במערכת הפליטה של הרכב משתיק הקול הוא המרכיב שמחליט לרוב האם רכב עומד ביעדי העמידות והעידון שלו. הוא יושב במורד הזרם, ולכן עליו לסבול טמפרטורות גז מתמשכות של 700 עד 800 מעלות צלזיוס, להתנגד להתקפות של דו תחמוצות גופרית ותחמוצות חנקן בגז הפליטה, לשרוד אלפי מחזורים תרמיים, ולעשות את כל זה תוך כדי תרומה של מסה קטנה ככל האפשר. סגסוגות טיטניום, עם חוזק ספציפי גבוה, סרט תחמוצת יציב ועמידות מצוינת בפני קורוזיה, עברו מבחירת נישה לחומר הייחוס עבור בניית משתיק קול-י.
תנאי הפעלה השוברים את החומרים הקונבנציונליים של משתיק קול
שלושה עומסים פועלים בו-זמנית על גוף המשתיק והצינור המרכזי. הראשון הוא תרמי: טמפרטורת הגז בין 700 ל-800 מעלות היא הרבה מעל טווח העבודה של פליטת אופנוע ומניעה גידול מתמשך באבנית על מתכות רגישות. השני הוא כימי: תחמוצות גופרית דו חמצנית ותחמוצות חנקן בגז תוקפות את שכבת התחמוצת המגנה, והעיבוי הנוצר במהלך התחלה קרה מאיץ קורוזיה מקומית. השלישי הוא מכני: חימום וקירור חוזרים ונשנים יוצרים עייפות תרמית בכל ריתוך, קצה וסוגר מוטבעים, ופעימת פליטה מוסיפה עומס רטט נוסף. אזור הצינור המרכזי במורד הזרז הוא המיקום התובעני ביותר מכיוון שהטמפרטורה, מהירות הגז והחתך משתנים שם כולם בו זמנית.
למה טיטניום טהור ופלדת אל חלד נופלים
טיטניום טהור, למשל JIS דרגה 2: הוא יוצר שכבת תחמוצת קשיחה ושבירה בטמפרטורה גבוהה, מה שמנתק ופוגע בחוזק העייפות. לאחר 200 שעות של חשיפה מתמשכת ב-800 C שכבת התחמוצת גדלה בכ-15 מיקרומטר וחוזק הכפיפה יורד בכ-40 אחוזים.
נירוסטה: עמידות בפני קורוזיה בסביבת הפליטה אינה מספקת, כך שפיכת אבנית תחמוצת מייצרת בסופו של דבר דליפה. בסביבת פליטה מדומה פיתח משתיק נירוסטה ניקוב קורוזיה לאחר כ-500 שעות עבודה בלבד.
אלומיניום-קדום הנושא טיטניום: סגסוגת ניסיונית המכילה כ-1.5 אחוז אלומיניום שיפרה את עמידות החמצון, אך חוזק הטמפרטורה הגבוהה- עדיין לא הספיק ליצירת מבני משתיק קול מורכבים, והציעה רק רווח מוגבל לעומת טיטניום טהור ב-400 C.
מכיוון ששלושת מצבי הכשל פועלים באינטראקציה, שיפור מאפיין אחד בבידוד אינו פותר את הבעיה. התנגדות חמצון טובה יותר מועילה מעט אם לא ניתן עוד להחתים את החומר, וחוזק גבוה יותר מועיל במידה מועטה אם המתח היוצר חורג מהגמישות הזמינה.
אלומיניום-עיצוב סגסוגת טיטניום וטיפול בחום
תגובת התכנון הייתה שילוב של אלומיניום להיווצרות אבנית, תוספת אדמה נדירה-לבקרת גרגרים וטיפול בחום מייצב כדי ליישב חוזק עם משיכות.
בקרת אלומיניום: כ-1.5 אחוז אלומיניום יוצר סרט הגנה צפוף מאלומיניום תחמוצת המעכב דיפוזיה של חמצן לתוך המטריצה. קצב החמצון המדווח ב-800 C נמוך בכ-60% מזה של טיטניום טהור, וקצב התפרקות האבנית יורד מכ-15 מיקרומטר לשעה לכ-2 מיקרומטר לשעה.
תוספת איטריום עקבות: בסביבות 0.1 אחוז איטריום מעדן את מבנה הגרגירים ומגביל את התפרקות גבול הדגן הנגרמת מחמצון. הוספת איטריום מעלה את ההתארכות לאחר שבר מכ-12 אחוז לכ-15 אחוז, וזה מה שמאפשר להטביע את החומר ולכופף אותו לקליפות משתיקות מורכבות.
טיפול בחום מייצב: טיפול בתמיסה שאחריו יישון, החזקה בכ-550 מעלות צלזיוס למשך ארבע שעות ולאחר מכן קירור אוויר, מקדם טרנספורמציה של שלב הבטא ומאזן חוזק מול משיכות.
תכולת האלומיניום צנועה בכוונה. תוספות גבוהות יותר יעלו עוד יותר את עמידות החמצון אך גם יפרקו את החומר ויפחיתו את יכולת הריתוך, כך שכ-1.5 אחוזים מייצגים את הפשרה המעשית עבור רכיב פליטה מעוצב ומולחם.
ביצועי טמפרטורה- גבוהים מאומתים
| נֶכֶס | התייחסות לטיטניום טהור | סגסוגת טיטניום -נושאת אלומיניום |
|---|---|---|
| קצב חמצון ב-800 C | קו בסיס | נמוך בכ-60 אחוז |
| קצב התזוזה בקנה מידה | בערך 15 מיקרומטר לשעה | בערך 2 מיקרומטר לשעה |
| חוזק כפיפה ב-400 C | קו בסיס | בערך 480 MPa, בערך פי שלושה מקו הבסיס |
| חוזק מתיחה ב-400 C | קו בסיס | בערך 550 MPa, בערך פי שניים מקו הבסיס |
| דעיכת כוח לאחר רכיבה על אופניים ב-800 C | יותר מ-20 אחוז | פחות מ-5 אחוזים |
| התארכות לאחר שבר | כ-12 אחוזים באב הטיפוס המוקדם | לפחות 15 אחוז |
| גידול תחמוצת לאחר 1000 שעות רכיבה על אופניים ב-700 עד 800 C | גידול בקנה מידה חמור | כ-8 מיקרומטר, ללא סדקים פני השטח |
השילוב של דעיכה של פחות מ-5 אחוזי חוזק ולפחות 15 אחוז התארכות הוא התוצאה המשמעותית, מכיוון שמשמעות הדבר היא שהחומר שומר גם על יכולת העומס וגם יוצר משיכות לאחר חשיפה ארוכה. מפרט שמתפרק ביותר מ-20 אחוז, כפי שעושה קו הבסיס של טיטניום טהור, מאלץ מעצבים להוסיף עובי דופן ומסה כדי לפצות.
קל משקל, עמידות וצורות מוצר זמינות
הצפיפות של סגסוגת טיטניום היא כ-4.5 גרם/סמ"ק, בערך 60 אחוז מזה של נירוסטה, וזה המקום שבו מתחיל יתרון המסה. ביישום רכב יוקרתי-מייצג, מסת המשתיק ירדה מ-8.2 ק"ג ל-5.6 ק"ג, ירידה של 32 אחוז, ובדיקות רכב הראו ירידה של 2.1 אחוז בצריכת הדלק יחד עם הפחתה של 5.8 גרם לק"מ בפליטת פחמן דו חמצני. מבחן דרכים מדומה של 100,000 ק"מ הניב את התוצאות הבאות:
גידול שכבת תחמוצת של כ-8 מיקרומטר בלבד, לעומת כ-45 מיקרומטר להשוואת הנירוסטה;
ללא סדקי עייפות, כאשר חלק הנירוסטה פיתח סדקים מרובים באמצעות-עובי;
תנודת התנגדות הפליטה מתחת ל-3 אחוזים, לעומת כ-15 אחוזים עבור נירוסטה, כך שאיבוד הכוח נשאר יציב לאורך חיי הרכב.
תוצאות אלו ניתנות להשגה עם חומר שנלקח מנתיבי אספקה סטנדרטיים. צורות המוצר הרלוונטיות ביותר לבניית אגזוזים ומשתיק קול, עם המפרטים העיקריים שלהם, מסוכמים להלן.
| טופס מוצר | מפרטים עיקריים | טווח אופייני |
|---|---|---|
| צינור ללא תפרים מרותך | GB/T 3624, GB/T 3625, GB/T 26057, ASTM B337, ASTM B338, ASTM B861, ASTM B862, JIS H 4630 | כיתות TA1, TA2, TC4, TA9, TA18, TA10 ו-Gr1, Gr2, Gr5, Gr7, Gr9, Gr12; קוטר חיצוני 6 עד 80 מ"מ, קיר 0.35 עד 10 מ"מ, אורך 50 עד 6000 מ"מ |
| בר ומוט | GB/T 2965, GB/T 13810, JIS H 4650, ASTM B348, ASTM F136, AMS 4928, DIN 17862 | קוטר 1 עד 500 מ"מ, אורך 1 עד 12 מ' |
| צלחת, סדין ורצועה | ASTM B265, ASME SB265, ASTM A480, ASTM A959, AMS 4902, AMS 4911, AMS 4919, EN 10258, EN 10151, ISO 15510 | גלגול קר 0.5 עד 6.4 מ"מ, גלגול חם 3.0 עד 60.0 מ"מ, רוחב 1000 עד 2500 מ"מ, אורך 1000 עד 13000 מ"מ |
| לְסַכֵּל | ASTM B265 | עובי 8 עד 100 מיקרומטר, רוחב עד 500 מ"מ, משקל גליל עד 50 ק"ג |
| חוט ריתוך | AWS A5.16, ASTM B863, ASME SB863, ASTM F67, ASTM F136, ISO 5832-2, ISO 5832-3 | ERTi-1 עד ERTi-12 ו-Gr1 עד Gr23, קוטר 0.06 עד 6 מ"מ, מסופק עם תעודות טחנה EN 10204 3.1 |
סיכויי היישום מתרחבים משתי סיבות. ראשית, ייצור תוסף והנדסת שטח ממשיכים להפחית את העלות של גיאומטריית טיטניום מורכבת, מה שמעדיף עיצובים שלא היו כלכליים בעבר. שנית, דרישות הניהול התרמי של כלי רכב היברידיים וחשמליים פירושן שחזור חום הפליטה וסיכוך הופכים למשימות תכנון ברמת -מערכת, וחומר עמיד ב-מוליכות- נמוכה, עמיד בפני קורוזיה מתאים למשימות אלו היטב.
שאלות נפוצות
ש: מדוע טיטניום טהור נכשל בקול -בטמפרטורה גבוהה?
הוא יוצר אבנית תחמוצת שבירה שמתפוררת תחת רכיבה תרמית. לאחר 200 שעות ב-800 C שכבת התחמוצת גדלה בכ-15 מיקרומטר וחוזק הכפיפה יורד בכ-40 אחוזים.
ש: כמה טוב יותר פלדת אל חלד?
נירוסטה קורוזיה לאט יותר בגז הפליטה אך היא פגיעה לנשירת אבנית ולניקוב. בחשיפה מדומה לפליטה, נקב התרחש לאחר כ-500 שעות, ולמעלה מבדיקה מקבילה של 100,000 ק"מ הגיעה שכבת התחמוצת לכ-45 מיקרומטר.
ש: מה עושה תוספת האלומיניום?
כ-1.5 אחוז אלומיניום יוצר סרט תחמוצת אלומיניום צפוף החוסם פיזור חמצן. קצב החמצון יורד בכ-60 אחוז וההתפלשות יורדת מכ-15 לכ-2 מיקרומטר לשעה.
ש: מדוע מוסיפים איטריום ברמת עקבות?
בסביבות 0.1 אחוז איטריום מעדן את מבנה התבואה ומפחית את התפרקות גבול התבואה כתוצאה מחמצון, מעלה את ההתארכות מכ-12 אחוז לכ-15 אחוז, וזה מה שמאפשר להחתים ולכופף קונכיות מורכבות.
ש: באיזה טיפול חום משתמשים?
טיפול בתמיסה בתוספת מחזור הזדקנות, שמירה על כ- 550 מעלות צלזיוס למשך ארבע שעות ולאחר מכן קירור אוויר, מקדם טרנספורמציה של פאזת בטא ומאזן חוזק נגד משיכות.
ש: איזו חיסכון במשקל ניתן לצפות בשירות?
צפיפות סגסוגת טיטניום של כ-4.5 גרם/סמ"ק היא בערך 60 אחוז מפלדת אל-חלד. בקול -יוקרתי מייצג, המסה ירדה מ-8.2 ק"ג ל-5.6 ק"ג, הפחתה של 32 אחוזים, עם ירידה של כ-2.1 אחוזים בצריכת הדלק.
ש: אילו סטנדרטים מכסים מוצרי טיטניום-לשעמם?
הצינור מוגדר בדרך כלל לפי GB/T 3624, GB/T 3625, GB/T 26057, ASTM B337, ASTM B338, ASTM B861 או ASTM B862, והגיליון לפי ASTM B265. דרגות כגון TA1, TA2, TC4 ו- Gr1, Gr2, Gr5, Gr7, Gr9 ו- Gr12 מכסות את הטווח המשמש בבניית אגזוזים.
