Titaanisovellukset autoteollisuudessa

Vaikka titaaniseoksia on käytetty laajasti ilmailu-, petrokemian- ja laivanrakennusteollisuudessa, niiden käyttö autoteollisuudessa on kehittynyt hitaasti. Alkaen siitä, että General Motors kehitti Yhdysvalloissa vuonna 1956 onnistuneesti ensimmäisen täysin titaanisen auton, titaaniset autonosat saavuttivat massatuotannon tason vasta 1980-luvulla. Kun 1990-luvulla luksusautojen, urheiluautojen ja kilpa-autojen kysyntä kasvoi vuosi vuodelta, titaaniset autonosat Valmistetut osat ovat kehittyneet nopeasti. Vuonna 1990 autoissa käytetyn titaanin määrä ympäri maailmaa oli vain 50 tonnia. Vuonna 1997 se saavutti 500 tonnia. Vuonna 2002 se oli 1 100 tonnia. Vuonna 2009 se oli 3,000t. Autoissa käytettävän titaanin määrän odotetaan ylittävän 5,000t vuonna 2015 ympäri maailmaa. Tällä hetkellä käytetään yleisesti seuraavanlaisia ​​titaaniseososia.

1. Moottorin kiertokanki
Titaaniseos on ihanteellinen materiaali kiertokangoille. Titaaniseoksesta valmistetut moottorin kiertotangot voivat vähentää tehokkaasti moottorin massaa, parantaa polttoainetehokkuutta ja vähentää pakokaasujen määrää. Verrattuna teräksisiin kiertokangeihin titaaniset kiertotangot voivat vähentää massaa 15 %:lla 20 %:iin. Titaaniseoksesta valmistettujen kiertokankien käyttö heijastui ensin Italian uudessa Ferrari-sedanissa 3.5LV8 ja Acuran NSX-moottorissa. Tärkeimmät titaaniseoksisissa kiertokangeissa käytetyt materiaalit ovat Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V ja Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si. Muita titaaniseosmateriaaleja, kuten Ti-4Al -2Si-4Mn:n ja Ti-7M-4Mo:n käyttö kiertokangoissa on myös kehitteillä.
2. Moottorin venttiili
Titaaniseoksesta valmistetut autojen moottorin venttiilit eivät voi vain vähentää massaa ja pidentää käyttöikää, vaan myös vähentää polttoaineen kulutusta ja parantaa ajoneuvon luotettavuutta. Teräsventtiileihin verrattuna titaaniventtiilit voivat vähentää massaa 30–40 prosenttia ja moottorin rajanopeutta voidaan nostaa 20 prosenttia. Nykyisissä sovelluksissa imuventtiilin materiaali on pääasiassa Ti-6Al-4V ja poistoventtiilin materiaali pääasiassa Ti-6242S. Tavallisesti Sn ja Al lisätään yhteen pienemmän haurauden ja suuremman lujuuden saamiseksi; Mo:n lisääminen voi parantaa titaaniseosten lämpökäsittelyominaisuuksia, parantaa titaaniseosten sammutuksen ja vanhenemisen lujuutta ja lisätä kovuutta. Muita kehityspotentiaalia olevia titaaniseoksia ovat:
1) Imuventtiili voidaan valmistaa Ti-62S:stä, jonka ominaisuudet vastaavat Ti-6Al-4V:tä ja on halvempaa.
2) Poistoventtiili voi olla Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo{{7} }.45Si. Alhaisemman Mo-pitoisuutensa vuoksi sen virumiskestävyys on parempi kuin Ti-6242S, ja sen hapettumiskestävyys voi olla jopa 600 astetta. .
3) Poistoventtiili voidaan valmistaa -TiAl:sta, jolla on korkean lämpötilan kestävyys ja kevyt paino, mutta se ei sovellu perinteisiin taontamenetelmiin käsittelyn aikana. Se soveltuu vain valuun ja jauhemetallurgiseen käsittelyyn.
3. Venttiilin jousen istukka
Suuri lujuus ja väsymiskestävyys ovat välttämättömiä ominaisuuksia venttiilijousen istukassa. Beta-titaaniseos on lämpökäsitelty metalliseos, joka voi saavuttaa suuren lujuuden kiinteällä liuosvanhentamiskäsittelyllä. Vastaavia sopivimpia materiaaleja ovat Ti-15V-3Cr- 3Al-3Sn ja Ti-15Mo-3Al-2 .7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors käyttää Ti-22V-4Al-titaaniseoksesta valmistettuja venttiilin jousipesiä suurissa tuotantoajoneuvoissaan, mikä vähentää massaa 42 % verrattuna alkuperäisiin teräslukkoihin ja pienentää venttiilin inertiamassaa. mekanismia 6 % ja lisää moottorin enimmäisnopeutta. 300 r/min.
4. Titaaniseoksesta valmistettu jousi
Titaanilla ja sen seoksilla on pienempi kimmokerroin ja suurempi σs/E-arvo kuin teräsmateriaaleilla, joten ne soveltuvat elastisten komponenttien valmistukseen. Verrattuna teräsautojousiin, saman elastisen työn perusteella titaanijousien korkeus on vain 40 % teräsjousista ja massa on vain 30 % - 40 % teräsjousista, mikä helpottaa auton korin suunnittelua. Lisäksi titaaniseoksen erinomaiset väsymisominaisuudet ja korroosionkestävyys voivat pidentää jousen käyttöikää. Tällä hetkellä titaaniseosmateriaaleja, joita voidaan käyttää autojen jousien valmistukseen, ovat Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al ja Ti-13V11C-3Al.
5. Turboahdin
Turboahtimet voivat parantaa moottorin palamistehokkuutta ja lisätä moottorin tehoa ja vääntömomenttia. Turboahtimen turbiiniroottorin on toimittava pitkään korkean lämpötilan pakokaasuissa yli 850 asteessa, joten se vaatii hyvää lämmönkestävyyttä. Perinteisiä kevyitä metalleja, kuten alumiiniseoksia, ei voida käyttää niiden alhaisten sulamispisteiden vuoksi. Vaikka keraamisia materiaaleja käytetään turbiinien roottoreissa niiden keveyden ja hyvän korkeiden lämpötilojen kestävyyden vuoksi, niiden käyttö on rajoitettua niiden korkeiden kustannusten ja kyvyttömyyden vuoksi optimoida muotoaan. Näiden ongelmien ratkaisemiseksi Tetsui ja muut kehittivät TiAl-turbiiniroottorin. Monien testien jälkeen on todettu, että sillä ei ole vain hyvä kestävyys ja tehokkuus, vaan se voi myös parantaa moottorin kiihtyvyyttä. Tämä malli on menestyksekkäästi kaupallistettu Mitsubishi Lancer Evolution -sarjassa.
6. Pakojärjestelmä ja äänenvaimennin
Titaania käytetään laajalti autojen pakojärjestelmissä. Titaanista ja sen seoksista valmistetut pakojärjestelmät voivat parantaa luotettavuutta, pidentää käyttöikää ja parantaa ulkonäköä, mutta myös vähentää massaa ja parantaa polttoaineen palamistehokkuutta. Verrattuna teräksisiin pakojärjestelmiin titaanipakojärjestelmät voivat vähentää massaa noin 40 %. Golf-sarjan autoissa titaanipakojärjestelmän massaa voidaan vähentää 7-9 kg. Tällä hetkellä pakojärjestelmässä käytetty titaanimateriaali on pääasiassa teollista puhdasta titaania.
Titaaninen äänenvaimennin painaa vain 5-6 kg, mikä on kevyempi kuin ruostumaton teräs ja muut äänenvaimentimet. Vuoden 2000 Chevrolet Corvette Z06 käyttää 11,8 kg:n titaanista äänenvaimennin- ja pakoputkijärjestelmää alkuperäisen 20 kg:n ruostumattoman teräsjärjestelmän sijaan, mikä vähentää massaa 41 prosenttia. Vaihdettu järjestelmä säilyttää vahvuutensa ja tekee autosta nopeamman, joustavamman ja polttoainetehokkaamman. Myös äänenvaimentimessa käytetty titaanimateriaali on pääasiassa teollista puhdasta titaania.
7. Rungon runko-osa
Autojen turvallisuuden ja luotettavuuden parantamiseksi on huomioitava suunnittelu- ja valmistusnäkökohdat, erityisesti valmistusmateriaalit. Titaani on erittäin hyvä materiaali, jota käytetään auton runkojen valmistukseen. Sillä ei ole vain korkea ominaislujuus, vaan sillä on myös hyvä sitkeys. Japanissa autonvalmistajat valitsevat puhtaasta titaanista hitsatut putket korin runkojen valmistukseen. Tällainen runko voi saada kuljettajat tuntemaan olonsa turvalliseksi ajon aikana.
8. Muut titaaniseososat
Edellä mainittujen komponenttien lisäksi titaania käytetään myös moottorin keinuvarsissa, jousitusjousissa, moottorin männän tapeissa, autojen kiinnikkeissä, ulokemuttereissa, autoovien ulkonevissa palkkeissa, autojen vaihteiston kannakkeissa, jarrusatulan männissä, tappien pulteissa, paineessa Auton osissa, kuten esim. levyt, vaihdepainikkeet ja autojen kytkinlevyt.

1. Edut

Titaaniseosten etuna on kevyt paino, korkea ominaislujuus ja hyvä korroosionkestävyys, joten niitä käytetään laajalti autoteollisuudessa. Yleisin titaaniseosten käyttö on autojen moottorijärjestelmissä. Titaaniseosten käytöllä moottorin osien valmistuksessa on monia etuja, pääasiassa:
1) Titaaniseoksen alhainen tiheys voi vähentää liikkuvien osien inertiamassaa. Samalla titaaniventtiilijouset voivat lisätä vapaata tärinää, heikentää auton korin tärinää ja lisätä moottorin nopeutta ja lähtötehoa.
2) Pienennä liikkuvien osien inertiamassaa, mikä vähentää kitkaa ja parantaa moottorin polttoainetehokkuutta.
3) Titaaniseoksen valitseminen voi vähentää siihen liittyvien osien kuormitusta ja pienentää osien kokoa, mikä vähentää moottorin ja koko ajoneuvon painoa.
4) Komponenttien inertiamassan pienentäminen vähentää tärinää ja melua ja parantaa moottorin suorituskykyä.
Titaaniseosten käyttö muissa komponenteissa voi parantaa henkilökunnan mukavuutta ja autojen estetiikkaa. Autoteollisuuden sovelluksissa titaaniseoksilla on ollut mittaamaton rooli energiansäästössä ja kulutuksen vähentämisessä.
2. Sovellusrajoitukset
Vaikka titaaniseososilla on niin erinomaiset ominaisuudet, on vielä pitkä matka ennen kuin titaania ja sen seoksia käytetään laajalti autoteollisuudessa. Syitä ovat korkea hinta, huono muovattavuus ja huono hitsausteho.
Titaaniseosten lähes verkkomuototeknologian ja nykyaikaisten hitsaustekniikoiden, kuten elektronisuihkuhitsauksen, plasmakaarihitsauksen ja laserhitsauksen, kehittyessä viime vuosina titaaniseosten muodostus- ja hitsausongelmat eivät enää ole avaintekijöitä, jotka rajoittavat titaanin käyttöä. metalliseokset. Suurin syy siihen, miksi sitä käytetään laajalti autoteollisuudessa, on korkea hinta.
Olipa kyseessä metallin ensimmäinen sulatus tai myöhempi käsittely, titaaniseosten hinta on paljon korkeampi kuin muiden metallien. Autoteollisuuden hyväksymien titaaniosien hinta on 8-13 dollaria/kg kiertokangoista, 13-20 dollaria venttiileistä ja 8 dollaria jousista, moottorin pakojärjestelmistä ja kiinnikkeistä. Alle USD/kg. Titaanimateriaaleista valmistettujen osien nykyiset kustannukset ovat paljon korkeammat kuin nämä hinnat. Titaanilevyjen tuotantokustannukset ovat pääosin yli 33 dollaria/kg, mikä on 6-15 kertaa alumiinilevyjen ja 45-83 kertaa teräslevyjen tuotantokustannukset.