汽车用钛及钛合金的现状与展望

2023年11月27日发(作者：宝骏530自动挡价格)

汽车用钛及钛合金的现状与展望

时至今日，汽车已有一百多年的历史，是我们生活当中不可缺少的交通工具。 钛

的轻质、高强度等性能早已为汽车制造商所瞩目。钛在赛车上应用已有许多年 历史，

目前的赛车几乎都使用了钛材。但是，普通汽车领域是钛的一个新兴发展 市场。

钛材作为汽车部件材料使用的优点有：强度高、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、无磁性、热导率低、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，提 高汽车工作

效率，降低噪音。

1 .钛合金在汽车上的应用

汽车上典型的钛合金零件包括：用制造的涡轮充电器的转子叶片，用

TiAlTi-6A1-

4VTi-6A1-4Sn-4Zr-

合金等制造的连杆、阀等。为了实现低成本化，采用粉末冶金法制的

1Nb-1Mo-0.2Si-0.3CTiBMMC

合金基体中加入 粒子弥散的钛基 ,制造了发动机阀。除连

杆和发动机阀以外，原有的低成本型钛合金 制造的悬簧也是最初的应

0TIMETAL LCB

用例。最近，发动机阀、排气用的低成 本钛合金的开发取得进展。特别是摩托车的排

气系（消音器）上的钛合金的需求增 大，所以排气系用低成本合金的开发较为盛行。

表钛制汽车标准部件的应用状况

1

年代 郃件名称 原材料 制造商 车种

1992 Ti -2Al -2V - RE Acura NSX

1994 Ti -6A] -4V Feran\'

1996 Ti -6A1 -4V

_ 1丽 剖动衬里雄屈捎 毂姆就

1WS TiGr.1 s

1期 齿轮转换装置邦L 本田

1999 Ti -6AI-4V Pblsh dn

IW9

1999 Ti -6Al -4V

2000 Timeul WK VW

3000 T1 3 6A] =4V

2W0 u-Ti

2000

2001 GM TiGr.2 CorvtHe Z 06

连打 本用

连杆 12气缸

轮圈螺拴 周Ish 体仔4：的任选轮

制物油缸里闻 4茸

鑫打

阀美 T4=6R1 T邛丸 TVMT1 车用 Alttraa 6 气缸

涡轮充电器的轮子 戴姆勒 F?军柴油机

能簧 褊坤FSF

轮凰爆检 M - Tevhn.配件

阀疑喊闹界 三菱 LEI5气缸的全部

涡轮充电器的轮子

排包装过

轮圈螺桂 体育包装GT 1

阀类 尼桑 Ti-6A1-4V 及 P/MTi

总叠

TiGr.2

ricr.i 5 )

三菱

VW Ti -6A1 -4V

Ferary 2003 Timdal LCB 360 StraJalc

邑-缎

2()02 IllFinili Q 45

Lan—r

1956(GM)

年，通用汽车公司和其供货商装配了一种展览用的理想小汽车， 其车

体是全钛。自此，就一直想在发动机中使用钛，包括排气气门和连杆。 目前，一

GM

些汽车制造商已在某些型号车中使用了少量钛零件。例如日本本田汽车 公司年

1994

在赛车阀发动机中使用锻造钛连杆；三菱汽车公 司制造的高容量、

NSX3.0L24V-6

四缸发动机中使用了钛气门弹簧承座；保时捷汽车中也使用了 钛连杆。随着钛的日益

发展，在汽车上的特殊用途已大量用作高级车零部件。

1.1 气门

用钛合金制作汽车气门，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。排气门除要求耐热，耐磨外，还要不含铅和钻。美国厂家利用钛 合金制作

进、排气门较普遍，进气门使用 合金，排气门使用的是

Ti-6A1-4VTi-6A1-2Sn-4Zn-2Mo

合金。日本日立公司制造的烧结进气门已供应日本的汽车 工业市场。

美国铸造公司用连续铸造方法生产气门 每个气门有重量用钛， 预

Howmet1/4

计新车上每年有亿个气门的潜在市场，每年有万个气门的替换市场。

28000

1.2 气门座

在赛车及运动汽车上，最广泛使用的钛材部件是气门座每年生产万个以 上，

25

一般是用合金制作，日本也采用合金制作。由 于形状简单

Ti-6A1-4VTi-5A1-2Cr-1Fe

和小巧，所以有机械加式是容易制造的，成本也便宜。不一定需要进 行特殊的表面处

理，和钢制的气门座相比，能减轻-克。

1012

1.3 连杆

用钛合金制造连杆对减轻发动机重量最有效，能大大提高性能。连杆所用材 料

主要是，其它如等也在研制中。

Ti-6A1-4VTi-4A1-2Sn-4Mn , Ti-7A1-4Mo

1.4 曲轴和其它发动机部件

日本正在试制合金曲轴，这种曲轴因需要进行防粘接处理， 目前

Ti-5A1-2Cr-Fe

还未实用化。其它发动机部件如摇臂，阀簧和连杆的下螺栓等也可利用 合

Ti-6A1-4V

金制造。

日本专门开发的易切削合金曲轴已用于本田马力升

Ti-3A1-2 . 5V2803 . O V6NSX

型豪华赛车上，与具有相同疲劳强度的钢制曲轴比较 重量减轻引擎转速提高了

30%,

700r/min

。这些研制应用结果表明，钛在赛车上已被接受并扩 大了用量。

1.5 回气管

采用钛制尾喷管/回气管组件不受氯盐和废气中硫的排出引起的腐蚀，其排 气系

统不会出现点蚀，甚至在焊接处也不会出现锈蚀，与传统排气系统材料-不 锈钢相比

可减轻%的重量，同时改善了燃料的经济性，具有较快加速能力和 较短的制动距离。

40

因钛成本较高，美国钛金属公司研制出一种特别的表 面处理方法，这样生产

（Timet）

的零件有助于满足汽车制造商的成本标准。新型雪佛莱 汽车上已采用了

Corvette Z06

钛制回气管。

1.6 悬簧

钛弹簧与普通汽车使用的钢弹簧相比具有重量轻、耐腐蚀性好和低剪切模量 可

（

减少弹簧卷的转向。专门为满足汽车悬簧生产商的成本和零件装配要 求开发

）Timet

了一种钛合金，该材料保留了航空用钛合金弹簧的优异性能，且大大降低 了成本。最

初的生产用量很小，是用在欧洲大众汽车公司的新型汽车 的齿轮悬簧。

Lupo FSITimet

与大众于年月宣布，在的款车上使 用钛悬簧，预计该型号车

20011Lupo FSI2001

生产辆。

3500

用钛制成的弹簧可比钢的减轻的重量。在一个典型的美国造的座家用

60-70%5-6

车中，通过使用个悬簧，每辆车就可减重。

49kg13.6kg

?

1.7 消音器

钛消音器只有，比不锈钢等消音器轻很多，操作简便。日本汽车领域 的钛

5-6kg

需求年实际需求达基本上全是用于消音器，主要是大型汽车 以

（1999457t）（900cc

上上使用。日本本田、铃木等四家较大的厂家已采用钛制消音器。钛 消音器主要用

）

于大型汽车和个别中型汽车。钛的耐蚀性、强度、表面意匠性等正 在评价中。

GM2000Corvette 20611.8kg

公司在款雪佛莱型汽车上，已经用一个重 的钛消

音器和尾气管系统代替了原来重的不锈钢系统，且强度不变。重量 减轻%,汽

20kg4l

车速度加快、操作灵活且节约燃料。

1.8 车体及其他部件

美国公司认为钛可以用在家用车辆的其它形式部件中以大大削减重 量和

Timet

提高耐用性，包括发动机元件、驱动齿轮系零件、悬挂系统和结构件。如减 震缓冲器

中心杆、挂耳螺帽和螺栓、控制杆、紧固件、从动轴、车挡支架、门突 人梁、制动器

卡钳活塞、发动机连杆、销轴栓、阀、阀弹簧和承座等。

用钛合金制造离合器片，压力板等变速器部件，最近开始用高旋 压成

Ti-6A1-4V

型制造钛合金外壳，与钢制外壳相比，可以大减轻飞轮的冲击破坏，使缓冲 变得容易。

日本学者设计了一种新的组合滑动模，采用下冲式成形开发另一种汽 车链轮。

对许多类型的紧固件来讲都可用钛取代钢。在未来轻型运输工具中钛紧固件 是

可行或必须的。

2 .汽车用钛及钛合金的研究现状

2.1 美国

汽车上用钛量最多的国家是美国与日本。首先，美国十分重视钛在汽 车上的应

用，如专门成立了汽车厂来开发钛用汽车部件。美国已生 产出赛车用的钛制

Timet

进气门、排气门、气门护圈和连杆等部件，每年专用于 汽车上的钛材达。

50t1996

在拉斯维加斯召开的国际钛协会展览会上展示 了 用工业纯钛制造的钛汽车排

Timet

气系统，随后克莱斯勒和 公司制

GM

出了纯钛排气系统商用样机，大规模的生产评估正在进行：同时 公司 还在进行

GM

Timetal-62STimetal-LCB

和轮轴的研究，并正在考虑把这种合 金投入批量生产。另

外美国的高性能汽车 也使用了钛连杆，这

NSX Acura

是批量生产汽车连杆用钛的一个实例。美国福特汽车公司已确认了几种在 汽车上适

用的钛合金部件为弹簧、进气 阀和阀门护圈、

Ti-3A1-8V-6Cr-4Mo-4ZrTi-6A1-4VTi-

6A1-2Sn-4Zr-2MoTi-6A1-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si 1989

、排气门。 该公司在年前后生产的

钛弹簧重量只有同等钢弹簧重量的三分之一， 而且更加小巧紧凑.生产的进、排气门

能使汽车消耗一加仑汽油所行的里 程延长?%。该气门与钛弹簧相结合时能够降

34

低发动机的燃料消耗。

美国开发了一系列低成本钛合金。如 和研制出

TimetGMTimetal

62S(Ti-6A1-2Fe-0 .1Si)Ti-6A1-4V , Ti-

合金被用于汽车发动机部件，性能优于成本比

6A1-4V15%~ 25Timet

低%。公司新开发的用于摩托车和汽车 排气系统的钛合金

Timetal Exhaust XTTi-Fe-Si-O0.5 %

是一种系的合金，合金 元素的最高质量分数为：

Fe ; 0.6 % Si ; 0.15 % O3.2t

。该公司用电子束一 次熔炼生产了 的扁锭，热轧后冷轧成

规格为?的带卷。

1.650.91 mm

美国钛冶炼公司开发出 合金排气门，

Timetal1100(Ti-6Al-2.7Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si)

在时具有抗蠕变强度、抗氧化能力。的

6000℃TimetTimetal LCB(Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5A1)

合金，是为打入汽车市场而专门研制的，它的 综合性能优异，尤其是抗疲劳性能优于

其它任何钛合金，是一 种低成本亚稳态钛合金，其主要合金元素是低

Timetal LCBB

廉的合金，屈服强度 高于，延伸率约为，性能不亚于高强度钢，

Fe-Mo900Mpa18%

与使用铝钼中间 合金相比，使用钼铁可使成本降低 %~ %左右。在非公路竞赛卡

2533

车上 已使用了 悬挂式弹簧，除了能降低车重之外还有 个优点：响应速率

LCB2

比钢弹簧更快，因此行驶更加平稳；重量减轻 %，体积缩小%，寿命 超过钢弹

60 25

簧的倍。美国曼利高性能产品公司生产出和 两种钛气

4Ti-1000Ti-6A1-2Sn-4Zr-2Mo

门，已参加多种类型的摩托车比赛。

日本早在年前就把钛应用于赛车及一部分跑车，但尚未用于重视成 本的一

20

般小客车。如日产汽车因采用了钛合金制汽门，在日本大赛中 获胜。目前，钛

R382

及其合金在汽车上的应用主要有发动机部件弹簧，车杆， 连杆，标准件，车轮，动

力阀等。据日本的经验，在汽车动力阀使用 ? 台的钛相当于减重台

0.80.9kg/20kg/

的效果。

日本对开发钛在汽车中的应用进行了大量的研究。未来技术研究所开 发了

SAT64AW , SAT64HM , SAT325HM , Ti-20V-4A1-lSn AT64HM ,

等汽车用钛合 金。

SAT325HM

合金具有良好的热加工性，钻削性和抗疲劳性 能，或做钻孔多的连杆等

部件，切削加工成本较低。日本三菱汽车公司开 发的合金冷加工性好，适

Ti-2V-4A1

用于制造气门杆。日本户田制作所用 制作的进气门和排气门，改善了发动

Ti-6Al-4V

机的性能，使汽车速度提高 ?。值得一提的是，在年日本东京召开的第

1015%1992

29

界国际汽车展 览会上，首次展出了钛制车身外板和钛制节能低公害发动机汽车，

引起了 与会者各方面的关注。年日本制造的太阳能汽车结构部件上采用钛，

1996

在第四次世界太阳能汽车大赛上取得了名次。钛材最初是在批量化生产的 高级车

NSX V-61998

车上使用，接着是在年在日本获奖的丰田双门敞篷 轿车的阀类采用了

钛。该车的进气门使用了采用了粉末冶金法生产的 合金，排气门采用

Ti-6A1-4V/TiB

了耐热性的 合 金。该车的发动机为，采用了 个

Ti-Al-Zr-Sn-Nb-Mo-Si/TiB 2000cc1

2792498 408g

的进气门和的排气门个，一辆车用的钛材总计为。原材料为钢时各自

的重量则为与 ，气门的总重量比钛材的倍还多。这种车的气门弹簧也

44.6g2

使用了钛， 其重量从减轻到。丰田公司的这种新型车最初生产的台数为

43g36g

4000

台，其中一半使用了钛材。

日本大同钢铁公司研制成一种新型钛铝合金，将它应用于制造汽车发 动机的排

气门，可大大改善发动机的性能。这种新型钛铝合金的成分为

Ti-33.5A1-1Nb-0.5Cr-0.5Si

（wt %）Nb Si

，其中加入了 和 是为 了提高抗氧化 性能及抗蠕变性能。与排气门常

用的马氏体耐热钢和镍基合金相比，该合 金的突出特点是比重小（只有马氏体耐热钢

的一半），且导热性良好。日本金 属材料研究所与韩国机械与金属研究所合作，采用

元素混合法把合金粉末 和强化粉末均匀混合、真空烧结、热等静压制成两种低成本的

合金，具有 优良的拉伸、蠕变和疲劳性能，可望制成汽车零件。

汽车排气系用钛合金的要求的特性必须符合以下 点：在℃以

上的高温下有足够的强度，长时间使用后强度降低小。 在℃以上的

4（1）600

（2）700

高温下氧化引起的壁厚的减少十分小。在室温下，与类、纯钛

（3）JIS 2ASTMGr.2

（Gr.2）（）（4）

以下简称具有同等以上的成形性弯曲性、胀形特性、深冲性等。

在℃以上的高温下，低于温度%屈服强度的一定载重长时间施加 也难于变

6000.2

形，即抗蠕变性优良。日本新日铁公司开发的汽车排气系统用

Ti-lCuTi-1Cu-0 .5Nb（

及设计概念及其优良的特性室温成形性、高温强度、 耐氧化

性、耐蠕变性）。这些合金通过 的添加实现了低氧化，必要 的添加，原来合

CuNb

金设计思想中所没有的新理念诞生了，如 及作为

Super-TIX 10CU Super-TIX 1OCUNB

汽车排气系材料已广泛地应用。如 从年开始已用在铃木系

Super-TIX 10CU2007GSX

列的消音器的对耐热性有要求的 部位。年开始用在日产及从

2009GT-Rspec-V2010

年开始使用在的消音器上图，与不锈钢相比约重量减轻了

GT-R EGOIST（-1（a））

30 Super-TIX 10CUNBAkrapovic

%。 在欧洲最大的排气系部件制造商 不仅用在 摩托

车上，也用在汽车的消音器图的一部分上均是充分活用了这些合 金室温

（1（b））

下的高加工性与高温强度、高耐氧化性、耐蠕变性，合金设计及制 造条件的设定是

合适的。

2.3

我国

我国正在大力开展汽车用钛的推广工作。首先通过网站、报刊、杂志 和推广会等

形式，把钛应用的知识普及到社会的每一个角落，进而将钛与 汽车联系起来，以促进

钛在汽车方面的应用。而汽车用钛研究工作则一直 在展开，如粉末冶金钛，的研

TiAl

究。在年在西安举办的国际社会公 共安全产品博览会上陕西宝鸡专用汽车厂

1997，

生产并展出的、 型钛制构件防弹运钞车受到用户青睐。该车车体、

QS5030QS5040YC

油箱及发动 机都铆接了用防弹钛板制成的保护层，能有效阻止“五四”式手枪和叭一”

式 冲锋枪弹的穿透。

总之我国汽车业将逐步用钛。