Титановата сплав води автомобилната технология

Титановият метал има предимствата на ниска плътност, висока специфична якост и добра устойчивост на корозия. Използването на титанови материали в автомобилите може значително да намали телесната маса, да намали разхода на гориво, да подобри ефективността на двигателя, да подобри околната среда и да намали шума. Високата цена обаче кара титаниевите сплави да имат само някои приложения в луксозни модели и спортни автомобили в автомобилната индустрия и рядко се използват в обикновени автомобили. Ето защо изследването и разработването на евтини титанови сплави, които отговарят на нуждите на пазара, е ключът към насърчаването на тяхното приложение в обикновените битови автомобили.

Въпреки че титановите сплави са били широко използвани в космическата, нефтохимическата и корабостроителната промишленост, тяхното приложение в автомобилната индустрия се развива бавно. Започвайки от успешното разработване на първия изцяло титаниев автомобил от General Motors в Съединените щати през 1956 г., титаниевите авточасти не достигат нивото на масово производство до 1980 г. През 90-те години на миналия век, тъй като търсенето на луксозни автомобили, спортни автомобили и състезателни автомобили се увеличаваше от година на година, произведените части от титан за автомобили се развиха бързо. През 1990 г. количеството титан, използвано в автомобилите по света, е само 50 тона. През 1997 г. достига 500 тона. През 2002 г. достига 1100 тона. През 2009 г. достигна 3,000t. Очаква се количеството титан, използвано в автомобилите по света, да надхвърли 5,000t през 2015 г. В момента следните типове части от титанови сплави се използват често.

1. Биела на двигателя
Титановата сплав е идеален материал за свързващи пръти. Свързващите пръти на двигателя, изработени от титанова сплав, могат ефективно да намалят масата на двигателя, да подобрят горивната ефективност и да намалят обема на отработените газове. В сравнение със стоманените свързващи пръти, титаниевите свързващи пръти могат да намалят масата с 15% до 20%. Приложението на биели от титаниева сплав беше отразено за първи път в новия италиански седан Ferrari 3.5LV8 и двигателя NSX на Acura. Основните материали, използвани в биелите от титанови сплави, са Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V и Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si. Други материали от титанови сплави като Ti-4Al Приложението на -2Si-4Mn и Ti-7M-4Mo в свързващите пръти също е в процес на разработка.
2. Клапан на двигателя
Клапаните на автомобилните двигатели, изработени от титанова сплав, могат не само да намалят масата и да удължат експлоатационния живот, но също така да намалят разхода на гориво и да подобрят надеждността на автомобила. В сравнение със стоманените клапани, титаниевите клапани могат да намалят масата с 30% до 40%, а пределната скорост на двигателя може да бъде увеличена с 20%. Що се отнася до текущите приложения, материалът на всмукателния клапан е основно Ti-6Al-4V, а материалът на изпускателния клапан е главно Ti-6242S. Обикновено Sn и Al се добавят заедно, за да се получи по-ниска крехкост и по-висока якост; добавянето на Mo може да подобри свойствата на термична обработка на титанови сплави, да повиши якостта на закаляване и стареене на титанови сплави и да увеличи твърдостта. Други титанови сплави с потенциал за развитие включват:
1) Всмукателният клапан може да бъде направен от Ti-62S, който има свойства, еквивалентни на Ti-6Al-4V и е по-евтин.
2) Изпускателният клапан може да бъде направен от Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo{{7} }.45Si. Поради по-ниското му съдържание на Mo, устойчивостта му на пълзене е по-добра от Ti-6242S, а устойчивостта му на окисление може да достигне 600 градуса. .
3) Изпускателният клапан може да бъде направен от -TiAl, който има характеристиките на устойчивост на висока температура и леко тегло, но не е подходящ за традиционни методи на коване по време на обработка. Подходящ е само за леене и обработка в праховата металургия.
3. Седалка на пружината на клапана
Високата якост и устойчивост на умора са задължителни свойства за леглото на пружината на клапана. Бета титановата сплав е термично обработена сплав, която може да получи висока якост чрез третиране със стареене в твърд разтвор. Съответните по-подходящи материали са Ti-15V-3Cr- 3Al-3Sn и Ti-15Mo-3Al-2 .7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors използва пружинни седалки на клапани от Ti-22V-4Al титаниева сплав в своите широкомащабни производствени превозни средства, което намалява масата с 42% в сравнение с оригиналните стоманени брави, намалява инерционната маса на клапана механизъм с 6%, и увеличава максималните обороти на двигателя. 300р/мин.
4. Пружина от титанова сплав
Титанът и неговите сплави имат по-нисък модул на еластичност и по-висока стойност σs/E от стоманените материали, което ги прави подходящи за производство на еластични компоненти. В сравнение със стоманените автомобилни пружини, при предпоставката за същата еластична работа, височината на титаниевите пружини е само 40% от стоманените пружини, а масата е само 30% до 40% от стоманените пружини, което улеснява дизайна на каросерията на автомобила. В допълнение, отличните свойства на умора и устойчивост на корозия на титановата сплав могат да удължат експлоатационния живот на пружината. Понастоящем материалите от титанови сплави, които могат да се използват за направата на автомобилни пружини, включват Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al и Ti-13V11C-3Al.
5. Турбокомпресор
Турбокомпресорите могат да подобрят ефективността на изгаряне на двигателя и да увеличат мощността и въртящия момент на двигателя. Роторът на турбината на турбокомпресора трябва да работи при висока температура на отработените газове над 850 градуса за дълго време, така че изисква добра устойчивост на топлина. Традиционните леки метали като алуминиеви сплави не могат да се използват поради ниските им точки на топене. Въпреки че керамичните материали се използват в роторите на турбините поради тяхното леко тегло и добра устойчивост на висока температура, тяхното приложение е ограничено поради високата им цена и невъзможността да се оптимизира формата им. За да решат тези проблеми, Tetsui и други разработиха TiAl турбинния ротор. След много тестове беше потвърдено, че той не само има добра издръжливост и ефективност, но също така може да подобри ускорението на двигателя. Този дизайн е успешно комерсиализиран в серията Mitsubishi Lancer Evolution.
6. Изпускателна система и ауспух
Титанът се използва широко в автомобилните изпускателни системи. Изпускателните системи, изработени от титан и неговите сплави, могат не само да подобрят надеждността, да удължат живота и да подобрят външния вид, но също така да намалят масата и да подобрят ефективността на изгаряне на гориво. В сравнение със стоманените изпускателни системи, титаниевите изпускателни системи могат да намалят масата с приблизително 40%. При автомобили от серията Golf масата на титаниевата изпускателна система може да бъде намалена със 7 до 9 кг. В момента титановият материал, използван в изпускателната система, е предимно промишлен чист титан.
Титаниевият ауспух тежи само 5 до 6 кг, което е по-лек от ауспухите от неръждаема стомана и други. Chevrolet Corvette Z06 от 2000 г. използва 11,8 kg титаниев ауспух и изпускателна система вместо оригиналната 20 kg система от неръждаема стомана, намалявайки масата с 41%. Подменената система запазва здравината си и прави автомобила по-бърз, по-гъвкав и по-икономичен. Титановият материал, използван в ауспуха, също е предимно промишлен чист титан.
7. Част от рамката на тялото
За да се подобри безопасността и надеждността на автомобилите, е необходимо да се вземат предвид аспектите на дизайна и производството, особено материалите за производство. Титанът е много добър материал, използван за направата на рамки за каросерия на автомобили. Той има не само висока специфична якост, но и добра якост. В Япония производителите на автомобили избират заварени тръби от чист титан за производство на рамки за каросерия. Този вид рамка може да накара шофьорите да се чувстват сигурни, когато шофират.
8. Други части от титанова сплав
В допълнение към горните компоненти, титанът се използва и в кобилици на двигатели, пружини на окачването, бутални щифтове на двигателя, автомобилни крепежни елементи, гайки, стърчащи греди на автомобилни врати, скоби за автомобилни скорости, бутала на спирачните апарати, щифтови болтове, авточасти под налягане като напр. плочи, бутони за превключване и дискове на автомобилни съединители.

1.Предимства

Титановите сплави имат предимствата на леко тегло, висока специфична якост и добра устойчивост на корозия, така че те се използват широко в автомобилната индустрия. Най-честата употреба на титанови сплави е в системите на автомобилните двигатели. Има много предимства от използването на титанови сплави за производство на двигателни части, отразени главно в:
1) Ниската плътност на титановата сплав може да намали инерционната маса на движещите се части. В същото време пружините на титаниевите клапани могат да увеличат свободната вибрация, да отслабят вибрациите на тялото и да увеличат скоростта на двигателя и изходната мощност.
2) Намалете инерционната маса на движещите се части, като по този начин намалите триенето и подобрите горивната ефективност на двигателя.
3) Изборът на титаниева сплав може да намали натоварването на свързаните части и да намали размера на частите, като по този начин намали теглото на двигателя и цялото превозно средство.
4) Намаляването на инерционната маса на компонентите намалява вибрациите и шума и подобрява работата на двигателя.
Прилагането на титанови сплави в други компоненти може да подобри комфорта на персонала и естетиката на автомобилите. В приложенията в автомобилната индустрия титаниевите сплави са изиграли неизмерима роля за спестяване на енергия и намаляване на потреблението.
2. Ограничения на приложението
Въпреки че частите от титанови сплави имат толкова превъзходни свойства, все още има дълъг път преди титанът и неговите сплави да бъдат широко използвани в автомобилната индустрия. Причините включват висока цена, лоша възможност за формоване и лошо качество на заваряване.
С развитието на технологията за титанови сплави с почти нетна форма и съвременните технологии за заваряване, като заваряване с електронен лъч, заваряване с плазмена дъга и лазерно заваряване през последните години, проблемите с формоването и заваряването на титанови сплави вече не са ключовите фактори, ограничаващи приложението на титан сплави. Основната причина, поради която се използва широко в автомобилната индустрия, е високата цена.
Независимо дали става въпрос за първоначално топене на метала или последваща обработка, цената на титановите сплави е много по-висока от тази на другите метали. Цената на титаниеви части, които автомобилната индустрия може да приеме, е от 8 до 13 щатски долара/кг за биели, 13 до 20 щатски долара за клапани и 8 за пружини, изпускателни системи на двигателя и крепежни елементи. Под USD/кг. Текущата цена на частите, произведени с титанови материали, е много по-висока от тези цени. Производствените разходи за титаниеви плочи са предимно по-високи от 33 щатски долара/кг, което е 6 до 15 пъти повече от алуминиевите плочи и 45 до 83 пъти повече от стоманените плочи.
Състояние на изследванията на титанови сплави за автомобили

снимка
Понастоящем намаляването на разходите е основната изследователска посока на титановите сплави, използвани в автомобилната индустрия. С оглед на характеристиките на разпределението на разходите за титанови сплави, използвани в автомобилната индустрия, работниците в областта на изследването и развитието на материалите постигат главно целта за намаляване на разходите от следните два аспекта: разработване на нови евтини системи от сплави и използване на нови технологии за обработка и подготовка .

1. Нова евтина система от титанова сплав
Работници от различни страни разработват нови евтини системи от титанови сплави, като се фокусират основно върху следните аспекти: дизайн на сплави с използване на евтини елементи от сплави и дизайн на сплави за подобряване на характеристиките на обработка. Сред тях са представени Япония и САЩ. моята страна също така успешно разработи две евтини титанови сплави, а именно Ti8LC и Ti12LC. При проектирането на евтини компоненти от титанова сплав за превозни средства често използваните евтини елементи от сплав включват Fe, Cr, Si, Al и др.
2. Нова технология за обработка и подготовка
Разходите за обработка на материали от титанови сплави представляват повече от 60% от общите разходи по време на производствения процес. Ето защо, по отношение на намаляването на разходите, как да се намалят разходите за обработка на титанова сплав се превърна в ключова изследователска посока. Изследванията в тази област се разделят основно на два аспекта: единият е да се подобри традиционният процес на леене и коване, а другият е да се възприеме технологията на праховата металургия с почти мрежова форма.
При разработването на нови процеси на коване, студеното коване в момента е един от най-обещаващите методи за производство на автомобилни части от титанови сплави. Бета титановата сплав има ниска устойчивост на деформация при стайна температура и е добра при рязане и формоване. Това е материал, който може да бъде студено кован. В момента Япония е разработила три студено деформирани бета титанови сплави. Бета титановата сплав също има някои недостатъци. Той е склонен към неравномерна деформация по време на студено коване и лесно се залепва към формата. Следователно масовото производство на части от бета титанова сплав, използвайки технология за студено коване, изисква по-нататъшно проучване и развитие.
Праховата металургия е много важна технология за намаляване на разходите за обработка на титанови сплави. В производството на автомобилни части от праховата металургия традиционният метод на пресоване и синтероване все още е доминиращ, включващ главно метод на елементарен прах (BE) и метод на предварително легиран прах (PA). Понастоящем методът на елементарен прах е най-широко използваният в областта на евтината автомобилна прахова металургия на титанови сплави поради своя прост процес и по-ниска цена. През последните години се появиха и други технологии за прахова металургия, включително технология за лазерно формоване, формоване под налягане на метален прах (MIM) и други технологии. Те са широко използвани в пробното производство и производството на сложни автомобилни части, което може значително да съкрати развитието на продукта. и производствен цикъл, което допълнително намалява разходите.
Заключение
Новото поколение автомобилен дизайн обръща повече внимание на олекотената каросерия, ниския разход на гориво, ниския шум и леките вибрации на двигателя, за да отговори на все по-взискателните изисквания на околната среда. В този контекст лекият метал титан ще се превърне в основен материал за приложение в бъдещите автомобили.
Цялостното разглеждане на текущото състояние на изследванията на евтини титанови сплави за превозни средства може да установи, че за да се намалят допълнително разходите за титанови сплави за превозни средства, изследванията трябва да се съсредоточат главно върху следните аспекти:
1) По отношение на разработването на евтини системи от сплави, опитайте се да разработите системи от сплави, които не използват или използват по-малко скъпи елементи от сплави, без това да повлияе на производителността, и в същото време да използвате пълноценно рециклираните титанови сплави.
2) По отношение на развитието на процеса на леене и коване, да се развива в посока на разработване на бета титанови сплави и студено деформирани титанови сплави и да се провеждат проучвания за осъществимост на тяхното масово производство.
3) По отношение на праховата металургия, като същевременно се гарантира предимството на ниска цена, е необходимо също така допълнително да се подобри работата на титаниевите части.
С развитието на икономиката и намаляването на цената на титана, повече инженерни дизайнери ще изберат титаниеви части като автомобилни части. Титаниевите сплави в крайна сметка ще играят важна роля в производството на автомобилната индустрия.