Anwendungsstatus von Titanlegierungen in der Automobilindustrie

 

In den letzten Jahren wurde mit der rasanten Entwicklung der Automobilindustrie den durch Automobile verursachten Problemen des Kraftstoffverbrauchs, des Umweltschutzes und der Sicherheit immer mehr Aufmerksamkeit geschenkt. Mit Blick auf die zukünftige Entwicklungsrichtung der Automobilindustrie sind Leichtbau, geringer Kraftstoffverbrauch und weniger Emissionen die Entwicklungsthemen. Laut Statistiken der internationalen Behörden werden 60 % der Kraftstoffverbrennungsenergie des Automobils in seiner eigenen Qualität verbraucht, obwohl die aktuellen hochfesten Stahlbleche, Aluminium, Magnesium, Metallmatrix-Verbundwerkstoffe und Kunststoffharzmaterialien eine Rolle gespielt haben spielt bei der Gewichtsreduzierung des Automobils eine wichtige Rolle, aber das Aufkommen industrieller Titanmaterialien macht den Automobilbau zu einer besseren Wahl.

Titanmetall hat die Vorteile einer geringen Dichte, einer hohen spezifischen Festigkeit und einer guten Korrosionsbeständigkeit. Die Verwendung von Titanmaterialien in Automobilen kann die Karosseriequalität erheblich beeinträchtigen, den Kraftstoffverbrauch senken, die Arbeitseffizienz des Motors verbessern, die Umwelt verbessern und den Lärm reduzieren . Der hohe Preis führt jedoch dazu, dass Titanlegierungen in der Automobilindustrie nur einige Anwendungen in Luxusmodellen und Sportwagen und nur wenige Anwendungen in gewöhnlichen Autos haben. Daher ist die Forschung und Entwicklung kostengünstiger Titanlegierungen, die den Anforderungen des Marktes entsprechen, der Schlüssel zur Förderung ihrer Anwendung in gewöhnlichen Haushaltsfahrzeugen.

Anwendungsstatus von Titanlegierungen in der Automobilindustrie

Obwohl Titanlegierungen in der Luft- und Raumfahrt-, Petrochemie- und Schiffbauindustrie weit verbreitet sind, entwickelt sich ihre Anwendung in der Automobilindustrie nur langsam. Da der US-amerikanische Automobilkonzern General Motors 1956 erfolgreich das erste Volltitanauto entwickelte, erreichten Autoteile aus Titan erst in den 1980er Jahren und in den 1990er Jahren das Niveau der Massenproduktion, als die Nachfrage nach Luxusautos, Sportwagen usw. stieg Für Rennwagen wurden Titanteile rasant entwickelt. Im Jahr 1990 betrug die in Automobilen weltweit verwendete Menge an Titan nur 50 Tonnen, 1997 waren es 500 Tonnen, im Jahr 2002 waren es 1100 Tonnen, im Jahr 2009 waren es 3000 Tonnen wird im Jahr 2015 5000 t überschreiten. Derzeit werden für Teile aus Titanlegierungen häufig die folgenden Arten verwendet.

1. Motorpleuel

Titanlegierungen sind eine ideale Wahl für Pleuelmaterialien. Die Motorpleuelstange aus Titanlegierung kann die Motormasse effektiv reduzieren, die Kraftstoffeffizienz verbessern und das Abgasvolumen reduzieren. Im Vergleich zur Stahlpleuelstange kann die Masse der Titanpleuelstange um 15 % bis 2 0 % reduziert werden. Die Anwendung von Titanstäben wurde erstmals in den neuen Motoren Ferrari 3.5LV8 und Acura NSX in Italien demonstriert. Die Hauptmaterialien, die in Pleuelstangen aus Titanlegierungen verwendet werden, sind Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V und Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si usw. Andere Titanlegierungsmaterialien wie z Ti-4Al-2Si-4Mn und Ti-7M-4Mo werden auch für die Anwendung als Pleuel entwickelt.

2. Motorventil

Das aus einer Titanlegierung gefertigte Automotorventil kann nicht nur die Masse reduzieren und die Lebensdauer verlängern, sondern auch den Kraftstoffverbrauch senken und die Zuverlässigkeit des Automobils verbessern. Im Vergleich zum Stahlventil kann die Qualität des Titanventils um 30 bis 40 % reduziert und die Grenzdrehzahl des Motors um 20 % erhöht werden. Was die aktuelle Anwendung betrifft, besteht das Material des Einlassventils hauptsächlich aus Ti-6Al-4V und das Material des Auslassventils hauptsächlich aus Ti-6242S. Normalerweise werden Sn und Al zusammen zugesetzt, wodurch eine geringere Sprödigkeit und eine höhere Festigkeit erreicht werden kann. Der Zusatz von Mo kann die Wärmebehandlungsleistung einer Titanlegierung verbessern, die Festigkeit der abschreckenden und alternden Titanlegierung stärken und die Härte erhöhen. Weitere Titanlegierungen mit Entwicklungspotenzial sind:

1) Das Einlassventil kann aus Ti-62S bestehen, dessen Eigenschaften denen von Ti-6Al-4V entsprechen, und der Preis ist günstiger.

2) Das Auslassventil kann Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo-0 verwenden. 45Si hat aufgrund des geringeren Mo-Gehalts eine bessere Kriechfestigkeit als Ti-6242S und die Oxidationsbeständigkeitstemperatur kann 600 Grad erreichen.
3) Das Auslassventil kann -TiAl verwenden, das die Eigenschaften einer hohen Temperaturbeständigkeit und eines geringen Gewichts aufweist, aber nicht für die traditionelle Schmiedemethode während der Verarbeitung geeignet ist, sondern nur für die Guss- und Pulvermetallurgieverarbeitung.

3. Ventilfedersitz

Hohe Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit sind die Eigenschaften, die der Ventilfedersitz aufweisen muss. Titanlegierung ist eine Legierung vom Typ Wärmebehandlung und kann durch Lösungsalterung eine hohe Festigkeit erreichen. Die entsprechend besser geeigneten Materialien sind Ti-15V{{1}. }Cr-3Al-3Sn und Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors verwendet in seinen Massenproduktionsfahrzeugen den Ventilfedersitz aus Ti-22V-4Al-Titanlegierung, wodurch die Masse im Vergleich zum ursprünglichen Stahlschloss um 42 % reduziert wird und die Trägheitsmasse des Ventilmechanismus verringert wird um 6 %, und die maximale Motordrehzahl wird um 300 U/min erhöht.

4. Feder aus Titanlegierung

Titan und seine Legierungen haben im Vergleich zu Stahlwerkstoffen einen niedrigen Elastizitätsmodul und einen großen σs/E-Wert, was für die Herstellung elastischer Bauteile geeignet ist. Im Vergleich zu Autofedern aus Stahl beträgt die Höhe der Titanfeder unter der Voraussetzung der gleichen elastischen Arbeit nur 40 % der Stahlfeder und die Masse nur 30 bis 40 % der Stahlfeder, was einfach zu konstruieren ist die Karosserie. Darüber hinaus kann die hervorragende Ermüdungs- und Korrosionsbeständigkeit der Titanlegierung die Lebensdauer der Feder verbessern. Derzeit sind Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al und Ti-13V11C-3Al die Titanlegierungsmaterialien, die zur Herstellung von Automobilfedern verwendet werden können.

5. Turbolader

Turbolader können die Verbrennungseffizienz des Motors verbessern und die Leistung und das Drehmoment des Motors erhöhen. Der Turbinenrotor des Turboladers muss lange Zeit in Abgasen mit hoher Temperatur über 850 °C arbeiten und erfordert daher eine gute Hitzebeständigkeit. Herkömmliche Leichtmetalle wie Aluminiumlegierungen können aufgrund ihres niedrigen Schmelzpunkts nicht verwendet werden. Obwohl Keramikmaterialien aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer hohen Temperaturbeständigkeit in Turbinenrotoren verwendet werden, ist ihre Anwendung aufgrund der hohen Kosten und der Unfähigkeit, die Form zu optimieren, begrenzt. Um diese Probleme zu lösen, haben Tetsui et al. Entwickelter TiAl-Turbinenrotor, der nicht nur eine gute Haltbarkeit und Effizienz aufweist, sondern nach vielen Tests auch die Beschleunigung des Motors verbessern kann. Dieses Design wurde erfolgreich in der Mitsubishi Lancer Evolution-Serie kommerzialisiert.

6. Abgasanlage und Schalldämpfer

Titan wird in der Abgasanlage von Automobilen verwendet. Abgassysteme aus Titan und seinen Legierungen können nicht nur die Zuverlässigkeit verbessern, die Lebensdauer verlängern und das Erscheinungsbild verbessern, sondern auch die Masse reduzieren und die Effizienz der Kraftstoffverbrennung steigern. Die Titan-Abgasanlage kann die Masse im Vergleich zur Stahl-Abgasanlage um etwa 40 % reduzieren. Bei Fahrzeugen der Golf-Serie kann die Qualität der Titan-Abgasanlage um 7 bis 9 kg reduziert werden, und das in der Abgasanlage verwendete Titan ist hauptsächlich industrielles Reintitan.
Das Gewicht des Titan-Schalldämpfers beträgt nur 5 bis 6 kg und ist damit leichter als der Edelstahl-Schalldämpfer. Das 2000 Chevrolet Corvette Z06-Auto verwendet ein 11,8 kg schweres Titan-Schalldämpfer- und Auspuffrohrsystem anstelle des ursprünglichen 20 kg schweren Edelstahlsystems, wodurch die Masse um 41 % reduziert wird. Das Ersatzsystem hat die gleiche Stärke und macht das Auto schneller, flexibler und sparsamer. Das im Schalldämpfer verwendete Titan ist ebenfalls hauptsächlich industrielles Reintitan.

7. Karosserierahmenteil

Um die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Automobilen zu verbessern, müssen die Design- und Herstellungsaspekte, insbesondere die Herstellungsmaterialien, berücksichtigt werden. Titan ist ein gutes Material für die Herstellung von Karosserierahmen, das nicht nur eine hohe spezifische Festigkeit, sondern auch eine gute Zähigkeit aufweist. In Japan wählen Autohersteller geschweißte Rohre aus reinem Titan für den Karosserierahmen, die dem Fahrer beim Fahren ausreichend Sicherheit bieten.

8. Andere Teile aus Titanlegierung

Zusätzlich zu den oben genannten Teilen wird Titan auch in Motorkipphebeln, Aufhängungsfedern, Motorkolbenbolzen, Autobefestigungen, hängenden Ohrmuttern, Autotür-Berstbalken, Autoanschlaghalterungen, Bremssattelkolben, Bolzenbolzen, Druckplatten und Schalthebeln verwendet Knopf- und Kupplungsrundplatte und andere Automobilteile.

Anwendung einer Titanlegierung

Schritt 1: Vorteile
Titanlegierungen haben die Vorteile eines geringen Gewichts, einer hohen spezifischen Festigkeit und einer guten Korrosionsbeständigkeit und werden daher häufig in der Automobilindustrie verwendet. Die am häufigsten verwendete Titanlegierung ist das Automobilmotorsystem. Die Verwendung von Titanlegierungen zur Herstellung von Motorteilen hat viele Vorteile, vor allem in folgenden Bereichen:
1) Die Dichte der Titanlegierung ist gering, wodurch die Trägheitsmasse beweglicher Teile verringert werden kann, und die Titanventilfeder kann die freie Vibration erhöhen, die Körpervibration schwächen und die Motordrehzahl und Ausgangsleistung verbessern.
2) Reduzieren Sie die träge Masse beweglicher Teile, wodurch die Reibungskraft verringert und die Kraftstoffeffizienz des Motors verbessert wird.
3) Die Auswahl einer Titanlegierung kann die Belastungsbelastung der relevanten Teile verringern, die Größe der Teile verringern und so die Qualität des Motors und des gesamten Fahrzeugs verringern.
4) Durch die Reduzierung der trägen Masse der Teile werden Vibrationen und Geräusche abgeschwächt und die Leistung des Motors verbessert.
Der Einsatz von Titanlegierungen in anderen Komponenten kann den Komfort des Personals und die Schönheit des Autos verbessern. Bei der Anwendung in der Automobilindustrie hat Titanlegierung eine unermessliche Rolle bei der Energieeinsparung und Verbrauchsreduzierung gespielt.

2. Anwendungsbeschränkungen

Obwohl Teile aus Titanlegierungen eine derart überlegene Leistung aufweisen, ist die allgemeine Anwendung von Titan und seinen Legierungen in der Automobilindustrie immer noch weit entfernt, unter anderem aus Gründen der Kosten, der schlechten Formbarkeit und der schlechten Schweißleistung.
Mit der Entwicklung der Near-Net-Forming-Technologie für Titanlegierungen und moderner Schweißtechnologien wie Elektronenstrahlschweißen, Plasmalichtbogenschweißen und Laserschweißen in den letzten Jahren sind die Formungs- und Schweißprobleme von Titanlegierungen nicht mehr die Schlüsselfaktoren, die die Anwendung von Titan einschränken Legierung, und der Hauptgrund für die Behinderung der breiten Anwendung von Titanlegierungen in der Automobilindustrie sind die hohen Kosten.

Unabhängig davon, ob es sich um das anfängliche Schmelzen des Metalls oder die anschließende Verarbeitung handelt, ist der Preis einer Titanlegierung viel höher als der anderer Metalle. Die Automobilindustrie kann akzeptieren, dass die Kosten für Titanteile, Pleuelstangen aus Titan 8 bis 13 US-Dollar/kg, Luftventile aus Titan 13 bis 20 US-Dollar/kg, Federn, Motorabgasanlage und Befestigungselemente aus Titan unter 8 US-Dollar/kg liegen . Gegenwärtig sind die Kosten für aus Titanmaterialien hergestellte Teile viel höher als diese Preise, und die Produktionskosten für Titanblech liegen meist über 33 US-Dollar/kg, was dem 6- bis 15-fachen und dem 45- bis 83-fachen von Aluminiumblech entspricht das von Stahlblech.

Forschungsstand von Titanlegierungen für die Automobilindustrie

Derzeit ist die Kostenreduzierung die Hauptforschungsrichtung für Titanlegierungen, die in der Automobilindustrie verwendet werden. Entsprechend den Merkmalen der Kostenverteilung von Titanlegierungen, die in der Automobilindustrie verwendet werden, erreichen Materialforschungs- und -entwicklungsmitarbeiter hauptsächlich das Ziel, die Kosten durch die folgenden zwei Aspekte zu senken: die Entwicklung neuer kostengünstiger Legierungssysteme und den Einsatz neuer Verarbeitungsmethoden und Aufbereitungstechnologien.

1. Neues kostengünstiges Titanlegierungssystem

Arbeiter in verschiedenen Ländern haben neue kostengünstige Titanlegierungssysteme entwickelt, die sich hauptsächlich auf die folgenden Aspekte konzentrieren: Legierungsdesign unter Verwendung billiger Legierungselemente und Legierungsdesign zur Verbesserung der Verarbeitungseigenschaften. Unter ihnen sind Japan und die Vereinigten Staaten vertreten, und China hat erfolgreich zwei kostengünstige Titanlegierungen entwickelt, nämlich Ti8LC und Ti12LC. Bei der Konstruktion kostengünstiger Titanlegierungskomponenten für Fahrzeuge werden üblicherweise Fe, Cr, Si, Al usw. als billige Legierungselemente verwendet.

2. Neue Verarbeitungs- und Aufbereitungstechnologie

Die Verarbeitungskosten von Titanlegierungsmaterialien machen mehr als 60 % der Gesamtkosten im Produktionsprozess aus. Im Hinblick auf die Kostensenkung steht daher die Frage, wie die Verarbeitungskosten von Titanlegierungen gesenkt werden können, im Mittelpunkt der Forschung. Die Forschung in diesem Bereich gliedert sich hauptsächlich in zwei Aspekte: Zum einen geht es um die Verbesserung des traditionellen Gieß- und Schmiedeprozesses und zum anderen um die Einführung der pulvermetallurgischen Near-Net-Forming-Technologie.
Bei der Forschung und Entwicklung neuer Schmiedeverfahren ist das Kaltschmieden eine der vielversprechendsten Methoden zur Herstellung von Autoteilen aus Titanlegierungen. Der Verformungswiderstand von Titanlegierungen bei Raumtemperatur ist gering, die Schneidformung ist gut, es kann Kaltschmiedematerial verwendet werden. Japan hat drei Arten von Kaltverformungs-Titanlegierungen entwickelt. Titanlegierungen weisen auch einige Mängel auf: Beim Kaltschmieden kann es leicht zu ungleichmäßigen Verformungen kommen und sie haften leicht an der Form, sodass die Massenproduktion von Titanlegierungsteilen mit der Kaltschmiedetechnologie noch weiterer Erforschung und Entwicklung bedarf.

Die Pulvermetallurgie ist eine sehr wichtige Technologie zur Reduzierung der Verarbeitungskosten von Titanlegierungen. Bei der Herstellung von pulvermetallurgischen Autoteilen ist das traditionelle Press-Sinter-Verfahren immer noch die dominierende Stellung, hauptsächlich einschließlich der Elementarpulver-Methode (BE) und der Vorlegierungspulver-Methode (PA). Aufgrund des einfachen Prozesses und der geringeren Kosten ist das Elementarpulververfahren derzeit das am weitesten verbreitete Verfahren im Bereich der kostengünstigen Titanlegierungspulvermetallurgie für die Automobilindustrie. In den letzten Jahren sind auch andere Technologien der Pulvermetallurgie auf dem Vormarsch, darunter die Laserumformtechnologie, das Metallpulverspritzgießen (MIM) und andere Technologien, die bei der Versuchsproduktion und Produktion komplexer Automobilteile weit verbreitet sind und die Produktzeit erheblich verkürzen können Entwicklungs- und Produktionszyklus zu optimieren und die Kosten weiter zu senken.

Schlusswort

Die neue Generation des Automobildesigns legt mehr Wert auf das geringe Gewicht der Karosserie, den geringen Kraftstoffverbrauch, den geringen Geräuschpegel des Motors und die leichten Vibrationen, um den immer anspruchsvolleren Anforderungen der Umwelt gerecht zu werden. In diesem Zusammenhang wird das Leichtmetall Titan zu einem wichtigen Anwendungsmaterial für zukünftige Fahrzeuge werden.
Betrachtet man den aktuellen Forschungsstand zu kostengünstigen Titanlegierungen für die Automobilindustrie, so lässt sich feststellen, dass sich die Forschung hauptsächlich auf die folgenden Aspekte konzentrieren sollte, um die Kosten für Titanlegierungen für die Automobilindustrie weiter zu senken:

1) Versuchen Sie bei der Entwicklung kostengünstiger Legierungssysteme, Legierungssysteme zu entwickeln, die keine oder weniger teure Legierungselemente verwenden, ohne die Leistung zu beeinträchtigen, und recycelte Titanlegierungen vollständig zu entwickeln und zu nutzen.

2) Im Hinblick auf die Entwicklung von Guss- und Schmiedeprozessen wird die Entwicklungsrichtung von Titanlegierungen und Kaltverformungs-Titanlegierungen entwickelt und eine Machbarkeitsstudie für die Massenproduktion durchgeführt.
3) In der Pulvermetallurgie ist es neben dem Vorteil niedriger Kosten auch erforderlich, die Leistung von Titanteilen weiter zu verbessern.
Mit der Entwicklung der Wirtschaft und der Senkung der Titankosten werden sich immer mehr Ingenieure für Titanteile für Automobilteile entscheiden. Titanlegierungen werden künftig eine wichtige Rolle in der Produktion der Automobilindustrie spielen.