汽車(chē)制造工業(yè)應(yīng)用中的鋁鎂鈦

美、英發(fā)動(dòng)以控制石油資源為背景的伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)，導(dǎo)致2003年底油價(jià)開(kāi)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(guó)，2004年我國(guó)進(jìn)口原油高達(dá)1.1×10⁸t。油價(jià)的一路走高，給我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展特別是汽車(chē)運(yùn)輸行業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重的后果。

自上世紀(jì)六七十年代油價(jià)攀升以及環(huán)保法規(guī)日趨嚴(yán)格以來(lái)，要求汽車(chē)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(chē)在大量使用高強(qiáng)度低合金鋼(約占車(chē)體結(jié)構(gòu)25%)的同時(shí)，鋁、鎂、鈦、玻璃纖維增強(qiáng)塑料等輕質(zhì)材料在汽車(chē)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(chē)的重要材料

20世紀(jì)初，整個(gè)車(chē)輛的3/4均由鋼和鑄鐵構(gòu)成。為減輕車(chē)重，目前大部分汽車(chē)的車(chē)身由高強(qiáng)度鋼組成，用量約占車(chē)重的25%。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，汽車(chē)生產(chǎn)的高度發(fā)展，其對(duì)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(chē)輕量化進(jìn)程。表1所列鋁、鎂、鈦等輕金屬材料已成為汽車(chē)設(shè)計(jì)首選的輕質(zhì)材料。南非鋁業(yè)聯(lián)合會(huì)(AFSA)2003年的報(bào)告指出，西方過(guò)去10年中汽車(chē)對(duì)鋁的需求(主要為鑄件)增長(zhǎng)了3倍，平均每輛車(chē)為120kg，按世界年產(chǎn)5000萬(wàn)輛計(jì)，全球汽車(chē)產(chǎn)業(yè)約需金屬鋁(600~700)×10⁴t，已成為鋁的最大用戶。鋁的來(lái)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(lái)，鎂在汽車(chē)零件生產(chǎn)中的用量年增長(zhǎng)率平均為18%。鎂在每輛車(chē)上的用量1990年不到1kg，2001年達(dá)到4.3kg。估計(jì)到2020年福特、通用、戴姆勒·克萊斯勒三大汽車(chē)公司的每輛汽車(chē)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(chē)公司在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)性Firebird-Ⅱ號(hào)車(chē)型的外殼上全部使用了鈦。這種車(chē)雖然一直未投產(chǎn)，但后來(lái)演化為在高速賽車(chē)上使用，用于保護(hù)車(chē)身防止空氣摩擦引起的過(guò)熱。此后鈦材以其高比強(qiáng)和強(qiáng)抗蝕特性，成為高端汽車(chē)一些關(guān)鍵零部件首選材料之一。但因其價(jià)格高昂(表3)，難于被廣泛使用。通常，汽車(chē)生產(chǎn)廠家除應(yīng)對(duì)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(duì)車(chē)型和汽車(chē)工作高性能的要求。對(duì)車(chē)型和高性能的要求是商家極為關(guān)鍵的兩個(gè)銷售因素。汽車(chē)上使用鈦零件每減輕1kg車(chē)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(chē)和豪華車(chē)的成本。因此使用鈦在投入成本和提高性能帶來(lái)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(gè)在批量生產(chǎn)中把鈦發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)引入其系列車(chē)型中的廠家;2000年起，德國(guó)大眾在其生產(chǎn)的LupoFSI緊湊型轎車(chē)中裝備了用鈦制成的后懸掛彈簧;其后，通用汽車(chē)公司在其生產(chǎn)的ChevroletCorvetteZ06運(yùn)動(dòng)車(chē)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)。