La lega di titanio è all’avanguardia nella tecnologia automobilistica

Il metallo di titanio presenta i vantaggi di bassa densità, elevata resistenza specifica e buona resistenza alla corrosione. L'uso di materiali in titanio nelle automobili può ridurre notevolmente la massa corporea, ridurre il consumo di carburante, migliorare l'efficienza del motore, migliorare l'ambiente e ridurre il rumore. Tuttavia, il prezzo elevato fa sì che le leghe di titanio abbiano solo alcune applicazioni nei modelli di lusso e nelle auto sportive dell'industria automobilistica e siano raramente utilizzate nelle auto normali. Pertanto, la ricerca e lo sviluppo di leghe di titanio a basso costo che soddisfino le esigenze del mercato sono la chiave per promuovere la loro applicazione nelle normali automobili domestiche.

Sebbene le leghe di titanio siano state ampiamente utilizzate nell’industria aerospaziale, petrolchimica e navale, la loro applicazione nell’industria automobilistica si è sviluppata lentamente. A partire dallo sviluppo di successo della prima automobile interamente in titanio da parte della General Motors negli Stati Uniti nel 1956, i componenti per auto in titanio hanno raggiunto il livello di produzione di massa solo negli anni '80. Negli anni '90, con l'aumento della domanda di auto di lusso, auto sportive e auto da corsa, i ricambi auto in titanio si sono sviluppati rapidamente. Nel 1990, la quantità di titanio utilizzata nelle automobili di tutto il mondo era di sole 50 t. Nel 1997 ha raggiunto le 500t. Nel 2002 ha raggiunto le 1.100 t. Nel 2009 ha raggiunto i 3,000t. Si prevede che la quantità di titanio utilizzata nelle automobili di tutto il mondo supererà le 5,000t nel 2015. Attualmente vengono comunemente utilizzati i seguenti tipi di parti in lega di titanio.

1. Biella del motore
La lega di titanio è un materiale ideale per le bielle. Le bielle del motore realizzate in lega di titanio possono ridurre efficacemente la massa del motore, migliorare l'efficienza del carburante e ridurre il volume di scarico. Rispetto alle bielle in acciaio, le bielle in titanio possono ridurre la massa dal 15% al ​​20%. L'applicazione delle bielle in lega di titanio si è riflessa per la prima volta nella nuova berlina italiana Ferrari 3.5LV8 e nel motore NSX dell'Acura. I principali materiali utilizzati nelle bielle in lega di titanio sono Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V e Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si. Altri materiali in lega di titanio come Ti-4Al. Anche l'applicazione di -2Si-4Mn e Ti-7M-4Mo nelle bielle è in fase di sviluppo.
2. Valvola del motore
Le valvole dei motori automobilistici realizzate in lega di titanio non solo possono ridurre la massa e prolungare la durata, ma anche ridurre il consumo di carburante e migliorare l'affidabilità del veicolo. Rispetto alle valvole in acciaio, le valvole in titanio possono ridurre la massa dal 30% al 40% e la velocità limite del motore può essere aumentata del 20%. Per quanto riguarda le applicazioni attuali, il materiale della valvola di aspirazione è principalmente Ti-6Al-4V, mentre il materiale della valvola di scarico è principalmente Ti-6242S. Solitamente Sn e Al vengono aggiunti insieme per ottenere una minore fragilità e una maggiore resistenza; l'aggiunta di Mo può migliorare le proprietà di trattamento termico delle leghe di titanio, aumentare la resistenza alla tempra e all'invecchiamento delle leghe di titanio e aumentare la durezza. Altre leghe di titanio con potenziale di sviluppo includono:
1) La valvola di aspirazione può essere realizzata in Ti-62S, che ha proprietà equivalenti a Ti-6Al-4V ed è più economico.
2) La valvola di scarico può essere realizzata in Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo{{7} }.45Si. A causa del suo basso contenuto di Mo, la sua resistenza allo scorrimento è migliore del Ti-6242S e la sua resistenza all'ossidazione può raggiungere i 600 gradi. .
3) La valvola di scarico può essere realizzata in -TiAl, che ha le caratteristiche di resistenza alle alte temperature e leggerezza, ma non è adatta ai metodi tradizionali di forgiatura durante la lavorazione. È adatto solo per la lavorazione della fusione e della metallurgia delle polveri.
3. Sede della molla della valvola
Elevata robustezza e resistenza alla fatica sono proprietà indispensabili per la sede della molla della valvola. La lega di beta titanio è una lega trattata termicamente che può ottenere un'elevata resistenza attraverso il trattamento di invecchiamento in soluzione solida. I corrispondenti materiali più adatti sono Ti-15V-3Cr- 3Al-3Sn e Ti-15Mo-3Al-2 .7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors utilizza nei suoi veicoli di produzione su larga scala sedi delle molle delle valvole in lega di titanio Ti-22V-4Al, che riducono la massa del 42% rispetto alle serrature originali in acciaio, riducendo la massa inerziale della valvola meccanismo del 6% e aumenta la velocità massima del motore. 300 giri/min.
4. Molla in lega di titanio
Il titanio e le sue leghe hanno un modulo elastico inferiore e un valore σs/E maggiore rispetto ai materiali in acciaio, rendendoli adatti alla produzione di componenti elastici. Rispetto alle molle per automobili in acciaio, con la premessa dello stesso lavoro elastico, l'altezza delle molle in titanio è solo il 40% delle molle in acciaio e la massa è solo dal 30% al 40% delle molle in acciaio, il che facilita la progettazione della carrozzeria dell'auto. Inoltre, le eccellenti proprietà alla fatica e alla resistenza alla corrosione della lega di titanio possono prolungare la durata della molla. Attualmente, i materiali in lega di titanio che possono essere utilizzati per realizzare molle per automobili includono Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al e Ti-13V11C-3Al.
5. Turbocompressore
I turbocompressori possono migliorare l'efficienza della combustione del motore e aumentare la potenza e la coppia del motore. Il rotore della turbina del turbocompressore deve funzionare a lungo con gas di scarico ad alta temperatura superiore a 850 gradi, quindi richiede una buona resistenza al calore. I metalli leggeri tradizionali come le leghe di alluminio non possono essere utilizzati a causa del loro basso punto di fusione. Sebbene i materiali ceramici siano utilizzati nei rotori delle turbine per la loro leggerezza e la buona resistenza alle alte temperature, la loro applicazione è limitata a causa del loro costo elevato e dell'incapacità di ottimizzarne la forma. Per risolvere questi problemi, Tetsui e altri hanno sviluppato il rotore della turbina TiAl. Dopo numerosi test è stato verificato che non solo ha una buona durata ed efficienza, ma può anche migliorare l'accelerazione del motore. Questo design è stato commercializzato con successo sulla serie Mitsubishi Lancer Evolution.
6. Sistema di scarico e marmitta
Il titanio è ampiamente utilizzato nei sistemi di scarico delle automobili. I sistemi di scarico in titanio e sue leghe non solo possono migliorare l'affidabilità, prolungare la durata e migliorare l'aspetto, ma anche ridurre la massa e migliorare l'efficienza della combustione del carburante. Rispetto ai sistemi di scarico in acciaio, i sistemi di scarico in titanio possono ridurre la massa di circa il 40%. Nelle vetture della serie Golf la massa dell'impianto di scarico in titanio può essere ridotta da 7 a 9 kg. Attualmente, il materiale in titanio utilizzato nel sistema di scarico è principalmente titanio puro industriale.
Il silenziatore in titanio pesa solo da 5 a 6 kg, ovvero più leggero dell'acciaio inossidabile e di altri silenziatori. La Chevrolet Corvette Z06 del 2000 utilizza un silenziatore e un sistema di scarico in titanio da 11,8 kg invece del sistema originale in acciaio inossidabile da 20 kg, riducendo la massa del 41%. Il sistema sostituito mantiene la sua robustezza e rende l'auto più veloce, più flessibile e più efficiente nei consumi. Anche il materiale in titanio utilizzato nel silenziatore è principalmente titanio puro industriale.
7. Parte del telaio della carrozzeria
Per migliorare la sicurezza e l’affidabilità delle automobili, è necessario considerare gli aspetti di progettazione e produzione, in particolare i materiali di fabbricazione. Il titanio è un ottimo materiale utilizzato per realizzare i telai delle carrozzerie delle automobili. Non solo ha un'elevata resistenza specifica, ma ha anche una buona tenacità. In Giappone, i produttori di automobili scelgono tubi saldati in titanio puro per realizzare i telai della carrozzeria. Questo tipo di telaio può far sentire i conducenti sicuri durante la guida.
8. Altre parti in lega di titanio
Oltre ai componenti di cui sopra, il titanio viene utilizzato anche nei bilancieri dei motori, nelle molle delle sospensioni, negli spinotti dei pistoni dei motori, negli elementi di fissaggio per automobili, dadi ad alette, travi sporgenti delle portiere automobilistiche, supporti degli ingranaggi automobilistici, pistoni delle pinze dei freni, bulloni dei perni, ricambi auto a pressione come piastre, pulsanti del cambio e dischi frizione di automobili.

1.Vantaggi

Le leghe di titanio presentano i vantaggi di leggerezza, elevata resistenza specifica e buona resistenza alla corrosione, quindi sono ampiamente utilizzate nell'industria automobilistica. L'uso più comune delle leghe di titanio è nei sistemi di motori automobilistici. I vantaggi derivanti dall’utilizzo delle leghe di titanio per la produzione di parti del motore sono numerosi e si riflettono principalmente in:
1) La bassa densità della lega di titanio può ridurre la massa inerziale delle parti mobili. Allo stesso tempo, le molle delle valvole in titanio possono aumentare le vibrazioni libere, indebolire le vibrazioni del corpo e aumentare la velocità del motore e la potenza di uscita.
2) Ridurre la massa inerziale delle parti mobili, riducendo così l'attrito e migliorando l'efficienza del carburante del motore.
3) La scelta della lega di titanio può ridurre lo stress da carico delle parti correlate e ridurre le dimensioni delle parti, riducendo così il peso del motore e dell'intero veicolo.
4) La riduzione della massa inerziale dei componenti riduce le vibrazioni e il rumore e migliora le prestazioni del motore.
L'applicazione delle leghe di titanio in altri componenti può migliorare il comfort del personale e l'estetica delle automobili. Nelle applicazioni nel settore automobilistico, le leghe di titanio hanno svolto un ruolo incommensurabile nel risparmio energetico e nella riduzione dei consumi.
2. Limitazioni dell'applicazione
Sebbene le parti in lega di titanio abbiano proprietà superiori, c’è ancora molta strada da fare prima che il titanio e le sue leghe siano ampiamente utilizzati nell’industria automobilistica. Le ragioni includono il prezzo elevato, la scarsa formabilità e le scarse prestazioni di saldatura.
Con lo sviluppo della tecnologia della forma quasi netta della lega di titanio e delle moderne tecnologie di saldatura come la saldatura a fascio di elettroni, la saldatura ad arco plasma e la saldatura laser negli ultimi anni, i problemi di formatura e saldatura delle leghe di titanio non sono più i fattori chiave che limitano l'applicazione del titanio. leghe. Il motivo principale per cui è ampiamente utilizzato nell’industria automobilistica è il costo elevato.
Che si tratti della fusione iniziale del metallo o della lavorazione successiva, il prezzo delle leghe di titanio è molto più alto di quello degli altri metalli. Il costo dei pezzi in titanio che l'industria automobilistica può accettare varia da 8 a 13 dollari USA/kg per le bielle, da 13 a 20 dollari USA per le valvole e 8 per molle, sistemi di scarico del motore e elementi di fissaggio. Sotto USD/kg. Il costo attuale delle parti prodotte con materiali in titanio è molto più alto di questi prezzi. Il costo di produzione delle piastre di titanio è per lo più superiore a 33 dollari USA/kg, ovvero da 6 a 15 volte quello delle piastre di alluminio e da 45 a 83 volte quello delle piastre di acciaio.
Stato della ricerca sulle leghe di titanio per automobili

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Attualmente, la riduzione dei costi è la principale direzione di ricerca delle leghe di titanio utilizzate nell’industria automobilistica. In considerazione delle caratteristiche della distribuzione dei costi delle leghe di titanio utilizzate nell'industria automobilistica, gli addetti alla ricerca e sviluppo dei materiali raggiungono principalmente l'obiettivo di ridurre i costi dai seguenti due aspetti: sviluppo di nuovi sistemi di leghe a basso costo e utilizzo di nuove tecnologie di lavorazione e preparazione .

1. Nuovo sistema in lega di titanio a basso costo
Lavoratori provenienti da vari paesi stanno sviluppando nuovi sistemi di leghe di titanio a basso costo, concentrandosi principalmente sui seguenti aspetti: progettazione della lega utilizzando elementi di lega economici e progettazione della lega per migliorare le caratteristiche di lavorazione. Tra questi sono rappresentati il ​​Giappone e gli Stati Uniti. il mio paese ha anche sviluppato con successo due leghe di titanio a basso costo, vale a dire Ti8LC e Ti12LC. Nella progettazione di componenti in lega di titanio a basso costo per veicoli, gli elementi in lega economici comunemente usati includono Fe, Cr, Si, Al, ecc.
2. Nuova tecnologia di lavorazione e preparazione
Il costo di lavorazione dei materiali in lega di titanio rappresenta oltre il 60% del costo totale durante il processo di produzione. Pertanto, in termini di riduzione dei costi, come ridurre i costi di lavorazione della lega di titanio è diventata una direzione chiave della ricerca. La ricerca in questo settore è principalmente divisa in due aspetti: uno è quello di migliorare il tradizionale processo di fusione e forgiatura, e l'altro è quello di adottare la tecnologia della forma quasi netta della metallurgia delle polveri.
Nello sviluppo di nuovi processi di forgiatura, la forgiatura a freddo è attualmente uno dei metodi più promettenti per la produzione di componenti automobilistici in leghe di titanio. La lega di beta titanio ha una bassa resistenza alla deformazione a temperatura ambiente ed è buona nel taglio e nella formatura. È un materiale che può essere forgiato a freddo. Attualmente, il Giappone ha sviluppato tre leghe di beta titanio deformate a freddo. Anche la lega di beta titanio presenta alcuni difetti. È soggetto a deformazioni irregolari durante la forgiatura a freddo ed è facile da aderire allo stampo. Pertanto, la produzione in serie di parti in lega di beta titanio utilizzando la tecnologia di forgiatura a freddo richiede ulteriori esplorazioni e sviluppi.
La metallurgia delle polveri è una tecnologia molto importante per ridurre i costi di lavorazione delle leghe di titanio. Nella produzione di componenti automobilistici mediante metallurgia delle polveri, il tradizionale metodo di pressatura-sinterizzazione è ancora dominante, comprendendo principalmente il metodo delle polveri elementari (BE) e il metodo delle polveri pre-legate (PA). Attualmente, il metodo delle polveri elementari è il più utilizzato nel campo della metallurgia delle polveri di leghe di titanio per autoveicoli a basso costo grazie al suo processo semplice e ai costi inferiori. Negli ultimi anni sono emerse anche altre tecnologie di metallurgia delle polveri, tra cui la tecnologia di formatura laser, lo stampaggio a iniezione di polveri metalliche (MIM) e altre tecnologie. Sono stati ampiamente utilizzati nella produzione di prova e nella produzione di parti automobilistiche complesse, il che può ridurre notevolmente lo sviluppo del prodotto. e ciclo produttivo, riducendo ulteriormente i costi.
Conclusione
La nuova generazione di design automobilistico presta maggiore attenzione alla carrozzeria leggera, al basso consumo di carburante, alla bassa rumorosità e alle leggere vibrazioni del motore per soddisfare i requisiti sempre più esigenti dell'ambiente. In questo contesto, il metallo leggero titanio diventerà uno dei principali materiali applicativi per le automobili del futuro.
Da un'analisi esaustiva dello stato attuale della ricerca sulle leghe di titanio per veicoli a basso costo si può constatare che, al fine di ridurre ulteriormente il costo delle leghe di titanio per veicoli, la ricerca dovrebbe concentrarsi principalmente sui seguenti aspetti:
1) In termini di sviluppo di sistemi di leghe a basso costo, cercare di sviluppare sistemi di leghe che utilizzino elementi di lega nessuno o meno costosi senza influire sulle prestazioni e allo stesso tempo facciano pieno uso di leghe di titanio riciclate.
2) In termini di sviluppo del processo di fusione e forgiatura, svilupparsi nella direzione dello sviluppo di leghe di beta titanio e leghe di titanio deformate a freddo e condurre studi di fattibilità sulla loro produzione di massa.
3) In termini di metallurgia delle polveri, pur garantendo il vantaggio del basso costo, è anche necessario migliorare ulteriormente le prestazioni delle parti in titanio.
Con lo sviluppo dell'economia e la riduzione del costo del titanio, sempre più progettisti sceglieranno parti in titanio come parti automobilistiche. Le leghe di titanio finiranno per svolgere un ruolo importante nella produzione dell’industria automobilistica.