Использование титана и его сплавов в автомобильной промышленности обусловлено их высокой прочностью, низкой плотностью и модулем упругости, а также отличной устойчивостью к коррозии и окислению. Титан в первую очередь применяется в компонентах двигателей внутреннего сгорания, таких как клапаны, пружины клапанов, фиксаторы и шатуны.
Основная сфера применения — пружины в кузовах автомобилей и выхлопных системах, способные выдерживать гарантию в 100 000 миль; также изучается использование титана для колес, высокопрочных креплений и коррозионно-устойчивых, стойких к повреждениям панелей днища.
Преимущества использования титана в автомобильной промышленности хорошо изучены и широко освещались на протяжении многих лет, что подтверждает его эффективность. Однако из-за высокой стоимости применение титана ограничено в основном гоночными автомобилями и некоторыми эксклюзивными моделями дорожных машин.
Титановая индустрия предпринимала попытки соответствовать жестким финансовым и эксплуатационным требованиям автопроизводителей, сосредотачивая внимание на трех направлениях:
Достигнут значительный прогресс в экономически эффективном использовании титана в массовом автомобилестроении. Наиболее перспективными являются холоднотянутые пружины из недорогого бета-сплава и выхлопные системы из коммерчески чистого титана.
Обе эти категории компонентов уже выпускаются для автомобильной промышленности с использованием процессов и инструментов, традиционно применяемых для изготовления стальных деталей.
Автопроизводители и поставщики рассматривают стоимость всей системы в целом, и хотя отрасль стремится к созданию дешевых сплавов титана, очевидно, что только снижение цены на металл не гарантирует его массового внедрения — нужна конкурентоспособная стоимость готового компонента.
Следовательно, возникает необходимость внедрения недорогих методов производства титановых деталей. Совместно с конструкторами автотранспорта отрасль отслеживает соотношение затрат и выгод от использования титана, держит руку на пульсе проектных и производственных новшеств, чтобы снижать издержки и решать производственные задачи.
Для автопроизводителей стиль и характеристики остаются ключевыми факторами продаж, однако растет число покупателей, заботящихся об экологии, безопасности, минимальном уровне шума, максимальной топливной экономичности и снижении вредных выбросов.
Ужесточение законодательства, например, требований US Corporate Average Fuel Efficiency (CAFE), усиливает рыночную конкуренцию и вынуждает вносить изменения в конструкции и используемые материалы. По мере роста спроса на более экономичные и экологичные автомобили вопрос цены отходит на второй план: в двигатели, подвеску и кузов внедряется больше усовершенствований.
Рост цен на топливо ускоряет этот процесс, позволяя инвестировать больше средств в коррозионную стойкость, снижение веса и экономию топлива.
Таблица 1. Оценка экономии топлива за счет уменьшения массы транспортного средства.
| Тип транспортного средства | $/автомобиль/кг сэкономленного веса |
|---|---|
| Массовое производство | $2,20 |
| Ограниченные требования CAFÉ | $4,50–$7,70 |
| Специализированные и люксовые | $8,50+ |
Титан среди инженерных сплавов уникален сочетанием прочности, плотности и модуля упругости, что делает его практически идеальным материалом для пружин в самых разных сферах. Эффективная конструкция пружины означает оптимизацию веса и занимаемого пространства. Титановые пружины меньше по размеру и примерно на 60–70% легче стальных аналогов. Во многих конструкциях автомобилей места для установки стальных пружин просто не хватает.
Масса пружины при заданной нагрузке и жесткости пропорциональна произведению модуля сдвига и плотности сплава, деленному на квадрат допустимого напряжения. Вес минимизируется благодаря низкому модулю сдвига и плотности титана в сочетании с высокой допустимой нагрузкой.
Параллельно прогиб пружины обратно пропорционален модулю сдвига, а значит, титановые пружины деформируются больше. Это позволяет уменьшить количество рабочих витков и снизить свободную высоту (на 50–80% по сравнению со стальными пружинами), еще больше облегчая конструкцию и увеличивая собственную частоту колебаний.
Клапанные пружины — один из самых перспективных способов внедрения титана в двигатели массовых автомобилей. Возможность уменьшить общую высоту двигателя ценна при ограниченном пространстве. Дополнительные преимущества появляются при использовании титановых клапанов и фиксаторов, так как требуется меньшая сила пружины для предотвращения “подпрыгивания” клапанов на высоких оборотах.
Кроме того, титан позволяет увеличить нагрузку на пружину без увеличения веса, что обеспечивает более быстрое движение клапанов и более высокие обороты двигателя. Уменьшенная нагрузка пружины в сочетании с легкими клапанами снижает трение в клапанном механизме, которое обычно составляет 20–25% общего механического трения двигателя.
Снижение трения без потери мощности приводит к более высокой эффективности двигателя, меньшему уровню шума и снижению расхода топлива.
Экономия топлива оценивается в диапазоне от 2% до 4% в зависимости от типа двигателя. Более значительный эффект достигается в двигателях с четырьмя клапанами на цилиндр, где больше движущихся частей и скользящих поверхностей, вносящих вклад в общее трение.
Поверхностная обработка для повышения износостойкости титановых сплавов — ключевой фактор успешного применения в клапанном механизме. Клапаны выпускных систем требуют особого подхода для обеспечения устойчивости к окислению и ползучести при высоких температурах.
Титановые пружины подвески позволяют значительно снизить массу и сэкономить место. Типичная винтовая пружина из титана по сравнению со стальной облегчает конструкцию более чем на 70% (с 4,12 кг до 1,36 кг в одном из примеров).
Проведены обширные испытания как на дорогах, так и вне их. Хотя массовый рынок легковых автомобилей является основным для титановых пружин подвески, не менее важны сферы коммерческого транспорта и грузоперевозок.
Дополнительное пространство, снижение веса и экономия топлива могут увеличить грузоподъемность или дальность хода, а значит — повысить доходы. В одном из американских исследований грузовик с титановой подвеской стал легче на 140 кг при дополнительной стоимости £1000 (US$1316). Превратив этот резерв массы в дополнительный груз за 600 рейсов, компания получила £8000 (US$10526) дополнительной прибыли, а годовая доходность инвестиций составила 20%.
Коррозионная стойкость титановых сплавов увеличивает срок службы пружин, даже если техника эксплуатируется в агрессивных условиях лишь время от времени. Коррозионная усталость — вероятная причина большинства отказов стальных пружин подвески в автомобилях.
Для изготовления пружин подходит широкий спектр титановых сплавов. Хорошие результаты дают Ti-6Al-4V и другие альфа-бета сплавы, однако еще лучшие показатели достигаются при использовании высокопрочных бета-сплавов, которые легче вытягивать в проволоку и холодно деформировать.
Из них сплав Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5Al (Timetal LCB) сочетает оптимальные характеристики при приемлемой цене. Он разработан специально для автомобильных пружин и может производиться по цене примерно вдвое ниже традиционных бета-сплавов. При достаточном объеме производства его стоимость достигнет целевого уровня для массового внедрения в автомобилях.
Прочность, плотность, модуль сдвига и относительный вес этого сплава сравниваются со сталью аналогичной прочности в таблице 3. Это оптимальное сравнение, поскольку для стальных пружин часто предусматривается запас на коррозию, увеличивающий их вес и габариты. Для титана такие запасы не требуются, как правило, нет необходимости и в окраске или другой защитной обработке.
Таблица 2. Свойства Timetal по сравнению с Ti-6Al-4V.
| Свойство | Ti-6Al-4V Bar STA | Timetal 10-2-3 | Timetal LCB |
|---|---|---|---|
| Предел текучести при комнатной температуре (Н/мм-2) | 1100 | 1200 | 1350 |
| Предел прочности при растяжении при комнатной температуре (Н/мм-2) | 1185 | 1275 | 1420 |
| Относительное удлинение (%) | 13 | 9 | 10 |
| Коэффициент сужения (%) | 24 | 21 | 35 |
| Плотность (г/см3) | 4,43 | 4,64 | 4,79 |
| Модуль упругости при растяжении (103 Н/мм-2) | 112 | 106 | 110 |
| Предел выносливости при усталости (Н/мм-2) | |||
| Гладкий образец при комнатной температуре (kt=1) | 895 | 950 | 1000 |
| Образец с надрезом при комнатной температуре (kt=3) | 240 | 290 | 330 |
Бета-сплавы предоставляют конструкторам широкий выбор сочетания свойств для конкретных нужд. Рекомендуется консультироваться с производителем сплава и изготовителем пружин, чтобы выбрать оптимальный способ изготовления и финишной обработки.
Таблица 3. Свойства пружин Timetal по сравнению со стальными аналогами.
| Свойство | Сталь | Timetal LCB |
|---|---|---|
| Допускаемое напряжение (Н/мм-2) | 1000 | 1000 |
| Модуль сдвига (103 Н/мм-2) | 80 | 43 |
| Плотность (г/см-3) | 7,82 | 4,78 |
| Относительный вес | 100 | 33 |
Проволока Timetal LCB может поставляться в горячекатаном, горячекатаном и холоднотянутом виде (обычно до 20% холодной деформации), либо в горячекатаном и закаленном состоянии. Пружины из LCB могут навиваться как холодным, так и горячим методом при 700–760 °C. При горячем навиве пружины охлаждаются вентилятором на воздухе и старятся. Холоднотянутые пружины сразу отправляются на старение, обычно при 510–540 °C до двух часов.
Финишная обработка включает дробеструйную очистку и травление, затем дробеметную обработку с интенсивностью 16–18A.
Методы изготовления пружин LCB позволяют добиться себестоимости и производительности, сравнимых с производством стальных пружин. Для этого используются стандартное оборудование для изготовления стальных пружин, обычные сухие покрытия для холодной навивки, аналогичные печи и режимы старения (отпуска).
Таким образом, инвестиции в новое оборудование, обычно сопровождающие внедрение новых материалов, могут быть минимизированы, а темпы производства сопоставимы с изготовлением стальных пружин.
В США экологические нормы требуют гарантированной коррозионной стойкости выхлопных систем на пробеге свыше 100 000 миль. Титан легко справляется с этой задачей и превосходит системы из нержавеющей стали (409). Типовой резонатор и выхлопная труба из 409-й стали весят 10 кг, тогда как аналог из титана — всего 3,2 кг.
Для глушителей и трубопроводов предпочтительны листы и трубы из чистого титана. Использование минимально возможной толщины материала, соответствующей инженерным и акустическим требованиям системы, снижает массу и стоимость.
Титан подходит не для всей выхлопной системы, а, скорее всего, только для компонентов, где температура не превышает 400 °C в течение длительного времени. Элементы, установленные сразу после каталитического нейтрализатора, продолжают работать эффективно.
Для крепления выхлопной системы к шасси (через резиновые изоляторы) наиболее эффективным признано использование титановых проушин, привариваемых к трубе, хотя тестируются и другие методы.
Материалы, соответствующие стандарту ASTM Grade 2 (например, Timetal 50A), оптимальны по стоимости, доступности, технологичности, свариваемости и механическим свойствам. Сплав Grade 45A немного менее прочен и более пластичен по сравнению с 50A, что важно при сложных операциях формовки, например, при закатке швов (см. таблицу 4).
Таблица 4. Свойства коммерчески чистых титанов Timetal 45A и 50A.
| Класс | 45A | 50A (ASTM 2) |
|---|---|---|
| Минимальное предел текучести (Н/мм2) | 200 | 275 |
| Минимальное временное сопротивление разрыву (Н/мм2) | 290 | 345 |
| Минимальное удлинение (%) | 23 | 20 |
| Минимальное сужение (%) | 40 | 35 |
| Твердость (Hv) | 140-170 | 160-200 |
| Модуль упругости при растяжении (103 Н/мм2) | 103 | 103 |
| Модуль упругости при кручении (103 Н/мм2) | 45 | 45 |
| Плотность (г/см3) | 4.51 | 4.51 |
| Тепловое расширение (10-6 °C) | 8.9 | 8.9 |
| Теплопроводность (Вт/м·°C) | 21.6 | 21.6 |
| Удельная теплоемкость (Дж/кг·°C) | 519 | 519 |
Оба сплава полностью свариваются, не требуют промежуточной или последующей термообработки и поставляются в виде широких рулонов листа. Эти сплавы также используются для изготовления недорогих сварных труб.
Коммерчески чистый титан хорошо формуется в холодном состоянии, листы и трубы легко обрабатываются при комнатной температуре на оборудовании, предназначенном для стали. Для успешного производства важно учесть три момента:
Для закрытия резонатора подходят как закатка шва, так и контактная сварка; для герметизации торцов и соединений труб можно применять автогенную TIG-сварку с защитой внешней поверхности шва. Для контактной сварки аргон не требуется.
Один из ведущих американских производителей выхлопных систем, компания Arvin, успешно осуществила прокатку и сварку партии титановых резонаторов на своем заводе. Это было сделано без дополнительных затрат по сравнению с производством стальных деталей. Компания также отметила отсутствие дополнительных расходов при гибке титановых труб на оборудовании, ранее предназначенном для стали.
Благодаря технологии холодного выплавления можно получать “слитки” для производства полосы путем разливки в слиток и последующей горячей прокатки в рулон — полуфабрикат для окончательного холодного проката. Компания Timet оснащена для
