Titaaniseosten käyttötila autoteollisuudessa
Viime vuosina autoteollisuuden nopean kehityksen myötä autojen aiheuttamat polttoaineenkulutus-, ympäristönsuojelu- ja turvallisuuskysymykset ovat herättäneet yhä enemmän huomiota. Autoteollisuuden tulevaa kehityssuuntaa odotellessa kehitysteemoja ovat kevyt, alhainen polttoaineenkulutus ja alhaiset päästöt. Kansainvälisten arvovaltaisten osastojen tilastojen mukaan 60 % autojen polttoaineen palamisen energiasta kuluu oman painonsa mukaan. Vaikka lujat ohuet teräslevyt, alumiini, magnesium, metallipohjaiset komposiittimateriaalit ja muovihartsimateriaalit ovat vaikuttaneet autojen painon vähentämiseen, teollisten titaanimateriaalien ilmaantuminen on tehnyt autojen valmistuksesta paremman valinnan.
Titaanimetallin etuna on alhainen tiheys, korkea ominaislujuus ja hyvä korroosionkestävyys. Titaanimateriaalien käyttö autoissa voi vähentää huomattavasti auton korin painoa, vähentää polttoaineen kulutusta, parantaa moottorin työtehoa, parantaa ympäristöä ja vähentää melua. Kuitenkin kallis hinta tekee titaaniseoksesta vain joitain sovelluksia luksusmalleissa ja urheiluautoissa autoteollisuudessa ja harvoin tavallisissa autoissa. Siksi markkinoiden tarpeita vastaavien edullisien titaaniseosten tutkimus ja kehittäminen on avainasemassa edistämään sen käyttöä tavallisissa kotitalousautoissa.
Titaaniseosten nykyinen sovellustilanne autoteollisuudessa
Vaikka titaaniseoksia on käytetty laajasti ilmailu-, petrokemian- ja laivanrakennusteollisuudessa, niiden käyttö autoteollisuudessa on kehittynyt hitaasti. Siitä lähtien, kun General Motors kehitti ensimmäisen täysin titaanisen auton menestyksekkäästi Yhdysvalloissa vuonna 1956, titaaniset autonosat saavuttivat massatuotannon tason vasta 1980-luvulla. 1990-luvulla luksusautojen, urheiluautojen ja kilpa-autojen kysynnän kasvaessa titaaniosat ovat kehittyneet nopeasti. Vuonna 1990 autoissa käytetyn titaanin määrä maailmanlaajuisesti oli vain 50 tonnia, mikä saavutti 500 tonnia vuonna 1997, 1100 tonnia vuonna 2002 ja 3000 tonnia vuonna 2009. Autoissa käytetyn titaanin määrän odotetaan ylittävän maailmanlaajuisesti 5000 vuonna 2015. Tällä hetkellä seuraavat titaaniseososat ovat yleisesti käytössä.
1. Moottorin kiertokanki
Titaaniseos on ihanteellinen valinta kiertokangemateriaaleihin. Titaaniseoksesta valmistetut moottorin kiertokanget voivat vähentää tehokkaasti moottorin painoa, parantaa polttoainetehokkuutta ja vähentää pakokaasujen määrää. Verrattuna teräksisiin kiertokangeihin titaaniset kiertotangot voivat vähentää painoa 15–20 %. Titaaniseoksesta valmistettujen kiertokankien käyttö heijastui ensin uusiin Ferrari 3.5LV8- ja Acura NSX -moottoreihin Italiassa. Titaaniseoksesta valmistettujen kiertokankien materiaalit ovat pääasiassa Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V ja Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si ja muut titaaniseosmateriaalit, kuten Ti-4Al{{19} }Si-4Mn ja Ti-7M-4Mo kehitetään myös käytettäviksi kiertokangeissa.
2. Moottorin venttiilit
Titaaniseoksesta valmistetut autojen moottorin venttiilit eivät voi vain vähentää painoa ja pidentää käyttöikää, vaan myös vähentää polttoaineen kulutusta ja parantaa auton luotettavuutta. Teräsventtiileihin verrattuna titaaniventtiilit voivat vähentää painoa 30–40 prosenttia ja moottorin rajanopeutta voidaan nostaa 20 prosenttia. Nykyisissä sovelluksissa imuventtiilin materiaali on pääasiassa Ti-6Al-4V ja poistoventtiilin materiaali pääasiassa Ti-6242S. Tavallisesti Sn ja Al lisätään yhteen pienemmän haurauden ja suuremman lujuuden saamiseksi; Mo:n lisääminen voi parantaa titaaniseosten lämpökäsittelyn suorituskykyä, parantaa titaaniseosten sammutuksen ja vanhenemisen lujuutta ja lisätä kovuutta. Muita kehityspotentiaalia olevia titaaniseoksia ovat:
1) Imuventtiili voidaan valmistaa Ti-62S:stä, jolla on samat ominaisuudet kuin Ti-6Al-4V:lla ja se on halvempaa.
2) Poistoventtiili voi olla Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo{{7} }.45Si. Alhaisemman Mo-pitoisuutensa ansiosta sen virumiskestävyys on parempi kuin Ti-6242S:n ja sen hapettumiskestävyyslämpötila voi olla jopa 600 astetta.
3) Pakoventtiili voidaan valmistaa -TiAl:sta, jolla on korkean lämpötilan kestävyys ja kevyt paino, mutta joka ei sovellu käsittelyyn perinteisillä taontamenetelmillä, ja se soveltuu vain valuun ja jauhemetallurgiaan.
3. Venttiilin jousen istukka
Suuri lujuus ja väsymiskestävyys ovat ominaisuuksia, jotka venttiilijousien istuimilla on oltava. titaaniseos on lämpökäsiteltävä metalliseos, joka voi saavuttaa korkean lujuuden kiinteällä liuosvanhentamiskäsittelyllä. Vastaavia sopivimpia materiaaleja ovat Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn ja Ti-15Mo-3Al-2 .7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors käyttää Ti-22V-4Al-titaaniseoksesta valmistettuja venttiilijousitukia massatuotetuissa autoissaan, mikä vähentää massaa 42 % verrattuna alkuperäiseen teräslukkoon, vähentää venttiilimekanismin inertiamassaa. 6 % ja lisää moottorin enimmäisnopeutta 300 r/min.
4. Titaaniseoksesta valmistetut jouset
Titaanilla ja sen seoksilla on pienempi kimmokerroin kuin teräsmateriaaleilla, suuri σs/E-arvo ja ne soveltuvat elastisten komponenttien valmistukseen. Verrattuna autojen teräsjousiin saman elastisen työn perusteella titaanijousien korkeus on vain 40 % teräsjousien korkeudesta ja massa on vain 30-40 % teräsjousien korkeudesta, mikä on kätevää rungon suunnittelu. Lisäksi titaaniseosten erinomainen väsymiskyky ja korroosionkestävyys voivat pidentää jousien käyttöikää. Tällä hetkellä titaaniseosmateriaaleja, joita voidaan käyttää autojen jousien valmistukseen, ovat Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al ja Ti-13V11C-3Al.
5. Turboahdin
Turboahtimet voivat parantaa moottoreiden palamistehokkuutta ja lisätä moottoreiden tehoa ja vääntömomenttia. Turboahtimen turbiiniroottorin on toimittava pitkään korkean lämpötilan pakokaasuissa yli 850 astetta, joten sillä on oltava hyvä lämmönkestävyys. Perinteisiä kevyitä metalleja, kuten alumiiniseosta, ei voida käyttää niiden alhaisen sulamispisteen vuoksi. Vaikka turbiinien roottoreissa käytetään keraamisia materiaaleja niiden keveyden ja hyvän korkeiden lämpötilojen kestävyyden vuoksi, niiden käyttö on rajoitettua korkeiden kustannusten ja kyvyttömyyden vuoksi optimoida muotoa. Näiden ongelmien ratkaisemiseksi Tetsui et ai. kehitti TiAl-turbiinin roottorin. Monien testien ja tarkistusten jälkeen sillä ei ole vain hyvä kestävyys ja tehokkuus, vaan se voi myös parantaa moottorin kiihtyvyyttä. Tämä malli on menestyksekkäästi kaupallistettu Mitsubishi Lancer Evolution -sarjassa.
6. Pakojärjestelmä ja äänenvaimennin
Titaania käytetään suuria määriä autojen pakokaasujärjestelmissä. Titaanista ja sen seoksista valmistetut pakojärjestelmät voivat parantaa luotettavuutta, pidentää käyttöikää ja parantaa ulkonäköä, mutta myös vähentää massaa ja parantaa polttoaineen palamistehokkuutta. Verrattuna teräksisiin pakojärjestelmiin titaanipakojärjestelmät voivat vähentää massaa noin 40 %. Golf-sarjan autoissa titaanista valmistetun pakojärjestelmän painoa voidaan vähentää 7-9 kg. Tällä hetkellä pakojärjestelmässä käytetty titaani on pääasiassa puhdasta teollista titaania.
Titaanisen äänenvaimentimen paino on vain 5-6 kg, mikä on kevyempi kuin ruostumattomasta teräksestä valmistetut äänenvaimentimet. Vuoden 2000 Chevrolet Corvette Z06 käyttää 11,8 kg:n titaanista äänenvaimennin- ja pakoputkijärjestelmää korvaamaan alkuperäisen 20 kg:n ruostumattoman teräksen järjestelmän, mikä vähentää painoa 41 %. Vaihdetun järjestelmän vahvuus säilyy ennallaan ja auto on nopeampi, joustavampi ja polttoainetehokkaampi. Myös äänenvaimentimessa käytetty titaani on pääosin puhdasta teollista titaania.
7. Runko
Auton turvallisuuden ja luotettavuuden parantamiseksi on huomioitava suunnittelu- ja valmistusnäkökohdat, erityisesti valmistusmateriaalit. Titaani on hyvä materiaali rungon valmistukseen. Sillä ei ole vain korkea ominaislujuus, vaan sillä on myös hyvä sitkeys. Japanissa autonvalmistajat valitsevat puhtaasta titaanista valmistettuja metallihitsattuja putkia korirunkojen valmistukseen, mikä saa kuljettajat tuntemaan olonsa riittävän turvalliseksi ajaessaan.
8. Muut titaaniseososat
Yllä olevien osien lisäksi titaania käytetään myös moottorin keinuvarsissa, jousitusjousissa, moottorin männän tapeissa, autojen kiinnikkeissä, ulokemuttereissa, autoovien ulkonemissa, autojen pysäytyskannattimissa, jarrusatulan männissä, tapin pulteissa, painelevyissä, vaihdepainikkeissa ja autojen kytkinlevyt ja muut autonosat. Uuden sukupolven automalleissa kiinnitetään enemmän huomiota kevyeen runkoon, alhaiseen polttoaineenkulutukseen, alhaiseen melutasoon ja moottorin kevyeen tärinään täyttääkseen yhä tiukemmat ympäristövaatimukset. Tässä yhteydessä kevytmetallititaanista tulee tulevaisuuden autojen tärkein sovellusmateriaali.
