Søknadsstatus for titanlegering i bilindustrien
De siste årene, med den raske utviklingen av bilindustrien, har problemene med drivstofforbruk, miljøvern og sikkerhet generert av biler blitt viet mer og mer oppmerksomhet. Ser frem til utviklingsretningen for bilindustrien i fremtiden, er lettvekt, lavt drivstofforbruk og mindre utslipp temaene for utviklingen. I følge statistikken til internasjonale myndigheter forbrukes 60 % av drivstoffforbrenningsenergien til bilen i sin egen kvalitet, selv om dagens høyfaste stålplater, aluminium, magnesium, metallmatrisekomposittmaterialer og plastharpiksmaterialer har spilt en rolle i å redusere vekten av bilen, men fremveksten av industrielle titanmaterialer gjør at bilproduksjonen har et bedre valg.
Titanmetall har fordelene med lav tetthet, høy spesifikk styrke og god korrosjonsbestandighet, og bruk av titanmaterialer i biler kan i stor grad redusere kroppskvaliteten, redusere drivstofforbruket, forbedre arbeidseffektiviteten til motoren, forbedre miljøet og redusere støy . Den dyre prisen gjør imidlertid at titanlegering i bilindustrien bare kan ha noen bruksområder i luksusmodeller og sportsbiler, og få bruksområder i vanlige biler. Derfor er forskning og utvikling av rimelige titanlegeringer som oppfyller markedets behov nøkkelen til å fremme bruken i vanlige husholdningskjøretøyer.
Bruksstatus for titanlegering i bilindustrien
Selv om titanlegeringer har vært mye brukt i romfart, petrokjemisk industri og skipsbyggingsindustri, har deres anvendelse i bilindustrien vært treg å utvikle. Siden USA General Motors med suksess utviklet den første titanbilen i 1956, nådde ikke titan bildeler masseproduksjonsnivået før på 1980-tallet, og på 1990-tallet, med økningen i etterspørselen etter luksusbiler, sportsbiler og racerbiler, titan deler har blitt raskt utviklet. I 1990 var mengden titan som ble brukt i biler i verden bare 50 tonn, i 1997 nådde den 500 tonn, i 2002 nådde den 1100 tonn, i 2009 nådde den 3000 tonn, og det forventes at mengden titan brukt i biler i verden vil overstige 5000t i 2015. For tiden har titanlegeringsdeler følgende typer ofte brukt.
1. Motorens koblingsstang
Titanlegering er et ideelt valg for koblingsstangmaterialer. Motorens koblingsstang laget av titanlegering kan effektivt redusere motormassen, forbedre drivstoffeffektiviteten og redusere eksosvolumet. Sammenlignet med koblingsstang av stål, kan koblingsstang av titan redusere massen på 15 % til 20 %. Bruken av titanstenger ble først demonstrert i de nye Ferrari 3.5LV8- og Acura NSX-motorene i Italia. Hovedmaterialene som brukes i koblingsstangen i titanlegering er Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V og Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si osv. Andre titanlegeringsmaterialer som f.eks. Ti-4Al-2Si-4Mn og Ti-7M-4Mo utvikles også for bruk av koblingsstang.
2. Motorventil
Bilmotorventilen laget av titanlegering kan ikke bare redusere massen og forlenge levetiden, men også redusere drivstofforbruket og forbedre påliteligheten til bilen. Sammenlignet med stålventilen kan kvaliteten på titanventilen reduseres med 30% til 40%, og grensehastigheten til motoren kan økes med 20%. Når det gjelder gjeldende søknad, er materialet til inntaksventilen hovedsakelig Ti-6Al-4V, og materialet til eksosventilen er hovedsakelig Ti-6242S. Vanligvis legges Sn og Al sammen, noe som kan oppnå lavere sprøhet og høyere styrke. Tilsetning av Mo kan forbedre varmebehandlingsytelsen til titanlegering, styrke styrken til bråkjøling og aldrende titanlegering og øke hardheten. Andre titanlegeringer med potensial for utvikling er:
1) Inntaksventilen kan være Ti-62S, hvis egenskaper tilsvarer Ti-6Al-4V, og prisen er billigere.
2) Eksosventilen kan bruke Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo-0. 45Si, på grunn av det lavere Mo-innholdet, er krypemotstanden bedre enn Ti-6242S, og oksidasjonsmotstandstemperaturen kan nå 600 grader.
3) Eksosventilen kan bruke -TiAl, som har egenskapene til høy temperaturmotstand og lav vekt, men den er ikke egnet for den tradisjonelle smiingsmetoden under bearbeiding, kun egnet for støping og pulvermetallurgibehandling.
3. Ventilfjærsete
Høy styrke og tretthetsmotstand er ytelsen til ventilfjærsetet må ha, titanlegering er en legering av varmebehandlingstype, kan oppnå høy styrke gjennom løsningsaldringsbehandling, de tilsvarende mer passende materialene er Ti-15V{{1} }Cr-3Al-3Sn og Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors bruker Ti-22V-4Al titanlegering ventilfjærsete på sine masseproduksjonskjøretøyer, noe som reduserer massen med 42 % sammenlignet med den originale stållåsen, treghetsmassen til ventilmekanismen reduseres med 6 %, og maksimalt motorturtall økes med 300r/min.
4. Titanlegeringsfjær
Titan og dets legeringer har en lav elastisitetsmodul sammenlignet med stålmaterialer og en stor σs/E-verdi, som er egnet for fremstilling av elastiske komponenter. Sammenlignet med stålfjærer, under forutsetningen av det samme elastiske arbeidet, er høyden på titanfjæren bare 40% av stålfjæren, og massen er bare 30% til 40% av stålfjæren, noe som er lett å designe bilens karosseri. I tillegg kan den utmerkede tretthets- og korrosjonsmotstanden til titanlegering forbedre fjærens levetid. For tiden er titanlegeringsmaterialer som kan brukes til å produsere bilfjærer Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al og Ti-13V11C-3Al.
5. Turbolader
Turboladere kan forbedre forbrenningseffektiviteten til motoren og øke motorens kraft og dreiemoment. Turbinrotoren til turboladeren må fungere i høytemperatur eksosgass over 850 grader C i lang tid, så det krever god varmebestandighet. Tradisjonelle lettmetaller, som aluminiumslegeringer, kan ikke brukes på grunn av deres lave smeltepunkt. Selv om keramiske materialer brukes i turbinrotorer på grunn av deres lette vekt og høye temperaturmotstand, er deres anvendelse begrenset på grunn av høye kostnader og manglende evne til å optimalisere formen. For å løse disse problemene har Tetsui et al. utviklet TiAl turbinrotor, som ikke bare har god holdbarhet og effektivitet, men som også kan forbedre akselerasjonen til motoren etter mange tester. Denne designen har blitt kommersialisert med suksess på Mitsubishi Lancer Evolution-serien.
6. Eksosanlegg og lyddemper
Titan brukes i eksosanlegget til biler. Eksossystemer laget av titan og dets legeringer kan ikke bare forbedre påliteligheten, forlenge levetiden og forbedre utseendet, men også redusere massen og øke drivstoffforbrenningseffektiviteten. Eksossystemet i titan kan redusere massen med ca. 40 % sammenlignet med eksosanlegget i stål. I Golf-serien med biler kan kvaliteten på titaneksossystemet reduseres med 7 ~ 9 kg, og titanet som brukes i eksossystemet er hovedsakelig industriell rent titan.
Vekten på titan-lyddemperen er bare 5 ~ 6 kg, noe som er lettere enn lyddemperen i rustfritt stål. 2000 Chevrolet CorvetteZ06-bilen bruker en 11,8 kg titan lyddemper og eksosrørsystem i stedet for det originale 20 kg rustfritt stål systemet, noe som reduserer massen med 41 %. Erstatningssystemet har samme styrke og gjør bilen raskere, mer fleksibel og drivstoffeffektiv. Titanet som brukes i lyddemperen er også hovedsakelig industriell rent titan.
7. Karosseriets del
For å forbedre sikkerheten og påliteligheten til biler, er det nødvendig å vurdere design- og produksjonsaspektene, spesielt produksjonsmaterialene. Titan er et godt materiale som brukes til å produsere bilkarosserirammer, som ikke bare har høy spesifikk styrke, men også har god seighet. I Japan velger bilprodusentene rene titansveisede rør til karosseriet, noe som kan gjøre at sjåføren har nok sikkerhet under kjøring.
8. Andre deler av titanlegering
I tillegg til de ovennevnte delene, brukes titan også i motorvippearm, opphengsfjær, motorstempelstift, bilfester, hengende øremuttere, bildørsprengning, bilstoppbrakett, bremsekaliperstempel, pinnebolt, trykkplate, girskift knapp og clutch rund plate og andre bildeler.
Påføring av titanlegering
Trinn 1: Fordeler
Titanlegering har fordelene med lett vekt, høy spesifikk styrke og god korrosjonsmotstand, så den er mye brukt i bilindustrien, og den mest brukte titanlegeringen er bilmotorsystemet. Bruken av titanlegering for å produsere motordeler har mange fordeler, hovedsakelig innen:
1) Tettheten til titanlegering er lav, noe som kan redusere treghetsmassen til bevegelige deler, og titanventilfjæren kan øke fri vibrasjon, svekke kroppsvibrasjonen og forbedre motorhastigheten og utgangseffekten.
2) Reduser treghetsmassen til bevegelige deler, og reduserer dermed friksjonskraften og forbedrer drivstoffeffektiviteten til motoren.
3) Valget av titanlegering kan redusere belastningen på de relevante delene, redusere størrelsen på delene, for å redusere kvaliteten på motoren og hele kjøretøyet.
4) Reduksjonen av treghetsmassen til delene gjør at vibrasjonen og støyen svekkes og forbedrer ytelsen til motoren.
Bruken av titanlegering i andre komponenter kan forbedre komforten til personell og skjønnheten til bilen. I bruken av bilindustrien har titanlegering spilt en umåtelig rolle i energisparing og forbruksreduksjon.
2. Søknadsbegrensninger
Selv om titanlegeringsdeler har en så overlegen ytelse, er det fortsatt stor avstand fra den generelle anvendelsen av titan og dets legeringer i bilindustrien, blant annet av grunner som dyre, dårlig formbarhet og dårlig sveiseytelse.
Med utviklingen av nesten-nettformingsteknologi av titanlegering og moderne sveiseteknologi som elektronstrålesveising, plasmabuesveising og lasersveising de siste årene, er formings- og sveiseproblemene til titanlegering ikke lenger nøkkelfaktorene som begrenser bruken av titan. legering, og hovedårsaken til å hindre den utbredte bruken av titanlegering i bilindustrien er de høye kostnadene.
Enten det er den første smeltingen av metallet eller den påfølgende behandlingen, er prisen på titanlegering mye høyere enn for andre metaller. Bilindustrien kan godta kostnadene for titandeler, koblingsstang titan 8 ~ 13 amerikanske dollar / kg, luftventil titan 13 ~ 20 amerikanske dollar / kg, fjær, motoreksosanlegg og festet titan håper å være under 8 amerikanske dollar / kg . For tiden er kostnadene for deler produsert med titanmaterialer mye høyere enn disse prisene, og produksjonskostnadene for titanplater er stort sett høyere enn 33 amerikanske dollar / kg, som er 6 til 15 ganger den for aluminiumsplater og 45 til 83 ganger det av stålplate.
Forskningsstatus for titanlegeringer i bilindustrien
For tiden er kostnadsreduksjon den viktigste forskningsretningen for titanlegeringer som brukes i bilindustrien. I henhold til egenskapene til kostnadsfordelingen til titanlegeringer brukt i bilindustrien, oppnår materialforsknings- og utviklingsarbeidere hovedsakelig formålet med å redusere kostnadene fra følgende to aspekter: utvikling av nye lavkostlegeringssystemer og bruk av ny prosessering og forberedelsesteknologier.
1. Nytt rimelig titanlegeringssystem
Arbeidere i forskjellige land har utviklet nye rimelige titanlegeringssystemer, hovedsakelig med fokus på følgende aspekter: legeringsdesign med billige legeringselementer og legeringsdesign som forbedrer prosessegenskaper. Blant dem er Japan og USA representanter, og Kina har med suksess utviklet to rimelige titanlegeringer, nemlig Ti8LC og Ti12LC. I utformingen av rimelige titanlegeringskomponenter for kjøretøy er de billige legeringselementene som vanligvis brukes Fe, Cr, Si, Al og så videre.
2. Ny prosesserings- og prepareringsteknologi
Behandlingskostnadene for titanlegeringsmaterialer utgjør mer enn 60% av de totale kostnadene i produksjonsprosessen, så når det gjelder å redusere kostnadene, har hvordan å redusere prosesseringskostnadene for titanlegering blitt fokus for forskning. Forskningen på dette området er hovedsakelig delt inn i to aspekter: det ene er å forbedre den tradisjonelle støpe- og smiingsprosessen, og det andre er å ta i bruk pulvermetallurgi nær-nettformingsteknologi.
I forskning og utvikling av ny smiingsprosess er kaldsmiing en av de mest lovende metodene for produksjon av titanlegeringer av bildeler. titanlegering deformasjon motstand ved romtemperatur er liten, skjæring forming er god, kan være kaldt smiing materiale, Japan har utviklet tre typer kald deformasjon titanlegering. titanlegering har også noen mangler, det er lett å produsere ujevn deformasjon under kaldsmiing, og det er lett å feste seg til formen, så masseproduksjonen av titanlegeringsdeler med kaldsmiingsteknologi trenger fortsatt utforskning og utvikling.
Pulvermetallurgi er en svært viktig teknologi for å redusere prosesseringskostnadene til titanlegeringer. Ved produksjon av pulvermetallurgiske bildeler er den tradisjonelle press-sintringsmetoden fortsatt i den dominerende posisjonen, hovedsakelig inkludert elementært pulvermetode (BE) og forlegeringspulvermetode (PA). For tiden er den elementære pulvermetoden den mest brukte innen rimelige titanlegeringspulvermetallurgi for biler på grunn av sin enkle prosess og lavere kostnad. I de senere årene har også andre pulvermetallurgiteknologier dukket opp, inkludert laserformingsteknologi, metallpulverinjeksjonsstøping (MIM) og andre teknologier, som har blitt mye brukt i prøveproduksjon og produksjon av komplekse bildeler, noe som kan forkorte produktet betraktelig. utviklings- og produksjonssyklus og redusere kostnadene ytterligere.
Perorering
Den nye generasjonen av bildesign legger mer vekt på kroppens lette vekt, det lave drivstoffforbruket, den lave støyen fra motoren og den lette vibrasjonen for å møte de stadig mer krevende kravene til miljøet. I denne sammenhengen vil lettmetalltitan bli et viktig applikasjonsmateriale for fremtidige kjøretøy.
Tatt i betraktning den nåværende forskningsstatusen til billige titanlegeringer for biler, kan det bli funnet at for å redusere kostnadene for titanlegeringer for biler ytterligere, bør forskning hovedsakelig fokusere på følgende aspekter:
1) I utviklingen av rimelige legeringssystemer, prøv å utvikle legeringssystemer som ikke bruker dyre legeringselementer eller mindre uten å påvirke ytelsen, og fullt utvikle og utnytte resirkulerte titanlegeringer.
2) Når det gjelder støpe- og smiprosessutvikling, utvikles utviklingsretningen for titanlegering og kalddeformasjon av titanlegering, og mulighetsstudien for masseproduksjon utføres.
3) I pulvermetallurgi, mens du sikrer fordelen med lave kostnader, er det også nødvendig å forbedre ytelsen til titandeler ytterligere.
Med utviklingen av økonomien og reduksjonen av kostnadene for titan, vil flere ingeniører velge titandeler til bildeler. Titanlegeringer vil etter hvert spille en viktig rolle i produksjonen av bilindustrien.
