Titaanisulami kasutamise staatus autotööstuses
Viimastel aastatel on autotööstuse kiire arenguga hakatud üha enam tähelepanu pöörama autodest tulenevatele kütusekulu, keskkonnakaitse ja ohutuse probleemidele. Vaadates autotööstuse arengusuunda tulevikus, on arenguteemadeks kerge kaal, madal kütusekulu ja vähem heitgaase. Rahvusvaheliste ametivõimude statistika kohaselt kulub 60% auto kütuse põlemisenergiast oma kvaliteediga, kuigi praegused ülitugevad lehtterasest, alumiiniumist, magneesiumist, metallmaatriks-komposiitmaterjalid ja plastvaigumaterjalid on mänginud suurt rolli. rolli auto kaalu vähendamisel, kuid tööstuslike titaanmaterjalide esilekerkimine muudab autotootmise valiku paremaks.
Titaanmetalli eelisteks on madal tihedus, kõrge eritugevus ja hea korrosioonikindlus ning titaanmaterjalide kasutamine autodes võib oluliselt vähendada kere kvaliteeti, vähendada kütusekulu, parandada mootori töötõhusust, parandada keskkonda ja vähendada müra. . Kuid kallis hind muudab titaanisulami autotööstuses kasutuseks ainult luksusmudelites ja sportautodes ning vähe rakendusi tavalistes autodes. Seetõttu on turu vajadustele vastavate odavate titaanisulamite uurimis- ja arendustegevus võti, et edendada selle kasutamist tavalistes kodusõidukites.
Titaanisulami kasutusolek autotööstuses
Kuigi titaanisulameid on laialdaselt kasutatud kosmose-, naftakeemia- ja laevaehitustööstuses, on nende rakendamine autotööstuses olnud aeglane. Pärast seda, kui Ameerika Ühendriikide General Motors töötas 1956. aastal edukalt välja esimese täistitaanist auto, jõudsid titaanist autoosad masstootmise tasemele alles 1980. aastatel ja 1990. aastatel, kui nõudlus luksusautode, sportautode ja autode järele kasvas. võidusõiduautod, titaandetailid on kiiresti arendatud. 1990. aastal oli maailmas autodes kasutatud titaani kogus vaid 50 t, 1997. aastal 500 tonni, 2002. aastal 1100 tonni, 2009. aastal 3000 tonni ning eeldatavasti on maailmas autodes kasutatud titaani kogus. ületab 2015. aastal 5000 tonni. Praegu on titaanisulamist osadel tavaliselt järgmised tüübid.
1. Mootori ühendusvarras
Titaanisulam on ideaalne valik kepsu materjalide ühendamiseks. Titaanisulamist valmistatud mootori ühendusvarras võib tõhusalt vähendada mootori massi, parandada kütusesäästlikkust ja vähendada heitgaaside mahtu. Võrreldes terasest ühendusvardaga võib titaanist ühendusvarras vähendada massi 15% kuni 20%. Titaanvarraste kasutamist demonstreeriti esmakordselt Itaalias uutes Ferrari 3.5LV8 ja Acura NSX mootorites. Peamised titaanisulamist ühendusvarras kasutatavad materjalid on Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V ja Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si jne. Muud titaanisulamist materjalid, nagu Ti-4Al{{19 }}Si-4Mn ja Ti-7M-4Mo töötatakse välja ka kepsu rakenduses.
2. Mootori klapp
Titaanisulamist valmistatud auto mootoriventiil ei saa mitte ainult vähendada massi ja pikendada kasutusiga, vaid ka vähendada kütusekulu ja parandada auto töökindlust. Võrreldes terasklapiga saab titaanventiili kvaliteeti vähendada 30% kuni 40% ja mootori piirkiirust saab suurendada 20%. Mis puudutab praegust rakendust, siis sisselaskeklapi materjal on peamiselt Ti-6Al-4V ja väljalaskeklapi materjal on peamiselt Ti-6242S. Tavaliselt liidetakse Sn ja Al kokku, mis võib saada väiksema rabeduse ja suurema tugevuse. Mo lisamine võib parandada titaanisulami kuumtöötlemist, tugevdada titaanisulami karastamise ja vananemise tugevust ning suurendada kõvadust. Muud arenduspotentsiaaliga titaanisulamid on järgmised:
1) Sisselaskeklapp võib olla Ti-62S, mille omadused on samaväärsed Ti-6Al-4V-ga ja hind on odavam.
2) Väljalaskeventiil võib kasutada Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo-0. 45Si, kuna Mo-sisaldus on väiksem, on selle roomamiskindlus parem kui Ti-6242S ja oksüdatsioonikindluse temperatuur võib ulatuda 600 kraadini.
3) Väljalaskeklapis saab kasutada -TiAl, millel on kõrge temperatuuritaluvus ja kerge kaal, kuid see ei sobi töötlemise ajal traditsiooniliseks sepistamismeetodiks, sobib ainult valamiseks ja pulbermetallurgia töötlemiseks.
3. Klapi vedrupesa
Klapivedru istme jõudlus peab olema kõrge tugevuse ja väsimuskindlusega, titaanisulam on kuumtöötlemise tüüpi sulam, mis võib lahuses vanandamisega töötlemisel saavutada suure tugevuse, vastavad sobivamad materjalid on Ti-15V{{1} }Cr-3Al-3Sn ja Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors kasutab oma masstootmissõidukitel Ti-22V-4Al-titaanisulamist klapivedrupesa, mis vähendab algse teraslukuga võrreldes massi 42%, klapimehhanismi inertsmass väheneb. 6% võrra ja mootori maksimaalset pöörete arvu suurendatakse 300 r/min.
4. Titaanisulamist vedru
Titaanil ja selle sulamitel on terasmaterjalidega võrreldes madal elastsusmoodul ja suur σs/E väärtus, mis sobib elastsete komponentide valmistamiseks. Võrreldes terasest autovedrudega on sama elastse töö eeldusel titaanvedru kõrgus vaid 40% terasvedrust ja mass vaid 30% kuni 40% terasvedrust, mida on lihtne kujundada. auto kere. Lisaks võib titaanisulami suurepärane väsimus- ja korrosioonikindlus pikendada vedru kasutusiga. Praegu on autovedrude tootmiseks kasutatavad titaanisulamist materjalid Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al ja Ti-13V11C-3Al.
5. Turbolaadur
Turboülelaadurid võivad parandada mootori põlemistõhusust ning suurendada mootori võimsust ja pöördemomenti. Turboülelaaduri turbiini rootor peab pikka aega töötama kõrge temperatuuriga heitgaasis üle 850 kraadi C, seega nõuab see head kuumakindlust. Traditsioonilisi kergmetalle, näiteks alumiiniumisulameid, ei saa kasutada nende madala sulamistemperatuuri tõttu. Kuigi keraamilisi materjale kasutatakse turbiini rootorites nende kerge kaalu ja kõrge temperatuuritaluvuse tõttu, on nende kasutamine piiratud kõrge hinna ja võimetuse tõttu kuju optimeerida. Nende probleemide lahendamiseks kasutasid Tetsui et al. välja töötatud TiAl turbiini rootor, millel pole mitte ainult hea vastupidavus ja tõhusus, vaid see võib pärast paljusid katseid parandada ka mootori kiirendust. Seda disaini on edukalt kasutatud Mitsubishi Lancer Evolutioni seerias.
6. Väljalaskesüsteem ja summuti
Titaani kasutatakse autode väljalaskesüsteemides. Titaanist ja selle sulamitest valmistatud väljalaskesüsteemid ei saa mitte ainult parandada töökindlust, pikendada eluiga ja parandada välimust, vaid ka vähendada massi ja suurendada kütuse põlemise efektiivsust. Titaanist väljalaskesüsteem võib vähendada massi umbes 40% võrreldes terasest väljalaskesüsteemiga. Golfi seeria autodes saab titaanist väljalaskesüsteemi kvaliteeti vähendada 7–9 kg ja väljalaskesüsteemis kasutatav titaan on peamiselt tööstuslik puhas titaan.
Titaanist summuti kaal on vaid 5–6 kg, mis on kergem kui roostevabast terasest summuti. 2000. aasta Chevrolet CorvetteZ06 auto kasutab 11,8 kg titaanist summutit ja väljalasketorusüsteemi esialgse 20 kg roostevabast terasest süsteemi asemel, mis vähendab massi 41%. Asendussüsteem on sama tugevusega ning muudab auto kiiremaks, paindlikumaks ja kütusesäästlikumaks. Summutis kasutatav titaan on samuti peamiselt tööstuslik puhas titaan.
7. Auto kere raami osa
Autode ohutuse ja töökindluse parandamiseks on vaja arvestada disaini ja valmistamise aspekte, eriti tootmismaterjale. Titaan on hea materjal, mida kasutatakse auto kereraamide valmistamiseks, millel pole mitte ainult kõrge eritugevus, vaid ka hea sitkus. Jaapanis valivad autotootjad kereraamile puhtast titaanist keevitatud torud, mis võivad tekitada juhil sõidu ajal piisavalt turvalisust.
8. Muud titaanisulamist osad
Lisaks ülaltoodud osadele kasutatakse titaani ka mootori nookuris, vedrustuse vedrus, mootori kolvi tihvtis, auto kinnitusdetailides, rippuvates kõrvamutrites, auto ukse purunemistalas, auto piduriklambris, pidurisadula kolvis, poldis, surveplaadis, käiguvahetuses nupp ja siduri ümmargune plaat ja muud autoosad.
Titaanisulami pealekandmine
1. samm: eelised
Titaanisulami eelisteks on kerge kaal, kõrge eritugevus ja hea korrosioonikindlus, seetõttu kasutatakse seda autotööstuses laialdaselt ning kõige laialdasemalt kasutatav titaanisulam on automootorite süsteem. Titaanisulami kasutamisel mootoriosade valmistamisel on palju eeliseid, peamiselt:
1) Titaanisulami tihedus on madal, mis võib vähendada liikuvate osade inertsiaalset massi ja titaanklapi vedru võib suurendada vaba vibratsiooni, nõrgendada keha vibratsiooni ning parandada mootori kiirust ja väljundvõimsust.
2) Vähendage liikuvate osade inertsiaalset massi, vähendades seeläbi hõõrdejõudu ja parandades mootori kütusesäästlikkust.
3) Titaanisulami valik võib vähendada asjakohaste osade koormust, vähendada osade suurust, et vähendada mootori ja kogu sõiduki kvaliteeti.
4) Osade inertsiaalmassi vähendamine nõrgendab vibratsiooni ja müra ning parandab mootori jõudlust.
Titaanisulami kasutamine muudes komponentides võib parandada personali mugavust ja auto ilu. Autotööstuses on titaanisulam mänginud mõõtmatut rolli energia säästmisel ja tarbimise vähendamisel.
2. Rakenduspiirangud
Kuigi titaanisulamist osadel on suurepärane jõudlus, on titaani ja selle sulamite üldisest kasutusest autotööstuses siiski suur kaugus, mille põhjuseks on kallis, halb vormitavus ja kehv keevitusjõudlus.
Titaanisulami peaaegu võrguvormimistehnoloogia ja kaasaegse keevitustehnoloogia (nt elektronkiirkeevitus, plasmakaarkeevitus ja laserkeevitus) arenemisega viimastel aastatel ei ole titaanisulami vormimis- ja keevitusprobleemid enam titaani kasutamist piiravad tegurid. sulam ja titaanisulami laialdast kasutamist autotööstuses takistav peamine põhjus on kõrge hind.
Olgu selleks metalli esmane sulatamine või sellele järgnev töötlemine, on titaanisulami hind palju kõrgem kui teistel metallidel. Autotööstus võib aktsepteerida titaanist osade maksumust, ühendusvarda titaan 8–13 USA dollarit / kg, õhuklapp titaan 13–20 dollarit / kg, vedru, mootori väljalaskesüsteem ja kinnitusdetailide titaan loodetavasti jäävad alla 8 USD / kg . Praegu on titaanmaterjalidega toodetud osade maksumus nendest hindadest palju kõrgem ja titaanlehe tootmiskulud on enamasti kõrgemad kui 33 USA dollarit / kg, mis on 6–15 korda kõrgem kui alumiiniumlehe oma ja 45–83 korda. teraslehe oma.
Autotööstuse titaanisulamite uurimistöö
Praegu on autotööstuses kasutatavate titaanisulamite peamine uurimissuund kulude vähendamine. Vastavalt autotööstuses kasutatavate titaanisulamite kulujaotuse omadustele saavutavad materjaliuuringute ja -arenduse töötajad kulude vähendamise eesmärgi peamiselt kahest järgmisest aspektist: uute odava sulamisüsteemide väljatöötamine ja uute töötlemisviiside kasutamine. ja ettevalmistustehnoloogiad.
1. Uus odav titaanisulamite süsteem
Erinevate riikide töötajad on välja töötanud uued odavad titaanisulamisüsteemid, keskendudes peamiselt järgmistele aspektidele: sulami disain, kasutades odavaid legeerelemente, ja sulami disain, mis parandab töötlemisomadusi. Nende hulgas on Jaapan ja USA esindajad ning Hiina on edukalt välja töötanud kaks odavat titaanisulamit, nimelt Ti8LC ja Ti12LC. Sõidukite odavate titaanisulamist komponentide projekteerimisel on tavaliselt kasutatavad odavad sulamielemendid Fe, Cr, Si, Al ja nii edasi.
2. Uus töötlemis- ja ettevalmistustehnoloogia
Titaanisulamite materjalide töötlemiskulud moodustavad rohkem kui 60% tootmisprotsessi kogumaksumusest, seega on kulude vähendamise seisukohalt uurimise keskmeks saanud titaanisulami töötlemiskulude vähendamise viis. Selle valdkonna uuringud jagunevad peamiselt kaheks aspektiks: üks on traditsioonilise valu- ja sepistamisprotsessi täiustamine ja teine on pulbermetallurgia peaaegu võrguvormimistehnoloogia kasutuselevõtt.
Uute sepistamisprotsesside uurimisel ja väljatöötamisel on külm sepistamine üks paljutõotavamaid meetodeid titaanisulamite autoosade tootmiseks. titaanisulami deformatsioonikindlus toatemperatuuril on väike, lõikevormimine on hea, võib olla külmsepistav materjal, Jaapan on välja töötanud kolme tüüpi külma deformatsiooniga titaanisulami. titaanisulamil on ka mõningaid puudusi, külma sepistamise ajal on lihtne tekitada ebaühtlast deformatsiooni ja seda on lihtne vormi külge kleepida, seega vajab titaanisulamist osade masstootmine külmsepistamistehnoloogiaga veel täiendavat uurimist ja arendamist.
Pulbermetallurgia on väga oluline tehnoloogia titaanisulamite töötlemiskulude vähendamisel. Pulbermetallurgia autoosade valmistamisel on traditsiooniline press-paagutamise meetod endiselt domineeriv, hõlmates peamiselt elementaarpulbermeetodit (BE) ja eellegeerimispulbri meetodit (PA). Praegu on elementaarse pulbri meetodit kõige laialdasemalt kasutatav odava autotööstuse titaanisulami pulbermetallurgia valdkonnas selle lihtsa protsessi ja madalamate kulude tõttu. Viimastel aastatel on esile kerkinud ka muud pulbermetallurgia tehnoloogiad, sealhulgas laservormimistehnoloogia, metallipulbri survevalu (MIM) ja muud tehnoloogiad, mida on laialdaselt kasutatud keerukate autoosade proovitootmises ja tootmises, mis võib toodet oluliselt lühendada. arendus- ja tootmistsüklit ning kulusid veelgi vähendada.
Peroratsioon
Uue põlvkonna autodisain pöörab rohkem tähelepanu kere kergusele, madalale kütusekulule, mootori madalale müratasemele ja kergele vibratsioonile, et vastata üha nõudlikumatele keskkonnanõuetele. Selles kontekstis saab kergmetallist titaanist tulevaste sõidukite peamine kasutusmaterjal.
Arvestades autotööstuse odavate titaanisulamite praegust uurimisseisu, võib leida, et autotööstuses kasutatavate titaanisulamite maksumuse edasiseks vähendamiseks peaksid uuringud keskenduma peamiselt järgmistele aspektidele:
1) Odavate sulamisüsteemide väljatöötamisel proovige välja töötada sulamisüsteeme, mis ei kasuta kalleid sulamielemente või vähem, ilma et see mõjutaks jõudlust, ning arendada ja kasutada täielikult ümbertöödeldud titaanisulameid.
2) Valamis- ja sepistamisprotsessi arendamise osas töötatakse välja titaanisulami ja külmdeformatsiooniga titaanisulami arendussuund ning viiakse läbi masstootmise teostatavusuuring.
3) Pulbermetallurgias, tagades madala hinna eelise, on vaja ka titaandetailide jõudlust veelgi parandada.
Majanduse arengu ja titaani kulude vähenemisega valib rohkem insenere autoosade jaoks titaanist osi. Titaanisulamid hakkavad lõpuks mängima autotööstuse tootmises olulist rolli.
