Uporaba titanovih zlitin v proizvodnji lahkih avtomobilov

Titan in titanove zlitine imajo nizko gostoto, odlične mehanske lastnosti, dobro biokompatibilnost, odpornost proti koroziji, odpornost na visoke temperature in dobro nizkotemperaturno žilavost. Široko so jih uporabljali na področju avtomobilske proizvodnje. Gostota titanove zlitine je le 60% gostote jekla, medtem ko lahko trdnost doseže več kot 800MPa. Še vedno ohranja dobre mehanske lastnosti pri približno 500 stopinjah in ima dobre lastnosti varjenja in oblikovanja. Pri izdelavi dirkalnih avtomobilov so ga uporabljali že pred več kot 20 leti, kar je močno zmanjšalo težo dirkalnih motorjev in izboljšalo zmogljivost motorja.

Trenutno se deli iz titanove zlitine, ki se uporabljajo v proizvodnji avtomobilov, večinoma distribuirajo v avtomobilskih izpušnih sistemih, sistemih motorjev, sistemih za prenos in zmanjšanje vibracij ter okvirjih karoserije.
1. Izpušni sistem
Materiali avtomobilskih izpušnih sistemov morajo imeti dobre visokotemperaturne mehanske lastnosti in odpornost proti koroziji elementov S in Cl. Tradicionalne komponente izpušnih ventilov so narejene iz nerjavečega jekla, vendar so ljudje ugotovili, da so titanove zlitine bolj primerne za uporabo kot materiali za izpušne ventile v smislu učinkovitosti.
Povratna cev iz titana, uporabljena v novem Chevrolet Corvette Z206, se učinkovito izogiba težavam z luknjami in zvarjeno rjo, ki se pojavljajo na ceveh iz nerjavečega jekla, hkrati pa izboljšuje učinkovitost zgorevanja goriva in zmogljivosti pospeševanja ter skrajša zavorne poti.
Timet, največji proizvajalec titana v Združenih državah Amerike, je predan raziskavam, razvoju in proizvodnji izpušnih sistemov iz titanovih zlitin. Številna japonska podjetja so izvedla tudi sorodna raziskovalna in razvojna dela. Trenutno ima Fuji Heavy Industries, Ltd. omejeno proizvodnjo 440 kompletov avtomobilskih izpušnih cevi iz titanove zlitine.
2. Sistem motorja
Sistem avtomobilskega motorja je del, ki uporablja največ titanove zlitine na avtomobilskem področju. Uporaba titanove zlitine v sistemu motorja vključuje predvsem ventile, ojnice, ročične gredi, sedeže ventilov in druge dele.
Honda Motor Corporation iz Japonske uporablja kovane ojnice iz titana v dirkalnem motorju NSX V-6; Mitsubishi Motors uporablja sedeže vzmeti ventilov iz titana v štirivaljnih motorjih z veliko prostornino, ojnice iz titana pa se uporabljajo tudi v avtomobilih Porsche.
(1) Ventil
V zvezi z ventili iz titanove zlitine sta Združene države in Japonska izvedli veliko raziskovalnega dela. Združene države trenutno na splošno uporabljajo zlitino Ti-6Al-4V za izdelavo sesalnih ventilov in Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo zlitine za izdelavo izpušnih ventilov; medtem ko japonska Toyota uporablja zlitino Ti-6Al-4V/Ti B za izdelavo sesalnih ventilov in zlitino Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Nb-Si/Ti B za izdelavo izpušnih ventilov. Te vrste titanovih zlitin imajo dobre visokotemperaturne mehanske lastnosti, odpornost proti oksidaciji in odpornost proti lezenju, kar učinkovito izboljša zmogljivost motorja in poveča hitrost vozila.
(2) Sedež ventila
Sedeži ventilov iz titanove zlitine so bili pogosto uporabljeni v dirkalnih avtomobilih in športnih avtomobilih z letno proizvodnjo več kot 250,000 kompletov. Izdelani so predvsem iz zlitine Ti-6Al-4V ali Ti-5Al-2Cr-1Fe. Ker je oblika sedeža ventila relativno enostavna, ne zahteva visokih zahtev glede obdelave in ne zahteva posebne površinske obdelave. Je razmeroma poceni in pomembno vpliva na zmanjšanje mase avtomobila.
(3) Ojnice
Uporaba ojnic iz titanove zlitine lahko učinkovito zmanjša težo motorja in izboljša zmogljivost avtomobila. Glavni material za pripravo je zlitina Ti-6Al-4V. Japonsko podjetje Daido Co., Ltd. trenutno razvija dvofazno titanovo zlitino Ti-3Al-2V-0.2Si-0.47Ce-0.27La . Ta zlitina ima dobro obdelovalnost in je tudi odlična glede mehanskih lastnosti, lastnosti utrujenosti in odpornosti proti koroziji. Pričakuje se, da se bo uporabljal v delih ojnic motorja, ki so podvrženi hitremu pospeševanju in zaviranju.
(4) Ročične gredi
Čeprav ročične gredi iz titanove zlitine trenutno niso v široki uporabi, je bila zlitina Ti-3Al-2.5V, ki jo je posebej razvila Japonska, preverjena na Hondinih dirkalnih avtomobilih. Medtem ko je učinkovito zmanjšal težo, je povečal hitrost motorja za 700r/min, kar dokazuje superiornost ročičnih gredi iz titanove zlitine. Istočasno je Japonska poskusno izdelovala ročične gredi iz zlitine Ti-5Al-2Cr-Fe v upanju, da se bodo titanove zlitine pogosteje uporabljale v delih ročične gredi.

3. Sistem za zmanjšanje vibracij
Osrednja komponenta avtomobilskega sistema vzmetenja za zmanjšanje vibracij je vzmetna vzmet. V primerjavi s splošnim avtomobilskim vzmetnim jeklom ima titanova zlitina večjo specifično trdnost in nižji strižni modul ter večjo trdnost na utrujenost, zaradi česar je primernejša za izdelavo avtomobilskih vzmeti za blaženje udarcev. Ker je upogib vzmeti sorazmeren s številom obratov in obratno sorazmeren s strižnim modulom materiala, potrebujejo vzmeti iz titanove zlitine manj obratov kot jeklene vzmeti, da dosežejo enak odziv vzmeti, kar učinkovito zmanjša maso vzmeti in prihrani prostor.
Hkrati lahko vzmeti iz titanove zlitine tudi učinkovito povečajo resonančno frekvenco vzmeti in podaljšajo njeno življenjsko dobo. Trenutno je večina vzmeti iz titanove zlitine izdelana iz enofazne titanove zlitine. Volkswagen je na nekaterih avtomobilih uporabil zobate vzmeti Lupo FSI iz titanove zlitine, pri čemer je bilo uporabljenih približno 3500 vozil.

4. Okvir telesa
Kar zadeva sestavne dele okvirja karoserije, večja specifična trdnost, nižja gostota in dobra odpornost proti koroziji titanove zlitine kažejo, da je dober material za pripravo okvirjev karoserije. Trenutno nekatera avtomobilska podjetja uporabljajo titanove zlitine za dele, kot so nosilci zobnikov in bati zavornih čeljusti. Med deli menjalnika Japonska trenutno razvija postopek za pripravo lupin iz titanove zlitine s predenjem pri visokih hitrostih. V primerjavi z jeklenimi lupinami lahko lupine iz titanove zlitine bolje zmanjšajo vpliv vztrajnikov in imajo boljše blažilne učinke.
Poleg tega so bile titanove zlitine uporabljene tudi v avtomobilskih pritrdilnih elementih in drugih delih. Z nenehnim razvojem tehnologije priprave titanovih zlitin in avtomobilske industrije se bodo titanove zlitine zagotovo bolj uporabljale v avtomobilskih delih.

5. Pomen titanovih zlitin za lahka vozila
Tuje raziskovalne ustanove so izračunale, da se lahko, ko se masa praznega vozila zmanjša za 10%, poraba goriva zmanjša za 6% do 8%. Druge študije so pokazale, da lahko za vsakih 91 kg zmanjšanja teže povprečno vozilo prevozi 0,43 km več na liter goriva. Zato je z nenehnim razvojem gospodarstva moje države in nenehnim povečevanjem števila avtomobilov lažja teža avtomobilov postala eden od pomembnih načinov za zmanjšanje porabe energije in zmanjšanje onesnaženosti zraka.
Materiali iz titana in titanovih zlitin se trenutno pogosto uporabljajo v avtomobilskih delih zaradi svojih odličnih fizikalnih in kemičnih lastnosti. Uporaba titanovih materialov ne le učinkovito izboljša zmogljivost in varnostni faktor avtomobila, ampak ima tudi pomembno vlogo pri lažji masi avtomobila, učinkovitem zmanjšanju teže praznega avtomobila in zmanjšanju porabe goriva.
V primerjavi s tradicionalnim sistemom iz nerjavečega jekla lahko sklop zadnje šobe in povratne cevi iz titana, ki se uporablja v avtomobilskem izpušnem sistemu, zmanjša težo za približno 8,2 kg. Uporaba izdelkov iz titanove zlitine namesto tradicionalnih materialov iz jekla in litega železa v delih motorja, kot so ventili in ojnice, lahko učinkovito zmanjša težo motorja.
Glede na raziskave v japonski avtomobilski industriji je uporaba približno 0,8 kg titanovih delov v pogonskem ventilu avtomobila enakovredna učinku, ki ga doseže 20 kg jeklenih delov; vsak sedež ventila iz titana lahko zmanjša težo za približno 10 g v primerjavi z jeklenim sedežem ventila; uporaba titanove zlitine za ojnice in ročične gredi je najbolj učinkovita pri zmanjšanju teže motorja.

V sistemu za zmanjšanje vibracij lahko vsaka vzmet iz titanove zlitine zmanjša težo za več kot 60 % v primerjavi z jekleno vzmetjo. Izračunano na podlagi 4 vzmeti vzmetenja na vozilo, po zamenjavi vzmeti iz titanove zlitine lahko vsako vozilo zmanjša težo za 9~13,6 kg. Poleg tega je teža dušilca ​​iz titanove zlitine le 5~6 kg, kar je 40 % lažje od dušilca ​​iz nerjavečega jekla.
Če za primer vzamemo navaden avtomobil srednje velikosti, če obstoječe avtomobilske dele iz titanove zlitine uporabimo za zamenjavo tradicionalnih delov, se bo masa praznega vozila zmanjšala s približno 1500 kg na približno 1000 kg, s stopnjo zmanjšanja teže 30 % in celovita poraba goriva se lahko zmanjša za več kot 20%, kar bo močno zmanjšalo svetovno porabo goriva in učinkovito ublažilo težave pomanjkanja energije in onesnaževanja okolja.

Zgornji podatki kažejo, da uporaba titanovih zlitin pomembno vpliva na lažjo težo avtomobilov. V sodobni avtomobilski industriji je treba nenehno razvijati tehnologijo uporabe titana in titanovih zlitin v avtomobilskih delih, da bi povečali razmerje uporabe titanovih zlitin v avtomobilih. Zato bi morala biti glavna naloga v prihodnosti znižanje cene delov iz titanove zlitine z razvojem poceni materialov iz titanove zlitine in zmanjšanjem proizvodnih stroškov surovin iz titanove zlitine ter izboljšanje učinkovitosti obdelave delov iz titanove zlitine z izboljšanjem tehnologije obdelave .