Aplicații ale titanului în industria auto

Deși aliajele de titan au fost utilizate pe scară largă în industria aerospațială, petrochimică și construcții navale, aplicarea lor în industria auto s-a dezvoltat lent. Pornind de la dezvoltarea cu succes a primei mașini din titan de către General Motors în Statele Unite în 1956, piesele auto din titan nu au atins nivelul producției de masă până în anii 1980. În anii 1990, pe măsură ce cererea de mașini de lux, mașini sport și mașini de curse a crescut de la an la an, piese auto din titan Piesele fabricate s-au dezvoltat rapid. În 1990, cantitatea de titan folosită în automobile din întreaga lume era de doar 50 de tone. În 1997, a ajuns la 500 t. În 2002, a ajuns la 1.100 t. În 2009, a ajuns la 3,000t. Este de așteptat ca cantitatea de titan folosită în automobile din întreaga lume să depășească 5,000t în 2015. În prezent, următoarele tipuri de piese din aliaj de titan sunt utilizate în mod obișnuit.

1. Biela motor
Aliajul de titan este un material ideal pentru biele. Bielele motorului din aliaj de titan pot reduce eficient masa motorului, pot îmbunătăți eficiența combustibilului și pot reduce volumul de evacuare. Comparativ cu bielele din oțel, bielele din titan pot reduce masa cu 15% până la 20%. Aplicarea bielelor din aliaj de titan a fost reflectată pentru prima dată în noul sedan Ferrari 3.5LV8 al Italiei și în motorul Acura NSX. Principalele materiale folosite în bielele din aliaj de titan sunt Ti-6Al-4V, Ti{-10V{-2Fe-3Al, Ti{-3 Al-2.0V și Ti-4Al{-4Mo-Sn{-0.5Si. Alte materiale din aliaj de titan, cum ar fi Ti-4Al Aplicarea -2Si-4Mn și Ti{-7M{-4Mo în biele este, de asemenea, în curs de dezvoltare.
2.Supapa motorului
Supapele motorului auto fabricate din aliaj de titan pot nu numai să reducă masa și să prelungească durata de viață, dar și să reducă consumul de combustibil și să îmbunătățească fiabilitatea vehiculului. În comparație cu supapele din oțel, supapele din titan pot reduce masa cu 30% până la 40%, iar viteza limită a motorului poate fi crescută cu 20%. În ceea ce privește aplicațiile actuale, materialul supapei de admisie este în principal Ti-6Al{-4V, iar materialul supapei de evacuare este în principal Ti-6242S. De obicei, Sn și Al sunt adăugate împreună pentru a obține o fragilitate mai mică și o rezistență mai mare; adăugarea de Mo poate îmbunătăți proprietățile de tratare termică ale aliajelor de titan, poate îmbunătăți rezistența aliajelor de titan la călire și îmbătrânire și poate crește duritatea. Alte aliaje de titan cu potențial de dezvoltare includ:
1) Supapa de admisie poate fi făcută din Ti-62S, care are proprietăți echivalente cu Ti-6Al{-4V și este mai ieftină.
2) Supapa de evacuare poate fi făcută din Ti-6Al-2Sn{-4.0Zr{-0.4-Mo{{7} }.45Si. Datorită conținutului său mai scăzut de Mo, rezistența la fluaj este mai bună decât Ti-6242S, iar rezistența la oxidare poate ajunge la 600 de grade . .
3) Supapa de evacuare poate fi realizată din -TiAl, care are caracteristicile de rezistență la temperaturi ridicate și greutate redusă, dar nu este potrivită pentru metodele tradiționale de forjare în timpul procesării. Este potrivit doar pentru turnare și prelucrare în metalurgia pulberilor.
3. Scaun arc supape
Rezistența ridicată și rezistența la oboseală sunt proprietăți necesare pentru scaunul arcului supapei. Aliajul beta de titan este un aliaj tratat termic, care poate obține o rezistență ridicată prin tratamentul de îmbătrânire în soluție solidă. Materialele corespunzătoare mai potrivite sunt Ti-15V-3Cr- 3Al-3Sn și Ti{-15Mo-3Al-2 .7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors folosește scaune de arc de supapă din aliaj de titan Ti-22V-4Al în vehiculele sale de producție la scară largă, ceea ce reduce masa cu 42% în comparație cu încuietorile originale din oțel, reduce masa inerțială a supapei mecanism cu 6% și crește turația maximă a motorului. 300r/min.
4.Arc din aliaj de titan
Titanul și aliajele sale au un modul elastic mai mic și o valoare σs/E mai mare decât materialele din oțel, ceea ce le face potrivite pentru fabricarea componentelor elastice. În comparație cu arcurile din oțel pentru automobile, sub premisa aceleiași lucrări elastice, înălțimea arcurilor din titan este de numai 40% din arcuri din oțel, iar masa este de numai 30% până la 40% a arcurilor din oțel, ceea ce facilitează proiectarea caroseriei auto. În plus, proprietățile excelente la oboseală și rezistența la coroziune ale aliajului de titan pot prelungi durata de viață a arcului. În prezent, materialele din aliaj de titan care pot fi folosite la fabricarea arcurilor de automobile includ Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al și Ti-13V11C-3Al.
5. Turbocompresor
Turbocompresoarele pot îmbunătăți eficiența combustiei motorului și pot spori puterea și cuplul motorului. Rotorul turbinei turbocompresorului trebuie să funcționeze în gaze de eșapament la temperaturi înalte de peste 850 de grade pentru o lungă perioadă de timp, deci necesită o rezistență bună la căldură. Metalele ușoare tradiționale, cum ar fi aliajele de aluminiu, nu pot fi utilizate din cauza punctelor lor de topire scăzute. Deși materialele ceramice sunt utilizate în rotoarele de turbine datorită greutății lor ușoare și rezistenței bune la temperaturi ridicate, aplicarea lor este limitată din cauza costului ridicat și a incapacității de a-și optimiza forma. Pentru a rezolva aceste probleme, Tetsui și alții au dezvoltat rotorul turbinei TiAl. După multe teste, s-a verificat că nu numai că are durabilitate și eficiență bune, dar poate îmbunătăți și accelerația motorului. Acest design a fost comercializat cu succes pe seria Mitsubishi Lancer Evolution.
6. Sistem de evacuare și toba de eșapament
Titanul este utilizat pe scară largă în sistemele de evacuare a automobilelor. Sistemele de evacuare realizate din titan și aliajele sale pot nu numai să îmbunătățească fiabilitatea, să prelungească durata de viață și să îmbunătățească aspectul, dar și să reducă masa și să îmbunătățească eficiența arderii combustibilului. În comparație cu sistemele de evacuare din oțel, sistemele de evacuare din titan pot reduce masa cu aproximativ 40%. La mașinile din seria Golf, masa sistemului de evacuare din titan poate fi redusă cu 7 până la 9 kg. În prezent, materialul de titan utilizat în sistemul de evacuare este în principal titan pur industrial.
Toba de eșapament din titan cântărește doar 5 până la 6 kg, ceea ce este mai ușor decât oțelul inoxidabil și alte amortizoare. Chevrolet Corvette Z06 din 2000 folosește o tobă de eșapament din titan de 11,8 kg și un sistem de țevi de eșapament în loc de sistemul original din oțel inoxidabil de 20 kg, reducând masa cu 41%. Sistemul înlocuit își menține rezistența și face mașina mai rapidă, mai flexibilă și mai eficientă din punct de vedere al consumului de combustibil. Materialul de titan utilizat în toba de eșapament este, de asemenea, în principal titan pur industrial.
7. Partea cadrului caroseriei
Pentru a îmbunătăți siguranța și fiabilitatea automobilelor, este necesar să se ia în considerare aspectele de proiectare și fabricație, în special materialele de fabricație. Titanul este un material foarte bun folosit la realizarea cadrelor caroseriei auto. Nu numai că are o rezistență specifică ridicată, dar are și o rezistență bună. În Japonia, producătorii de automobile aleg țevi sudate cu titan pur pentru a realiza cadrele caroseriei. Acest tip de cadru îi poate face pe șoferi să se simtă în siguranță atunci când conduc.
8. Alte piese din aliaj de titan
În plus față de componentele de mai sus, titanul este, de asemenea, utilizat în culbutorii motorului, arcuri de suspensie, știfturi de piston ale motorului, elemente de fixare auto, piulițe, grinzi proeminente ale ușilor auto, suporturi de viteze pentru autovehicule, pistoane etrier de frână, șuruburi, piese auto de presiune, cum ar fi plăci, butoane de schimbare și discuri de ambreiaj auto.

1.Avantaje

Aliajele de titan au avantajele greutății ușoare, rezistenței specifice ridicate și rezistenței bune la coroziune, astfel încât sunt utilizate pe scară largă în industria auto. Cea mai comună utilizare a aliajelor de titan este în sistemele de motoare ale automobilelor. Există multe beneficii în utilizarea aliajelor de titan pentru fabricarea pieselor de motor, în principal în:
1) Densitatea scăzută a aliajului de titan poate reduce masa inerțială a pieselor mobile. În același timp, arcurile supapelor din titan pot crește vibrațiile libere, pot slăbi vibrația caroseriei mașinii și pot crește turația motorului și puterea de ieșire.
2) Reduceți masa inerțială a pieselor în mișcare, reducând astfel frecarea și îmbunătățind eficiența combustibilului motorului.
3) Alegerea aliajului de titan poate reduce stresul de sarcină a pieselor aferente și poate reduce dimensiunea pieselor, reducând astfel greutatea motorului și a întregului vehicul.
4) Reducerea masei inerțiale a componentelor reduce vibrațiile și zgomotul și îmbunătățește performanța motorului.
Aplicarea aliajelor de titan în alte componente poate îmbunătăți confortul personalului și estetica mașinilor. În aplicațiile din industria auto, aliajele de titan au jucat un rol incomensurabil în economisirea energiei și reducerea consumului.
2. Restricții de aplicare
Deși piesele din aliaj de titan au proprietăți atât de superioare, mai este un drum lung de parcurs înainte ca titanul și aliajele sale să fie utilizate pe scară largă în industria auto. Motivele includ prețul ridicat, formabilitatea slabă și performanța slabă la sudare.
Odată cu dezvoltarea tehnologiei din aliajul de titan aproape de formă netă și a tehnologiilor moderne de sudare, cum ar fi sudarea cu fascicul de electroni, sudarea cu arc cu plasmă și sudarea cu laser în ultimii ani, problemele de formare și sudare ale aliajelor de titan nu mai sunt factorii cheie care limitează aplicarea titanului. aliaje. Principalul motiv pentru care este utilizat pe scară largă în industria auto este costul ridicat.
Fie că este vorba de topirea inițială a metalului sau de prelucrarea ulterioară, prețul aliajelor de titan este mult mai mare decât cel al altor metale. Costul pieselor din titan pe care industria auto le poate accepta este de 8 până la 13 dolari SUA/kg pentru biele, 13 până la 20 de dolari SUA pentru supape și 8 pentru arcuri, sisteme de evacuare a motoarelor și elemente de fixare. Sub USD/kg. Costul actual al pieselor produse cu materiale de titan este mult mai mare decât aceste prețuri. Costul de producție al plăcilor de titan este în mare parte mai mare de 33 de dolari SUA/kg, care este de 6 până la 15 ori mai mare decât al plăcilor de aluminiu și de 45 până la 83 de ori decât al plăcilor de oțel.