Aktueller Anwendungsstatus von Titanlegierungen in der Automobilindustrie

In den letzten Jahren haben mit der rasanten Entwicklung der Automobilindustrie die durch Automobile verursachten Probleme des Kraftstoffverbrauchs, des Umweltschutzes und der Sicherheit immer mehr Aufmerksamkeit erregt. Mit Blick auf die zukünftige Entwicklungsrichtung der Automobilindustrie sind Leichtbau, geringer Kraftstoffverbrauch und niedrige Emissionen die Entwicklungsthemen. Laut Statistiken internationaler Autoritäten werden 60 % der Verbrennungsenergie für Autokraftstoffe durch die eigene Masse verbraucht. Obwohl hochfeste dünne Stahlplatten, Aluminiumwerkstoffe, Magnesiumwerkstoffe, Metallmatrix-Verbundwerkstoffe und Kunststoffharzwerkstoffe bereits eine wichtige Rolle bei der Gewichtsreduzierung von Automobilen gespielt haben. Rolle, aber das Aufkommen industrieller Titanmaterialien hat zu besseren Optionen für die Automobilherstellung geführt.

Titanmetall hat die Vorteile einer geringen Dichte, einer hohen spezifischen Festigkeit und einer guten Korrosionsbeständigkeit. Die Verwendung von Titanmaterialien in Automobilen kann die Karosseriemasse erheblich reduzieren, den Kraftstoffverbrauch senken, die Motoreffizienz verbessern, die Umwelt verbessern und den Lärm reduzieren. Aufgrund des hohen Preises finden Titanlegierungen jedoch nur wenige Anwendungen in Luxusmodellen und Sportwagen der Automobilindustrie und werden in gewöhnlichen Autos selten verwendet. Daher ist die Forschung und Entwicklung kostengünstiger Titanlegierungen, die den Marktanforderungen entsprechen, der Schlüssel zur Förderung ihrer Anwendung in gewöhnlichen Haushaltsautos.

Aktueller Anwendungsstand von Titanlegierungen in der Automobilindustrie

Obwohl Titanlegierungen in der Luft- und Raumfahrt-, Petrochemie- und Schiffbauindustrie weit verbreitet sind, hat sich ihre Anwendung in der Automobilindustrie nur langsam entwickelt. Ausgehend von der erfolgreichen Entwicklung des ersten Volltitanautos durch General Motors in den Vereinigten Staaten im Jahr 1956 erreichten Autoteile aus Titan erst in den 1980er Jahren das Niveau der Massenproduktion. In den 1990er Jahren, als die Nachfrage nach Luxusautos, Sportwagen und Rennwagen von Jahr zu Jahr zunahm, entwickelten sich die gefertigten Titan-Autoteile rasant. Im Jahr 1990 wurden weltweit nur 50 Tonnen Titan in Automobilen verwendet. Im Jahr 1997 wurden 500 Tonnen erreicht. Im Jahr 2002 waren es 1.100 Tonnen. Im Jahr 2009 waren es 3.000 Tonnen. Es wird erwartet, dass die in Automobilen weltweit verwendete Menge an Titan im Jahr 2015 5.000 Tonnen übersteigen wird. Derzeit werden üblicherweise die folgenden Arten von Teilen aus Titanlegierungen verwendet.

1. Motorpleuel

Titanlegierung ist ein ideales Material für Pleuel. Motorpleuel aus Titanlegierung können die Motormasse effektiv reduzieren, die Kraftstoffeffizienz verbessern und das Abgasvolumen reduzieren. Im Vergleich zu Stahlpleueln kann mit Titanpleueln die Masse um 15 bis 20 % reduziert werden. Der Einsatz von Pleueln aus Titanlegierungen kam erstmals in der neuen italienischen Ferrari-Limousine 3.5LV8 und im NSX-Motor von Acura zum Einsatz. Die Hauptmaterialien für Pleuelstangen aus Titanlegierungen sind Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3Al-2,0V und Ti-4Al-4Mo-Sn-0,5Si. Andere Titanlegierungsmaterialien wie Ti-4Al. Die Anwendung von -2Si-4Mn und Ti-7M-4Mo in Pleueln ist ebenfalls in der Entwicklung.

2.Motorventil

Aus Titanlegierung gefertigte Ventile für Automobilmotoren können nicht nur die Masse reduzieren und die Lebensdauer verlängern, sondern auch den Kraftstoffverbrauch senken und die Fahrzeugzuverlässigkeit verbessern. Im Vergleich zu Stahlventilen können Titanventile die Masse um 30 bis 40 % reduzieren und die Grenzdrehzahl des Motors um 20 % erhöhen. Was aktuelle Anwendungen 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 zusammengegeben, um eine geringere Sprödigkeit und eine höhere Festigkeit zu erreichen; Der Zusatz von Mo kann die Wärmebehandlungseigenschaften von Titanlegierungen verbessern, die Festigkeit von abschreckenden und alternden Titanlegierungen erhöhen und die Härte erhöhen. Weitere Titanlegierungen mit Entwicklungspotenzial sind:
1) Das Einlassventil kann aus Ti-62S bestehen, das ähnliche Eigenschaften wie Ti-6Al-4V aufweist und kostengünstiger ist.

2) Das Auslassventil kann aus Ti-6Al-2Sn-4,0Zr-0,4-Mo-0,45Si bestehen. Aufgrund seines geringeren Mo-Gehalts ist seine Kriechfestigkeit besser als bei Ti-6242S und seine Oxidationsbeständigkeit kann 600 °C erreichen. .

3) Das Auslassventil kann aus γ-TiAl hergestellt werden, das die Eigenschaften einer hohen Temperaturbeständigkeit und eines geringen Gewichts aufweist, aber für herkömmliche Schmiedemethoden während der Verarbeitung nicht geeignet ist. Es ist nur für die Guss- und pulvermetallurgische Verarbeitung geeignet.

3. Ventilfedersitz

Hohe Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit sind notwendige Eigenschaften des Ventilfedersitzes. Beta-Titanlegierung ist eine wärmebehandelte Legierung, die durch Alterungsbehandlung in fester Lösung eine hohe Festigkeit erreichen kann. Die entsprechend besser geeigneten Materialien sind Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn und Ti-15Mo-3Al-2,7Nb-0,2Si. Mitsubishi Motors verwendet in seinen Großserienfahrzeugen Ventilfedersitze aus Titanlegierung Ti-22V-4Al, was die Masse im Vergleich zu den ursprünglichen Stahlschlössern um 42 % reduziert, die träge Masse des Ventilmechanismus um 6 % reduziert und die maximale Motordrehzahl erhöht. 300 U/min.

4. Feder aus Titanlegierung

Titan und seine Legierungen haben einen niedrigeren Elastizitätsmodul und einen größeren σs/E-Wert als Stahlwerkstoffe, wodurch sie sich für die Herstellung elastischer Komponenten eignen. Im Vergleich zu Automobilfedern aus Stahl beträgt die Höhe von Titanfedern unter der Voraussetzung der gleichen elastischen Arbeit nur 40 % der Stahlfedern und die Masse nur 30 bis 40 % der Stahlfedern, was die Karosseriekonstruktion erleichtert. Darüber hinaus können die hervorragenden Ermüdungseigenschaften und die Korrosionsbeständigkeit der Titanlegierung die Lebensdauer der Feder verlängern. Zu den Titanlegierungsmaterialien, die zur Herstellung von Autofedern verwendet werden können, gehören derzeit Ti-4,5Fe6,8Mo-1,5Al und Ti-13V11C-3Al.

5. Turbolader

Turbolader können die Verbrennungseffizienz des Motors verbessern und die Motorleistung und das Drehmoment steigern. 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 ihrer niedrigen Schmelzpunkte nicht verwendet werden. Obwohl Keramikmaterialien aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer guten Hochtemperaturbeständigkeit in Turbinenrotoren verwendet werden, ist ihre Anwendung aufgrund ihrer hohen Kosten und der Unfähigkeit, ihre Form zu optimieren, begrenzt. Um diese Probleme zu lösen, entwickelten Tetsui und andere den TiAl-Turbinenrotor. Nach vielen Tests wurde bestätigt, dass es nicht nur eine gute Haltbarkeit und Effizienz aufweist, sondern auch die Beschleunigung des Motors verbessern kann. Dieses Design wurde erfolgreich in der Mitsubishi Lancer Evolution-Serie kommerzialisiert.

6. Abgasanlage und Schalldämpfer

Titan wird häufig in Autoabgassystemen 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 verbessern. Im Vergleich zu Stahl-Abgasanlagen können Titan-Abgasanlagen die Masse um ca. 40 % reduzieren. Bei Fahrzeugen der Golf-Serie kann die Masse der Titan-Abgasanlage um 7 bis 9 kg reduziert werden. Derzeit wird im Abgassystem hauptsächlich industrielles Reintitan als Titanmaterial verwendet.

Der Titan-Schalldämpfer wiegt nur 5 bis 6 kg und ist damit leichter als Edelstahl- und andere Schalldämpfer. Die 2000 Chevrolet Corvette Z06 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 ersetzte System behält seine Stärke und macht das Auto schneller, flexibler und kraftstoffeffizienter. Das im Schalldämpfer verwendete Titanmaterial 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 sehr gutes Material für die Herstellung von Karosserierahmen. Es verfügt nicht nur über eine hohe spezifische Festigkeit, sondern auch über eine gute Zähigkeit. In Japan wählen Automobilhersteller für die Herstellung von Karosserierahmen geschweißte Rohre aus reinem Titan. Diese Art von Rahmen kann dem Fahrer ein sicheres Gefühl beim Fahren geben.

8. Andere Teile aus Titanlegierung

Zusätzlich zu den oben genannten Komponenten wird Titan auch in Motorkipphebeln, Aufhängungsfedern, Motorkolbenbolzen, Kfz-Befestigungselementen, Radmuttern, hervorstehenden Kfz-Türträgern, Kfz-Getriebehalterungen, Bremssattelkolben, Bolzenbolzen, Druckteilen von Kraftfahrzeugen wie Platten, Schaltknöpfen und Kfz-Kupplungsscheiben verwendet.

Anwendungen von Titanlegierungen

1. Vorteile

Titanlegierungen zeichnen sich durch geringes Gewicht, hohe spezifische Festigkeit und gute Korrosionsbeständigkeit aus und werden daher häufig in der Automobilindustrie eingesetzt. Die häufigste Verwendung von Titanlegierungen findet sich in Automobilmotorsystemen. Die Verwendung von Titanlegierungen zur Herstellung von Motorteilen bietet viele Vorteile, vor allem in folgenden Bereichen:

1) Die geringe Dichte der Titanlegierung kann die träge Masse beweglicher Teile reduzieren. Gleichzeitig können Titan-Ventilfedern die freie Vibration erhöhen, die Vibration der Karosserie abschwächen und die Motordrehzahl und Ausgangsleistung erhöhen.

2) Reduzieren Sie die träge Masse beweglicher Teile, wodurch die Reibung verringert und die Kraftstoffeffizienz des Motors verbessert wird.

3) Durch die Wahl einer Titanlegierung kann die Belastung der zugehörigen Teile verringert und die Größe der Teile verringert werden, wodurch das Gewicht des Motors und des gesamten Fahrzeugs verringert wird.

4) Die Reduzierung der trägen Masse der Komponenten reduziert Vibrationen und Geräusche und verbessert die Motorleistung.

Der Einsatz von Titanlegierungen in anderen Bauteilen kann den Komfort für das Personal und die Ästhetik von Autos verbessern. Bei Anwendungen in der Automobilindustrie haben Titanlegierungen eine unermessliche Rolle bei der Energieeinsparung und Verbrauchsreduzierung gespielt.

2. Anwendungsbeschränkungen

Obwohl Teile aus Titanlegierungen so hervorragende Eigenschaften aufweisen, ist es noch ein langer Weg, bis Titan und seine Legierungen in der Automobilindustrie weit verbreitet sind. Zu den Gründen gehören hoher Preis, schlechte Formbarkeit und schlechte Schweißleistung.

Mit der Entwicklung der endkonturnahen Titanlegierungstechnologie und modernen 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 Titanlegierungen einschränken. Der Hauptgrund für die weite Verbreitung 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 von Titanlegierungen viel höher als der anderer Metalle. Die Kosten für Titanteile, die die Automobilindustrie akzeptieren kann, betragen 8 bis 13 US-Dollar/kg für Pleuel, 13 bis 20 US-Dollar für Ventile und 8 US-Dollar für Federn, Motorabgassysteme und Befestigungselemente. Unter USD/kg. Die aktuellen Kosten für aus Titanmaterialien hergestellte Teile liegen weit über diesen Preisen. Die Produktionskosten für Titanplatten liegen meist über 33 US-Dollar/kg, was dem 6- bis 15-fachen von Aluminiumplatten und dem 45- bis 83-fachen von Stahlplatten entspricht.

Forschungsstand von Titanlegierungen für Automobile

Derzeit ist die Kostenreduzierung die Hauptforschungsrichtung für Titanlegierungen, die in der Automobilindustrie verwendet werden. Angesichts der Charakteristika der Kostenverteilung von Titanlegierungen, die in der Automobilindustrie verwendet werden, erreichen Materialforschungs- und -entwicklungsmitarbeiter das Ziel der Kostensenkung hauptsächlich aus den folgenden zwei Aspekten: Entwicklung neuer kostengünstiger Legierungssysteme und Einsatz neuer Verarbeitungs- und Aufbereitungstechnologien.

1. Neues kostengünstiges Titanlegierungssystem

Arbeiter aus verschiedenen Ländern entwickeln neue kostengünstige Titanlegierungssysteme und konzentrieren sich dabei vor allem auf die folgenden Aspekte: Legierungsdesign unter Verwendung billiger Legierungselemente und Legierungsdesign zur Verbesserung der Verarbeitungseigenschaften. Unter ihnen sind Japan und die Vereinigten Staaten vertreten. Mein Land hat außerdem erfolgreich zwei kostengünstige Titanlegierungen entwickelt, nämlich Ti8LC und Ti12LC. Bei der Konstruktion kostengünstiger Titanlegierungskomponenten für Fahrzeuge werden häufig günstige Legierungselemente wie Fe, Cr, Si, Al usw. verwendet.

2. Neue Verarbeitungs- und Aufbereitungstechnologie

Die Verarbeitungskosten von Titanlegierungsmaterialien machen mehr als 60 % der Gesamtkosten während des Produktionsprozesses aus. Daher ist im Hinblick auf die Kostensenkung die Frage, wie die Verarbeitungskosten von Titanlegierungen gesenkt werden können, zu einer wichtigen Forschungsrichtung geworden. Die Forschung in diesem Bereich gliedert sich hauptsächlich in zwei Aspekte: Zum einen geht es um die Verbesserung des traditionellen Guss- und Schmiedeprozesses und zum anderen um die Einführung der pulvermetallurgischen Near-Net-Shape-Technologie.

Bei der Entwicklung neuer Umformverfahren ist das Kaltumformen derzeit eine der vielversprechendsten Methoden zur Herstellung von Automobilteilen aus Titanlegierungen. Beta-Titanlegierungen weisen bei Raumtemperatur einen geringen Verformungswiderstand auf und lassen sich gut schneiden und formen. Es ist ein Material, das kalt geschmiedet werden kann. Derzeit hat Japan drei kaltverformte Beta-Titanlegierungen entwickelt. Beta-Titanlegierungen weisen auch einige Mängel auf. Es neigt beim Kaltschmieden zu ungleichmäßiger Verformung und haftet leicht an der Form. Daher erfordert die Massenproduktion von Teilen aus Beta-Titanlegierungen mithilfe der Kaltschmiedetechnologie weitere Erforschung und Entwicklung.

Die Pulvermetallurgie ist eine sehr wichtige Technologie zur Reduzierung der Verarbeitungskosten von Titanlegierungen. Bei der Herstellung von pulvermetallurgischen Automobilteilen dominiert immer noch das traditionelle Press-Sinter-Verfahren, das hauptsächlich das Elementarpulver-Verfahren (BE) und das vorlegierte Pulververfahren (PA) umfasst. 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 entstanden, darunter die Laserumformtechnik, das Metallpulverspritzgießen (MIM) und andere Technologien. Sie werden häufig bei der Versuchsproduktion und Herstellung komplexer Automobilteile eingesetzt, was die Produktentwicklung erheblich verkürzen kann. und Produktionszyklus, wodurch die Kosten weiter gesenkt werden.

Abschluss

Die neue Generation des Automobildesigns legt mehr Wert auf eine leichte Karosserie, einen geringen Kraftstoffverbrauch, einen geringen Geräuschpegel und leichte Vibrationen des Motors, um den immer anspruchsvolleren Anforderungen der Umwelt gerecht zu werden. In diesem Zusammenhang wird das Leichtmetall Titan zu einem wichtigen Anwendungsmaterial für zukünftige Automobile.

Eine umfassende Betrachtung des aktuellen Forschungsstandes zu kostengünstigen Titanlegierungen für Fahrzeuge zeigt, dass sich die Forschung zur weiteren Reduzierung der Kosten von Titanlegierungen für Fahrzeuge vor allem auf folgende Aspekte konzentrieren sollte:

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

2) Im Hinblick auf die Entwicklung von Guss- und Schmiedeprozessen, Entwicklung in Richtung der Entwicklung von Beta-Titanlegierungen und kaltverformten Titanlegierungen und Durchführung von Machbarkeitsstudien zu deren Massenproduktion.

3) Im Hinblick auf die Pulvermetallurgie ist es neben der Gewährleistung des Kostenvorteils 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 als Automobilteile entscheiden. Titanlegierungen werden künftig eine wichtige Rolle in der Produktion der Automobilindustrie spielen.