近年来,随着汽车工业的发展,世界汽车产量和保有量与日俱增。2009年我国汽车产业突飞猛进,汽车产销量超过1300余万辆,超过美、日成为世界汽车产销第一大国。汽车在给人们出行带来方便的同时也产生了油耗、环保、安全三大问题。着眼于可持续发展考虑,降低燃油消耗和减少排放污染显得尤为迫切。据国际权威部门统计汽车所用燃料约60%消耗于汽车自重。汽车每减轻10%的重量,废气排放量可减少10%,可降低油耗7%。由此可见,汽车减重、轻量化是实现上述目标的有效措施。

实现汽车轻量化的途径主要有两种:一是优化汽车框架结构;另一个是在汽车制造上采用轻质材料。目前汽车上使用的轻合金主要有铝、镁、钛合金等金属。

钛合金在汽车上的应用及特点

钛合金是一种新型结构及功能材料,它具有优异的综合性能,密度小,比强度高。钛的密度为4.51g/cm3,介于铝(2.7g/cm3)和铁(7.6g/cm3)之间。钛合金的比强度高于铝合金和钢,韧性也与钢铁相当。钛及钛合金抗蚀性能好,优于不锈钢,特别是在海洋大气环境中抵抗氯离子的侵蚀和微氧化气氛下耐蚀性好,钛合金的工作温度较宽,低温钛合金在-253℃还能保持良好的塑性,而耐热钛合金的工作温度可达550℃左右,其耐热性明显高于铝合金和镁合金。同时具有良好的加工性、焊接性能。

钛及钛合金优异的性能自钛工业化生产以来就倍受各尖端行业关注,伴随着钛行业的起步,在20世纪50年代中期,钛材进入了汽车工业。步入90年代,随着世界性能源短缺及人们环保意识的加强,尤其是汽车工业,美国、日本和欧洲等国先后颁布了系列生态法规,对燃油利用率,CO2排放量、汽车减重、汽车的安全性、可靠性等提出了更高的要求。许多发达国家和著名的汽车制造商都积极开发并增加在汽车用钛方面的研究投入。为汽车用钛提供了强大动力。进入新世纪,我国钛工业也逐步步入汽车领域。

在当前汽车市场上,随着豪华汽车、跑车和赛车需求逐年增加,钛制零部件亦逐年增加。1990年全球汽车用钛仅为50吨/年左右,1997年为500吨/年,2002年为1100吨/年,2009年为3000吨/年。由此可见,汽车行业用钛材进入加速阶段。

汽车中使用的钛制零部件

钛在汽车上的用途主要分两大类,第一类是用来减少内燃机往复运动件的质量(对作往复运动的内燃机零件来讲,即使减少几克质量都是重要的);第二类是用来减少汽车总质量。根据设计和材料特性,钛在新一代汽车上主要分布在发动机元件和底盘部件上。在发动机系统,钛可制作阀门、阀簧、阀簧承座和连杆等部件;在底盘部件主要为弹簧、排气系统、半轴和紧固件等。

据资料介绍,除了上述所举重点外,还有:发动机部件的摇臂、悬簧、活塞销、涡轮增压器转子、紧固件、挂耳螺帽、车挡支架、门突入梁、制动器卡钳活塞、销轴栓、离合器圆板、压力板、变速按钮等等。

降低钛合金成本的途径

尽管钛及钛合金早在上个世纪50年代就进入了汽车制造领域,但发展比较缓慢,其原因主要是价格因素,为了满足汽车行业用钛,钛工业者在熔炼、加工,制造等方面进行了大量的工作。以满足汽车业的需求。

钛金属熔点高,化学性质十分活泼,与O、H、N、C等元素有极强的化学亲和力,致使纯钛提取困难。工业上普遍使用的Kroll镁还原法生产海绵钛。Kroll镁还原法生产海绵钛工艺复杂,能耗高,周期长,并且不能连续生产,同时需用大量的金属镁作还原剂,生产成本较高。

钛合金价格高的另一个原因是合金化元素价格较高。

随着钛冶炼技术的进步,将钛在生产、加工过程中所产生的边角余料、废屑等残料经系列处理后作为炉料添加,实现循环生产,是降低原材料成本有效方法。实践表明,每利用1%的残钛,可使钛锭生产成本降低0.8%。如果采用电子束冷床炉、等离子束冷床炉进行熔炼,不仅可以改善钛锭的冶金质量,同时可以大量使用回收炉料,有效降低铸锭成本。

降低加工成本

占总成本60%以上的加工成本是各国降低成本的研究的重点。钛材零部件在生产制作过程中不仅工艺复杂,同时在制作过程中产生了大量的残钛,且生产周期较长,导致部件制作成本提高。阻碍了其更为广泛的推广应用。

铸造是经典的(近)净成型工艺。生产的零部件无需机加工或机加工很少,从而节约了大量金属。铸造常常能生产出形状复杂的零件,而这些零件采用其它传统工艺方法制造时工艺复杂,生产成本较高,特别是对材料价格相对较高的钛金属。目前,在航空工业大量应用了钛铸件。在汽车制造业,用铸造法生产的部件有阀门、涡轮増压器等。

粉末冶金作为一种现代冶金和材料加工的先进技术方法,在钛工业领域发挥了重要的作用。采用钛粉末冶金近成型技术,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,缩短加工周期,成本比常规工艺节省20%~50%。在汽车制造业,钛粉末冶金近成型技术尤为重视,在日本,汽车粉末冶金零件被广泛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。目前钛粉朱冶金的研究正处于飞速发展阶段,主要包括儿个方面,一是高质量低成本钛粉术制备技术及其产业化;二是钛粉末冶金什的制备技术,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。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有竞争力和发展前景。