钛在汽车工业上的开发与应用
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发布时间：2008-07-31
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钛及其合金具有密度小、比强度高和耐蚀性好等特性，在汽车行业具有很大的应用潜力，可用做发动机气门、承座、气门弹簧、连杆以及半轴、螺栓、紧固件、悬簧和排气系统元件等。在汽车行业用钛后，可极大地减轻汽车重量、降低其燃料消耗、提高汽车工作效率、改善环境和降低噪音等，因此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，并已取得了一定的进展。早在２０多年前，赛车发动机就使用钛气门和连杆减轻重量，从而降低转矩和功率输出，改善了有关部件偏传等性能。目前的赛车几乎都使用了钛材。轿车使用钛，可达到节油、降低发动机噪音及振动、提高寿命的作用，近年来已取得很大进展，已制造出纯钛汽车排气系统和商业样机、Ｔｉｍｅｔａｌ－６２Ｓ和Ｔｉｍｅｔａｌ－ＬＣＢ轮轴、连杆、Ｐ／Ｍ排气气门等。就潜在的材料需求而论，汽车用钛是一个非常具有吸引力的市场。但是，长期以来汽车一直是钢、铝、铜、塑料等的天下，钛想要进入汽车市场，除了自身的性能优势外，还必须进一步地降低成本至汽车业可以承受的水平才行。↑
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↑应用的可能性和前景↑ 众所周知，钛合金以高的比强度、高模量和优良的抗腐蚀性已成为航天航空、航海、军事等工业不可缺少的结构材料。多年来，汽车制造商和材料界都一直试图使钛进入汽车工业市场，但因成本问题始终未获成功。↑随着能耗的短缺、环境意识的加强，人们把更多的注意力集中在民用工业上，尤其是汽车工业上。美国、日本和欧洲国家先后颁布了有关生态法规，并制订了更高的ＣＡＦＥ标准。这些成为目前发展汽车制造业用钛的强大推动力。这是因为使用钛可减轻汽车重量，降低燃料消耗，降低发动机的噪音和振动，延长寿命。为此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。↑ 根据设计和材料特性，钛在新一代汽车上的应用主要分布在发动机元件和底盘部件上。在发动机系统用钛可制作气门、气门弹簧、气门弹簧承座和连杆等元件，在底盘部件用钛主要为弹簧、排气系统、半轴和紧固件等，这些都是汽车上的关键部件，其用钛量不可小看。↑ 在应用研究方面，近年已取得很大进展。１９９６年在ＬａｓＶｅｇａｓ召开的国际钛协会展览会上展示了Ｔｉｍｅｔ公司用工业纯钛制造的钛汽车排气系统，随后Ｃｈｒｙｓｌｅｒ和ＧＭ公司制出了纯钛排气系统的商用样机，大规模的生产评估正在进行；同时ＧＭ公司还在进行Ｔｉｍｅｔ-ａｌ－６２Ｓ和Ｔｉｍｅｔａｌ－ＬＣＢ轮轴的研究，并正在考虑把这种合金投入批量生产。另外在美国的高性能汽车ＮＳＸＡｃｕｒａ也使用了钛制连杆，这是批量生产汽车连杆用钛的一个实例。在日本最初使用钛的汽车是“日产Ｒ３８２”型汽车，目前已在新型丰田轿车采用了Ｐ／Ｍ钛制气门，而连杆的应用也在评估之中。另外，美国Ａｌ-ｌｉｅｄＳｉｇｎａｌ公司制造出了本迪克斯牌表面钛涂层汽车刹车片，也即将上市，预计每年产销几百万件，美国两大汽车公司(Ｆｏｒｄ和ＧＭ)还研究出新型ν－ＴｉＡｌ气门，并正在评估，据说改进后的气门不久将在汽车上使用。↑ 汽车用钛是一个非常庞大的市场，一旦钛在汽车工业中得到广泛应用，那钛材的用量将远远超过目前在航天航空工业中的用量。以每辆汽车４缸发动机使用３．６ｋｇ计算，可使发动机自重减轻２．３ｋｇ，如果全世界每年有１００万辆汽车使用这种发动机，钛合金用量将达到３６００ｔ。现在美国每年可生产１５００万～１６００万辆汽车，若每辆车上有１～１．５ｋｇ的钛部件，则美国的钛市场交货量将翻近１倍，达到１５０００多吨。↑
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↑应用的主要障碍和解决方法↑ 虽然钛用于汽车能减轻重量，提高性能，但成本问题限制了它的广泛应用，因为目前汽车工业所能接受的价格远远低于市场上钛材的价格。钛比其它材料贵１０～２０倍，如何降低成本呢世界各国，尤其是美、日、俄等都在积极地寻找降低成本的方法和工艺。为了降低生产成本，人们主要在两个方面作了大量的工作，一是开发低成本的新的合金体系，二是改进生产工艺。↑ 下表列出了世界各国为降低成本而开发的低成本钛合金。在钛合金中加廉价合金元素如Ｆｅ、Ｓ等代替高价元素，既达到某一性能要求，又降低了成本，这是目前人们常用的方法。↑ 另外一种方法是通过改进或添加合金来改善加工性能。日本Ｄａｉｄｏ公司和Ｈｅｎｄｏ公司的ＤＴＡ５２Ｆ合金就是通过添加Ｓ、Ｃｅ、Ｌａ等元素来改善Ｔｉ－３Ａｌ－２．５Ｖ合金的机加工性能，形成的易切削合金，加工率提高了５０％～７０％因它对急速变化有极好的适应性，用它已制成发动机连杆(反向连接杆)；ＳＰ－７００是为了得到冷、热加工性能优于Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金而设计的一种富β的α＋β合金，且有低温超塑性。↑ 在开发廉价低成本钛合金的同时，人们把更多的注意力放在降低原材料(如海绵钛、钛粉末)的生产成本和改进并开发新的降低成本的工艺方面，如连铸工艺、连轧工艺、粉末冶金、近净成型技术等。↑ 随着对汽车性能要求的提高以及各国环保意识的加强钛这一质轻、性能优异的材料在汽车上的用量会越来越多，应用前景广阔。但在某些部件上，钛要代替常规的钢铁、铝等汽车材料，还需在保证其性能的同时，通过进一步发展低成本合金、开发降低成本的生产工艺，才能达到或接近汽车用材可以接受的成本水平。可以肯定，经过今后数年的努力，钛将会进入继航天航空工业之后又一大的应用领域--汽车制造业。↑
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