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金属钛优良的特性可用在汽车的动力传输部与车底盘部

放大字体  缩小字体 发布日期:2013-10-14  浏览次数:98
     由于钛优良的特性,在汽车上大量使用的场合越来越多,只是因价格较高妨碍了应用。下面重点讲述钛在家庭汽车的应用现状及最近动向,并介绍了成为扩大应用突破口的二种用途。

金属钛优良的特性主要是指高强度、低密度、出色的耐蚀性,可用在汽车的动力传输部与车底盘部。这些用途主要是针对钛是轻量合金,且可代替不锈钢,汽车重量减轻有望提高车本身的性能。
重量的减轻对车的设计富于很大的弹性,无论对对跑车与家庭用车都是很重要的。到目前为止,跑车用发动机的生产商为了使汽车用阀类与连接轴的轻量化选择了钛作原材料。性能的改善表现在转距、输出功率以及连接部件变形的减少。


汽车使用钛的优点在于:动力传输效果或重量减轻对燃料的节省、发动机的骚音与振动的减少及部件载荷的减轻,可提高车的持久性。轿车部件中可用钛作阀类、连接轴、阀弹簧与其支撑用具。
发动机以外的处所的钛用途:例如车底盘使用钛的话,可减轻车重,节省燃料。最引人注目的是部件中悬簧、排气装置,曲轴以及其它紧固件类对钛的使用。跑车、轿车上钛材的大量使用存在的最大障碍仍是价格问题。钛材成本与其它部件加工成本比较如表1所示。
        表1钛与其它材料的成本比较 (单位:US$/Ib)
        钛     铝     钢铁
  矿石    0.30    0.10     0.02
 金属粗锭   2.00    0.68     1.10
  锭子    4.50     0.70     0.15
  板材  15.00~50.00 1.00~5.00   0.30~0.60


  世界钛市场规模约为45000mt/年,其一半在美国。世界的汽车总生产量为约6000万台/年,美国占其1/4。因此若世界汽车的一半采用钛,按1台用钛量为约500g 计算,钛的消费量就可再增加30%。这样汽车用钛量还是相当可观的。


  钛在家庭汽车上的应用


  美国最大的钛生产商Timet公司对汽车采用钛作为部件的优点列举如下:
  (1)钛材的采用解决了某些实际问题;
  (2)与市场取得了协调;
  (3)存在钛材应用的相关技术;
  (4)可利用已确立的技术;
  (5)钛材的使用又有新的价值。
  

  钛材最初是在批量化生产的高级车NSX V-6车上使用,接着是在1998年在日本获奖的丰田双门敞篷轿车的阀类采用了钛。该车的进气阀使用了采用了粉末冶金法生产的Ti-6Al-4V/TiB合金,排气阀则采用了耐热性的Ti-Al-Zr-Sn-Nb-Mo-Si/TiB合金。该车的发动机为2000cc,采用了1个27g的进气阀和24g的排气阀8个,一辆车用的钛材总计为408g。原材料为钢时各自的重量则为40.0g与44.6g,阀的总重量比钛材的2倍还多。这种车的阀弹簧也使用了钛,其重量从43g减轻到36g。丰田公司的这种新型车最初生产的台数为 4000台,其中一半使用了钛材。
  另外,日本其它公司使用钛的例子则是本田S2000及R型车。欧洲的一些车上则在批量化生产的连接轴也采用了钛。


  家庭轿车用钛最近有2例。如GM公司的雪佛莱Z06车的排气阀的场合,总重量的减轻则有利于性能的提高。钛制2根1组的消音器重量为11.7g ,重量减轻了41%,有助于车的性能提高。并且消音器的寿命是半永久性的。
Timet公司与Arvin Meritor公司,根据市场和已有的技术,共同开发了新的Timetal排气级钛合金(与Ti2级相同)。该材料是两公司按照合同进行试验并对性能进行了确认。试验时将为不锈钢确立的冲孔、弯曲、冷轧成型及焊接等制造技术进行了改良以活用到钛上,达到了减轻重量的目的。


  金属钛与钢相比,弹性模量低,密度小,适用于弹簧类。钛制弹簧在以波音公司为主的宇航业得到了广泛的应用,但Timet认为,这些部件应用到汽车上则价格过高。因此该公司与宇航业部件生产商共同开发汽车用钛制弹簧,并得到了德国VW公司的大力支持。Timet公司与VW 公司均是汽车部件生产商,使用标准的钢铁制弹簧生产设备来生产钛制弹簧。VW公司选择的部件加工商Muhrund Bender公司将本公司的钢制弹簧制造设备进行改造以用来生产钛制弹簧。其结果是,使用低成本的β-合金Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5Al比已有的β-合金价格减少了50%。用该材料制作的弹簧比与相同钢制弹簧的重量减少了1/3,且具备了最佳的疲劳寿命。搭载这种钛制弹簧的2001年型Lupo FSI轿车,比标准型的FSI,其总重量减轻了81.6kg。这种Lupo FSI轿车为48mpg(英里/加仑)的世界最低的燃料费车在欧洲市场进行销售。VW公司2001年型的这种车种的年生产量的为3500台。


今后展望


  将钛材大量用于汽车的开端是特殊处所的部件对钛的采用。当然车体钢板还不能考虑用价格比其高50~100倍的钛板代替,开发的特殊处所的部件用途,是通过今后设计与生产技术的发展而扩大的,并可考虑追加新的特殊用途。应解决的问题是通过削减成本将钛部件用途从特殊状态向大量生产过渡。得到廉价的海绵钛是有希望的,但要通过大幅度改进克罗尔法或亨特法来实现的可能性则不大。Fray法目前则在试验阶段,很有可能是极有前途的新技术。在目前情况下,粉末冶金技术与1次熔化技术(冷炉床EB熔化或等离子技术等)则有望削减钛产品的成本。钛材的厂商与用户若签订长期价格合同也有可能降低成本。通过尽可能利用生产钢铁的大型设备,对汽车用钛材的稳定供应与质量保证也至关重要。

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