Aplikácie titánu v automobilovom priemysle

Hoci zliatiny titánu boli široko používané v leteckom, petrochemickom a lodiarskom priemysle, ich aplikácia v automobilovom priemysle sa rozvíjala pomaly. Od úspešného vývoja prvého celotitánového automobilu spoločnosťou General Motors v Spojených štátoch v roku 1956 sa titánové autodiely dostali na úroveň sériovej výroby až v 80. rokoch. V deväťdesiatych rokoch, keď sa dopyt po luxusných autách, športových autách a pretekárskych autách z roka na rok zvyšoval, sa titánové autodiely rýchlo rozvíjali. V roku 1990 bolo množstvo titánu používaného v automobiloch na celom svete iba 50 ton. V roku 1997 dosiahol 500 t. V roku 2002 dosiahol 1 100 t. V roku 2009 dosiahol 3,{13}}t. Očakáva sa, že množstvo titánu používaného v automobiloch na celom svete v roku 2015 presiahne 5,{15}}t. V súčasnosti sa bežne používajú nasledujúce typy dielov zo zliatiny titánu.

1. Ojnica motora
Zliatina titánu je ideálnym materiálom pre ojnice. Ojnice motora vyrobené z titánovej zliatiny môžu účinne znížiť hmotnosť motora, zlepšiť palivovú účinnosť a znížiť objem výfukových plynov. V porovnaní s oceľovými ojnicami môžu titánové ojnice znížiť hmotnosť o 15 % až 20 %. Použitie ojníc z titánovej zliatiny sa prvýkrát prejavilo v novom talianskom sedane Ferrari 3.5LV8 a motore NSX od Acura. Hlavnými materiálmi používanými v ojniciach z titánovej zliatiny sú Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V a Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si. Iné materiály zliatiny titánu, ako je Ti-4Al. Aplikácia -2Si-4Mn a Ti-7M-4Mo v ojničných tyčiach je tiež vo vývoji.
2.Ventil motora
Ventily automobilových motorov vyrobené z titánovej zliatiny dokážu nielen znížiť hmotnosť a predĺžiť životnosť, ale aj znížiť spotrebu paliva a zlepšiť spoľahlivosť vozidla. V porovnaní s oceľovými ventilmi môžu titánové ventily znížiť hmotnosť o 30 % až 40 % a medzná rýchlosť motora sa môže zvýšiť o 20 %. Čo sa týka súčasných aplikácií, materiálom sacieho ventilu je hlavne Ti-6Al-4V a materiálom výfukového ventilu je hlavne Ti-6242S. Zvyčajne sa Sn a Al pridávajú spolu, aby sa dosiahla nižšia krehkosť a vyššia pevnosť; pridanie Mo môže zlepšiť vlastnosti tepelného spracovania titánových zliatin, zvýšiť pevnosť titánových zliatin pri kalení a starnutí a zvýšiť tvrdosť. Medzi ďalšie zliatiny titánu s potenciálom rozvoja patria:
1) Nasávací ventil môže byť vyrobený z Ti-62S, ktorý má vlastnosti ekvivalentné Ti-6Al-4V a je lacnejší.
2) Výfukový ventil môže byť vyrobený z Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo{{7} }.45Si. Vďaka nižšiemu obsahu Mo je jeho odolnosť proti tečeniu lepšia ako Ti-6242S a jeho odolnosť proti oxidácii môže dosiahnuť 600 stupňov . .
3) Výfukový ventil môže byť vyrobený z -TiAl, ktorý má vlastnosti vysokej teplotnej odolnosti a nízkej hmotnosti, ale nie je vhodný pre tradičné metódy kovania počas spracovania. Je vhodný len na odlievanie a spracovanie práškovou metalurgiou.
3. Sedlo pružiny ventilu
Vysoká pevnosť a odolnosť proti únave sú nevyhnutné vlastnosti sedla ventilovej pružiny. Beta titánová zliatina je tepelne upravená zliatina, ktorá môže získať vysokú pevnosť prostredníctvom starnutia v tuhom roztoku. Zodpovedajúce vhodnejšie materiály sú Ti-15V-3Cr- 3Al-3Sn a Ti-15Mo-3Al-2 .7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors používa vo svojich veľkosériovo vyrábaných vozidlách sedlá ventilových pružín Ti{11}}V-4Al z titánovej zliatiny, čo znižuje hmotnosť o 42 % v porovnaní s pôvodnými oceľovými zámkami, znižuje zotrvačnú hmotnosť ventilu mechanizmus o 6% a zvyšuje maximálne otáčky motora. 300 ot./min.
4. Pružina z titánovej zliatiny
Titán a jeho zliatiny majú nižší modul pružnosti a väčšiu hodnotu σs/E ako oceľové materiály, vďaka čomu sú vhodné na výrobu elastických komponentov. V porovnaní s oceľovými automobilovými pružinami, za predpokladu rovnakej elastickej práce, výška titánových pružín je iba 40% oceľových pružín a hmotnosť je iba 30% až 40% oceľových pružín, čo uľahčuje dizajn karosérie. Okrem toho vynikajúce únavové vlastnosti a odolnosť titánovej zliatiny proti korózii môžu predĺžiť životnosť pružiny. V súčasnosti medzi materiály zliatiny titánu, ktoré možno použiť na výrobu automobilových pružín, patria Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al a Ti-13V11C-3Al.
5. Turbodúchadlo
Turbodúchadlá môžu zlepšiť účinnosť spaľovania motora a zvýšiť výkon a krútiaci moment motora. Rotor turbíny turbodúchadla potrebuje dlhodobo pracovať vo vysokoteplotných výfukových plynoch nad 850 stupňov, preto vyžaduje dobrú tepelnú odolnosť. Tradičné ľahké kovy, ako sú hliníkové zliatiny, nemožno použiť kvôli ich nízkym bodom topenia. Hoci sa keramické materiály používajú v rotoroch turbín kvôli ich nízkej hmotnosti a dobrej odolnosti voči vysokým teplotám, ich použitie je obmedzené kvôli ich vysokej cene a neschopnosti optimalizovať ich tvar. Aby sa tieto problémy vyriešili, Tetsui a ďalší vyvinuli rotor turbíny TiAl. Po mnohých testoch bolo overené, že má nielen dobrú životnosť a účinnosť, ale dokáže zlepšiť aj zrýchlenie motora. Tento dizajn bol úspešne komercializovaný na sérii Mitsubishi Lancer Evolution.
6. Výfukový systém a tlmič výfuku
Titán sa vo veľkej miere používa vo výfukových systémoch automobilov. Výfukové systémy vyrobené z titánu a jeho zliatin môžu nielen zlepšiť spoľahlivosť, predĺžiť životnosť a zlepšiť vzhľad, ale aj znížiť hmotnosť a zlepšiť účinnosť spaľovania paliva. V porovnaní s oceľovými výfukovými systémami môžu titánové výfukové systémy znížiť hmotnosť približne o 40 %. Vo vozidlách série Golf je možné znížiť hmotnosť titánového výfukového systému o 7 až 9 kg. V súčasnosti je titánový materiál používaný vo výfukovom systéme hlavne priemyselne čistý titán.
Titánový tlmič má hmotnosť len 5 až 6 kg, čo je ľahšia ako nerezová oceľ a iné tlmiče. Chevrolet Corvette Z06 z roku 2000 používa 11,8 kg titánový tlmič výfuku a výfukový systém namiesto pôvodného 20 kg systému z nehrdzavejúcej ocele, čím sa znížila hmotnosť o 41 %. Vymenený systém si zachováva svoju silu a robí vozidlo rýchlejším, flexibilnejším a úspornejším. Titánový materiál použitý v tlmiči je tiež prevažne priemyselne čistý titán.
7. Časť rámu karosérie
Aby sa zvýšila bezpečnosť a spoľahlivosť automobilov, je potrebné zvážiť konštrukčné a výrobné aspekty, najmä výrobné materiály. Titán je veľmi dobrý materiál používaný na výrobu rámov karosérií áut. Má nielen vysokú špecifickú pevnosť, ale má aj dobrú húževnatosť. V Japonsku si výrobcovia automobilov vyberajú na výrobu rámov karosérie zvárané rúry z čistého titánu. Tento druh rámu môže spôsobiť, že sa vodiči počas jazdy budú cítiť bezpečne.
8. Ostatné diely zo zliatiny titánu
Okrem vyššie uvedených komponentov sa titán používa aj vo vahadlách motora, pružinách odpruženia, piestových čapoch motora, upevňovacích prvkoch automobilov, matíc, vyčnievajúcich nosníkoch dverí automobilov, konzolách automobilových prevodov, piestoch brzdových strmeňov, čapových skrutkách, tlakových častiach automobilov, ako sú napr. dosky, tlačidlá radenia a spojkové kotúče automobilov.

1.Výhody

Zliatiny titánu majú výhody nízkej hmotnosti, vysokej špecifickej pevnosti a dobrej odolnosti proti korózii, takže sú široko používané v automobilovom priemysle. Najbežnejšie použitie zliatin titánu je v systémoch automobilových motorov. Použitie zliatin titánu na výrobu častí motora má mnoho výhod, najmä v:
1) Nízka hustota zliatiny titánu môže znížiť zotrvačnú hmotnosť pohyblivých častí. Súčasne môžu titánové pružiny ventilov zvýšiť voľné vibrácie, oslabiť vibrácie karosérie a zvýšiť otáčky motora a výstupný výkon.
2) Znížte zotrvačnú hmotnosť pohyblivých častí, čím sa zníži trenie a zlepší sa palivová účinnosť motora.
3) Voľba titánovej zliatiny môže znížiť záťažové napätie súvisiacich častí a zmenšiť veľkosť častí, čím sa zníži hmotnosť motora a celého vozidla.
4) Zníženie zotrvačnej hmotnosti komponentov znižuje vibrácie a hluk a zlepšuje výkon motora.
Aplikácia zliatin titánu v iných komponentoch môže zlepšiť komfort personálu a estetiku automobilov. V aplikáciách v automobilovom priemysle zohrali zliatiny titánu neoceniteľnú úlohu pri úsporách energie a znižovaní spotreby.
2. Obmedzenia aplikácie
Hoci diely zo zliatiny titánu majú také vynikajúce vlastnosti, je pred tým, než sa titán a jeho zliatiny široko používajú v automobilovom priemysle, ešte dlhá cesta. Medzi dôvody patrí vysoká cena, zlá tvarovateľnosť a slabý zvárací výkon.
S vývojom technológie blízkeho tvaru titánovej zliatiny a moderných zváracích technológií, ako je zváranie elektrónovým lúčom, zváranie plazmovým oblúkom a laserové zváranie v posledných rokoch, problémy s tvarovaním a zváraním titánových zliatin už nie sú kľúčovými faktormi obmedzujúcimi použitie titánu. zliatin. Hlavným dôvodom, prečo je široko používaný v automobilovom priemysle, je vysoká cena.
Či už ide o počiatočné tavenie kovu alebo následné spracovanie, cena titánových zliatin je oveľa vyššia ako cena iných kovov. Náklady na titánové diely, ktoré môže automobilový priemysel akceptovať, sú 8 až 13 USD/kg za ojnice, 13 až 20 USD za ventily a 8 USD za pružiny, výfukové systémy motora a spojovacie prvky. Pod USD/kg. Súčasné náklady na diely vyrobené z titánových materiálov sú oveľa vyššie ako tieto ceny. Výrobné náklady na titánové platne sú väčšinou vyššie ako 33 USD/kg, čo je 6 až 15-krát viac ako v prípade hliníkových platní a 45- až 83-krát viac ako v prípade oceľových platní.