Starea de aplicare a aliajului de titan în industria auto

 

În ultimii ani, odată cu dezvoltarea rapidă a industriei auto, problemelor consumului de combustibil, protecției mediului și siguranței generate de automobile au fost acordate din ce în ce mai multă atenție. Așteptând cu nerăbdare direcția de dezvoltare a industriei auto în viitor, temele de dezvoltare sunt ușoare, consum redus de combustibil și emisii mai puține. Conform statisticilor autorităților internaționale, 60% din energia de ardere a combustibilului a automobilului este consumată în calitate proprie, deși actualele table de oțel de înaltă rezistență, aluminiu, magneziu, materiale compozite cu matrice metalică și materiale plastice din rășini au jucat un rol important. rol în reducerea greutății automobilului, dar apariția materialelor industriale de titan face ca producția de automobile să aibă o alegere mai bună.

Metalul de titan are avantajele densității scăzute, rezistenței specifice ridicate și rezistenței bune la coroziune, iar utilizarea materialelor de titan în automobile poate reduce foarte mult calitatea caroseriei, reduce consumul de combustibil, îmbunătăți eficiența motorului, îmbunătățește mediul înconjurător și reduce zgomotul. . Cu toate acestea, prețul scump face ca aliajul de titan din industria auto să aibă doar unele aplicații în modelele de lux și mașini sport și puține aplicații în mașinile obișnuite. Prin urmare, cercetarea și dezvoltarea aliajelor de titan la preț redus, care să răspundă nevoilor pieței, este cheia pentru promovarea aplicării acesteia în vehiculele obișnuite de uz casnic.

Starea de aplicare a aliajului de titan în industria auto

Deși aliajele de titan au fost utilizate pe scară largă în industria aerospațială, petrochimică și construcții navale, aplicarea lor în industria auto a întârziat să se dezvolte. De când General Motors din Statele Unite a dezvoltat cu succes prima mașină din titan în 1956, piesele auto din titan nu au atins nivelul producției de masă până în anii 1980, iar în anii 1990, odată cu creșterea cererii de mașini de lux, mașini sport și mașini de curse, piesele din titan au fost dezvoltate rapid. În 1990, cantitatea de titan folosită în automobile în lume a fost de numai 50 de tone, în 1997 a ajuns la 500 de tone, în 2002 a ajuns la 1100 de tone, în 2009 a ajuns la 3000 de tone și este de așteptat ca cantitatea de titan folosită în automobile în lume va depăși 5000t în 2015. În prezent, piesele din aliaj de titan au următoarele tipuri de utilizate în mod obișnuit.

1. Biela motor

Aliajul de titan este o alegere ideală pentru materialele bielelor. Biela motorului din aliaj de titan poate reduce eficient masa motorului, poate îmbunătăți eficiența combustibilului și poate reduce volumul de evacuare. Comparativ cu biela din oțel, biela din titan poate reduce masa de la 15% la 20%. Aplicarea tijelor de titan a fost demonstrată pentru prima dată în noile motoare Ferrari 3.5LV8 și Acura NSX din Italia. Principalele materiale utilizate în biela din aliaj de titan sunt Ti-6Al-4V, Ti{-10V{-2Fe-3Al, Ti{-3 Al-2.0V și Ti{-4Al{-4Mo-Sn{-0.5Si etc. Alte materiale din aliaj de titan, cum ar fi Ti-4Al-2Si-4Mn și Ti{-7M{-4Mo sunt de asemenea dezvoltate în aplicarea bielei.

2. Supapa motor

Supapa motorului auto realizată din aliaj de titan poate nu numai să reducă masa și să prelungească durata de viață, ci și să reducă consumul de combustibil și să îmbunătățească fiabilitatea automobilului. În comparație cu supapa de oțel, calitatea supapei de titan poate fi redusă cu 30% până la 40%, iar viteza limită a motorului poate fi crescută cu 20%. În ceea ce privește aplicația actuală, materialul supapei de admisie este în principal Ti-6Al{-4V, iar materialul supapei de evacuare este în principal Ti-6242S. De obicei, se adaugă Sn și Al, ceea ce poate obține o fragilitate mai mică și o rezistență mai mare. Adăugarea de Mo poate îmbunătăți performanța tratamentului termic al aliajului de titan, poate întări rezistența aliajului de titan la călire și îmbătrânire și poate crește duritatea. Alte aliaje de titan cu potențial de dezvoltare sunt:

1) Supapa de admisie poate fi Ti-62S, ale cărei caracteristici sunt echivalente cu Ti{-6Al{-4V, iar prețul este mai ieftin.

2) Supapa de evacuare poate folosi Ti-6Al-2Sn{-4.0Zr{-0.4-Mo-0. 45Si, din cauza conținutului mai scăzut de Mo, rezistența sa la fluaj este mai bună decât Ti-6242S, iar temperatura de rezistență la oxidare poate ajunge la 600 de grade.
3) Supapa de evacuare poate folosi -TiAl, care are caracteristicile de rezistență la temperaturi ridicate și greutate redusă, dar nu este potrivită pentru metoda tradițională de forjare în timpul prelucrării, potrivită numai pentru turnare și prelucrare a metalurgiei pulberilor.

3. Scaun arc supape

Rezistența ridicată și rezistența la oboseală sunt performanța scaunului arcului supapei pe care trebuie să le aibă, aliajul de titan este un aliaj de tip tratament termic, poate obține o rezistență ridicată prin tratarea de îmbătrânire a soluției, materialele corespunzătoare mai potrivite sunt Ti-15V{{1} }Cr-3Al-3Sn și Ti-15Mo-3Al{-2.7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors folosește scaun de arc de supapă din aliaj de titan Ti{-22V-4 pe vehiculele sale de producție în masă, ceea ce reduce masa cu 42% în comparație cu broasca originală din oțel, masa de inerție a mecanismului supapei este redusă cu 6%, iar turația maximă a motorului crește cu 300r/min.

4. Arc din aliaj de titan

Titanul și aliajele sale au un modul elastic scăzut în comparație cu materialele din oțel și o valoare mare σs/E, care este potrivită pentru fabricarea componentelor elastice. În comparație cu arcurile de mașină din oțel, sub premisa aceleiași lucrări elastice, înălțimea arcului de titan este de numai 40% din arcul de oțel, iar masa este de numai 30% până la 40% din arcul de oțel, care este ușor de proiectat caroseria mașinii. În plus, rezistența excelentă la oboseală și coroziune a aliajului de titan poate îmbunătăți durata de viață a arcului. În prezent, materialele din aliaj de titan care pot fi utilizate pentru fabricarea arcurilor auto sunt Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al și Ti{-13V11C-3Al.

5. Turbocompresor

Turbocompresoarele pot îmbunătăți eficiența de ardere a motorului și pot crește puterea și cuplul motorului. Rotorul turbinei turbocompresorului trebuie să funcționeze în gazele de eșapament de înaltă temperatură peste 850 de grade C pentru o lungă perioadă de timp, deci necesită o rezistență bună la căldură. Metalele ușoare tradiționale, cum ar fi aliajele de aluminiu, nu pot fi utilizate din cauza punctului lor de topire scăzut. Deși materialele ceramice sunt utilizate în rotoarele de turbină datorită greutății lor ușoare și rezistenței la temperaturi ridicate, aplicarea lor este limitată din cauza costului ridicat și a incapacității de a optimiza forma. Pentru a rezolva aceste probleme, Tetsui et al. a dezvoltat rotorul de turbină TiAl, care nu numai că are o durabilitate și eficiență bună, dar poate și îmbunătăți accelerația motorului după multe teste. Acest design a fost comercializat cu succes pe seria Mitsubishi Lancer Evolution.

6. Sistem de evacuare și toba de eșapament

Titanul este folosit în sistemul de evacuare al automobilelor. Sistemele de evacuare realizate din titan și aliajele sale pot nu numai să îmbunătățească fiabilitatea, să prelungească durata de viață și să îmbunătățească aspectul, ci și să reducă masa și să mărească eficiența arderii combustibilului. Sistemul de evacuare din titan poate reduce masa cu aproximativ 40% în comparație cu sistemul de evacuare din oțel. În seria de mașini Golf, calitatea sistemului de evacuare din titan poate fi redusă cu 7 ~ 9 kg, iar titanul utilizat în sistemul de evacuare este în principal titan pur industrial.
Greutatea tobei de eșapament din titan este de numai 5 ~ 6 kg, ceea ce este mai ușor decât toba de eșapament din oțel inoxidabil. Mașina Chevrolet CorvetteZ06 din 2000 folosește o tobă de eșapament din titan de 11,8 kg și un sistem de țevi de eșapament în loc de sistemul original din oțel inoxidabil de 20 kg, reducând masa cu 41%. Sistemul de înlocuire are aceeași rezistență și face mașina mai rapidă, mai flexibilă și mai eficientă din punct de vedere al consumului de combustibil. Titanul folosit în toba de eșapament este, de asemenea, în principal titan pur industrial.

7. Piesa cadrului caroseriei

Pentru a îmbunătăți siguranța și fiabilitatea automobilelor, este necesar să se ia în considerare aspectele de proiectare și fabricație, în special materialele de fabricație. Titanul este un material bun folosit pentru fabricarea cadrelor caroseriei auto, care nu numai că are o rezistență specifică ridicată, dar are și o rezistență bună. În Japonia, producătorii de automobile aleg tuburi sudate din titan pur pentru cadrul caroseriei, ceea ce poate face ca șoferul să aibă suficientă siguranță în timpul conducerii.

8. Alte piese din aliaj de titan

În plus față de părțile de mai sus, titanul este, de asemenea, utilizat în culbutorul motorului, arcul de suspensie, știftul pistonului motorului, elementele de fixare a mașinii, piulițele pentru urechi suspendate, grinda de explozie a ușii mașinii, suportul de oprire a mașinii, pistonul etrierului de frână, șurubul de știft, placa de presiune, schimbarea buton și ambreiaj placa rotundă și alte piese auto.

Aplicarea aliajului de titan

Pasul 1: Avantaje
Aliajul de titan are avantajele unei greutăți ușoare, rezistență specifică ridicată și rezistență bună la coroziune, deci este utilizat pe scară largă în industria auto, iar aliajul de titan cel mai utilizat este sistemul motorului auto. Utilizarea aliajului de titan pentru fabricarea pieselor de motor are multe beneficii, în principal în:
1) Densitatea aliajului de titan este scăzută, ceea ce poate reduce masa inerțială a pieselor în mișcare, iar arcul supapei de titan poate crește vibrația liberă, slăbi vibrația corpului și poate îmbunătăți turația motorului și puterea de ieșire.
2) Reduceți masa inerțială a pieselor în mișcare, reducând astfel forța de frecare și îmbunătățind eficiența combustibilului motorului.
3) Selectarea aliajului de titan poate reduce stresul de sarcină a pieselor relevante, poate reduce dimensiunea pieselor, astfel încât să reducă calitatea motorului și a întregului vehicul.
4) Reducerea masei inerțiale a pieselor face ca vibrațiile și zgomotul să slăbească și să îmbunătățească performanța motorului.
Aplicarea aliajului de titan în alte componente poate îmbunătăți confortul personalului și frumusețea mașinii. În aplicarea industriei auto, aliajul de titan a jucat un rol incomensurabil în economisirea energiei și reducerea consumului.

2. Restricții de aplicare

Deși piesele din aliaj de titan au o performanță atât de superioară, există încă o distanță mare față de aplicarea generală a titanului și a aliajelor sale în industria auto, din motive care includ costuri, formabilitate slabă și performanțe slabe de sudare.
Odată cu dezvoltarea tehnologiei de formare aproape netă a aliajului de titan și a tehnologiei moderne de sudare, cum ar fi sudarea cu fascicul de electroni, sudarea cu arc cu plasmă și sudarea cu laser în ultimii ani, problemele de formare și sudare ale aliajului de titan nu mai sunt factorii cheie care limitează aplicarea titanului. aliaj, iar principalul motiv pentru a împiedica aplicarea pe scară largă a aliajului de titan în industria auto este costul ridicat.

Fie că este vorba de topirea inițială a metalului sau de prelucrarea ulterioară, prețul aliajului de titan este mult mai mare decât cel al altor metale. Industria auto poate accepta costul pieselor din titan, titan titan 8 ~ 13 dolari SUA / kg, titan al supapei de aer 13 ~ 20 dolari SUA / kg, arc, sistem de evacuare a motorului și titan de fixare speră să fie sub 8 dolari SUA / kg . În prezent, costul pieselor produse cu materiale de titan este mult mai mare decât aceste prețuri, iar costul de producție al foii de titan este în mare parte mai mare de 33 de dolari SUA / kg, care este de 6 până la 15 ori mai mare decât al tablei de aluminiu și de 45 până la 83 de ori. cea a tablei de otel.

Stadiul cercetării aliajelor de titan pentru automobile

În prezent, reducerea costurilor este principala direcție de cercetare a aliajelor de titan utilizate în industria auto. În conformitate cu caracteristicile distribuției costurilor aliajelor de titan utilizate în industria auto, lucrătorii din cercetarea și dezvoltarea materialelor ating în principal scopul de a reduce costurile din următoarele două aspecte: dezvoltarea de noi sisteme de aliaje cu costuri reduse și utilizarea de noi procesări. si tehnologii de preparare.

1. Nou sistem low-cost de aliaj de titan

Lucrătorii din diferite țări au dezvoltat noi sisteme de aliaje de titan cu costuri reduse, concentrându-se în principal pe următoarele aspecte: proiectarea aliajului folosind elemente de aliaj ieftine și designul aliajului îmbunătățind caracteristicile de procesare. Printre acestea, Japonia și Statele Unite sunt reprezentanți, iar China a dezvoltat cu succes două aliaje de titan low-cost, și anume Ti8LC și Ti12LC. În proiectarea componentelor din aliaj de titan la preț redus pentru vehicule, elementele de aliaj ieftine utilizate în mod obișnuit sunt Fe, Cr, Si, Al și așa mai departe.

2. Noua tehnologie de prelucrare si preparare

Costul de procesare al materialelor din aliaj de titan reprezintă mai mult de 60% din costul total al procesului de producție, astfel încât, în ceea ce privește reducerea costurilor, modul de reducere a costurilor de procesare a aliajului de titan a devenit centrul cercetării. Cercetarea în acest domeniu este în principal împărțită în două aspecte: unul este de a îmbunătăți procesul tradițional de turnare și forjare, iar celălalt este de a adopta tehnologia de formare aproape-netă a metalurgiei pulberilor.
În cercetarea și dezvoltarea noului proces de forjare, forjarea la rece este una dintre cele mai promițătoare metode pentru fabricarea pieselor auto din aliaj de titan. Rezistența la deformare a aliajului de titan la temperatura camerei este mică, formarea prin tăiere este bună, poate fi material de forjare la rece, Japonia a dezvoltat trei tipuri de aliaj de titan cu deformare la rece. Aliajul de titan are, de asemenea, unele deficiențe, este ușor să se producă deformare neuniformă în timpul forjarii la rece și este ușor să adere la matriță, astfel încât producția în masă a pieselor din aliaj de titan cu tehnologia de forjare la rece necesită încă o explorare și dezvoltare ulterioară.

Metalurgia pulberilor este o tehnologie foarte importantă în reducerea costurilor de procesare a aliajelor de titan. În fabricarea pieselor auto din metalurgia pulberilor, metoda tradițională de sinterizare prin presare este încă în poziția dominantă, incluzând în principal metoda pulberii elementare (BE) și metoda pulberii de prealiare (PA). În prezent, metoda cu pulbere elementară este cea mai utilizată în domeniul metalurgiei pulberilor de aliaj de titan cu costuri reduse din cauza procesului său simplu și a costurilor mai mici. În ultimii ani, au apărut și alte tehnologii de metalurgie a pulberilor, inclusiv tehnologia de formare cu laser, turnarea prin injecție a pulberilor metalice (MIM) și alte tehnologii, care au fost utilizate pe scară largă în producția de probă și producția de piese auto complexe, care pot scurta foarte mult produsul. ciclul de dezvoltare și producție și reduce în continuare costurile.

Peroraţie

Noua generație de design auto acordă mai multă atenție ușoarei caroseriei, consumului redus de combustibil, zgomotului redus al motorului și vibrațiilor ușoare pentru a satisface cerințele din ce în ce mai exigente ale mediului. În acest context, titanul din metal ușor va deveni un material de alegere major pentru aplicații pentru viitoarele vehicule.
Având în vedere starea actuală de cercetare a aliajelor de titan cu costuri reduse pentru automobile, se poate constata că, pentru a reduce și mai mult costul aliajelor de titan pentru automobile, cercetarea ar trebui să se concentreze în principal pe următoarele aspecte:

1) În dezvoltarea sistemelor de aliaje cu costuri reduse, încercați să dezvoltați sisteme de aliaje care să nu utilizeze elemente de aliaj scumpe sau mai puțin, fără a afecta performanța și să dezvoltați și să utilizați pe deplin aliaje de titan reciclate.

2) În ceea ce privește dezvoltarea procesului de turnare și forjare, se dezvoltă direcția de dezvoltare a aliajului de titan și a aliajului de titan cu deformare la rece și se realizează studiul de fezabilitate al producției de masă.
3) În metalurgia pulberilor, asigurând în același timp avantajul costului scăzut, este, de asemenea, necesară îmbunătățirea în continuare a performanței pieselor din titan.
Odată cu dezvoltarea economiei și reducerea costului titanului, mai mulți ingineri vor alege piese din titan pentru piese auto. Aliajele de titan vor juca în cele din urmă un rol important în producția industriei auto.