有助于輕量化、小型化材料(鈦)的現(xiàn)狀學(xué)習(xí)資料

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用了出色的耐腐蝕性、高比強度（強度 /密度）、耐熱性 等特點，它是以化學(xué)、電力、航空機械領(lǐng)域為中心而發(fā)展起來的金屬材料。這些 特點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)展動向

2、，我們可以知道，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)，以貢獻顯著的 鈦的最近技術(shù)開發(fā)現(xiàn)狀為主題來進行一下介紹。2. 排氣系統(tǒng)2.1. 利用鈦的優(yōu)點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)濟性、 發(fā)動機輸出、 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

3、鐵素體系列不銹鋼和耐熱鋼 的熱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)計對象部件， 根據(jù)鈦制化能 夠提高時尚性， 由于它具有與其它金屬不同的獨特表面肌理， 因此，人氣也很高。 以應(yīng)該享受這些優(yōu)點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，

4、 而且也開始用于一部分的四輪車上。 現(xiàn) 在據(jù)統(tǒng)計，已經(jīng)成長到了 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、時尚性等多領(lǐng)域 的優(yōu)點，該部件的鈦金屬化在迅速地推進， 下面就有關(guān)技術(shù)開發(fā)對課題克服的解 決所做出的貢獻進行一下介紹。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

5、伸率作為30%左右，就可以充分地實現(xiàn)，而且選定了薄板和管容易量產(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。基礎(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、 值、膨脹成形性、擴孔性、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的 多種成形過程進行預(yù)測的同時也進行了計算機模擬技術(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)， 確實在迅速而準(zhǔn)確地確立排氣管的設(shè)計以及

6、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 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.最犬主應(yīng)吏直角方向應(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值，有時也根據(jù)噴丸硬化和大氣氧化等表面處 理付與鈦獨特風(fēng)格的表面肌理，但是，在這時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)程度地被靈活運用到了針對消音器的鈦材料制造當(dāng)中。23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

7、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700°C之后，就急劇地進行氧化，而 且高溫強度也低，因此，上限溫度為 600650C°。如果它能夠成為高溫強度的材 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)動機的高輸出化和排放法規(guī)所實施的高溫化的排放溫度，可以將鈦應(yīng)用到更高溫的部位，以此來推進輕量化。為了適應(yīng)這些要求，對比JIS2種純鈦在高溫強度和耐氧化性方面上更具有出色表現(xiàn)的鈦合金進行了開發(fā)。為了提高鈦的高溫強度，一般是，在高溫情況下，添加針對

8、相的固溶強化 能大的置換型元素Al和Sn。Si也是固溶限低，但是，固溶強化能大，對于提高 耐氧化性方面也是有效的，因此，進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，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。該合金根據(jù)熱處理，使加工 性具有了最適當(dāng)化的特點，例如，在實施了為了注重膨脹成形性和彎曲性用途的

9、熱處理情況時，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，評價膨脹成形性最一般方法的埃里克森試 驗結(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，延伸率多少有些下降，但是，實施了提高值的熱處理，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500700°C的高溫強度，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 就能夠在維持出色冷加工性、高溫強度的同時，大幅度地提高耐氧化特性。

10、圖4表示的是根據(jù)大氣評價JIS2種、Ti-3AI-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800°C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。純鈦 飩鈦一.？壩里克杏值純鈦純鈦圖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II44X1900510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度-I H Ti 1 X'ustsHin :妙h101r化毆量iiiliPiiii i-it 4iiiir =-4WSO)SOU7W9U(»寡舌葉間L'

11、 <1 01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)動機氣門3.1.吸氣氣門它作為高速驅(qū)動的發(fā)動機部件，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)動機氣門，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現(xiàn)鈦化進行了研究。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-6AI-4V。在將鈦合金采用到吸氣氣門時的最大課題是耐磨損表面處理技術(shù)的開發(fā)。鈦 合金的耐磨損性低，這是眾所周知的，因此，它在用于滑動部件的時候，大多實 施硬質(zhì)TiN涂層、

12、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，靈活運用了具有在鈦當(dāng)中進行高濃度的固溶，提高硬度，并且，進 行內(nèi)部擴散以獲得比較厚硬化層特點氧的氧化處理，以及使用使氧擴散的等離子浸炭處理的相關(guān)報告。本公司特別著重于氧化處理，與愛三工業(yè)（株式）公司正 在進行其研究。Ti-6AI-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，在進行氧化處理那樣高溫加熱的處理時， 有時也會出現(xiàn)由于自重，氣門 變形的情況，因此，需

13、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，因此它對于進行了氧化處理之后的發(fā)動機 氣門來說，是最適合的組織。15 - -T- 刖7ciOIU1時infiv何擁嘶勰的反震戰(zhàn)數(shù)A*討袱組駅材料J «, BaBM *：! IJI- - J-Bz第劃過浹財牴 am. - 一亠.aa!-:mi圖5由微細(xì)等軸以及微細(xì)針狀組織構(gòu)成的 Ti-6AI-4V制吸氣發(fā)動機氣門的實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。因此，

14、需要掌握能夠平衡這二個相反特性 的最佳熱處理條件?；旧希撗趸幚硎谴髿庵屑訜岜３痔幚?，它根據(jù)處理溫度以及時間的不同，氧的浸入深度也進行變化，硬化層深度也變化。當(dāng)然，在表 面生成TiO2的氧化皮，從此氧在基體中進行擴散，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行熱處理，也是同等，但是，距可以測定 硬度表層數(shù) m的深度，根據(jù)各熱處理條件，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、長時間），疲勞強度降低，但是，氧化硬化層厚最薄的 670oC處理材料，能夠獲得與沒有氧化處理時同等的高疲勞強度。當(dāng)然

15、，在氧化 處理條件的選擇時，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，來決定氧化處理條件。SS>大應(yīng)力到龜裂發(fā)生的反復(fù)次數(shù)圖6以各種條件實施了氧化處理的Ti-6AI-4V制吸氣發(fā)動機氣門的實體疲勞特性32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-6AI-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si（ 6242S）和 Ti-6AI-2.7Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si（TIMETAL1100 ）的事例報告。在這當(dāng)中，TIMETAL1100在實用鈦合金當(dāng)中，是一種在耐熱性方面最為出色的合金。但是，據(jù)說其耐熱溫度

16、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800OC左右的用途，但是,還需要把握用于800OC左右溫度的最佳熱處理條件，以及對在其溫度區(qū)域的 材質(zhì)特性進行確認(rèn)。因此，本公司與愛三工業(yè)（株）公司共同根據(jù)實施各種熱處 理，使組織變化的TIMETAL1100在室內(nèi)溫度800°C左右的強度特性、疲勞特性、 耐高溫蠕變特性等進行評價，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)動機氣門的使用可能性進行了確認(rèn)。再有，對發(fā)動機氣門進行了實際地制作， 并對此進行了評價。圖7表示的是實施了最佳熱處理的 TIMETAL1100合金在室溫高溫區(qū)域的 強度特性。0.2%耐力，在

17、室溫700°C的溫度范圍，比作為主要氣門用材料的SUH35高，大致等同于800°C。在800°C的疲勞強度也與 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，這一點已經(jīng)得到了確認(rèn)。aTillOOOi'X. ftt力樸2% 耐力 Ti-llIXJ 14悼修麼 SUH35枚忡蟹度主9齡耐力以艮拉評強度圖7 TIMETAL1100(Ti-1100)以及SUH35的室溫高溫拉伸強度還有，我們知道，含有Al的鈦合金，在600oC左右的溫度區(qū)域，長時間暴 露之后的，生成被稱之為2的規(guī)則相，延伸性下降。對排氣氣門

18、由于也設(shè)想了在這樣的溫度區(qū)域，以累積時間，長時間暴露的情況，因此，實際地，對數(shù)千小 時高溫暴露之后的材料延伸特性進行了評價，即使長時間地在600oC左右的溫度 區(qū)域暴露，也殘留延伸性，這一點也得到了確認(rèn)。4. 懸架彈簧型合金即使是在鈦合金當(dāng)中，揚氏模量也是低，為鋼的1/2以下，運 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-3AI-8V-Cr-4Zr-4Mo)等的實際事例，但是，由于價格昂貴，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-1.5AI)

19、。該合金，靈活運用了作為型鈦合金特征的低揚氏模量(約 80 000MPa)和高強 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 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

20、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)用到非航空的領(lǐng)域當(dāng)中的這種概念來進行合 金的開發(fā)，這是在近年來鈦合金開發(fā)動態(tài)的一個特征。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、 高機能合金進行了開發(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相穩(wěn)定化元素的V和Mo，而是用廉價的Fe來代替它們的合金群。作為其中核合金的Supe

21、r-TIX51AF是，以Ti-5%AI-l%Fe 為中心組成，再由氧、氮來進行強度調(diào)整，由此實現(xiàn)了與Ti-6Al-4V 同等的1000MPa程度的拉伸強度和比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)?其起到彌補機能的 Super-TIX523AFM 。該合金如圖 9所示，在 800950oC 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），退火材料的拉伸強度約為1 000MPa，在進行了強化熱處理之后，發(fā)現(xiàn)可 能具有超過1 300MPa的拉伸強度。&g

22、t;|>1 L - ICZ 2Sup- lix HOJSuper I1X bAJM4150)泗I 0（10拉伸強度（BFa）SuprrTlX 系列Sujmt ITX' .IAF-】8 -史reS-S境-rr申yE -匚/ -re*rX1.sjvc巧s血 TihiU4 Vw 做 900 i «K> I iro 試伽如1I 叮圖8 Super-TIX系列以及代表性鈦材料的強度、延展性的關(guān)系（模式圖）圖9 Super-TIX51AF以及523AFM的熱加工性（Gleebel試驗）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

23、溫區(qū)域的用途上的合金，根據(jù)將廉價的Fe、氧、痰進行平衡良好的配合，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能特 性。作為其中核合金的 Super-TIX800,以Ti-1%Fe-0.35%0-0.01%N為基本組合, 以Ti-6AI-4V和Ti-3Al-2.5V中間的800MPa左右的拉伸強度和出色的冷以及熱 加工性為特征，被制造出了厚中板、熱軋薄板、冷軋薄板、棒材、線材等各種制 品。這些合金都屬于+型合金，作為針對汽車部件等級，根據(jù)其特性，強烈希望它能夠應(yīng)用到發(fā)動機氣門、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，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、 高機能化的研究開發(fā)也在被推進。另外，由于它不含有毒性元素和高融點金屬， 因此，正在對其在牙科鑄造上的應(yīng)用進行研究。還有，純鈦和鈦復(fù)合鋼在海