1、前言

因鈦的輕量、高強(qiáng)度，用作內(nèi)燃機(jī)零件時(shí)可提高其性能，所以很早以來(lái)就引起了人們的注意。鈦零件首先是作為競(jìng)賽用摩托車(chē)而研究的，并向應(yīng)用可能的零件上擴(kuò)大。但是在量販車(chē)應(yīng)用時(shí)，因其價(jià)格較高，采用鈦零件是困難的。

近年來(lái)，由于環(huán)境問(wèn)題，不僅是四輪車(chē)（轎車(chē)），對(duì)二輪車(chē)（摩托車(chē)或量販車(chē)）也制定了嚴(yán)格的規(guī)則，并是世界性地普及，對(duì)量販車(chē)的低尾氣排放技術(shù)、低燃料費(fèi)用技術(shù)的要求也越來(lái)越高。然而以往提到低排放、低噪音時(shí)總是要涉及到發(fā)動(dòng)機(jī)的高輸出難題。從這兩面來(lái)看，既要提高運(yùn)動(dòng)性能，又要降低燃料費(fèi)用的技術(shù)手法就必須使零件鈦化。面臨的長(zhǎng)期課題就是成本問(wèn)題，必須通過(guò)以量販車(chē)為對(duì)象的鈦材開(kāi)發(fā)，應(yīng)用零件也正在日益擴(kuò)大。

鈦材作為汽車(chē)部件材料使用時(shí)，其特征如下：抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度大、疲勞強(qiáng)度大、密度小、彈性模量約是鋼的一半、熱膨脹系數(shù)低，約是不銹鋼及鋁材的一半、非磁性、熱導(dǎo)率低、容易產(chǎn)生燒結(jié)、對(duì)環(huán)境無(wú)污染等。另外在汽車(chē)行業(yè)用鈦后，可極大減輕汽車(chē)重量，降低其燃料消耗，保護(hù)環(huán)境和降低噪音。

2、發(fā)動(dòng)機(jī)閥

近年來(lái)，各汽車(chē)公司紛紛進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)閥用廉價(jià)鈦材的開(kāi)發(fā)，并有一部分已達(dá)到批量化。鈦材的制造成本中占材料1/3以上的價(jià)格是海綿鈦，若用等外海綿鈦生產(chǎn)加工材，這樣價(jià)格自然就會(huì)降低。在這種情況下開(kāi)發(fā)了廉價(jià)的Ti-6Al-4V基合金。即使用制造閥坯料時(shí)也應(yīng)以降低成本為主。一般說(shuō)來(lái)，閥的鍛造坯料將傘部鐓鍛，采用軸徑略相同的絲材。但在制造絲材時(shí)，要重復(fù)軋制、拉絲、退火工藝，再除取表面氧化層，這樣材料的成品率較不好，與棒材相比價(jià)格較高。這里所指的閥采用廉價(jià)的棒材到鍛坯采用的是擠壓鍛造法。

耐磨處理時(shí)采用的是廉價(jià)的OD法。再加之前處理工藝的省略，可大幅度實(shí)現(xiàn)零件成本的降低。

2.1進(jìn)氣閥

最近，搭載于二輪車(chē)、四輪車(chē)用的進(jìn)氣閥的大部分采用的是鈦合金中最通用的Ti-6Al-4V。本公司考慮到進(jìn)氣閥的使用環(huán)境及批量化，也得出了Ti-6Al-4V為最佳的結(jié)論，特別是在二輪車(chē)進(jìn)氣閥上的使用。

鈦合金制進(jìn)氣閥開(kāi)發(fā)時(shí)的最大課題是耐磨性表面處理技術(shù)的開(kāi)發(fā)。TiN涂層、Mo注射層及Cr噴鍍等表面處理均成本高、且難以長(zhǎng)時(shí)間維持其耐磨性，不適合大批量生產(chǎn)。最適宜的方法就是氧化處理，即在鈦中固溶高濃度的氧，其硬度上升，內(nèi)部得到了較厚的硬化層。氧化處理基本上是在大氣中高溫區(qū)加熱并保溫的單純熱處理。但抗蠕變性能低的Ti-6Al-4V制閥屬通常的退火組織，在處理中因自重易發(fā)生變形。抗蠕變性優(yōu)良的針狀組織為閥的基本組織，但這種組織的延性及疲勞性能較低。因此在β區(qū)加熱后，通過(guò)控制各種冷卻條件，防止粗大的α相在晶界析出，就可得到很微細(xì)的針狀組織，在確保高延展性及與等軸組織一樣的疲勞性的同時(shí)成功控制了氧化處理時(shí)的蠕變變形。采用從實(shí)際制造過(guò)程中閥軸部切出的試樣，評(píng)價(jià)了其拉伸性能，拉伸性能高達(dá)980MPa以上，延伸率也高達(dá)12%以上。并確認(rèn)，即便是針狀組織也得到了不遜色于等軸材的高的疲勞特性。

施以氧化硬化層以提高閥的耐磨性，但若條件控制得不好，確保的疲勞性能有可能出現(xiàn)極端降低。因此把握最佳的熱處理?xiàng)l件特別重要。因此在670~820℃的溫度范圍施以1~16h的大氣熱處理，在測(cè)定表面性狀及表層部硬度分布的同時(shí)調(diào)查氧化處理?xiàng)l件對(duì)疲勞性能的影響。圖2所示為在不同的溫度下的施以1h氧化處理的試樣的表層硬度分布。圖3所示為在670℃及820℃下不同時(shí)間的氧化處理試樣的表層硬度分布。隨著處理溫度的升高，氧在鈦合金內(nèi)部的擴(kuò)散距離增長(zhǎng)，在更深層就可得到高硬度值。如，在這次試驗(yàn)條件的溫度范圍內(nèi)，在最高溫長(zhǎng)時(shí)間的820℃下，4h氧化處理的試樣約為50μm，在最低溫短時(shí)間的670℃，1h處理的試樣硬化厚度約為10μm。在表面生成的氧化蝕刻（Ti02），氧就從這里擴(kuò)散到基體中，在蝕刻正下方最表層部的硬度無(wú)論在哪種條件下施以熱處理其硬度均是相同的。然而在顯微維氏硬度測(cè)定可能表層到數(shù)μm的深度，在不同的熱處理?xiàng)l件下確認(rèn)有較大的硬度差。同時(shí)在一部分的高溫長(zhǎng)時(shí)間的氧化處理?xiàng)l件下，氧化硬化層產(chǎn)生了裂紋，這說(shuō)明氧化處理不合適。

按照上述的順序所得的氧化硬化層厚度與處理?xiàng)l件的關(guān)系，在實(shí)際生產(chǎn)中按照這個(gè)數(shù)據(jù)制作了施以氧化處理的發(fā)動(dòng)機(jī)閥，并評(píng)價(jià)了疲勞性能及耐磨性。圖4所示為制作的閥施以重復(fù)彎曲應(yīng)力測(cè)定的氧化處理閥的S-N曲線。該試驗(yàn)方法可參照文獻(xiàn)9。氧化硬化層一增厚，疲勞強(qiáng)度就降低，在670℃處理材中接近未氧化處理的材料則得到了高疲勞強(qiáng)度。在選擇氧化處理?xiàng)l件應(yīng)考慮耐磨性，在考慮到閥的耐磨壽命與要求疲勞特性時(shí)應(yīng)決定合適的氧化處理?xiàng)l件。

美國(guó)廠家利用鈦合金制作進(jìn)、排氣閥較普遍，進(jìn)氣閥使用Ti-6Al-4V合金。利用鈦合金制作汽車(chē)閥，不僅可減輕重量，延長(zhǎng)使用壽命，而且可靠性高，還可節(jié)省燃油。日本日立公司制造的燒結(jié)進(jìn)氣閥門(mén)已供應(yīng)日本的汽車(chē)工業(yè)市場(chǎng)。

2.2排氣閥

使用中暴露在高溫下的排氣閥使用的代表性合金是Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si(6242S)。但二輪車(chē)較四輪車(chē)閥更易長(zhǎng)期暴露在高溫區(qū)，所以又選用了耐熱性更好的TIMETAL@1100(Ti-2.7Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si)。該合金在實(shí)用鈦合金中是耐熱性最好合金之一，但其耐用溫度約為600℃，而二輪排氣閥則要求要有800℃左右的耐熱性，所以必須選擇最佳的熱處理?xiàng)l件，再探討是否適用。因此在不同的熱處理?xiàng)l件下，評(píng)價(jià)了在室溫~800℃下的拉伸特性、耐高溫蠕變特性，沖擊特性及疲勞特性，以把握最好的材料特性匹配，并在合適的條件下制作發(fā)動(dòng)機(jī)閥。

施以最佳熱處理的TIMETAL@1100在室溫~700℃的溫度范圍，其0.2%屈服強(qiáng)度高于普通鋼制排氣閥材SUH35，在800℃附近兩者基本相同。該合金在800℃下的疲勞性能與SUH35也相同。最擔(dān)心的抗高溫蠕變性能也優(yōu)于SUH35。也就是說(shuō)對(duì)該合金處理以適當(dāng)?shù)臒崽幚恚涂纱_保閥的各種特性。

大家已經(jīng)知道，含Al鈦合金在600℃溫度區(qū)若長(zhǎng)時(shí)間暴露則會(huì)生成α2規(guī)則相，致使延性降低。但本合金在該溫度區(qū)長(zhǎng)時(shí)間暴露仍保留有足夠的延性。

3、排氣管及消音器

到目前為止，排氣管及消音器多采用普通鋼、不銹鋼、鋁合金、FRP等。這些部件屬車(chē)體的大型構(gòu)造部件，容易實(shí)現(xiàn)車(chē)的輕量化、對(duì)降低燃料費(fèi)用、發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率及提高行駛安全性均是重要的。同時(shí)因與排氣直接接觸，在400℃以上的高溫下，比起鋁合金來(lái)鈦的耐熱性更優(yōu)良，且比強(qiáng)度比鋼高，也容易實(shí)現(xiàn)輕量化。

鈦的熱膨脹系數(shù)及楊氏模量小于鐵素體耐熱鋼，因熱膨脹及收縮產(chǎn)生的應(yīng)力也減半，有利于熱周疲勞性能。如，因熱熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力值（熱膨脹系數(shù)×楊氏模量）相比較，鐵素體系不銹鋼為1，奧氏體系不銹鋼為1.5，鈦僅有0.45。

制造排氣管、消音器時(shí)必須經(jīng)過(guò)冷壓、彎曲等各種成形加工，要求材料必須要有好的冷成形性，最通用的就是JIS2類(lèi)純鈦就有足夠的成形性。除此之外，消音器為車(chē)體的外裝部件，如果鈦化則更新穎、更時(shí)尚。特別是鈦獨(dú)特的表面肌理最受市場(chǎng)的親睞。在使用中鈦又能變化為各種衍射色，這是鋼所不能的。

隨著二輪車(chē)的輕量化，對(duì)輸出功率及行駛安全性影響較大的排氣管及消音器等采用鈦的呼聲較高。然而這些零件均為車(chē)體的大型零零件，材料使用重量增多了勢(shì)必會(huì)影響其成品的價(jià)格，所以其價(jià)格應(yīng)比發(fā)動(dòng)機(jī)的價(jià)格還低。

因此我們要確保強(qiáng)度與生產(chǎn)性為重點(diǎn)，開(kāi)發(fā)以純鈦（2類(lèi)）為基的廉價(jià)鈦材。純鈦允許的雜質(zhì)量對(duì)機(jī)械性能影響較大。因此原材料含的雜質(zhì)較多時(shí)，使用等外海綿鈦的主要零件制造工藝的彎曲成形性、焊接性及零件所要求的特性值，決定了化學(xué)成分及機(jī)械性能，進(jìn)爾決定了允許的雜質(zhì)量，應(yīng)從氧當(dāng)量觀點(diǎn)看進(jìn)行管理并實(shí)用化。

這些零件在2002年樣品車(chē)的CBR954RR FireBlade,CRF450R上使用了。CBR954RR的場(chǎng)合，與以往的不銹鋼相比，排氣管1.3kg、消音器1.2kg，實(shí)現(xiàn)了輕量化的效果。這些車(chē)體的輕量化，有助于良好的動(dòng)力性能、操作穩(wěn)定性。該消音器的外缸上施以了噴丸處理，其外觀漂亮。

鈦的弱點(diǎn)之一就是其抗氧化性。其氧化極限溫度為排氣系耐熱不銹鋼約為850~1050℃，鈦在700℃附近就開(kāi)始急劇氧化。今后，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的高輸出功率化及新的排氣制度的要求，抗氧化性的改善就成為重要的課題。

另外，為了提高意匠性的附加值，對(duì)其表面又施以噴丸處理或大氣氧化等。若強(qiáng)調(diào)鈦材所獨(dú)特的表面肌理時(shí)，材料紋理的均勻性就特別重要。本公司在鈦建材擁有這面的高的表面控制技術(shù)，同樣可活用于排氣管及消音器。鈦制排氣管及消音器最早于1997在大型二輪的后期市場(chǎng)初露端睨，于1998年已搭載于大型二輪車(chē)。目前已成長(zhǎng)為數(shù)百噸規(guī)模的大市場(chǎng)，搭載鈦制排氣管、消音器的二輪車(chē)已隨處可見(jiàn)。即便是四輪車(chē)，在重視輕量化及設(shè)計(jì)性時(shí)也已使用了鈦制排氣管及消音器。

4、汽車(chē)零件用新合金的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用研究

前面介紹的均是已開(kāi)發(fā)的鈦合金在汽車(chē)零件上的使用。另一方面，低成本鈦合金的開(kāi)發(fā)也較為活躍，其中之一就是Super-TIX系列合金的開(kāi)發(fā)。其強(qiáng)度與延性的平衡狀態(tài)如圖8所示。Super-TIX系列包括Ti-Al-Fe及Ti-Fe-O-N二大合金系，Ti-Al-Fe合金群多是在已知的合金中不使用V和Mo，采用廉價(jià)的Fe來(lái)代替，適合在溫度上升過(guò)程中的用途。如Super-TIX51F就是指Ti-5Al-1Fe，其拉伸強(qiáng)度達(dá)1000MPa，與Ti-6Al-4V相當(dāng)。而Ti-Fe-O-N系合金則不能在太高的溫度區(qū)使用，但因采用了廉價(jià)的Fe及氧及氮，其熱加工性能優(yōu)良。此合金系的代表合金為T(mén)i-1%Fe-0.35%O-0.01%N(Super-TIX800)，其拉伸強(qiáng)度約為800MPa，具有優(yōu)良的熱加工性及冷加工性。

類(lèi)似上述Super-TIX系列是專(zhuān)門(mén)為航空以外用途設(shè)計(jì)的合金,還有β鈦合金TIMETAL@LCB(Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5Al),該合金的楊氏莫量低，強(qiáng)度高，正在探討應(yīng)用在懸簧上，于2001年已用在德國(guó)的國(guó)民牌汽車(chē)LupoFSI上。

5、結(jié)言

輕量及高強(qiáng)度的鈦?zhàn)鳛槠?chē)零件的使用已從少量向大批量發(fā)展。今后，鈦在此領(lǐng)域的使用仍有二個(gè)大課題需要解決：一是鈦的制造成本的大幅度降低；二是耐熱性引起的在苛刻條件下的耐蝕性。關(guān)于成本的降低，不僅是材料成本，還要降低加工費(fèi)用。為了實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，原材料廠家、零件生產(chǎn)廠家及汽車(chē)廠家均要加強(qiáng)協(xié)作，共同推動(dòng)研究開(kāi)發(fā)。我們期待著鈦在此領(lǐng)域能有所作為. http://www.anniewedekind.com