Titaniumlegering leidt autotechnologie

Titaniummetaal heeft de voordelen van een lage dichtheid, hoge specifieke sterkte en goede corrosieweerstand. Het gebruik van titaniummaterialen in auto's kan de lichaamsmassa aanzienlijk verminderen, het brandstofverbruik verminderen, de motorefficiëntie verbeteren, het milieu verbeteren en het geluid verminderen. De hoge prijs zorgt er echter voor dat titaniumlegeringen slechts enkele toepassingen hebben in luxe modellen en sportwagens in de auto-industrie, en zelden worden gebruikt in gewone auto's. Daarom is onderzoek en ontwikkeling van goedkope titaniumlegeringen die aan de marktbehoeften voldoen de sleutel tot het bevorderen van de toepassing ervan in gewone huishoudelijke auto's.

Hoewel titaniumlegeringen op grote schaal worden gebruikt in de lucht- en ruimtevaart-, petrochemische en scheepsbouwindustrie, heeft hun toepassing in de auto-industrie zich langzaam ontwikkeld. Vanaf de succesvolle ontwikkeling van de eerste volledig uit titanium bestaande auto door General Motors in de Verenigde Staten in 1956 bereikten titanium auto-onderdelen pas in de jaren tachtig het niveau van massaproductie. In de jaren negentig, toen de vraag naar luxe auto's, sportwagens en raceauto's jaar na jaar toenam, hebben de vervaardigde onderdelen van titanium auto-onderdelen zich snel ontwikkeld. In 1990 bedroeg de hoeveelheid titanium die in auto's over de hele wereld werd gebruikt slechts 50 ton. In 1997 bereikte het 500 ton. In 2002 bereikte het 1.100 ton. In 2009 bedroeg dit 3,000t. Er wordt verwacht dat de hoeveelheid titanium die in auto's over de hele wereld wordt gebruikt in 2015 de 5,{15}}t zal overschrijden. Momenteel worden de volgende typen onderdelen van titaniumlegering algemeen gebruikt.

1. Motordrijfstang
Titaniumlegering is een ideaal materiaal voor drijfstangen. Motordrijfstangen gemaakt van een titaniumlegering kunnen de motormassa effectief verminderen, de brandstofefficiëntie verbeteren en het uitlaatvolume verminderen. Vergeleken met stalen drijfstangen kunnen titanium drijfstangen de massa met 15% tot 20% verminderen. De toepassing van drijfstangen van titaniumlegering kwam voor het eerst tot uiting in de nieuwe Ferrari sedan 3.5LV8 van Italië en de NSX-motor van Acura. De belangrijkste materialen die worden gebruikt in drijfstangen van titaniumlegeringen zijn Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V en Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si. Andere titaniumlegeringsmaterialen zoals Ti-4Al De toepassing van -2Si-4Mn en Ti-7M-4Mo in drijfstangen is ook in ontwikkeling.
2. Motorklep
Automotorkleppen gemaakt van een titaniumlegering kunnen niet alleen de massa verminderen en de levensduur verlengen, maar ook het brandstofverbruik verminderen en de betrouwbaarheid van het voertuig verbeteren. Vergeleken met stalen kleppen kunnen titanium kleppen de massa met 30% tot 40% verminderen en kan het grenstoerental van de motor met 20% worden verhoogd. Wat de huidige toepassingen betreft, is het materiaal van de inlaatklep voornamelijk Ti-6Al-4V, en het materiaal van de uitlaatklep voornamelijk Ti-6242S. Gewoonlijk worden Sn en Al bij elkaar opgeteld om een ​​lagere brosheid en hogere sterkte te verkrijgen; de toevoeging van Mo kan de warmtebehandelingseigenschappen van titaniumlegeringen verbeteren, de sterkte van het afschrikken en verouderen van titaniumlegeringen verbeteren en de hardheid vergroten. Andere titaniumlegeringen met ontwikkelingspotentieel zijn onder meer:
1) De inlaatklep kan worden gemaakt van Ti-62S, dat eigenschappen heeft die gelijkwaardig zijn aan Ti-6Al-4V en goedkoper is.
2) De uitlaatklep kan gemaakt zijn van Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo{{7} }.45Si. Vanwege het lagere Mo-gehalte is de kruipweerstand beter dan die van Ti-6242S, en kan de oxidatieweerstand 600 graden bereiken. .
3) De uitlaatklep kan worden gemaakt van -TiAl, dat de kenmerken heeft van hoge temperatuurbestendigheid en een laag gewicht, maar is niet geschikt voor traditionele smeedmethoden tijdens de verwerking. Het is alleen geschikt voor giet- en poedermetallurgische verwerking.
3. Klepveerzitting
Hoge sterkte en weerstand tegen vermoeidheid zijn onmisbare eigenschappen voor de klepveerzitting. Bèta-titaniumlegering is een warmtebehandelde legering die een hoge sterkte kan verkrijgen door middel van een verouderingsbehandeling met een vaste oplossing. De overeenkomstige, geschiktere materialen zijn Ti-15V-3Cr- 3Al-3Sn en Ti-15Mo-3Al-2 .7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors gebruikt klepveerstoelen van Ti-22V-4Al-titaniumlegering in zijn grootschalige productievoertuigen, waardoor de massa met 42% wordt verminderd in vergelijking met de originele stalen sloten en de traagheidsmassa van de klep wordt verminderd mechanisme met 6% en verhoogt het maximale motortoerental. 300 tpm.
4. Veer van titaniumlegering
Titanium en zijn legeringen hebben een lagere elasticiteitsmodulus en een grotere σs/E-waarde dan staalmaterialen, waardoor ze geschikt zijn voor de productie van elastische componenten. Vergeleken met stalen autoveren bedraagt ​​de hoogte van titaniumveren, onder het uitgangspunt van hetzelfde elastische werk, slechts 40% van de stalen veren, en de massa slechts 30% tot 40% van de stalen veren, wat het ontwerp van de carrosserie vergemakkelijkt. Bovendien kunnen de uitstekende vermoeidheidseigenschappen en corrosieweerstand van de titaniumlegering de levensduur van de veer verlengen. Tot de titaniumlegeringsmaterialen die momenteel kunnen worden gebruikt om autoveren te maken, behoren Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al en Ti-13V11C-3Al.
5. Turbocompressor
Turbocompressoren kunnen de verbrandingsefficiëntie van de motor verbeteren en het motorvermogen en koppel vergroten. De turbinerotor van de turbocompressor moet lange tijd werken in uitlaatgas met een hoge temperatuur boven de 850 graden, dus vereist een goede hittebestendigheid. Traditionele lichte metalen zoals aluminiumlegeringen kunnen vanwege hun lage smeltpunten niet worden gebruikt. Hoewel keramische materialen in turbinerotoren worden gebruikt vanwege hun lichte gewicht en goede weerstand tegen hoge temperaturen, is de toepassing ervan beperkt vanwege hun hoge kosten en het onvermogen om hun vorm te optimaliseren. Om deze problemen op te lossen, ontwikkelden Tetsui en anderen de TiAl-turbinerotor. Na vele tests is vastgesteld dat het niet alleen een goede duurzaamheid en efficiëntie heeft, maar ook de acceleratie van de motor kan verbeteren. Dit ontwerp is met succes op de markt gebracht in de Mitsubishi Lancer Evolution-serie.
6. Uitlaatsysteem en uitlaatdemper
Titanium wordt veelvuldig gebruikt in uitlaatsystemen voor auto's. Uitlaatsystemen gemaakt van titanium en zijn legeringen kunnen niet alleen de betrouwbaarheid verbeteren, de levensduur verlengen en het uiterlijk verbeteren, maar ook de massa verminderen en de brandstofverbrandingsefficiëntie verbeteren. Vergeleken met stalen uitlaatsystemen kunnen titanium uitlaatsystemen de massa met ongeveer 40% verminderen. Bij auto's uit de Golf-serie kan de massa van het titaniumuitlaatsysteem met 7 tot 9 kg worden verminderd. Momenteel is het titaniummateriaal dat in het uitlaatsysteem wordt gebruikt voornamelijk industrieel puur titanium.
De titanium uitlaatdemper weegt slechts 5 tot 6 kg, wat lichter is dan RVS en andere uitlaatdempers. De Chevrolet Corvette Z06 uit 2000 maakt gebruik van een titanium uitlaatdemper en uitlaatpijpsysteem van 11,8 kg in plaats van het originele roestvrijstalen systeem van 20 kg, waardoor de massa met 41% wordt verminderd. Het vervangen systeem behoudt zijn kracht en maakt de auto sneller, flexibeler en zuiniger. Het titaniummateriaal dat in de uitlaatdemper wordt gebruikt, is ook voornamelijk industrieel puur titanium.
7. Framedeel van carrosserie
Om de veiligheid en betrouwbaarheid van auto's te verbeteren, is het noodzakelijk om rekening te houden met de ontwerp- en fabricageaspecten, vooral met de fabricagematerialen. Titanium is een zeer goed materiaal dat wordt gebruikt om carrosserieframes te maken. Het heeft niet alleen een hoge specifieke sterkte, maar ook een goede taaiheid. In Japan kiezen autofabrikanten voor het maken van carrosserieframes voor puur titanium gelaste buizen. Dit soort frame kan ervoor zorgen dat bestuurders zich veilig voelen tijdens het rijden.
8. Overige onderdelen van titaniumlegering
Naast de bovengenoemde componenten wordt titanium ook gebruikt in tuimelaars van motoren, ophangingsveren, motorzuigerpennen, bevestigingsmiddelen voor auto's, wielmoeren, uitstekende balken van autodeuren, tandwielbeugels voor auto's, remklauwzuigers, penbouten, drukauto-onderdelen zoals platen, schakelknoppen en koppelingsplaten voor auto's.

1.Voordelen

Titaniumlegeringen hebben de voordelen van een laag gewicht, een hoge specifieke sterkte en een goede corrosieweerstand, daarom worden ze veel gebruikt in de auto-industrie. Het meest voorkomende gebruik van titaniumlegeringen vindt plaats in automotorsystemen. Er zitten veel voordelen aan het gebruik van titaniumlegeringen bij de vervaardiging van motoronderdelen, die vooral tot uiting komen in:
1) De lage dichtheid van de titaniumlegering kan de traagheidsmassa van bewegende delen verminderen. Tegelijkertijd kunnen titanium klepveren de vrije trillingen vergroten, de trillingen van het lichaam verzwakken en het motortoerental en het uitgangsvermogen verhogen.
2) Verminder de traagheidsmassa van bewegende delen, waardoor de wrijving wordt verminderd en het brandstofverbruik van de motor wordt verbeterd.
3) Het kiezen van een titaniumlegering kan de belastingsspanning van gerelateerde onderdelen verminderen en de afmetingen van onderdelen verkleinen, waardoor het gewicht van de motor en het hele voertuig wordt verminderd.
4) De vermindering van de traagheidsmassa van componenten vermindert trillingen en geluid en verbetert de motorprestaties.
De toepassing van titaniumlegeringen in andere componenten kan het comfort van het personeel en de esthetiek van auto's verbeteren. Bij toepassingen in de auto-industrie hebben titaniumlegeringen een onmetelijke rol gespeeld bij energiebesparing en verbruiksreductie.
2. Toepassingsbeperkingen
Hoewel onderdelen van titaniumlegering zulke superieure eigenschappen hebben, is er nog een lange weg te gaan voordat titanium en zijn legeringen op grote schaal worden gebruikt in de auto-industrie. De redenen zijn onder meer de hoge prijs, slechte vervormbaarheid en slechte lasprestaties.
Met de ontwikkeling van de bijna-netvormtechnologie van titaniumlegeringen en moderne lastechnologieën zoals elektronenstraallassen, plasmabooglassen en laserlassen in de afgelopen jaren, zijn de vormings- en lasproblemen van titaniumlegeringen niet langer de belangrijkste factoren die de toepassing van titanium beperken. legeringen. De belangrijkste reden waarom het op grote schaal wordt gebruikt in de auto-industrie zijn de hoge kosten.
Of het nu gaat om het eerste smelten van het metaal of de daaropvolgende verwerking, de prijs van titaniumlegeringen is veel hoger dan die van andere metalen. De kosten van titaniumonderdelen die de auto-industrie kan accepteren bedragen 8 tot 13 dollar/kg voor drijfstangen, 13 tot 20 dollar voor kleppen en 8 dollar voor veren, motoruitlaatsystemen en bevestigingsmiddelen. Minder dan USD/kg. De huidige kosten van onderdelen geproduceerd met titaniummaterialen zijn veel hoger dan deze prijzen. De productiekosten van titaniumplaten zijn meestal hoger dan 33 dollar/kg, wat 6 tot 15 keer zo hoog is als die van aluminiumplaten en 45 tot 83 keer zo hoog als die van stalen platen.
Onderzoeksstatus van titaniumlegeringen voor auto's

afbeelding
Momenteel is kostenreductie de belangrijkste onderzoeksrichting van titaniumlegeringen die in de auto-industrie worden gebruikt. Met het oog op de kenmerken van de kostenverdeling van titaniumlegeringen die in de auto-industrie worden gebruikt, bereiken materiaalonderzoeks- en ontwikkelingswerkers voornamelijk het doel van het verlagen van de kosten op de volgende twee aspecten: het ontwikkelen van nieuwe goedkope legeringssystemen en het gebruiken van nieuwe verwerkings- en voorbereidingstechnologieën .

1. Nieuw, goedkoop systeem van titaniumlegering
Werknemers uit verschillende landen ontwikkelen nieuwe goedkope titaniumlegeringssystemen, waarbij de nadruk vooral ligt op de volgende aspecten: legeringsontwerp met behulp van goedkope legeringselementen en legeringsontwerp om de verwerkingseigenschappen te verbeteren. Onder hen zijn Japan en de Verenigde Staten vertegenwoordigd. mijn land heeft ook met succes twee goedkope titaniumlegeringen ontwikkeld, namelijk Ti8LC en Ti12LC. Bij het ontwerpen van goedkope componenten van titaniumlegeringen voor voertuigen zijn veelgebruikte goedkope legeringselementen Fe, Cr, Si, Al, enz.
2. Nieuwe verwerkings- en bereidingstechnologie
De verwerkingskosten van materialen van titaniumlegeringen vertegenwoordigen meer dan 60% van de totale kosten tijdens het productieproces. Daarom is, in termen van kostenreductie, het verlagen van de verwerkingskosten van titaniumlegeringen een belangrijke onderzoeksrichting geworden. Onderzoek op dit gebied is hoofdzakelijk verdeeld in twee aspecten: het ene is het verbeteren van het traditionele giet- en smeedproces, en het andere is het toepassen van poedermetallurgie-near-net-vormtechnologie.
Bij de ontwikkeling van nieuwe smeedprocessen is koudsmeden momenteel een van de meest veelbelovende methoden voor het vervaardigen van auto-onderdelen uit titaniumlegeringen. Bèta-titaniumlegering heeft een lage vervormingsweerstand bij kamertemperatuur en is goed in snijden en vormen. Het is een materiaal dat koud gesmeed kan worden. Momenteel heeft Japan drie koudvervormde bèta-titaniumlegeringen ontwikkeld. Beta-titaniumlegering heeft ook enkele tekortkomingen. Het is gevoelig voor ongelijkmatige vervorming tijdens koud smeden en is gemakkelijk aan de mal te hechten. Daarom vereist de massaproductie van onderdelen van bèta-titaniumlegeringen met behulp van koudsmeedtechnologie verdere verkenning en ontwikkeling.
Poedermetallurgie is een zeer belangrijke technologie bij het verlagen van de verwerkingskosten van titaniumlegeringen. Bij de productie van auto-onderdelen in de poedermetallurgie is de traditionele pers-sintermethode nog steeds dominant, die voornamelijk de elementaire poedermethode (BE) en de voorgelegeerde poedermethode (PA) omvat. Momenteel wordt de elementaire poedermethode het meest gebruikt op het gebied van de goedkope poedermetallurgie van titaniumlegeringen in de automobielsector vanwege het eenvoudige proces en de lagere kosten. De afgelopen jaren zijn er ook andere poedermetallurgietechnologieën opgekomen, waaronder laservormtechnologie, metaalpoederspuitgieten (MIM) en andere technologieën. Ze worden op grote schaal gebruikt bij de proefproductie en productie van complexe auto-onderdelen, wat de productontwikkeling aanzienlijk kan verkorten. en productiecyclus, waardoor de kosten verder worden verlaagd.
Conclusie
De nieuwe generatie auto-ontwerp besteedt meer aandacht aan de lichtgewicht carrosserie, het lage brandstofverbruik, het lage geluidsniveau en de lichte trillingen van de motor om aan de steeds veeleisender wordende eisen van het milieu te voldoen. In deze context zal het lichtmetaal titanium een ​​belangrijk toepassingsmateriaal worden voor toekomstige auto's.
Uit een alomvattende beschouwing van de huidige onderzoeksstatus van goedkope titaniumlegeringen voor voertuigen blijkt dat, om de kosten van titaniumlegeringen voor voertuigen verder te verlagen, het onderzoek zich vooral zou moeten concentreren op de volgende aspecten:
1) In termen van de ontwikkeling van goedkope legeringssystemen: probeer legeringssystemen te ontwikkelen die geen of minder dure legeringselementen gebruiken zonder de prestaties te beïnvloeden, en tegelijkertijd volledig gebruik te maken van gerecyclede titaniumlegeringen.
2) Op het gebied van de ontwikkeling van giet- en smeedprocessen, ontwikkelen in de richting van de ontwikkeling van bèta-titaniumlegeringen en koud vervormde titaniumlegeringen, en haalbaarheidsstudies uitvoeren naar de massaproductie ervan.
3) In termen van poedermetallurgie is het, terwijl het lage kostenvoordeel gewaarborgd blijft, ook noodzakelijk om de prestaties van titaniumonderdelen verder te verbeteren.
Met de ontwikkeling van de economie en de verlaging van de kosten van titanium zullen meer technische ontwerpers titaniumonderdelen kiezen als auto-onderdelen. Titaniumlegeringen zullen uiteindelijk een belangrijke rol spelen in de productie van de auto-industrie.