Aplicações de titânio na indústria automobilística

Embora as ligas de titânio tenham sido amplamente utilizadas nas indústrias aeroespacial, petroquímica e de construção naval, a sua aplicação na indústria automotiva tem se desenvolvido lentamente. A partir do desenvolvimento bem-sucedido do primeiro carro totalmente em titânio pela General Motors nos Estados Unidos em 1956, as peças automotivas de titânio não atingiram o nível de produção em massa até a década de 1980. Na década de 1990, à medida que a demanda por carros de luxo, carros esportivos e carros de corrida aumentava ano após ano, as peças automotivas de titânio As peças manufaturadas se desenvolveram rapidamente. Em 1990, a quantidade de titânio utilizada nos automóveis em todo o mundo era de apenas 50 toneladas. Em 1997, atingiu 500t. Em 2002, atingiu 1.100t. Em 2009, atingiu 3,000t. Espera-se que a quantidade de titânio usada em automóveis em todo o mundo exceda 5,000t em 2015. Atualmente, os seguintes tipos de peças de liga de titânio são comumente usados.

1. Biela do motor
A liga de titânio é um material ideal para bielas. As bielas do motor feitas de liga de titânio podem efetivamente reduzir a massa do motor, melhorar a eficiência do combustível e reduzir o volume do escapamento. Em comparação com as bielas de aço, as bielas de titânio podem reduzir a massa em 15% a 20%. A aplicação de bielas de liga de titânio foi refletida pela primeira vez no novo sedã Ferrari 3.5LV8 da Itália e no motor NSX da Acura. Os principais materiais usados ​​nas bielas de liga de titânio são Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V e Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si. Outros materiais de liga de titânio, como Ti-4Al. A aplicação de -2Si-4Mn e Ti-7M-4Mo em bielas também está em desenvolvimento.
2. Válvula do motor
As válvulas de motores automotivos feitas de liga de titânio podem não apenas reduzir a massa e prolongar a vida útil, mas também reduzir o consumo de combustível e melhorar a confiabilidade do veículo. Em comparação com as válvulas de aço, as válvulas de titânio podem reduzir a massa em 30% a 40% e a velocidade limite do motor pode ser aumentada em 20%. No que diz respeito às aplicações atuais, o material da válvula de admissão é principalmente Ti-6Al-4V, e o material da válvula de escape é principalmente Ti-6242S. Normalmente Sn e Al são adicionados para obter menor fragilidade e maior resistência; a adição de Mo pode melhorar as propriedades do tratamento térmico das ligas de titânio, aumentar a resistência da têmpera e do envelhecimento das ligas de titânio e aumentar a dureza. Outras ligas de titânio com potencial de desenvolvimento incluem:
1) A válvula de admissão pode ser feita de Ti-62S, que possui propriedades equivalentes ao Ti-6Al-4V e é mais barato.
2) A válvula de escape pode ser feita de Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo{{7} }.45Si. Devido ao seu menor teor de Mo, sua resistência à fluência é melhor que o Ti-6242S, e sua resistência à oxidação pode atingir 600 graus. .
3) A válvula de escape pode ser feita de -TiAl, que possui características de resistência a altas temperaturas e peso leve, mas não é adequada para métodos tradicionais de forjamento durante o processamento. É adequado apenas para processamento de fundição e metalurgia do pó.
3. Assento da mola da válvula
Alta resistência e resistência à fadiga são propriedades necessárias para a sede da mola da válvula. A liga beta de titânio é uma liga tratada termicamente que pode obter alta resistência por meio do tratamento de envelhecimento em solução sólida. Os materiais correspondentes mais adequados são Ti-15V-3Cr- 3Al-3Sn e Ti-15Mo-3Al-2 .7Nb-0.2Si. A Mitsubishi Motors usa assentos de mola de válvula em liga de titânio Ti-22V-4Al em seus veículos de produção em larga escala, o que reduz a massa em 42% em comparação com as travas de aço originais, reduz a massa inercial da válvula mecanismo em 6% e aumenta a rotação máxima do motor. 300 r/min.
4. Mola de liga de titânio
O titânio e suas ligas possuem menor módulo de elasticidade e maior valor de σs/E do que os materiais de aço, tornando-os adequados para a fabricação de componentes elásticos. Em comparação com as molas de aço para automóveis, sob a premissa do mesmo trabalho elástico, a altura das molas de titânio é de apenas 40% das molas de aço, e a massa é de apenas 30% a 40% das molas de aço, o que facilita o design da carroceria. Além disso, as excelentes propriedades de fadiga e resistência à corrosão da liga de titânio podem prolongar a vida útil da mola. Atualmente, os materiais de liga de titânio que podem ser usados ​​para fazer molas de automóveis incluem Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al e Ti-13V11C-3Al.
5. Turbocompressor
Os turbocompressores podem melhorar a eficiência da combustão do motor e aumentar a potência e o torque do motor. O rotor da turbina do turbocompressor precisa trabalhar em gases de escape de alta temperatura acima de 850 graus por um longo tempo, por isso requer boa resistência ao calor. Metais leves tradicionais, como ligas de alumínio, não podem ser usados ​​devido aos seus baixos pontos de fusão. Embora os materiais cerâmicos sejam utilizados em rotores de turbinas devido ao seu peso leve e boa resistência a altas temperaturas, sua aplicação é limitada devido ao seu alto custo e à incapacidade de otimizar sua forma. Para resolver esses problemas, Tetsui e outros desenvolveram o rotor da turbina TiAl. Após muitos testes, constatou-se que além de apresentar boa durabilidade e eficiência, pode melhorar a aceleração do motor. Este design foi comercializado com sucesso na série Mitsubishi Lancer Evolution.
6. Sistema de escapamento e silenciador
O titânio é amplamente utilizado em sistemas de escapamento de automóveis. Os sistemas de escape feitos de titânio e suas ligas podem não apenas melhorar a confiabilidade, prolongar a vida útil e melhorar a aparência, mas também reduzir a massa e melhorar a eficiência da combustão do combustível. Comparados aos sistemas de exaustão de aço, os sistemas de exaustão de titânio podem reduzir a massa em aproximadamente 40%. Nos carros da série Golf, a massa do sistema de escape de titânio pode ser reduzida em 7 a 9 kg. Atualmente, o material de titânio utilizado no sistema de escapamento é principalmente titânio puro industrial.
O silenciador de titânio pesa apenas 5 a 6 kg, que é mais leve que o aço inoxidável e outros silenciadores. O Chevrolet Corvette Z06 2000 usa um silenciador de titânio de 11,8 kg e um sistema de tubo de escape em vez do sistema original de aço inoxidável de 20 kg, reduzindo a massa em 41%. O sistema substituído mantém a sua força e torna o carro mais rápido, mais flexível e mais eficiente em termos de combustível. O material de titânio usado no silenciador também é principalmente titânio puro industrial.
7. Parte da estrutura do corpo
Para melhorar a segurança e a confiabilidade dos automóveis, é necessário considerar os aspectos de projeto e fabricação, principalmente os materiais de fabricação. O titânio é um material muito bom usado para fazer estruturas de carrocerias. Não só possui alta resistência específica, mas também possui boa tenacidade. No Japão, os fabricantes de automóveis escolhem tubos soldados de titânio puro para fabricar estruturas de carroceria. Esse tipo de quadro pode fazer com que os motoristas se sintam seguros ao dirigir.
8. Outras peças de liga de titânio
Além dos componentes acima, o titânio também é usado em balancins de motores, molas de suspensão, pinos de pistão de motor, fixadores automotivos, porcas de roda, vigas salientes de portas automotivas, suportes de engrenagens automotivas, pistões de pinças de freio, parafusos de pino, peças automotivas de pressão, como placas, botões de mudança e discos de embreagem de automóveis.

1.Vantagens

As ligas de titânio têm as vantagens de peso leve, alta resistência específica e boa resistência à corrosão, por isso são amplamente utilizadas na indústria automobilística. O uso mais comum de ligas de titânio é em sistemas de motores de automóveis. Há muitos benefícios no uso de ligas de titânio na fabricação de peças de motores, principalmente em:
1) A baixa densidade da liga de titânio pode reduzir a massa inercial das peças móveis. Ao mesmo tempo, as molas das válvulas de titânio podem aumentar a vibração livre, enfraquecer a vibração da carroceria do carro e aumentar a velocidade do motor e a potência de saída.
2) Reduza a massa inercial das peças móveis, reduzindo assim o atrito e melhorando a eficiência de combustível do motor.
3) A escolha da liga de titânio pode reduzir o estresse de carga das peças relacionadas e reduzir o tamanho das peças, reduzindo assim o peso do motor e de todo o veículo.
4) A redução da massa inercial dos componentes reduz a vibração e o ruído e melhora o desempenho do motor.
A aplicação de ligas de titânio em outros componentes pode melhorar o conforto do pessoal e a estética dos automóveis. Em aplicações na indústria automotiva, as ligas de titânio têm desempenhado um papel imensurável na economia de energia e na redução do consumo.
2. Restrições de aplicação
Embora as peças de liga de titânio tenham propriedades superiores, ainda há um longo caminho a percorrer antes que o titânio e suas ligas sejam amplamente utilizados na indústria automotiva. As razões incluem preço alto, baixa conformabilidade e baixo desempenho de soldagem.
Com o desenvolvimento da tecnologia de liga de titânio quase líquida e tecnologias modernas de soldagem, como soldagem por feixe de elétrons, soldagem a arco de plasma e soldagem a laser nos últimos anos, os problemas de formação e soldagem de ligas de titânio não são mais os principais fatores que restringem a aplicação de titânio ligas. A principal razão pela qual é amplamente utilizado na indústria automotiva é o alto custo.
Quer se trate da fundição inicial do metal ou do processamento subsequente, o preço das ligas de titânio é muito superior ao de outros metais. O custo das peças de titânio que a indústria automobilística pode aceitar é de 8 a 13 dólares americanos/kg para bielas, 13 a 20 dólares americanos para válvulas e 8 dólares americanos para molas, sistemas de escapamento de motores e fixadores. Abaixo de USD/kg. O custo atual das peças produzidas com materiais de titânio é muito superior a esses preços. O custo de produção das placas de titânio é em sua maioria superior a 33 dólares americanos/kg, o que é 6 a 15 vezes o das placas de alumínio e 45 a 83 vezes o das placas de aço.