Статус применения титанового сплава в автомобильной промышленности
В последние годы, с бурным развитием автомобильной промышленности, проблемам расхода топлива, защиты окружающей среды и безопасности, обеспечиваемой автомобилями, уделяется все больше внимания. С нетерпением жду направления развития автомобильной промышленности в будущем, темами развития являются легкий вес, низкий расход топлива и меньшие выбросы. По статистике международных органов, 60% энергии сгорания топлива автомобиля потребляется в собственном качестве, хотя нынешние высокопрочная листовая сталь, алюминий, магний, композиционные материалы с металлической матрицей и пластмассовые смоляные материалы сыграли свою роль. роль в снижении веса автомобиля, но появление промышленных титановых материалов делает выбор в пользу автомобилестроения.
Металлический титан обладает преимуществами низкой плотности, высокой удельной прочности и хорошей коррозионной стойкости, а использование титановых материалов в автомобилях может значительно снизить качество кузова, снизить расход топлива, повысить эффективность работы двигателя, улучшить окружающую среду и снизить шум. . Однако из-за высокой цены титановый сплав в автомобильной промышленности может найти лишь некоторые применения в роскошных моделях и спортивных автомобилях и мало применений в обычных автомобилях. Поэтому исследование и разработка недорогих титановых сплавов, отвечающих потребностям рынка, является ключом к продвижению его применения в обычных бытовых автомобилях.
Статус применения титанового сплава в автомобильной промышленности
Хотя титановые сплавы широко используются в аэрокосмической, нефтехимической и судостроительной промышленности, их применение в автомобильной промышленности развивается медленно. Поскольку в 1956 году компания General Motors в США успешно разработала первый полностью титановый автомобиль, титановые автодетали не достигли уровня массового производства до 1980-х годов, а в 1990-е годы, с ростом спроса на автомобили класса люкс, спортивные автомобили и гоночные автомобили, титановые детали были быстро разработаны. В 1990 году количество титана, используемого в автомобилях в мире, составляло всего 50 тонн, в 1997 году оно достигло 500 тонн, в 2002 году оно достигло 1100 тонн, в 2009 году оно достигло 3000 тонн, и ожидается, что количество титана, используемого в автомобилях в мире, увеличится. в 2015 году превысит 5000 тонн. В настоящее время широко используются следующие виды деталей из титановых сплавов.
1. Шатун двигателя
Титановый сплав — идеальный выбор материалов для шатунов. Шатун двигателя, изготовленный из титанового сплава, позволяет эффективно уменьшить массу двигателя, повысить топливную экономичность и уменьшить объем выхлопных газов. По сравнению со стальным шатуном, титановый шатун может уменьшить массу от 15% до 20%. Применение титановых стержней впервые было продемонстрировано в новых двигателях Ferrari 3.5LV8 и Acura NSX в Италии. 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 и т. д. Другие материалы из титановых сплавов, такие как Ti-4Al-2Si-4Mn и Ti-7M-4Mo также разрабатываются для применения в шатунах.
2. Клапан двигателя
Клапан автомобильного двигателя из титанового сплава позволяет не только уменьшить массу и продлить срок службы, но также снизить расход топлива и повысить надежность автомобиля. По сравнению со стальным клапаном качество титанового клапана можно снизить на 30–40%, а предельную скорость двигателя увеличить на 20%. Что касается настоящего применения, то материалом впускного клапана является главным образом Ti-6Al-4V, а материалом выпускного клапана является главным образом Ti-6242S. Обычно Sn и Al добавляются вместе, что позволяет получить меньшую хрупкость и более высокую прочность. Добавление Mo может улучшить характеристики термообработки титанового сплава, повысить прочность титанового сплава при закалке и старении, а также повысить твердость. Другими титановыми сплавами, имеющими потенциал для развития, являются:
1) Впускной клапан может быть Ti-62S, характеристики которого эквивалентны Ti-6Al-4V, а цена дешевле.
2) В выпускном клапане может использоваться Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo-0. 45Si, из-за более низкого содержания Мо, его сопротивление ползучести лучше, чем у Ti-6242S, а температура стойкости к окислению может достигать 600 градусов.
3) В выпускном клапане может использоваться -TiAl, который обладает характеристиками высокой термостойкости и легким весом, но не подходит для традиционного метода ковки во время обработки, подходит только для литья и обработки порошковой металлургии.
3. Седло пружины клапана
Высокая прочность и сопротивление усталости - это характеристики седла пружины клапана, титановый сплав - это сплав типа термообработки, который может получить высокую прочность за счет старения на раствор, соответствующими более подходящими материалами являются Ti-15V{{1} }Cr-3Al-3Sn и Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si. Компания Mitsubishi Motors использует на своих серийных автомобилях седло пружины клапана из титанового сплава Ti-22V-4Al, что позволяет уменьшить массу на 42 % по сравнению с оригинальным стальным замком, а также уменьшить инерционную массу клапанного механизма. на 6%, а максимальная частота вращения двигателя увеличивается на 300 об/мин.
4. Пружина из титанового сплава.
Титан и его сплавы имеют низкий модуль упругости по сравнению со стальными материалами и большое значение σs/E, что подходит для изготовления упругих деталей. По сравнению со стальными автомобильными пружинами, при условии той же упругой работы, высота титановой пружины составляет всего 40% от стальной пружины, а масса составляет всего от 30% до 40% от стальной пружины, что легко спроектировать. кузов автомобиля. Кроме того, превосходная усталостная и коррозионная стойкость титанового сплава может продлить срок службы пружины. В настоящее время материалами из титановых сплавов, которые можно использовать для изготовления автомобильных пружин, являются 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 турбокомпрессора должен работать в условиях высокой температуры выхлопных газов, превышающей 850 градусов Цельсия, в течение длительного времени, поэтому он требует хорошей термостойкости. Традиционные легкие металлы, такие как алюминиевые сплавы, использовать нельзя из-за их низкой температуры плавления. Хотя керамические материалы используются в роторах турбин из-за их легкого веса и высокой термостойкости, их применение ограничено из-за высокой стоимости и невозможности оптимизировать форму. Чтобы решить эти проблемы, Tetsui et al. разработал ротор турбины TiAl, который не только обладает хорошей долговечностью и эффективностью, но также может улучшить ускорение двигателя после многих испытаний. Эта конструкция была успешно реализована в серии Mitsubishi Lancer Evolution.
6. Выхлопная система и глушитель
Титан используется в выхлопной системе 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. Титановая выхлопная система позволяет снизить массу примерно на 40% по сравнению со стальной выхлопной системой. В автомобилях серии Golf качество титановой выхлопной системы может быть снижено на 7–9 кг, а титан, используемый в выхлопной системе, в основном представляет собой чистый промышленный титан.
Вес титанового глушителя составляет всего 5–6 кг, что легче, чем глушителя из нержавеющей стали. В автомобиле Chevrolet CorvetteZ06 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%. Система замены обладает той же силой и делает автомобиль более быстрым, маневренным и экономичным. Титан, используемый в глушителе, также представляет собой в основном промышленный чистый титан.
7. Часть рамы кузова автомобиля.
Чтобы повысить безопасность и надежность автомобилей, необходимо учитывать аспекты конструкции и производства, особенно материалы изготовления. Титан – хороший материал, используемый для изготовления каркасов кузовов автомобилей, который не только обладает высокой удельной прочностью, но и обладает хорошей вязкостью. В Японии производители автомобилей выбирают для рамы кузова сварные трубы из чистого титана, которые обеспечивают достаточную безопасность водителя во время вождения.
8. Другие детали из титанового сплава.
Помимо вышеперечисленных деталей, титан также используется в коромысле двигателя, пружине подвески, поршневом пальце двигателя, автомобильных крепежах, подвесных ушных гайках, разрывной балке двери автомобиля, стопорном кронштейне автомобиля, поршне тормозного суппорта, болте штифта, нажимном диске, рычаге переключения передач. кнопка и круглая пластина сцепления и другие автомобильные детали.
Применение титанового сплава
Шаг 1: Преимущества
Титановый сплав обладает преимуществами легкого веса, высокой удельной прочности и хорошей коррозионной стойкости, поэтому он широко используется в автомобильной промышленности, а наиболее широко используемый титановый сплав - это системы автомобильных двигателей. Использование титанового сплава для изготовления деталей двигателя имеет множество преимуществ, главным образом:
1) Плотность титанового сплава низкая, что может уменьшить инерционную массу движущихся частей, а титановая пружина клапана может увеличить свободную вибрацию, ослабить вибрацию корпуса и улучшить скорость двигателя и выходную мощность.
2) Уменьшите инерционную массу движущихся частей, тем самым уменьшив силу трения и повысив топливную экономичность двигателя.
3) Выбор титанового сплава может снизить нагрузку на соответствующие детали, уменьшить размер деталей, что ухудшит качество двигателя и всего автомобиля.
4) Уменьшение инерционной массы деталей ослабляет вибрацию и шум и улучшает работу двигателя.
Применение титанового сплава в других компонентах позволяет улучшить комфорт персонала и красоту автомобиля. В автомобильной промышленности титановый сплав сыграл неизмеримую роль в энергосбережении и сокращении потребления.
2. Ограничения применения
Хотя детали из титановых сплавов обладают такими превосходными характеристиками, до общего применения титана и его сплавов в автомобильной промышленности все еще очень далеко по причинам, включающим высокую стоимость, плохую формуемость и плохие сварочные характеристики.
С развитием в последние годы технологии почти сетчатой формовки титановых сплавов 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. сплава, а основной причиной, сдерживающей широкое применение титанового сплава в автомобилестроении, является его высокая стоимость.
Будь то первичная выплавка металла или последующая обработка, цена титанового сплава намного выше, чем у других металлов. Автомобильная промышленность может принять стоимость титановых деталей, титановый шатун 8 ~ 13 долларов США / кг, титановый воздушный клапан 13 ~ 20 долларов США / кг, пружину, выхлопную систему двигателя и крепеж из титана, надеюсь, что он будет ниже 8 долларов США / кг. . В настоящее время стоимость деталей, изготовленных из титановых материалов, намного выше этих цен, а себестоимость производства титанового листа в основном превышает 33 доллара США / кг, что в 6–15 раз выше, чем у алюминиевого листа, и в 45–83 раза. что из стального листа.
Состояние исследований автомобильных титановых сплавов
В настоящее время снижение стоимости является основным направлением исследований титановых сплавов, используемых в автомобильной промышленности. В соответствии с характеристиками 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 новой обработки. и технологии приготовления.
1. Новая недорогая система из титанового сплава.
Рабочие в разных странах разработали новые недорогие системы титановых сплавов, уделяя основное внимание следующим аспектам: разработка сплавов с использованием дешевых легирующих элементов и разработка сплавов, улучшающих технологические характеристики. Среди них представители Японии и США, а Китай успешно разработал 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 так далее.
2. Новая технология обработки и подготовки.
Стоимость обработки материалов из титановых сплавов составляет более 60% от общей стоимости производственного процесса, поэтому с точки зрения снижения затрат в центре внимания исследований стало то, как снизить стоимость обработки титановых сплавов. 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 околосетчатого формования.
При исследовании и разработке нового процесса ковки холодная ковка является одним из наиболее перспективных методов производства автозапчастей из титановых сплавов. Сопротивление деформации титанового сплава при комнатной температуре невелико, режущая обработка хорошая, может быть материалом холодной ковки, Япония разработала три вида титанового сплава холодной деформации. Титановый сплав также имеет некоторые недостатки: во время холодной ковки легко производить неравномерную деформацию, и он легко прилипает к форме, поэтому массовое производство деталей из титанового сплава с помощью технологии холодной ковки все еще требует дальнейшего изучения и разработки.
Порошковая металлургия является очень важной технологией снижения себестоимости обработки титановых сплавов. В производстве автозапчастей методом порошковой металлургии по-прежнему доминирующее положение по-прежнему занимает традиционный метод спекания в прессе, в основном включающий элементный порошковый метод (BE) и порошковый метод предварительного легирования (PA). В настоящее время метод элементного порошка наиболее широко используется в области недорогой порошковой металлургии автомобильных титановых сплавов из-за его простоты и низкой стоимости. В последние годы появляются и другие технологии порошковой металлургии, в том числе технология лазерной формовки, литье под давлением металлического порошка (MIM) и другие технологии, которые широко используются в опытном производстве и производстве сложных автомобильных деталей, что может значительно сократить срок изготовления изделия. цикл разработки и производства и дальнейшее снижение затрат.
Перорация
В автомобильном дизайне нового поколения больше внимания уделяется легкости кузова, низкому расходу топлива, малому шуму двигателя и легкой вибрации, чтобы соответствовать все более строгим требованиям окружающей среды. В этом контексте легкий металл титан станет основным материалом для применения в будущих транспортных средствах.
Учитывая текущий статус исследований автомобильных недорогих титановых сплавов, можно обнаружить, что для дальнейшего снижения стоимости автомобильных титановых сплавов исследования должны в основном фокусироваться на следующих аспектах:
1) При разработке недорогих систем сплавов старайтесь разрабатывать системы сплавов, в которых не используются дорогостоящие легирующие элементы или меньше их без ущерба для производительности, а также полностью разрабатывать и использовать переработанные титановые сплавы.
2) В части развития процессов литья и ковки разрабатывается направление развития титановых сплавов и титановых сплавов холодной деформации, а также проводится технико-экономическое обоснование массового производства.
3) В порошковой металлургии, обеспечивая преимущество низкой стоимости, необходимо также дальнейшее улучшение характеристик титановых деталей.
С развитием экономики и снижением стоимости титана все больше инженеров будут выбирать титановые детали для автомобильных деталей. Титановые сплавы со временем будут играть важную роль в производстве автомобильной промышленности.
