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汽车排气系用高加工性、高耐热性钛合金薄板的开发

作者: 发布时间:2017-09-13 浏览次数:162

开发的汽车排气系用添加Cu的钛合金及添加Cu及Nb的钛合金,在2006年已成功地搭配在双轮车上,在2009年搭配在四轮车上。商品名为:Super-TIX ®10CU,Super-TIX®10CUNB,目前正广泛地用于汽车排气系。本合金的研究开发,我们选择了没有使用先例的Cu作为合金添加元素,成功地实现了高加工性与高耐热性。
选择Cu作为合金添加元素的理由、而选择Nb是为了提高抗氧化性。也介绍了合金的设计理念与诸特性,特别是研究了高温机械性能及作为排气系材料使用的高温蠕变特性的研究结果与最近使用状况。排气装置用材料对高温强度、高温疲劳特性及耐高温氧化性自不必说,而部件的形状、构造及使用环境则要求良好的耐高温蠕变性。关于蠕变的研究在纯钛方面有研究例,但也仅限于600℃以下,关于消音器用薄板的蠕变数据基本上没有。一般情况下双轮消音器的常用温度过为650℃,为了评价Ti-1Cu与纯钛(JIS 2类)的蠕变特性,考察了其机理。
汽车排气系的要求性能与合金设计
无论是双轮车还是四轮车,在近发动机的部位、近排气净化触媒装置的高温部位可使用的高温强度与耐氧化性优良的钛合金薄板是有要求的,已经开发几种钛合金薄板。一方面,排气系部件因要充分发挥其功能所以形状复杂同时成品车受工艺性左右,必须抗复杂性加工。即排气用材料不仅要有优良的高温强度、耐高温氧化性,而且室温下要有足够的延伸率、优良的弯曲性、张力成形性及深冲性成形等。
汽车排气性用钛合金的要求的特性必须符合以下4点:
(1)在600℃以上的高温下有足够的强度,长时间使用后强度降低小。
(2)在700℃以上的高温下氧化引起的壁厚的减少十分小。
(3)在室温下,与JIS 2类、ASTM Gr.2纯钛(以下简称Gr.2)具有同等以上的成形性(弯曲性、胀形特性、深冲性等)。
(4)在600℃以上的高温下,低于温度0.2%屈服强度的一定载重长时间施加也难于变形,即抗蠕变性优良。
(1)的实现,即提高高温强度,代表例就是Ti-3Al-2.5V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si,高温下α相的固溶强化能大的置换型元素Al、Sn、Si的添加据多。另一方面,(2)的实现即高温下抗氧化性提高,大多添加微量的Si。这样一来,设计高温下可使用的钛合金时,一般多添加Al、Sn、Si。但是,这些元素在增加室温强度方面有问题,即有损于纯钛优良的冷加工性。特别是Al可增大层压缺陷能,抑制了室温下纯钛高加工性源头的双晶变形,担心会降低冷加工性。
在这种情况下,我们扩大了合金元素选择范围,包括含准稳定状态的α相的固溶、发挥高温区固溶强化能的同时,又不抑制室温双晶发生的元素,选择了Cu。
具体的合金设计概念如下:
①平衡状态下的最大的2.1mass%α相固溶,且易过度饱和(平衡相的Ti2Cu难于析出)置换型元素Cu添加在1mass%以下。
②为了维持CP钛室温下的高加工性,不是普通的JIS 2类、Gr.2,而是相当于JIS 1类、Gr.1的低氧量。
③为了避免β相中Cu浓化中的α相的固溶量减少,极力抑制强β稳定化元素中杂质元素的Fe量。
基于这样的设计理念开发出了Ti-1Cu(Super-TIX®10CU)。
本合金中排气系用途设定在700℃,Cu的固溶强化与Gr.1相当的低氧量,实现了高温强度与室温高加工性。
另一方面,Ti-1Cu 在500~800℃ 的高温氧化性在后面将详细叙述。与纯钛具有基本相同的性能或者更好一些,特别是800℃程度的高温下也可使用,如果再添加0.5mass%Nb,以改善合金的耐氧化性。Nb的作用是抑制钛的氧化壳中的氧的扩散,以提高耐氧化性。同时α相中固溶了1.5~4.5mass%(500~800℃),高温强度降低了,α相中的Cu的固溶量减少的β相并没有生成。另外,Nb对室温加工性并没有影响。在这中情况下开发出了Ti-1Cu-0.5Nb(Super-TIX®10CUNB),使用温度设计在800℃附近。
今后,希望作为汽车排气系材料继续扩大适用例,希望对车辆的轻量化及防止地球温暖化有贡献。

洛阳顺易钛业有限公司

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