Titaani rakendused autotööstuses

Kuigi titaanisulameid on laialdaselt kasutatud kosmose-, naftakeemia- ja laevaehitustööstuses, on nende kasutamine autotööstuses arenenud aeglaselt. Alates esimese täistitaanist auto edukast väljatöötamisest General Motorsi poolt 1956. aastal Ameerika Ühendriikides, jõudsid titaanist autoosad masstootmise tasemele alles 1980. aastatel. 1990. aastatel, kui nõudlus luksusautode, sportautode ja võidusõiduautode järele aasta-aastalt kasvas, on titaanist autoosad Valmistatud osad kiiresti arenenud. 1990. aastal kasutati autodes üle maailma vaid 50 tonni titaani. 1997. aastal jõudis see 500 tonnini. 2002. aastal jõudis see 1100 tonnini. 2009. aastal jõudis see 3,000tonni. Eeldatakse, et 2015. aastal ületab autodes kasutatava titaani kogus üle maailma 5,000t. Praegu kasutatakse tavaliselt järgmist tüüpi titaanisulamist osi.

1. Mootori ühendusvarras
Titaanisulam on ideaalne materjal ühendusvarraste jaoks. Titaanisulamist valmistatud mootori ühendusvardad võivad tõhusalt vähendada mootori massi, parandada kütusesäästlikkust ja vähendada heitgaaside mahtu. Võrreldes terasest ühendusvarrastega võivad titaanist ühendusvardad massi vähendada 15% kuni 2{12}}%. Titaanisulamist ühendusvarraste kasutamine kajastus esmakordselt Itaalia uues Ferrari sedaanis 3.5LV8 ja Acura NSX mootoris. Peamised materjalid, mida titaanisulamist ühendusvarrastes kasutatakse, on Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V ja Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si. Muud titaanisulamist materjalid, nagu Ti-4Al Arendamisel on ka -2Si-4Mn ja Ti-7M-4Mo kasutamine kepsudes.
2.Mootori klapp
Titaanisulamist valmistatud automootori ventiilid ei saa mitte ainult vähendada massi ja pikendada kasutusiga, vaid ka vähendada kütusekulu ja parandada sõiduki töökindlust. Võrreldes terasventiilidega võivad titaanventiilid vähendada massi 30–40% ja mootori piirkiirust saab suurendada 20%. Praeguste rakenduste osas on sisselaskeklapi materjal peamiselt Ti-6Al-4V ja väljalaskeklapi materjal on peamiselt Ti-6242S. Tavaliselt lisatakse Sn ja Al kokku, et saada väiksem rabedus ja suurem tugevus; Mo lisamine võib parandada titaanisulamite kuumtöötlusomadusi, suurendada titaanisulamite karastamise ja vananemise tugevust ning suurendada kõvadust. Muud arenduspotentsiaaliga titaanisulamid hõlmavad järgmist:
1) Sisselaskeklapp võib olla valmistatud Ti-62S-st, mille omadused on samaväärsed Ti-6Al-4V-ga ja mis on odavam.
2) Väljalaskeklapp võib olla valmistatud Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo{{7} }.45Si. Madalama Mo-sisalduse tõttu on selle roomamiskindlus parem kui Ti-6242S ja selle oksüdatsioonikindlus võib ulatuda 600 kraadini. .
3) Väljalaskeventiil võib olla valmistatud -TiAl-st, millel on kõrge temperatuuritaluvus ja kerge kaal, kuid see ei sobi töötlemise ajal traditsiooniliste sepistamismeetodite jaoks. See sobib ainult valamiseks ja pulbermetallurgia töötlemiseks.
3. Klapi vedrupesa
Suur tugevus ja väsimuskindlus on ventiili vedrupesa vajalikud omadused. Beeta-titaanisulam on kuumtöödeldud sulam, mis võib saavutada suure tugevuse tahke lahusega vanandamisega töötlemisel. Vastavad sobivamad materjalid on Ti-15V-3Cr- 3Al-3Sn ja Ti-15Mo-3Al-2 .7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors kasutab oma suuremahulistes tootmissõidukites Ti-22V-4Al-titaanisulamist klapivedrupesasid, mis vähendab massi võrreldes originaalsete teraslukkudega 42% ja klapi inertsiaalset massi. mehhanism 6% võrra ja suurendab mootori maksimaalset pöörete arvu. 300 p/min.
4.Titanium sulamist vedru
Titaanil ja selle sulamitel on madalam elastsusmoodul ja suurem σs/E väärtus kui terasmaterjalidel, mistõttu need sobivad elastsete komponentide valmistamiseks. Võrreldes auto terasest vedrudega on sama elastse töö eeldusel titaanvedrude kõrgus vaid 40% terasvedrudest ja mass vaid 30% kuni 40% terasvedrudest, mis hõlbustab auto kere kujundamist. Lisaks võivad titaanisulami suurepärased väsimusomadused ja korrosioonikindlus pikendada vedru kasutusiga. Praegu on autovedrude valmistamiseks kasutatavate titaanisulamite materjalide hulka Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al ja Ti-13V11C-3Al.
5. Turbolaadur
Turboülelaadurid võivad parandada mootori põlemistõhusust ning suurendada mootori võimsust ja pöördemomenti. Turboülelaaduri turbiini rootor peab pikka aega töötama kõrgel temperatuuril üle 850 kraadises heitgaasis, mistõttu on vaja head kuumakindlust. Traditsioonilisi kergmetalle, näiteks alumiiniumisulameid, ei saa kasutada nende madala sulamistemperatuuri tõttu. Kuigi keraamilisi materjale kasutatakse turbiinide rootorites nende kerge kaalu ja hea kõrge temperatuuritaluvuse tõttu, on nende kasutamine piiratud nende kõrge hinna ja võimetuse tõttu nende kuju optimeerida. Nende probleemide lahendamiseks töötasid Tetsui ja teised välja TiAl turbiini rootori. Pärast paljusid katseid on tõestatud, et sellel pole mitte ainult hea vastupidavus ja tõhusus, vaid see võib parandada ka mootori kiirendust. Seda disaini on edukalt kasutatud Mitsubishi Lancer Evolutioni seerias.
6. Väljalaskesüsteem ja summuti
Titaani kasutatakse laialdaselt autode väljalaskesüsteemides. Titaanist ja selle sulamitest valmistatud väljalaskesüsteemid ei saa mitte ainult parandada töökindlust, pikendada eluiga ja parandada välimust, vaid ka vähendada massi ja parandada kütuse põlemise efektiivsust. Võrreldes terasest väljalaskesüsteemidega võivad titaanist väljalaskesüsteemid massi vähendada ligikaudu 40%. Golf-seeria autodel saab titaanist väljalaskesüsteemi massi vähendada 7–9 kg. Praegu on väljalaskesüsteemis kasutatav titaanmaterjal peamiselt tööstuslik puhas titaan.
Titaanist summuti kaalub vaid 5 kuni 6 kg, mis on kergem kui roostevabast terasest ja muudest summutitest. 2000. aasta Chevrolet Corvette Z06 kasutab algse 20 kg roostevabast terasest süsteemi asemel 11,8 kg titaanist summutit ja väljalasketorusüsteemi, mis vähendab massi 41%. Vahetatud süsteem säilitab oma tugevuse ning muudab auto kiiremaks, paindlikumaks ja kütusesäästlikumaks. Summutis kasutatav titaanmaterjal on samuti peamiselt tööstuslik puhas titaan.
7. Kereraami osa
Autode ohutuse ja töökindluse parandamiseks on vaja arvestada disaini ja valmistamise aspekte, eriti tootmismaterjale. Titaan on väga hea materjal, mida kasutatakse auto kereraamide valmistamiseks. Sellel pole mitte ainult kõrge eritugevus, vaid ka hea sitkus. Jaapanis valivad autotootjad kereraamide valmistamiseks puhtast titaanist keevitatud torud. Selline raam võib muuta juhid sõidu ajal turvaliselt tunda.
8. Muud titaanisulamist osad
Lisaks ülaltoodud komponentidele kasutatakse titaani ka mootori nookurhoobades, vedrustusvedrudes, mootori kolvitihvtides, autode kinnitusdetailides, mutrimutrites, autoukse väljaulatuvates talades, mootorsõidukite käigukronsteinides, pidurisadula kolbides, tihvtide poltides, surves Autoosad nagu nt. plaadid, käigukangi nupud ja auto sidurikettad.

1. Eelised

Titaanisulamitel on kerge kaal, kõrge eritugevus ja hea korrosioonikindlus, seetõttu kasutatakse neid autotööstuses laialdaselt. Titaanisulameid kasutatakse kõige sagedamini autode mootorisüsteemides. Titaanisulamite kasutamisel mootoriosade valmistamisel on palju eeliseid, peamiselt:
1) Titaanisulami madal tihedus võib vähendada liikuvate osade inertsiaalset massi. Samal ajal võivad titaanist klapivedrud suurendada vaba vibratsiooni, nõrgendada auto kere vibratsiooni ning suurendada mootori kiirust ja väljundvõimsust.
2) Vähendage liikuvate osade inertsiaalset massi, vähendades seeläbi hõõrdumist ja parandades mootori kütusesäästlikkust.
3) Titaanisulami valimine võib vähendada seotud osade koormust ja osade suurust, vähendades seeläbi mootori ja kogu sõiduki kaalu.
4) Komponentide inertsiaalmassi vähendamine vähendab vibratsiooni ja müra ning parandab mootori jõudlust.
Titaanisulamite kasutamine muudes komponentides võib parandada personali mugavust ja autode esteetikat. Autotööstuses on titaanisulamid mänginud mõõtmatut rolli energia säästmisel ja tarbimise vähendamisel.
2. Rakenduspiirangud
Kuigi titaanisulamist osadel on nii suurepärased omadused, on titaani ja selle sulamite autotööstuses laialdase kasutamiseni veel pikk tee minna. Põhjusteks on kõrge hind, halb vormitavus ja kehv keevitusjõudlus.
Titaanisulamite võrgukujulähedase tehnoloogia ja kaasaegsete keevitustehnoloogiate, nagu elektronkiirkeevitus, plasmakaarkeevitus ja laserkeevitus viimastel aastatel arenedes, ei ole titaanisulamite vormimis- ja keevitusprobleemid enam titaani kasutamist piiravad tegurid. sulamid. Peamine põhjus, miks seda autotööstuses laialdaselt kasutatakse, on kõrge hind.
Olgu selleks metalli esmane sulatamine või hilisem töötlemine, on titaanisulamite hind palju kõrgem kui teistel metallidel. Titaandetailide hind, mida autotööstus võib aktsepteerida, on 8–13 USA dollarit kilogrammi kohta kepsude, 13–20 USA dollari klappide ja 8 dollari eest vedrude, mootori väljalaskesüsteemide ja kinnitusdetailide eest. Alla USD/kg. Titaanmaterjalidest toodetud osade praegune maksumus on nendest hindadest palju kõrgem. Titaanplaatide tootmismaksumus on valdavalt kõrgem kui 33 USA dollarit/kg, mis on 6–15 korda kõrgem alumiiniumplaatide omast ja 45–83 korda suurem terasplaatide omast.