В последние годы, благодаря быстрому развитию автомобильной промышленности, расход топлива, проблемы с охраной окружающей среды и безопасности, созданные автомобилями, привлекли все больше внимания. В ожидании будущего направления развития автомобильной промышленности легкий, низкий расход топлива и низкие выбросы являются темами развития. Согласно статистике международных авторитетных департаментов, 60% энергии автомобильного сжигания топлива потребляется собственным весом. Хотя высокопрочные тонкие стальные пластины, алюминиевые, магниевые, металлические композитные материалы и материалы пластиковой смолы сыграли роль в снижении веса автомобилей, появление промышленных титановых материалов сделало автомобильные производства лучшим выбором.
Титановый металл имеет преимущества низкой плотности, высокой удельной прочности и хорошей коррозионной стойкости. Использование титановых материалов в автомобилях может значительно снизить вес автомобильного корпуса, снизить расход топлива, повысить эффективность работы двигателя, улучшить окружающую среду и снизить шум. Тем не менее, высокая цена делает титановые сплавы только в роскошных моделях и спортивных автомобилях в автомобильной промышленности и редко в обычных автомобилях. Таким образом, исследования и разработка недорогих титановых сплавов, которые отвечают потребностям рынка, являются ключом к продвижению его применения в обычных домашних автомобилях.
Текущее применение титановых сплавов в автомобильной промышленности
Хотя титановые сплавы широко использовались в аэрокосмической, нефтехимической и судостроительной промышленности, их применение в автомобильной промышленности развивалось медленно. С момента успешного развития первого автомобиля Titanium от General Motors в Соединенных Штатах в 1956 году, Titanium Auto Parts не достигли уровня массового производства до 1980-х годов. В 1990 -х годах, с растущим спросом на роскошные автомобили, спортивные автомобили и гоночные автомобили, титановые детали быстро развивались. В 1990 году количество титана, используемого в автомобилях по всему миру, составило всего 50 тонн, что достигло 500 тонн в 1997 году, 1100 тонн в 2002 году и 3000 тонн в 2009 году. Ожидается, что количество титана, используемого в автомобилях во всем мире, будет превышать 5000 тонн в 2015 году. В настоящее время используется следующие детали титана.
1. двигатель соединяющий шатун
Титановый сплав является идеальным выбором для соединительных материалов. Моторные шатуны, изготовленные из титанового сплава, могут эффективно снизить массу двигателя, повысить эффективность использования топлива и уменьшить объем выхлопных газов. По сравнению со стальными шатунами, шатуны титана могут уменьшить массу на 15% до 2 0%. Применение сплавов титанового сплава впервые было отражено в новых двигателях итальянских Ferrari 3.5LV8 и Acura NSX. Материалы, используемые для соединительных стержней титанового сплава, в основном Ti -6 al -4 v, ti -10 v -2 fe -3 al, ti {{10} al -2. Ti -4 al -4 mo-sn -0. 5si, и другие материалы сплава титана, такие как ti -4 al -2 si -4 mn и ti {{21} m {{22} in-in insuciation in in in in connucties.
2. Двигатели клапаны
Автомобильные двигатели клапаны, изготовленные из титанового сплава, могут не только снизить вес и продлить срок службы, но также снизить расход топлива и повысить надежность автомобиля. По сравнению со стальными клапанами, титановые клапаны могут уменьшить вес на 30-40%, а скорость ограничения двигателя может быть увеличена на 20%. Что касается текущих приложений, то материал для впускного клапана в основном Ti -6 al -4 V, а материал выхлопного клапана в основном Ti -6242 s. Обычно SN и AL объединяются, чтобы получить более низкую хрупкость и более высокую прочность; Добавление МО может улучшить характеристики термической обработки титанового сплава, повысить силу утоленного и выдержанного титанового сплава и увеличить твердость. Другие титановые сплавы с потенциалом развития:
1) Впускной клапан может быть изготовлен из ti -62 s, который имеет те же характеристики, что и ti -6 al -4 v и дешевле.
2) Выпускной клапан может быть изготовлен из ti -6 al -2 sn -4. 0 Zr -0. 4- mo -0. 45Si. Из -за более низкого содержания МО, его сопротивление на ползучести лучше, чем ti -6242 s, а температура сопротивления окисления может достигать 600 градусов.
3) Выпускной клапан может быть изготовлен из -tial, который имеет характеристики высокотемпературной сопротивления и легкого веса, но он не подходит для обработки традиционными методами ковки и подходит только для литья и металлургии порошка.
3.
Высокая прочность и устойчивость к усталости - это свойства, которые должны иметь пружинные сиденья клапана. -titanium сплав-это теплопроводимый сплав, который может получить высокую прочность на сплошной обработке старения. Соответствующими более подходящими материалами являются ti -15 v -3 cr -3 al -3 sn и ti -15 mo -3 al -2. 7nb -0. 2SI. Mitsubishi Motors использует Ti -22 v -4 Al Spring Calve сплавного клапана на своих автомобилях, которые уменьшают массу на 42% по сравнению с исходным стальным замком, уменьшает инерционную массу механизма клапана на 6% и увеличивает максимальную скорость двигателя на 300R/мин.
4. Titanium Alloy Spring
Титан и его сплавы имеют более низкий модуль упругости и большое значение σS/E относительно стальных материалов и подходят для производства упругих компонентов. По сравнению со стальными автомобильными пружинами, под предпосылкой одной и той же упругих работ высота титановых источников составляет всего 40% от высоты стальных пружин, а масса составляет всего от 30 до 40% от высоты стальных пружин, что удобно для конструкции кузова. Кроме того, превосходная усталость и коррозионная стойкость титановых сплавов могут увеличить срок службы пружин. В настоящее время материалы титанового сплава, которые можно использовать для изготовления автомобильных пружин, включают Ti -4. 5Fe6.8mo -1. 5Al и Ti -13 v11c -3 al.
5. Турбокомпрессор
Турбокомпрессоры могут повысить эффективность сжигания двигателя и повысить мощность и крутящий момент двигателя. Турбинный ротор турбокомпрессора должен работать в высокотемпературном выхлопном газе выше 850 градусов в течение длительного времени, поэтому он требует хорошей теплостойкости. Традиционные световые металлы, такие как алюминиевые сплавы, не могут быть использованы из -за их низкой температуры плавления. Хотя керамические материалы используются в турбинных роторах из-за их легкого веса и хорошего высокотемпературного сопротивления, их применение ограничено из-за высокой стоимости и неспособности оптимизировать форму. Чтобы решить эти проблемы, Tetsui et al. разработал тиал -турбинный ротор. После многих тестов и проверки он не только обладает хорошей долговечностью и эффективностью, но и может улучшить ускорение двигателя. Этот дизайн был успешно коммерциализирован в серии Mitsubishi Lancer Evolution.
6. Выхлопная система и глушитель
Титан используется в больших количествах в выхлопной системе автомобилей. Выхлопные системы, изготовленные из титана и его сплавы, могут не только повысить надежность, продлить срок службы и улучшить внешний вид, но и снизить вес и повысить эффективность сжигания топлива. По сравнению со стальными выхлопными системами, титановые выхлопные системы могут уменьшить вес примерно на 40%. В серии автомобилей гольфа вес титановых выхлопных систем может быть уменьшен на 7-9 кг. В настоящее время титан, используемый в выхлопных системах, является в основном промышленным чистым титаном.
Вес глушителя титана составляет всего от 5 до 6 кг, что легче, чем глушители, такие как нержавеющая сталь. Chevrolet Corvette Z06 2000 года использует титановый глушитель и систему хвостовой трубы 11,8 кг, чтобы заменить исходную систему из нержавеющей стали на 20 кг, уменьшая вес на 41%. Прочность замененной системы остается неизменной, а автомобиль более быстрее, более гибкий и экономичный. Титан, используемый в глуши, также является в основном промышленным чистым титаном.
7. Часть кадра тела
Чтобы повысить безопасность и надежность автомобиля, необходимо учитывать аспекты проектирования и производства, особенно производственные материалы. Титан является хорошим материалом для изготовления рамков тела. Он не только имеет высокую специфическую силу, но и имеет хорошую прочность. В Японии производители автомобилей выбирают чистого титанового металлического сварки для производства рамков для тела, что может привести к тому, что водители могут чувствовать себя достаточно безопасными при вождении.
8. Другие части титанового сплава
В дополнение к вышеуказанным деталям, титан также используется в рычагах двигателя, пружинах подвески, булавках для поршневого двигателя, автомобильных крепежных элементах, гайках, гайках, балках выпячивания автомобильных дверей, автомобильных стоп -кронштейнах, поршнях тормозного сундук, болтов, пластин под давлением, кнопок переключения и дисков автомобильных сцепления и других автомобильных деталей.
Применение титановых сплавов
1. Преимущества
Титановые сплавы имеют преимущества легкого веса, высокой специфической прочности и хорошей коррозионной стойкости, поэтому они широко используются в автомобильной промышленности. Наиболее широко используемый титановый сплав - это система автомобильных двигателей. Есть много преимуществ для использования титановых сплавов для изготовления деталей двигателя, в основном проявляющиеся в:
1) Низкая плотность титановых сплавов может уменьшить инерционную массу движущихся частей. В то же время пружины титановых клапанов могут увеличивать свободную вибрацию, уменьшить вибрацию корпуса автомобиля и увеличить скорость и выходную мощность двигателя.
2) Уменьшите инерционную массу движущихся частей, тем самым уменьшая трение и повышая топливную эффективность двигателя.
3) Выбор титанового сплава может уменьшить напряжение нагрузки связанных деталей и уменьшить размер деталей, тем самым уменьшая вес двигателя и всего транспортного средства.
4) Сокращение инерционной массы деталей уменьшает вибрацию и шум и повышает производительность двигателя.
Применение титанового сплава в других частях может улучшить комфорт персонала и красоту автомобиля. В применении автомобильной промышленности титановый сплав играет неизмеримую роль в экономии энергии и снижении потребления.
2. Ограничения приложения
Несмотря на то, что части титанового сплава имеют такие превосходные показатели, еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем титан, и его сплавы широко используются в автомобильной промышленности. Причины включают дорогие цены, плохую формируемость и плохую сварку.
В связи с разработкой технологии формирования вблизи сплава титанового сплава и современных сварных технологий, таких как сварка электронного луча, сварка плазменной дуги и лазерная сварка в последние годы, проблемы формирования и сварки титановых сплавов больше не являются ключевыми факторами, ограничивающими применение титановых сплавов. Основная причина, препятствующая широко распространенному применению титановых сплавов в автомобильной промышленности, по -прежнему - высокая стоимость.
Будь то начальная плавка металла или последующей обработки, цена на титановые сплавы намного выше, чем у других металлов. Приемлемая стоимость титановых деталей для автомобильной промышленности составляет от 8 до 13 долларов США/кг для шатун титана, от 13 до 20 долларов США/кг для титановых клапанов и менее 8 долларов США/кг для титановых источников, систем выхлопных газов двигателей и крепеж. Тем не менее, стоимость деталей, произведенных титановыми материалами, намного выше, чем эти цены. Стоимость производства титановых пластин в основном выше 33 долларов США/кг, что в 6-15 раз больше, чем у алюминиевых пластин, и в 45-83 раза больше, чем у стальных пластин.
Текущее состояние исследований на титановых сплавах для автомобилей
В настоящее время сокращение затрат является основным направлением исследования титановых сплавов для автомобильной промышленности. Ввиду характеристик распределения затрат титановых сплавов для автомобильной промышленности, материальных исследований и разработчиков в основном достигают цели снижения затрат по сравнению с следующими двумя аспектами: разработка новых низкокачественных сплавов и использование новых технологий обработки и подготовки.
1. Новая недорогая система титановых сплавов
Работники из разных стран разработали новые недорогие системы титановых сплавов, в основном сосредоточившись на следующих аспектах: дизайн сплава с использованием дешевых сплавных элементов и дизайна сплавов для улучшения характеристик обработки. Среди них Япония и Соединенные Штаты являются представителями, и моя страна также успешно разработала два недорогого титанового сплава, а именно TI8LC и TI12LC. При разработке недорогих компонентов сплава титана для автомобилей обычно используемые дешевые сплавные элементы-это Fe, Cr, Si, Al и т. Д.
2. Новая технология обработки и подготовки
Стоимость обработки материалов титанового сплава составляет более 60% от общей стоимости в процессе производства. Следовательно, с точки зрения снижения затрат, как снизить стоимость обработки титановых сплавов, стало ключевым направлением исследования. Исследование в этой области в основном разделено на два аспекта: один из них заключается в улучшении традиционного процесса литья и коровьей, а другой-использовать технологию формирования вблизи сети порошковой металлургии.
При исследовании и разработке новых процессов ковки холодная ковка в настоящее время является одним из наиболее перспективных методов для титановых сплавов для производства автомобильных деталей. -titanium сплав обладает низкой устойчивостью к деформации при комнатной температуре и хорошей обработке и формировании резки. Это материал, который может быть холодным. В настоящее время в Японии разработали три сплава с холодными деформациями. -titanium сплав также имеет некоторые недостатки. Легко произвести неровную деформацию во время холодной ковки, и его легко придерживаться плесени. Таким образом, массовое производство деталей сплавов -tinium с использованием технологии холодной ковки требует дальнейшего изучения и развития.
С точки зрения снижения стоимости обработки титановых сплавов, порошковая металлургия является очень важной технологией. При изготовлении порошковых металлургических автомобильных деталей традиционный метод сжигания нажатия все еще доминирует, в основном включающий метод порошка элемента (BE) и метод предварительно спланированного порошка (PA). В настоящее время метод порошка элемента является наиболее широко используемым в области недорогих автомобильных титановых сплавов металлургии из-за его простого процесса и более низких затрат. В последние годы также появляются другие технологии порошковой металлургии, в том числе технология формирования лазера, формование металлического порошка (MIM) и другие технологии, которые широко используются в процессе производства и производства сложных автомобильных деталей, которые могут значительно сократить разработку продукта и цикл производства и еще больше снизить затраты.
Заключение
Новое поколение автомобильной конструкции уделяет больше внимания легким корпусам, низкому потреблению топлива, низкому шуму и световой вибрации двигателя для удовлетворения все более строгих требований к окружающей среде. В этом контексте титан светло -металла станет основным материалом для будущих автомобилей.
Принимая во внимание текущее состояние недорогих исследований титановых сплавов для автомобилей, можно обнаружить, что для дальнейшего снижения стоимости титанового сплава для автомобилей следует сосредоточиться на следующем исследовании:
1) При разработке низкокачественных сплавных систем попытайтесь разработать сплавные системы, которые не используют или используют менее дорогие сплавные элементы, не влияя на производительность, и в то же время полностью разрабатывать и использовать переработанные титановые сплавы.
2) В разработке процессов литья и ковки развивается в направлении развития сплавов -титановых сплавов и сплавов титанов с холодным реформированием и провести технико -экономические обоснования их массового производства.
3) В порошковой металлургии, обеспечивая недорогое преимущество, необходимо дополнительно улучшить характеристики титановых деталей.
Благодаря развитию экономики и снижению титановых затрат, больше инженерных дизайнеров выберет титановые детали в качестве автомобильных деталей. Титановые сплавы в конечном итоге займут важную позицию в производстве автомобильной промышленности.
