汽車制造工業(yè)應(yīng)用中的鋁鎂鈦

美、英發(fā)動以控制石油資源為背景的伊拉克戰(zhàn)爭，導(dǎo)致2003年底油價開始上揚(yáng)，至2005年初突破了每桶60美元，新的能源危機(jī)已成現(xiàn)實(shí)。作為全球第二大石油消費(fèi)國，2004年我國進(jìn)口原油高達(dá)1.1×10⁸t。油價的一路走高，給我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展特別是汽車運(yùn)輸行業(yè)帶來嚴(yán)重的后果。

自上世紀(jì)六七十年代油價攀升以及環(huán)保法規(guī)日趨嚴(yán)格以來，要求汽車輕量化以減少油耗和控制排放的呼聲日益高漲，從而使汽車在大量使用高強(qiáng)度低合金鋼(約占車體結(jié)構(gòu)25%)的同時，鋁、鎂、鈦、玻璃纖維增強(qiáng)塑料等輕質(zhì)材料在汽車結(jié)構(gòu)中的用量也獲得了不斷提高(表1)。

鋁鎂鈦已成為汽車的重要材料

20世紀(jì)初，整個車輛的3/4均由鋼和鑄鐵構(gòu)成。為減輕車重，目前大部分汽車的車身由高強(qiáng)度鋼組成，用量約占車重的25%。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，汽車生產(chǎn)的高度發(fā)展，其對石油資源的急劇需求及環(huán)保法規(guī)推向Euro-Ⅲ，大大加快了汽車輕量化進(jìn)程。表1所列鋁、鎂、鈦等輕金屬材料已成為汽車設(shè)計首選的輕質(zhì)材料。南非鋁業(yè)聯(lián)合會(AFSA)2003年的報告指出，西方過去10年中汽車對鋁的需求(主要為鑄件)增長了3倍，平均每輛車為120kg，按世界年產(chǎn)5000萬輛計，全球汽車產(chǎn)業(yè)約需金屬鋁(600~700)×10⁴t，已成為鋁的最大用戶。鋁的來源主要靠廢雜鋁再生。而鎂比鋁輕1/3(比鋼輕4/5，比鋅輕3/4)，由于比強(qiáng)度高，自上世紀(jì)90年代以來，鎂在汽車零件生產(chǎn)中的用量年增長率平均為18%。鎂在每輛車上的用量1990年不到1kg，2001年達(dá)到4.3kg。估計到2020年福特、通用、戴姆勒·克萊斯勒三大汽車公司的每輛汽車上將使用100kg以上的鎂零件。

至于鈦，由于它兼有強(qiáng)度高、密度低、柔韌性好、反彈能力強(qiáng)、高溫性能及抗蝕能力突出等特性，更為鎂、鋁所不及(表2)。以比強(qiáng)度為例，鈦結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度約為同重量鋼結(jié)構(gòu)件的3倍。因此，遠(yuǎn)在50年代中期通用汽車公司在渦輪發(fā)動機(jī)驅(qū)動的實(shí)驗(yàn)性Firebird-Ⅱ號車型的外殼上全部使用了鈦。這種車雖然一直未投產(chǎn)，但后來演化為在高速賽車上使用，用于保護(hù)車身防止空氣摩擦引起的過熱。此后鈦材以其高比強(qiáng)和強(qiáng)抗蝕特性，成為高端汽車一些關(guān)鍵零部件首選材料之一。但因其價格高昂(表3)，難于被廣泛使用。通常，汽車生產(chǎn)廠家除應(yīng)對客戶要求節(jié)約燃油，減輕有害物排放，降低噪聲和提高安全性能外，還必須滿足因追逐舒適、豪華而對車型和汽車工作高性能的要求。對車型和高性能的要求是商家極為關(guān)鍵的兩個銷售因素。汽車上使用鈦零件每減輕1kg車重，將降低2.20美元的批量生產(chǎn)成本，4.50～7.70美元的節(jié)油成本，8.50美元專用車和豪華車的成本。因此使用鈦在投入成本和提高性能帶來的效益之間的差距正在縮小。

20世紀(jì)90年代末，豐田成為第一個在批量生產(chǎn)中把鈦發(fā)動機(jī)氣門引入其系列車型中的廠家;2000年起，德國大眾在其生產(chǎn)的LupoFSI緊湊型轎車中裝備了用鈦制成的后懸掛彈簧;其后，通用汽車公司在其生產(chǎn)的ChevroletCorvetteZ06運(yùn)動車的排放系統(tǒng)上使用完全由鈦制造排氣消音器，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)量頗為可觀的鈦零件的批量生產(chǎn)。