Aplicação de ligas de titânio na fabricação de automóveis leves

O titânio e as ligas de titânio têm características de baixa densidade, excelentes propriedades mecânicas, boa biocompatibilidade, resistência à corrosão, resistência a altas temperaturas e boa tenacidade a baixas temperaturas. Eles têm sido amplamente utilizados na área de fabricação de automóveis. A densidade da liga de titânio é de apenas 60% da do aço, enquanto a resistência pode chegar a mais de 800MPa. Ainda mantém boas propriedades mecânicas em torno de 500 graus e possui boas propriedades de soldagem e conformação. Tem sido utilizado na fabricação de carros de corrida há mais de 20 anos, reduzindo significativamente o peso dos motores de corrida e melhorando o desempenho do motor.

Atualmente, as peças de liga de titânio usadas na fabricação de automóveis são distribuídas principalmente em sistemas de escapamento de automóveis, sistemas de motores, sistemas de transmissão e redução de vibração e estruturas de carrocerias.
1. Sistema de exaustão
Os materiais dos sistemas de escapamento de automóveis devem ter boas propriedades mecânicas em altas temperaturas e resistência à corrosão por elementos S e Cl. Os componentes tradicionais das válvulas de escape são feitos de aço inoxidável, mas as pessoas descobriram que as ligas de titânio são mais adequadas para uso como materiais de válvulas de escape em termos de desempenho.
O tubo de retorno de titânio usado no novo Chevrolet Corvette Z206 evita efetivamente os problemas de corrosão e ferrugem da solda que ocorrem em tubos de aço inoxidável, ao mesmo tempo que melhora a eficiência de combustão de combustível e as capacidades de aceleração, além de encurtar as distâncias de frenagem.
A Timet, maior fabricante de titânio dos Estados Unidos, está comprometida com a pesquisa, desenvolvimento e fabricação de sistemas de escapamento em liga de titânio. Muitas empresas japonesas também realizaram trabalhos de pesquisa e desenvolvimento relacionados. Atualmente, a Fuji Heavy Industries, Ltd. limitou a produção de 440 conjuntos de tubos de escape automotivos em liga de titânio.
2. Sistema do motor
O sistema de motor de automóvel é a parte que mais utiliza liga de titânio na área automotiva. A aplicação de liga de titânio no sistema do motor inclui principalmente válvulas, bielas, virabrequins, sedes de válvulas e outras peças.
A Honda Motor Corporation do Japão usa bielas de titânio forjado no motor NSX racing V-6; A Mitsubishi Motors usa sedes de molas de válvula de titânio em motores de quatro cilindros de alta capacidade, e bielas de titânio também são usadas em carros Porsche.
(1) Válvula
Em termos de válvulas de liga de titânio, os Estados Unidos e o Japão realizaram muitos trabalhos de pesquisa. Atualmente, os Estados Unidos geralmente usam liga de Ti-6Al-4V para fabricar válvulas de admissão e Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo liga para fazer válvulas de escape; enquanto a Toyota do Japão usa liga Ti-6Al-4V/Ti B para fazer válvulas de admissão e liga Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Nb-Si/Ti B para fazer válvulas de escape. Esses tipos de ligas de titânio têm boas propriedades mecânicas em altas temperaturas, resistência à oxidação e resistência à fluência, o que melhora efetivamente o desempenho do motor e aumenta a velocidade do veículo.
(2) Sede da válvula
As sedes de válvula em liga de titânio têm sido amplamente utilizadas em carros de corrida e esportivos, com uma produção anual de mais de 250,{1}} conjuntos. Eles são feitos principalmente de liga de Ti-6Al-4V ou Ti-5Al-2Cr-1Fe. Como o formato da sede da válvula é relativamente simples, ela não requer altos requisitos em termos de usinagem e não requer tratamento superficial especial. É relativamente barato e tem um efeito significativo na redução do peso do carro.
(3) Bielas
O uso de bielas de liga de titânio pode efetivamente reduzir o peso do motor e melhorar o desempenho do carro. O principal material de preparação é a liga Ti-6Al-4V. A Daido Co., Ltd. do Japão está atualmente desenvolvendo uma liga de titânio bifásica Ti-3Al-2V-0.2Si-0.47Ce-0.27La . Esta liga possui boa usinabilidade e também é excelente em propriedades mecânicas, propriedades de fadiga e resistência à corrosão. Espera-se que seja usado nas peças da biela do motor que estão sujeitas a rápida aceleração e desaceleração.
(4) Virabrequins
Embora os virabrequins de liga de titânio não tenham sido amplamente utilizados atualmente, a liga Ti-3Al-2.5V especialmente desenvolvida pelo Japão foi verificada em carros de corrida Honda. Ao mesmo tempo que reduziu efetivamente o peso, aumentou a velocidade do motor em 700 r/min, provando a superioridade dos virabrequins em liga de titânio. Ao mesmo tempo, o Japão tem produzido virabrequins em liga de Ti-5Al-2Cr-Fe, na esperança de que as ligas de titânio sejam mais amplamente utilizadas em peças de virabrequins.

3. Sistema de redução de vibração
O componente principal do sistema de suspensão para redução de vibração do automóvel é a mola de suspensão. Em comparação com o aço para molas automotivas em geral, a liga de titânio tem maior resistência específica e menor módulo de cisalhamento, além de maior resistência à fadiga, tornando-a mais adequada para a fabricação de molas de absorção de choque para automóveis. Como a deflexão da mola é proporcional ao número de voltas e inversamente proporcional ao módulo de cisalhamento do material, as molas de liga de titânio requerem menos voltas do que as molas de aço para obter a mesma resposta da mola, reduzindo efetivamente a massa da mola e economizando espaço.
Ao mesmo tempo, as molas de liga de titânio também podem aumentar efetivamente a frequência de ressonância da mola e aumentar sua vida útil. Atualmente, a maioria das molas de liga de titânio são feitas de liga de titânio monofásica. A Volkswagen usou molas de engrenagem de liga de titânio Lupo FSI em alguns carros, com uso em cerca de 3.500 veículos.

4. Estrutura corporal
Em termos de componentes da estrutura da carroceria, a maior resistência específica, menor densidade e boa resistência à corrosão da liga de titânio indicam que é um bom material para a preparação de estruturas da carroceria. Atualmente, algumas empresas automobilísticas têm usado ligas de titânio em peças como suportes de engrenagens e pistões de pinças de freio. Entre as peças de transmissão, o Japão está atualmente desenvolvendo um processo para preparar carcaças de liga de titânio por fiação em alta velocidade. Em comparação com as carcaças de aço, as carcaças de liga de titânio podem reduzir melhor o impacto dos volantes e ter melhores efeitos de amortecimento.
Além disso, ligas de titânio também têm sido utilizadas em fixadores automotivos e outras peças. Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de preparação de ligas de titânio e da indústria automotiva, as ligas de titânio certamente serão mais utilizadas em peças automotivas.

5. A importância das ligas de titânio para veículos leves
Instituições de pesquisa estrangeiras calcularam que quando a tara de um carro diminui em 10%, o consumo de combustível pode ser reduzido em 6% a 8%. Outros estudos mostraram que para cada redução de peso de 91 kg, um veículo médio pode percorrer 0,43 km a mais por litro de combustível. Portanto, com o desenvolvimento contínuo da economia do meu país e o aumento contínuo do número de automóveis, a redução do peso dos automóveis tornou-se uma das formas importantes de reduzir o consumo de energia e a poluição atmosférica.
Atualmente, os materiais de titânio e ligas de titânio são amplamente utilizados em peças automotivas devido às suas excelentes propriedades físicas e químicas. O uso de materiais de titânio não só melhora efetivamente o desempenho e o fator de segurança do carro, mas também desempenha um papel importante na redução do peso do carro, reduzindo efetivamente o peso total do carro e reduzindo o consumo de combustível.
Comparado com o sistema tradicional de aço inoxidável, o conjunto do tubo de retorno do bocal de cauda de titânio usado no sistema de escapamento de automóveis pode reduzir o peso em cerca de 8,2 kg. O uso de produtos de liga de titânio em vez de materiais tradicionais de aço e ferro fundido nas peças do motor, como válvulas e bielas, pode reduzir efetivamente o peso do motor.
De acordo com pesquisas da indústria automobilística japonesa, o uso de cerca de 0,8kg de peças de titânio na válvula de potência de um automóvel é equivalente ao efeito alcançado por 20kg de peças de aço; cada sede de válvula de titânio pode reduzir o peso de cerca de 10g em comparação com a sede de válvula de aço; o uso de liga de titânio para bielas e virabrequins é mais eficaz na redução do peso do motor.

No sistema de redução de vibração, cada mola de liga de titânio pode reduzir o peso em mais de 60% em comparação com a mola de aço. Calculado com base em 4 molas de suspensão por veículo, após a substituição da mola em liga de titânio, cada veículo pode reduzir o peso em 9 ~ 13,6 kg. Além disso, o peso do silenciador de liga de titânio é de apenas 5 ~ 6 kg, que é 40% mais leve que o silenciador de aço inoxidável.
Tomando como exemplo um carro comum de médio porte, se as peças automotivas de liga de titânio existentes forem usadas para substituir as peças tradicionais, o peso total do veículo será reduzido de cerca de 1.500 kg para cerca de 1.000 kg, com uma taxa de redução de peso de 30%, e o consumo abrangente de combustível pode ser reduzido em mais de 20%, o que reduzirá bastante o consumo mundial de combustível e aliviará efetivamente os problemas de escassez de energia e poluição ambiental.

Os dados acima mostram que o uso de ligas de titânio tem um efeito significativo na redução de peso dos automóveis. Na indústria automobilística moderna, a tecnologia de aplicação de titânio e ligas de titânio em peças automotivas deve ser continuamente desenvolvida para aumentar a taxa de aplicação de ligas de titânio em automóveis. Portanto, a principal tarefa no futuro deve ser reduzir o preço das peças de liga de titânio, desenvolvendo materiais de liga de titânio baratos e reduzindo o custo de produção das matérias-primas de liga de titânio, e melhorar a eficiência de processamento das peças de liga de titânio, melhorando a tecnologia de processamento. .