Under de senaste åren, med den snabba utvecklingen av bilindustrin, har bränsleförbrukningen, miljöskyddet och säkerhetsfrågor som genererats av bilar väckt ökande uppmärksamhet. Ser fram emot den framtida utvecklingsriktningen för bilindustrin, lätt, låg bränsleförbrukning och låga utsläpp är teman för utveckling. Enligt statistik från internationella auktoritativa avdelningar konsumeras 60% av energin för förbränning av bilbränslen av sin egen vikt. Även om tunna stålplattor med hög hållfasthet, aluminium, magnesium, metallbaserade kompositmaterial och plasthartsmaterial har spelat en roll för att minska vikten av bilar, har uppkomsten av industriella titanmaterial gjort biltillverkning till ett bättre val.
Titanmetall har fördelarna med låg densitet, hög specifik styrka och god korrosionsbeständighet. Användningen av titanmaterial i bilar kan avsevärt minska vikten på bilkroppen, minska bränsleförbrukningen, förbättra motorns arbetseffektivitet, förbättra miljön och minska buller. Det höga priset gör dock att titanlegeringar bara har vissa applikationer i lyxmodeller och sportbilar i bilindustrin och sällan i vanliga bilar. Därför är forskning och utveckling av lågkostnadstitanlegeringar som uppfyller marknadsbehov nyckeln till att främja dess tillämpning i vanliga hushållsbilar.
Aktuell tillämpning av titanlegeringar i bilindustrin
Även om titanlegeringar har använts i stor utsträckning inom flyg-, petrokemiska och varvsindustrier, har deras tillämpning inom bilindustrin utvecklats långsamt. Sedan den framgångsrika utvecklingen av den första all-titanbilen av General Motors i USA 1956, nådde Titanium Auto Parts inte nivån på massproduktionen förrän på 1980-talet. På 1990 -talet, med den ökande efterfrågan på lyxbilar, sportbilar och tävlingsbilar, har titandelar utvecklats snabbt. 1990 var mängden titan som användes i bilar över hela världen endast 50 ton, som nådde 500 ton 1997, 1100 ton 2002 och 3000 ton 2009. Det förväntas att mängden titan som används i bilar över hela världen kommer att överstiga 5000 ton 2015. För närvarande följer följande titanalloydelar vanligt.
1. Motorns anslutningsstång
Titanlegering är ett idealiskt val för att ansluta stavmaterial. Motoranslutningsstänger av titanlegering kan effektivt minska motormassan, förbättra bränsleeffektiviteten och minska avgasvolymen. Jämfört med stålanslutningsstänger kan titananslutningsstänger minska massan med 15% till 2 0%. Tillämpningen av titanlegeringsanslutningsstänger återspeglades först i den nya italienska Ferrari 3.5LV8 och Acura NSX -motorerna. Materialen som används för titanlegeringsanslutningsstänger är huvudsakligen ti -6 al -4 V, ti -10 V -2 fe -3 al, ti {10}} al -2. Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si, and other titanium alloy materials such as Ti-4Al-2Si-4Mn and Ti-7M-4Mo are also being developed for use in connecting rods.
2. Motorventiler
Bildmotorventiler tillverkade av titanlegering kan inte bara minska vikten och förlänga livslängden utan också minska bränsleförbrukningen och förbättra bilens tillförlitlighet. Jämfört med stålventiler kan titanventiler minska vikten med 30%till 40%och motorgränshastigheten kan ökas med 20%. När det gäller nuvarande applikationer är inloppsventilmaterialet huvudsakligen ti -6 al -4 V, och avgasventilmaterialet är huvudsakligen ti -6242 s. Vanligtvis tillsätts SN och AL för att få lägre sprödhet och högre styrka; Tillsatsen av MO kan förbättra värmebehandlingsprestanda för titanlegering, förbättra styrkan hos släckt och åldrat titanlegering och öka hårdheten. Andra titanlegeringar med utvecklingspotential är:
1) Inloppsventilen kan vara gjord av ti -62 s, som har samma egenskaper som ti -6 al -4 V och är billigare.
2) Avgasventilen kan vara gjord av ti -6 al -2 sn -4. 0 zr -0. 4- mo -0. 45si. På grund av det lägre MO -innehållet är dess krypmotstånd bättre än ti -6242 S, och oxidationsmotståndstemperaturen kan nå 600 grader.
3) Avgasventilen kan vara tillverkad av -tial, som har egenskaperna för hög temperaturmotstånd och lätt vikt, men den är inte lämplig för bearbetning med traditionella smidningsmetoder och är endast lämplig för gjutning och pulvermetallurgi.
3. Ventilfjäderstol
Hög styrka och trötthetsmotstånd är de egenskaper som ventilfjäderstolar måste ha. -Titanlegering är en värmebehandlingsbeläggning som kan få hög styrka genom fast åldrande av lösning. Motsvarande mer lämpliga material är ti -15 v -3 cr -3 al -3 sn och ti -15 mo {7}} al -2. 7nb -0. Mitsubishi-motorer använder ti -22 V -4 al titanlegeringsventilfjäderstol på sin massproducerade bilar, vilket minskar massan med 42% jämfört med det ursprungliga stållåset, reducerar den tröghetsmassan för ventilmekanismen med 6% och ökar maximal motorvarvtal med 300R/min.
4. Titanlegering
Titan och dess legeringar har en lägre elastisk modul och ett stort σs/e -värde relativt stålmaterial och är lämpliga för tillverkning av elastiska komponenter. Jämfört med Steel Automobile Springs, under förutsättningen för samma elastiska arbete, är höjden på Titanium Springs endast 40% av stålfjädrar, och massan är endast 30% till 40% av stålfjädrar, vilket är bekvämt för kroppsdesign. Dessutom kan den utmärkta trötthetsprestanda och korrosionsbeständighet hos titanlegeringar öka livslängden för fjädrar. För närvarande inkluderar titanlegeringsmaterial som kan användas för att tillverka bilfjädrar ti -4. 5fe6.8mo -1. 5Al och ti -13 v11c -3 al.
5. Turboladdare
Turboladdare kan förbättra motorns förbränningseffektivitet och förbättra motorns kraft och vridmoment. Turboladdarens turbinrotor måste arbeta i högtemperaturavgaser över 850 grader under lång tid, så det kräver god värmemotstånd. Traditionella ljusmetaller som aluminiumlegeringar kan inte användas på grund av deras låga smältpunkt. Även om keramiska material används i turbinrotorer på grund av deras lätta vikt och god hög temperaturresistens, är deras tillämpning begränsad på grund av höga kostnader och oförmågan att optimera formen. För att lösa dessa problem, Tetsui et al. utvecklade Tial Turbine Rotor. Efter många tester och verifieringar har den inte bara god hållbarhet och effektivitet, utan kan också förbättra motorns acceleration. Denna design har framgångsrikt kommersialiserats i Mitsubishi Lancer Evolution -serien.
6. Avgassystem och ljuddämpare
Titan används i stora mängder i bilens avgassystem. Avgassystem gjorda av titan och dess legeringar kan inte bara förbättra tillförlitligheten, förlänga livslängden och förbättra utseendet, utan också minska vikten och förbättra bränsleförbränningseffektiviteten. Jämfört med avgassystem av stål kan titanavgassystem minska vikten med cirka 40%. I golfserien med bilar kan vikten av titanavgassystem minskas med 7 till 9 kg. För närvarande är titan som används i avgassystem huvudsakligen industriellt rent titan.
Vikten på en titanljuddämpare är bara 5 till 6 kg, vilket är lättare än ljuddämpare som rostfritt stål. 2000 Chevrolet Corvette Z06 använder en 11,8 kg titanljuddämpare och bakrörssystem för att ersätta det ursprungliga 20 kg rostfritt stålsystemet, vilket minskar vikten med 41%. Styrkan hos det ersatta systemet förblir oförändrad och bilen är snabbare, mer flexibel och bränsleeffektiv. Titan som används i ljuddämparen är också främst industriellt rent titan.
7. Kroppsramdel
För att förbättra bilens säkerhet och tillförlitlighet är det nödvändigt att överväga design- och tillverkningsaspekter, särskilt tillverkningsmaterialet. Titan är ett bra material för att tillverka kroppsramar. Det har inte bara hög specifik styrka, utan har också god seghet. I Japan väljer biltillverkare rena titanmetallsvetsade rör för att göra kroppsramar, vilket kan få förare att känna sig säkra nog när de kör.
8. Andra titanlegeringsdelar
Förutom ovanstående delar används titan också i motorvockerarmar, fjädrar, motorkolvstift, bilfästelement, luggmuttrar, bildörrsprövningsbalkar, bilstoppfästen, bromsokskolvar, stiftbultar, tryckplattor, skiftknappar och skivor av bilklappar och andra bilar.
Applicering av titanlegeringar
1. Fördelar
Titanlegeringar har fördelarna med lätt vikt, hög specifik styrka och god korrosionsbeständighet, så de används allmänt i bilindustrin. Den mest använda titanlegeringen är bilmotorsystemet. Det finns många fördelar med att använda titanlegeringar för att tillverka motordelar, främst manifesteras i:
1) Den låga densiteten för titanlegeringar kan minska den tröghetsmassan för rörliga delar. Samtidigt kan titanventilfjädrar öka fri vibration, minska vibrationen i bilkroppen och öka motorvarvtalet och utgångseffekten.
2) Minska den tröghetsmassan för rörliga delar, vilket minskar friktionen och förbättrar motorns bränsleeffektivitet.
3) Valet av titanlegering kan minska belastningsspänningen för relaterade delar och minska storleken på delar och därmed minska motorns och hela fordonets vikt.
4) Minskningen av den tröghetsmassan hos delar minskar vibrationer och brus och förbättrar motorens prestanda.
Tillämpningen av titanlegering i andra delar kan förbättra personalens komfort och bilens skönhet. Vid tillämpningen av fordonsindustrin spelar Titanium Alloy en omöjlig roll i energibesparing och konsumtionsminskning.
2. Ansökningsbegränsningar
Även om titanlegeringsdelar har så överlägsen prestanda, finns det fortfarande en lång väg att gå innan titan och dess legeringar används allmänt i bilindustrin. Skälen inkluderar dyra priser, dålig formbarhet och dålig svetsprestanda.
Med utvecklingen av titanlegering nära nätformningsteknologi och modern svetsningsteknik som elektronstrålsvetsning, plasmbågsvetsning och lasersvetsning under de senaste åren, är formning och svetsproblem med titanlegeringar inte längre de viktigaste faktorerna som begränsar tillämpningen av titanslegeringar. Det främsta skälet till att hindra den utbredda tillämpningen av titanlegeringar i bilindustrin är fortfarande den höga kostnaden.
Oavsett om det är den första smältningen av metallen eller den efterföljande bearbetningen, är priset på titanlegeringar mycket högre än för andra metaller. De acceptabla kostnaderna för titandelar för fordonsindustrin är 8 till 13 US dollar/kg för titanförbindelsestavar, 13 till 20 US dollar/kg för titanventiler och mindre än 8 US dollar/kg för titanfjädrar, motoravgassystem och fästelement. Kostnaden för delar som produceras med titanmaterial är emellertid mycket högre än dessa priser. Produktionskostnaden för titanplattor är mestadels högre än 33 dollar/kg, vilket är 6 till 15 gånger den för aluminiumplattor och 45 till 83 gånger den för stålplattor.
Nuvarande status för forskning om titanlegeringar för bilar
För närvarande är minskande kostnader den huvudsakliga forskningsriktningen för titanlegeringar för bilindustrin. Med tanke på egenskaperna hos kostnadsfördelningen för titanlegeringar för fordonsindustrin, uppnår materialforskning och utvecklingsarbetare främst syftet att minska kostnaderna från följande två aspekter: utveckla nya lågkostnadssystem och använda nya behandlings- och beredningsteknologier.
1. Nytt lågkostnadstitanlegeringssystem
Arbetare från olika länder har utvecklat nya billiga titanlegeringssystem, främst med fokus på följande aspekter: legeringsdesign med billiga legeringselement och legeringsdesign för att förbättra bearbetningsegenskaperna. Bland dem är Japan och USA representanter, och mitt land har också framgångsrikt utvecklat två lågkostnadstitanlegeringar, nämligen TI8LC och TI12LC. I utformningen av lågkostnadstitanlegeringskomponenter för bilar är de vanligt använda billiga legeringselementen Fe, Cr, SI, AL, etc.
2. Ny bearbetning och förberedelseteknik
Bearbetningskostnaden för titanlegeringsmaterial står för mer än 60% av den totala kostnaden under produktionsprocessen. När det gäller att minska kostnaderna har därför hur man minskar behandlingskostnaden för titanlegeringar blivit en viktig forskningsriktning. Forskningen inom detta område är huvudsakligen uppdelad i två aspekter: den ena är att förbättra den traditionella gjutning och smidningsprocessen, och den andra är att använda pulvermetallurgi nära nätformningsteknologi.
I forskningen och utvecklingen av nya smidningsprocesser är kall smidning för närvarande en av de mest lovande metoderna för titanlegeringar för att tillverka bildelar. -Titanlegering har låg deformationsmotstånd vid rumstemperatur och god skärning och formning. Det är ett material som kan vara kallt smidd. För närvarande har Japan utvecklat tre kalldeformade -Titaniumlegeringar. -Titaniumlegering har också några brister. Det är lätt att producera ojämn deformation under kall smidning och är lätt att hålla fast vid formen. Därför kräver massproduktionen av -titanlegeringsdelar som använder kall smidningsteknik ytterligare utforskning och utveckling.
När det gäller att minska bearbetningskostnaden för titanlegeringar är pulvermetallurgi en mycket viktig teknik. Vid tillverkning av pulvermetallurgi-bildelar är den traditionella pressande sintermetoden fortfarande dominerande, främst inklusive elementpulvermetoden (BE) och den föregångade pulvermetoden (PA). För närvarande är elementpulvermetoden den mest använda inom området lågkostnadsbiltitanlegeringspulvermetallurgi på grund av dess enkla process och lägre kostnad. Under de senaste åren har andra pulvermetallurgteknologier också dykt upp, inklusive laserformningsteknologi, metallpulverinsprutning (MIM) och annan teknik, som har använts i stor utsträckning i testproduktionen och produktionen av komplexa fordonsdelar, som kraftigt kan förkorta produktutvecklingen och produktionscykeln och ytterligare minska kostnaderna.
Slutsats
Den nya generationen bildesign ägnar mer uppmärksamhet åt den lätta kroppen, låg bränsleförbrukning, lågt brus och ljusvibration av motorn för att möta de allt strängare miljöbehovet. I detta sammanhang kommer Light Metal Titanium att bli ett stort applikationsmaterial för framtida bilar.
Med hänsyn till den nuvarande statusen för lågkostnadstitanlegeringsforskning för bilar kan det konstateras att för att ytterligare minska kostnaden för titanlegering för bilar bör följande forskning fokuseras på:
1) I utvecklingen av lågkostnadslegeringssystem, försök att utveckla legeringssystem som inte använder eller använder billigare legeringselement utan att påverka prestanda, och samtidigt utveckla och använda återvunna titanlegeringar.
2) Vid utvecklingen av gjutning och smidningsprocesser, utvecklas i riktning mot att utveckla -Titaniumlegeringar och kalldeformade titanlegeringar och genomföra genomförbarhetsstudier på deras massproduktion.
3) I pulvermetallurgi, samtidigt som det säkerställer lågkostnadsfördelen, är det nödvändigt att ytterligare förbättra prestandan för titandelar.
Med utvecklingen av ekonomin och minskningen av titankostnaderna kommer fler tekniska designers att välja titandelar som bildelar. Titanlegeringar kommer så småningom att ockupera en viktig position i produktionen av bilindustrin.
