有助于轻量化、小型化材料(钛)的现状VIP

有助于轻量化 小型化材料 钛 的现状 1 前言 钛以及钛合金灵活运用了出色的耐腐蚀性 高比强度 强度 密度 耐热 性等特点 它是以化学 电力 航空机械领域为中心而发展起来的金属材料 这些特点对于汽车部件来说是具有魅力的 在以前钛就被用于赛车和一部分限 定车的特定部件之中 但是 钛与其它金属系列构造材料相比 明显的昂贵 因此 它作为用于一般量产车的汽车部件的历史还很浅 开始对其使用的广泛 研究开始于最近几年 其背景是从防止地球温室化的角度 而对部件轻量化要 求的更加强烈 可以认为这是由于钛的低成本制造技术开发获得了显著的进展 钛的特有意匠性 流行性变得引人注目的结果 有关钛的发展动向 我们可以 知道 不仅仅限于汽车部件 它也涉及到了一般民生用品 实际上在我们的周 围 钛制品也随处可见 的确 现在相当于钛已经逐渐地改变成为了我们身边 材料的时代 在本文当中 对以汽车部件为主 特别是从轻量化 小型化的角 度出发 以贡献显著的钛的最近技术开发现状为主题来进行一下介绍 2 排气系统 2 1 2 1 利用钛的优点利用钛的优点 排气管和消音器在车身当中为大型构造部件 将它们置换成为轻量 高强 度的钛 由此而产生的轻量化 可以很大程度地帮助提高燃油经济性 发动机 输出 行驶性等 另外 由于钛比铝更具有出色的耐热性 因此 它能够适宜 用于比铝耐温温度更加高温的部位 它比作为最广泛应利用的铁素体系列不锈 钢和耐热钢的热膨胀率和杨氏模量还低 因此 可以期待有助于提高由于热应 力降低而造成的热循环疲劳特性 再有 由于消音器是车身外装设计对象部件 根据钛制化能够提高时尚性 由于它具有与其它金属不同的独特表面肌理 因 此 人气也很高 以应该享受这些优点的二轮车为中心的钛金属使用事例在逐 渐增加 而且钛金属作为具有新规性材料容易引人注目 具有与钢铁不同的独 特排气声音效果也具有魅力 在日本国内消音器的钛金属化 始于 1997 年左右的大型二轮车的售后商店 在这之后 逐渐开始装备于大型二轮车的市场销售量产车上 再以后使用量开 始急剧地增加 不仅仅是在二轮车上应用 而且也开始用于一部分的四轮车上 现在据统计 已经成长到了 1 000t 规模的市场 这样的话 就可以享受涉及轻量化效果 加工性 新规性 时尚性等多领 域的优点 该部件的钛金属化在迅速地推进 下面就有关技术开发对课题克服 的解决所做出的贡献进行一下介绍 2 2 2 2 工业用纯钛金属的利用工业用纯钛金属的利用 由于排气系统部件是经过冲压和弯曲等各种冷成形加工和焊接工序制造而 成的 因此 对它的冷成形性和焊接性有所要求 为了选择满足要求特性的材 料 在即使是钛处理经验少的厂家也能够充分熟练地掌握 完善了将最通用材 料的排气系统耐热钢与各种钛材料进行了的基本特性数据 有关材料的选择 在各种该产品部件成形中所需要的延伸率作为 30 左右 就可以充分地实现 而且选定了薄板和管容易量产得到的 JIS 2 种工业用纯钛或 相当于该等级的 即使是在现在 该材料也是最主要的排气系统用钛材料 基础特性数据的内容 从加工性的角度 涉及到在温室的延伸特性 n 值 值 膨胀成形性 扩孔性 焊接性 还有 作为在高温区域当中使用特性涉 及到高温拉伸 高温疲劳 耐循环疲劳 耐酸性等多领域 特别是就有关冷成 形 制成了图 1 所示的成形限界图 FLD 为了能够在针对各种形状部件成形 时的多种成形过程进行预测的同时也进行了计算机模拟技术的开发 应用 有 关这些的成形性以及高温特性的基础数据 确实在迅速而准确地确立排气管的 设计以及制造工艺上起到了很大地帮助作用 纯钛 2 种水平 软质 L 方向板材下料 C 方向板材下料 纯钛 2 种水平 硬质 L 方向板材下料 C 方向板材下料 直角方向应变 2 图 1 JIS2 种工业用纯钛薄板的成形界限线图 其它 为了提高意匠的附加价值 有时也根据喷丸硬化和大气氧化等表面 处理付与钛独特风格的表面肌理 但是 在这时候要求材料表皮的均匀性 正 如在第 6 章所叙述的那样 钛也常常用于注重表面肌理意匠性与均匀性的建筑 材料上 在其技术开发当中所成长起来的高表面控制技术 也相当程度地被灵 活运用到了针对消音器的钛材料制造当中 2 3 2 3 针对高温化所采取的对策针对高温化所采取的对策 排放系统部件由于直接接触高温的排放气体 因此 对耐热性也有所要求 从耐氧化性的角度来看 排气系统耐热钢的使用上限温度大约为 850 1 050C2 但是 上述所说的 JIS2 种纯钛 超过低温 700oC 之后 就急剧地进行氧化 而 且高温强度也低 因此 上限温度为 600 650Co 如果它能够成为高温强度的 材料的话 就可以减少壁厚 更加地有助于轻量化 再有 根据提高耐氧化性 可以应对由于发动机的高输出化和排放法规所实施的高温化的排放温度 可以 将钛应用到更高温的部位 以此来推进轻量化 为了适应这些要求 对比 JIS2 种纯钛在高温强度和耐氧化性方面上更具有出色表现的钛合金进行了开发 为了提高钛的高温强度 一般是 在高温情况下 添加针对相的固溶强 化能大的置换型元素 Al 和 Sn Si 也是固溶限低 但是 固溶强化能大 对于 提高耐氧化性方面也是有效的 因此 进行微量地添加的情况也有很多 但是 这些元素 都会使室内温度增加 都不得不或多或少地牺牲纯钛出色的冷加工 性 特别是 Al 它由于增大了堆垛层错 抑制了在室温情况下作为纯钛的高加 工性源泉的双晶变形 因此 冷加工性容易下降 所以针对这种情况 开发了 选择 添加了在高温区域 既可以发挥固溶强化能又不抑制双晶发生的 具有 能够维持与纯钛同等高冷加工性元素的 新型钛合金 Ti l Cu 该合金根据热 处理 使加工性具有了最适当化的特点 例如 在实施了为了注重膨胀成形性 和弯曲性用途的热处理情况时 它比 JIS2 种显示出了更加出色的加工性 图 2 表示的是其示例 它是作为使用 1mm 厚度冷轧退火板 评价膨胀成形性最一般 方法的埃里克森试验结果 它显示出了超过 JIS2 种纯钛 具有与 JIS1 种同等的 成形性 另外 在作为要求于深拉深性用途时 延伸率多少有些下降 但是 实施了提高值的热处理 就可以对应所要求的成形加工 另外 在高温特性 方面远远高于 2 种纯钛 如图 3 所示 在 500 700oC 的高温强度 大致为 JIS2 种纯钛的 2 倍 在耐氧化性方面 也某种程度优于纯钛 如果再添加少量提高 耐氧化性的第 3 元素 由此就能够在维持出色冷加工性 高温强度的同时 大 幅度地提高耐氧化特性 图 4 表示的是根据大气评价 JIS2 种 Ti 3Al 2 5V 和开 发合金 Ti 1 Cu Ti l Cu 0 5 Nb 的耐氧化特性的结果 Ti l Cu 0 5 Nb 在 800oC 也是其它数分 1 10 分的 1 的氧化增量 它具有十分出色的耐氧化特性 纯钛 纯钛 图 2 工业用纯钛以及新开发高加工高温用 合金 1mm 薄板的膨胀成形性 图 3 工业用纯钛以及新开发高加 工性高温用合金的高温强度 图 4 新开发高加工性高温用钛合金的大气中耐连续氧化特性 3 发动机气门 3 1 3 1 吸气气门吸气气门 它作为高速驱动的发动机部件 从改善燃耗 安静 高输出化等角度出发 与其它部件相比 轻量化效果大 特别是发动机气门 作为尽可能最大限度发 挥根据采用钛的轻量化效果的部件 在很早以前就对其实现钛化进行了研究 特别是吸气气门 至今很多的二轮车 四轮车上装备了钛合金的气门 其中的 大部分采用的是在钛合金当中最为广泛使用的 Ti 6Al 4V 在将钛合金采用到吸气气门时的最大课题是耐磨损表面处理技术的开发 钛合金的耐磨损性低 这是众所周知的 因此 它在用于滑动部件的时候 大 多实施硬质 TiN 涂层 Mo 喷镀 Cr 电镀等表面的处理 但是 无论怎么说都 存在着成本高 并且难于维持长期的耐磨性这样的问题 但是 现在已经出现 了有关在现生产车上 灵活运用了具有在钛当中进行高浓度的固溶 提高硬度 并且 进行内部扩散以获得比较厚硬化层特点氧的氧化处理 以及使用使氧扩 散的等离子浸炭处理的相关报告 本公司特别着重于氧化处理 与爱三工业 株式 公司正在进行其研究 Ti 6Al 4V 根据组织 材质特性明显变化 针对要求气门那样疲劳特性的用 途 需要疲劳特性出色的微细组织 在其当中 微细等轴组织 高温蠕变特性 未必良好 在进行氧化处理那样高温加热的处理时 有时也会出现由于自重 气门变形的情况 因此 需要有关防止该现象产生的相关技术开发 由于针状 组织 耐蠕变特性比较出色 因此是适合氧化处理的组织 如图 5 所示 根据 微细化 呈现出了与等轴组织同等的疲劳特性 因此它对于进行了氧化处理之 后的发动机气门来说 是最适合的组织 图 5 由微细等轴以及微细针状组织构成的 Ti 6Al 4V 制吸气发动机气门的实体疲劳特性 正如众所周知的那样 付与氧化硬化层之后 耐磨性得到了提高 但是 由于付与了硬化层 疲劳特性却下降了 因此 需要掌握能够平衡这二个相反 特性的最佳热处理条件 基本上 该氧化处理是大气中加热保持处理 它根据 处理温度以及时间的不同 氧的浸入深度也进行变化 硬化层深度也变化 当 然 在表面生成 TiO2的氧化皮 从此氧在基体中进行扩散 因此 可以认为 在皮下最表层部位的硬度 即使以任何的条件进行热处理 也是同等 但是 距可以测定硬度表层数m 的深度 根据各热处理条件 产生明显的硬度差 图 6 表示的是 根据反复付与实际气门弯曲应力所测定的氧化处理气门的 S N 曲线 根据氧化硬化层厚的条件 高温 长时间 疲劳强度降低 但是 氧化 硬化层厚最薄的 670oC 处理材料 能够获得与没有氧化处理时同等的高疲劳强 度 当然 在氧化处理条件的选择时 需要考虑耐磨特性 在充分考虑到了气 门的耐磨寿命和要求疲劳特性二方面因素的基础上 来决定氧化处理条件 到龟裂发生的反复次数 图 6 以各种条件实施了氧化处理的 Ti 6Al 4V 制吸气发动机气门的实体疲劳特性 3 2 3 2 排气气门排气气门 在排气气门当中采用钛合金的事例与吸气气门的情况相比少 但是 有有 关使用 Ti 6Al 2Sn 4Zr 2Mo 0 1Si 6242S 和 Ti 6Al 2 7Sn 4Zr 0 4Mo 0 45Si TIMETAL1100 的事例报告 在这当中 TIMETAL1100 在实用钛合 金当中 是一种在耐热性方面最为出色的合金 但是 据说其耐热温度为高于 600oC 可以针对用于加热到像二轮车排气气门那样超过该界限的 800oC 左右的 用途 但是 还需要把握用于 800oC 左右温度的最佳热处理条件 以及对在其 温度区域的材质特性进行确认 因此 本公司与爱三工业 株 公司共同根据 实施各种热处理 使组织变化的 TIMETAL1100 在室内温度 800oC 左右的强度 特性 疲劳特性 耐高温蠕变特性等进行评价 在把握发现最佳材质特性平衡 条件的基础上 对作为发动机气门的使用可能性进行了确认 再有 对发动机 气门进行了实际地制作 并对此进行了评价 图 7 表示的是实施了最佳热处理的 TIMETAL1100 合金在室温 高温区域的 强度特性 0 2 耐力 在室温 700oC 的温度范围 比作为主要气门用材料的 SUH35 高 大致等同于 800oC 在 800oC 的疲劳强度也与 SUH35 同等水平 在 最令人担心的耐高温蠕变特性方面 比 SUH35 还要出色 它可以充分地用于排 气气门 这一点已经得到了确认 图 7 TIMETAL1100 Ti 1100 以及 SUH35 的室温 高温拉伸强度 还有 我们知道 含有 Al 的钛合金 在 600oC 左右的温度区域 长时间暴 露之后的 生成被称之为 2的规则相 延伸性下降 对排气气门由于也设想了 在这样的温度区域 以累积时间 长时间暴露的情况 因此 实际地 对数千 小时高温暴露之后的材料延伸特性进行了评价 即使长时间地在 600oC 左右的 温度区域暴露 也残留延伸性 这一点也得到了确认 4 悬架弹簧 型合金即使是在钛合金当中 扬氏模量也是低 为钢的 1 2 以下 运用到弹簧部件上之后 与钢相比的话 可以减少圈数 再加上低比重 可 以发挥轻量化的效果 该部件在赛车上有使用 C Ti 3Al 8V Cr 4Zr 4Mo 等的实际事例 但是 由于价格昂贵 因此 针对本用途开发了以适 用于量产车为目标的的 低成本的合金 TIMETAL LCB Ti 4 5Fe 6 8Mo 1 5Al 该合金 灵活运用了作为型钛合金特征的低扬氏模量 约 80 000MPa 和高强度 约 1 400MPa 在 2001 年被采用到了大众公司的 Lupo FSI 车上 期待它也将被日本市场所采用 5 低成本合金 高机能合金的开发以及适用的研究 正如上述介绍的事例所述 在汽车部件中所采用的大多数钛材料是通用的 纯钛和为航空设备用所开发出来的合金 但是 为了将钛合金使用于日益扩大 的汽车用途 正如 2 3 节所介绍的高温排气系统部件用合金和在 4 章所介绍的 弹簧用型合金那样 应该经常地将如何使它也能够用于汽车部件当中这样的 观念 放入头脑当中来考虑 以开发出新的合金来 或者说 也可以不以作为 汽车部件为目标 但是 也要以将它如何能够应用到非航空的领域当中的这种 概念来进行合金的开发 这是在近年来钛合金开发动态的一个特征 本公司为了在这些非航空领域推广钛材料的使用 经过了长年 对低成本 高机能合金进行了开发 其一是被称之为 Super TIX 系列的一连合金群 图 8 表示的是将其强度 延伸性平衡与其它现存合金的比较模式图 该 Super TIX 系列大致划分为 Ti Al Fe 系列和 Ti Fe O N 系列 其中的 Ti Al Fe 系列合金群 是 不使用现存合金中所常用的作为高价相稳定化元素的 V 和 Mo 而是用 廉价的 Fe 来代替它们的合金群 作为其中核合金的 Super TIX51AF 是 以 Ti 5 Al l Fe 为中心组成 再由氧 氮来进行强度调整 由此实现了与 Ti 6Al 4V 同等的 1000MPa 程度的拉伸强度和比 Ti 6Al 4V 更加出色的热加工性的合金 以棒材为中心 开展了对其适用性的研究 在最近 开发了成本略微高 但是 具有能够对其起到弥补机能的 Super TIX523AFM 该合金如图 9 所示 在 800 950oC 的热加工温度区域 具有比 Super TIX51AF 更加出色的热加工性 低变形阻力 热延展性 退火材料的拉伸强度约为 1 000MPa 在进行了强 化热处理之后 发现可能具有超过 1 300MPa 的拉伸强度 图 8 Super TIX 系列以及代表性钛材料的强度 延展性的关系 模式图 图 9 Super TIX51AF 以及 523AFM 的热加工性 Gleebel 试验 另外 Ti Fe O N 系列合金 它主要是一种适合在室温左右使用的部件等 用于不太暴露在高温区域的用途上的合金 根据将廉价的 Fe 氧 痰进行平衡 良好的配合 发现出它具有以与纯钛同等出色的热加工性为主的各种高机能特 性 作为其中核合金的 Super TIX800 以 Ti 1 Fe 0 35 O 0 01 N 为基本组合 以 Ti 6Al 4V 和 Ti 3Al 2 5V 中间的 800MPa 左右的拉伸强度和出色的冷以及热 加工性为特征 被制造出了厚中板 热轧薄板 冷轧薄板 棒材 线材等各种 制品 这些合金都属于 型合金 作为针对汽车部件等级 根据其特性 强 烈希望它能够应用到发动机气门 连杆 气门弹簧座 紧固件等各种汽车部件 上 在使用该 Super TIX 系列时 为了降低制造成本 应该选择其特有的合金 元素构成 注意在使用上的多少 有关情况在文献中有详细地介绍 请参考 6 钛在一般民生品领域的利用 近年来 在所有一般民生领域中利用钛的事例急剧增加 眼镜架 表带 表壳 便携家电 电器壳体和以高尔夫俱乐部为主的体育用品等 钛的存在在 身边随处可见 在 5 章所介绍的 Super TIX 系列也是 从其开发目的 到在一 般民生品当中的使用事例 研究事例 随着纯钛的使用增加而增加 有关更低 成本化 高机能化的研究开发也在被推进 另外 由于它不含有毒性元素和高 融点金属 因此 正在对其在牙科铸造上的应用进行研究 还有 纯钛和钛复合钢在海洋 土木工