Titanijumska legura prednjači u automobilskoj tehnologiji

Metalni titan ima prednosti niske gustine, visoke specifične čvrstoće i dobre otpornosti na koroziju. Upotreba titanijumskih materijala u automobilima može značajno smanjiti tjelesnu masu, smanjiti potrošnju goriva, poboljšati efikasnost motora, poboljšati okoliš i smanjiti buku. Međutim, visoka cijena čini da legure titana imaju samo neke primjene u luksuznim modelima i sportskim automobilima u automobilskoj industriji, a rijetko se koriste u običnim automobilima. Stoga je istraživanje i razvoj jeftinih titanijumskih legura koje zadovoljavaju potrebe tržišta ključ za promicanje njihove primjene u običnim automobilima za domaćinstvo.

Iako se legure titana naširoko koriste u zrakoplovnoj, petrohemijskoj i brodogradnji, njihova primjena u automobilskoj industriji se polako razvijala. Počevši od uspešnog razvoja prvog potpuno titanijumskog automobila od strane General Motorsa u Sjedinjenim Državama 1956. godine, titanijumski auto delovi nisu dostigli nivo masovne proizvodnje sve do 1980-ih. Tokom 1990-ih, kako se potražnja za luksuznim automobilima, sportskim automobilima i trkačkim automobilima povećavala iz godine u godinu, titanijumski autodijelovi Proizvedeni dijelovi su se brzo razvijali. Godine 1990. količina titanijuma korišćenog u automobilima širom sveta bila je samo 50t. Godine 1997. dostigao je 500t. Godine 2002. dostigao je 1.100t. U 2009. godini dostigao je 3,000t. Očekuje se da će količina titanijuma koji se koristi u automobilima širom svijeta premašiti 5,000t u 2015. Trenutno se najčešće koriste sljedeće vrste dijelova od legura titanijuma.

1. Klipnjača motora
Legura titana je idealan materijal za klipnjače. Klipnjače motora napravljene od legure titanijuma mogu efikasno smanjiti masu motora, poboljšati efikasnost goriva i smanjiti zapreminu izduvnih gasova. U poređenju sa čeličnim klipnjačama, titanijumske klipnjače mogu smanjiti masu za 15% do 20%. Primjena klipnjača od legure titana prvi put se odrazila na italijansku novu limuzinu Ferrari 3.5LV8 i Acura NSX motor. Glavni materijali koji se koriste u klipnjačama od titanijumske legure su Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V i Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si. Ostali materijali od legura titanijuma kao što je Ti-4Al. Primjena -2Si-4Mn i Ti-7M{{22}Mo u klipnjačama je također u razvoju.
2. Ventil motora
Ventili motora automobila napravljeni od legure titana ne samo da mogu smanjiti masu i produžiti vijek trajanja, već i smanjiti potrošnju goriva i poboljšati pouzdanost vozila. U poređenju sa čeličnim ventilima, titanijumski ventili mogu smanjiti masu za 30% do 40%, a granična brzina motora može se povećati za 20%. Što se tiče trenutnih primjena, materijal usisnog ventila je uglavnom Ti-6Al-4V, a materijal izduvnog ventila uglavnom Ti-6242S. Obično se Sn i Al dodaju zajedno kako bi se dobila manja lomljivost i veća čvrstoća; Dodatak Mo može poboljšati svojstva termičke obrade titanijumskih legura, povećati čvrstoću gašenja i starenja titanijumskih legura i povećati tvrdoću. Ostale legure titana sa razvojnim potencijalom uključuju:
1) Usisni ventil može biti napravljen od Ti-62S, koji ima svojstva ekvivalentna Ti-6Al-4V i jeftiniji je.
2) Ispušni ventil može biti napravljen od Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo{{7} }.45Si. Zbog nižeg sadržaja Mo, njegova otpornost na puzanje je bolja od Ti-6242S, a otpornost na oksidaciju može doseći 600 stepeni. .
3) Ispušni ventil može biti napravljen od -TiAl, koji ima karakteristike otpornosti na visoke temperature i male težine, ali nije pogodan za tradicionalne metode kovanja tokom obrade. Pogodan je samo za livenje i obradu metalurgije praha.
3. Sjedalo opruge ventila
Visoka čvrstoća i otpornost na zamor su neophodna svojstva za sjedište opruge ventila. Beta legura titanijuma je termički obrađena legura koja može postići visoku čvrstoću kroz tretman starenja u čvrstom rastvoru. Odgovarajući prikladniji materijali su Ti-15V-3Cr- 3Al-3Sn i Ti-15Mo-3Al-2 .7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors koristi Ti-22V-4Al opruge ventila od legure titanijuma u svojim velikim proizvodnim vozilima, što smanjuje masu za 42% u poređenju sa originalnim čeličnim bravama, smanjuje inercijsku masu ventila mehanizam za 6% i povećava maksimalnu brzinu motora. 300r/min.
4. Opruga od legure titanijuma
Titan i njegove legure imaju niži modul elastičnosti i veću σs/E vrijednost od čeličnih materijala, što ih čini pogodnim za proizvodnju elastičnih komponenti. U poređenju sa čeličnim automobilskim oprugama, pod pretpostavkom istog elastičnog rada, visina titanijumskih opruga je samo 40% čeličnih opruga, a masa je samo 30% do 40% čeličnih opruga, što olakšava dizajn karoserije automobila. Osim toga, odlična svojstva zamora i otpornost na koroziju titanijumske legure mogu produžiti vijek trajanja opruge. Trenutno, materijali od legura titanijuma koji se mogu koristiti za izradu automobilskih opruga uključuju Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al i Ti-13V11C-3Al.
5. Turbopunjač
Turbo punjači mogu poboljšati efikasnost sagorevanja motora i povećati snagu i obrtni moment motora. Turbinski rotor turbopunjača treba dugo vremena da radi u visokotemperaturnim izduvnim gasovima iznad 850 stepeni, tako da je potrebna dobra otpornost na toplotu. Tradicionalni laki metali kao što su legure aluminijuma ne mogu se koristiti zbog niskih tačaka topljenja. Iako se keramički materijali koriste u rotorima turbina zbog njihove male težine i dobre otpornosti na visoke temperature, njihova primjena je ograničena zbog njihove visoke cijene i nemogućnosti optimizacije njihovog oblika. Kako bi riješili ove probleme, Tetsui i drugi razvili su rotor TiAl turbine. Nakon brojnih testova, potvrđeno je da ne samo da ima dobru izdržljivost i efikasnost, već može poboljšati i ubrzanje motora. Ovaj dizajn je uspješno komercijaliziran u seriji Mitsubishi Lancer Evolution.
6. Izduvni sistem i prigušivač
Titanijum se intenzivno koristi u automobilskim izduvnim sistemima. Izduvni sistemi od titanijuma i njegovih legura ne samo da mogu poboljšati pouzdanost, produžiti životni vek i poboljšati izgled, već i smanjiti masu i poboljšati efikasnost sagorevanja goriva. U poređenju sa čeličnim izduvnim sistemima, titanijumski izduvni sistemi mogu smanjiti masu za približno 40%. U automobilima serije Golf, masa izduvnog sistema od titanijuma može se smanjiti za 7 do 9 kg. Trenutno, titanijumski materijal koji se koristi u izduvnom sistemu je uglavnom industrijski čisti titanijum.
Prigušivač od titanijuma teži samo 5 do 6 kg, što je lakše od nerđajućeg čelika i drugih prigušivača. Chevrolet Corvette Z06 iz 2000. koristi titanijumski prigušivač od 11,8 kg i sistem izduvnih cevi umesto originalnog sistema od nerđajućeg čelika od 20 kg, smanjujući masu za 41%. Zamijenjeni sistem zadržava svoju snagu i čini automobil bržim, fleksibilnijim i štedljivijim. Materijal od titanijuma koji se koristi u prigušivaču je takođe uglavnom industrijski čisti titanijum.
7. Dio okvira karoserije
Kako bi se poboljšala sigurnost i pouzdanost automobila, potrebno je razmotriti aspekte dizajna i proizvodnje, posebno materijale za izradu. Titanijum je veoma dobar materijal koji se koristi za izradu okvira karoserije automobila. Ne samo da ima visoku specifičnu snagu, već ima i dobru žilavost. U Japanu, proizvođači automobila biraju zavarene cijevi od čistog titanijuma za izradu okvira karoserije. Ova vrsta okvira može učiniti da se vozači osjećaju sigurno tokom vožnje.
8. Ostali dijelovi od legure titana
Pored gore navedenih komponenti, titan se takođe koristi za klackalice motora, opruge ogibljenja, klipne klinove motora, automobilske pričvršćivače, navrtke, grede za automobilska vrata, nosače automobilskih zupčanika, klipove kočione čeljusti, klinove zavrtnje, pritisak Auto delove kao što su pločice, dugmad mjenjača i automobilski diskovi kvačila.

1.Prednosti

Titanijumske legure imaju prednosti male težine, visoke specifične čvrstoće i dobre otpornosti na koroziju, tako da se široko koriste u automobilskoj industriji. Najčešća upotreba titanijumskih legura je u sistemima motora automobila. Postoje mnoge prednosti korištenja titanijumskih legura za proizvodnju dijelova motora, koje se uglavnom ogledaju u:
1) Mala gustina legure titanijuma može smanjiti inercijsku masu pokretnih delova. Istovremeno, titanijumske opruge ventila mogu povećati slobodne vibracije, oslabiti vibracije karoserije i povećati brzinu motora i izlaznu snagu.
2) Smanjite inercijsku masu pokretnih dijelova, čime se smanjuje trenje i poboljšava efikasnost goriva motora.
3) Odabir legure titanijuma može smanjiti opterećenje povezanih dijelova i smanjiti veličinu dijelova, čime se smanjuje težina motora i cijelog vozila.
4) Smanjenje inercione mase komponenti smanjuje vibracije i buku i poboljšava performanse motora.
Primena titanijumskih legura u drugim komponentama može poboljšati udobnost osoblja i estetiku automobila. U primjeni u automobilskoj industriji, legure titana su imale nemjerljivu ulogu u uštedi energije i smanjenju potrošnje.
2. Ograničenja aplikacije
Iako dijelovi od legure titana imaju tako superiorna svojstva, još je dug put do titanijuma i njegove legure koji se široko koriste u automobilskoj industriji. Razlozi uključuju visoku cijenu, lošu formabilnost i loše performanse zavarivanja.
S razvojem tehnologije titanijumskih legura u obliku mreže i modernih tehnologija zavarivanja kao što su zavarivanje elektronskim snopom, zavarivanje plazma lukom i lasersko zavarivanje posljednjih godina, problemi oblikovanja i zavarivanja titanijumskih legura više nisu ključni faktori koji ograničavaju primjenu titanijuma. legure. Glavni razlog zašto se široko koristi u automobilskoj industriji je visoka cijena.
Bilo da se radi o početnom taljenju metala ili naknadnoj obradi, cijena titanijumskih legura je mnogo veća od cijene drugih metala. Cijena dijelova od titanijuma koje automobilska industrija može prihvatiti je 8 do 13 američkih dolara/kg za klipnjače, 13 do 20 američkih dolara za ventile i 8 za opruge, izduvne sisteme motora i pričvršćivače. Ispod USD/kg. Trenutna cijena dijelova proizvedenih od titanijumskih materijala je mnogo veća od ovih cijena. Troškovi proizvodnje titanijumskih ploča uglavnom su veći od 33 američka dolara/kg, što je 6 do 15 puta više od aluminijumskih ploča i 45 do 83 puta više od čeličnih ploča.
Status istraživanja titanijumskih legura za automobile

slika
Trenutno je smanjenje troškova glavni istraživački pravac titanijumskih legura koje se koriste u automobilskoj industriji. S obzirom na karakteristike distribucije troškova titanijumskih legura koje se koriste u automobilskoj industriji, radnici u istraživanju i razvoju materijala uglavnom ostvaruju svrhu smanjenja troškova sa sljedeća dva aspekta: razvoj novih sistema niskobudžetnih legura i korištenje novih tehnologija obrade i pripreme. .

1. Novi jeftini sistem legure titanijuma
Radnici iz raznih zemalja razvijaju nove jeftine sisteme legure titanijuma, uglavnom se fokusirajući na sledeće aspekte: dizajn legure korišćenjem jeftinih elemenata od legure i dizajn legure za poboljšanje karakteristika obrade. Među njima su zastupljeni Japan i Sjedinjene Države. moja zemlja je također uspješno razvila dvije jeftine legure titanijuma, naime Ti8LC i Ti12LC. U dizajnu jeftinih komponenti od legure titana za vozila, najčešće korišteni jeftini elementi od legure uključuju Fe, Cr, Si, Al, itd.
2. Nova tehnologija obrade i pripreme
Troškovi obrade materijala od legure titanijuma čine više od 60% ukupnih troškova tokom proizvodnog procesa. Stoga, u smislu smanjenja troškova, kako smanjiti troškove obrade titanijumske legure postao je ključni smjer istraživanja. Istraživanja u ovoj oblasti uglavnom su podijeljena na dva aspekta: jedan je poboljšanje tradicionalnog procesa livenja i kovanja, a drugi je usvajanje tehnologije metalurgije praha gotovog oblika.
U razvoju novih procesa kovanja, hladno kovanje je trenutno jedna od najperspektivnijih metoda za proizvodnju automobilskih delova od titanijumskih legura. Beta legura titanijuma ima nisku otpornost na deformaciju na sobnoj temperaturi i dobra je za sečenje i oblikovanje. To je materijal koji se može hladno kovati. Trenutno je Japan razvio tri hladno deformisane beta legure titanijuma. Beta legura titanijuma takođe ima neke nedostatke. Sklon je neujednačenim deformacijama tokom hladnog kovanja i lako se lijepi za kalup. Stoga masovna proizvodnja dijelova od legure beta titanijuma korištenjem tehnologije hladnog kovanja zahtijeva dalje istraživanje i razvoj.
Metalurgija praha je veoma važna tehnologija u smanjenju troškova obrade legure titanijuma. U proizvodnji automobilskih dijelova iz metalurgije praha i dalje je dominantna tradicionalna metoda presovanja-sinterovanja, uglavnom uključujući metodu elementarnog praha (BE) i metodu prethodno legiranog praha (PA). Trenutno je metoda elementarnog praha najšire korištena u polju jeftine automobilske metalurgije praha legure titana zbog jednostavnog procesa i niže cijene. Posljednjih godina pojavile su se i druge tehnologije metalurgije praha, uključujući tehnologiju laserskog oblikovanja, brizganje metalnog praha (MIM) i druge tehnologije. Našle su široku primjenu u probnoj proizvodnji i proizvodnji složenih automobilskih dijelova, što može uvelike skratiti razvoj proizvoda. i proizvodnog ciklusa, dodatno smanjujući troškove.
Zaključak
Nova generacija dizajna automobila posvećuje više pažnje laganoj karoseriji, maloj potrošnji goriva, niskoj buci i laganim vibracijama motora kako bi se zadovoljile sve zahtjevnije zahtjeve okoline. U tom kontekstu, laki metalni titanijum će postati glavni materijal za upotrebu budućih automobila.
Sveobuhvatno razmatranje trenutnog statusa istraživanja jeftinih titanijumskih legura za vozila može se naći da bi se u cilju daljeg smanjenja troškova titanijumskih legura za vozila istraživanje trebalo uglavnom fokusirati na sljedeće aspekte:
1) U smislu razvoja jeftinih sistema legura, pokušajte da razvijete sisteme od legura koji ne koriste ili ne koriste manje skupe elemente od legura bez uticaja na performanse, a da istovremeno u potpunosti koriste reciklirane legure titanijuma.
2) U pogledu razvoja procesa livenja i kovanja, razvijati se u pravcu razvoja beta legura titanijuma i hladno deformisanih legura titanijuma, te sprovesti studije izvodljivosti njihove masovne proizvodnje.
3) U smislu metalurgije praha, uz osiguravanje prednosti niske cijene, također je potrebno dodatno poboljšati performanse dijelova od titanijuma.
Sa razvojem privrede i smanjenjem cene titanijuma, sve više inženjerskih dizajnera će izabrati delove od titanijuma kao automobilske delove. Legure titana će na kraju igrati važnu ulogu u proizvodnji automobilske industrije.