Stan Zastosowań Stopów Tytanu W Przemyśle Samochodowym

W ostatnich latach, wraz z szybkim rozwojem przemysłu samochodowego, kwestie zużycia paliwa, ochrony środowiska i bezpieczeństwa generowane przez samochody przyciągnęły coraz większą uwagę. Patrząc w przyszłość kierunku rozwoju przemysłu samochodowego, lekkość, niskie zużycie paliwa i niskie emisje są tematami rozwoju. Według statystyk z międzynarodowych autorytatywnych departamentów, 60% energii spalania paliwa samochodowego jest zużywane przez jego własną masę. Chociaż wysokowytrzymałe cienkie blachy stalowe, aluminium, magnez, materiały kompozytowe na bazie metali i materiały z żywicy plastikowej odegrały rolę w zmniejszeniu masy samochodów, pojawienie się przemysłowych materiałów tytanowych uczyniło produkcję samochodów lepszym wyborem.

Metal tytanowy ma zalety niskiej gęstości, wysokiej wytrzymałości właściwej i dobrej odporności na korozję. Zastosowanie materiałów tytanowych w samochodach może znacznie zmniejszyć wagę nadwozia, zmniejszyć zużycie paliwa, poprawić wydajność pracy silnika, poprawić środowisko i zmniejszyć hałas. Jednak wysoka cena sprawia, że ​​stopy tytanu mają zastosowanie tylko w niektórych modelach luksusowych i samochodach sportowych w przemyśle samochodowym, a rzadko w zwykłych samochodach. Dlatego badania i rozwój tanich stopów tytanu, które spełniają potrzeby rynku, są kluczem do promowania ich zastosowania w zwykłych samochodach domowych.

 

Aktualny stan zastosowań stopów tytanu w przemyśle samochodowym
Chociaż stopy tytanu są szeroko stosowane w przemyśle lotniczym, petrochemicznym i stoczniowym, ich zastosowanie w przemyśle samochodowym rozwija się powoli. Od czasu, gdy w 1956 roku General Motors w Stanach Zjednoczonych z powodzeniem opracował pierwszy samochód całkowicie wykonany z tytanu, części samochodowe z tytanu nie osiągnęły poziomu produkcji masowej aż do lat 80. W latach 90., wraz ze wzrostem popytu na samochody luksusowe, sportowe i wyścigowe, części tytanowe rozwijały się szybko. W 1990 roku ilość tytanu używanego w samochodach na całym świecie wynosiła zaledwie 50 ton, osiągnęła 500 ton w 1997 roku, 1100 ton w 2002 roku i 3000 ton w 2009 roku. Oczekuje się, że ilość tytanu używanego w samochodach na całym świecie przekroczy 5000 ton w 2015 roku. Obecnie powszechnie stosuje się następujące części ze stopu tytanu.

1. Korbowód silnika
Stop tytanu jest idealnym wyborem na materiały na korbowody. Korbowody silnika wykonane ze stopu tytanu mogą skutecznie zmniejszyć masę silnika, poprawić wydajność paliwową i zmniejszyć objętość spalin. W porównaniu ze stalowymi korbowodami, tytanowe korbowody mogą zmniejszyć masę o 15% do 20%. Zastosowanie korbowodów ze stopu tytanu po raz pierwszy znalazło odzwierciedlenie w nowych silnikach Ferrari 3.5LV8 i Acura NSX we Włoszech. Materiały używane do korbowodów ze stopów tytanu to głównie Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3Al-2.0V i Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si, a inne materiały ze stopów tytanu, takie jak Ti-4Al-2Si-4Mn i Ti-7M-4Mo, są również opracowywane do zastosowania w korbowodach.

2. Zawory silnika
Zawory silników samochodowych wykonane ze stopów tytanu mogą nie tylko zmniejszyć wagę i wydłużyć żywotność, ale także zmniejszyć zużycie paliwa i poprawić niezawodność samochodu. W porównaniu z zaworami stalowymi, zawory tytanowe mogą zmniejszyć wagę o 30% do 40%, a prędkość graniczna silnika może zostać zwiększona o 20%. Jeśli chodzi o obecne zastosowania, materiał zaworu dolotowego to głównie Ti-6Al-4V, a materiał zaworu wydechowego to głównie Ti-6242S. Zwykle Sn i Al są dodawane razem, aby uzyskać niższą kruchość i większą wytrzymałość; dodatek Mo może poprawić wydajność obróbki cieplnej stopów tytanu, zwiększyć wytrzymałość hartowania i starzenia stopów tytanu oraz zwiększyć twardość. Inne stopy tytanu o potencjale rozwojowym to:
1) Zawór dolotowy może być wykonany z Ti-62S, który ma takie same właściwości jak Ti-6Al-4V i jest tańszy.
2) Zawór wydechowy może być wykonany z Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo-0.45Si. Ze względu na niższą zawartość Mo, jego odporność na pełzanie jest lepsza niż Ti-6242S, a jego temperatura odporności na utlenianie może osiągnąć 600 stopni.
3) Zawór wydechowy może być wykonany z materiału -TiAl, który charakteryzuje się odpornością na wysoką temperaturę i niewielką wagą, ale nie nadaje się do obróbki tradycyjnymi metodami kucia i nadaje się wyłącznie do odlewania i metalurgii proszkowej.

 

3. Gniazdo sprężyny zaworowej

Wysoka wytrzymałość i odporność na zmęczenie to właściwości, które muszą mieć gniazda sprężyn zaworowych. Stop tytanu to obrabialny cieplnie stop, który może uzyskać wysoką wytrzymałość poprzez starzenie w roztworze stałym. Odpowiednimi bardziej odpowiednimi materiałami są Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn i Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors stosuje gniazda sprężyn zaworowych ze stopu tytanu Ti-22V-4Al w swoich produkowanych masowo samochodach, co zmniejsza masę o 42% w porównaniu z oryginalną stalową blokadą, zmniejsza masę bezwładnościową mechanizmu zaworowego o 6% i zwiększa maksymalną prędkość obrotową silnika o 300 obr./min.

 

4. Sprężyny ze stopu tytanu

Tytan i jego stopy mają niższy moduł sprężystości niż materiały stalowe, dużą wartość σs/E i nadają się do produkcji elementów sprężystych. W porównaniu ze stalowymi sprężynami samochodowymi, przy założeniu tej samej pracy sprężystej, wysokość sprężyn tytanowych stanowi tylko 40% wysokości sprężyn stalowych, a masa stanowi tylko 30% do 40% masy sprężyn stalowych, co jest wygodne dla konstrukcji nadwozia. Ponadto doskonała wytrzymałość zmęczeniowa i odporność na korozję stopów tytanu może wydłużyć żywotność sprężyn. Obecnie materiały ze stopów tytanu, które można wykorzystać do produkcji sprężyn samochodowych, obejmują Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al i Ti-13V11C-3Al.

 

5. Turbosprężarka

Turbosprężarki mogą poprawić wydajność spalania silników i zwiększyć moc i moment obrotowy silników. Wirnik turbiny turbosprężarki musi pracować w spalinach o wysokiej temperaturze powyżej 850 stopni przez długi czas, dlatego musi mieć dobrą odporność na ciepło. Tradycyjne lekkie metale, takie jak stop aluminium, nie mogą być stosowane ze względu na ich niską temperaturę topnienia. Chociaż materiały ceramiczne są stosowane w wirnikach turbin ze względu na ich lekkość i dobrą odporność na wysoką temperaturę, ich zastosowanie jest ograniczone ze względu na wysokie koszty i brak możliwości optymalizacji kształtu. Aby rozwiązać te problemy, Tetsui i in. opracowali wirnik turbiny TiAl. Po wielu testach i weryfikacjach nie tylko ma on dobrą trwałość i wydajność, ale także może poprawić przyspieszenie silnika. Ta konstrukcja została pomyślnie skomercjalizowana w serii Mitsubishi Lancer Evolution.

 

6. Układ wydechowy i tłumik

Tytan jest stosowany w dużych ilościach w układzie wydechowym samochodów. Układy wydechowe wykonane z tytanu i jego stopów mogą nie tylko poprawić niezawodność, wydłużyć żywotność i poprawić wygląd, ale także zmniejszyć masę i poprawić wydajność spalania paliwa. W porównaniu ze stalowymi układami wydechowymi, tytanowe układy wydechowe mogą zmniejszyć masę o około 40%. W serii samochodów Golf ciężar tytanowego układu wydechowego można zmniejszyć o 7 do 9 kg. Obecnie tytan stosowany w układzie wydechowym to głównie przemysłowy czysty tytan.

Waga tłumika tytanowego wynosi zaledwie 5 do 6 kg, co jest wartością niższą od tłumików ze stali nierdzewnej. Chevrolet Corvette Z06 z 2000 r. wykorzystuje 11,8-kilogramowy układ tłumika i rury wydechowej z tytanu, aby zastąpić oryginalny 20-kilogramowy układ ze stali nierdzewnej, co zmniejszyło wagę o 41%. Wytrzymałość wymienionego układu pozostaje niezmieniona, a samochód jest szybszy, bardziej elastyczny i oszczędny pod względem zużycia paliwa. Tytan użyty w tłumiku to głównie czysty tytan przemysłowy.

 

7. Rama nadwozia

Aby poprawić bezpieczeństwo i niezawodność samochodu, należy wziąć pod uwagę aspekty projektowe i produkcyjne, zwłaszcza materiały produkcyjne. Tytan jest dobrym materiałem do produkcji ram nadwozia. Ma nie tylko wysoką wytrzymałość właściwą, ale także dobrą wytrzymałość. W Japonii producenci samochodów wybierają spawane rury z czystego tytanu do produkcji ram nadwozia, co może sprawić, że kierowcy będą czuć się wystarczająco bezpiecznie podczas jazdy.

 

8. Inne części ze stopu tytanu

Oprócz powyższych części, tytan jest również stosowany w wahaczach silnika, sprężynach zawieszenia, sworzniach tłokowych silnika, elementach mocujących w samochodach, nakrętkach kół, belkach wystających drzwi samochodowych, wspornikach zderzaków samochodowych, tłokach zacisków hamulcowych, śrubach sworzniowych, płytach dociskowych, przyciskach zmiany biegów i tarczach sprzęgła samochodowego oraz innych częściach samochodowych. Nowa generacja projektów samochodowych zwraca większą uwagę na lekkie nadwozie, niskie zużycie paliwa, niski poziom hałasu i lekkie wibracje silnika, aby sprostać coraz bardziej rygorystycznym wymaganiom środowiskowym. W tym kontekście lekki metal tytan stanie się głównym materiałem aplikacyjnym dla przyszłych samochodów.