وضعیت کاربرد فعلی آلیاژهای تیتانیوم در صنعت خودرو

در سال های اخیر با پیشرفت سریع صنعت خودرو، مشکلات مصرف سوخت، حفاظت از محیط زیست و ایمنی ناشی از خودروها توجه روزافزونی را به خود جلب کرده است. به دنبال مسیر توسعه آینده صنعت خودرو، سبک وزن، مصرف سوخت کم و آلایندگی کم موضوعات توسعه هستند. طبق آمار ادارات معتبر بین المللی، 60 درصد از انرژی احتراق سوخت خودرو توسط جرم خود مصرف می شود. اگرچه صفحات فولادی نازک با استحکام بالا، مواد آلومینیومی، مواد منیزیمی، مواد کامپوزیتی زمینه فلزی و مواد رزین پلاستیکی نقش مهمی در کاهش وزن خودروها داشته‌اند. اما ظهور مواد تیتانیوم صنعتی انتخاب های بهتری را برای خودروسازی ایجاد کرده است.

فلز تیتانیوم دارای مزایای چگالی کم، استحکام ویژه بالا و مقاومت در برابر خوردگی خوب است. استفاده از مواد تیتانیوم در خودروها می تواند تا حد زیادی توده بدن را کاهش دهد، مصرف سوخت را کاهش دهد، راندمان موتور را بهبود بخشد، محیط زیست را بهبود بخشد و صدا را کاهش دهد. با این حال، قیمت بالا باعث می شود آلیاژهای تیتانیوم فقط در مدل های لوکس و خودروهای اسپرت در صنعت خودرو کاربرد داشته باشند و به ندرت در خودروهای معمولی استفاده شوند. بنابراین، تحقیق و توسعه آلیاژهای تیتانیوم کم‌هزینه که نیازهای بازار را برآورده می‌کنند، کلید ارتقای کاربرد آن‌ها در خودروهای معمولی خانگی است.

وضعیت 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، کاربرد آنها در صنعت خودروسازی به کندی توسعه یافته است. با شروع موفقیت آمیز اولین خودروی تمام تیتانیوم 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 3000 تن رسید. پیش بینی می شود که میزان تیتانیوم مورد استفاده در خودروها در سراسر جهان در سال 2015 از 5000 تن فراتر رود. 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 20٪ 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-3Al-2.0V و Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si می باشد. سایر مواد آلیاژی تیتانیوم مانند Ti-4Al کاربرد -2Si-4Mn و Ti-7M-4Mo در میله های 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 بین 30 تا 40 درصد کاهش دهند و سرعت محدود موتور را می‌توان تا 20 درصد افزایش داد. تا آنجا که به کاربردهای فعلی مربوط می شود، مواد دریچه ورودی عمدتاً Ti-6Al-4V است و مواد دریچه اگزوز عمدتاً Ti-6242S است. معمولاً Sn و Al با هم اضافه 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-4.0Zr-0.4-Mo-0.45Si ساخته شود. به دلیل محتوای کمتر مو، مقاومت خزشی آن بهتر از Ti-6242S است و مقاومت اکسیداسیون آن می تواند به 600 درجه سانتی گراد برسد. .

3) سوپاپ اگزوز می تواند از γ-TiAl ساخته شود که دارای ویژگی های مقاومت در برابر دمای بالا و وزن سبک است، 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 صندلی فنر سوپاپ آلیاژ تیتانیوم Ti-22V-4Al در خودروهای تولیدی در مقیاس بزرگ خود استفاده می کند که باعث کاهش 42 درصدی جرم در مقایسه با قفل های فولادی اصلی، کاهش جرم اینرسی مکانیزم سوپاپ تا 6 درصد و افزایش حداکثر دور موتور می شود. 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 فقط 40٪ فنرهای فولادی است و جرم آن فقط 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 سانتیگراد 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 به دلیل وزن سبک و مقاومت خوب در دمای بالا در روتورهای توربین 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 را بهبود بخشند، عمر را افزایش دهند و ظاهر را بهبود بخشند، 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 تا حدود 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 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 و دکمه‌های شیفت خودرو استفاده می‌شود.

کاربردهای آلیاژهای تیتانیوم

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 داده 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 از 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 نزدیک به فناوری شکل شبکه و فن آوری های جوشکاری مدرن مانند جوشکاری با پرتو الکترونی، جوش قوس پلاسما و جوش لیزری در سال های اخیر، مشکلات شکل دهی و جوشکاری آلیاژهای تیتانیوم دیگر عوامل کلیدی محدود کننده کاربرد آلیاژهای تیتانیوم نیستند. 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.

وضعیت تحقیق آلیاژهای تیتانیوم برای خودرو

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

1. سیستم جدید آلیاژ تیتانیوم کم هزینه

کارگران کشورهای مختلف در حال توسعه سیستم‌های جدید آلیاژ تیتانیوم کم‌هزینه هستند که عمدتاً بر جنبه‌های زیر تمرکز دارند: طراحی آلیاژ با استفاده از عناصر آلیاژی ارزان و طراحی آلیاژ برای بهبود ویژگی‌های پردازش. در میان آنها ژاپن و آمریکا نماینده دارند. کشور من همچنین دو آلیاژ تیتانیوم ارزان قیمت یعنی Ti8LC و Ti12LC را با موفقیت توسعه داده است. در طراحی قطعات آلیاژ تیتانیوم ارزان قیمت برای وسایل نقلیه، عناصر آلیاژی ارزان قیمت معمولاً مورد استفاده شامل Fe، Cr، Si، Al و غیره هستند.

2. فن آوری جدید پردازش و آماده سازی

هزینه فرآوری مواد آلیاژ تیتانیوم بیش از 60 درصد از کل هزینه در طول فرآیند تولید را تشکیل می دهد. بنابراین، از نظر کاهش هزینه، چگونگی کاهش هزینه پردازش آلیاژ تیتانیوم به یک جهت تحقیقاتی کلیدی تبدیل شده است. تحقیقات در این زمینه عمدتاً به دو جنبه تقسیم می‌شود: یکی بهبود فرآیند ریخته‌گری و آهنگری سنتی و دیگری اتخاذ فناوری شکل نزدیک به شبکه متالورژی پودر.

در توسعه فرآیندهای آهنگری جدید، آهنگری سرد در حال حاضر یکی از امیدوارکننده ترین روش ها برای ساخت قطعات خودرو از آلیاژهای تیتانیوم است. آلیاژ بتا تیتانیوم در دمای اتاق مقاومت کمی در برابر تغییر شکل دارد و در برش و شکل دهی خوب است. این ماده ای است که می تواند به صورت سرد جعل شود. در حال حاضر، ژاپن سه آلیاژ بتا تیتانیوم با تغییر شکل سرد تولید کرده است. آلیاژ بتا تیتانیوم نیز دارای کاستی هایی است. در طول آهنگری سرد مستعد تغییر شکل ناهموار است و به راحتی به قالب می چسبد. بنابراین، تولید انبوه قطعات آلیاژی بتا تیتانیوم با استفاده از فناوری فورج سرد نیاز به کاوش و توسعه بیشتر دارد.

متالورژی پودر یک فناوری بسیار مهم در کاهش هزینه های پردازش آلیاژ تیتانیوم است. در ساخت قطعات خودرو متالورژی پودر، روش سنتی پرس - تف جوشی همچنان غالب است، عمدتا شامل روش پودر عنصری (BE) و روش پودر پیش آلیاژی (PA). در حال حاضر روش پودر عنصری به دلیل فرآیند ساده و هزینه کمتر، بیشترین کاربرد را در زمینه متالورژی پودر آلیاژ تیتانیوم کم هزینه خودرو دارد. در سال‌های اخیر، سایر فناوری‌های متالورژی پودر نیز ظهور کرده‌اند، از جمله فناوری شکل‌دهی لیزر، قالب‌گیری تزریق پودر فلز (MIM) و فناوری‌های دیگر. آنها به طور گسترده ای در تولید آزمایشی و تولید قطعات پیچیده خودرو استفاده شده اند که می تواند توسعه محصول را تا حد زیادی کوتاه کند. و چرخه تولید، هزینه ها را بیشتر کاهش می دهد.

نتیجه گیری

نسل جدید طراحی خودرو توجه بیشتری به بدنه سبک، مصرف سوخت کم، سر و صدای کم و لرزش سبک موتور دارد تا نیازهای فزاینده محیط را برآورده کند. در این زمینه، تیتانیوم فلز سبک به یک ماده کاربردی اصلی برای خودروهای آینده تبدیل خواهد شد.

با توجه به وضعیت تحقیقاتی فعلی آلیاژهای تیتانیوم کم هزینه برای وسایل نقلیه می توان دریافت که به منظور کاهش بیشتر هزینه آلیاژهای تیتانیوم برای وسایل نقلیه، تحقیقات عمدتاً باید بر روی جنبه های زیر متمرکز شود:

1) از نظر توسعه سیستم‌های آلیاژی کم‌هزینه، سعی کنید سیستم‌های آلیاژی را توسعه دهید که از عناصر آلیاژی کم‌هزینه یا بدون تأثیر بر عملکرد استفاده کنند و در عین حال از آلیاژهای تیتانیوم بازیافتی استفاده کامل کنند.

2) از نظر توسعه فرآیند ریخته گری و آهنگری، در جهت توسعه آلیاژهای تیتانیوم بتا و آلیاژهای تیتانیوم تغییر شکل سرد توسعه یافته و مطالعات امکان سنجی در تولید انبوه آنها انجام شود.

3) از نظر متالورژی پودر، ضمن اطمینان از مزیت کم هزینه، بهبود عملکرد قطعات تیتانیوم نیز ضروری است.

با توسعه اقتصاد و کاهش هزینه تیتانیوم، طراحان مهندسی بیشتری قطعات تیتانیوم را به عنوان قطعات خودرو انتخاب می کنند. آلیاژهای تیتانیوم در نهایت نقش مهمی در تولید صنعت خودرو خواهند داشت.