Titaaniseosten käyttö kevyessä autoteollisuudessa

Titaanilla ja titaaniseoksilla on alhainen tiheys, erinomaiset mekaaniset ominaisuudet, hyvä bioyhteensopivuus, korroosionkestävyys, korkeiden lämpötilojen kestävyys ja hyvä lujuus alhaisissa lämpötiloissa. Niitä on käytetty laajalti autoteollisuudessa. Titaaniseoksen tiheys on vain 60% teräksen tiheydestä, kun taas lujuus voi olla yli 800 MPa. Se säilyttää edelleen hyvät mekaaniset ominaisuudet noin 500 asteessa ja sillä on hyvät hitsaus- ja muotoiluominaisuudet. Sitä on käytetty kilpa-autojen valmistuksessa yli 20 vuotta sitten, mikä on vähentänyt huomattavasti kilpa-moottorien painoa ja parantanut moottorin suorituskykyä.

Tällä hetkellä autojen valmistuksessa käytettäviä titaaniseososia jaetaan pääasiassa autojen pakojärjestelmiin, moottorijärjestelmiin, voimansiirto- ja tärinänvaimennusjärjestelmiin sekä korin rungoihin.
1. Pakokaasujärjestelmä
Autojen pakokaasujärjestelmien materiaaleilta vaaditaan hyviä korkean lämpötilan mekaanisia ominaisuuksia ja S- ja Cl-elementtien aiheuttamaa korroosionkestävyyttä. Perinteiset pakoventtiilikomponentit on valmistettu ruostumattomasta teräksestä, mutta ihmiset ovat havainneet, että titaaniseokset sopivat suorituskyvyltään paremmin käytettäväksi pakoventtiilimateriaaleina.
Uudessa Chevrolet Corvette Z206:ssa käytetty titaaninen paluuputki välttää tehokkaasti ruostumattomissa teräsputkissa esiintyvät piste- ja hitsausruosteongelmat ja parantaa samalla polttoaineen palamistehokkuutta ja kiihtyvyysominaisuuksia sekä lyhentää jarrutusmatkoja.
Timet, Yhdysvaltain suurin titaanin valmistaja, on sitoutunut titaaniseospakojärjestelmien tutkimukseen ja kehittämiseen sekä valmistukseen. Myös monet japanilaiset yritykset ovat tehneet asiaan liittyvää tutkimus- ja kehitystyötä. Tällä hetkellä Fuji Heavy Industries, Ltd.:llä on rajoitettu tuotanto 440 sarjaa titaaniseoksesta valmistettuja autojen pakoputkia.
2. Moottorijärjestelmä
Auton moottorijärjestelmä on osa, joka käyttää eniten titaaniseosta autoteollisuudessa. Titaaniseoksen käyttö moottorijärjestelmässä sisältää pääasiassa venttiilejä, kiertokankoja, kampiakselia, venttiilin istukkaa ja muita osia.
Japanilainen Honda Motor Corporation käyttää taottua titaania kiertokankoja NSX-kilpa-V{0}}-moottorissa; Mitsubishi Motors käyttää titaanisia venttiilijousiistuimia suuritehoisissa, nelisylinterisissä moottoreissa, ja titaanisia kiertokankoja käytetään myös Porsche-autoissa.
(1) Venttiili
Mitä tulee titaaniseosventtiileihin, Yhdysvallat ja Japani ovat tehneet paljon tutkimustyötä. Yhdysvallat käyttää tällä hetkellä yleensä Ti-6Al-4V-seosta imuventtiilien ja Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo metalliseos tehdä pakoventtiilit; Japanilainen Toyota käyttää Ti-6Al-4V/Ti B -seosta imuventtiilien valmistukseen ja Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Nb-Si/Ti B -seosta pakoventtiilien valmistukseen. Tämän tyyppisillä titaaniseoksilla on hyvät korkean lämpötilan mekaaniset ominaisuudet, hapettumisenkestävyys ja virumisenkestävyys, mikä parantaa tehokkaasti moottorin suorituskykyä ja lisää ajoneuvon nopeutta.
(2) Venttiilin istukka
Titaaniseoksesta valmistettuja venttiilin istuimia on käytetty laajalti kilpa- ja urheiluautoissa, ja vuosituotanto on yli 250 000 sarjaa. Ne on pääasiassa valmistettu Ti-6Al-4V- tai Ti-5Al-2Cr-1Fe-seoksesta. Koska venttiilin istukan muoto on suhteellisen yksinkertainen, se ei vaadi suuria työstövaatimuksia eikä vaadi erityistä pintakäsittelyä. Se on suhteellisen halpa ja sillä on merkittävä vaikutus auton painon vähentämiseen.
(3) Kiertokangot
Titaaniseoksesta valmistettujen kiertokankien käyttö voi tehokkaasti vähentää moottorin painoa ja parantaa auton suorituskykyä. Pääasiallinen valmistusmateriaali on Ti-6Al-4V-seos. Japanilainen Daido Co., Ltd. kehittää parhaillaan kaksivaiheista titaaniseosta Ti-3Al-2V-0.2Si-0.47Ce-0.27La . Tällä seoksella on hyvä työstettävyys ja se on myös erinomaiset mekaanisten ominaisuuksien, väsymisominaisuuksien ja korroosionkestävyyden suhteen. Sitä odotetaan käytettävän moottorin kiertokangeissa, jotka ovat alttiina nopealle kiihtyvyydelle ja hidastumiselle.
(4) Kampiakselit
Vaikka titaaniseoksesta valmistettuja kampiakseleita ei ole tällä hetkellä käytetty laajalti, Japanin erityisesti kehittämä Ti-3Al-2.5V seos on todennettu Hondan kilpa-autoissa. Vaikka se vähentää tehokkaasti painoa, se on lisännyt moottorin nopeutta 700 r/min, mikä todistaa titaaniseoksesta valmistettujen kampiakselien paremmuuden. Samaan aikaan Japanissa on koetuotantoa Ti-5Al-2Cr-Fe-seoksesta valmistettuja kampiakseleita toivoen, että titaaniseoksia käytetään laajemmin kampiakselin osissa.

3. Tärinänvaimennusjärjestelmä
Auton tärinänvaimennusjärjestelmän ydinkomponentti on jousitusjousi. Verrattuna yleiseen autojousiteräkseen, titaaniseoksella on korkeampi ominaislujuus ja pienempi leikkausmoduuli sekä suurempi väsymislujuus, mikä tekee siitä sopivamman autojen iskuja vaimentavien jousien valmistukseen. Koska jousen taipuma on verrannollinen kierrosten lukumäärään ja kääntäen verrannollinen materiaalin leikkausmoduuliin, titaaniseosjouset vaativat vähemmän kierroksia kuin teräsjouset saavuttaakseen saman jousivasteen, mikä vähentää tehokkaasti jousen massaa ja säästää tilaa.
Samalla titaaniseosjouset voivat myös tehokkaasti lisätä jousen resonanssitaajuutta ja pidentää sen käyttöikää. Tällä hetkellä useimmat titaaniseosjouset on valmistettu yksivaiheisesta titaaniseoksesta. Volkswagen on käyttänyt Lupo FSI -titaaniseoksesta valmistettuja vaihdejousia joissakin autoissa, ja niitä on käytetty noin 3 500 ajoneuvoa.

4. Runko
Rungon runkokomponenttien osalta titaaniseoksen korkeampi ominaislujuus, pienempi tiheys ja hyvä korroosionkestävyys osoittavat, että se on hyvä materiaali korirunkojen valmistukseen. Tällä hetkellä jotkin autoyritykset ovat käyttäneet titaaniseoksia osissa, kuten vaihteiston kiinnikkeissä ja jarrusatulan männissä. Vaihteiston osista Japani kehittää parhaillaan prosessia titaaniseoksesta valmistettujen kuorien valmistamiseksi nopealla kehruulla. Teräskuoriin verrattuna titaaniseoskuoret voivat paremmin vähentää vauhtipyörien vaikutusta ja niillä on parempi puskurointivaikutus.
Lisäksi titaaniseoksia on käytetty myös autojen kiinnikkeissä ja muissa osissa. Titaaniseosten valmistusteknologian ja autoteollisuuden jatkuvan kehityksen myötä titaaniseoksia tullaan varmasti käyttämään enemmän autojen osissa.

5. Titaaniseosten merkitys kevyille ajoneuvoille
Ulkomaiset tutkimuslaitokset ovat laskeneet, että kun auton omapaino laskee 10%, polttoaineenkulutusta voidaan vähentää 6–8 prosenttia. Muut tutkimukset ovat osoittaneet, että jokaista 91 kilon painonpudotusta kohden ajoneuvo voi kulkea keskimäärin 0,43 kilometriä enemmän polttoainelitraa kohti. Siksi kotimaani talouden jatkuvan kehityksen ja autojen määrän jatkuvan lisääntymisen myötä autojen keventämisestä on tullut yksi tärkeimmistä tavoista vähentää energiankulutusta ja vähentää ilmansaasteita.
Titaania ja titaaniseosmateriaaleja käytetään tällä hetkellä laajalti autojen osissa niiden erinomaisten fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien vuoksi. Titaanimateriaalien käyttö ei ainoastaan ​​paranna tehokkaasti auton suorituskykyä ja turvatekijää, vaan sillä on myös tärkeä rooli auton keventämisessä, mikä vähentää tehokkaasti auton omapainoa ja vähentää polttoaineen kulutusta.
Perinteiseen ruostumattomasta teräksestä valmistettuun järjestelmään verrattuna auton pakojärjestelmässä käytetty titaaninen peräsuutin-palautusputkikokoonpano voi vähentää painoa noin 8,2 kg. Titaaniseostuotteiden käyttö perinteisten teräs- ja valurautamateriaalien sijaan moottorin osissa, kuten venttiileissä ja kiertokangissa, voi vähentää tehokkaasti moottorin painoa.
Japanin autoteollisuudessa tehdyn tutkimuksen mukaan noin 0,8 kg titaaniosien käyttö auton tehoventtiilissä vastaa tehoa, joka saavutetaan 20 kg:lla teräsosia. jokainen titaaniventtiilin istuin voi vähentää painoa noin 10 g verrattuna teräsventtiilin istukkaan; titaaniseoksen käyttö kiertokangoissa ja kampiakseleissa vähentää tehokkaimmin moottorin painoa.

Tärinänvaimennusjärjestelmässä jokainen titaaniseoksesta valmistettu jousi voi vähentää painoa yli 60% teräsjouseen verrattuna. Laskettuna 4 jousitusjousen perusteella ajoneuvoa kohden, titaaniseosjousen vaihtamisen jälkeen jokainen ajoneuvo voi vähentää painoa 9–13,6 kg. Lisäksi titaaniseoksesta valmistetun äänenvaimentimen paino on vain 5–6 kg, mikä on 40% kevyempi kuin ruostumattomasta teräksestä valmistettu äänenvaimennin.
Esimerkkinä tavallisesta keskikokoisesta autosta, jos olemassa olevia titaaniseoksisia autonosia käytetään korvaamaan perinteiset osat, ajoneuvon omapaino laskee noin 1500 kilosta noin 1000 kiloon painonpudotuksen ollessa 30 %. kokonaisvaltaista polttoaineenkulutusta voidaan vähentää yli 20 %, mikä vähentää merkittävästi maailman polttoaineen kulutusta ja lievittää tehokkaasti energiapulan ja ympäristön saastumisen ongelmia.

Yllä olevat tiedot osoittavat, että titaaniseosten käytöllä on merkittävä vaikutus autojen keveyteen. Nykyaikaisessa autoteollisuudessa titaanin ja titaaniseosten käyttötekniikkaa autonosissa tulisi jatkuvasti kehittää titaaniseosten levityssuhteen lisäämiseksi autoissa. Siksi tulevaisuuden päätehtävänä tulisi olla titaaniseososien hinnan alentaminen kehittämällä halpoja titaaniseosmateriaaleja ja alentamalla titaaniseosraaka-aineiden tuotantokustannuksia sekä parantaa titaaniseososien prosessointitehokkuutta parantamalla käsittelytekniikkaa. .