हल्के ऑटोमोबाइल विनिर्माण में टाइटेनियम मिश्र धातु का अनुप्रयोग

टाइटेनियम और टाइटेनियम मिश्र धातुओं में कम घनत्व, उत्कृष्ट यांत्रिक गुण, अच्छी जैव-संगतता, संक्षारण प्रतिरोध, उच्च तापमान प्रतिरोध और अच्छे निम्न-तापमान कठोरता की विशेषताएं हैं। इनका व्यापक रूप से ऑटोमोबाइल निर्माण के क्षेत्र में उपयोग किया गया है। टाइटेनियम मिश्र धातु का घनत्व स्टील के घनत्व का केवल 60% है, जबकि ताकत 800MPa से अधिक तक पहुँच सकती है। यह अभी भी लगभग 500 डिग्री पर अच्छे यांत्रिक गुणों को बनाए रखता है, और इसमें अच्छी वेल्डिंग और बनाने के गुण हैं। इसका उपयोग 20 साल से अधिक पहले रेसिंग कारों के निर्माण में किया गया है, जिससे रेसिंग इंजन का वजन बहुत कम हो गया है और इंजन के प्रदर्शन में सुधार हुआ है।

वर्तमान में, ऑटोमोबाइल विनिर्माण में उपयोग किए जाने वाले टाइटेनियम मिश्र धातु भागों को मुख्य रूप से ऑटोमोबाइल निकास प्रणाली, इंजन प्रणाली, ट्रांसमिशन और कंपन में कमी प्रणाली और बॉडी फ्रेम में वितरित किया जाता है।
1. निकास प्रणाली
ऑटोमोबाइल निकास प्रणाली की सामग्रियों में अच्छे उच्च तापमान यांत्रिक गुण और S और Cl तत्वों द्वारा संक्षारण के प्रतिरोध की आवश्यकता होती है। पारंपरिक निकास वाल्व घटक स्टेनलेस स्टील से बने होते हैं, लेकिन लोगों ने पाया है कि प्रदर्शन के मामले में टाइटेनियम मिश्र धातु निकास वाल्व सामग्री के रूप में उपयोग के लिए अधिक उपयुक्त हैं।
नई शेवरले कार्वेट Z206 में प्रयुक्त टाइटेनियम रिटर्न पाइप, स्टेनलेस स्टील पाइपों पर होने वाली गड्ढे और वेल्ड जंग की समस्याओं से प्रभावी रूप से बचाता है, साथ ही ईंधन दहन दक्षता और त्वरण क्षमताओं में सुधार करता है, तथा ब्रेकिंग दूरी को कम करता है।
संयुक्त राज्य अमेरिका में सबसे बड़ी टाइटेनियम निर्माता कंपनी टाइमेट, टाइटेनियम मिश्र धातु निकास प्रणाली के अनुसंधान और विकास और विनिर्माण के लिए प्रतिबद्ध है। कई जापानी कंपनियों ने भी संबंधित अनुसंधान और विकास कार्य किए हैं। वर्तमान में, फ़ूजी हेवी इंडस्ट्रीज, लिमिटेड ने टाइटेनियम मिश्र धातु ऑटोमोटिव निकास पाइप के 440 सेटों का सीमित उत्पादन किया है।
2. इंजन प्रणाली
ऑटोमोबाइल इंजन सिस्टम वह हिस्सा है जो ऑटोमोटिव क्षेत्र में सबसे अधिक टाइटेनियम मिश्र धातु का उपयोग करता है। इंजन सिस्टम में टाइटेनियम मिश्र धातु के अनुप्रयोग में मुख्य रूप से वाल्व, कनेक्टिंग रॉड, क्रैंकशाफ्ट, वाल्व सीट और अन्य भाग शामिल हैं।
जापान की होंडा मोटर कॉर्पोरेशन, NSX रेसिंग V-6 इंजन में जाली टाइटेनियम कनेक्टिंग रॉड का उपयोग करती है; मित्सुबिशी मोटर्स उच्च क्षमता वाले, चार-सिलेंडर इंजन में टाइटेनियम वाल्व स्प्रिंग सीट का उपयोग करती है, तथा पोर्श कारों में भी टाइटेनियम कनेक्टिंग रॉड का उपयोग किया जाता है।
(1) वाल्व
टाइटेनियम मिश्र धातु वाल्व के संदर्भ में, संयुक्त राज्य अमेरिका और जापान ने बहुत सारे शोध कार्य किए हैं। संयुक्त राज्य अमेरिका वर्तमान में आम तौर पर सेवन वाल्व बनाने के लिए Ti-6Al-4V मिश्र धातु का उपयोग करता है और निकास वाल्व बनाने के लिए Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo मिश्र धातु का उपयोग करता है; जबकि जापान की टोयोटा सेवन वाल्व बनाने के लिए Ti-6Al-4V/Ti B मिश्र धातु का उपयोग करती है और निकास वाल्व बनाने के लिए Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Nb-Si/Ti B मिश्र धातु का उपयोग करती है। इस प्रकार के टाइटेनियम मिश्र धातुओं में अच्छे उच्च तापमान यांत्रिक गुण, ऑक्सीकरण प्रतिरोध और रेंगना प्रतिरोध होता है, जो प्रभावी रूप से इंजन के प्रदर्शन में सुधार करता है और वाहन की गति को बढ़ाता है।
(2) वाल्व सीट
टाइटेनियम मिश्र धातु वाल्व सीटों का व्यापक रूप से रेसिंग कारों और स्पोर्ट्स कारों में उपयोग किया जाता है, जिसका वार्षिक उत्पादन 250,000 से अधिक सेट है। वे मुख्य रूप से Ti-6Al-4V या Ti-5Al-2Cr-1Fe मिश्र धातु से बने होते हैं। चूंकि वाल्व सीट का आकार अपेक्षाकृत सरल है, इसलिए इसे मशीनिंग के मामले में उच्च आवश्यकताओं की आवश्यकता नहीं होती है और विशेष सतह उपचार की आवश्यकता नहीं होती है। यह अपेक्षाकृत सस्ता है और कार के वजन को कम करने पर इसका महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है।
(3) कनेक्टिंग रॉड
टाइटेनियम मिश्र धातु कनेक्टिंग रॉड का उपयोग इंजन के वजन को प्रभावी ढंग से कम कर सकता है और कार के प्रदर्शन में सुधार कर सकता है। मुख्य तैयारी सामग्री Ti-6Al-4V मिश्र धातु है। जापान की डेडो कंपनी लिमिटेड वर्तमान में दो-चरण टाइटेनियम मिश्र धातु Ti-3Al-2V-0.2Si-0.47Ce-0.27La विकसित कर रही है। इस मिश्र धातु में अच्छी मशीनेबिलिटी है और यह यांत्रिक गुणों, थकान गुणों और संक्षारण प्रतिरोध में भी उत्कृष्ट है। यह इंजन के कनेक्टिंग रॉड भागों में उपयोग किए जाने की उम्मीद है जो तेजी से त्वरण और मंदी के अधीन हैं।
(4) क्रैंकशाफ्ट
हालाँकि वर्तमान में टाइटेनियम मिश्र धातु क्रैंकशाफ्ट का व्यापक रूप से उपयोग नहीं किया गया है, लेकिन जापान द्वारा विशेष रूप से विकसित Ti-3Al-2.5V मिश्र धातु को होंडा रेसिंग कारों पर सत्यापित किया गया है। वजन को प्रभावी ढंग से कम करने के साथ-साथ इसने इंजन की गति को 700r/min तक बढ़ा दिया है, जिससे टाइटेनियम मिश्र धातु क्रैंकशाफ्ट की श्रेष्ठता साबित होती है। इसी समय, जापान Ti-5Al-2Cr-Fe मिश्र धातु क्रैंकशाफ्ट का परीक्षण-उत्पादन कर रहा है, उम्मीद है कि क्रैंकशाफ्ट भागों में टाइटेनियम मिश्र धातुओं का अधिक व्यापक रूप से उपयोग किया जाएगा।

3. कंपन न्यूनीकरण प्रणाली
ऑटोमोबाइल कंपन न्यूनीकरण निलंबन प्रणाली का मुख्य घटक निलंबन स्प्रिंग है। सामान्य ऑटोमोबाइल स्प्रिंग स्टील की तुलना में, टाइटेनियम मिश्र धातु में उच्च विशिष्ट शक्ति और कम कतरनी मापांक, और उच्च थकान शक्ति होती है, जो इसे ऑटोमोबाइल शॉक-अवशोषित स्प्रिंग्स के निर्माण के लिए अधिक उपयुक्त बनाती है। चूँकि स्प्रिंग का विक्षेपण घुमावों की संख्या के समानुपाती होता है और सामग्री के कतरनी मापांक के व्युत्क्रमानुपाती होता है, इसलिए टाइटेनियम मिश्र धातु के स्प्रिंग को समान स्प्रिंग प्रतिक्रिया प्राप्त करने के लिए स्टील स्प्रिंग की तुलना में कम घुमावों की आवश्यकता होती है, जिससे स्प्रिंग का द्रव्यमान प्रभावी रूप से कम होता है और स्थान की बचत होती है।
इसी समय, टाइटेनियम मिश्र धातु स्प्रिंग्स भी वसंत की गुंजयमान आवृत्ति को प्रभावी ढंग से बढ़ा सकते हैं और इसकी सेवा जीवन को बढ़ा सकते हैं। वर्तमान में, अधिकांश टाइटेनियम मिश्र धातु स्प्रिंग्स एकल-चरण टाइटेनियम मिश्र धातु से बने होते हैं। वोक्सवैगन ने कुछ कारों पर लूपो एफएसआई टाइटेनियम मिश्र धातु गियर स्प्रिंग्स का उपयोग किया है, जिसका उपयोग लगभग 3,500 वाहनों के साथ किया गया है।

4. बॉडी फ्रेम
बॉडी फ्रेम घटकों के संदर्भ में, टाइटेनियम मिश्र धातु की उच्च विशिष्ट शक्ति, कम घनत्व और अच्छा संक्षारण प्रतिरोध सभी संकेत देते हैं कि यह बॉडी फ्रेम तैयार करने के लिए एक अच्छी सामग्री है। वर्तमान में, कुछ ऑटोमोबाइल कंपनियों ने गियर ब्रैकेट और ब्रेक कैलीपर पिस्टन जैसे भागों पर टाइटेनियम मिश्र धातु का उपयोग किया है। ट्रांसमिशन भागों में, जापान वर्तमान में उच्च गति कताई द्वारा टाइटेनियम मिश्र धातु के गोले तैयार करने की एक प्रक्रिया विकसित कर रहा है। स्टील के गोले की तुलना में, टाइटेनियम मिश्र धातु के गोले फ्लाईव्हील के प्रभाव को बेहतर ढंग से कम कर सकते हैं और बेहतर बफरिंग प्रभाव डाल सकते हैं।
इसके अलावा, टाइटेनियम मिश्र धातु का उपयोग ऑटोमोटिव फास्टनरों और अन्य भागों में भी किया गया है। टाइटेनियम मिश्र धातु तैयारी प्रौद्योगिकी और ऑटोमोटिव उद्योग के निरंतर विकास के साथ, टाइटेनियम मिश्र धातु का उपयोग निश्चित रूप से ऑटोमोटिव भागों में अधिक किया जाएगा।

5. हल्के वाहनों के लिए टाइटेनियम मिश्रधातु का महत्व
विदेशी शोध संस्थानों ने गणना की है कि जब किसी कार का कर्ब वजन 10% कम हो जाता है, तो ईंधन की खपत 6% से 8% तक कम हो सकती है। अन्य अध्ययनों से पता चला है कि हर 91 किलोग्राम वजन कम होने पर, औसत वाहन प्रति लीटर ईंधन में 0.43 किमी अधिक यात्रा कर सकता है। इसलिए, मेरे देश की अर्थव्यवस्था के निरंतर विकास और कारों की संख्या में निरंतर वृद्धि के साथ, कारों का हल्का होना ऊर्जा की खपत को कम करने और वायु प्रदूषण को कम करने के महत्वपूर्ण तरीकों में से एक बन गया है।
टाइटेनियम और टाइटेनियम मिश्र धातु सामग्री वर्तमान में अपने उत्कृष्ट भौतिक और रासायनिक गुणों के कारण ऑटोमोटिव भागों में व्यापक रूप से उपयोग की जाती है। टाइटेनियम सामग्री का उपयोग न केवल कार के प्रदर्शन और सुरक्षा कारक को प्रभावी ढंग से बेहतर बनाता है, बल्कि कार को हल्का करने, कार के कर्ब वजन को प्रभावी ढंग से कम करने और ईंधन की खपत को कम करने में भी महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।
पारंपरिक स्टेनलेस स्टील सिस्टम की तुलना में, ऑटोमोबाइल एग्जॉस्ट सिस्टम में इस्तेमाल की जाने वाली टाइटेनियम टेल नोजल-रिटर्न पाइप असेंबली लगभग 8.2 किलोग्राम वजन कम कर सकती है। इंजन के वॉल्व और कनेक्टिंग रॉड जैसे भागों में पारंपरिक स्टील और कास्ट आयरन सामग्री के बजाय टाइटेनियम मिश्र धातु उत्पादों का उपयोग इंजन के वजन को प्रभावी ढंग से कम कर सकता है।
जापानी ऑटोमोबाइल उद्योग में शोध के अनुसार, एक ऑटोमोबाइल के पावर वाल्व में लगभग 0.8 किलोग्राम टाइटेनियम भागों का उपयोग 20 किलोग्राम स्टील भागों द्वारा प्राप्त प्रभाव के बराबर है; प्रत्येक टाइटेनियम वाल्व सीट स्टील वाल्व सीट की तुलना में लगभग 10 ग्राम वजन कम कर सकती है; कनेक्टिंग रॉड और क्रैंकशाफ्ट के लिए टाइटेनियम मिश्र धातु का उपयोग इंजन के वजन को कम करने में सबसे प्रभावी है।

कंपन कम करने की प्रणाली में, प्रत्येक टाइटेनियम मिश्र धातु वसंत स्टील वसंत की तुलना में 60% से अधिक वजन कम कर सकता है। प्रति वाहन 4 निलंबन स्प्रिंग्स के आधार पर गणना की गई, टाइटेनियम मिश्र धातु वसंत को बदलने के बाद, प्रत्येक वाहन 9 ~ 13.6 किलोग्राम वजन कम कर सकता है। इसके अलावा, टाइटेनियम मिश्र धातु मफलर का वजन केवल 5 ~ 6 किलोग्राम है, जो स्टेनलेस स्टील मफलर की तुलना में 40% हल्का है।
एक साधारण मध्यम आकार की कार को उदाहरण के रूप में लेते हुए, यदि मौजूदा टाइटेनियम मिश्र धातु ऑटो पार्ट्स का उपयोग पारंपरिक भागों को बदलने के लिए किया जाता है, तो वाहन का कर्ब वजन लगभग 1500 किलोग्राम से घटकर लगभग 1000 किलोग्राम हो जाएगा, वजन में 30% की कमी दर के साथ, और व्यापक ईंधन की खपत को 20% से अधिक कम किया जा सकता है, जो दुनिया की ईंधन खपत को बहुत कम कर देगा और ऊर्जा की कमी और पर्यावरण प्रदूषण की समस्याओं को प्रभावी ढंग से कम करेगा।

उपरोक्त डेटा से पता चलता है कि टाइटेनियम मिश्र धातुओं के उपयोग से ऑटोमोबाइल के हल्केपन पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। आधुनिक ऑटोमोबाइल उद्योग में, ऑटोमोबाइल भागों में टाइटेनियम और टाइटेनियम मिश्र धातुओं की अनुप्रयोग तकनीक को ऑटोमोबाइल में टाइटेनियम मिश्र धातुओं के अनुप्रयोग अनुपात को बढ़ाने के लिए लगातार विकसित किया जाना चाहिए। इसलिए, भविष्य में मुख्य कार्य सस्ते टाइटेनियम मिश्र धातु सामग्री विकसित करके टाइटेनियम मिश्र धातु भागों की कीमत को कम करना और टाइटेनियम मिश्र धातु कच्चे माल की उत्पादन लागत को कम करना और प्रसंस्करण प्रौद्योगिकी में सुधार करके टाइटेनियम मिश्र धातु भागों की प्रसंस्करण दक्षता में सुधार करना होना चाहिए।