การใช้งานไทเทเนียมในอุตสาหกรรมยานยนต์

แม้ว่าโลหะผสมไทเทเนียมจะถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ปิโตรเคมี และการต่อเรือ แต่การใช้งานในอุตสาหกรรมยานยนต์ก็มีการพัฒนาอย่างช้าๆ เริ่มต้นจากความสำเร็จในการพัฒนารถยนต์ที่ใช้ไททาเนียมทั้งหมดคันแรกโดยบริษัท General Motors ในสหรัฐอเมริกาในปี พ.ศ. 2499 ชิ้นส่วนรถยนต์ที่เป็นไทเทเนียมยังไม่ถึงระดับการผลิตจำนวนมากจนกระทั่งถึงทศวรรษที่ 1980 ในช่วงทศวรรษ 1990 เนื่องจากความต้องการรถยนต์หรูหรา รถสปอร์ต และรถแข่งเพิ่มขึ้นทุกปี ชิ้นส่วนรถยนต์ไทเทเนียม ชิ้นส่วนที่ผลิตขึ้นจึงมีการพัฒนาอย่างรวดเร็ว ในปี 1990 ปริมาณไทเทเนียมที่ใช้ในรถยนต์ทั่วโลกมีเพียง 50 ตัน ในปี 1997 มีจำนวนถึง 500 ตัน ในปี 2545 มีจำนวนถึง 1,100 ตัน ในปี 2009 สูงถึง 3000t เป็นที่คาดว่าปริมาณไทเทเนียมที่ใช้ในรถยนต์ทั่วโลกจะเกิน 5000t ในปี 2015 ปัจจุบันชิ้นส่วนโลหะผสมไทเทเนียมประเภทต่อไปนี้มักใช้กันทั่วไป

1. ก้านสูบเครื่องยนต์
โลหะผสมไทเทเนียมเป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับก้านสูบ ก้านสูบเครื่องยนต์ที่ทำจากโลหะผสมไททาเนียมสามารถลดมวลเครื่องยนต์ ปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิง และลดปริมาณไอเสียได้อย่างมีประสิทธิภาพ เมื่อเทียบกับก้านต่อเหล็ก ก้านต่อไทเทเนียมสามารถลดมวลได้ 15% ถึง 20% การใช้ก้านสูบไทเทเนียมอัลลอยด์สะท้อนให้เห็นครั้งแรกในรถซีดานเฟอร์รารี 3.5LV8 ใหม่ของอิตาลี และเครื่องยนต์ NSX ของ Acura วัสดุหลักที่ใช้ในก้านต่อโลหะผสมไทเทเนียมคือ Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 อัล-2.0V และ Ti-4อัล-4Mo-Sn-0.5Si วัสดุโลหะผสมไทเทเนียมอื่นๆ เช่น Ti-4Al การใช้ -2Si-4Mn และ Ti-7M-4Mo ในก้านสูบก็อยู่ระหว่างการพัฒนาเช่นกัน
2.วาล์วเครื่องยนต์
วาล์วเครื่องยนต์ของยานยนต์ที่ทำจากโลหะผสมไททาเนียมไม่เพียงแต่สามารถลดมวลและยืดอายุการใช้งาน แต่ยังช่วยลดการใช้เชื้อเพลิงและปรับปรุงความน่าเชื่อถือของยานพาหนะอีกด้วย เมื่อเทียบกับวาล์วเหล็ก วาล์วไทเทเนียมสามารถลดมวลได้ 30% ถึง 40% และความเร็วจำกัดของเครื่องยนต์สามารถเพิ่มได้ 20% สำหรับการใช้งานในปัจจุบัน วัสดุของวาล์วไอดีส่วนใหญ่เป็น Ti-6Al-4V และวัสดุของวาล์วไอเสียส่วนใหญ่เป็น Ti-6242S โดยปกติแล้ว Sn และ Al จะถูกรวมเข้าด้วยกันเพื่อให้ได้ความเปราะบางที่ต่ำกว่าและมีความแข็งแรงสูงกว่า การเติม Mo สามารถปรับปรุงคุณสมบัติการรักษาความร้อนของโลหะผสมไทเทเนียม เพิ่มความแข็งแรงของการชุบและอายุโลหะผสมไทเทเนียม และเพิ่มความแข็ง โลหะผสมไทเทเนียมอื่นๆ ที่มีศักยภาพในการพัฒนา ได้แก่:
1) วาล์วไอดีสามารถทำจาก Ti-62S ซึ่งมีคุณสมบัติเทียบเท่ากับ Ti-6Al-4V และมีราคาถูกกว่า
2) วาล์วไอเสียสามารถทำจาก Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo{{7} }.45ศรี. เนื่องจากมีปริมาณ Mo ต่ำกว่า ความต้านทานการคืบคลานจึงดีกว่า Ti-6242S และความต้านทานการเกิดออกซิเดชันสามารถสูงถึง 600 องศา -
3) วาล์วไอเสียสามารถทำจาก -TiAl ซึ่งมีคุณสมบัติทนต่ออุณหภูมิสูงและน้ำหนักเบา แต่ไม่เหมาะสำหรับวิธีการตีแบบดั้งเดิมในระหว่างการประมวลผล เหมาะสำหรับการหล่อและการแปรรูปโลหะผงเท่านั้น
3. บ่าสปริงวาล์ว
ความแข็งแรงและความล้าสูงเป็นคุณสมบัติที่จำเป็นสำหรับบ่าสปริงวาล์ว โลหะผสมไทเทเนียมเบต้าเป็นโลหะผสมที่ผ่านการอบร้อนซึ่งสามารถได้รับความแข็งแรงสูงผ่านการบำบัดอายุด้วยสารละลายของแข็ง วัสดุที่เหมาะสมกว่าที่สอดคล้องกันคือ Ti-15V-3Cr- 3Al-3Sn และ Ti-15Mo-3Al-2 .7Nb-0.2Si Mitsubishi Motors ใช้สปริงวาล์วโลหะผสมไทเทเนียม Ti-22V-4อัลไทเทเนียมในยานพาหนะการผลิตขนาดใหญ่ ซึ่งช่วยลดมวลลง 42% เมื่อเทียบกับล็อคเหล็กแบบเดิม ซึ่งช่วยลดมวลเฉื่อยของวาล์ว กลไกเพิ่มขึ้น 6% และเพิ่มความเร็วรอบเครื่องยนต์สูงสุด 300r/นาที
4. สปริงโลหะผสมไทเทเนียม
ไทเทเนียมและโลหะผสมมีโมดูลัสยืดหยุ่นต่ำกว่าและมีค่า σs/E มากกว่าวัสดุเหล็ก ทำให้เหมาะสำหรับการผลิตส่วนประกอบที่ยืดหยุ่น เมื่อเปรียบเทียบกับสปริงรถยนต์ที่ทำจากเหล็ก ภายใต้สมมติฐานของงานยืดหยุ่นเดียวกัน ความสูงของสปริงไททาเนียมมีค่าเพียง 40% ของสปริงเหล็ก และมีมวลเพียง 30% ถึง 40% ของสปริงเหล็ก ซึ่งอำนวยความสะดวกในการออกแบบตัวถังรถ นอกจากนี้ คุณสมบัติความล้าที่ดีเยี่ยมและความต้านทานการกัดกร่อนของโลหะผสมไททาเนียมสามารถยืดอายุการใช้งานของสปริงได้ ปัจจุบัน วัสดุโลหะผสมไทเทเนียมที่สามารถนำมาใช้ผลิตสปริงรถยนต์ ได้แก่ Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al และ Ti-13V11C-3Al
5. เทอร์โบชาร์จเจอร์
เทอร์โบชาร์จเจอร์สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการเผาไหม้ของเครื่องยนต์และเพิ่มกำลังและแรงบิดของเครื่องยนต์ โรเตอร์กังหันของเทอร์โบชาร์จเจอร์จำเป็นต้องทำงานในไอเสียที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 850 องศาเป็นเวลานาน จึงต้องทนความร้อนได้ดี โลหะเบาแบบดั้งเดิม เช่น อลูมิเนียมอัลลอยด์ ไม่สามารถนำมาใช้ได้เนื่องจากมีจุดหลอมเหลวต่ำ แม้ว่าวัสดุเซรามิกจะถูกใช้ในโรเตอร์กังหันเนื่องจากมีน้ำหนักเบาและทนต่ออุณหภูมิสูงได้ดี แต่การใช้งานก็มีจำกัดเนื่องจากมีต้นทุนสูงและไม่สามารถปรับรูปร่างให้เหมาะสมได้ เพื่อที่จะแก้ไขปัญหาเหล่านี้ Tetsui และคนอื่นๆ ได้พัฒนาโรเตอร์กังหัน TiAl หลังจากการทดสอบหลายครั้งก็ได้รับการยืนยันว่าไม่เพียงแต่มีความทนทานและประสิทธิภาพที่ดีเท่านั้น แต่ยังสามารถปรับปรุงอัตราเร่งของเครื่องยนต์ได้อีกด้วย การออกแบบนี้ประสบความสำเร็จในเชิงพาณิชย์ในซีรีส์ Mitsubishi Lancer Evolution
6. ระบบท่อไอเสียและท่อไอเสีย
ไทเทเนียมถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในระบบไอเสียรถยนต์ ระบบไอเสียที่ทำจากไทเทเนียมและโลหะผสมไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือ ยืดอายุการใช้งาน และปรับปรุงรูปลักษณ์ แต่ยังช่วยลดมวลและปรับปรุงประสิทธิภาพการเผาไหม้เชื้อเพลิงอีกด้วย เมื่อเทียบกับระบบไอเสียที่เป็นเหล็ก ระบบไอเสียไทเทเนียมสามารถลดมวลได้ประมาณ 40% ในรถยนต์ซีรีส์กอล์ฟ น้ำหนักของระบบไอเสียไทเทเนียมสามารถลดลงได้ 7 ถึง 9 กก. ปัจจุบันวัสดุไทเทเนียมที่ใช้ในระบบไอเสียส่วนใหญ่เป็นไทเทเนียมบริสุทธิ์ทางอุตสาหกรรม
ท่อไอเสียไทเทเนียมมีน้ำหนักเพียง 5 ถึง 6 กก. ซึ่งเบากว่าสเตนเลสสตีลและท่อไอเสียอื่นๆ Chevrolet Corvette Z06 ปี 2000 ใช้ท่อไอเสียไทเทเนียม 11.8 กก. และระบบท่อไอเสียแทนระบบสแตนเลสเดิม 20 กก. ซึ่งช่วยลดมวลลง 41% ระบบที่ถูกแทนที่จะรักษาความแข็งแกร่งและทำให้รถเร็วขึ้น ยืดหยุ่นมากขึ้น และประหยัดน้ำมันมากขึ้น วัสดุไทเทเนียมที่ใช้ในผ้าพันคอส่วนใหญ่เป็นไทเทเนียมบริสุทธิ์ทางอุตสาหกรรม
7. ส่วนโครงตัวถัง
เพื่อปรับปรุงความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือของรถยนต์ จำเป็นต้องพิจารณาด้านการออกแบบและการผลิต โดยเฉพาะวัสดุในการผลิต ไทเทเนียมเป็นวัสดุที่ดีมากที่ใช้ทำโครงตัวถังรถ ไม่เพียงแต่มีความแข็งแกร่งจำเพาะสูงเท่านั้น แต่ยังมีความเหนียวที่ดีอีกด้วย ในญี่ปุ่น ผู้ผลิตรถยนต์เลือกใช้ท่อเชื่อมไทเทเนียมบริสุทธิ์เพื่อสร้างโครงตัวถัง เฟรมประเภทนี้สามารถทำให้ผู้ขับขี่รู้สึกปลอดภัยเมื่อขับขี่
8. ชิ้นส่วนโลหะผสมไทเทเนียมอื่นๆ
นอกจากส่วนประกอบข้างต้นแล้ว ไทเทเนียมยังนำไปใช้ในแขนโยกของเครื่องยนต์ สปริงกันสะเทือน หมุดลูกสูบเครื่องยนต์ ตัวยึดยานยนต์ น็อตดึง คานยื่นออกมาของประตูรถยนต์ แท่นยึดเกียร์รถยนต์ ลูกสูบคาลิปเปอร์เบรก พินโบลต์ แรงดัน ชิ้นส่วนรถยนต์ เช่น แผ่นเพลท ปุ่มเปลี่ยนเกียร์ และแผ่นคลัตช์รถยนต์

1.ข้อดี

โลหะผสมไททาเนียมมีข้อดีคือมีน้ำหนักเบา มีความแข็งแรงจำเพาะสูง และทนต่อการกัดกร่อนได้ดี ดังนั้นจึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมยานยนต์ การใช้โลหะผสมไทเทเนียมที่พบมากที่สุดคือในระบบเครื่องยนต์ของรถยนต์ การใช้โลหะผสมไททาเนียมในการผลิตชิ้นส่วนเครื่องยนต์มีประโยชน์หลายประการ โดยหลักๆ คือ:
1) โลหะผสมไททาเนียมความหนาแน่นต่ำสามารถลดมวลเฉื่อยของชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวได้ ในเวลาเดียวกัน สปริงวาล์วไทเทเนียมสามารถเพิ่มการสั่นสะเทือนฟรี ลดการสั่นสะเทือนของตัวรถ และเพิ่มความเร็วของเครื่องยนต์และกำลังขับ
2) ลดมวลเฉื่อยของชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว ซึ่งจะช่วยลดแรงเสียดทานและเพิ่มประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงของเครื่องยนต์
3) การเลือกไททาเนียมอัลลอยด์สามารถลดความเครียดในการโหลดของชิ้นส่วนที่เกี่ยวข้อง และลดขนาดของชิ้นส่วน จึงช่วยลดน้ำหนักของเครื่องยนต์และยานพาหนะทั้งหมด
4) การลดมวลเฉื่อยของส่วนประกอบจะช่วยลดการสั่นสะเทือนและเสียงรบกวน และปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องยนต์
การใช้โลหะผสมไทเทเนียมในส่วนประกอบอื่นๆ สามารถปรับปรุงความสะดวกสบายของบุคลากรและความสวยงามของรถยนต์ได้ ในการใช้งานในอุตสาหกรรมยานยนต์ โลหะผสมไททาเนียมมีบทบาทสำคัญในการประหยัดพลังงานและลดการบริโภค
2. ข้อจำกัดในการสมัคร
แม้ว่าชิ้นส่วนโลหะผสมไททาเนียมจะมีคุณสมบัติที่เหนือกว่าดังกล่าว แต่ก็ยังมีหนทางอีกยาวไกลก่อนที่ไทเทเนียมและโลหะผสมของมันจะถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมยานยนต์ สาเหตุได้แก่ ราคาสูง ขึ้นรูปได้ไม่ดี และประสิทธิภาพการเชื่อมไม่ดี
ด้วยการพัฒนาของโลหะผสมไทเทเนียมใกล้เทคโนโลยีรูปร่างสุทธิและเทคโนโลยีการเชื่อมที่ทันสมัย ​​เช่น การเชื่อมลำแสงอิเล็กตรอน การเชื่อมอาร์กพลาสมา และการเชื่อมด้วยเลเซอร์ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ปัญหาการขึ้นรูปและการเชื่อมของโลหะผสมไทเทเนียมไม่ใช่ปัจจัยสำคัญที่จำกัดการใช้ไทเทเนียมอีกต่อไป โลหะผสม สาเหตุหลักที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมยานยนต์ก็คือต้นทุนที่สูง
ไม่ว่าจะเป็นการถลุงโลหะครั้งแรกหรือการแปรรูปในภายหลัง ราคาของโลหะผสมไททาเนียมจะสูงกว่าโลหะอื่นๆ มาก ต้นทุนของชิ้นส่วนไทเทเนียมที่อุตสาหกรรมยานยนต์ยอมรับได้คือ 8 ถึง 13 ดอลลาร์สหรัฐฯ/กก. สำหรับก้านสูบ, 13 ถึง 20 ดอลลาร์สหรัฐฯ สำหรับวาล์ว และ 8 ดอลลาร์สหรัฐฯ สำหรับสปริง ระบบไอเสียของเครื่องยนต์ และตัวยึด ต่ำกว่า USD/กก. ต้นทุนชิ้นส่วนที่ผลิตด้วยวัสดุไทเทเนียมในปัจจุบันสูงกว่าราคาเหล่านี้มาก ต้นทุนการผลิตแผ่นไทเทเนียมส่วนใหญ่สูงกว่า 33 เหรียญสหรัฐ/กก. ซึ่งสูงกว่าแผ่นอลูมิเนียม 6 ถึง 15 เท่าและแผ่นเหล็ก 45 ถึง 83 เท่า