鈦及鈦合金在汽車上的應用
近年來,隨著汽車工業的發展,世界汽車產量和保有量與日俱增。2009年我國汽車產業突飛猛進,汽車產銷量超過1300余萬輛,超過美、日成為世界汽車產銷第一大國。汽車在給人們出行帶來方便的同時也產生了油耗、環保、安全三大問題。著眼于可持續發展考慮,降低燃油消耗和減少排放污染顯得尤為迫切。據國際權威部門統計汽車所用燃料約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、輕量化是實現上述目標的有效措施。
實現汽車輕量化的途徑主要有兩種:一是優化汽車框架結構;另一個是在汽車制造上采用輕質材料。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,優于不銹鋼,特別是在海洋大氣環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。
鈦及鈦合金優異的性能自鈦工業化生產以來就倍受各尖端行業關注,伴隨著鈦行業的起步,在20世紀50年代中期,鈦材進入了汽車工業。步入90年代,隨著世界性能源短缺及人們環保意識的加強,尤其是汽車工業,美國、日本和歐洲等國先后頒布了系列生態法規,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。許多發達國家和著名的汽車制造商都積極開發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燃機往復運動件的質量(對作往復運動的內燃機零件來講,即使減少幾克質量都是重要的);第二類是用來減少汽車總質量。根據設計和材料特性,鈦在新一代汽車上主要分布在發動機元件和底盤部件上。在發動機系統,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、半軸和緊固件等。
據資料介紹,除了上述所舉重點外,還有:發動機部件的搖臂、懸簧、活塞銷、渦輪增壓器轉子、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,但發展比較緩慢,其原因主要是價格因素,為了滿足汽車行業用鈦,鈦工業者在熔煉、加工,制造等方面進行了大量的工作。以滿足汽車業的需求。
鈦金屬熔點高,化學性質十分活潑,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。工業上普遍使用的Kroll鎂還原法生產海綿鈦。Kroll鎂還原法生產海綿鈦工藝復雜,能耗高,周期長,并且不能連續生產,同時需用大量的金屬鎂作還原劑,生產成本較高。
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、加工過程中所產生的邊角余料、廢屑等殘料經系列處理后作為爐料添加,實現循環生產,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。鈦材零部件在生產制作過程中不僅工藝復雜,同時在制作過程中產生了大量的殘鈦,且生產周期較長,導致部件制作成本提高。阻礙了其更為廣泛的推廣應用。
鑄造是經典的(近)凈成型工藝。生產的零部件無需機加工或機加工很少,從而節約了大量金屬。鑄造常常能生產出形狀復雜的零件,而這些零件采用其它傳統工藝方法制造時工藝復雜,生產成本較高,特別是對材料價格相對較高的鈦金屬。目前,在航空工業大量應用了鈦鑄件。在汽車制造業,用鑄造法生產的部件有閥門、渦輪増壓器等。
粉末冶金作為一種現代冶金和材料加工的先進技術方法,在鈦工業領域發揮了重要的作用。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,成本比常規工藝節省20%~50%。在汽車制造業,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動機和變速箱,其中,連桿、閥座、閥、帶輪、同步器齒轂、同步環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展階段,主要包括兒個方面,一是高質量低成本鈦粉術制備技術及其產業化;二是鈦粉末冶金什的制備技術,同時在汽車工業推廣應用。
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)是發展較快的一種近凈成型粉未冶金技術,可制造高質量、高精度的復雜零件,被認為是目前最有優勢的成型技術之一;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低成本的新的合金系、改進生產工藝兩方面入手,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展前景。
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