Titán alkalmazások az autóiparban

Bár a titánötvözetek széles körben használatosak a repülőgépiparban, a petrolkémiai és a hajóépítő iparban, alkalmazásuk az autóiparban lassan fejlődött. A General Motors által az Egyesült Államokban 1956-ban sikeresen kifejlesztett első, teljesen titánból készült autót követően a titán autóalkatrészek csak az 1980-as években érték el a tömeggyártás szintjét. Az 1990-es években, ahogy a luxusautók, sportautók és versenyautók iránti kereslet évről évre nőtt, a titán autóalkatrészek gyorsan fejlődtek. 1990-ben az autókban használt titán mennyisége világszerte mindössze 50 tonna volt. 1997-ben elérte az 500 tonnát. 2002-ben elérte az 1100 tonnát. 2009-ben elérte a 3,000t. Várhatóan 2015-ben az autókban használt titán mennyisége világszerte meghaladja az 5,{15}} tonnát. Jelenleg a következő típusú titánötvözet alkatrészeket használják általánosan.

1. Motor hajtókar
A titánötvözet ideális anyag a hajtórudakhoz. A titánötvözetből készült motorösszekötő rudak hatékonyan csökkenthetik a motor tömegét, javíthatják az üzemanyag-hatékonyságot és csökkenthetik a kipufogógáz mennyiségét. Az acél hajtórudakhoz képest a titán hajtórudak 15%-kal, 2{12}}%-ra csökkenthetik a tömeget. A titánötvözet hajtórudak alkalmazása először az új olasz Ferrari 3.5LV8 szedánban és az Acura NSX motorjában jelent meg. A titánötvözet hajtórudakhoz használt fő anyagok a Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V és Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si. Egyéb titánötvözet anyagok, például Ti-4Al A -2Si-4Mn és Ti-7M-4Mo hajtórudakban való alkalmazása szintén fejlesztés alatt áll.
2.Motorszelep
A titánötvözetből készült gépjárműmotor-szelepek nemcsak a tömeget csökkenthetik és az élettartamot meghosszabbíthatják, hanem az üzemanyag-fogyasztást és a jármű megbízhatóságát is javítják. Az acélszelepekhez képest a titán szelepek 30-40%-kal csökkenthetik a tömeget, és 20%-kal növelhetik a motor határfordulatszámát. Ami a jelenlegi alkalmazásokat illeti, a szívószelep anyaga főként Ti-6Al-4V, a kipufogószelep anyaga pedig főleg Ti-6242S. Általában az Sn-t és az Al-t összeadják, hogy kisebb ridegséget és nagyobb szilárdságot kapjanak; A Mo hozzáadása javíthatja a titánötvözetek hőkezelési tulajdonságait, fokozhatja a titánötvözetek kioltásának és öregedésének szilárdságát, valamint növelheti a keménységet. További fejlesztési potenciállal rendelkező titánötvözetek:
1) A szívószelep készülhet Ti-62S-ből, amelynek tulajdonságai megegyeznek a Ti-6Al-4V-vel, és olcsóbb is.
2) A kipufogószelep készülhet Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo{{7} }.45Si. Alacsonyabb Mo-tartalma miatt kúszási ellenállása jobb, mint a Ti-6242S, oxidációs ellenállása pedig elérheti a 600 fokot. .
3) A kipufogószelep készülhet -TiAl-ból, amelynek jellemzői a magas hőmérséklet-állóság és a könnyű súly, de nem alkalmas hagyományos kovácsolási eljárásokra a feldolgozás során. Csak öntésre és porkohászati ​​feldolgozásra alkalmas.
3. Szeleprugó-ülés
A nagy szilárdság és a fáradtságállóság a szeleprugó-ülék elengedhetetlen tulajdonságai. A béta-titánötvözet egy hőkezelt ötvözet, amely szilárd oldatos öregítéssel nagy szilárdságot érhet el. A megfelelőbb anyagok a Ti-15V-3Cr- 3Al-3Sn és Ti-15Mo-3Al-2 .7Nb-0.2Si. A Mitsubishi Motors Ti-22V-4Al-titánötvözet szeleprugó-üléseket használ nagyüzemi sorozatgyártású járműveiben, ami 42%-kal csökkenti a tömeget az eredeti acélzárakhoz képest, valamint a szelep tehetetlenségi tömegét mechanizmus 6%-kal, és növeli a maximális motorfordulatszámot. 300 fordulat/perc.
4.Titánötvözet rugó
A titánnak és ötvözeteinek alacsonyabb rugalmassági modulusa és nagyobb σs/E értéke van, mint az acéloknak, így alkalmasak rugalmas alkatrészek gyártására. Az acél autórugókhoz képest ugyanazon rugalmas munka előfeltétele mellett a titán rugók magassága az acélrugóknak csak 40%-a, a tömege pedig csak 30-40%-a az acélrugóknak, ami megkönnyíti a karosszéria kialakítását. Ezenkívül a titánötvözet kiváló kifáradási tulajdonságai és korrózióállósága meghosszabbíthatja a rugó élettartamát. Jelenleg az autórugók előállításához felhasználható titánötvözet anyagok közé tartozik a Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al és a Ti-13V11C-3Al.
5. Turbófeltöltő
A turbófeltöltők javíthatják a motor égési hatékonyságát, valamint növelhetik a motor teljesítményét és nyomatékát. A turbófeltöltő turbina rotorjának magas hőmérsékletű, 850 fok feletti kipufogógázban kell sokáig dolgoznia, ezért jó hőállóságot igényel. A hagyományos könnyűfémek, például az alumíniumötvözetek alacsony olvadáspontjuk miatt nem használhatók. Bár a kerámia anyagokat kis súlyuk és jó magas hőmérsékletállóságuk miatt a turbina rotorokban használják, alkalmazásuk korlátozott, mivel magas költségük és képtelenség optimalizálni alakjukat. E problémák megoldása érdekében Tetsui és mások kifejlesztették a TiAl turbina rotort. Sok teszt után bebizonyosodott, hogy nem csak a tartósság és a hatásfok jó, hanem a motor gyorsulását is javítja. Ezt a kialakítást sikeresen kereskedelmi forgalomba helyezték a Mitsubishi Lancer Evolution sorozatban.
6. Kipufogórendszer és hangtompító
A titánt széles körben használják az autók kipufogórendszereiben. A titánból és ötvözeteiből készült kipufogórendszerek nemcsak a megbízhatóságot javíthatják, meghosszabbíthatják az élettartamot és javíthatják a megjelenést, hanem csökkenthetik a tömeget és javíthatják az üzemanyag égési hatékonyságát is. Az acél kipufogórendszerekhez képest a titán kipufogórendszerek körülbelül 40%-kal csökkenthetik a tömeget. A Golf sorozatú autókban a titán kipufogórendszer tömege 7-9 kg-mal csökkenthető. Jelenleg a kipufogórendszerben használt titán anyag elsősorban ipari tisztaságú titán.
A titán hangtompító súlya mindössze 5-6 kg, ami könnyebb, mint a rozsdamentes acél és más hangtompítók. A 2000-es Chevrolet Corvette Z06 11,8 kg-os titán kipufogó- és kipufogórendszert használ az eredeti 20 kg-os rozsdamentes acél rendszer helyett, így a tömeg 41%-kal csökken. A lecserélt rendszer megőrzi erejét, gyorsabbá, rugalmasabbá és üzemanyag-hatékonyabbá teszi az autót. A kipufogódobban használt titán anyag szintén főként ipari tisztaságú titán.
7. Karosszéria keretrész
Az autók biztonságának és megbízhatóságának javítása érdekében figyelembe kell venni a tervezési és gyártási szempontokat, különös tekintettel a gyártási anyagokra. A titán egy nagyon jó anyag, amelyet autókarosszéria-vázak készítésére használnak. Nemcsak nagy fajlagos szilárdságú, hanem jó szívóssággal is rendelkezik. Japánban az autógyártók tiszta titánból hegesztett csöveket választanak karosszériavázak készítéséhez. Ez a fajta keret biztonságossá teheti a vezetőket vezetés közben.
8. Egyéb titánötvözet alkatrészek
A fenti alkatrészeken kívül a titánt használják még a motor lengőkarjaiban, felfüggesztési rugókban, motordugattyúcsapokban, autóipari rögzítőelemekben, füles anyákban, autóajtók kiálló gerendáiban, autóipari hajtóműtartókban, féknyereg dugattyúiban, csapcsavarokban, nyomásban. Autóalkatrészek, mint pl. lemezek, váltógombok és autó kuplungtárcsák.

1. Előnyök

A titánötvözetek előnye a könnyű súly, a nagy fajlagos szilárdság és a jó korrózióállóság, ezért széles körben használják őket az autóiparban. A titánötvözetek legáltalánosabb felhasználása az autómotor-rendszerekben. A titánötvözetek motoralkatrészek gyártásához való felhasználásának számos előnye van, főként:
1) A titánötvözet alacsony sűrűsége csökkentheti a mozgó alkatrészek tehetetlenségi tömegét. Ugyanakkor a titán szeleprugók növelhetik a szabad vibrációt, gyengíthetik az autó karosszériájának vibrációját, és növelhetik a motor fordulatszámát és kimenő teljesítményét.
2) Csökkentse a mozgó alkatrészek tehetetlenségi tömegét, ezáltal csökkenti a súrlódást és javítja a motor üzemanyag-hatékonyságát.
3) A titánötvözet kiválasztása csökkentheti a kapcsolódó alkatrészek terhelési feszültségét és csökkentheti az alkatrészek méretét, ezáltal csökkentve a motor és az egész jármű tömegét.
4) Az alkatrészek tehetetlenségi tömegének csökkentése csökkenti a vibrációt és a zajt, valamint javítja a motor teljesítményét.
A titánötvözetek más alkatrészekben történő alkalmazása javíthatja a személyzet kényelmét és az autók esztétikáját. Az autóipari alkalmazásokban a titánötvözetek mérhetetlen szerepet játszottak az energiamegtakarításban és a fogyasztáscsökkentésben.
2. Alkalmazási korlátozások
Bár a titánötvözetből készült alkatrészek ilyen kiváló tulajdonságokkal rendelkeznek, még hosszú utat kell megtenni ahhoz, hogy a titánt és ötvözeteit széles körben használják az autóiparban. Ennek oka a magas ár, a rossz alakíthatóság és a gyenge hegesztési teljesítmény.
Az elmúlt években a titánötvözet közeli háló technológiájának és a modern hegesztési technológiáknak, mint például az elektronsugaras hegesztésnek, a plazmaíves hegesztésnek és a lézerhegesztésnek köszönhetően a titánötvözetek alakítási és hegesztési problémái már nem a titán alkalmazását korlátozó kulcsfontosságú tényezők. ötvözetek. A fő ok, amiért széles körben használják az autóiparban, a magas költségek.
Legyen szó a fém kezdeti olvasztásáról vagy az azt követő feldolgozásról, a titánötvözetek ára sokkal magasabb, mint a többi fémé. Az autóipar által elfogadott titán alkatrészek ára 8-13 USD/kg a hajtórudakért, 13-20 USD a szelepekért, és 8 USD a rugókért, a motor kipufogórendszereiért és a kötőelemekért. USD/kg alatt. A titán anyagokból gyártott alkatrészek jelenlegi költsége sokkal magasabb, mint ezek az árak. A titánlemezek előállítási költsége többnyire meghaladja a 33 USD/kg-ot, ami 6-15-szöröse az alumíniumlapokénak és 45-83-szorosa az acéllemezekének.