Primjena titanijuma u automobilskoj industriji

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 za klipnjače od legure titana su Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V i Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si. Drugi 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 da bi se dobila manja krhkost 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 neophodna su svojstva sjedišta 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. Rotor turbine 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 mnogih 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, materijal od titana koji se koristi u izduvnom sistemu je uglavnom industrijski čisti titanijum.
Titanijumski prigušivač je težak samo 5 do 6 kg, što je lakše od nerđajućeg čelika i drugih prigušivača. Chevrolet Corvette Z06 iz 2000. koristi prigušivač od titanijuma i sistem izduvnih cevi od 11,8 kg 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 titanijuma
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, uglavnom u:
1) Mala gustina legure titanijuma može smanjiti inercijsku masu pokretnih delova. Istovremeno, opruge ventila od titanijuma mogu povećati slobodne vibracije, oslabiti vibracije karoserije automobila i povećati brzinu motora i izlaznu snagu.
2) Smanjite inercijsku masu pokretnih dijelova, čime se smanjuje trenje i poboljšava potrošnja 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 primjene
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 su visoka cijena, loša sposobnost oblikovanja 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 ostalih 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.