鈦及鈦合金在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

 近年來(lái),隨著汽車工業(yè)的發(fā)展,世界汽車產(chǎn)量和保有量與日俱增。2009年我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)突飛猛進(jìn),汽車產(chǎn)銷量超過(guò)1300余萬(wàn)輛,超過(guò)美、日成為世界汽車產(chǎn)銷第一大國(guó)。汽車在給人們出行帶來(lái)方便的同時(shí)也產(chǎn)生了油耗、環(huán)保、安全三大問(wèn)題。著眼于可持續(xù)發(fā)展考慮,降低燃油消耗和減少排放污染顯得尤為迫切。據(jù)國(guó)際權(quán)威部門統(tǒng)計(jì)汽車所用燃料約60%消耗于汽車自重。汽車每減輕10%的重量,廢氣排放量可減少10%,可降低油耗7%。由此可見(jiàn),汽車減重、輕量化是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的有效措施。

實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的途徑主要有兩種:一是優(yōu)化汽車框架結(jié)構(gòu);另一個(gè)是在汽車制造上采用輕質(zhì)材料。目前汽車上使用的輕合金主要有鋁、鎂、鈦合金等金屬。

鈦合金在汽車上的應(yīng)用及特點(diǎn)鈦合金是一種新型結(jié)構(gòu)及功能材料,它具有優(yōu)異的綜合性能,密度小,比強(qiáng)度高。鈦的密度為4.51g/cm3,介于鋁(2.7g/cm3)和鐵(7.6g/cm3)之間。鈦合金的比強(qiáng)度高于鋁合金和鋼,韌性也與鋼鐵相當(dāng)。鈦及鈦合金抗蝕性能好,優(yōu)于不銹鋼,特別是在海洋大氣環(huán)境中抵抗氯離子的侵蝕和微氧化氣氛下耐蝕性好,鈦合金的工作溫度較寬,低溫鈦合金在-253℃還能保持良好的塑性,而耐熱鈦合金的工作溫度可達(dá)550℃左右,其耐熱性明顯高于鋁合金和鎂合金。同時(shí)具有良好的加工性、焊接性能。

鈦及鈦合金優(yōu)異的性能自鈦工業(yè)化生產(chǎn)以來(lái)就倍受各尖端行業(yè)關(guān)注,伴隨著鈦行業(yè)的起步,在20世紀(jì)50年代中期,鈦材進(jìn)入了汽車工業(yè)。步入90年代,隨著世界性能源短缺及人們環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng),尤其是汽車工業(yè),美國(guó)、日本和歐洲等國(guó)先后頒布了系列生態(tài)法規(guī),對(duì)燃油利用率,CO2排放量、汽車減重、汽車的安全性、可靠性等提出了更高的要求。許多發(fā)達(dá)國(guó)家和著名的汽車制造商都積極開(kāi)發(fā)并增加在汽車用鈦方面的研究投入。為汽車用鈦提供了強(qiáng)大動(dòng)力。進(jìn)入新世紀(jì),我國(guó)鈦工業(yè)也逐步步入汽車領(lǐng)域。

在當(dāng)前汽車市場(chǎng)上,隨著豪華汽車、跑車和賽車需求逐年增加,鈦制零部件亦逐年增加。1990年全球汽車用鈦僅為50噸/年左右,1997年為500噸/年,2002年為1100噸/年,2009年為3000噸/年。由此可見(jiàn),汽車行業(yè)用鈦材進(jìn)入加速階段。

汽車中使用的鈦制零部件

鈦在汽車上的用途主要分兩大類,第一類是用來(lái)減少內(nèi)燃機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量(對(duì)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的內(nèi)燃機(jī)零件來(lái)講,即使減少幾克質(zhì)量都是重要的);第二類是用來(lái)減少汽車總質(zhì)量。根據(jù)設(shè)計(jì)和材料特性,鈦在新一代汽車上主要分布在發(fā)動(dòng)機(jī)元件和底盤部件上。在發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng),鈦可制作閥門、閥簧、閥簧承座和連桿等部件;在底盤部件主要為彈簧、排氣系統(tǒng)、半軸和緊固件等。

據(jù)資料介紹,除了上述所舉重點(diǎn)外,還有:發(fā)動(dòng)機(jī)部件的搖臂、懸簧、活塞銷、渦輪增壓器轉(zhuǎn)子、緊固件、掛耳螺帽、車擋支架、門突入梁、制動(dòng)器卡鉗活塞、銷軸栓、離合器圓板、壓力板、變速按鈕等等。

降低鈦合金成本的途徑

盡管鈦及鈦合金早在上個(gè)世紀(jì)50年代就進(jìn)入了汽車制造領(lǐng)域,但發(fā)展比較緩慢,其原因主要是價(jià)格因素,為了滿足汽車行業(yè)用鈦,鈦工業(yè)者在熔煉、加工,制造等方面進(jìn)行了大量的工作。以滿足汽車業(yè)的需求。

鈦金屬熔點(diǎn)高,化學(xué)性質(zhì)十分活潑,與O、H、N、C等元素有極強(qiáng)的化學(xué)親和力,致使純鈦提取困難。工業(yè)上普遍使用的Kroll鎂還原法生產(chǎn)海綿鈦。Kroll鎂還原法生產(chǎn)海綿鈦工藝復(fù)雜,能耗高,周期長(zhǎng),并且不能連續(xù)生產(chǎn),同時(shí)需用大量的金屬鎂作還原劑,生產(chǎn)成本較高。

鈦合金價(jià)格高的另一個(gè)原因是合金化元素價(jià)格較高。隨著鈦冶煉技術(shù)的進(jìn)步,將鈦在生產(chǎn)、加工過(guò)程中所產(chǎn)生的邊角余料、廢屑等殘料經(jīng)系列處理后作為爐料添加,實(shí)現(xiàn)循環(huán)生產(chǎn),是降低原材料成本有效方法。實(shí)踐表明,每利用1%的殘鈦,可使鈦錠生產(chǎn)成本降低0.8%。如果采用電子束冷床爐、等離子束冷床爐進(jìn)行熔煉,不僅可以改善鈦錠的冶金質(zhì)量,同時(shí)可以大量使用回收爐料,有效降低鑄錠成本。

降低加工成本

占總成本60%以上的加工成本是各國(guó)降低成本的研究的重點(diǎn)。鈦材零部件在生產(chǎn)制作過(guò)程中不僅工藝復(fù)雜,同時(shí)在制作過(guò)程中產(chǎn)生了大量的殘鈦,且生產(chǎn)周期較長(zhǎng),導(dǎo)致部件制作成本提高。阻礙了其更為廣泛的推廣應(yīng)用。鑄造是經(jīng)典的(近)凈成型工藝。生產(chǎn)的零部件無(wú)需機(jī)加工或機(jī)加工很少,從而節(jié)約了大量金屬。鑄造常常能生產(chǎn)出形狀復(fù)雜的零件,而這些零件采用其它傳統(tǒng)工藝方法制造時(shí)工藝復(fù)雜,生產(chǎn)成本較高,特別是對(duì)材料價(jià)格相對(duì)較高的鈦金屬。目前,在航空工業(yè)大量應(yīng)用了鈦鑄件。在汽車制造業(yè),用鑄造法生產(chǎn)的部件有閥門、渦輪増壓器等。粉末冶金作為一種現(xiàn)代冶金和材料加工的先進(jìn)技術(shù)方法,在鈦工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。采用鈦粉末冶金近成型技術(shù),可直接制取成品或接近成品尺寸的零部件,降低了原材料消耗,縮短加工周期,成本比常規(guī)工藝節(jié)省20%~50%。在汽車制造業(yè),鈦粉末冶金近成型技術(shù)尤為重視,在日本,汽車粉末冶金零件被廣泛用于發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱,其中,連桿、閥座、閥、帶輪、同步器齒轂、同步環(huán)等都是復(fù)雜且要求高的關(guān)鍵零件。目前鈦粉朱冶金的研究正處于飛速發(fā)展階段,主要包括兒個(gè)方面,一是高質(zhì)量低成本鈦粉術(shù)制備技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化;二是鈦粉末冶金什的制備技術(shù),同時(shí)在汽車工業(yè)推廣應(yīng)用。

除此之外,激光成型技術(shù)(集成了激光技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)和材料技術(shù)的最新成果),根據(jù)計(jì)算機(jī)模型,可直接用合金粉未一次成型形狀復(fù)雜的最終零件,制造出的鈦零件性能介于鑄造和鍛造之間,而成本降低15%~30%,交貨時(shí)間縮短50%~75%。金屬粉未注射成型技術(shù)(MIM)是發(fā)展較快的一種近凈成型粉未冶金技術(shù),可制造高質(zhì)量、高精度的復(fù)雜零件,被認(rèn)為是目前最有優(yōu)勢(shì)的成型技術(shù)之一;還有鈦涂層技術(shù),也是一種能降低成本的新型工藝。可見(jiàn),降低鈦材料的價(jià)格必須從開(kāi)發(fā)低成本的新的合金系、改進(jìn)生產(chǎn)工藝兩方面入手,才能從真正意義上解決汽車用鈦受鈦材價(jià)格制約的問(wèn)題,也才能使汽車用鈦更具有競(jìng)爭(zhēng)力和發(fā)展前景。