Titánötvözetek alkalmazása a könnyűgépjárművek gyártásában

A titán és a titánötvözetek jellemzői az alacsony sűrűség, a kiváló mechanikai tulajdonságok, a jó biokompatibilitás, a korrózióállóság, a magas hőmérséklet-állóság és a jó alacsony hőmérsékleti szívósság. Széles körben alkalmazták az autógyártás területén. A titánötvözet sűrűsége mindössze 60%-a az acélénak, míg a szilárdság elérheti a 800 MPa-t is. Még mindig jó mechanikai tulajdonságokat tart fenn 500 fok körül, és jó hegesztési és alakítási tulajdonságokkal rendelkezik. Több mint 20 éve használták versenyautók gyártásában, nagymértékben csökkentve a versenymotorok tömegét és javítva a motor teljesítményét.

Jelenleg az autógyártásban használt titánötvözet alkatrészeket főként az autók kipufogórendszereiben, motorrendszereiben, sebességváltó- és rezgéscsökkentő rendszereiben, valamint karosszériavázaiban forgalmazzák.
1. Kipufogórendszer
Az autók kipufogórendszereinek anyagaitól jó magas hőmérsékletű mechanikai tulajdonságokkal, valamint az S és Cl elemek okozta korrózióval szembeni ellenállással kell rendelkezniük. A hagyományos kipufogószelep-alkatrészek rozsdamentes acélból készülnek, de az emberek azt találták, hogy a titánötvözetek jobban megfelelnek a kipufogószelep anyagának a teljesítmény szempontjából.
Az új Chevrolet Corvette Z206-ban használt titán visszatérő cső hatékonyan elkerüli a rozsdamentes acélcsöveken előforduló lyukasztási és hegesztési rozsdaproblémákat, miközben javítja az üzemanyag égési hatékonyságát és gyorsítási képességeit, valamint lerövidíti a féktávolságot.
A Timet, az Egyesült Államok legnagyobb titángyártója elkötelezte magát a titánötvözet kipufogórendszerek kutatása, fejlesztése és gyártása mellett. Számos japán cég végzett ehhez kapcsolódó kutatási és fejlesztési munkát is. A Fuji Heavy Industries, Ltd. jelenleg 440 titánötvözetből készült autóipari kipufogócsövet gyárt korlátozott mennyiségben.
2. Motorrendszer
Az autómotor-rendszer az a rész, amely a legtöbb titánötvözetet használja az autóiparban. A titánötvözet alkalmazása a motorrendszerben főként szelepeket, hajtórudakat, főtengelyeket, szelepüléseket és egyéb alkatrészeket foglal magában.
A japán Honda Motor Corporation kovácsolt titán hajtórudakat használ az NSX Racing V{0}} motorban; A Mitsubishi Motors titán szeleprugós üléseket használ nagy kapacitású, négyhengeres motorokban, és a Porsche autókban is titán hajtókarokat használnak.
(1) Szelep
A titánötvözet szelepekkel kapcsolatban az Egyesült Államok és Japán sok kutatást végzett. Az Egyesült Államokban jelenleg általában Ti-6Al-4V ötvözetet használnak szívószelepek és Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo gyártásához. ötvözet kipufogószelepek készítéséhez; míg a japán Toyota Ti-6Al-4V/Ti B ötvözetet használ a szívószelepek és Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Nb-Si/Ti B ötvözetből a kipufogószelepek gyártásához. Az ilyen típusú titánötvözetek jó magas hőmérsékletű mechanikai tulajdonságokkal, oxidáció- és kúszási ellenállással rendelkeznek, amelyek hatékonyan javítják a motor teljesítményét és növelik a jármű sebességét.
(2) Szelepülés
A titánötvözet szelepüléseket széles körben használják verseny- és sportautókban, éves gyártásuk több mint 250,000 készlet. Főleg Ti-6Al-4V vagy Ti-5Al-2Cr-1Fe ötvözetből készülnek. Mivel a szelepülék formája viszonylag egyszerű, nem igényel magas megmunkálási követelményeket, és nem igényel speciális felületkezelést. Viszonylag olcsó, és jelentős hatással van az autó tömegének csökkentésére.
(3) Összekötő rudak
A titánötvözet hajtórudak használatával hatékonyan csökkenthető a motor tömege és javítható az autó teljesítménye. A fő előkészítő anyag a Ti{0}}Al-4V ötvözet. A japán Daido Co., Ltd. jelenleg kétfázisú titánötvözetet fejleszt: Ti-3Al-2V-0.2Si-0.47Ce-0.27La . Ez az ötvözet jó megmunkálhatósággal rendelkezik, és kiváló mechanikai tulajdonságokkal, kifáradási tulajdonságokkal és korrózióállósággal is rendelkezik. Várhatóan a motor hajtórúd-részeiben használják, amelyek gyors gyorsulásnak és lassulásnak vannak kitéve.
(4) Főtengelyek
Bár a titánötvözetből készült főtengelyeket jelenleg nem használják széles körben, a kifejezetten Japán által kifejlesztett Ti{0}}Al-2.5V ötvözetet a Honda versenyautókon ellenőrizték. Miközben hatékonyan csökkenti a tömeget, a motor fordulatszámát 700 fordulat/perccel növelte, bizonyítva a titánötvözet főtengelyek kiválóságát. Ezzel egyidejűleg Japánban Ti-5Al-2Cr-Fe ötvözetből készült főtengelyeket próbálnak előállítani, remélve, hogy a titánötvözeteket szélesebb körben használják majd a főtengely alkatrészekben.

3. Rezgéscsökkentő rendszer
Az autó vibrációcsökkentő felfüggesztési rendszerének központi eleme a felfüggesztő rugó. Az általános autórugó-acélhoz képest a titánötvözet nagyobb fajlagos szilárdsággal és kisebb nyírómodulussal, valamint nagyobb fáradási szilárdsággal rendelkezik, így alkalmasabb az autó lengéscsillapító rugók gyártására. Mivel a rugó elhajlása arányos a fordulatok számával és fordítottan arányos az anyag nyírási modulusával, a titánötvözet rugók kevesebb fordulatot igényelnek, mint az acélrugók, hogy ugyanazt a rugóreakciót érjék el, hatékonyan csökkentve a rugó tömegét és helyet takarítanak meg.
Ugyanakkor a titánötvözet rugók hatékonyan növelhetik a rugó rezonanciafrekvenciáját és élettartamát. Jelenleg a legtöbb titánötvözet rugó egyfázisú titánötvözetből készül. A Volkswagen Lupo FSI titánötvözet rugókat használt egyes autókon, körülbelül 3500 járművet.

4. Testváz
A karosszériaelemek tekintetében a titánötvözet nagyobb fajlagos szilárdsága, kisebb sűrűsége és jó korrózióállósága mind azt jelzik, hogy jó anyag karosszériavázak elkészítéséhez. Jelenleg néhány autógyártó cég titánötvözetet használt olyan alkatrészeken, mint a fogaskerekek és a féknyereg dugattyúi. A sebességváltó alkatrészek közül Japánban jelenleg titánötvözet héjak nagysebességű fonással történő előállítására szolgáló eljárást dolgoznak ki. Az acélhéjakhoz képest a titánötvözet héjak jobban csökkenthetik a lendkerekek hatását, és jobb pufferhatást mutatnak.
Ezenkívül a titánötvözeteket autóipari rögzítőelemekben és egyéb alkatrészekben is használták. A titánötvözet-előkészítési technológia és az autóipar folyamatos fejlődésével a titánötvözetek minden bizonnyal többet fognak használni az autóalkatrészekben.

5. A titánötvözetek jelentősége a könnyű járművekben
Külföldi kutatóintézetek számításai szerint, ha egy autó saját tömege 10%-kal csökken, az üzemanyag-fogyasztás 6-8%-kal csökkenhet. Más tanulmányok kimutatták, hogy minden 91 kg-os súlycsökkentés után az átlagos jármű 0,43 km-rel többet tud megtenni literenként. Ezért hazám gazdaságának folyamatos fejlődésével és az autók számának folyamatos növekedésével az autók könnyűsúlyozása az energiafogyasztás csökkentésének és a légszennyezés csökkentésének egyik fontos módjává vált.
A titán és titánötvözet anyagokat kiváló fizikai és kémiai tulajdonságaik miatt jelenleg széles körben használják autóalkatrészekben. A titán anyagok használata nemcsak hatékonyan javítja az autó teljesítményét és biztonsági tényezőjét, hanem fontos szerepet játszik az autó könnyű súlyozásában is, hatékonyan csökkenti az autó saját tömegét és csökkenti az üzemanyag-fogyasztást.
A hagyományos rozsdamentes acél rendszerhez képest az autó kipufogórendszerében használt titán végfúvóka-visszavezető csőszerelvény körülbelül 8,2 kg-mal csökkentheti a súlyt. A titánötvözet termékek használata a hagyományos acél és öntöttvas helyett a motor részeiben, például szelepekben és hajtórudakban hatékonyan csökkentheti a motor tömegét.
A japán autóiparban végzett kutatások szerint körülbelül 0,8 kg titán alkatrész felhasználása egy autó teljesítményszelepében megegyezik a 20 kg acélalkatrészek által elért hatással; minden titán szelepülés körülbelül 10 grammal csökkentheti a súlyát az acél szelepüléshez képest; a titánötvözet hajtókarok és főtengelyek használata a leghatékonyabb a motor tömegének csökkentésében.

A rezgéscsökkentő rendszerben minden titánötvözet rugó több mint 60%-kal csökkentheti a súlyát az acélrugóhoz képest. A titánötvözet rugó cseréje után minden jármű 9-13,6 kg-mal csökkentheti a súlyát, ha járművenként 4 rugót használunk. Ezenkívül a titánötvözet hangtompító súlya csak 5-6 kg, ami 40%-kal könnyebb, mint a rozsdamentes acél hangtompító.
Példaként egy közönséges közepes méretű autót tekintve, ha a meglévő titánötvözet autóalkatrészeket használják a hagyományos alkatrészek helyettesítésére, akkor a jármű saját tömege körülbelül 1500 kg-ról körülbelül 1000 kg-ra csökken, 30%-os súlycsökkentés mellett, és az átfogó üzemanyag-fogyasztás több mint 20%-kal csökkenthető, ami nagymértékben csökkenti a világ üzemanyag-fogyasztását és hatékonyan enyhíti az energiahiány és a környezetszennyezés problémáit.

A fenti adatok azt mutatják, hogy a titánötvözetek használata jelentős hatással van az autók könnyű súlyára. A modern autóiparban a titán és titánötvözetek autóalkatrészekben való alkalmazási technológiáját folyamatosan fejleszteni kell a titánötvözetek gépjárművekben való felhasználási arányának növelése érdekében. Ezért a jövőben a fő feladat a titánötvözet alkatrészek árának csökkentése az olcsó titánötvözet anyagok fejlesztésével és a titánötvözet alapanyagok előállítási költségének csökkentésével, valamint a titánötvözet alkatrészek feldolgozási hatékonyságának javítása a feldolgozási technológia fejlesztésével. .