Aplicació d'aliatges de titani a la fabricació d'automòbils lleugers
Els aliatges de titani i titani tenen les característiques de baixa densitat, excel·lents propietats mecàniques, bona biocompatibilitat, resistència a la corrosió, resistència a altes temperatures i bona tenacitat a baixa temperatura. S'han utilitzat àmpliament en el camp de la fabricació d'automòbils. La densitat de l'aliatge de titani és només el 60% de la de l'acer, mentre que la resistència pot arribar a més de 800 MPa. Encara manté bones propietats mecàniques al voltant dels 500 graus, i té bones propietats de soldadura i conformació. S'ha utilitzat en la fabricació de cotxes de carreres fa més de 20 anys, reduint molt el pes dels motors de competició i millorant el rendiment del motor.
Actualment, les peces d'aliatge de titani que s'utilitzen en la fabricació d'automòbils es distribueixen principalment en sistemes d'escapament d'automòbils, sistemes de motor, sistemes de transmissió i reducció de vibracions i marcs de carrosseria.
1. Sistema d'escapament
Els materials dels sistemes d'escapament d'automòbils han de tenir bones propietats mecàniques a alta temperatura i resistència a la corrosió per elements S i Cl. Els components tradicionals de la vàlvula d'escapament estan fets d'acer inoxidable, però la gent ha trobat que els aliatges de titani són més adequats per utilitzar-los com a materials de vàlvules d'escapament en termes de rendiment.
El tub de retorn de titani que s'utilitza al nou Chevrolet Corvette Z206 evita eficaçment els problemes d'òxid de soldadura que es produeixen a les canonades d'acer inoxidable, alhora que millora l'eficiència de la combustió i les capacitats d'acceleració, i escurça les distàncies de frenada.
Timet, el fabricant de titani més gran dels Estats Units, s'ha compromès amb la investigació, el desenvolupament i la fabricació de sistemes d'escapament d'aliatge de titani. Moltes empreses japoneses també han dut a terme treballs d'investigació i desenvolupament relacionats. En l'actualitat, Fuji Heavy Industries, Ltd té una producció limitada de 440 jocs de tubs d'escapament d'automòbils d'aliatge de titani.
2. Sistema de motor
El sistema del motor de l'automòbil és la peça que utilitza més aliatge de titani en el camp de l'automoció. L'aplicació de l'aliatge de titani al sistema del motor inclou principalment vàlvules, bieles, cigonyals, seients de vàlvules i altres peces.
Honda Motor Corporation of Japan utilitza bielles de titani forjat al motor NSX Racing V-6; Mitsubishi Motors utilitza seients de moll de vàlvules de titani en motors de quatre cilindres de gran capacitat i també s'utilitzen bielles de titani als cotxes Porsche.
(1) Vàlvula
Pel que fa a les vàlvules d'aliatge de titani, els Estats Units i el Japó han dut a terme molts treballs de recerca. Actualment, els Estats Units utilitzen un aliatge Ti-6Al{-4V per fabricar vàlvules d'admissió i Ti-6Al-2Sn{-4Zr{-2Mo aliatge per fer vàlvules d'escapament; mentre que Toyota del Japó utilitza l'aliatge Ti-6Al{-4V/Ti B per fer vàlvules d'admissió i l'aliatge Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Nb-Si/Ti B per fer vàlvules d'escapament. Aquests tipus d'aliatges de titani tenen bones propietats mecàniques a alta temperatura, resistència a l'oxidació i resistència a la fluència, que milloren eficaçment el rendiment del motor i augmenten la velocitat del vehicle.
(2) Seient de la vàlvula
Els seients de vàlvules d'aliatge de titani s'han utilitzat àmpliament en cotxes de carreres i esportius, amb una producció anual de més de 250 jocs000. Estan fets principalment d'aliatge Ti{-6Al-4V o Ti-5Al{-2Cr{-1Fe. Atès que la forma del seient de la vàlvula és relativament senzilla, no requereix grans requisits de mecanitzat i no requereix tractament superficial especial. És relativament barat i té un efecte significatiu en la reducció del pes del cotxe.
(3) Bielles
L'ús de bielles d'aliatge de titani pot reduir eficaçment el pes del motor i millorar el rendiment del cotxe. El principal material de preparació és l'aliatge Ti-6Al{-4V. La japonesa Daido Co., Ltd. està desenvolupant actualment un aliatge de titani bifàsic Ti-3Al-2V{-0.2Si-0.47Ce-0.27La . Aquest aliatge té una bona mecanització i també és excel·lent en propietats mecàniques, propietats a la fatiga i resistència a la corrosió. S'espera que s'utilitzi a les parts de biela del motor que estan subjectes a una ràpida acceleració i desacceleració.
(4) Cigonyals
Tot i que els cigonyals d'aliatge de titani no s'han utilitzat àmpliament actualment, l'aliatge Ti-3Al{-2.5V desenvolupat especialment pel Japó s'ha verificat als cotxes de carreres Honda. Tot i que redueix eficaçment el pes, ha augmentat la velocitat del motor en 700 r/min, demostrant la superioritat dels cigonyals d'aliatge de titani. Al mateix temps, el Japó ha produït a prova cigonyals d'aliatge de Ti-5Al{-2Cr-Fe, amb l'esperança que els aliatges de titani s'utilitzin més àmpliament a les peces del cigonyal.
3. Sistema de reducció de vibracions
El component bàsic del sistema de suspensió de reducció de vibracions de l'automòbil és la molla de suspensió. En comparació amb l'acer de molla d'automòbil general, l'aliatge de titani té una resistència específica més alta i un mòdul de cisalla més baix i una resistència a la fatiga més alta, cosa que el fa més adequat per a la fabricació de molles que absorbeixen els xocs d'automòbil. Com que la deflexió de la molla és proporcional al nombre de voltes i inversament proporcional al mòdul de cisalla del material, les molles d'aliatge de titani requereixen menys voltes que les molles d'acer per aconseguir la mateixa resposta de molla, reduint eficaçment la massa de la molla i estalviant espai.
Al mateix temps, les molles d'aliatge de titani també poden augmentar eficaçment la freqüència de ressonància de la molla i augmentar la seva vida útil. Actualment, la majoria de molles d'aliatge de titani estan fetes d'aliatge de titani monofàsic. Volkswagen ha utilitzat molles d'engranatge d'aliatge de titani Lupo FSI en alguns cotxes, amb un ús d'uns 3.500 vehicles.
4. Marc corporal
Pel que fa als components de la carrosseria, la resistència específica més alta de l'aliatge de titani, la menor densitat i la bona resistència a la corrosió indiquen que és un bon material per preparar els marcs de la carrosseria. Actualment, algunes empreses d'automòbils han utilitzat aliatges de titani en peces com ara suports d'engranatges i pistons de pinces de fre. Entre les peces de transmissió, el Japó està desenvolupant actualment un procés per preparar carcassas d'aliatge de titani mitjançant filatura a alta velocitat. En comparació amb les closques d'acer, les carcassas d'aliatge de titani poden reduir millor l'impacte dels volants i tenir millors efectes d'amortiment.
A més, els aliatges de titani també s'han utilitzat en elements de fixació d'automòbils i altres peces. Amb el desenvolupament continu de la tecnologia de preparació d'aliatges de titani i la indústria de l'automòbil, els aliatges de titani segurament s'utilitzaran més en peces d'automòbil.
5. La importància dels aliatges de titani per als vehicles lleugers
Institucions d'investigació estrangeres han calculat que quan el pes d'un cotxe disminueix en un 10%, el consum de combustible es pot reduir entre un 6% i un 8%. Altres estudis han demostrat que per cada reducció de pes de 91 kg, el vehicle mitjà pot recórrer 0,43 km més per litre de combustible. Per tant, amb el desenvolupament continu de l'economia del meu país i l'augment continu del nombre de cotxes, la lleugeresa dels cotxes s'ha convertit en una de les maneres importants de reduir el consum d'energia i reduir la contaminació de l'aire.
Els materials d'aliatge de titani i titani s'utilitzen actualment àmpliament en peces d'automòbil a causa de les seves excel·lents propietats físiques i químiques. L'ús de materials de titani no només millora eficaçment el rendiment i el factor de seguretat del cotxe, sinó que també té un paper important a l'hora d'alleugerir el cotxe, reduint eficaçment el pes del cotxe i reduint el consum de combustible.
En comparació amb el sistema tradicional d'acer inoxidable, el conjunt de tubs de retorn de broquet de cua de titani utilitzat al sistema d'escapament de l'automòbil pot reduir el pes en uns 8,2 kg. L'ús de productes d'aliatge de titani en lloc de materials tradicionals d'acer i ferro colat a les peces del motor, com ara vàlvules i bielles, pot reduir eficaçment el pes del motor.
Segons la investigació de la indústria automobilística japonesa, l'ús d'uns 0,8 kg de peces de titani a la vàlvula de potència d'un automòbil és equivalent a l'efecte aconseguit amb 20 kg de peces d'acer; cada seient de la vàlvula de titani pot reduir el pes d'uns 10 g en comparació amb el seient de la vàlvula d'acer; l'ús d'aliatge de titani per a bieles i cigonyals és més eficaç per reduir el pes del motor.
En el sistema de reducció de vibracions, cada molla d'aliatge de titani pot reduir el pes de més d'un 60% en comparació amb la molla d'acer. Calculat a partir de 4 molles de suspensió per vehicle, després de substituir la molla d'aliatge de titani, cada vehicle pot reduir el pes en 9 ~ 13,6 kg. A més, el pes del silenciador d'aliatge de titani és de només 5 ~ 6 kg, que és un 40% més lleuger que el silenciador d'acer inoxidable.
Prenent com a exemple un cotxe normal de mida mitjana, si les peces d'automòbil d'aliatge de titani existents s'utilitzen per substituir les peces tradicionals, el pes del vehicle es reduirà d'uns 1500 kg a uns 1000 kg, amb una taxa de reducció de pes del 30% i el consum global de combustible es pot reduir en més d'un 20%, cosa que reduirà considerablement el consum de combustible del món i alleujarà eficaçment els problemes d'escassetat d'energia i contaminació ambiental.
Les dades anteriors mostren que l'ús d'aliatges de titani té un efecte significatiu en la lleugeresa dels automòbils. A la indústria automobilística moderna, la tecnologia d'aplicació de titani i aliatges de titani en peces d'automòbil s'ha de desenvolupar contínuament per augmentar la proporció d'aplicació d'aliatges de titani en automòbils. Per tant, la tasca principal en el futur hauria de ser reduir el preu de les peces d'aliatge de titani desenvolupant materials d'aliatge de titani barats i reduint el cost de producció de les matèries primeres d'aliatge de titani, i millorar l'eficiència de processament de les peces d'aliatge de titani millorant la tecnologia de processament. .
