Детали автомобильного титанового сплава: Ti-6Al-4V и класс 2 по ASTM B265/B348.

Что считается деталью из автомобильного титанового сплава?

Детали автомобильных титановых сплавов — это компоненты дорожных-транспортных средств, изготовленные из титана, а не из стали, алюминия или чугуна. В эту категорию входят кованые шатуны, клапаны двигателя и держатели клапанов, выхлопные трубы и глушители, пружины подвески, поршни тормозных суппортов, крепежные детали, колеса компрессора турбокомпрессора, а также конструктивные кронштейны или рамы аккумуляторных батарей-на электрифицированных транспортных средствах. В автомобилестроении преобладают четыре группы материалов: технически чистые марки, такие как класс 2 (UNS R50400) и класс 4 (UNS R50700); альфа-бета-рабочая лошадка Ti-6Al-4V, обозначенная классом 5 (UNS R56400); его вариант с экстра-низким интерстициальным уровнем 23 (UNS R56407); и метастабильные бета-сплавы, такие как Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr и Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al, которые выбираются, когда требуется пружинная прочность выше 1200 МПа. Прокатный прокат обычно заказывается по стандарту ASTM B348 для прутков и поковок, ASTM B265 для листов, полос и пластин и ASTM B338 для сварных или бесшовных труб.

Физические и механические свойства, определяющие дизайн

Причина, по которой титан появляется в автомобилях с высокими эксплуатационными характеристиками, заключается в его особой прочности. Марка 2 имеет плотность 4,51 г/см3, а марка 5 — около 4,43 г/см3 по сравнению примерно с 7,85 г/см3 для углеродистой и низколегированной стали, поэтому прямая замена позволяет сэкономить около 43 процентов массы компонента. Отожженная марка 5 достигает минимального предела прочности на разрыв 895 МПа с минимальным пределом текучести 828 МПа, тогда как технически чистая марка 2 обеспечивает минимальную прочность на растяжение 344 МПа с превосходной пластичностью. Модуль упругости титана составляет всего от 102 до 114 ГПа, что примерно вдвое меньше, чем у стали, поэтому титановая деталь, которая по прочности соответствует стальной детали, будет прогибаться заметно больше; жесткость, а не прочность, часто определяет редизайн.

Другие свойства формируют маршрут процесса. Теплопроводность низкая и составляет от 6,7 до 7,2 Вт/м-К, поэтому тепло при обработке концентрируется на режущей кромке, и фрикционные соединения перегреваются. Коэффициент теплового расширения составляет от 8,6 до 9,7 мкм/м-К, что ниже, чем у алюминия, что уменьшает тепловое несоответствие в сборках из смешанных-материалов. Стабильная пассивная пленка диоксида титана обеспечивает высокую устойчивость к хлоридам, дорожной соли и кислотному конденсату, содержащемуся в выхлопных системах.

Таблица сравнения оценок

Для справки: закаленная и отпущенная низколегированная сталь, такая как AISI 4140, обеспечивает сопоставимую прочность при плотности 7,85 г/см3 и модуле упругости около 205 ГПа. Именно поэтому решение о замене принимается на основе-веса и стоимости на системном уровне, а не простого сравнения прочности.

Где в транспортных средствах используются титановые детали

Клапанный механизм:клапаны, фиксаторы и колпачки пружин в высокооборотных-двигателях, где меньшая возвратно-поступательная масса увеличивает полезную частоту вращения двигателя до того, как клапан всплывет.

Шатуны:кованые стержни Ti-6Al-4V уменьшают вращающуюся и возвратно-поступательную массу в кривошипно-шатунном механизме.

Выхлопные системы:сварная трубка класса 2 имеет более тонкие стенки, чем нержавеющая сталь, и обеспечивает эквивалентный срок службы при работе с повышенным содержанием конденсата-.

Рессоры подвески:Бета-титановая проволока обеспечивает примерно 40-процентное снижение массы по сравнению со стальными винтовыми пружинами при одинаковой скорости и ходе.

Силовой агрегат и тормозное оборудование:колеса компрессора турбокомпрессора, поршни суппорта и высокопрочные-крепежи.

Электрифицированные платформы:аккумуляторные-рамы, щитки под днищем и защитные конструкции, масса которых напрямую влияет на дальность полета.

Примечания по механической обработке, формованию и соединению

Титан ведет себя в цехах совсем иначе, чем сталь, и большинство производственных проблем связано с тремя характеристиками: низкой теплопроводностью, низким модулем упругости и сильной склонностью к истиранию.

Обработка:используйте твердый инструмент с острым-передним наклоном, умеренными скоростями резания и большой подачей, чтобы инструмент оставался ниже затвердевшей-оболочки. Смазочно-охлаждающая жидкость необходима, поскольку тепло не может уйти через стружку или заготовку. Тонкие стенки и тонкие стержни прогибаются, поэтому поддерживайте заготовку и ожидайте пружинения-при чистовых проходах. Держите стружку в чистоте и отдельно, поскольку частицы титана представляют опасность возгорания.

Формирование:Формируемость при комнатной-температуре ограничена для марок альфа-бета. Холодная штамповка практична для технически чистого листа, в то время как Ti-6Al-4V обычно подвергается горячей штамповке при температуре от 600 до 750°С или формуется методом сверхпластической формовки и диффузионной сварки.

Сварка:газовая вольфрамовая дуговая сварка с аргоном высокой-чистоты, задний экран и продувка на задней стороне предотвращают поглощение кислорода и азота. Поверхности должны быть обезжирены и очищены от окислов-, а также избегать загрязнения железом щетками или приспособлениями из углеродистой-стали. Цвет сварного шва является практическим приемочным контролем: допускается серебристый или светло-соломенный цвет, синий или фиолетовый — загрязнение.

Предостережения при выборе и распространенные заблуждения

«Титан — всегда самый легкий ответ».Алюминиевые сплавы, магниевые сплавы и современные высокопрочные стали-стоят намного дешевле за килограмм; Титан окупается только тогда, когда снижение массы, коррозионная стойкость или устойчивость к повышенным-температурам оправдывают стоимость материала, во много раз превышающую стоимость углеродистой стали.

«5 класс работает везде».Непрерывная работа при температурах примерно от 350 до 400 C требует использования титана с температурой, близкой к -альфа или выше-, поскольку сопротивление ползучести Ti-6Al-4V быстро падает.

«Титан противостоит любой среде».Плавиковая кислота, растворы,-содержащие фторид, и горячие концентрированные щелочи разъедают титан, а поглощение водорода выше предела спецификации приводит к охрупчиванию, поэтому в сертификатах заводов допускается содержание водорода не более 0,015 %.

«Правила проектирования стали передаются напрямую».Более низкий модуль изменяет жесткость, коробление и усталостные характеристики, поэтому должна измениться геометрия сечения, а не только обозначение материала.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: Какая марка титана наиболее распространена в автомобильных деталях?
Марка 5 (Ti-6Al-4V, UNS R56400) преобладает в высокопрочных компонентах, тогда как марки 2 и 4 промышленной чистоты используются для деталей, устойчивых к выхлопным газам и коррозии.

Вопрос: Насколько реально экономит вес титановая деталь?
Поскольку плотность составляет около 4,5 г/см3 против 7,85 г/см3 стали, аналогичная-для-подобная деталь почти на 43 процента легче; реальные сборки экономят от 30 до 40 процентов, если включить изменение размера,-зависимое от жесткости.

Вопрос: Долговечна ли титановая сварная выхлопная труба?
Да, при условии, что при сварке используется аргоновая защита-высокой чистоты, сварной шов имеет приемлемый серебристый или соломенный цвет, а толщина стенки выбирается с учетом припуска на коррозию, а не только давления.

Вопрос: Можно ли использовать титан для пружин подвески?
Бета-титановые сплавы, такие как Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al, используются для изготовления пружин, поскольку они достигают высокой прочности после старения, оставаясь при этом пригодными для холодной формовки в состоянии, обработанном на раствор.

Вопрос: Почему титан так плохо обрабатывается по сравнению со сталью?
Низкая теплопроводность удерживает тепло на режущей кромке, низкий модуль упругости способствует вибрации, а материал истирается о поверхности инструмента; острые края, жесткая конструкция и обильная охлаждающая жидкость решают все три проблемы.

Вопрос: На какие стандарты должен ссылаться заказ на поставку?
ASTM B348 для прутков и поковок, ASTM B265 для листов и пластин, ASTM B338 для труб, а также применимая система качества ISO 9001 или IATF 16949 для автомобильных поставок.