Titano lydinių naudojimo automobilių pramonėje būsena
Pastaraisiais metais, sparčiai vystantis automobilių pramonei, automobilių keliamos degalų sąnaudos, aplinkosaugos ir saugos problemos sulaukė vis didesnio dėmesio. Žvelgiant į būsimą automobilių pramonės plėtros kryptį, lengvas svoris, mažos degalų sąnaudos ir mažos emisijos yra plėtros temos. Remiantis tarptautinių autoritetingų departamentų statistika, 60% automobilių kuro degimo energijos suvartoja jo paties svoris. Nors didelio stiprumo plonos plieno plokštės, aliuminis, magnis, metalo pagrindo kompozitinės medžiagos ir plastikinės dervos medžiagos turėjo įtakos mažinant automobilių svorį, dėl pramoninių titano medžiagų atsiradimo automobilių gamyba tapo geresnis pasirinkimas.
Titano metalas turi mažo tankio, didelio specifinio stiprumo ir gero atsparumo korozijai privalumus. Titano medžiagų naudojimas automobiliuose gali labai sumažinti automobilio kėbulo svorį, sumažinti degalų sąnaudas, pagerinti variklio darbo efektyvumą, pagerinti aplinką ir sumažinti triukšmą. Tačiau dėl brangios kainos titano lydiniai gali būti naudojami tik prabangiuose modeliuose ir sportiniuose automobiliuose automobilių pramonėje, o retai – įprastuose automobiliuose. Todėl pigių titano lydinių, atitinkančių rinkos poreikius, moksliniai tyrimai ir plėtra yra pagrindinis veiksnys skatinant jo pritaikymą įprastuose buitiniuose automobiliuose.
Dabartinė titano lydinių taikymo automobilių pramonėje būklė
Nors titano lydiniai buvo plačiai naudojami aviacijos, naftos chemijos ir laivų statybos pramonėje, jų taikymas automobilių pramonėje vystėsi lėtai. Nuo tada, kai 1956 m. JAV General Motors sėkmingai sukūrė pirmąjį visiškai titano automobilį, titano automobilių dalys masinės gamybos lygį pasiekė tik devintajame dešimtmetyje. Dešimtajame dešimtmetyje, didėjant prabangių automobilių, sportinių ir lenktyninių automobilių paklausai, titano dalys sparčiai vystėsi. 1990 m. visame pasaulyje automobiliuose buvo sunaudota tik 50 tonų titano, kuris 1997 m. siekė 500 tonų, 2002 m. – 1100 tonų, o 2009 m. – 3000 tonų. Tikimasi, kad automobiliuose naudojamo titano kiekis visame pasaulyje viršys 5000 2015 m. Šiuo metu dažniausiai naudojamos šios titano lydinio dalys.
1. Variklio švaistiklis
Titano lydinys yra idealus pasirinkimas švaistiklio medžiagoms. Variklio švaistikliai, pagaminti iš titano lydinio, gali efektyviai sumažinti variklio svorį, pagerinti degalų efektyvumą ir sumažinti išmetamųjų dujų kiekį. Palyginti su plieniniais švaistikliais, titano švaistikliai gali sumažinti 15 % iki 2 0 % svorio. Titano lydinio švaistikliai pirmą kartą atsispindėjo naujuose Ferrari 3.5LV8 ir Acura NSX varikliuose Italijoje. Titano lydinio švaistikliai daugiausia naudojami Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V ir Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si ir kitos titano lydinio medžiagos, pvz., Ti-4Al{{19} }Si-4Mn ir Ti-7M-4Mo taip pat kuriami naudoti švaistikliuose.
2. Variklio vožtuvai
Automobilių variklio vožtuvai, pagaminti iš titano lydinių, gali ne tik sumažinti svorį ir pailginti tarnavimo laiką, bet ir sumažinti degalų sąnaudas bei pagerinti automobilio patikimumą. Palyginti su plieniniais vožtuvais, titano vožtuvai gali sumažinti svorį 30–40%, o variklio ribinį greitį galima padidinti 20%. Kalbant apie dabartinį pritaikymą, įsiurbimo vožtuvo medžiaga daugiausia yra Ti-6Al-4V, o išmetimo vožtuvo medžiaga daugiausia yra Ti-6242S. Paprastai Sn ir Al dedami kartu, kad būtų mažesnis trapumas ir didesnis stiprumas; Pridėjus Mo gali pagerinti titano lydinių terminio apdorojimo efektyvumą, sustiprinti gesinimo ir senėjimo titano lydinių stiprumą ir padidinti kietumą. Kiti plėtros potencialą turintys titano lydiniai yra šie:
1) Įsiurbimo vožtuvas gali būti pagamintas iš Ti-62S, kurio charakteristikos tokios pat kaip Ti-6Al-4V ir yra pigesnis.
2) Išmetimo vožtuvas gali būti pagamintas iš Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo{{7} }.45Si. Dėl mažesnio Mo kiekio jo atsparumas valkšnumui yra geresnis nei Ti-6242S, o atsparumo oksidacijai temperatūra gali siekti 600 laipsnių.
3) Išmetimo vožtuvas gali būti pagamintas iš -TiAl, kuris pasižymi atsparumu aukštai temperatūrai ir lengvu svoriu, tačiau netinka apdoroti tradiciniais kalimo metodais ir tinka tik liejimui ir miltelinei metalurgijai.
3. Vožtuvo spyruoklės lizdas
Didelis stiprumas ir atsparumas nuovargiui yra savybės, kurias turi turėti vožtuvo spyruoklių lizdai. titano lydinys yra termiškai apdorojamas lydinys, kuris gali įgyti didelį stiprumą senstant kietu tirpalu. Atitinkamos tinkamesnės medžiagos yra Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn ir Ti-15Mo-3Al-2 .7Nb-0.2Si. „Mitsubishi Motors“ masinės gamybos automobiliuose naudoja Ti-22V-4Al titano lydinio vožtuvų spyruoklines sėdynes, todėl masė sumažėja 42 %, palyginti su originalia plienine užraktu, sumažėja vožtuvo mechanizmo inercinė masė. 6%, o didžiausią variklio sūkių skaičių padidina 300 aps./min.
4. Titano lydinio spyruoklės
Titanas ir jo lydiniai turi mažesnį tamprumo modulį nei plieninės medžiagos, didelę σs/E vertę ir yra tinkami tamprių komponentų gamybai. Palyginti su plieninėmis automobilių spyruoklėmis, naudojant tą patį elastingumą, titano spyruoklių aukštis yra tik 40% plieninių spyruoklių aukščio, o plieninių spyruoklių masė yra tik 30%–40%, o tai patogu kėbulo dizainas. Be to, puikus titano lydinių nuovargis ir atsparumas korozijai gali padidinti spyruoklių tarnavimo laiką. Šiuo metu titano lydinio medžiagos, kurios gali būti naudojamos automobilių spyruoklėms gaminti, yra Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al ir Ti-13V11C-3Al.
5. Turbokompresorius
Turbokompresoriai gali pagerinti variklių degimo efektyvumą ir padidinti variklių galią bei sukimo momentą. Turbokompresoriaus turbinos rotorius turi ilgai dirbti aukštos temperatūros išmetamosiose dujose virš 850 laipsnių, todėl būtinas geras atsparumas karščiui. Tradiciniai lengvieji metalai, tokie kaip aliuminio lydinys, negali būti naudojami dėl žemos jų lydymosi temperatūros. Nors keraminės medžiagos naudojamos turbinų rotoriams dėl jų lengvo svorio ir gero atsparumo aukštai temperatūrai, jų panaudojimas yra ribotas dėl didelių sąnaudų ir nesugebėjimo optimizuoti formos. Siekdami išspręsti šias problemas, Tetsui ir kt. sukūrė TiAl turbinos rotorių. Po daugelio bandymų ir patikrų jis ne tik pasižymi geru ilgaamžiškumu ir efektyvumu, bet ir gali pagerinti variklio įsibėgėjimą. Šis dizainas buvo sėkmingai komercializuotas Mitsubishi Lancer Evolution serijoje.
6. Išmetimo sistema ir duslintuvas
Titanas dideliais kiekiais naudojamas automobilių išmetimo sistemose. Iš titano ir jo lydinių pagamintos išmetimo sistemos gali ne tik pagerinti patikimumą, pailginti tarnavimo laiką ir pagerinti išvaizdą, bet ir sumažinti masę bei pagerinti kuro degimo efektyvumą. Palyginti su plieninėmis išmetimo sistemomis, titano išmetimo sistemos gali sumažinti masę apie 40%. „Golf“ serijos automobiliuose titano išmetimo sistemos svoris gali būti sumažintas nuo 7 iki 9 kg. Šiuo metu išmetimo sistemoje naudojamas titanas daugiausia yra pramoninis grynas titanas.
Titaninio duslintuvo svoris yra tik 5–6 kg, o tai yra lengvesnis nei nerūdijančio plieno duslintuvai. 2000 m. „Chevrolet Corvette Z06“ naudoja 11,8 kg sveriantį titano duslintuvą ir išmetimo vamzdžių sistemą, kuri pakeis originalią 20 kg sveriančią nerūdijančio plieno sistemą, sumažindama svorį 41%. Pakeistos sistemos stiprumas išlieka nepakitęs, o automobilis greitesnis, lankstesnis ir ekonomiškesnis. Duslintuve naudojamas titanas taip pat daugiausia yra pramoninis grynas titanas.
7. Korpuso rėmas
Siekiant pagerinti automobilio saugumą ir patikimumą, būtina atsižvelgti į dizaino ir gamybos aspektus, ypač į gamybos medžiagas. Titanas yra gera medžiaga kėbulo rėmams gaminti. Jis turi ne tik didelį specifinį stiprumą, bet ir gerą tvirtumą. Japonijoje automobilių gamintojai kėbulo rėmams gaminti renkasi gryno titano metalo suvirintus vamzdžius, todėl vairuotojai vairuodami gali jaustis pakankamai saugiai.
8. Kitos titano lydinio dalys
Be minėtų dalių, titanas taip pat naudojamas variklio svirtims, pakabos spyruoklėms, variklio stūmoklių kaiščiams, automobilių tvirtinimo detalėms, veržlėms, automobilių durų iškyšoms, automobilių stabdymo laikikliams, stabdžių apkabų stūmokliams, kaiščių varžtams, slėgio plokštėms, perjungimo mygtukams ir automobilių sankabų diskai bei kitos automobilių dalys. Naujos kartos automobilių konstrukcijose daugiau dėmesio skiriama lengvam kėbului, mažoms degalų sąnaudoms, mažam triukšmui ir lengvai variklio vibracijai, kad atitiktų vis griežtesnius aplinkosaugos reikalavimus. Šiame kontekste lengvojo metalo titanas taps pagrindine būsimų automobilių naudojimo medžiaga.
