Ứng dụng Titan trong ngành công nghiệp ô tô

Mặc dù hợp kim titan đã được sử dụng rộng rãi trong các ngành hàng không vũ trụ, hóa dầu và đóng tàu, nhưng ứng dụng của chúng trong ngành ô tô vẫn phát triển chậm. Bắt đầu từ sự phát triển thành công chiếc ô tô hoàn toàn bằng titan đầu tiên của General Motors tại Hoa Kỳ vào năm 1956, phụ tùng ô tô bằng titan không đạt đến mức sản xuất hàng loạt cho đến những năm 1980. Vào những năm 1990, khi nhu cầu về ô tô hạng sang, xe thể thao và xe đua tăng lên hàng năm, các bộ phận sản xuất phụ tùng ô tô bằng titan đã phát triển nhanh chóng. Năm 1990, lượng titan sử dụng trong ô tô trên toàn thế giới chỉ là 50 tấn. Năm 1997, nó đạt 500 tấn. Năm 2002 đạt 1.100 tấn. Năm 2009, con số này đạt tới 3,{13}}t. Dự kiến, lượng titan được sử dụng trong ô tô trên toàn thế giới sẽ vượt quá 5,{15}}t vào năm 2015. Hiện tại, các loại phụ tùng hợp kim titan sau đây thường được sử dụng.

1. Thanh nối động cơ
Hợp kim titan là vật liệu lý tưởng để làm thanh nối. Thanh kết nối động cơ làm bằng hợp kim titan có thể giảm khối lượng động cơ một cách hiệu quả, cải thiện hiệu suất sử dụng nhiên liệu và giảm lượng khí thải. So với thanh kết nối bằng thép, thanh kết nối titan có thể giảm khối lượng từ 15% đến 2{12}}%. Việc ứng dụng thanh kết nối bằng hợp kim titan lần đầu tiên được thể hiện trên mẫu sedan Ferrari 3.5LV8 mới của Ý và động cơ NSX của Acura. Vật liệu chính được sử dụng trong thanh nối hợp kim titan là Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V và Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si. Các vật liệu hợp kim titan khác như Ti-4Al Ứng dụng của -2Si-4Mn và Ti{21}}M-4Mo trong các thanh nối cũng đang được phát triển.
2. Van động cơ
Van động cơ ô tô làm bằng hợp kim titan không chỉ có thể giảm khối lượng và kéo dài tuổi thọ mà còn giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và cải thiện độ tin cậy của xe. So với van thép, van titan có thể giảm khối lượng từ 30% đến 40% và tốc độ giới hạn của động cơ có thể tăng thêm 20%. Theo các ứng dụng hiện nay, vật liệu của van nạp chủ yếu là Ti-6Al-4V và vật liệu của van xả chủ yếu là Ti-6242S. Thông thường Sn và Al được thêm vào với nhau để có độ giòn thấp hơn và Độ bền cao hơn; Việc bổ sung Mo có thể cải thiện đặc tính xử lý nhiệt của hợp kim titan, tăng cường độ bền của hợp kim titan làm nguội và lão hóa, đồng thời tăng độ cứng. Các hợp kim titan khác có tiềm năng phát triển bao gồm:
1) Van nạp có thể được làm bằng Ti-62S, có đặc tính tương đương với Ti-6Al-4V và rẻ hơn.
2) Van xả có thể được làm bằng Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo{{7} }.45Si. Do hàm lượng Mo thấp hơn nên khả năng chống rão của nó tốt hơn Ti-6242S và khả năng chống oxy hóa của nó có thể đạt tới 600 độ. .
3) Van xả có thể được làm bằng -TiAl, có đặc tính chịu nhiệt độ cao và trọng lượng nhẹ, nhưng không phù hợp với các phương pháp rèn truyền thống trong quá trình xử lý. Nó chỉ thích hợp cho việc đúc và gia công luyện kim bột.
3. Ghế lò xo van
Độ bền cao và khả năng chống mỏi là những đặc tính cần thiết của ghế lò xo van. Hợp kim titan beta là hợp kim được xử lý nhiệt có thể đạt được độ bền cao thông qua xử lý lão hóa dung dịch rắn. Các vật liệu tương ứng phù hợp hơn là Ti-15V-3Cr- 3Al-3Sn và Ti-15Mo-3Al-2 .7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors sử dụng ghế lò xo van hợp kim titan Ti-22V{12}}Al trên các xe sản xuất quy mô lớn, giúp giảm khối lượng 42% so với ổ khóa thép nguyên bản, giảm khối lượng quán tính của van cơ chế tăng 6% và tăng tốc độ động cơ tối đa. 300r/phút.
4. Lò xo hợp kim titan
Titan và các hợp kim của nó có mô đun đàn hồi thấp hơn và giá trị σs/E lớn hơn vật liệu thép nên thích hợp để chế tạo các bộ phận đàn hồi. So với lò xo ô tô bằng thép, với tiền đề là cùng một công việc đàn hồi, chiều cao của lò xo titan chỉ bằng 40% lò xo thép và khối lượng chỉ bằng 30% đến 40% lò xo thép, tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế thân xe. Ngoài ra, đặc tính mỏi tuyệt vời và khả năng chống ăn mòn của hợp kim titan có thể kéo dài tuổi thọ của lò xo. Hiện nay, vật liệu hợp kim titan có thể dùng để chế tạo lò xo ô tô bao gồm Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al và Ti-13V11C-3Al.
5. Bộ tăng áp
Bộ tăng áp có thể cải thiện hiệu suất đốt cháy của động cơ và tăng cường công suất và mô-men xoắn của động cơ. Rôto tuabin của bộ tăng áp cần làm việc lâu dài trong khí thải có nhiệt độ cao trên 850 độ nên đòi hỏi khả năng chịu nhiệt tốt. Các kim loại nhẹ truyền thống như hợp kim nhôm không thể được sử dụng do nhiệt độ nóng chảy thấp. Mặc dù vật liệu gốm được sử dụng trong rôto tuabin do trọng lượng nhẹ và khả năng chịu nhiệt độ cao tốt nhưng ứng dụng của chúng bị hạn chế do giá thành cao và không có khả năng tối ưu hóa hình dạng. Để giải quyết những vấn đề này, Tetsui và những người khác đã phát triển rôto tuabin TiAl. Sau nhiều thử nghiệm, người ta đã xác minh rằng nó không chỉ có độ bền và hiệu suất tốt mà còn có thể cải thiện khả năng tăng tốc của động cơ. Thiết kế này đã được thương mại hóa thành công trên dòng Mitsubishi Lancer Evolution.
6. Hệ thống xả và giảm thanh
Titan được sử dụng rộng rãi trong hệ thống ống xả ô tô. Hệ thống ống xả làm bằng titan và hợp kim của nó không chỉ có thể cải thiện độ tin cậy, kéo dài tuổi thọ và cải thiện hình thức mà còn giảm khối lượng và cải thiện hiệu suất đốt nhiên liệu. So với hệ thống ống xả bằng thép, hệ thống ống xả titan có thể giảm khối lượng khoảng 40%. Ở dòng xe Golf, khối lượng của hệ thống ống xả titan có thể giảm từ 7 đến 9 kg. Hiện nay, vật liệu titan được sử dụng trong hệ thống ống xả chủ yếu là titan nguyên chất công nghiệp.
Bộ giảm âm titan chỉ nặng từ 5 đến 6 kg, nhẹ hơn thép không gỉ và các bộ giảm âm khác. Chevrolet Corvette Z06 2000 sử dụng hệ thống ống xả và giảm thanh titan nặng 11,8kg thay vì hệ thống ống xả bằng thép không gỉ nặng 20kg nguyên bản, giúp giảm khối lượng 41%. Hệ thống được thay thế vẫn duy trì được sức mạnh và giúp xe nhanh hơn, linh hoạt hơn và tiết kiệm nhiên liệu hơn. Chất liệu titan được sử dụng trong bộ giảm thanh cũng chủ yếu là titan nguyên chất công nghiệp.
7. Phần khung thân xe
Để nâng cao độ an toàn và độ tin cậy của ô tô, cần phải xem xét các khía cạnh thiết kế và chế tạo, đặc biệt là vật liệu chế tạo. Titan là chất liệu rất tốt dùng để làm khung thân xe ô tô. Nó không chỉ có cường độ riêng cao mà còn có độ dẻo dai tốt. Tại Nhật Bản, các nhà sản xuất ô tô lựa chọn ống hàn titan nguyên chất để làm khung thân xe. Loại khung này có thể tạo cho người lái cảm giác an toàn khi lái xe.
8. Các bộ phận hợp kim titan khác
Ngoài các thành phần trên, titan còn được sử dụng trong tay rocker động cơ, lò xo treo, chốt piston động cơ, ốc vít ô tô, đai ốc vấu, dầm nhô cửa ô tô, giá đỡ hộp số ô tô, piston kẹp phanh, bu lông chốt, áp suất Phụ tùng ô tô như đĩa, nút chuyển số và đĩa ly hợp ô tô.

1. Ưu điểm

Hợp kim titan có ưu điểm là trọng lượng nhẹ, độ bền riêng cao và khả năng chống ăn mòn tốt nên được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô. Việc sử dụng hợp kim titan phổ biến nhất là trong hệ thống động cơ ô tô. Có rất nhiều lợi ích khi sử dụng hợp kim titan để chế tạo các bộ phận động cơ, chủ yếu ở:
1) Mật độ thấp của hợp kim titan có thể làm giảm khối lượng quán tính của các bộ phận chuyển động. Đồng thời, lò xo van titan có thể tăng độ rung tự do, làm suy yếu độ rung của thân xe, tăng tốc độ động cơ và công suất đầu ra.
2) Giảm khối lượng quán tính của các bộ phận chuyển động, từ đó giảm ma sát và nâng cao hiệu suất sử dụng nhiên liệu của động cơ.
3) Việc lựa chọn hợp kim titan có thể làm giảm ứng suất tải của các bộ phận liên quan và giảm kích thước của các bộ phận, từ đó giảm trọng lượng của động cơ và toàn bộ xe.
4) Việc giảm khối lượng quán tính của các bộ phận giúp giảm độ rung, tiếng ồn và cải thiện hiệu suất động cơ.
Việc ứng dụng hợp kim titan trong các bộ phận khác có thể cải thiện sự thoải mái của nhân viên và tính thẩm mỹ của ô tô. Trong các ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô, hợp kim titan đã đóng một vai trò to lớn trong việc tiết kiệm năng lượng và giảm tiêu thụ.
2. Hạn chế ứng dụng
Mặc dù các bộ phận hợp kim titan có những đặc tính vượt trội như vậy nhưng vẫn còn một chặng đường dài trước khi titan và hợp kim của nó được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô. Những lý do bao gồm giá cao, khả năng định hình kém và hiệu suất hàn kém.
Với sự phát triển của hợp kim titan gần như công nghệ hình lưới và các công nghệ hàn hiện đại như hàn chùm tia điện tử, hàn hồ quang plasma và hàn laser trong những năm gần đây, các vấn đề tạo hình và hàn của hợp kim titan không còn là yếu tố chính hạn chế ứng dụng của titan hợp kim. Lý do chính khiến nó được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô là giá thành cao.
Cho dù đó là quá trình nấu chảy kim loại ban đầu hay quá trình xử lý tiếp theo, giá của hợp kim titan đều cao hơn nhiều so với các kim loại khác. Chi phí của các bộ phận titan mà ngành công nghiệp ô tô có thể chấp nhận là 8 đến 13 đô la Mỹ/kg cho thanh kết nối, 13 đến 20 đô la Mỹ cho van và 8 đô la Mỹ cho lò xo, hệ thống xả động cơ và ốc vít. Dưới USD/kg. Giá thành của các bộ phận được sản xuất bằng vật liệu titan hiện nay cao hơn nhiều so với mức giá này. Giá thành sản xuất tấm titan hầu hết cao hơn 33 đô la Mỹ/kg, gấp 6 đến 15 lần so với tấm nhôm và gấp 45 đến 83 lần so với tấm thép.