Titaanisulamite kasutamine kergete autode tootmises

Titaanil ja titaanisulamitel on madal tihedus, suurepärased mehaanilised omadused, hea biosobivus, korrosioonikindlus, kõrge temperatuurikindlus ja hea vastupidavus madalal temperatuuril. Neid on autotööstuses laialdaselt kasutatud. Titaanisulami tihedus on vaid 60% terase tihedusest, samas kui tugevus võib ulatuda üle 800 MPa. See säilitab endiselt häid mehaanilisi omadusi umbes 500 kraadi juures ning sellel on head keevitus- ja vormimisomadused. Seda on kasutatud võidusõiduautode valmistamisel enam kui 20 aastat tagasi, vähendades oluliselt võidusõidumootorite kaalu ja parandades mootori jõudlust.

Praegu turustatakse autotootmises kasutatavaid titaanisulamist osi peamiselt autode väljalaskesüsteemides, mootorisüsteemides, jõuülekande- ja vibratsiooni vähendamise süsteemides ning kereraamides.
1. Väljalaskesüsteem
Autode heitgaasisüsteemide materjalidel peavad olema head mehaanilised omadused kõrgel temperatuuril ning vastupidavus S- ja Cl-elementide korrosioonile. Traditsioonilised väljalaskeklappide komponendid on valmistatud roostevabast terasest, kuid inimesed on leidnud, et titaanisulamid on jõudluse poolest sobivamad väljalaskeklappide materjalidena.
Uues Chevrolet Corvette Z206 kasutatav titaanist tagasivoolutoru väldib tõhusalt roostevabast terasest torudel tekkivaid täkke- ja keevisroosteprobleeme, parandades samal ajal ka kütuse põlemise tõhusust ja kiirendusvõimet ning lühendades pidurdusteekonda.
Timet, USA suurim titaanitootja, on pühendunud titaanisulamist väljalaskesüsteemide uurimisele ja arendustegevusele ning tootmisele. Paljud Jaapani ettevõtted on teinud ka sellega seotud uurimis- ja arendustööd. Praegu toodab Fuji Heavy Industries, Ltd. 440 komplekti titaanisulamist autode väljalasketorusid.
2. Mootorisüsteem
Auto mootorisüsteem on osa, mis kasutab autotööstuses kõige rohkem titaanisulamit. Titaanisulami kasutamine mootorisüsteemis hõlmab peamiselt klappe, ühendusvardaid, väntvõlle, klapipesasid ja muid osi.
Jaapani Honda Motor Corporation kasutab NSX võidusõidu V{0}} mootoris sepistatud titaanist kepsu; Mitsubishi Motors kasutab suure töömahuga neljasilindrilistes mootorites titaanist klapivedrupesasid, titaanist kepsu kasutatakse ka Porsche autodes.
(1) Klapp
Titaanisulamist ventiilide osas on USA ja Jaapan teinud palju uurimistööd. Ameerika Ühendriigid kasutavad praegu sisselaskeklappide ja Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo valmistamiseks Ti-6Al-4V sulamit sulam väljalaskeklappide valmistamiseks; Jaapani Toyota aga kasutab sisselaskeklappide valmistamiseks Ti-6Al-4V/Ti B sulamit ja väljalaskeklappide valmistamiseks Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Nb-Si/Ti B sulamit. Seda tüüpi titaanisulamitel on head mehaanilised omadused kõrgel temperatuuril, oksüdatsioonikindlus ja roomamiskindlus, mis parandavad tõhusalt mootori jõudlust ja suurendavad sõiduki kiirust.
(2) Klapipesa
Titaanisulamist klapiistmeid on laialdaselt kasutatud võidusõiduautodes ja sportautodes ning aastatoodang on üle 250,000 komplekti. Need on valmistatud peamiselt Ti-6Al-4V või Ti-5Al-2Cr-1Fe sulamist. Kuna klapipesa kuju on suhteliselt lihtne, ei nõua see töötlemisel kõrgeid nõudeid ega vaja erilist pinnatöötlust. See on suhteliselt odav ja sellel on märkimisväärne mõju auto kaalu vähendamisele.
(3) Ühendusvardad
Titaanisulamist ühendusvarraste kasutamine võib tõhusalt vähendada mootori kaalu ja parandada auto jõudlust. Peamine ettevalmistusmaterjal on Ti{0}}Al-4V sulam. Jaapani ettevõte Daido Co., Ltd. arendab praegu kahefaasilist titaanisulamit Ti-3Al-2V-0.2Si-0.47Ce-0.27La . Sellel sulamil on hea töödeldavus ning sellel on ka suurepärased mehaanilised omadused, väsimusomadused ja korrosioonikindlus. Eeldatakse, et seda kasutatakse mootori ühendusvarda osades, mis alluvad kiirele kiirendusele ja aeglustumisele.
(4) Väntvõllid
Kuigi titaanisulamist väntvõlli pole praegu laialdaselt kasutatud, on spetsiaalselt Jaapanis välja töötatud Ti-3Al-2.5V sulam Honda võidusõiduautodel kinnitatud. Vähendades samal ajal tõhusalt kaalu, on see suurendanud mootori pöörlemiskiirust 700 r/min võrra, tõestades titaanisulamist väntvõllide paremust. Samal ajal on Jaapan katseliselt tootnud Ti-5Al-2Cr-Fe sulamist väntvõlle, lootes, et titaanisulameid hakatakse väntvõlli osades laiemalt kasutama.

3. Vibratsiooni vähendamise süsteem
Auto vibratsiooni vähendamise vedrustussüsteemi põhikomponent on vedrustusvedru. Võrreldes üldise auto vedruterasest on titaanisulamil suurem eritugevus ja madalam nihkemoodul ning suurem väsimustugevus, mis muudab selle sobivamaks autode lööke neelavate vedrude valmistamiseks. Kuna vedru läbipaine on võrdeline pöörete arvuga ja pöördvõrdeline materjali nihkemooduliga, vajavad titaanisulamist vedrud sama vedru reaktsiooni saavutamiseks vähem pöördeid kui terasvedrud, vähendades tõhusalt vedru massi ja säästes ruumi.
Samal ajal võivad titaanisulamist vedrud tõhusalt tõsta vedru resonantssagedust ja pikendada selle kasutusiga. Praegu on enamik titaanisulamist vedrusid valmistatud ühefaasilisest titaanisulamist. Volkswagen on mõnel autol kasutanud Lupo FSI titaanisulamist käiguvedrusid, mida on kasutatud umbes 3500 sõidukil.

4. Kere raam
Kereraami komponentide osas näitavad titaanisulami suurem eritugevus, väiksem tihedus ja hea korrosioonikindlus, et see on hea materjal kereraamide ettevalmistamiseks. Praegu on mõned autotootjad kasutanud titaanisulameid sellistes osades nagu käigukronsteinid ja pidurisadula kolvid. Ülekandeosade hulgas töötab Jaapan praegu välja protsessi titaanisulamist kestade valmistamiseks suure kiirusega ketramise teel. Võrreldes teraskestadega võivad titaanisulamist kestad paremini vähendada hoorataste mõju ja neil on parem puhverdus.
Lisaks on titaanisulameid kasutatud ka autode kinnitusdetailides ja muudes osades. Titaanisulamite valmistamise tehnoloogia ja autotööstuse pideva arenguga kasutatakse titaanisulameid kindlasti rohkem autoosade valmistamisel.

5. Titaanisulamite tähtsus kergsõidukitele
Välismaised teadusasutused on välja arvutanud, et kui auto tühimass väheneb 10%, võib kütusekulu väheneda 6% kuni 8%. Teised uuringud on näidanud, et iga 91 kg kaalulanguse korral suudab keskmine sõiduk läbida 0,43 km rohkem kütuseliitri kohta. Seetõttu on minu riigi majanduse pideva arengu ja autode arvu pideva kasvuga autode kergendamine muutunud üheks oluliseks energiatarbimise ja õhusaaste vähendamise viisiks.
Titaani ja titaanisulamite materjale kasutatakse praegu laialdaselt autoosades nende suurepäraste füüsikaliste ja keemiliste omaduste tõttu. Titaanmaterjalide kasutamine mitte ainult ei paranda tõhusalt auto jõudlust ja ohutustegurit, vaid mängib olulist rolli ka auto kergendamisel, vähendades tõhusalt auto tühimassi ja vähendades kütusekulu.
Traditsioonilise roostevabast terasest süsteemiga võrreldes võib auto väljalaskesüsteemis kasutatav titaanist sabaotsiku ja tagasivoolutoru komplekt vähendada kaalu umbes 8,2 kg võrra. Titaanisulamist toodete kasutamine traditsiooniliste teras- ja malmimaterjalide asemel mootori osades, nagu ventiilid ja ühendusvardad, võib tõhusalt vähendada mootori kaalu.
Jaapani autotööstuses tehtud uuringute kohaselt on umbes 0,8 kg titaandetailide kasutamine auto jõuventiilis samaväärne 20 kg terasdetailidega saavutatava efektiga; iga titaanist klapipesa võib vähendada kaalu umbes 10 g võrra võrreldes terasest klapipesaga; titaanisulami kasutamine ühendusvarraste ja väntvõllide jaoks on kõige tõhusam mootori massi vähendamisel.

Vibratsiooni vähendamise süsteemis võib iga titaanisulamist vedru vähendada terasvedruga võrreldes rohkem kui 60%. Arvutatud 4 vedrustusvedru põhjal sõiduki kohta, pärast titaanisulamist vedru väljavahetamist võib iga sõiduk vähendada kaalu 9–13,6 kg. Lisaks on titaanisulamist summuti kaal vaid 5–6 kg, mis on 40% kergem kui roostevabast terasest summuti.
Võttes näiteks tavalise keskmise suurusega auto, kui olemasolevaid titaanisulamist autoosi kasutatakse traditsiooniliste osade asendamiseks, väheneb sõiduki tühimass umbes 1500 kg-lt umbes 1000 kg-ni, kusjuures kaalulangus on 30% ja terviklikku kütusekulu saab vähendada rohkem kui 20%, mis vähendab oluliselt maailma kütusekulu ning leevendab tõhusalt energiapuuduse ja keskkonnareostuse probleeme.

Ülaltoodud andmed näitavad, et titaanisulamite kasutamine mõjutab oluliselt autode kerget kaalu. Kaasaegses autotööstuses tuleks titaani ja titaanisulamite kasutustehnoloogiat autoosades pidevalt arendada, et suurendada titaanisulamite kasutuskorda autodes. Seetõttu peaks tulevikus olema peamiseks ülesandeks titaanisulamist osade hinna alandamine odavate titaanisulamist materjalide väljatöötamise ja titaanisulamist toorainete tootmiskulude vähendamise kaudu ning titaanisulamist osade töötlemise efektiivsuse parandamine töötlemistehnoloogia täiustamise kaudu. .