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钛合金在汽车元件之应用.pdf
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
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