鈦合金材料在汽車制造中主要牌號(hào)與應(yīng)用規(guī)模

上世紀(jì) 90 年代開(kāi)始了鈦在汽車上應(yīng)用的技術(shù)準(zhǔn)備期。鈦在汽車輕量化方面所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)和社會(huì)效益, 使它很快從賽車 、 高端轎車而擴(kuò)展到家庭轎車與輕型卡車, 在減輕自重 、 提高性能、 節(jié)油 、 環(huán)保和美觀 、 舒適方面嶄露頭角。當(dāng)前鈦在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤(pán)零件上的應(yīng)用中已成為首選材料 。面對(duì)全球年產(chǎn)5 000 ×10 4 輛轎車 、 卡車的龐大市場(chǎng), 鈦的

年消費(fèi)量已上升到1500t以上的水平 , 約占全球鈦制成品總消費(fèi)量 3%。為打破鈦價(jià)過(guò)高給應(yīng)用帶來(lái)的障礙, 一些大公司正在全力開(kāi)拓降低純鈦、 鈦材和鈦零件成本的新途徑。估計(jì)FFC 劍橋法、 OS法、 預(yù)成型還原 (PRP)法及阿姆斯特朗法取得技術(shù)突破實(shí)現(xiàn)批量化商品生產(chǎn)已指日可待。低成本鈦生產(chǎn)方法的發(fā)展與近終形粉末冶金技術(shù)相結(jié)合 , 將是推動(dòng)鈦擴(kuò)大民用的必由之路。估計(jì)在今后 10～15 a 內(nèi)鈦在全球范圍內(nèi)的應(yīng)用將產(chǎn)生一個(gè)以民用(指不包括航空航天應(yīng)用)為主導(dǎo)的劃時(shí)代的新局面。

我國(guó)擁有10×10⁸t 以上的鈦鐵礦資源及規(guī)模可觀的需求市場(chǎng) (2002年鈦加工產(chǎn)品需求量為5500t)。近年來(lái)在需求的推動(dòng)下 , 我國(guó)的鈦工業(yè)獲得了迅速 發(fā)展。 鈦加工 材產(chǎn)量已從 2000年的2000 t急驟增長(zhǎng)到2002 年的5500 t ,海綿鈦產(chǎn)能達(dá)4 000 t/a,為滿足國(guó)內(nèi)強(qiáng)勁要求, 每年凈進(jìn)口鈦材2000余t , 國(guó)內(nèi)總消費(fèi)量已達(dá)7300t的水平。估計(jì)未來(lái)幾年內(nèi)我國(guó)鈦的總產(chǎn)能將達(dá)到16000t/a ,而國(guó)內(nèi)汽車生產(chǎn)的蓬勃發(fā)展及對(duì)石油進(jìn)口的嚴(yán)重依賴,必將為鈦在汽車中的應(yīng)用打開(kāi)一片新天地。

1、汽車上適用的鈦材

鈦合金材料在汽車上的應(yīng)用除成本因素外，還因不同零配件的性能要求而需采用不同的鈦材，包括化學(xué)純鈦、鈦合金及鈦基復(fù)合材料等。據(jù)初步推算約有40種鈦材的組合可提供不同零配件所需要的強(qiáng)度等性能要求。一般，鈦薄板因成形性、可焊性好適用于排氣系統(tǒng)；Ti-6Al-4V適用于制造連桿，因其疲勞強(qiáng)度高和耐溫能力適中；制造彈簧必須使用易于拉制成鈦絲并冷加工成彈簧的高強(qiáng)度β-鈦合金。目前以既經(jīng)濟(jì)又在性能上適宜的TimetalLCB合金即Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5Al為最理想。排氣氣門因排氣溫度高，須適應(yīng)劇烈的熱應(yīng)變，要求

使用TiB(顆粒)增強(qiáng)的近α-鈦合金(表1)。排氣氣門以TiB為顆粒增強(qiáng)劑，用粉末冶金技術(shù)制造，所得鈦基復(fù)合材料提高了室溫、高溫性能，同時(shí)還改善了楊氏模量。

除日本使用TiB顆粒制造鈦基復(fù)合材料外，西方更著重使用TiC顆粒增強(qiáng)鈦材(表2)。

美、日還相繼推出了一些新牌號(hào)的鈦合金以減輕成本上的負(fù)擔(dān)。除已提及的TimetalLCB較Ti-6Al-4V成本下降22%外，美國(guó)還曾利用殘鈦生產(chǎn)標(biāo)稱成分為Ti-6Al-4V的RMIRM合金(RM為再循環(huán)之意)，并以鐵代釩開(kāi)發(fā)了性能好于或等于Ti-6Al-4V，成本卻低的Ti-62S(Ti-6Al-2Fe-0.1Si)。

日本曾開(kāi)發(fā)了DAT-51(Ti-22V-4Al)，SAT-2041CF(Ti-20V-4Al-1Sn)和Ti-16V-4Sn-3Nb-3Al等三種冷變形β合金，但在批量生產(chǎn)適應(yīng)汽車應(yīng)用或成本上不及TimetalLCB優(yōu)越。豐田公司為實(shí)現(xiàn)氣門輕量化推出耐高溫鈦基復(fù)合材料(Ti-MMC)是一種以TiB顆粒作為增強(qiáng)劑，以Ti-6Al-4Sn-4Zr-1Nb-1Mo-0.2Si-0.30和以Ti-7Mo-4Fe-2Al-2V(β合金)為基質(zhì)的鈦基復(fù)合材料，前者TiB為5%，后者TiB為20%。用粉末冶金元素?fù)交旆ㄖ圃臁Ｓ捎谠阝伔蹆?nèi)使用Al-25Sn-25Zr-6Nb-6Mo-1.2Si母合金粉及TiB2粉作硼源原位形成TiB顆粒，成本明顯下降。氣門裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上比普通鋼氣門發(fā)動(dòng)機(jī)減重40%；氣門彈簧減重16%。最高轉(zhuǎn)數(shù)提高到700轉(zhuǎn)/分，高轉(zhuǎn)速下的噪聲降低30%。凸輪軸驅(qū)

動(dòng)力矩造成的磨擦減弱20%，達(dá)到了提高性能、減少燃油損耗的目的。這種新材料在價(jià)/性比上推翻了對(duì)普通鈦合金的印象，因此，自1998年以來(lái)，豐田已把50萬(wàn)只粉冶鈦基復(fù)合材料投入市場(chǎng)，取得了在批量生產(chǎn)汽車中應(yīng)用鈦的突破。但成本仍為鋼氣門的2倍。

2、當(dāng)前汽車中應(yīng)用鈦的規(guī)模

日本為拓展鈦的民用市場(chǎng)，1990年開(kāi)始在賽車生產(chǎn)中使用Ti-3Al-2V(La，Ce)-0.1Si(DAT-52F)制造連桿，以提高車速、功率輸出并減小發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲。由于該合金的切削能力優(yōu)異，當(dāng)時(shí)形成年產(chǎn)25000個(gè)鈦連桿的規(guī)模。1998年豐田利用成本較低的鈦基復(fù)合材料，批量生產(chǎn)了鈦氣門，按每個(gè)鈦基復(fù)合材料氣門25g，年均生產(chǎn)100000個(gè)氣門計(jì)，每年僅此一項(xiàng)用鈦量為2.5t，5年共用鈦12.5t，裝備了Altezza轎車共31250輛。此后大眾集團(tuán)在LupoFSI緊湊型轎車上批量應(yīng)用了鈦后懸簧。奧地利運(yùn)動(dòng)摩托車制造商KTM在Motocross發(fā)動(dòng)機(jī)LC8上使用了薄達(dá)0.33mm的排氣消音器。2001年美國(guó)通用汽車公司在其ChevroletCorvetteZ06運(yùn)動(dòng)車上開(kāi)始裝備用Ⅱ級(jí)化學(xué)純鈦制造的全鈦排氣消音器，重量?jī)H11kg，而不銹鋼消音器重18.6kg。形成了日、美、歐汽車產(chǎn)業(yè)向應(yīng)用鈦材進(jìn)軍的三足鼎立新局面，在發(fā)動(dòng)機(jī)等重要部位開(kāi)始了在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)規(guī)模上應(yīng)用鈦的 較量。油價(jià)攀升的推波助瀾，將彰顯21世紀(jì)鈦在汽車制造中蒸蒸日上的地位(表3)。

1995年鈦在全球汽車制造業(yè)中的用量?jī)H為100t，2002年鈦在全球汽車、卡車、摩托車中的用量為1100t，尤以日本消費(fèi)增長(zhǎng)最快。日本1991年在消音器中的用量為90t，1997年將鈦引入摩托車排放系統(tǒng)，用量為20t，此后又將β-鈦合金引入彈簧生產(chǎn)，由于成本下降，產(chǎn)量大幅度提高，到2002年鈦的總用量已經(jīng)達(dá)到573t，占其鈦加工產(chǎn)品總量的4%。

目前鈦在全球汽車行業(yè)中的用量估計(jì)約占其總消費(fèi)量的3%，即大約1500t左右。有人預(yù)計(jì)鈦在家庭轎車中應(yīng)有的增長(zhǎng)，有可能將其用量提升到22500t的水平&nbsp；。