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    汽車排氣系用高加工性、高耐熱性鈦合金薄板的開發

    2016-07-05

    1前言
      開發的汽車排氣系用添加Cu的鈦合金及添加Cu及Nb的鈦合金,在2006年已成功地搭配在雙輪車上,在2009年搭配在四輪車上。商品名為:Super-TIX ?10CU,Super-TIX?10CUNB,目前正廣泛地用于汽車排氣系。本合金的研究開發,我們選擇了沒有使用先例的Cu作為合金添加元素,成功地實現了高加工性與高耐熱性。
      本文介紹了選擇Cu作為合金添加元素的理由、而選擇Nb是為了提高抗氧化性。也介紹了合金的設計理念與諸特性,特別是研究了高溫機械性能及作為排氣系材料使用的高溫蠕變特性的研究結果與近期使用狀況。排氣裝置用材料對高溫強度、高溫疲勞特性及耐高溫氧化性自不必說,而部件的形狀、構造及使用環境則要求良好的耐高溫蠕變性。關于蠕變的研究在純鈦方面有研究例,但也僅限于600℃以下,關于消音器用薄板的蠕變數據基本上沒有。一般情況下雙輪消音器的常用溫度過為650℃,為了評價Ti-1Cu與純鈦(JIS 2類)的蠕變特性,考察了其機理。
      2汽車排氣系的要求性能與合金設計
      無論是雙輪車還是四輪車,在近發動機的部位、近排氣凈化觸媒裝置的高溫部位可使用的高溫強度與耐氧化性優良的鈦合金薄板是有要求的,已經開發幾種鈦合金薄板。一方面,排氣系部件因要充分發揮其功能所以形狀復雜同時成品車受工藝性左右,必須抗復雜性加工。即排氣用材料不僅要有優良的高溫強度、耐高溫氧化性,而且室溫下要有足夠的延伸率、優良的彎曲性、張力成形性及深沖性成形等。
      汽車排氣性用鈦合金的要求的特性必須符合以下4點:
     ?。?)在600℃以上的高溫下有足夠的強度,長時間使用后強度降低小。
     ?。?)在700℃以上的高溫下氧化引起的壁厚的減少十分小。
     ?。?)在室溫下,與JIS 2類、ASTM Gr.2純鈦(以下簡稱Gr.2)具有同等以上的成形性(彎曲性、脹形特性、深沖性等)。
     ?。?)在600℃以上的高溫下,低于溫度0.2%屈服強度的一定載重長時間施加也難于變形,即抗蠕變性優良。
     ?。?)的實現,即提高高溫強度,代表例就是Ti-3Al-2.5V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si,高溫下α相的固溶強化能大的置換型元素Al、Sn、Si的添加據多。另一方面,(2)的實現即高溫下抗氧化性提高,大多添加微量的Si。這樣一來,設計高溫下可使用的鈦合金時,一般多添加Al、Sn、Si。但是,這些元素在增加室溫強度方面有問題,即有損于純鈦優良的冷加工性。特別是Al可增大層壓缺陷能,抑制了室溫下純鈦高加工性源頭的雙晶變形,擔心會降低冷加工性。
      在這種情況下,我們擴大了合金元素選擇范圍,包括含準穩定狀態的α相的固溶、發揮高溫區固溶強化能的同時,又不抑制室溫雙晶發生的元素,選擇了Cu。
      具體的合金設計概念如下:
     ?、倨胶鉅顟B下的較大的2.1mass%α相固溶,且易過度飽和(平衡相的Ti2Cu難于析出)置換型元素Cu添加在1mass%以下。
     ?、跒榱司S持CP鈦室溫下的高加工性,不是普通的JIS 2類、Gr.2,而是相當于JIS 1類、Gr.1的低氧量。
     ?、蹫榱吮苊猞孪嘀蠧u濃化中的α相的固溶量減少,極力抑制強β穩定化元素中雜質元素的Fe量。
      基于這樣的設計理念開發出了Ti-1Cu(Super-TIX?10CU)。
      本合金中排氣系用途設定在700℃,Cu的固溶強化與Gr.1相當的低氧量,實現了高溫強度與室溫高加工性。
      另一方面,Ti-1Cu 在500~800℃ 的高溫氧化性在后面將詳細敘述。與純鈦具有基本相同的性能或者更好一些,特別是800℃程度的高溫下也可使用,如果再添加0.5mass%Nb,以改善合金的耐氧化性。Nb的作用是抑制鈦的氧化殼中的氧的擴散,以提高耐氧化性。同時α相中固溶了1.5~4.5mass%(500~800℃),高溫強度降低了,α相中的Cu的固溶量減少的β相并沒有生成。另外,Nb對室溫加工性并沒有影響。在這中情況下開發出了Ti-1Cu-0.5Nb(Super-TIX?10CUNB),使用溫度設計在800℃附近。
      4結論
      本文介紹了汽車排氣系用Ti-1Cu及Ti-1Cu-0.5Nb設計概念及其優良的特性(室溫成形性、高溫強度、耐氧化性、耐蠕變性)。這些合金通過Cu的添加實現了低氧化,必要的Nb的添加,原來合金設計思想中所沒有的新理念誕生了,如Super-TIX?10CU及Super-TIX?10CUNB作為汽車排氣系材料已廣泛地應用。如Super-TIX?10CU從2007年開始已用在鈴木GSX系列的消音器的對耐熱性有要求的部位。2009年開始用在日產GT-Rspec-V及從2010年開始使用在GT-R EGOIST的消音器上(圖.13(a)),與不銹鋼相比約重量減輕了30%。Super-TIX?10CUNB在歐洲較大的排氣系部件制造商Akrapovic不僅用在摩托車上,也用在汽車的消音器(圖.13(b))的一部分上均是充分活用了這些合金室溫下的高加工性與高溫強度、高耐氧化性、耐蠕變性,江蘇馬口鐵合金設計及制造條件的設定是合適的。

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