Stato di applicazione delle leghe di titanio nell'industria automobilistica
Negli ultimi anni, con il rapido sviluppo dell'industria automobilistica, il consumo di carburante, la protezione ambientale e i problemi di sicurezza generati dalle automobili hanno attirato sempre più attenzione. Guardando al futuro sviluppo dell'industria automobilistica, leggerezza, basso consumo di carburante e basse emissioni sono i temi dello sviluppo. Secondo le statistiche dei dipartimenti autorevoli internazionali, il 60% dell'energia della combustione del carburante delle automobili viene consumata dal suo stesso peso. Sebbene le piastre di acciaio sottili ad alta resistenza, l'alluminio, il magnesio, i materiali compositi a base di metallo e i materiali in resina plastica abbiano svolto un ruolo nella riduzione del peso delle automobili, l'emergere di materiali industriali in titanio ha reso la produzione automobilistica una scelta migliore.
Il metallo di titanio ha i vantaggi di bassa densità, elevata resistenza specifica e buona resistenza alla corrosione. L'uso di materiali in titanio nelle automobili può ridurre notevolmente il peso della carrozzeria, ridurre il consumo di carburante, migliorare l'efficienza di lavoro 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 nell'industria automobilistica e raramente nelle auto ordinarie. Pertanto, la ricerca e lo sviluppo di leghe di titanio a basso costo che soddisfano le esigenze del mercato sono la chiave per promuovere la sua applicazione nelle normali auto domestiche.
Stato attuale dell'applicazione delle leghe di titanio nell'industria automobilistica
Sebbene le leghe di titanio siano state ampiamente utilizzate nei settori aerospaziale, petrolchimico e della costruzione navale, la loro applicazione nell'industria automobilistica si è sviluppata lentamente. Da quando la prima auto interamente in titanio è stata sviluppata con successo dalla General Motors negli Stati Uniti nel 1956, le parti di auto in titanio non hanno raggiunto il livello di produzione di massa fino agli anni '80. Negli anni '90, con la crescente domanda di auto di lusso, auto sportive e auto da corsa, le parti in titanio si sono sviluppate rapidamente. Nel 1990, la quantità di titanio utilizzata nelle automobili in tutto il mondo era di sole 50 tonnellate, che hanno raggiunto le 500 tonnellate nel 1997, le 1100 tonnellate nel 2002 e le 3000 tonnellate nel 2009. Si prevede che la quantità di titanio utilizzata nelle automobili in tutto il mondo supererà le 5000 tonnellate nel 2015. Attualmente, le seguenti parti in lega di titanio sono comunemente utilizzate.
1. Biella del motore
La lega di titanio è una scelta ideale per i materiali delle bielle. Le bielle del motore realizzate in lega di titanio possono ridurre efficacemente il peso del motore, migliorare l'efficienza del carburante e ridurre il volume di scarico. Rispetto alle bielle in acciaio, le bielle in titanio possono ridurre dal 15% al 20% del peso. L'applicazione delle bielle in lega di titanio è stata riflessa per la prima volta nei nuovi motori Ferrari 3.5LV8 e Acura NSX in Italia. I materiali utilizzati per le bielle in lega di titanio sono principalmente Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3Al-2.0V e Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si, e altri materiali in lega di titanio come Ti-4Al-2Si-4Mn e Ti-7M-4Mo sono anch'essi in fase di sviluppo per l'uso nelle bielle.
2. Valvole del motore
Le valvole dei motori delle automobili realizzate in leghe di titanio possono non solo ridurre il peso e prolungare la durata utile, ma anche ridurre il consumo di carburante e migliorare l'affidabilità dell'automobile. Rispetto alle valvole in acciaio, le valvole in titanio possono ridurre il peso 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 e il materiale della valvola di scarico è principalmente Ti-6242S. Di solito Sn e Al vengono aggiunti insieme per ottenere una minore fragilità e una maggiore resistenza; l'aggiunta di Mo può migliorare le prestazioni del trattamento termico delle leghe di titanio, aumentare la resistenza della tempra e dell'invecchiamento delle leghe di titanio e aumentare la durezza. Altre leghe di titanio con potenziale di sviluppo sono:
1) La valvola di aspirazione può essere realizzata in Ti-62S, che ha le stesse caratteristiche del Ti-6Al-4V ed è più economico.
2) La valvola di scarico può essere realizzata in Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo-0.45Si. Grazie al suo contenuto inferiore di Mo, la sua resistenza allo scorrimento è migliore di quella di Ti-6242S e la sua temperatura di resistenza all'ossidazione può raggiungere i 600 gradi.
3) La valvola di scarico può essere realizzata in -TiAl, che presenta le caratteristiche di resistenza alle alte temperature e leggerezza, ma non è adatto alla lavorazione con metodi di forgiatura tradizionali ed è adatto solo per fusione e metallurgia delle polveri.
3. Sede molla valvola
Elevata resistenza e resistenza alla fatica sono le proprietà che devono avere le sedi delle molle delle valvole. La lega di titanio è una lega trattabile termicamente che può ottenere elevata resistenza tramite trattamento di invecchiamento in soluzione solida. I materiali più adatti corrispondenti sono Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn e Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors utilizza sedi delle molle delle valvole in lega di titanio Ti-22V-4Al sulle sue auto prodotte in serie, il che riduce la massa del 42% rispetto alla serratura in acciaio originale, riduce la massa inerziale del meccanismo della valvola del 6% e aumenta la velocità massima del motore di 300 giri/min.
4. Molle in lega di titanio
Il titanio e le sue leghe hanno un modulo elastico inferiore rispetto ai materiali in acciaio, un valore σs/E elevato e sono adatti per la produzione di componenti elastici. Rispetto alle molle in acciaio per automobili, con la stessa premessa del lavoro elastico, l'altezza delle molle in titanio è solo il 40% di quella delle molle in acciaio e la massa è solo dal 30% al 40% di quella delle molle in acciaio, il che è conveniente per la progettazione della carrozzeria. Inoltre, le eccellenti prestazioni di fatica e la resistenza alla corrosione delle leghe di titanio possono aumentare la durata utile delle molle. Attualmente, i materiali in lega di titanio che possono essere utilizzati per la produzione di molle per automobili includono Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al e Ti-13V11C-3Al.
5. Turbocompressore
I turbocompressori possono migliorare l'efficienza di combustione dei motori e potenziarne la potenza e la coppia. Il rotore della turbina del turbocompressore deve funzionare a lungo in gas di scarico ad alta temperatura, oltre gli 850 gradi, quindi deve avere una buona resistenza al calore. I tradizionali metalli leggeri come la lega 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 dell'elevato costo e dell'impossibilità di ottimizzare la forma. Per risolvere questi problemi, Tetsui et al. hanno sviluppato il rotore della turbina TiAl. Dopo molti test e verifiche, non solo ha una buona durata ed efficienza, ma può anche migliorare l'accelerazione del motore. Questo design è stato commercializzato con successo nella serie Mitsubishi Lancer Evolution.
6. Sistema di scarico e marmitta
Il titanio è utilizzato in grandi quantità nel sistema di scarico delle automobili. I sistemi di scarico realizzati in titanio e nelle sue leghe possono non solo 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%. Nella serie di auto Golf, il peso del sistema di scarico in titanio può essere ridotto di 7-9 kg. Attualmente, il titanio utilizzato nel sistema di scarico è principalmente titanio puro industriale.
Il peso della marmitta in titanio è di soli 5-6 kg, il che la rende più leggera delle marmitte in acciaio inossidabile. La Chevrolet Corvette Z06 del 2000 utilizza un sistema di marmitta e tubo di scarico in titanio da 11,8 kg per sostituire il sistema originale in acciaio inossidabile da 20 kg, riducendo il peso del 41%. La resistenza del sistema sostituito rimane invariata e l'auto è più veloce, più flessibile e a basso consumo di carburante. Anche il titanio utilizzato nella marmitta è principalmente titanio puro industriale.
7. Telaio della carrozzeria
Per migliorare la sicurezza e l'affidabilità dell'auto, è necessario considerare gli aspetti di progettazione e produzione, in particolare i materiali di produzione. Il titanio è un buon materiale per realizzare telai di carrozzeria. Non solo ha un'elevata resistenza specifica, ma ha anche una buona tenacità. In Giappone, i produttori di automobili scelgono tubi saldati in metallo di titanio puro per realizzare telai di carrozzeria, il che può far sentire i conducenti sufficientemente sicuri durante la guida.
8. Altre parti in lega di titanio
Oltre alle parti di cui sopra, il titanio è utilizzato anche nei bilancieri del motore, nelle molle delle sospensioni, nei perni dei pistoni del motore, negli elementi di fissaggio per automobili, nei dadi delle ruote, nelle travi sporgenti delle portiere delle automobili, nelle staffe di arresto delle automobili, nei pistoni delle pinze dei freni, nei bulloni dei perni, nelle piastre di pressione, nei pulsanti del cambio e nei dischi della frizione per automobili e in altre parti per automobili. La nuova generazione di design per automobili presta maggiore attenzione alla carrozzeria leggera, al basso consumo di carburante, alla bassa rumorosità e alle vibrazioni leggere del motore per soddisfare i requisiti ambientali sempre più severi. In questo contesto, il titanio leggero diventerà un materiale di applicazione principale per le automobili del futuro.