יישום של סגסוגות טיטניום בייצור רכב קל משקל

לטיטניום וסגסוגות טיטניום יש מאפיינים של צפיפות נמוכה, תכונות מכניות מצוינות, תאימות ביולוגית טובה, עמידות בפני קורוזיה, עמידות בטמפרטורה גבוהה וקשיחות טובה בטמפרטורה נמוכה. הם היו בשימוש נרחב בתחום ייצור הרכב. הצפיפות של סגסוגת טיטניום היא רק 60% מזו של פלדה, בעוד החוזק יכול להגיע ליותר מ-800MPa. זה עדיין שומר על תכונות מכניות טובות בסביבות 500 מעלות, ויש לו תכונות ריתוך ויצירת צורה טובות. הוא שימש לייצור מכוניות מירוץ לפני יותר מ-20 שנה, מה שמפחית מאוד את המשקל של מנועי מירוץ ומשפר את ביצועי המנוע.

נכון לעכשיו, חלקי סגסוגת טיטניום המשמשים בייצור רכב מופצים בעיקר במערכות פליטה לרכב, מערכות מנוע, מערכות הילוכים והפחתת רעידות ומסגרות גוף.
1. מערכת פליטה
החומרים של מערכות פליטה לרכב נדרשים להיות בעלי תכונות מכניות טובות בטמפרטורה גבוהה ועמידות בפני קורוזיה על ידי אלמנטים S ו-Cl. רכיבי שסתום פליטה מסורתיים עשויים מפלדת אל חלד, אך אנשים מצאו כי סגסוגות טיטניום מתאימות יותר לשימוש כחומרי שסתום פליטה מבחינת ביצועים.
צינור החזרת הטיטניום בשימוש בשברולט קורבט Z206 החדש מונע ביעילות את בעיות החלודה והחלודה המתרחשות בצינורות נירוסטה, תוך שיפור יעילות שריפת הדלק ויכולות האצה, ומקצר את מרחקי הבלימה.
Timet, יצרנית הטיטניום הגדולה בארצות הברית, מחויבת למחקר ופיתוח וייצור של מערכות פליטה מסגסוגת טיטניום. חברות יפניות רבות ביצעו גם עבודות מחקר ופיתוח קשורות. נכון לעכשיו, ל-Fuji Heavy Industries, Ltd יש ייצור מוגבל של 440 סטים של צינורות פליטה לרכב מסגסוגת טיטניום.
2. מערכת מנוע
מערכת מנוע הרכב היא החלק שמשתמש בסגסוגת הטיטניום הגדולה ביותר בתחום הרכב. היישום של סגסוגת טיטניום במערכת המנוע כולל בעיקר שסתומים, מוטות חיבור, גלי ארכובה, מושבי שסתומים וחלקים נוספים.
תאגיד הונדה מוטורי מיפן משתמש במוטות חיבור מחושלים מטיטניום במנוע NSX מירוץ V-6; מיצובישי מוטורס משתמשת במושבי קפיצי שסתום טיטניום במנועים בעלי קיבולת גבוהה, ארבעה צילינדרים, ומוטות חיבור טיטניום משמשים גם במכוניות פורשה.
(1) שסתום
במונחים של שסתומי סגסוגת טיטניום, ארצות הברית ויפן ביצעו עבודת מחקר רבה. ארצות הברית משתמשת כיום בדרך כלל בסגסוגת Ti-6Al-4V לייצור שסתומי הכנסה ו-Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo סגסוגת לייצור שסתומי פליטה; בעוד טויוטה היפנית משתמשת בסגסוגת Ti-6Al-4V/Ti B לייצור שסתומי יניקה ובסגסוגת Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Nb-Si/Ti B לייצור שסתומי פליטה. לסוגים אלה של סגסוגות טיטניום יש תכונות מכניות טובות בטמפרטורה גבוהה, עמידות חמצון ועמידות לזחילה, המשפרות ביעילות את ביצועי המנוע ומגבירות את מהירות הרכב.
(2) מושב שסתום
מושבי שסתום מסגסוגת טיטניום היו בשימוש נרחב במכוניות מירוץ ומכוניות ספורט, עם ייצור שנתי של יותר מ-250,000 סטים. הם עשויים בעיקר מסגסוגת Ti-6Al-4V או Ti-5Al-2Cr-1Fe. מכיוון שצורת מושב השסתום פשוטה יחסית, הוא אינו דורש דרישות גבוהות מבחינת עיבוד שבבי ואינו מצריך טיפול משטח מיוחד. הוא זול יחסית ויש לו השפעה משמעותית על הפחתת משקל הרכב.
(3) מוטות חיבור
השימוש במוטות חיבור מסגסוגת טיטניום יכול להפחית ביעילות את משקל המנוע ולשפר את ביצועי המכונית. חומר ההכנה העיקרי הוא סגסוגת Ti-6Al-4V. Daido Co., Ltd היפנית מפתחת כעת סגסוגת טיטניום דו-פאזי Ti-3Al-2V-0.2Si-0.47Ce-0.27La . לסגסוגת זו יכולת עיבוד טובה והיא מצוינת גם בתכונות מכניות, תכונות עייפות ועמידות בפני קורוזיה. הוא צפוי לשמש בחלקי מוט החיבור של המנוע הכפופים להאצה והאטה מהירה.
(4) גל ארכובה
למרות שגלי ארכובה מסגסוגת טיטניום לא היו בשימוש נרחב כיום, סגסוגת Ti-3Al-2.5V שפותחה במיוחד על ידי יפן אומתה על מכוניות מירוץ הונדה. תוך הפחתת המשקל ביעילות, הוא הגדיל את מהירות המנוע ב-700 r/min, מה שמוכיח את עליונותם של גלי ארכובה מסגסוגת טיטניום. במקביל, יפן ביצעה ניסיון בייצור גלי ארכובה מסגסוגת Ti-5Al-2Cr-Fe, בתקווה שסגסוגות טיטניום יהיו בשימוש נרחב יותר בחלקי גל ארכובה.

3. מערכת הפחתת רעידות
מרכיב הליבה של מערכת המתלים להפחתת רעידות הרכב הוא קפיץ המתלים. בהשוואה לפלדת קפיצים כללית לרכב, לסגסוגת טיטניום חוזק ספציפי גבוה יותר ומודול גזירה נמוך יותר וחוזק עייפות גבוה יותר, מה שהופך אותה למתאימה יותר לייצור קפיצים בולמי זעזועים לרכב. מכיוון שהסטת הקפיץ היא פרופורציונלית למספר הסיבובים ופרופורציונלית הפוך למודול הגזירה של החומר, קפיצי סגסוגת טיטניום דורשים פחות סיבובים מקפיצי פלדה כדי להשיג את אותה תגובת קפיץ, ולמעשה מפחיתים את מסת הקפיץ וחוסכים מקום.
במקביל, קפיצי סגסוגת טיטניום יכולים גם להגדיל ביעילות את תדר התהודה של הקפיץ ולהגדיל את חיי השירות שלו. כיום, רוב קפיצי סגסוגת טיטניום עשויים מסגסוגת טיטניום חד פאזי. פולקסווגן השתמשה בקפיצי הילוכים מסגסוגת טיטניום של Lupo FSI בחלק מהמכוניות, עם שימוש של כ-3,500 כלי רכב.

4. מסגרת גוף
מבחינת רכיבי מסגרת הגוף, החוזק הספציפי הגבוה יותר של סגסוגת טיטניום, הצפיפות הנמוכה יותר ועמידות טובה בפני קורוזיה, כולם מצביעים על כך שמדובר בחומר טוב להכנת מסגרות גוף. נכון לעכשיו, חברות רכב מסוימות השתמשו בסגסוגות טיטניום בחלקים כמו תושבות הילוכים ובוכנות קליפר בלמים. בין חלקי ההילוכים, יפן מפתחת כיום תהליך להכנת קונכיות מסגסוגת טיטניום על ידי ספינינג במהירות גבוהה. בהשוואה לקונכיות פלדה, קונכיות מסגסוגת טיטניום יכולות להפחית טוב יותר את ההשפעה של גלגלי תנופה ויש להן השפעות חציצה טובות יותר.
בנוסף, סגסוגות טיטניום שימשו גם מחברים לרכב וחלקים אחרים. עם הפיתוח המתמשך של טכנולוגיית הכנת סגסוגת טיטניום ותעשיית הרכב, סגסוגות טיטניום בוודאי ישמשו יותר בחלקי רכב.

5. המשמעות של סגסוגות טיטניום לכלי רכב קלים
מוסדות מחקר זרים חישבו שכאשר המשקל העצמי של מכונית יורד ב-10%, ניתן להפחית את צריכת הדלק ב-6% עד 8%. מחקרים אחרים הראו כי על כל הפחתת משקל של 91 ק"ג, הרכב הממוצע יכול לנסוע 0.43 ק"מ יותר לליטר דלק. לכן, עם ההתפתחות המתמשכת של כלכלת ארצי והגידול המתמשך במספר המכוניות, קלת משקל של מכוניות הפכה לאחת הדרכים החשובות לצמצום צריכת האנרגיה ולהפחתת זיהום האוויר.
חומרים טיטניום וסגסוגת טיטניום נמצאים כיום בשימוש נרחב בחלקי רכב בשל התכונות הפיזיקליות והכימיות המעולות שלהם. השימוש בחומרי טיטניום לא רק משפר ביעילות את הביצועים וגורם הבטיחות של המכונית, אלא גם משחק תפקיד חשוב בהקלת המשקל של המכונית, הפחתת המשקל העצמי של המכונית ביעילות והפחתת צריכת הדלק.
בהשוואה למערכת הנירוסטה המסורתית, מכלול צינור החזרת זנב זרבובית טיטניום המשמש במערכת הפליטה של ​​הרכב יכול להפחית את המשקל בכ-8.2 ק"ג. השימוש במוצרי סגסוגת טיטניום במקום חומרי פלדה וברזל יצוק מסורתיים בחלקי המנוע כגון שסתומים ומוטות חיבור יכול להפחית ביעילות את משקל המנוע.
על פי מחקר בתעשיית הרכב היפנית, השימוש בכ-0.8 ק"ג של חלקי טיטניום בשסתום הכוח של רכב שווה ערך להשפעה המושגת על ידי 20 ק"ג של חלקי פלדה; כל מושב שסתום טיטניום יכול להפחית את המשקל של כ-10 גרם בהשוואה למושב שסתום הפלדה; השימוש בסגסוגת טיטניום למוטות חיבור וגילי ארכובה הוא היעיל ביותר בהפחתת משקל המנוע.

במערכת הפחתת רעידות, כל קפיץ מסגסוגת טיטניום יכול להפחית את המשקל של יותר מ-60% בהשוואה לקפיץ הפלדה. מחושב על בסיס 4 קפיצי מתלה לכל רכב, לאחר החלפת קפיץ סגסוגת טיטניום, כל רכב יכול להפחית את המשקל ב-9 ~ 13.6 ק"ג. בנוסף, המשקל של משתיק הקול מסגסוגת טיטניום הוא רק 5 ~ 6 ק"ג, וזה קל יותר ב-40% מהשתיק הנירוסטה.
אם ניקח לדוגמא מכונית בינונית רגילה, אם חלקי הרכב הקיימים מסגסוגת טיטניום משמשים להחלפת החלקים המסורתיים, המשקל העצמי של הרכב יופחת מכ-1500 ק"ג לכ-1000 ק"ג, עם שיעור הפחתת משקל של 30%, וכן ניתן להפחית את צריכת הדלק המקיפה ביותר מ-20%, מה שיפחית מאוד את צריכת הדלק בעולם ויקל ביעילות על בעיות המחסור באנרגיה וזיהום סביבתי.

הנתונים לעיל מראים שלשימוש בסגסוגות טיטניום יש השפעה משמעותית על משקל קל של מכוניות. בתעשיית הרכב המודרנית, יש לפתח ברציפות את טכנולוגיית היישום של טיטניום וסגסוגות טיטניום בחלקי רכב כדי להגדיל את יחס היישום של סגסוגות טיטניום ברכב. לכן, המשימה העיקרית בעתיד צריכה להיות להפחית את המחיר של חלקי סגסוגת טיטניום על ידי פיתוח חומרי סגסוגת טיטניום זולים והפחתת עלות הייצור של חומרי גלם מסגסוגת טיטניום, ולשפר את יעילות העיבוד של חלקי סגסוגת טיטניום על ידי שיפור טכנולוגיית העיבוד. .