汽車制造工業(yè)應用中的鋁鎂鈦

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

自上世紀六七十年代油價攀升以及環(huán)保法規(guī)日趨嚴格以來，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度低合金鋼(約占車體結構25%)的同時，鋁、鎂、鈦、玻璃纖維增強塑料等輕質材料在汽車結構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世紀初，整個車輛的3/4均由鋼和鑄鐵構成。為減輕車重，目前大部分汽車的車身由高強度鋼組成，用量約占車重的25%。進入20世紀90年代，汽車生產的高度發(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程。表1所列鋁、鎂、鈦等輕金屬材料已成為汽車設計首選的輕質材料。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5000萬輛計，全球汽車產業(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)，由于比強度高，自上世紀90年代以來，鎂在汽車零件生產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，由于它兼有強度高、密度低、柔韌性好、反彈能力強、高溫性能及抗蝕能力突出等特性，更為鎂、鋁所不及(表2)。以比強度為例，鈦結構件的強度約為同重量鋼結構件的3倍。因此，遠在50年代中期通用汽車公司在渦輪發(fā)動機驅動的實驗性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，但后來演化為在高速賽車上使用，用于保護車身防止空氣摩擦引起的過熱。此后鈦材以其高比強和強抗蝕特性，成為高端汽車一些關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，汽車生產廠家除應對客戶要求節(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90年代末，豐田成為第一個在批量生產中把鈦發(fā)動機氣門引入其系列車型中的廠家;2000年起，德國大眾在其生產的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的ChevroletCorvetteZ06運動車的排放系統(tǒng)上使用完全由鈦制造排氣消音器，從而實現(xiàn)了數(shù)量頗為可觀的鈦零件的批量生產。