Aplicarea aliajelor de titan în producția de automobile ușoare

Titanul și aliajele de titan au caracteristicile de densitate scăzută, proprietăți mecanice excelente, biocompatibilitate bună, rezistență la coroziune, rezistență la temperaturi ridicate și duritate bună la temperatură joasă. Ele au fost utilizate pe scară largă în domeniul producției de automobile. Densitatea aliajului de titan este de numai 60% din cea a oțelului, în timp ce rezistența poate ajunge la mai mult de 800MPa. Încă menține proprietăți mecanice bune la aproximativ 500 de grade și are proprietăți bune de sudare și formare. A fost folosit la fabricarea mașinilor de curse cu mai bine de 20 de ani în urmă, reducând foarte mult greutatea motoarelor de curse și îmbunătățind performanța motorului.

În prezent, piesele din aliaj de titan utilizate în producția de automobile sunt distribuite în principal în sistemele de evacuare a automobilelor, sistemele de motoare, sistemele de transmisie și reducerea vibrațiilor și cadrele caroseriei.
1. Sistem de evacuare
Materialele sistemelor de evacuare a automobilelor trebuie să aibă proprietăți mecanice bune la temperatură înaltă și rezistență la coroziune de către elementele S și Cl. Componentele tradiționale ale supapelor de evacuare sunt fabricate din oțel inoxidabil, dar oamenii au descoperit că aliajele de titan sunt mai potrivite pentru utilizare ca materiale pentru supape de evacuare în ceea ce privește performanța.
Conducta de retur din titan folosită la noul Chevrolet Corvette Z206 evită efectiv problemele de rugină și sudură care apar pe țevile din oțel inoxidabil, îmbunătățind în același timp eficiența arderii combustibilului și capacitățile de accelerare și scurtând distanțele de frânare.
Timet, cel mai mare producător de titan din Statele Unite, s-a angajat în cercetarea, dezvoltarea și fabricarea sistemelor de evacuare din aliaj de titan. Multe companii japoneze au desfășurat, de asemenea, activități de cercetare și dezvoltare conexe. În prezent, Fuji Heavy Industries, Ltd. are o producție limitată de 440 de seturi de țevi de eșapament pentru automobile din aliaj de titan.
2. Sistem motor
Sistemul motor al automobilului este piesa care folosește cel mai mult aliaj de titan din domeniul auto. Aplicarea aliajului de titan în sistemul motor include în principal supape, biele, arbori cotiți, scaune de supape și alte piese.
Honda Motor Corporation of Japan folosește biele de titan forjate în motorul NSX de curse V-6; Mitsubishi Motors folosește scaune de arc de supapă din titan în motoarele de mare capacitate, cu patru cilindri, iar bielele din titan sunt, de asemenea, folosite în mașinile Porsche.
(1) Supapă
În ceea ce privește supapele din aliaj de titan, Statele Unite și Japonia au efectuat o mulțime de lucrări de cercetare. În prezent, Statele Unite folosesc în general aliaj Ti-6Al{-4V pentru a face supape de admisie și Ti{-6Al-2Sn{-4Zr{-2Mo aliaj pentru fabricarea supapelor de evacuare; în timp ce Toyota din Japonia folosește aliaj Ti{-6Al{-4V/Ti B pentru a face supape de admisie și aliaj Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Nb-Si/Ti B pentru a face supape de evacuare. Aceste tipuri de aliaje de titan au proprietăți mecanice bune la temperatură ridicată, rezistență la oxidare și rezistență la fluaj, care îmbunătățesc eficient performanța motorului și măresc viteza vehiculului.
(2) Scaun supapei
Scaunele supapelor din aliaj de titan au fost utilizate pe scară largă în mașinile de curse și mașinile sport, cu o producție anuală de peste 250,000 seturi. Sunt fabricate în principal din aliaj Ti{-6Al-4V sau Ti-5Al-2Cr{-1Fe. Deoarece forma scaunului supapei este relativ simplă, nu necesită cerințe ridicate în ceea ce privește prelucrarea și nu necesită un tratament special de suprafață. Este relativ ieftin și are un efect semnificativ asupra reducerii greutății mașinii.
(3) Biele
Utilizarea bielelor din aliaj de titan poate reduce eficient greutatea motorului și poate îmbunătăți performanța mașinii. Principalul material de preparare este aliajul Ti-6Al{-4V. Compania japoneza Daido Co., Ltd. dezvoltă în prezent un aliaj de titan cu două faze Ti-3Al-2V{-0.2Si-0.47Ce-0.27La . Acest aliaj are o prelucrabilitate bună și este, de asemenea, excelent în proprietăți mecanice, proprietăți la oboseală și rezistență la coroziune. Este de așteptat să fie utilizat în părțile bielei ale motorului care sunt supuse unei accelerații și decelerații rapide.
(4) Arborii cotiți
Deși arborii cotit din aliaj de titan nu au fost utilizați pe scară largă în prezent, aliajul Ti-3Al{-2.5V dezvoltat special de Japonia a fost verificat pe mașinile de curse Honda. În timp ce reduce efectiv greutatea, a crescut turația motorului cu 700r/min, dovedind superioritatea arborilor cotit din aliaj de titan. În același timp, Japonia a produs arbori cotiți din aliaj Ti{-5Al{{-2Cr-Fe, în speranța că aliajele de titan vor fi utilizate mai pe scară largă în piesele arborelui cotit.

3. Sistem de reducere a vibrațiilor
Componenta de bază a sistemului de suspensie pentru reducerea vibrațiilor auto este arcul de suspensie. În comparație cu oțelul general pentru arcuri de automobile, aliajul de titan are o rezistență specifică mai mare și un modul de forfecare mai mic și o rezistență mai mare la oboseală, făcându-l mai potrivit pentru fabricarea arcurilor auto amortizoare. Deoarece deformarea arcului este proporțională cu numărul de spire și invers proporțională cu modulul de forfecare al materialului, arcurile din aliaj de titan necesită mai puține spire decât arcurile din oțel pentru a obține același răspuns al arcului, reducând efectiv masa arcului și economisind spațiu.
În același timp, arcurile din aliaj de titan pot crește efectiv frecvența de rezonanță a arcului și pot crește durata de viață a acestuia. În prezent, majoritatea arcurilor din aliaj de titan sunt fabricate din aliaj de titan monofazat. Volkswagen a folosit arcuri de viteze din aliaj de titan Lupo FSI pe unele mașini, cu o utilizare de aproximativ 3.500 de vehicule.

4. Rama caroseriei
În ceea ce privește componentele cadrului caroseriei, rezistența specifică mai mare a aliajului de titan, densitatea mai mică și rezistența bună la coroziune indică toate că este un material bun pentru pregătirea cadrelor caroseriei. În prezent, unele companii de automobile au folosit aliaje de titan pe piese precum suporturile de viteză și pistoanele etrierului de frână. Printre piesele de transmisie, Japonia dezvoltă în prezent un proces de preparare a carcasei din aliaj de titan prin filare de mare viteză. În comparație cu carcasele din oțel, carcasele din aliaj de titan pot reduce mai bine impactul volantelor și au efecte de tamponare mai bune.
În plus, aliajele de titan au fost folosite și la elementele de fixare auto și alte piese. Odată cu dezvoltarea continuă a tehnologiei de preparare a aliajelor de titan și a industriei auto, aliajele de titan vor fi cu siguranță utilizate mai mult în piesele auto.

5. Semnificația aliajelor de titan pentru vehiculele ușoare
Instituțiile de cercetare străine au calculat că atunci când greutatea proprie a unei mașini scade cu 10%, consumul de combustibil poate fi redus cu 6% până la 8%. Alte studii au arătat că pentru fiecare 91 kg de greutate redusă, vehiculul mediu poate călători cu 0,43 km mai mult pe litru de combustibil. Prin urmare, odată cu dezvoltarea continuă a economiei țării mele și cu creșterea continuă a numărului de mașini, ușurarea mașinilor a devenit una dintre modalitățile importante de a reduce consumul de energie și de a reduce poluarea aerului.
Materialele de titan și aliaje de titan sunt în prezent utilizate pe scară largă în piesele de automobile datorită proprietăților lor fizice și chimice excelente. Utilizarea materialelor de titan nu numai că îmbunătățește eficient performanța și factorul de siguranță al mașinii, dar joacă, de asemenea, un rol important în ușurarea mașinii, reducând efectiv greutatea proprie a mașinii și reducând consumul de combustibil.
În comparație cu sistemul tradițional din oțel inoxidabil, ansamblul duză-retur din titan utilizat în sistemul de evacuare al automobilului poate reduce greutatea cu aproximativ 8,2 kg. Utilizarea produselor din aliaj de titan în locul materialelor tradiționale din oțel și fontă în piesele motorului, cum ar fi supapele și bielele, poate reduce eficient greutatea motorului.
Conform cercetărilor din industria auto japoneză, utilizarea a aproximativ 0,8 kg de piese de titan în supapa de alimentare a unui automobil este echivalentă cu efectul obținut de 20 kg de piese din oțel; fiecare scaun de supapă de titan poate reduce greutatea cu aproximativ 10 g în comparație cu scaunul de supapă din oțel; utilizarea aliajului de titan pentru biele și arbori cotiți este cea mai eficientă în reducerea greutății motorului.

În sistemul de reducere a vibrațiilor, fiecare arc din aliaj de titan poate reduce greutatea cu mai mult de 60% în comparație cu arcul din oțel. Calculat pe baza a 4 arcuri de suspensie per vehicul, după înlocuirea arcului din aliaj de titan, fiecare vehicul poate reduce greutatea cu 9 ~ 13,6 kg. În plus, greutatea tobei de eșapament din aliaj de titan este de numai 5 ~ 6 kg, ceea ce este cu 40% mai ușor decât toba de eșapament din oțel inoxidabil.
Luând ca exemplu o mașină obișnuită de dimensiuni medii, dacă piesele auto existente din aliaj de titan sunt folosite pentru a înlocui piesele tradiționale, greutatea proprie a vehiculului va fi redusă de la aproximativ 1500 kg la aproximativ 1000 kg, cu o rată de reducere a greutății de 30% și consumul global de combustibil poate fi redus cu mai mult de 20%, ceea ce va reduce foarte mult consumul de combustibil la nivel mondial și va atenua eficient problemele de deficit de energie și poluarea mediului.

Datele de mai sus arată că utilizarea aliajelor de titan are un efect semnificativ asupra ușurării automobilelor. În industria auto modernă, tehnologia de aplicare a titanului și aliajelor de titan în piesele de automobile ar trebui să fie dezvoltată continuu pentru a crește raportul de aplicare a aliajelor de titan în automobile. Prin urmare, sarcina principală în viitor ar trebui să fie reducerea prețului pieselor din aliaj de titan prin dezvoltarea de materiale ieftine din aliaj de titan și reducerea costului de producție al materiilor prime din aliaj de titan și îmbunătățirea eficienței de procesare a pieselor din aliaj de titan prin îmbunătățirea tehnologiei de prelucrare. .