سبائك التيتانيوم تقود تكنولوجيا السيارات

يتميز معدن التيتانيوم بمزايا الكثافة المنخفضة والقوة النوعية العالية والمقاومة الجيدة للتآكل. إن استخدام مواد التيتانيوم في السيارات يمكن أن يقلل بشكل كبير من كتلة الجسم، ويقلل من استهلاك الوقود، ويحسن كفاءة المحرك، ويحسن البيئة ويقلل الضوضاء. ومع ذلك، فإن السعر المرتفع يجعل سبائك التيتانيوم لها بعض التطبيقات فقط في النماذج الفاخرة والسيارات الرياضية في صناعة السيارات، ونادرا ما تستخدم في السيارات العادية. ولذلك، فإن البحث والتطوير لسبائك التيتانيوم منخفضة التكلفة التي تلبي احتياجات السوق هو المفتاح لتعزيز تطبيقها في السيارات المنزلية العادية.

على الرغم من أن سبائك التيتانيوم قد استخدمت على نطاق واسع في صناعات الطيران والبتروكيماويات وبناء السفن، إلا أن تطبيقها في صناعة السيارات قد تطور ببطء. بدءًا من التطوير الناجح لأول سيارة مصنوعة بالكامل من التيتانيوم بواسطة شركة جنرال موتورز في الولايات المتحدة في عام 1956، لم تصل قطع غيار السيارات المصنوعة من التيتانيوم إلى مستوى الإنتاج الضخم حتى الثمانينيات. في التسعينيات، مع زيادة الطلب على السيارات الفاخرة والسيارات الرياضية وسيارات السباق عامًا بعد عام، تطورت قطع غيار السيارات المصنوعة من التيتانيوم بسرعة. في عام 1990، كانت كمية التيتانيوم المستخدمة في السيارات حول العالم 50 طنًا فقط. وفي عام 1997، وصل إلى 500 طن. وفي عام 2002، وصل إلى 1100 طن. وفي عام 2009، وصل إلى 3,000طن. من المتوقع أن تتجاوز كمية التيتانيوم المستخدمة في السيارات حول العالم 5000طن في عام 2015. وفي الوقت الحاضر، يتم استخدام الأنواع التالية من أجزاء سبائك التيتانيوم بشكل شائع.

1. قضيب توصيل المحرك
تعتبر سبائك التيتانيوم مادة مثالية لتوصيل القضبان. يمكن لقضبان توصيل المحرك المصنوعة من سبائك التيتانيوم أن تقلل بشكل فعال كتلة المحرك، وتحسن كفاءة استهلاك الوقود، وتقلل من حجم العادم. بالمقارنة مع قضبان التوصيل الفولاذية، يمكن لقضبان التوصيل المصنوعة من التيتانيوم تقليل الكتلة بنسبة 15% إلى 20%. انعكس تطبيق قضبان التوصيل المصنوعة من سبائك التيتانيوم لأول مرة في سيارة فيراري سيدان الإيطالية الجديدة 3.5LV8 ومحرك NSX من Acura. المواد الرئيسية المستخدمة في قضبان التوصيل من سبائك التيتانيوم هي Ti-6Al-4V، Ti-10V-2Fe-3Al، Ti-3 Al-2.0V وTi-4Al-4Mo-Sn-0.5Si. مواد سبائك التيتانيوم الأخرى مثل Ti-4Al. كما أن تطبيق -2Si-4Mn وTi-7M-4Mo في قضبان التوصيل قيد التطوير أيضًا.
2. صمام المحرك
لا يمكن لصمامات محرك السيارات المصنوعة من سبائك التيتانيوم تقليل الكتلة وإطالة عمر الخدمة فحسب، بل يمكنها أيضًا تقليل استهلاك الوقود وتحسين موثوقية السيارة. بالمقارنة مع الصمامات الفولاذية، يمكن لصمامات التيتانيوم تقليل الكتلة بنسبة 30% إلى 40%، ويمكن زيادة السرعة القصوى للمحرك بنسبة 20%. وبقدر ما يتعلق الأمر بالتطبيقات الحالية، فإن مادة صمام السحب هي بشكل أساسي Ti-6Al-4V، ومادة صمام العادم هي Ti-6242S بشكل أساسي. عادةً ما يتم إضافة Sn وAl معًا للحصول على هشاشة أقل وقوة أعلى؛ يمكن أن تؤدي إضافة Mo إلى تحسين خصائص المعالجة الحرارية لسبائك التيتانيوم، وتعزيز قوة التبريد وشيخوخة سبائك التيتانيوم، وزيادة الصلابة. تشمل سبائك التيتانيوم الأخرى ذات الإمكانات التطويرية ما يلي:
1) يمكن أن يكون صمام السحب مصنوعًا من Ti-62S، الذي له خصائص مكافئة لـ Ti-6Al-4V وهو أرخص.
2) يمكن أن يكون صمام العادم مصنوعًا من Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo{{7} }.45سي. بسبب محتواه المنخفض من Mo، فإن مقاومته للزحف أفضل من Ti-6242S، ويمكن أن تصل مقاومة الأكسدة إلى 600 درجة. .
3) يمكن تصنيع صمام العادم من مادة -TiAl، التي تتميز بخصائص مقاومة درجات الحرارة العالية وخفة الوزن، ولكنها غير مناسبة لطرق الحدادة التقليدية أثناء المعالجة. إنها مناسبة فقط للصب ومعالجة تعدين المساحيق.
3. مقعد زنبركي الصمام
تعتبر القوة العالية ومقاومة التعب من الخصائص الأساسية لمقعد زنبرك الصمام. سبائك بيتا تيتانيوم عبارة عن سبيكة معالجة بالحرارة يمكنها الحصول على قوة عالية من خلال معالجة تقادم المحاليل الصلبة. المواد المقابلة الأكثر ملاءمة هي Ti-15V-3Cr- 3Al-3Sn وTi-15Mo-3Al-2 .7نب-0.2سي. تستخدم شركة Mitsubishi Motors مقاعد نوابض صمامية مصنوعة من سبائك التيتانيوم Ti-22V-4Al في مركباتها ذات الإنتاج الضخم، مما يقلل الكتلة بنسبة 42% مقارنة بالأقفال الفولاذية الأصلية، ويقلل كتلة القصور الذاتي للصمام الآلية بنسبة 6%، ويزيد من السرعة القصوى للمحرك. 300r/دقيقة.
4. ربيع سبائك التيتانيوم
يتمتع التيتانيوم وسبائكه بمعامل مرونة أقل وقيمة σs/E أكبر من المواد الفولاذية، مما يجعلها مناسبة لتصنيع المكونات المرنة. بالمقارنة مع نوابض السيارات الفولاذية، في ظل نفس العمل المرن، يبلغ ارتفاع نوابض التيتانيوم 40% فقط من النوابض الفولاذية، والكتلة تتراوح من 30% إلى 40% فقط من النوابض الفولاذية، مما يسهل تصميم جسم السيارة. بالإضافة إلى ذلك، خصائص التعب الممتازة ومقاومة التآكل لسبائك التيتانيوم يمكن أن تطيل عمر خدمة الزنبرك. حاليًا، تشتمل مواد سبائك التيتانيوم التي يمكن استخدامها لصنع نوابض السيارات على Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al وTi-13V11C-3Al.
5. الشاحن التربيني
يمكن للشواحن التوربينية تحسين كفاءة احتراق المحرك وتعزيز قوة المحرك وعزم الدوران. يحتاج الدوار التوربيني للشاحن التوربيني إلى العمل في غاز العادم ذو درجة الحرارة العالية فوق 850 درجة لفترة طويلة، لذلك يتطلب مقاومة جيدة للحرارة. لا يمكن استخدام المعادن الخفيفة التقليدية مثل سبائك الألومنيوم بسبب نقاط انصهارها المنخفضة. على الرغم من استخدام المواد الخزفية في دوارات التوربينات بسبب وزنها الخفيف ومقاومتها الجيدة لدرجات الحرارة العالية، إلا أن تطبيقها محدود بسبب تكلفتها العالية وعدم قدرتها على تحسين شكلها. ومن أجل حل هذه المشاكل، قام تيتسوي وآخرون بتطوير توربين TiAl الدوار. بعد العديد من الاختبارات، تم التحقق من أنه لا يتمتع بمتانة وكفاءة جيدة فحسب، بل يمكنه أيضًا تحسين تسارع المحرك. تم تسويق هذا التصميم بنجاح في سلسلة Mitsubishi Lancer Evolution.
6. نظام العادم وكاتم الصوت
يستخدم التيتانيوم على نطاق واسع في أنظمة عوادم السيارات. لا تستطيع أنظمة العادم المصنوعة من التيتانيوم وسبائكه تحسين الموثوقية وإطالة العمر وتحسين المظهر فحسب، بل يمكنها أيضًا تقليل الكتلة وتحسين كفاءة احتراق الوقود. بالمقارنة مع أنظمة العادم الفولاذية، يمكن لأنظمة عادم التيتانيوم تقليل الكتلة بنسبة 40% تقريبًا. في سيارات سلسلة جولف، يمكن تقليل كتلة نظام عادم التيتانيوم بمقدار 7 إلى 9 كجم. حاليًا، مادة التيتانيوم المستخدمة في نظام العادم هي بشكل أساسي التيتانيوم النقي الصناعي.
يزن كاتم الصوت المصنوع من التيتانيوم من 5 إلى 6 كجم فقط، وهو أخف وزنًا من الفولاذ المقاوم للصدأ وكاتم الصوت الأخرى. تستخدم سيارة شيفروليه كورفيت Z06 موديل 2000 كاتم صوت ونظام أنابيب عادم من التيتانيوم بوزن 11.8 كجم بدلاً من نظام الفولاذ المقاوم للصدأ الأصلي بوزن 20 كجم، مما يقلل الكتلة بنسبة 41%. ويحافظ النظام المستبدل على قوته ويجعل السيارة أسرع وأكثر مرونة وأكثر كفاءة في استهلاك الوقود. مادة التيتانيوم المستخدمة في كاتم الصوت هي أيضًا بشكل أساسي من التيتانيوم النقي الصناعي.
7. جزء إطار الجسم
من أجل تحسين سلامة وموثوقية السيارات، من الضروري النظر في جوانب التصميم والتصنيع، وخاصة مواد التصنيع. التيتانيوم مادة جيدة جدًا تستخدم في صناعة إطارات جسم السيارة. ليس لديها قوة محددة عالية فحسب، بل تتمتع أيضًا بصلابة جيدة. في اليابان، يختار مصنعو السيارات أنابيب ملحومة من التيتانيوم النقي لصنع إطارات الجسم. هذا النوع من الإطارات يمكن أن يجعل السائقين يشعرون بالأمان أثناء القيادة.
8. أجزاء أخرى من سبائك التيتانيوم
بالإضافة إلى المكونات المذكورة أعلاه، يتم استخدام التيتانيوم أيضًا في أذرع المحرك المتأرجحة، وزنبركات التعليق، ومسامير مكبس المحرك، ومثبتات السيارات، وصواميل العروة، وعوارض أبواب السيارات البارزة، وأقواس تروس السيارات، ومكابس مسماك الفرامل، ومسامير الدبوس، وقطع غيار السيارات بالضغط مثل لوحات وأزرار التحول وأقراص مخلب السيارات.

1. المزايا

تتميز سبائك التيتانيوم بمزايا الوزن الخفيف، والقوة النوعية العالية، والمقاومة الجيدة للتآكل، لذلك يتم استخدامها على نطاق واسع في صناعة السيارات. الاستخدام الأكثر شيوعًا لسبائك التيتانيوم هو في أنظمة محركات السيارات. هناك العديد من الفوائد لاستخدام سبائك التيتانيوم في تصنيع أجزاء المحرك، وتتجلى بشكل رئيسي في:
1) الكثافة المنخفضة لسبائك التيتانيوم يمكن أن تقلل من كتلة القصور الذاتي للأجزاء المتحركة. في الوقت نفسه، يمكن لنوابض صمام التيتانيوم أن تزيد من الاهتزاز الحر، وتضعف اهتزاز الجسم، وتزيد من سرعة المحرك وطاقة الإخراج.
2) تقليل كتلة القصور الذاتي للأجزاء المتحركة، وبالتالي تقليل الاحتكاك وتحسين كفاءة استهلاك الوقود في المحرك.
3) يمكن أن يؤدي اختيار سبائك التيتانيوم إلى تقليل ضغط الحمل للأجزاء ذات الصلة وتقليل حجم الأجزاء، وبالتالي تقليل وزن المحرك والمركبة بأكملها.
4) تقليل كتلة القصور الذاتي للمكونات يقلل من الاهتزاز والضوضاء ويحسن أداء المحرك.
يمكن أن يؤدي تطبيق سبائك التيتانيوم في المكونات الأخرى إلى تحسين راحة الموظفين وجماليات السيارات. في التطبيقات في صناعة السيارات، لعبت سبائك التيتانيوم دورًا لا يُقاس في توفير الطاقة وخفض الاستهلاك.
2. قيود التطبيق
على الرغم من أن أجزاء سبائك التيتانيوم تتمتع بمثل هذه الخصائص المتفوقة، إلا أنه لا يزال هناك طريق طويل لنقطعه قبل استخدام التيتانيوم وسبائكه على نطاق واسع في صناعة السيارات. وتشمل الأسباب ارتفاع الأسعار وضعف القابلية للتشكيل وضعف أداء اللحام.
مع تطور سبائك التيتانيوم بالقرب من تكنولوجيا الشكل الصافي وتقنيات اللحام الحديثة مثل اللحام بشعاع الإلكترون، واللحام بقوس البلازما، واللحام بالليزر في السنوات الأخيرة، لم تعد مشاكل التشكيل واللحام لسبائك التيتانيوم هي العوامل الرئيسية التي تقيد تطبيق التيتانيوم. سبائك. السبب الرئيسي لاستخدامه على نطاق واسع في صناعة السيارات هو التكلفة العالية.
سواء كان الأمر يتعلق بالصهر الأولي للمعدن أو المعالجة اللاحقة، فإن سعر سبائك التيتانيوم أعلى بكثير من سعر المعادن الأخرى. تكلفة أجزاء التيتانيوم التي يمكن أن تقبلها صناعة السيارات هي 8 إلى 13 دولارًا أمريكيًا/كجم لقضبان التوصيل، و13 إلى 20 دولارًا أمريكيًا للصمامات، و8 دولارات للينابيع وأنظمة عادم المحرك والمثبتات. أقل من دولار أمريكي/كجم. التكلفة الحالية للأجزاء المنتجة بمواد التيتانيوم أعلى بكثير من هذه الأسعار. تكلفة إنتاج ألواح التيتانيوم أعلى في الغالب من 33 دولارًا أمريكيًا/كجم، وهو ما يعادل 6 إلى 15 مرة تكلفة إنتاج ألواح الألومنيوم و45 إلى 83 مرة تكلفة إنتاج ألواح الفولاذ.
حالة البحث عن سبائك التيتانيوم للسيارات

صورة
حاليًا، يعد خفض التكلفة هو الاتجاه البحثي الرئيسي لسبائك التيتانيوم المستخدمة في صناعة السيارات. في ضوء خصائص توزيع تكلفة سبائك التيتانيوم المستخدمة في صناعة السيارات، يحقق العاملون في أبحاث وتطوير المواد بشكل أساسي غرض تقليل التكاليف من الجانبين التاليين: تطوير أنظمة سبائك جديدة منخفضة التكلفة واستخدام تقنيات المعالجة والتحضير الجديدة .

1. نظام سبائك التيتانيوم الجديد منخفض التكلفة
يقوم العمال من مختلف البلدان بتطوير أنظمة جديدة لسبائك التيتانيوم منخفضة التكلفة، مع التركيز بشكل أساسي على الجوانب التالية: تصميم السبائك باستخدام عناصر السبائك الرخيصة وتصميم السبائك لتحسين خصائص المعالجة. ومن بينها اليابان والولايات المتحدة ممثلة. وقد نجح بلدي أيضًا في تطوير خلائطين من التيتانيوم منخفضي التكلفة، وهما Ti8LC وTi12LC. في تصميم مكونات سبائك التيتانيوم منخفضة التكلفة للمركبات، تشمل عناصر السبائك الرخيصة شائعة الاستخدام Fe، Cr، Si، Al، إلخ.
2. تكنولوجيا المعالجة والتحضير الجديدة
تمثل تكلفة معالجة مواد سبائك التيتانيوم أكثر من 60% من التكلفة الإجمالية أثناء عملية الإنتاج. لذلك، فيما يتعلق بخفض التكلفة، أصبحت كيفية تقليل تكلفة معالجة سبائك التيتانيوم اتجاهًا بحثيًا رئيسيًا. تنقسم الأبحاث في هذا المجال بشكل أساسي إلى جانبين: الأول هو تحسين عملية الصب والتزوير التقليدية، والآخر هو اعتماد تكنولوجيا تعدين المساحيق ذات الشكل القريب من الشبكة.
في تطوير عمليات الحدادة الجديدة، يعد الحدادة على البارد حاليًا إحدى أكثر الطرق الواعدة لتصنيع قطع غيار السيارات من سبائك التيتانيوم. تتميز سبائك بيتا تيتانيوم بمقاومة منخفضة للتشوه في درجة حرارة الغرفة وهي جيدة في القطع والتشكيل. إنها مادة يمكن تزويرها على البارد. حاليًا، طورت اليابان ثلاث سبائك بيتا تيتانيوم مشوهة على البارد. سبائك بيتا التيتانيوم لديها أيضا بعض أوجه القصور. إنه عرضة للتشوه غير المتساوي أثناء التشكيل على البارد ويسهل لصقه بالقالب. لذلك، يتطلب الإنتاج الضخم لأجزاء سبائك التيتانيوم بيتا باستخدام تقنية التشكيل على البارد مزيدًا من الاستكشاف والتطوير.
تعد تعدين المساحيق تقنية مهمة جدًا في تقليل تكاليف معالجة سبائك التيتانيوم. في تصنيع قطع غيار السيارات ذات تعدين المساحيق، لا تزال طريقة تلبيد الضغط التقليدية هي السائدة، بما في ذلك بشكل أساسي طريقة المسحوق العنصري (BE) وطريقة المسحوق المسبق السبائك (PA). في الوقت الحاضر، تعد طريقة المسحوق العنصري هي الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في مجال تعدين مسحوق سبائك التيتانيوم للسيارات منخفضة التكلفة نظرًا لعمليتها البسيطة والتكلفة المنخفضة. في السنوات الأخيرة، ظهرت أيضًا تقنيات تعدين المساحيق الأخرى، بما في ذلك تقنية التشكيل بالليزر، وقولبة حقن المسحوق المعدني (MIM) وغيرها من التقنيات. لقد تم استخدامها على نطاق واسع في الإنتاج التجريبي وإنتاج قطع غيار السيارات المعقدة، والتي يمكن أن تقلل بشكل كبير من تطوير المنتج. ودورة الإنتاج، مما يقلل من التكاليف بشكل أكبر.
خاتمة
يولي الجيل الجديد من تصميم السيارات المزيد من الاهتمام للهيكل خفيف الوزن، وانخفاض استهلاك الوقود، وانخفاض مستوى الضجيج والاهتزاز الخفيف للمحرك لتلبية متطلبات البيئة المتزايدة الطلب. وفي هذا السياق، سيصبح التيتانيوم المعدني الخفيف مادة تطبيق رئيسية للسيارات المستقبلية.
يمكن العثور على دراسة شاملة لحالة البحث الحالية لسبائك التيتانيوم منخفضة التكلفة للمركبات، من أجل تقليل تكلفة سبائك التيتانيوم للمركبات بشكل أكبر، يجب أن تركز الأبحاث بشكل أساسي على الجوانب التالية:
1) فيما يتعلق بتطوير أنظمة السبائك منخفضة التكلفة، حاول تطوير أنظمة السبائك التي لا تستخدم عناصر السبائك أو أقل تكلفة دون التأثير على الأداء، وفي نفس الوقت الاستفادة الكاملة من سبائك التيتانيوم المعاد تدويرها.
2) فيما يتعلق بتطوير عملية الصب والتزوير، التطوير في اتجاه تطوير سبائك بيتا تيتانيوم وسبائك التيتانيوم المشوهة على البارد، وإجراء دراسات جدوى لإنتاجها بكميات كبيرة.
3) فيما يتعلق بمسحوق المعادن، مع ضمان ميزة التكلفة المنخفضة، فمن الضروري أيضًا تحسين أداء أجزاء التيتانيوم.
مع تطور الاقتصاد وانخفاض تكلفة التيتانيوم، سيختار المزيد من المصممين الهندسيين أجزاء التيتانيوم كقطع غيار للسيارات. سوف تلعب سبائك التيتانيوم في النهاية دورًا مهمًا في إنتاج صناعة السيارات.