钛合金在汽车元件之应用

鈦合金在汽車元件之應用

汽車科專任教師 葉元勳

國立臺灣師範大學工業教育研究所研究生 秦桔萬

壹、前言

鈦（Titanium ）及鈦合金是在二次大戰以後因航空及太空工業之需求而迅速發展起來的一種新型金屬結構材料。但由於其冶煉技術較困難，且生產成本較高，價格昂貴，使得鈦合金一般僅侷限應用在航太工業上。隨著鈦冶金工業生產技術不斷的改善並降低生產成本，因此鈦合金已逐漸廣泛應用在航太工業以外的領域，如生醫器材、石化工業、海洋工程、能源工業、運動器材及汽車工業等[1]。 對於小轎車言，引擎使用鈦合金零組件有節省燃料、減輕車重、降低引擎噪音與震動、延長機件壽命等。因此，汽車引擎鈦合金機件可提高引擎性能。目前鈦合金應用在汽車引擎的機件包括了連桿、汽門、汽門彈簧、汽門彈簧座、渦輪增壓器及排氣管等；應用在汽車底盤的機件包括懸吊系統圈狀彈簧、驅動軸、螺栓等，如圖1所示。本文針對鈦的基本性質與鈦合金主要種類，鈦合金應用在汽車引擎零組件之優點、合金類別及製造方式作一概要之敘述。

貳、鈦的基本性質與主要合金分類

鈦在地殼的存量僅次於Al 、Fe 、Mg 而居於第四位為相當多的金屬元素，熔點為1668°C，沸點為3260°C。其基本性質如下[2]：

1. 密度小，比強度高：鈦的密度為4.51g/cm3，僅約鋼或鎳合金的一半。比強度高於鋁合金及高強合金鋼。

圖1 鈦合金在小型車的應用潛力

2. 導熱係數小：鈦的導熱係數小，是低碳鋼的五分之一，銅的二十五分之一。

3. 無磁性，無毒：鈦是無磁性金屬，在很大的磁場中不會被磁化，無毒且與人體組織及血液有很好的相溶性，廣為醫界所採用。

4. 抗阻尼性能強：鈦受到機械振動及電振動後，與鋼、銅金屬相比，其自身振動衰減時間最長。

5. 耐熱性佳：因溶點高，使得鈦被列為耐高溫金屬。

6. 耐低溫：可在低溫下保持良好的韌性及延性，是低溫容器的理想材料。

7. 吸氣性能高：鈦的化學性質非常活潑，在高溫下容易與碳、氫、氮及氧發生反應。

8. 耐蝕性佳：在空氣中或含氧的介質中，鈦表面會生成一層緻密的、附著力強、惰性大的氧化膜，保護鈦基體不被腐蝕。

純鈦在882°C會產生同素變態，在變態溫度以下之結晶結構為六方最密晶格(hexagonal close-packed,HCP)，稱為α相。在變態溫度以上為體心立方晶格（body-centered cubic,BCC），稱為β相。鈦合金隨著合金元素及數量不同，變態溫度會產生變化，因此α相與β相存在的範圍也會擴大或縮小。

鈦合金依添加不同種類的元素與同素異形體之轉換效應，可分成α

穩定元素

及β穩定元素。圖3為為此二類鈦合金穩定元素及平衡相圖。α穩定元素有Al 、Sn 、Zr 、N 與O 等元素，此類元素在α相內有較高的溶解度，會使β相區域變態溫度升高，擴大α相在高溫存在的範圍，α穩定元素以Al 為代表。β穩定元素有Mo 、V 、Nb 、Ta 等元素，此類元素可完全的固溶入β相，使變態溫度下降，擴大β相存在的範圍，β穩定元素以Mo 及V 為代表[3]。

鈦合金組織依所添加合金元素的種類與成分的多寡，在常溫下的顯微組織觀察可分為：α合金、β合金、α＋β合金。

一、α合金

α合金在室溫下為HCP 結構，可能單獨或同時含有鋁、錫等α穩定元素。在鈦中加入鋁會使得鈦固溶強化，具有高強度、韌性、抗潛變、易銲接但延性低的特性。α合金不能以熱處理來強化，一般只進行退火處理。此外，α合金可以在538℃以下穩定存在[4]。

二、β合金

合金中可能含有一種或多種以上的β穩定元素，如鉬、釩、鈮、鉻等。這類合金有高的硬化能及鍛造能力，但卻有明顯的韌脆轉換現象，不適用於低溫。β合金為熱處理型合金，所以能依固溶時效處理來獲得很高的強度。β鈦合金可穩定存在於315℃以下溫度範圍[5]。

三、α＋β合金

α＋β合金含有α穩定元素及β穩定元素，因此在室溫下混合有α相及β，同時兼具兩相的特性。可穩定存在於427℃以下溫度，強度比α鈦合金高，加工性良好，比α型合金有更好的成形性。又依α相與β相混合比之大小，有時將α＋β鈦合金再細分而稱為近(near)合金，α含量比例較多稱為n-α合金；β含量比例較多稱為n-β合金[7]。

β

圖2 二元鈦合金穩定元素及相圖[6]

參、鈦合金在汽車引擎上的應用

一、引擎連桿(connecting rod)

連桿連接活塞與曲軸，將活塞的動力傳遞到曲軸，因承受很大的衝擊力，故必須強度大且不易變形。此外，連桿也必須質輕，以減少慣性損失，提升引擎最高轉速。鈦合金因具有質輕、比強度高的性質，故鈦合金連桿的優點為

[8]：

（一）可減少引擎震動與噪音。

（二）可提高曲軸轉動速度。

（三）可減少曲軸應力。

（四）活塞側壓力較小，活塞裙較不易磨損。

（五）較高的引擎扭力。

鈦合金連桿最廣泛的材料為Ti-6Al-4V ，屬於α＋β鈦合金，兼具α合金的韌性與抗潛變性及β合金之強度與良好成型性，且具有極佳的耐腐蝕性。其缺點是生產成本高，故鈦金屬公司(TIMET)已研發了Ti-62S 作為替代合金。Ti-62S (Ti-6Al-1.7Fe-0.18O2-0.1Si) 性質接近於Ti-6Al-4V ，添加Si 可增加強度及抗潛變能力；添加鐵可降低原料成本，亦能促進晶粒細化，進而提高強度，同時改善加工性；添加O2可強化鈦合金。由於生產成本較低，價格較Ti-6Al-4V 便宜10~20%。

鈦合金連桿的製造法一般為鍛造法，但因鍛造材料步留率低、切削性較易切鋼差及鍛造物需要酸洗除去表層之氧化物的關係，導致加工成本很高[8]。所以目前鈦合金連桿的製造趨勢朝向淨型鑄造法及粉末冶金製造法。這二種方法所獲得的工件在疲勞性質上已有重要的改善[9]。

Accura NSX 3.0升 V6引擎首先採用了鈦合金連桿，使用的鈦合金為Ti-3A-2.0V 。與鎳鉻鋼連桿比較，可節省30﹪的重量且有相等的疲勞強度。Ti-3A-2.0V 價格較Ti-6Al-4V 便宜，Ti-6Al-4V 與Ti-3Al-2.0V 有相同的Al/V比，故能由回收的Ti-6Al-4V 中製造Ti-3Al-2.0V ，且因重量減輕，慣性損失少，故引擎最高轉速可增加700rpm[10]。

二、汽門(Valve)

進汽門(Intake Valve)工作溫度約300~400℃，排汽門(Exhaust Valve)工作溫度約600~800℃，因材料需具有抗熱性，尤其是在高溫下，必須保持其強度、硬度而不燒蝕。所以具有高溫耐氧化性及耐高溫潛變的鈦合金是合適的材料。就目前的應用而言，進汽門的材料以Ti-6Al-4V 為主，排汽門的材料以Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si(Ti-6242S)為主[11]，Sn 和Al 通常一起添加，以便

得無脆性的高強度；添加Mo 可增加鈦合金的熱處理性，加強淬火及時效鈦合金的高強度，同時增加硬化能。使用鈦合金汽門的優點如下：

（一）汽門重量減輕可減少汽門機構慣性質量，可提高引擎汽門震動的臨界

轉速。

（二）可減少彈簧負荷，減少汽門機構磨損。

（三）可降低燃油消耗。

（四）可降低汽門機構噪音。

表2 鈦合金汽門機構與鋼製汽門機構之比較

比較項目

進汽門重量 排汽門重量

汽門彈簧鎖扣重量

汽門機構重量

汽門震動臨界轉速

燃油經濟性 鋼汽門 鈦合金汽門 400g 240g 360g 220g 240g 80g 1000g 540g 6875rpm 7520rpm 0.7mile/gallon

福特汽車(Ford)的一項研究報告指出，在一具四缸八汽門，1.9升的引擎中使用鈦合金汽門，汽門重量可減少原鋼汽門重量的48﹪；引擎汽門震動的臨界轉速可提高650r/min；汽門彈簧負荷減少約30﹪；因汽門機構摩擦損失減少，在油耗表現上，平均每加侖汽油可增加0.7哩的里程數。表2為此具引擎在汽門機構重量與引擎效能的比較[11]。

然而，其它具有發展潛力的合金有[11]：

（一）進汽門可採用Ti-62S ，其特性相當於Ti-6Al-4V ，且價格較便宜。

（二）排汽門可採用Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo-0.45Si(Ti-1100)，因為Mo 含

量較低，故其耐潛變抵抗性較Ti-6242S 優，耐氧化溫度可達

600℃(1100°F)。此合金正由美國賽車零件製造商評估中，應用性指日

可待。

（三）排汽門可採用γ- TiAl。γ- TiAl具有耐高溫及重量輕的特點，但不適

合以傳統的鍛造法加工，僅適合使用鑄造法與粉末冶金法加工。當製

造方法更加成熟後，其價格也許會較目前廣泛使用的鎳基超合金排汽

門便宜。

三、汽門彈簧座(Valve Spring Retainer)

汽門彈簧座必須具備高強度及耐疲勞性，對於耐高溫的要求不像汽門那麼高。β鈦合金為熱處理型合金，能依固溶時效處理來獲得很高的強度，所以Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn 與Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si 是合適的材料[11]。

三菱汽車(Mitsubishi)在其量產汽車上使用Ti-22V-4Al 鈦合金汽門彈簧座。重量較原鋼製鎖扣減輕了42﹪，汽門機構慣性質量減少6﹪，引擎最大轉速增加300rpm 。

四、汽門彈簧(Valve Spring)

汽門彈簧的作用是使汽門能確實的關閉，尤其是引擎在高速運轉時，汽門彈簧因運動速度加快，易引起彈簧之諧振而導致汽門開閉不確實，影響引擎性能，故汽門的材料須具備質輕、強度大及耐疲勞的特性。鈦合金重量輕、比強度大及剪力模數低，實是彈簧的理想材料。

圓筒圈狀壓縮彈簧負荷與變形量之關係式如下：

8ND 3δ=P ，其中δ=彈簧變形量，D=彈簧直徑，d=線徑，G=剪力模數， 4Gd

P=彈簧負荷，N=彈簧圈數。因鈦合金的剪力模數G 較小會使彈簧在受負荷時變形量增加，為了避免這種情形，可使彈簧在設計時有較少的圈數及縮小彈簧直徑，如此不但可減少彈簧的變形量，而且尺寸大小僅是鋼彈簧的一半，彈簧重量僅為鋼彈簧的一半。彈簧重量一減輕，便可提高共振頻率，提高引擎汽門彈簧諧振的臨界轉速，增加引擎高速運轉之效率。對汽車設計者而言，鈦合金彈簧尺寸較小，在空間的應用上會更靈活。

β鈦合金因具有高強度及良好的冷加工成型性，所以是汽門彈簧的優良材料。一般在商業上使用最多的β鈦合金是Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr(Ti-38644)。

五、渦輪增壓器(turbocharger)

使用渦輪增壓器可以改善引擎的燃燒效率並增進引擎馬力及扭力。然而，渦輪增壓器的輪機轉子(turbine wheel)長期暴露在850℃以上的高溫廢氣中，故具備耐熱性是很重要的條件。傳統的輕金屬，如鋁合金或鎳基合金，因其溶點較低，便無法使用。雖然陶瓷材料重量輕且耐高溫性佳而被應用在輪機轉子上，但由於成本高及形狀上無法最佳化而使得應用上受到限制。

因此Tetsui 等人發展了TiAl 輪機轉子，經過了多次的引擎試驗，不但其耐久性及效能已受到證實，而且也可以改善引擎加速性及減少廢氣中的有害物質。此項設計已成功的商業化應用在Mitsubishi Lancer Evolution 系列車款上[13]。

六、排氣系統(exhaust system)

鈦因為具有良好的耐蝕性，故很適合做為排氣管（含消音器）的材料。因耐蝕性佳，故排氣管的管壁可以作得較薄，約1mm 厚，所以鈦排氣管與不銹鋼排氣管比較起來，可減輕約60%的重量[14]，例如409不銹鋼排氣管重達10Kg ，但鈦排氣管重量只有3.2Kg[15]。

商業用純鈦(CP)是排氣管的理想材料，ASTM Grade 2之純鈦（如Timetal 50A ）在取得性、製造性、銲接性與機械性質上是很合適的材料。純鈦可於冷溫下成型，所以鈦排氣管適合於在室溫下成型，且其成型的設備與技術皆和鋼排氣管相同，這使得鈦排氣管在製程上的成本並不會增加。鈦排氣管的製程是利用縫銲與電阻銲將膨脹箱(expansion box)銲合，然後再使用惰氣金屬極電弧銲(gas metal arc welding , GMAW)或惰氣鎢極電弧銲(gas tungsten arc welding , GTAW)將排氣管與膨脹箱銲接起來[16]。

肆、結語

鈦合金應用在汽車上已經有良好的效果，但目前多應用於賽車及跑車上。價格昂貴與製造成本高是鈦合金不能普遍應用在家庭房車的最大因素。所以，低價鈦合金的開發是鈦合金實用化的重要關鍵，以下幾點是努力的方向：

一、以低價格的添加元素取代鈦合金中重要的添加元素如V 、Mo 及Nb 等高價

元素。

二、開發易切削之鈦合金。

三、改善製造鈦粉末的方法。

四、使用連續鑄造法生產小直徑鈦棒或平板，可減少人力及能源的運用，降低成

本。

五、採用近淨型(near net)鑄造技術或近淨型粉末冶金製程開發低價鈦合金。

由於鈦合金工業不斷的在民生用途開發，冶煉及加工之成本降低，加上鈦合金高強度的特性，在汽車工業具有很大的應用潛力。所以實現汽車輕量化、低燃油消耗率及高性能表現，鈦合金佔有重要的地位。

參考文獻

1、張世穎 “鈦合金之發展現況及其在汽車工業之應用” ，工業材料，第170期，民國90年2月，pp.165-168。

2、http//www.titan-china.com陳學人 “Ti-6Al-4V合金之相變態特性與組織分析”，國立台灣大學材料科學研究所碩士論文，民國90年，pp

4、劉偉隆、林淳杰等編譯 “物理冶金（第三版）”，全華科技圖書公司，民國91年12月，p20-28。

5、劉偉隆、林淳杰等編譯 “物理冶金（第三版）”，全華科技圖書公司，民國91年12月，p20-29。

6、陳學人 “Ti-6Al-4V合金之相變態特性與組織分析”，國立台灣大學材料科學研究所碩士論文，民國90年，pp

7、陳學人 “Ti-6Al-4V合金之相變態特性與組織分析”，國立台灣大學材料科學研究所碩士論文，民國90年，pp

8、P.G . Allen, “Technical and commercial consideration for the application of titanium in automotive engines,” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part D：Journal of Automobile Engineering. Vol.208, 1994.p27.

9、Peacock, David K ,”Where titanium fits in automotion”, Materials World, V ol.1,1993.p664.

10、P.G . Allen, “Technical and commercial consideration for the application of titanium in automotive engines,” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part D：Journal of Automobile Engineering. Vol.208, 1994.p27.

11、P.G . Allen, “Technical and commercial consideration for the application of titanium in automotive engines,” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part D：Journal of Automobile Engineering. Vol.208, 1994.p28.

12、P.G . Allen, “Technical and commercial consideration for the application of titanium in automotive engines,” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part D：Journal of Automobile Engineering. Vol.208, 1994.p30

13、Tetsui and Toshimitsu, “Development of a TiAi turbocharger for passenger vehicles,” Materials Science and Engineering: A. Vol.329-331 Issue 1/2, p582

14、A.M. Sherman, “Use of titanium in production automobiles：potential and

challenges”, JOM, Vol.49, 1997.p40

15、Peacock and David , “Titanium springs forward”, Materials World, Vol.5,p582.

16、Peacock and David , “Titanium springs forward”, Materials World, Vol.5,

pp582~583.