Приложения на титан в автомобилната индустрия

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 видове 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 свързващи пръти 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 и 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, неговата устойчивост 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 необходими 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 разрешат 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 на каросерията. 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 части за двигатели, 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 на автомобила 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 консумацията.
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.