1、前 言
隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長，人們的生活水平也得到了日益提高，居民消費(fèi)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了顯著的變化，由過去的基本需求吃、穿、用，升級為現(xiàn)在較高層次的住、行、休閑等，尤其是汽車已成為我國居民新的時(shí)尚消費(fèi)熱點(diǎn)。目前，汽車中使用的金屬材料主要有鋼材、鋁及鋁合金材、鎂及鎂合金材等，但由于鋁和不銹鋼在近 200℃即失去了原有的力學(xué)性能，而鈦合金在 500℃左右仍能保持良好的力學(xué)性能；在汽車用輕質(zhì)金屬材料中，鈦的強(qiáng)度大大高于其它材料，而鈦合金可以達(dá)到與合金鋼相當(dāng)?shù)母邚?qiáng)度，因此一直受到汽車工業(yè)的極大關(guān)注。特別是在一些惡劣的工作環(huán)境下，鋁、鎂合金材料無法滿足汽車的性能要求，而鈦合金具有優(yōu)異的耐蝕性能，可以滿足其使用要求。鈦合金材料將是替代鋼鐵的輕量化和高性能的材料。尤其是在當(dāng)今汽車材料向輕量化、節(jié)能、環(huán)保方向發(fā)展的今天，鈦無疑是最具有潛質(zhì)的汽車用材料 [1,2] 。
2、鈦在汽車中的應(yīng)用
由于鈦是一種質(zhì)輕高強(qiáng)、耐蝕性好、高低溫寬適應(yīng)范圍、高彈性等性能優(yōu)良的材料，應(yīng)用于汽車上可起到減重、節(jié)能、減震、降噪、減污、延壽，提高汽車安全性和舒適度的綜合作用，是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的理想材料。早在 20 多年前，賽車發(fā)動(dòng)機(jī)就使用鈦閥和連桿以減輕重量，從而降低轉(zhuǎn)矩和功率輸出，改善了有關(guān)部件偏轉(zhuǎn)等性能，同時(shí)可通過加入 Nb 和 Si 提高抗氧化性、抗蠕變性，在 500℃左右的條件下強(qiáng)度高于常用合金，在意大利的法拉利2003 Enzo 型超級汽車上 V12 發(fā)動(dòng)機(jī)采用了鈦合金制的發(fā)動(dòng)機(jī)連桿，使其助推速度在 3.9 s 內(nèi)可達(dá)62 km/h。排氣系統(tǒng)使用鈦，可避免路鹽和含硫的排放廢氣的腐蝕，而重量只有傳統(tǒng)材料的 60%，同時(shí)改善并加快了加速能力和較短的制動(dòng)距離。目前公認(rèn)的汽車中可用鈦替代的零部件主要有：彈簧、連桿、氣門、氣門座、搖臂、排氣管、消音器、門鏡框、前擋板、后擋板、車門、門側(cè)蓋、緊固件、掛耳螺帽、車輪等。
早在1956 年美國就研制出了“火鳥 2”型全鈦汽車，此后日本在于 1968 年在賽車發(fā)動(dòng)機(jī)上也使用了鈦材。目前，汽車用鈦批量生產(chǎn)的事例有很多，用于發(fā)動(dòng)機(jī)零件上的有：1989 年三菱汽車工業(yè)公司將 冷 軋 鍛 造 性 極 佳 的 Ti-22V-4Al ， 使 用 于“GALLANT”的 AMG 發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門彈簧座圈上；1990 年，本田技研工業(yè)公司在“NSX”體育競賽跑車的連桿上采用了快切削型鈦合金 Ti-3Al-2.5V；1998 年，豐田汽車公司在“ALTEZZA”的發(fā)動(dòng)機(jī)氣門上采用了燒結(jié)型鈦合金，“ALTEZZA”在吸氣和排氣系統(tǒng)上分別用了 8個(gè)氣門，其重量共為408 g/臺，與鋼制造的 667 g/臺相比較，實(shí)現(xiàn)了降低重量40%的輕量化，并通過采用這種氣門，成功地使氣門彈簧的質(zhì)量也從 43 g 減少到 36 g；在懸架彈簧是使用鈦的有：2001 年，低成本合金 Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5Al 被采用于大眾汽車 Lupo FSI 彈簧上，彈簧的重量為 1.36 kg 比質(zhì)量達(dá) 4.12 kg 的鋼制產(chǎn)品減輕了約 1/3 左右；在排氣管及消音器上使用鈦的有：1998年由川崎重工業(yè)公司將鈦使用于體育競賽型大型雙輪摩托車“ZX－9R”的消音器上以來，本田技研工業(yè)公司的“CBR900RR”、雅馬哈摩托公司的發(fā)動(dòng)機(jī)“YZF－R1”、鈴木汽車公司的“GSX－R1000”的消音器均采用了鈦，2001 年美國的通用公司將鈦使用于雙排減速消音器上，將其質(zhì)量從鋼制產(chǎn)品的19.8 kg 降低到 11.7 kg，減輕了 41%的重量。最近奧迪美國分部在芝加哥車展上宣布將會推出鈦版2006 奧迪 A4 轎車和旅行車。鈦版 A4 是專為北美市場車而設(shè)計(jì)的，在四月推出了 A4 2.0T 和 3.2 FSI的轎車和 Avant“S”（旅行車）。其獨(dú)特的 18 英尺純鈦 15 輻條輪轂及純鈦板的車體，與以往的發(fā)光、發(fā)亮車身形成了鮮明的對比，更顯鈦材本色特質(zhì)的典雅、尊貴。
研究表明，鈦及鈦合金的應(yīng)用有利于減輕汽車重量，降低摩擦損失和空氣阻力，改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒狀態(tài)，提高性能，從而節(jié)油 2%～3%，降低噪音 5%～10%。目前汽車零件中已被認(rèn)定可用鈦替代鐵基零件的主要有：發(fā)動(dòng)機(jī)中的吸氣連桿、軸、閥彈簧、擋圈等；排放系統(tǒng)中的吸氣閥和排氣閥等，這些零件比傳統(tǒng)鐵基零件減輕重量 30%~70%?，F(xiàn)在鈦零件 在汽車上的應(yīng)用領(lǐng)域正日益擴(kuò)大，可見汽車用鈦是一個(gè)非常具有吸引力的潛在的龐大市場。
3、未來汽車的發(fā)展方向
美國通用汽車公司研發(fā)與規(guī)劃副總裁伯恩斯說：“未來的汽車將具有以下七大特點(diǎn)：安全、價(jià)廉、環(huán)保、實(shí)用、高效、省油以及提供與外部世界的聯(lián)系。這就意味著汽車行業(yè)必須圍繞低價(jià)位、實(shí)用性、設(shè)計(jì)和技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新。”大多數(shù)汽車設(shè)計(jì)者認(rèn)為，未來的汽車必須具有以下三大性能：
高性能——隨著汽車產(chǎn)品水平的不斷提高，對原材料及相關(guān)產(chǎn)品的性能要求越來越高。為提高防腐性能，延長汽車使用壽命，國外中高檔轎車已廣泛采用鍍鋅鋼板并正在開發(fā)多種系列的合金鍍層鋼板；為降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，增加轎車的舒適性，正著力開發(fā)兩層冷軋板間粘附熱塑性樹脂的減振鋼板；為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)向高速、增壓、高負(fù)荷方向發(fā)展的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、連桿、軸瓦已開始應(yīng)用金屬基復(fù)合材料。輕量和節(jié)能——為減輕汽車產(chǎn)品自重，節(jié)省材料，減少汽車燃油消耗，降低生產(chǎn)和使用成本，輕量、節(jié)能一直是國際汽車工業(yè)研究的主題。汽車產(chǎn)品傳統(tǒng)鋼鐵材料用量將逐漸減少，高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、粉末冶金和塑料等用量不斷增加。如采用高強(qiáng)度鋼板，車身質(zhì)量可減輕 25%，制造成本可降低 3%。與 20 年前相比，國外轎車自重減少了20%~26%，預(yù)計(jì)歐洲 2000 年與 1995 年相比，每輛轎車所用鋼、鑄鐵、銅、玻璃的數(shù)量將分別下降15%、29%、13%和 13%；鋁、鎂、粉末冶金、塑料的用量將分別增加 31%、100%、20%和 29%。
環(huán)保——為保護(hù)環(huán)境，國際汽車工業(yè)對汽車產(chǎn)品使用環(huán)保型材料給予了高度重視，汽車廢舊材料回收、再生與利用技術(shù)已成為熱點(diǎn)，并開始形成一種新興的產(chǎn)業(yè)。如為便于回收和減少由于 ABS／PVC 引起的車內(nèi)氣味，采用聚烯烴彈性材料制造儀表板表皮；汽車剎車片等產(chǎn)品已普遍使用無石棉摩擦材料；車身內(nèi)飾用膠已由原來的溶劑型膠向水基膠發(fā)展；利用材料應(yīng)用綜合技術(shù)，選擇塑料品種趨于集中統(tǒng)一，以便于回收。歐洲各國要求 2000 年汽車廢舊材料利用率達(dá)到 85%，2015 年達(dá)到 95%，現(xiàn)已開始著手研究并采用回收、再生利用技術(shù)。
從以上設(shè)計(jì)理念及未來發(fā)展趨勢來看，安全、節(jié)能、環(huán)保是當(dāng)今汽車工業(yè)發(fā)展的三大主題。而汽車技術(shù)的發(fā)展和性能的提高與采用新材料息息相關(guān)，鈦及鈦合金具有其它金屬無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，無疑是汽車工業(yè)潛在的優(yōu)選材料之一。
4、如何大力發(fā)展我國的汽車用鈦市場
金屬鈦用于汽車上所表現(xiàn)出的優(yōu)良特性主要是指高強(qiáng)度、低密度、優(yōu)異的耐蝕性能，汽車使用鈦的優(yōu)點(diǎn)是：動(dòng)力傳輸效果或重量減輕對燃料的節(jié)省、發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音與振動(dòng)的減少及部件載荷的減輕，可提高零部件的持久性和壽命。由于鈦優(yōu)良的特性，在汽車上使用的范圍越來越廣。只是因價(jià)格較高妨礙了應(yīng)用，為滿足汽車用鈦低價(jià)位的需求，鈦工業(yè)者們在如下幾個(gè)方面作了大量的工作，一是開發(fā)低成本的新的鈦合金體系，二是致力于研究在鈦的熔煉、生產(chǎn)、加工等各個(gè)環(huán)節(jié)來降低鈦的成本，同時(shí)采用新技術(shù)如使用鈦的鍍膜技術(shù)、納米技術(shù)，達(dá)到既降低價(jià)格又利用鈦的高性能的目的。
4.1 低成本鈦合金體系
通常鈦合金多以價(jià)高的 V等作為合金化元素來提高強(qiáng)度，而這些合金化元素又多以 Al-X 作為中間合金添加。以廉價(jià)的 Fe、Cr 等取代 V，是降低鈦成本、擴(kuò)大民用市場份額的一種有效的合金化方法。
美國 Time 公司為取代價(jià)格較高的 Ti-1023 而開發(fā)的高強(qiáng)鈦合金 Ti-1.5Al-6.8Mo-4.5Fe（Timetal LCB）和汽車用鈦 TI-6Al-1.7Fe-0.1Si（Timetal 62S），均使用了很便宜的 Fe 作為合金化元素。其成本可降低15%～20%。鈦合金 Ti-3Al-2.5V-0.2S-0.47Ce-0.27La（DAT52F）是日本大同鋼公司與本田公司合作開發(fā)的汽車連桿用鈦合金，具有良好的加工性能，其鉆孔加工率比 Ti-3Al-2.5V 提高 50%～70%，切削效率提高 20%~30%。由于鈦具有其特殊的生產(chǎn)工藝使其價(jià)格較其它金屬貴些，其適用于汽車的低成本鈦合金品種如表 1 所示。
日本近期研制的新型 α＋β 型鈦合金 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，可以大大降低鈦合金的生產(chǎn)成本；Ti-33.5Al-1Nb-0.5Cr-0.5Si 也是日本近期開發(fā)的新型鈦鋁合金，可用于制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣閥，大大改善發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，該合金與排氣閥常用的馬氏體耐熱鋼和鎳基合金相比，突 出的優(yōu)點(diǎn)是密度小，蠕變強(qiáng)度也相對較高，且具有很好的耐磨性。
4.2 新的海綿鈦制取方法
由于鈦與 O、H、N、C 等元素有極強(qiáng)的化學(xué)親和力，所以鈦金屬的提取工藝技術(shù)難度很大。工業(yè)上普遍使用的 Kroll 鎂還原法是一種非連續(xù)的海綿鈦生產(chǎn)工藝，能耗高，生產(chǎn)周期長，并使用大量的金屬鎂作還原劑，生產(chǎn)成本較高。
人們曾經(jīng)對 TiCl 4 電解還原取代鎂還原法生產(chǎn)海綿鈦?zhàn)隽舜罅康难芯抗ぷ?，但由于技術(shù)原因直到現(xiàn)在電解法一直處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，沒有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。最近，英國劍橋大學(xué)在電解工藝的開發(fā)上有所突破（劍橋法 FCC），并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將金紅石的 TiO 2 顆粒在 950℃的熔鹽中直接還原成多孔金屬鈦。鈦顆粒尺寸約 12 µm，成本降低 40%，且生產(chǎn)周期短，這種方法的優(yōu)點(diǎn)十分明顯，是未來金屬鈦生產(chǎn)的發(fā)展趨勢，目前正逐步向工業(yè)化規(guī)模發(fā)展。
4.3 完善和提高殘鈦回收技術(shù)
自 20 世紀(jì) 80 年代起，發(fā)達(dá)國家為提高綜合經(jīng)濟(jì)效益、避免環(huán)境污染，以生態(tài)理念為基礎(chǔ)，提出了“循環(huán)經(jīng)濟(jì)”的發(fā)展思路。它是一種能夠有效地節(jié)約能源，資源消耗，將廢舊金屬產(chǎn)品等回收處理，有效的納入集約化生產(chǎn)體系的一種新的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，用“資源—產(chǎn)品—再生資源”的一頭反饋式循環(huán)理念重構(gòu)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行過程，最終實(shí)現(xiàn)最優(yōu)生產(chǎn)、最 適消費(fèi)、最少廢棄。汽車用鈦完全可利用殘鈦回收技術(shù)，一方面可加強(qiáng)我國鈦資源的綜合開發(fā)與利用，另一方面可大大降低汽車用鈦成本，對我國鈦工業(yè)和汽車工業(yè)均有著不可低估的重要意義。
4.4 采用新技術(shù)制備汽車鈦合金零件
占總成本 60%以上的加工成本是各國降低成本研究的重點(diǎn)。粉末冶金近凈成型技術(shù)以其特有的優(yōu)勢，成為一種高產(chǎn)量、低成本生產(chǎn)近成品形狀部件的方法，在制備汽車等零部件方面受到人們?nèi)找嬷匾?。例如日本汽車粉末冶金零?73%用于發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱，其中，連桿、閥座、閥、帶輪、同步器齒轂、同步環(huán)等都是復(fù)雜且要求高的關(guān)鍵零件。目前鈦粉未冶金研究正處于飛速發(fā)展階段，主要包括幾個(gè)方面，一是高質(zhì)量低成本鈦粉未制備技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化；二是鈦粉未冶金件的制備技術(shù)，同時(shí)在汽車工業(yè)推廣應(yīng)用。
除此之外，激光成型技術(shù)（集成了激光技術(shù)、CAD/CAM 技術(shù)和材料技術(shù)的最新成果），根據(jù)計(jì)算機(jī)模型，可直接用合金粉未一次成型形狀復(fù)雜的最終零件，制造出的鈦零件性能介于鑄造和鍛造之間，而成本降低 15%～30%，交貨時(shí)間縮短 50%~75%。
金屬粉未注射成型技術(shù)（MIM）是發(fā)展較快的一種近凈成型粉未冶金技術(shù)，可制造高質(zhì)量、高精度的復(fù)雜零件，被認(rèn)為是目前最有優(yōu)勢的成型技術(shù)之一；還有鈦涂層技術(shù)，也是一種能降低成本的新型工藝。
美國 Allied Signal 公司制造的本迪克斯牌表面鈦涂層汽車剎車片，已投放市場，預(yù)計(jì)每年產(chǎn)銷幾百萬件，美國兩大汽車公司（Ford 和 GM）還研究新型γ－TiAl 氣門，也將用于汽車上?？梢?，降低鈦材料的價(jià)格必須從開發(fā)低成本的新的合金系、改進(jìn)生產(chǎn)工藝兩方面入手，才能從真正意義上解決汽車用鈦受鈦材價(jià)格制約的問題，也才能使汽車用鈦更具競爭力和發(fā)展前景。
5、我國汽車用鈦的預(yù)期與展望
根據(jù) OICA（國際汽車制造商協(xié)會）統(tǒng)計(jì)，2002年我國汽車產(chǎn)量為 325 萬輛，世界排名為第 5 名。
2003 年汽車產(chǎn)量有望突破 410 萬輛，成為僅次于美國、日本、德國的世界第 4 大汽車生產(chǎn)國。我國汽車年產(chǎn)銷達(dá)到 100 萬輛歷時(shí)近 40 年，從 100 萬輛增至 200 萬輛歷時(shí) 8 年，增至 300 萬輛僅用了 2 年，而突破 400 萬輛則只用 1 年時(shí)間。這表明我國汽車工業(yè)正處于超高速增長階段，增速之快為世界各國汽車工業(yè)發(fā)展過程所罕見。中國市場有良好的成長性和巨大的潛力，繼續(xù)成為全球汽車市場的亮點(diǎn)。
作為經(jīng)濟(jì)正在崛起的一個(gè)世界人口大國，中國的汽車市場無不被世界各大著名汽車廠家看好。鈦材的優(yōu)良性能毋庸置疑，正如前文所述許多汽車制造廠商都進(jìn)行了大量有益的探索工作。阻礙鈦在汽車方面的應(yīng)用主要是鈦材的價(jià)格問題，鈦材制造廠商也正在努力進(jìn)行多方面降低成本的工作。通過雙方的努力，會在不遠(yuǎn)的將來取得顯著的成效的。另外從另一方面來說，在中高擋汽車上使用一種重要零件（假如使用鈦材 1 kg），成本增加 200元~500 元，成本并沒增加很多，卻達(dá)到性能提升、降低維修費(fèi)用和提高使用壽命的目的，也值得汽車制造廠商考慮。
綜上所述，隨著對汽車環(huán)保、輕量化、節(jié)能、降耗的要求，隨著汽車制造技術(shù)和鈦冶金技術(shù)的發(fā)展，通過汽車制造廠商和鈦材制造廠商的共同努力，必將推動(dòng)汽車用新材料——鈦及鈦合金的快速發(fā)展，更好地推動(dòng)我國的汽車用鈦市場的蓬勃發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
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