Aplikace titanu v automobilovém průmyslu

Přestože slitiny titanu byly široce používány v leteckém, petrochemickém a lodním průmyslu, jejich aplikace v automobilovém průmyslu se vyvíjela pomalu. Počínaje úspěšným vývojem prvního celotitanového automobilu General Motors ve Spojených státech v roce 1956 dosáhly titanové automobilové díly úrovně hromadné výroby až v 80. letech 20. století. V 90. letech, kdy se poptávka po luxusních vozech, sportovních vozech a závodních vozech rok od roku zvyšovala, se titanové autodíly rychle rozvíjely. V roce 1990 bylo množství titanu používaného v automobilech po celém světě pouze 50 tun. V roce 1997 dosáhl 500t. V roce 2002 dosáhl 1 100 t. V roce 2009 dosáhl 3,{13}}t. Očekává se, že množství titanu používaného v automobilech po celém světě v roce 2015 překročí 5,000t. V současnosti se běžně používají následující typy dílů ze slitin titanu.

1. Ojnice motoru
Titanová slitina je ideálním materiálem pro ojnice. Ojnice motoru vyrobené z titanové slitiny mohou účinně snížit hmotnost motoru, zlepšit účinnost paliva a snížit objem výfukových plynů. Ve srovnání s ocelovými ojnicemi mohou titanové ojnice snížit hmotnost o 15 % až 20 %. Použití ojnic z titanové slitiny se poprvé projevilo v novém italském sedanu Ferrari 3.5LV8 a motoru NSX společnosti Acura. Hlavní materiály používané v ojnicích z titanové slitiny jsou Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V a Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si. Další materiály ze slitin titanu, jako je Ti-4Al. Aplikace -2Si-4Mn a Ti-7M-4Mo v ojnicích je také ve vývoji.
2.Ventil motoru
Ventily automobilových motorů vyrobené z titanové slitiny mohou nejen snížit hmotnost a prodloužit životnost, ale také snížit spotřebu paliva a zlepšit spolehlivost vozidla. Ve srovnání s ocelovými ventily mohou titanové ventily snížit hmotnost o 30 % až 40 % a mezní otáčky motoru lze zvýšit o 20 %. Pokud jde o současné aplikace, materiál sacího ventilu je převážně Ti-6Al-4V a materiál výfukového ventilu převážně Ti-6242S. Obvykle se Sn a Al přidávají dohromady, aby se dosáhlo nižší křehkosti a vyšší pevnosti; přidání Mo může zlepšit vlastnosti tepelného zpracování titanových slitin, zvýšit pevnost kalených a stárnutí titanových slitin a zvýšit tvrdost. Mezi další slitiny titanu s vývojovým potenciálem patří:
1) Sací ventil může být vyroben z Ti-62S, který má vlastnosti ekvivalentní Ti-6Al-4V a je levnější.
2) Výfukový ventil může být vyroben z Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Po{{7} }.45Si. Díky nižšímu obsahu Mo je jeho odolnost proti tečení lepší než Ti-6242S a jeho odolnost proti oxidaci může dosáhnout 600 stupňů . .
3) Výfukový ventil může být vyroben z -TiAl, který má vlastnosti vysoké teplotní odolnosti a nízké hmotnosti, ale není vhodný pro tradiční způsoby kování při zpracování. Je vhodný pouze pro odlévání a zpracování práškovou metalurgií.
3. Sedlo pružiny ventilu
Vysoká pevnost a odolnost proti únavě jsou nezbytné vlastnosti pro sedlo ventilové pružiny. Beta titanová slitina je tepelně zpracovaná slitina, která může získat vysokou pevnost zpracováním stárnutím v tuhém roztoku. Odpovídající vhodnější materiály jsou Ti-15V-3Cr- 3Al-3Sn a Ti-15Mo-3Al-2 .7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors používá ve svých velkosériově vyráběných vozidlech sedla ventilových pružin Ti{11}}V-4Al z titanové slitiny, což snižuje hmotnost o 42 % ve srovnání s původními ocelovými zámky a snižuje setrvační hmotnost ventilu mechanismus o 6 % a zvýší maximální otáčky motoru. 300 ot./min.
4. Pružina z titanové slitiny
Titan a jeho slitiny mají nižší modul pružnosti a větší hodnotu σs/E než ocelové materiály, díky čemuž jsou vhodné pro výrobu elastických součástí. Ve srovnání s ocelovými automobilovými pružinami je za předpokladu stejné elastické práce výška titanových pružin pouze 40% ocelových pružin a hmotnost je pouze 30% až 40% ocelových pružin, což usnadňuje konstrukci karoserie. Navíc vynikající únavové vlastnosti a odolnost titanové slitiny proti korozi mohou prodloužit životnost pružiny. V současné době mezi materiály ze slitiny titanu, které lze použít k výrobě automobilových pružin, patří Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al a Ti-13V11C-3Al.
5. Turbodmychadlo
Turbodmychadla mohou zlepšit účinnost spalování motoru a zvýšit výkon motoru a točivý moment. Rotor turbíny turbodmychadla potřebuje dlouhodobě pracovat ve výfukových plynech o vysoké teplotě nad 850 stupňů, proto vyžaduje dobrou tepelnou odolnost. Tradiční lehké kovy, jako jsou hliníkové slitiny, nelze použít kvůli jejich nízkým teplotám tání. Ačkoli se keramické materiály používají v rotorech turbín kvůli jejich nízké hmotnosti a dobré odolnosti vůči vysokým teplotám, jejich použití je omezené kvůli jejich vysoké ceně a neschopnosti optimalizovat jejich tvar. Za účelem vyřešení těchto problémů vyvinul Tetsui a další TiAl turbínový rotor. Po mnoha testech bylo ověřeno, že má nejen dobrou životnost a účinnost, ale také dokáže zlepšit akceleraci motoru. Tento design byl úspěšně komerčně využit u řady Mitsubishi Lancer Evolution.
6. Výfukový systém a tlumič
Titan je široce používán ve výfukových systémech automobilů. Výfukové systémy vyrobené z titanu a jeho slitin mohou nejen zlepšit spolehlivost, prodloužit životnost a zlepšit vzhled, ale také snížit hmotnost a zlepšit účinnost spalování paliva. Ve srovnání s ocelovými výfukovými systémy mohou titanové výfukové systémy snížit hmotnost přibližně o 40 %. U vozů řady Golf lze hmotnost titanového výfukového systému snížit o 7 až 9 kg. V současné době je titanový materiál používaný ve výfukovém systému převážně průmyslově čistý titan.
Titanový tlumič váží pouze 5 až 6 kg, což je lehčí než nerezové a jiné tlumiče. Chevrolet Corvette Z06 z roku 2000 používá 11,8 kg titanový tlumič výfuku a výfukový systém namísto původního 20 kg systému z nerezové oceli, což snižuje hmotnost o 41 %. Vyměněný systém si zachovává svou sílu a činí vůz rychlejším, flexibilnějším a úspornějším. Titanový materiál použitý v tlumiči je také převážně průmyslově čistý titan.
7. Část rámu karoserie
Pro zlepšení bezpečnosti a spolehlivosti automobilů je nutné zvážit konstrukční a výrobní aspekty, zejména výrobní materiály. Titan je velmi dobrý materiál používaný k výrobě rámů karoserií automobilů. Má nejen vysokou měrnou pevnost, ale má také dobrou houževnatost. V Japonsku si výrobci automobilů vybírají pro výrobu rámů karoserie svařované trubky z čistého titanu. Díky tomuto druhu rámu se řidiči mohou při řízení cítit bezpečně.
8. Ostatní díly ze slitiny titanu
Kromě výše uvedených součástí se titan používá také ve vahadlech motoru, pružinách zavěšení, pístních čepech motoru, upevňovacích prvcích pro automobily, maticích, vyčnívajících nosníkech dveří automobilů, konzolách převodovky automobilů, pístech brzdových třmenů, čepových šroubech, tlakových součástech automobilů, jako jsou např. destičky, tlačítka řazení a automobilové spojkové kotouče.

1.Výhody

Titanové slitiny mají výhody nízké hmotnosti, vysoké měrné pevnosti a dobré odolnosti proti korozi, takže jsou široce používány v automobilovém průmyslu. Nejběžnější použití slitin titanu je v systémech automobilových motorů. Použití slitin titanu k výrobě dílů motoru má mnoho výhod, zejména v:
1) Nízká hustota slitiny titanu může snížit setrvačná hmotnost pohyblivých částí. Současně mohou titanové pružiny ventilů zvýšit volné vibrace, zeslabit vibrace karoserie vozu a zvýšit otáčky motoru a výstupní výkon.
2) Snížení setrvačné hmoty pohyblivých částí, čímž se sníží tření a zlepší se spotřeba paliva motoru.
3) Volba titanové slitiny může snížit zátěžové namáhání souvisejících dílů a zmenšit velikost dílů, čímž se sníží hmotnost motoru a celého vozidla.
4) Snížení setrvačné hmoty součástí snižuje vibrace a hluk a zlepšuje výkon motoru.
Aplikace titanových slitin v dalších komponentech může zlepšit komfort personálu a estetiku automobilů. V aplikacích v automobilovém průmyslu hrají slitiny titanu neměřitelnou roli při úspoře energie a snižování spotřeby.
2. Omezení aplikace
Ačkoli díly ze slitiny titanu mají tak vynikající vlastnosti, je ještě dlouhá cesta, než se titan a jeho slitiny široce používají v automobilovém průmyslu. Mezi důvody patří vysoká cena, špatná tvarovatelnost a špatný svařovací výkon.
S rozvojem technologie blízkého tvaru titanové slitiny a moderními svařovacími technologiemi, jako je svařování elektronovým paprskem, svařování plazmovým obloukem a laserové svařování v posledních letech, problémy s tvářením a svařováním titanových slitin již nejsou klíčovými faktory omezujícími použití titanu. slitiny. Hlavním důvodem, proč je široce používán v automobilovém průmyslu, je vysoká cena.
Ať už se jedná o prvotní tavení kovu nebo následné zpracování, cena titanových slitin je mnohem vyšší než u jiných kovů. Náklady na titanové díly, které může automobilový průmysl přijmout, jsou 8 až 13 USD/kg za ojnice, 13 až 20 USD za ventily a 8 za pružiny, výfukové systémy motoru a spojovací prvky. Pod USD/kg. Současné náklady na díly vyrobené z titanových materiálů jsou mnohem vyšší než tyto ceny. Výrobní náklady titanových plátů jsou většinou vyšší než 33 USD/kg, což je 6 až 15krát více než hliníkových plátů a 45 až 83krát více než ocelových plátů.