Guide til titanbildeler: Karakterer, produksjon og design

Med utviklingen av industrier har forskningen på materialer også økt for å oppnå flere fordeler og holde kostnadene lave. I bilindustrien er hovedhensynene styrke og drivstoffeffektivitet. Med begge disse hensynene i fokus ble titan introdusert i bilindustrien på slutten av 1980-tallet. Nå er det det primære valget og har erstattet stål i mange bildeler. I denne artikkelen vil du lære hvilke deler av høypresterende racerbiler titan brukes i og hvorfor det brukes.

Hva er titan i bilindustrien?

I bilindustrien regnes Ti som et av de dyreste metallene på grunn av sine utmerkede mekaniske egenskaper, og brukes kun i dyre biler. I bilindustrien har Ti stor betydning fordi det forbedrer bilens holdbarhet.

Hvilke biler har størst nytte av titandiler?

Disse bilene får mest utbytte av titanmetall:

Høytytende biler

Høytytende biler tilbyr kraft, høye hastigheter og holdbarhet i forhold til vanlige biler. Ti er metallet som brukes i de kritiske komponentene i en høytytende bil. Det har et høyt styrke-til-vekt-forhold og utmerket korrosjonsbestandighet.

Racerbiler

Racerbiler er ekstremversjonen som kun er bygget for racing. For eksempel Formel 1, Le Mans eller GT-racing, osv. I disse spiller titanium en avgjørende rolle på grunn av sin lette vekt og styrke.

Høytytende motorsykler

Høytytende motorsykler støtter kraft, fart, akselerasjon og høy styrke. Ti brukes i eksosanlegg, ventiler osv. i høytytende motorsykler.

Spesifikke racerkjøretøy

Spesifikke racerkjøretøy inkluderer Formel 1-biler og MotoGP-motorsykler.

I Formel 1-biler brukes Ti i strukturelle bolter.

I MotoGP-sykler brukes Ti i eksosen.

Titans rolle i bilteknikk

Tis rolle er:

• For å gi bildeler med høyt styrke-til-vekt-forhold og utmerket korrosjonsbestandighet
• For å opprettholde styrken ved høye temperaturer

Viktige fordeler med å bruke titan i kjøretøy

La oss finne ut de faktiske fordelene med titanium i kjøretøy i denne delen.

Viktige materialegenskaper

Ti tilbyr gunstige mekaniske og kjemiske egenskaper med hensyn til bilindustrien. Dette er de kjemiske egenskapene til Ti-metall:

Vektreduksjon og ytelse

På grunn av lav atommasse og tetthet, dvs. 47.87 u og 4.5 g/cm³, er det et essensielt metall som brukes i bilindustrien for vektreduksjon. På grunn av vektreduksjon blir ytelsen automatisk bedre fordi drivstoffeffektiviteten og hastigheten øker.

Varmebestandighet og holdbarhet

Ti er et slitesterkt metall ved høye temperaturer fordi det har et høyt smeltepunkt på 1668 °C. På grunn av titanoksidlaget (TiO2 ₎ motstår det oksidasjon ved høye temperaturer veldig godt, samtidig som det beholder sin høye styrke.

Korrosjon Resistance

Ti reagerer lett med oksygen og danner et beskyttende lag av titanoksid (TiO2 ₎ . Dette passive laget reparerer seg raskt hvis det blir ripet eller skadet. Dette laget er motstandsdyktig mot fuktighet, rust, sjøvann og de fleste kjemikalier.

Vanlige titanbildeler

La oss finne ut av noen vanlige titanbildeler i denne delen.

1. Drivverk og eksosanlegg

Denne delen er ansvarlig for å overføre kraften fra stemplene til veivakselen. Drivverket krever høy styrke med lav vekt og må være utmattings- og varmebestandig. Ti brukes i denne delen fordi det oppfyller alle disse kravene.

Eksos leder og utstøter eksosgasser, så den bør være varme- og korrosjonsbestandig, og det er derfor Ti brukes her i denne delen.

2. Drivlinje og girkasse

I denne delen av en bil brukes Ti på grunn av det høye forholdet mellom styrke og vekt og utmattingsstyrke. For å overføre kraft fra motoren til bilens hjul brukes en drivlinje.

Girkassekomponenter, som gir, overføringsmoment, endringshastighet og momentforhold. Ti gir høy styrke, slitasje- og korrosjonsbestandighet.

3. Chassis og fjæring

Chassis gir strukturell støtte for kjøretøy, så de bør være stive, sterke og korrosjonsbestandige.

I en bil er det bærearmene som forbinder hjulene med understellet, og de absorberer støt. Her brukes Ti på grunn av sin lette vekt, stivhet, styrke og utmattingsmotstand.

4. Bremsesystem og varmekontroll

Bremsesystemet genererer varme på grunn av friksjon når det stopper en bil i svært rask bevegelse. For å gjøre bremsesystemet slitesterkt samtidig som det beholder styrken og varmemotstanden, kreves Ti.

5. Karosseri, aerodynamikk og utvendig maskinvare

Ti brukes i følgende deler fordi:

• Festemidler/bolter/skruer holder karosseriet godt fast, så holdbarhet er nødvendig
• Aerodynamiske komponenter, som spoilere og vingefester, forbedrer nedtrykk og stabilitet, så stivhet og høyt styrke-til-vekt-forhold er nødvendig.
• Utvendige lister, som merkevarebygging eller dekorasjoner, bør være visuelt tiltalende.

Vanlige titankvaliteter brukt i bildeler

Av mange Ti-kvaliteter bruker bilindustrien kvalitetene 2, 5, 9 og 23 av Ti. Denne delen drøfter egenskapene til disse kvalitetene og i hvilke deler hver kvalitet brukes.

Ti-6Al-4V (klasse 5)

Grad 5, dvs. Ti (Ti-6Al-4V), er den sterkeste graden av alle Ti-gradene på grunn av utfellingsforsterkning. 6Al-4V-legering brukes ofte til å produsere spesialtilpassede titandeler . Den viser:

• Høy styrke
• Lett (60 % stål)
• Fungerer best opptil 400 °C
• God motstand mot utmattelse og korrosjon

På grunn av disse egenskapene brukes den i drivlinjer (koblingsstenger, ventiler osv.), fjæring (kontrollarmer).

Grad 23 (Ti-6Al-4V ELI).

Den har ekstra lav interstitiell intensitet (ELI), det samme som grad 5 av Ti, men har lavere innhold av nitrogen og oksygen, noe som gjør den seigere, duktil og sprekkbestandig. Disse egenskapene gjør den egnet for bruk i kritiske deler av en bil som utsettes for høy belastning. Denne graden brukes i:

• Turbokompressorhjul
• Høyfaste festemidler
• Komponenter for drivstoffinjektor
• Monteringsbraketter i motorsport

Klasse 2 (kommersielt ren)

Det er en kommersielt ren Ti-kvalitet, siden maskinstyrken og hardheten i denne Ti-kvaliteten er kompromittert, men den tilbyr utmerket formbarhet og svært høy korrosjonsbestandighet sammenlignet med andre. Denne kvaliteten er det beste valget for følgende deler av en bil:

• Varmeskjold
• Intercooler og radiatorslanger
• Væskelinjer

Grad 9 (Ti-3Al-2.5V)

Denne typen Ti har 3 % Al og 2.5 % V, noe som gir den middels styrke mellom grad 2 og 5. Den har høyere styrke enn grad 2 og er mer formbar enn grad 5. Den brukes i:

• Rørformet eksosanlegg
• Rulleburrør
• Hydrauliske linjer

Produksjonsprosesser for titandeler

Ti er svært vanskelig å bearbeide på grunn av lav varmeledningsevne, beholder høy styrke ved høye temperaturer, elastisitet og kjemisk reaktivitet. For å bearbeide denne typen materiale brukes avanserte CNC-operasjoner for å lage Ti-bildeler. Dette er noen av maskineringsoperasjonene som brukes i produksjonen av Ti-bildeler.

CNC Maskinering Titandeler

Ti brukes til å lage en rekke bilkomponenter, som motor- og drivlinjekomponenter, eksosanlegg, drivverk osv. Fra rått Ti til endelig form brukes disse CNC-operasjonene:

CNC freseprosess

En CNC-freseoperasjon er nødvendig for å omdanne et råmateriale til den designede formen. I denne prosessen fjerner bevegelige skjæreverktøy materiale fra det stasjonære arbeidsstykket. Delene som produseres ved hjelp av en CNC-freseoperasjon inkluderer ventildeksler, sylinderhodekomponenter, registerkjedeføringer, eksosflenser, girgafler, girkasse og plater, osv.

CNC-dreieprosess

CNC-dreieoperasjon brukes når konstruksjonen er sylindrisk og krever dimensjoner med små toleranser. Delene, som veivakselens hovedtapp, drivstoffinjektorhus, kamfølgere, girstag, styrestagender osv., produseres ved hjelp av denne prosessen.

Presisjonsdeler maskinert

For presisjonsbearbeidede deler brukes 5-aksede CNC-maskiner på grunn av:

• Komplekse geometrier
• Reduserte oppsett
• Forlengelse av verktøyets levetid
• Større toleranser
• Bedre overflatefinish

Hvorfor velge CNC-maskinering?

Årsaken er at Ti brukes i høytytende kjøretøy, og derfor maskineres deler med små toleranser. Bare CNC-maskiner kan oppnå denne toleransen, og derfor er CNC-maskinering førstevalget i bilindustrien.

Utfordringer ved maskinering av titan

• Lav varmeledningsevne, slik at varme akkumuleres i arbeidsstykket under maskineringsprosessen
• Den svært høye hardheten til Ti fører til verktøyslitasje
• Høy kjemisk reaktivitet med verktøymaterialer resulterer i riving, adhesjon osv.
• Lav elastisitetsmodul forårsaker vibrasjon og vibrasjon under maskinering

Designregler for titandeler på kjøretøy

Denne delen veileder hvordan Ti-metalldeler bør utformes for å oppnå maksimal effektivitet.

Faktorer å vurdere på kjøretøy

1. Kostnad, fordi Ti er et dyrt metall på grunn av den svært vanskelige maskineringen
2. Brukes der styrke-til-vekt-forholdet er det primære kravet
3. Brukes der utmattingsstyrke er nødvendig
4. For sveising, sørg for at miljøet er inert fordi Ti-metall er svært reaktivt
5. Utmerket valg for korrosive miljøer

Stivhet vs. styrke

Følgende graf viser at stivhet og styrke står i direkte forhold til hverandre. Når styrken øker, øker også stivheten.

Gjenget og gjenget

Gjenging: For utvendige gjenger, for eksempel for bolter eller stendere

Gjenging: For innvendige gjenger, for eksempel i hull

Bruk lav hastighet, sterkt verktøy, kjølevæske og et stivt oppsett for rene Ti-gjenger.

Tilpassede løsninger for titandel

For den beste spesialtilpassede maskineringen , kom til TUOFA CNC Machining. TUOFA er utstyrt med eksperter og avanserte maskiner, og er dyktige på maskinering av spesialtilpassede titandeler. Vi hjelper deg fra design til maskinering og overflatebehandling. Du får alle disse tjenestene på ett sted til konkurransedyktige priser og raske leveringstider.

Overflatebehandlinger på titanbildeler

Etter maskinering har overflatene på maskinbearbeidede deler ofte noen riper. For å fjerne disse ripene påføres overflatebehandlinger på titanbildelene for å gjøre dem slitesterke.

Anodiserte titanbildeler

Gjennom denne metoden påføres et oksygenlag via elektrisitet, som fungerer som en barriere mellom omgivelsene og underlagets overflate.

Brent titanfarge produseres på overflaten ved hjelp av varme. Det er også et oksygenlag og fungerer som et beskyttende lag mot korrosjon, bare påført annerledes, sammenlignet med anodisering.

Nitrering, PVD og DLC

• Nitrering

Nitrering er en overflatebehandling der overflaten på titanbildeler gjøres hardere og slitesterke. I denne metoden tilføres nitrogen i overflaten ved forhøyet temperatur.

• Fysisk dampdeponering

Først sublimeres beleggmaterialet til damp, som deretter avsettes på overflaten. For dekorasjon og beskyttelse av Ti-bildeler påføres et veldig tynt lag med Cr gjennom denne prosessen. Denne prosessen utføres i vakuum.

• Diamantlignende karbon (DLC)

Denne gruppen av karbonbaserte belegg gir eksepsjonell slitestyrke og holdbarhet til Ti-bildeler, som bilmotordeler (ventiler, stempler osv.), på grunn av diamantens høye hardhet og grafittens lave friksjon.

Titan vs. aluminium vs. rustfritt stål etter del

Denne delen sammenligner Ti-metall med forskjellige stålkvaliteter i de forskjellige delene av en bil.

Eksosanlegg: Ti vs 304/321 rustfritt stål

Her er grunnen til at du bør velge Ti fremfor rustfritt stål i eksosanleggene til en høytytende bil:

Festemidler: Ti vs. klasse 10.9/12.9 stål

Ti er et ideelt materiale hvis du trenger høy styrke og korrosjonsbestandighet samtidig som vekten holdes lav.

Fjæringsutstyr: Ti vs 7075 aluminium

For vanlige biler brukes 7075 Al i hjulopphenget.

Bremseutstyr: Ti Shims vs. rustfrie shims

For utmerket ytelse er Ti-shims å foretrekke sammenlignet med shims i rustfritt stål.

Titan VS karbonfiber racerbildeler

Karbonfiber er også veldig sterkt og til og med lettere enn Ti-metall, men Ti utmerker seg likevel på mange viktige egenskaper.

Titandeler i motorsykkelbiler

1. Lettere vekt → raskere akselerasjon og bedre håndtering
2. Høyere styrke → sterkere deler med lavere vekt
3. Høy varmebestandighet → bedre eksos- og turboytelse
4. Utmerket utmattingsmotstand → lengre levetid ved høye turtall
5. Korrosjonsbestandighet → null rust, lengre holdbarhet
6. Stiv + tøff → presis kontroll i fjæring og chassisdeler

Konklusjon

Ti har sikret seg en sterk posisjon i bilindustrien på grunn av sine utmerkede mekaniske egenskaper. Det brukes i høytytende racerbiler, der det kreves høy hastighet med høy styrke, lett vekt og høy holdbarhet. Ti er et dyrt metall på grunn av sine mekaniske egenskaper og vanskelige maskinerings- og formbarhet. Hvis du skal planlegge et nytt prosjekt for høytytende kjøretøy, er Ti det beste valget, om enn dyrt.

Spørsmål og svar

Reagerer titan med saltvann?

Nei, på grunn av TiO₂ _- laget på overflaten. Det er et veldig tynt og sterkt heftende lag som fungerer som en barriere mellom vann og overflate.

Hvorfor brukes ikke titan i alle biler?

Fordi det er et veldig dyrt metall på grunn av dets utmerkede mekaniske egenskaper og vanskelige maskinering.

Hvilke bildeler har størst nytte av titan?

Høytytende racerbiler, som Formel 1- og MotoGP-sykler, drar mest nytte av titan.