中国有色金属工业网 中国有色金属工业协会主办
行业统计

钛在汽车中的应用
2021-08-06 08:37:35   来源:中国有色金属报    点击:

作者:王祝堂
 
表1   钢、铝、镁、钛材生产成本比较
\
 
  据中国汽车工业协会统计,2020年中国汽车产销2522.5万辆和2 531.1万辆,同比下降2.0%和1.9%,其中乘用车产销1999.4万辆和2017.8万辆;商用车产销523.1万辆和513.3万辆;新能源汽车产销136.6万辆和136.7万辆,同比增长7.5%和10.9%。中国是世界汽车大国,还不是强国,但在新能源汽车领域,中国既是大国又是强国,独占鳌头。
 
  当今,降低燃油消耗,减少温室气体排放,早日实现“双碳”目标,已成为汽车行业技术进步的主要动力和方向之一。研究表明,轻量化是实现节省燃料、减少污染的有效措施,当然,最佳措施是采用可再生的新能源汽车,如电动车、氢燃料汽车、氨燃料汽车、氢电汽车等,新能源汽车也存在着降低自身质量的大问题。汽车质量每下降10%,可节省燃料8%~10%,温室气体排放可减少约10%。为此,世界各国都在花大力气研究汽车的轻量化。汽车轻量化的首选途径就是用轻量化材料,如铝、镁、钛、复合材料等取代传统的钢材与铸铁。
 
  电动卡车可胜过柴油卡车
 
  在未探讨钛的应用前,先介绍一下最新的电动卡车是否可与柴油卡车媲美,甚至胜出一筹,据2021年4月9日英国广播公司网站报道,人们普遍认为,由电池驱动的重型卡车在成本方面无法与柴油卡车相比,但最新研究表明,如果为电动卡车建造快速充电系统,那么,在成本方面电动卡车可以打赢柴油卡车,有了快速充电,汽车越大,电动车的优势就越明显。全球约7%的温室气体排放是重型运输卡车排放的,为实现“双碳”目标,这是一个亟待解决的大问题。
 
  近期,瑞典斯德哥尔摩环保研究所的科学家对外宣称,欲使电动卡车具有商业竞争力的前提是快速充电,而不是用更大、更多的电池,他们的模型显示,一辆卡车行驶4.5小时后,不到40分钟就能充足电,那就划算了,不过,这必须用大功率充电设备。为激励卡车“油改电”,希望有关部门能出台鼓励政策。
 
  钛的优点
 
  钛的工业化始于20世纪50年代初期,最先生产钛的是美国和苏联,几乎同时就在探讨钛在汽车中的应用,但因价格与技术方面的原因,直到今天也没有取得长足进展,但在赛车与某些特种车上却有较多的应用。近些年来,由于节能减排的需要,谈论钛在汽车中应用的话题又多了起来。钛的主要优点可归纳为:
 
  ●密度较低,为4.5g/cm3,有时把它列为轻金属,但多数把它列入稀有难熔金属,实际上并不稀有。它的密度仅为钢的60%,用它制造汽车的一些结构,不仅可以减轻车的质量,同时也可降低运动惯量。
 
  ●比强度高,例如,最常用的TC4合金的比强度>200MPa/(g/cm3)。在各种工业用的工业纯金属中,钛的比强度稳居前列。因此,钛合金是制造承重结构件的良好材料。
 
  ●弹性模量较小,室温时的为103GPa~110GPa,拉伸时的为103GPa,压缩时的105GPa,剪切时的为45GPa,约为钢的50%;且有高的疲劳强度,可用于制造弹簧。
 
  ●耐热性好,可在200℃~650℃长期工作,TC4合金400℃的抗拉强度620MPa,持久强度570MPa,可用于制造高温结构件。
 
  ●热胀系数小,20℃~100℃的平均值为7.6X10-6K-1,明显低于不锈钢和铝的,约为它们的50%,适合于制备汽车发动机的气门等结构件。
 
  ●钛及钛合金具有高的抗腐蚀性能,比铝和镁的都高,在某些环境中甚至还优于不锈钢的,可抗大气、雨水、路面防冻液及含硫化氢高温废气的腐蚀的良好材料,是制造化石燃料车辆尾气喷管等的上乘材料。
 
  ●良好的低温性能,适合于低温下使用的是α及(α+β)钛合金,它们的强度性能随温度的下降而增加,韧性及伸长率却随温度的降低而很少下降,TC4及TA7等都是常用的低温合金,特别是TA7是优秀的超低温材料。
 
  ●优秀的成形加工性能。钛及钛合金可通过冲压、热锻、弯曲、压力加工、粉末冶金、精密铸造等工艺制造各种各样的零件与部件。
 
  ●装饰性强。钛及钛合金有良好的表面处理性能,可通过阳极氧化和表面涂装制成色彩亮丽的材料,是制造汽车装饰件的良好材料。
 
  当下,妨碍钛材在汽车中应用的最大难关是原材料的生产成本及零部件制备成本高,这个瓶颈在短期内尚无法打通。因此,乘用车(轿车、多用途车、多用途跑车、交叉型乘用车)及商用车的较多用钛时期尚未到来。钢、铝、镁、钛材的生产成本比较见表1。
 
  研发低成本钛合金
  扩大汽车用钛量
 
  研发低成本钛合金是扩大钛在汽车中应用的前提,汽车产业是钛应用最大的潜在领域,2020年全球汽车产量超过5000万辆,每辆多用1kg,就要多用钛50kt/年,同时“双碳”达标紧迫,必须把汽车的自重降下来,一些汽车主要生产国都制订了降低汽车自重的措施,采用轻质材料是其主要措施。美国为非航空航天工业开发出了Super-TIX系列钛合金,包括Ti-Al-Fe系和Ti-Fe-O-N系合金,以廉价Fe取代V和Mo,获得应用的有Super-Tl × 51F(Ti-5Al-1Fe)和Super-Tl × 800 (Ti-1Fe-0.35 O-0.01N),前者的抗拉强度1000MPa,与TC4合全的相当,后者的抗拉强度800MPa,都有良好的成形加工性能。
 
  美国、欧洲、日本都制定了汽车用钛发展规划,美国针对汽车轻量化制订与实施了PNGV (Partnership for a New Generation of Vehicles)计划,未来汽车燃料利用率要比2005年的提高3倍以上,有更高的承载能力,有更高维护性和再利用性,在2025年前家用汽车要减重20%。钛材被选为实现PNGV计划中超轻汽车发动机、底盘、车体的候选材料之一。
 
  钛材成本一旦降到汽车工业接受的水平,汽车工业就会成为主要的钛材应用领域。1995年全球汽车用钛量仅约100t,2002年约1100t,2005年约3kt,2020年约达11kt。
 
 
 
本文经「原本」原创认证,作者中国有色金属报社,访问yuanben.io查询【4H9V0YIR】获取授权信息。
 
 

相关热词搜索:

上一篇:中国光伏20年:江湖风云录(二十七)
下一篇:习近平向新冠疫苗合作国际论坛首次会议发表书面致辞