Användning av titanlegeringar i lättviktsbiltillverkning
Titan och titanlegeringar har egenskaperna låg densitet, utmärkta mekaniska egenskaper, god biokompatibilitet, korrosionsbeständighet, hög temperaturbeständighet och god seghet vid låg temperatur. De har använts i stor utsträckning inom biltillverkning. Densiteten hos titanlegeringen är bara 60 % av stålets, medan styrkan kan nå mer än 800 MPa. Den bibehåller fortfarande goda mekaniska egenskaper vid cirka 500 grader och har goda svets- och formningsegenskaper. Den har använts vid tillverkning av racingbilar för mer än 20 år sedan, vilket kraftigt minskar vikten på racingmotorer och förbättrar motorns prestanda.
För närvarande distribueras titanlegeringsdelar som används vid biltillverkning huvudsakligen i bilavgassystem, motorsystem, transmissions- och vibrationsreduceringssystem och karossramar.
1. Avgassystem
Materialen i bilavgassystem måste ha goda mekaniska egenskaper vid hög temperatur och motståndskraft mot korrosion av S- och Cl-element. Traditionella avgasventilkomponenter är gjorda av rostfritt stål, men folk har funnit att titanlegeringar är mer lämpade för användning som avgasventilmaterial när det gäller prestanda.
Titanreturröret som används i nya Chevrolet Corvette Z206 undviker effektivt grop- och svetsrostproblem som uppstår på rostfria stålrör, samtidigt som det förbättrar bränsleförbränningseffektiviteten och accelerationsförmågan och förkortar bromssträckorna.
Timet, den största titantillverkaren i USA, har engagerat sig i forskning och utveckling och tillverkning av avgassystem i titanlegering. Många japanska företag har också utfört relaterat forsknings- och utvecklingsarbete. För närvarande har Fuji Heavy Industries, Ltd. en begränsad produktion av 440 uppsättningar av titanlegeringsavgasrör för bilar.
2. Motorsystem
Bilmotorsystemet är den del som använder mest titanlegering inom fordonsområdet. Tillämpningen av titanlegering i motorsystemet inkluderar huvudsakligen ventiler, vevstakar, vevaxlar, ventilsäten och andra delar.
Honda Motor Corporation i Japan använder smidda vevstakar av titan i NSX racing V-6-motorn; Mitsubishi Motors använder ventilsäten i titan i fyrcylindriga motorer med hög kapacitet, och vevstakar av titan används också i Porsche-bilar.
(1) Ventil
När det gäller titanlegeringsventiler har USA och Japan bedrivit mycket forskningsarbete. För närvarande använder USA i allmänhet Ti-6Al-4V-legering för att tillverka insugningsventiler och Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo legering för att tillverka avgasventiler; medan Toyota i Japan använder Ti-6Al-4V/Ti B-legering för att tillverka insugningsventiler och Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Nb-Si/Ti B-legering för att tillverka avgasventiler. Dessa typer av titanlegeringar har goda mekaniska egenskaper vid hög temperatur, oxidationsbeständighet och krypmotstånd, vilket effektivt förbättrar motorns prestanda och ökar fordonshastigheten.
(2) Ventilsäte
Ventilsäten i titanlegering har använts i stor utsträckning i racerbilar och sportbilar, med en årlig produktion på mer än 250,000 set. De är huvudsakligen gjorda av Ti-6Al-4V eller Ti-5Al-2Cr-1Fe-legering. Eftersom formen på ventilsätet är relativt enkel ställer det inga höga krav vad gäller bearbetning och kräver ingen speciell ytbehandling. Det är relativt billigt och har en betydande effekt på att minska bilens vikt.
(3) Vevstakar
Användningen av vevstakar av titanlegering kan effektivt minska motorns vikt och förbättra bilens prestanda. Det huvudsakliga beredningsmaterialet är Ti-6Al-4V-legering. Japanska Daido Co., Ltd. utvecklar för närvarande en tvåfas titanlegering Ti-3Al-2V-0.2Si-0.47Ce-0.27La . Denna legering har god bearbetbarhet och är även utmärkt i mekaniska egenskaper, utmattningsegenskaper och korrosionsbeständighet. Den förväntas användas i motorns vevstångsdelar som utsätts för snabb acceleration och retardation.
(4) Vevaxlar
Även om vevaxlar av titanlegering inte har använts i stor utsträckning för närvarande, har Ti-3Al-2.5V-legeringen som är speciellt utvecklad av Japan verifierats på Hondas racingbilar. Samtidigt som den effektivt minskat vikten har den ökat motorvarvtalet med 700 r/min, vilket bevisar överlägsenheten hos vevaxlar av titanlegering. Samtidigt har Japan provproducerat Ti-5Al-2Cr-Fe-legerade vevaxlar, i hopp om att titanlegeringar kommer att användas mer allmänt i vevaxeldelar.
3. Vibrationsreduceringssystem
Kärnkomponenten i fjädringssystemet för bilvibrationsreducering är fjäderfjädern. Jämfört med allmänt bilfjäderstål har titanlegering högre specifik hållfasthet och lägre skjuvmodul och högre utmattningshållfasthet, vilket gör den mer lämpad för tillverkning av stötdämpande fjädrar för bilar. Eftersom fjäderns nedböjning är proportionell mot antalet varv och omvänt proportionell mot materialets skjuvmodul, kräver fjädrar av titanlegering färre varv än stålfjädrar för att uppnå samma fjäderrespons, vilket effektivt minskar fjädermassan och sparar utrymme.
Samtidigt kan fjädrar av titanlegering också effektivt öka fjäderns resonansfrekvens och öka dess livslängd. För närvarande är de flesta fjädrar av titanlegering gjorda av enfas titanlegering. Volkswagen har använt Lupo FSI kugghjulsfjädrar i titanlegering på vissa bilar, med en användning av cirka 3 500 fordon.
4. Kroppsram
När det gäller karossramskomponenter indikerar titanlegeringens högre specifika hållfasthet, lägre densitet och goda korrosionsbeständighet att det är ett bra material för att förbereda karossramar. För närvarande har vissa bilföretag använt titanlegeringar på delar som växelfästen och bromsokkolvar. Bland transmissionsdelarna utvecklar Japan för närvarande en process för att framställa skal av titanlegering genom höghastighetsspinning. Jämfört med stålskal kan titanlegeringsskal bättre minska svänghjulens påverkan och ha bättre bufferteffekter.
Dessutom har titanlegeringar också använts i bilfästen och andra delar. Med den kontinuerliga utvecklingen av titanlegeringsteknik och bilindustrin kommer titanlegeringar säkert att användas mer i bildelar.
5. Betydelsen av titanlegeringar för lätta fordon
Utländska forskningsinstitutioner har beräknat att när tjänstevikten på en bil minskar med 10% kan bränsleförbrukningen minska med 6% till 8%. Andra studier har visat att för varje viktminskning på 91 kg kan det genomsnittliga fordonet färdas 0,43 km mer per liter bränsle. Därför, med den kontinuerliga utvecklingen av mitt lands ekonomi och den kontinuerliga ökningen av antalet bilar, har lättviktande bilar blivit ett av de viktiga sätten att minska energiförbrukningen och minska luftföroreningarna.
Titan och titanlegeringsmaterial används för närvarande i stor utsträckning i bildelar på grund av deras utmärkta fysikaliska och kemiska egenskaper. Användningen av titanmaterial förbättrar inte bara bilens prestanda och säkerhetsfaktor, utan spelar också en viktig roll för att lätta bilen, effektivt minska bilens tjänstevikt och minska bränsleförbrukningen.
Jämfört med det traditionella systemet i rostfritt stål kan titanstjärtmunstycket-returröret som används i bilavgassystemet minska vikten med cirka 8,2 kg. Användningen av titanlegeringsprodukter istället för traditionella stål- och gjutjärnsmaterial i motordelarna som ventiler och vevstakar kan effektivt minska motorns vikt.
Enligt forskning inom den japanska bilindustrin motsvarar användningen av cirka 0,8 kg titandelar i en bils kraftventil den effekt som uppnås av 20 kg ståldelar; varje titanventilsäte kan minska vikten med cirka 10 g jämfört med stålventilsätet; Användningen av titanlegering för vevstakar och vevaxlar är mest effektiv för att minska motorns vikt.
I vibrationsreduceringssystemet kan varje fjäder av titanlegering minska vikten med mer än 60 % jämfört med stålfjädern. Beräknat baserat på 4 fjäderfjädrar per fordon, efter byte av titanlegeringsfjädern kan varje fordon minska vikten med 9 ~ 13,6 kg. Dessutom är vikten på ljuddämparen i titanlegering endast 5 ~ 6 kg, vilket är 40% lättare än ljuddämparen i rostfritt stål.
Om man tar en vanlig mellanstor bil som ett exempel, om de befintliga bildelarna i titanlegering används för att ersätta de traditionella delarna, kommer fordonets tjänstevikt att minska från cirka 1500 kg till cirka 1000 kg, med en viktminskning på 30 %, och den omfattande bränsleförbrukningen kan minskas med mer än 20 %, vilket kommer att kraftigt minska världens bränsleförbrukning och effektivt lindra problemen med energibrist och miljöföroreningar.
Ovanstående data visar att användningen av titanlegeringar har en betydande effekt på bilars lättvikt. I den moderna bilindustrin bör tillämpningstekniken för titanlegeringar och titanlegeringar i bildelar kontinuerligt utvecklas för att öka användningsförhållandet för titanlegeringar i bilar. Därför bör huvuduppgiften i framtiden vara att sänka priset på titanlegeringsdelar genom att utveckla billiga titanlegeringsmaterial och minska produktionskostnaden för titanlegeringsråmaterial och att förbättra bearbetningseffektiviteten för titanlegeringsdelar genom att förbättra bearbetningstekniken .