La aleación de titanio lidera la tecnología automotriz

El metal titanio tiene las ventajas de baja densidad, alta resistencia específica y buena resistencia a la corrosión. El uso de materiales de titanio en automóviles puede reducir en gran medida la masa corporal, reducir el consumo de combustible, mejorar la eficiencia del motor, mejorar el medio ambiente y reducir el ruido. Sin embargo, el elevado precio hace que las aleaciones de titanio sólo tengan algunas aplicaciones en modelos de lujo y coches deportivos de la industria automovilística, y rara vez se utilicen en coches normales. Por lo tanto, la investigación y el desarrollo de aleaciones de titanio de bajo costo que satisfagan las necesidades del mercado es la clave para promover su aplicación en los automóviles domésticos comunes.

Aunque las aleaciones de titanio se han utilizado ampliamente en las industrias aeroespacial, petroquímica y de construcción naval, su aplicación en la industria automotriz se ha desarrollado lentamente. A partir del desarrollo exitoso del primer automóvil totalmente de titanio por parte de General Motors en los Estados Unidos en 1956, las piezas de automóvil de titanio no alcanzaron el nivel de producción en masa hasta la década de 1980. En la década de 1990, a medida que la demanda de automóviles de lujo, deportivos y de carreras aumentaba año tras año, las piezas fabricadas de titanio para automóviles se han desarrollado rápidamente. En 1990, la cantidad de titanio utilizada en los automóviles en todo el mundo era sólo de 50 toneladas. En 1997 alcanzó las 500t. En 2002, alcanzó las 1.100t. En 2009, alcanzó las 3.000t. Se espera que la cantidad de titanio utilizada en los automóviles de todo el mundo supere las 5,{15}}t en 2015. En la actualidad, se utilizan habitualmente los siguientes tipos de piezas de aleación de titanio.

1. Biela del motor
La aleación de titanio es un material ideal para bielas. Las bielas del motor hechas de aleación de titanio pueden reducir eficazmente la masa del motor, mejorar la eficiencia del combustible y reducir el volumen de escape. En comparación con las bielas de acero, las bielas de titanio pueden reducir la masa entre un 15% y un 20%. La aplicación de bielas de aleación de titanio se reflejó por primera vez en el nuevo sedán Ferrari 3.5LV8 de Italia y en el motor NSX de Acura. Los principales materiales utilizados en las bielas de aleación de titanio son Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V y Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si. Otros materiales de aleación de titanio como Ti-4Al. También se está desarrollando la aplicación de -2Si-4Mn y Ti-7M-4Mo en bielas.
2. Válvula del motor
Las válvulas de motor de automóvil fabricadas con aleación de titanio no solo pueden reducir la masa y prolongar la vida útil, sino también reducir el consumo de combustible y mejorar la confiabilidad del vehículo. En comparación con las válvulas de acero, las válvulas de titanio pueden reducir la masa entre un 30% y un 40% y la velocidad límite del motor se puede aumentar en un 20%. En lo que respecta a las aplicaciones actuales, el material de la válvula de admisión es principalmente Ti-6Al-4V, y el material de la válvula de escape es principalmente Ti-6242S. Por lo general, se añaden Sn y Al para obtener una menor fragilidad y una mayor resistencia; la adición de Mo puede mejorar las propiedades del tratamiento térmico de las aleaciones de titanio, mejorar la resistencia del enfriamiento y envejecimiento de las aleaciones de titanio y aumentar la dureza. Otras aleaciones de titanio con potencial de desarrollo incluyen:
1) La válvula de admisión puede estar hecha de Ti-62S, que tiene propiedades equivalentes al Ti-6Al-4V y es más económico.
2) La válvula de escape puede estar hecha de Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo{{7} }.45Si. Debido a su menor contenido de Mo, su resistencia a la fluencia es mejor que la del Ti-6242S y su resistencia a la oxidación puede alcanzar los 600 grados. .
3) La válvula de escape puede estar hecha de -TiAl, que tiene las características de resistencia a altas temperaturas y peso liviano, pero no es adecuada para los métodos de forjado tradicionales durante el procesamiento. Sólo es adecuado para fundición y procesamiento de pulvimetalurgia.
3. Asiento del resorte de válvula
La alta resistencia y la resistencia a la fatiga son propiedades imprescindibles para el asiento del resorte de válvula. La aleación de beta titanio es una aleación tratada térmicamente que puede obtener una alta resistencia mediante un tratamiento de envejecimiento con solución sólida. Los materiales correspondientes más adecuados son Ti-15V-3Cr- 3Al-3Sn y Ti-15Mo-3Al-2 .7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors utiliza asientos de resorte de válvula de aleación de titanio Ti-22V-4Al en sus vehículos de producción a gran escala, lo que reduce la masa en un 42 % en comparación con las cerraduras de acero originales y reduce la masa inercial de la válvula. mecanismo en un 6% y aumenta la velocidad máxima del motor. 300r/min.
4.Resorte de aleación de titanio
El titanio y sus aleaciones tienen un módulo elástico más bajo y un valor σs/E mayor que los materiales de acero, lo que los hace adecuados para la fabricación de componentes elásticos. En comparación con los resortes de acero para automóviles, bajo la premisa del mismo trabajo elástico, la altura de los resortes de titanio es solo el 40% de la de los resortes de acero, y la masa es solo del 30% al 40% de los resortes de acero, lo que facilita el diseño de la carrocería. Además, las excelentes propiedades de fatiga y resistencia a la corrosión de la aleación de titanio pueden prolongar la vida útil del resorte. Actualmente, los materiales de aleación de titanio que se pueden utilizar para fabricar resortes de automóviles incluyen Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al y Ti-13V11C-3Al.
5. Turbocompresor
Los turbocompresores pueden mejorar la eficiencia de la combustión del motor y mejorar la potencia y el par del motor. El rotor de la turbina del turbocompresor necesita funcionar en gases de escape a alta temperatura, por encima de 850 grados, durante mucho tiempo, por lo que requiere una buena resistencia al calor. Los metales ligeros tradicionales, como las aleaciones de aluminio, no se pueden utilizar debido a sus bajos puntos de fusión. Aunque los materiales cerámicos se utilizan en los rotores de turbinas debido a su peso ligero y buena resistencia a altas temperaturas, su aplicación es limitada debido a su alto costo y su incapacidad para optimizar su forma. Para resolver estos problemas, Tetsui y otros desarrollaron el rotor de turbina TiAl. Después de muchas pruebas se ha comprobado que no sólo tiene buena durabilidad y eficiencia, sino que también puede mejorar la aceleración del motor. Este diseño se ha comercializado con éxito en la serie Mitsubishi Lancer Evolution.
6. Sistema de escape y silenciador.
El titanio se utiliza ampliamente en los sistemas de escape de los automóviles. Los sistemas de escape fabricados con titanio y sus aleaciones no sólo pueden mejorar la confiabilidad, prolongar la vida útil y mejorar la apariencia, sino también reducir la masa y mejorar la eficiencia de la combustión del combustible. En comparación con los sistemas de escape de acero, los sistemas de escape de titanio pueden reducir la masa en aproximadamente un 40%. En los coches de la serie Golf, la masa del sistema de escape de titanio se puede reducir de 7 a 9 kg. Actualmente, el material de titanio utilizado en el sistema de escape es principalmente titanio puro industrial.
El silenciador de titanio pesa sólo de 5 a 6 kg, lo que es más ligero que el acero inoxidable y otros silenciadores. El Chevrolet Corvette Z06 2000 utiliza un silenciador y un sistema de tubo de escape de titanio de 11,8 kg en lugar del sistema original de acero inoxidable de 20 kg, lo que reduce la masa en un 41%. El sistema reemplazado mantiene su fuerza y ​​hace que el automóvil sea más rápido, más flexible y más eficiente en el consumo de combustible. El material de titanio utilizado en el silenciador también es principalmente titanio puro industrial.
7. Parte del marco del cuerpo
Para mejorar la seguridad y confiabilidad de los automóviles, es necesario considerar los aspectos de diseño y fabricación, especialmente los materiales de fabricación. El titanio es un material muy bueno que se utiliza para fabricar estructuras de carrocerías. No sólo tiene una alta resistencia específica, sino que también tiene buena tenacidad. En Japón, los fabricantes de automóviles eligen tubos soldados de titanio puro para fabricar estructuras de carrocería. Este tipo de marco puede hacer que los conductores se sientan seguros al conducir.
8. Otras piezas de aleación de titanio.
Además de los componentes anteriores, el titanio también se utiliza en balancines de motores, resortes de suspensión, pasadores de pistón de motor, sujetadores de automóviles, tuercas, vigas salientes de puertas de automóviles, soportes de engranajes de automóviles, pistones de pinzas de freno, pernos de pasador y piezas de automóviles de presión como placas, botones de cambio y discos de embrague de automóviles.

1.Ventajas

Las aleaciones de titanio tienen las ventajas de ser livianas, de alta resistencia específica y buena resistencia a la corrosión, por lo que se utilizan ampliamente en la industria del automóvil. El uso más común de las aleaciones de titanio es en los sistemas de motores de automóviles. Existen muchos beneficios al utilizar aleaciones de titanio para fabricar piezas de motor, que se reflejan principalmente en:
1) La baja densidad de la aleación de titanio puede reducir la masa inercial de las piezas móviles. Al mismo tiempo, los resortes de válvula de titanio pueden aumentar la vibración libre, debilitar la vibración del cuerpo y aumentar la velocidad del motor y la potencia de salida.
2) Reducir la masa inercial de las piezas móviles, reduciendo así la fricción y mejorando la eficiencia del combustible del motor.
3) La elección de una aleación de titanio puede reducir la tensión de carga de las piezas relacionadas y reducir el tamaño de las piezas, reduciendo así el peso del motor y de todo el vehículo.
4) La reducción de la masa inercial de los componentes reduce la vibración y el ruido y mejora el rendimiento del motor.
La aplicación de aleaciones de titanio en otros componentes puede mejorar el confort del personal y la estética de los automóviles. En aplicaciones de la industria automotriz, las aleaciones de titanio han jugado un papel inconmensurable en el ahorro de energía y la reducción del consumo.
2. Restricciones de aplicación
Aunque las piezas de aleación de titanio tienen propiedades tan superiores, todavía queda un largo camino por recorrer antes de que el titanio y sus aleaciones se utilicen ampliamente en la industria automotriz. Las razones incluyen el alto precio, la mala conformabilidad y el pobre rendimiento de la soldadura.
Con el desarrollo de la tecnología de forma casi neta de aleación de titanio y las tecnologías de soldadura modernas, como la soldadura por haz de electrones, la soldadura por arco de plasma y la soldadura por láser en los últimos años, los problemas de formación y soldadura de las aleaciones de titanio ya no son los factores clave que restringen la aplicación del titanio. aleaciones. La razón principal por la que se utiliza ampliamente en la industria automotriz es su alto costo.
Ya sea en la fundición inicial del metal o en su procesamiento posterior, el precio de las aleaciones de titanio es mucho más alto que el de otros metales. El costo de las piezas de titanio que la industria automotriz puede aceptar es de 8 a 13 dólares estadounidenses/kg para bielas, de 13 a 20 dólares estadounidenses para válvulas y de 8 dólares estadounidenses para resortes, sistemas de escape de motores y sujetadores. Por debajo de USD/kg. El coste actual de las piezas producidas con materiales de titanio es mucho más elevado que estos precios. El costo de producción de las placas de titanio es en su mayoría superior a 33 dólares estadounidenses/kg, que es de 6 a 15 veces mayor que el de las placas de aluminio y de 45 a 83 veces mayor que el de las placas de acero.
Estado de la investigación sobre aleaciones de titanio para automóviles.

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Actualmente, la reducción de costes es la principal dirección de investigación de las aleaciones de titanio utilizadas en la industria del automóvil. En vista de las características de la distribución de costos de las aleaciones de titanio utilizadas en la industria automotriz, los trabajadores de investigación y desarrollo de materiales logran principalmente el propósito de reducir costos desde los dos aspectos siguientes: desarrollar nuevos sistemas de aleaciones de bajo costo y utilizar nuevas tecnologías de procesamiento y preparación. .

1. Nuevo sistema de aleación de titanio de bajo coste
Trabajadores de varios países están desarrollando nuevos sistemas de aleación de titanio de bajo costo, centrándose principalmente en los siguientes aspectos: diseño de aleaciones utilizando elementos de aleación baratos y diseño de aleaciones para mejorar las características de procesamiento. Entre ellos están representados Japón y Estados Unidos. Mi país también ha desarrollado con éxito dos aleaciones de titanio de bajo costo, a saber, Ti8LC y Ti12LC. En el diseño de componentes de aleación de titanio de bajo costo para vehículos, los elementos de aleación baratos comúnmente utilizados incluyen Fe, Cr, Si, Al, etc.
2. Nueva tecnología de procesamiento y preparación.
El costo de procesamiento de los materiales de aleación de titanio representa más del 60% del costo total durante el proceso de producción. Por lo tanto, en términos de reducción de costos, cómo reducir el costo de procesamiento de la aleación de titanio se ha convertido en una dirección de investigación clave. La investigación en esta área se divide principalmente en dos aspectos: uno es mejorar el proceso tradicional de fundición y forjado, y el otro es adoptar la tecnología de forma casi neta de pulvimetalurgia.
En el desarrollo de nuevos procesos de forja, la forja en frío es actualmente uno de los métodos más prometedores para fabricar piezas de automóvil a partir de aleaciones de titanio. La aleación de beta titanio tiene una baja resistencia a la deformación a temperatura ambiente y es buena para cortar y formar. Es un material que se puede forjar en frío. Actualmente, Japón ha desarrollado tres aleaciones de beta titanio deformadas en frío. La aleación de beta titanio también tiene algunas desventajas. Es propenso a deformarse desigualmente durante el forjado en frío y es fácil de adherir al molde. Por lo tanto, la producción en masa de piezas de aleación de beta titanio utilizando tecnología de forjado en frío requiere una mayor exploración y desarrollo.
La pulvimetalurgia es una tecnología muy importante para reducir los costos de procesamiento de aleaciones de titanio. En la fabricación de piezas de automóviles de pulvimetalurgia, el método tradicional de prensado y sinterización sigue siendo dominante, e incluye principalmente el método de polvo elemental (BE) y el método de polvo prealeado (PA). En la actualidad, el método del polvo elemental es el más utilizado en el campo de la pulvimetalurgia de aleaciones de titanio para automóviles de bajo costo debido a su proceso simple y menor costo. En los últimos años, también han surgido otras tecnologías de pulvimetalurgia, incluida la tecnología de conformado por láser, el moldeo por inyección de polvo metálico (MIM) y otras tecnologías. Se han utilizado ampliamente en la producción de prueba y en la producción de piezas de automóviles complejas, lo que puede acortar considerablemente el desarrollo de productos. y ciclo de producción, reduciendo aún más los costos.
Conclusión
La nueva generación de diseño de automóviles presta más atención a la carrocería liviana, el bajo consumo de combustible, el bajo ruido y la ligera vibración del motor para cumplir con los requisitos cada vez más exigentes del medio ambiente. En este contexto, el metal ligero titanio se convertirá en un importante material de aplicación para los automóviles del futuro.
Una consideración exhaustiva del estado actual de la investigación de las aleaciones de titanio de bajo costo para vehículos muestra que, para reducir aún más el costo de las aleaciones de titanio para vehículos, la investigación debe centrarse principalmente en los siguientes aspectos:
1) En términos del desarrollo de sistemas de aleaciones de bajo costo, intentar desarrollar sistemas de aleaciones que no utilicen elementos de aleación o que sean menos costosos sin afectar el rendimiento y, al mismo tiempo, hacer pleno uso de aleaciones de titanio reciclado.
2) En términos de desarrollo de procesos de fundición y forjado, avanzar en la dirección de desarrollar aleaciones de titanio beta y aleaciones de titanio deformadas en frío, y realizar estudios de viabilidad sobre su producción en masa.
3) En términos de pulvimetalurgia, si bien se garantiza la ventaja de bajo costo, también es necesario mejorar aún más el rendimiento de las piezas de titanio.
Con el desarrollo de la economía y la reducción del costo del titanio, más diseñadores de ingeniería elegirán piezas de titanio como piezas de automóviles. Las aleaciones de titanio acabarán desempeñando un papel importante en la producción de la industria del automóvil.