鈦及鈦合金在汽車上的應用
近年來,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年我國汽車產(chǎn)業(yè)突飛猛進,汽車產(chǎn)銷量超過1300余萬輛,超過美、日成為世界汽車產(chǎn)銷第一大國。汽車在給人們出行帶來方便的同時也產(chǎn)生了油耗、環(huán)保、安全三大問題。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)國際權威部門統(tǒng)計汽車所用燃料約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,汽車減重、輕量化是實現(xiàn)上述目標的有效措施。
實現(xiàn)汽車輕量化的途徑主要有兩種:一是優(yōu)化汽車框架結構;另一個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用及特點
鈦合金是一種新型結構及功能材料,它具有優(yōu)異的綜合性能,密度小,比強度高。鈦的密度為4.51g/cm3,介于鋁(2.7g/cm3)和鐵(7.6g/cm3)之間。鈦合金的比強度高于鋁合金和鋼,韌性也與鋼鐵相當。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550℃左右,其耐熱性明顯高于鋁合金和鎂合金。同時具有良好的加工性、焊接性能。
鈦及鈦合金優(yōu)異的性能自鈦工業(yè)化生產(chǎn)以來就倍受各尖端行業(yè)關注,伴隨著鈦行業(yè)的起步,在20世紀50年代中期,鈦材進入了汽車工業(yè)。步入90年代,隨著世界性能源短缺及人們環(huán)保意識的加強,尤其是汽車工業(yè),美國、日本和歐洲等國先后頒布了系列生態(tài)法規(guī),對燃油利用率,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)達國家和著名的汽車制造商都積極開發(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大動力。進入新世紀,我國鈦工業(yè)也逐步步入汽車領域。
在當前汽車市場上,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,汽車行業(yè)用鈦材進入加速階段。
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,第一類是用來減少內(nèi)燃機往復運動件的質(zhì)量(對作往復運動的內(nèi)燃機零件來講,即使減少幾克質(zhì)量都是重要的);第二類是用來減少汽車總質(zhì)量。根據(jù)設計和材料特性,鈦在新一代汽車上主要分布在發(fā)動機元件和底盤部件上。在發(fā)動機系統(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,除了上述所舉重點外,還有:發(fā)動機部件的搖臂、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世紀50年代就進入了汽車制造領域,但發(fā)展比較緩慢,其原因主要是價格因素,為了滿足汽車行業(yè)用鈦,鈦工業(yè)者在熔煉、加工,制造等方面進行了大量的工作。以滿足汽車業(yè)的需求。
鈦金屬熔點高,化學性質(zhì)十分活潑,與O、H、N、C等元素有極強的化學親和力,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)海綿鈦工藝復雜,能耗高,周期長,并且不能連續(xù)生產(chǎn),同時需用大量的金屬鎂作還原劑,生產(chǎn)成本較高。
鈦合金價格高的另一個原因是合金化元素價格較高。
隨著鈦冶煉技術的進步,將鈦在生產(chǎn)、加工過程中所產(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,實現(xiàn)循環(huán)生產(chǎn),是降低原材料成本有效方法。實踐表明,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、等離子束冷床爐進行熔煉,不僅可以改善鈦錠的冶金質(zhì)量,同時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降低成本的研究的重點。鈦材零部件在生產(chǎn)制作過程中不僅工藝復雜,同時在制作過程中產(chǎn)生了大量的殘鈦,且生產(chǎn)周期較長,導致部件制作成本提高。阻礙了其更為廣泛的推廣應用。
鑄造是經(jīng)典的(近)凈成型工藝。生產(chǎn)的零部件無需機加工或機加工很少,從而節(jié)約了大量金屬。鑄造常常能生產(chǎn)出形狀復雜的零件,而這些零件采用其它傳統(tǒng)工藝方法制造時工藝復雜,生產(chǎn)成本較高,特別是對材料價格相對較高的鈦金屬。目前,在航空工業(yè)大量應用了鈦鑄件。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技術方法,在鈦工業(yè)領域發(fā)揮了重要的作用。采用鈦粉末冶金近成型技術,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尤為重視,在日本,汽車粉末冶金零件被廣泛用于發(fā)動機和變速箱,其中,連桿、閥座、閥、帶輪、同步器齒轂、同步環(huán)等都是復雜且要求高的關鍵零件。目前鈦粉朱冶金的研究正處于飛速發(fā)展階段,主要包括兒個方面,一是高質(zhì)量低成本鈦粉術制備技術及其產(chǎn)業(yè)化;二是鈦粉末冶金什的制備技術,同時在汽車工業(yè)推廣應用。
除此之外,激光成型技術(集成了激光技術、CAD/CAM技術和材料技術的最新成果),根據(jù)計算機模型,可直接用合金粉未一次成型形狀復雜的最終零件,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%,交貨時間縮短50%~75%。金屬粉未注射成型技術(MIM)是發(fā)展較快的一種近凈成型粉未冶金技術,可制造高質(zhì)量、高精度的復雜零件,被認為是目前最有優(yōu)勢的成型技術之一;還有鈦涂層技術,也是一種能降低成本的新型工藝。可見,降低鈦材料的價格必須從開發(fā)低成本的新的合金系、改進生產(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格制約的問題,也才能使汽車用鈦更具有競爭力和發(fā)展前景。
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