A TITÁN FELHASZNÁLÁSA A JÁRMŰIPARBAN
Korábbi írásaimban már foglalkoztam különleges szerkezeti anyagokkal. Így a szénszálas műanyagokkal és a magnéziummal is. Mostani cikkemben a „gazdag ember alumíniumát”, a titánt veszem górcső alá.
A titán vegyjele Ti, rendszáma 22. Szobahőmérsékleten és légköri nyomáson fénylő, ezüstös, kis sűrűségű és nagy szilárdságú átmenetifém. A titán ellenáll a korróziónak a tengervízzel, klórral, lúgokkal és savakkal szemben, és még a királyvíz sem oldja.
Az elem elnevezésének magyar vonatkozása is van. Több, egymástól független felfedezője is volt. Az egyik a porosz vegyész, Martin Heinrich Klaproth, aki 1795-ben fedezte fel a felvidéki, Nyitra vármegyei, akkor a Magyar Királysághoz tartozó Bajmócskáról származó rutilban. Klaproth adott nevet a fémnek, a görög mitológia titánjairól keresztelte el.
Az iparban oxidjait és ötvözeteit hasznosítják. A titán-dioxid például egy gyakorta használt fehér festékanyag. A Tixo márkanevű átlátszó ragasztószalag is a titán-oxidról kapta a nevét: a márkanév a két atom első két-két betűjéből összevont anagramma. Ez a ragasztó nálunk inkább Cellux néven ismeretes. De ne térjünk el a tárgytól…
Ami a járműipar számára különösen érdekes, az a titánötvözetek különlegesen nagy szilárdsága, ami 900 MPa körül mozog (megj.: a későbbiekben „titán” alatt természetesen „titánötvözetet” is értek, ahogyan korábban a magnéziumos írásomban is). Ezzel szemben a magnéziumötvözeteké 200-300 MPa, az alumíniumötvözeteké 300-483 MPa. Igazi vetélytársa az acél: az ötvözetlen acél szilárdsága 400 MPa; ami ötvözve akár 1860 MPa is lehet.
A titánnál ez a magas teherbírás alacsony, 4507 kg/m³ értékű sűrűséggel párosul, ami különösen kedvező kombináció. Összehasonlításképpen a magnéziumé 1740 kg/m³, az alumíniumé 2700 kg/m³, a vasé pedig 7870 kg/m³. További előnye a magas olvadáspontja: légköri nyomáson 1668 °C, ami lehetővé teszi magas hőmérsékletnek kitett alkatrészek elkészítését. Hátránya, hogy sokkal kevesebb lelőhelyen bányászható, mondhatni meglehetősen ritka; illetve nehezen megmunkálható. Jellegzetes tulajdonsága továbbá a rugalmassága, ami lehet előny vagy hátrány is.
Ez a fém az alumíniummal, vagy a magnéziummal összehasonlítva viszonylag későn került a mérnökök látókörébe. Az Egyesült Államokban kezdték a repülőgépiparban használni. Az 1953-ban első repülését végző North American F-100 Super Sabre, illetve az 1955-től repülő Lockheed U-2 Dragon Lady voltak az első gépek titán alkatrészekkel. Az utóbb említett, híres kémrepülő például a szárnyvégeken kapott titán borítást, ami a leszálláskor biztosított a szárnynak védelmet.
Az USA északi szomszédjában az Avro Canada CF-105 “Arrow” nevű híres, 2 Machot repülő, ám szomorú véget érő, deltaszárnyú prototípusa szintén számos titán alkatrészt tartalmazott.
A Fekete Rigó és a szovjet titán
A titán felhasználásában fontos mérföldkő volt a Lockheed A-12 Archangel, illetve az A-12-őn alapuló SR-71 Blackbird (a “blackbird” leginkább “fekete rigónak” fordítható). Miután 1960. május 1-én a szovjet légvédelem Szverdlovszk (ma Jekatyerinburg) közelében egy SZ-75 Dvinával, a kor legmodernebb radarvezérlésű föld-levegő rakétájával lelőtte a Francis Gary Powers által vezetett U-2 típusú kémrepülőgép egy példányát; az A-12 és az SR-71 tervezésekor fontos igény volt arra – a CIA részéről –, hogy az új gép magasabban és gyorsabban tudjon haladni.
Kezdetektől 3 Mach, azaz 3675 km/h feletti tartós sebességgel számoltak. Ennél a sebességnél akár 400 Celsius fokos hőmérséklettel is számolni kellett. A titán olvadáspontja légköri nyomáson 1668 °C, ami a fentiekben már említett szilárdsági és sűrűségi adatokkal összevetve ideálisnak tűnt az új gép törzsének legyártásához.
Az első megállapodás szerint 12 db gépet kellett a Lockheednek leszállítania. Ezzel azonban az volt a gond, hogy nem volt olyan lelőhely, ahol az Egyesült Államok megfelelő mennyiségű titánt bányászhatott volna. Az egyik legfontosabb titánforrás pedig éppen az aktuális hidegháborús ellenség, a Szovjetunió volt.
(Jelen sorok szerzőjének 2014-ben volt szerencséje találkozni Kazahsztán hazánkba akkreditált rendkívüli és meghatalmazott nagykövetével. A nagykövet büszkén állította, hogy hazájában a Mengyelejev-féle periódusos rendszer összes stabil eleme bányászható, így a titán is. Az egykori Szovjetunió titánjának jelentős hányada tehát kazah bányákból származott.)
A CIA ekkor cselhez folyamodott: létrehozott több európai fantomcéget, hogy azon keresztül vásárolhasson titánt a szovjetektől, akiknek persze folyamatosan erős igénye volt a kemény nyugati devizára. Így a Lockheed új gépeihez többnyire szovjet titánt használtak.
Végül a géptörzs 92 százaléka készült ebből az anyagból, de a gázturbinákhoz is felhasználták. A magas termikus terhelés hatására a géptörzs hossza akár 100 mm-rel, a szélessége 50 mm-rel is megnőhetett.
Az amerikai repülőgépipar a titánnal jó tapasztalatokat szerzett. Az 1974-től repülő Rockwell B-1 Lancer bombázó számos eleme is ebből készült, majd csakhamar a polgári repülőgépeknél is egyre nagyobb arányban kezdték használni.
Persze a Vasfüggöny keleti oldalán is alkalmazták a titánt, így például az Alfa és a Plavnyik (a NATO-ban: Mike) osztályú szovjet tengeralattjárók gyártásához. Ugyanakkor a szovjet repülőgépiparban mintha spóroltak volna vele: a nagy sebességű MiG-25 vadászrepülőgépnek mindössze 9 %-a készült az anyagból. Úgy tűnik, hogy beépítés helyett inkább eladták, kellett a pénz.
Versenymotorok, versenyautók
Az 1960-as évek elején a közúti járművekben is megjelent a titán, természetesen először a versenypályákon. Az Autó-Motor c. lap 1962. évi 8. számában, a „Nagyító alatt a Jawa versenymotor” c. cikkben olvashatjuk, hogy a csehszlovák cég 250 és 350 cm3-es géposztályban 1961-től versenyző négyütemű motorjaiban titánötvözetű szívószelepek szabályozták a keverék beszívását. A nagyobbik, 350-es változat, Jan Křivka mérnök kéthengeres, királytengelyes, dupla vezérműtengelyes mestermunkája 10 300-as percenkénti fordulaton 49 lóerőre volt képes; 10,6:1 sűrítési arány mellett. A teljesítményt hatfokozatú váltó vitte az aszfaltra.
A motor sikeres volt: František Šťastný az 1961. évi vb-sorozatban – kategóriájában – második helyen végzett, csupán Gary Hocking bizonyult nála gyorsabbnak egy MV Agustával. A harmadik helyen is a titánszelepes Jawa végzett, Gustav Havellel a nyergében. Persze most biztosan sokan csodálkoznak azon, hogy ilyen modern és eredményes versenymotorok készültek a keleti blokkban; pedig ez így volt…
Szinte ezzel egy időben, 1962-től kezdett el az Egyesült Államokban a Del West Engineering titánból készült szívószelepeket kínálni a NASCAR-versenyautók ohv-motorjaihoz.
A magnéziummal kapcsolatos írásomban már említettem, hogy milyen fontos szerepe volt a fejlesztésekben a Porschénak. Ugyanez igaz a titán alkatrészekre is. 1966-ban jelent meg a versenypályákon a Porsche 906 Carrera 6 nevű versenyautó, amelynek 901/20 kódjelű motorjához először alkalmaztak titánból készült hajtókart. A Porsche későbbi versenyautóinál is megmaradt ennél az anyagválasztásnál.
1969-ben a Porsche 917-es motorjába a már bevált titán hajtókarok titán főtengelyre csatlakoztak. Az új főtengely tömege 13 kg volt, 10 (!) kg-mal könnyebb, mint az ugyanezen típushoz készített acél verzió. Azonban ezt a megoldást utóbb elvetették. Főtengely gyártásához a titán túl rugalmasnak bizonyult.
Szintén a magnéziumos cikkben említettem az 1966-ban a Formula-1-ben rajthoz álló Eagle T1G, vagy más néven az Eagle Mk. 1. versenyautót; illetve azt, hogy a tervezése során különleges anyagokkal is kísérleteztek. A jármű alatt titánötvözet rugók és lengőkarok voltak. A 12 henger érces hangját pedig titánötvözet kipufogó közvetítette a külvilág számára.
A Jawa, a Del West, a Porsche és az Eagle újításai az 1970-es évekre gyorsan elterjedtek: hamarosan a legtöbb versenyautóban titán szelepek, szeleprugók, hajtókarok és futóműrugók kaptak helyet.
A titán megjelenése az utcai autókban még váratott magára. 1990-ben jelent meg az azóta legendássá vált Honda NSX, amelynek a fejlesztésében Ayrton Senna is részt vett. Az egyik újítása az volt, hogy először épült széria, utcai autó alumínium monocoque platformra. Kevésbé ismert tény, hogy ennek az autónak a motorjába került először szériában titánötvözet hajtókar.
Szép lassan más titán alkatrészek is megjelentek az autóiparban. A Szovjetunió összeomlása meg is gyorsította ezt a folyamatot, hiszen könnyebb lett beszerezni a drága és ritka alapanyagot. 1998-ban a Toyota Altezzába kerültek először titán szívószelepek. 2012-ben a Tesla Model S aljára a mérnökök egy titánötvözet védőlemezt szereltek.
Titán a kerékpárok világában
Szép karriert futott be a titán a kerékpárok világában is: bár a sportban elért eredmények ellenére ritkán jön velünk szembe titán vázzal vagy alkatrészekkel készült bicikli. 1956-ban a birminghami Phillips nevű cég bemutatott egy titánvázas kerékpárt. A cég szerint a tömege 14 font 3 uncia, azaz 7,2 kg volt, ami abban az időben kiemelkedően könnyűnek számított; sőt, ma is annak számítana. Azonban nem lett belőle sorozatgyártás, illetve sokáig mások sem foglalkoztak az ötlettel. Csak 1972-ben jelent meg a szintén birminghami Speedwell, majd 1973-ban a kaliforniai Teledyne nevű cég titánvázaival: mindkét prototípust sorozatgyártás követte.
Eddy Merckx 1972. október 25-én a mexikóvárosi velodromban egy óra alatt 49,431 km-et tett meg, ezzel világrekordot felállítva. Pályakerékpárján is megjelent több titán alkatrész. Colnago króm-molibdén acél vázat; 52 x 14 fogas áttételt; furatokkal könnyített villanyakat, kormányt és nyeregcsövet; Pino Morroni titán stücnit; valamint Campagnolo titántengelyes pedált használt. A kerékpár tömege mindössze 5,75 kg volt.
Az 1973. évi országúti kerékpáros szezonban a francia Motobécane csapat versenyezője, a spanyol Luis Ocaña kétféle kerékpárt is használt. Henri Depierre cége, a Gémini [ejtsd kb.: zsémini] acélvázas, míg a már említett Speedwell titánvázas bicikliket is készített számára, persze mindkettőt Motobécane címkékkel. Ocaña abban az évben megnyerte a Tour de France-t, részben titánvázas kerékpárral: 10 hegyi szakaszon használta ezt a vázanyagot. Ez volt az első győztes titánváz – sőt, az első győztes nem-acél váz – a Touron, illetve a háromhetes körversenyeken. Mivel a titán hegesztése különleges technológiát, szakértelmet és tapasztalatot követel, ezért a kerékpárgyárak ritkán fognak saját titánváz gyártásába, inkább megvásárolják azokat, ez az oka annak, hogy – mit azt a későbbiekben is látni fogjuk -, hogy a titánvázakra gyakorta nem a tényleges gyártó címkéje kerül.
1979-ben az addig csak traktorjairól és autóiról híres Lamborghini a Frankfurti Autószalonon mutatott be egy különleges kerékpárt. A váza titánból készült, a teljes tömege pedig mindössze 6,5 kg volt. A kerékpár valójában nem a Lambo hazájában, hanem szintén a már említett Speedwellnél készült, mindössze 500 példányban. Az akkoriban horribilisnek számító 7000 német márkáért árulták. Az első példányt a karmester Herbert von Karajan rendelte meg.
1986-ban jelentek meg a színen a titánváz-történelem talán leghíresebb szereplői, az amerikai Merlin és a Litespeed. Később más neves cégek is foglalkoztak ezzel a vázanyaggal: például a szintén amerikai Serotta 1993-tól saját néven, majd 1998-tól a Schwinn részére úgy gyártott titánvázat, hogy azt Schwinn Paramount Titanium néven dobták piacra.
1994-ben Jevgenyij Valentyinovics Berzin (Евге́ний Валенти́нович Берзин) egy titánvázas De Rosa nyergében nyerte az olasz körversenyt, a Giro d’Italiát; azonban ez a váz valójában a Litespeednél készült.
1995-ben Tony Rominger szintén egy titán Colnagóval győzött. Rominger Colnago BiTitanja különösen érdekes konstrukció volt. A vázat valójában a litván Vidmantas Zukauskas cége, a Wittson Custom Ti Cycles tervezte és gyártotta. A titán rugalmasságát csökkentendő alul dupla csövet alkalmaztak.
1999-ben Lance Armstrong a Tour de France időfutamain Trek felirattal ellátott Litespeed Blade titánvázat használt. Armstrong akkor megnyerte a francia körversenyt, bár később dopping miatt elvették tőle az aranyat (nemcsak ezt, az összeset). Litespeed titánvázzal tehát két nagy háromhetest is megnyertek úgy, hogy a gyártó nem volt feltüntetve.
A francia sportszergyártó multicég, a Decathlon a 2000-es évek kezdetétől foglalkozott titánvázas kerékpár gondolatával. 2005-ben mutatták be a 9.5 Titane nevű vázat, aminek az első háromszöge titánötvözetből, a hátsó pedig szénszálas műanyagból készült. A hírhedten rossz minőségű utakon szervezett Paris-Roubaix-versenyen Andy Flickinger, az Ag2r csapat tagja az 53. helyen végzett ezzel a bringával.
A gravel-kerékpárok divatjának megjelenésével a franciák ismét leporolták a titánváz ötletét. 2020-ban dobták piacra a Triban GRVL900 típust, aminek ezúttal a hátsó háromszöge is titánból készült. A vázat az olasz Dedacciai cég készíti. A váz tömege mindössze 1,6 kg.
A titán tehát a kerékpárok világában is szép sikert aratott, bár tömegtermékek alapanyagává soha nem vált.