Paduan Titanium Memimpin Teknologi Otomotif

Logam titanium memiliki keunggulan kepadatan rendah, kekuatan spesifik tinggi dan ketahanan korosi yang baik. Penggunaan bahan titanium pada mobil dapat sangat mengurangi massa tubuh, mengurangi konsumsi bahan bakar, meningkatkan efisiensi mesin, memperbaiki lingkungan dan mengurangi kebisingan. Namun harganya yang mahal membuat paduan titanium hanya digunakan pada beberapa aplikasi pada model mewah dan mobil sport di industri otomotif, dan jarang digunakan pada mobil biasa. Oleh karena itu, penelitian dan pengembangan paduan titanium berbiaya rendah yang memenuhi kebutuhan pasar adalah kunci untuk mempromosikan penerapannya pada mobil rumah tangga biasa.

Meskipun paduan titanium telah banyak digunakan dalam industri dirgantara, petrokimia, dan pembuatan kapal, penerapannya dalam industri otomotif berkembang secara perlahan. Dimulai dari keberhasilan pengembangan mobil berbahan titanium pertama oleh General Motors di Amerika Serikat pada tahun 1956, suku cadang mobil titanium baru mencapai tingkat produksi massal pada tahun 1980-an. Pada tahun 1990-an, seiring dengan meningkatnya permintaan akan mobil mewah, mobil sport, dan mobil balap dari tahun ke tahun, suku cadang mobil titanium Suku cadang manufaktur telah berkembang pesat. Pada tahun 1990, jumlah titanium yang digunakan pada mobil di seluruh dunia hanya 50 ton. Pada tahun 1997, jumlahnya mencapai 500t. Pada tahun 2002, jumlahnya mencapai 1.100 ton. Pada tahun 2009 mencapai 3,{13}}t. Diperkirakan jumlah titanium yang digunakan pada mobil di seluruh dunia akan melebihi 5,{15}}t pada tahun 2015. Saat ini, jenis suku cadang paduan titanium berikut ini umum digunakan.

1. Batang penghubung mesin
Paduan titanium adalah bahan yang ideal untuk batang penghubung. Batang penghubung mesin yang terbuat dari paduan titanium dapat secara efektif mengurangi massa mesin, meningkatkan efisiensi bahan bakar, dan mengurangi volume gas buang. Dibandingkan dengan batang penghubung baja, batang penghubung titanium dapat mengurangi massa sebesar 15% hingga 2{12}}%. Penerapan batang penghubung paduan titanium pertama kali tercermin pada sedan Ferrari 3.5LV8 baru Italia dan mesin NSX Acura. Bahan utama yang digunakan pada batang penghubung paduan titanium adalah Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V dan Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si. Bahan paduan titanium lainnya seperti Ti-4Al Penerapan -2Si-4Mn dan Ti-7M-4Mo pada batang penghubung juga sedang dikembangkan.
2. Katup mesin
Katup mesin otomotif yang terbuat dari paduan titanium tidak hanya dapat mengurangi massa dan memperpanjang masa pakai, tetapi juga mengurangi konsumsi bahan bakar dan meningkatkan keandalan kendaraan. Dibandingkan dengan katup baja, katup titanium dapat mengurangi massa sebesar 30% hingga 40%, dan batas kecepatan mesin dapat ditingkatkan sebesar 20%. Sejauh menyangkut penerapan saat ini, bahan katup masuk sebagian besar adalah Ti-6Al{-4V, dan bahan katup buang sebagian besar adalah Ti-6242S. Biasanya Sn dan Al ditambahkan bersama-sama untuk mendapatkan kerapuhan yang lebih rendah dan Kekuatan yang lebih tinggi; penambahan Mo dapat meningkatkan sifat perlakuan panas paduan titanium, meningkatkan kekuatan pendinginan dan penuaan paduan titanium, serta meningkatkan kekerasan. Paduan titanium lain dengan potensi pengembangan meliputi:
1) Katup masuk dapat dibuat dari Ti-62S yang memiliki sifat setara dengan Ti-6Al-4V dan lebih murah.
2) Katup buang dapat dibuat dari Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo{{7} }.45Si. Karena kandungan Mo yang lebih rendah, ketahanan mulurnya lebih baik daripada Ti-6242S, dan ketahanan oksidasinya bisa mencapai 600 derajat . .
3) Katup buang dapat dibuat dari -TiAl, yang memiliki karakteristik tahan suhu tinggi dan ringan, tetapi tidak cocok untuk metode penempaan tradisional selama pemrosesan. Ini hanya cocok untuk pengecoran dan pemrosesan metalurgi serbuk.
3. Kursi pegas katup
Kekuatan tinggi dan ketahanan lelah merupakan sifat yang harus dimiliki untuk dudukan pegas katup. Paduan titanium beta adalah paduan yang diberi perlakuan panas yang dapat memperoleh kekuatan tinggi melalui perlakuan penuaan larutan padat. Bahan yang lebih cocok adalah Ti-15V-3Cr- 3Al-3Sn dan Ti-15Mo-3Al-2 .7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors menggunakan kursi pegas katup paduan titanium Ti-22V-4Al pada kendaraan produksi skala besarnya, yang mengurangi massa sebesar 42% dibandingkan dengan kunci baja asli, mengurangi massa inersia katup mekanisme sebesar 6%, dan meningkatkan kecepatan mesin maksimum. 300r/menit.
4. Pegas paduan titanium
Titanium dan paduannya memiliki modulus elastisitas yang lebih rendah dan nilai σs/E yang lebih besar dibandingkan material baja, sehingga cocok untuk pembuatan komponen elastis. Dibandingkan dengan pegas baja mobil, dengan dasar kerja elastis yang sama, tinggi pegas titanium hanya 40% pegas baja, dan massanya hanya 30% hingga 40% pegas baja, yang memudahkan desain bodi mobil. Selain itu, sifat kelelahan yang sangat baik dan ketahanan korosi dari paduan titanium dapat memperpanjang masa pakai pegas. Saat ini, material paduan titanium yang dapat digunakan untuk membuat pegas mobil antara lain Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al dan Ti-13V11C-3Al.
5. Turbocharger
Turbocharger dapat meningkatkan efisiensi pembakaran mesin dan meningkatkan tenaga dan torsi mesin. Rotor turbin turbocharger perlu bekerja pada gas buang bersuhu tinggi di atas 850 derajat dalam waktu yang lama, sehingga memerlukan ketahanan panas yang baik. Logam ringan tradisional seperti paduan aluminium tidak dapat digunakan karena titik lelehnya yang rendah. Meskipun bahan keramik digunakan pada rotor turbin karena bobotnya yang ringan dan ketahanan suhu tinggi yang baik, penerapannya terbatas karena biayanya yang tinggi dan ketidakmampuan untuk mengoptimalkan bentuknya. Untuk mengatasi masalah ini, Tetsui dan yang lainnya mengembangkan rotor turbin TiAl. Setelah melalui banyak pengujian, terbukti tidak hanya memiliki daya tahan dan efisiensi yang baik, tetapi juga dapat meningkatkan akselerasi mesin. Desain ini telah berhasil dikomersialkan pada seri Mitsubishi Lancer Evolution.
6. Sistem pembuangan dan knalpot
Titanium digunakan secara luas dalam sistem pembuangan mobil. Sistem pembuangan yang terbuat dari titanium dan paduannya tidak hanya dapat meningkatkan keandalan, memperpanjang umur dan meningkatkan penampilan, namun juga mengurangi massa dan meningkatkan efisiensi pembakaran bahan bakar. Dibandingkan dengan sistem pembuangan baja, sistem pembuangan titanium dapat mengurangi massa sekitar 40%. Pada mobil seri Golf, massa sistem pembuangan titanium dapat dikurangi 7 hingga 9 kg. Saat ini, bahan titanium yang digunakan dalam sistem pembuangan sebagian besar adalah titanium murni industri.
Knalpot titanium memiliki berat hanya 5 hingga 6 kg, lebih ringan dari baja tahan karat dan knalpot lainnya. Chevrolet Corvette Z06 2000 menggunakan knalpot titanium 11,8kg dan sistem pipa knalpot, bukan sistem baja tahan karat 20kg asli, sehingga mengurangi bobot sebesar 41%. Sistem yang diganti mempertahankan kekuatannya dan membuat mobil lebih cepat, lebih fleksibel, dan lebih hemat bahan bakar. Bahan titanium yang digunakan pada knalpot sebagian besar juga merupakan titanium murni industri.
7. Bagian rangka bodi
Untuk meningkatkan keselamatan dan keandalan mobil, perlu mempertimbangkan aspek desain dan pembuatannya, terutama bahan pembuatannya. Titanium merupakan material yang sangat bagus digunakan untuk membuat rangka bodi mobil. Tidak hanya memiliki kekuatan spesifik yang tinggi, tetapi juga memiliki ketangguhan yang baik. Di Jepang, pabrikan mobil memilih pipa las titanium murni untuk membuat rangka bodi. Rangka seperti ini dapat membuat pengemudi merasa aman saat berkendara.
8. Bagian paduan titanium lainnya
Selain komponen di atas, titanium juga digunakan pada rocker arm mesin, pegas suspensi, pin piston mesin, pengencang otomotif, mur roda, balok penonjol pintu otomotif, braket persneling otomotif, piston kaliper rem, baut pin, suku cadang mobil bertekanan seperti pelat, tombol shift dan cakram kopling mobil.

1.Keuntungan

Paduan titanium memiliki keunggulan ringan, kekuatan spesifik tinggi, dan ketahanan korosi yang baik, sehingga banyak digunakan dalam industri otomotif. Penggunaan paduan titanium yang paling umum adalah pada sistem mesin mobil. Ada banyak manfaat menggunakan paduan titanium untuk memproduksi suku cadang mesin, terutama tercermin dalam:
1) Kepadatan paduan titanium yang rendah dapat mengurangi massa inersia bagian yang bergerak. Pada saat yang sama, pegas katup titanium dapat meningkatkan getaran bebas, melemahkan getaran bodi, serta meningkatkan kecepatan mesin dan tenaga keluaran.
2) Mengurangi massa inersia bagian yang bergerak, sehingga mengurangi gesekan dan meningkatkan efisiensi bahan bakar mesin.
3) Memilih paduan titanium dapat mengurangi tekanan beban pada bagian terkait dan mengurangi ukuran bagian, sehingga mengurangi bobot mesin dan keseluruhan kendaraan.
4) Pengurangan massa inersia komponen mengurangi getaran dan kebisingan serta meningkatkan kinerja mesin.
Penerapan paduan titanium pada komponen lain dapat meningkatkan kenyamanan personel dan estetika mobil. Dalam penerapannya di industri otomotif, paduan titanium telah memainkan peran yang sangat besar dalam penghematan energi dan pengurangan konsumsi.
2. Pembatasan aplikasi
Meskipun komponen paduan titanium memiliki sifat yang unggul, jalan masih panjang sebelum titanium dan paduannya digunakan secara luas di industri otomotif. Alasannya termasuk harga tinggi, sifat mampu bentuk yang buruk, dan kinerja pengelasan yang buruk.
Dengan berkembangnya teknologi bentuk jaring dekat paduan titanium dan teknologi pengelasan modern seperti pengelasan berkas elektron, pengelasan busur plasma, dan pengelasan laser dalam beberapa tahun terakhir, masalah pembentukan dan pengelasan paduan titanium tidak lagi menjadi faktor utama yang membatasi penerapan titanium. paduan. Alasan utama mengapa ini banyak digunakan dalam industri otomotif adalah biayanya yang tinggi.
Baik itu peleburan awal logam atau pemrosesan selanjutnya, harga paduan titanium jauh lebih tinggi dibandingkan logam lainnya. Biaya suku cadang titanium yang dapat diterima oleh industri otomotif adalah 8 hingga 13 dolar AS/kg untuk batang penghubung, 13 hingga 20 dolar AS untuk katup, dan 8 untuk pegas, sistem pembuangan mesin, dan pengencang. Di bawah USD/kg. Biaya suku cadang yang diproduksi dengan bahan titanium saat ini jauh lebih tinggi daripada harga tersebut. Biaya produksi pelat titanium sebagian besar lebih tinggi dari 33 dolar AS/kg, yaitu 6 hingga 15 kali lipat dari pelat aluminium dan 45 hingga 83 kali lipat dari pelat baja.
Status penelitian paduan titanium untuk mobil

gambar
Saat ini, pengurangan biaya menjadi arah penelitian utama paduan titanium yang digunakan dalam industri otomotif. Mengingat karakteristik distribusi biaya paduan titanium yang digunakan dalam industri otomotif, pekerja penelitian dan pengembangan material terutama mencapai tujuan mengurangi biaya dari dua aspek berikut: mengembangkan sistem paduan baru yang berbiaya rendah dan menggunakan teknologi pemrosesan dan persiapan baru. .

1. Sistem paduan titanium berbiaya rendah baru
Pekerja dari berbagai negara sedang mengembangkan sistem paduan titanium baru yang berbiaya rendah, terutama berfokus pada aspek-aspek berikut: desain paduan menggunakan elemen paduan murah dan desain paduan untuk meningkatkan karakteristik pemrosesan. Di antara mereka, Jepang dan Amerika Serikat terwakili. negara saya juga berhasil mengembangkan dua paduan titanium berbiaya rendah, yaitu Ti8LC dan Ti12LC. Dalam perancangan komponen paduan titanium murah untuk kendaraan, unsur paduan murah yang umum digunakan antara lain Fe, Cr, Si, Al, dll.
2. Teknologi pengolahan dan persiapan baru
Biaya pemrosesan bahan paduan titanium menyumbang lebih dari 60% dari total biaya selama proses produksi. Oleh karena itu, dalam hal pengurangan biaya, cara mengurangi biaya pemrosesan paduan titanium telah menjadi arah penelitian utama. Penelitian di bidang ini terutama dibagi menjadi dua aspek: satu adalah untuk meningkatkan proses pengecoran dan penempaan tradisional, dan yang lainnya adalah mengadopsi teknologi bentuk mendekati jaring metalurgi serbuk.
Dalam perkembangan proses penempaan baru, penempaan dingin saat ini merupakan salah satu metode yang paling menjanjikan untuk pembuatan suku cadang otomotif dari paduan titanium. Paduan titanium beta memiliki ketahanan deformasi yang rendah pada suhu kamar dan baik dalam pemotongan dan pembentukan. Ini adalah bahan yang bisa ditempa dingin. Saat ini, Jepang telah mengembangkan tiga paduan titanium beta deformasi dingin. Paduan titanium beta juga memiliki beberapa kekurangan. Hal ini rentan terhadap deformasi yang tidak merata selama penempaan dingin dan mudah menempel pada cetakan. Oleh karena itu, produksi massal suku cadang paduan titanium beta menggunakan teknologi penempaan dingin memerlukan eksplorasi dan pengembangan lebih lanjut.
Metalurgi serbuk adalah teknologi yang sangat penting dalam mengurangi biaya pemrosesan paduan titanium. Dalam pembuatan suku cadang otomotif metalurgi serbuk, metode sintering pengepresan tradisional masih dominan, terutama metode serbuk unsur (BE) dan metode serbuk pra-paduan (PA). Saat ini, metode serbuk unsur adalah yang paling banyak digunakan di bidang metalurgi serbuk paduan titanium otomotif berbiaya rendah karena prosesnya yang sederhana dan biayanya lebih rendah. Dalam beberapa tahun terakhir, teknologi metalurgi serbuk lainnya juga telah muncul, termasuk teknologi pembentukan laser, pencetakan injeksi serbuk logam (MIM) dan teknologi lainnya. Mereka telah banyak digunakan dalam produksi percobaan dan produksi suku cadang otomotif yang kompleks, yang dapat mempersingkat pengembangan produk. dan siklus produksi, sehingga semakin mengurangi biaya.
Kesimpulan
Desain mobil generasi baru lebih memperhatikan bobot ringan, konsumsi bahan bakar rendah, kebisingan rendah, dan getaran mesin ringan untuk memenuhi tuntutan lingkungan yang semakin menuntut. Dalam konteks ini, logam ringan titanium akan menjadi material aplikasi utama untuk mobil masa depan.
Pertimbangan komprehensif tentang status penelitian paduan titanium berbiaya rendah untuk kendaraan saat ini dapat ditemukan bahwa untuk lebih mengurangi biaya paduan titanium untuk kendaraan, penelitian terutama harus berfokus pada aspek-aspek berikut:
1) Dalam hal pengembangan sistem paduan berbiaya rendah, cobalah mengembangkan sistem paduan yang tidak menggunakan elemen paduan atau lebih murah tanpa mempengaruhi kinerja, dan pada saat yang sama memanfaatkan sepenuhnya paduan titanium daur ulang.
2) Dalam hal pengembangan proses pengecoran dan penempaan, kembangkan ke arah pengembangan paduan titanium beta dan paduan titanium deformasi dingin, dan lakukan studi kelayakan pada produksi massalnya.
3) Dalam hal metalurgi serbuk, selain memastikan keunggulan biaya rendah, kinerja suku cadang titanium juga perlu ditingkatkan.
Dengan perkembangan ekonomi dan penurunan harga titanium, semakin banyak desainer teknik yang akan memilih suku cadang titanium sebagai suku cadang otomotif. Paduan titanium pada akhirnya akan memainkan peran penting dalam produksi industri otomotif.