Uporaba titana v avtomobilski industriji

Čeprav se titanove zlitine pogosto uporabljajo v vesoljski, petrokemični in ladjedelniški industriji, se njihova uporaba v avtomobilski industriji razvija počasi. Od uspešnega razvoja prvega povsem titanovega avtomobila pri General Motorsu v Združenih državah leta 1956 so avtomobilski deli iz titana dosegli raven množične proizvodnje šele v osemdesetih letih prejšnjega stoletja. V devetdesetih letih prejšnjega stoletja, ko je povpraševanje po luksuznih avtomobilih, športnih avtomobilih in dirkalnih avtomobilih naraščalo iz leta v leto, so se avtomobilski deli iz titana hitro razvili. Leta 1990 je bila količina titana, uporabljenega v avtomobilih po vsem svetu, le 50 ton. Leta 1997 je dosegel 500t. Leta 2002 je dosegel 1.100 t. Leta 2009 je dosegel 3,000t. Pričakuje se, da bo količina titana, uporabljenega v avtomobilih po vsem svetu, leta 2015 presegla 5,000t. Trenutno se običajno uporabljajo naslednje vrste delov iz titanovih zlitin.

1. Ojnica motorja
Titanova zlitina je idealen material za ojnice. Ojnice motorja iz titanove zlitine lahko učinkovito zmanjšajo maso motorja, izboljšajo učinkovitost porabe goriva in zmanjšajo količino izpušnih plinov. V primerjavi z jeklenimi ojnicami lahko titanove ojnice zmanjšajo maso za 15% do 20%. Uporaba ojnic iz titanove zlitine se je prvič odrazila v novi italijanski Ferrarijevi limuzini 3.5LV8 in Acurinem motorju NSX. Glavni materiali, uporabljeni v ojnicah iz titanove zlitine, so Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V in Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si. Drugi materiali iz titanove zlitine, kot je Ti-4Al. V razvoju je tudi uporaba -2Si-4Mn in Ti-7M-4Mo v ojnicah.
2.Ventil motorja
Ventili avtomobilskih motorjev iz titanove zlitine lahko ne le zmanjšajo maso in podaljšajo življenjsko dobo, temveč tudi zmanjšajo porabo goriva in izboljšajo zanesljivost vozila. V primerjavi z jeklenimi ventili lahko ventili iz titana zmanjšajo maso za 30 % do 40 %, mejna hitrost motorja pa se lahko poveča za 20 %. Kar zadeva trenutne aplikacije, je material sesalnega ventila večinoma Ti-6Al-4V, material izpušnega ventila pa je večinoma Ti-6242S. Običajno se Sn in Al dodajata skupaj, da dobimo manjšo krhkost in večjo trdnost; dodatek Mo lahko izboljša lastnosti toplotne obdelave titanovih zlitin, poveča trdnost kaljenja in staranja titanovih zlitin ter poveča trdoto. Druge titanove zlitine z razvojnim potencialom vključujejo:
1) Sesalni ventil je lahko izdelan iz Ti-62S, ki ima enake lastnosti kot Ti-6Al-4V in je cenejši.
2) Izpušni ventil je lahko izdelan iz Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo{{7} }.45Si. Zaradi nižje vsebnosti Mo je njegova odpornost proti lezenju boljša od Ti-6242S, njegova odpornost proti oksidaciji pa lahko doseže 600 stopinj. .
3) Izpušni ventil je lahko izdelan iz -TiAl, ki ima značilnosti visoke temperaturne odpornosti in majhne teže, vendar ni primeren za tradicionalne metode kovanja med obdelavo. Primeren je samo za litje in predelavo v praškasti metalurgiji.
3. Sedež vzmeti ventila
Visoka trdnost in odpornost proti utrujenosti sta nujni lastnosti sedeža vzmeti ventila. Beta titanova zlitina je toplotno obdelana zlitina, ki lahko pridobi visoko trdnost s staranjem v trdni raztopini. Ustrezna primernejša materiala sta Ti-15V-3Cr- 3Al-3Sn in Ti-15Mo-3Al-2 .7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors uporablja sedeže vzmeti ventilov iz Ti-22V-4Al titanove zlitine v svojih vozilih velike proizvodnje, kar zmanjša maso za 42 % v primerjavi z originalnimi jeklenimi ključavnicami, zmanjša vztrajnostno maso ventila mehanizma za 6 % in poveča največjo hitrost motorja. 300r/min.
4. Vzmet iz titanove zlitine
Titan in njegove zlitine imajo nižji modul elastičnosti in večjo vrednost σs/E kot jekleni materiali, zaradi česar so primerni za izdelavo elastičnih komponent. V primerjavi z jeklenimi avtomobilskimi vzmetmi je pod predpostavko enakega elastičnega dela višina titanovih vzmeti le 40% jeklenih vzmeti, masa pa le 30% do 40% jeklenih vzmeti, kar olajša oblikovanje karoserije avtomobila. Poleg tega lahko odlične lastnosti utrujenosti in odpornost proti koroziji titanove zlitine podaljšajo življenjsko dobo vzmeti. Trenutno titanove zlitine, ki se lahko uporabljajo za izdelavo avtomobilskih vzmeti, vključujejo Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al in Ti-13V11C-3Al.
5. Turbopolnilnik
Turbopolnilniki lahko izboljšajo učinkovitost zgorevanja motorja ter povečajo moč in navor motorja. Turbinski rotor turbopolnilnika mora dolgo časa delovati v visokotemperaturnih izpušnih plinih nad 850 stopinj, zato potrebuje dobro toplotno odpornost. Tradicionalnih lahkih kovin, kot so aluminijeve zlitine, ni mogoče uporabiti zaradi nizkih tališč. Čeprav se keramični materiali uporabljajo v turbinskih rotorjih zaradi majhne teže in dobre odpornosti na visoke temperature, je njihova uporaba omejena zaradi visokih stroškov in nezmožnosti optimizacije njihove oblike. Da bi rešili te težave, so Tetsui in drugi razvili turbinski rotor TiAl. Po številnih testih je bilo preverjeno, da ni le dobra vzdržljivost in učinkovitost, ampak lahko tudi izboljša pospešek motorja. Ta zasnova je bila uspešno komercializirana v seriji Mitsubishi Lancer Evolution.
6. Izpušni sistem in dušilec
Titan se v veliki meri uporablja v avtomobilskih izpušnih sistemih. Izpušni sistemi iz titana in njegovih zlitin lahko ne le izboljšajo zanesljivost, podaljšajo življenjsko dobo in izboljšajo videz, ampak tudi zmanjšajo maso in izboljšajo učinkovitost zgorevanja goriva. V primerjavi z jeklenimi izpušnimi sistemi lahko izpušni sistemi iz titana zmanjšajo maso za približno 40 %. Pri avtomobilih serije Golf se lahko masa izpušnega sistema iz titana zmanjša za 7 do 9 kg. Trenutno je titanov material, ki se uporablja v izpušnem sistemu, večinoma industrijski čisti titan.
Dušilec iz titana tehta le 5 do 6 kg, kar je lažje od dušilcev iz nerjavečega jekla in drugih dušilcev. Chevrolet Corvette Z06 iz leta 2000 uporablja 11,8 kg dušilec zvoka iz titana in sistem izpušne cevi namesto prvotnega 20 kg težkega sistema iz nerjavečega jekla, kar zmanjša maso za 41 %. Zamenjan sistem ohranja njegovo moč in naredi avto hitrejši, prožnejši in varčnejši. Titanov material, uporabljen v dušilniku zvoka, je prav tako večinoma industrijski čisti titan.
7. Del okvirja karoserije
Da bi izboljšali varnost in zanesljivost avtomobilov, je treba upoštevati vidike zasnove in izdelave, zlasti materialov izdelave. Titan je zelo dober material, ki se uporablja za izdelavo okvirjev avtomobilskih karoserij. Ne samo, da ima visoko specifično trdnost, ampak ima tudi dobro žilavost. Na Japonskem proizvajalci avtomobilov za izdelavo okvirjev karoserije izbirajo varjene cevi iz čistega titana. Ta vrsta okvirja lahko povzroči, da se vozniki med vožnjo počutijo varne.
8. Drugi deli iz titanove zlitine
Poleg zgornjih sestavnih delov se titan uporablja tudi v nihajnih ročicah motorja, vzmetnih vzmeteh, batnih zatičih motorja, avtomobilskih pritrdilnih elementih, maticah, štrlečih nosilcih avtomobilskih vrat, avtomobilskih prestavnih nosilcih, batih zavornih čeljusti, vijakih zatičev, tlačnih avtomobilskih delih, kot je npr. plošče, gumbi za prestavljanje in diski sklopke avtomobilov.

1.Prednosti

Titanove zlitine imajo prednosti majhne teže, visoke specifične trdnosti in dobre odpornosti proti koroziji, zato se pogosto uporabljajo v avtomobilski industriji. Najpogostejša uporaba titanovih zlitin je v sistemih avtomobilskih motorjev. Uporaba titanovih zlitin za izdelavo delov motorja ima številne prednosti, predvsem v:
1) Nizka gostota titanove zlitine lahko zmanjša vztrajnostno maso gibljivih delov. Hkrati lahko vzmeti ventilov iz titana povečajo proste vibracije, oslabijo vibracije karoserije in povečajo hitrost motorja in izhodno moč.
2) Zmanjšajte vztrajnostno maso gibljivih delov, s čimer zmanjšate trenje in izboljšate učinkovitost goriva motorja.
3) Izbira titanove zlitine lahko zmanjša obremenitev povezanih delov in zmanjša velikost delov, s čimer se zmanjša teža motorja in celotnega vozila.
4) Zmanjšanje vztrajnostne mase komponent zmanjša vibracije in hrup ter izboljša zmogljivost motorja.
Uporaba titanovih zlitin v drugih komponentah lahko izboljša udobje osebja in estetiko avtomobilov. V aplikacijah v avtomobilski industriji so titanove zlitine odigrale neizmerno vlogo pri varčevanju z energijo in zmanjšanju porabe.
2. Omejitve uporabe
Čeprav imajo deli iz titanove zlitine tako vrhunske lastnosti, je do široke uporabe titana in njegovih zlitin v avtomobilski industriji še dolga pot. Razlogi so visoka cena, slaba sposobnost oblikovanja in slaba učinkovitost varjenja.
Z razvojem tehnologije skoraj neto oblike titanovih zlitin in sodobnih tehnologij varjenja, kot so varjenje z elektronskim žarkom, varjenje s plazemskim oblokom in lasersko varjenje v zadnjih letih, težave pri oblikovanju in varjenju titanovih zlitin niso več ključni dejavniki, ki omejujejo uporabo titana. zlitine. Glavni razlog, zakaj se široko uporablja v avtomobilski industriji, je visoka cena.
Ne glede na to, ali gre za začetno taljenje kovine ali kasnejšo obdelavo, je cena titanovih zlitin veliko višja od cene drugih kovin. Cena delov iz titana, ki jih lahko sprejme avtomobilska industrija, je 8 do 13 ameriških dolarjev/kg za ojnice, 13 do 20 ameriških dolarjev za ventile in 8 dolarjev za vzmeti, izpušne sisteme motorjev in pritrdilne elemente. Pod USD/kg. Trenutni stroški delov, izdelanih iz titanovih materialov, so veliko višji od teh cen. Proizvodni stroški titanovih plošč so večinoma višji od 33 ameriških dolarjev/kg, kar je 6- do 15-krat več kot aluminijaste plošče in 45- do 83-krat več kot jeklene plošče.