Applicazione delle leghe di titanio nella produzione automobilistica leggera

Il titanio e le leghe di titanio hanno le caratteristiche di bassa densità, eccellenti proprietà meccaniche, buona biocompatibilità, resistenza alla corrosione, resistenza alle alte temperature e buona tenacità alle basse temperature. Sono stati ampiamente utilizzati nel campo della produzione automobilistica. La densità della lega di titanio è solo il 60% di quella dell'acciaio, mentre la resistenza può raggiungere più di 800 MPa. Mantiene ancora buone proprietà meccaniche a circa 500 gradi e ha buone proprietà di saldatura e formatura. È stato utilizzato nella produzione di auto da corsa più di 20 anni fa, riducendo notevolmente il peso dei motori da corsa e migliorandone le prestazioni.

Attualmente, le parti in lega di titanio utilizzate nella produzione automobilistica sono distribuite principalmente nei sistemi di scarico delle automobili, nei sistemi motore, nei sistemi di trasmissione e di riduzione delle vibrazioni e nei telai delle carrozzerie.
1. Sistema di scarico
I materiali dei sistemi di scarico delle automobili devono avere buone proprietà meccaniche alle alte temperature e resistenza alla corrosione da parte degli elementi S e Cl. I componenti tradizionali delle valvole di scarico sono realizzati in acciaio inossidabile, ma alcuni hanno scoperto che le leghe di titanio sono più adatte all'uso come materiali per valvole di scarico in termini di prestazioni.
Il tubo di ritorno in titanio utilizzato nella nuova Chevrolet Corvette Z206 evita efficacemente i problemi di vaiolatura e ruggine di saldatura che si verificano sui tubi in acciaio inossidabile, migliorando allo stesso tempo l'efficienza della combustione del carburante e le capacità di accelerazione e riducendo gli spazi di frenata.
Timet, il più grande produttore di titanio negli Stati Uniti, è impegnato nella ricerca, sviluppo e produzione di sistemi di scarico in lega di titanio. Molte aziende giapponesi hanno anche svolto attività di ricerca e sviluppo correlate. Al momento, Fuji Heavy Industries, Ltd. ha una produzione limitata di 440 set di tubi di scarico automobilistici in lega di titanio.
2. Sistema motore
Il sistema motore automobilistico è la parte che utilizza la maggior parte della lega di titanio nel settore automobilistico. L'applicazione della lega di titanio nel sistema motore comprende principalmente valvole, bielle, alberi a gomiti, sedi delle valvole e altre parti.
La Honda Motor Corporation del Giappone utilizza bielle in titanio forgiato nel motore da corsa NSX V-6; Mitsubishi Motors utilizza sedi delle molle delle valvole in titanio nei motori a quattro cilindri ad alta cilindrata e le bielle in titanio vengono utilizzate anche nelle auto Porsche.
(1) Valvola
Per quanto riguarda le valvole in lega di titanio, gli Stati Uniti e il Giappone hanno condotto molti lavori di ricerca. Gli Stati Uniti attualmente utilizzano generalmente la lega Ti-6Al-4V per realizzare valvole di aspirazione e la lega Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo lega per realizzare valvole di scarico; mentre la Toyota giapponese utilizza la lega Ti-6Al-4V/Ti B per realizzare valvole di aspirazione e la lega Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Nb-Si/Ti B per realizzare valvole di scarico. Questi tipi di leghe di titanio hanno buone proprietà meccaniche alle alte temperature, resistenza all'ossidazione e resistenza allo scorrimento, che migliorano efficacemente le prestazioni del motore e aumentano la velocità del veicolo.
(2) Sede della valvola
Le sedi delle valvole in lega di titanio sono state ampiamente utilizzate nelle auto da corsa e sportive, con una produzione annua di oltre 250,000 set. Sono realizzati principalmente in lega Ti-6Al-4V o Ti-5Al-2Cr-1Fe. Poiché la forma della sede della valvola è relativamente semplice, non richiede requisiti elevati in termini di lavorazione e non richiede trattamenti superficiali speciali. È relativamente economico e ha un effetto significativo sulla riduzione del peso dell'auto.
(3) Bielle
L'uso di bielle in lega di titanio può ridurre efficacemente il peso del motore e migliorare le prestazioni dell'auto. Il materiale di preparazione principale è la lega Ti-6Al-4V. La giapponese Daido Co., Ltd. sta attualmente sviluppando una lega di titanio bifase Ti-3Al-2V-0.2Si-0.47Ce-0.27La . Questa lega ha una buona lavorabilità ed è eccellente anche in termini di proprietà meccaniche, proprietà di fatica e resistenza alla corrosione. Si prevede che venga utilizzato nelle parti della biella del motore soggette a rapida accelerazione e decelerazione.
(4) Alberi a gomiti
Sebbene gli alberi motore in lega di titanio non siano attualmente ampiamente utilizzati, la lega Ti-3Al-2.5V sviluppata appositamente dal Giappone è stata verificata sulle auto da corsa Honda. Riducendo efficacemente il peso, ha aumentato la velocità del motore di 700 giri/min, dimostrando la superiorità degli alberi motore in lega di titanio. Allo stesso tempo, il Giappone ha provato a produrre alberi a gomiti in lega Ti-5Al-2Cr-Fe, sperando che le leghe di titanio vengano più ampiamente utilizzate nelle parti degli alberi a gomiti.

3. Sistema di riduzione delle vibrazioni
Il componente principale del sistema di sospensione per la riduzione delle vibrazioni dell'automobile è la molla della sospensione. Rispetto all'acciaio per molle generale delle automobili, la lega di titanio ha una resistenza specifica più elevata, un modulo di taglio inferiore e una maggiore resistenza alla fatica, rendendola più adatta per la produzione di molle ammortizzanti per automobili. Poiché la deflessione della molla è proporzionale al numero di giri e inversamente proporzionale al modulo di taglio del materiale, le molle in lega di titanio richiedono meno giri rispetto alle molle in acciaio per ottenere la stessa risposta della molla, riducendo efficacemente la massa della molla e risparmiando spazio.
Allo stesso tempo, le molle in lega di titanio possono anche aumentare efficacemente la frequenza di risonanza della molla e aumentarne la durata. Attualmente, la maggior parte delle molle in lega di titanio sono realizzate in lega di titanio monofase. Volkswagen ha utilizzato molle per ingranaggi in lega di titanio Lupo FSI su alcune auto, con un utilizzo di circa 3.500 veicoli.

4. Telaio del corpo
In termini di componenti della carrozzeria, la maggiore resistenza specifica della lega di titanio, la minore densità e la buona resistenza alla corrosione indicano che si tratta di un buon materiale per la preparazione delle carrozzerie. Al momento, alcune aziende automobilistiche hanno utilizzato leghe di titanio su parti come staffe del cambio e pistoni delle pinze dei freni. Tra le parti della trasmissione, il Giappone sta attualmente sviluppando un processo per preparare gusci in lega di titanio mediante filatura ad alta velocità. Rispetto ai gusci in acciaio, i gusci in lega di titanio possono ridurre meglio l'impatto dei volani e avere effetti ammortizzanti migliori.
Inoltre, le leghe di titanio sono state utilizzate anche negli elementi di fissaggio e in altre parti automobilistiche. Con il continuo sviluppo della tecnologia di preparazione delle leghe di titanio e dell’industria automobilistica, le leghe di titanio saranno sicuramente utilizzate maggiormente nelle parti automobilistiche.

5. L'importanza delle leghe di titanio per i veicoli leggeri
Istituti di ricerca stranieri hanno calcolato che quando il peso a vuoto di un'auto diminuisce dell'10%, il consumo di carburante può essere ridotto dal 6% all'8%. Altri studi hanno dimostrato che per ogni riduzione di peso di 91 kg, il veicolo medio può percorrere 0,43 km in più per litro di carburante. Pertanto, con il continuo sviluppo dell'economia del mio Paese e il continuo aumento del numero di automobili, l'alleggerimento delle automobili è diventato uno dei modi più importanti per ridurre il consumo energetico e l'inquinamento atmosferico.
Il titanio e i materiali in lega di titanio sono attualmente ampiamente utilizzati nelle parti automobilistiche grazie alle loro eccellenti proprietà fisiche e chimiche. L'uso di materiali in titanio non solo migliora efficacemente le prestazioni e il fattore di sicurezza dell'auto, ma svolge anche un ruolo importante nell'alleggerimento dell'auto, riducendo efficacemente il peso a vuoto dell'auto e riducendo il consumo di carburante.
Rispetto al tradizionale sistema in acciaio inossidabile, il gruppo ugello posteriore-tubo di ritorno in titanio utilizzato nel sistema di scarico dell'automobile può ridurre il peso di circa 8,2 kg. L'uso di prodotti in lega di titanio invece dei tradizionali materiali in acciaio e ghisa nelle parti del motore come valvole e bielle può ridurre efficacemente il peso del motore.
Secondo una ricerca condotta nell'industria automobilistica giapponese, l'uso di circa 0,8 kg di parti in titanio nella valvola di potenza di un'automobile equivale all'effetto ottenuto da 20 kg di parti in acciaio; ciascuna sede della valvola in titanio può ridurre il peso di circa 10 g rispetto alla sede della valvola in acciaio; l'uso della lega di titanio per bielle e alberi motore è più efficace nel ridurre il peso del motore.

Nel sistema di riduzione delle vibrazioni, ciascuna molla in lega di titanio può ridurre il peso di oltre il 60% rispetto alla molla in acciaio. Calcolato sulla base di 4 molle di sospensione per veicolo, dopo aver sostituito la molla in lega di titanio, ciascun veicolo può ridurre il peso di 9~13,6 kg. Inoltre, il peso del silenziatore in lega di titanio è di soli 5~6 kg, ovvero il 40% più leggero rispetto al silenziatore in acciaio inossidabile.
Prendendo come esempio una normale automobile di medie dimensioni, se i ricambi auto esistenti in lega di titanio vengono utilizzati per sostituire le parti tradizionali, il peso a vuoto del veicolo verrà ridotto da circa 1.500 kg a circa 1.000 kg, con un tasso di riduzione del peso del 30%. il consumo complessivo di carburante può essere ridotto di oltre il 20%, il che ridurrà notevolmente il consumo mondiale di carburante e allevierà efficacemente i problemi di carenza energetica e inquinamento ambientale.

I dati sopra riportati mostrano che l’uso delle leghe di titanio ha un effetto significativo sull’alleggerimento delle automobili. Nell'industria automobilistica moderna, la tecnologia di applicazione del titanio e delle leghe di titanio nelle parti di automobili dovrebbe essere continuamente sviluppata per aumentare il rapporto di applicazione delle leghe di titanio nelle automobili. Pertanto, il compito principale in futuro dovrebbe essere quello di ridurre il prezzo delle parti in lega di titanio sviluppando materiali economici in lega di titanio e riducendo i costi di produzione delle materie prime in lega di titanio e migliorando l'efficienza di lavorazione delle parti in lega di titanio migliorando la tecnologia di lavorazione .