最強悍的的神級輕金屬

 

鈦合金

 

相信各位讀者都早已知曉「鈦合金」的大名，但你曾深入了解過鈦合金的奧妙之處嗎？這次的風格特輯將完全剖析這個神之金屬，到底骨子裡蘊含了多少世界的未來，影響了多少高性能產業的發展。

 

文／黃宥樺

圖／黃宥樺

 

單元支援：

惡搞手工坊（鈦段燒、彩鈦訂製） 新北市永和區永和路363巷6號 0939-699-913

WRRP（鈦合金排氣管） 新北市中和區景平路69號 02-2944-9292

 

 

#大標=為什麼要選鈦合金？

#中標=鈦合金超強的機械特性

#小標=高強度、高抗蝕、高熔點、低重量

#內文=鈦，是一個被廣泛運用在高科技產業上的元素，它擁有超高的強度，是鋁的兩倍之多，但重量卻只有鋼合金的一半，密度也比鋁高出60%，這些特性讓它在工業界蓬勃發展。鈦的熔點非常高，大約在攝氏1649度，但是導熱性其差無比，因此它雖然適合當作耐熱材質，但是散熱效果卻非常差，一旦吸收了熱量，就很難將它揮散出去。這個特性也讓鈦合金在加工上十分困難，時常使切削刀具因溫度太高而熔損，因此在加工水平要求上也相對較高。

鈦是一個高活性元素，但是它與水或空氣的反應卻非常緩慢，所以它最讓人津津樂道的地方，就是它強大的抗腐蝕效果，幾乎與「鉑」並駕齊驅，能完全不受稀硫酸、稀鹽酸、氯氣、氯溶液及大部份有機酸的腐蝕。唯一能讓鈦產生反應的，僅有高濃度的強酸。

 

 

 

鈦元素是一位德國化學家克拉普羅特（Martin Heinrich Klaproth）於1795年所發現，並以希臘神話中的泰坦（Titans）為其命名。

 

 

 

 

左側是白鐵材質的零件，70.58單位重量，右側為鈦合金材質零件，僅有38.51單位重量。

 

 

高性能鈦合金引擎零件

 

鈦合金是航空工業的重要元素，從1960年代開始就以每年8%的成長率極速攀升，至今已成為工業無可取代的重要材質。由於提煉與加工十分困難，因此價格高昂，僅能用在高性能產業上。但近年來國際列強紛紛投入資金，加強此類先進輕金屬的研發與工藝，以鞏固國際戰略地位。

隨著鈦合金的技術攀升，鈦合金也漸漸使用在民生交通企業上。鈦合金引擎零組件不僅能大幅提升引擎性能，甚至能降低油耗、強化產品壽命、減輕噪音、降低車重。目前鈦合金應用在機車引擎的機件包括連桿、汽門、汽門彈簧座、渦輪增壓器及排氣管等，車身零件則包含螺栓、螺絲、軸心等。

鈦本身是一種同素異構體，會隨著溫度的變化而改變原子結構，在低於882℃會呈現密排六方晶格結構，簡稱為α鈦；而超過882℃以上時會呈現體心立方晶格結構，簡稱為β鈦，而利用兩者不同的結構特性，而添加其他適當的合金元素，會成為三大類鈦合金：α型鈦合金、β型鈦合金、α+β型鈦合金。α型鈦合金常用於噴氣發動機渦輪盤和葉片製造，α+β型鈦合金則大量用於航空零件製造，β型鈦合金則低溫性能佳、室溫強度可達1372~1666Mpa。

 

 

 

此類鈦合金奢侈套件，在市場上越來越常見，可見鈦合金的高成本時代已漸漸過去。

 

 

 

鈦合金的產品越來越多元化。

 

 

 

鈦合金螺絲價格十分高昂，但是卻能大幅降低車身重量。

 

 

難以提煉的鈦元素

 

鈦元素在全地球中的含量非常的高，是所有金屬元素的第七高、全自然元素的第九高，但是高濃度的鈦礦卻非常稀少。在自然界中的鈦總與其他元素結合成化合物，並廣泛分布在地層各處，甚至分布在動植物身上，因此相對難以提煉，這也是鈦產品價格高昂的主因之一。

目前最廣泛被使用的提煉法有兩種，一種是亨特法（將四氯化鈦和鈉一起加熱至攝氏700至800度，提煉出高純度的99.9%鈦），另一種則是克羅爾法（利用鎂或鈉將四氯化鈦還原以提煉出鈦）。而克羅爾法是商業市場上最常見的方法，但是這兩種方法還是得耗費相當的成本與時間，因此科學家還在繼續研究更省時省成本的提煉法。不過近幾年出現了一種稱為FFC劍橋法的提煉法，日後很可能完全取代克羅爾法。它是以二氧化鈦為母料，經過簡單的程序即可提煉出鈦粉或海綿鈦，大幅降低了鈦在提煉上的成本，使得鈦成本不再那麼高昂。

 

 

以克羅爾法提煉出來的海綿鈦。

 

 

 

鈦的零組件。

 

 

 

鈦金屬的排氣管壓片。

 

相當難纏的鈦合金切削

 

鈦不僅提煉難，鈦合金加工更是難上加難，因為它高強度、高密度及化學特性，加工機台的水平要求甚高，甚至切削刀具都成了耗材，這也是造成鈦合金價格高昂的主因。其加工難度主要分為五大項：

1. 導熱性極差：鈦合金的導熱性僅有鋼的1/6，加工時高熱量不容易擴散，加上刀具切削接觸面積小，熱能都集中在一點，使得刀具容易軟化，加速刀具耗損。
2. 鈦合金親和力高：容易與刀具產生黏刀現象，增強與刀具的摩擦力，大幅降低刀具使用壽命。
3. 冷硬現象嚴重：在加工中，隨著切削溫度上漲，容易與空氣中的O、N、CO、CO2、H2O等產生反應，使間隙元素含量增加，讓工件的表層產生氧化而變硬，使得刀具所承受的應力變大，導致刀具迅速磨損或崩刃。
4. 彈性模數低：模數越高越不容易變形，但鈦合金模數過低，在切削過程中容易產生變形、回彈、扭曲和振動，因此鈦合金的工藝性低，難以加工成幾何形狀，粗操增大，造成刀具易損毀。
5. 變形係數小：這是鈦合金加工的重點之一，變形係數小於1時，切屑在前刀面上滑動摩擦的路程大幅增加，加速刀具磨損。

 

大略成型的鈦。

鈦錠。

鈦的薄性板料，都是用水壓刀切割。因為鈦過薄，容易燃燒與爆炸，因此不能使用雷射切割來加工。

 

零污染的金屬加工材

 

鈦合金在加工或提煉上都不會造成環境污染，因此被視為環保金屬，而鈦本身也是一種無毒、無磁性物質，即使大劑量也不會對人體造成影響，人在一天中大約會攝取0.8毫克的鈦，但通常會因為無法吸收而安全排出。鈦無毒的特性也讓它在醫療上擁有崇高地位，是非常理想的醫用金屬，可作為植入人體的義肢、金屬物。不過鈦合金在人體中可能會放出極微量的釩和鋁離子，會降低人體細胞適應性，但美國在20世紀初，便已研究出無鋁、無釩、具有生物相容性的鈦合金，可謂醫療界一大福音。

 

 

 

以鈦合金材質製成的義肢。

 

 

隨溫度變化的彩鈦燒紋

絢爛的鈦合金多色漸層

 

普通的鈦合金呈現銀灰色色澤，但通常廠商都會為了讓鈦產品與其他材質產品做區隔，因而利用鈦合金燒色特性，來增強產品辨識度。鈦合金燒色比起不鏽鋼還來得更加鮮豔，而這種燒色技術其實連讀者都可以自行DIY哦！隨著溫度變化，鈦金屬會呈現出金褐色、紫色、深青色、淺藍色、鵝黃色、紅色、暗綠色，而這種色彩變化主要是因為金屬的氧化程度不同而產生，幾乎所有金屬都能憑藉這樣產生顏色變化，但是鈦合金能燒出的鮮豔度卻是其他金屬無法比擬的。

 

 

鈦合金段燒的甜甜圈前段，價格高昂，視覺工藝性十足。

鈦合金尾段搭配鈦合金前段。

彩鈦排氣管總是讓人難以抗拒。

惡搞手工坊手工製作的鈦合金排氣管前段。

HONDA RC212V車上所使用的鈦合金排氣管前段。

 

絢麗的藍鈦是目前市場能見度最高的鈦色。

鈦合金原本的金屬色既低調又具質感。

這種鈦合金側柱價格十分高昂。

連排氣管的支架也可以「鈦」一下。

這種類型的段燒前段也是頗具質感。

油管支架也要鈦合金。

惡搞手工坊的絢麗鈦合金魯腸前段。

 

 

#大標=鈦合金的焊接與燒色

#小標=鈦合金焊接的注意事項

#內文=鈦合金的焊接的剛性其實比白鐵還要來得強，主要是因為鈦合金的密度小、剛性高、耐熱耐蝕性優異。但儘管鈦合金擁有極其優異的焊接特性，一般技師仍然認為鈦合金的焊接十分困難，主要原因是因為鈦合金焊接對於氣體保護的要求甚高，只有非常專業的人員才能保證氣體維護的要求。由於鈦合金氣體活性高，因此在焊接過程中，鈦合金燒體容易吸入空氣中的N2、O2和含碳物質，使鈦合金脆化，因此待焊區一定得清洗乾淨，並使用惰性氣體保護。得做好以下的防護措施，才能維持鈦合金的焊接品質：

1. 鈦合金部件和焊料要乾燥。
2. 準備好的焊料建議在48小時內使用完。
3. 待焊鈦合金部位與焊料必須去油脂與清洗，然後進行酸洗。
4. 使用高純氬氣或氦氣進行保護。

 

 

 

未做好氣體保護的鈦合金焊接（左側），做好氣體保護的鈦合金焊接（右側）。

 

#小標=鈦合金燒色的注意事項

#內文=鈦合金燒色之前，需注意各部位的溫度平均，還有燒色前鈦合金須用酒精或是肥皂清洗乾淨，以免在燒色時，造成油汙燃燒，進而影響燒色的均勻度。燒色時，火柱如果較大的話，燒色起來也會比較平均，不過因為鈦合金是導熱最慢的金屬，這個特性也讓鈦合金在燒色上的難易度大幅降低。導熱性差的特性也讓鈦合金成為鍋爐的最佳材質哦！因為煮菜最講究火侯控制，鈦合金的鍋底能讓料理物受熱更為平均，不容易造成一個地方燒焦、另一個地方卻還沒熟的狀況。

還有一個地方須特別注意，一般廠商都會在燒色前先拋光，因為這樣受熱比較平均，不容易因為表面凹凸不平而產生色差。

 

 

 

燒色後的鈦螺絲及未燒色的鈦螺絲。

 

 

 

未拋光的鈦段（左側），已拋光的鈦段（右側）。

 

 

 

拋光後與未拋光的鈦合金吊架，能看出明顯的燒色差異。

 

 

鈦合金燒色後的拋光

 

時常會聽到讀者詢問店家說，可否燒色完後自行重新拋光，再請店家重燒一次顏色，不過鈦合金的拋光並沒有想像中簡單哦！由於鈦合金密度高、強度高，因此需要兩階段的破壞性拋光，得先用粗的白石及高硬度砂輪進行第一次拋光，再用細的青石以及細砂輪再拋一次，才有辦法拋回原本的色澤。如果拋光之敗，鈦合金的表面會出現表皮剝落的情況，此時如果沒注意到直接燒色的話，將會影響燒色的平均度，這點要特別注意喔！

 

 

顆粒較粗的白石與顆粒較細的青石。

 

 

 

從圖中能看到，拋光失敗後的鈦段，中間出現如同表皮剝落般的狀況。

 

 

 

如果未注意到皮剝落般的，直接燒色後，就會像圖中的鈦段一樣，出現燒色不均的狀況。

 

 

#大標=鈦合金變色DIY大秘笈

#小標=自行DIY彩鈦一下

#內文=鈦合金的燒色其實非常簡單，讀者可以自行在家中嘗試，僅需要準備噴燈瓦斯以及固定夾具即可。下文筆者將以拋光後以及未拋光的鈦段下去做測試，讀者便可以看出鈦色的差異。

 

先準備噴燈瓦斯。

 

 

用一個夾具將鈦段夾緊。

 

 

 

用噴燈瓦斯開始加熱。

 

 

 

 

第一階段變色：金褐色，左側為未拋光，右側為拋光後。

 

 

 

 

第二階段變色：紫色，左側為未拋光，右側為拋光後。

 

 

 

 

第三階段變色：深青色，左側為未拋光，右側為拋光後。

 

 

 

 

第四階段變色：淺藍色，左側為未拋光，右側為拋光後。

 

 

 

 

第五階段變色：鵝黃色，左側為未拋光，右側為拋光後。

 

 

 

 

第六階段變色：紅色+暗綠色，左側為未拋光，右側為拋光後。

 

 

#大標=鈦合金在機車上的應用

#小標=鈦合金引擎連桿

#內文=連桿連接活塞與曲軸，將活塞的動力傳遞至曲軸，因為連桿本體必須承受強大的衝擊力，必須具備高強度、不易變形、耐高溫、重量輕等特性，因此比起鋼，鈦合金連桿更能增強引擎性能。不易膨脹的鈦合金連桿能減少引擎震動與噪音，重量輕的特性更能提升曲軸轉速，降低曲軸應力、減少活塞側壓力，更能減緩活塞裙磨損度並提升引擎扭力，可以說好處多多。

目前鈦合金連桿最常見的材質是α+β型鈦合金，兼具α型鈦合金的韌性與抗淺變性及β型鈦合金的強度與良好成型率，且具有極佳的耐蝕性。而加工方式以鍛造居多，但是其成本極高，因此只會在高性能車款上見到。

 

 

鈦合金曲軸連桿。

 

#小標=鈦合金汽門

#內文=一般進汽門的工作溫度約300至400℃，排汽門則是600至800℃，因此汽門本體的材質必須具有高抗熱性，尤其在高溫下必須保持其強度而不被熔蝕。因此鈦合金的高溫耐氧化性以及超高耐溫度特性成為了最佳首選。鈦合金排汽門可以減輕汽門機構慣性，提高汽門震動的臨界轉速，更可以減少汽門彈簧的負載，降低汽門結構受損、油耗、噪音等。鈦合金排氣門比起鋼質排氣門重量減輕了一半，總體機構重量也減輕一半，震動臨界轉速更能提高650至700rpm。

 

 

鈦合金汽門。

 

 

 

也有人將汽門燒成彩色。

 

 

鈦排氣管

 

鈦因為具有良好的耐蝕性，因此很適合曝曬在外的排氣管材質，鈦排氣管的管壁也能做得較薄，薄到僅1mm厚，比起白鐵排氣管，重量能輕上60%。而鈦排氣管的通常會使用商業用純鈦來製作，純鈦可在低溫成型，由於鈦排氣管能在室溫下進行加工，而且成型的設備與白鐵管不約而同，因此鈦排氣管的製作成本不會增加。一般鈦排氣管因為不容易升溫，所以比較不容易燙傷別人，但相對的，鈦管也不容易降溫。

 

 

 

鈦合金排氣管看起來質感十足。

 

 

 

WRRP高質感、質量輕的鈦合金競技排氣管。

 

 

裝上車非常吸睛。

 

渦輪增壓器的應用

 

機車的渦輪增壓器一般都是改裝套件，而渦輪增壓最適合的材質就是鈦合金。渦輪增壓能增強引擎的燃燒效率並增進馬力及扭力，但是一般渦輪增壓的輪機轉子都長期曝露在850℃以上的高溫廢氣中，因此高耐熱性就成為重要的條件。傳統的輕金屬（鋁合金、鎳基合金）因熔點較低，因此不適用於輪機轉子上。而有人嘗試使用陶瓷材質，但因為成本高且受限於形狀無法自由成型，使得陶瓷輪機轉子發展受限。後來有人研發鈦合金輪機轉子，並經過無數的測試，證明鈦合金是輪機轉子的最佳材質，耐久性及效能獲得完整的驗證。

 

 

鈦合金螺絲

 

白鐵螺絲與鈦合金螺絲兩者的重量差了將近兩倍。將全車的螺絲全部改為鈦合金可以大幅降低車身重量，而且鈦合金螺絲的強度更是鋁合金螺絲的兩倍，因其高溫的耐熱性，在引擎內部也能採用鈦合金螺絲，只是鈦螺絲要價十分高昂，僅有在高水準的車賽中，才有辦法看見全車鈦螺絲的車輛。

 

 

 

鈦合金螺絲。

 

 

 

有些鈦合金螺絲還燒成各種顏色，以增加買氣。

 

鈦合金軸心

 

鈦合金軸心時常出現在國際等級賽事中，鈦合金的軸心強度比鋼強，重量卻僅有鋼的一半，不僅能降低車身重量，也能減輕前輪簧下負擔，但一根卻也所費不貲。市場上能看到許多鍍鈦的產品，它們實質上只是用一般白鐵製作，讀者們可要分清楚真鈦以及鍍鈦產品的差別哦！

 

 

鈦合金軸心。