סגסוגת טיטניום מובילה את טכנולוגיית הרכב

למתכת טיטניום יש את היתרונות של צפיפות נמוכה, חוזק ספציפי גבוה ועמידות בפני קורוזיה טובה. השימוש בחומרי טיטניום במכוניות יכול להפחית מאוד את מסת הגוף, להפחית את צריכת הדלק, לשפר את יעילות המנוע, לשפר את הסביבה ולהפחית רעש. עם זאת, המחיר הגבוה גורם לסגסוגות טיטניום רק כמה יישומים בדגמי יוקרה ומכוניות ספורט בתעשיית הרכב, ולעתים רחוקות נעשה בהן שימוש במכוניות רגילות. לכן, מחקר ופיתוח של סגסוגות טיטניום בעלות נמוכה העונות על צרכי השוק הם המפתח לקידום היישום שלהן במכוניות ביתיות רגילות.

למרות שסגסוגות טיטניום נעשה שימוש נרחב בתעשיות תעופה וחלל, פטרוכימיה ובניית ספינות, היישום שלהן בתעשיית הרכב התפתח לאט. החל מהפיתוח המוצלח של מכונית הטיטניום הראשונה על ידי ג'נרל מוטורס בארה"ב בשנת 1956, חלקי רכב מטיטניום לא הגיעו לרמת ייצור המוני עד שנות ה-80. בשנות ה-90, כאשר הביקוש למכוניות יוקרה, מכוניות ספורט ומכוניות מירוץ גדל משנה לשנה, חלקי טיטניום לרכב החלפים המיוצרים התפתחו במהירות. בשנת 1990, כמות הטיטניום בשימוש בכלי רכב ברחבי העולם הייתה רק 50ט. ב-1997 הוא הגיע ל-500ט. בשנת 2002, הוא הגיע ל-1,100 ט. ב-2009 הוא הגיע ל-3,000ט. ההערכה היא שכמות הטיטניום בשימוש בכלי רכב ברחבי העולם תעלה על 5,000ט בשנת 2015. כיום, נעשה שימוש נפוץ בסוגים הבאים של חלקי סגסוגת טיטניום.

1. מוט חיבור מנוע
סגסוגת טיטניום היא חומר אידיאלי למוטות חיבור. מוטות חיבור של מנוע עשויים מסגסוגת טיטניום יכולים להפחית ביעילות מסת המנוע, לשפר את יעילות הדלק ולהפחית את נפח הפליטה. בהשוואה למוטות חיבור מפלדה, מוטות חיבור מטיטניום יכולים להפחית את המסה ב-15% ל-20%. היישום של מוטות חיבור מסגסוגת טיטניום בא לידי ביטוי לראשונה בפרארי סדאן 3.5LV8 החדשה של איטליה ובמנוע NSX של אקורה. החומרים העיקריים המשמשים במוטות חיבור מסגסוגת טיטניום הם Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V ו-Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si. חומרים אחרים מסגסוגת טיטניום כגון Ti-4Al היישום של -2Si-4Mn ו-Ti-7M-4Mo במוטות חיבור נמצא גם הוא בפיתוח.
2. שסתום מנוע
שסתומי מנוע רכב עשויים מסגסוגת טיטניום יכולים לא רק להפחית מסה ולהאריך את חיי השירות, אלא גם להפחית את צריכת הדלק ולשפר את אמינות הרכב. בהשוואה לשסתומי פלדה, שסתומי טיטניום יכולים להפחית מסה ב-30% עד 40%, וניתן להגביר את מהירות המנוע ב-20%. בכל הנוגע ליישומים הנוכחיים, החומר של שסתום היניקה הוא בעיקר Ti-6Al-4V, והחומר של שסתום הפליטה הוא בעיקר Ti-6242S. בדרך כלל מוסיפים Sn ו-Al כדי להשיג שבירות נמוכה יותר וחוזק גבוה יותר; התוספת של Mo יכולה לשפר את תכונות הטיפול בחום של סגסוגות טיטניום, לשפר את החוזק של סגסוגות טיטניום לכיבוי והזדקנות ולהגביר את הקשיות. סגסוגות טיטניום אחרות עם פוטנציאל פיתוח כוללות:
1) שסתום היניקה יכול להיות עשוי מ-Ti-62S, בעל תכונות שוות ל-Ti-6Al-4V והוא זול יותר.
2) שסתום הפליטה יכול להיות עשוי מ-Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo{{7} }.45Si. בגלל תכולת ה-Mo הנמוכה שלו, התנגדות הזחילה שלו טובה יותר מ-Ti-6242S, ועמידות החמצון שלו יכולה להגיע ל-600 מעלות. .
3) שסתום הפליטה יכול להיות עשוי מ-TiAl, בעל המאפיינים של עמידות בטמפרטורה גבוהה ומשקל קל, אך אינו מתאים לשיטות פרזול מסורתיות במהלך העיבוד. זה מתאים רק ליציקה ועיבוד אבקת מתכות.
3. מושב קפיצי שסתום
חוזק גבוה ועמידות בפני עייפות הם תכונות חובה למושב קפיץ השסתום. סגסוגת טיטניום בטא היא סגסוגת מטופלת בחום שיכולה להשיג חוזק גבוה באמצעות טיפול יישון בתמיסה מוצקה. החומרים המתאימים יותר המתאימים הם Ti-15V-3Cr- 3Al-3Sn ו-Ti-15Mo-3Al-2 .7Nb-0.2Si. מיצובישי מוטורס משתמשת במושבי קפיצי שסתומים מסגסוגת Ti-22V-4אל בכלי הרכב שלה בייצור בקנה מידה גדול, מה שמפחית את המסה ב-42% בהשוואה למנעולי הפלדה המקוריים, מפחית את המסה האינרציאלית של השסתום מנגנון ב-6%, ומגביר את מהירות המנוע המרבית. 300 ר/דקה
4. קפיץ מסגסוגת טיטניום
לטיטניום ולסגסוגות שלו מודול אלסטי נמוך יותר וערך σs/E גדול יותר מחומרי פלדה, מה שהופך אותם מתאימים לייצור רכיבים אלסטיים. בהשוואה לקפיצי פלדה לרכב, בהנחה של אותה עבודה אלסטית, גובה קפיצי טיטניום הוא רק 40% מקפיצי פלדה, והמסה היא רק 30% עד 40% מקפיצי פלדה, מה שמקל על עיצוב מרכב המכונית. בנוסף, תכונות העייפות המצוינות ועמידות בפני קורוזיה של סגסוגת טיטניום יכולים להאריך את חיי השירות של הקפיץ. נכון לעכשיו, חומרים מסגסוגת טיטניום שניתן להשתמש בהם לייצור קפיצים לרכב כוללים Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al ו-Ti-13V11C-3Al.
5. מגדש טורבו
מגדשי טורבו יכולים לשפר את יעילות הבעירה של המנוע ולשפר את כוח המנוע והמומנט. רוטור הטורבינה של מגדש הטורבו צריך לעבוד בגז פליטה בטמפרטורה גבוהה מעל 850 מעלות במשך זמן רב, ולכן הוא דורש עמידות טובה בחום. לא ניתן להשתמש במתכות קלות מסורתיות כגון סגסוגות אלומיניום בשל נקודות ההתכה הנמוכות שלהן. למרות שחומרים קרמיים משמשים ברוטורים של טורבינות בשל משקלם הקל ועמידותם הטובה בטמפרטורות גבוהות, היישום שלהם מוגבל בשל עלותם הגבוהה וחוסר היכולת לייעל את צורתם. על מנת לפתור את הבעיות הללו, טסואי ואחרים פיתחו את רוטור הטורבינה TiAl. לאחר בדיקות רבות, אומת שהוא לא רק בעל עמידות ויעילות טובה, אלא גם יכול לשפר את האצה של המנוע. עיצוב זה עבר למסחר בהצלחה בסדרת מיצובישי לנסר אבולושן.
6. מערכת פליטה ומשתיק קול
טיטניום נמצא בשימוש נרחב במערכות פליטה לרכב. מערכות פליטה עשויות טיטניום וסגסוגותיו יכולות לא רק לשפר את האמינות, להאריך חיים ולשפר את המראה, אלא גם להפחית את המסה ולשפר את יעילות שריפת הדלק. בהשוואה למערכות פליטה מפלדה, מערכות פליטה מטיטניום יכולות להפחית את המסה בכ-40%. במכוניות מסדרת גולף ניתן להפחית את המסה של מערכת הפליטה מטיטניום ב-7 עד 9 ק"ג. נכון לעכשיו, חומר הטיטניום המשמש במערכת הפליטה הוא בעיקר טיטניום טהור תעשייתי.
משתיק הטיטניום שוקל רק 5 עד 6 ק"ג, וזה קל יותר מקולטים מנירוסטה ושאר משתיקי קול. שברולט קורבט Z06 משנת 2000 משתמשת ב-11.8 ק"ג משתיק קול וצינור פליטה במקום מערכת הנירוסטה המקורית במשקל 20 ק"ג, מה שמפחית את המסה ב-41%. המערכת המוחלפת שומרת על חוזקה והופכת את המכונית למהירה יותר, גמישה יותר וחסכונית יותר בדלק. גם חומר הטיטניום המשמש במשתיק הוא בעיקר טיטניום טהור תעשייתי.
7. חלק מסגרת גוף
על מנת לשפר את הבטיחות והאמינות של מכוניות, יש צורך לשקול את היבטי התכנון והייצור, במיוחד את חומרי הייצור. טיטניום הוא חומר טוב מאוד המשמש לייצור מסגרות גוף לרכב. יש לו לא רק חוזק ספציפי גבוה, אלא גם בעל קשיחות טובה. ביפן, יצרני רכב בוחרים בצינורות מרותכים טיטניום טהור לייצור מסגרות גוף. מסגרת מסוג זה יכולה לגרום לנהגים להרגיש בטוחים בנהיגה.
8. חלקי סגסוגת טיטניום אחרים
בנוסף לרכיבים הנ"ל, נעשה שימוש בטיטניום גם בזרועות נדנדה של מנוע, קפיצי מתלה, פיני בוכנת מנוע, מחברים לרכב, אגוזי זיז, קורות בולטות לדלתות רכב, תושבות גלגלי שיניים לרכב, בוכנות קליפר בלמים, ברגי סיכה, חלקי רכב בלחץ כגון צלחות, לחצני העברה ודיסקיות מצמד לרכב.

1.יתרונות

לסגסוגות טיטניום יש את היתרונות של משקל קל, חוזק סגולי גבוה ועמידות טובה בפני קורוזיה, ולכן הם נמצאים בשימוש נרחב בתעשיית הרכב. השימוש הנפוץ ביותר בסגסוגות טיטניום הוא במערכות מנועי רכב. ישנם יתרונות רבים לשימוש בסגסוגות טיטניום לייצור חלקי מנוע, המתבטאים בעיקר ב:
1) הצפיפות הנמוכה של סגסוגת טיטניום יכולה להפחית את המסה האינרציאלית של חלקים נעים. במקביל, קפיצי שסתום טיטניום יכולים להגביר את הרטט החופשי, להחליש את הרטט של הגוף ולהגביר את מהירות המנוע והספק התפוקה.
2) הפחת את המסה האינרציאלית של חלקים נעים, ובכך הפחתת החיכוך ושיפור יעילות הדלק של המנוע.
3) בחירה בסגסוגת טיטניום יכולה להפחית את עומס העומס של חלקים קשורים ולהקטין את גודל החלקים, ובכך להפחית את משקל המנוע ושל הרכב כולו.
4) הפחתת המסה האינרציאלית של הרכיבים מפחיתה רעידות ורעש ומשפרת את ביצועי המנוע.
היישום של סגסוגות טיטניום ברכיבים אחרים יכול לשפר את נוחות הצוות ואת האסתטיקה של מכוניות. ביישומים בתעשיית הרכב, סגסוגות טיטניום מילאו תפקיד לאין ערוך בחיסכון באנרגיה והפחתת הצריכה.
2. הגבלות יישום
למרות שלחלקי סגסוגת טיטניום יש תכונות מעולות כל כך, יש עוד דרך ארוכה לפני שטיטניום וסגסוגותיו נמצאות בשימוש נרחב בתעשיית הרכב. הסיבות כוללות מחיר גבוה, יכולת צורה גרועה וביצועי ריתוך גרועים.
עם הפיתוח של טכנולוגיית סגסוגת טיטניום ליד צורה נטו וטכנולוגיות ריתוך מודרניות כגון ריתוך קרן אלקטרונים, ריתוך קשת פלזמה וריתוך לייזר בשנים האחרונות, בעיות היצירה והריתוך של סגסוגות טיטניום אינן עוד גורמי המפתח המגבילים את היישום של טיטניום סגסוגות. הסיבה העיקרית לכך שהוא נמצא בשימוש נרחב בתעשיית הרכב היא העלות הגבוהה.
בין אם מדובר בהיתוך ראשוני של המתכת או בעיבוד שלאחר מכן, המחיר של סגסוגות טיטניום גבוה בהרבה מזה של מתכות אחרות. העלות של חלקי טיטניום שתעשיית הרכב יכולה לקבל היא 8 עד 13 דולר ארה"ב/ק"ג עבור מוטות חיבור, 13 עד 20 דולר ארה"ב עבור שסתומים, ו-8 עבור קפיצים, מערכות פליטה של ​​מנוע ומחברים. מתחת לדולר/ק"ג. העלות הנוכחית של חלקים המיוצרים מחומרי טיטניום גבוהה בהרבה מהמחירים הללו. עלות הייצור של לוחות טיטניום גבוהה לרוב מ-33 דולר ארה"ב/ק"ג, שהם פי 6 עד 15 מזו של לוחות אלומיניום ופי 45 עד 83 של לוחות פלדה.
סטטוס מחקר של סגסוגות טיטניום למכוניות

תְמוּנָה
נכון לעכשיו, הפחתת עלויות היא כיוון המחקר העיקרי של סגסוגות טיטניום המשמשות בתעשיית הרכב. לאור המאפיינים של חלוקת העלויות של סגסוגות טיטניום המשמשות בתעשיית הרכב, עובדי מחקר ופיתוח חומרים משיגים בעיקר את המטרה של הפחתת עלויות משני ההיבטים הבאים: פיתוח מערכות סגסוגת חדשות בעלות נמוכה ושימוש בטכנולוגיות עיבוד והכנה חדשות. .

1. מערכת חדשה בסגסוגת טיטניום בעלות נמוכה
עובדים ממדינות שונות מפתחים מערכות חדשות של סגסוגת טיטניום בעלות נמוכה, בעיקר מתמקדות בהיבטים הבאים: עיצוב סגסוגת באמצעות אלמנטים זולים מסגסוגת ועיצוב סגסוגת לשיפור מאפייני העיבוד. ביניהם, יפן וארצות הברית מיוצגות. המדינה שלי גם פיתחה בהצלחה שתי סגסוגות טיטניום בעלות נמוכה, כלומר Ti8LC ו-Ti12LC. בתכנון של רכיבי סגסוגת טיטניום בעלות נמוכה לכלי רכב, רכיבי סגסוגת זולים בשימוש נפוץ כוללים Fe, Cr, Si, Al וכו'.
2. טכנולוגיית עיבוד והכנה חדשה
עלות העיבוד של חומרי סגסוגת טיטניום מהווה יותר מ-60% מהעלות הכוללת במהלך תהליך הייצור. לכן, במונחים של הפחתת עלויות, כיצד להפחית את עלות העיבוד של סגסוגת טיטניום הפך לכיוון מחקר מרכזי. המחקר בתחום זה מתחלק בעיקר לשני היבטים: האחד הוא שיפור תהליך היציקה והפרזול המסורתיים, והשני הוא אימוץ טכנולוגיית אבקת מתכות כמעט נטו.
בפיתוח תהליכי פרזול חדשים, פרזול קר הוא כיום אחת השיטות המבטיחות ביותר לייצור חלקי רכב מסגסוגות טיטניום. לסגסוגת טיטניום בטא יש עמידות נמוכה לדפורמציה בטמפרטורת החדר והיא טובה בחיתוך ובצורה. זהו חומר שניתן לזייף קר. נכון לעכשיו, יפן פיתחה שלוש סגסוגות טיטניום בטא מעוותות בקור. לסגסוגת בטא טיטניום יש גם כמה חסרונות. הוא נוטה לעיוות לא אחיד במהלך פרזול קר וקל להדביק אותו לתבנית. לכן, ייצור המוני של חלקי סגסוגת טיטניום בטא באמצעות טכנולוגיית פרזול קר דורש חקירה ופיתוח נוספים.
מטלורגיית אבקה היא טכנולוגיה חשובה מאוד בהפחתת עלויות העיבוד של סגסוגת טיטניום. בייצור חלקי רכב ממטאלורגיית אבקת, שיטת הלחיצה המסורתית עדיין דומיננטית, בעיקר כולל שיטת אבקה אלמנטרית (BE) ושיטת אבקה מוקדמת (PA). נכון להיום, שיטת האבקה היסודית היא הנפוצה ביותר בתחום מתכות אבקת סגסוגת טיטניום לרכב בעלות נמוכה בשל התהליך הפשוט שלה ועלותה הנמוכה יותר. בשנים האחרונות צצו גם טכנולוגיות נוספות של מתכות אבקה, ביניהן טכנולוגיית לייזר פורמינג, הזרקת אבקת מתכת (MIM) וטכנולוגיות נוספות. נעשה בהם שימוש נרחב בייצור ובייצור נסיוני של חלקי רכב מורכבים, מה שיכול לקצר מאוד את פיתוח המוצר. ומחזור ייצור, מה שמפחית עוד יותר עלויות.
סיכום
הדור החדש של עיצוב רכב מקדיש יותר תשומת לב למרכב קל המשקל, לצריכת דלק נמוכה, לרעש נמוך ולרעידות קלות של המנוע כדי לעמוד בדרישות ההולכות וגוברות של הסביבה. בהקשר זה, טיטניום המתכת הקל יהפוך לחומר יישום מרכזי עבור מכוניות עתידיות.
בחינה מקיפה של מצב המחקר הנוכחי של סגסוגות טיטניום בעלות נמוכה לכלי רכב ניתן למצוא שכדי להוזיל עוד יותר את העלות של סגסוגות טיטניום לכלי רכב, המחקר צריך להתמקד בעיקר בהיבטים הבאים:
1) מבחינת פיתוח מערכות סגסוגת בעלות נמוכה, נסו לפתח מערכות סגסוגת שמשתמשות באלמנטים מסגסוגת לא או פחות יקרים מבלי להשפיע על הביצועים, ובמקביל לעשות שימוש מלא בסגסוגות טיטניום ממוחזרות.
2) במונחים של פיתוח תהליך יציקה ופרזול, לפתח בכיוון של פיתוח סגסוגות טיטניום בטא וסגסוגות טיטניום מעוותות קר, ולערוך מחקרי היתכנות על הייצור ההמוני שלהן.
3) במונחים של מתכות אבקה, תוך הבטחת יתרון העלות הנמוכה, יש צורך גם לשפר עוד יותר את הביצועים של חלקי טיטניום.
עם התפתחות הכלכלה והפחתת עלות הטיטניום, יותר מעצבים הנדסיים יבחרו בחלקי טיטניום כחלקי רכב. סגסוגות טיטניום ישחקו בסופו של דבר תפקיד חשוב בייצור תעשיית הרכב.