JP2006016691A - Heat treatment method and heat treatment apparatus for solid alloy material - Google Patents
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Abstract
Description
合金材料の熱処理方法および熱処理装置に関し、特に、液体リチウムを利用する熱処理方法および熱処理装置に関する。 More particularly, the present invention relates to a heat treatment method and a heat treatment apparatus using liquid lithium.
炭素鋼その他の合金を焼入れや焼鈍などの熱処理によって所望の機械的性質を得ることが古くから行なわれている。 It has long been practiced to obtain desired mechanical properties of carbon steel and other alloys by heat treatment such as quenching and annealing.
また、チタンは、軽くて強度が高く、しかも耐高温性、耐腐食性が高いことから、近年急速に用途を広げている。純チタンの結晶構造は室温で稠密六方晶(α相)であるが、約885℃で同素変態をして体心立方晶(β相)となる。一方、純チタンに種々の金属を添加した合金は熱処理によって結晶構造が種々に変化し、それに伴って機械的性質も種々に変わりうることが知られている(非特許文献1参照)。 Titanium is light and high in strength, and has been rapidly expanded in recent years because of its high temperature resistance and corrosion resistance. The crystal structure of pure titanium is a dense hexagonal crystal (α phase) at room temperature, but undergoes an allotropic transformation at about 885 ° C. to form a body-centered cubic crystal (β phase). On the other hand, it is known that an alloy in which various metals are added to pure titanium changes its crystal structure in various ways by heat treatment, and the mechanical properties can change accordingly (see Non-Patent Document 1).
従来の金属材料の熱処理において、加熱手段としては、電気炉やガス炉や真空炉が一般的であり、冷却手段としては、水や油やガスを用いるのが一般的である。また、一部では、高周波加熱、通電加熱、ソルト加熱冷却、鉛や錫やガリウムなどの溶融金属での加熱冷却が行なわれている。さらに、液体金属ナトリウムやカリウムを冷却流体として用いて固体金属材料を熱処理する技術が提案されている(特許文献1および2参照)。
従来のガスや電気ヒータで加熱する方法では加熱に長時間が必要でかつ被処理金属を均一に加熱するのが困難であった。また、高周波加熱では被処理部品の形状に合わせた高周波通電治具が必要で高コストになり、ソルト加熱冷却では環境保全の観点からそのソルトの取扱い管理が非常に難しい。さらに、鉛や錫やガリウムなどの溶融金属による加熱冷却では、重金属による環境汚染防止の観点から、その取扱い管理にコストがかかるのと、被処理部品の表面にこれらの重金属がメッキされた状態で付着し、除去に手間がかかっている。また、ナトリウムやカリウムは沸点がそれぞれ881℃および756℃と低く、それ以上の温度に加熱媒体として使用するには加圧雰囲気を作る必要があり、また大気中で自然発火の心配もある。 In the conventional method of heating with a gas or an electric heater, a long time is required for heating, and it is difficult to uniformly heat the metal to be processed. In addition, high-frequency heating requires a high-frequency energizing jig that matches the shape of the part to be processed, resulting in high costs. In salt heating and cooling, handling and management of the salt is very difficult from the viewpoint of environmental conservation. Furthermore, heating and cooling with molten metals such as lead, tin, and gallium are costly to handle and manage from the viewpoint of preventing environmental pollution caused by heavy metals, and the surface of the parts to be processed is plated with these heavy metals. It adheres and takes time to remove. In addition, sodium and potassium have low boiling points of 881 ° C. and 756 ° C., respectively, and it is necessary to create a pressurized atmosphere for use as a heating medium at temperatures higher than that, and there is a risk of spontaneous ignition in the atmosphere.
一般に、金属材料の強度を熱処理によって高めることが求められている。特にチタンはその軽さ(比重の小ささ)が大きな特長であって、強度を高める要請が強い。 In general, it is required to increase the strength of a metal material by heat treatment. In particular, titanium has a great lightness (small specific gravity), and there is a strong demand for increasing its strength.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、強度の高い合金材料を容易に製造するための新たな熱処理方法および熱処理装置を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the said situation, Comprising: It aims at providing the new heat processing method and heat processing apparatus for manufacturing an alloy material with high intensity | strength easily.
この発明は上記目的を達成するものであって、請求項1に記載の発明は、固体合金材料の熱処理方法であって、初期加熱槽内の液体リチウムを、固体合金材料の合金成分が固溶体に溶解する固溶温度よりも高くかつ固体合金材料の融点よりも低い温度にあらかじめ加熱して保持しておき、その初期加熱槽内の液体リチウム内に前記固体合金材料を直接浸漬して前記固体合金材料が固溶体を形成するまで保持する初期加熱工程と、冷却槽内の液体リチウムを、前記固溶温度よりも低い温度にあらかじめ保持し、前記初期加熱工程の後に前記冷却槽内の液体リチウム内に前記固体合金材料を直接浸漬して冷却して過飽和固溶体を得るリチウム浸漬冷却工程と、前記リチウム浸漬冷却工程の後に、室温よりも高い時効温度に保った再加熱槽内に前記固体合金材料を入れて保持する再加熱工程と、を有すること、を特徴とする。
The present invention achieves the above object, and the invention according to
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の熱処理方法において、前記リチウム浸漬冷却工程と再加熱工程の間に、前記固体合金材料をリチウムの融点よりも低い温度まで冷却する第2の冷却工程をさらに有することを特徴とする固体合金材料の熱処理方法。
The invention according to
また、請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の熱処理方法において、前記固体合金材料はα−βチタン合金材料またはβチタン合金材料であることを特徴とする。
The invention according to
また、請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の熱処理方法において、前記初期加熱工程は、前記初期加熱槽内の液体リチウムの温度を700℃以上でかつ1300℃以下に保持して行ない、前記リチウム浸漬冷却工程は、前記冷却槽内の液体リチウムの温度を500℃以下に保持して行なうこと、を特徴とする。
The invention according to
また、請求項5に記載の発明は、請求項1ないし4のいずれかに記載の熱処理方法において、前記リチウム浸漬冷却工程の後で前記再加熱工程の前に、前記固体合金材料に機械加工を行なう再加熱前機械加工工程をさらに有すること、を特徴とする。
The invention according to
また、請求項6に記載の発明は、請求項1ないし5のいずれかに記載の熱処理方法において、前記初期加熱工程の前に、前記固体合金材料に機械加工を行なう加熱前機械加工工程をさらに有すること、を特徴とする。
The invention according to
また、請求項7に記載の発明は、請求項1ないし6のいずれかに記載の熱処理方法において、前記再加熱工程は、前記再加熱槽内の液体リチウム内に前記固体合金材料を直接浸漬して行なうことを特徴とする。
The invention according to
また、請求項8に記載の発明は、合金材料の熱処理装置において、内部に不活性ガスが充填された熱処理室と、前記熱処理室内に配置され、固体合金材料の合金成分が固溶体に溶解する固溶温度よりも高くかつ前記固体合金材料の融点よりも低い温度に液体リチウムを加熱して保持しておき、その液体リチウム内に前記固体合金材料を受け入れる初期加熱槽と、前記熱処理室内に配置され、前記固溶温度よりも低い温度に液体リチウムを保持しておき、その液体リチウム内に、前記初期加熱槽内を通ってきた前記固体合金材料を受け入れる冷却槽と、を有することを特徴とする。 According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a heat treatment apparatus for an alloy material, comprising: a heat treatment chamber filled with an inert gas; and a solid solution in which the alloy components of the solid alloy material are dissolved in a solid solution. The liquid lithium is heated and held at a temperature higher than the melting temperature and lower than the melting point of the solid alloy material, and an initial heating tank for receiving the solid alloy material in the liquid lithium is disposed in the heat treatment chamber. The liquid lithium is held at a temperature lower than the solid solution temperature, and the liquid lithium has a cooling tank that receives the solid alloy material that has passed through the initial heating tank. .
また、請求項9に記載の発明は、請求項8に記載の固体合金材料の熱処理装置において、前記合金材料は、α−βチタン合金材料またはβチタン合金材料であることを特徴とする。
The invention according to claim 9 is the heat treatment apparatus for a solid alloy material according to
また、請求項10に記載の発明は、請求項8または9に記載の固体合金材料の熱処理装置において、前記熱処理室内に配置され、前記固溶温度よりも低く、かつ前記冷却槽内の液体リチウムよりも高い温度に液体リチウムを保持しておき、その液体リチウム内に、前記冷却槽内を通ってきた前記固体合金材料を受け入れる再加熱槽をさらに有すること、を特徴とする。
The invention according to
また、請求項11に記載の発明は、請求項1ないし7のいずれかに記載の固体合金材料の熱処理装置において、前記固体合金材料は、チタン合金材料であり、ゴルフクラブのヘッド部材、車両用構造部材、航空機用構造部材、エンジン用構造部材、インプラント用部材のいずれかの材料であること、を特徴とする。
The invention according to claim 11 is the heat treatment apparatus for a solid alloy material according to any one of
本発明によれば、固体合金材料に対して、従来考えられなかったような急激な加熱と冷却を容易に行なうことができ、それによって合金材料の強度を、従来よりも飛躍的に高めることができる。特に、ここで利用する液体金属リチウムは、固体合金材料の熱処理に利用した場合に次のような利点がある。 According to the present invention, it is possible to easily carry out rapid heating and cooling, which has not been conceived in the past, to solid alloy materials, thereby dramatically increasing the strength of the alloy materials. it can. In particular, the liquid metal lithium used here has the following advantages when used for heat treatment of a solid alloy material.
(1)ナトリウムの沸点(881℃)に比べてリチウムの沸点(1342℃)が高いので、液体金属リチウムによって、より高温での熱処理が可能である。 (1) Since the boiling point of lithium (1342 ° C.) is higher than the boiling point of sodium (881 ° C.), heat treatment at a higher temperature is possible with liquid metallic lithium.
(2)液体で熱伝導率が高いので、均一加熱が可能である。 (2) Since it is liquid and has high thermal conductivity, uniform heating is possible.
(3)液体金属ナトリウムに比べて発生する蒸気量が少ないので、リチウムの消費が少ない。 (3) Since the amount of vapor generated is smaller than that of liquid metal sodium, the consumption of lithium is small.
(4)表面に付着したリチウムは水洗で容易に除去できる。 (4) Lithium adhering to the surface can be easily removed by washing with water.
(5)液体金属ナトリウムに比べて、水との反応が穏やかで取扱いが容易である。 (5) Compared with liquid metallic sodium, the reaction with water is gentle and easy to handle.
(6)液体金属ナトリウムに比べて比重が約半分の小ささであるので、輸送や取扱いが容易である。 (6) Since the specific gravity is about half as small as that of liquid metallic sodium, transportation and handling are easy.
(7)液体金属ナトリウムに比べて空気中での酸化が穏やかであって自然発火しないので、取扱いが容易である。 (7) Oxidation in air is milder than liquid metal sodium and does not ignite spontaneously, so it is easy to handle.
(8)処理対象の固体合金材料がチタンの場合、チタン表面の酸化物を還元して表面をきれいにする働きがある。(チタンよりもリチウムの方が酸化しやすいため。) (8) When the solid alloy material to be treated is titanium, it functions to reduce the oxide on the titanium surface and clean the surface. (Because lithium is easier to oxidize than titanium.)
以下に、本発明に係る固体合金材料の熱処理方法および熱処理装置の実施の形態を、図1ないし図3を参照しながら説明する。ここで、図1は本発明に係る固体合金材料の熱処理方法の一実施の形態を示すフローチャート、図2は本発明に係る固体合金材料の熱処理装置の一実施の形態を示す模式的立断面図、図3は図1の熱処理方法において被処理固体金属材料をα−βチタン合金とした場合の被処理固体金属材料の温度変化の一例を示すグラフである。 Embodiments of a heat treatment method and a heat treatment apparatus for a solid alloy material according to the present invention will be described below with reference to FIGS. Here, FIG. 1 is a flowchart showing an embodiment of a heat treatment method for a solid alloy material according to the present invention, and FIG. 2 is a schematic sectional elevation view showing an embodiment of a heat treatment apparatus for a solid alloy material according to the present invention. FIG. 3 is a graph showing an example of a temperature change of the solid metal material to be treated when the solid metal material to be treated is an α-β titanium alloy in the heat treatment method of FIG.
図2に示すように、固体金属材料(たとえばα−βチタン合金またはβチタン合金の金属塊)50を熱処理するための熱処理室10内に3個の液体リチウム槽12,14,16が配置されている。これらは、初期加熱槽12、冷却槽14、再加熱槽16である。初期加熱槽12の内部に収容された液体リチウムの温度は、被処理固体合金材料の固溶温度よりも高くかつその固体合金材料の融点よりも低い温度(変態温度)にあらかじめ保持しておく。ここで、固溶温度は、被処理固体合金材料の合金成分が固溶体に溶解する温度である。たとえば、被処理固体合金材料がα−βチタン合金の場合、700〜1000℃の範囲に保持するのが好ましい。このためにリチウムを加熱するヒータ18が初期加熱槽12に取り付けられている。
As shown in FIG. 2, three
また、冷却槽14内に収容された液体リチウムの温度は、被処理固体合金材料の固溶温度よりも低くかつリチウムの融点(181℃)よりも高い冷却温度に保持しておく。この冷却温度は、たとえば、被処理固体合金材料がα−βチタン合金の場合、500℃以下の温度に保持するのが好ましく、さらには181〜300℃の範囲内であることが好ましい。このために液体リチウムを加熱するヒータ20とこれを冷却するためのファン22が冷却槽14に取り付けられている。
Moreover, the temperature of the liquid lithium accommodated in the
再加熱槽16の内部に収容された液体リチウムの温度は、リチウムの融点(181℃)よりも高い温度、たとえば200〜650℃に保持しておくのが好ましく、さらには300〜600℃の範囲に保持するのが好ましい。このために液体リチウムを加熱するヒータ24が再加熱槽16に取り付けられている。
The temperature of the liquid lithium accommodated in the
熱処理室10には、液体リチウムと反応しない不活性ガスが充填されている。入口扉30および出口扉32がそれぞれ二重になっていて、それらの二重扉の間に入口室34および出口室36がそれぞれ形成されている。この構造により、液体リチウム槽12、14、16を不活性ガス雰囲気に保持したままで、固体金属材料50を熱処理室10に入れたり出したりできる構造になっている。
The
また熱処理室10には、固体金属材料50を液体リチウム槽12、14、16の液体リチウム内に順次浸漬して移動するための移動機構38が配置されている。
The
次に、図1に示すフローチャートに沿って本発明に係る固体合金材料の熱処理方法の一実施の形態を説明する。 Next, an embodiment of the heat treatment method for the solid alloy material according to the present invention will be described along the flowchart shown in FIG.
初めに、第1の工程S1で、被処理材であるチタン合金などの固体金属材料が圧延ロールなどにより所定の厚さに圧延され、板材が形成されたり、金属塊が切削や成形加工されたりすることにより、所定の部品形状寸法に機械加工される。この工程により、金属内部に加工歪が蓄積され、その後の熱処理による微細組織を作る核形成作りを助け、材料の強度上昇が図られる。なお、図2では、固体金属材料として金属塊50を処理する例が示されている。
First, in the first step S1, a solid metal material such as a titanium alloy that is a material to be treated is rolled to a predetermined thickness by a rolling roll or the like to form a plate material, or a metal lump is cut or molded. By doing so, it is machined to a predetermined part shape dimension. By this process, processing strain is accumulated inside the metal, which helps to create nuclei that form a fine structure by the subsequent heat treatment, thereby increasing the strength of the material. In addition, in FIG. 2, the example which processes the
続いて第2の工程S2で、固体金属材料の表面に付着した汚れや不純物が取り除かれる。この工程は、液体リチウムの純度を管理する上で重要である。 Subsequently, in the second step S2, dirt and impurities attached to the surface of the solid metal material are removed. This step is important in managing the purity of liquid lithium.
次に、固体金属材料(金属塊)50は、入口室34を通って熱処理室10内に搬入され、第3の工程S3で、初期加熱槽12内の液体リチウムに浸漬される。これにより、固体金属材料50は固溶温度よりも高い温度にまで急激に加熱される。このとき、合金成分がほぼ瞬時に全組織にわたって溶解して、固溶体を形成する。
Next, the solid metal material (metal lump) 50 is carried into the
また、急速加熱と短時間加熱によって結晶粒径の成長が抑制される。すなわち、被処理固体金属材料がたとえばα−βチタン合金の場合、稠密六方晶であるα相から体心立方晶であるβ晶に変化するがそのβ結晶の粒径の成長が抑制される。 Moreover, the growth of crystal grain size is suppressed by rapid heating and short-time heating. That is, when the solid metal material to be treated is, for example, an α-β titanium alloy, it changes from an α phase that is a dense hexagonal crystal to a β crystal that is a body-centered cubic crystal, but growth of the particle size of the β crystal is suppressed.
次に、固体金属材料50は初期加熱槽12から取り出され、第4の工程S4で、冷却槽14内の液体リチウムに浸漬される。これにより、固体金属材料50は、その合金成分が固溶体に溶解する固溶温度よりも低い温度にまで急激に冷却される。この急速冷却により、合金元素のα組織の成長が抑制され、過飽和状態のβ組織が維持され、合金元素がより微細に組織に固溶した状態が形成される。
Next, the
次に、固体金属材料50は冷却槽14の液体リチウムから取り出され、第5の工程(第2の冷却工程)S5で、リチウムの融点よりも低い温度にまで冷却される。たとえば、ガス中での自然放冷により室温(常温)まで冷却される。この工程では所定の時間常温に保ち、組織の安定化を図る。なお、この第5の工程S5は自然放冷に限定されず、強制冷却などとすることもできる。さらにこの第5の工程S5を省略することも可能である。
Next, the
さらに、第4の工程S4または第5の工程S5の終了後に、固体金属材料50に圧延などの機械加工を行ない、金属内部に歪を付加することにより、組織の微細化を図ることも可能である(図示せず)。特に、このとき固体金属材料50は比較的軟らかいので機械加工するうえで都合がよい。
Furthermore, after the completion of the fourth step S4 or the fifth step S5, the
次に、第6の工程S6で、固体金属材料50は再加熱槽16の液体リチウムに浸漬されて再加熱される。この工程で、時効により、金属と合金元素との間で化合物組織が形成される。そのときに、より微細な組織となり、その結果強度が向上する。
Next, in the sixth step S6, the
次に、固体金属材料50を、出口室36を通して熱処理室10外へ搬出する。次に、第7の工程S7で、常温まで冷却する。この冷却は、たとえば、常温のガス雰囲気の中での自然放冷などによる。
Next, the
次に、第8の工程S8で、固体金属材料50に付着したリチウムを除去する。この工程は、水洗や超音波による洗浄などが可能である。
Next, in the eighth step S8, lithium attached to the
上記の例では、固体金属材料50を熱処理室10外へ搬出した後に、第7の工程S7(自然放冷)および第8の工程S8(付着リチウム除去・表面洗浄)を行なうとしたが、これらの工程は熱処理室10内で行なうことも可能である。
In the above example, after the
また、第6の工程S6(再加熱)は必ずしも急激に行なう必要はないので、液体リチウム内で行なう代わりに、電気炉や真空炉加熱など他の方法で再加熱を行なってもよい。その場合、この第6の工程S6(再加熱)の前に固体金属材料50を熱処理室10外へ搬出することができる。
In addition, since the sixth step S6 (reheating) does not necessarily need to be performed rapidly, reheating may be performed by another method such as electric furnace or vacuum furnace heating instead of in liquid lithium. In that case, the
また、図2では、固体金属材料50が金属塊状の場合を示したが、固体金属材料が線材や板材であってもよく、その場合は、連続した固体金属材料が初期加熱槽12、冷却槽14、再加熱槽16を順次通過するようにして、連続的に熱処理することができる(図示せず)。図2には示していないが、熱処理室10をグローブボックス型にして、移動機構38の代わりに作業者が手作業で実施することも可能である。
2 shows the case where the
以上説明したように、液体リチウムを利用した一連の熱処理により、急激な加熱と冷却、それに再加熱を経て、きわめて強度の高い金属材料を得ることができる。 As described above, a metal material with extremely high strength can be obtained through a series of heat treatments using liquid lithium, through rapid heating, cooling, and reheating.
ここで、前述の熱処理を施したチタン合金材料の適用例について説明する。これらの適用例はいずれも、チタン合金の比重が小さいことと、この熱処理によって高い強度が得られることを利用するものである。 Here, an application example of the titanium alloy material subjected to the above-described heat treatment will be described. Each of these application examples utilizes the fact that the specific gravity of the titanium alloy is small and that high strength can be obtained by this heat treatment.
[ゴルフクラブヘッド材料への適用]
ゴルフクラブの設計製作に求められる最も重要な性能は、打ったボールの飛距離が大きいことである。このためには、できるだけクラブヘッドを軽くし、スウィングしたときのヘッドスピードをできるだけ速くすることと、ボールが当たるフェース面での反発係数を大きくすることが重要である。従来は、フェース表面をできるだけ硬くし、ボールの弾力を利用して反発係数を上げてきたが、最近では、フェース面の弾力性を高める方がより反発係数が上がることがわかり、弾力性を高めるためにより薄いフェースのクラブが求められている。
[Application to golf club head materials]
The most important performance required for designing and manufacturing a golf club is that the hit distance of the hit ball is large. For this purpose, it is important to make the club head as light as possible, to make the head speed as high as possible when swinging, and to increase the coefficient of restitution on the face surface where the ball hits. Conventionally, the face surface has been made as hard as possible, and the resilience coefficient has been increased by utilizing the elasticity of the ball. Recently, it has been found that increasing the resilience coefficient of the face surface increases the resilience coefficient, increasing the resilience. Therefore, there is a demand for a club having a thinner face.
クラブヘッドにおいて、フェースの厚さとフェースの撓み量の関係を示す計算例を図4に示す。フェースを薄くするほど撓み量が増すことがわかる。したがって、反発係数を高めるためにはフェースをできるだけ薄くすることが望ましい。しかし、フェースを薄くするとボールが当ったときなどの衝撃によってフェース材料に生じる応力が大きくなることから、より高い材料強度が要求されている。 FIG. 4 shows a calculation example showing the relationship between the thickness of the face and the amount of deflection of the face in the club head. It can be seen that the amount of deflection increases as the face becomes thinner. Therefore, it is desirable to make the face as thin as possible in order to increase the coefficient of restitution. However, when the face is thinned, the stress generated in the face material due to impact such as when a ball hits becomes large, so higher material strength is required.
このような要求に応えて、近年、クラブヘッドの材料としてチタン合金が使われるようになっている。しかし、チタン合金は非常に活性で反応性に富んでいるため、従来の熱処理では加熱冷却時に表面に厚い酸化物の皮膜が形成されてその皮膜の除去が難しく、また熱処理炉の温度分布の変動やバラツキが品質のバラツキに大きく影響するため、従来の熱処理炉の温度管理では不充分で、ゴルフクラブに使用するチタン合金に対しては一般に採用されていない。 In response to these demands, titanium alloys have recently been used as club head materials. However, because titanium alloys are very active and highly reactive, it is difficult to remove a thick oxide film on the surface during conventional heat treatment during heating and cooling, and the temperature distribution of the heat treatment furnace varies. Since the variation in quality greatly affects the variation in quality, the temperature control of the conventional heat treatment furnace is insufficient, and is not generally adopted for titanium alloys used for golf clubs.
また、一部には熱処理したチタン合金も使用されているが、従来の熱処理では高温加熱中に水素や酸素が内部に拡散侵入しやすく、充分な強度向上が得られていない。 In addition, although a heat-treated titanium alloy is partially used, hydrogen and oxygen easily diffuse and penetrate into the interior during high-temperature heating in conventional heat treatment, and sufficient strength improvement cannot be obtained.
本発明による熱処理を行なうことにより、チタン合金材料の強度を従来よりもさらに高めることができ、より薄くて強度の高いゴルフクラブヘッドを実現できる。これにより、より大きな飛距離を得ることができる。 By performing the heat treatment according to the present invention, the strength of the titanium alloy material can be further increased than before, and a thinner and stronger golf club head can be realized. Thereby, a larger flight distance can be obtained.
図5は、本発明による熱処理を施したチタン合金材料を用いたウッド型ゴルフクラブヘッドの構造例を示す。ゴルフクラブヘッドは中空構造になっており、シャフト(図示せず)に接続されたホゼル60と、ホゼル60に接合されて中空部61の上部を形成するクラウン62と、クラウン62に接続されて中空部61の底部を形成するソール63と、クラウン62およびソール63に接続されて中空部61の前面を形成するフェース64とからなる。これらの部品が互いに溶接接続されている。フェース64はボール(図示せず)に当る板状の部分で、ボールが当ったときに撓み、その後、フェース64の弾性によってボールをはじき返す機能を有する。
FIG. 5 shows a structural example of a wood type golf club head using a titanium alloy material subjected to heat treatment according to the present invention. The golf club head has a hollow structure, a
このゴルフクラブヘッドの材料として、本発明による熱処理を施したチタン合金材料を用いる。すなわち、この材料は従来のチタン合金材料よりも強度が大きいので、肉圧を薄くすることができ、それにより、従来よりも、クラブヘッドを軽くすることができる。 As a material of this golf club head, a titanium alloy material subjected to heat treatment according to the present invention is used. That is, since this material has a strength higher than that of a conventional titanium alloy material, it is possible to reduce the pressure of the body, thereby making the club head lighter than in the past.
特に、フェース64にこの材料を用いて肉圧を薄くすることにより、クラブヘッドの軽量化が可能なだけでなく、フェース64がボールに当ったときのフェース64の撓みを大きくすることができるので、反発係数を大きくすることができる。したがって、フェース64のみに本発明による熱処理を施したチタン合金材料を用いることも効果的である。
In particular, by using this material for the
[機械構造材料への適用]
チタン合金は比強度(単位密度当りの強度)が高いことから、自動車の車体や飛行機の胴体や翼、エンジンなどの軽量化のために、これらの機械構造材料としてチタン合金の利用が進められている。本発明による熱処理を施したチタン合金材料は従来のチタン合金に比べてさらに比強度が高いので、こうした用途への適用が可能である。
[Application to machine structural materials]
Titanium alloys have a high specific strength (strength per unit density), so titanium alloys are being used as mechanical structural materials to reduce the weight of automobile bodies, airplane fuselages, wings, engines, etc. Yes. Since the titanium alloy material subjected to the heat treatment according to the present invention has a higher specific strength than the conventional titanium alloy, it can be applied to such applications.
図6は、本発明に係る固体合金材料の熱処理方法の適用例である自動車用ガソリンエンジンの断面図である。シリンダ71内のピストン72がコンロッド73を介してクランクシャフト74に接続されていて、シリンダ71内でピストン72が往復運動することによりクランクシャフト74が回転駆動される。シリンダ71の上部のシリンダヘッド75には吸気管76と排気管77が接続され、吸気管76および排気管77を開閉するために、それぞれ、吸気バルブ78および排気バルブ79が配置されている。吸気バルブ78および排気バルブ79の開閉のタイミングはカム80の回転とバルブロッカー81によって決められ、さらに、バルブスプリング82およびリテーナ83によってカム80の押し付け力が制御されている。
FIG. 6 is a cross-sectional view of an automobile gasoline engine which is an application example of the solid alloy material heat treatment method according to the present invention. The
したがって、常に往復運動をしているバルブ78、79、バルブスプリング82、リテーナ83、コンロッド73、ピストン72などを軽くして慣性力を小さくすることはエンジンの性能向上に大きく寄与する。よって、これらの部品の少なくとも一部に本発明に係る固体合金材料の熱処理方法を適用することが効果的である。
Therefore, lightening the
図7は、本発明に係る固体合金材料の熱処理方法の適用例である飛行機用ジェットエンジンの縦断面図である。前方の空気をファンブレード87で集め、集められた空気の一部を圧縮ゾーン40で高圧にし、その後方の燃焼室41に送り、そこで燃料と混合させ燃焼させて、高温高圧の燃焼ガスを作り、その後方のタービン42を回転させる。ファンブレード87、低温領域の可動部品である圧縮機ブレード88および圧縮機ブレードディスク89、静止部のファンケース90およびベーン91などに本発明に係る固体合金材料の熱処理方法を適用することが効果的である。
FIG. 7 is a longitudinal sectional view of an airplane jet engine which is an application example of the solid alloy material heat treatment method according to the present invention. The air in the front is collected by the
このように飛行機用ジェットエンジンの部品に本発明に係る固体合金材料の熱処理方法を適用することにより、飛行機全体の軽量化をすることができ、さらに、回転部品を軽くすることによって遠心力が低減するので、より高速回転が可能となり、エンジン性能向上にも寄与する。 In this way, by applying the solid alloy material heat treatment method according to the present invention to aircraft jet engine components, the entire aircraft can be reduced in weight, and the centrifugal force can be reduced by reducing the rotating components. As a result, higher speed rotation is possible, which contributes to improved engine performance.
[インプラント材料への適用]
チタン合金は、一般に軽くて強く、しかも人体に毒性などの害を及ぼさないことから、人体内に人工骨の一部として埋め込んで使用するインプラント用材料として利用されている。本発明による熱処理を施したチタン合金材料は従来のチタン合金に比べてさらに比強度が高いので、こうした用途への適用が可能である。
[Application to implant materials]
Titanium alloys are generally light and strong, and do not cause harm such as toxicity to the human body. Therefore, titanium alloys are used as implant materials that are embedded in the human body as part of an artificial bone. Since the titanium alloy material subjected to the heat treatment according to the present invention has a higher specific strength than the conventional titanium alloy, it can be applied to such applications.
図8は、本発明に係る固体合金材料の熱処理方法の適用例である人工股関節の展開縦断面図である。人体との共存性に優れたチタン合金と耐磨耗性に優れたセラミックスや樹脂材料などで作られた球蓋部94が腰骨95に埋め込まれ(インプラントされ)、球蓋部94には凹部99が形成されている。また、大腿骨97にはチタン合金製のステム部98が埋め込まれ、ステム部98からチタン合金製の骨頭部96が突出している。球蓋部94の凹部99に骨頭部96が摺動可能に挿入されて人工股関節が形成される。チタン合金の伸びやヤング率などの物性値を人間の骨に近づけるように制御することにより、より人間の骨に近い快適な人工関節とすることができる。
FIG. 8 is a developed longitudinal sectional view of an artificial hip joint which is an application example of the heat treatment method for a solid alloy material according to the present invention. A
本発明に係る固体合金材料の熱処理方法を適用することにより、チタン合金の物性値を制御できる幅が広がり、より人間の骨に近い物性値を得ることができる。 By applying the heat treatment method of the solid alloy material according to the present invention, the range in which the physical property value of the titanium alloy can be controlled is widened, and a physical property value closer to human bones can be obtained.
α−βチタン合金であるTi−6Al−4Vについて、図1および図3に示す熱処理を行なった結果を図9に示す。 FIG. 9 shows the result of the heat treatment shown in FIGS. 1 and 3 for Ti-6Al-4V, which is an α-β titanium alloy.
すなわち、図9は、この熱処理を行なう前と、熱処理を行なった後の材料について、0.2%耐力と引張り強度の実測値を示す。さらに、従来方法での溶体化時効処理後の値として、非特許文献1の第76頁表4.3に掲載された値も示す。この表から明らかなように、この発明の熱処理方法によれば、被処理金属材料の耐力および強度が格段に高くなる。
That is, FIG. 9 shows measured values of 0.2% proof stress and tensile strength before and after the heat treatment. Furthermore, the value published in Table 4.3 on
10:熱処理室、12:初期加熱槽(液体リチウム槽)、14:冷却槽(液体リチウム槽)、16:再加熱槽(液体リチウム槽)、18:ヒータ、20:ヒータ、22:ファン、24:ヒータ、30:入口扉、32:出口扉、34:入口室、36:出口室、38:移動機構、40:圧縮ゾーン、41:燃焼室、42:タービン、50:固体金属材料(金属塊)、60:ホゼル、61:中空部、62:クラウン、63:ソール、64:フェース、71:シリンダ、72:ピストン、73:コンロッド、74:クランクシャフト、75:シリンダヘッド、76:吸気管、77:排気管、78:吸気バルブ、79:排気バルブ、80:カム、81:バルブロッカー、82:バルブスプリング、83:リテーナ、87:ファンブレード、88:圧縮機ブレード、89:圧縮機ブレードディスク、90:ファンケース、91:ベーン、94:球蓋部、95:腰骨、96:骨頭部、97:大腿骨、98:ステム部、99:凹部 10: Heat treatment chamber, 12: Initial heating bath (liquid lithium bath), 14: Cooling bath (liquid lithium bath), 16: Reheating bath (liquid lithium bath), 18: Heater, 20: Heater, 22: Fan, 24 : Heater, 30: inlet door, 32: outlet door, 34: inlet chamber, 36: outlet chamber, 38: moving mechanism, 40: compression zone, 41: combustion chamber, 42: turbine, 50: solid metal material (metal lump) ), 60: hosel, 61: hollow part, 62: crown, 63: sole, 64: face, 71: cylinder, 72: piston, 73: connecting rod, 74: crankshaft, 75: cylinder head, 76: intake pipe, 77: exhaust pipe, 78: intake valve, 79: exhaust valve, 80: cam, 81: valve rocker, 82: valve spring, 83: retainer, 87: fan blade, 88: compressor Blade, 89: compressor blade disc, 90: fan case, 91: vane, 94: Tamafuta unit, 95: hip, 96: bone head, 97: femur, 98: stem portion, 99: concave portion
Claims (11)
初期加熱槽内の液体リチウムを、固体合金材料の合金成分が固溶体に溶解する固溶温度よりも高くかつ固体合金材料の融点よりも低い温度にあらかじめ加熱して保持しておき、その初期加熱槽内の液体リチウム内に前記固体合金材料を直接浸漬して前記固体合金材料が固溶体を形成するまで保持する初期加熱工程と、
冷却槽内の液体リチウムを、前記固溶温度よりも低い温度にあらかじめ保持し、前記初期加熱工程の後に前記冷却槽内の液体リチウム内に前記固体合金材料を直接浸漬して冷却して過飽和固溶体を得るリチウム浸漬冷却工程と、
前記リチウム浸漬冷却工程の後に、室温よりも高い時効温度に保った再加熱槽内に前記固体合金材料を入れて保持する再加熱工程と、
を有すること、を特徴とする固体合金材料の熱処理方法。 A heat treatment method for a solid alloy material,
The liquid lithium in the initial heating tank is preheated and held at a temperature higher than the solid solution temperature at which the alloy component of the solid alloy material dissolves in the solid solution and lower than the melting point of the solid alloy material. An initial heating step of directly immersing the solid alloy material in liquid lithium and holding the solid alloy material until a solid solution is formed;
The liquid lithium in the cooling tank is held in advance at a temperature lower than the solid solution temperature, and after the initial heating step, the solid alloy material is directly immersed in the liquid lithium in the cooling tank and cooled to obtain a supersaturated solid solution. A lithium immersion cooling step to obtain,
After the lithium immersion cooling step, a reheating step of holding and holding the solid alloy material in a reheating tank maintained at an aging temperature higher than room temperature,
A method for heat treatment of a solid alloy material characterized by comprising:
前記初期加熱工程は、前記初期加熱槽内の液体リチウムの温度を700℃以上でかつ1300℃以下に保持して行ない、
前記リチウム浸漬冷却工程は、前記冷却槽内の液体リチウムの温度を500℃以下に保持して行なうこと、
を特徴とする固体合金材料の熱処理方法。 In the heat processing method of Claim 3,
The initial heating step is performed by maintaining the temperature of liquid lithium in the initial heating tank at 700 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower,
The lithium immersion cooling step is performed while maintaining the temperature of liquid lithium in the cooling bath at 500 ° C. or lower.
A heat treatment method for a solid alloy material.
内部に不活性ガスが充填された熱処理室と、
前記熱処理室内に配置され、固体合金材料の合金成分が固溶体に溶解する固溶温度よりも高くかつ前記固体合金材料の融点よりも低い温度に液体リチウムを加熱して保持しておき、その液体リチウム内に前記固体合金材料を受け入れる初期加熱槽と、
前記熱処理室内に配置され、前記固溶温度よりも低い温度に液体リチウムを保持しておき、その液体リチウム内に、前記初期加熱槽内を通ってきた前記固体合金材料を受け入れる冷却槽と、
を有することを特徴とする固体合金材料の熱処理装置。 In heat treatment equipment for alloy materials,
A heat treatment chamber filled with an inert gas,
The liquid lithium disposed in the heat treatment chamber is heated and held at a temperature higher than a solid solution temperature at which an alloy component of the solid alloy material dissolves in a solid solution and lower than a melting point of the solid alloy material. An initial heating tank for receiving the solid alloy material in the interior;
A cooling tank that is disposed in the heat treatment chamber, holds liquid lithium at a temperature lower than the solid solution temperature, and receives the solid alloy material that has passed through the initial heating tank in the liquid lithium;
A heat treatment apparatus for a solid alloy material, comprising:
The solid alloy material is a titanium alloy material, and is any one of a golf club head member, a vehicle structural member, an aircraft structural member, an engine structural member, and an implant member. Item 8. A heat treatment method for a solid alloy material according to any one of Items 1 to 7.
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CN105177474A (en) * | 2015-08-28 | 2015-12-23 | 上海交通大学 | Method for improving heat-conducting property of metal alloy |
CN105522070A (en) * | 2015-12-12 | 2016-04-27 | 中国航空工业标准件制造有限责任公司 | Shell nosing method of titanium alloy self-locking nuts |
CN113174474A (en) * | 2021-05-26 | 2021-07-27 | 上海煜志科技有限公司 | Salt bath heat treatment furnace and control method thereof |
CN113265515A (en) * | 2021-05-26 | 2021-08-17 | 上海煜志科技有限公司 | Salt bath heat treatment molten salt device and control method thereof |
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2005
- 2005-06-01 JP JP2005160939A patent/JP2006016691A/en active Pending
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