Aplikace titanových slitin ve výrobě lehkých automobilů

Titan a slitiny titanu se vyznačují nízkou hustotou, vynikajícími mechanickými vlastnostmi, dobrou biokompatibilitou, odolností proti korozi, vysokou teplotní odolností a dobrou houževnatostí při nízkých teplotách. Byly široce používány v oblasti výroby automobilů. Hustota titanové slitiny je pouze 60% hustoty oceli, zatímco pevnost může dosáhnout více než 800 MPa. Stále si zachovává dobré mechanické vlastnosti kolem 500 stupňů a má dobré svařovací a tvarovací vlastnosti. Používal se při výrobě závodních vozů před více než 20 lety, výrazně snížil hmotnost závodních motorů a zlepšil výkon motoru.

V současné době jsou díly z titanové slitiny používané ve výrobě automobilů distribuovány hlavně ve výfukových systémech automobilů, systémech motorů, převodových systémech a systémech redukce vibrací a rámech karoserie.
1. Výfukový systém
Materiály automobilových výfukových systémů musí mít dobré mechanické vlastnosti za vysokých teplot a odolnost vůči korozi S a Cl prvky. Tradiční součásti výfukových ventilů jsou vyrobeny z nerezové oceli, ale lidé zjistili, že slitiny titanu jsou z hlediska výkonu vhodnější pro použití jako materiály výfukových ventilů.
Titanové vratné potrubí použité v novém Chevrolet Corvette Z206 účinně zamezuje problémům s důlkovou koroze a svarové rzi, které se vyskytují na trubkách z nerezové oceli, a zároveň zlepšuje účinnost spalování paliva a schopnosti akcelerace a zkracuje brzdnou dráhu.
Timet, největší výrobce titanu ve Spojených státech, se zavázal k výzkumu, vývoji a výrobě výfukových systémů z titanových slitin. Mnoho japonských společností také provedlo související výzkum a vývoj. V současné době má Fuji Heavy Industries, Ltd. omezenou výrobu 440 sad automobilových výfuků z titanové slitiny.
2. Systém motoru
Systém automobilového motoru je součástí, která používá nejvíce titanové slitiny v automobilovém průmyslu. Aplikace titanové slitiny v systému motoru zahrnuje především ventily, ojnice, klikové hřídele, ventilová sedla a další díly.
Honda Motor Corporation of Japan používá v závodním motoru NSX V-6 kované titanové ojnice; Mitsubishi Motors používá titanová sedla ventilových pružin u velkoobjemových čtyřválcových motorů a titanové ojnice se používají i ve vozech Porsche.
(1) Ventil
Pokud jde o ventily z titanové slitiny, Spojené státy a Japonsko provedly mnoho výzkumných prací. Spojené státy v současnosti obecně používají slitinu Ti-6Al-4V k výrobě sacích ventilů a Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo slitina pro výrobu výfukových ventilů; zatímco Toyota z Japonska používá slitinu Ti-6Al-4V/Ti B k výrobě sacích ventilů a slitinu Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Nb-Si/Ti B k výrobě výfukových ventilů. Tyto typy titanových slitin mají dobré mechanické vlastnosti za vysokých teplot, odolnost proti oxidaci a odolnost proti tečení, které účinně zlepšují výkon motoru a zvyšují rychlost vozidla.
(2) Sedlo ventilu
Ventilová sedla z titanové slitiny jsou široce používána v závodních a sportovních autech s roční produkcí více než 250,000 sad. Vyrábějí se převážně ze slitiny Ti-6Al-4V nebo Ti-5Al-2Cr-1Fe. Vzhledem k tomu, že tvar sedla ventilu je poměrně jednoduchý, nevyžaduje vysoké požadavky na opracování a nevyžaduje speciální povrchovou úpravu. Je poměrně levný a má výrazný vliv na snížení hmotnosti vozu.
(3) Ojnice
Použití ojnic z titanové slitiny může účinně snížit hmotnost motoru a zlepšit výkon vozu. Hlavním přípravným materiálem je slitina Ti-6Al-4V. Japonská společnost Daido Co., Ltd. v současné době vyvíjí dvoufázovou titanovou slitinu Ti-3Al-2V-0.2Si-0.47Ce-0.27La . Tato slitina má dobrou obrobitelnost a má také vynikající mechanické vlastnosti, únavové vlastnosti a odolnost proti korozi. Očekává se, že bude použit v částech ojnice motoru, které jsou vystaveny rychlému zrychlování a zpomalování.
(4) Klikové hřídele
Přestože klikové hřídele z titanové slitiny se v současnosti příliš nepoužívají, slitina Ti-3Al-2.5V speciálně vyvinutá Japonskem byla ověřena na závodních vozech Honda. Při účinném snížení hmotnosti došlo ke zvýšení otáček motoru o 700 ot./min., což dokazuje převahu klikových hřídelí z titanové slitiny. Japonsko zároveň zkušebně vyrábí klikové hřídele ze slitiny Ti-5Al-2Cr-Fe v naději, že slitiny titanu budou více používány v dílech klikových hřídelů.

3. Systém redukce vibrací
Základní součástí automobilového systému tlumení vibrací je pružina odpružení. Ve srovnání s běžnou automobilovou pružinovou ocelí má titanová slitina vyšší specifickou pevnost a nižší modul ve smyku a vyšší únavovou pevnost, díky čemuž je vhodnější pro výrobu automobilových pružin tlumících nárazy. Vzhledem k tomu, že průhyb pružiny je úměrný počtu závitů a nepřímo úměrný smykovému modulu materiálu, vyžadují pružiny z titanové slitiny méně závitů než ocelové pružiny k dosažení stejné odezvy pružiny, čímž se účinně snižuje hmotnost pružiny a šetří prostor.
Pružiny z titanové slitiny zároveň dokážou také efektivně zvýšit rezonanční frekvenci pružiny a zvýšit její životnost. V současné době je většina pružin z titanové slitiny vyrobena z jednofázové slitiny titanu. Volkswagen použil na některých vozech pružiny Lupo FSI z titanové slitiny s využitím asi 3500 vozidel.

4. Rám těla
Pokud jde o komponenty rámu karoserie, vyšší specifická pevnost, nižší hustota a dobrá odolnost proti korozi titanové slitiny naznačují, že jde o dobrý materiál pro přípravu rámů karoserie. V současné době některé automobilové společnosti používají slitiny titanu na díly, jako jsou držáky převodů a písty brzdových třmenů. Mezi převodovými díly Japonsko v současné době vyvíjí proces přípravy skořepin z titanové slitiny vysokorychlostním zvlákňováním. Ve srovnání s ocelovými skořepinami mohou skořepiny z titanové slitiny lépe snížit dopad setrvačníků a mají lepší tlumicí účinky.
Kromě toho byly titanové slitiny také použity v automobilových spojovacích materiálech a dalších dílech. S neustálým vývojem technologie přípravy titanových slitin a automobilového průmyslu budou titanové slitiny jistě více používány v automobilových dílech.

5. Význam titanových slitin pro lehká vozidla
Zahraniční výzkumné instituce spočítaly, že když se pohotovostní hmotnost automobilu sníží o 10 %, spotřeba paliva se může snížit o 6 % až 8 %. Jiné studie ukázaly, že při každém snížení hmotnosti o 91 kg může průměrné vozidlo ujet o 0,43 km více na litr paliva. Proto se s neustálým rozvojem ekonomiky mé země a neustálým zvyšováním počtu automobilů stalo odlehčení automobilů jedním z důležitých způsobů, jak snížit spotřebu energie a snížit znečištění ovzduší.
Titan a materiály z titanových slitin jsou v současné době široce používány v automobilových součástech díky svým vynikajícím fyzikálním a chemickým vlastnostem. Použití titanových materiálů nejen účinně zlepšuje výkon a bezpečnostní faktor vozu, ale také hraje důležitou roli při odlehčení vozu, účinně snižuje pohotovostní hmotnost vozu a snižuje spotřebu paliva.
Ve srovnání s tradičním systémem z nerezové oceli může titanová sestava koncové trysky a zpětného potrubí použitá ve výfukovém systému automobilu snížit hmotnost přibližně o 8,2 kg. Použití výrobků z titanové slitiny namísto tradičních ocelových a litinových materiálů v částech motoru, jako jsou ventily a ojnice, může účinně snížit hmotnost motoru.
Podle výzkumu v japonském automobilovém průmyslu je použití asi 0,8 kg titanových dílů ve výkonovém ventilu automobilu ekvivalentní efektu dosaženému 20 kg ocelových dílů; každé titanové sedlo ventilu může snížit hmotnost asi o 10 g ve srovnání s ocelovým sedlem ventilu; použití titanové slitiny pro ojnice a klikové hřídele je nejúčinnější pro snížení hmotnosti motoru.

V systému redukce vibrací může každá pružina z titanové slitiny snížit hmotnost o více než 60 % ve srovnání s ocelovou pružinou. Vypočteno na základě 4 pružin zavěšení na vozidlo, po výměně pružiny z titanové slitiny může každé vozidlo snížit hmotnost o 9~13,6 kg. Kromě toho je hmotnost tlumiče z titanové slitiny pouze 5~6 kg, což je o 40 % lehčí než tlumič z nerezové oceli.
Vezmeme-li jako příklad běžné auto střední velikosti, pokud se stávající automobilové díly z titanové slitiny použijí k nahrazení tradičních dílů, pohotovostní hmotnost vozidla se sníží z přibližně 1500 kg na přibližně 1000 kg s mírou snížení hmotnosti o 30 % a komplexní spotřebu paliva lze snížit o více než 20 %, což výrazně sníží světovou spotřebu paliva a účinně zmírní problémy s nedostatkem energie a znečištěním životního prostředí.

Výše uvedené údaje ukazují, že použití titanových slitin má významný vliv na odlehčení automobilů. V moderním automobilovém průmyslu by se technologie aplikace titanu a titanových slitin v automobilových dílech měla neustále rozvíjet, aby se zvýšil aplikační poměr slitin titanu v automobilech. Hlavním úkolem v budoucnu by proto mělo být snížení ceny dílů z titanové slitiny vývojem levných materiálů z titanové slitiny a snížením výrobních nákladů surovin z titanové slitiny a zlepšením efektivity zpracování dílů z titanové slitiny zlepšením technologie zpracování. .