Penggunaan Aloi Titanium dalam Pembuatan Kereta Ringan

Aloi titanium dan titanium mempunyai ciri-ciri ketumpatan rendah, sifat mekanikal yang sangat baik, biokompatibiliti yang baik, rintangan kakisan, rintangan suhu tinggi, dan keliatan suhu rendah yang baik. Mereka telah digunakan secara meluas dalam bidang pembuatan kereta. Ketumpatan aloi titanium hanya 60% daripada keluli, manakala kekuatan boleh mencapai lebih daripada 800MPa. Ia masih mengekalkan sifat mekanikal yang baik pada sekitar 500 darjah, dan mempunyai sifat kimpalan dan pembentukan yang baik. Ia telah digunakan dalam pembuatan kereta lumba lebih daripada 20 tahun yang lalu, mengurangkan berat enjin perlumbaan dan meningkatkan prestasi enjin.

Pada masa ini, bahagian aloi titanium yang digunakan dalam pembuatan kereta diedarkan terutamanya dalam sistem ekzos kereta, sistem enjin, sistem transmisi dan pengurangan getaran, dan rangka badan.
1. Sistem ekzos
Bahan sistem ekzos kereta dikehendaki mempunyai sifat mekanikal suhu tinggi yang baik dan ketahanan terhadap kakisan oleh unsur S dan Cl. Komponen injap ekzos tradisional diperbuat daripada keluli tahan karat, tetapi orang ramai mendapati bahawa aloi titanium lebih sesuai digunakan sebagai bahan injap ekzos dari segi prestasi.
Paip pemulangan titanium yang digunakan dalam Chevrolet Corvette Z206 baharu berkesan mengelakkan masalah karat pitting dan kimpalan yang berlaku pada paip keluli tahan karat, di samping meningkatkan kecekapan pembakaran bahan api dan keupayaan pecutan, dan memendekkan jarak brek.
Timet, pengeluar titanium terbesar di Amerika Syarikat, telah komited dalam penyelidikan dan pembangunan serta pembuatan sistem ekzos aloi titanium. Banyak syarikat Jepun juga telah menjalankan kerja penyelidikan dan pembangunan berkaitan. Pada masa ini, Fuji Heavy Industries, Ltd. mempunyai pengeluaran terhad bagi 440 set paip ekzos automotif aloi titanium.
2. Sistem enjin
Sistem enjin kereta adalah bahagian yang menggunakan aloi titanium paling banyak dalam bidang automotif. Penggunaan aloi titanium dalam sistem enjin terutamanya termasuk injap, rod penyambung, aci engkol, tempat duduk injap dan bahagian lain.
Honda Motor Corporation of Japan menggunakan rod penyambung titanium palsu dalam enjin V-6 perlumbaan NSX; Mitsubishi Motors menggunakan tempat duduk spring injap titanium dalam enjin empat silinder berkapasiti tinggi, dan rod penyambung titanium juga digunakan dalam kereta Porsche.
(1) Injap
Dari segi injap aloi titanium, Amerika Syarikat dan Jepun telah menjalankan banyak kerja penyelidikan. Amerika Syarikat pada masa ini secara amnya menggunakan aloi Ti-6Al-4V untuk membuat injap masukan dan Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo aloi untuk membuat injap ekzos; manakala Toyota Jepun menggunakan aloi Ti-6Al-4V/Ti B untuk membuat injap masuk dan aloi Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Nb-Si/Ti B untuk membuat injap ekzos. Jenis aloi titanium ini mempunyai sifat mekanikal suhu tinggi yang baik, rintangan pengoksidaan dan rintangan rayapan, yang secara berkesan meningkatkan prestasi enjin dan meningkatkan kelajuan kenderaan.
(2) Tempat duduk injap
Tempat duduk injap aloi titanium telah digunakan secara meluas dalam kereta lumba dan kereta sukan, dengan pengeluaran tahunan lebih daripada 250,000 set. Ia terutamanya diperbuat daripada aloi Ti-6Al-4V atau Ti-5Al-2Cr-1Fe. Oleh kerana bentuk kerusi injap agak mudah, ia tidak memerlukan keperluan yang tinggi dari segi pemesinan dan tidak memerlukan rawatan permukaan khas. Ia agak murah dan mempunyai kesan yang ketara dalam mengurangkan berat kereta.
(3) Batang penyambung
Penggunaan rod penyambung aloi titanium boleh mengurangkan berat enjin dan meningkatkan prestasi kereta dengan berkesan. Bahan penyediaan utama ialah aloi Ti-6Al-4V. Daido Co., Ltd. Jepun sedang membangunkan aloi titanium dua fasa Ti-3Al-2V-0.2Si-0.47Ce-0.27La . Aloi ini mempunyai kebolehmesinan yang baik dan juga sangat baik dalam sifat mekanikal, sifat keletihan dan rintangan kakisan. Ia dijangka akan digunakan dalam bahagian rod penyambung enjin yang tertakluk kepada pecutan dan nyahpecutan pantas.
(4) Aci engkol
Walaupun aci engkol aloi titanium belum digunakan secara meluas pada masa ini, aloi Ti-3Al-2.5V yang dibangunkan khas oleh Jepun telah disahkan pada kereta lumba Honda. Walaupun berkesan mengurangkan berat, ia telah meningkatkan kelajuan enjin sebanyak 700r/min, membuktikan keunggulan aci engkol aloi titanium. Pada masa yang sama, Jepun telah mengeluarkan percubaan aci engkol aloi Ti-5Al-2Cr-Fe, dengan harapan aloi titanium akan digunakan dengan lebih meluas dalam bahagian aci engkol.

3. Sistem pengurangan getaran
Komponen teras sistem suspensi pengurangan getaran kereta ialah spring suspensi. Berbanding dengan keluli spring kereta am, aloi titanium mempunyai kekuatan spesifik yang lebih tinggi dan modulus ricih yang lebih rendah, dan kekuatan keletihan yang lebih tinggi, menjadikannya lebih sesuai untuk pembuatan spring penyerap hentakan kereta. Oleh kerana pesongan spring adalah berkadar dengan bilangan lilitan dan berkadar songsang dengan modulus ricih bahan, spring aloi titanium memerlukan lebih sedikit pusingan daripada spring keluli untuk mencapai tindak balas spring yang sama, dengan berkesan mengurangkan jisim spring dan menjimatkan ruang.
Pada masa yang sama, spring aloi titanium juga boleh meningkatkan frekuensi resonan spring dengan berkesan dan meningkatkan hayat perkhidmatannya. Pada masa ini, kebanyakan mata air aloi titanium diperbuat daripada aloi titanium fasa tunggal. Volkswagen telah menggunakan spring gear aloi titanium Lupo FSI pada beberapa kereta, dengan penggunaan kira-kira 3,500 kenderaan.

4. Rangka badan
Dari segi komponen rangka badan, kekuatan spesifik aloi titanium yang lebih tinggi, ketumpatan yang lebih rendah dan rintangan kakisan yang baik semuanya menunjukkan bahawa ia adalah bahan yang baik untuk menyediakan bingkai badan. Pada masa ini, beberapa syarikat kereta telah menggunakan aloi titanium pada bahagian seperti pendakap gear dan omboh angkup brek. Antara bahagian transmisi, Jepun sedang membangunkan proses untuk menyediakan cengkerang aloi titanium dengan berputar berkelajuan tinggi. Berbanding dengan cengkerang keluli, cengkerang aloi titanium boleh mengurangkan kesan roda tenaga dan mempunyai kesan penimbalan yang lebih baik.
Di samping itu, aloi titanium juga telah digunakan dalam pengikat automotif dan bahagian lain. Dengan perkembangan berterusan teknologi penyediaan aloi titanium dan industri automotif, aloi titanium pasti akan digunakan lebih banyak dalam bahagian automotif.

5. Kepentingan aloi titanium kepada kenderaan ringan
Institusi penyelidikan asing telah mengira bahawa apabila berat kerb kereta berkurangan sebanyak 10%, penggunaan bahan api boleh dikurangkan sebanyak 6% hingga 8%. Kajian lain menunjukkan bahawa bagi setiap pengurangan berat 91kg, purata kenderaan boleh bergerak 0.43km lebih seliter bahan api. Oleh itu, dengan pembangunan berterusan ekonomi negara saya dan peningkatan berterusan dalam bilangan kereta, pemberat ringan kereta telah menjadi salah satu cara penting untuk mengurangkan penggunaan tenaga dan mengurangkan pencemaran udara.
Bahan aloi titanium dan titanium kini digunakan secara meluas dalam bahagian automotif kerana sifat fizikal dan kimianya yang sangat baik. Penggunaan bahan titanium bukan sahaja berkesan meningkatkan prestasi dan faktor keselamatan kereta, tetapi juga memainkan peranan penting dalam meringankan kereta, mengurangkan berat kerb kereta dengan berkesan dan mengurangkan penggunaan bahan api.
Berbanding dengan sistem keluli tahan karat tradisional, pemasangan paip pengembalian muncung ekor titanium yang digunakan dalam sistem ekzos kereta boleh mengurangkan berat sebanyak kira-kira 8.2kg. Penggunaan produk aloi titanium dan bukannya keluli tradisional dan bahan besi tuang di bahagian enjin seperti injap dan rod penyambung dapat mengurangkan berat enjin dengan berkesan.
Menurut penyelidikan dalam industri automobil Jepun, penggunaan kira-kira 0.8kg bahagian titanium dalam injap kuasa kereta adalah bersamaan dengan kesan yang dicapai oleh 20kg bahagian keluli; setiap kerusi injap titanium boleh mengurangkan berat kira-kira 10g berbanding dengan kerusi injap keluli; penggunaan aloi titanium untuk rod penyambung dan aci engkol adalah paling berkesan dalam mengurangkan berat enjin.

Dalam sistem pengurangan getaran, setiap spring aloi titanium boleh mengurangkan berat lebih daripada 60% berbanding dengan spring keluli. Dikira berdasarkan 4 spring suspensi setiap kenderaan, selepas menggantikan spring aloi titanium, setiap kenderaan boleh mengurangkan berat sebanyak 9~13.6kg. Di samping itu, berat peredam aloi titanium hanya 5~6kg, iaitu 40% lebih ringan daripada peredam keluli tahan karat.
Mengambil kereta bersaiz sederhana biasa sebagai contoh, jika bahagian auto aloi titanium sedia ada digunakan untuk menggantikan bahagian tradisional, berat tepi kenderaan akan dikurangkan daripada kira-kira 1500kg kepada kira-kira 1000kg, dengan kadar pengurangan berat sebanyak 30%, dan penggunaan bahan api yang komprehensif boleh dikurangkan lebih daripada 20%, yang akan mengurangkan penggunaan bahan api dunia dengan berkesan dan berkesan mengurangkan masalah kekurangan tenaga dan pencemaran alam sekitar.

Data di atas menunjukkan bahawa penggunaan aloi titanium mempunyai kesan yang signifikan terhadap pemberat ringan kereta. Dalam industri automobil moden, teknologi aplikasi aloi titanium dan titanium dalam bahagian kereta harus terus dibangunkan untuk meningkatkan nisbah aplikasi aloi titanium dalam kereta. Oleh itu, tugas utama pada masa hadapan adalah untuk mengurangkan harga bahagian aloi titanium dengan membangunkan bahan aloi titanium yang murah dan mengurangkan kos pengeluaran bahan mentah aloi titanium, dan untuk meningkatkan kecekapan pemprosesan bahagian aloi titanium dengan meningkatkan teknologi pemprosesan .