کاربرد فعلی آلیاژهای تیتانیوم در صنعت خودرو

در سالهای اخیر ، با توسعه سریع صنعت خودرو ، میزان مصرف سوخت ، حفاظت از محیط زیست و ایمنی ایجاد شده توسط خودروها توجه فزاینده ای را به خود جلب کرده است. مشتاقانه منتظر توسعه آینده صنعت خودرو ، سبک وزن ، مصرف سوخت کم و انتشار کم ، مضامین توسعه است. طبق آمار ادارات معتبر بین المللی ، 60 ٪ از انرژی احتراق سوخت خودرو با وزن خود مصرف می شود. اگرچه صفحات فولادی نازک با استحکام بالا ، آلومینیوم ، منیزیم ، مواد کامپوزیت مبتنی بر فلز و مواد رزین پلاستیکی در کاهش وزن خودروها نقش داشته اند ، اما ظهور مواد تیتانیوم صنعتی باعث شده است تا تولید خودرو انتخاب بهتری داشته باشد.

فلز تیتانیوم مزایای چگالی کم ، استحکام خاص و مقاومت در برابر خوردگی خوب را دارد. استفاده از مواد تیتانیوم در اتومبیل ها می تواند وزن بدن خودرو را به شدت کاهش دهد ، میزان مصرف سوخت را کاهش دهد ، راندمان کار موتور را بهبود بخشد ، محیط را بهبود بخشد و سر و صدا را کاهش دهد. با این حال ، قیمت بالا باعث می شود آلیاژهای تیتانیوم فقط در مدل های لوکس و اتومبیل های اسپرت در صنعت خودرو و به ندرت در اتومبیل های معمولی کاربردی داشته باشند. بنابراین ، تحقیق و توسعه آلیاژهای تیتانیوم کم هزینه که نیازهای بازار را برآورده می کند ، کلید ارتقاء کاربرد آن در اتومبیل های معمولی خانگی است.

کاربرد فعلی آلیاژهای تیتانیوم در صنعت خودرو
اگرچه آلیاژهای تیتانیوم به طور گسترده در صنایع هوافضا ، پتروشیمی و کشتی سازی مورد استفاده قرار گرفته اند ، اما کاربرد آنها در صنعت خودرو به آرامی توسعه یافته است. از زمان توسعه موفقیت آمیز اولین اتومبیل تمام تیتانیوم توسط جنرال موتورز در ایالات متحده در سال 1956 ، قطعات خودرو تیتانیوم تا دهه 1980 به سطح تولید انبوه نرسیدند. در دهه 1990 ، با افزایش تقاضا برای اتومبیل های لوکس ، اتومبیل های اسپرت و اتومبیل های مسابقه ، قطعات تیتانیوم به سرعت توسعه یافته اند. در سال 1990 ، مقدار تیتانیوم مورد استفاده در اتومبیل های سراسر جهان فقط 50 تن بود که در سال 1997 به 500 تن ، 1100 تن در سال 2002 و 3000 تن در سال 2009 رسید.

1. میله اتصال موتور

آلیاژ تیتانیوم یک انتخاب ایده آل برای اتصال مواد میله است. میله های اتصال موتور ساخته شده از آلیاژ تیتانیوم می توانند به طور موثری توده موتور را کاهش دهند ، راندمان سوخت را بهبود بخشند و حجم اگزوز را کاهش دهند. در مقایسه با میله های اتصال فولادی ، میله های اتصال تیتانیوم می توانند 15 ٪ جرم را به 2 {12}}} کاهش دهند. استفاده از میله های اتصال آلیاژ تیتانیوم برای اولین بار در موتورهای جدید Ferrari 3.5LV8 و Acura NSX ایتالیایی منعکس شد. مواد مورد استفاده برای میله های اتصال آلیاژ تیتانیوم به طور عمده ti {5}} al -4 v ، ti {7}} {{8} {{-3 al ، ti {10}} al} al {{11 {11}}. ti -4 al {14}} mo-sn {16}}. 5si ، و سایر مواد آلیاژ تیتانیوم مانند ti {18}} al -2} si {20}} mn و ti {{{{22 {22

2 شیرهای موتور

دریچه های موتور اتومبیل ساخته شده از آلیاژ تیتانیوم نه تنها می توانند وزن را کاهش داده و عمر خدمات را افزایش دهند بلکه باعث کاهش مصرف سوخت و بهبود قابلیت اطمینان خودرو نیز می شوند. در مقایسه با دریچه های فولادی ، شیرهای تیتانیوم می توانند وزن را 30 ٪ به 40 ٪ کاهش دهند و سرعت محدودیت موتور 20 ٪ افزایش می یابد. تا آنجا که به برنامه های فعلی مربوط می شود ، مواد شیر ورودی عمدتا ti {3}} al {4}} V است ، و مواد دریچه اگزوز عمدتا ti {5}} s است. معمولاً SN و AL برای به دست آوردن شکنندگی پایین تر و قدرت بالاتر به هم اضافه می شوند. علاوه بر این MO می تواند عملکرد حرارتی آلیاژ تیتانیوم را بهبود بخشد ، استحکام آلیاژ تیتانیوم خاموش و پیری را افزایش داده و سختی را افزایش دهد. سایر آلیاژهای تیتانیوم با پتانسیل توسعه عبارتند از:

1) شیر ورودی را می توان از Ti -62 S ساخته کرد ، که دارای ویژگی های مشابه Ti -6 al {3}} V است و ارزان تر است.

2) دریچه اگزوز را می توان از Ti -6 al -2 sn -4. {{4} zr {5}. با توجه به محتوای پایین MO ، مقاومت خزش آن بهتر از ti {9}} s است و دمای مقاومت در برابر اکسیداسیون می تواند به 600 درجه برسد.

3) دریچه اگزوز را می توان از Tial ساخته شد ، که ویژگی های مقاومت در برابر دمای بالا و وزن سبک را دارد ، اما برای پردازش با روش های سنتی جعل مناسب نیست و فقط برای ریخته گری و متالورژی پودر مناسب است.

3 صندلی بهاری دریچه

مقاومت بالا و مقاومت در برابر خستگی ، خواصی است که صندلی های بهاری دریچه باید داشته باشند. آلیاژ تیتانیوم یک آلیاژ قابل درمان با گرما است که می تواند از طریق درمان پیری محلول جامد استحکام بالایی کسب کند. مواد مناسب تر مربوط به Ti -15 -3 -3 al -3 sn و ti {6} mo -3 al {8}}. 7nb {10 {10 {2si. Mitsubishi Motors از Ti {12}} -4} al al All Alloy Valve Valve Spring صندلی بهار بر روی اتومبیل های تولید شده انبوه خود استفاده می کند ، که در مقایسه با قفل فولاد اصلی ، جرم را در مقایسه با قفل اصلی فولاد کاهش می دهد ، در مقایسه با قفل اصلی مکانیسم شیر 6 ٪ را کاهش می دهد و حداکثر سرعت موتور را 300R/MIN می کند.

4. بهار آلیاژ تیتانیوم

تیتانیوم و آلیاژهای آن دارای یک مدول الاستیک پایین تر و مقدار بزرگ σs/E نسبت به مواد فولادی هستند و برای تولید اجزای الاستیک مناسب هستند. در مقایسه با چشمه های خودروهای فلزی ، تحت فرض همان کار الاستیک ، ارتفاع چشمه های تیتانیوم تنها 40 ٪ از چشمه های فولادی است و جرم فقط 30 ٪ تا 40 ٪ از چشمه های فولادی است که برای طراحی بدن مناسب است. علاوه بر این ، عملکرد خستگی عالی و مقاومت در برابر خوردگی آلیاژهای تیتانیوم می تواند عمر سرویس چشمه ها را افزایش دهد. در حال حاضر ، مواد آلیاژ تیتانیوم که می توانند برای تولید چشمه های خودرو استفاده شوند شامل Ti {3}}. 5fe6.8mo -1. 5al و ti {9}} v11c -3 al.

5. توربوشارژر

توربوشارژرها می توانند راندمان احتراق موتور را بهبود بخشیده و قدرت و گشتاور موتور را تقویت کنند. روتور توربین توربوشارژر باید برای مدت طولانی در گاز اگزوز با دمای بالا بالاتر از 850 درجه کار کند ، بنابراین به مقاومت در برابر گرما نیاز دارد. فلزات سبک سنتی مانند آلیاژهای آلومینیوم به دلیل کمترین نقطه ذوب آنها قابل استفاده نیستند. اگرچه به دلیل وزن سبک و مقاومت در برابر درجه حرارت بالا ، از مواد سرامیکی در روتورهای توربین استفاده می شود ، اما کاربرد آنها به دلیل هزینه زیاد و عدم توانایی در بهینه سازی شکل محدود است. به منظور حل این مشکلات ، Tetsui و همکاران. روتور توربین Tial را توسعه داد. پس از بسیاری از آزمایشات و تأییدیه ها ، نه تنها دوام و کارآیی خوبی دارد بلکه می تواند شتاب موتور را بهبود بخشد. این طرح با موفقیت در سری تکامل میتسوبیشی لنسر تجاری شده است.

6. سیستم اگزوز و صدا خفه کن

تیتانیوم در مقادیر زیادی در سیستم اگزوز خودروها استفاده می شود. سیستم های اگزوز ساخته شده از تیتانیوم و آلیاژهای آن نه تنها می توانند قابلیت اطمینان را بهبود بخشند ، عمر را گسترش دهند و ظاهر را بهبود بخشند ، بلکه باعث کاهش وزن و بهبود راندمان احتراق سوخت نیز می شوند. در مقایسه با سیستم های اگزوز فلزی ، سیستم های اگزوز تیتانیوم می توانند وزن را حدود 40 ٪ کاهش دهند. در سری اتومبیل های گلف ، وزن سیستم های اگزوز تیتانیوم را می توان با 7 تا 9 کیلوگرم کاهش داد. در حال حاضر ، تیتانیوم مورد استفاده در سیستم های اگزوز عمدتا تیتانیوم خالص صنعتی است.

وزن یک صدا خفه کن تیتانیوم فقط 5 تا 6 کیلوگرم است که سبک تر از صدا خفه کن مانند فولاد ضد زنگ است. 2000 شورولت Corvette Z06 از سیستم کلوچه تیتانیوم 11.8 کیلوگرم برای جایگزینی سیستم اصلی فولاد ضد زنگ 20 کیلوگرم اصلی استفاده می کند و وزن آن را 41 ٪ کاهش می دهد. استحکام سیستم جایگزین بدون تغییر باقی می ماند و ماشین سریعتر ، انعطاف پذیر تر و کارآمدتر از سوخت است. تیتانیوم مورد استفاده در صدا خفه کن نیز عمدتا تیتانیوم خالص صنعتی است.

7. قسمت قاب بدنه

به منظور بهبود ایمنی و قابلیت اطمینان خودرو ، لازم است جنبه های طراحی و ساخت ، به ویژه مواد تولیدی را در نظر بگیرید. تیتانیوم ماده خوبی برای ساخت فریم های بدن است. این نه تنها از قدرت خاص بالایی برخوردار است ، بلکه سختی خوبی دارد. در ژاپن ، تولید کنندگان خودرو لوله های جوش داده شده با تیتانیوم فلزی را برای ساخت فریم های بدن انتخاب می کنند که این امر باعث می شود رانندگان هنگام رانندگی به اندازه کافی ایمن باشند.

8. سایر قطعات آلیاژ تیتانیوم

علاوه بر قسمت های فوق ، تیتانیوم نیز در بازوهای موتور موتور ، چشمه های تعلیق ، پین های پیستون موتور ، اتصال دهنده های خودرو ، آجیل لنگ ، پرتوهای بیرون زدگی درب اتومبیل ، براکت های توقف اتومبیل ، پیستون های کولیس ترمز ، پیچ و مهره های پین ، پلاک های فشار ، دکمه های تغییر و دیسک های کلاچ ماشین و سایر قطعات خودرو استفاده می شود.

استفاده از آلیاژهای تیتانیوم

1. مزایا

آلیاژهای تیتانیوم مزایای وزن سبک ، استحکام خاص و مقاومت در برابر خوردگی خوب را دارند ، بنابراین آنها به طور گسترده در صنعت خودرو مورد استفاده قرار می گیرند. پرکاربردترین آلیاژ تیتانیوم سیستم موتور خودرو است. استفاده از آلیاژهای تیتانیوم برای تولید قطعات موتور ، که عمدتا در موارد زیر است ، فواید زیادی وجود دارد:

1) چگالی کم آلیاژهای تیتانیوم می تواند توده اینرسی قطعات متحرک را کاهش دهد. در عین حال ، چشمه های شیر تیتانیوم می توانند لرزش رایگان را افزایش دهند ، لرزش بدنه خودرو را کاهش داده و سرعت موتور و قدرت خروجی را افزایش دهند.

2) جرم اینرسی قطعات متحرک را کاهش داده و از این طریق اصطکاک را کاهش داده و راندمان سوخت موتور را کاهش می دهد.

3) انتخاب آلیاژ تیتانیوم می تواند تنش بار قطعات مرتبط را کاهش داده و اندازه قطعات را کاهش دهد و در نتیجه وزن موتور و کل وسیله نقلیه را کاهش می دهد.

4) کاهش توده اینرسی قطعات باعث کاهش لرزش و سر و صدا می شود و عملکرد موتور را بهبود می بخشد.

استفاده از آلیاژ تیتانیوم در سایر قسمت ها می تواند راحتی پرسنل و زیبایی ماشین را بهبود بخشد. در استفاده از صنعت خودرو ، آلیاژ تیتانیوم نقش مهمی در صرفه جویی در مصرف انرژی و کاهش مصرف دارد.

2. محدودیت های برنامه

اگرچه قطعات آلیاژ تیتانیوم چنین عملکردی برتر دارند ، اما هنوز راه طولانی قبل از تیتانیوم وجود دارد و آلیاژهای آن به طور گسترده در صنعت خودرو استفاده می شود. دلایل آن شامل قیمت های گران قیمت ، شکل گیری ضعیف و عملکرد ضعیف جوش است.

با توسعه آلیاژ تیتانیوم نزدیک به شبکه و فن آوری های جوشکاری مدرن مانند جوشکاری پرتوی الکترونی ، جوش قوس پلاسما و جوشکاری لیزر در سالهای اخیر ، مشکلات شکل گیری و جوشکاری آلیاژهای تیتانیوم دیگر عوامل اصلی محدود کننده استفاده از آلیاژهای تیتانیم نیست. دلیل اصلی مانع کاربرد گسترده آلیاژهای تیتانیوم در صنعت خودرو هنوز هزینه بالایی است.

چه ذوب اولیه فلز یا پردازش بعدی باشد ، قیمت آلیاژهای تیتانیوم بسیار بالاتر از سایر فلزات است. هزینه قابل قبول قطعات تیتانیوم برای صنعت خودرو 8 تا 13 دلار در کیلوگرم برای میله های اتصال تیتانیوم ، 13 تا 20 دلار در کیلوگرم برای دریچه های تیتانیوم و کمتر از 8 دلار در کیلوگرم برای چشمه های تیتانیوم ، سیستم های اگزوز موتور و اتصال دهنده ها است. با این حال ، هزینه قطعات تولید شده با مواد تیتانیوم بسیار بیشتر از این قیمت ها است. هزینه تولید صفحات تیتانیوم بیشتر از 33 دلار در کیلوگرم است که 6 تا 15 برابر صفحات آلومینیومی و 45 تا 83 برابر صفحات فولادی است.

وضعیت فعلی تحقیق در مورد آلیاژهای تیتانیوم برای خودروها

در حال حاضر ، کاهش هزینه ها جهت اصلی تحقیق آلیاژهای تیتانیوم برای صنعت خودرو است. با توجه به ویژگی های توزیع هزینه آلیاژهای تیتانیوم برای صنعت خودرو ، کارگران تحقیق و توسعه مادی عمدتاً به هدف کاهش هزینه ها از دو جنبه زیر دست می یابند: توسعه سیستم های جدید آلیاژ کم هزینه و استفاده از فناوری های جدید پردازش و آماده سازی.

1. سیستم آلیاژ تیتانیوم کم هزینه جدید

کارگران کشورهای مختلف سیستم های آلیاژ تیتانیوم کم هزینه جدید را توسعه داده اند ، که عمدتاً روی جنبه های زیر متمرکز شده اند: طراحی آلیاژ با استفاده از عناصر آلیاژ ارزان و طراحی آلیاژ برای بهبود ویژگی های پردازش. در میان آنها ، ژاپن و ایالات متحده نمایندگان هستند و کشور من نیز با موفقیت دو آلیاژ تیتانیوم کم هزینه ، یعنی TI8LC و TI12LC را با موفقیت توسعه داده است. در طراحی اجزای آلیاژ تیتانیوم کم هزینه برای خودروها ، عناصر آلیاژ ارزان قیمت معمولاً FE ، CR ، SI ، AL و غیره هستند.

2. فناوری پردازش و آماده سازی جدید

هزینه پردازش مواد آلیاژ تیتانیوم بیش از 60 ٪ از کل هزینه را در طی فرآیند تولید تشکیل می دهد. بنابراین ، از نظر کاهش هزینه ها ، نحوه کاهش هزینه پردازش آلیاژهای تیتانیوم به یک جهت اصلی تحقیق تبدیل شده است. تحقیقات در این زمینه عمدتاً به دو جنبه تقسیم می شود: یکی بهبود روند سنتی ریخته گری و جعل و دیگری استفاده از متالورژی پودر در نزدیکی شبکه است.

در تحقیق و توسعه فرآیندهای جدید جعل ، جعل سرماخوردگی در حال حاضر یکی از امیدوار کننده ترین روش ها برای آلیاژهای تیتانیوم برای تولید قطعات خودرو است. -آلیاژ تیتانیوم مقاومت در برابر تغییر شکل کم در دمای اتاق و پردازش و تشکیل برش مناسب دارد. این ماده ای است که می تواند سرماخوردگی باشد. در حال حاضر ، ژاپن سه آلیاژهای تایتانیوم دفاعی سرد را ایجاد کرده است. -آلیاژ تیتانیوم نیز کاستی هایی دارد. تولید تغییر شکل ناهموار در هنگام جعل سرد آسان است و به راحتی می توان به قالب رعایت کرد. بنابراین ، تولید انبوه قطعات آلیاژ تیتانیوم با استفاده از فناوری جعل سرما ، نیاز به اکتشاف و توسعه بیشتر دارد.

از نظر کاهش هزینه پردازش آلیاژهای تیتانیوم ، متالورژی پودر یک فناوری بسیار مهم است. در ساخت قطعات خودروهای متالورژی پودر ، روش سنتی فشار دادن فشار هنوز غالب است ، عمدتاً از جمله روش پودر عنصر (BE) و روش پودر از پیش آلیاژ شده (PA). در حال حاضر ، روش پودر Element بیشترین استفاده در زمینه متالورژی پودر آلیاژ تیتانیوم کم هزینه خودرو به دلیل فرآیند ساده و هزینه پایین آن است. در سالهای اخیر ، سایر فن آوری های متالورژی پودر نیز در حال ظهور هستند ، از جمله فناوری تشکیل لیزر ، قالب تزریق پودر فلزی (MIM) و سایر فناوری ها ، که به طور گسترده در تولید آزمایش و تولید قطعات پیچیده خودرو مورد استفاده قرار گرفته اند ، که می تواند چرخه توسعه و تولید محصول را بسیار کوتاه کند و هزینه های بیشتری را کاهش دهد.

پایان

نسل جدید طراحی خودرو توجه بیشتری به بدنه سبک ، مصرف سوخت کم ، سر و صدای کم و لرزش نور موتور برای برآورده کردن نیازهای فزاینده ای سختگیرانه محیطی می کند. در این زمینه ، تیتانیوم فلزی سبک به یک ماده اصلی برنامه برای خودروهای آینده تبدیل می شود.

با در نظر گرفتن وضعیت فعلی تحقیقات آلیاژ تیتانیوم کم هزینه برای خودروها ، می توان دریافت که برای کاهش بیشتر هزینه آلیاژ تیتانیوم برای خودروها ، تحقیقات زیر باید روی آن متمرکز شود:

1) در توسعه سیستم های آلیاژ کم هزینه ، سعی کنید سیستم های آلیاژی را ایجاد کنید که از عناصر آلیاژ کمتری استفاده نمی کنند یا از آن استفاده نمی کنند بدون اینکه بر عملکرد تأثیر بگذارند و در عین حال ، آلیاژهای تیتانیوم بازیافتی را کاملاً توسعه و استفاده کنید.

2) در توسعه فرآیندهای ریخته گری و جعل ، در جهت توسعه آلیاژهای تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم با رنگ آمیزی سرد و انجام مطالعات امکان سنجی در مورد تولید انبوه آنها توسعه یافته است.

3) در متالورژی پودر ، ضمن اطمینان از مزیت کم هزینه ، لازم است عملکرد قطعات تیتانیوم را بیشتر بهبود بخشید.

با توسعه اقتصاد و کاهش هزینه های تیتانیوم ، طراحان مهندسی بیشتر قطعات تیتانیوم را به عنوان قطعات خودرو انتخاب می کنند. آلیاژهای تیتانیوم سرانجام موقعیت مهمی را در تولید صنعت خودرو اشغال می کنند.