티타늄 합금은 자동차 기술을 선도합니다

티타늄 금속은 밀도가 낮고 비강도가 높으며 내식성이 우수한 장점이 있습니다. 자동차에 티타늄 소재를 사용하면 차체 질량을 크게 줄이고 연료 소비를 줄이며 엔진 효율을 향상하고 환경을 개선하며 소음을 줄일 수 있습니다. 그러나 가격이 높기 때문에 티타늄 합금은 자동차 산업의 고급 모델과 스포츠카에만 일부 응용되고 일반 자동차에는 거의 사용되지 않습니다. 따라서 시장 요구에 맞는 저가형 티타늄 합금의 연구 개발은 일반 가정용 자동차에의 적용을 촉진하는 열쇠입니다.

티타늄 합금은 항공우주, 석유화학, 조선 산업에서 널리 사용되어 왔지만 자동차 산업에서의 적용은 천천히 발전해 왔습니다. 1956년 미국 제너럴모터스(GM)가 최초의 올티타늄 자동차 개발에 성공한 것을 시작으로 1980년대까지 티타늄 자동차 부품은 양산 수준에 이르지 못했다. 1990년대에는 고급차, 스포츠카, 레이싱카에 대한 수요가 해마다 증가하면서 티타늄 자동차부품 제조부품이 급속히 발전하였다. 1990년에는 전 세계적으로 자동차에 사용되는 티타늄의 양이 50톤에 불과했습니다. 1997년에는 500t에 이르렀다. 2002년에는 1,100t에 이르렀다. 2009년에는 3,000t에 도달했습니다. 2015년에는 전 세계적으로 자동차에 사용되는 티타늄의 양이 5{15}}t를 초과할 것으로 예상됩니다. 현재 일반적으로 사용되는 티타늄 합금 부품에는 다음과 같은 유형이 있습니다.

1. 엔진 커넥팅로드
티타늄 합금은 커넥팅로드에 이상적인 재료입니다. 티타늄 합금으로 제작된 엔진 커넥팅로드는 엔진 질량을 효과적으로 줄이고, 연비를 향상시키며, 배기량을 줄일 수 있습니다. 강철 커넥팅 로드와 비교하여 티타늄 커넥팅 로드는 질량을 15% ~ 20%까지 줄일 수 있습니다. 티타늄 합금 커넥팅 로드의 적용은 이탈리아의 신형 페라리 세단 3.5LV8과 아큐라의 NSX 엔진에 처음 반영됐다. 티타늄 합금 커넥팅로드에 사용되는 주요 재료는 Ti-6Al-4V, Ti{7}}V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V 및 Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si. Ti-4Al 등 기타 티타늄 합금 소재 -2Si-4Mn 및 Ti{21}}M-4Mo를 커넥팅 로드에 적용하는 것도 개발 중입니다.
2. 엔진 밸브
티타늄 합금으로 만든 자동차 엔진 밸브는 질량을 줄이고 서비스 수명을 연장할 뿐만 아니라 연료 소비를 줄이고 차량 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다. 강철 밸브에 비해 티타늄 밸브는 질량을 30~40% 줄일 수 있고, 엔진의 한계 속도를 20% 높일 수 있습니다. 현재 적용 분야에 있어서 흡기 밸브의 재질은 주로 Ti-6Al-4V이고 배기 밸브의 재질은 주로 Ti-6242S입니다. 일반적으로 Sn과 Al은 취성을 낮추고 강도를 높이기 위해 함께 첨가됩니다. Mo를 첨가하면 티타늄 합금의 열처리 특성이 향상되고 담금질 및 노화 티타늄 합금의 강도가 향상되며 경도가 높아집니다. 개발 잠재력이 있는 기타 티타늄 합금은 다음과 같습니다.
1) 흡기 밸브는 Ti-6Al-4V와 동등한 특성을 가지며 가격이 저렴한 Ti{1}}S로 제작할 수 있습니다.
2) 배기 밸브는 Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo{{7}로 제작될 수 있습니다. }.45Si. Mo 함량이 낮기 때문에 크리프 저항성이 Ti{9}}S보다 우수하고 내산화성이 600도에 달할 수 있습니다. .
3) 배기 밸브는 -TiAl로 만들 수 있는데, 이는 고온 저항과 경량의 특성을 가지지만 가공 중 전통적인 단조 방법에는 적합하지 않습니다. 주조 및 분말 야금 가공에만 적합합니다.
3. 밸브 스프링 시트
높은 강도와 ​​내피로성은 밸브 스프링 시트의 필수 특성입니다. 베타 티타늄 합금은 고용체 시효 처리를 통해 고강도를 얻을 수 있는 열처리 합금입니다. 더 적합한 재료는 Ti-15V-3Cr- 3Al-3Sn 및 Ti{6}}Mo-3Al-2입니다. .7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors는 대규모 생산 차량에 Ti-22V-4Al 티타늄 합금 밸브 스프링 시트를 사용하여 원래 강철 잠금 장치에 비해 질량을 42% 줄이고 밸브의 관성 질량을 줄입니다. 메커니즘이 6% 증가하고 최대 엔진 속도가 증가합니다. 300r/분.
4. 티타늄 합금 스프링
티타늄 및 그 합금은 강재에 비해 탄성률이 낮고 σs/E 값이 크기 때문에 탄성 부품 제조에 적합합니다. 자동차 강철 스프링에 비해 동일한 탄성 작업을 전제로 티타늄 스프링의 높이는 강철 스프링의 40%에 불과하고 질량은 강철 스프링의 30~40%에 불과해 차체 설계가 용이합니다. 또한 티타늄 합금의 우수한 피로 특성과 내식성은 스프링의 수명을 연장할 수 있습니다. 현재 자동차 스프링에 사용할 수 있는 티타늄 합금 소재로는 Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al, Ti-13V11C-3Al 등이 있다.
5. 터보차저
터보차저는 엔진 연소 효율을 향상시키고 엔진 출력과 토크를 향상시킬 수 있습니다. 터보차저의 터빈 로터는 850도 이상의 고온 배기가스에서 장시간 작동해야 하므로 내열성이 좋아야 합니다. 알루미늄 합금과 같은 전통적인 경금속은 융점이 낮기 때문에 사용할 수 없습니다. 세라믹 재료는 가볍고 내열성이 우수하기 때문에 터빈 로터에 사용되지만 비용이 높고 형상을 최적화할 수 없기 때문에 적용이 제한됩니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 Tetsui 등은 TiAl 터빈 로터를 개발했습니다. 많은 테스트를 거쳐 내구성과 효율이 좋을 뿐만 아니라, 엔진의 가속력도 향상시킬 수 있다는 것이 검증되었습니다. 이 디자인은 Mitsubishi Lancer Evolution 시리즈에서 성공적으로 상용화되었습니다.
6. 배기 시스템 및 머플러
티타늄은 자동차 배기 시스템에 광범위하게 사용됩니다. 티타늄과 그 합금으로 제작된 배기 시스템은 신뢰성을 높이고 수명을 연장하며 외관을 개선할 뿐만 아니라 질량을 줄이고 연료 연소 효율을 향상시킬 수 있습니다. 강철 배기 시스템과 비교하여 티타늄 배기 시스템은 질량을 약 40% 줄일 수 있습니다. 골프 시리즈 차량에서는 티타늄 배기 시스템의 질량을 7~9kg 줄일 수 있습니다. 현재 배기 시스템에 사용되는 티타늄 소재는 주로 공업용 순수 티타늄이다.
티타늄 머플러는 무게가 5~6kg에 불과해 스테인리스 스틸이나 기타 머플러에 비해 가볍다. 2000 쉐보레 콜벳 Z06은 원래 20kg의 스테인레스 스틸 시스템 대신 11.8kg의 티타늄 머플러와 배기관 시스템을 사용하여 질량을 41% 줄였습니다. 교체된 시스템은 강도를 유지하고 차량을 더욱 빠르고 유연하며 연료 효율성을 높여줍니다. 머플러에 사용되는 티타늄 소재도 주로 공업용 순수 티타늄이다.
7. 본체 프레임 부분
자동차의 안전성과 신뢰성을 향상시키기 위해서는 설계 및 제조 측면, 특히 제조 재료를 고려해야 합니다. 티타늄은 차체 프레임을 만드는데 사용되는 아주 좋은 소재입니다. 비강도가 높을 뿐만 아니라 인성도 우수합니다. 일본에서는 자동차 제조업체가 순수 티타늄 용접 파이프를 선택하여 차체 프레임을 만듭니다. 이러한 종류의 프레임은 운전자가 운전할 때 안전함을 느낄 수 있게 해줍니다.
8. 기타 티타늄 합금 부품
위의 구성 요소 외에도 티타늄은 엔진 로커 암, 서스펜션 스프링, 엔진 피스톤 핀, 자동차 패스너, 러그 너트, 자동차 도어 돌출 빔, 자동차 기어 브래킷, 브레이크 캘리퍼 피스톤, 핀 볼트, 압력 자동차 부품 등에도 사용됩니다. 플레이트, 변속 버튼 및 자동차 클러치 디스크.

1. 장점

티타늄 합금은 경량, 높은 비강도, 우수한 내식성 등의 장점을 갖고 있어 자동차 산업에서 널리 사용됩니다. 티타늄 합금의 가장 일반적인 용도는 자동차 엔진 시스템입니다. 티타늄 합금을 사용하여 엔진 부품을 제조하면 다음과 같은 많은 이점이 있습니다.
1) 티타늄 합금의 밀도가 낮기 때문에 움직이는 부품의 관성 질량을 줄일 수 있습니다. 동시에 티타늄 밸브 스프링은 자유 진동을 증가시키고 본체의 진동을 약화시키며 엔진 속도와 출력을 증가시킬 수 있습니다.
2) 움직이는 부품의 관성 질량을 줄여 마찰을 줄이고 엔진 연비를 향상시킵니다.
3) 티타늄 합금을 선택하면 관련 부품의 부하 응력을 줄이고 부품 크기를 줄일 수 있어 엔진 및 차량 전체의 무게를 줄일 수 있습니다.
4) 부품의 관성질량을 감소시켜 진동과 소음을 감소시키고 엔진 성능을 향상시킨다.
다른 구성 요소에 티타늄 합금을 적용하면 작업자의 편안함과 자동차의 미학이 향상될 수 있습니다. 자동차 산업의 응용 분야에서 티타늄 합금은 에너지 절약 및 소비 감소에 있어 헤아릴 수 없는 역할을 해왔습니다.
2. 신청 제한
티타늄 합금 부품은 이처럼 뛰어난 특성을 갖고 있지만, 티타늄과 그 합금이 자동차 산업에서 널리 사용되기까지는 아직 갈 길이 멉니다. 그 이유는 가격이 비싸고, 성형성이 좋지 않으며, 용접 성능이 좋지 않기 때문입니다.
최근 몇 년 동안 순수 형상 기술에 가까운 티타늄 합금과 전자빔 용접, 플라즈마 아크 용접, 레이저 용접과 같은 현대 용접 기술이 개발됨에 따라 티타늄 합금의 성형 및 용접 문제는 더 이상 티타늄 적용을 제한하는 주요 요인이 아닙니다. 합금. 자동차 산업에서 널리 사용되는 주된 이유는 높은 비용 때문입니다.
금속의 초기 제련이든 후속 가공이든 티타늄 합금의 가격은 다른 금속보다 훨씬 높습니다. 자동차 업계가 수용할 수 있는 티타늄 부품 가격은 커넥팅 로드가 8~13달러/kg, 밸브가 13~20달러, 스프링, 엔진 배기 시스템, 패스너 등이 8달러다. USD/kg 이하. 현재 티타늄 소재로 생산되는 부품 가격은 이러한 가격보다 훨씬 높습니다. 티타늄판의 생산원가는 대부분 33달러/kg 이상으로 알루미늄판의 6~15배, 강판의 45~83배에 이른다.
자동차용 티타늄 합금 연구현황

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현재 자동차 산업에 사용되는 티타늄 합금의 주요 연구 방향은 비용 절감입니다. 자동차 산업에 사용되는 티타늄 합금의 비용 분포 특성을 고려하여 재료 연구 및 개발 작업자는 주로 새로운 저비용 합금 시스템 개발과 새로운 가공 및 준비 기술 사용이라는 두 가지 측면에서 비용 절감 목적을 달성합니다. .

1. 새로운 저가형 티타늄 합금 시스템
다양한 국가의 작업자들이 새로운 저가형 티타늄 합금 시스템을 개발하고 있으며 주로 저렴한 합금 요소를 사용한 합금 설계 및 가공 특성을 향상시키기 위한 합금 설계라는 측면에 중점을 두고 있습니다. 그 중에는 일본과 미국이 대표적으로 포함되어 있다. 우리나라는 또한 Ti8LC와 Ti12LC라는 두 가지 저가형 티타늄 합금을 성공적으로 개발했습니다. 차량용 저가형 티타늄 합금 부품 설계에 일반적으로 사용되는 저가형 합금 원소로는 Fe, Cr, Si, Al 등이 있습니다.
2. 새로운 가공 및 준비 기술
티타늄 합금 재료의 가공 비용은 생산 과정에서 총 비용의 60% 이상을 차지합니다. 따라서 비용 절감 측면에서 티타늄 합금의 가공 비용을 어떻게 절감할 것인가가 핵심 연구 방향이 되었다. 이 분야의 연구는 주로 두 가지 측면으로 나누어집니다. 하나는 전통적인 주조 및 단조 공정을 개선하는 것이고, 다른 하나는 분말야금에 가까운 순형 기술을 채택하는 것입니다.
새로운 단조 공정 개발에서 냉간 단조는 현재 티타늄 합금으로 자동차 부품을 제조하는 가장 유망한 방법 중 하나입니다. 베타 티타늄 합금은 실온에서 변형 저항이 낮고 절단 및 성형이 좋습니다. 냉간단조가 가능한 소재입니다. 현재 일본은 세 가지 냉간 변형 베타 티타늄 합금을 개발했습니다. 베타 티타늄 합금에도 몇 가지 단점이 있습니다. 냉간 단조시 변형이 고르지 않고 금형에 접착되기 쉽습니다. 따라서 냉간 단조 기술을 이용한 베타 티타늄 합금 부품의 대량 생산에는 추가적인 탐색과 개발이 필요합니다.
분말 야금은 티타늄 합금 가공 비용을 줄이는 데 매우 중요한 기술입니다. 분말 야금 자동차 부품 제조에서는 주로 원소 분말법(BE)과 사전 합금 분말법(PA)을 포함하는 전통적인 압축 소결 방법이 여전히 지배적입니다. 현재 원소 분말법은 공정이 간단하고 비용이 저렴하기 때문에 저가 자동차 티타늄 합금 분말 야금 분야에서 가장 널리 사용되고 있습니다. 최근에는 레이저 성형 기술, 금속 분말 사출 성형(MIM) 및 기타 기술을 포함한 다른 분말 야금 기술도 등장했습니다. 이 제품은 복잡한 자동차 부품의 시험 생산 및 생산에 널리 사용되어 제품 개발 기간을 크게 단축할 수 있습니다. 및 생산주기를 통해 비용을 더욱 절감할 수 있습니다.
결론
차세대 자동차 디자인은 점점 더 까다로워지는 환경 요구 사항을 충족하기 위해 경량 차체, 낮은 연료 소비, 낮은 소음 및 가벼운 엔진 진동에 더 많은 관심을 기울입니다. 이러한 맥락에서 경금속 티타늄은 미래 자동차의 주요 응용 소재가 될 것입니다.
차량용 저가 티타늄 합금의 현재 연구 상황을 종합적으로 고려하면, 차량용 티타늄 합금의 비용을 더욱 절감하기 위해서는 연구가 주로 다음 측면에 초점을 맞춰야 한다는 것을 알 수 있습니다.
1) 저비용 합금 시스템 개발 측면에서, 성능에 영향을 주지 않고 고가의 합금 원소를 사용하지 않거나 보다 저렴한 합금 시스템을 개발하는 동시에 재활용 티타늄 합금을 최대한 활용하는 합금 시스템을 개발하려고 노력합니다.
2) 주조 및 단조 공정개발에서는 베타티타늄합금 및 냉간가공티타늄합금 개발방향으로 개발하고, 양산타당성 조사를 실시한다.
3) 분말야금 측면에서는 저비용 장점을 확보하는 동시에 티타늄 부품의 성능을 더욱 향상시키는 것도 필요하다.
경제 발전과 티타늄 비용 절감으로 인해 더 많은 엔지니어링 설계자가 티타늄 부품을 자동차 부품으로 선택하게 될 것입니다. 티타늄 합금은 결국 자동차 산업 생산에서 중요한 역할을 하게 될 것입니다.