Status atual da aplicação de ligas de titânio na indústria automotiva

Nos últimos anos, com o rápido desenvolvimento da indústria automobilística, os problemas de consumo de combustível, proteção ambiental e segurança causados ​​pelos automóveis têm atraído cada vez mais atenção. Olhando para a direção futura do desenvolvimento da indústria automobilística, leveza, baixo consumo de combustível e baixas emissões são os temas do desenvolvimento. De acordo com estatísticas de departamentos internacionais competentes, 60% da energia de combustão do combustível automóvel é consumida pela sua própria massa. Embora placas de aço finas de alta resistência, materiais de alumínio, materiais de magnésio, materiais compósitos de matriz metálica e materiais de resina plástica já tenham desempenhado um papel importante na redução do peso dos automóveis. papel, mas o surgimento de materiais industriais de titânio deu origem a melhores escolhas para a fabricação de automóveis.

O metal titânio tem as vantagens de baixa densidade, alta resistência específica e boa resistência à corrosão. O uso de materiais de titânio em automóveis pode reduzir bastante a massa corporal, reduzir o consumo de combustível, melhorar a eficiência do motor, melhorar o meio ambiente e reduzir o ruído. No entanto, o alto preço faz com que as ligas de titânio tenham apenas algumas aplicações em modelos de luxo e carros esportivos da indústria automobilística, sendo raramente utilizadas em carros comuns. Portanto, a pesquisa e o desenvolvimento de ligas de titânio de baixo custo que atendam às necessidades do mercado são a chave para promover sua aplicação em carros domésticos comuns.

Situação atual da aplicação de ligas de titânio na indústria automotiva

Embora as ligas de titânio tenham sido amplamente utilizadas nas indústrias aeroespacial, petroquímica e de construção naval, a sua aplicação na indústria automotiva tem se desenvolvido lentamente. A partir do desenvolvimento bem-sucedido do primeiro carro totalmente em titânio pela General Motors nos Estados Unidos em 1956, as peças automotivas de titânio não atingiram o nível de produção em massa até a década de 1980. Na década de 1990, à medida que a demanda por carros de luxo, carros esportivos e carros de corrida aumentava ano após ano, as peças automotivas de titânio e as peças manufaturadas se desenvolveram rapidamente. Em 1990, a quantidade de titânio utilizada nos automóveis em todo o mundo era de apenas 50 toneladas. Em 1997, atingiu 500t. Em 2002, atingiu 1.100t. Em 2009, atingiu 3.000t. Espera-se que a quantidade de titânio usada em automóveis em todo o mundo exceda 5.000 toneladas em 2015. Atualmente, os seguintes tipos de peças de liga de titânio são comumente usados.

1. Biela do motor

A liga de titânio é um material ideal para bielas. As bielas do motor feitas de liga de titânio podem efetivamente reduzir a massa do motor, melhorar a eficiência do combustível e reduzir o volume do escapamento. Em comparação com as bielas de aço, as bielas de titânio podem reduzir a massa em 15% a 20%. A aplicação de bielas de liga de titânio foi refletida pela primeira vez no novo sedã Ferrari 3.5LV8 da Itália e no motor NSX da Acura. Os principais materiais utilizados nas bielas de liga de titânio são Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3Al-2.0V e Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si. Outros materiais de liga de titânio, como Ti-4Al. A aplicação de -2Si-4Mn e Ti-7M-4Mo em bielas também está em desenvolvimento.

2. Válvula do motor

Válvulas de motores de automóveis feitas de liga de titânio podem não apenas reduzir a massa e prolongar a vida útil, mas também reduzir o consumo de combustível e melhorar a confiabilidade do veículo. Em comparação com as válvulas de aço, as válvulas de titânio podem reduzir a massa em 30% a 40% e a velocidade limite do motor pode ser aumentada em 20%. No que diz respeito às aplicações atuais, o material da válvula de admissão é principalmente Ti-6Al-4V, e o material da válvula de escape é principalmente Ti-6242S. Normalmente Sn e Al são adicionados para obter menor fragilidade e maior resistência; a adição de Mo pode melhorar as propriedades do tratamento térmico das ligas de titânio, aumentar a resistência da têmpera e do envelhecimento das ligas de titânio e aumentar a dureza. Outras ligas de titânio com potencial de desenvolvimento incluem:
1) A válvula de admissão pode ser feita de Ti-62S, que possui propriedades equivalentes ao Ti-6Al-4V e é mais barato.

2) A válvula de escape pode ser feita de Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo-0.45Si. Devido ao seu menor teor de Mo, sua resistência à fluência é melhor que a do Ti-6242S e sua resistência à oxidação pode atingir 600°C. .

3) A válvula de escape pode ser feita de γ-TiAl, que possui características de resistência a altas temperaturas e peso leve, mas não é adequada para métodos tradicionais de forjamento durante o processamento. É adequado apenas para processamento de fundição e metalurgia do pó.

3. Assento da mola da válvula

Alta resistência e resistência à fadiga são propriedades necessárias para a sede da mola da válvula. A liga beta de titânio é uma liga tratada termicamente que pode obter alta resistência por meio do tratamento de envelhecimento em solução sólida. Os materiais correspondentes mais adequados são Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn e Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si. A Mitsubishi Motors usa assentos de mola de válvula em liga de titânio Ti-22V-4Al em seus veículos de produção em grande escala, o que reduz a massa em 42% em comparação com as travas de aço originais, reduz a massa inercial do mecanismo da válvula em 6% e aumenta a velocidade máxima do motor. 300 r/min.

4. Mola de liga de titânio

O titânio e suas ligas possuem menor módulo de elasticidade e maior valor de σs/E do que os materiais de aço, tornando-os adequados para a fabricação de componentes elásticos. Em comparação com as molas de aço para automóveis, sob a premissa do mesmo trabalho elástico, a altura das molas de titânio é de apenas 40% das molas de aço e a massa é de apenas 30% a 40% das molas de aço, o que facilita o design da carroceria. Além disso, as excelentes propriedades de fadiga e resistência à corrosão da liga de titânio podem prolongar a vida útil da mola. Atualmente, os materiais de liga de titânio que podem ser usados ​​para fazer molas de automóveis incluem Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al e Ti-13V11C-3Al.

5. Turbocompressor

Os turbocompressores podem melhorar a eficiência da combustão do motor e aumentar a potência e o torque do motor. O rotor da turbina do turbocompressor precisa trabalhar em gases de escape de alta temperatura acima de 850°C por um longo tempo, por isso requer boa resistência ao calor. Metais leves tradicionais, como ligas de alumínio, não podem ser usados ​​devido aos seus baixos pontos de fusão. Embora os materiais cerâmicos sejam utilizados em rotores de turbinas devido ao seu peso leve e boa resistência a altas temperaturas, sua aplicação é limitada devido ao seu alto custo e à incapacidade de otimizar sua forma. Para resolver esses problemas, Tetsui e outros desenvolveram o rotor da turbina TiAl. Após muitos testes, constatou-se que além de apresentar boa durabilidade e eficiência, pode melhorar a aceleração do motor. Este design foi comercializado com sucesso na série Mitsubishi Lancer Evolution.

6. Sistema de escapamento e silenciador

O titânio é amplamente utilizado em sistemas de escapamento de automóveis. Os sistemas de escape feitos de titânio e suas ligas podem não apenas melhorar a confiabilidade, prolongar a vida útil e melhorar a aparência, mas também reduzir a massa e melhorar a eficiência da combustão do combustível. Comparados aos sistemas de exaustão de aço, os sistemas de exaustão de titânio podem reduzir a massa em aproximadamente 40%. Nos carros da série Golf, a massa do sistema de escape de titânio pode ser reduzida em 7 a 9 kg. Atualmente, o material de titânio utilizado no sistema de escapamento é principalmente titânio puro industrial.

O silenciador de titânio pesa apenas 5 a 6 kg, que é mais leve que o aço inoxidável e outros silenciadores. O Chevrolet Corvette Z06 2000 usa um silenciador de titânio de 11,8 kg e um sistema de tubo de escape em vez do sistema original de aço inoxidável de 20 kg, reduzindo a massa em 41%. O sistema substituído mantém a sua força e torna o carro mais rápido, mais flexível e mais eficiente em termos de combustível. O material de titânio usado no silenciador também é principalmente titânio puro industrial.

7. Parte da estrutura do corpo

Para melhorar a segurança e a confiabilidade dos automóveis, é necessário considerar os aspectos de projeto e fabricação, principalmente os materiais de fabricação. O titânio é um material muito bom usado para fazer estruturas de carrocerias. Não só possui alta resistência específica, mas também possui boa tenacidade. No Japão, os fabricantes de automóveis escolhem tubos soldados de titânio puro para fabricar estruturas de carroceria. Esse tipo de quadro pode fazer com que os motoristas se sintam seguros ao dirigir.

8. Outras peças de liga de titânio

Além dos componentes acima, o titânio também é usado em balancins de motores, molas de suspensão, pinos de pistão de motores, fixadores automotivos, porcas de roda, vigas salientes de portas automotivas, suportes de engrenagens automotivas, pistões de pinças de freio, parafusos de pinos, peças automotivas de pressão, como placas, botões de mudança e discos de embreagem de automóveis.

Aplicações de ligas de titânio

1.Vantagens

As ligas de titânio têm as vantagens de peso leve, alta resistência específica e boa resistência à corrosão, por isso são amplamente utilizadas na indústria automobilística. O uso mais comum de ligas de titânio é em sistemas de motores de automóveis. Há muitos benefícios no uso de ligas de titânio na fabricação de peças de motores, principalmente em:

1) A baixa densidade da liga de titânio pode reduzir a massa inercial das peças móveis. Ao mesmo tempo, as molas das válvulas de titânio podem aumentar a vibração livre, enfraquecer a vibração da carroceria do carro e aumentar a velocidade do motor e a potência de saída.

2) Reduza a massa inercial das peças móveis, reduzindo assim o atrito e melhorando a eficiência de combustível do motor.

3) A escolha da liga de titânio pode reduzir o estresse de carga das peças relacionadas e reduzir o tamanho das peças, reduzindo assim o peso do motor e de todo o veículo.

4) A redução da massa inercial dos componentes reduz a vibração e o ruído e melhora o desempenho do motor.

A aplicação de ligas de titânio em outros componentes pode melhorar o conforto do pessoal e a estética dos automóveis. Em aplicações na indústria automotiva, as ligas de titânio têm desempenhado um papel imensurável na economia de energia e na redução do consumo.

2. Restrições de aplicação

Embora as peças de liga de titânio tenham propriedades superiores, ainda há um longo caminho a percorrer antes que o titânio e suas ligas sejam amplamente utilizados na indústria automotiva. As razões incluem preço alto, baixa conformabilidade e baixo desempenho de soldagem.

Com o desenvolvimento da tecnologia de liga de titânio quase líquida e tecnologias modernas de soldagem, como soldagem por feixe de elétrons, soldagem a arco de plasma e soldagem a laser nos últimos anos, os problemas de formação e soldagem de ligas de titânio não são mais os principais fatores que restringem a aplicação de ligas de titânio. A principal razão pela qual é amplamente utilizado na indústria automotiva é o alto custo.

Quer se trate da fundição inicial do metal ou do processamento subsequente, o preço das ligas de titânio é muito superior ao de outros metais. O custo das peças de titânio que a indústria automobilística pode aceitar é de 8 a 13 dólares americanos/kg para bielas, 13 a 20 dólares americanos para válvulas e 8 dólares americanos para molas, sistemas de escapamento de motores e fixadores. Abaixo de USD/kg. O custo atual das peças produzidas com materiais de titânio é muito superior a esses preços. O custo de produção das placas de titânio é em sua maioria superior a 33 dólares americanos/kg, o que é 6 a 15 vezes o das placas de alumínio e 45 a 83 vezes o das placas de aço.

Status de pesquisa de ligas de titânio para automóveis

Atualmente, a redução de custos é a principal direção de pesquisa das ligas de titânio utilizadas na indústria automotiva. Tendo em conta as características da distribuição de custos das ligas de titânio utilizadas na indústria automóvel, os trabalhadores da investigação e desenvolvimento de materiais atingem principalmente o objectivo de reduzir custos a partir dos dois aspectos seguintes: desenvolver novos sistemas de ligas de baixo custo e utilizar novas tecnologias de processamento e preparação.

1. Novo sistema de liga de titânio de baixo custo

Trabalhadores de vários países estão desenvolvendo novos sistemas de liga de titânio de baixo custo, concentrando-se principalmente nos seguintes aspectos: design de liga usando elementos de liga baratos e design de liga para melhorar as características de processamento. Entre eles estão representados o Japão e os Estados Unidos. meu país também desenvolveu com sucesso duas ligas de titânio de baixo custo, nomeadamente Ti8LC e Ti12LC. No projeto de componentes de liga de titânio de baixo custo para veículos, os elementos de liga baratos comumente usados ​​incluem Fe, Cr, Si, Al, etc.

2. Nova tecnologia de processamento e preparação

O custo de processamento de materiais de liga de titânio representa mais de 60% do custo total durante o processo de produção. Portanto, em termos de redução de custos, como reduzir o custo de processamento da liga de titânio tornou-se uma direção chave de pesquisa. A pesquisa nesta área está dividida principalmente em dois aspectos: um é melhorar o processo tradicional de fundição e forjamento e o outro é adotar a tecnologia de forma quase líquida da metalurgia do pó.

No desenvolvimento de novos processos de forjamento, o forjamento a frio é atualmente um dos métodos mais promissores para a fabricação de peças automotivas a partir de ligas de titânio. A liga de titânio beta tem baixa resistência à deformação à temperatura ambiente e é boa em corte e conformação. É um material que pode ser forjado a frio. Atualmente, o Japão desenvolveu três ligas de beta titânio deformadas a frio. A liga de titânio beta também apresenta algumas deficiências. É propenso a deformações irregulares durante o forjamento a frio e é fácil de aderir ao molde. Portanto, a produção em massa de peças de liga de beta titânio usando tecnologia de forjamento a frio requer maior exploração e desenvolvimento.

A metalurgia do pó é uma tecnologia muito importante na redução dos custos de processamento de ligas de titânio. Na fabricação de peças automotivas de metalurgia do pó, o método tradicional de prensagem-sinterização ainda é dominante, incluindo principalmente o método do pó elementar (BE) e o método do pó pré-ligado (PA). Atualmente, o método do pó elementar é o mais amplamente utilizado no campo da metalurgia do pó de liga de titânio automotiva de baixo custo devido ao seu processo simples e menor custo. Nos últimos anos, outras tecnologias de metalurgia do pó também surgiram, incluindo tecnologia de formação a laser, moldagem por injeção de pó metálico (MIM) e outras tecnologias. Eles têm sido amplamente utilizados na produção experimental e na produção de peças automotivas complexas, o que pode encurtar bastante o desenvolvimento do produto. e ciclo de produção, reduzindo ainda mais custos.

Conclusão

A nova geração de design automotivo presta mais atenção à carroceria leve, baixo consumo de combustível, baixo ruído e leve vibração do motor para atender aos requisitos cada vez mais exigentes do meio ambiente. Neste contexto, o metal leve titânio se tornará um importante material de aplicação para futuros automóveis.

Uma consideração abrangente do status atual da pesquisa de ligas de titânio de baixo custo para veículos pode concluir que, a fim de reduzir ainda mais o custo das ligas de titânio para veículos, a pesquisa deve se concentrar principalmente nos seguintes aspectos:

1) Em termos de desenvolvimento de sistemas de liga de baixo custo, tente desenvolver sistemas de liga que não utilizem elementos de liga ou sejam menos caros, sem afetar o desempenho e, ao mesmo tempo, façam uso total de ligas de titânio recicladas.

2) Em termos de desenvolvimento de processos de fundição e forjamento, desenvolver no sentido de desenvolver ligas de titânio beta e ligas de titânio deformadas a frio e realizar estudos de viabilidade sobre sua produção em massa.

3) Em termos de metalurgia do pó, ao mesmo tempo que garante a vantagem de baixo custo, também é necessário melhorar ainda mais o desempenho das peças de titânio.

Com o desenvolvimento da economia e a redução do custo do titânio, mais projetistas de engenharia escolherão peças de titânio como peças automotivas. As ligas de titânio acabarão por desempenhar um papel importante na produção da indústria automotiva.