JP2003041359A

JP2003041359A - チタン合金部品の疲労特性改善方法とそれを用いたチタン合金部品

Info

Publication number: JP2003041359A
Application number: JP2001229671A
Authority: JP
Inventors: Yotaro Murakami; 陽太郎村上; Koichi Tanaka; 弘一田中; Shinichi Tanaka; 信一田中
Original assignee: SDC KK; Tanaka Ltd
Current assignee: SDC KK; Tanaka Ltd
Priority date: 2001-07-30
Filing date: 2001-07-30
Publication date: 2003-02-13

Abstract

(57)【要約】【課題】プラズマ浸炭処理を施したチタン合金部品の
表面の肌荒れなどによる疲労強度の低下を改善する方法
およびこの方法を用いたチタン合金部品を提供すること
である。【解決手段】溶体化処理及び時効処理後に、雰囲気ガ
スの温度が３５０℃〜７００℃の範囲に、その圧力が１
０〜２０００Ｐａの範囲にあるプラズマ浸炭処理を施し
たチタン合金部品を、一旦常温まで冷却した後、アルゴ
ン雰囲気下で前記浸炭処理温度域まで再加熱し、この温
度から水温調節および攪拌冷却が可能な冷却水槽に浸漬
して急冷したのである。この急冷処理により、チタン合
金部品の表層部に圧縮残留応力が付与され、この圧縮残
留応力が、負荷時の表層部の引張り応力成分を打ち消す
方向に作用するため、亀裂発生までの潜伏期間が長くな
ってその発生が遅延し、疲労強度が改善される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、チタン合金部品
の疲労特性改善方法に係り、具体的には、プラズマ浸炭
処理を施したチタン合金部品の疲労強度の改善方法とそ
れを用いたチタン合金部品に関する。

【０００２】

【従来の技術】チタン合金は、比強度、破壊靱性、耐熱
性及び耐食性などに優れた特性を有しているため、航空
機材料として重要な位置を占めており、その使用量も増
加しつつあり、航空機の高速化や大型化などに伴い、外
板、フレーム、結合金具類やファスナー類などの一次構
造部材に使用されるようになり、純チタンよりも強度の
高いチタン合金が主として使用されている。また、チタ
ン合金は、その良好な耐食性と比強度のバランスを活か
して、海洋分野、発電分野や自動車分野などにおいても
実用例が見られる。

【０００３】例えば、ボルト、ナットなどのファスナー
類では、熱応力を含めて繰返し応力を受ける苛酷な条件
で使用される場合が多いため、ねじ部品としての所要の
耐摩耗性及び設計上必要な締め付け力を確保するための
良好な摺動性などの特性が要求される。しかし、チタン
合金は、無潤滑の状態では摩擦係数が大きく、前記ねじ
部品や摺動部材などに使用する場合には、焼付きの問題
が生じる。一般に、潤滑油、黒鉛、二硫化モリブデンな
どの潤滑剤を使用することにより、摩擦係数を下げるこ
とができるが、長時間の使用に耐えることができなく、
耐久性のある焼付き防止のためには、チタン合金の表面
に硬化処理をすることが必要である。

【０００４】前記の表面硬化処理として、プラズマ浸炭
処理を行う方法が知られている。このプラズマ浸炭処理
は、真空雰囲気中で、例えば、処理室内の上部断熱材が
直流電源の陽極に接続され、被処理物の載置台が前記直
流電源の陰極に接続され、両極間に直流電圧を加えてグ
ロー放電を生じさせ、処理室の要所に設けたマニホール
ドから、まず、水素ガスとアルゴンまたは窒素などの不
活性ガスとの混合ガスを導入し、イオン化した水素やア
ルゴンまたは窒素を金属被処理物の表面に衝突させて、
酸化被膜などの付着物除去してクリーニングを行う。次
いで、メタンやプロパンなどの炭化水素系の浸炭用ガス
と希釈ガスとの混合ガスを導入し、前記グロー放電によ
り活性炭素イオンを発生させ、この活性炭素イオンがチ
タン金属などの金属被処理物の表面に衝突して付着し内
部に拡散する、または加速された活性炭素イオンが金属
処理物の表面に衝突した際に、直接、内部に打ち込まれ
るなどして、Ｔｉなどの金属原子と結合して、表面部に
ＴｉＣなどの金属炭化物の硬化層を形成する処理であ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記プラズマ
浸炭処理工程においては、浸炭処理時に加速された活性
炭素イオンがチタン合金の表面に衝突し、また、前処理
のクリーニング処理において、イオン化した窒素や水素
が酸化被膜などの付着物を撥ね飛ばす際に表面にも衝突
するなどのために、チタン合金部品の表面粗さは、プラ
ズマ浸炭処理の前に比べて大きくなり、肌荒れを生じ
る。このような肌荒れ、即ち表面の凹凸は結晶粒のずれ
をもたらし、その部分が応力の集中源となるために、亀
裂が発生しやすくなり、とくに、亀裂などの切欠き効果
に敏感なチタン合金部品の疲労強度を低下させる原因と
なる。

【０００６】また、浸炭用ガスの組成である水素もイオ
ン化して、雰囲気内に存在するために、前記浸炭処理を
施さない場合に比べて、水素が被処理物内の、とくに表
層部に侵入しやすくなる。そのため、前記浸炭処理物
は、靱性の低下や引張り強度よりも低い荷重で疲労破壊
するなど、所謂水素脆性を引起しやすくなる。

【０００７】これらのことは、前述のように苛酷な使用
条件においても安全性が要求される航空機部品は勿論、
海洋分野や発電分野など他の産業分野において用いられ
るチタン合金部品にとって致命的な欠点となる。

【０００８】そこで、この発明の課題は、プラズマ浸炭
処理を施したチタン合金部品の肌荒れなどの疲労強度の
低下を改善する方法およびこの方法により処理したチタ
ン合金部品を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、この発明では、溶体化処理および時効処理後にプ
ラズマ浸炭処理を施したチタン合金部品を、前記プラズ
マ浸炭処理後に急冷し、その表層部に圧縮応力を残留さ
せるようにしたのである。

【００１０】プラズマ浸炭処理後に、所要の温度から、
例えば、円柱形状のチタン合金部品を加熱し、所要の温
度Ａ点から急冷すると、図１（ａ）に示すように、急冷
の初期には、表面部は、Ａ→Ｂ→Ｑ点と温度降下が大き
く、表面部が収縮する。このとき、中心部の温度はまだ
Ｂ点にあるため、表面部が中心部よりも大きく収縮し、
図１（ｂ）に示すように、表面部に引張り応力、中心部
に圧縮応力の応力分布が生じる。この圧縮応力により、
温度がまだ高く柔らかい中心部は、塑性変形してアプセ
ットが起こり、収縮が生じる（Ｂ→Ｒ点）。この中心部
の収縮の度合により、最終の圧縮残留応力の大きさが決
まる。その結果、表面部はＱＳ方向に、中心部はＲＴ方
向に冷却され、収縮が進行する。室温近傍かそれ以下に
なると、表面部と中心部との収縮差、即ち縮みの差のた
めに、図１（ｃ）に示すように、応力は反転し、表面部
に圧縮応力（−σ_R ）、中心部に引張り応力（＋σ_R ）
の応力分布が生じる。

【００１１】このように、表面部、即ち表層部に圧縮応
力を残留させると、負荷時の表層部の引張り応力成分を
小さくする、または打ち消すため、前記のプラズマ浸炭
処理によるチタン合金部品の表面の凹凸および表層部の
α相とβ相の界面に析出した水素化物を起点とする亀裂
発生までの潜伏期間が長くなり、亀裂の発生が遅延す
る。それにより、前記の肌荒れおよび水素脆性による疲
労強度の低下を改善でき、所要の疲労強度を有するプラ
ズマ浸炭処理品を実現することができる。

【００１２】溶体化処理および時効処理後にプラズマ浸
炭処理を施したチタン合金部品を、前記プラズマ浸炭処
理後に所要の温度まで一旦冷却し、その後に、前記プラ
ズマ浸炭処理の温度域に再加熱し、この再加熱温度域か
ら急冷して前記チタン合金の表面部に圧縮応力を残留さ
せることができる。

【００１３】このようにすれば、浸炭処理室と急冷処理
室を別個に設けることができるので、これらの二つの処
理室を一体に設ける場合に比べて、浸炭処理室と急冷処
理室間の可動仕切り壁のシールや、これらの処理室間の
チタン合金部品の搬送装置などの複雑な機構を設けずに
済む。また、浸炭処理サイクルと急冷処理サイクルとを
必ずしも整合させなくてもよいため、操業上の融通性も
ある。

【００１４】前記プラズマ浸炭処理の雰囲気ガスの温度
が３５０℃から７００℃の範囲にあり、その圧力が１０
〜２０００Ｐａの範囲にあることが望ましい。

【００１５】プラズマ浸炭処理の浸炭用ガスを含有する
雰囲気ガス温度が７００℃を越える高温域では、時効処
理により生成した析出物が凝集、粗大化してチタン合金
部品の強度が低下するなどの材質劣化のおそれがある。
また、前記雰囲気ガス温度が、３５０℃よりも低い低温
域では、被処理物のチタン合金部品の表面に衝突した前
記活性炭素イオンの部品内部への拡散が困難になり、前
記部品の表面に煤が生成して、表層部に所望の浸炭層、
即ちＴｉＣの硬化層を形成することが困難になる。

【００１６】雰囲気ガスの圧力が２０００Ｐａを越える
高圧では、雰囲気ガス中の活性炭素イオン濃度が高くな
って、チタン合金部品の表層部の侵入炭素量が飽和状態
となり、これ以上に前記製品表面に活性炭素イオンが衝
突しても、内部へ拡散せず、部品表面に煤が生成するよ
うになる。

【００１７】また、雰囲気ガスの圧力が、１０Ｐａ未満
の低圧では、雰囲気ガス中の活性炭素イオン量の濃度が
低くなって、チタン合金部品の表層部の侵入炭素量が少
なくなり過ぎ、所望のＴｉＣの硬化層が形成できず、前
記の耐摩耗性および摺動性を充分改善できなくなる。

【００１８】表面圧縮残留応力の大きさは、急冷時の表
層部と中心部の温度差により、中心部が受けるアプセッ
トによる収縮の度合により決まるので、急冷操作はチタ
ン合金部品の体積、形状等により左右される。従って、
急冷操作には種々の様式が考えられる。

【００１９】（１）前記チタン合金部品を液化ガスによ
り急冷することができる。例えば、液体窒素ガスをノズ
ルでチタン合金部品に一様に吹付けると、その気化温度
が−２０℃程度と低く、この気液混合ガスがチタン合金
部品の表面を急冷し、前述のような機構でその表層部に
圧縮応力を残留させることができる。また、チタン合金
部品の質量が大きい場合などには、直接液体窒素ガスに
浸漬して急冷し、表層部に圧縮応力を残存させることが
できる。なお、チタン合金部品の冷却速度は、前記の液
化ガスをノズルから吹付ける場合、ノズルへの供給圧
力、即ちガス流量を調節することにより、コントロール
することができる。また、液化ガス中に浸漬冷却する場
合には、攪拌することにより、冷却能力を高めることが
できる。

【００２０】（２）前記チタン合金部品を、水により急
冷することができる。浸炭処理後のチタン合金部品の表
面に、ノズルから冷却水をスプレイ状に、またはジェッ
ト状に吹きつけることにより急冷し、その表層部に圧縮
応力を残留させることができる。また、前記チタン合金
部品を、冷却水槽に浸漬して急冷することもできる。前
記冷却水として、温水を使用することもできる。

【００２１】（３）チタン合金部品の冷却速度は、ノズ
ルから冷却水を吹きつける場合には、ノズルへの供給圧
力、即ち冷却水流量および水温を調節することにより、
また、浸漬冷却を行う場合には、水温および攪拌によ
り、コントロールすることができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下に、この発明の実施形態のチ
タン合金部品の急冷処理方法について説明する。

【００２３】この発明の急冷処理方法は、（α＋β）型
チタン合金、β型チタン合金、準α型チタン合金のいず
れにも適用することができる。

【００２４】例えば、強度と靱性のバランスに優れ、熱
処理性及び成形性に優れた代表的なα＋β型チタン合金
であるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖについて記せば、前記溶体化
処理は９００℃から９７０℃の範囲に２０分から７０分
程度保持したのち、水冷することにより行われ、前記時
効処理は４８０℃から６９０℃の温度範囲に２〜８時間
保持することにより行われる。

【００２５】前記プラズマ浸炭処理に用いる装置（日本
電子工業社製）は、加熱炉の炉殻の内周面に取り付けら
れた断熱材等によって囲まれて処理室が形成され、この
処理室がその内部に設けたグラファイトロッドからなる
発熱体により加熱される。処理室内の上部断熱材が直流
電源の陽極に接続され、被処理物の載置台が前記直流電
源の陰極に接続され、両極間に直流電圧を加えてグロー
放電を生じさせ、処理室の要所に設けたマニホールドか
ら導入した浸炭用ガスをイオン化して活性炭素イオンを
発生させ、この活性炭素イオンを被処理物の表面に衝突
させて浸炭処理を行うようになっている。また、処理室
には、その内部を真空状態にするために、真空ポンプが
接続されている。

【００２６】被処理物のチタン合金は、まず、有機溶剤
または超音波を用いた洗浄処理される。そして、前記処
理室の載置台上に置かれた被処理物のチタン合金を、前
記発熱体により浸炭処理温度と同等の３５０℃以上７０
０℃未満の温度域に加熱し、処理室内に導入し、前記グ
ロー放電によりプラズマ化した水素ガスを混合した不活
性ガスからなるクリーニング用ガスで、チタン合金表面
の酸化皮膜を跳ね飛ばすクリーニング処理を行う。

【００２７】なお、このクリーニング処理法として、前
述の温度域で、フッ化窒素（ＮＦ₃）ガスを含む窒素ガ
スを処理室内に導入し、前記酸化被膜をフッ化膜に置換
する方法もある。

【００２８】次いで、前記処理室内に浸炭用ガスとして
のプロパンガスと希釈ガスとしてのクリーニング作用を
有する水素ガスとの混合ガスが、処理室内の圧力が１０
Ｐａ〜２０００Ｐａの範囲内の真空雰囲気になるように
それぞれ流量調節されて導入され、チタン合金が浸炭処
理温度を維持できるように、前記発熱体により、この混
合ガス、即ち雰囲気ガスが３５０〜７００℃の温度範囲
に保持される。そして、前記グロー放電によりプロパン
ガス中の炭素がイオン化されて、活性炭素イオンが発生
し、この活性炭素イオンがチタン合金の表面に衝突し、
拡散してＴｉと結合し、その表層部に浸炭層、即ちＴｉ
Ｃの硬化層が形成される。

【００２９】前記浸炭処理の終了後、処理室内の浸炭性
ガスが排気され、窒素ガスが処理室内に導入されて、チ
タン合金部品が常温まで冷却され、処理室から取り出さ
れる。

【００３０】そして、前記プラズマ浸炭処理装置に隣接
して設置した急冷処理装置の加熱室で、アルゴンなどの
不活性ガスの雰囲気下で前記チタン合金部品を前記浸炭
処理の温度域にまで再加熱し、前記加熱室に隣接して設
けた冷却水を充満させた冷却槽に浸漬して急冷処理を行
う。前記冷却槽は、攪拌翼による冷却水の攪拌、所要の
流量の冷却水の給排水および水温調節が可能であり、こ
れらによって、チタン合金部品の体積などに応じて、冷
却能力を広範囲に変化させることができる。

【００３１】このようにして、溶体化処理および時効処
理後にプラズマ浸炭処理を施したチタン合金部品の表層
部に圧縮残留応力を付与することができる。

【００３２】なお、前記冷却槽を設ける代わりに、チタ
ン合金部品の表面に冷却水を一様に吹付けることができ
るようにスプレイノズルを配置したスプレイ冷却帯を設
けることもできる。

【００３３】また、前記冷却槽に冷却媒体として、液体
窒素ガスなどの液化ガスを充満させることもでき、前述
のように、スプレイ冷却帯を設け、液体窒素ガスを供給
して、スプレイノズルからその気液混合ガスをチタン合
金部品の表面に一様に吹付けて、急冷することも可能で
ある。さらに、前記スプレイノズルから、ヘリウムなど
の温度伝導率の大きい、即ち冷却能力の高い不活性ガス
を吹付けるようにすることもできる。

【００３４】他の実施形態として、チタン合金部品に前
記プラズマ浸炭処理を施した直後に、前記プラズマ浸炭
処理装置に一体に設けた急冷処理室に配置した前述の冷
却槽またはスプレイ冷却帯などの冷却ユニットで急冷
し、チタン合金部品の表層部に圧縮残留応力を付与する
こともできる。

【００３５】このようにして、溶体化処理および時効処
理後にプラズマ浸炭処理を施したチタン合金部品の表層
部を残留させることができ、圧縮残留応力が負荷時の表
層部の引張り応力成分を小さくする、または打ち消すた
め、前述のプラズマ浸炭処理によるチタン合金部品の表
面の凹凸および表層部のα相とβ相の界面に析出した水
素化物を起点とする亀裂発生までの潜伏期間が長くな
り、亀裂の発生が遅延する。それにより、前記の肌荒れ
および水素脆性による疲労強度の低下を抑制できる。
従って、前記のねじ部品などのチタン合金部品の耐摩耗
性および摺動性などを向上させるため、溶体化処理およ
び時効処理後にプラズマ浸炭処理を施した場合、その後
に前述の急冷処理を実施すれば、肌荒れおよび水素脆性
による疲労強度を改善することができる。そして、チタ
ン合金部品の表層部のＴｉＣの硬化層による耐摩耗性お
よび摺動性の向上により、ねじ部品の場合のように、圧
力が作用した状態で繰り返し応力を受ける場合の疲労特
性、即ちフレッティング疲労特性の向上も期待される。

【００３６】なお、前述のプラズマ浸炭処理後の急冷処
理による疲労特性の改善方法は、ねじ部品の他に、航空
機の機体に用いる結合金具類、コンプレッサーブレード
などのエンジン周りの部品、自動車のコンロッドやバル
ブリテーナなどのエンジン周りの部品、発電用タービン
ブレードなど各産業分野においてとくに耐摩耗性や摺動
性などの特性が要求される部品に適用することが可能で
ある。

【００３７】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、溶体
化処理および時効処理されたチタン合金にプラズマ浸炭
処理を施した後に、所要の処理条件を選択し、急冷処理
を実施するので、比較的簡単な操作で、経済的にチタン
合金部品の表層部に圧縮残留応力を付与でき、プラズマ
浸炭処理による肌荒れや侵入した水素に起因する亀裂の
発生を遅延させることができ、疲労強度が改善される。
それにより、チタン合金表層部に形成されたＴｉＣの硬
化層の本来の特性が発揮でき、前述の耐摩耗性及び摺動
性が向上し、航空機等に適用される部品としての要求特
性を満足することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）円柱形状のチタン合金部品を急冷したと
きの表面部および中心部の温度推移とアプセット発生を
示す説明図（ｂ）急冷初期過程での前記部品の表面部と中心部の位
置に生じる応力の方向を示す説明図（ｃ）急冷終了時の前記部品の表面部と中心部の位置に
生じる応力の方向を示す説明図

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田中弘一大阪市住吉区帝塚山中１丁目10番６号 (72)発明者田中信一大阪市阿倍野区北畠１丁目８番28号Ｆターム(参考） 4K028 BA03 BA14 BA22

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶体化処理および時効処理後にプラズマ
浸炭処理を施したチタン合金部品を、所要の温度から急
冷し、その表層部に圧縮応力を残留させるチタン合金部
品の疲労特性改善方法。
【請求項２】溶体化処理および時効処理後にプラズマ
浸炭処理を施したチタン合金部品を、前記プラズマ浸炭
処理後に所要の温度まで一旦冷却し、その後に、前記プ
ラズマ浸炭処理の温度域に再加熱し、この再加熱温度域
から急冷し、前記チタン合金の表層部に圧縮応力を残留
させるチタン合金部品の疲労特性改善方法。
【請求項３】前記プラズマ浸炭処理の雰囲気ガスの温
度が３５０℃から７００℃の範囲にあり、その圧力が１
０〜２０００Ｐａの範囲にある請求項１または２に記載
のチタン合金部品の疲労特性改善方法。
【請求項４】前記チタン合金部品を液化ガスにより急
冷する請求項１から３のいずれかに記載のチタン合金部
品の疲労特性改善方法。
【請求項５】前記チタン合金部品を、水により急冷す
る請求項１から３のいずれかに記載のチタン合金部品の
疲労特性改善方法。
【請求項６】請求項１から５のいずれかに記載した疲
労特性改善方法を用いたチタン合金部品。