JP2006142332A - チタン合金製エンジンバルブの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を材料としてエンジンバルブを製造する、改良された方法であって、軸部にカジリやワレが生じることを避けて鍛造品を得る方法を提供する。
【解決手段】
バルブ形状を備えた上下一対の鍛造用の金型を用い、端面の面取りを行なった、軸部の径より太い径をもつスラグを、金型の傘部の側から挿入し、スラグの下部を前方押出しすることにより軸部を搾出成形するとともに、スラグの上部を型打ちして材料を横方向に展開させることにより傘部を成形する。このとき、あらかじめスラグおよび金型を、つぎのどちらかの条件が満たされるように加熱しておく。
１）スラグ温度：８００℃以上〜チタン合金のβトランザス温度以下、金型温度：１００〜５００℃、この場合、鍛造後に、βトランザス温度以上に加熱する。
２）スラグ温度：チタン合金のβトランザス温度超過〜１１５０℃以下、金型温度：３００〜５００℃。
【選択図】 図１

Description

本発明は、チタン合金、代表的にはＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を材料として、エンジンバルブ、とくに自動車エンジンのバルブを製造する方法に関する。

自動車エンジンのバルブをはじめとするエンジンバルブは、良好なレスポンスを実現する上で軽量であることが望まれるから、チタン合金のような比重の小さい材料で製造することが好ましい。エンジンバルブはまた、軽量であるだけでなく強度が高く、かつ耐熱性にすぐれていることが必要であるから、それに適した材料を選ばなければならない。上記したＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金は、これらの諸要求を満たす材料として好適なものである。ところが、一般に機械的特性のすぐれたチタン合金は、成形性が低いという弱点があり、この点ではＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金も例外でない。

これまで、チタン合金でエンジンバルブを製造する方法として知られ、実用されてきたのは、電気アップセット−型入れ鍛造法であった。この製造方法は、まずバルブ軸部の直径と同じ直径を有するチタン合金線材を用意し、その一端を通電加熱して据え込むことにより傘部となる大径部分を形成し、それを鍛造型に入れて傘部を鍛造する、という２工程からなる。
この方法は、まず、比較的細いチタン合金線材を用意するという工程からして、チタン合金のもつ低い成形性ゆえに不利であり、その上に電気アップセットの工程が、時間がかかる（約３０秒）ので、全体として、生産性が低いという難点があった。いうまでもなく、生産性の低さは、材料の価格とあいまって、本来は低コストで製造されるべきバルブのコストを押し上げていた。

高温強度が要求されるバルブ傘部の組織は、針状αまたは針状（α＋β）であることが好ましい。そこで、バルブ製造に適したチタン合金線として、（α＋β）型チタン合金線材のミクロ組織を６〜２５μｍの粒径の、等軸α晶組織、針状α晶組織または等軸α晶組織と針状α晶組織との混合組織のいずれかとしたものが提案された（特許文献１）。

前記した電気アップセット−型入れ鍛造法によるエンジンバルブ製造法の一例を挙げれば、等軸状α組織をなす（α＋β）相またはニアα相チタン合金からなる軸状素材の一端部に、βトランザス温度を超える温度で加工した「拡径部」を形成した後、直ちに熱間鍛造することにより、軸部の一端に針状α組織の傘部を形成することからなる製造方法が開発されている（特許文献２）。
特開平６−８１０５９ 特開２００１−２３４３１３

チタン合金でエンジンバルブを製造する方法の生産性を向上させる方策として、発明者らは、軸部より径が太い円柱状のスラグを用意し、それをバルブ形状をそなえた鍛造型に置き、型打ち鍛造により一挙にバルブ形状の鍛造品を得ることを着想し、試みた。この方法によるときは、スラグの下部が鍛造型の軸部に押し込まれ、前方押し出しによって細径にされる搾出が行なわれ、一方、スラグの上部は型打ち鍛造により傘部に成形される。

しかし、チタン合金を加工する場合にしばしば遭遇する、搾出により成形された軸部、とくにその先端部分に、「カジリ」や、「ワレ」が生じやすく、良品を得ることが困難である、という固有の問題が避けられないことがわかった。カジリは、被加工材と金型との焼き付きに起因するもので、軸方向に走る条痕であり、ワレは、円周上に分布する軸方向の表面クラックである。そこで発明者らは、こうしたカジリやワレの問題を回避するため、鍛造されるスラグおよび金型を、鍛造に先立って加熱しておくことを試みた。さまざまなスラグ温度および金型温度およびそれらの組み合わせを検討し、つぎの知見を得た。

１）カジリは、金型温度が低い場合に発生しやすく、スラグ温度が高くなると多発する。
２）ワレは、スラグ温度がβトランザス温度より高い場合に生じるが、金型温度が高めの場合は防げる。スラグ温度が高目であると、金型温度がいくぶん低くても生じにくい。
３）スラグ温度がβトランザス温度より低い場合は、鍛造後にβトランザス温度を超える温度で熱処理して、組織を針状（α＋β）に変えることが必要である。βトランザス温度を境界に様相が異なり、βトランザス温度（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金では９８０℃）以下ではワレはほとんど問題にならないが、この温度を超えると顕著に生じる。

本発明の目的は、上述の発明者らが得た新しい知見を活用し、チタン合金を材料として、エンジンバルブの軸よりも径が大きいスラグを型打ち鍛造して一気にエンジンバルブを成形する方法であって、軸部にカジリやワレが生じることを避けて鍛造品を得ることができる製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成する本発明のチタン合金製エンジンバルブの製造方法は、これを概念的に示せば、スラグ温度を横軸に、金型温度を縦軸にとった図１のグラフにおいて、密度の異なるアミカケを施した二つの領域で操業することである。すなわち、スラグの加熱温度をβトランザス温度未満以下に選ぶか（密度の低いアミカケ）、βトランザス温度以上とする（密度の高いアミカケ）かによって、二つの態様がある。

本発明にしたがうチタン合金製エンジンバルブの製造方法は、チタン合金製で、端面の面取りを行なったスラグから、搾出および傘打ち加工を同時に行なう鍛造によりエンジンバルブを製造する方法であって、第一の態様は、バルブ形状を備えた上下一対の鍛造用の金型を用い、軸部の径より太い径をもつスラグを金型の傘部の側から挿入し、スラグの下部を前方押出しすることにより軸部を搾出成形するとともに、スラグの上部を型打ちして材料を横方向に展開させることにより傘部を成形し、鍛造に続いてチタン合金のβトランザス温度以上に加熱する熱処理を行なって、少なくともバルブ傘部を針状（α＋β）組織とすることからなり、あらかじめスラグおよび金型を加熱しておいて鍛造を行ない、その加熱を、スラグ温度が８００℃以上〜チタン合金のβトランザス温度以下、金型温度が１００〜５００℃となる条件を満たすように選択することを特徴とする。スラグ加熱温度と金型温度の関連をあらわした図１において、右上がりの斜線で示した領域がそれである。

本発明の第二の態様は、上記のエンジンバルブを製造する方法であって、バルブ形状を備えた上下一対の鍛造用の金型を用い、軸部の径より太い径をもつスラグを金型の傘部の側から挿入し、スラグの下部を前方押出しすることにより軸部を搾出成形するとともに、スラグの上部を型打ちして材料を横方向に展開させることにより傘部を成形することからなり、あらかじめスラグおよび金型を加熱しておいて鍛造を行ない、その加熱を、スラグ温度がチタン合金のβトランザス温度超過〜１１５０℃以下、金型温度が３００〜５００℃の条件を満たすように選択することを特徴とする。図１において、右下がりの斜線を施した領域が、この温度条件の組み合わせを示す。

本発明の製造方法に従ってチタン合金を材料とするエンジンバルブを製造すれば、鍛造素材として、軸部の径に合わせたチタン合金線材を使用せず、より大径の円柱状スラグを使用することができるから、まず、素材の製造が容易であり、低コストである。つぎに、従来の方法で行なっていた電気アップセットの工程を必要とせず、かつ、一回の型打ち鍛造で済むから、工程が少なくなり、所要時間が短縮されて、生産性が著しく向上する。そのため、エンジンバルブがより低廉な価格で提供できる。自動車エンジンバルブについてみれば、従来はチタン合金製のバルブはレーシングカーや高級車にしか使用できなかったものが、中級車以下にも使用することができ、レスポンスの向上などエンジン性能を高めるばかりでなく、燃費の改善などを通じて環境への負荷を減らすことにも寄与する。

エンジンバルブを製造するチタン合金としては、前述のとおり、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金が適切であるが、この合金のβトランザス温度は９８０℃である。

上記の原理に基づく本発明のチタン合金製エンジンバルブの製造方法を、より詳細に説明すれば、まず、スラグの端面の面取りを行なうことは、シャープエッジによるスラグの温度低下を防止し、温度を均一に保つという効果を与える。面取りはまた、鍛造時のカジリや軸ワレを防ぐはたらきもある。実際の面取りは、スラグの直径に応じて行なえばよく、０．５〜２mm程度の丸面取りでもよいし、これに対応する角面取りでもよい。

鍛造金型は、常用の熱間加工用のダイス鋼で製造することができる。その場合、金型は、１００℃以上、好ましくは３００℃以上に加熱しておく。上限は５００℃であって、それ以上の高温にすると、金型が変形しやすくなって好ましくない。実用上は、４５０℃程度に止めるのがよい。第二の態様においては、スラグはβトランザス温度を超える温度に加熱されるが、その温度の上限は、いうまでもなく融点未満であり、実際上はそれよりかなり低い温度である。Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金についていえば、おおよそ１１５０℃以下である。型打ち鍛造に当たっては、この分野において知られている技術を利用することが推奨される。たとえば、鍛造するスラグに黒鉛被膜を施すことや、金型に潤滑剤を塗布しておくことなどがそれである。潤滑剤としては、鉱物油が好適である。

第一の態様においては、鍛造後の加熱が望ましい、というよりは、実際上は必須である。加熱の目的は、針状（α＋β）組織を得るためであるから、使用したそれぞれのチタン合金のβトランザス温度以上の温度に、変態が実質上完了するために必要な時間保持する。加熱手段は任意であって、鍛造品全体を加熱炉に入れることで容易に実施できるが、高周波加熱や通電加熱その他の手段によって、傘部だけを局部的に加熱することが好ましい。通電は、短時間で所望の温度に到達できるという点でも、好ましい加熱手段である。傘部を針状（α＋β）組織とするのは、この方が、高温疲労強度が高いからである。一方、軸部は、むしろ靭延性においてすぐれている、等軸（α＋β）組織のままにしておくことが望ましい。したがって、局部加熱が推奨される。

第二の態様においては、鍛造する段階でスラグはβトランザス温度を超える温度に加熱されているから、鍛造後空冷することによって、鍛造品はすでに針状（α＋β）組織となっている。このことは、熱処理工程を付加する必要がないという点では、第二の態様をより有利なものとする。ただし、傘部は針状組織、軸部は等軸組織に作り分けることができないという制約はある。

Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を材料として、図２に示す形状のエンジンバルブを製造した。この合金から径１６mmの棒を製造し、長さ４０mmに切断して、鍛造用スラグとした。このスラグの両端面に、１ｃの面取りを施した。第一の態様にしたがって、スラグを９００℃、金型を２００℃に加熱して、鍛造を行なった。ワレやカジリなどの欠陥のない鍛造品が得られた。傘部に対し通電加熱を行ない、温度を約１０５０℃に高め、１０分間維持したのち空冷し、傘部の針状組織化を図った。

第二の態様にしたがって、スラグを１１００℃、金型を４００℃に加熱したほかは実施例１と同じ鍛造素材と金型を用いて、鍛造を行なった。ワレやカジリなどの欠陥のない鍛造品が一挙に得られた。

本発明の製造方法で選択する操業条件、すなわち鍛造スラグの温度と鍛造金型の加熱温度との組み合わせを、概念的に示すグラフ。 本発明の実施例で製造したエンジンバルブの形状・寸法を示す側面図。

Claims (3)

1. チタン合金製で、端面の面取りを行なったスラグから、搾出および傘打ち加工を同時に行なう鍛造によりエンジンバルブを製造する方法であって、バルブ形状を備えた上下一対の鍛造用の金型を用い、軸部の径より太い径をもつスラグを金型の傘部の側から挿入し、スラグの下部を前方押出しすることにより軸部を搾出成形するとともに、スラグの上部を型打ちして材料を横方向に展開させることにより傘部を成形し、鍛造に続いてチタン合金のβトランザス温度以上に加熱する熱処理を行なって、少なくともバルブ傘部を針状（α＋β）組織とすることからなり、あらかじめスラグおよび金型を加熱しておいて鍛造を行ない、その加熱を、スラグ温度が８００℃以上〜チタン合金のβトランザス温度以下、金型温度が１００〜５００℃となる条件を満たすように選択することを特徴とするチタン合金製エンジンバルブの製造方法。
2. チタン合金製で、端面の面取りを行なったスラグから、搾出および傘打ち加工を同時に行なう鍛造によりエンジンバルブを製造する方法であって、バルブ形状を備えた上下一対の鍛造用の金型を用い、軸部の径より太い径をもつスラグを金型の傘部の側から挿入し、スラグの下部を前方押出しすることにより軸部を搾出成形するとともに、スラグの上部を型打ちして材料を横方向に展開させることにより傘部を成形することからなり、あらかじめスラグおよび金型を加熱しておいて鍛造を行ない、その加熱を、スラグ温度がチタン合金のβトランザス温度超過〜１１５０℃以下、金型温度が３００〜５００℃の条件を満たすように選択することを特徴とするチタン合金製エンジンバルブの製造方法。
3. スラグに黒鉛被膜を施し、金型の潤滑剤として鉱物油を用いて実施する請求項１または２のチタン合金製エンジンバルブの製造方法。
   
   
   

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