Застосування титанових сплавів у легкому автомобілебудуванні
Титан і титанові сплави мають низьку щільність, відмінні механічні властивості, хорошу біосумісність, стійкість до корозії, стійкість до високих температур і хорошу міцність при низьких температурах. Вони знайшли широке застосування в галузі автомобілебудування. Щільність титанового сплаву становить лише 60% від сталі, а міцність може досягати понад 800 МПа. Він все ще зберігає хороші механічні властивості при температурі близько 500 градусів, а також має хороші властивості зварювання та формування. Його використовували у виробництві гоночних автомобілів більше 20 років тому, що значно зменшило вагу гоночних двигунів і покращило продуктивність двигуна.
В даний час деталі з титанового сплаву, які використовуються в автомобільному виробництві, в основному поширюються в автомобільних вихлопних системах, системах двигуна, трансмісії та системах зменшення вібрації, а також рамах кузова.
1. Вихлопна система
Матеріали автомобільних вихлопних систем повинні мати хороші високотемпературні механічні властивості та стійкість до корозії елементами S та Cl. Традиційні компоненти випускних клапанів виготовляються з нержавіючої сталі, але люди виявили, що титанові сплави більш придатні для використання в якості матеріалів для випускних клапанів з точки зору продуктивності.
Титанова зворотна труба, яка використовується в новому Chevrolet Corvette Z206, ефективно запобігає проблемам іржі та іржі зварного шва, які виникають на трубах з нержавіючої сталі, а також покращує ефективність згоряння палива та здатність до прискорення, а також скорочує гальмівний шлях.
Timet, найбільший виробник титану в Сполучених Штатах, займається дослідженнями, розробкою та виробництвом вихлопних систем із титанового сплаву. Багато японських компаній також проводили відповідні дослідження та розробки. Наразі компанія Fuji Heavy Industries, Ltd. обмежила виробництво 440 комплектів автомобільних вихлопних труб із титанового сплаву.
2. Система двигуна
Система автомобільного двигуна - це частина, яка використовує найбільше титанового сплаву в автомобільній галузі. Застосування титанового сплаву в системі двигуна в основному включає клапани, шатуни, колінчасті вали, сідла клапанів та інші частини.
Японська корпорація Honda Motor використовує ковані титанові шатуни в гоночному двигуні NSX V-6; Компанія Mitsubishi Motors використовує титанові гнізда пружин клапанів у чотирициліндрових двигунах великої потужності, а титанові шатуни також використовуються в автомобілях Porsche.
(1) Клапан
Що стосується клапанів із титанового сплаву, Сполучені Штати та Японія провели багато дослідницьких робіт. Сполучені Штати наразі зазвичай використовують сплав Ti-6Al-4V для виготовлення впускних клапанів і Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo сплав для виготовлення випускних клапанів; японська компанія Toyota використовує сплав Ti-6Al-4V/Ti B для виготовлення впускних клапанів і сплав Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Nb-Si/Ti B для виготовлення випускних клапанів. Ці типи титанових сплавів мають хороші високотемпературні механічні властивості, стійкість до окислення та стійкість до повзучості, що ефективно покращує продуктивність двигуна та збільшує швидкість автомобіля.
(2) Сідло клапана
Сідла клапанів із титанового сплаву широко використовуються в гоночних і спортивних автомобілях із річним виробництвом понад 250 комплектів000. В основному вони виготовлені зі сплаву Ti-6Al-4V або Ti-5Al-2Cr-1Fe. Оскільки форма сідла клапана відносно проста, вона не вимагає високих вимог до механічної обробки і не потребує спеціальної обробки поверхні. Він відносно дешевий і суттєво впливає на зниження маси автомобіля.
(3) Шатуни
Використання шатунів з титанового сплаву дозволяє ефективно знизити вагу двигуна і підвищити продуктивність автомобіля. Основним матеріалом для підготовки є сплав Ti-6Al-4V. Японська Daido Co., Ltd. зараз розробляє двофазний титановий сплав Ti-3Al-2V-0.2Si-0.47Ce-0.27La . Цей сплав має хорошу оброблюваність, а також чудові механічні властивості, властивості втоми та стійкість до корозії. Очікується, що він буде використовуватися в шатунних частинах двигуна, які схильні до швидкого прискорення та гальмування.
(4) Колінчасті вали
Хоча колінчасті вали з титанового сплаву наразі не використовуються широко, сплав Ti-3Al-2.5V, спеціально розроблений Японією, був перевірений на гоночних автомобілях Honda. Ефективно зменшивши вагу, він збільшив швидкість двигуна на 700 об/хв, доводячи перевагу колінчастих валів із титанового сплаву. У той же час Японія пробно виробляє колінчасті вали зі сплаву Ti-5Al-2Cr-Fe, сподіваючись, що титанові сплави будуть ширше використовуватися в деталях колінчастого вала.
3. Система зниження вібрації
Основним компонентом системи підвіски зниження вібрації автомобіля є пружина підвіски. У порівнянні зі звичайною автомобільною пружинною сталлю титановий сплав має більш високу питому міцність і нижчий модуль зсуву, а також вищу міцність на втому, що робить його більш придатним для виготовлення автомобільних амортизаційних пружин. Оскільки прогин пружини пропорційний кількості витків і обернено пропорційний модулю зсуву матеріалу, пружинам із титанового сплаву потрібно менше обертів, ніж сталевим пружинам, щоб досягти тієї самої реакції пружини, що ефективно зменшує масу пружини та економить простір.
У той же час пружини з титанового сплаву також можуть ефективно збільшити резонансну частоту пружини та збільшити термін її служби. В даний час більшість пружин з титанового сплаву виготовлені з однофазного титанового сплаву. Volkswagen використовував зубчасті пружини Lupo FSI з титанового сплаву на деяких автомобілях, з використанням приблизно 3500 автомобілів.
4. Каркас кузова
Що стосується компонентів рами кузова, то вища питома міцність титанового сплаву, менша щільність і хороша стійкість до корозії вказують на те, що титановий сплав є хорошим матеріалом для виготовлення рам кузова. В даний час деякі автомобільні компанії використовують титанові сплави в таких деталях, як кронштейни передач і поршні гальмівних супортів. Серед деталей трансмісії Японія зараз розробляє процес виготовлення оболонок із титанового сплаву шляхом високошвидкісного обертання. У порівнянні зі сталевими кожухами кожухи з титанового сплаву можуть краще зменшити вплив маховиків і мати кращий буферний ефект.
Крім того, титанові сплави також використовувалися в автомобільних кріпленнях та інших деталях. З постійним розвитком технології виготовлення титанових сплавів і автомобільної промисловості титанові сплави, безумовно, будуть більше використовуватися в автомобільних деталях.
5. Значення титанових сплавів для легких автомобілів
Зарубіжні дослідницькі установи підрахували, що коли споряджена маса автомобіля зменшується на 10%, витрата палива може зменшитися на 6%-8%. Інші дослідження показали, що на кожні 91 кг зменшення ваги середній автомобіль може проїхати на 0,43 км більше на літр пального. Тому з безперервним розвитком економіки моєї країни та безперервним збільшенням кількості автомобілів полегшення автомобілів стало одним із важливих способів зменшити споживання енергії та забруднення повітря.
Титан і матеріали з титанових сплавів в даний час широко використовуються в автомобільних деталях завдяки своїм чудовим фізичним і хімічним властивостям. Використання титанових матеріалів не тільки ефективно покращує продуктивність і коефіцієнт безпеки автомобіля, але також відіграє важливу роль у полегшенні автомобіля, ефективному зменшенні спорядженої маси автомобіля та зменшенні витрати палива.
Порівняно з традиційною системою з нержавіючої сталі титанове хвостове сопло-зворотна труба, що використовується у вихлопній системі автомобіля, може зменшити вагу приблизно на 8,2 кг. Використання виробів із титанового сплаву замість традиційної сталі та чавуну в деталях двигуна, таких як клапани та шатуни, може ефективно зменшити вагу двигуна.
Згідно з дослідженнями японської автомобільної промисловості, використання приблизно 0,8 кг титанових деталей у силовому клапані автомобіля еквівалентно ефекту, досягнутому 20 кг сталевих деталей; кожне титанове сідло клапана може зменшити вагу приблизно на 10 г порівняно зі сталевим сідлом клапана; використання титанового сплаву для шатунів і колінчастих валів найбільш ефективно знижує вагу двигуна.
У системі зменшення вібрації кожна пружина з титанового сплаву може зменшити вагу більш ніж на 60% порівняно зі сталевою пружиною. Розраховано на основі 4 пружин підвіски на автомобіль, після заміни пружини з титанового сплаву кожен автомобіль може зменшити вагу на 9~13,6 кг. Крім того, вага глушника з титанового сплаву становить лише 5-6 кг, що на 40% легше, ніж глушник з нержавіючої сталі.
Взявши як приклад звичайний автомобіль середнього розміру, якщо замість традиційних запчастин використовувати наявні автомобільні деталі з титанового сплаву, споряджена маса автомобіля буде зменшена з приблизно 1500 кг до приблизно 1000 кг, із коефіцієнтом зменшення ваги на 30%, і повне споживання палива може бути зменшено більш ніж на 20%, що значно зменшить споживання палива у світі та ефективно пом’якшить проблеми дефіциту енергії та забруднення навколишнього середовища.
Наведені вище дані показують, що використання титанових сплавів суттєво впливає на полегшення ваги автомобілів. У сучасній автомобільній промисловості технологія застосування титану і титанових сплавів в автомобільних деталях повинна постійно розвиватися, щоб збільшити коефіцієнт застосування титанових сплавів в автомобілях. Тому основним завданням у майбутньому має бути зниження ціни деталей із титанового сплаву шляхом розробки дешевих матеріалів із титанового сплаву та зниження собівартості сировини з титанового сплаву, а також підвищення ефективності обробки деталей із титанового сплаву шляхом вдосконалення технології обробки .
