有助于輕量化、小型化材料鈦的現(xiàn)狀

1、有助于輕量化、小型化材料（鈦）的現(xiàn)狀1前言鈦以及鈦合金靈活運(yùn)用了出色的耐腐蝕性、高比強(qiáng)度（強(qiáng)度 /密度）、耐熱性 等特點(diǎn)，它是以化學(xué)、電力、航空機(jī)械領(lǐng)域?yàn)橹行亩l(fā)展起來的金屬材料。這些 特點(diǎn)對于汽車部件來說是具有魅力的，在以前鈦就被用于賽車和一部分限定車的 特定部件之中。但是，鈦與其它金屬系列構(gòu)造材料相比，明顯的昂貴，因此，它 作為用于一般量產(chǎn)車的汽車部件的歷史還很淺，開始對其使用的廣泛研究開始于 最近幾年。其背景是從防止地球溫室化的角度，而對部件輕量化要求的更加強(qiáng)烈。 可以認(rèn)為這是由于鈦的低成本制造技術(shù)開發(fā)獲得了顯著的進(jìn)展，鈦的特有意匠 性、流行性變得引人注目的結(jié)果。有關(guān)鈦的發(fā)展動(dòng)向，我們可

2、以知道，不僅僅限 于汽車部件，它也涉及到了一般民生用品，實(shí)際上在我們的周圍，鈦制品也隨處 可見。的確，現(xiàn)在相當(dāng)于鈦已經(jīng)逐漸地改變成為了我們身邊材料的時(shí)代。在本文當(dāng)中，對以汽車部件為主，特別是從輕量化、小型化的角度出發(fā)，以貢獻(xiàn)顯著的 鈦的最近技術(shù)開發(fā)現(xiàn)狀為主題來進(jìn)行一下介紹。2 .排氣系統(tǒng)2.1. 利用鈦的優(yōu)點(diǎn)排氣管和消音器在車身當(dāng)中為大型構(gòu)造部件，將它們置換成為輕量、高強(qiáng)度 的鈦，由此而產(chǎn)生的輕量化，可以很大程度地幫助提高燃油經(jīng)濟(jì)性、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出、 行駛性等。另外，由于鈦比鋁更具有出色的耐熱性，因此，它能夠適宜用于比鋁 耐溫溫度更加高溫的部位，它比作為最廣泛應(yīng)利用的鐵素體系列不銹鋼和耐熱鋼 的熱

3、膨脹率和楊氏模量還低，因此，可以期待有助于提高由于熱應(yīng)力降低而造成 的熱循環(huán)疲勞特性。再有，由于消音器是車身外裝設(shè)計(jì)對象部件， 根據(jù)鈦制化能 夠提高時(shí)尚性，由于它具有與其它金屬不同的獨(dú)特表面肌理， 因此，人氣也很高。 以應(yīng)該享受這些優(yōu)點(diǎn)的二輪車為中心的鈦金屬使用事例在逐漸增加，而且鈦金屬作為具有新規(guī)性材料容易引人注目，具有與鋼鐵不同的獨(dú)特排氣聲音效果也具有 魅力。在日本國內(nèi)消音器的鈦金屬化，始于1997年左右的大型二輪車的售后商店。在這之后，逐漸開始裝備于大型二輪車的市場銷售量產(chǎn)車上， 再以后使用量開始 急劇地增加，不僅僅是在二輪車上應(yīng)用，而且也開始用于一部分的四輪車上。 現(xiàn) 在據(jù)統(tǒng)計(jì)，已經(jīng)成

4、長到了 1 000t規(guī)模的市場。這樣的話，就可以享受涉及輕量化效果、加工性、新規(guī)性、時(shí)尚性等多領(lǐng)域 的優(yōu)點(diǎn)，該部件的鈦金屬化在迅速地推進(jìn)，下面就有關(guān)技術(shù)開發(fā)對課題克服的解 決所做出的貢獻(xiàn)進(jìn)行一下介紹。2.2. 工業(yè)用純鈦金屬的利用由于排氣系統(tǒng)部件是經(jīng)過沖壓和彎曲等各種冷成形加工和焊接工序制造而 成的，因此，對它的冷成形性和焊接性有所要求。為了選擇滿足要求特性的材料， 在即使是鈦處理經(jīng)驗(yàn)少的廠家也能夠充分熟練地掌握，完善了將最通用材料的排 氣系統(tǒng)耐熱鋼與各種鈦材料進(jìn)行了的基本特性數(shù)據(jù)。有關(guān)材料的選擇，在各種該產(chǎn)品部件成形中所需要的延伸率作為 30%左右， 就可以充分地實(shí)現(xiàn)，而且選定了薄板和管容易

5、量產(chǎn)得到的 JIS 2種工業(yè)用純鈦或 相當(dāng)于該等級的。即使是在現(xiàn)在，該材料也是最主要的排氣系統(tǒng)用鈦材料?；A(chǔ)特性數(shù)據(jù)的內(nèi)容，從加工性的角度，涉及到在溫室的延伸特性、n值、目值、膨脹成形性、擴(kuò)孔性、焊接性，還有，作為在高溫區(qū)域當(dāng)中使用特性涉及 到高溫拉伸、高溫疲勞、耐循環(huán)疲勞、耐酸性等多領(lǐng)域。特別是就有關(guān)冷成形， 制成了圖1所示的成形限界圖（FLD）,為了能夠在針對各種形狀部件成形時(shí)的 多種成形過程進(jìn)行預(yù)測的同時(shí)也進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的開發(fā)、應(yīng)用。有關(guān)這些的成形性以及高溫特性的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，確實(shí)在迅速而準(zhǔn)確地確立排氣管的設(shè)計(jì)以及 制造工藝上起到了很大地幫助作用。純鈦2種水平（軟質(zhì)） L方向板材下料

6、C方向板材下料純鈦2種水平（硬質(zhì)）L方向板材下料C方向板材下料.最大主應(yīng)變4 L廳的板城門 .C岫 FT A 2 幀 L &JL（硬 TH I加制粗取打 C方向由也門膨脹區(qū)域拉深區(qū)域-。與 電 as a.n 0.204 os直角方向應(yīng)變 2圖1 JIS2種工業(yè)用純鈦薄板的成形界限線圖其它，為了提高意匠的附加價(jià)值，有時(shí)也根據(jù)噴丸硬化和大氣氧化等表面處 理付與鈦獨(dú)特風(fēng)格的表面肌理，但是，在這時(shí)候要求材料表皮的均勻性。 正如在 第6章所敘述的那樣，鈦也常常用于注重表面肌理意匠性與均勻性的建筑材料 上，在其技術(shù)開發(fā)當(dāng)中所成長起來的高表面控制技術(shù)，也相當(dāng)程度地被靈活運(yùn)用到了針對消音器的鈦材料制造當(dāng)中。2

7、.3. 針對高溫化所采取的對策排放系統(tǒng)部件由于直接接觸高溫的排放氣體，因此，對耐熱性也有所要求。從耐氧化性的角度來看，排氣系統(tǒng)耐熱鋼的使用上限溫度大約為8501 050C2,但是，上述所說的JIS2種純鈦，超過低溫7000c之后，就急劇地進(jìn)行氧化，而 且高溫強(qiáng)度也低，因此，上限溫度為 600650C0。如果它能夠成為高溫強(qiáng)度的材 料的話，就可以減少壁厚，更加地有助于輕量化，再有，根據(jù)提高耐氧化性可以 應(yīng)對由于發(fā)動(dòng)機(jī)的高輸出化和排放法規(guī)所實(shí)施的高溫化的排放溫度，可以將鈦應(yīng)用到更高溫的部位，以此來推進(jìn)輕量化。為了適應(yīng)這些要求，對比 JIS2種純鈦 在高溫強(qiáng)度和耐氧化性方面上更具有出色表現(xiàn)的鈦合金進(jìn)

8、行了開發(fā)。為了提高鈦的高溫強(qiáng)度，一般是，在高溫情況下，添加針對口相的固溶強(qiáng)化 能大的置換型元素Al和Sn。Si也是固溶限低，但是，固溶強(qiáng)化能大，對于提高 耐氧化性方面也是有效的，因此，進(jìn)行微量地添加的情況也有很多。但是，這些 元素，都會使室內(nèi)溫度增加，都不得不或多或少地犧牲純鈦出色的冷加工性。特 別是Al,它由于增大了堆垛層錯(cuò)，抑制了在室溫情況下作為純鈦的高加工性源 泉的雙晶變形，因此，冷加工性容易下降。所以針對這種情況，開發(fā)了選擇、添 加了在高溫區(qū)域，既可以發(fā)揮固溶強(qiáng)化能又不抑制雙晶發(fā)生的、具有能夠維持與 純鈦同等高冷加工性元素的、新型鈦合金 Ti-l%Cu o該合金根據(jù)熱處理，使加工 性具

9、有了最適當(dāng)化的特點(diǎn)，例如，在實(shí)施了為了注重膨脹成形性和彎曲性用途的 熱處理情況時(shí)，它比JIS2種顯示出了更加出色的加工性。圖 2表示的是其示例。 它是作為使用1mm厚度冷軋退火板，評價(jià)膨脹成形性最一般方法的埃里克森試 驗(yàn)結(jié)果，它顯示出了超過JIS2種純鈦，具有與JIS1種同等的成形性。另外，在 作為要求于深拉深性用途時(shí)，延伸率多少有些下降，但是，實(shí)施了提高 忡值的熱 處理，就可以對應(yīng)所要求的成形加工。另外，在高溫特性方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2種純鈦， 如圖3所示，在5007000c的高溫強(qiáng)度，大致為JIS2種純鈦的2倍。在耐氧化 性方面，也某種程度優(yōu)于純鈦，如果再添加少量提高耐氧化性的第 3元素，由此 就

10、能夠在維持出色冷加工性、高溫強(qiáng)度的同時(shí)，大幅度地提高耐氧化特性。圖 4 表示的是根據(jù)大氣評價(jià)JIS2種、Ti-3Al-2.5V 和開發(fā)合金Ti-1%Cu、 Ti-l%Cu-0.5%Nb的耐氧化特性的結(jié)果。Ti-l%Cu-0.5%Nb在8000c也是其它數(shù)分 110分的1的氧化增量，它具有十分出色的耐氧化特性。一.?益里克森值圖2工業(yè)用純鈦以及新開發(fā)高加工高溫用合金1mm薄板的膨脹成形性X m4IZI 二比二,口-2浴力圖3工業(yè)用純鈦以及新開發(fā)高加工性高溫用合金的高溫強(qiáng)度毛五E氧化噌量式即SOU埴MJ7W庶M）摹需時(shí)間9（11圖4新開發(fā)高加工性高溫用鈦合金的大氣中耐連續(xù)氧化特性3 .發(fā)動(dòng)機(jī)氣門3

11、.1. 吸氣氣門它作為高速驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)部件，從改善燃耗、安靜、高輸出化等角度出發(fā)， 與其它部件相比，輕量化效果大，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)氣門，作為盡可能最大限度發(fā)揮 根據(jù)采用鈦的輕量化效果的部件，在很早以前就對其實(shí)現(xiàn)鈦化進(jìn)行了研究。特別 是吸氣氣門，至今很多的二輪車、四輪車上裝備了鈦合金的氣門，其中的大部分 采用的是在鈦合金當(dāng)中最為廣泛使用的 Ti-6Al-4V 。在將鈦合金采用到吸氣氣門時(shí)的最大課題是耐磨損表面處理技術(shù)的開發(fā)。合金的耐磨損性低，這是眾所周知的，因此，它在用于滑動(dòng)部件的時(shí)候，大多實(shí)施硬質(zhì)TiN涂層、Mo噴鍍、Cr電鍍等表面的處理。但是，無論怎么說都存在著成本高，并且難于維持長期的耐磨性這

12、樣的問題。但是，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了有關(guān)在現(xiàn)生產(chǎn)車上，靈活運(yùn)用了具有在鈦當(dāng)中進(jìn)行高濃度的固溶，提高硬度，并且，進(jìn) 行內(nèi)部擴(kuò)散以獲得比較厚硬化層特點(diǎn)氧的氧化處理， 以及使用使氧擴(kuò)散的等離子 浸炭處理的相關(guān)報(bào)告。本公司特別著重于氧化處理，與愛三工業(yè)（株式）公司正 在進(jìn)行其研究。Ti-6Al-4V根據(jù)組織，材質(zhì)特性明顯變化，針對要求氣門那樣疲勞特性的用 途，需要疲勞特性出色的微細(xì)組織。在其當(dāng)中，微細(xì)等軸組織，高溫蠕變特性未 必良好，在進(jìn)行氧化處理那樣高溫加熱的處理時(shí)，有時(shí)也會出現(xiàn)由于自重，氣門變形的情況，因此，需要有關(guān)防止該現(xiàn)象產(chǎn)生的相關(guān)技術(shù)開發(fā)。由于針狀組織， 耐蠕變特性比較出色，因此是適合氧化處理的組

13、織，如圖 5所示，根據(jù)微細(xì)化， 呈現(xiàn)出了與等軸組織同等的疲勞特性，因此它對于進(jìn)行了氧化處理之后的發(fā)動(dòng)機(jī) 氣門來說，是最適合的組織。歐隧宅的坡篙陵度 ,b !( ,!(._ - ik UiBGa T - .4 . , t hr,r -! i e -ID*I nr10到新嚶的反復(fù)吹散A* Vt曬組織材料J 即喊.、一寸1 - - J-Bz券蒯遛爾財(cái)將g. |_4 a., . - - - - - J ，一 - 嗝圖5由微細(xì)等軸以及微細(xì)針狀組織構(gòu)成的 Ti-6Al-4V制吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)氣門的實(shí)體疲勞特性正如眾所周知的那樣，付與氧化硬化層之后，耐磨性得到了提高，但是，由 于付與了硬化層，疲勞特性卻下降了。因

14、此，需要掌握能夠平衡這二個(gè)相反特性 的最佳熱處理?xiàng)l件。基本上，該氧化處理是大氣中加熱保持處理， 它根據(jù)處理溫 度以及時(shí)間的不同，氧的浸入深度也進(jìn)行變化，硬化層深度也變化。當(dāng)然，在表 面生成TiO2的氧化皮，從此氧在基體中進(jìn)行擴(kuò)散，因此，可以認(rèn)為，在皮下最 表層部位的硬度，即使以任何的條件進(jìn)行熱處理，也是同等，但是，距可以測定 硬度表層數(shù)舊m的深度，根據(jù)各熱處理?xiàng)l件，產(chǎn)生明顯的硬度差。圖6表示的是, 根據(jù)反復(fù)付與實(shí)際氣門彎曲應(yīng)力所測定的氧化處理氣門的S-N曲線。根據(jù)氧化 硬化層厚的條件(高溫、長時(shí)間)，疲勞強(qiáng)度降低，但是，氧化硬化層厚最薄的 6700c處理材料，能夠獲得與沒有氧化處理時(shí)同等的高疲

15、勞強(qiáng)度。當(dāng)然，在氧化 處理?xiàng)l件的選擇時(shí)，需要考慮耐磨特性，在充分考慮到了氣門的耐磨壽命和要求 疲勞特性二方面因素的基礎(chǔ)上，來決定氧化處理?xiàng)l件。11MSS大威力到龜裂發(fā)生的反復(fù)次數(shù)圖6以各種條件實(shí)施了氧化處理的Ti-6Al-4V制吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)氣門的實(shí)體疲勞特性3.2. 排氣氣門在排氣氣門當(dāng)中采用鈦合金的事例與吸氣氣門的情況相比少，但是，有有關(guān)使用 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si ( 6242S)和 Ti-6Al-2.7Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si (TIMETAL1100)的事例報(bào)告。在這當(dāng)中， TIMETAL1100在實(shí)用鈦合金當(dāng)中， 是一種在耐熱性方面最為出色的合金

16、。但是，據(jù)說其耐熱溫度為高于600oC,可以針對用于加熱到像二輪車排氣氣門那樣超過該界限的8000c左右的用途，但是，還需要把握用于8000c左右溫度的最佳熱處理?xiàng)l件，以及對在其溫度區(qū)域的 材質(zhì)特性進(jìn)行確認(rèn)。因此，本公司與愛三工業(yè)(株)公司共同根據(jù)實(shí)施各種熱處 理,使組織變化的TIMETAL1100在室內(nèi)溫度8000c左右的強(qiáng)度特性、疲勞特性、 耐高溫蠕變特性等進(jìn)行評價(jià)，在把握發(fā)現(xiàn)最佳材質(zhì)特性平衡條件的基礎(chǔ)上，對作為發(fā)動(dòng)機(jī)氣門的使用可能性進(jìn)行了確認(rèn)。再有，對發(fā)動(dòng)機(jī)氣門進(jìn)行了實(shí)際地制作， 并對此進(jìn)行了評價(jià)。圖7表示的是實(shí)施了最佳熱處理的 TIMETAL1100合金在室溫高溫區(qū)域的 強(qiáng)度特性。0.

17、2%耐力，在室溫7000c的溫度范圍，比作為主要?dú)忾T用材料的 SUH35高，大致等同于800。在8000c的疲勞強(qiáng)度也與 SUH35同等水平，在 最令人擔(dān)心的耐高溫蠕變特性方面，比 SUH35還要出色，它可以充分地用于排 氣氣門，這一點(diǎn)已經(jīng)得到了確認(rèn)。 TMWO癌-fiMt也伸他度1 JIW 1-恬縫窟度(X)圖7 TIMETAL1100(Ti-1100)以及SUH35的室溫高溫拉伸強(qiáng)度工.292唳耐力以及拉伸展度還有，我們知道，含有Al的鈦合金，在6000c左右的溫度區(qū)域，長時(shí)間暴 露之后的，生成被稱之為 刁2的規(guī)則相，延伸性下降。對排氣氣門由于也設(shè)想了 在這樣的溫度區(qū)域，以累積時(shí)間，長時(shí)間

18、暴露的情況，因此，實(shí)際地，對數(shù)千小 時(shí)高溫暴露之后的材料延伸特性進(jìn)行了評價(jià)，即使長時(shí)間地在6000c左右的溫度 區(qū)域暴露，也殘留延伸性，這一點(diǎn)也得到了確認(rèn)。4 .懸架彈簧3 型合金即使是在鈦合金當(dāng)中，揚(yáng)氏模量也是低，為鋼的1/2以下，運(yùn) 用到彈簧部件上之后，與鋼相比的話，可以減少圈數(shù)，再加上低比重，可以 發(fā)揮輕量化的效果。該部件在賽車上有使用 -C (Ti-3Al-8V-Cr-4Zr-4Mo )等 的實(shí)際事例，但是，由于價(jià)格昂貴，因此，針對本用途開發(fā)了以適用于量產(chǎn)車為目標(biāo)的的、低成本的合金 TIMETAL LCB (Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5Al)。該合金，靈活運(yùn)用了作為 目型鈦合金

19、特征的低揚(yáng)氏模量(約 80 000MPa)和高強(qiáng)度（約1 400MPa）,在2001年被采用到了大眾公司的Lupo FSI車上，期待 它也將被日本市場所采用。5 .低成本合金、高機(jī)能合金的開發(fā)以及適用的研究正如上述介紹的事例所述，在汽車部件中所采用的大多數(shù)鈦材料是通用的純 鈦和為航空設(shè)備用所開發(fā)出來的合金。但是，為了將鈦合金使用于日益擴(kuò)大的汽車用途，正如2.3.節(jié)所介紹的高溫排氣系統(tǒng)部件用合金和在 4章所介紹的彈簧用 三型合金那樣，應(yīng)該經(jīng)常地將如何使它也能夠用于汽車部件當(dāng)中這樣的觀念，放入頭腦當(dāng)中來考慮，以開發(fā)出新的合金來，或者說，也可以不以作為汽車部件為 目標(biāo)，但是，也要以將它如何能夠應(yīng)用到

20、非航空的領(lǐng)域當(dāng)中的這種概念來進(jìn)行合 金的開發(fā)，這是在近年來鈦合金開發(fā)動(dòng)態(tài)的一個(gè)特征。本公司為了在這些非航空領(lǐng)域推廣鈦材料的使用，經(jīng)過了長年，對低成本、 高機(jī)能合金進(jìn)行了開發(fā)。其一是被稱之為Super-TIX系列的一連合金群。圖8表示的是將其強(qiáng)度、延伸性平衡與其它現(xiàn)存合金的比較模式圖。該 Super-TIX系列 大致劃分為Ti-Al-Fe系列和Ti-Fe-O-N系列，其中的Ti-Al-Fe系列合金群是，不 使用現(xiàn)存合金中所常用的作為高價(jià) 可相穩(wěn)定化元素的V和Mo,而是用廉價(jià)的Fe來代替它們的合金群。作為其中核合金的Super-TIX51AF是，以Ti-5%Al-l%Fe 為中心組成，再由氧、氮來

21、進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)整，由此實(shí)現(xiàn)了與Ti-6Al-4V同等的1000MPa程度的拉伸強(qiáng)度和比Ti-6Al-4V更加出色的熱加工性的合金，以棒材為 中心，開展了對其適用性的研究。在最近，開發(fā)了成本略微高，但是具有能夠?qū)?其起到彌補(bǔ)機(jī)能的Super-TIX523AFM。該合金如圖9所示，在80095coe的熱 加工溫度區(qū)域，具有比Super-TIX51AF更加出色的熱加工性（低變形阻力、熱延 展性），退火材料的拉伸強(qiáng)度約為1 000MPa,在進(jìn)行了強(qiáng)化熱處理之后，發(fā)現(xiàn)可 能具有超過1 300MPa的拉伸強(qiáng)度。so控伸強(qiáng)度W MPG圖8 Super-TIX系列以及代表性鈦材料的強(qiáng)度、延展性的關(guān)系（模式圖）0U

22、CD網(wǎng) W301 flfiO 111 KW試盤運(yùn)發(fā)汗,炯時(shí)值班卜岬3T那 M圖9 Super-TIX51AF以及523AFM的熱加工性（Gleebel試驗(yàn)） 另外，Ti-Fe-O-N系列合金，它主要是一種適合在室溫左右使用的部件等，用于不太暴露在高溫區(qū)域的用途上的合金，根據(jù)將廉價(jià)的Fe、氧、痰進(jìn)行平衡良好的配合，發(fā)現(xiàn)出它具有以與純鈦同等出色的熱加工性為主的各種高機(jī)能特 性。作為其中核合金的 Super-TIX800,以Ti-1%Fe-0.35%O-0.01%N為基本組合, 以Ti-6Al-4V和Ti-3Al-2.5V中間的800MPa左右的拉伸強(qiáng)度和出色的冷以及熱 加工性為特征，被制造出了厚中

23、板、熱軋薄板、冷軋薄板、棒材、線材等各種制 品。這些合金都屬于|E +目型合金，作為針對汽車部件等級，根據(jù)其特性，強(qiáng)烈希望它能夠應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)氣門、連桿、氣門彈簧座、緊固件等各種汽車部件上 在使用該Super-TIX系列時(shí)，為了降低制造成本，應(yīng)該選擇其特有的合金元素構(gòu)成，注意在使用上的多少。有關(guān)情況在文獻(xiàn)中有詳細(xì)地介紹，請參考6 .鈦在一般民生品領(lǐng)域的利用近年來，在所有一般民生領(lǐng)域中利用鈦的事例急劇增加，眼鏡架、表帶、表 殼、便攜家電、電器殼體和以高爾夫俱樂部為主的體育用品等，鈦的存在在身邊隨處可見。在5章所介紹的Super-TIX系列也是，從其開發(fā)目的，到在一般民生 品當(dāng)中的使用事例、研究事例，隨著純鈦的使用增加而增加，有關(guān)更低成本化、 高機(jī)能化的研究開發(fā)也在被推進(jìn)。另外，由于它不含有毒性元素和高融點(diǎn)金屬， 因此，正在對其在牙科鑄造上的應(yīng)用進(jìn)行研究。還有，純鈦和鈦