Automotive titaniumlegeringsdele: Ti-6Al-4V og klasse 2 til ASTM B265/B348

Hvad tæller som en automotive titaniumlegeringsdel?

Titaniumlegeringsdele til biler er vej-bilkomponenter fremstillet af titanium i stedet for af stål, aluminium eller støbejern. Kategorien dækker smedede plejlstænger, motorventiler og ventilholdere, udstødningsrør og lyddæmpere, affjedringsfjedre, bremsekaliberstempler, fastgørelseselementer, turboladerkompressorhjul og strukturelle beslag eller batteri-rammer på elektrificerede køretøjer. Fire materialegrupper dominerer brugen af ​​biler: kommercielt rene kvaliteter som Grade 2 (UNS R50400) og Grade 4 (UNS R50700); alfa-beta-arbejdshesten Ti-6Al-4V, betegnet Grade 5 (UNS R56400); dens ekstra-lav-interstitielle variant Grade 23 (UNS R56407); og metastabile beta-legeringer såsom Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr og Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al, som vælges, når fjederstyrke over 1.200 MPa er påkrævet. Mølleprodukt bestilles normalt til ASTM B348 for stænger og smedegods, ASTM B265 for plade, strimmel og plade, og ASTM B338 for svejste eller sømløse rør.

Fysiske og mekaniske egenskaber, der driver designet

Grunden til, at titanium optræder i ydeevnekøretøjer, er specifik styrke. Grade 2 har en densitet på 4,51 g/cm3 og Grade 5 omkring 4,43 g/cm3 mod ca. 7,85 g/cm3 for kulstof og lav-legeret stål, så en direkte substitution sparer tæt på 43 procent af komponentmassen. Udglødet Grade 5 når en minimum trækstyrke på 895 MPa med 828 MPa minimum udbytte, mens kommercielt ren Grade 2 leverer 344 MPa minimum trækstyrke med fremragende duktilitet. Titaniums elasticitetsmodul er kun omkring 102 til 114 GPa, cirka halvdelen af ​​stålets, så en titaniumdel, der matcher en ståldel i styrke, vil afbøje mærkbart mere; stivhed, ikke styrke, styrer ofte redesignet.

Andre egenskaber former procesvejen. Den termiske ledningsevne er lav ved 6,7 til 7,2 W/m-K, så bearbejdningsvarme koncentrerer sig ved skærkanten, og friktionssamlingerne bliver varme. Den termiske udvidelseskoefficient er 8,6 til 9,7 um/m-K, lavere end aluminium, hvilket reducerer termisk uoverensstemmelse i blandede-materialesamlinger. En stabil passiv titaniumdioxidfilm giver stærk modstand mod klorider, vejsalt og det sure kondensat, der findes i udstødningssystemer.

Karaktersammenligningstabel

Til reference tilbyder et hærdet og hærdet lavt-legeret stål, såsom AISI 4140, sammenlignelig styrke ved en tæthed på 7,85 g/cm3 og et modul tæt på 205 GPa, hvilket netop er grunden til, at substitutionsbeslutningen er et system-vægt- og prishandel snarere end en simpel styrkesammenligning.

Hvor titanium dele bruges i køretøjer

Valvetrain:ventiler, holdere og fjederhætter i højhastighedsmotorer-, hvor lavere frem- og tilbagegående masse hæver den anvendelige motorhastighed før ventilsvømmer.

Forbindelsesstænger:smedede Ti-6Al-4V stænger reducerer roterende og frem- og tilbagegående masse i kranktoget.

Udstødningssystemer:svejset Grade 2-rør tillader tyndere vægge end rustfrit stål for en tilsvarende levetid i kondensat-rig service.

Ophængsfjedre:beta titantråd giver omtrent 40 procent massereduktion mod stålspiralfjedre med samme hastighed og vandring.

Drivaggregat og bremsehardware:turbolader-kompressorhjul, caliperstempler og høj-fastgørelsesanordninger.

Elektrificerede platforme:batteri-pakrammer, undervognsskjolde og kollisionsstrukturer, hvor massen direkte påvirker rækkevidden.

Bearbejdning, formning og sammenføjning af noter

Titanium opfører sig meget anderledes end stål på værkstedsgulvet, og de fleste produktionsproblemer spores tilbage til tre egenskaber: lav varmeledningsevne, et lavt elasticitetsmodul og en stærk tendens til galdedannelse.

Bearbejdning:brug skarpe, positive-hårdmetalværktøjer, moderate skærehastigheder og generøs fremføring for at holde værktøjet under arbejds-hærdet hud. Oversvømmelseskølevæske er afgørende, fordi varme ikke kan slippe ud gennem spånen eller arbejdsemnet. Tynde vægge og slanke stænger afbøjes, så understøt arbejdsemnet og forvent forår-tilbage ved efterbehandlinger. Hold spåner rene og adskilte, fordi titanium fins er en brandrisiko.

Dannelse:rumtemperatur-formbarhed er begrænset for alfa-beta-klasser. Koldformning er praktisk til kommercielt rene plader, mens Ti-6Al-4V normalt varmformes mellem 600 og 750 C eller formet ved superplastisk formning og diffusionsbinding.

Svejsning:gaswolframbuesvejsning med argon med høj-renhed, et bageste skjold og en udrensning på bagsiden forhindrer ilt- og nitrogenopsamling. Overflader skal være affedtet og oxid-fri, og jernforurening fra kul-stålbørster eller -inventar skal undgås. Svejsefarve er en praktisk godkendelseskontrol: sølv eller lyst halm er acceptabelt, blå eller lilla indikerer forurening.

Forsigtighedsregler ved udvælgelse og almindelige misforståelser

"Titanium er altid det letteste svar."Aluminiumslegeringer, magnesiumlegeringer og avancerede- højstyrkestål er langt billigere pr. kilogram; titanium betaler sig kun tilbage, hvor massereduktion, korrosionslevetid eller forhøjede-temperaturer berettiger en materialeomkostning, der er mange gange så stor som kulstofstål.

"Klasse 5 fungerer overalt."Kontinuerlig service over ca. 350 til 400 C kræver titaniumkvaliteter i nærheden af-alfa eller højere-temperaturer, fordi krybemodstanden for Ti-6Al-4V falder hurtigt.

"Titanium modstår ethvert medium."Flussyre, fluor-holdige opløsninger og varme koncentrerede alkalier angriber titanium, og brintopsamling over specifikationsgrænsen forårsager skørhed, hvilket er grunden til, at møllecertifikater kontrollerer brint med maksimalt 0,015 procent.

"Ståldesignregler overføres direkte."Det nedre modul ændrer stivhed, knæk og udmattelsesadfærd, så sektionsgeometrien, ikke kun materialeudtrykket, skal ændres.

FAQ

Q: Hvilken titaniumkvalitet er mest almindelig i bildele?
Grade 5 (Ti-6Al-4V, UNS R56400) dominerer højstyrkekomponenter, mens Grade 2 og Grade 4 kommercielt rene kvaliteter bruges til udstødnings- og korrosionsbestandige dele.

Q: Hvor meget vægt sparer en titaniumdel egentlig?
Fordi densiteten er omkring 4,5 g/cm3 mod 7,85 g/cm3 for stål, er en lignende-for-lignende del tæt på 43 procent lettere; rigtige samlinger sparer 30 til 40 procent, når stivhed-drevet størrelsesændring er inkluderet.

Spørgsmål: Er titanium svejset udstødningsrør holdbart?
Ja, forudsat at svejsning bruger argonafskærmning med høj-renhed, viser svejsningen en acceptabel sølv- eller stråfarve, og vægtykkelsen vælges fra korrosionsgodtgørelse frem for tryk alene.

Q: Kan titanium bruges til fjedre?
Beta-titaniumlegeringer såsom Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al bruges til fjedre, fordi de når høj styrke efter ældning, mens de forbliver koldformbare i opløsningsbehandlet tilstand.

Q: Hvorfor fungerer titanium maskine så dårligt sammenlignet med stål?
Lav termisk ledningsevne fanger varme ved skærkanten, det lave modul fremmer skravering, og materialet galder mod værktøjsoverflader; skarpe kanter, stive opsætninger og rigelig kølevæske adresserer alle tre.

Sp.: Hvilke standarder skal en indkøbsordre henvise til?
ASTM B348 til stang og smedemateriale, ASTM B265 til plade og plade, ASTM B338 til rør og det gældende ISO 9001 eller IATF 16949 kvalitetssystem til bilforsyning.