鈦合金在汽車零部件方面的應(yīng)用

鈦金屬具有密度小、比強(qiáng)度高、耐蝕性好的優(yōu)點(diǎn)，汽車采用鈦材可極大地減輕車身質(zhì)量，降低燃料消耗，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，改善環(huán)境和降低噪聲。但是昂貴的價(jià)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(chǎng)需要的低成本鈦合金是推動(dòng)其應(yīng)用于普通家用汽車的關(guān)鍵。近些年來，隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車產(chǎn)生的油耗、環(huán)保和安全的問題日益受到人們的關(guān)注。展望未來汽車工業(yè)的發(fā)展方向，輕量化、油耗低及排放少是發(fā)展的主題。根據(jù)國(guó)際權(quán)威部門統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，汽車燃料燃燒能量的60%消耗于自身質(zhì)量，盡管目前高強(qiáng)度薄鋼板、鋁材、鎂材、金屬基復(fù)合材料及塑料樹脂類材料在減輕汽車重量方面已經(jīng)發(fā)揮了作用，但是工業(yè)用鈦材料的出現(xiàn)使得汽車制造有了更好的選擇。

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(diǎn)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(shí)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)。

鈦合金具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)機(jī)系統(tǒng)。利用鈦合金制造發(fā)動(dòng)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(yùn)動(dòng)零件的慣性質(zhì)量，同時(shí)鈦氣門彈簧可以增加自由振動(dòng)，減弱車身的振顫，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及輸出功率。
2）減小運(yùn)動(dòng)零件的慣性質(zhì)量，從而使摩擦力減小，提高發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)和噪聲減弱，改善發(fā)動(dòng)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。鈦采用塑性加工，加土尺寸不受限制，又能夠大批量生產(chǎn)，但成材率低，加工過程中產(chǎn)生大量廢屑?xì)埩稀ａ槍?duì)鈦塑性加工的上述缺點(diǎn)，近年來發(fā)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(jié)必須要在真空下進(jìn)行。它適用乎生產(chǎn)大批量、小尺寸的零件，特別適用于生產(chǎn)復(fù)雜的零部件。這種方法幾乎無須再經(jīng)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(chǎn)成本，但不能生產(chǎn)大尺寸的鈦件。鈦合金即在工業(yè)純鈦中加入合金元素，以提高鈦的強(qiáng)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(wěn)定，高溫變形性能、韌性、塑性較好，能進(jìn)行淬火、時(shí)效處理，使合金強(qiáng)化。鈦合金的性能特點(diǎn)主要表現(xiàn)在：
1) 比強(qiáng)度高。鈦合金密度小(4.4kg/dm3)重量輕，但其比強(qiáng)度卻大于超高強(qiáng)度鋼。
2) 熱強(qiáng)性高。鈦合金的熱穩(wěn)定性好，在300～500℃條件下，其強(qiáng)度約比鋁合金高10倍。
3) 化學(xué)活性大。鈦可與空氣中的氧、氮、一氧化碳、水蒸氣等物質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，在表面形成TiC及TiN硬化層。
導(dǎo)熱性差。鈦合金導(dǎo)熱性差，鈦合金TC4在200℃時(shí)的熱導(dǎo)率l=16.8W/m·℃，導(dǎo)熱系數(shù)是0.036卡/厘米·秒·℃。
1.刀具材料的選擇
刀具材料選用應(yīng)滿足下列要求：
1）足夠的硬度。刀具的硬度必須要遠(yuǎn)大于鈦合金硬度。
2）足夠的強(qiáng)度和韌性。由于刀具切削鈦合金時(shí)承受很大的扭矩和切削力，因此必須有足夠的強(qiáng)度和韌性。
3）足夠的耐磨性。由于鈦合金韌性好，加工時(shí)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(shù)。
4）刀具材料與鈦合金親合能力要差。由于鈦合金化學(xué)活性高，因此要避免刀具材料和鈦合金形成溶敷、擴(kuò)散而成合金，造成粘刀、燒刀現(xiàn)象。
2.精度、條件和正確的切削參數(shù)
經(jīng)過對(duì)國(guó)內(nèi)常用刀具材料和國(guó)外刀具材料進(jìn)行試驗(yàn)表明，采用高鈷刀具效果理想，鈷的主要作用能加強(qiáng)二次硬化效果，提高紅硬性和熱處理后的硬度，同時(shí)具有較高的韌性、耐磨性、良好的散熱性。
銑刀的幾何參數(shù)
鈦合金的加工特性決定刀具的幾何參數(shù)與普通刀具存在著較大區(qū)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(shí)也減小切削加工過程中的切削抗力。
前角γ 切削時(shí)刃口鋒利，切削輕快，避免鈦合金產(chǎn)生過多切削熱，從而避免產(chǎn)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(shù)選擇
鈦合金機(jī)加工應(yīng)選擇較低的切削速度，適當(dāng)大的進(jìn)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(jìn)給量f 粗加工時(shí)取較大進(jìn)給量，精加工和半精加工取適中的進(jìn)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(huì)造成刀具粘刀、燒刀、斷裂現(xiàn)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(yīng)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(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(jià)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(jià)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，鈦彈簧、鈦發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)及緊固件希望在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(jià)格高了很多，鈦板的生產(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。