Søknadsstatus for titanlegeringer i bilindustrien
De siste årene, med den raske utviklingen av bilindustrien, har drivstofforbruk, miljøvern og sikkerhetsproblemer som genereres av biler tiltrukket seg økende oppmerksomhet. Ser frem til den fremtidige utviklingsretningen for bilindustrien, lettvekt, lavt drivstofforbruk og lave utslipp er temaene for utviklingen. I følge statistikk fra internasjonale autoritative avdelinger forbrukes 60% av energien ved forbrenning av bildrivstoff av sin egen vekt. Selv om høyfaste tynne stålplater, aluminium, magnesium, metallbaserte komposittmaterialer og plastharpiksmaterialer har spilt en rolle i å redusere vekten til biler, har fremveksten av industrielle titanmaterialer gjort bilproduksjon til et bedre valg.
Titanmetall har fordelene med lav tetthet, høy spesifikk styrke og god korrosjonsbestandighet. Bruken av titanmaterialer i biler kan i stor grad redusere vekten på bilkroppen, redusere drivstofforbruket, forbedre motorens arbeidseffektivitet, forbedre miljøet og redusere støy. Den dyre prisen gjør imidlertid at titanlegeringer kun har noen bruksområder i luksusmodeller og sportsbiler i bilindustrien, og sjelden i vanlige biler. Derfor er forskning og utvikling av rimelige titanlegeringer som møter markedets behov nøkkelen til å fremme bruken i vanlige husholdningsbiler.
Gjeldende bruksstatus for titanlegeringer i bilindustrien
Selv om titanlegeringer har blitt mye brukt i romfart, petrokjemisk industri og skipsbyggingsindustri, har deres anvendelse i bilindustrien utviklet seg sakte. Siden den første titanbilen ble vellykket utviklet av General Motors i USA i 1956, nådde ikke titanbildeler nivået på masseproduksjon før på 1980-tallet. På 1990-tallet, med den økende etterspørselen etter luksusbiler, sportsbiler og racerbiler, har titandeler utviklet seg raskt. I 1990 var mengden titan brukt i biler over hele verden bare 50 tonn, som nådde 500 tonn i 1997, 1100 tonn i 2002 og 3000 tonn i 2009. Det forventes at mengden titan brukt i biler over hele verden vil overstige 5000 tonn i 2015. For tiden er følgende titanlegeringsdeler vanligvis brukt.
1. Motorens koblingsstang
Titanlegering er et ideelt valg for koblingsstangmaterialer. Motorens koblingsstenger laget av titanlegering kan effektivt redusere motorvekten, forbedre drivstoffeffektiviteten og redusere eksosvolumet. Sammenlignet med koblingsstenger av stål kan koblingsstenger av titan redusere 15 % til 20 % av vekten. Anvendelsen av koblingsstenger i titanlegering ble først reflektert i de nye Ferrari 3.5LV8- og Acura NSX-motorene i Italia. Materialene som brukes til koblingsstenger av titanlegering er hovedsakelig Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V og Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si og andre titanlegeringsmaterialer som Ti-4Al{{19} }Si-4Mn og Ti-7M-4Mo utvikles også for bruk i forbindelsesstenger.
2. Motorventiler
Bilmotorventiler laget av titanlegeringer kan ikke bare redusere vekten og forlenge levetiden, men også redusere drivstofforbruket og forbedre bilens pålitelighet. Sammenlignet med stålventiler kan titanventiler redusere vekten med 30 % til 40 %, og motorens grensehastighet kan økes med 20 %. Når det gjelder gjeldende bruksområder, er materialet til inntaksventilen hovedsakelig Ti-6Al-4V, og materialet til eksosventilen er hovedsakelig Ti-6242S. Vanligvis legges Sn og Al sammen for å oppnå lavere sprøhet og høyere styrke; Tilsetning av Mo kan forbedre varmebehandlingsytelsen til titanlegeringer, forbedre styrken til bråkjøling og aldrende titanlegeringer og øke hardheten. Andre titanlegeringer med utviklingspotensial er:
1) Inntaksventilen kan være laget av Ti-62S, som har samme egenskaper som Ti-6Al-4V og er billigere.
2) Eksosventilen kan være laget av Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo{{7} }.45Si. På grunn av det lavere Mo-innholdet er krypemotstanden bedre enn Ti-6242S, og oksidasjonsmotstandstemperaturen kan nå 600 grader .
3) Eksosventilen kan være laget av -TiAl, som har egenskapene til høy temperaturmotstand og lav vekt, men er ikke egnet for bearbeiding ved tradisjonelle smimetoder, og er kun egnet for støping og pulvermetallurgi.
3. Ventilfjærsete
Høy styrke og utmattelsesmotstand er egenskapene som ventilfjærseter må ha. titanlegering er en varmebehandlebar legering som kan oppnå høy styrke gjennom aldringsbehandling i fast løsning. De tilsvarende mer passende materialene er Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn og Ti-15Mo-3Al-2 .7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors bruker Ti-22V-4Al-titanium-legering ventilfjærseter på sine masseproduserte biler, noe som reduserer massen med 42 % sammenlignet med den originale stållåsen, reduserer treghetsmassen til ventilmekanismen med 6 %, og øker maksimalt motorturtall med 300r/min.
4. Titanium legering fjærer
Titan og dets legeringer har en lavere elastisitetsmodul enn stålmaterialer, en stor σs/E-verdi, og er egnet for produksjon av elastiske komponenter. Sammenlignet med stålfjærer til biler, under forutsetningen av det samme elastiske arbeidet, er høyden på titanfjærer bare 40% av stålfjærene, og massen er bare 30% til 40% av den til stålfjærer, noe som er praktisk for kroppsdesign. I tillegg kan den utmerkede tretthetsytelsen og korrosjonsmotstanden til titanlegeringer øke levetiden til fjærer. For tiden inkluderer 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 motorer og øke kraften og dreiemomentet til motorene. Turbinrotoren til turboladeren må fungere i høytemperatur eksosgass over 850 grader i lang tid, så det kreves at den har god varmebestandighet. Tradisjonelle lettmetaller som aluminiumslegering kan ikke brukes på grunn av deres lave smeltepunkt. Selv om keramiske materialer brukes i turbinrotorer på grunn av deres lette vekt og gode motstand mot høye temperaturer, 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-turbinrotoren. Etter mange tester og verifikasjoner har den ikke bare god holdbarhet og effektivitet, men kan også forbedre akselerasjonen til motoren. Denne designen er vellykket kommersialisert i Mitsubishi Lancer Evolution-serien.
6. Eksosanlegg og lyddemper
Titan brukes i store mengder 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 forbedre drivstoffforbrenningseffektiviteten. Sammenlignet med eksosanlegg i stål kan eksosanlegg av titan redusere massen med ca. 40 %. I Golf-serien av biler kan vekten av titan-eksosanlegget reduseres med 7 til 9 kg. For øyeblikket er titanet som brukes i eksossystemet hovedsakelig industriell rent titan.
Vekten på titanlyddemperen er bare 5 til 6 kg, noe som er lettere enn lyddempere i rustfritt stål. 2000 Chevrolet Corvette Z06 bruker en 11,8 kg titan lyddemper og rørsystem for å erstatte det originale 20 kg rustfritt stål systemet, noe som reduserer vekten med 41 %. Styrken til det erstattede systemet forblir uendret, og bilen er raskere, mer fleksibel og drivstoffeffektiv. Titanet som brukes i lyddemperen er også hovedsakelig industriell rent titan.
7. Kroppsramme
For å forbedre sikkerheten og påliteligheten til bilen, er det nødvendig å vurdere design- og produksjonsaspektene, spesielt produksjonsmaterialene. Titan er et godt materiale for å lage kroppsrammer. Den har ikke bare en høy spesifikk styrke, men har også god seighet. I Japan velger bilprodusenter rene titanmetallsveisede rør for å lage karosserirammer, noe som kan få sjåførene til å føle seg trygge nok når de kjører.
8. Andre deler av titanlegering
I tillegg til de ovennevnte delene, brukes titan også i motorvippearmer, opphengsfjærer, motorstempelstifter, bilfestemidler, låsemuttere, bildørutstikkende bjelker, bilstoppebraketter, bremsekaliperstempler, pinnebolter, trykkplater, skifteknapper og bilclutchskiver og andre bildeler. Den nye generasjonen av bildesign legger mer vekt på det lette karosseriet, lavt drivstofforbruk, lavt støynivå og lett vibrasjon til motoren for å møte de stadig strengere miljøkravene. I denne sammenhengen vil lettmetalltitan bli et viktig bruksmateriale for fremtidige biler.