Титановый сплав лидирует в автомобильной технологии

Металлический титан обладает преимуществами низкой плотности, высокой удельной прочности и хорошей коррозионной стойкости. Использование титановых материалов в автомобилях позволяет значительно снизить массу кузова, снизить расход топлива, повысить эффективность двигателя, улучшить окружающую среду и снизить уровень шума. Однако из-за высокой цены титановые сплавы находят лишь некоторые применения в роскошных моделях и спортивных автомобилях автомобильной промышленности и редко используются в обычных автомобилях. Поэтому исследования и разработки недорогих титановых сплавов, отвечающих потребностям рынка, являются ключом к продвижению их применения в обычных бытовых автомобилях.

Хотя титановые сплавы широко используются в аэрокосмической, нефтехимической и судостроительной промышленности, их применение в автомобильной промышленности развивается медленно. Начиная с успешной разработки первого полностью титанового автомобиля компанией General Motors в США в 1956 году, титановые автозапчасти достигли уровня массового производства только в 1980-х годах. В 1990-х годах, когда спрос на роскошные автомобили, спортивные автомобили и гоночные автомобили увеличивался с каждым годом, производство титановых автозапчастей быстро развивалось. В 1990 году количество титана, используемого в автомобилях по всему миру, составляло всего 50 тонн. В 1997 году он достиг 500т. В 2002 году он достиг 1100 тонн. В 2009 году он достиг 3,000т. Ожидается, что в 2015 году количество титана, используемого в автомобилях во всем мире, превысит 5,000т. В настоящее время широко используются следующие типы деталей из титановых сплавов.

1. Шатун двигателя
Титановый сплав – идеальный материал для шатунов. Шатуны двигателя, изготовленные из титанового сплава, позволяют эффективно снизить массу двигателя, повысить топливную экономичность и уменьшить объем выхлопных газов. По сравнению со стальными шатунами титановые шатуны позволяют уменьшить массу на 15–20%. Применение шатунов из титанового сплава впервые было отражено в новом итальянском седане Ferrari 3.5LV8 и двигателе Acura NSX. Основными материалами, используемыми в шатунах из титанового сплава, являются Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3. Al-2.0V и Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si. Другие материалы из титановых сплавов, такие как Ti-4Al. Применение -2Si-4Mn и Ti-7M-4Mo в шатунах также находится в стадии разработки.
2. Клапан двигателя
Клапаны автомобильного двигателя, изготовленные из титанового сплава, позволяют не только уменьшить массу и продлить срок службы, но также снизить расход топлива и повысить надежность автомобиля. По сравнению со стальными клапанами титановые клапаны позволяют уменьшить массу на 30–40%, а предельную скорость двигателя увеличить на 20%. Что касается текущих применений, то материалом впускного клапана является в основном Ti-6Al-4V, а материалом выпускного клапана - главным образом Ti-6242S. Обычно Sn и Al добавляются вместе, чтобы получить меньшую хрупкость и более высокую прочность; Добавление Мо может улучшить свойства термической обработки титановых сплавов, повысить прочность титановых сплавов при закалке и старении, а также повысить твердость. Другие титановые сплавы с потенциалом развития включают:
1) Впускной клапан может быть изготовлен из Ti-62S, который имеет свойства, эквивалентные Ti-6Al-4V, и стоит дешевле.
2) Выпускной клапан может быть изготовлен из Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo{{7} }.45Si. Из-за более низкого содержания Mo его сопротивление ползучести лучше, чем у Ti-6242S, а его стойкость к окислению может достигать 600 градусов. .
3) Выпускной клапан может быть изготовлен из -TiAl, который обладает характеристиками высокой термостойкости и легкого веса, но не подходит для традиционных методов ковки во время обработки. Он подходит только для литья и обработки порошковой металлургии.
3. Седло пружины клапана
Высокая прочность и усталостная устойчивость являются обязательными свойствами седла пружины клапана. Бета-титановый сплав представляет собой термообработанный сплав, который может получить высокую прочность за счет старения в твердом растворе. Соответствующими более подходящими материалами являются Ti-15V-3Cr- 3Al-3Sn и Ti-15Mo-3Al-2. .7Nb-0.2Si. Компания Mitsubishi Motors использует седла пружин клапанов из титанового сплава Ti-22V-4Al в своих крупносерийных автомобилях, что снижает массу на 42 % по сравнению с оригинальными стальными замками, снижает инерционную массу клапана. механизма на 6% и увеличивает максимальную частоту вращения двигателя. 300р/мин.
4. Пружина из титанового сплава
Титан и его сплавы имеют более низкий модуль упругости и большее значение σs/E, чем стальные материалы, что делает их пригодными для изготовления упругих компонентов. По сравнению со стальными автомобильными пружинами, при условии той же упругой работы, высота титановых пружин составляет всего 40% от стальных пружин, а масса составляет всего от 30% до 40% от стальных пружин, что облегчает конструкцию кузова автомобиля. Кроме того, отличные усталостные свойства и коррозионная стойкость титанового сплава позволяют продлить срок службы пружины. В настоящее время материалы из титановых сплавов, которые можно использовать для изготовления автомобильных пружин, включают Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al и Ti-13V11C-3Al.
5. Турбокомпрессор
Турбокомпрессоры могут улучшить эффективность сгорания двигателя и увеличить мощность и крутящий момент двигателя. Ротор турбины турбонагнетателя должен работать в условиях выхлопных газов с температурой выше 850 градусов в течение длительного времени, поэтому он требует хорошей термостойкости. Традиционные легкие металлы, такие как алюминиевые сплавы, не могут быть использованы из-за их низких температур плавления. Хотя керамические материалы используются в роторах турбин из-за их легкого веса и хорошей устойчивости к высоким температурам, их применение ограничено из-за их высокой стоимости и невозможности оптимизировать их форму. Чтобы решить эти проблемы, Тецуи и другие разработали ротор турбины из TiAl. После многих испытаний было подтверждено, что оно не только обладает хорошей долговечностью и эффективностью, но также может улучшить ускорение двигателя. Эта конструкция была успешно реализована в серии Mitsubishi Lancer Evolution.
6. Выхлопная система и глушитель
Титан широко используется в выхлопных системах автомобилей. Выхлопные системы из титана и его сплавов позволяют не только повысить надежность, продлить срок службы и улучшить внешний вид, но также снизить массу и повысить эффективность сгорания топлива. По сравнению со стальными выхлопными системами титановые выхлопные системы позволяют снизить массу примерно на 40%. В автомобилях серии Golf массу титановой выхлопной системы можно уменьшить на 7–9 кг. В настоящее время титановый материал, используемый в выхлопной системе, представляет собой в основном промышленный чистый титан.
Титановый глушитель весит всего 5–6 кг, что легче, чем глушители из нержавеющей стали и другие глушители. В Chevrolet Corvette Z06 2000 года используется титановый глушитель и выхлопная система весом 11,8 кг вместо оригинальной системы из нержавеющей стали весом 20 кг, что снижает массу на 41%. Замененная система сохраняет свою прочность и делает автомобиль быстрее, маневреннее и экономичнее. Титановый материал, используемый в глушителе, также в основном представляет собой чистый промышленный титан.
7. Каркасная часть кузова.
Чтобы повысить безопасность и надежность автомобилей, необходимо учитывать аспекты конструкции и производства, особенно материалы изготовления. Титан – очень хороший материал, используемый для изготовления каркасов кузовов автомобилей. Он не только имеет высокую удельную прочность, но и хорошую ударную вязкость. В Японии автопроизводители для изготовления каркасов кузовов выбирают сварные трубы из чистого титана. Такая рама позволяет водителям чувствовать себя в безопасности во время вождения.
8. Другие детали из титанового сплава.
В дополнение к вышеперечисленным компонентам титан также используется в коромыслах двигателя, пружинах подвески, поршневых пальцах двигателя, автомобильных крепежах, гайках с проушинами, выступающих балках автомобильных дверей, кронштейнах автомобильных редукторов, поршнях тормозных суппортов, болтах штифтов, автозапчастях под давлением, таких как пластины, кнопки переключения передач и автомобильные диски сцепления.

1. Преимущества

Титановые сплавы обладают преимуществами легкого веса, высокой удельной прочности и хорошей коррозионной стойкости, поэтому они широко используются в автомобильной промышленности. Наиболее распространенное применение титановых сплавов – в системах автомобильных двигателей. Использование титановых сплавов для изготовления деталей двигателя имеет множество преимуществ, которые в основном выражаются в:
1) Низкая плотность титанового сплава позволяет снизить инерционную массу движущихся частей. В то же время титановые клапанные пружины могут увеличивать свободную вибрацию, ослаблять вибрацию кузова, увеличивать обороты двигателя и выходную мощность.
2) Уменьшите инерционную массу движущихся частей, тем самым уменьшив трение и повысив топливную экономичность двигателя.
3) Выбор титанового сплава может снизить нагрузку на соответствующие детали и уменьшить их размер, тем самым уменьшая вес двигателя и всего автомобиля.
4) Уменьшение инерционной массы компонентов снижает вибрацию и шум и улучшает работу двигателя.
Применение титановых сплавов в других компонентах позволяет улучшить комфорт персонала и эстетику автомобилей. В автомобильной промышленности титановые сплавы сыграли неизмеримую роль в экономии энергии и сокращении потребления.
2. Ограничения применения
Хотя детали из титановых сплавов обладают такими превосходными свойствами, предстоит еще пройти долгий путь, прежде чем титан и его сплавы начнут широко использоваться в автомобильной промышленности. Причины включают высокую цену, плохую формуемость и плохие сварочные характеристики.
С развитием в последние годы технологии получения титановых сплавов почти чистой формы и современных технологий сварки, таких как электронно-лучевая сварка, плазменная дуговая сварка и лазерная сварка, проблемы формовки и сварки титановых сплавов больше не являются ключевыми факторами, ограничивающими применение титана. сплавы. Основная причина его широкого применения в автомобильной промышленности – высокая стоимость.
Будь то первичная выплавка металла или последующая обработка, цена титановых сплавов значительно выше, чем у других металлов. Стоимость титановых деталей, которые может принять автомобильная промышленность, составляет от 8 до 13 долларов США/кг для шатунов, от 13 до 20 долларов США за кг и 8 долларов США за кг для пружин, выхлопных систем двигателей и крепежных деталей. Ниже долларов США/кг. Текущая стоимость деталей, изготовленных из титановых материалов, значительно превышает эти цены. Себестоимость производства титановых пластин в большинстве случаев превышает 33 доллара США/кг, что в 6–15 раз выше, чем у алюминиевых пластин, и в 45–83 раза выше, чем у стальных пластин.
Состояние исследований титановых сплавов для автомобилей

картина
В настоящее время снижение себестоимости является основным направлением исследований титановых сплавов, используемых в автомобильной промышленности. Учитывая особенности распределения затрат на титановые сплавы, используемые в автомобильной промышленности, специалисты по исследованиям и разработкам материалов в основном достигают цели снижения затрат по следующим двум аспектам: разработка новых недорогих систем сплавов и использование новых технологий обработки и подготовки. .

1. Новая недорогая система из титанового сплава.
Работники из разных стран разрабатывают новые недорогие системы из титановых сплавов, уделяя особое внимание следующим аспектам: разработка сплавов с использованием дешевых легирующих элементов и разработка сплавов для улучшения технологических характеристик. Среди них представлены Япония и США. моя страна также успешно разработала два недорогих титановых сплава, а именно Ti8LC и Ti12LC. При разработке недорогих компонентов из титановых сплавов для транспортных средств обычно используются дешевые легирующие элементы: Fe, Cr, Si, Al и т. д.
2. Новая технология обработки и подготовки.
Затраты на обработку материалов из титановых сплавов составляют более 60% от общей стоимости производственного процесса. Поэтому с точки зрения снижения затрат ключевым направлением исследований стало снижение стоимости обработки титанового сплава. Исследования в этой области в основном делятся на два аспекта: один заключается в совершенствовании традиционного процесса литья и ковки, а другой – в применении технологии порошковой металлургии, близкой к чистой форме.
При разработке новых технологий штамповки холодная ковка в настоящее время является одним из наиболее перспективных методов изготовления автомобильных деталей из титановых сплавов. Бета-титановый сплав имеет низкую устойчивость к деформации при комнатной температуре и хорошо поддается резке и формовке. Это материал, который можно подвергать холодной ковке. В настоящее время в Японии разработаны три холоднодеформированных бета-титановых сплава. Бета-титановый сплав также имеет некоторые недостатки. Он склонен к неравномерной деформации при холодной ковке и легко прилипает к форме. Поэтому массовое производство деталей из бета-титанового сплава с использованием технологии холодной ковки требует дальнейших исследований и разработок.
Порошковая металлургия является очень важной технологией снижения затрат на обработку титановых сплавов. В производстве автомобильных деталей методом порошковой металлургии по-прежнему доминирует традиционный метод прессования-спекания, в основном включающий метод элементного порошка (BE) и метод предварительно легированного порошка (PA). В настоящее время метод элементного порошка является наиболее широко используемым в области недорогой порошковой металлургии автомобильных титановых сплавов из-за его простоты и низкой стоимости. В последние годы появились и другие технологии порошковой металлургии, в том числе технология лазерной формовки, литье под давлением металлического порошка (MIM) и другие технологии. Они широко используются в опытном производстве и производстве сложных автомобильных деталей, что может значительно сократить разработку продукта. и производственный цикл, что еще больше снижает затраты.
Заключение
В автомобильном дизайне нового поколения больше внимания уделяется легкому корпусу, низкому расходу топлива, низкому уровню шума и легкой вибрации двигателя, чтобы соответствовать все более строгим требованиям окружающей среды. В этом контексте легкий металл титан станет основным материалом для будущих автомобилей.
Всестороннее рассмотрение текущего состояния исследований недорогих титановых сплавов для транспортных средств позволяет обнаружить, что для дальнейшего снижения стоимости титановых сплавов для транспортных средств исследования должны быть сосредоточены в основном на следующих аспектах:
1) Что касается разработки недорогих систем сплавов, постарайтесь разработать системы сплавов, в которых не используются или используются менее дорогие легирующие элементы без ущерба для производительности, и в то же время в полной мере используются переработанные титановые сплавы.
2) В части развития технологии литья и ковки развивать направление разработки бета-титановых сплавов и холоднодеформированных титановых сплавов и провести технико-экономическое обоснование их серийного производства.
3) С точки зрения порошковой металлургии, обеспечивая преимущество низкой себестоимости, также необходимо дальнейшее улучшение характеристик титановых деталей.
С развитием экономики и снижением стоимости титана все больше инженеров-конструкторов будут выбирать титановые детали в качестве автомобильных деталей. Титановые сплавы со временем будут играть важную роль в производстве автомобильной промышленности.