Titananwendungen 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 3.000t. Es wird erwartet, dass die in Automobilen weltweit verwendete Menge an Titan im Jahr 2015 5.000t überschreiten 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, 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. 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 Motorventile für Kraftfahrzeuge 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 hergestellt werden, das ähnliche Eigenschaften wie Ti-6Al-4V aufweist und billiger ist.
2) Das Auslassventil kann aus Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo{{7} }.45Si. Aufgrund seines geringeren Mo-Gehalts ist seine Kriechbeständigkeit besser als die von Ti-6242S und seine Oxidationsbeständigkeit kann 600 Grad erreichen. .
3) Das Auslassventil kann aus -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 einer Ti-22V-4Al-Titanlegierung, die die Masse im Vergleich zu den ursprünglichen Stahlschlössern um 42 % reduziert und die träge Masse des Ventils verringert Mechanismus um 6 % und erhöht die maximale Motordrehzahl. 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 Grad 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, vorstehenden Trägern von Kfz-Türen, Kfz-Getriebehalterungen, Bremssattelkolben, Bolzenbolzen und druckbehafteten Autoteilen wie z. B. verwendet Platten, Schaltknöpfe und Kupplungsscheiben für Automobile.

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 weiter Weg, bis Titan und seine Legierungen in der Automobilindustrie weit verbreitet eingesetzt werden. Zu den Gründen gehören hoher Preis, schlechte Formbarkeit und schlechte Schweißleistung.
Mit der Entwicklung der Near-Net-Shape-Technologie für Titanlegierungen 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 Titan einschränken Legierungen. 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.