【擴(kuò)大鈦應(yīng)用】鈦在汽車中的應(yīng)用
2021年08月06日 10:20 25579次瀏覽 來源： 中國有色網(wǎng) 分類： 鈦市場(chǎng)評(píng)論
據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2020年中國汽車產(chǎn)銷2522.5萬輛和2 531.1萬輛，同比下降2.0%和1.9%，其中乘用車產(chǎn)銷1999.4萬輛和2017.8萬輛；商用車產(chǎn)銷523.1萬輛和513.3萬輛；新能源汽車產(chǎn)銷136.6萬輛和136.7萬輛，同比增長7.5%和10.9%。中國是世界汽車大國，還不是強(qiáng)國，但在新能源汽車領(lǐng)域，中國既是大國又是強(qiáng)國，獨(dú)占鰲頭。
當(dāng)今，降低燃油消耗，減少溫室氣體排放，早日實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，已成為汽車行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的主要?jiǎng)恿头较蛑弧Ｑ芯勘砻?，輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)省燃料、減少污染的有效措施，當(dāng)然，最佳措施是采用可再生的新能源汽車，如電動(dòng)車、氫燃料汽車、氨燃料汽車、氫電汽車等，新能源汽車也存在著降低自身質(zhì)量的大問題。汽車質(zhì)量每下降10%，可節(jié)省燃料8%～10%，溫室氣體排放可減少約10%。為此，世界各國都在花大力氣研究汽車的輕量化。汽車輕量化的首選途徑就是用輕量化材料，如鋁、鎂、鈦、復(fù)合材料等取代傳統(tǒng)的鋼材與鑄鐵。
電動(dòng)卡車可勝過柴油卡車
在未探討鈦的應(yīng)用前，先介紹一下最新的電動(dòng)卡車是否可與柴油卡車媲美，甚至勝出一籌，據(jù)2021年4月9日英國廣播公司網(wǎng)站報(bào)道，人們普遍認(rèn)為，由電池驅(qū)動(dòng)的重型卡車在成本方面無法與柴油卡車相比，但最新研究表明，如果為電動(dòng)卡車建造快速充電系統(tǒng)，那么，在成本方面電動(dòng)卡車可以打贏柴油卡車，有了快速充電，汽車越大，電動(dòng)車的優(yōu)勢(shì)就越明顯。全球約7%的溫室氣體排放是重型運(yùn)輸卡車排放的，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，這是一個(gè)亟待解決的大問題。
近期，瑞典斯德哥爾摩環(huán)保研究所的科學(xué)家對(duì)外宣稱，欲使電動(dòng)卡車具有商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的前提是快速充電，而不是用更大、更多的電池，他們的模型顯示，一輛卡車行駛4.5小時(shí)后，不到40分鐘就能充足電，那就劃算了，不過，這必須用大功率充電設(shè)備。為激勵(lì)卡車“油改電”，希望有關(guān)部門能出臺(tái)鼓勵(lì)政策。
鈦的優(yōu)點(diǎn)
鈦的工業(yè)化始于20世紀(jì)50年代初期，最先生產(chǎn)鈦的是美國和蘇聯(lián)，幾乎同時(shí)就在探討鈦在汽車中的應(yīng)用，但因價(jià)格與技術(shù)方面的原因，直到今天也沒有取得長足進(jìn)展，但在賽車與某些特種車上卻有較多的應(yīng)用。近些年來，由于節(jié)能減排的需要，談?wù)撯佋谄囍袘?yīng)用的話題又多了起來。鈦的主要優(yōu)點(diǎn)可歸納為：
●密度較低，為4.5g/cm3，有時(shí)把它列為輕金屬，但多數(shù)把它列入稀有難熔金屬，實(shí)際上并不稀有。它的密度僅為鋼的60%，用它制造汽車的一些結(jié)構(gòu)，不僅可以減輕車的質(zhì)量，同時(shí)也可降低運(yùn)動(dòng)慣量。
●比強(qiáng)度高，例如，最常用的TC4合金的比強(qiáng)度＞200MPa/（g/cm3）。在各種工業(yè)用的工業(yè)純金屬中，鈦的比強(qiáng)度穩(wěn)居前列。因此，鈦合金是制造承重結(jié)構(gòu)件的良好材料。
●彈性模量較小，室溫時(shí)的為103GPa～110GPa，拉伸時(shí)的為103GPa，壓縮時(shí)的105GPa，剪切時(shí)的為45GPa，約為鋼的50%；且有高的疲勞強(qiáng)度，可用于制造彈簧。
●耐熱性好，可在200℃～650℃長期工作，TC4合金400℃的抗拉強(qiáng)度620MPa，持久強(qiáng)度570MPa，可用于制造高溫結(jié)構(gòu)件。
●熱脹系數(shù)小，20℃～100℃的平均值為7.6X10－6K－1，明顯低于不銹鋼和鋁的，約為它們的50%，適合于制備汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門等結(jié)構(gòu)件。
●鈦及鈦合金具有高的抗腐蝕性能，比鋁和鎂的都高，在某些環(huán)境中甚至還優(yōu)于不銹鋼的，可抗大氣、雨水、路面防凍液及含硫化氫高溫廢氣的腐蝕的良好材料，是制造化石燃料車輛尾氣噴管等的上乘材料。
●良好的低溫性能，適合于低溫下使用的是α及（α+β）鈦合金，它們的強(qiáng)度性能隨溫度的下降而增加，韌性及伸長率卻隨溫度的降低而很少下降，TC4及TA7等都是常用的低溫合金，特別是TA7是優(yōu)秀的超低溫材料。
●優(yōu)秀的成形加工性能。鈦及鈦合金可通過沖壓、熱鍛、彎曲、壓力加工、粉末冶金、精密鑄造等工藝制造各種各樣的零件與部件。
●裝飾性強(qiáng)。鈦及鈦合金有良好的表面處理性能，可通過陽極氧化和表面涂裝制成色彩亮麗的材料，是制造汽車裝飾件的良好材料。
當(dāng)下,妨礙鈦材在汽車中應(yīng)用的最大難關(guān)是原材料的生產(chǎn)成本及零部件制備成本高，這個(gè)瓶頸在短期內(nèi)尚無法打通。因此，乘用車（轎車、多用途車、多用途跑車、交叉型乘用車）及商用車的較多用鈦時(shí)期尚未到來。鋼、鋁、鎂、鈦材的生產(chǎn)成本比較見表1。
研發(fā)低成本鈦合金
擴(kuò)大汽車用鈦量
研發(fā)低成本鈦合金是擴(kuò)大鈦在汽車中應(yīng)用的前提，汽車產(chǎn)業(yè)是鈦應(yīng)用最大的潛在領(lǐng)域，2020年全球汽車產(chǎn)量超過5000萬輛，每輛多用1kg，就要多用鈦50kt/年，同時(shí)“雙碳”達(dá)標(biāo)緊迫，必須把汽車的自重降下來，一些汽車主要生產(chǎn)國都制訂了降低汽車自重的措施，采用輕質(zhì)材料是其主要措施。美國為非航空航天工業(yè)開發(fā)出了Super-TIX系列鈦合金，包括Ti-Al-Fe系和Ti-Fe-O-N系合金，以廉價(jià)Fe取代V和Mo，獲得應(yīng)用的有Super-Tl × 51F（Ti-5Al-1Fe）和Super-Tl × 800 （Ti-1Fe-0.35 O-0.01N），前者的抗拉強(qiáng)度1000MPa，與TC4合全的相當(dāng)，后者的抗拉強(qiáng)度800MPa，都有良好的成形加工性能。
美國、歐洲、日本都制定了汽車用鈦發(fā)展規(guī)劃，美國針對(duì)汽車輕量化制訂與實(shí)施了PNGV （Partnership for a New Generation of Vehicles）計(jì)劃，未來汽車燃料利用率要比2005年的提高3倍以上，有更高的承載能力，有更高維護(hù)性和再利用性，在2025年前家用汽車要減重20%。鈦材被選為實(shí)現(xiàn)PNGV計(jì)劃中超輕汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、車體的候選材料之一。
鈦材成本一旦降到汽車工業(yè)接受的水平，汽車工業(yè)就會(huì)成為主要的鈦材應(yīng)用領(lǐng)域。1995年全球汽車用鈦量僅約100t，2002年約1100t，2005年約3kt，2020年約達(dá)11kt。
責(zé)任編輯：淮金
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