鈦合金在汽車零部件方面的應用

鈦金屬具有密度小、比強度高、耐蝕性好的優點，汽車采用鈦材可極大地減輕車身質量，降低燃料消耗，提高發動機的工作效率，改善環境和降低噪聲。但是昂貴的價格，使得鈦合金在汽車工業中只能在豪華車型和跑車上有一些應用，在普通汽車上鮮有應用。因此，研究與開發適應市場需要的低成本鈦合金是推動其應用于普通家用汽車的關鍵。近些年來，隨著汽車工業的迅猛發展，汽車產生的油耗、環保和安全的問題日益受到人們的關注。展望未來汽車工業的發展方向，輕量化、油耗低及排放少是發展的主題。根據國際權威部門統計的數據，汽車燃料燃燒能量的60%消耗于自身質量，盡管目前高強度薄鋼板、鋁材、鎂材、金屬基復合材料及塑料樹脂類材料在減輕汽車重量方面已經發揮了作用，但是工業用鈦材料的出現使得汽車制造有了更好的選擇。

鈦合金材料在生產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：一是改進傳統鑄鍛工藝，二是采用粉末冶金近凈成形技術。在新型鍛造工藝研制開發中，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，是可以進行冷鍛造的材料，目前日本已經開發出三種冷變形的β鈦合金。β鈦合金也有一些不足，在冷鍛時容易產生不均勻變形，且容易粘附在模具上，因此用冷鍛技術量產β鈦合金零部件還需要進一步的探索與開發。

鈦合金具有質量輕、比強度高、耐腐蝕性好等優點，故被廣泛應用在汽車工業中，應用鈦合金最多的是汽車發動機系統。利用鈦合金制造發動機零件有很多好處，主要表現在：
1）鈦合金的密度低，可以降低運動零件的慣性質量，同時鈦氣門彈簧可以增加自由振動，減弱車身的振顫，提高發動機的轉速及輸出功率。
2）減小運動零件的慣性質量，從而使摩擦力減小，提高發動機的燃油效率。
3）選擇鈦合金可以減輕相關零件的負載應力，縮小零件的尺寸，從而使發動機及整車的質量減輕。
4）零部件慣性質量的降低，使得振動和噪聲減弱，改善發動機的性能。

鈦合金在其他部件上的應用可提高人員的舒適度和汽車的美觀等。在汽車工業上的應用，鈦合金在節能降耗方面起到了不可估量的作用。鈦采用塑性加工，加土尺寸不受限制，又能夠大批量生產，但成材率低，加工過程中產生大量廢屑殘料。針對鈦塑性加工的上述缺點，近年來發展了鈦的粉末冶金工藝。鈦的粉末冶金流程與普通粉末冶金相同，只是燒結必須要在真空下進行。它適用乎生產大批量、小尺寸的零件，特別適用于生產復雜的零部件。這種方法幾乎無須再經過加工處理，成材率高，既可充分利用鈦廢料作原料，又可以降低生產成本，但不能生產大尺寸的鈦件。鈦合金即在工業純鈦中加入合金元素，以提高鈦的強度。鈦合金可分三種：a鈦合金，b鈦合金和a＋b鈦合金。a b鈦合金是由a和b雙相組成，這類合金組織穩定，高溫變形性能、韌性、塑性較好，能進行淬火、時效處理，使合金強化。鈦合金的性能特點主要表現在：
1) 比強度高。鈦合金密度小(4.4kg/dm3)重量輕，但其比強度卻大于超高強度鋼。
2) 熱強性高。鈦合金的熱穩定性好，在300～500℃條件下，其強度約比鋁合金高10倍。
3) 化學活性大。鈦可與空氣中的氧、氮、一氧化碳、水蒸氣等物質產生強烈的化學反應，在表面形成TiC及TiN硬化層。
導熱性差。鈦合金導熱性差，鈦合金TC4在200℃時的熱導率l=16.8W/m·℃，導熱系數是0.036卡/厘米·秒·℃。
1.刀具材料的選擇
刀具材料選用應滿足下列要求：
1）足夠的硬度。刀具的硬度必須要遠大于鈦合金硬度。
2）足夠的強度和韌性。由于刀具切削鈦合金時承受很大的扭矩和切削力，因此必須有足夠的強度和韌性。
3）足夠的耐磨性。由于鈦合金韌性好，加工時切削刃要鋒利，因此刀具材料必須有足夠的抗磨損能力，這樣才能減少加工硬化。這是選擇加工鈦合金刀具最重要的參數。
4）刀具材料與鈦合金親合能力要差。由于鈦合金化學活性高，因此要避免刀具材料和鈦合金形成溶敷、擴散而成合金，造成粘刀、燒刀現象。
2.精度、條件和正確的切削參數
經過對國內常用刀具材料和國外刀具材料進行試驗表明，采用高鈷刀具效果理想，鈷的主要作用能加強二次硬化效果，提高紅硬性和熱處理后的硬度，同時具有較高的韌性、耐磨性、良好的散熱性。
銑刀的幾何參數
鈦合金的加工特性決定刀具的幾何參數與普通刀具存在著較大區別。
螺旋角β 選擇較小的螺旋升角，排屑槽增大，排屑輕易，散熱快，同時也減小切削加工過程中的切削抗力。
前角γ 切削時刃口鋒利，切削輕快，避免鈦合金產生過多切削熱，從而避免產生二次硬化。
后角α 減小刀刃的磨損速度，有利于散熱，耐用度也得到很大程度的提高。
切削參數選擇
鈦合金機加工應選擇較低的切削速度，適當大的進給量，合理的切深和精加工量，冷卻要充分。
切削速度Vc Vc=30～50m/min
進給量f 粗加工時取較大進給量，精加工和半精加工取適中的進給量。
切削深度ap ap=1/3d為宜，鈦合金親合力好，排屑困難，切削深度太大，會造成刀具粘刀、燒刀、斷裂現象。
精加工余量αc適中鈦合金表面硬化層約0.1~0.15mm，余量太小，刀刃切削在硬化層上，刀具輕易磨損，應該避免硬化層加工，但切削余量不宜過大。

鈦合金零部件盡管具有如此優越的性能，但距鈦及其合金普遍應用在汽車工業中還有很大的距離，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及電子束焊、等離子弧焊、激光焊等現代焊接技術的發展，鈦合金的成形及焊接問題已不再是制約鈦合金應用的關鍵因素，阻礙鈦合金普遍應用于汽車工業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的加工，鈦合金的價格都遠遠高于其他金屬。汽車工業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，鈦彈簧、鈦發動機排氣系統及緊固件希望在8美元/kg以下。而目前用鈦材料生產的零件成本比這些價格高了很多，鈦板的生產成本大多數高于33美元/kg，是鋁板材的6～15倍，鋼板材的45～83倍。