Stop tytanu wiodący w technologii motoryzacyjnej

Tytan metaliczny ma zalety niskiej gęstości, wysokiej wytrzymałości właściwej i dobrej odporności na korozję. Zastosowanie materiałów tytanowych w samochodach może znacznie zmniejszyć masę ciała, zmniejszyć zużycie paliwa, poprawić wydajność silnika, poprawić środowisko i zmniejszyć hałas. Jednak wysoka cena sprawia, że ​​stopy tytanu mają jedynie pewne zastosowania w modelach luksusowych i samochodach sportowych w przemyśle samochodowym, a rzadko stosowane w zwykłych samochodach. Dlatego badania i rozwój tanich stopów tytanu odpowiadających potrzebom rynku są kluczem do promowania ich zastosowania w zwykłych samochodach domowych.

Choć stopy tytanu znalazły szerokie zastosowanie w przemyśle lotniczym, petrochemicznym i stoczniowym, ich zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym rozwija się powoli. Począwszy od pomyślnego opracowania pierwszego całkowicie tytanowego samochodu przez General Motors w Stanach Zjednoczonych w 1956 roku, tytanowe części samochodowe osiągnęły poziom produkcji masowej dopiero w latach 80-tych. W latach 90., gdy popyt na samochody luksusowe, sportowe i wyścigowe rósł z roku na rok, produkcja części samochodowych z tytanu szybko się rozwijała. W 1990 roku ilość tytanu stosowanego w samochodach na całym świecie wynosiła zaledwie 50 ton. W 1997 r. osiągnęła 500 ton. W 2002 roku osiągnęła ona 1100 ton. W 2009 r. osiągnął poziom 3000t. Oczekuje się, że ilość tytanu stosowanego w samochodach na całym świecie przekroczy 5000t w 2015 r. Obecnie powszechnie stosuje się następujące rodzaje części ze stopów tytanu.

1. Korbowód silnika
Stop tytanu jest idealnym materiałem na korbowody. Korbowody silnika wykonane ze stopu tytanu mogą skutecznie zmniejszyć masę silnika, poprawić efektywność paliwową i zmniejszyć objętość spalin. W porównaniu ze stalowymi korbowodami, tytanowe korbowody mogą zmniejszyć masę o 15% do 20%. Zastosowanie korbowodów ze stopu tytanu zostało po raz pierwszy odzwierciedlone w nowym włoskim sedanie Ferrari 3.5LV8 i silniku NSX firmy Acura. Głównymi materiałami stosowanymi w korbowodach ze stopu tytanu są Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V i Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si. Inne materiały ze stopów tytanu, takie jak Ti-4Al. Zastosowanie -2Si-4Mn i Ti-7M-4Mo w korbowodach jest również w fazie rozwoju.
2. Zawór silnika
Zawory silników samochodowych wykonane ze stopu tytanu mogą nie tylko zmniejszyć masę i wydłużyć żywotność, ale także zmniejszyć zużycie paliwa i poprawić niezawodność pojazdu. W porównaniu z zaworami stalowymi, zawory tytanowe mogą zmniejszyć masę o 30% do 40%, a prędkość graniczną silnika można zwiększyć o 20%. Jeśli chodzi o obecne zastosowania, materiałem zaworu wlotowego jest głównie Ti-6Al-4V, a materiałem zaworu wydechowego jest głównie Ti-6242S. Zwykle Sn i Al dodaje się razem, aby uzyskać niższą kruchość i wyższą wytrzymałość; dodatek Mo może poprawić właściwości obróbki cieplnej stopów tytanu, zwiększyć wytrzymałość stopów hartowania i starzenia oraz zwiększyć twardość. Inne stopy tytanu posiadające potencjał rozwojowy to:
1) Zawór wlotowy może być wykonany z Ti-62S, który ma właściwości równoważne Ti-6Al-4V i jest tańszy.
2) Zawór wydechowy może być wykonany z Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo{{7} }.45Si. Ze względu na niższą zawartość Mo jego odporność na pełzanie jest lepsza niż Ti-6242S, a odporność na utlenianie może osiągnąć 600 stopni. .
3) Zawór wydechowy może być wykonany z -TiAl, który charakteryzuje się odpornością na wysoką temperaturę i niewielką wagą, ale nie nadaje się do tradycyjnych metod kucia podczas przetwarzania. Nadaje się tylko do odlewania i obróbki metalurgii proszków.
3. Gniazdo sprężyny zaworu
Wysoka wytrzymałość i odporność na zmęczenie to niezbędne właściwości gniazda sprężyny zaworu. Stop tytanu Beta jest stopem poddanym obróbce cieplnej, który może uzyskać wysoką wytrzymałość poprzez starzenie w roztworze stałym. Odpowiednimi, bardziej odpowiednimi materiałami są Ti-15V-3Cr- 3Al-3Sn i Ti-15Mo-3Al-2 0,7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors stosuje w swoich pojazdach produkowanych na dużą skalę gniazda sprężyn zaworowych ze stopu tytanu Ti-22V-4Al, co zmniejsza masę o 42% w porównaniu z oryginalnymi zamkami stalowymi, zmniejsza masę bezwładności zaworu mechanizmu o 6% i zwiększa maksymalną prędkość obrotową silnika. 300 obr./min.
4. Sprężyna ze stopu tytanu
Tytan i jego stopy mają niższy moduł sprężystości i większą wartość σs/E niż materiały stalowe, dzięki czemu nadają się do produkcji elementów elastycznych. W porównaniu ze stalowymi sprężynami samochodowymi, przy założeniu tej samej pracy sprężystej, wysokość sprężyn tytanowych wynosi tylko 40% sprężyn stalowych, a masa wynosi tylko 30% do 40% sprężyn stalowych, co ułatwia projektowanie karoserii. Ponadto doskonałe właściwości zmęczeniowe i odporność na korozję stopu tytanu mogą wydłużyć żywotność sprężyny. Obecnie do stopów tytanu, które można wykorzystać do produkcji resorów samochodowych, zalicza się Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al i Ti-13V11C-3Al.
5. Turbosprężarka
Turbosprężarki mogą poprawić wydajność spalania silnika oraz zwiększyć moc i moment obrotowy silnika. Wirnik turbiny turbosprężarki musi pracować przez długi czas w spalinach o wysokiej temperaturze powyżej 850 stopni, dlatego wymaga dobrej odporności na ciepło. Tradycyjne metale lekkie, takie jak stopy aluminium, nie mogą być stosowane ze względu na ich niską temperaturę topnienia. Chociaż materiały ceramiczne są stosowane w wirnikach turbin ze względu na ich niewielką wagę i dobrą odporność na wysokie temperatury, ich zastosowanie jest ograniczone ze względu na ich wysoki koszt i brak możliwości optymalizacji ich kształtu. Aby rozwiązać te problemy, Tetsui i inni opracowali wirnik turbiny TiAl. Po wielu testach udowodniono, że nie tylko charakteryzuje się dobrą trwałością i wydajnością, ale także może poprawić przyspieszenie silnika. Projekt ten został pomyślnie skomercjalizowany w serii Mitsubishi Lancer Evolution.
6. Układ wydechowy i tłumik
Tytan jest szeroko stosowany w samochodowych układach wydechowych. Układy wydechowe wykonane z tytanu i jego stopów mogą nie tylko poprawić niezawodność, wydłużyć żywotność i poprawić wygląd, ale także zmniejszyć masę i poprawić efektywność spalania paliwa. W porównaniu ze stalowymi układami wydechowymi, tytanowe układy wydechowe mogą zmniejszyć masę o około 40%. W samochodach serii Golf masę tytanowego układu wydechowego można zmniejszyć o 7 do 9 kg. Obecnie materiałem tytanowym stosowanym w układzie wydechowym jest głównie czysty tytan przemysłowy.
Tłumik tytanowy waży tylko 5 do 6 kg, czyli jest lżejszy niż tłumiki ze stali nierdzewnej i innych tłumików. Chevrolet Corvette Z06 z 2000 r. wykorzystuje tytanowy tłumik i układ rur wydechowych o masie 11,8 kg zamiast oryginalnego układu ze stali nierdzewnej o masie 20 kg, co zmniejsza masę o 41%. Wymieniony układ zachowuje swoją wytrzymałość i sprawia, że ​​samochód jest szybszy, bardziej elastyczny i oszczędniejszy. Materiał tytanowy zastosowany w tłumiku to również głównie czysty tytan przemysłowy.
7. Część ramy nadwozia
Aby poprawić bezpieczeństwo i niezawodność samochodów, należy wziąć pod uwagę aspekty projektowe i produkcyjne, zwłaszcza materiały produkcyjne. Tytan jest bardzo dobrym materiałem używanym do produkcji ram karoserii samochodów. Ma nie tylko wysoką wytrzymałość właściwą, ale także dobrą wytrzymałość. W Japonii producenci samochodów wybierają rury spawane z czystego tytanu do produkcji ram nadwozia. Tego rodzaju rama może sprawić, że kierowca będzie czuł się bezpiecznie podczas jazdy.
8. Inne części ze stopu tytanu
Oprócz powyższych komponentów tytan jest również stosowany w wahaczach silnika, sprężynach zawieszenia, sworzniach tłokowych silnika, elementach złącznych samochodów, nakrętkach kół, wystających belkach drzwi samochodowych, wspornikach przekładni samochodowych, tłokach zacisków hamulcowych, śrubach sworzni, ciśnieniowych częściach samochodowych, takich jak tarcze, przyciski zmiany biegów i tarcze sprzęgła samochodowego.

1.Zalety

Stopy tytanu mają zalety lekkości, wysokiej wytrzymałości właściwej i dobrej odporności na korozję, dlatego są szeroko stosowane w przemyśle samochodowym. Najczęstszym zastosowaniem stopów tytanu są układy silników samochodowych. Stosowanie stopów tytanu do produkcji części silnika ma wiele zalet, które odzwierciedlają się głównie w:
1) Niska gęstość stopu tytanu może zmniejszyć masę bezwładności ruchomych części. Jednocześnie tytanowe sprężyny zaworowe mogą zwiększać wibracje swobodne, osłabiać wibracje nadwozia oraz zwiększać prędkość obrotową silnika i moc wyjściową.
2) Zmniejsz masę bezwładności ruchomych części, zmniejszając w ten sposób tarcie i poprawiając zużycie paliwa przez silnik.
3) Wybór stopu tytanu może zmniejszyć naprężenia obciążeniowe powiązanych części i zmniejszyć rozmiar części, zmniejszając w ten sposób masę silnika i całego pojazdu.
4) Zmniejszenie masy bezwładności podzespołów zmniejsza wibracje i hałas oraz poprawia osiągi silnika.
Zastosowanie stopów tytanu w innych elementach może poprawić komfort obsługi i estetykę samochodów. W zastosowaniach w przemyśle motoryzacyjnym stopy tytanu odegrały niezmierzoną rolę w oszczędzaniu energii i zmniejszeniu zużycia.
2. Ograniczenia stosowania
Chociaż części ze stopów tytanu mają tak doskonałe właściwości, przed powszechnym zastosowaniem tytanu i jego stopów w przemyśle motoryzacyjnym pozostaje jeszcze długa droga. Powody obejmują wysoką cenę, słabą odkształcalność i słabą wydajność spawania.
Wraz z rozwojem technologii stopów tytanu w kształcie zbliżonym do kształtu netto oraz nowoczesnych technologii spawania, takich jak spawanie wiązką elektronów, spawanie łukiem plazmowym i spawanie laserowe w ostatnich latach, problemy związane z formowaniem i spawaniem stopów tytanu nie są już kluczowymi czynnikami ograniczającymi zastosowanie tytanu stopy. Głównym powodem jego szerokiego zastosowania w przemyśle motoryzacyjnym jest wysoki koszt.
Niezależnie od tego, czy jest to wstępne wytapianie metalu, czy późniejsza obróbka, cena stopów tytanu jest znacznie wyższa niż cena innych metali. Koszt części tytanowych akceptowany przez przemysł samochodowy wynosi od 8 do 13 dolarów amerykańskich/kg w przypadku korbowodów, od 13 do 20 dolarów amerykańskich w przypadku zaworów i 8 dolarów w przypadku sprężyn, układów wydechowych silnika i elementów złącznych. Poniżej USD/kg. Obecny koszt części wyprodukowanych z materiałów tytanowych jest znacznie wyższy od tych cen. Koszt produkcji płyt tytanowych jest przeważnie wyższy niż 33 dolarów amerykańskich/kg, czyli od 6 do 15 razy większy w przypadku płyt aluminiowych i od 45 do 83 razy większy w przypadku płyt stalowych.
Stan badań stopów tytanu do samochodów

zdjęcie
Obecnie głównym kierunkiem badań stopów tytanu stosowanych w przemyśle motoryzacyjnym jest redukcja kosztów. Biorąc pod uwagę charakterystykę rozkładu kosztów stopów tytanu stosowanych w przemyśle motoryzacyjnym, pracownicy zajmujący się badaniami i rozwojem materiałów osiągają cel polegający na obniżeniu kosztów głównie w dwóch aspektach: opracowywaniu nowych, tanich systemów stopowych oraz stosowaniu nowych technologii przetwarzania i przygotowania .

1. Nowy, niedrogi system stopów tytanu
Pracownicy z różnych krajów opracowują nowe, tanie systemy stopów tytanu, koncentrując się głównie na następujących aspektach: projektowanie stopów z wykorzystaniem tanich elementów stopowych oraz projektowanie stopów w celu poprawy właściwości przetwórczych. Wśród nich reprezentowane są Japonia i Stany Zjednoczone. w moim kraju z powodzeniem opracowano także dwa tanie stopy tytanu, mianowicie Ti8LC i Ti12LC. Przy projektowaniu tanich elementów ze stopów tytanu do pojazdów powszechnie stosowane są tanie elementy stopowe, w tym Fe, Cr, Si, Al itp.
2. Nowa technologia przetwarzania i przygotowania
Koszt przetwarzania materiałów ze stopów tytanu stanowi ponad 60% całkowitego kosztu procesu produkcyjnego. Dlatego też w zakresie redukcji kosztów kluczowym kierunkiem badań stało się zmniejszenie kosztów obróbki stopu tytanu. Badania w tej dziedzinie dzielą się głównie na dwa aspekty: jeden to udoskonalenie tradycyjnego procesu odlewania i kucia, a drugi to przyjęcie technologii metalurgii proszków w kształcie zbliżonym do netto.
W rozwoju nowych procesów kucia, kucie na zimno jest obecnie jedną z najbardziej obiecujących metod wytwarzania części samochodowych ze stopów tytanu. Stop tytanu Beta ma niską odporność na odkształcenia w temperaturze pokojowej i jest dobry w cięciu i formowaniu. Jest to materiał, który można kuć na zimno. Obecnie w Japonii opracowano trzy stopy beta tytanu odkształcane na zimno. Stop tytanu Beta ma również pewne wady. Jest podatny na nierównomierne odkształcenia podczas kucia na zimno i łatwo przylega do formy. Dlatego masowa produkcja części ze stopów beta tytanu przy użyciu technologii kucia na zimno wymaga dalszych badań i rozwoju.
Metalurgia proszków jest bardzo ważną technologią w obniżaniu kosztów obróbki stopów tytanu. W produkcji części samochodowych metodą metalurgii proszków nadal dominuje tradycyjna metoda prasowania i spiekania, obejmująca głównie metodę proszków pierwiastkowych (BE) i metodę proszków prestopowych (PA). Obecnie metoda proszku pierwiastkowego jest najpowszechniej stosowana w dziedzinie taniej metalurgii proszków stopów tytanu w samochodach ze względu na prosty proces i niższy koszt. W ostatnich latach pojawiły się także inne technologie metalurgii proszków, w tym technologia formowania laserowego, formowanie wtryskowe proszków metali (MIM) i inne technologie. Są szeroko stosowane w produkcji próbnej i produkcji skomplikowanych części samochodowych, co może znacznie skrócić rozwój produktu. i cyklu produkcyjnego, co dodatkowo obniża koszty.
Wniosek
Nowa generacja konstrukcji samochodów zwraca większą uwagę na lekką karoserię, niskie zużycie paliwa, niski poziom hałasu i lekkie wibracje silnika, aby sprostać coraz bardziej rygorystycznym wymaganiom środowiska. W tym kontekście tytan będący metalem lekkim stanie się głównym materiałem stosowanym w przyszłych samochodach.
Kompleksowe rozważenie obecnego stanu badań tanich stopów tytanu do pojazdów można stwierdzić, że w celu dalszego obniżenia kosztów stopów tytanu do pojazdów badania powinny skupiać się głównie na następujących aspektach:
1) Jeśli chodzi o rozwój tanich systemów stopowych, należy starać się opracowywać systemy stopowe, w których nie stosuje się elementów stopowych lub są one tańsze, bez wpływu na wydajność, a jednocześnie w pełni wykorzystują stopy tytanu pochodzące z recyklingu.
2) W zakresie rozwoju procesów odlewania i kucia rozwijać się w kierunku rozwoju stopów tytanu beta i stopów tytanu odkształcanych na zimno oraz prowadzić studia wykonalności ich masowej produkcji.
3) W zakresie metalurgii proszków, przy jednoczesnym zapewnieniu korzyści w postaci niskich kosztów, konieczna jest również dalsza poprawa wydajności części tytanowych.
Wraz z rozwojem gospodarki i obniżeniem kosztów tytanu coraz więcej projektantów inżynierii będzie wybierać części tytanowe jako części samochodowe. Stopy tytanu w przyszłości odegrają ważną rolę w produkcji przemysłu motoryzacyjnego.