Titanlegering leder till fordonsteknik

Titanmetall har fördelarna med låg densitet, hög specifik hållfasthet och god korrosionsbeständighet. Användningen av titanmaterial i bilar kan avsevärt minska kroppsmassan, minska bränsleförbrukningen, förbättra motorns effektivitet, förbättra miljön och minska buller. Det höga priset gör dock att titanlegeringar bara har vissa tillämpningar i lyxmodeller och sportbilar inom bilindustrin och sällan används i vanliga bilar. Därför är forskning och utveckling av billiga titanlegeringar som möter marknadens behov nyckeln till att främja deras användning i vanliga hushållsbilar.

Även om titanlegeringar har använts i stor utsträckning inom flyg-, petrokemisk- och varvsindustrin, har deras tillämpning inom fordonsindustrin utvecklats långsamt. Från och med den framgångsrika utvecklingen av den första heltitanbilen av General Motors i USA 1956, nådde titanbildelar inte massproduktionsnivån förrän på 1980-talet. På 1990-talet, när efterfrågan på lyxbilar, sportbilar och racerbilar ökade år för år, har titan bildelar Tillverkade delar utvecklats snabbt. 1990 var mängden titan som användes i bilar runt om i världen bara 50 ton. 1997 nådde den 500 ton. 2002 nådde den 1 100 ton. 2009 nådde den 3,000t. Det förväntas att mängden titan som används i bilar runt om i världen kommer att överstiga 5,000t under 2015. För närvarande används vanligtvis följande typer av titanlegeringsdelar.

1. Motorvevstång
Titanlegering är ett idealiskt material för vevstakar. Motorvevstakar gjorda av titanlegering kan effektivt minska motormassan, förbättra bränsleeffektiviteten och minska avgasvolymen. Jämfört med stålvevstakar kan vevstakar av titan minska massan med 15 % till 20 %. Tillämpningen av vevstakar av titanlegering återspeglades först i Italiens nya Ferrari sedan 3.5LV8 och Acuras NSX-motor. De huvudsakliga materialen som används i vevstakar av titanlegering är Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V och Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si. Andra titanlegeringsmaterial som Ti-4Al Användningen av -2Si-4Mn och Ti-7M-4Mo i vevstakar är också under utveckling.
2. Motorventil
Bilmotorventiler gjorda av titanlegering kan inte bara minska massan och förlänga livslängden, utan också minska bränsleförbrukningen och förbättra fordonets tillförlitlighet. Jämfört med stålventiler kan titanventiler minska massan med 30 % till 40 %, och motorns gränshastighet kan ökas med 20 %. När det gäller nuvarande applikationer är materialet i insugningsventilen huvudsakligen Ti-6Al-4V, och materialet i avgasventilen är huvudsakligen Ti-6242S. Vanligtvis adderas Sn och Al för att erhålla lägre sprödhet och högre styrka; tillsatsen av Mo kan förbättra värmebehandlingsegenskaperna hos titanlegeringar, förbättra styrkan hos härdande och åldrande titanlegeringar och öka hårdheten. Andra titanlegeringar med utvecklingspotential inkluderar:
1) Insugningsventilen kan vara gjord av Ti-62S, som har egenskaper motsvarande Ti-6Al-4V och är billigare.
2) Avgasventilen kan vara gjord av Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo{{7} }.45Si. På grund av dess lägre Mo-innehåll är dess krypmotstånd bättre än Ti-6242S, och dess oxidationsbeständighet kan nå 600 grader. .
3) Avgasventilen kan vara gjord av -TiAl, som har egenskaperna för hög temperaturbeständighet och låg vikt, men den är inte lämplig för traditionella smidesmetoder under bearbetning. Den är endast lämplig för gjutning och pulvermetallurgisk bearbetning.
3. Ventilfjädersäte
Hög hållfasthet och utmattningsbeständighet är nödvändiga egenskaper för ventilfjädersätet. Beta titanlegering är en värmebehandlad legering som kan få hög hållfasthet genom åldringsbehandling i fast lösning. Motsvarande mer lämpliga material är Ti-15V-3Cr- 3Al-3Sn och Ti-15Mo-3Al-2 .7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors använder Ti-22V-4Al-titaniumlegeringsventilfjädersäten i sina storskaliga fordon, vilket minskar massan med 42 % jämfört med de ursprungliga stållåsen, minskar ventilens tröghetsmassa mekanismen med 6 % och ökar det maximala motorvarvtalet. 300r/min.
4.Titanlegeringsfjäder
Titan och dess legeringar har lägre elasticitetsmodul och större σs/E-värde än stålmaterial, vilket gör dem lämpliga för tillverkning av elastiska komponenter. Jämfört med bilfjädrar av stål, under förutsättningen av samma elastiska arbete, är höjden på titanfjädrar endast 40% av stålfjädrar, och massan är endast 30% till 40% av stålfjädrar, vilket underlättar bilkarossdesign. Dessutom kan titanlegeringens utmärkta utmattningsegenskaper och korrosionsbeständighet förlänga fjäderns livslängd. För närvarande inkluderar titanlegeringsmaterial som kan användas för att tillverka bilfjädrar Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al och Ti-13V11C-3Al.
5. Turboladdare
Turboladdare kan förbättra motorns förbränningseffektivitet och förbättra motoreffekten och vridmomentet. Turbinrotorn på turboladdaren behöver arbeta i högtemperaturavgaser över 850 grader under lång tid, så det kräver god värmebeständighet. Traditionella lättmetaller som aluminiumlegeringar kan inte användas på grund av deras låga smältpunkter. Även om keramiska material används i turbinrotorer på grund av deras låga vikt och goda höga temperaturbeständighet, är deras tillämpning begränsad på grund av deras höga kostnad och oförmåga att optimera sin form. För att lösa dessa problem utvecklade Tetsui och andra TiAl-turbinrotorn. Efter många tester har det verifierats att den inte bara har god hållbarhet och effektivitet, utan också kan förbättra motorns acceleration. Denna design har framgångsrikt kommersialiserats på Mitsubishi Lancer Evolution-serien.
6. Avgassystem och ljuddämpare
Titan används flitigt i bilavgassystem. Avgassystem gjorda av titan och dess legeringar kan inte bara förbättra tillförlitligheten, förlänga livslängden och förbättra utseendet, utan också minska massan och förbättra bränsleförbränningens effektivitet. Jämfört med stålavgassystem kan titanavgassystem minska massan med cirka 40 %. I bilar i Golf-serien kan massan på titanavgassystemet minskas med 7 till 9 kg. För närvarande är titanmaterialet som används i avgassystemet huvudsakligen industriellt rent titan.
Titanljuddämparen väger endast 5 till 6 kg, vilket är lättare än rostfritt stål och andra ljuddämpare. 2000 Chevrolet Corvette Z06 använder en 11,8 kg ljuddämpare och avgasrörsystem i titan istället för det ursprungliga 20 kg rostfria systemet, vilket minskar vikten med 41 %. Det utbytta systemet behåller sin styrka och gör bilen snabbare, mer flexibel och mer bränslesnål. Titanmaterialet som används i ljuddämparen är också huvudsakligen industriellt rent titan.
7. Kroppsramsdel
För att förbättra säkerheten och tillförlitligheten hos bilar är det nödvändigt att överväga design- och tillverkningsaspekterna, särskilt tillverkningsmaterialen. Titan är ett mycket bra material som används för att tillverka bilkarossramar. Den har inte bara hög specifik hållfasthet, utan har också god seghet. I Japan väljer biltillverkare rena titansvetsade rör för att tillverka karossramar. Denna typ av ram kan få förare att känna sig trygga när de kör.
8. Andra titanlegeringsdelar
Utöver de ovanstående komponenterna används titan även i motorvipparmar, fjäderfjädrar, motorkolvstift, bilfästelement, klackmuttrar, utskjutande balkar till bildörrar, växelfästen för bilar, bromsokkolvar, stiftbultar, tryck Bildelar som t.ex. plattor, växlingsknappar och bilkopplingsskivor.

1.Fördelar

Titanlegeringar har fördelarna med låg vikt, hög specifik hållfasthet och god korrosionsbeständighet, så de används ofta inom bilindustrin. Den vanligaste användningen av titanlegeringar är i bilmotorsystem. Det finns många fördelar med att använda titanlegeringar för att tillverka motordelar, främst återspeglas i:
1) Den låga densiteten hos titanlegering kan minska tröghetsmassan hos rörliga delar. Samtidigt kan ventilfjädrar av titan öka den fria vibrationen, försvaga kroppens vibrationer och öka motorvarvtalet och uteffekten.
2) Minska tröghetsmassan hos rörliga delar, vilket minskar friktionen och förbättrar motorns bränsleeffektivitet.
3) Att välja titanlegering kan minska belastningen på relaterade delar och minska storleken på delar, och därigenom minska vikten på motorn och hela fordonet.
4) Minskningen av komponenternas tröghetsmassa minskar vibrationer och buller och förbättrar motorns prestanda.
Användningen av titanlegeringar i andra komponenter kan förbättra personalens komfort och bilars estetik. I applikationer inom bilindustrin har titanlegeringar spelat en omätlig roll för energibesparing och förbrukningsminskning.
2. Applikationsbegränsningar
Även om titanlegeringsdelar har så överlägsna egenskaper, är det fortfarande en lång väg kvar innan titan och dess legeringar används i stor utsträckning inom bilindustrin. Orsakerna inkluderar högt pris, dålig formbarhet och dålig svetsprestanda.
Med utvecklingen av titanlegering nära nettoformteknik och modern svetsteknik som elektronstrålesvetsning, plasmabågsvetsning och lasersvetsning under de senaste åren, är formnings- och svetsproblemen för titanlegeringar inte längre nyckelfaktorerna som begränsar tillämpningen av titanlegeringar legeringar. Den främsta anledningen till att det används i stor utsträckning inom bilindustrin är den höga kostnaden.
Oavsett om det är den första smältningen av metallen eller efterföljande bearbetning är priset på titanlegeringar mycket högre än för andra metaller. Kostnaden för titandelar som bilindustrin kan acceptera är 8 till 13 US-dollar/kg för vevstakar, 13 till 20 US-dollar för ventiler och 8 för fjädrar, motoravgassystem och fästelement. Under USD/kg. Den nuvarande kostnaden för delar tillverkade med titanmaterial är mycket högre än dessa priser. Produktionskostnaden för titanplåtar är för det mesta högre än 33 US-dollar/kg, vilket är 6 till 15 gånger den för aluminiumplåtar och 45 till 83 gånger den för stålplåtar.
Forskningsstatus för titanlegeringar för bilar

bild
För närvarande är kostnadsreduktion den huvudsakliga forskningsriktningen för titanlegeringar som används inom bilindustrin. Med tanke på egenskaperna hos kostnadsfördelningen för titanlegeringar som används inom bilindustrin uppnår materialforsknings- och utvecklingsarbetare huvudsakligen syftet att sänka kostnaderna från följande två aspekter: utveckling av nya lågkostnadslegeringssystem och användning av ny bearbetnings- och beredningsteknik .

1. Nytt billigt titanlegeringssystem
Arbetare från olika länder utvecklar nya billiga titanlegeringssystem, främst med fokus på följande aspekter: legeringsdesign med billiga legeringselement och legeringsdesign för att förbättra bearbetningsegenskaperna. Bland dem är Japan och USA representerade. mitt land har också framgångsrikt utvecklat två billiga titanlegeringar, nämligen Ti8LC och Ti12LC. Vid utformningen av billiga titanlegeringskomponenter för fordon inkluderar vanliga billiga legeringselement Fe, Cr, Si, Al, etc.
2. Ny bearbetnings- och beredningsteknik
Bearbetningskostnaden för titanlegeringsmaterial står för mer än 60% av den totala kostnaden under produktionsprocessen. Därför, när det gäller kostnadsminskning, har hur man kan minska bearbetningskostnaderna för titanlegering blivit en viktig forskningsriktning. Forskningen inom detta område är huvudsakligen uppdelad i två aspekter: den ena är att förbättra den traditionella gjutnings- och smidesprocessen, och den andra är att anta pulvermetallurgi nära-nätformsteknik.
I utvecklingen av nya smidesprocesser är kallsmide för närvarande en av de mest lovande metoderna för tillverkning av bildelar från titanlegeringar. Beta titanlegering har låg deformationsbeständighet vid rumstemperatur och är bra vid skärning och formning. Det är ett material som kan kallsmidas. För närvarande har Japan utvecklat tre kalldeformerade beta titanlegeringar. Beta titanlegering har också vissa brister. Den är utsatt för ojämn deformation vid kallsmidning och är lätt att fästa på formen. Därför kräver massproduktion av beta titanlegeringsdelar med hjälp av kall smidesteknik ytterligare utforskning och utveckling.
Pulvermetallurgi är en mycket viktig teknik för att minska bearbetningskostnaderna för titanlegering. Vid tillverkning av pulvermetallurgiska fordonsdelar är den traditionella press-sintringsmetoden fortfarande dominerande, huvudsakligen inklusive elementär pulvermetoden (BE) och förlegerad pulvermetoden (PA). För närvarande är den elementära pulvermetoden den mest använda inom lågkostnadsindustrin för titanlegeringspulvermetallurgi för bilar på grund av dess enkla process och lägre kostnad. Under de senaste åren har andra pulvermetallurgiteknologier också dykt upp, inklusive laserformningsteknik, metallpulverformsprutning (MIM) och andra tekniker. De har använts i stor utsträckning vid provproduktion och produktion av komplexa bildelar, vilket avsevärt kan förkorta produktutvecklingen. och produktionscykel, vilket ytterligare minskar kostnaderna.
Slutsats
Den nya generationen av bildesign ägnar mer uppmärksamhet åt motorns lätta kaross, låga bränsleförbrukning, låga ljud och lätta vibrationer för att möta de allt mer krävande miljökraven. I detta sammanhang kommer lättmetallen titan att bli ett viktigt applikationsmaterial för framtida bilar.
En omfattande övervägande av den nuvarande forskningsstatusen för billiga titanlegeringar för fordon kan konstateras att för att ytterligare minska kostnaderna för titanlegeringar för fordon bör forskningen huvudsakligen fokusera på följande aspekter:
1) När det gäller utvecklingen av lågkostnadslegeringssystem, försök att utveckla legeringssystem som använder inga eller billigare legeringselement utan att påverka prestandan, och samtidigt utnyttja återvunna titanlegeringar fullt ut.
2) När det gäller utveckling av gjut- och smidesprocesser, utveckla i riktning mot att utveckla beta titanlegeringar och kalldeformerade titanlegeringar, och genomföra genomförbarhetsstudier av deras massproduktion.
3) När det gäller pulvermetallurgi, samtidigt som man säkerställer den låga kostnadsfördelen, är det också nödvändigt att ytterligare förbättra prestanda för titandelar.
Med utvecklingen av ekonomin och minskningen av kostnaden för titan kommer fler ingenjörsdesigners att välja titandelar som bildelar. Titanlegeringar kommer så småningom att spela en viktig roll i bilindustrins produktion.