自動車産業におけるチタンの応用

チタン合金は航空宇宙、石油化学、造船産業で広く使用されていますが、自動車産業での応用はゆっくりと発展しています。 1956 年に米国のゼネラル モーターズが初のオールチタン車の開発に成功して以来、チタン自動車部品が量産レベルに達したのは 1980 年代になってからでした。 1990年代に入り、高級車、スポーツカー、レーシングカーの需要が年々高まるにつれ、チタン自動車部品製造部品は急速に発展しました。 1990年当時、世界中の自動車に使用されていたチタンの量はわずか50トンでした。 1997年には500トンに達しました。 2002年には1,100トンに達しました。 2009 年には 3,000 t に達しました。 世界中の自動車に使用されるチタンの量は、2015年には5,{15}}トンを超えると予想されています。現在、次の種類のチタン合金部品が一般的に使用されています。

1. エンジンコンロッド
チタン合金はコンロッドに最適な素材です。 チタン合金製のエンジンコンロッドは、エンジンの質量を効果的に削減し、燃費を向上させ、排気量を削減します。 スチール製コンロッドと比較して、チタン製コンロッドは質量を 15% ～ 20% 削減できます。 チタン合金コンロッドの適用は、イタリアの新型フェラーリ セダン 3.5LV8 とアキュラの NSX エンジンに初めて反映されました。 チタン合金コンロッドに使用される主な材料は、Ti-6Al-4V、Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-3ですAl-2.0VおよびTi-4Al-4Mo-Sn-0.5Si。 Ti-4Alなどの他のチタン合金材料-2Si-4MnおよびTi-7M-4Moのコンロッドへの応用も開発中です。
2.エンジンバルブ
チタン合金で作られた自動車エンジンバルブは、質量を軽減し耐用年数を延長するだけでなく、燃料消費量を削減し、車両の信頼性も向上します。 チタンバルブはスチール製バルブに比べて質量を30～40％削減でき、エンジンの限界回転数を20％向上させることができます。 現在の用途に関する限り、吸気バルブの材質は主に Ti-6Al-4V、排気バルブの材質は主に Ti-6242S です。 通常、Sn と Al は、脆性を低くし、強度を高めるために一緒に添加されます。 Moの添加により、チタン合金の熱処理特性が改善され、チタン合金の焼入れおよび時効強度が向上し、硬度が増加します。 開発の可能性のあるその他のチタン合金には次のようなものがあります。
1) 吸気バルブは Ti-6Al-4V と同等の特性を持ち、安価な Ti-62S で作ることができます。
2) 排気バルブは Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo{{7} で作ることができます}.45Si。 Mo含有量が低いため、耐クリープ性はTi-6242Sより優れており、耐酸化性は600度に達します。 。
3) 排気バルブは、高温耐性と軽量の特性を備えた -TiAl で作ることができますが、加工時の従来の鍛造方法には適していません。 鋳造および粉末冶金処理にのみ適しています。
3. バルブスプリングシート
バルブスプリングシートには高い強度と耐疲労性が求められます。 ベータチタン合金は、固溶時効処理により高強度が得られる熱処理合金です。 対応するより適切な材料は、Ti-15V-3Cr- 3Al-3Sn および Ti-15Mo-3Al-2 です.7Nb-0.2Si。 三菱自動車は、大型量産車に Ti-22V-4Al チタン合金バルブ スプリング シートを使用しています。これにより、元のスチール製ロックと比較して質量が 42% 削減され、バルブの慣性質量が減少します。機構を6%向上させ、最高エンジン回転数を向上させます。 300r/分
4.チタン合金スプリング
チタンおよびその合金は、鋼材に比べて弾性率が低く、σs/E値が大きいため、弾性部品の製造に適しています。 自動車用鋼製ばねと比較すると、同じ弾性仕事を前提とした場合、チタンばねの高さは鋼製ばねの40％、質量は鋼製ばねの30～40％にすぎず、車体設計が容易になります。 さらに、チタン合金の優れた疲労特性と耐腐食性により、スプリングの寿命を延ばすことができます。 現在、自動車のばねに使用できるチタン合金材料には、Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5AlやTi-13V11C-3Alなどがあります。
5. ターボチャージャー
ターボチャージャーはエンジンの燃焼効率を向上させ、エンジンの出力とトルクを向上させることができます。 ターボチャージャーのタービンローターは、850度以上の高温排気ガス中で長時間動作する必要があるため、優れた耐熱性が求められます。 アルミニウム合金などの従来の軽金属は、融点が低いため使用できません。 セラミック材料は軽量で高温耐性に優れているため、タービンローターに使用されていますが、コストが高く、形状を最適化できないため、その用途は限られています。 これらの問題を解決するために、鉄井氏らはTiAlタービンローターを開発した。 多くのテストを経て、耐久性と効率が良いだけでなく、エンジンの加速性も向上することが確認されました。 このデザインは三菱ランサーエボリューションシリーズで製品化に成功しました。
6. 排気系とマフラー
チタンは自動車の排気システムに広く使用されています。 チタンとその合金で作られた排気システムは、信頼性の向上、寿命の延長、外観の向上だけでなく、質量の削減と燃料燃焼効率の向上も実現します。 スチール製エキゾーストシステムと比較して、チタン製エキゾーストシステムは質量を約 40% 削減できます。 ゴルフシリーズではチタンエキゾーストシステムの質量を7～9kg軽量化できます。 現在、マフラーに使用されるチタン素材は工業用純チタンが主流です。
チタンマフラーの重量はわずか5～6kgとステンレスなどのマフラーに比べて軽量です。 2000 シボレー コルベット Z06 は、オリジナルの 20 kg のステンレススチール システムの代わりに 11.8 kg のチタン マフラーとエキゾースト パイプ システムを使用し、質量を 41% 削減しました。 交換されたシステムは強度を維持し、車をより速く、より柔軟に、そしてより燃料効率を高めます。 マフラーに使用されているチタン素材も工業用純チタンが主流です。
7.本体フレーム部
自動車の安全性・信頼性を向上させるためには、設計・製造面、特に製造材料への配慮が必要です。 チタンは自動車の車体フレームに使用される非常に優れた素材です。 比強度が高いだけでなく、靱性にも優れています。 日本では、自動車メーカーは車体フレームの製造に純チタン溶接パイプを選択しています。 この種のフレームは、ドライバーが運転中に安心感を感じることができます。
8. その他のチタン合金部品
上記の部品に加えて、チタンはエンジンロッカーアーム、サスペンションスプリング、エンジンピストンピン、自動車ファスナー、ラグナット、自動車ドア突き出しビーム、自動車ギアブラケット、ブレーキキャリパーピストン、ピンボルト、圧力自動車部品などにも使用されています。プレート、シフトボタン、自動車のクラッチディスクなど。

1.メリット

チタン合金は軽量、比強度が高く、耐食性に優れているという利点があるため、自動車産業で広く使用されています。 チタン合金の最も一般的な用途は自動車のエンジン システムです。 エンジン部品の製造にチタン合金を使用すると、主に次のような多くの利点があります。
1) チタン合金の密度が低いため、可動部の慣性質量を低減できます。 同時に、チタン製バルブスプリングは自由振動を増加させ、車体の振動を弱め、エンジン回転数と出力を向上させることができます。
2) 可動部品の慣性質量を低減し、フリクションを低減し、エンジンの燃費を向上します。
3) チタン合金を採用することにより、関連部品の負荷応力の軽減と部品の小型化が可能となり、エンジンおよび車両全体の軽量化が可能となります。
4) 部品の慣性質量の低減により、振動や騒音が低減され、エンジン性能が向上します。
他の部品にチタン合金を適用すると、人の快適性と車の美観が向上します。 自動車産業の用途において、チタン合金はエネルギーの節約と消費量の削減において計り知れない役割を果たしてきました。
2. アプリケーションの制限
チタン合金部品はこのように優れた特性を持っていますが、チタンとその合金が自動車産業で広く使用されるまでにはまだ長い道のりがあります。 理由としては、価格が高い、成形性が悪い、溶接性が悪いなどが挙げられます。
近年のチタン合金のニアネットシェイプ技術や電子ビーム溶接、プラズマアーク溶接、レーザー溶接などの最新の溶接技術の発展により、チタン合金の成形や溶接の問題はチタンの用途を制限する主な要因ではなくなりました。合金。 自動車業界で広く使用されている主な理由は、コストが高いことです。
金属の最初の製錬であろうと、その後の加工であろうと、チタン合金の価格は他の金属の価格よりもはるかに高くなります。 自動車業界が受け入れることができるチタン部品のコストは、コンロッドが 8 ～ 13 ドル/kg、バルブが 13 ～ 20 ドル、スプリング、エンジン排気システム、ファスナーが 8 ドル/kg です。 米ドル/kg未満。 チタン材料で製造された部品の現在のコストは、これらの価格よりもはるかに高くなっています。 チタン板の生産コストは、ほとんどが 33 米ドル/kg 以上で、アルミニウム板の 6 ～ 15 倍、鋼板の 45 ～ 83 倍です。