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.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.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.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.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