Η ΧΡΗΣΗ ΤΩΝ ΚΡΑΜΑΤΩΝ ΜΑΓΝΗΣΙΟΥ ΚΑΙ ΤΙΤΑΝΙΟΥ ΣΤΗΝ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ

Abstract

Η παρούσα Διπλωματική Εργασία αναφέρεται στη μελέτη της χρήσης κραμάτων μαγνησίου καθώς και κραμάτων τιτανίου στην αυτοκινητοβιομηχανία. Όπως αναλύεται στην εισαγωγή, τα κράματα αυτά ανήκουν στα ελαφρά υλικά που εξασφαλίζουν βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης των αυτοκινήτων και αντίστοιχη μείωση των αρνητικών επιπτώσεων που έχει η λειτουργία τους για το περιβάλλον. Αυτό το θέμα έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον για χώρα μέλος της Ευρωπαϊκής Ένωσης, όπως είναι η Ελλάδα, καθώς η Ένωση το ρυθμίζει με δεσμευτικούς κανονισμούς και κάθε μέλος της συμμετέχει στη διαμόρφωση των κανονισμών και αναλαμβάνει υποχρεώσεις. Λαμβάνοντας υπόψη ότι μέχρι πριν είκοσι περίπου χρόνια υπήρχε επιφυλακτικότητα για το συνολικό όφελος από τη χρήση ελαφρών υλικών σε οχήματα, σκοπός αυτής της εργασίας είναι να αναδειχθεί η εξέλιξη στην θεώρηση του προβλήματος και ειδικά ως προς την εφαρμογή κραμάτων μαγνησίου και τιτανίου τα οποία εμφανίζονται ως πιο κατάλληλα από τον χάλυβα ή το αλουμίνιο για τομείς της αυτοκινητοβιομηχανίας. Πέρα από τον αντίκτυπο που έχει η χρήση τους στο περιβάλλον, γίνεται αναφορά και σε περαιτέρω συνέπειες της χρήσης αυτών των κραμάτων και συγκεκριμένα σε θέματα θορύβου και ασφάλειας κατά τη χρήση του οχήματος που εμπίπτουν στο αντικείμενο ενός μηχανικού. Η ανάπτυξη του θέματος γίνεται σε τρία κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο μελετάται η χρήση κραμάτων μαγνησίου. Συγκεκριμένα, αναφέρονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα από τη χρήση τους σε συνδυασμό με παραδείγματα εφαρμογών σε μέρη του αυτοκινήτου. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη μελέτη του μεγαλύτερου μειονεκτήματος τους, δηλαδή στην ευαισθησία τους ως προς τη διάβρωση. Εξετάζονται ως μέθοδοι αντιμετώπισης αυτού του προβλήματος η επίστρωση χημικής μετατροπής, η ηλεκτροχημική επιμετάλλωση καθώς και οργανικές επιστρώσεις ενώ δίνεται έμφαση και στην προετοιμασία της επιφάνειας του υλικού όπου θα εφαρμοστούν αυτές οι μέθοδοι. Ακολουθεί η εξέταση των τρόπων συνένωσης υλικών από κράματα μαγνησίου μεταξύ τους ή με άλλα υλικά, κατά την κατασκευή οχήματος, λαμβάνοντας υπόψιν το πρόβλημα ευαισθησίας των κραμάτων στη γαλβανική διάβρωση. Τέλος, παρατίθενται στοιχεία για τις ιδιότητες των σημαντικότερων κραμάτων μαγνησίου που έχουν εφαρμοστεί στην αυτοκινητοβιομηχανία. iv Στο δεύτερο κεφάλαιο μελετάται η χρήση κραμάτων τιτανίου. Συγκεκριμένα αναφέρονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα από τη χρήση τους σε συνδυασμό με παραδείγματα εφαρμογών σε μέρη του αυτοκινήτου. Ακολουθεί η εξέταση των τρόπων συνένωσης υλικών από κράματα τιτανίου με άλλα υλικά κατά την κατασκευή οχήματος. Τέλος, παρατίθενται στοιχεία για τις ιδιότητες των σημαντικότερων κραμάτων τιτανίου που έχουν εφαρμοστεί στην αυτοκινητοβιομηχανία. Στο τρίτο κεφάλαιο εξετάζεται η δυνατότητα ανακύκλωσης των παραπάνω κραμάτων που είναι επιθυμητή για περιβαλλοντικούς λόγους αλλά και λόγω του κόστους αυτών. Από την παρούσα Εργασία προκύπτει το αναμφίβολο όφελος από τη χρήση των εξεταζόμενων κραμάτων στην αυτοκινητοβιομηχανία για την επίτευξη μειωμένης κατανάλωσης καυσίμου. Αυτό έχει θετικό αντίκτυπο στο περιβάλλον και βοηθάει την βιομηχανία να τηρήσει αυστηρούς περιβαλλοντικούς νόμους. Παρά τις ανησυχίες για τη συμπεριφορά των κραμάτων μαγνησίου ως προς την γαλβανική διάβρωση, και παρά το κόστος τους, φαίνεται ότι στο μέλλον θα αντικαταστήσουν ακόμα περισσότερο τον χαλκό και το αλουμίνιο στην αυτοκινητοβιομηχανία. Μέχρι όμως να προκύψει μια οικονομικότερη μέθοδος παραγωγής τιτανίου τα κράματά του θα έχουν πολύ περιορισμένη χρήση στην αυτοκινητοβιομηχανία. ABSTRACT The dissertation concerns the use of magnesium alloys and titanium alloys in the automotive industry. As explained in the introduction, these alloys belong to the category of lightweight materials that ensure an improvement in energy efficiency of vehicles and a corresponding reduction in their negative environmental impact. This topic is of particular interest to a European Union member state such as Greece, because the Union regulates through binding regulations and each member participates in the drafting of these regulations and assumes obligations under them. Given that until about twenty years ago there was skepticism regarding the overall benefits of using lightweight materials in vehicles, the purpose of this dissertation is to highlight the evolution of the thinking about this issue, particularly regarding the application of magnesium and titanium alloys, which appear to be more suitable than steel or aluminum for certain sectors of the automotive industry. In addition to the discussion of their impact on the environment, reference is also made to further consequences of using these alloys, specifically in relation to noise and safety issues during vehicle operation, which fall within the scope of an engineer’s responsibilities. The thesis develops the discussion in three chapters. In the first chapter examines the use of magnesium alloys. In particular, the advantages and disadvantages of their use are explored, together with examples of applications in various automotive components. Particular emphasis is placed on studying their greatest drawback – namely, their susceptibility to corrosion. Methods for addressing this issue, such as chemical conversion coatings, electrochemical plating, and organic coatings, are analyzed, with attention also given to the surface preparation of the material where these methods will be applied. This is followed by an examination of the different methods of joining magnesium alloy materials to each other or to other materials during vehicle manufacturing, taking into account the issue of their sensitivity to galvanic corrosion. Finally, this chapter provides details on the properties of the most important magnesium alloys that have been applied in the automotive industry. The second chapter focuses on the use of titanium alloys. It presents the advantages and disadvantages of their use, along with examples of applications in automotive components. This is followed by an examination of the methods used to join titanium alloy materials with other materials during vehicle manufacturing. Lastly, the chapter provides information on the properties of the most significant titanium alloys that have been applied in the automotive industry. The third chapter examines the possibility of recycling those alloys, which is desirable for both environmental reasons and cost considerations. The study shows that there is a clear benefit from using the examined alloys in the automotive industry for achieving reduced fuel consumption. This has a positive impact on the environment and helps the industry comply with strict environmental regulations. Despite concerns regarding the behavior of magnesium alloys in relation to galvanic corrosion and their associated costs, it appears that in the future, they will increasingly replace copper and aluminum in the automotive industry. However, until a more cost-effective method of titanium production emerges, its alloys will have very limited use in the automotive sector