Aplicacions del titani a la indústria de l'automòbil

Tot i que els aliatges de titani s'han utilitzat àmpliament en les indústries aeroespacial, petroquímica i de construcció naval, la seva aplicació a la indústria de l'automòbil s'ha desenvolupat lentament. A partir del desenvolupament reeixit del primer cotxe totalment de titani per part de General Motors als Estats Units el 1956, les peces d'automòbils de titani no van assolir el nivell de producció en massa fins als anys vuitanta. A la dècada de 1990, a mesura que la demanda de cotxes de luxe, esportius i cotxes de carreres augmentava any rere any, les peces d'automòbils de titani s'han desenvolupat ràpidament. L'any 1990, la quantitat de titani utilitzada als automòbils a tot el món era de només 50 t. L'any 1997 va arribar a les 500t. L'any 2002 va arribar a les 1.100t. El 2009, va arribar a les 3,000t. S'espera que la quantitat de titani que s'utilitza als automòbils a tot el món superi les 5,000t el 2015. Actualment, s'utilitzen habitualment els següents tipus de peces d'aliatge de titani.

1. Biela del motor
L'aliatge de titani és un material ideal per a les bielles. Les bielles del motor d'aliatge de titani poden reduir eficaçment la massa del motor, millorar l'eficiència del combustible i reduir el volum d'escapament. En comparació amb les bielles d'acer, les bielles de titani poden reduir la massa entre un 15% i un 20%. L'aplicació de bielles d'aliatge de titani es va reflectir per primera vegada al nou sedan Ferrari 3.5LV8 d'Itàlia i al motor NSX d'Acura. Els principals materials utilitzats a les bielles d'aliatge de titani són Ti-6Al-4V, Ti{-10V{-2Fe-3Al, Ti{-3 Al-2.0V i Ti-4Al{-4Mo-Sn{-0.5Si. Altres materials d'aliatge de titani com el Ti-4Al També està en desenvolupament l'aplicació de -2Si-4Mn i Ti-7M{-4Mo a les bielles.
2.Vàlvula del motor
Les vàlvules de motor d'automoció fetes d'aliatge de titani no només poden reduir la massa i allargar la vida útil, sinó que també poden reduir el consum de combustible i millorar la fiabilitat del vehicle. En comparació amb les vàlvules d'acer, les vàlvules de titani poden reduir la massa entre un 30% i un 40% i la velocitat límit del motor es pot augmentar un 20%. Pel que fa a les aplicacions actuals, el material de la vàlvula d'admissió és principalment Ti-6Al{-4V, i el material de la vàlvula d'escapament és principalment Ti{-6242S. Normalment s'afegeixen Sn i Al per obtenir una fragilitat més baixa i una resistència més alta; L'addició de Mo pot millorar les propietats de tractament tèrmic dels aliatges de titani, millorar la força dels aliatges de titani d'extinció i envelliment i augmentar la duresa. Altres aliatges de titani amb potencial de desenvolupament inclouen:
1) La vàlvula d'admissió pot ser de Ti-62S, que té propietats equivalents a Ti-6Al{-4V i és més barata.
2) La vàlvula d'escapament pot ser de Ti-6Al-2Sn{-4.0Zr{-0.4-Mo{{7} }.45Si. A causa del seu menor contingut de Mo, la seva resistència a la fluència és millor que Ti-6242S i la seva resistència a l'oxidació pot arribar als 600 graus. .
3) La vàlvula d'escapament es pot fer de -TiAl, que té les característiques de resistència a alta temperatura i pes lleuger, però no és adequada per als mètodes tradicionals de forja durant el processament. Només és adequat per a la fosa i el processament de la metal·lúrgia de pols.
3. Seient de la molla de la vàlvula
L'alta resistència i la resistència a la fatiga són propietats necessàries per al seient de la molla de la vàlvula. L'aliatge de titani beta és un aliatge tractat tèrmicament que pot obtenir una alta resistència mitjançant un tractament d'envelliment en solució sòlida. Els materials corresponents més adequats són Ti-15V-3Cr- 3Al-3Sn i Ti{-15Mo-3Al-2 .7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors utilitza seients de molles d'aliatge de titani Ti-22V{-4Al als seus vehicles de producció a gran escala, que redueix la massa en un 42% en comparació amb els panys d'acer originals, redueix la massa inercial de la vàlvula mecanisme en un 6% i augmenta la velocitat màxima del motor. 300r/min.
4.Molla d'aliatge de titani
El titani i els seus aliatges tenen un mòdul elàstic més baix i un valor σs/E més gran que els materials d'acer, el que els fa adequats per a la fabricació de components elàstics. En comparació amb les molles d'acer d'automòbil, sota la premissa del mateix treball elàstic, l'alçada de les molles de titani és només del 40% de les molles d'acer, i la massa és només del 30% al 40% de les molles d'acer, cosa que facilita el disseny de la carrosseria del cotxe. A més, les excel·lents propietats a la fatiga i la resistència a la corrosió de l'aliatge de titani poden allargar la vida útil de la molla. Actualment, els materials d'aliatge de titani que es poden utilitzar per fer molles d'automòbil inclouen Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al i Ti-13V11C-3Al.
5. Turbocompressor
Els turbocompressors poden millorar l'eficiència de la combustió del motor i millorar la potència i el parell del motor. El rotor de la turbina del turbocompressor ha de funcionar amb gas d'escapament d'alta temperatura per sobre dels 850 graus durant molt de temps, de manera que requereix una bona resistència a la calor. Els metalls lleugers tradicionals com els aliatges d'alumini no es poden utilitzar a causa dels seus baixos punts de fusió. Tot i que els materials ceràmics s'utilitzen en rotors de turbines a causa del seu pes lleuger i bona resistència a les altes temperatures, la seva aplicació és limitada pel seu alt cost i la seva incapacitat per optimitzar la seva forma. Per resoldre aquests problemes, Tetsui i altres van desenvolupar el rotor de turbina TiAl. Després de moltes proves, s'ha comprovat que no només té una bona durabilitat i eficiència, sinó que també pot millorar l'acceleració del motor. Aquest disseny s'ha comercialitzat amb èxit a la sèrie Mitsubishi Lancer Evolution.
6. Sistema d'escapament i silenciador
El titani s'utilitza àmpliament en els sistemes d'escapament d'automòbils. Els sistemes d'escapament fets de titani i els seus aliatges no només poden millorar la fiabilitat, allargar la vida útil i millorar l'aspecte, sinó que també poden reduir la massa i millorar l'eficiència de la combustió del combustible. En comparació amb els sistemes d'escapament d'acer, els sistemes d'escapament de titani poden reduir la massa aproximadament un 40%. En els cotxes de la sèrie Golf, la massa del sistema d'escapament de titani es pot reduir de 7 a 9 kg. Actualment, el material de titani utilitzat al sistema d'escapament és principalment titani pur industrial.
El silenciador de titani només pesa de 5 a 6 kg, que és més lleuger que l'acer inoxidable i altres silenciadors. El Chevrolet Corvette Z06 del 2000 utilitza un silenciador de titani de 11,8 kg i un sistema de tub d'escapament en lloc del sistema original d'acer inoxidable de 20 kg, reduint la massa en un 41%. El sistema substituït manté la seva força i fa que el cotxe sigui més ràpid, més flexible i més eficient en combustible. El material de titani utilitzat al silenciador també és principalment titani pur industrial.
7. Part del marc del cos
Per millorar la seguretat i la fiabilitat dels automòbils, cal tenir en compte els aspectes de disseny i fabricació, especialment els materials de fabricació. El titani és un material molt bo que s'utilitza per fer marcs de carrosseria. No només té una alta resistència específica, sinó que també té una bona tenacitat. Al Japó, els fabricants d'automòbils trien tubs soldats de titani pur per fer bastidors de carrosseria. Aquest tipus de marc pot fer que els conductors se sentin segurs quan condueixen.
8. Altres peces d'aliatge de titani
A més dels components anteriors, el titani també s'utilitza en braços de balancí del motor, molles de suspensió, passadors del pistó del motor, elements de fixació d'automòbils, femelles, bigues que sobresurten les portes d'automòbils, suports d'engranatges d'automòbils, pistons de pinces de fre, cargols, peces d'automòbils de pressió com ara plaques, botons de canvi i discos d'embragatge d'automòbil.

1.Avantatges

Els aliatges de titani tenen els avantatges de pes lleuger, alta resistència específica i bona resistència a la corrosió, de manera que s'utilitzen àmpliament a la indústria de l'automòbil. L'ús més comú dels aliatges de titani és en sistemes de motor d'automòbil. Hi ha molts avantatges d'utilitzar aliatges de titani per fabricar peces de motor, principalment en:
1) La baixa densitat de l'aliatge de titani pot reduir la massa inercial de les peces mòbils. Al mateix temps, els ressorts de vàlvules de titani poden augmentar la vibració lliure, debilitar la vibració de la carrosseria i augmentar la velocitat del motor i la potència de sortida.
2) Reduïu la massa inercial de les peces mòbils, reduint així la fricció i millorant l'eficiència del combustible del motor.
3) L'elecció d'aliatge de titani pot reduir l'estrès de càrrega de les peces relacionades i reduir la mida de les peces, reduint així el pes del motor i de tot el vehicle.
4) La reducció de la massa inercial dels components redueix la vibració i el soroll i millora el rendiment del motor.
L'aplicació d'aliatges de titani en altres components pot millorar la comoditat del personal i l'estètica dels cotxes. En aplicacions a la indústria de l'automoció, els aliatges de titani han jugat un paper incommensurable en l'estalvi d'energia i la reducció del consum.
2. Restriccions d'aplicació
Tot i que les peces d'aliatge de titani tenen propietats tan superiors, encara queda un llarg camí per recórrer abans que el titani i els seus aliatges s'utilitzin àmpliament a la indústria de l'automòbil. Els motius inclouen un preu elevat, una formabilitat pobra i un rendiment de soldadura deficient.
Amb el desenvolupament de la tecnologia de forma neta d'aliatge de titani i tecnologies de soldadura modernes, com ara la soldadura per feix d'electrons, la soldadura per arc de plasma i la soldadura per làser, els problemes de formació i soldadura dels aliatges de titani ja no són els factors clau que restringeixen l'aplicació de titani. aliatges. El principal motiu pel qual s'utilitza àmpliament a la indústria de l'automòbil és l'alt cost.
Tant si es tracta de la fosa inicial del metall com del processament posterior, el preu dels aliatges de titani és molt superior al d'altres metalls. El cost de les peces de titani que la indústria de l'automòbil pot acceptar és de 8 a 13 dòlars EUA/kg per a les bielles, de 13 a 20 dòlars EUA per a les vàlvules i 8 per a molles, sistemes d'escapament del motor i elements de fixació. Per sota d'USD/kg. El cost actual de les peces produïdes amb materials de titani és molt superior a aquests preus. El cost de producció de les plaques de titani és majoritàriament superior a 33 dòlars EUA/kg, que és de 6 a 15 vegades el de les plaques d'alumini i de 45 a 83 vegades el de les plaques d'acer.