Zastosowania tytanu w przemyśle samochodowym

Choć stopy tytanu znalazły szerokie zastosowanie w przemyśle lotniczym, petrochemicznym i stoczniowym, ich zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym rozwija się powoli. Począwszy od pomyślnego opracowania pierwszego całkowicie tytanowego samochodu przez General Motors w Stanach Zjednoczonych w 1956 r., tytanowe części samochodowe osiągnęły poziom produkcji masowej dopiero w latach 80. XX wieku. W latach 90., gdy popyt na samochody luksusowe, sportowe i wyścigowe rósł z roku na rok, produkcja części samochodowych z tytanu szybko się rozwijała. W 1990 roku ilość tytanu stosowanego w samochodach na całym świecie wynosiła zaledwie 50 ton. W 1997 r. osiągnęła 500 ton. W 2002 roku osiągnęła ona 1100 ton. W 2009 r. osiągnął 3,000t. Oczekuje się, że ilość tytanu stosowanego w samochodach na całym świecie przekroczy 5000t w 2015 r. Obecnie powszechnie stosuje się następujące rodzaje części ze stopów tytanu.

1. Korbowód silnika
Stop tytanu jest idealnym materiałem na korbowody. Korbowody silnika wykonane ze stopu tytanu mogą skutecznie zmniejszyć masę silnika, poprawić efektywność paliwową i zmniejszyć objętość spalin. W porównaniu ze stalowymi korbowodami, tytanowe korbowody mogą zmniejszyć masę o 15% do 20%. Zastosowanie korbowodów ze stopu tytanu zostało po raz pierwszy odzwierciedlone w nowym włoskim sedanie Ferrari 3.5LV8 i silniku NSX firmy Acura. Głównymi materiałami stosowanymi w korbowodach ze stopu tytanu są Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V i Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si. Inne materiały ze stopów tytanu, takie jak Ti-4Al. Zastosowanie -2Si-4Mn i Ti-7M-4Mo w korbowodach jest również w fazie rozwoju.
2. Zawór silnika
Zawory silników samochodowych wykonane ze stopu tytanu mogą nie tylko zmniejszyć masę i wydłużyć żywotność, ale także zmniejszyć zużycie paliwa i poprawić niezawodność pojazdu. W porównaniu z zaworami stalowymi, zawory tytanowe mogą zmniejszyć masę o 30% do 40%, a prędkość graniczną silnika można zwiększyć o 20%. Jeśli chodzi o obecne zastosowania, materiałem zaworu wlotowego jest głównie Ti-6Al-4V, a materiałem zaworu wydechowego jest głównie Ti-6242S. Zwykle Sn i Al dodaje się razem, aby uzyskać niższą kruchość i wyższą wytrzymałość; dodatek Mo może poprawić właściwości obróbki cieplnej stopów tytanu, zwiększyć wytrzymałość stopów hartowania i starzenia oraz zwiększyć twardość. Inne stopy tytanu posiadające potencjał rozwojowy to:
1) Zawór wlotowy może być wykonany z Ti-62S, który ma właściwości równoważne Ti-6Al-4V i jest tańszy.
2) Zawór wydechowy może być wykonany z Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo{{7} }.45Si. Ze względu na niższą zawartość Mo jego odporność na pełzanie jest lepsza niż Ti-6242S, a odporność na utlenianie może osiągnąć 600 stopni. .
3) Zawór wydechowy może być wykonany z -TiAl, który charakteryzuje się odpornością na wysoką temperaturę i niewielką wagą, ale nie nadaje się do tradycyjnych metod kucia podczas przetwarzania. Nadaje się tylko do odlewania i obróbki metalurgii proszków.
3. Gniazdo sprężyny zaworu
Wysoka wytrzymałość i odporność na zmęczenie są niezbędnymi właściwościami gniazda sprężyny zaworu. Stop tytanu Beta jest stopem poddanym obróbce cieplnej, który może uzyskać wysoką wytrzymałość poprzez starzenie w roztworze stałym. Odpowiednimi, bardziej odpowiednimi materiałami są Ti-15V-3Cr- 3Al-3Sn i Ti-15Mo-3Al-2 0,7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors wykorzystuje gniazda sprężyn zaworowych ze stopu tytanu Ti-22V-4Al w swoich pojazdach produkowanych na dużą skalę, co zmniejsza masę o 42% w porównaniu z oryginalnymi zamkami stalowymi, zmniejsza masę bezwładności zaworu mechanizmu o 6% i zwiększa maksymalną prędkość obrotową silnika. 300 obr./min.
4. Sprężyna ze stopu tytanu
Tytan i jego stopy mają niższy moduł sprężystości i większą wartość σs/E niż materiały stalowe, dzięki czemu nadają się do produkcji elementów elastycznych. W porównaniu ze stalowymi sprężynami samochodowymi, przy założeniu tej samej pracy sprężystej, wysokość sprężyn tytanowych wynosi tylko 40% sprężyn stalowych, a masa wynosi tylko 30% do 40% sprężyn stalowych, co ułatwia projektowanie karoserii. Ponadto doskonałe właściwości zmęczeniowe i odporność na korozję stopu tytanu mogą wydłużyć żywotność sprężyny. Obecnie do stopów tytanu, które można wykorzystać do produkcji resorów samochodowych, zalicza się Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al i Ti-13V11C-3Al.
5. Turbosprężarka
Turbosprężarki mogą poprawić wydajność spalania silnika oraz zwiększyć moc i moment obrotowy silnika. Wirnik turbiny turbosprężarki musi pracować przez długi czas w spalinach o wysokiej temperaturze powyżej 850 stopni, dlatego wymaga dobrej odporności na ciepło. Tradycyjne metale lekkie, takie jak stopy aluminium, nie mogą być stosowane ze względu na ich niską temperaturę topnienia. Chociaż materiały ceramiczne są stosowane w wirnikach turbin ze względu na ich niewielką wagę i dobrą odporność na wysokie temperatury, ich zastosowanie jest ograniczone ze względu na ich wysoki koszt i brak możliwości optymalizacji ich kształtu. Aby rozwiązać te problemy, Tetsui i inni opracowali wirnik turbiny TiAl. Po wielu testach udowodniono, że nie tylko charakteryzuje się dobrą trwałością i wydajnością, ale także może poprawić przyspieszenie silnika. Projekt ten został pomyślnie skomercjalizowany w serii Mitsubishi Lancer Evolution.
6. Układ wydechowy i tłumik
Tytan jest szeroko stosowany w samochodowych układach wydechowych. Układy wydechowe wykonane z tytanu i jego stopów mogą nie tylko poprawić niezawodność, wydłużyć żywotność i poprawić wygląd, ale także zmniejszyć masę i poprawić efektywność spalania paliwa. W porównaniu ze stalowymi układami wydechowymi, tytanowe układy wydechowe mogą zmniejszyć masę o około 40%. W samochodach serii Golf masę tytanowego układu wydechowego można zmniejszyć o 7 do 9 kg. Obecnie materiałem tytanowym stosowanym w układzie wydechowym jest głównie czysty tytan przemysłowy.
Tłumik tytanowy waży tylko 5 do 6 kg, czyli jest lżejszy niż tłumiki ze stali nierdzewnej i innych tłumików. W Chevrolet Corvette Z06 z 2000 r. zastosowano tytanowy tłumik i układ rur wydechowych o masie 11,8 kg zamiast oryginalnego układu ze stali nierdzewnej o masie 20 kg, co pozwoliło zmniejszyć masę o 41%. Wymieniony układ zachowuje swoją wytrzymałość i sprawia, że ​​samochód jest szybszy, bardziej elastyczny i oszczędniejszy. Materiał tytanowy zastosowany w tłumiku to również głównie czysty tytan przemysłowy.
7. Część ramy nadwozia
Aby poprawić bezpieczeństwo i niezawodność samochodów, należy wziąć pod uwagę aspekty projektowe i produkcyjne, zwłaszcza materiały produkcyjne. Tytan jest bardzo dobrym materiałem stosowanym do produkcji ram karoserii samochodów. Ma nie tylko wysoką wytrzymałość właściwą, ale także dobrą wytrzymałość. W Japonii producenci samochodów wybierają rury spawane z czystego tytanu do produkcji ram nadwozia. Tego rodzaju rama może sprawić, że kierowca będzie czuł się bezpiecznie podczas jazdy.
8. Inne części ze stopu tytanu
Oprócz powyższych komponentów tytan jest również stosowany w wahaczach silnika, sprężynach zawieszenia, sworzniach tłokowych silnika, elementach złącznych samochodów, nakrętkach kół, wystających belkach drzwi samochodowych, wspornikach przekładni samochodowych, tłokach zacisków hamulcowych, śrubach sworzni, ciśnieniowych częściach samochodowych, takich jak tarcze, przyciski zmiany biegów i tarcze sprzęgła samochodowego.

1.Zalety

Stopy tytanu mają zalety lekkości, wysokiej wytrzymałości właściwej i dobrej odporności na korozję, dlatego są szeroko stosowane w przemyśle samochodowym. Najczęstszym zastosowaniem stopów tytanu są układy silników samochodowych. Stosowanie stopów tytanu do produkcji części silników ma wiele zalet, głównie przy:
1) Niska gęstość stopu tytanu może zmniejszyć masę bezwładności ruchomych części. Jednocześnie tytanowe sprężyny zaworowe mogą zwiększać wibracje swobodne, osłabiać wibracje karoserii oraz zwiększać prędkość obrotową silnika i moc wyjściową.
2) Zmniejsz masę bezwładności ruchomych części, zmniejszając w ten sposób tarcie i poprawiając zużycie paliwa przez silnik.
3) Wybór stopu tytanu może zmniejszyć naprężenia obciążeniowe powiązanych części i zmniejszyć rozmiar części, zmniejszając w ten sposób masę silnika i całego pojazdu.
4) Zmniejszenie masy bezwładności podzespołów zmniejsza wibracje i hałas oraz poprawia osiągi silnika.
Zastosowanie stopów tytanu w innych elementach może poprawić komfort obsługi i estetykę samochodów. W zastosowaniach w przemyśle motoryzacyjnym stopy tytanu odegrały niezmierzoną rolę w oszczędzaniu energii i zmniejszeniu zużycia.
2. Ograniczenia stosowania
Chociaż części ze stopów tytanu mają tak doskonałe właściwości, przed powszechnym zastosowaniem tytanu i jego stopów w przemyśle motoryzacyjnym pozostaje jeszcze długa droga. Powody obejmują wysoką cenę, słabą odkształcalność i słabą wydajność spawania.
Wraz z rozwojem technologii stopów tytanu w kształcie zbliżonym do kształtu netto i nowoczesnych technologii spawania, takich jak spawanie wiązką elektronów, spawanie łukiem plazmowym i spawanie laserowe w ostatnich latach, problemy związane z formowaniem i spawaniem stopów tytanu nie są już kluczowymi czynnikami ograniczającymi zastosowanie tytanu stopy. Głównym powodem jego szerokiego zastosowania w przemyśle motoryzacyjnym jest wysoki koszt.
Niezależnie od tego, czy jest to wstępne wytapianie metalu, czy późniejsza obróbka, cena stopów tytanu jest znacznie wyższa niż cena innych metali. Koszt części tytanowych akceptowany przez przemysł samochodowy wynosi od 8 do 13 dolarów amerykańskich/kg w przypadku korbowodów, od 13 do 20 dolarów amerykańskich w przypadku zaworów i 8 dolarów w przypadku sprężyn, układów wydechowych silnika i elementów złącznych. Poniżej USD/kg. Obecny koszt części wyprodukowanych z materiałów tytanowych jest znacznie wyższy od tych cen. Koszt produkcji płyt tytanowych jest przeważnie wyższy niż 33 dolarów amerykańskich/kg, czyli od 6 do 15 razy większy w przypadku płyt aluminiowych i od 45 do 83 razy większy w przypadku płyt stalowych.