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钛棒钛管钛靶材等钛合金材料在汽车工业中的应用及展望

发布时间:2021-09-03 19:33:29 浏览次数 :

1、前 言

随着我国经济持续快速增长,人们的生活水平也得到了日益提高,居民消费结构也发生了显著的变化,由过去的基本需求吃、穿、用,升级为现在较高层次的住、行、休闲等,尤其是汽车已成为我国居民新的时尚消费热点。目前,汽车中使用的金属材料主要有钢材、铝及铝合金材、镁及镁合金材等,但由于铝和不锈钢在近 200℃即失去了原有的力学性能,而钛合金在 500℃左右仍能保持良好的力学性能;在汽车用轻质金属材料中,钛的强度大大高于其它材料,而钛合金可以达到与合金钢相当的高强度,因此一直受到汽车工业的极大关注。特别是在一些恶劣的工作环境下,铝、镁合金材料无法满足汽车的性能要求,而钛合金具有优异的耐蚀性能,可以满足其使用要求。钛合金材料将是替代钢铁的轻量化和高性能的材料。尤其是在当今汽车材料向轻量化、节能、环保方向发展的今天,钛无疑是最具有潜质的汽车用材料 [1,2] 。

钛靶材

2、钛在汽车中的应用

由于钛是一种质轻高强、耐蚀性好、高低温宽适应范围、高弹性等性能优良的材料,应用于汽车上可起到减重、节能、减震、降噪、减污、延寿,提高汽车安全性和舒适度的综合作用,是实现汽车轻量化的理想材料。早在 20 多年前,赛车发动机就使用钛阀和连杆以减轻重量,从而降低转矩和功率输出,改善了有关部件偏转等性能,同时可通过加入 Nb 和 Si 提高抗氧化性、抗蠕变性,在 500℃左右的条件下强度高于常用合金,在意大利的法拉利2003 Enzo 型超级汽车上 V12 发动机采用了钛合金制的发动机连杆,使其助推速度在 3.9 s 内可达62 km/h。排气系统使用钛,可避免路盐和含硫的排放废气的腐蚀,而重量只有传统材料的 60%,同时改善并加快了加速能力和较短的制动距离。目前公认的汽车中可用钛替代的零部件主要有:弹簧、连杆、气门、气门座、摇臂、排气管、消音器、门镜框、前挡板、后挡板、车门、门侧盖、紧固件、挂耳螺帽、车轮等。

早在1956 年美国就研制出了“火鸟 2”型全钛汽车,此后日本在于 1968 年在赛车发动机上也使用了钛材。目前,汽车用钛批量生产的事例有很多,用于发动机零件上的有:1989 年三菱汽车工业公司将 冷 轧 锻 造 性 极 佳 的 Ti-22V-4Al , 使 用 于“GALLANT”的 AMG 发动机的气门弹簧座圈上;1990 年,本田技研工业公司在“NSX”体育竞赛跑车的连杆上采用了快切削型钛合金 Ti-3Al-2.5V;1998 年,丰田汽车公司在“ALTEZZA”的发动机气门上采用了烧结型钛合金,“ALTEZZA”在吸气和排气系统上分别用了 8个气门,其重量共为408 g/台,与钢制造的 667 g/台相比较,实现了降低重量40%的轻量化,并通过采用这种气门,成功地使气门弹簧的质量也从 43 g 减少到 36 g;在悬架弹簧是使用钛的有:2001 年,低成本合金 Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5Al 被采用于大众汽车 Lupo FSI 弹簧上,弹簧的重量为 1.36 kg 比质量达 4.12 kg 的钢制产品减轻了约 1/3 左右;在排气管及消音器上使用钛的有:1998年由川崎重工业公司将钛使用于体育竞赛型大型双轮摩托车“ZX-9R”的消音器上以来,本田技研工业公司的“CBR900RR”、雅马哈摩托公司的发动机“YZF-R1”、铃木汽车公司的“GSX-R1000”的消音器均采用了钛,2001 年美国的通用公司将钛使用于双排减速消音器上,将其质量从钢制产品的19.8 kg 降低到 11.7 kg,减轻了 41%的重量。最近奥迪美国分部在芝加哥车展上宣布将会推出钛版2006 奥迪 A4 轿车和旅行车。钛版 A4 是专为北美市场车而设计的,在四月推出了 A4 2.0T 和 3.2 FSI的轿车和 Avant“S”(旅行车)。其独特的 18 英尺纯钛 15 辐条轮毂及纯钛板的车体,与以往的发光、发亮车身形成了鲜明的对比,更显钛材本色特质的典雅、尊贵。

研究表明,钛及钛合金的应用有利于减轻汽车重量,降低摩擦损失和空气阻力,改善发动机燃烧状态,提高性能,从而节油 2%~3%,降低噪音 5%~10%。目前汽车零件中已被认定可用钛替代铁基零件的主要有:发动机中的吸气连杆、轴、阀弹簧、挡圈等;排放系统中的吸气阀和排气阀等,这些零件比传统铁基零件减轻重量 30%~70%。现在钛零件 在汽车上的应用领域正日益扩大,可见汽车用钛是一个非常具有吸引力的潜在的庞大市场。

3、未来汽车的发展方向

美国通用汽车公司研发与规划副总裁伯恩斯说:“未来的汽车将具有以下七大特点:安全、价廉、环保、实用、高效、省油以及提供与外部世界的联系。这就意味着汽车行业必须围绕低价位、实用性、设计和技术进行创新。”大多数汽车设计者认为,未来的汽车必须具有以下三大性能:

高性能——随着汽车产品水平的不断提高,对原材料及相关产品的性能要求越来越高。为提高防腐性能,延长汽车使用寿命,国外中高档轿车已广泛采用镀锌钢板并正在开发多种系列的合金镀层钢板;为降低发动机噪声,增加轿车的舒适性,正着力开发两层冷轧板间粘附热塑性树脂的减振钢板;为满足发动机向高速、增压、高负荷方向发展的要求,发动机活塞、连杆、轴瓦已开始应用金属基复合材料。轻量和节能——为减轻汽车产品自重,节省材料,减少汽车燃油消耗,降低生产和使用成本,轻量、节能一直是国际汽车工业研究的主题。汽车产品传统钢铁材料用量将逐渐减少,高强度钢、铝合金、镁合金、粉末冶金和塑料等用量不断增加。如采用高强度钢板,车身质量可减轻 25%,制造成本可降低 3%。与 20 年前相比,国外轿车自重减少了20%~26%,预计欧洲 2000 年与 1995 年相比,每辆轿车所用钢、铸铁、铜、玻璃的数量将分别下降15%、29%、13%和 13%;铝、镁、粉末冶金、塑料的用量将分别增加 31%、100%、20%和 29%。

环保——为保护环境,国际汽车工业对汽车产品使用环保型材料给予了高度重视,汽车废旧材料回收、再生与利用技术已成为热点,并开始形成一种新兴的产业。如为便于回收和减少由于 ABS/PVC 引起的车内气味,采用聚烯烃弹性材料制造仪表板表皮;汽车刹车片等产品已普遍使用无石棉摩擦材料;车身内饰用胶已由原来的溶剂型胶向水基胶发展;利用材料应用综合技术,选择塑料品种趋于集中统一,以便于回收。欧洲各国要求 2000 年汽车废旧材料利用率达到 85%,2015 年达到 95%,现已开始着手研究并采用回收、再生利用技术。

从以上设计理念及未来发展趋势来看,安全、节能、环保是当今汽车工业发展的三大主题。而汽车技术的发展和性能的提高与采用新材料息息相关,钛及钛合金具有其它金属无法比拟的优点,无疑是汽车工业潜在的优选材料之一。

钛合金棒

4、如何大力发展我国的汽车用钛市场

金属钛用于汽车上所表现出的优良特性主要是指高强度、低密度、优异的耐蚀性能,汽车使用钛的优点是:动力传输效果或重量减轻对燃料的节省、发动机的噪音与振动的减少及部件载荷的减轻,可提高零部件的持久性和寿命。由于钛优良的特性,在汽车上使用的范围越来越广。只是因价格较高妨碍了应用,为满足汽车用钛低价位的需求,钛工业者们在如下几个方面作了大量的工作,一是开发低成本的新的钛合金体系,二是致力于研究在钛的熔炼、生产、加工等各个环节来降低钛的成本,同时采用新技术如使用钛的镀膜技术、纳米技术,达到既降低价格又利用钛的高性能的目的。

4.1 低成本钛合金体系

通常钛合金多以价高的 V等作为合金化元素来提高强度,而这些合金化元素又多以 Al-X 作为中间合金添加。以廉价的 Fe、Cr 等取代 V,是降低钛成本、扩大民用市场份额的一种有效的合金化方法。

美国 Time 公司为取代价格较高的 Ti-1023 而开发的高强钛合金 Ti-1.5Al-6.8Mo-4.5Fe(Timetal LCB)和汽车用钛 TI-6Al-1.7Fe-0.1Si(Timetal 62S),均使用了很便宜的 Fe 作为合金化元素。其成本可降低15%~20%。钛合金 Ti-3Al-2.5V-0.2S-0.47Ce-0.27La(DAT52F)是日本大同钢公司与本田公司合作开发的汽车连杆用钛合金,具有良好的加工性能,其钻孔加工率比 Ti-3Al-2.5V 提高 50%~70%,切削效率提高 20%~30%。由于钛具有其特殊的生产工艺使其价格较其它金属贵些,其适用于汽车的低成本钛合金品种如表 1 所示。

适用于汽车的低成本钛合金品种

日本近期研制的新型 α+β 型钛合金 KSTi-19(Ti-4.5Al-2Mo-1.6V-0.5Fe-0.3Si)具有良好的加工性能,是 Ti-6Al-4V 合金的替代合金,可以大大降低钛合金的生产成本;Ti-33.5Al-1Nb-0.5Cr-0.5Si 也是日本近期开发的新型钛铝合金,可用于制造汽车发动机的排气阀,大大改善发动机的性能,该合金与排气阀常用的马氏体耐热钢和镍基合金相比,突 出的优点是密度小,蠕变强度也相对较高,且具有很好的耐磨性。

4.2 新的海绵钛制取方法

由于钛与 O、H、N、C 等元素有极强的化学亲和力,所以钛金属的提取工艺技术难度很大。工业上普遍使用的 Kroll 镁还原法是一种非连续的海绵钛生产工艺,能耗高,生产周期长,并使用大量的金属镁作还原剂,生产成本较高。

人们曾经对 TiCl 4 电解还原取代镁还原法生产海绵钛做了大量的研究工作,但由于技术原因直到现在电解法一直处于实验室研究阶段,没有实现工业化生产。最近,英国剑桥大学在电解工艺的开发上有所突破(剑桥法 FCC),并在实验室内将金红石的 TiO 2 颗粒在 950℃的熔盐中直接还原成多孔金属钛。钛颗粒尺寸约 12 µm,成本降低 40%,且生产周期短,这种方法的优点十分明显,是未来金属钛生产的发展趋势,目前正逐步向工业化规模发展。

4.3 完善和提高残钛回收技术

自 20 世纪 80 年代起,发达国家为提高综合经济效益、避免环境污染,以生态理念为基础,提出了“循环经济”的发展思路。它是一种能够有效地节约能源,资源消耗,将废旧金属产品等回收处理,有效的纳入集约化生产体系的一种新的经济发展模式,用“资源—产品—再生资源”的一头反馈式循环理念重构经济运行过程,最终实现最优生产、最 适消费、最少废弃。汽车用钛完全可利用残钛回收技术,一方面可加强我国钛资源的综合开发与利用,另一方面可大大降低汽车用钛成本,对我国钛工业和汽车工业均有着不可低估的重要意义。

4.4 采用新技术制备汽车钛合金零件

占总成本 60%以上的加工成本是各国降低成本研究的重点。粉末冶金近净成型技术以其特有的优势,成为一种高产量、低成本生产近成品形状部件的方法,在制备汽车等零部件方面受到人们日益重视。例如日本汽车粉末冶金零件 73%用于发动机和变速箱,其中,连杆、阀座、阀、带轮、同步器齿毂、同步环等都是复杂且要求高的关键零件。目前钛粉未冶金研究正处于飞速发展阶段,主要包括几个方面,一是高质量低成本钛粉未制备技术及其产业化;二是钛粉未冶金件的制备技术,同时在汽车工业推广应用。

除此之外,激光成型技术(集成了激光技术、CAD/CAM 技术和材料技术的最新成果),根据计算机模型,可直接用合金粉未一次成型形状复杂的最终零件,制造出的钛零件性能介于铸造和锻造之间,而成本降低 15%~30%,交货时间缩短 50%~75%。

金属粉未注射成型技术(MIM)是发展较快的一种近净成型粉未冶金技术,可制造高质量、高精度的复杂零件,被认为是目前最有优势的成型技术之一;还有钛涂层技术,也是一种能降低成本的新型工艺。

美国 Allied Signal 公司制造的本迪克斯牌表面钛涂层汽车刹车片,已投放市场,预计每年产销几百万件,美国两大汽车公司(Ford 和 GM)还研究新型γ-TiAl 气门,也将用于汽车上。可见,降低钛材料的价格必须从开发低成本的新的合金系、改进生产工艺两方面入手,才能从真正意义上解决汽车用钛受钛材价格制约的问题,也才能使汽车用钛更具竞

争力和发展前景。

钛管

5、我国汽车用钛的预期与展望

根据 OICA(国际汽车制造商协会)统计,2002年我国汽车产量为 325 万辆,世界排名为第 5 名。

2003 年汽车产量有望突破 410 万辆,成为仅次于美国、日本、德国的世界第 4 大汽车生产国。我国汽车年产销达到 100 万辆历时近 40 年,从 100 万辆增至 200 万辆历时 8 年,增至 300 万辆仅用了 2 年,而突破 400 万辆则只用 1 年时间。这表明我国汽车工业正处于超高速增长阶段,增速之快为世界各国汽车工业发展过程所罕见。中国市场有良好的成长性和巨大的潜力,继续成为全球汽车市场的亮点。

作为经济正在崛起的一个世界人口大国,中国的汽车市场无不被世界各大著名汽车厂家看好。钛材的优良性能毋庸置疑,正如前文所述许多汽车制造厂商都进行了大量有益的探索工作。阻碍钛在汽车方面的应用主要是钛材的价格问题,钛材制造厂商也正在努力进行多方面降低成本的工作。通过双方的努力,会在不远的将来取得显著的成效的。另外从另一方面来说,在中高挡汽车上使用一种重要零件(假如使用钛材 1 kg),成本增加 200元~500 元,成本并没增加很多,却达到性能提升、降低维修费用和提高使用寿命的目的,也值得汽车制造厂商考虑。

综上所述,随着对汽车环保、轻量化、节能、降耗的要求,随着汽车制造技术和钛冶金技术的发展,通过汽车制造厂商和钛材制造厂商的共同努力,必将推动汽车用新材料——钛及钛合金的快速发展,更好地推动我国的汽车用钛市场的蓬勃发展。

参考文献

[1] 韩永奇. 钛工业进展[J], 2006, 23(1): 16

[2] 吴引江, 段庆文, 周 廉等. 新材料产业[J], 2003, 2: 11

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