ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมยานยนต์ ปัญหาการใช้เชื้อเพลิง การปกป้องสิ่งแวดล้อม และความปลอดภัยที่เกิดจากรถยนต์จึงมีความกังวลมากขึ้น มองไปข้างหน้าถึงทิศทางในอนาคตของอุตสาหกรรมยานยนต์ น้ำหนักเบา การใช้เชื้อเพลิงต่ำ และการปล่อยก๊าซเรือนกระจกน้อยลงเป็นธีมของการพัฒนา ตามสถิติของหน่วยงานระหว่างประเทศ 60% ของการใช้พลังงานการเผาไหม้เชื้อเพลิงของยานยนต์ในคุณภาพของตัวเอง แม้ว่าปัจจุบันเหล็กบาง อลูมิเนียม แมกนีเซียม คอมโพสิตเมทริกซ์โลหะ และวัสดุเรซินพลาสติกที่มีความแข็งแรงสูงในปัจจุบันในการลดน้ำหนักของรถได้เล่น บทบาท แต่การเกิดขึ้นของวัสดุไทเทเนียมทางอุตสาหกรรมทำให้การผลิตรถยนต์มีทางเลือกที่ดีกว่า
โลหะไทเทเนียมมีข้อดีคือมีความหนาแน่นต่ำ มีความแข็งแรงจำเพาะสูงและทนต่อการกัดกร่อนได้ดี การใช้วัสดุไทเทเนียมในรถยนต์สามารถลดคุณภาพของตัวถังได้อย่างมาก ลดการสิ้นเปลืองน้ำมันเชื้อเพลิง ปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ ปรับปรุงสภาพแวดล้อม และลดเสียงรบกวน แต่ราคาที่แพงทำให้โลหะผสมไททาเนียมในอุตสาหกรรมยานยนต์มีได้เฉพาะในรุ่นหรูหราและรถสปอร์ตมีการใช้งานบางอย่างในรถยนต์ธรรมดาที่ไม่ค่อยได้ใช้ ดังนั้นการวิจัยและพัฒนาโลหะผสมไทเทเนียมราคาประหยัดเพื่อตอบสนองความต้องการของตลาดจึงเป็นกุญแจสำคัญในการส่งเสริมการใช้งานในรถยนต์ครอบครัวทั่วไป
การใช้โลหะผสมไททาเนียมในอุตสาหกรรมยานยนต์
แม้ว่าโลหะผสมไทเทเนียมจะถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ปิโตรเคมี และกองทัพเรือ แต่การใช้งานในอุตสาหกรรมยานยนต์ก็มีการพัฒนาอย่างช้าๆ ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2499 บริษัท เจเนอรัล มอเตอร์ส ประสบความสำเร็จในการพัฒนารถยนต์ไทเทเนียมทั้งหมดตัวแรก ซึ่งเป็นชิ้นส่วนรถยนต์ไทเทเนียม จนถึงทศวรรษ 1980 เพื่อให้ได้ระดับการผลิตจำนวนมาก ทศวรรษ 1990 ด้วยรถยนต์หรูหรา รถสปอร์ต ความต้องการรถแข่งเพิ่มขึ้นทุกปี ไทเทเนียม ชิ้นส่วนได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็ว ในปี 1990 ปริมาณไทเทเนียมยานยนต์ของโลกเพียง 50 ตันในปี 1997 ถึง 500 ตันในปี 2545 และสูงถึง 1100 ตันในปี 2552 ซึ่งเป็นปริมาณไทเทเนียมในอุตสาหกรรมยานยนต์ ในปี 1990 ปริมาณไทเทเนียมที่ใช้ในรถยนต์ของโลกมีเพียง 50 ตัน ในปี 1997 ถึง 500 ตัน ในปี 2002 ถึง 1100 ตัน ในปี 2009 ถึง 3,000 ตัน และคาดว่าปริมาณไทเทเนียมที่ใช้ในรถยนต์ของโลกจะเกิน 5,000 ตันในปี 2558
1. ก้านสูบเครื่องยนต์
โลหะผสมไทเทเนียมเป็นตัวเลือกที่เหมาะสำหรับวัสดุก้านสูบ ก้านสูบเครื่องยนต์ที่ทำจากโลหะผสมไททาเนียมสามารถลดคุณภาพของเครื่องยนต์ ปรับปรุงการใช้เชื้อเพลิง และลดไอเสียได้อย่างมีประสิทธิภาพ เมื่อเทียบกับก้านต่อเหล็ก ก้านต่อไทเทเนียมสามารถลดมวลได้ 15% ถึง 20% การใช้ก้านสูบไทเทเนียมเกิดขึ้นครั้งแรกในเครื่องยนต์ Ferrari 3.5LV8 และ Acura NSX ใหม่ในอิตาลี วัสดุที่ใช้ในก้านต่อโลหะผสมไทเทเนียมส่วนใหญ่เป็น Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V และ Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si เป็นต้น วัสดุโลหะผสมไทเทเนียมอื่นๆ เช่น Ti-4Al{{ 19}}Si-4Mn และ Ti-7M-4Mo ก็กำลังได้รับการพัฒนาเพื่อใช้เป็นก้านสูบเช่นกัน
2.วาล์วเครื่องยนต์
วาล์วเครื่องยนต์ของรถยนต์ที่ทำจากโลหะผสมไททาเนียมไม่เพียงแต่สามารถลดคุณภาพและยืดอายุการใช้งาน แต่ยังช่วยลดการสิ้นเปลืองน้ำมันเชื้อเพลิงและปรับปรุงความน่าเชื่อถือของรถยนต์อีกด้วย วาล์วไทเทเนียมเมื่อเทียบกับวาล์วเหล็ก คุณภาพจะลดลง 30% ถึง 40% ความเร็วจำกัดของเครื่องยนต์สามารถเพิ่มได้ 20% สำหรับการใช้งานในปัจจุบัน วัสดุของวาล์วไอดีส่วนใหญ่เป็น Ti-6Al-4V และวัสดุของวาล์วไอเสียส่วนใหญ่เป็น Ti-6242S โดยปกติแล้ว Sn และ Al จะถูกรวมเข้าด้วยกันเพื่อให้มีความเปราะน้อยลงและมีความแข็งแรงสูงขึ้น การเติม Mo สามารถปรับปรุงคุณสมบัติการรักษาความร้อนของโลหะผสมไทเทเนียม เสริมสร้างความแข็งแรงของโลหะผสมไทเทเนียมที่ดับแล้วและมีอายุมากขึ้น และในขณะเดียวกันก็เพิ่มความแข็ง โลหะผสมไทเทเนียมอื่นๆ ที่มีศักยภาพในการพัฒนา ได้แก่:
(1) วาล์วไอดีสามารถใช้ Ti-62S ได้ ซึ่งมีคุณลักษณะเทียบเท่ากับ Ti-6Al-4V และมีราคาถูกกว่า
(2) ประตูไอเสียสามารถใช้ Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo-0 .45Si เนื่องจากมีปริมาณ Mo ต่ำกว่า จึงมีความต้านทานต่อความต้านทานแฝงได้ดีกว่า Ti-6242S อุณหภูมิที่เหนือกว่า ต้านทานออกซิเดชันได้ถึง 600 องศา
(3) สามารถใช้วาล์วไอเสีย -TiAl ซึ่งมีความต้านทานต่ออุณหภูมิสูงและน้ำหนักเบา แต่การประมวลผลไม่เหมาะสำหรับวิธีการปลอมแบบดั้งเดิม เหมาะสำหรับการหล่อและการแปรรูปโลหะผงเท่านั้น
3. บ่าสปริงวาล์ว
ความแข็งแรงสูงและความต้านทานต่อความเมื่อยล้าคือบ่าสปริงวาล์วจะต้องมีประสิทธิภาพของโลหะผสมไทเทเนียมสำหรับโลหะผสมประเภทการรักษาความร้อนสามารถเป็นสารละลายแข็งการรักษาอายุเพื่อให้ได้ความแข็งแรงสูง วัสดุที่เหมาะสมกว่าที่สอดคล้องกันคือ Ti - 15V {{1 }}Cr - 3Al - 3Sn และ Ti - 15Mo - 3Al - 2.7Nb - 0.2Si. Mitsubishi Motors ในการผลิตรถยนต์ขนาดใหญ่เพื่อใช้สปริงบ่าวาล์วโลหะผสมไทเทเนียม TI-22V - 4, TI-22V - 4วาล์วโลหะผสมไทเทเนียมอัล เบาะนั่งแบบสปริงเหมาะสำหรับการผลิตรถยนต์ บ่าวาล์วโลหะผสมไทเทเนียม 4Al เมื่อเทียบกับสลักเหล็กเดิมเพื่อลดมวล 42% รถไฟวาล์วลดความเฉื่อยของมวล 6% ความเร็วสูงสุดของเครื่องยนต์เพิ่มขึ้น 300r/min
4. สปริงโลหะผสมไทเทเนียม
ไทเทเนียมและโลหะผสมมีโมดูลัสความยืดหยุ่นต่ำเมื่อเทียบกับวัสดุเหล็ก ค่า σs / E นั้นสูง เหมาะสำหรับการผลิตส่วนประกอบที่ยืดหยุ่น เมื่อเทียบกับสปริงรถยนต์ที่ทำจากเหล็ก ภายใต้สมมติฐานของงานยืดหยุ่นเดียวกัน ความสูงของสปริงไทเทเนียมมีค่าเพียง 40% ของสปริงเหล็ก และคุณภาพเพียง 30% ถึง 40% ของสปริงเหล็ก ซึ่งสะดวกสำหรับการออกแบบ ตัวรถ. นอกจากนี้ไททาเนียมอัลลอยด์ประสิทธิภาพความล้าที่ยอดเยี่ยมและความต้านทานการกัดกร่อนสามารถปรับปรุงอายุการใช้งานของสปริงได้ ปัจจุบัน วัสดุโลหะผสมไทเทเนียมที่ใช้ในการผลิตสปริงรถยนต์ได้แก่ Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al และ Ti-13V11C-3Al และอื่นๆ
5.เทอร์โบชาร์จเจอร์
เทอร์โบชาร์จเจอร์สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการเผาไหม้ของเครื่องยนต์และเพิ่มกำลังและแรงบิดของเครื่องยนต์ โรเตอร์กังหันของเทอร์โบชาร์จเจอร์ต้องทำงานเป็นเวลานานในก๊าซไอเสียที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 850 องศา ดังนั้นจึงต้องมีการต้านทานความร้อนที่ดี โลหะเบาทั่วไป เช่น อลูมิเนียมอัลลอยด์ ไม่สามารถใช้ได้เนื่องจากมีจุดหลอมเหลวต่ำ แม้ว่าวัสดุเซรามิกจะถูกนำมาใช้ในโรเตอร์กังหันเนื่องจากมีน้ำหนักเบาและทนต่ออุณหภูมิสูง แต่การใช้งานก็ถูกจำกัดด้วยต้นทุนที่สูงและการไม่สามารถปรับรูปร่างให้เหมาะสมได้ เพื่อที่จะแก้ไขปัญหาเหล่านี้ Tetsui และคณะ พัฒนาโรเตอร์กังหัน TiAl ซึ่งได้รับการทดสอบและพิสูจน์แล้วว่าไม่เพียงแต่มีความทนทานและประสิทธิภาพที่ดีเท่านั้น แต่ยังปรับปรุงอัตราเร่งของเครื่องยนต์อีกด้วย การออกแบบนี้ประสบความสำเร็จในเชิงพาณิชย์ในซีรีส์ Mitsubishi Lancer Evolution
6.ระบบท่อไอเสียและท่อไอเสีย
ไทเทเนียมถูกใช้ในปริมาณมากในระบบไอเสียของรถยนต์ ระบบไอเสียที่ทำจากไทเทเนียมและโลหะผสมไม่เพียงแต่ปรับปรุงความน่าเชื่อถือ อายุการใช้งานยาวนาน และรูปลักษณ์ แต่ยังช่วยลดมวลและปรับปรุงประสิทธิภาพการเผาไหม้เชื้อเพลิงอีกด้วย มวลของระบบไอเสียไทเทเนียมสามารถลดลงได้ประมาณ 40% เมื่อเทียบกับระบบไอเสียแบบเหล็ก ในซีรีส์ Golf น้ำหนักของระบบไอเสียไทเทเนียมสามารถลดลงได้ 7 ถึง 9 กก. และวัสดุไทเทเนียมที่ใช้ในระบบไอเสียส่วนใหญ่เป็นไทเทเนียมบริสุทธิ์
มวลท่อไอเสียไทเทเนียมเพียง 5-6 กก. เบากว่าท่อไอเสียสแตนเลส ฯลฯ รถ Chevrolet CorvetteZ06 ปี 2000 ที่มีท่อไอเสียและระบบท่อไอเสียไทเทเนียม 11.8 กก. แทนที่จะเป็นระบบสแตนเลสเดิม 20 กก. คุณภาพลดลง 41% ระบบเปลี่ยนทดแทนมีจุดแข็งเท่าเดิมและทำให้รถเร็วขึ้น คล่องตัวขึ้น และประหยัดน้ำมันมากขึ้น ไทเทเนียมที่ใช้ทำท่อไอเสียส่วนใหญ่เป็นไทเทเนียมบริสุทธิ์เช่นกัน
7. ส่วนโครงตัวถัง
เพื่อปรับปรุงความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือของรถยนต์ จำเป็นต้องคำนึงถึงด้านการออกแบบและการผลิต โดยเฉพาะวัสดุที่ใช้ในการผลิต ไทเทเนียมเป็นวัสดุที่ดีเยี่ยมสำหรับโครงตัวถัง ไม่เพียงแต่มีความแข็งแรงจำเพาะสูงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงความเหนียวด้วย ในญี่ปุ่น ผู้ผลิตรถยนต์เลือกท่อเชื่อมไทเทเนียมบริสุทธิ์เพื่อสร้างโครงตัวถัง ซึ่งสามารถทำให้ผู้ขับขี่รู้สึกปลอดภัยเพียงพอเมื่อขับขี่
8. ส่วนประกอบไทเทเนียมอื่นๆ
นอกเหนือจากส่วนประกอบข้างต้นแล้ว ไทเทเนียมยังใช้ในแขนโยกของเครื่องยนต์ สปริงกันสะเทือน หมุดลูกสูบเครื่องยนต์ ตัวยึดรถยนต์ น็อตดึง คานยื่นออกมาของประตูรถยนต์ แท่นยึดเกียร์รถยนต์ ลูกสูบคาลิปเปอร์เบรก พินพิน แผ่นกด ปุ่มเกียร์ และแผ่นคลัชรถยนต์และชิ้นส่วนยานยนต์อื่นๆ
