关于发展我国超高效率电机的一些考虑

第一篇：关于发展我国超高效率电机的一些考虑

关于发展我国超高效率电机的一些考虑

来源：(上海电器科学研究所(集团)有限公司，上海200063)作者：秦和 概况

由于能源和环境问题的日显重要，对于工业领域中的主要动力设备—中小型异步电机，国际上自上世纪70年代出现高效率电机后，于上世纪90年代又出现了更高效率的所谓“超高效率电机”。一般而言，高效率电机与普通电机相比，损耗平均下降20％左右，而超高效率电机则比普通电机损耗平均下降30％以上。因为超高效电机的损耗较高效率电机更进一步下降，因此对于长期连续运行、负荷率较高的场合，节能效果更为明显。在上世纪90年代初，美国电机制造商协会(NEMA)在制订了高效率电机效率标准(NEMA 12—10)后不久，针对市场上出现的超效率电机，制订了相应的效率标准，即NEMAE设计标准（NEMA12—11）。在2001年，美国NEMA又与美国能源效率联盟（CEE）联合制订了新的超高效率电机标准（NEMA12—12），一般称为NEMA Premium标准。后者较NEMA12—10标准，效率提高了1~3个百分点、损耗平均下降了20%左右。此外，美国电气与电子工程师学会（IEEE）为化工石油行业中的重载电机制定了一个行业标准（IEEE841-2001），其中包含了效率指标，其中包含了效率指标，其效率指标NEMA12—10标准提高0.5~1.5个百分点，损耗平均下降了10%左右。目前该标准在美国石油化工、造纸、冶金等工业部门得到较广泛的应用。由于NEMAE设计的启动电流偏大，未获推广，目前在美国较广泛应用的超高效率电机标准NEMA Premium标准和IEEE841—200l标准[1]。澳大利亚近年对电机能效标准进行了修订，为获得较好的节能效果，决定将欧盟EU—CEMEP标准所规定的高效率电机指标(eff 1)作为其强制性能效限定值，而将超高效率电机效率指标作为高效率电机效率标准，鼓励运行时间长、负荷率高的用户积极采用。该标准已于2004年6月批准，定于2006年起实施，其高效率电机效率指标较能效限定值损耗平均下降15％左右[2]。由于能源节约的重要性，在我国也有必要对超高效率电机的发展和应用进行必要的探讨。超高效率电机的节能潜力和经济效益

根据国内外调查，工业领域电机年平均运行时间约在3000h左右，但在石油、化工、造纸、冶金、电力等行业，电机年运行时间往往超过6000h。对于这些运行时间长的场合，如采用超高效率电机将会对能源节约带来更显著的效果。我国2003年的发电量为l8500亿kwh。由于发电量的50％通过电机传递，而三相异步电机占90％，其中一般用途的Y系列电机又占70％，因此Y系列电机将传递31．5％的总电能，即5800亿kwh。若这些电机全部换成高效率电机，也即效率提高2．75个百分点、损耗平均下降20％左右，则每年可节约电能160亿kwh[3]。如果考虑其中的30％的电机运行在6000h以上的场合，将这部分电机改用超高效率电机，也即效率再提高I．5～2个百分点，损耗平均下降15％左右，则可再节约电能46亿kwh，相应可再节约170万t标煤，约合240万t原煤．并可再节约一座100万kw电站的投资建设。

应用超高效电机对于使用者在经济上也是颇为有利的。现以一台l1kw4极电机为例，对超高效电机与普通电机进行全生命周期总费用计算的比较。设电机生命周期为15年，年运行时间为6000h，负荷率为0．68，贴现率为6％，电费约为0．5元／kwh，Y系列电机效率为0．88；现假定超高效电机YXX的效率为0．913，计算出该电机的总费用如表1所示。

超高效电机的价格较普通电机一般要贵30％～60％，现取(60％计算)，从该表数据可见，虽然初始投资增加了1200元，但电费节约了8950元，从而使电机整个生命周期的总费用降低了7750元。

现再用投资回收年限方法进行上述两种电机的比较。

电机效率提高后每年的电能节约量可用下式计算：

表1 11kW4极电机总费比较

W=P×H×K×(1/ y1-1/ y2)

(1)

式中：P一电机功率；

H一年运行小时；

K一负荷率；

y1，y2一分别为电机原效率和提高后的效率。

将前述参数代入，可得每年电能节约量W为1843．37 kWh

若电费为0．5元／kwh，则每年节约电费922元。由于电机价格如前述增加了1200元，因此仅需1．3年，初始投资的增加即可收回。3 超高效率电机效率指标的确定

为促进超高效率电机的发展，有必要制定一些超高效率电机的效率指标．国家也对节能潜力大、使用面广的用能产品将实行统一的能源效率标识制度。如2004年8月，《能源效率标识管理办法》由国家发改委与国家质检总局颁布，并定于2005年3月1日起实施。电机作为重要的用能产品，也很可能在不久的将来被列入能效标识管理的范围，要求将电机的效率分成不同的等级，并规定在电机上贴上表明其效率等级的标识，以便用户清楚地了解该电机的效率水平，便于选用。为此，应对现行的电机能效标准(GBl8613—2002)进行修订。对于未来的电机能效标准．建议分成3个级别。其中3级效率为能效限定值，即电机必须达到的最低效率水平，其指标数值建议采用现行电机能效标准(GBl 8613—2002)的节能评价值指标[3]。该指标相当于欧盟EU—CEMEP的eff 1指标．即为高效率电机的效率水平。如将我国目前的电机效率提高到这一水平，如前所述，每年可节约电能160亿kwh。2级效率的指标则建议对应于3级效率指标的损耗下降15％左右，也即与澳大利亚将于2006年实施的高效率电机指标相同。1级效率的指标则建议对应于3级效率指标的损耗下降25％左右，也即相当于美国NEMA Premium超高效率电机的水平。由于3级效率为目前我国高效率电机的水平，因此效率高于其指标的l级和2级效率即可视为我国目前的超高效率电机的高、低两档产品的指标，可供用户选用。

图1给出了4级电机l级、2级、3级效率建议值和现行能效标准GBl8613—2002能效限定值的比较。图2给出了4级电机l级、2级效率建议值与美国NEMA Premium超高效率电机和IEEE—841标准的效率比较。图3给出了2级电机l级、2级效率建议值与美国NEMA Premium和IEEE—841标准的效率比较。从图

2、图3曲线可见 ：1级效率建议值与美国NEMA Premium超高效率水平相当；由于美国电机频率为60Hz，我国电机频率为50Hz，所以4级电机NEMA Premium效率略高，而2级电机则是我国1级效率建议值略高，2级效率建议值则与美国IEEE—841标准相当。

应该指出，我国目前的GBl8613—2002，以及上述未来修订后能效标准中1级、2级、3级效率建议值的效率指标，是根据杂散损耗按0．5％输入功率来计算的，而美国NEMA Premium和IEEE一841所规定的效率指标，是根据杂散损耗按实测确定的。为进行比较，图2和图3中的效率数值已在IEC 61972标准所推荐的杂耗假定值基础上，根据实际修正折算而得。

图1 1级、2级、3级、效率建议值(4极电机)和

GB 18613—2002能效限定值的比较

图2 1级、2级效率建议值(4极电机)与NEMA Premium

和IEEE一841标准的效率比较

图3 1级、2级效率建议值(2极电机)与MEMA Premium

和IEEE一841标准的效率比较

图4不同磁性材料电机铁耗受加工过程影响的比较

在表2中列出了对于未来的电机能效标准，1级、2级、3级效率的建议值。

表2电机效率分级建议值

注：容差应符合GB755—2000第11章的规定。4 降低损耗、提高效率途径

超高效率电机的制造除了增加硅钢片和铜线的用量以及缩小风扇尺寸等措施外，还必须在新的材料的应用、电机制造工艺及优化设计等方面采取措施，以降低制造费用急剧增加的压力以及满足电机结构空间尺寸的限制。

英国Brook Hansen公司与钢厂合作，研制成功一种新的牌号为Polycor 420的电工钢片。一般电工钢片经加工成铁心压装入机座后，铁耗大幅度增加，而由该钢片制成的电机，铁耗在加工前后变化不大。图4给出了该公司在一台22kw电机上用不同磁性材料所做的对比试验。图中Newcor800 65和Losil 450 50两牌号为原用磁性材料[4]。

日本东芝公司为美国高效率电机和超高效率电机的主要供货商之一。该公司声称由于制造工艺的改进和采用新材料，使高效率电机的成本下降了30％。所采取的措施包括：应用特殊的下线工具，提高定子槽满率，增加铜线的截面积，提高制造精度，缩短气隙长度，从而减小励磁电流及其所引起的铜耗；采用转子槽绝缘工艺，从而降低杂散损耗；采用激光铁心叠压工具，从而使铁耗下降。在表3中列出了东芝公司为提高效率所采取的措施和其相应的效果[5]。

表3 东芝公司提高效率的措施

注：(*)一标准设计，标准电工钢片(5．3W／kg)；

(×)一标准设计，低损耗电工钢片(3．3W／kg)；

(+)一增加铁心长度(130mm →155mm)，标准电工钢片；

(0)一增加铁心长度(130mm →155mm)，低损耗电工钢片

(△)一增加铁心长度(160mm →180mm)，低损耗电工钢片。表4铸铜和铸铝转子电机效率对比

由于铜比铝的电阻率低40％左右，所以如果将铸铜转子代替铸铝转子，电机总损耗将可显著下降。近年国际铜业协会在美国能源部的支持下，进行了压力铸铜工艺的研究，目前已解决高温模具的材料以及相关的压铸工艺问题，从而使得有可能较经济地批量生产铸铜转子电机。2003年6月，德国SEW Eurodrive公司运用此项压铸技术成功地推出一采用铸铜转子的齿轮电机系列，功率为1．1～5．5kW。表4为意大利科技教育部组织的铸铜转子和铸铝转子对比试验项目的数据比较[6]。该项目由意大利LAFERT电机公司、ThyssenKrupp钢铁公司和法国FAVI铸铜公司合作进行。试验在不改变定、转子槽形，仅改变磁性材料和长度的情况下进行。由该表数据可见，采用铸铜转子，电机效率可提高2％～5％。但由于转子电阻降低会引起转动转矩下降，因此在设计时应进行其他参数的调整，以使在提高效率的同时，满足其他的主要性能指标。另外，由该表数据可见，铸铜转子电机杂散损耗显著下降，这对提高电机的效率也颇为有利。5 结语

在我国能源供应日益紧迫的情况下，对于一些长期连续运行、负荷率较高的场合，采用更高效率的电机在节约能源上是颇为有效的，同时在经济上也是合理的。因采用超高效率电机而造成的初始投资增加，一般在2年左右即可收回。为了促进电机节能事业的发展，并结合《能源效率标识管理办法》的贯彻，建议对现行的电机能效标准进行修订：将电机能效标准分成3个等级，最低等级为目前的高效率电机水平，高等级指标即为目前的超高效率电机水平，以使能较大幅度地减少我国电机系统的能源消耗。另外，为了促进《超高效率电机》的发展，不仅要增加有效材料(硅钢片和铜线)的用量，而且要在电机制造工艺、新材料应用及优化设计等方面采取措施，从而降低制造成本．以利于推广应用。【参考文献】

[1]秦和．电机能效标准国内外综述[G]//第三届中国电机发展论坛专题报告集．2004．

[2] Australian／New Zealand Standard．Rotating electrical machines-general requirements．Part 5：Three—phase cage induction motors-high efficiency and minimum energy performance standards requirements[S] ．AS／NZS 1359．5．2004． [3]秦和．关于提高我国电机能效标准限定值的探讨[J]．电能效益，2004(10)． [4]Waiters D G．The whole Life Efficiency of Electric Motors US Developments[G]//Energy Efficiency Improvements in Electnc Motors and Drives．1997：81—93．

[5]Takaharu Watanabe．Efficiency Improvements in Induction Motors[G]//Energy Efficiency Improvements in Electnc Motors and Drives．1997：1 1 3—1 1 5． [6]Chiricozzi，E Parasiliti F，Villani M．New Materials and Innovative Technologies to Improve the Efficiency of Three Phase Induction Motors[D]．Department of Electrical Engineering，University of L’Aquila，Italy，2004． [7]国家发改委，国家质检总局．能源效率标识管理办法[S]．2004

第二篇：电机效率计算公式

有功功率又叫平均功率。交流电的瞬时功率不是一个恒定值，功率在一个周期内的平均值叫做有功功率，它是指在电路中电阻部分所消耗的功率，对电动机来说是指它的出力，以字母P表示，单位为千瓦（kW）。

无功功率：在具有电感（或电容）的电路里，电感（或电容）在半周期的时间里把电源的能量变成磁场（或电场）的能量贮存起来，在另外半周期的时间里又把贮存的磁场（或电场）能量送还给电源。它们只是与电源进行能量交换，并没有真正消耗能量。我们把与电源交换能量的振幅值叫做无功功率，以字母Q表示，单位干乏（kvar）。

视在功率：在具有电阻和电抗的电路内，电压与电流的乘积叫视在功率，以字母S或符号

Ps表示，单位为千伏安（kVA）。

泵效率=流量*扬程（102*3.6）/轴功率

流量单位：M3/H 扬程单位：M

电机效率=轴功率/视在功率 视在功率包含有功功率与无功功率

视在功率=实际电压*实际电流*功率因数*根号3（根号3=1.732）功率因数=额定功率/额定电流*额定电压*根号3 电机效率一般是估算：20KW-60KW 电机效率为 1/1.15=0.87 60KW以上 电机效率为 0.9左右 由此可算出轴功率 水泵效率=水功率/轴功率

水泵效率=（实际流量*实际扬程*9.81*介质比重/3600）/轴功率

功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cosΦ=P/S

水泵轴功率计算公式

2009-12-07 10:13:58| 分类： 污水处理|字号 订阅

1)离心泵 流量×扬程×9.81×介质比重÷3600÷泵效率

流量单位：立方/小时，扬程单位：米 P=2.73HQ/Η, 其中H为扬程,单位M,Q为流量,单位为M3/H,Η为泵的效率.P为轴功率,单位KW.也就是泵的轴功率P=ΡGQH/1000Η（KW),其中的Ρ=1000KG/M3,G=9.8 比重的单位为KG/M3,流量的单位为M3/H,扬程的单位为M,1KG=9.8牛顿 则P=比重*流量*扬程*9.8牛顿/KG

=KG/M3*M3/H*M*9.8牛顿/KG

=9.8牛顿*M/3600秒

=牛顿*M/367秒

=瓦/367 上面推导是单位的由来,上式是水功率的计算,轴功率再除以效率就得到了.设轴功率为NE，电机功率为P，K为系数（效率倒数）电机功率P=NE*K

(K在NE不同时有不同取值，见下表)NE≤22

K=1.25 22

K=1.15 55

K=1.00(2)渣浆泵轴功率计算公式 流量Q M3/H 扬程H 米H2O 效率N % 渣浆密度A KG/M3 轴功率N KW N=H*Q*A*G/(N*3600)电机功率还要考虑传动效率和安全系数。一般直联取1，皮带取0.96，安全系数1.2(3)泵的效率及其计算公式 指泵的有效功率和轴功率之比。Η=PE/P 泵的功率通常指输入功率，即原动机传到泵轴上的功率，故又称轴功率，用P表

有效功率即：泵的扬程和质量流量及重力加速度的乘积。PE=ΡG QH(W)或PE=ΓQH/1000（KW）Ρ：泵输送液体的密度（KG/M3）Γ：泵输送液体的重度 Γ=ΡG（N/ M3）G：重力加速度（M/S）质量流量 QM=ΡQ(T/H 或 KG/S)(4)水泵的效率介绍 什么叫泵的效率？公式如何？ 答：指泵的有效功率和轴功率之比。Η=PE/P 泵的功率通常指输入功率，即原动机传到泵轴上的功率，故又称轴功率，用P表示。有效功率即：泵的扬程和质量流量及重力加速度的乘积。PE=ΡG QH W 或PE=ΓQH/1000（KW）Ρ：泵输送液体的密度（KG/M3）Γ：泵输送液体的重度 Γ=ΡG（N/ M3）G：重力加速度（M/S）质量流量 QM=ΡQ T/H 或 KG/S

第三篇：如何提高农用电机使用效率

如何提高农用电机使用效率

在现有农用电机中，有一些是旧型号低效率的，其各种损耗大、功率因数低、浪费电能高，对这些电机可采取以下节能措施进行改进。

对于连续运行的电机，如果负载率达60%以上，每年连续运行时间在3000小时以上，应采用高效率电机。国产YX系列高效率节能电机总损耗比Y系列的平均下降25.8%（在下降的总损耗中，铜损耗占20%，铁损耗占10%，杂耗占30%，风摩损耗占40%），效率平均提高3%。电机在负载率为50%-100%时，具有较平坦的效率特性，在75%时效率最高。更换高效率电机增多的费用，可在短期的节电费用中得到补偿，以后每年还可继续节省大量电费。

如果考虑到一时投资较多，旧电机换下后又被闲置，可在电机修理过程中通过降低电机的各种损耗来提高电机效率。

在修理标准电机时，通过降低电机损耗改制成高效率电机的标准是：总损耗应比原电机降低20%-30%，功率因数不低于原电机水平。

在重绕电机线圈时，增加导线截面积可以降低铜损耗，提高电机效率，但铜重量增加，由于铜重引起修理成本增加，增加的电磁线费用可以靠节省的电费在短期内偿还。

在重绕铝线电机绕组时，可以以铜代铝，在线圈形式、匝数和导线截面积不变的条件下，定子铜损耗为原来铝线时的一半左右。

在修理铸造铝笼型转子时，可改用铜条焊接结构。由于降低了转子横向泄漏电流所产生的涡流损耗和铁耗，可使转子铜损耗和附加损耗降低。如果有条件重新铸铝，可以在转子铁槽内壁涂敷绝缘漆，使铝导条与铁心接触电阻增加，能使杂散损耗降低11%左右。

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为了降低通风损耗，可改用高效率风扇。当电机所需风量和风压不变时，通风损耗与风扇效率成反比，如果把效率为20%左右的大刀式或盆式风扇改为效率为67%左右的高效机翼型轴流式风扇，通风损耗可降低为原来的30%左右。

采用上述措施处理的农用旧型号电机的运行效率和功率因数得到很大提高，达到了节能、节支的效果。

第四篇：电机效率与功率因数

什么是电动机的功率因数？

异步电动机的功率因数是衡量在异步电动机输入的视在功率（即容量等于三倍相电流与相电压的乘积）中，真正消耗的有功功率所占比重的大小，其值为输入的有功功率P1与视在功率S之比，用cosψ来表示。

电动机在运行中，功率因数是变化的，其变化大小与负载大小有关，电动机空载运行时，定子绕组的电流基本上是产生旋转磁场的无功电流分量，有功电流分量很小。此时，功率因数很低，约为0.2左右，当电动机带上负载运行时，要输出机械功率，定子绕组电流中的有功电流分量增加，功率因数也随之提高。当电动机在额定负载下运行时，功率因数达到最大值，一般约为0.7-0.9。因此，电动机应避免空载运行，防止“大马拉小车”现象。什么是电动机的输入功率和输出功率

电动机从电源吸取的有功功率，称为电动机的输入功率，一般用P1表示。而电动机转轴上输出的机械功率，称为输出功率，一般用P2表示。在额定负载下，P2就是额定功率Pn。

电动机运行时，内部总有一定的功率损耗，这些损耗包括：绕组上的铜（或铝）损耗，铁芯上的铁损耗以及各种机械损耗等。因此输入功率等于损耗功率与输出功率之和，也就是说，输出功率小于输入功率。什么是电动机的效率

电动机内部功率损耗的大小是用效率来衡量的，输出功率与输入功率的比值称为电动机的效率，其代表符号为，常用百分数表示，即：

效率高，说明损耗小，节约电能。但过高的效率要求，将使电动机的成本增加。一般异步电动机在额定负载下其效率为75～92%。异步电动机的效率也随着负载的大小而变化。空载时效率为零，负载增加，效率随之增大，当负载为额定负载的0.7～1倍时，效率最高，运行最经济。

第五篇：超高强度钢的发展

轻金属材料与超高强度钢的发展前景及应用

09032304 陈洪 09032333 顾栩

摘要：本文主要阐述和介绍了轻金属材料和超高强度钢的种类和现状及其在工业及军事上的运用，并对其发展前景做一个展望。

关键词：轻金属、超高强度钢、航空航天、发展

轻金属与超高强度钢的研究与应用在近些年取得了飞速的发展。作为航空航天器的主要结构材料，他们都是比强度高，综合性能优良，本文主要探讨了轻金属与超高强度钢的发展前景与超高强度钢的发展前景及应用。

一、轻金属材料的种类和工业上的应用

金属材料，尤其是轻金属材料在目前的情况下，应用较为广泛，前景依然不错，这种状况将持续很长时间，非金属材料的研究进展将决定这种状态的时间长短。

1、镁合金

镁由于优良的物理性能和机械加工性能，丰富的蕴藏量，已经被业内公认为最有前途的轻量化材料及21世纪的绿色金属材料，未来几十年内镁将成为需求增长最快的有色金属。20世纪70年代以来，各国尤其是发达国家对汽车的节能和尾气排放提出了越来越严格的限制，1993-1994年欧洲汽车制造商提出“3公升汽油轿车”的新概念。美国提出了“PNGV”（新一代交通工具）的合作计划。其目标是生产出消费者可承受的每百公里耗油3公升的轿车，且整车至少80%以上的部件可以回收。这些要求迫使汽车制造商采用更多高新技术，生产重量轻、耗油少、符合环保要求的新一代汽车。据测算，汽车自重减轻10%，其燃油效率可提高5.5%，如果每辆汽车能使用70公斤镁，CO的年排放量就能减少30%以上。镁作为实际应用中最轻的金属结构材料，在汽车的减重和性能改善中的重要作用受到人们的重视。

世界各大汽车公司已经将镁合金制造零件作为重要发展方向。在欧美国家中，各国的汽车厂商正极力争取采用镁合金零件的多少作为自身车辆领先的标志，大众、奥迪、菲亚特汽车公司纷纷使用镁合金。90年代初期，欧美小汽车上应用镁合金的重量，平均每车约1公斤，至2000年已达到3.6公斤左右，目前欧美各主要车厂都在规划在今后15~20年的期间，将每车的镁合金用量上升至100～120公斤。行家预测，在未来的7-8年中，欧洲汽车用镁将占总消耗量的14%，预计今后将以15%的速度递增，2005年将达到20万吨。

汽车行业对镁合金的大量需求，推动了镁合金生产技术的多项突破，镁合金的使用成本也大幅度下降，从而促进了镁合金在计算机、通讯、仪器仪表、家电、医疗、轻工等行业的应用发展。其中，镁合金应用发展最快的是电子信息和仪器仪表行业。在薄壁、微型、抗摔撞的要求之下，加上电磁屏蔽、散热和环保方面的考虑，镁合金成了厂家的最佳选择。另外，镁合金外壳可使产品更豪华、美观。在电子信息和仪器仪表行业的镁合金制品的单位重量和尺寸不如汽车零部件，但它的数量大、覆盖面广，其用量也是巨大的。所以，近几年电子信息行业镁合金的消耗量急剧增加，成为拉动全球镁消耗量增加的另一重要因素。

其它如铝合金添加剂、镁牺牲阳极和型材用镁合金等。镁牺牲阳极作为有效的防止金属腐蚀的方法之一，广泛应用于长距离输送的地下铁制管道和石油储罐。目前，作为镁牺牲阳极的镁合金有3～4万吨/年的市场需求量，且每年以20%的速度增长。镁合金型材、管材，以前主要用于航空航天等尖端或国防领域。近几年由于镁合金生产能力和技术水平的提高，其生产成本已下降到与铝合金相当的程度，极大地刺激了其在民用领域的应用，如用做自行车架、轮椅、康复和医疗器械及健身器材。

2、钛合金

钛及钛合金具有密度小、比强度高和耐蚀性好等优良特性。随着国民经济及国防工业的发展，钛日渐被人们普遍认识，广泛地应用于汽车、电子、化工、航空、航天、兵器等领域。

从2002年世界主要钛生产国的产量及所占比例来看，美国、独联体、日本占有重要地位。美国占28.3%，独联体占29.7%，日本占25.3%，三地的合计产量占全球总产量的83%。

从钛的应用领域来看，以美国、日本为例，美国钛的最大应用领域是航空航天，占到总消费量的58.5%；日本则是火力、核电厂，及板式热交换器，两者合计占总消费量的41.9%。从下表可以看出，与美国相比，日本在更多方面使用钛。在体育用品方面，除了在高尔夫球杆头上使用钛以外，还有短距离用跑鞋的销钉、羽毛球拍及冰杖等登山器具、滑雪滑冰用的冰刀刃、自行车架、轮椅等等。美日两国在化学工业及油气田钻探装置上的用钛量都在增加。在计算机磁盘(真空镀膜)、纤维纺织机的框架、餐具、帐篷用具、拐杖和照相机等方面都巧妙地使用钛。

3、铝合金

铝合金具有密度小、导热性好、易于成形、价格低廉等优点，已广泛应用于航空航天、交通运输、轻工建材等部门，是轻合金中应用最广、用量最多的合金。随着电力工业的发展和冶炼技术的突破，其性价比大为提高，目前交通运输业已成为铝合金材料的第一大用户。

在世界范围内，交通运输业已成了铝材的第一大用户，2001年交通运输业消耗铝占全世界原铝产量的27.6%，有些国家达30%以上。随着交通运输业现代化进程的加快，铝及铝合金材料在航空航天和汽车三大领域的应用日益增加。

（1）铝合金材料在航空航天中的应用 铝合金是亚音速飞机的主要用材，目前民用飞机结构上的用量为70%～80%，其中仅铝合金铆钉一项每架飞机就有40～150万个；据波音飞机公司的统计，制造各类民用飞机31.6万架，共用铝材7100千吨，平均每架用铝22吨。铝制零部件在先进军用飞机中的比例虽低一些，但仍占其自身总质量的40%～60%。据预测，2010年全球航空航天铝材的消费量可达60万吨，年平均增长率约为4.5%。

航空航天铝材的价格比普通民用铝材的价格高得多，为后者的18倍左右，是一个非常重要的市场，而其政治与军事意义则尤为重大。2002年美国航空航天铝材的价格为33000～44100美元/吨，而普通民用铝材的价格只不过2200～3500美元/吨。

美国是世界航空航天工业巨头，其用铝约占全球此领域用铝量的50%强，其他国家如法国、俄罗斯、中国、日本、巴西、加拿大、英国等的用量为50%弱。2002年，全世界航空航天用铝量约42万吨，其中美国的用量为21.4万吨。

美国铝业公司（Alcoa）是世界航空航天铝材的主要供应者，占全球总供应量的35%以上，为了保持其在该领域的世界霸主地位，获得更大的利润，经过精心的全面的调查研究与策划后，于2002年提出了一个名为“20-20攻关计划（20-20Initiative）”的计划。计划内容与目标包括：在20年时间内，开发一批新的高性能铝合金，改进铝制零部件的设计，采用高技术制造工艺，使铝制零部件的质量下降20%，使铝制零部件的制造成本与维护费用减少20%。铝锂合金具有低密度、高比强度、高比刚度、优良的低温性能、良好的耐腐蚀性能和卓越的超塑成型性能，用其取代常规的铝合金可使构件质量减轻15%，刚度提高15%～20%，被认为是航空航天工业中的理想结构材料。在航天领域，铝锂合金己在许多航天构件上取代了常规高强铝合金。铝锂合金作为储箱、仪器舱等结构材料具有较大优势。

国外预测，含钪铝-镁合金及其它系列的铝合金有可能成为下一代飞机的重要结构材料。TiAl基合金的板材除了有望直接用作结构材料外，还可以用作超塑性成型的预成型材料，并用于制作近净成型航空、航天发动机的零部件及超高速飞行器的翼、壳体等。

（2）铝合金在汽车中的应用

铝及铝合金是最早用于汽车制造的轻质金属材料，也是工程材料中最经济实用、最有竞争力的汽车用轻金属材料，从生产成本、零件质量、材料利用率等方面看，具有多种优势。

汽车用铝合金材料的3/4为铸造铝合金，主要是发动机部件，传动系部件，底盘行走系零部件。变形铝合金主要用于热交换器系统，车身系部件。预计10年内95%的气缸盖和50%的轿车发动机气缸体将用铝合金制造，轻型货车目标分别达到60%和25%水平。铝基复合材料在某些范围内替代铝合金、钢和陶瓷等传统的汽车材料，用于汽车关键零件，特别是高速运动零件，对减少质量、减少运动惯性、降低油耗、改善排放和提高汽车综合性能等具有非常积极的作用，在汽车领域有着良好的应用前景。

泡沫铝材被认为是一种大有前途的未来汽车的良好材料。泡沫铝材在汽车制造中的应用多为三明治式的三夹板，即：芯层为泡沫铝或泡沫铝合金，上下层为铝板或其他金属薄板。德国卡曼汽车公司用三明治式复合泡沫铝材制造的吉雅轻便轿车(Ghiaroadster)的顶盖板的刚度，比原来的钢构件高7倍左右，而其质量却比钢件轻25%。据测算，汽车车身构件约有20%可用泡沫铝材制造，一辆中型轿车如采用泡沫铝材制造，某些零件可减重27.2kg左右，既可节约能源又可减轻对环境的污染。采用泡沫铝材结构，可大大简化结构系统，零部件数至少可减少1/3。

二、超高强度钢的发展前景及其在军事上的应用

超高强度合金钢是为满足某些特殊要求发展起来的，按其物理冶金学特点，超高强度钢大体可以分为低合金超高强度钢、二次硬化超高强度钢和马氏体时效钢。目前，典型的低合金超高强度钢是AISI 4340 和D6AC；典型的二次硬化型中，合金超高强度钢是HY180 和AF1410。

我国近年来一直在二次硬化钢上寻求突破，目前已经成功地研制出具有我国特色的G99 和G50 新型超高强度钢。随着航空工业的快速发展，开发强度高(1586～1724MPa)、断裂韧性好(125 MPa·m1/2)、可焊接性好的新型航空材料成为发展方向。研究者于20 世纪70 年代开发了HY180钢。为了达到航空构件材料的损伤容限和耐久性，70 年代末Speich 和Chendhok 等在对Fe10Ni 系合金钢进行的研究基础上，对HYl80 进行了改进，开发了AF1410超高强度合金钢，该钢经830℃油淬+510℃时效后，σ0.2≥1517MPa，KⅠc≥154MPa·m1/2。因此该钢以极高的强韧性、良好的加工性能和焊接性能成为受航空界欢迎的一种新型高强度钢。

在保持AF 1410 超高强度合金钢良好韧性的基础上，为进一步提高其强度及在海水环境中的抗应力腐蚀开裂性能和降低韧脆性转变温度，1991 年Hemphill 等开发了Aermet100 超高强度合金钢。该钢与AF 1410 钢相比，强度有了进一步提高(屈服强度提高到2000 MPa)，但韧性稍有下降。

1、我国超高强度钢的研究进展

（1）低合金超高强度钢

我国低合金超高强度钢的研究开始于20 世纪50 年代，一是仿制国外已有的牌号，五六十年代主要以仿制前苏联的钢种为主，如30CrMnSiNi2A，70 年代开始以仿制美国的钢种为主，如4340、300M、D6AC 等。二是根据我国的资源情况和工程的需要，自主开发研制了具有我国特点的低合金超高强度钢，如406 钢等。我国成功仿制了一系列国外钢种，在许多重大工程中发挥了很大作用。最早研制的30CrMnSiNi2A 是仿制前苏联30XГCH2A 钢生产的。70 年代开始仿制美国的钢种，最具代表性的有40CrNi2MoA 钢，是仿4340 钢研制而成的[FS:PAGE]；40Si2Ni2CrMoVA 钢是仿美国的300M 钢研制的，45CrNiMo1VA是仿D6AC 钢研制的。

50年代，我国立足国内资源，走自我研制的道路，先后研制出一系列新型合金钢种，如无镍铬的35Si2Mn2MoVA，不含镍的406、D406A、40CrMnSiMoVA(GC-4)，含少量镍的37Si2MnCrNiMoVA 等。406 钢是我国自行设计、自行研制最成功的典范，它是为解决航天固体火箭发动机壳体材料而研制的超高强度钢。为了提高材料的韧性又开发了D406A。

我国常规武器用超高强度钢自50 年代开始研究以来，在科研人员的努力下，开发出一批符合我国资源配比的高强度钢，它们广泛应用于我国步兵轮式战车、枪、炮、弹等领域。我国新研发的速射武器身管用钢获得了国家二等科技发明奖，该钢属贝氏体钢范畴，经调质处理后具有优良的综合力学性能、高温性能及疲劳性能，应用于速射武器身管、耐烧蚀零件（如气体调整器、活塞等）。另外，立足于我国资源而研制的中碳低合金钢，该钢主要用于制造机枪的枪管、活塞、击针以及小口径火炮的炮箱、受弹器、高强度螺栓和轴等。新型高硬度装甲钢，是我国为改善高压钨钢焊接性能而自行研制的新钢种，应用于轻型坦克的薄板装甲板、履带车辆等领域。

（2）二次硬化超高强度钢的研究进展

近年来，国内又先后研制了G99 和G50 两种超高强度钢。G99 是由我国钢铁研究总院、长城特殊钢公司、航天部七O 三所、东北大学共同承担研制的，该钢的σb >1520MPa，KⅠc>124 MPa·m1/2，与国外应用最广的AF1410相当，在航空航天上具有广阔的应用前景。为了降低成本，我国开发了G50 钢，该钢的特点是价格低廉（低Ni 无Co）、强度韧性也很高，是具有我国特色的新型无钴高强高韧钢。G50 通过添加1.50%～2.30%的Si 来推迟低温回火脆性，Si 同时起固溶强化的作用，为了细化晶粒，G50 中又加入了0.01%～0.06%的铌。在有害气体的控制上，我国的这两种钢都相当好，基本已经达到了高纯净度钢的要求。

2、超高强度钢在军事上的应用

AISI 4340 钢是最早出现的低合金超高强度钢，也是低合金超高强度钢的典型代表。美国从1950 年开始研究4340钢，1955 年正式用于飞机起落架。1952 年美国国际镍公司研制开发出的300M 钢在1966 年后作为美国的军机和主要民航飞机的起落架材料而获广泛的应用，F-

15、F-

16、DC-

10、MD-11 等军用战斗机都采用了300M 钢，此外波音747 等民用飞机的起落架及波音767 飞机机翼的襟滑轨、缝翼管道等也采用300M 钢制造。美国于60 年代初开始研制D6AC，它是由AISI 4340 钢改进而成的低合金超高强度钢，被广泛用于制造战术和战略导弹发动机壳体及飞机结构件。到了70 年代中期，D6AC 逐渐取代了其它合金结构钢，成为一种制造固体火箭发动机壳体的专用钢种。美国新型地空导弹“爱国者”，小型导弹“红眼睛”，大中型导弹“民兵”、“潘兴”、“北极星”、“大力神”等，美国航天飞机的φ3.7m 助推器也采用D6AC 钢制造。D6AC 还曾用于制造F-111 飞机的起落架和机翼轴等，成为宇航工业使用的优秀材料之一。

俄罗斯在前苏联时期开始研制低合金超高强度钢，时间大体上与美国同步，具有自己的钢种体系，最有代表性的是30XГCH2A 和40XH2CMA（ЭИ643）钢。30XГCH2A 是在30XГC 基础上加入1.4%～1.8%的镍而得到的低合金超高强度钢，由于镍的加入提高了钢的强度、塑性和韧性，也提高了钢的淬透性，由此改良和派生出了一系列钢种。40XH2CMA 是在40XH2MA 基础上发展起来的，40XH2CBA是用W 代替40X H2CMA中Mo而成的。近十几年来他们又研制了新型经济型的低合金超高强度钢35XCH3M1A(BKC-8)和35XC2H3M1ФA(BKC-9)，其抗拉强度分别可达到1800～2000MPa 和1950～2150MPa。

为满足快速发展的航空工业对材料的需要，人们分析了航空构件的结构重量效率和对材料断裂韧性的要求，提出了开发新型二次硬化高强度合金钢来代替低合金超高强度钢的目标。有资料显示，美国ARDEC 公司曾将AF1410 制成120mm 火炮身管前端3m 长的套管，以减轻火炮前部的质量，另外美国将此合金用于空间发射空间器材或作为拦截导弹的弹丸发射器使用。二次硬化钢Aermet 100 是综合性能最高的材料之一，也是目前国际上超高强度钢研究的热点，第四代战斗机和航母舰载机起落架之首选材料。美国己成功地将其应用在最先进的F-22 隐形战斗机起落架上和F-18 舰载机的起落架上。Aermet 100 钢具有最佳的强韧性配合和广泛应用前景，将成为未来军事装备中关键器件的首选材料。

低合金超高强度钢的生产成本低廉，生产工艺比较简单，仍然是今后在军事装备中使用量最大的钢种。通过提高冶金质量、调整成分和改善热处理工艺，这类钢可满足各种使用要求。

二次硬化超高强度钢具有极高的强度和良好的强韧性匹配，还具有良好的抗海水腐蚀性能和极好的焊接性能等特点，是超高强度钢中的佼佼者。通过这些钢的应用可以极大地推进武器装备轻量化、紧凑化的进程，对提高武器装备的战术技术性能具有重要作用。因此，我国的发展重点应是大力开发经济型二次硬化超高强度钢，以满足飞机的承力部件、坦克和装甲车辆的结构件、火炮身管和各种枪械等研制的需求，这将对兵器装备的发展、研制水平的提升都有十分重要的作用。

三、对轻金属及超高强度钢发展前景的展望

当今世界国与国之间科技、经济实力的竞争集中体现在航空航天，军事上的竞争。而轻金属和超高强度钢作为航空航天，军事装备的重要结构材料往往对其发展起着至关重要的作用。如果轻金属与超高强度钢的发展上不去将严重制约我国在航空航天及军事领域的发展，所以可以预见到轻金属与超高强度钢将具有极其广阔的发展前景和应用。

参考文献：《上海金属》2009年第二期、《钢铁百科》;