Status uporabe titanove zlitine v avtomobilski industriji
V zadnjih letih se s hitrim razvojem avtomobilske industrije vse več pozornosti namenja problemom porabe goriva, varstva okolja in varnosti, ki jo ustvarjajo avtomobili. Če se veselimo razvojne smeri avtomobilske industrije v prihodnosti, so lahka teža, nizka poraba goriva in manjše emisije izpustov teme razvoja. Po statističnih podatkih mednarodnih organov se 60 % energije zgorevanja goriva v avtomobilu porabi v lastni kakovosti, čeprav so sedanja jeklena pločevina visoke trdnosti, aluminij, magnezij, kompozitni materiali s kovinsko matriko in materiali iz plastične smole igrali vlogo vlogo pri zmanjševanju teže avtomobila, vendar je zaradi pojava industrijskih titanovih materialov proizvodnja avtomobilov boljša izbira.
Kovina titana ima prednosti nizke gostote, visoke specifične trdnosti in dobre odpornosti proti koroziji, uporaba titanovih materialov v avtomobilih pa lahko močno zmanjša kakovost karoserije, zmanjša porabo goriva, izboljša delovno učinkovitost motorja, izboljša okolje in zmanjša hrup . Vendar pa ima titanova zlitina v avtomobilski industriji zaradi visoke cene le nekaj uporab v luksuznih modelih in športnih avtomobilih ter malo uporab v običajnih avtomobilih. Zato so raziskave in razvoj poceni titanovih zlitin, ki ustrezajo potrebam trga, ključnega pomena za spodbujanje njihove uporabe v običajnih gospodinjskih vozilih.
Status uporabe titanove zlitine v avtomobilski industriji
Čeprav se titanove zlitine pogosto uporabljajo v vesoljski, petrokemični in ladjedelniški industriji, se njihova uporaba v avtomobilski industriji razvija počasi. Odkar je General Motors Združenih držav leta 1956 uspešno razvil prvi avto iz titana, so avtomobilski deli iz titana dosegli raven množične proizvodnje šele v 1980-ih, v 1990-ih pa s povečanjem povpraševanja po luksuznih avtomobilih, športnih avtomobilih in dirkalnih avtomobilov so se deli iz titana hitro razvijali. Leta 1990 je bila količina titana, uporabljenega v avtomobilih na svetu, le 50t, leta 1997 je dosegla 500t, leta 2002 je dosegla 1100t, leta 2009 je dosegla 3000t, in pričakuje se, da bo količina titana, uporabljenega v avtomobilih na svetu bo v letu 2015 presegla 5000t. Trenutno se deli iz titanove zlitine pogosto uporabljajo naslednje vrste.
1. Ojnica motorja
Titanova zlitina je idealna izbira za materiale ojnic. Ojnica motorja iz titanove zlitine lahko učinkovito zmanjša maso motorja, izboljša učinkovitost goriva in zmanjša količino izpušnih plinov. V primerjavi z jekleno ojnico lahko titanova ojnica zmanjša maso od 15 % do 20%. Uporaba titanovih palic je bila prvič prikazana pri novih motorjih Ferrari 3.5LV8 in Acura NSX v Italiji. Glavni materiali, uporabljeni v ojnici iz titanove zlitine, so Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V in Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si itd. Drugi materiali iz titanovih zlitin, kot je Ti-4Al-2Si-4Mn in Ti-7M-4Mo se razvijata tudi pri uporabi ojnic.
2. Ventil motorja
Ventil avtomobilskega motorja iz titanove zlitine ne more le zmanjšati mase in podaljšati življenjske dobe, temveč tudi zmanjšati porabo goriva in izboljšati zanesljivost avtomobila. V primerjavi z jeklenim ventilom se lahko kakovost titanovega ventila zmanjša za 30% do 40%, mejna hitrost motorja pa se lahko poveča za 20%. Kar zadeva trenutno uporabo, je material sesalnega ventila večinoma Ti-6Al-4V, material izpušnega ventila pa je večinoma Ti-6242S. Običajno se dodajata Sn in Al, kar lahko doseže manjšo krhkost in večjo trdnost. Dodatek Mo lahko izboljša učinkovitost toplotne obdelave titanove zlitine, okrepi trdnost kaljenja in staranja titanove zlitine ter poveča trdoto. Druge titanove zlitine s potencialom za razvoj so:
1) Sesalni ventil je lahko Ti-62S, katerega lastnosti so enakovredne Ti-6Al-4V, cena pa je nižja.
2) Izpušni ventil lahko uporablja Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo-0. 45Si je zaradi nižje vsebnosti Mo njegova odpornost proti lezenju boljša kot Ti-6242S, temperatura odpornosti proti oksidaciji pa lahko doseže 600 stopinj.
3) Izpušni ventil lahko uporablja -TiAl, ki ima značilnosti odpornosti na visoke temperature in majhno težo, vendar ni primeren za tradicionalno metodo kovanja med obdelavo, primeren je samo za litje in obdelavo v metalurgiji prahu.
3. Sedež vzmeti ventila
Učinkovitost sedeža vzmeti ventila mora imeti visoka trdnost in odpornost proti utrujenosti, titanova zlitina je zlitina tipa toplotne obdelave, lahko pridobi visoko trdnost s staranjem v raztopini, ustrezni primernejši materiali so Ti-15V{{1} }Cr-3Al-3Sn in Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors uporablja sedež vzmeti ventila iz Ti-22V-4Al titanove zlitine na svojih vozilih za množično proizvodnjo, kar zmanjša maso za 42 % v primerjavi z originalno jekleno ključavnico, vztrajnostna masa mehanizma ventila je zmanjšana za 6%, največja hitrost motorja pa se poveča za 300r/min.
4. Vzmet iz titanove zlitine
Titan in njegove zlitine imajo v primerjavi z jeklenimi materiali nizek modul elastičnosti in visoko vrednost σs/E, kar je primerno za izdelavo elastičnih komponent. V primerjavi z jeklenimi avtomobilskimi vzmetmi je pod predpostavko enakega elastičnega dela višina titanove vzmeti le 40% jeklene vzmeti, masa pa le 30% do 40% jeklene vzmeti, kar je enostavno oblikovati karoserijo avtomobila. Poleg tega lahko odlična odpornost titanove zlitine proti utrujenosti in koroziji podaljša življenjsko dobo vzmeti. Trenutno sta materiala iz titanove zlitine, ki se lahko uporabljata za izdelavo avtomobilskih vzmeti, Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al in Ti-13V11C-3Al.
5. Turbopolnilnik
Turbopolnilniki lahko izboljšajo učinkovitost zgorevanja motorja ter povečajo moč in navor motorja. Turbinski rotor turbopolnilnika mora dolgo časa delovati v visokotemperaturnih izpušnih plinih nad 850 stopinj C, zato zahteva dobro toplotno odpornost. Tradicionalnih lahkih kovin, kot so aluminijeve zlitine, ni mogoče uporabiti zaradi nizkega tališča. Čeprav se keramični materiali uporabljajo v rotorjih turbin zaradi njihove majhne teže in odpornosti na visoke temperature, je njihova uporaba omejena zaradi visokih stroškov in nezmožnosti optimizacije oblike. Za rešitev teh težav so Tetsui et al. razvil TiAl turbinski rotor, ki nima samo dobre vzdržljivosti in učinkovitosti, ampak lahko tudi izboljša pospeševanje motorja po številnih testih. Ta zasnova je bila uspešno komercializirana v seriji Mitsubishi Lancer Evolution.
6. Izpušni sistem in dušilec
Titan se uporablja v izpušnem sistemu avtomobilov. Izpušni sistemi iz titana in njegovih zlitin lahko ne samo izboljšajo zanesljivost, podaljšajo življenjsko dobo in izboljšajo videz, temveč tudi zmanjšajo maso in povečajo učinkovitost zgorevanja goriva. Izpušni sistem iz titana lahko zmanjša maso za približno 40% v primerjavi z jeklenim izpušnim sistemom. V seriji avtomobilov Golf se lahko kakovost izpušnega sistema iz titana zmanjša za 7 ~ 9 kg, titan, ki se uporablja v izpušnem sistemu, pa je večinoma čisti industrijski titan.
Teža dušilca iz titana je le 5 ~ 6 kg, kar je lažje od dušilca iz nerjavečega jekla. Avtomobil Chevrolet CorvetteZ06 iz leta 2000 uporablja 11,8 kg dušilec zvoka iz titana in sistem izpušne cevi namesto prvotnega 20 kg težkega sistema iz nerjavečega jekla, kar zmanjša maso za 41 %. Nadomestni sistem ima enako moč in naredi avto hitrejši, prožnejši in varčnejši. Tudi titan, uporabljen v dušilniku, je večinoma čisti industrijski titan.
7. Del okvirja karoserije avtomobila
Da bi izboljšali varnost in zanesljivost avtomobilov, je treba upoštevati vidike zasnove in izdelave, zlasti materialov izdelave. Titan je dober material, ki se uporablja za izdelavo okvirjev avtomobilskih karoserij, ki nima samo visoke specifične trdnosti, ampak ima tudi dobro žilavost. Na Japonskem proizvajalci avtomobilov za okvir karoserije izberejo varjene cevi iz čistega titana, zaradi česar ima voznik med vožnjo dovolj varnosti.
8. Drugi deli iz titanove zlitine
Poleg zgornjih delov se titan uporablja tudi v nihajni ročici motorja, vzmeti vzmetenja, sorniku bata motorja, avtomobilskih pritrdilnih elementih, visečih ušesnih maticah, polomnem nosilcu avtomobilskih vrat, zavornem nosilcu avtomobila, batu zavorne čeljusti, vijaku zatiča, tlačni plošči, menjalniku gumb in okrogla plošča sklopke ter drugi avtomobilski deli.
Uporaba titanove zlitine
1. korak: Prednosti
Prednosti titanove zlitine so majhna teža, visoka specifična trdnost in dobra odpornost proti koroziji, zato se pogosto uporablja v avtomobilski industriji, najpogosteje uporabljena titanova zlitina pa je sistem avtomobilskih motorjev. Uporaba titanove zlitine za izdelavo delov motorja ima številne prednosti, predvsem v:
1) Gostota titanove zlitine je nizka, kar lahko zmanjša vztrajnostno maso gibljivih delov, vzmet ventila iz titana pa lahko poveča proste vibracije, oslabi vibracije telesa in izboljša hitrost motorja in izhodno moč.
2) Zmanjšajte vztrajnostno maso gibljivih delov, s čimer zmanjšate silo trenja in izboljšate učinkovitost goriva motorja.
3) Izbira titanove zlitine lahko zmanjša obremenitev ustreznih delov, zmanjša velikost delov, tako da se zmanjša kakovost motorja in celotnega vozila.
4) Zmanjšanje vztrajnostne mase delov oslabi vibracije in hrup ter izboljša delovanje motorja.
Uporaba titanove zlitine v drugih komponentah lahko izboljša udobje osebja in lepoto avtomobila. Pri uporabi v avtomobilski industriji ima titanova zlitina neizmerno vlogo pri varčevanju z energijo in zmanjšanju porabe.
2. Omejitve uporabe
Čeprav imajo deli iz titanove zlitine tako vrhunsko delovanje, je še vedno velika razdalja do splošne uporabe titana in njegovih zlitin v avtomobilski industriji zaradi dragih razlogov, slabe sposobnosti oblikovanja in slabe učinkovitosti varjenja.
Z razvojem tehnologije skoraj neto oblikovanja titanovih zlitin in sodobne tehnologije varjenja, kot je varjenje z elektronskim žarkom, varjenje s plazemskim oblokom in lasersko varjenje v zadnjih letih, težave pri oblikovanju in varjenju titanovih zlitin niso več ključni dejavniki, ki omejujejo uporabo titana. zlitine, glavni razlog za oviranje široke uporabe titanove zlitine v avtomobilski industriji pa so visoki stroški.
Ne glede na to, ali gre za začetno taljenje kovine ali kasnejšo obdelavo, je cena titanove zlitine veliko višja od cene drugih kovin. Avtomobilska industrija lahko sprejme stroške delov iz titana, ojnice iz titana 8 ~ 13 ameriških dolarjev / kg, zračni ventil iz titana 13 ~ 20 ameriških dolarjev / kg, vzmet, izpušni sistem motorja in pritrdilni element iz titana upajo, da bodo pod 8 ameriških dolarjev / kg . Trenutno so stroški delov, proizvedenih s titanovimi materiali, veliko višji od teh cen, proizvodni stroški titanove pločevine pa so večinoma višji od 33 ameriških dolarjev / kg, kar je 6 do 15-krat več kot aluminijasta pločevina in 45 do 83-krat iz jeklene pločevine.
Stanje raziskav avtomobilskih titanovih zlitin
Trenutno je zniževanje stroškov glavna raziskovalna usmeritev titanovih zlitin, ki se uporabljajo v avtomobilski industriji. Glede na značilnosti porazdelitve stroškov titanovih zlitin, ki se uporabljajo v avtomobilski industriji, raziskovalci in razvoj materialov v glavnem dosegajo namen zmanjšanja stroškov z naslednjih dveh vidikov: razvoj novih nizkocenovnih sistemov zlitin in uporaba nove obdelave in tehnologije priprave.
1. Nov poceni sistem iz titanove zlitine
Delavci v različnih državah so razvili nove poceni sisteme iz titanove zlitine, pri čemer so se osredotočili predvsem na naslednje vidike: zasnova zlitine z uporabo poceni legirnih elementov in zasnova zlitine, ki izboljša lastnosti obdelave. Med njimi sta predstavnika Japonska in ZDA, Kitajska pa je uspešno razvila dve poceni titanovi zlitini, in sicer Ti8LC in Ti12LC. Pri oblikovanju poceni komponent iz titanove zlitine za vozila so pogosto uporabljeni poceni elementi iz zlitine Fe, Cr, Si, Al in tako naprej.
2. Nova tehnologija predelave in priprave
Stroški obdelave materialov iz titanove zlitine predstavljajo več kot 60 % skupnih stroškov v proizvodnem procesu, zato je v smislu zmanjšanja stroškov postalo središče raziskav, kako zmanjšati stroške obdelave titanove zlitine. Raziskave na tem področju so v glavnem razdeljene na dva vidika: eden je izboljšati tradicionalni postopek litja in kovanja, drugi pa je sprejeti tehnologijo skoraj neto oblikovanja praškaste metalurgije.
Pri raziskavah in razvoju novih postopkov kovanja je hladno kovanje ena najbolj obetavnih metod za proizvodnjo avtomobilskih delov iz titanove zlitine. odpornost titanove zlitine na deformacijo pri sobni temperaturi je majhna, rezanje je dobro, lahko je material za hladno kovanje, Japonska je razvila tri vrste titanove zlitine s hladno deformacijo. titanova zlitina ima tudi nekaj pomanjkljivosti, med hladnim kovanjem je enostavno ustvariti neenakomerno deformacijo in se zlahka oprime kalupa, zato je treba množično proizvodnjo delov iz titanove zlitine s tehnologijo hladnega kovanja še dodatno raziskovati in razvijati.
Praškasta metalurgija je zelo pomembna tehnologija pri zmanjševanju stroškov predelave titanovih zlitin. V proizvodnji avtomobilskih delov praškaste metalurgije je tradicionalna metoda stiskanja in sintranja še vedno v prevladujočem položaju, v glavnem vključuje metodo elementarnega prahu (BE) in praškasto metodo predlegiranja (PA). Trenutno je metoda elementarnega prahu najpogosteje uporabljena na področju nizkocenovne avtomobilske praškaste metalurgije titanovih zlitin zaradi preprostega postopka in nižjih stroškov. V zadnjih letih se pojavljajo tudi druge tehnologije praškaste metalurgije, vključno s tehnologijo laserskega oblikovanja, brizganjem kovinskega prahu (MIM) in drugimi tehnologijami, ki se pogosto uporabljajo v poskusni proizvodnji in proizvodnji kompleksnih avtomobilskih delov, kar lahko močno skrajša izdelek. razvojno-proizvodni cikel ter dodatno zmanjšati stroške.
Peroracija
Nova generacija avtomobilske zasnove posveča več pozornosti lahki karoseriji, nizki porabi goriva, nizkemu hrupu motorja in rahlim tresljajem, da bi zadovoljili vse bolj zahtevne zahteve okolja. V tem kontekstu bo lahka kovina titan postala glavna izbira materiala za uporabo v prihodnjih vozilih.
Glede na trenutni status raziskav avtomobilskih poceni titanovih zlitin je mogoče ugotoviti, da bi se morale raziskave osredotočiti predvsem na naslednje vidike, da bi še dodatno znižali stroške avtomobilskih titanovih zlitin:
1) Pri razvoju nizkocenovnih sistemov zlitin poskušajte razviti sisteme zlitin, ki ne uporabljajo dragih zlitin ali manj, ne da bi to vplivalo na zmogljivost, ter v celoti razviti in uporabiti reciklirane titanove zlitine.
2) V smislu razvoja procesa litja in kovanja je razvita razvojna smer titanove zlitine in titanove zlitine s hladno deformacijo ter izvedena študija izvedljivosti množične proizvodnje.
3) V metalurgiji prahu je ob zagotavljanju prednosti nizkih stroškov potrebno dodatno izboljšati delovanje delov iz titana.
Z razvojem gospodarstva in zmanjšanjem stroškov titana bo več inženirjev izbralo dele iz titana za avtomobilske dele. Titanove zlitine bodo sčasoma igrale pomembno vlogo v proizvodnji avtomobilske industrije.
