Stan zastosowania stopu tytanu w przemyśle samochodowym
W ostatnich latach, wraz z szybkim rozwojem przemysłu samochodowego, coraz większą uwagę zwraca się na problemy zużycia paliwa, ochrony środowiska i bezpieczeństwa generowanego przez samochody. Patrząc z niecierpliwością na kierunek rozwoju przemysłu samochodowego w przyszłości, głównymi tematami rozwoju są lekkość, niskie zużycie paliwa i mniejsza emisja gazów cieplarnianych. Według statystyk władz międzynarodowych 60% energii spalania paliwa w samochodzie jest zużywane w tej samej jakości, chociaż obecne blachy stalowe o wysokiej wytrzymałości, aluminium, magnez, materiały kompozytowe z osnową metalową i żywice z tworzyw sztucznych odegrały rolę rolę w zmniejszaniu masy samochodu, ale pojawienie się przemysłowych materiałów tytanowych sprawia, że produkcja samochodów ma lepszy wybór.
Tytan metaliczny ma zalety niskiej gęstości, wysokiej wytrzymałości właściwej i dobrej odporności na korozję, a zastosowanie materiałów tytanowych w samochodach może znacznie obniżyć jakość nadwozia, zmniejszyć zużycie paliwa, poprawić wydajność pracy silnika, poprawić środowisko i zmniejszyć hałas . Jednak wysoka cena sprawia, że stop tytanu w motoryzacji może mieć jedynie pewne zastosowania w luksusowych modelach i samochodach sportowych, a nieliczne w zwykłych samochodach. Dlatego badania i rozwój tanich stopów tytanu, które odpowiadają potrzebom rynku, są kluczem do promowania jego zastosowania w zwykłych pojazdach gospodarstwa domowego.
Stan zastosowania stopu tytanu w przemyśle samochodowym
Chociaż stopy tytanu są szeroko stosowane w przemyśle lotniczym, petrochemicznym i stoczniowym, ich zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym rozwija się powoli. Odkąd w 1956 roku firma General Motors w Stanach Zjednoczonych z sukcesem opracowała pierwszy samochód wykonany w całości z tytanu, tytanowe części samochodowe osiągnęły poziom produkcji masowej dopiero w latach 80-tych i 90-tych, wraz ze wzrostem popytu na samochody luksusowe, sportowe i samochodów wyścigowych, szybko opracowano części tytanowe. W 1990 r. ilość tytanu stosowanego w samochodach na świecie wynosiła zaledwie 50 ton, w 1997 r. osiągnęła 500 ton, w 2002 r. osiągnęła 1100 ton, w 2009 r. osiągnęła 3000 ton i oczekuje się, że ilość tytanu wykorzystywanego w samochodach na świecie przekroczy 5000 ton w 2015 roku. Obecnie części ze stopów tytanu mają następujące powszechnie stosowane rodzaje.
1. Korbowód silnika
Stop tytanu jest idealnym wyborem do materiałów korbowodów. Korbowód silnika wykonany ze stopu tytanu może skutecznie zmniejszyć masę silnika, poprawić efektywność paliwową i zmniejszyć objętość spalin. W porównaniu ze stalowym korbowodem tytanowy korbowód może zmniejszyć masę o 15% do 20%. Zastosowanie prętów tytanowych po raz pierwszy zademonstrowano we Włoszech w nowych silnikach Ferrari 3.5LV8 i Acura NSX. Głównymi materiałami stosowanymi w korbowodzie ze stopu tytanu są Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V i Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si itp. Inne materiały ze stopów tytanu, takie jak Ti-4Al-2Si-4Mn i Ti-7M-4Mo są również opracowywane do zastosowania w korbowodach.
2. Zawór silnika
Zawór silnika samochodowego wykonany ze stopu tytanu może nie tylko zmniejszyć masę i przedłużyć żywotność, ale także zmniejszyć zużycie paliwa i poprawić niezawodność samochodu. W porównaniu z zaworem stalowym jakość zaworu tytanowego można obniżyć o 30% do 40%, a prędkość graniczną silnika można zwiększyć o 20%. Jeśli chodzi o obecne zastosowanie, materiałem zaworu wlotowego jest głównie Ti-6Al-4V, a materiałem zaworu wydechowego jest głównie Ti-6242S. Zwykle Sn i Al dodaje się razem, co pozwala uzyskać mniejszą kruchość i większą wytrzymałość. Dodatek Mo może poprawić wydajność obróbki cieplnej stopu tytanu, wzmocnić wytrzymałość hartowania i starzenia stopu tytanu oraz zwiększyć twardość. Inne stopy tytanu posiadające potencjał rozwoju to:
1) Zawór wlotowy może być wykonany z Ti-62S, którego właściwości są równoważne Ti-6Al-4V, a cena jest niższa.
2) W zaworze wydechowym można zastosować Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo-0. 45Si, ze względu na niższą zawartość Mo, jego odporność na pełzanie jest lepsza niż Ti-6242S, a temperatura odporności na utlenianie może osiągnąć 600 stopni.
3) Zawór wydechowy może wykorzystywać -TiAl, który ma właściwości odporności na wysoką temperaturę i niewielką wagę, ale nie nadaje się do tradycyjnej metody kucia podczas przetwarzania, nadaje się tylko do odlewania i obróbki metalurgii proszków.
3. Gniazdo sprężyny zaworu
Wysoka wytrzymałość i odporność na zmęczenie to cechy, które musi posiadać gniazdo sprężyny zaworu, stop tytanu jest stopem do obróbki cieplnej, można uzyskać wysoką wytrzymałość poprzez obróbkę starzenia w roztworze, odpowiednimi bardziej odpowiednimi materiałami są Ti-15V{{1} }Cr-3Al-3Sn i Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors stosuje w swoich pojazdach produkowanych masowo gniazda sprężyn zaworowych ze stopu tytanu Ti-22V-4Al, co zmniejsza masę o 42% w porównaniu z oryginalnym stalowym zamkiem, a także zmniejsza masę bezwładności mechanizmu zaworowego o 6%, a maksymalna prędkość obrotowa silnika wzrosła o 300 obr/min.
4. Sprężyna ze stopu tytanu
Tytan i jego stopy charakteryzują się niskim modułem sprężystości w porównaniu z materiałami stalowymi oraz dużą wartością σs/E, co jest odpowiednie do wytwarzania elementów elastycznych. W porównaniu ze stalowymi sprężynami samochodowymi, przy założeniu tej samej pracy sprężystej, wysokość sprężyny tytanowej wynosi tylko 40% sprężyny stalowej, a masa wynosi tylko 30% do 40% sprężyny stalowej, co jest łatwe do zaprojektowania karoseria. Ponadto doskonała odporność na zmęczenie i korozję stopu tytanu może poprawić żywotność sprężyny. Obecnie stopami tytanu, które można stosować do produkcji sprężyn samochodowych, są 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 C, dlatego wymaga dobrej odporności termicznej. 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 odporność na wysoką temperaturę, ich zastosowanie jest ograniczone ze względu na wysoki koszt i brak możliwości optymalizacji kształtu. Aby rozwiązać te problemy, Tetsui i in. opracował wirnik turbiny TiAl, który ma nie tylko dobrą trwałość i wydajność, ale także może poprawić przyspieszenie silnika po wielu testach. Projekt ten został pomyślnie skomercjalizowany w serii Mitsubishi Lancer Evolution.
6. Układ wydechowy i tłumik
Tytan stosowany jest w układach wydechowych samochodów. Układy wydechowe wykonane z tytanu i jego stopów mogą nie tylko poprawić niezawodność, wydłużyć żywotność i poprawić wygląd, ale także zmniejszyć masę i zwiększyć efektywność spalania paliwa. Tytanowy układ wydechowy może zmniejszyć masę o około 40% w porównaniu ze stalowym układem wydechowym. W samochodach serii Golf jakość tytanowego układu wydechowego można obniżyć o 7 ~ 9kg, a tytan zastosowany w układzie wydechowym to głównie czysty tytan przemysłowy.
Waga tłumika tytanowego wynosi tylko 5 ~ 6 kg, czyli jest lżejsza niż tłumik ze stali nierdzewnej. W samochodzie Chevrolet CorvetteZ06 z 2000 r. zastosowano tytanowy tłumik i układ rur wydechowych o masie 11,8 kg zamiast oryginalnego układu ze stali nierdzewnej o masie 20 kg, co pozwoliło zmniejszyć masę o 41%. System wymiany ma tę samą wytrzymałość i sprawia, że samochód jest szybszy, bardziej elastyczny i oszczędny. Tytan zastosowany w tłumiku to także 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 dobrym materiałem stosowanym do produkcji ram karoserii samochodowych, który ma nie tylko wysoką wytrzymałość właściwą, ale także dobrą wytrzymałość. W Japonii producenci samochodów wybierają do ramy nadwozia rury spawane z czystego tytanu, co może zapewnić kierowcy wystarczające bezpieczeństwo podczas jazdy.
8. Inne części ze stopu tytanu
Oprócz powyższych części tytan jest również stosowany w wahaczach silnika, sprężynach zawieszenia, sworzniach tłokowych silnika, elementach złącznych samochodów, nakrętkach wiszących uszu, belce zabezpieczającej drzwi samochodu, wsporniku zatrzymania samochodu, tłoku zacisku hamulca, sworzniu sworznia, płycie dociskowej, dźwigni zmiany biegów okrągła tarcza przycisku i sprzęgła oraz inne części samochodowe.
Zastosowanie stopu tytanu
Krok 1: Zalety
Stop tytanu ma zalety lekkości, wysokiej wytrzymałości właściwej i dobrej odporności na korozję, dlatego jest szeroko stosowany w przemyśle motoryzacyjnym, a najczęściej stosowanym stopem tytanu jest układ silnika samochodowego. Zastosowanie stopu tytanu do produkcji części silników ma wiele zalet, głównie w zakresie:
1) Gęstość stopu tytanu jest niska, co może zmniejszyć masę bezwładności ruchomych części, a tytanowa sprężyna zaworu może zwiększyć drgania swobodne, osłabić wibracje korpusu oraz poprawić prędkość silnika i moc wyjściową.
2) Zmniejsz masę bezwładności ruchomych części, zmniejszając w ten sposób siłę tarcia i poprawiając efektywność paliwową silnika.
3) Wybór stopu tytanu może zmniejszyć naprężenia obciążeniowe odpowiednich części, zmniejszyć rozmiar części, aby obniżyć jakość silnika i całego pojazdu.
4) Zmniejszenie masy bezwładności części powoduje osłabienie wibracji i hałasu oraz poprawę wydajności silnika.
Zastosowanie stopu tytanu w innych elementach może poprawić komfort obsługi i piękno samochodu. W zastosowaniach przemysłu motoryzacyjnego stop tytanu odegrał niezmierzoną rolę w oszczędzaniu energii i zmniejszeniu zużycia.
2. Ograniczenia stosowania
Chociaż części ze stopów tytanu charakteryzują się tak doskonałą wydajnością, nadal istnieje duża odległość od ogólnego zastosowania tytanu i jego stopów w przemyśle motoryzacyjnym z powodów obejmujących kosztowność, słabą odkształcalność i słabą wydajność spawania.
Wraz z rozwojem technologii formowania prawie netto stopu tytanu i nowoczesnych technologii spawania, takich jak spawanie wiązką elektronów, spawanie łukiem plazmowym i spawanie laserowe w ostatnich latach, problemy związane z formowaniem i spawaniem stopu tytanu nie są już kluczowymi czynnikami ograniczającymi zastosowanie tytanu stopu tytanu, a główną przyczyną utrudniającą powszechne zastosowanie stopu tytanu w przemyśle motoryzacyjnym jest wysoki koszt.
Niezależnie od tego, czy jest to wstępne wytapianie metalu, czy późniejsza obróbka, cena stopu tytanu jest znacznie wyższa niż cena innych metali. Przemysł motoryzacyjny może zaakceptować koszt części tytanowych, tytanu korbowodu 8–13 dolarów amerykańskich/kg, tytanowego zaworu powietrza 13–20 dolarów amerykańskich/kg, sprężyny, układu wydechowego silnika i tytanowych elementów złącznych, które mają nadzieję wynieść poniżej 8 dolarów amerykańskich/kg . Obecnie koszt części wyprodukowanych z materiałów tytanowych jest znacznie wyższy niż te ceny, a koszt produkcji blachy tytanowej jest w większości wyższy niż 33 dolarów amerykańskich/kg, czyli 6 do 15 razy więcej niż w przypadku blachy aluminiowej i 45 do 83 razy ta z blachy stalowej.
Stan badań samochodowych stopów tytanu
Obecnie głównym kierunkiem badań stopów tytanu stosowanych w przemyśle motoryzacyjnym jest redukcja kosztów. Zgodnie z charakterystyką 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: opracowaniu nowych tanich systemów stopowych oraz zastosowaniu nowych technologii przetwarzania i technologie przygotowania.
1. Nowy, niedrogi system stopów tytanu
Pracownicy w różnych krajach opracowali nowe, tanie systemy stopów tytanu, koncentrując się głównie na następujących aspektach: projektowanie stopów przy użyciu tanich pierwiastków stopowych oraz projektowanie stopów poprawiające właściwości technologiczne. Wśród nich reprezentowane są Japonia i Stany Zjednoczone, a Chiny z sukcesem opracowały dwa tanie stopy tytanu, a mianowicie Ti8LC i Ti12LC. Przy projektowaniu tanich elementów pojazdów ze stopów tytanu powszechnie stosowanymi tanimi pierwiastkami stopowymi są Fe, Cr, Si, Al i tak dalej.
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 głównym przedmiotem badań stało się zmniejszenie kosztów przetwarzania stopu tytanu. Badania w tej dziedzinie dzielą się głównie na dwa aspekty: jeden polega na udoskonaleniu tradycyjnego procesu odlewania i kucia, a drugi na przyjęciu technologii formowania bliskiego siatki w oparciu o metalurgię proszków.
W badaniach i rozwoju nowego procesu kucia, kucie na zimno jest jedną z najbardziej obiecujących metod produkcji części samochodowych ze stopów tytanu. Odporność stopu tytanu na odkształcenia w temperaturze pokojowej jest niewielka, obróbka skrawaniem jest dobra, może być materiałem do kucia na zimno. Japonia opracowała trzy rodzaje stopu tytanu odkształcanego na zimno. stop tytanu ma również pewne wady, łatwo jest spowodować nierównomierne odkształcenie podczas kucia na zimno i łatwo przylega do formy, więc masowa produkcja części ze stopu tytanu za pomocą technologii kucia na zimno nadal wymaga dalszych badań i rozwoju.
Metalurgia proszków jest bardzo ważną technologią w obniżaniu kosztów przetwarzania stopów tytanu. W produkcji części samochodowych metodą metalurgii proszków nadal dominuje tradycyjna metoda spiekania przez prasowanie, obejmująca głównie metodę proszków elementarnych (BE) i metodę proszków przedstopowych (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 pojawiają się także inne technologie metalurgii proszków, w tym technologia formowania laserowego, formowanie wtryskowe proszków metali (MIM) i inne technologie, które są szeroko stosowane w produkcji próbnej i produkcji skomplikowanych części samochodowych, co może znacznie skrócić czas trwania produktu rozwoju i cyklu produkcyjnego oraz jeszcze bardziej obniżyć koszty.
Perora
Nowa generacja konstrukcji samochodów zwraca większą uwagę na lekkość nadwozia, niskie zużycie paliwa, niski poziom hałasu silnika i lekkie wibracje, aby sprostać coraz większym wymaganiom środowiska. W tym kontekście tytan będący metalem lekkim stanie się głównym materiałem wybieranym w przyszłych pojazdach.
Biorąc pod uwagę aktualny stan badań tanich stopów tytanu do zastosowań motoryzacyjnych, można stwierdzić, że w celu dalszej redukcji kosztów samochodowych stopów tytanu badania powinny skupiać się głównie na następujących aspektach:
1) Podczas opracowywania tanich systemów stopowych należy starać się opracowywać systemy stopowe, w których nie stosuje się drogich elementów stopowych lub w ich mniejszej ilości, bez wpływu na wydajność, oraz w pełni rozwijać i wykorzystywać stopy tytanu pochodzące z recyklingu.
2) W zakresie rozwoju procesu odlewania i kucia opracowano kierunek rozwoju stopu tytanu i stopu tytanu odkształcanego na zimno oraz przeprowadzono studium wykonalności produkcji masowej.
3) W metalurgii proszków, zapewniając przewagę w postaci niskich kosztów, konieczne jest również dalsze ulepszanie wydajności części tytanowych.
Wraz z rozwojem gospodarki i spadkiem kosztów tytanu coraz więcej inżynierów będzie wybierać części tytanowe do części samochodowych. Stopy tytanu w przyszłości odegrają ważną rolę w produkcji przemysłu motoryzacyjnego.
