Статус примене легура титанијума у аутомобилској индустрији
Последњих година, са брзим развојем аутомобилске индустрије, потрошња горива, заштита животне средине и безбедносни проблеми изазвани аутомобилима привлаче све већу пажњу. Радујући се будућем правцу развоја аутомобилске индустрије, теме развоја су мала тежина, ниска потрошња горива и ниске емисије. Према статистикама међународних ауторитативних одељења, 60% енергије сагоревања аутомобилског горива се троши сопственом тежином. Иако су танке челичне плоче високе чврстоће, алуминијум, магнезијум, композитни материјали на бази метала и материјали од пластичне смоле играли улогу у смањењу тежине аутомобила, појава индустријских титанијумских материјала учинила је производњу аутомобила бољим избором.
Метал титан има предности ниске густине, високе специфичне чврстоће и добре отпорности на корозију. Употреба титанијумских материјала у аутомобилима може значајно смањити тежину каросерије аутомобила, смањити потрошњу горива, побољшати радну ефикасност мотора, побољшати животну средину и смањити буку. Међутим, скупа цена чини да легуре титанијума имају само неке примене у луксузним моделима и спортским аутомобилима у аутомобилској индустрији, а ретко у обичним аутомобилима. Стога је истраживање и развој јефтиних легура титанијума које задовољавају потребе тржишта кључ за промовисање његове примене у обичним аутомобилима за домаћинство.
Тренутни статус примене легура титанијума у аутомобилској индустрији
Иако су легуре титанијума нашле широку примену у ваздухопловној, петрохемијској и бродоградњи, њихова примена у аутомобилској индустрији се полако развијала. Пошто је први потпуно титанијумски аутомобил успешно развио Генерал Моторс у Сједињеним Државама 1956. године, титанијумски ауто делови нису достигли ниво масовне производње све до 1980-их. Током 1990-их, са све већом потражњом за луксузним аутомобилима, спортским аутомобилима и тркачким аутомобилима, делови од титанијума су се брзо развили. Године 1990. количина титанијума коришћеног у аутомобилима широм света била је само 50 тона, која је достигла 500 тона 1997, 1100 тона 2002. и 3000 тона 2009. Очекује се да ће количина титанијума који се користи у аутомобилима широм света премашити 5000 тона. у 2015. Тренутно се најчешће користе следећи делови од легура титанијума.
1. Клипњача мотора
Легура титанијума је идеалан избор за материјале клипњача. Клипњаче мотора направљене од легуре титанијума могу ефикасно смањити тежину мотора, побољшати ефикасност горива и смањити запремину издувних гасова. У поређењу са челичним клипњачама, титанијумске клипње могу смањити 15% до 20% тежине. Примена клипњача од легуре титанијума се први пут одразила на нове Феррари 3.5ЛВ8 и Ацура НСКС моторе у Италији. Материјали који се користе за клипњаче од легура титанијума су углавном Ти-6Ал-4В, Ти-10В-2Фе-3Ал, Ти-3 Ал-2.0В и Ти-4Ал-4Мо-Сн-0.5Си и други материјали од легура титанијума као што је Ти-4Ал{{19} }Си-4Мн и Ти-7М-4Мо се такође развијају за употребу у клипњачама.
2. Вентили мотора
Вентили мотора аутомобила направљени од легура титанијума могу не само да смање тежину и продуже радни век, већ и да смање потрошњу горива и побољшају поузданост аутомобила. У поређењу са челичним вентилима, титанијумски вентили могу смањити тежину за 30% до 40%, а гранична брзина мотора може се повећати за 20%. Што се тиче тренутних примена, материјал усисног вентила је углавном Ти-6Ал-4В, а материјал издувног вентила је углавном Ти-6242С. Обично се Сн и Ал додају заједно да би се добила мања ломљивост и већа чврстоћа; Додатак Мо може побољшати перформансе термичке обраде легура титанијума, повећати снагу гашења и старења легура титанијума и повећати тврдоћу. Остале легуре титанијума са развојним потенцијалом су:
1) Усисни вентил може бити направљен од Ти-62С, који има исте карактеристике као Ти-6Ал-4В и јефтинији је.
2) Издувни вентил може бити направљен од Ти-6Ал-2Сн-4.0Зр-0.4-Мо{{7} }.45Си. Због нижег садржаја Мо, његова отпорност на пузање је боља од оне код Ти-6242С, а температура отпорности на оксидацију може да достигне 600 степени.
3) Издувни вентил може бити направљен од -ТиАл, који има карактеристике отпорности на високе температуре и мале тежине, али није погодан за обраду традиционалним методама ковања, а погодан је само за ливење и металургију праха.
3. Седиште опруге вентила
Висока чврстоћа и отпорност на замор су особине које морају имати седишта опруге вентила. легура титанијума је легура за термичку обраду која може да добије високу чврстоћу кроз третман старења у чврстом раствору. Одговарајући прикладнији материјали су Ти-15В-3Цр-3Ал-3Сн и Ти-15Мо-3Ал-2 .7Нб-0.2Си. Митсубисхи Моторс користи Ти-22В-4Ал опруге вентила од легуре титанијума на својим аутомобилима који се масовно производе, што смањује масу за 42% у поређењу са оригиналном челичном бравом, смањује инерцијалну масу механизма вентила за 6%, и повећава максималну брзину мотора за 300р/мин.
4. Опруге од легуре титанијума
Титан и његове легуре имају нижи модул еластичности од челичних материјала, велику σс/Е вредност и погодни су за производњу еластичних компоненти. У поређењу са челичним аутомобилским опругама, под претпоставком истог еластичног рада, висина титанијумских опруга је само 40% висине челичних опруга, а маса је само 30% до 40% оне челичних опруга, што је погодно за дизајн каросерије. Поред тога, одличне перформансе замора и отпорност на корозију титанијумских легура могу повећати век трајања опруга. Тренутно, материјали од легура титанијума који се могу користити за производњу аутомобилских опруга укључују Ти-4.5Фе6.8Мо-1.5Ал и Ти-13В11Ц-3Ал.
5. Турбопуњач
Турбо пуњачи могу побољшати ефикасност сагоревања мотора и повећати снагу и обртни момент мотора. Турбински ротор турбопуњача треба дуго времена да ради у високотемпературним издувним гасовима изнад 850 степени, тако да је потребна добра отпорност на топлоту. Традиционални лаки метали као што је легура алуминијума не могу се користити због њихове ниске тачке топљења. Иако се керамички материјали користе у роторима турбина због њихове мале тежине и добре отпорности на високе температуре, њихова примена је ограничена због високе цене и немогућности оптимизације облика. Да би решили ове проблеме, Тетсуи ет ал. развио ротор ТиАл турбине. После многих тестова и верификација, не само да има добру издржљивост и ефикасност, већ може и да побољша убрзање мотора. Овај дизајн је успешно комерцијализован у серији Митсубисхи Ланцер Еволутион.
6. Издувни систем и пригушивач
Титан се у великим количинама користи у издувном систему аутомобила. Издувни системи од титанијума и његових легура не само да могу побољшати поузданост, продужити животни век и побољшати изглед, већ и смањити масу и побољшати ефикасност сагоревања горива. У поређењу са челичним издувним системима, титанијумски издувни системи могу смањити масу за око 40%. У Голф серији аутомобила, тежина издувног система од титанијума може се смањити за 7 до 9 кг. Тренутно, титанијум који се користи у издувном систему је углавном индустријски чисти титанијум.
Тежина пригушивача од титанијума је само 5 до 6 кг, што је лакше од пригушивача од нерђајућег челика. Цхевролет Цорветте З06 из 2000. користи пригушивач од 11,8 кг од титанијума и систем издувних цеви да замени оригинални систем од нерђајућег челика од 20 кг, смањујући тежину за 41%. Снага замењеног система остаје непромењена, а аутомобил је бржи, флексибилнији и штедљивији. Титанијум који се користи у пригушивачу је такође углавном индустријски чисти титанијум.
7. Оквир каросерије
Да би се побољшала безбедност и поузданост аутомобила, потребно је размотрити аспекте дизајна и производње, посебно материјале за производњу. Титанијум је добар материјал за израду оквира каросерије. Не само да има високу специфичну снагу, већ има и добру жилавост. У Јапану, произвођачи аутомобила бирају заварене цеви од чистог титанијума за израду оквира каросерије, што може учинити да се возачи осећају довољно безбедно током вожње.
8. Остали делови од легуре титанијума
Поред горе наведених делова, титан се такође користи у клацкалицама мотора, опругама вешања, клиповима мотора, аутомобилским причвршћивачима, наврткама, избоченим гредама за аутомобилска врата, носачима за заустављање аутомобила, клиповима кочионе чељусти, завртњима, потисним плочама, дугмадима за мењање и аутомобилске дискове квачила и друге аутомобилске делове. Нова генерација дизајна аутомобила обраћа више пажње на лагану каросерију, ниску потрошњу горива, ниску буку и лагане вибрације мотора како би се испунили све строжији еколошки захтеви. У том контексту, лаки метални титанијум ће постати главни материјал за примену будућих аутомобила.