Application de l'alliage de titane dans la fabrication légère d'automobiles

Quels sont les avantages de l’alliage de titane ?

Alliages de titane pour automobiles ont les caractéristiques d'une faible densité, d'excellentes propriétés mécaniques, d'une bonne biocompatibilité, d'une résistance à la corrosion, d'une résistance à haute température et d'une bonne ténacité à basse température. Ils ont été largement utilisés dans le domaine de la construction automobile. La densité de l'alliage de titane n'est que de 60 % de celle de l'acier, mais la résistance peut atteindre plus de 800 MPa. Il conserve toujours de bonnes propriétés mécaniques à environ 500 ℃ et possède de bonnes propriétés de soudage et de formage. Il est utilisé dans la fabrication de voitures de course il y a plus de 20 ans. La masse du moteur de course est fortement réduite tout en améliorant les performances du moteur.

À l'heure actuelle, les pièces en alliage de titane utilisées dans la construction automobile sont principalement distribuées dans les systèmes d'échappement, les systèmes de moteur, les systèmes de transmission et d'amortissement des vibrations et les châssis de carrosserie.

 

 

Comment le titane est-il utilisé dans l’industrie automobile ?

1. Système d'échappement

Les matériaux des systèmes d’échappement automobiles doivent avoir de bonnes propriétés mécaniques à haute température et une résistance à la corrosion par les éléments S et Cl. Les ensembles de soupapes d'échappement traditionnels sont en acier inoxydable, mais les alliages de titane sont plus adaptés comme matériaux de soupape d'échappement en termes de performances.

Le tuyau de retour d'air en titane utilisé dans la nouvelle voiture Chevrolet Corvette Z206 évite efficacement les problèmes tels que la corrosion par piqûres et la corrosion des soudures sur les tuyaux en acier inoxydable. Il améliore également l’efficacité de la combustion du carburant et les capacités d’accélération et raccourcit les distances de freinage.

Timet, le plus grand Alliages de titane pour constructeur automobile aux États-Unis, s'est engagé dans la R&D et la fabrication de systèmes d'échappement en alliage de titane. De nombreuses entreprises japonaises ont également mené des travaux de recherche et développement connexes. Actuellement, Fuji Heavy Industries Co., Ltd. a produit un nombre limité de 440 ensembles de systèmes d'échappement pour véhicules en alliage de titane. trachée.

2. Système moteur

Le système moteur automobile est le composant d’alliage de titane le plus couramment utilisé dans le domaine automobile. Les principales applications de l'alliage de titane dans le système moteur comprennent les soupapes, les bielles, les vilebrequins, les sièges de soupape et d'autres composants.

La société japonaise Honda Motor Co. utilise des bielles en titane forgé dans son moteur V6 de course NSX ; Mitsubishi Motors Corp. utilise des sièges de ressorts de soupape en titane dans les moteurs à quatre cylindres à grand volume, et des bielles en titane sont utilisées dans les voitures Porsche.

(1) Soupape

En ce qui concerne les vannes en alliage de titane, les États-Unis et le Japon ont mené de nombreux travaux de recherche. Les États-Unis utilisent actuellement l'alliage Ti-6Al-4V pour fabriquer des soupapes d'admission et l'alliage Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo pour fabriquer des soupapes d'échappement ; tandis que le Japon, Toyota utilise l'alliage Ti-6Al-4V/Ti B pour préparer les soupapes d'admission et l'alliage Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Nb-Si/Ti B pour préparer les soupapes d'échappement. Ces types d'alliages de titane ont de bonnes propriétés mécaniques à haute température, une résistance à l'oxydation et une résistance au fluage, ce qui peut améliorer efficacement les performances du moteur et augmenter la vitesse du véhicule.

(2) Siège de soupape

Les sièges de soupape en alliage de titane sont largement utilisés dans les voitures de course et les voitures de sport, avec plus de 250,000 6 ensembles produits chaque année. Ils sont principalement constitués d’alliage Ti-4Al-5V ou Ti-2Al-1Cr-XNUMXFe. La forme du siège de soupape étant relativement simple, elle est largement utilisée. Les exigences en matière de traitement mécanique ne sont pas élevées et aucun traitement de surface spécial n'est requis. Le coût est relativement bon marché et l’effet est évident en termes de réduction de poids des automobiles.

(3) Bielle

L'utilisation de bielles en alliage de titane peut réduire efficacement la masse du moteur et améliorer les performances du véhicule. À l'heure actuelle, le principal matériau de préparation est l'alliage Ti-6Al-4V. Daido Co., Ltd. du Japon développe actuellement un alliage de titane biphasé Ti-3Al-2V-0.2Si-0.47Ce-0.27La. Cet alliage a une bonne usinabilité et présente également d'excellentes propriétés mécaniques, propriétés de fatigue et résistance à la corrosion. , il devrait être utilisé dans les pièces de bielle qui subissent une accélération et une décélération rapides des moteurs.

(4) Vilebrequin

Bien que les vilebrequins en alliage de titane ne soient pas largement utilisés à l'heure actuelle, l'alliage Ti-3Al-2.5V spécialement développé par le Japon a été vérifié sur les voitures de course Honda. Il réduit efficacement la masse et augmente le régime moteur de 700 tr/min, prouvant les avantages en titane d'un vilebrequin en alliage. Dans le même temps, le Japon teste déjà un vilebrequin en alliage Ti-5Al-2Cr-Fe et espère que l'alliage de titane sera plus largement utilisé dans les composants du vilebrequin.

3. Système de réduction des vibrations

Le composant central du système de suspension automobile antivibratoire est le ressort de suspension. Comparé à l'acier à ressorts automobile ordinaire, l'alliage de titane a une résistance spécifique plus élevée, un module de cisaillement inférieur et une résistance à la fatigue plus élevée, ce qui le rend plus adapté à la fabrication de ressorts amortisseurs automobiles. Étant donné que la déviation du ressort est proportionnelle au nombre de tours et inversement proportionnelle au module de cisaillement du matériau, les ressorts en alliage de titane nécessitent moins de tours que les ressorts en acier pour obtenir la même réponse du ressort, réduisant ainsi efficacement la masse du ressort. , économisant de l'espace.

Dans le même temps, les ressorts en alliage de titane peuvent également augmenter efficacement la fréquence de résonance du ressort et prolonger sa durée de vie. À l'heure actuelle, la plupart des ressorts en alliage de titane sont constitués d'un alliage de titane bêta monophasé. La société allemande Volkswagen a utilisé des ressorts d'engrenage en alliage de titane Lupo FSI dans certaines voitures, avec environ 3,500 XNUMX véhicules utilisés.

4. Châssis de carrosserie

En termes de composants de châssis de carrosserie de véhicule, la résistance spécifique plus élevée, la densité plus faible et la bonne résistance à la corrosion de l'alliage de titane indiquent toutes qu'il s'agit d'un bon matériau pour la préparation du châssis de carrosserie de véhicule. À l'heure actuelle, certains constructeurs automobiles utilisent déjà des alliages de titane dans des pièces telles que les supports de transmission et les pistons des étriers de frein. Parmi les composants de transmission, le Japon développe actuellement un procédé de préparation de carters en alliage de titane par filage à grande vitesse. Par rapport aux boîtiers en acier, les boîtiers en alliage de titane peuvent mieux réduire l'impact du volant d'inertie et avoir de meilleurs effets tampons.

De plus, les alliages de titane sont également utilisés dans les fixations automobiles et d'autres composants. Avec le développement continu des procédés de préparation des alliages de titane et de l’industrie automobile, les alliages de titane seront sûrement davantage utilisés dans les pièces automobiles.

5. L'importance des alliages de titane pour l'allègement des automobiles

Des calculs effectués par des instituts de recherche étrangers ont montré que lorsque la qualité globale du véhicule est réduite de 10 %, la consommation de carburant peut être réduite de 6 à 8 %. Certaines études ont montré que pour chaque réduction de poids de 91 kg dans une voiture, on peut atteindre en moyenne 0.43 km de kilométrage supplémentaire par litre de carburant. Par conséquent, avec le développement continu de l'économie chinoise et le nombre croissant d'automobiles, le poids léger des automobiles est devenu l'un des moyens importants de réduire la consommation d'énergie et la pollution de l'air.

Les matériaux en titane et en alliages de titane sont actuellement largement utilisés dans les pièces automobiles en raison de leurs excellentes propriétés physiques et chimiques. L'utilisation de matériaux en titane améliore non seulement efficacement les performances et le facteur de sécurité des automobiles, mais joue également un rôle important dans les automobiles légères, réduisant efficacement le poids des automobiles et réduisant la consommation de carburant.

Par rapport au système traditionnel en acier inoxydable, le système d'échappement automobile utilise un ensemble buse arrière-tuyau de retour en titane, ce qui permet d'économiser environ 8.2 kg de poids. Dans les pièces de moteur telles que les soupapes et les bielles, l'utilisation de produits en alliage de titane au lieu des matériaux traditionnels en acier et en fonte peut réduire efficacement le poids du moteur.

Selon des recherches menées dans l'industrie automobile japonaise, les soupapes de puissance automobiles utilisent environ 0.8 kg de pièces en titane, ce qui équivaut à l'effet obtenu par 20 kg de pièces en acier ; chaque siège de valve en titane peut réduire la masse d'environ 10 g par rapport aux sièges de valve en acier ; même les bielles et le vilebrequin sont en alliage de titane, ce qui est le plus efficace pour réduire la masse du moteur.

Dans le système d'amortissement des vibrations, chaque ressort en alliage de titane peut réduire la masse de plus de 60 % par rapport aux ressorts en acier. Calculé avec 4 ressorts de suspension par véhicule, après le passage aux ressorts en alliage de titane, chaque véhicule peut perdre 9 à 13.6 kg de poids. De plus, la masse du silencieux en alliage de titane n'est que de 5 à 6 kg, soit 40 % plus léger que le silencieux en acier inoxydable.

En prenant comme exemple une voiture ordinaire de taille moyenne, si des pièces automobiles existantes en alliage de titane sont utilisées pour remplacer des pièces traditionnelles, le poids à vide de la voiture sera réduit d'environ 1,500 1,000 kg à environ 30 20 kg. Le taux de réduction de poids peut atteindre XNUMX % et la consommation globale de carburant peut être réduite de XNUMX %. Surtout, cela réduira considérablement la consommation de carburant dans le monde et atténuera efficacement les problèmes de pénurie d’énergie et de pollution de l’environnement.

Les données ci-dessus montrent que l'utilisation d'alliages de titane a des effets évidents sur les automobiles légères. Dans l'industrie automobile moderne, la technologie d'application du titane et des alliages de titane dans les pièces automobiles doit être continuellement développée pour augmenter la proportion d'alliages de titane utilisés dans les automobiles.

À l'heure actuelle, l'application des alliages de titane dans l'industrie automobile chinoise en est encore au stade expérimental. Les principaux problèmes sont que le coût des matériaux en alliage de titane est trop élevé et que les pièces sont difficiles à traiter.

Par conséquent, la tâche principale à l'avenir devrait être de réduire le prix des pièces en alliage de titane en développant des matériaux en alliage de titane bon marché, en réduisant le coût de production des matières premières en alliage de titane et en améliorant l'efficacité du traitement des pièces en alliage de titane en améliorant la technologie de traitement.

L'expérience étrangère montre que ce n'est qu'en unissant les parties de conception et de fabrication automobiles et les développeurs d'alliages de titane que nous pouvons fournir des matériaux en alliage de titane de meilleure qualité pour les automobiles.

On pense qu'avec l'approfondissement continu des travaux de recherche et développement, alliages de titane pour automobiles jouera un rôle de plus en plus important dans l'industrie automobile moderne de mon pays et favorisera le développement continu de l'industrie automobile.