[分享]鈦合金於汽車產業之應用

鈦合金於汽車產業之應用
鈦及其合金具有密度小、比強度高和耐蝕性好等優良特性，在汽車行業具有很大的應用潛力，可以減輕汽車重量、降低其燃料消耗、提高汽車工作效率、改善環境和降低噪音等優點，因此美、日等發達國家和著名的汽車製造商都積極開發並增加鈦金屬在汽車上應用的研究。
鈦金屬在汽車上的應用現況
鈦金屬的密度為鋼的60﹪，彈性模數僅為鋼的一半，直接用鈦金屬取代鋼製零件，可以減輕重量40﹪，效果相當顯著。低彈性模數的鈦合金非常適合取代於避震器慣用的鋼材料，能以較少的螺旋和尺寸產生一樣的抗震強度，而且，鈦合金不易生銹，可以省去一般的表面防銹處理。另外評估使用鈦製引擎零件可以增進引擎4﹪燃油效率。【表1】為鈦、鋼、鋁的機械性質比較。
表1 比較鈦、鋼和鋁金屬的機械性質
Material Density kg/L Youngs Modulus GPa Yield Strength MPa Specific Strength
CP Titanium 4.51 105 250 - 450 50 - 100
Ti-6Al-4V 4.43 112 900 - 1100 200 - 250
Ti - LCB 4.79 110 950 - 1400 200 - 290
Carbon Steel 7.8 200 350 - 450 45 - 60
Aluminium Alloy 2.8 70 100 - 350 35 - 125

根據設計和材料特性，鈦在新一代汽車上的應用主要分布在引擎零件、底盤系統、燃料系統及其他零件。在引擎零件用鈦可製作氣門、氣門彈簧、氣門彈簧承座和連杆等零件，在底盤系統中主要為彈簧、半軸和緊固件等，在燃料系統主要為排氣管、消音器及汽門等，這些都是汽車上的關鍵零組件，其用鈦量不可小看。

表2 鈦金屬在汽車上的應用
應用系統 鈦製零件 應用廠商
引擎零件 連桿、氣門彈簧、氣門、承座、 Ford、 GM、Ferrari、BMW 、Porsche、Honda、Nissan
底盤系統 懸吊彈簧、加速器、煞車踏板、半軸、緊固件、剎車片 VW、GM
燃料系統 排氣管、消音器、排氣氣門、 Chrysler、GM、Toyota
其他零件 鈦輪軸、簧閥承座、螺栓、緊固件、中控台面板 GM、Ford、Honda
資料來源：金屬中心ITIS計劃整理
美國汽車廠商
美國汽車工業用鈦量2002年爲800噸，2006年可望達到5000噸。
美國GM公司最早開發鈦合金在汽車上的應用，1956年即試做了一輛車體為全鈦的小汽車，目前GM公司已經在引擎系統中成功使用的零件有進、排氣門，優點為減輕重量、壽命長、可靠性高、節省燃油、不含鉛、鈷等有害金屬，進氣門使用Ti-6Al-4V合金，排氣門使用Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo合金；鈦合金連桿對減重功效最大，所使用的材料為Ti-6Al-4V，其他如Ti-4Al-2Sn-4Mn及Ti-7Al-4Mo等材料也在研發試用中；在燃料系統中，GM公司的2000款雪佛蘭Corvette Z06使用了鈦合金消音器和尾氣管系統，僅重11.8公斤，比原來的20公斤不鏽鋼製品減輕了41﹪的重量。GM公司還和克萊斯勒制定了純鈦排氣系統商用樣機，並進行大規模生產評估，另外還在進行Timetal 62S和Timetal LCB輪軸的研究。
福斯採用Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5Al合金懸吊彈簧，並應用於2001年的LUPO-FSI車款，後輪懸掛系統使用lcb鈦合金彈簧。法拉利360 Challenge，採用鈦合金連桿。奧迪的Coupe和Roadster裝配新型的鈦合金邊緣前燈。
日本汽車廠商
Toyota與愛三工業合作開發的鈦基複合材料、三菱與大同特殊鋼合作開發的TiAl材料、日產投資3億日圓設置專用生產線等，致使鈦合金在汽車零組件的應用上日漸增加。從1992年的18噸汽車用鈦材料，至1998年已達133噸，到2000年達到473噸，2001年爲500噸，到2002年達到600噸日本汽車工業用鈦量。
在日本最初使用鈦的汽車是“Nissan R382”型汽車，Nissan Infinit Q45亦採用鈦合金氣門，其他Toyota已在新型轎車採用了P/M鈦制氣門，而連杆的應用也在評估之中；Honda Stream中控台面板採用鈦合金。
Honda汽車公司與德國布蘭登堡邦Cottbus大學的輕建材研究中心(簡稱PantaRhei)，進行長期合作，研究廉價鈦合金新興材料應用在一般的汽車上。
其他國家
韓國的主要汽車廠家(現代和起亞)目前正在研究開發的主要是連桿、閥、護圈及彈簧，一台四缸引擎用3.6kg鈦合金，引擎重量可減輕2.3kg。所用高強度鈦合金有︰Ti6Al4V、Ti3Al2.5V、Ti6Al2Sn4Zr2MoSi、Ti15V3Al3Sn3Cr、C、Ⅲ等，新增需求將達50t以上。
結語
汽車用鈦是一個非常龐大的市場，一旦鈦在汽車工業中得到廣泛應用，那鈦材的用量將遠遠超過目前在航太航空工業中的用量。如果每輛車上有1～1.5kg的鈦零件，則全球每年汽車總產量超過5,500萬輛，鈦合金需求可達到82,500噸。
就潛在的材料需求而論，汽車用鈦是一個非常具有吸引力的市場。但是，長期以來汽車一直是鋼、鋁、銅、塑膠等的天下，鈦想要進入汽車市場，除了自身的性能優勢外，還必須進一步地降低成本至汽車業可以承受的價格才行。