鈦合金材料在汽車制造中主要牌號與應用規(guī)模

上世紀 90 年代開始了鈦在汽車上應用的技術準備期。鈦在汽車輕量化方面所帶來的優(yōu)勢和社會效益, 使它很快從賽車 、 高端轎車而擴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。當前鈦在汽車發(fā)動機和底盤零件上的應用中已成為首選材料 。面對全球年產(chǎn)5 000 ×10 4 輛轎車 、 卡車的龐大市場, 鈦的

年消費量已上升到1500t以上的水平 , 約占全球鈦制成品總消費量 3%。為打破鈦價過高給應用帶來的障礙, 一些大公司正在全力開拓降低純鈦、 鈦材和鈦零件成本的新途徑。估計FFC 劍橋法、 OS法、 預成型還原 (PRP)法及阿姆斯特朗法取得技術突破實現(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相結合 , 將是推動鈦擴大民用的必由之路。估計在今后 10～15 a 內(nèi)鈦在全球范圍內(nèi)的應用將產(chǎn)生一個以民用(指不包括航空航天應用)為主導的劃時代的新局面。

我國擁有10×10⁸t 以上的鈦鐵礦資源及規(guī)模可觀的需求市場 (2002年鈦加工產(chǎn)品需求量為5500t)。近年來在需求的推動下 , 我國的鈦工業(yè)獲得了迅速 發(fā)展。 鈦加工 材產(chǎn)量已從 2000年的2000 t急驟增長到2002 年的5500 t ,海綿鈦產(chǎn)能達4 000 t/a,為滿足國內(nèi)強勁要求, 每年凈進口鈦材2000余t , 國內(nèi)總消費量已達7300t的水平。估計未來幾年內(nèi)我國鈦的總產(chǎn)能將達到16000t/a ,而國內(nèi)汽車生產(chǎn)的蓬勃發(fā)展及對石油進口的嚴重依賴,必將為鈦在汽車中的應用打開一片新天地。

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，包括化學純鈦、鈦合金及鈦基復合材料等。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度β-鈦合金。目前以既經(jīng)濟又在性能上適宜的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，須適應劇烈的熱應變，要求

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

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

美、日還相繼推出了一些新牌號的鈦合金以減輕成本上的負擔。除已提及的TimetalLCB較Ti-6Al-4V成本下降22%外，美國還曾利用殘鈦生產(chǎn)標稱成分為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)適應汽車應用或成本上不及TimetalLCB優(yōu)越。豐田公司為實現(xiàn)氣門輕量化推出耐高溫鈦基復合材料(Ti-MMC)是一種以TiB顆粒作為增強劑，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)的鈦基復合材料，前者TiB為5%，后者TiB為20%。用粉末冶金元素摻混法制造。由于在鈦粉內(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)動機上比普通鋼氣門發(fā)動機減重40%；氣門彈簧減重16%。最高轉數(shù)提高到700轉/分，高轉速下的噪聲降低30%。凸輪軸驅(qū)

動力矩造成的磨擦減弱20%，達到了提高性能、減少燃油損耗的目的。這種新材料在價/性比上推翻了對普通鈦合金的印象，因此，自1998年以來，豐田已把50萬只粉冶鈦基復合材料投入市場，取得了在批量生產(chǎn)汽車中應用鈦的突破。但成本仍為鋼氣門的2倍。

2、當前汽車中應用鈦的規(guī)模

日本為拓展鈦的民用市場，1990年開始在賽車生產(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)動機噪聲。由于該合金的切削能力優(yōu)異，當時形成年產(chǎn)25000個鈦連桿的規(guī)模。1998年豐田利用成本較低的鈦基復合材料，批量生產(chǎn)了鈦氣門，按每個鈦基復合材料氣門25g，年均生產(chǎn)100000個氣門計，每年僅此一項用鈦量為2.5t，5年共用鈦12.5t，裝備了Altezza轎車共31250輛。此后大眾集團在LupoFSI緊湊型轎車上批量應用了鈦后懸簧。奧地利運動摩托車制造商KTM在Motocross發(fā)動機LC8上使用了薄達0.33mm的排氣消音器。2001年美國通用汽車公司在其ChevroletCorvetteZ06運動車上開始裝備用Ⅱ級化學純鈦制造的全鈦排氣消音器，重量僅11kg，而不銹鋼消音器重18.6kg。形成了日、美、歐汽車產(chǎn)業(yè)向應用鈦材進軍的三足鼎立新局面，在發(fā)動機等重要部位開始了在技術上、經(jīng)濟規(guī)模上應用鈦的 較量。油價攀升的推波助瀾，將彰顯21世紀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)中的用量僅為100t，2002年鈦在全球汽車、卡車、摩托車中的用量為1100t，尤以日本消費增長最快。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)中的用量估計約占其總消費量的3%，即大約1500t左右。有人預計鈦在家庭轎車中應有的增長，有可能將其用量提升到22500t的水平&nbsp；。