경량 자동차 제조에 티타늄 합금 적용

티타늄 및 티타늄 합금은 저밀도, 우수한 기계적 성질, 우수한 생체 적합성, 내식성, 고온 저항 및 우수한 저온 인성의 특성을 가지고 있습니다. 그들은 자동차 제조 분야에서 널리 사용되었습니다. 티타늄 합금의 밀도는 강철의 60%에 불과하지만 강도는 800MPa 이상에 도달할 수 있습니다. 약 500도에서도 여전히 우수한 기계적 특성을 유지하며 우수한 용접 및 성형 특성을 갖습니다. 20여년 전부터 경주용 자동차 제작에 사용되어 경주용 엔진의 무게를 대폭 줄이고 엔진 성능을 향상시켰습니다.

현재 자동차 제조에 사용되는 티타늄 합금 부품은 주로 자동차 배기 시스템, 엔진 시스템, 변속기 및 진동 감소 시스템, 차체 프레임에 유통됩니다.
1. 배기 시스템
자동차 배기 시스템의 재료는 우수한 고온 기계적 특성과 S 및 Cl 원소에 의한 부식에 대한 저항성이 요구됩니다. 전통적인 배기 밸브 부품은 스테인레스 스틸로 만들어졌지만 사람들은 성능 측면에서 티타늄 합금이 배기 밸브 재료로 사용하기에 더 적합하다는 것을 알게 되었습니다.
신형 쉐보레 콜벳 Z206에 사용되는 티타늄 리턴 파이프는 스테인레스 스틸 파이프에서 발생하는 피팅 및 용접 녹 문제를 효과적으로 방지하는 동시에 연료 연소 효율과 가속 성능을 향상시키고 제동 거리를 단축시킵니다.
미국 최대 티타늄 제조업체인 Timet은 티타늄 합금 배기 시스템의 연구 개발 및 제조에 전념해 왔습니다. 많은 일본 기업들도 관련 연구 개발 작업을 수행해 왔습니다. 현재 Fuji Heavy Industries, Ltd.는 티타늄 합금 자동차 배기관 440세트를 한정적으로 생산하고 있습니다.
2. 엔진 시스템
자동차 엔진시스템은 자동차 분야에서 티타늄 합금을 가장 많이 사용하는 부품이다. 엔진 시스템에 티타늄 합금을 적용하는 방법에는 주로 밸브, 커넥팅로드, 크랭크 샤프트, 밸브 시트 및 기타 부품이 포함됩니다.
일본의 Honda Motor Corporation은 NSX 레이싱 V-6 엔진에 단조 티타늄 커넥팅 로드를 사용합니다. 미쓰비시 자동차는 고용량 4기통 엔진에 티타늄 밸브 스프링 시트를 사용하고 있으며, 포르쉐 자동차에도 티타늄 커넥팅 로드가 사용됩니다.
(1) 밸브
티타늄 합금 밸브에 관해서는 미국과 일본이 많은 연구를 진행해 왔습니다. 미국은 현재 일반적으로 흡기 밸브 제조에 Ti-6Al-4V 합금을 사용하고 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo를 사용합니다. 배기 밸브를 만드는 합금; 일본의 Toyota는 흡기 밸브에 Ti-6Al-4V/Ti B 합금을 사용하고 배기 밸브에 Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Nb-Si/Ti B 합금을 사용합니다. 이러한 유형의 티타늄 합금은 고온 기계적 특성, 내산화성 및 크리프 저항성이 우수하여 엔진 성능을 효과적으로 향상시키고 차량 속도를 높입니다.
(2) 밸브 시트
티타늄 합금 밸브 시트는 경주용 자동차와 스포츠카에 널리 사용되어 왔으며 연간 250개 이상의 세트를 생산합니다.000 주로 Ti-6Al-4V 또는 Ti{4}}Al-2Cr-1Fe 합금으로 만들어집니다. 밸브 시트의 형상이 비교적 단순하기 때문에 가공상의 요구가 높지 않으며 특별한 표면 처리도 필요하지 않습니다. 상대적으로 가격이 저렴하고 자동차의 무게를 줄이는 데 상당한 효과가 있습니다.
(3) 커넥팅로드
티타늄 합금 커넥팅로드를 사용하면 엔진 무게를 효과적으로 줄이고 자동차 성능을 향상시킬 수 있습니다. 주요 준비재료는 Ti{0}}Al-4V 합금입니다. 일본 Daido Co., Ltd.는 현재 2상 티타늄 합금 Ti-3Al-2V-0.2Si-0.47Ce-0.27La를 개발 중입니다. . 이 합금은 가공성이 좋으며 기계적 성질, 피로 특성, 내식성도 우수합니다. 급격한 가감속을 받는 엔진의 커넥팅로드 부품에 활용될 것으로 예상된다.
(4) 크랭크샤프트
현재 티타늄 합금 크랭크샤프트는 널리 사용되지 않지만, 일본이 특별히 개발한 Ti{0}}Al-2.5V 합금이 혼다 경주용 자동차에서 검증되었습니다. 무게를 효과적으로 줄이는 동시에 엔진 회전수를 700r/min까지 높여 티타늄 합금 크랭크샤프트의 우수성을 입증했습니다. 동시에 일본에서는 티타늄 합금이 크랭크샤프트 부품에 더욱 광범위하게 사용될 것을 기대하면서 Ti{5}}Al-2Cr-Fe 합금 크랭크샤프트를 시험 생산해 왔습니다.

3. 진동감소 시스템
자동차 진동저감 서스펜션 시스템의 핵심 부품은 서스펜션 스프링이다. 일반 자동차 스프링 강과 비교하여 티타늄 합금은 비강도가 높고 전단 계수가 낮으며 피로 강도가 높아 자동차 충격 흡수 스프링 제조에 더 적합합니다. 스프링의 편향은 회전 수에 비례하고 재료의 전단 계수에 반비례하기 때문에 티타늄 합금 스프링은 동일한 스프링 응답을 달성하기 위해 강철 스프링보다 회전 수가 적어 스프링 질량을 효과적으로 줄이고 공간을 절약합니다.
동시에 티타늄 합금 스프링은 스프링의 공진 주파수를 효과적으로 높이고 수명을 늘릴 수도 있습니다. 현재 대부분의 티타늄 합금 스프링은 단상 티타늄 합금으로 만들어집니다. 폭스바겐은 약 3,500대의 차량에 Lupo FSI 티타늄 합금 기어 스프링을 일부 차량에 사용했습니다.

4. 본체 프레임
차체 프레임 부품 측면에서 티타늄 합금의 높은 비강도, 낮은 밀도 및 우수한 내식성은 모두 차체 프레임 제조에 적합한 재료임을 나타냅니다. 현재 일부 자동차 회사에서는 기어 브래킷, 브레이크 캘리퍼 피스톤과 같은 부품에 티타늄 합금을 사용하고 있습니다. 변속기 부품 중 일본에서는 현재 고속 방사를 통해 티타늄 합금 쉘을 제조하는 공정을 개발하고 있다. 강철 쉘과 비교하여 티타늄 합금 쉘은 플라이휠의 충격을 더 잘 줄이고 완충 효과가 더 좋습니다.
또한 티타늄 합금은 자동차 패스너 및 기타 부품에도 사용되었습니다. 티타늄 합금 준비 기술과 자동차 산업의 지속적인 발전으로 티타늄 합금은 확실히 자동차 부품에 더 많이 사용될 것입니다.

5. 경량 자동차에 대한 티타늄 합금의 중요성
외국 연구기관에서는 자동차의 공차중량을 10% 줄이면 연료소비율을 6~8% 줄일 수 있는 것으로 계산했습니다. 다른 연구에 따르면 무게가 91kg 감소할 때마다 평균 차량은 연료 리터당 0.43km 더 이동할 수 있는 것으로 나타났습니다. 따라서 우리나라 경제가 지속적으로 발전하고 자동차 수가 지속적으로 증가함에 따라 자동차 경량화는 에너지 소비를 줄이고 대기 오염을 줄이는 중요한 방법 중 하나가 되었습니다.
티타늄 및 티타늄 합금 소재는 우수한 물리적, 화학적 특성으로 인해 현재 자동차 부품에 널리 사용되고 있습니다. 티타늄 소재의 사용은 자동차의 성능과 안전율을 효과적으로 향상시킬 뿐만 아니라 자동차의 경량화, 효과적으로 자동차의 공차 중량을 줄이고 연료 소비를 줄이는 데 중요한 역할을 합니다.
자동차 배기 시스템에 사용되는 티타늄 테일 노즐-리턴 파이프 어셈블리는 전통적인 스테인레스 스틸 시스템과 비교하여 무게를 약 8.2kg 줄일 수 있습니다. 밸브, 커넥팅 로드 등 엔진 부품에 기존 강철 및 주철 소재 대신 티타늄 합금 제품을 사용하면 엔진 무게를 효과적으로 줄일 수 있습니다.
일본 자동차 산업의 연구에 따르면 자동차 파워 밸브에 약 0.8kg의 티타늄 부품을 사용하면 20kg의 강철 부품을 사용하여 얻을 수 있는 효과와 동일합니다. 각 티타늄 밸브 시트는 강철 밸브 시트에 비해 약 10g의 무게를 줄일 수 있습니다. 커넥팅 로드와 크랭크 샤프트에 티타늄 합금을 사용하는 것은 엔진의 무게를 줄이는 데 가장 효과적입니다.

진동 감소 시스템에서 각 티타늄 합금 스프링은 강철 스프링에 비해 무게를 60% 이상 줄일 수 있습니다. 차량당 서스펜션 스프링 4개를 기준으로 계산한 결과, 티타늄 합금 스프링을 교체하면 차량당 9~13.6kg의 무게를 줄일 수 있습니다. 또한, 티타늄합금 머플러의 무게는 5~6kg에 불과해 스테인레스 스틸 머플러에 비해 40% 정도 가볍다.
일반 중형차를 예로 들면, 기존 티타늄 합금 자동차 부품을 사용하여 기존 부품을 대체할 경우 차량의 공차 중량이 약 1500kg에서 약 1000kg으로 줄어들고, 중량 감소율은 30%가 되며, 종합적인 연료 소비를 20% 이상 줄일 수 있으며, 이는 세계의 연료 소비를 크게 줄이고 에너지 부족과 환경 오염 문제를 효과적으로 완화할 수 있습니다.

위의 데이터는 티타늄 합금의 사용이 자동차 경량화에 큰 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 현대 자동차산업에서는 티타늄과 티타늄합금의 자동차 부품 응용기술을 지속적으로 개발하여 자동차에 티타늄합금의 적용비율을 높여야 한다. 따라서 향후 주요과제는 값싼 티타늄합금 소재를 개발하고 티타늄합금 원료의 생산원가를 절감하여 티타늄합금 부품의 가격을 낮추고, 가공기술의 향상을 통해 티타늄합금 부품의 가공효율을 향상시키는 것이 되어야 한다. .