Състояние на приложението на титанови сплави в автомобилната индустрия

През последните години, с бързото развитие на автомобилната индустрия, потреблението на гориво, опазването на околната среда и проблемите на безопасността, породени от автомобилите, привличат все по-голямо внимание. С нетърпение към бъдещата посока на развитие на автомобилната индустрия, лекото тегло, нисък разход на гориво и ниски емисии са темите на развитие. Според статистиката на международни авторитетни отдели, 60% от енергията на изгаряне на автомобилното гориво се изразходва от собственото му тегло. Въпреки че високоякостните тънки стоманени плочи, алуминият, магнезият, композитните материали на основата на метал и материалите от пластмасова смола са изиграли роля за намаляване на теглото на автомобилите, появата на промишлени титанови материали направи производството на автомобили по-добър избор.

Титановият метал има предимствата на ниска плътност, висока специфична якост и добра устойчивост на корозия. Използването на титанови материали в автомобилите може значително да намали теглото на купето на автомобила, да намали разхода на гориво, да подобри ефективността на работа на двигателя, да подобри околната среда и да намали шума. Въпреки това, високата цена прави титановите сплави само някои приложения в луксозни модели и спортни автомобили в автомобилната индустрия и рядко в обикновени автомобили. Ето защо изследването и разработването на евтини титанови сплави, които отговарят на нуждите на пазара, е ключът към насърчаването на приложението им в обикновените битови автомобили.

 

Текущо състояние на приложение на титанови сплави 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. Тъй като първият изцяло титаниев автомобил беше успешно разработен от General Motors в Съединените щати през 1956 г., титаниевите авточасти не достигнаха нивото на масово производство до 1980 г. През 90-те години на миналия век, с нарастващото търсене на луксозни автомобили, спортни автомобили и състезателни коли, титаниевите части се развиха бързо. През 1990 г. количеството титан, използвано в автомобилите по света, е само 50 тона, което достига 500 тона през 1997 г., 1100 тона през 2002 г. и 3000 тона през 2009 г. Очаква се количеството титан, използван в автомобилите по света, да надхвърли 5000 тона през 2015 г. Понастоящем обикновено се използват следните части от титанова сплав.

1. Биела на двигателя
Титановата сплав е идеален избор за материали за свързващи пръти. Свързващите пръти на двигателя, изработени от титанова сплав, могат ефективно да намалят теглото 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 от 15% до 20% от теглото. Прилагането на биели от титаниева сплав е отразено за първи път в новите двигатели Ferrari 3.5LV8 и Acura NSX в Италия. Материалите, използвани за свързващите пръти от титанови сплави, са главно Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V и Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si и други материали от титанови сплави като Ti-4Al{{19} }Si-4Mn и Ti-7M-4Mo също се разработват за използване в биели.

2. Клапани на двигателя
Клапаните на автомобилните двигатели, изработени от титанови сплави, могат не само да намалят теглото 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 теглото си 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 ефективността на термичната обработка на титанови сплави, да повиши якостта на закаляването и стареенето на титанови сплави и да увеличи твърдостта. Други титанови сплави с потенциал за развитие са:
1) Всмукателният клапан може да бъде направен от Ti-62S, който има същите характеристики като 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 си съдържание на Mo, устойчивостта му на пълзене е по-добра от тази на Ti-6242S, а температурата му на устойчивост 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 обработка чрез традиционни методи за коване и е подходящ само за леене и прахова металургия.

 

3. Седалка на пружината на клапана

Високата якост и устойчивост на умора са свойствата, които трябва да притежават леглата на пружините на клапаните. титановата сплав е термично обработваема 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 гнезда на клапани от Ti-22V-4Al титаниева сплав на своите масово произвеждани автомобили, което намалява масата с 42% в сравнение с оригиналната стоманена брава, намалява инерционната маса на механизма на клапана с 6%, и увеличава максималната скорост на двигателя с 300r/min.

 

4. Пружини от титанова сплав

Титанът и неговите сплави имат по-нисък модул на еластичност от стоманените материали, голяма стойност σs/E и са 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 тази на стоманените пружини, а масата е само 30% до 40% от тази на стоманените пружини, което е удобно за дизайн на тялото. В допълнение, отличните характеристики на умора и устойчивост на корозия на титановите сплави могат да увеличат експлоатационния живот на пружините. Понастоящем материалите от титанови сплави, които могат да се използват за производство на автомобилни пружини, включват Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al и Ti-13V11C-3Al.

 

5. Турбокомпресор

Турбокомпресорите могат да подобрят ефективността на горенето на двигателите и да увеличат мощността и въртящия момент на двигателите. Роторът на турбината на турбокомпресора трябва да работи при висока температура на отработените газове над 850 градуса за дълго време, така че се изисква да има добра устойчивост на топлина. Традиционните леки метали като алуминиева сплав не могат да се използват поради ниската им точка 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 цена и невъзможността за оптимизиране на формата. За да решат тези проблеми, Tetsui et al. разработи TiAl турбинния ротор. След много тестове и проверки, 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 в големи количества в изпускателната система на автомобилите. 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 си с около 40%. В автомобилите от серията Golf теглото на титаниевата изпускателна система може да бъде намалено със 7 до 9 кг. Понастоящем титанът, използван в изпускателната система, е предимно чист индустриален титан.

Теглото на титаниевия ауспух е само 5 до 6 кг, което е по-леко от тези от неръждаема стомана. Chevrolet Corvette Z06 от 2000 г. използва 11,8 kg титаниев ауспух и ауспух, за да замени оригиналната 20 kg система от неръждаема стомана, намалявайки теглото с 41%. Силата на подменената система остава непроменена, а автомобилът е по-бърз, по-гъвкав и икономичен. Титанът, използван в ауспуха, също е предимно промишлен чист титан.

 

7. Рамка на тялото

За да се подобри безопасността и надеждността на автомобила, е необходимо да се вземат предвид аспектите на дизайна и производството, особено материалите за производство. Титанът е добър материал за направата на рамки за каросерии. Той има не само висока специфична якост, но и добра якост. В Япония производителите на автомобили избират заварени тръби от чист титанов метал, за да направят рамки на каросерията, което може да накара водачите да се чувстват достатъчно сигурни, когато шофират.

 

8. Други части от титанова сплав

В допълнение към горните части, титанът се използва и в кобилици на двигатели, пружини на окачването, бутални щифтове на двигателя, автомобилни крепежни елементи, гайки, изпъкнали греди на автомобилни врати, автомобилни спирачни скоби, бутала на спирачен апарат, щифтови болтове, притискащи плочи, бутони за превключване и автомобилни дискове на съединителя и други автомобилни части. Новото поколение автомобилни дизайни обръща повече внимание на олекотената каросерия, ниския разход на гориво, ниския шум и леките вибрации на двигателя, за да отговори на все по-строгите екологични изисквания. В този контекст лекият метален титан ще се превърне в основен материал за приложение в бъдещите автомобили.