Titanium applikationer i bilindustrien

Selvom titanlegeringer har været meget udbredt i rumfarts-, petrokemiske og skibsbygningsindustrien, har deres anvendelse i bilindustrien udviklet sig langsomt. Startende fra den vellykkede udvikling af den første helt-titanium-bil af General Motors i USA i 1956, nåede titanium-autodele ikke niveauet for masseproduktion før i 1980'erne. I 1990'erne, da efterspørgslen efter luksusbiler, sportsvogne og racerbiler steg år for år, har titanium autodele Fremstillede dele udviklet sig hurtigt. I 1990 var mængden af ​​titanium, der blev brugt i biler rundt om i verden, kun 50 t. I 1997 nåede den 500t. I 2002 nåede den 1.100t. I 2009 nåede den 3,000t. Det forventes, at mængden af ​​titanium, der bruges i biler rundt om i verden, vil overstige 5,000t i 2015. På nuværende tidspunkt er følgende typer titanlegeringsdele almindeligvis brugt.

1. Motorens plejlstang
Titaniumlegering er et ideelt materiale til plejlstænger. Motorforbindelsesstænger lavet af titanlegering kan effektivt reducere motormassen, forbedre brændstofeffektiviteten og reducere udstødningsvolumen. Sammenlignet med stålplejlstænger kan titanium-plejlstænger reducere massen med 15 % til 20 %. Anvendelsen af ​​plejlstænger af titaniumlegering blev først afspejlet i Italiens nye Ferrari sedan 3.5LV8 og Acuras NSX-motor. De vigtigste materialer, der bruges i plejlstænger af titanlegering, er Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V og Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si. Andre titanlegeringsmaterialer såsom Ti-4Al Anvendelsen af ​​-2Si-4Mn og Ti-7M-4Mo i plejlstænger er også under udvikling.
2.Motorventil
Automotive motorventiler lavet af titanlegering kan ikke kun reducere massen og forlænge levetiden, men også reducere brændstofforbruget og forbedre køretøjets pålidelighed. Sammenlignet med stålventiler kan titaniumventiler reducere massen med 30% til 40%, og motorens grænsehastighed kan øges med 20%. Hvad angår nuværende anvendelser, er materialet i indsugningsventilen hovedsageligt Ti-6Al-4V, og materialet i udstødningsventilen er hovedsageligt Ti-6242S. Normalt lægges Sn og Al sammen for at opnå lavere skørhed og højere Styrke; tilføjelsen af ​​Mo kan forbedre varmebehandlingsegenskaberne af titanlegeringer, øge styrken af ​​bratkøling og ældning af titanlegeringer og øge hårdheden. Andre titanlegeringer med udviklingspotentiale omfatter:
1) Indsugningsventilen kan være lavet af Ti-62S, som har egenskaber svarende til Ti-6Al-4V og er billigere.
2) Udstødningsventilen kan være lavet af Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo{{7} }.45Si. På grund af dets lavere Mo-indhold er dens krybemodstand bedre end Ti-6242S, og dens oxidationsmodstand kan nå op på 600 grader. .
3) Udstødningsventilen kan være lavet af -TiAl, som har karakteristika af høj temperaturbestandighed og lav vægt, men den er ikke egnet til traditionelle smedningsmetoder under forarbejdning. Den er kun egnet til støbning og pulvermetallurgibearbejdning.
3. Ventilfjedersæde
Høj styrke og træthedsmodstand er nødvendige egenskaber for ventilfjedersædet. Beta titanlegering er en varmebehandlet legering, der kan opnå høj styrke gennem ældningsbehandling i fast opløsning. De tilsvarende mere egnede materialer er Ti-15V-3Cr- 3Al-3Sn og Ti-15Mo-3Al-2 .7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors bruger Ti-22V-4Al-titanium-legering ventilfjedersæder i sine storskalaproduktionskøretøjer, hvilket reducerer massen med 42 % sammenlignet med de originale stållåse, reducerer ventilens inertimasse mekanisme med 6 % og øger den maksimale motorhastighed. 300r/min.
4.Titanium legering fjeder
Titanium og dets legeringer har lavere elasticitetsmodul og større σs/E-værdi end stålmaterialer, hvilket gør dem velegnede til fremstilling af elastiske komponenter. Sammenlignet med stålfjedre til biler, under forudsætningen af ​​det samme elastiske arbejde, er højden af ​​titaniumfjedre kun 40% af stålfjedre, og massen er kun 30% til 40% af stålfjedre, hvilket letter design af bilkarosseri. Derudover kan titanlegeringens fremragende træthedsegenskaber og korrosionsbestandighed forlænge fjederens levetid. I øjeblikket omfatter titanlegeringsmaterialer, der kan bruges til fremstilling af bilfjedre, Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al og Ti-13V11C-3Al.
5. Turbolader
Turboladere kan forbedre motorens forbrændingseffektivitet og forbedre motorkraften og drejningsmomentet. Turboladerens turbinerotor skal arbejde i højtemperaturudstødningsgas over 850 grader i lang tid, så det kræver god varmemodstand. Traditionelle letmetaller såsom aluminiumslegeringer kan ikke bruges på grund af deres lave smeltepunkter. Selvom keramiske materialer bruges i turbinerotorer på grund af deres lette vægt og gode højtemperaturbestandighed, er deres anvendelse begrænset på grund af deres høje omkostninger og manglende evne til at optimere deres form. For at løse disse problemer udviklede Tetsui og andre TiAl-turbinerotoren. Efter mange test er det blevet verificeret, at det ikke kun har god holdbarhed og effektivitet, men også kan forbedre accelerationen af ​​motoren. Dette design er med succes blevet kommercialiseret på Mitsubishi Lancer Evolution-serien.
6. Udstødningssystem og lyddæmper
Titanium bruges i vid udstrækning i bilers udstødningssystemer. Udstødningssystemer lavet af titanium og dets legeringer kan ikke kun forbedre pålideligheden, forlænge levetiden og forbedre udseendet, men også reducere massen og forbedre brændstofforbrændingseffektiviteten. Sammenlignet med ståludstødningssystemer kan titanium-udstødningssystemer reducere massen med cirka 40%. I biler i Golf-serien kan titanium-udstødningssystemets masse reduceres med 7 til 9 kg. I øjeblikket er titaniummaterialet, der anvendes i udstødningssystemet, hovedsagelig rent industrielt titanium.
Titanium lyddæmperen vejer kun 5 til 6 kg, hvilket er lettere end rustfrit stål og andre lyddæmpere. 2000 Chevrolet Corvette Z06 bruger en 11,8 kg titanium lydpotte og udstødningsrørsystem i stedet for det originale 20 kg rustfrit stål system, hvilket reducerer massen med 41 %. Det udskiftede system bevarer sin styrke og gør bilen hurtigere, mere fleksibel og mere brændstoføkonomisk. Titaniummaterialet, der anvendes i lyddæmperen, er også hovedsageligt industrielt rent titanium.
7. Kropsrammedel
For at forbedre sikkerheden og pålideligheden af ​​biler er det nødvendigt at overveje design- og fremstillingsaspekterne, især fremstillingsmaterialerne. Titanium er et meget godt materiale, der bruges til at fremstille bilkarosseri. Det har ikke kun høj specifik styrke, men har også god sejhed. I Japan vælger bilproducenter rene titanium svejsede rør til at lave karrosserirammer. Denne form for stel kan få chauffører til at føle sig trygge, når de kører.
8. Andre titanlegeringsdele
Ud over de ovennævnte komponenter anvendes titanium også i motorvippearme, ophængsfjedre, motorstempelstifter, automobilbefæstelser, møtrikker, bildøre udstående bjælker, automotive gearbeslag, bremsekaliberstempler, stiftbolte, tryk Autodele som f.eks. plader, skifteknapper og automobilkoblingsskiver.

1.Fordele

Titaniumlegeringer har fordelene ved let vægt, høj specifik styrke og god korrosionsbestandighed, så de er meget udbredt i bilindustrien. Den mest almindelige anvendelse af titanlegeringer er i bilmotorsystemer. Der er mange fordele ved at bruge titanlegeringer til fremstilling af motordele, hovedsageligt i:
1) Den lave tæthed af titanlegering kan reducere inertimassen af ​​bevægelige dele. Samtidig kan titanium ventilfjedre øge den frie vibration, svække bilens vibrationer og øge motorhastigheden og udgangseffekten.
2) Reducer inertimassen af ​​bevægelige dele, hvorved friktionen reduceres og motorens brændstofeffektivitet forbedres.
3) Valg af titanlegering kan reducere belastningen af ​​relaterede dele og reducere størrelsen af ​​dele, hvorved vægten af ​​motoren og hele køretøjet reduceres.
4) Reduktionen af ​​komponenternes inertimasse reducerer vibrationer og støj og forbedrer motorens ydeevne.
Anvendelsen af ​​titanlegeringer i andre komponenter kan forbedre personalekomforten og bilernes æstetik. I applikationer i bilindustrien har titanlegeringer spillet en umådelig rolle i energibesparelser og forbrugsreduktion.
2. Anvendelsesbegrænsninger
Selvom titanlegeringsdele har så overlegne egenskaber, er der stadig lang vej igen, før titanium og dets legeringer er meget udbredt i bilindustrien. Årsagerne omfatter høj pris, dårlig formbarhed og dårlig svejseydelse.
Med udviklingen af ​​titanlegering nær nettoformteknologi og moderne svejseteknologier såsom elektronstrålesvejsning, plasmabuesvejsning og lasersvejsning i de seneste år, er formnings- og svejseproblemerne for titanlegeringer ikke længere nøglefaktorerne, der begrænser anvendelsen af ​​titanium legeringer. Hovedårsagen til, at det er meget udbredt i bilindustrien, er de høje omkostninger.
Uanset om det er den indledende smeltning af metallet eller efterfølgende forarbejdning, er prisen på titanlegeringer meget højere end for andre metaller. Prisen på titaniumdele, som bilindustrien kan acceptere, er 8 til 13 US dollars/kg for plejlstænger, 13 til 20 US dollars for ventiler og 8 for fjedre, motorudstødningssystemer og fastgørelsesanordninger. Under USD/kg. De nuværende omkostninger for dele fremstillet med titaniummaterialer er meget højere end disse priser. Produktionsomkostningerne for titanium plader er for det meste højere end 33 US dollars/kg, hvilket er 6 til 15 gange så meget som aluminium plader og 45 til 83 gange stål plader.