軋制力逐漸降低，而軋后表面溫度逐漸升高 ；在溫度相同的情況下，壓下量越大，實測軋制力越大，而軋后表面溫度則降低。

經(jīng)過實測軋制力與軋后表面溫度的理論仿真模擬計算，本次單道次軋制試驗實測數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)變化規(guī)律一致，說明所獲加工安全溫度為890℃～ 1000℃和失穩(wěn)區(qū)范圍為700℃～ 850℃的結(jié)果是合理的。以下為利泰金屬TC4鈦板供貨標(biāo)準(zhǔn):

產(chǎn)品名稱：TC4鈦合金板、TC4鈦板

牌號：Gr5，TC4

標(biāo)準(zhǔn)：ASTM B265，ASME SB265，DIN17851，TiA16Zr5Mo1.5，JIS4100-2007，GB3461-2007

尺寸

冷軋：厚0.02mm×5mm ×寬1500mm以下×長2500mm以下 熱軋：厚5mm×100mm ×寬3000mm以下×長6000mm以下

鈦金屬具有密度小、比強度高、耐蝕性好的優(yōu)點，汽車采用鈦材料可極大地減輕車身質(zhì)量，降低燃料消耗，提高發(fā)動機(jī)的工作效率，改善環(huán)境和降低噪聲。但是昂貴的價格，使得鈦合金在汽車工業(yè)中只能在豪華車型和跑車上有一些應(yīng)用，在普通汽車上鮮有應(yīng)用。因此，研究與開發(fā)適應(yīng)市場需要的低成本鈦合金是推動其應(yīng)用于普通家用汽車的關(guān)鍵。

鈦合金在汽車工業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

盡管鈦合金已廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工以及艦船工業(yè)上，但是在汽車工業(yè)中的應(yīng)用卻發(fā)展緩慢。從1956年美國通用公司研制成功第一輛全鈦汽車開始，鈦制汽車零部件直到20世紀(jì)80年代才達(dá)到批量生產(chǎn)的水平，90年代隨著豪華汽車、跑車、賽車需求量的逐年增加，鈦制零部件才得到了飛快發(fā)展。1990年全世界汽車用鈦量僅為50t，1997年達(dá)到了500t，2002年達(dá)到了1100t，2009年達(dá)到了3000t，預(yù)計2015年全世界汽車用鈦量將突破5000t。目前鈦合金零部件有以下幾種比較常用。

1、發(fā)動機(jī)連桿

鈦合金是連桿用材料的理想選擇。用鈦合金制造的發(fā)動機(jī)連桿能有效減輕發(fā)動機(jī)質(zhì)量，提高燃油利用率和減少排氣量。相比于鋼制連桿，鈦制連桿可減輕15%～20%的質(zhì)量。鈦合金連桿的應(yīng)用首先在意大利的新型法拉利轎車3.5LV8與Acura的NSX發(fā)動機(jī)上得到了體現(xiàn)。鈦合金連桿所用的材料主要有Ti-6Al-4V、Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-3Al-2.0V和Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si等，其他鈦合金材料如Ti-4Al-2Si-4Mn和Ti-7M-4Mo等在連桿中的應(yīng)用也在研發(fā)中。

2、發(fā)動機(jī)氣門

用鈦合金制造的汽車發(fā)動機(jī)氣門，不但能減輕質(zhì)量、延長使用壽命，而且可降低油耗和提高汽車的可靠性。鈦制氣門與鋼制氣門相比，質(zhì)量可減少30%～40%，發(fā)動機(jī)極限轉(zhuǎn)速可提高20%。就目前的應(yīng)用而言，進(jìn)氣門的材料以Ti-6Al-4V為主，排氣門的材料以Ti-6242S為主，通常Sn和Al一起被添加，可以得到較低的脆性和較高的強度；Mo的添加可改善鈦合金的熱處理性能，加強淬火及時效鈦合金的強度，同時增加硬度。其他具有發(fā)展?jié)摿Φ拟伜辖鹩校?/p>

1）進(jìn)氣門可采用Ti-62S，其特性相當(dāng)于Ti-6Al-4V，且價格較便宜。

2）排氣門可采用Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo-0.45Si，因為較低的Mo含量，故其耐潛變抵抗性較Ti-6242S優(yōu)，耐氧化溫度可達(dá)600℃。

3）排氣門可采用γ-TiAl，其具有耐高溫及重量輕的特點，但加工時不適合用傳統(tǒng)的鍛造法，僅適合采用鑄造法與粉末冶金法加工。

3、氣門彈簧座

高強度及耐疲勞性是汽門彈簧座必須具備的性能，β鈦合金為熱處理型合金，能通過固溶時效處理來獲得很高的強度，相應(yīng)的比較適合的材料有Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn與Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si。三菱汽車在其規(guī)模化生產(chǎn)汽車上使用Ti-22V-4Al 鈦合金汽門彈簧座，較原鋼制鎖扣減輕了42%的質(zhì)量，氣門機(jī)構(gòu)減少了6%的慣性質(zhì)量，發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)速增加了300r/min。

4、鈦合金彈簧

鈦及其合金相對于鋼材料具有較低的彈性模量，σs/E值大，適合制造彈性元件。與鋼制汽車彈簧相比，在相同彈性功的前提下，鈦制彈簧的高度僅為鋼彈簧的40%，質(zhì)量僅為鋼制彈簧的30%～40%，便于車體設(shè)計。另外，鈦合金優(yōu)異的疲勞性能和耐蝕性能可提高彈簧的使用壽命。目前，可用來制造汽車用彈簧的鈦合金材料有Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al和Ti-13V11C-3Al等。

5、渦輪增壓器

渦輪增壓器可以提高發(fā)動機(jī)的燃燒效率并增強發(fā)動機(jī)的功率及扭力。渦輪增壓器的輪機(jī)轉(zhuǎn)子需要長期工作在850℃以上的高溫廢氣中，因此要求有很好的耐熱性。傳統(tǒng)的如鋁合金等輕金屬，因熔點較低而無法使用。雖然陶瓷材料因為重量輕且耐高溫性佳而在輪機(jī)轉(zhuǎn)子上得到應(yīng)用，但由于成本高及形狀上無法最佳化而使其應(yīng)用受限。為了解決這些問題，Tetsui等人研發(fā)了TiAl輪機(jī)轉(zhuǎn)子，經(jīng)過多次試驗驗證，其不但具有良好的耐久性及效能，而且也能改善發(fā)動機(jī)的加速性。此項設(shè)計已成功在Mitsubishi Lancer Evolution系列車型上得到了商業(yè)化應(yīng)用。

6、排氣系統(tǒng)及消聲器

鈦在汽車的排氣系統(tǒng)中使用量較大。用鈦及其合金制造的排氣系統(tǒng)，不僅可以提高可靠性、延長壽命和改善外觀，還可以減少質(zhì)量及提高燃料燃燒效率。鈦制排氣系統(tǒng)與鋼制排氣系統(tǒng)相比，質(zhì)量可減少約40%。在Golf系列汽車中，鈦制排氣系統(tǒng)質(zhì)量可減少7～9kg，目前排氣系統(tǒng)使用的鈦材主要為工業(yè)純鈦。

鈦制消聲器質(zhì)量只有5～6kg，比不銹鋼等消聲器輕。2000款雪佛萊CorvetteZ06汽車上用一個11.8kg的鈦消聲器和尾氣管系統(tǒng)代替原來20kg的不銹鋼系統(tǒng)，質(zhì)量減輕了41%。替代后的系統(tǒng)強度不變，并使汽車速度更快、操作更靈活及節(jié)約燃料。消聲器使用的鈦材同樣主要是工業(yè)純鈦。

7、車體框架部分

為了提高汽車的安全性和可靠性，需要從設(shè)計和制造方面，尤其是制造材料方面進(jìn)行考慮。鈦是一種用來制造車體框架很好的材料，其不僅比強度較高，還具有良好的韌性。在日本，汽車生產(chǎn)廠商選擇純鈦金屬焊接管制作車身框架，這種框架能夠使得駕車者在駕駛時具有足夠的安全感。

8、其他鈦合金部件

除了以上幾種部件，鈦還應(yīng)用于發(fā)動機(jī)搖臂、懸掛彈簧、發(fā)動機(jī)活塞銷、車用緊固件、掛耳螺帽、汽車門突入梁、汽車擋支架、制動器卡鉗活塞、銷軸栓、壓力板、變速按鈕及汽車離合器圓板等汽車零件。

鈦合金的應(yīng)用優(yōu)缺點

1、優(yōu)點

鈦合金具有質(zhì)量輕、比強度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點，故被廣泛應(yīng)用在汽車工業(yè)中，應(yīng)用鈦合金最多的是汽車發(fā)動機(jī)系統(tǒng)。利用鈦合金制造發(fā)動機(jī)零件有很多好處，主要表現(xiàn)在：

1）鈦合金的密度低，可以降低運動零件的慣性質(zhì)量，同時鈦氣門彈簧可以增加自由振動，減弱車身的振顫，提高發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速及輸出功率。

2）減小運動零件的慣性質(zhì)量，從而使摩擦力減小，提高發(fā)動機(jī)的燃油效率。

3）選擇鈦合金可以減輕相關(guān)零件的負(fù)載應(yīng)力，縮小零件的尺寸，從而使發(fā)動機(jī)及整車的質(zhì)量減輕。

4）零部件慣性質(zhì)量的降低，使得振動和噪聲減弱，改善發(fā)動機(jī)的性能。

鈦合金在其他部件上的應(yīng)用可提高人員的舒適度和汽車的美觀等。在汽車工業(yè)上的應(yīng)用，鈦合金在節(jié)能降耗方面起到了不可估量的作用。

2、應(yīng)用限制

鈦合金零部件盡管具有如此優(yōu)越的性能，但距鈦及其合金普遍應(yīng)用在汽車工業(yè)中還有很大的距離，原因包括價格昂貴、成形性不好及焊接性能差等問題。

隨著近年來鈦合金近凈成形技術(shù)及電子束焊、等離子弧焊、激光焊等現(xiàn)代焊接技術(shù)的發(fā)展，鈦合金的成形及焊接問題已不再是制約鈦合金應(yīng)用的關(guān)鍵因素，阻礙鈦合金普遍應(yīng)用于汽車工業(yè)的最主要原因還是成本過高。

無論是金屬最初的冶煉還是后續(xù)的加工，鈦合金的價格都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他金屬。汽車工業(yè)能夠接受的鈦制零件成本，用連桿鈦材8～13美元/kg，氣閥用鈦材13～20美元/kg，彈簧、發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)及緊固件用鈦材希望在8美元/kg以下。而目前用鈦材料生產(chǎn)的零件成本比這些價格高了很多，鈦板材的生產(chǎn)成本大多數(shù)高于33美元/kg，是鋁板材的6～15倍，鋼板材的45～83倍。

汽車用鈦合金研究現(xiàn)狀

目前，降低成本是汽車工業(yè)用鈦合金的主要研究方向。針對汽車工業(yè)用鈦合金成本分布的特點，材料研發(fā)工作者主要從以下兩個方面來達(dá)到降低成本的目的：開發(fā)新型低成本合金體系和使用新型加工制備技術(shù)。

1、新型低成本鈦合金體系

各國工作者研發(fā)新型低成本鈦合金體系，主要著眼以下方面：使用廉價合金元素的合金設(shè)計和改善加工特性的合金設(shè)計。其中代表有日本和美國，我國國內(nèi)也成功開發(fā)出了兩種低成本鈦合金，即Ti8LC與Ti12LC。在車用低成本鈦合金成分設(shè)計中，常使用的廉價合金元素有Fe、Cr、Si、Al等。

2、新型加工制備技術(shù)

鈦合金材料在生產(chǎn)過程中加工成本占總成本的60%以上，因此在降低成本方面，怎樣降低鈦合金的加工成本成為重點研究的方向。這方面的研究主要分為兩方面：一是改進(jìn)傳統(tǒng)鑄鍛工藝，二是采用粉末冶金近凈成形技術(shù)。

在新型鍛造工藝研制開發(fā)中，冷鍛法是目前鈦合金制造汽車零部件最寄予希望的方法之一。β鈦合金在常溫下變形阻力小，切削加工成形好，是可以進(jìn)行冷鍛造的材料，目前日本已經(jīng)開發(fā)出三種冷變形的β鈦合金。β鈦合金也有一些不足，在冷鍛時容易產(chǎn)生不均勻變形，且容易粘附在模具上，因此用冷鍛技術(shù)量產(chǎn)β鈦合金零部件還需要進(jìn)一步的探索與開發(fā)。

在降低鈦合金加工成本方面，粉末冶金是一項很重要的技術(shù)。在粉末冶金汽車零部件制造方面，傳統(tǒng)的壓制—燒結(jié)方法仍然處在主導(dǎo)地位，主要包括元素粉末法（BE）和預(yù)合金粉末法（PA）。目前元素粉末法因為其簡單的工藝及更低的成本，在低成本汽車鈦合金粉末冶金領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛。近年來，其他的粉末冶金技術(shù)也在不斷出現(xiàn)，包括激光成形技術(shù)、金屬粉末注射成形（MIM）等技術(shù)，在車用復(fù)雜零部件試制與生產(chǎn)方面得到了廣泛的應(yīng)用，可大大的縮短產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)周期，進(jìn)一步的降低成本。