کاربردهای 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 خودروسازی به کندی توسعه یافته است. با شروع موفقیت آمیز اولین خودروی تمام تیتانیومی توسط جنرال موتورز در ایالات متحده در سال 1956، قطعات خودرو تیتانیومی تا دهه 1980 به سطح تولید انبوه نرسیدند. در دهه 1990، با افزایش تقاضا برای خودروهای لوکس، خودروهای اسپورت و خودروهای مسابقه ای سال به سال، قطعات خودرو تیتانیومی قطعات تولیدی به سرعت توسعه یافتند. در سال 1990، مقدار تیتانیوم مورد استفاده در خودروها در سراسر جهان تنها 50 تن بود. در سال 1997 به 500 تن رسید. در سال 2002 به 1100 تن رسید. در سال 2009، به 3،{13}} تن رسید. پیش بینی می شود که مقدار تیتانیوم مورد استفاده در خودروها در سراسر جهان در سال 2015 از 5 تن تجاوز کند. در حال حاضر، انواع زیر از قطعات آلیاژ تیتانیوم معمولا استفاده می شود.

1. شاتون موتور
آلیاژ تیتانیوم یک ماده ایده آل برای میله های اتصال است. میله های اتصال موتور ساخته شده از آلیاژ تیتانیوم می توانند به طور موثر جرم 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 جرم را 15% تا 2{12}}% کاهش دهند. کاربرد میله های اتصال آلیاژ تیتانیوم برای اولین بار در سدان جدید فراری ایتالیا 3.5LV8 و موتور NSX آکورا منعکس شد. مواد اصلی مورد استفاده در میله های اتصال آلیاژ تیتانیوم Ti-6Al-4V، Ti-10V-2Fe-3Al، Ti{10}} است. Al-2.0V و Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si. سایر مواد آلیاژ تیتانیوم مانند Ti{18}}Al کاربرد -2Si-4Mn و Ti{21}}M-4Mo در شاتون‌های اتصال نیز در دست توسعه است.
2.شیر موتور
سوپاپ های موتور خودرو ساخته شده از آلیاژ تیتانیوم نه تنها می توانند جرم را کاهش دهند و عمر مفید را افزایش دهند، بلکه باعث کاهش مصرف سوخت و بهبود قابلیت اطمینان خودرو می شوند. در مقایسه با سوپاپ‌های فولادی، سوپاپ‌های تیتانیومی می‌توانند جرم را 30% تا 40% کاهش دهند و حداکثر سرعت موتور را می‌توان تا 20% افزایش داد. تا آنجایی که به کاربردهای فعلی مربوط می شود، ماده شیر ورودی عمدتاً Ti-6Al-4V است و مواد دریچه اگزوز عمدتاً Ti-6242S است. معمولاً Sn و Al با هم جمع می شوند تا شکنندگی کمتر و استحکام بالاتری به دست آید. افزودن مو می تواند خواص عملیات حرارتی آلیاژهای تیتانیوم را بهبود بخشد، استحکام کوئنچینگ و پیری آلیاژهای تیتانیوم را افزایش دهد و سختی را افزایش دهد. سایر آلیاژهای تیتانیوم با پتانسیل توسعه عبارتند از:
1) شیر ورودی می تواند از Ti-62S ساخته شود که خواصی معادل Ti-6Al-4V دارد و ارزانتر است.
2) سوپاپ اگزوز می تواند از Ti-6Al-2Sn-4 ساخته شود.0Zr-0.4-Mo{{7} }.45Si. به دلیل محتوای Mo کمتر، مقاومت خزشی آن بهتر از Ti-6242S است و مقاومت اکسیداسیون آن می تواند به 600 درجه برسد. .
3) سوپاپ اگزوز می تواند از TiAl ساخته شود که ویژگی های مقاومت در برابر دمای بالا و وزن سبک را دارد، اما برای روش های آهنگری سنتی در طول پردازش مناسب نیست. این فقط برای ریخته گری و پردازش متالورژی پودر مناسب است.
3. نشیمنگاه فنری سوپاپ
استحکام بالا و مقاومت در برابر خستگی از ویژگی های لازم برای نشیمنگاه فنر سوپاپ است. آلیاژ بتا تیتانیوم یک آلیاژ عملیات حرارتی است که می تواند از طریق عملیات پیری محلول جامد استحکام بالایی به دست آورد. مواد مناسب تر مربوطه عبارتند از Ti-15V-3Cr- 3Al-3Sn و Ti-15Mo-3Al-2 .7Nb-0.2Si. میتسوبیشی موتورز از فنر صندلی‌های شیر آلیاژ تیتانیوم Ti{11}V{{12} در خودروهای تولیدی در مقیاس بزرگ خود استفاده می‌کند، که جرم را تا 42 درصد در مقایسه با قفل‌های فولادی اصلی کاهش می‌دهد و جرم اینرسی دریچه را کاهش می‌دهد. مکانیزم 6% و حداکثر دور موتور را افزایش می دهد. 300 دور در دقیقه
4. فنر آلیاژ تیتانیوم
تیتانیوم و آلیاژهای آن نسبت به مواد فولادی مدول الاستیک کمتر و مقدار σs/E بزرگتری دارند که آنها را برای ساخت اجزای الاستیک مناسب می‌سازد. در مقایسه با فنرهای فولادی خودرو، با فرض همان کار الاستیک، ارتفاع فنرهای تیتانیوم تنها 40٪ فنرهای فولادی است و جرم آن تنها 30٪ تا 40٪ از فنرهای فولادی است که طراحی بدنه خودرو را تسهیل می کند. علاوه بر این، خواص خستگی عالی و مقاومت در برابر خوردگی آلیاژ تیتانیوم می تواند عمر مفید فنر را افزایش دهد. در حال حاضر، مواد آلیاژ تیتانیوم که می توانند برای ساخت فنرهای خودرو استفاده شوند عبارتند از Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al و Ti-13V11C-3Al.
5. توربوشارژر
توربوشارژرها می توانند راندمان احتراق موتور را بهبود بخشند و قدرت و گشتاور موتور را افزایش دهند. روتور توربین توربوشارژر باید در گازهای خروجی با دمای بالا بالای 850 درجه برای مدت طولانی کار کند، بنابراین به مقاومت حرارتی خوبی نیاز دارد. فلزات سبک سنتی مانند آلیاژهای آلومینیوم به دلیل نقطه ذوب پایین آنها قابل استفاده نیستند. اگرچه از مواد سرامیکی در روتورهای توربین به دلیل وزن سبک و مقاومت خوب در دمای بالا استفاده می شود، اما کاربرد آنها به دلیل هزینه بالا و ناتوانی در بهینه سازی شکل آنها محدود است. به منظور حل این مشکلات، Tetsui و دیگران روتور توربین TiAl را توسعه دادند. پس از آزمایش های فراوان، تایید شده است که نه تنها دوام و کارایی خوبی دارد، بلکه می تواند شتاب موتور را نیز بهبود بخشد. این طرح با موفقیت در سری میتسوبیشی لنسر Evolution تجاری سازی شده است.
6. سیستم اگزوز و صدا خفه کن
تیتانیوم به طور گسترده در سیستم های اگزوز خودرو استفاده می شود. سیستم های اگزوز ساخته شده از تیتانیوم و آلیاژهای آن نه تنها می توانند قابلیت اطمینان، افزایش عمر و بهبود ظاهر را افزایش دهند، بلکه باعث کاهش جرم و بهبود راندمان احتراق سوخت می شوند. در مقایسه با سیستم های اگزوز فولادی، سیستم های اگزوز تیتانیوم می توانند جرم را تقریباً 40٪ کاهش دهند. در خودروهای سری گلف، جرم سیستم اگزوز تیتانیومی را می توان 7 تا 9 کیلوگرم کاهش داد. در حال حاضر، ماده تیتانیوم مورد استفاده در سیستم اگزوز عمدتا تیتانیوم خالص صنعتی است.
صدا خفه کن تیتانیومی تنها 5 تا 6 کیلوگرم وزن دارد که از فولاد ضد زنگ و سایر صدا خفه کن ها سبک تر است. شورولت کوروت Z06 مدل 2000 از یک صدا خفه کن تیتانیوم و سیستم لوله اگزوز 11.8 کیلوگرمی به جای سیستم اصلی فولاد ضد زنگ 20 کیلوگرمی استفاده می کند و جرم را تا 41 درصد کاهش می دهد. سیستم جایگزین شده استحکام خود را حفظ می کند و باعث می شود خودرو سریعتر، انعطاف پذیرتر و مصرف سوخت بیشتر شود. مواد تیتانیوم مورد استفاده در صدا خفه کن نیز عمدتا تیتانیوم خالص صنعتی است.
7. قسمت قاب بدن
به منظور بهبود ایمنی و قابلیت اطمینان خودروها، باید جنبه های طراحی و ساخت، به ویژه مواد ساخت را در نظر گرفت. تیتانیوم ماده بسیار خوبی است که برای ساخت قاب بدنه خودرو استفاده می شود. این نه تنها از استحکام ویژه بالایی برخوردار است، بلکه از چقرمگی خوبی نیز برخوردار است. در ژاپن، خودروسازان لوله های جوش داده شده با تیتانیوم خالص را برای ساخت قاب بدنه انتخاب می کنند. این نوع قاب می تواند به رانندگان در هنگام رانندگی احساس امنیت کند.
8. سایر قطعات آلیاژ تیتانیوم
علاوه بر اجزای فوق، تیتانیوم همچنین در بازوهای موتور، فنرهای تعلیق، پین‌های پیستون موتور، بست‌های خودرو، مهره‌ها، تیرهای بیرون زده درب خودرو، براکت‌های دنده خودرو، پیستون‌های کالیپر ترمز، پیچ‌های پین، قطعات فشاری خودرو مانند صفحات، دکمه های تعویض دنده و دیسک های کلاچ خودرو.

1. مزایا

آلیاژهای تیتانیوم دارای مزایای وزن سبک، استحکام ویژه بالا و مقاومت در برابر خوردگی خوب هستند، بنابراین آنها به طور گسترده در صنعت خودرو استفاده می شوند. رایج ترین استفاده از آلیاژهای تیتانیوم در سیستم های موتور خودرو است. استفاده از آلیاژهای تیتانیوم برای ساخت قطعات موتور مزایای زیادی دارد که عمدتاً در موارد زیر است:
1) چگالی کم آلیاژ تیتانیوم می تواند جرم اینرسی قطعات متحرک را کاهش دهد. در عین حال، فنرهای سوپاپ تیتانیومی می توانند لرزش آزاد را افزایش دهند، لرزش بدنه خودرو را ضعیف کنند و سرعت موتور و قدرت خروجی را افزایش دهند.
2) کاهش جرم اینرسی قطعات متحرک، در نتیجه کاهش اصطکاک و بهبود بازده سوخت موتور.
3) انتخاب آلیاژ تیتانیوم می تواند تنش بار قطعات مرتبط را کاهش دهد و اندازه قطعات را کاهش دهد و در نتیجه وزن موتور و کل خودرو را کاهش دهد.
4) کاهش جرم اینرسی اجزاء باعث کاهش لرزش و صدا و بهبود عملکرد موتور می شود.
استفاده از آلیاژهای تیتانیوم در سایر اجزا می تواند راحتی پرسنل و زیبایی خودروها را بهبود بخشد. در کاربردهای صنعت خودرو، آلیاژهای تیتانیوم نقش بی‌اندازه‌ای در صرفه‌جویی در مصرف انرژی و کاهش مصرف داشته‌اند.
2. محدودیت های کاربردی
اگرچه قطعات آلیاژ تیتانیوم دارای چنین خواص برتری هستند، اما هنوز راه زیادی تا استفاده گسترده تیتانیوم و آلیاژهای آن در صنعت خودرو وجود دارد. دلایل آن عبارتند از قیمت بالا، شکل پذیری ضعیف و عملکرد ضعیف جوش.
با توسعه آلیاژ تیتانیوم در نزدیکی فناوری شکل شبکه و فناوری‌های نوین جوشکاری مانند جوشکاری با پرتو الکترونی، جوشکاری قوس پلاسما و جوش لیزری در سال‌های اخیر، مشکلات شکل‌دهی و جوشکاری آلیاژهای تیتانیوم دیگر عوامل کلیدی محدودکننده کاربرد تیتانیوم نیستند. آلیاژها دلیل اصلی استفاده از آن در صنعت خودرو، قیمت بالای آن است.
چه ذوب اولیه فلز و چه فرآوری بعدی، قیمت آلیاژهای تیتانیوم بسیار بالاتر از سایر فلزات است. هزینه قطعات تیتانیومی که صنعت خودرو می تواند بپذیرد برای شاتون های اتصال 8 تا 13 دلار آمریکا به ازای هر کیلوگرم، 13 تا 20 دلار آمریکا برای سوپاپ ها و 8 دلار برای فنرها، سیستم های اگزوز موتور و بست ها است. زیر USD/kg. هزینه فعلی قطعات تولید شده با مواد تیتانیوم بسیار بالاتر از این قیمت ها است. هزینه تولید صفحات تیتانیوم بیشتر از 33 دلار آمریکا بر کیلوگرم است که 6 تا 15 برابر ورق های آلومینیومی و 45 تا 83 برابر ورق های فولادی است.