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1、前言
因鈦的輕量、高強度，用作內(nèi)燃機零件時可提高其性能，所以很早以來就引起了人們的注意。鈦零件首先是作為競賽用摩托車而研究的，并向應用可能的零件上擴大。但是在量販車應用時，因其價格較高，采用鈦零件是困難的。
近年來，由于環(huán)境問題，不僅是四輪車（轎車），對二輪車（摩托車或量販車）也制定了嚴格的規(guī)則，并是世界性地普及，對量販車的低尾氣排放技術、低燃料費用技術的要求也越來越高。然而以往提到低排放、低噪音時總是要涉及到發(fā)動機的高輸出難題。從這兩面來看，既要提高運動性能，又要降低燃料費用的技術手法就必須使零件鈦化。面臨的長期課題就是成本問題，必須通過以量販車為對象的鈦材開發(fā)，應用零件也正在日益擴大。
鈦材作為汽車部件材料使用時，其特征如下：抗拉強度和屈服強度大、疲勞強度大、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、熱導率低、容易產(chǎn)生燒結、對環(huán)境無污染等。另外在汽車行業(yè)用鈦后，可極大減輕汽車重量，降低其燃料消耗，保護環(huán)境和降低噪音。
2、發(fā)動機閥
近年來，各汽車公司紛紛進行發(fā)動機閥用廉價鈦材的開發(fā)，并有一部分已達到批量化。鈦材的制造成本中占材料1/3以上的價格是海綿鈦，若用等外海綿鈦生產(chǎn)加工材，這樣價格自然就會降低。在這種情況下開發(fā)了廉價的Ti-6Al-4V基合金。即使用制造閥坯料時也應以降低成本為主。一般說來，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，要重復軋制、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，與棒材相比價格較高。這里所指的閥采用廉價的棒材到鍛坯采用的是擠壓鍛造法。
耐磨處理時采用的是廉價的OD法。再加之前處理工藝的省略，可大幅度實現(xiàn)零件成本的降低。
2.1進氣閥
最近，搭載于二輪車、四輪車用的進氣閥的大部分采用的是鈦合金中最通用的Ti-6Al-4V。本公司考慮到進氣閥的使用環(huán)境及批量化，也得出了Ti-6Al-4V為最佳的結論，特別是在二輪車進氣閥上的使用。
鈦合金制進氣閥開發(fā)時的最大課題是耐磨性表面處理技術的開發(fā)。TiN涂層、Mo注射層及Cr噴鍍等表面處理均成本高、且難以長時間維持其耐磨性，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成功控制了氧化處理時的蠕變變形。采用從實際制造過程中閥軸部切出的試樣，評價了其拉伸性能，拉伸性能高達980MPa以上，延伸率也高達12%以上。并確認，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條件特別重要。因此在670~820℃的溫度范圍施以1~16h的大氣熱處理，在測定表面性狀及表層部硬度分布的同時調(diào)查氧化處理條件對疲勞性能的影響。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)部的擴散距離增長，在更深層就可得到高硬度值。如，在這次試驗條件的溫度范圍內(nèi)，在最高溫長時間的820℃下，4h氧化處理的試樣約為50μm，在最低溫短時間的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），氧就從這里擴散到基體中，在蝕刻正下方最表層部的硬度無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定可能表層到數(shù)μm的深度，在不同的熱處理條件下確認有較大的硬度差。同時在一部分的高溫長時間的氧化處理條件下，氧化硬化層產(chǎn)生了裂紋，這說明氧化處理不合適。
按照上述的順序所得的氧化硬化層厚度與處理條件的關系，在實際生產(chǎn)中按照這個數(shù)據(jù)制作了施以氧化處理的發(fā)動機閥，并評價了疲勞性能及耐磨性。圖4所示為制作的閥施以重復彎曲應力測定的氧化處理閥的S-N曲線。該試驗方法可參照文獻9。氧化硬化層一增厚，疲勞強度就降低，在670℃處理材中接近未氧化處理的材料則得到了高疲勞強度。在選擇氧化處理條件應考慮耐磨性，在考慮到閥的耐磨壽命與要求疲勞特性時應決定合適的氧化處理條件。
美國廠家利用鈦合金制作進、排氣閥較普遍，進氣閥使用Ti-6Al-4V合金。利用鈦合金制作汽車閥，不僅可減輕重量，延長使用壽命，而且可靠性高，還可節(jié)省燃油。日本日立公司制造的燒結進氣閥門已供應日本的汽車工業(yè)市場。
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)。但二輪車較四輪車閥更易長期暴露在高溫區(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條件，再探討是否適用。因此在不同的熱處理條件下，評價了在室溫~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)動機閥。
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。最擔心的抗高溫蠕變性能也優(yōu)于SUH35。也就是說對該合金處理以適當?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)若長時間暴露則會生成α2規(guī)則相，致使延性降低。但本合金在該溫度區(qū)長時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。這些部件屬車體的大型構造部件，容易實現(xiàn)車的輕量化、對降低燃料費用、發(fā)動機的輸出功率及提高行駛安全性均是重要的。同時因與排氣直接接觸，在400℃以上的高溫下，比起鋁合金來鈦的耐熱性更優(yōu)良，且比強度比鋼高，也容易實現(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)生的應力也減半，有利于熱周疲勞性能。如，因熱熱膨脹產(chǎn)生的應力值（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、消音器時必須經(jīng)過冷壓、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類純鈦就有足夠的成形性。除此之外，消音器為車體的外裝部件，如果鈦化則更新穎、更時尚。特別是鈦獨特的表面肌理最受市場的親睞。在使用中鈦又能變化為各種衍射色，這是鋼所不能的。
隨著二輪車的輕量化，對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體的大型零零件，材料使用重量增多了勢必會影響其成品的價格，所以其價格應比發(fā)動機的價格還低。
因此我們要確保強度與生產(chǎn)性為重點，開發(fā)以純鈦（2類）為基的廉價鈦材。純鈦允許的雜質(zhì)量對機械性能影響較大。因此原材料含的雜質(zhì)較多時，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，決定了化學成分及機械性能，進爾決定了允許的雜質(zhì)量，應從氧當量觀點看進行管理并實用化。
這些零件在2002年樣品車的CBR954RR FireBlade,CRF450R上使用了。CBR954RR的場合，與以往的不銹鋼相比，排氣管1.3kg、消音器1.2kg，實現(xiàn)了輕量化的效果。這些車體的輕量化，有助于良好的動力性能、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℃附近就開始急劇氧化。今后，隨著發(fā)動機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，對其表面又施以噴丸處理或大氣氧化等。若強調(diào)鈦材所獨特的表面肌理時，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，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初露端睨，于1998年已搭載于大型二輪車。目前已成長為數(shù)百噸規(guī)模的大市場，搭載鈦制排氣管、消音器的二輪車已隨處可見。即便是四輪車，在重視輕量化及設計性時也已使用了鈦制排氣管及消音器。
4、汽車零件用新合金的開發(fā)及應用研究
前面介紹的均是已開發(fā)的鈦合金在汽車零件上的使用。另一方面，低成本鈦合金的開發(fā)也較為活躍，其中之一就是Super-TIX系列合金的開發(fā)。其強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，采用廉價的Fe來代替，適合在溫度上升過程中的用途。如Super-TIX51F就是指Ti-5Al-1Fe，其拉伸強度達1000MPa，與Ti-6Al-4V相當。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Ti-1%Fe-0.35%O-0.01%N(Super-TIX800)，其拉伸強度約為800MPa，具有優(yōu)良的熱加工性及冷加工性。
類似上述Super-TIX系列是專門為航空以外用途設計的合金,還有β鈦合金TIMETAL@LCB(Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5Al),該合金的楊氏莫量低，強度高，正在探討應用在懸簧上，于2001年已用在德國的國民牌汽車LupoFSI上。
5、結言
輕量及高強度的鈦作為汽車零件的使用已從少量向大批量發(fā)展。今后，鈦在此領域的使用仍有二個大課題需要解決：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。關于成本的降低，不僅是材料成本，還要降低加工費用。為了實現(xiàn)此目標，原材料廠家、零件生產(chǎn)廠家及汽車廠家均要加強協(xié)作，共同推動研究開發(fā)。我們期待著鈦在此領域能有所作為. http://www.roofex.cn
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