JP2000135543A - チタン系金属の鍛造方法、エンジンバルブの製造方法およびエンジンバルブ - Google Patents
チタン系金属の鍛造方法、エンジンバルブの製造方法およびエンジンバルブInfo
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- B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
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- F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
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- F01L3/02—Selecting particular materials for valve-members or valve-seats; Valve-members or valve-seats composed of two or more materials
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- Powder Metallurgy (AREA)
- Self-Closing Valves And Venting Or Aerating Valves (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 低コストで、延性や疲労強度の高いチタン系
金属製品を製造できるチタン系金属の鍛造方法およびエ
ンジンバルブの製造方法を提供すること。 【解決手段】 本発明のチタン系金属の鍛造方法はチタ
ン合金中で熱力学的に安定なセラミックスおよび／また
は気孔を総計で体積比１％以上含むチタン系焼結素材を
用意する工程と、該素材を鍛造温度に加熱し、鍛造する
工程を有することを特徴とする。本発明のチタン系金属
の鍛造方法は、内部の気孔もしくはチタン合金中で熱力
学的に安定なセラミックス粒子が鍛造時の結晶粒成長を
抑えるため、材料の変形抵抗が小さな比較的高い温度条
件での鍛造が可能となり、かつ微細な合金組織を維持で
きるため衝撃値や疲労強度の低下が抑えられる。
金属製品を製造できるチタン系金属の鍛造方法およびエ
ンジンバルブの製造方法を提供すること。 【解決手段】 本発明のチタン系金属の鍛造方法はチタ
ン合金中で熱力学的に安定なセラミックスおよび／また
は気孔を総計で体積比１％以上含むチタン系焼結素材を
用意する工程と、該素材を鍛造温度に加熱し、鍛造する
工程を有することを特徴とする。本発明のチタン系金属
の鍛造方法は、内部の気孔もしくはチタン合金中で熱力
学的に安定なセラミックス粒子が鍛造時の結晶粒成長を
抑えるため、材料の変形抵抗が小さな比較的高い温度条
件での鍛造が可能となり、かつ微細な合金組織を維持で
きるため衝撃値や疲労強度の低下が抑えられる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、チタン系金属の鍛
造方法に関し、詳しくは、自動車のエンジンバルブに用
いられるチタン系金属の鍛造方法に関する。
造方法に関し、詳しくは、自動車のエンジンバルブに用
いられるチタン系金属の鍛造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】自動車等の内燃機関に装着されるエンジ
ンバルブの材質に対する要求は、エンジン部品の中でも
厳しい部類に入っている。特に、高温の燃焼雰囲気にさ
らされながら相当大きな荷重を受けるので、高温下での
耐熱強度や耐食性、耐酸化性とシートとの当たり面の耐
磨耗性にすぐれていることが求められている。さらに、
近年の自動車の高性能指向にともない、エンジンバルブ
部材においても軽量化が求められてきた。
ンバルブの材質に対する要求は、エンジン部品の中でも
厳しい部類に入っている。特に、高温の燃焼雰囲気にさ
らされながら相当大きな荷重を受けるので、高温下での
耐熱強度や耐食性、耐酸化性とシートとの当たり面の耐
磨耗性にすぐれていることが求められている。さらに、
近年の自動車の高性能指向にともない、エンジンバルブ
部材においても軽量化が求められてきた。
【０００３】これらの要求を満たすエンジンバルブとし
て、チタン系金属（チタン合金）を用いたエンジンバル
ブが開発されている。チタン合金は、その特性が結晶構
造と密接に関係している。このため、チタン合金は、結
晶構造によりα型、α＋β型、β型チタン合金に大別さ
れている。チタン合金として最も使用量の多いα＋β型
チタン合金は、変態温度（β変態点）以上（β温度域）
ではβ型組織に変態し、β型組織のチタン合金はβ変態
点以下（α＋β温度域）では、α＋β型組織に変態する
ことが知られている。
て、チタン系金属（チタン合金）を用いたエンジンバル
ブが開発されている。チタン合金は、その特性が結晶構
造と密接に関係している。このため、チタン合金は、結
晶構造によりα型、α＋β型、β型チタン合金に大別さ
れている。チタン合金として最も使用量の多いα＋β型
チタン合金は、変態温度（β変態点）以上（β温度域）
ではβ型組織に変態し、β型組織のチタン合金はβ変態
点以下（α＋β温度域）では、α＋β型組織に変態する
ことが知られている。
【０００４】α＋β型チタン合金は、β変態点を超える
と急速に粗大な組織となり、衝撃値や疲労強度が低下す
るため、従来のα＋β型チタン合金の鍛造はα＋β温度
域で行われていた。しかしながら、α＋β温度域におけ
るα＋β型チタン合金は変形抵抗が大きいため、鍛造加
工は容易ではなかった。このようなチタン合金を加工し
たチタン合金製エンジンバルブの一般的な製造方法は、
溶融チタン合金から製造したチタン合金製線材をアップ
セッターにより予備成形し、この部分に熱間で据え込み
を行うことでバルブ形状を形成していた。
と急速に粗大な組織となり、衝撃値や疲労強度が低下す
るため、従来のα＋β型チタン合金の鍛造はα＋β温度
域で行われていた。しかしながら、α＋β温度域におけ
るα＋β型チタン合金は変形抵抗が大きいため、鍛造加
工は容易ではなかった。このようなチタン合金を加工し
たチタン合金製エンジンバルブの一般的な製造方法は、
溶融チタン合金から製造したチタン合金製線材をアップ
セッターにより予備成形し、この部分に熱間で据え込み
を行うことでバルブ形状を形成していた。
【０００５】たとえば、特開平７−３４８１５号にチタ
ン合金製エンジンバルブの製造方法が開示されている。
この製造方法は、チタン合金棒を熱間押出しおよび傘形
状への型鍛造によりバルブ形状とする方法であった。ま
た、粉末冶金法によりバルブを製造する方法もある。す
なわち、チタン合金粉末を冷間静水圧（ＣＩＰ）成形に
よりバルブ形状を有する成形体を成形した後に、この成
形体を焼結させる方法である。
ン合金製エンジンバルブの製造方法が開示されている。
この製造方法は、チタン合金棒を熱間押出しおよび傘形
状への型鍛造によりバルブ形状とする方法であった。ま
た、粉末冶金法によりバルブを製造する方法もある。す
なわち、チタン合金粉末を冷間静水圧（ＣＩＰ）成形に
よりバルブ形状を有する成形体を成形した後に、この成
形体を焼結させる方法である。
【０００６】このような粉末冶金法の例として、特開平
６−２２９２１３号に開示されたエンジンバルブの製造
方法がある。この製造方法は、チタン粉末およびアルミ
ニウム粉末の混合物をキャンニングしてバルブ形状に押
出鍛造成形した後に、反応合成させてＴｉ−Ａｌ系金属
間化合物よりなるエンジンバルブを製造するエンジンバ
ルブの製造方法が開示されている。
６−２２９２１３号に開示されたエンジンバルブの製造
方法がある。この製造方法は、チタン粉末およびアルミ
ニウム粉末の混合物をキャンニングしてバルブ形状に押
出鍛造成形した後に、反応合成させてＴｉ−Ａｌ系金属
間化合物よりなるエンジンバルブを製造するエンジンバ
ルブの製造方法が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
７−３４８１５号に記載のエンジンバルブの製造方法の
ようにチタン合金製線材を用いる製造方法では、チタン
合金線材が溶製材であるため、その製造および直棒状と
するために多くの工程が必要となるとともに、歩留まり
も悪いことからコストが高くなっていた。
７−３４８１５号に記載のエンジンバルブの製造方法の
ようにチタン合金製線材を用いる製造方法では、チタン
合金線材が溶製材であるため、その製造および直棒状と
するために多くの工程が必要となるとともに、歩留まり
も悪いことからコストが高くなっていた。
【０００８】また、特開平６−２２９２１３号に記載の
エンジンバルブの製造方法のように粉末冶金を用いる製
造方法では、焼結体は残留気孔が多いため、延性および
疲労強度が低いという問題を有していた。本発明は上記
実状に関してなされたものであり、低コストで、延性や
疲労強度の高いチタン系金属製品を製造できるチタン系
金属の鍛造方法およびエンジンバルブの製造方法を提供
することを課題とする。
エンジンバルブの製造方法のように粉末冶金を用いる製
造方法では、焼結体は残留気孔が多いため、延性および
疲労強度が低いという問題を有していた。本発明は上記
実状に関してなされたものであり、低コストで、延性や
疲労強度の高いチタン系金属製品を製造できるチタン系
金属の鍛造方法およびエンジンバルブの製造方法を提供
することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明者らはチタン系金属の製造方法について検討
を重ねた結果、チタン合金中で熱力学的に安定なセラミ
ックスもしくは気孔を含むチタン系焼結素材を熱間鍛造
することにより、材料の変形抵抗が小さな温度条件での
鍛造が可能となり、かつ微細な合金組織を維持できるた
め、衝撃値や疲労強度の低下が抑えられることを確認
し、上記課題を克服できることを見出した。
め、本発明者らはチタン系金属の製造方法について検討
を重ねた結果、チタン合金中で熱力学的に安定なセラミ
ックスもしくは気孔を含むチタン系焼結素材を熱間鍛造
することにより、材料の変形抵抗が小さな温度条件での
鍛造が可能となり、かつ微細な合金組織を維持できるた
め、衝撃値や疲労強度の低下が抑えられることを確認
し、上記課題を克服できることを見出した。
【００１０】すなわち、本発明のチタン系金属の鍛造方
法は、チタン合金中で熱力学的に安定なセラミックス粒
子もしくは体積比で１％以上の気孔を有するチタン系焼
結素材を用意する工程と、該素材を鍛造温度に加熱し、
鍛造する工程と、を有することを特徴とする。チタン合
金中で熱力学的に安定なセラミックス粒子としては、Ｔ
ｉＢやＴｉＢ 2等のホウ化チタン、ＴｉＣ、Ｔｉ2Ｃ、チ
タンシリサイド、ＴｉＮ等があり、広い意味では金属間
化合物、希土類元素の酸化物も該当する。この中ではホ
ウ化チタンが好ましい。なお、チタン合金中で熱力学的
に安定とは、高温までチタン中に分解、固溶せずに粒子
として存在して残存できるという意味である。また、耐
熱強度は必ずしも必要という意味ではなく、粒子として
存在していれば同様の作用効果を発揮する。
法は、チタン合金中で熱力学的に安定なセラミックス粒
子もしくは体積比で１％以上の気孔を有するチタン系焼
結素材を用意する工程と、該素材を鍛造温度に加熱し、
鍛造する工程と、を有することを特徴とする。チタン合
金中で熱力学的に安定なセラミックス粒子としては、Ｔ
ｉＢやＴｉＢ 2等のホウ化チタン、ＴｉＣ、Ｔｉ2Ｃ、チ
タンシリサイド、ＴｉＮ等があり、広い意味では金属間
化合物、希土類元素の酸化物も該当する。この中ではホ
ウ化チタンが好ましい。なお、チタン合金中で熱力学的
に安定とは、高温までチタン中に分解、固溶せずに粒子
として存在して残存できるという意味である。また、耐
熱強度は必ずしも必要という意味ではなく、粒子として
存在していれば同様の作用効果を発揮する。
【００１１】また、本発明のエンジンバルブの製造方法
は、素材（ビレット）を加熱する工程と、加熱されたビ
レットを押出成形してステムを形成する工程と、成形さ
れたステムをただちに転造して矯正する工程と、再加熱
する工程と、その後熱間で傘部を据え込み鍛造する工程
と、を有することを特徴とする。また、チタン系金属
は、焼結のみでは残留気孔による延性、疲労強度の低下
が発生するが、鍛造による緻密化を行うため、延性、疲
労強度の低下が発生しない。
は、素材（ビレット）を加熱する工程と、加熱されたビ
レットを押出成形してステムを形成する工程と、成形さ
れたステムをただちに転造して矯正する工程と、再加熱
する工程と、その後熱間で傘部を据え込み鍛造する工程
と、を有することを特徴とする。また、チタン系金属
は、焼結のみでは残留気孔による延性、疲労強度の低下
が発生するが、鍛造による緻密化を行うため、延性、疲
労強度の低下が発生しない。
【００１２】
【発明の実施の形態】（チタン系金属の鍛造方法）本発
明のチタン系金属の鍛造方法は、焼結素材を製造する工
程と、焼結素材を加熱する工程と、焼結素材を鍛造する
工程と、を有する。焼結素材を製造する工程は、原料粉
末を焼結して焼結素材とする工程である。ここで、焼結
素材は、十分に混合した所定の組成のチタン系粉末を金
型を用いた型成形等の成形方法により成形体を作製し、
この成形体を焼結させて得られる。原料粉末は、チタン
系粉末と強化用粉末とからなる混合粉末およびチタン系
合金粉末がある。チタン系粉末には、純チタン粉末や水
素化チタン粉末等がある。強化用粉末にはＡｌ−Ｖ合金
粉末やＡｌ−Ｓｎ−Ｚｒ−Ｍｏ−Ｎｂ−Ｓｉ合金粉末等
の母合金粉末あるいは、ＴｉＢ2、ＴｉＣ等のセラミッ
クス粉末がある。また、チタン系合金粉末には、例え
ば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金粉末や、Ｔｉ−６Ａｌ−４
Ｖ−５ＴｉＢ合金粉末等がある。
明のチタン系金属の鍛造方法は、焼結素材を製造する工
程と、焼結素材を加熱する工程と、焼結素材を鍛造する
工程と、を有する。焼結素材を製造する工程は、原料粉
末を焼結して焼結素材とする工程である。ここで、焼結
素材は、十分に混合した所定の組成のチタン系粉末を金
型を用いた型成形等の成形方法により成形体を作製し、
この成形体を焼結させて得られる。原料粉末は、チタン
系粉末と強化用粉末とからなる混合粉末およびチタン系
合金粉末がある。チタン系粉末には、純チタン粉末や水
素化チタン粉末等がある。強化用粉末にはＡｌ−Ｖ合金
粉末やＡｌ−Ｓｎ−Ｚｒ−Ｍｏ−Ｎｂ−Ｓｉ合金粉末等
の母合金粉末あるいは、ＴｉＢ2、ＴｉＣ等のセラミッ
クス粉末がある。また、チタン系合金粉末には、例え
ば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金粉末や、Ｔｉ−６Ａｌ−４
Ｖ−５ＴｉＢ合金粉末等がある。
【００１３】チタン系粉末は、その平均粒径が８０μｍ
以下であることが好ましい。平均粒径が８０μｍより大
きくなると、焼結温度が低下し、鍛造時の割れを招くよ
うになる。焼結素材は、粉体を成形した後に焼結させた
ものであるため、その内部に気孔を有している。この焼
結素材は、相対密度が高いことが好ましい。焼結素材の
相対密度が高くなると、高温延性が上昇するため、焼結
素材の鍛造による成形性が向上する。このことは、図１
の相対密度と高温延性の関係の測定結果からもわかる。
ここで、図１の関係図は、Ｔｉ−５．９Ａｌ−３．９−
Ｓｎ−３．９Ｚｒ−１Ｍｏ−１Ｎｂ−０．１５Ｓｉ合金
マトリックスに５ｖｏｌ％のホウ化チタン粒子を分散さ
せたチタン合金焼結体の高温延性を、相対密度を変化さ
せて測定した関係図である。
以下であることが好ましい。平均粒径が８０μｍより大
きくなると、焼結温度が低下し、鍛造時の割れを招くよ
うになる。焼結素材は、粉体を成形した後に焼結させた
ものであるため、その内部に気孔を有している。この焼
結素材は、相対密度が高いことが好ましい。焼結素材の
相対密度が高くなると、高温延性が上昇するため、焼結
素材の鍛造による成形性が向上する。このことは、図１
の相対密度と高温延性の関係の測定結果からもわかる。
ここで、図１の関係図は、Ｔｉ−５．９Ａｌ−３．９−
Ｓｎ−３．９Ｚｒ−１Ｍｏ−１Ｎｂ−０．１５Ｓｉ合金
マトリックスに５ｖｏｌ％のホウ化チタン粒子を分散さ
せたチタン合金焼結体の高温延性を、相対密度を変化さ
せて測定した関係図である。
【００１４】焼結素材を加熱する工程は、焼結素材を鍛
造温度まで加熱する工程である。すなわち、図１の関係
図からわかるように、延性は温度の上昇とともに向上し
ている。つまり、延性が上昇することで、鍛造性も向上
している。この加熱温度としては、９００〜１４００℃
であることが好ましく、更に好ましくは１０００〜１３
００℃である。
造温度まで加熱する工程である。すなわち、図１の関係
図からわかるように、延性は温度の上昇とともに向上し
ている。つまり、延性が上昇することで、鍛造性も向上
している。この加熱温度としては、９００〜１４００℃
であることが好ましく、更に好ましくは１０００〜１３
００℃である。
【００１５】加熱温度の上限はβ変態点よりも高くでき
る。もちろん、β変態点より低いα＋β温度域に加熱
し、鍛造することもできるが、本発明では焼結体に残留
させた気孔もしくはホウ化チタン粒子が加熱および鍛造
時の結晶粒の成長を抑制する効果があるため、β温度域
で加熱、鍛造することが可能となり、鍛造可能温度を拡
大することができる。
る。もちろん、β変態点より低いα＋β温度域に加熱
し、鍛造することもできるが、本発明では焼結体に残留
させた気孔もしくはホウ化チタン粒子が加熱および鍛造
時の結晶粒の成長を抑制する効果があるため、β温度域
で加熱、鍛造することが可能となり、鍛造可能温度を拡
大することができる。
【００１６】なお、気孔は体積率で１％以上残留させる
ことが望ましい。気孔率が１％未満の場合は、結晶粒の
成長をまねく。ホウ化チタン粒子についても１ｖｏｌ％
以上が好ましいが、気孔と合わせて１ｖｏｌ％以上とし
ても良い。また、上記加熱温度を超えると、素材の表面
の酸化が著しく進行する。しかし、不活性ガス中で鍛造
を行うことで酸化は回避できる。
ことが望ましい。気孔率が１％未満の場合は、結晶粒の
成長をまねく。ホウ化チタン粒子についても１ｖｏｌ％
以上が好ましいが、気孔と合わせて１ｖｏｌ％以上とし
ても良い。また、上記加熱温度を超えると、素材の表面
の酸化が著しく進行する。しかし、不活性ガス中で鍛造
を行うことで酸化は回避できる。
【００１７】鍛造は、金属材料を工具で加圧して塑性変
形を与え所定の寸法形状に加工する加工方法であり、そ
の鍛造方法としては、自由鍛造、型鍛造、押出し、据え
込み等の方法がある。この鍛造工程において、成形品の
のびる方向に沿った方向に焼結素材がフローされること
が好ましい。すなわち、フローが部品ののびる方向に行
われることで、成形品表面の引張応力方向に残留気孔を
線状化することができるため、残留気孔による機械特性
の悪化を抑えることができる。
形を与え所定の寸法形状に加工する加工方法であり、そ
の鍛造方法としては、自由鍛造、型鍛造、押出し、据え
込み等の方法がある。この鍛造工程において、成形品の
のびる方向に沿った方向に焼結素材がフローされること
が好ましい。すなわち、フローが部品ののびる方向に行
われることで、成形品表面の引張応力方向に残留気孔を
線状化することができるため、残留気孔による機械特性
の悪化を抑えることができる。
【００１８】また、焼結素材が金属マトリックス中に繊
維状あるいは棒状の強化粒子を分散しているような場合
には、成形品表面の引張応力方向に強化粒子を配向させ
るため、機械特性を向上させることができる。さらに、
同様に分散した不純物やその他の介在物を分散している
ような場合には、この介在物も引張応力方向に配向され
るため、機械特性の低下を抑えることができる。
維状あるいは棒状の強化粒子を分散しているような場合
には、成形品表面の引張応力方向に強化粒子を配向させ
るため、機械特性を向上させることができる。さらに、
同様に分散した不純物やその他の介在物を分散している
ような場合には、この介在物も引張応力方向に配向され
るため、機械特性の低下を抑えることができる。
【００１９】（エンジンバルブの製造方法）本発明のエ
ンジンバルブの製造方法は、ビレットを加熱する工程
と、ビレットの一部からステムを形成する工程と、ステ
ムを矯正する工程と、再加熱する工程と、ビレットの残
りの部分から傘部を据え込み鍛造する工程と、を有す
る。ビレットは、原料粉末等を成形した後に、焼結され
たビレットが用いられる。
ンジンバルブの製造方法は、ビレットを加熱する工程
と、ビレットの一部からステムを形成する工程と、ステ
ムを矯正する工程と、再加熱する工程と、ビレットの残
りの部分から傘部を据え込み鍛造する工程と、を有す
る。ビレットは、原料粉末等を成形した後に、焼結され
たビレットが用いられる。
【００２０】ビレットを加熱する工程は、ビレットが加
熱されることでその延性が上昇し、鍛造時にビレットが
変形しやすくなるために行われる。このときの加熱温度
は、９００〜１４００℃であることが好ましく、更に望
ましくは１０００〜１３００℃である。ビレットにステ
ムを形成する工程は、加熱されたビレットを押出成形し
てステムを形成する工程である。押出成形によりステム
を形成することで、ビレット中に含まれる気孔あるいは
強化粒子等の介在物をステイののびる方向に配向させ、
エンジンバルブの機械強度を向上させている。
熱されることでその延性が上昇し、鍛造時にビレットが
変形しやすくなるために行われる。このときの加熱温度
は、９００〜１４００℃であることが好ましく、更に望
ましくは１０００〜１３００℃である。ビレットにステ
ムを形成する工程は、加熱されたビレットを押出成形し
てステムを形成する工程である。押出成形によりステム
を形成することで、ビレット中に含まれる気孔あるいは
強化粒子等の介在物をステイののびる方向に配向させ、
エンジンバルブの機械強度を向上させている。
【００２１】ステムを矯正する工程は、成形されたステ
ムをただちに温間で転造する工程である。成形されたス
テムを温間でただちに転造することで、耐熱Ｔｉ合金な
ど室温延性の低い材料も割れを生じることなく矯正がで
きる。また、軸精度を向上させることで軸精度の高い据
え込みを行うことができる。なお、室温延性の高い材料
では、ステム成形後室温近傍にまで冷却されてから行っ
てもよい。
ムをただちに温間で転造する工程である。成形されたス
テムを温間でただちに転造することで、耐熱Ｔｉ合金な
ど室温延性の低い材料も割れを生じることなく矯正がで
きる。また、軸精度を向上させることで軸精度の高い据
え込みを行うことができる。なお、室温延性の高い材料
では、ステム成形後室温近傍にまで冷却されてから行っ
てもよい。
【００２２】再加熱する工程は、ステムを矯正するとき
の転造温度が、鍛造に好ましい温度よりも低温となって
いるため、再加熱することで、変形しやすくする。傘部
を据え込み鍛造する工程は、熱間で傘部を据え込み鍛造
する工程である。この工程においては、ステムを矯正し
てあることから軸精度の高い据え込みが行われ、据え込
み用金型にステムを補正する通孔の内径とワーク外径と
のクリアランスを少なくでき、傘部の直角度を高精度に
形成できるようになる。
の転造温度が、鍛造に好ましい温度よりも低温となって
いるため、再加熱することで、変形しやすくする。傘部
を据え込み鍛造する工程は、熱間で傘部を据え込み鍛造
する工程である。この工程においては、ステムを矯正し
てあることから軸精度の高い据え込みが行われ、据え込
み用金型にステムを補正する通孔の内径とワーク外径と
のクリアランスを少なくでき、傘部の直角度を高精度に
形成できるようになる。
【００２３】
【実施例】以下、実施例を用いて本発明を説明する。 （実施例１）所定の組成となるように、１００メッシュ
アンダーの水素化脱水素チタン粉末、平均粒径が１０μ
ｍのＡｌ−４０Ｖ合金粉末、平均粒径が２μｍのＴｉＢ
2粉末とを秤量し、十分に混合した。十分に混合させた
後、この混合粉末を金型成形により直径１６ｍｍ、長さ
４５ｍｍの円柱状を有する圧粉体を成形した。このとき
の成形面圧は、５ｔ／ｃｍ2であった。なお、試料１、
２、５、６、比較例１、２、３、４はＴｉ粉末とＡｌ−
４０Ｖ合金粉末、試料３、４、７、８はＴｉ粉末とＡｌ
−４０Ｖ合金粉末に加えてＴｉＢ2粉末とを混合させた
成形体である。
アンダーの水素化脱水素チタン粉末、平均粒径が１０μ
ｍのＡｌ−４０Ｖ合金粉末、平均粒径が２μｍのＴｉＢ
2粉末とを秤量し、十分に混合した。十分に混合させた
後、この混合粉末を金型成形により直径１６ｍｍ、長さ
４５ｍｍの円柱状を有する圧粉体を成形した。このとき
の成形面圧は、５ｔ／ｃｍ2であった。なお、試料１、
２、５、６、比較例１、２、３、４はＴｉ粉末とＡｌ−
４０Ｖ合金粉末、試料３、４、７、８はＴｉ粉末とＡｌ
−４０Ｖ合金粉末に加えてＴｉＢ2粉末とを混合させた
成形体である。
【００２４】その後これらの円柱状圧粉体に、真空度が
１０-5Ｔｏｒｒ台の雰囲気で、１３００℃で４時間の加
熱を行い、圧粉体を焼結させ、焼結ビレットを得た。こ
の焼結ビレットの端面から１０ｍｍの位置で切断し、断
面組織を光学顕微鏡にて観察し、旧β粒のサイズを測定
した。その後、切断した残部を加熱温度１０３０℃、１
３００℃、据え込み率６０％の据え込み成形を行った
後、据え込み体の中央部の断面組織観察を行い、旧β粒
サイズを測定した。
１０-5Ｔｏｒｒ台の雰囲気で、１３００℃で４時間の加
熱を行い、圧粉体を焼結させ、焼結ビレットを得た。こ
の焼結ビレットの端面から１０ｍｍの位置で切断し、断
面組織を光学顕微鏡にて観察し、旧β粒のサイズを測定
した。その後、切断した残部を加熱温度１０３０℃、１
３００℃、据え込み率６０％の据え込み成形を行った
後、据え込み体の中央部の断面組織観察を行い、旧β粒
サイズを測定した。
【００２５】
【表１】
【００２６】表１の結果から、試料１〜８はそれぞれ気
孔、ホウ化チタン粒子により鍛造後の結晶粒サイズの増
加が抑制されている。 （実施例２）本発明のチタン系金属の鍛造方法およびエ
ンジンバルブの製造方法の実施例として、チタン系金属
よりなるエンジンバルブを作製した。
孔、ホウ化チタン粒子により鍛造後の結晶粒サイズの増
加が抑制されている。 （実施例２）本発明のチタン系金属の鍛造方法およびエ
ンジンバルブの製造方法の実施例として、チタン系金属
よりなるエンジンバルブを作製した。
【００２７】（焼結ビレットの作製）１００メッシュア
ンダーの水素化脱水素チタン粉末、平均粒径が１０μｍ
のＡｌ−２４．９Ｓｎ−２４．４Ｚｒ−６．２Ｎｂ−
６．２Ｍｏ−１．４Ｓｉ合金粉末、および平均粒径が２
μｍのＴｉＢ2粉末を所定の割合となるように秤量し、
十分に混合した。この混合粉末を金型成形により直径１
６ｍｍ、長さ４５ｍｍの円柱状に成形し、圧粉体を得
た。このときの成形面圧は、５ｔ／ｃｍ2であった。
ンダーの水素化脱水素チタン粉末、平均粒径が１０μｍ
のＡｌ−２４．９Ｓｎ−２４．４Ｚｒ−６．２Ｎｂ−
６．２Ｍｏ−１．４Ｓｉ合金粉末、および平均粒径が２
μｍのＴｉＢ2粉末を所定の割合となるように秤量し、
十分に混合した。この混合粉末を金型成形により直径１
６ｍｍ、長さ４５ｍｍの円柱状に成形し、圧粉体を得
た。このときの成形面圧は、５ｔ／ｃｍ2であった。
【００２８】その後、この円柱状圧粉体に、真空度が
１．０×１０-5Ｔｏｒｒ台の雰囲気で、１３００℃、４
時間の加熱処理を行って焼結させ、焼結ビレットを得た
（図２ａ）。得られた焼結ビレット１０は、相対密度が
４．１ｇ／ｃｍ3（９０％）であった。 （鍛造）得られた焼結ビレット１０を１２００℃に加熱
した後、押出成形を行いエンジンバルブの軸部１１を形
成した（図２ｂ）。なお、押出成形は、図３に示した押
出成形機２により行われた。なお、この押出成形時に金
型温度は、４５０℃に設定された。この押出成形におけ
る押出し比は、８に設定された。この押出し比は、押し
残し部分すなわちバルブの傘部に変形する部分の材料の
相対密度が９５％以上となるように設定された値であ
る。この押出し比が低くなると押し残し部分の相対密度
が９５％に到達しなくなる。
１．０×１０-5Ｔｏｒｒ台の雰囲気で、１３００℃、４
時間の加熱処理を行って焼結させ、焼結ビレットを得た
（図２ａ）。得られた焼結ビレット１０は、相対密度が
４．１ｇ／ｃｍ3（９０％）であった。 （鍛造）得られた焼結ビレット１０を１２００℃に加熱
した後、押出成形を行いエンジンバルブの軸部１１を形
成した（図２ｂ）。なお、押出成形は、図３に示した押
出成形機２により行われた。なお、この押出成形時に金
型温度は、４５０℃に設定された。この押出成形におけ
る押出し比は、８に設定された。この押出し比は、押し
残し部分すなわちバルブの傘部に変形する部分の材料の
相対密度が９５％以上となるように設定された値であ
る。この押出し比が低くなると押し残し部分の相対密度
が９５％に到達しなくなる。
【００２９】この押出成形機２は、ダイ２１に押出し材
（ビレット１０）を配置し、この押出し材を上パンチ２
３で上方から加圧することで、押出し材を変形させなが
らダイ２１の開口部から流出させるものである。上パン
チ２３は上ラム２４にもうけられ、この上ラム２４が降
下することにより押し出し材を加圧している。エンジン
バルブの軸部を形成したビレットをただちに温間で転造
した。この転造時の温度は、２００〜５００℃であっ
た。
（ビレット１０）を配置し、この押出し材を上パンチ２
３で上方から加圧することで、押出し材を変形させなが
らダイ２１の開口部から流出させるものである。上パン
チ２３は上ラム２４にもうけられ、この上ラム２４が降
下することにより押し出し材を加圧している。エンジン
バルブの軸部を形成したビレットをただちに温間で転造
した。この転造時の温度は、２００〜５００℃であっ
た。
【００３０】転造を行った後、ビレットを１２５０〜１
３５０℃に加熱し、４００〜５８０℃に設定された型内
に配置され、据え込みを行い押し残し部分１３を傘状の
バルブヘッド１５の形状に成形した（図２ｃ）。なお、
鍛造温度は加熱温度よりも１００〜１８０℃低くなって
いる。以上の工程により得られたエンジンバルブは、気
孔が軸部ののびる方向に線状化されるとともに、この方
向に沿ってホウ化チタン粒子も配向されている。このた
め、本実施例において作製されたエンジンバルブは、機
械的特性に優れる。このときの配向の方向を図４に示し
た。
３５０℃に加熱し、４００〜５８０℃に設定された型内
に配置され、据え込みを行い押し残し部分１３を傘状の
バルブヘッド１５の形状に成形した（図２ｃ）。なお、
鍛造温度は加熱温度よりも１００〜１８０℃低くなって
いる。以上の工程により得られたエンジンバルブは、気
孔が軸部ののびる方向に線状化されるとともに、この方
向に沿ってホウ化チタン粒子も配向されている。このた
め、本実施例において作製されたエンジンバルブは、機
械的特性に優れる。このときの配向の方向を図４に示し
た。
【００３１】（評価）焼結ビレットを鍛造した試験片を
作製し、その試験片の密度および機械特性を測定するこ
とで本発明の鍛造方法の評価を行った。 （試験片の作製）所定の組成となるように、１００メッ
シュアンダーの水素化脱水素チタン粉末、平均粒径が１
０μｍのＡｌ−４０Ｖ合金粉末、平均粒径が２μｍのＴ
ｉＢ2粉末、を秤量し、十分に混合した。十分に混合さ
せた後、この混合粉末を金型成形により直径１６ｍｍ、
長さ４５ｍｍの円柱状を有する圧粉体を成形した。この
ときの成形面圧は、５ｔ／ｃｍ2であった。なお、試料
１１〜１３はＴｉ粉末とＡｌ−４０Ｖ合金粉末とを、試
料１４〜１６はＴｉ粉末とＡｌ−４０Ｖ合金粉末に加え
てＴｉＢ2合金粉末とを混合させた成形体である。
作製し、その試験片の密度および機械特性を測定するこ
とで本発明の鍛造方法の評価を行った。 （試験片の作製）所定の組成となるように、１００メッ
シュアンダーの水素化脱水素チタン粉末、平均粒径が１
０μｍのＡｌ−４０Ｖ合金粉末、平均粒径が２μｍのＴ
ｉＢ2粉末、を秤量し、十分に混合した。十分に混合さ
せた後、この混合粉末を金型成形により直径１６ｍｍ、
長さ４５ｍｍの円柱状を有する圧粉体を成形した。この
ときの成形面圧は、５ｔ／ｃｍ2であった。なお、試料
１１〜１３はＴｉ粉末とＡｌ−４０Ｖ合金粉末とを、試
料１４〜１６はＴｉ粉末とＡｌ−４０Ｖ合金粉末に加え
てＴｉＢ2合金粉末とを混合させた成形体である。
【００３２】その後、これらの円柱状圧粉体に、真空度
が１０-5Ｔｏｒｒ台の雰囲気で、１３００℃で４時間の
加熱を行い、圧粉体を焼結させ、焼結ビレットを得た。
試料１１および１４の焼結ビレットには、機械加工を施
し、引張試験片および疲労試験片を研削加工により作製
した。試料１２および１５の焼結ビレットには、加熱温
度１１００℃、面圧１０ｔｏｎの熱間コイニングによる
緻密化を行った後に、試料１１および１４と同様の機械
加工を施し試験片を作製した。
が１０-5Ｔｏｒｒ台の雰囲気で、１３００℃で４時間の
加熱を行い、圧粉体を焼結させ、焼結ビレットを得た。
試料１１および１４の焼結ビレットには、機械加工を施
し、引張試験片および疲労試験片を研削加工により作製
した。試料１２および１５の焼結ビレットには、加熱温
度１１００℃、面圧１０ｔｏｎの熱間コイニングによる
緻密化を行った後に、試料１１および１４と同様の機械
加工を施し試験片を作製した。
【００３３】試料１３および１６の焼結ビレットには、
加熱温度１１００℃、断面減少率８５％の熱間押出しに
よる緻密化を行った後に、試料１１および１４と同様の
機械加工を施し試験片を作製した。また、比較例１０と
して、溶製Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金よりなる試験片を研
削加工により作製した。
加熱温度１１００℃、断面減少率８５％の熱間押出しに
よる緻密化を行った後に、試料１１および１４と同様の
機械加工を施し試験片を作製した。また、比較例１０と
して、溶製Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金よりなる試験片を研
削加工により作製した。
【００３４】それぞれの試験片の組成、相対密度、０．
２％耐力、室温伸びおよび疲労強度を測定し、測定結果
を表２に示した。相対密度の測定は、アルキメデス法に
より行われた。０．２％耐力の測定は、荷重−変移線図
より測定された。室温伸びの測定は、試験片に予めマー
キングしておいた標点の間隔を試験前後に実測して測定
された。
２％耐力、室温伸びおよび疲労強度を測定し、測定結果
を表２に示した。相対密度の測定は、アルキメデス法に
より行われた。０．２％耐力の測定は、荷重−変移線図
より測定された。室温伸びの測定は、試験片に予めマー
キングしておいた標点の間隔を試験前後に実測して測定
された。
【００３５】
【表２】
【００３６】表２の測定結果から、試料１２、１３およ
び１５、１６の試料は、金属組織が緻密化されることで
０．２％耐力、室温伸びおよび疲労強度が大きくなって
いる。また、硬質粒子（ホウ化チタン）の入っていない
試料の場合、相対密度が１００％であっても、コイニン
グにより緻密化された試料１２の室温伸びおよび疲労強
度は向上しているが、その効果が十分でないのに対し、
押出しを施した試料１３は比較例１０の溶製材と同等以
上の良好な特性が得られる。
び１５、１６の試料は、金属組織が緻密化されることで
０．２％耐力、室温伸びおよび疲労強度が大きくなって
いる。また、硬質粒子（ホウ化チタン）の入っていない
試料の場合、相対密度が１００％であっても、コイニン
グにより緻密化された試料１２の室温伸びおよび疲労強
度は向上しているが、その効果が十分でないのに対し、
押出しを施した試料１３は比較例１０の溶製材と同等以
上の良好な特性が得られる。
【００３７】さらに、ホウ化チタン粒子を分散した試験
片の場合には、押出しにより耐力も向上している。この
ことは、ホウ化チタン粒子が配向した効果と推定され
る。
片の場合には、押出しにより耐力も向上している。この
ことは、ホウ化チタン粒子が配向した効果と推定され
る。
【００３８】
【発明の効果】本発明のチタン系金属の鍛造方法は、焼
結体を鍛造することで緻密化されるため、残留気孔によ
る延性および疲労強度の低下がおさえられ、溶製材と同
等な特性の鍛造品が得られる。また、焼結ビレットを用
いるため、ビレット製造までの工程が大幅に短縮される
効果を有する。
結体を鍛造することで緻密化されるため、残留気孔によ
る延性および疲労強度の低下がおさえられ、溶製材と同
等な特性の鍛造品が得られる。また、焼結ビレットを用
いるため、ビレット製造までの工程が大幅に短縮される
効果を有する。
【図１】 チタン合金焼結体の相対密度と高温延性の関
係を示した図である。
係を示した図である。
【図２】 エンジンバルブの製造における、焼結ビレッ
トの鍛造図である。
トの鍛造図である。
【図３】 押出成形に用いられるプレス機の図である。
【図４】 エンジンバルブの材料フローの方向を示した
図である。
図である。
１０…焼結ビレット １１…軸部 １３…
押し残し部 １５…傘部 ２…押出成形機 ２１…
ダイ ２３…上パンチ ２４…上ラム
押し残し部 １５…傘部 ２…押出成形機 ２１…
ダイ ２３…上パンチ ２４…上ラム
【手続補正書】
【提出日】平成１２年１月１２日（２０００．１．１
２）
２）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２５】
【表１】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ１６Ｋ 24/00 Ｆ１６Ｋ 24/00 Ｕ // Ｃ２２Ｆ 1/00 ６３０ Ｃ２２Ｆ 1/00 ６３０Ｋ ６３０Ｂ ６３０Ｇ ６５１ ６５１Ｂ ６８３ ６８３ ６８７ ６８７ (72)発明者 山口 登士也 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 堀田 昭雄 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 柴田 義範 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 古田 忠彦 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 斎藤 卓 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 岩瀬 悟 愛知県大府市共和町一丁目１番地の１ 愛 三工業株式会社内 (72)発明者 春田 高志 愛知県大府市共和町一丁目１番地の１ 愛 三工業株式会社内 (72)発明者 北村 達哉 愛知県大府市共和町一丁目１番地の１ 愛 三工業株式会社内 Ｆターム(参考） 3H055 AA05 BA15 BA16 CC01 CC17 GG25 GG40 4E087 BA05 BA14 CA21 CA33 CB01 DB08 HA70
Claims (4)
- 【請求項１】 チタン合金中で熱力学的に安定なセラミ
ックス粒子および／または気孔を総計で体積比１％以上
含むチタン系焼結素材を用意する工程と、 該素材を鍛造温度に加熱し、鍛造する工程と、 によるチタン系金属の鍛造方法。 - 【請求項２】 焼結ビレットを加熱する工程と、 加熱されたビレットを、一部を押し残り部として残した
状態で押出成形してステムを形成する工程と、 押出成形したステムを転造して軸曲がりを矯正する工程
と、 再加熱する工程と、 前記押し残り部を熱間で据え込み鍛造して傘部を形成す
る工程と、を有するエンジンバルブの製造方法。 - 【請求項３】 前記転造は、押出成形後ただちに行われ
る請求項２記載のエンジンバルブの製造方法。 - 【請求項４】 請求項１ないし請求項３の製造方法で製
造されたエンジンバルブ。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30923498A JP3559717B2 (ja) | 1998-10-29 | 1998-10-29 | エンジンバルブの製造方法 |
| US09/418,753 US6599467B1 (en) | 1998-10-29 | 1999-10-15 | Process for forging titanium-based material, process for producing engine valve, and engine valve |
| DE69935891T DE69935891T2 (de) | 1998-10-29 | 1999-10-28 | Verfahren zur Herstellung eines Motorhubventils |
| KR1019990046998A KR100324293B1 (ko) | 1998-10-29 | 1999-10-28 | 티탄계 금속재료의 단조방법 및 엔진밸브의 제조방법 |
| EP99121472A EP0997614B1 (en) | 1998-10-29 | 1999-10-28 | Process for producing engine valve |
| CN99120476A CN1261564A (zh) | 1998-10-29 | 1999-10-28 | 钛系金属的锻造方法、发动机阀门的制造方法和发动机阀门 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30923498A JP3559717B2 (ja) | 1998-10-29 | 1998-10-29 | エンジンバルブの製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000135543A true JP2000135543A (ja) | 2000-05-16 |
| JP3559717B2 JP3559717B2 (ja) | 2004-09-02 |
Family
ID=17990552
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30923498A Expired - Lifetime JP3559717B2 (ja) | 1998-10-29 | 1998-10-29 | エンジンバルブの製造方法 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6599467B1 (ja) |
| EP (1) | EP0997614B1 (ja) |
| JP (1) | JP3559717B2 (ja) |
| KR (1) | KR100324293B1 (ja) |
| CN (1) | CN1261564A (ja) |
| DE (1) | DE69935891T2 (ja) |
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| JP2013046918A (ja) * | 2011-08-29 | 2013-03-07 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | スイング弁における弁体、その製造方法及びその弁体を備えた再熱蒸気止弁 |
| CN107398525A (zh) * | 2017-07-25 | 2017-11-28 | 苏州市鑫渭阀门有限公司 | 高强度阀盖的铸造方法 |
| CN115044792A (zh) * | 2022-05-09 | 2022-09-13 | 哈尔滨工业大学 | 一种颗粒增强钛基复合材料及其制备方法 |
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|---|---|---|---|---|
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| UA79310C2 (en) * | 2002-09-07 | 2007-06-11 | Int Titanium Powder Llc | Methods for production of alloys or ceramics with the use of armstrong method and device for their realization |
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