JP2006212699A - チタン合金製段付軸状部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストでチタン合金製段付軸状部品を製造し得る製造方法を提供する。
【解決手段】鍍金工程Ｐ４、Ｐ５において軸状素材１８の表面２０に鍍金層２２，２４が形成された後、冷間または温間による鍛造工程Ｐ７においてその軸状素材１８が鍛造により段付形状のブランク５０に成型される。そのため、鍛造の際にはダイ２６，３４，４４と軸状素材１８との間に鍍金層２２，２４が介在させられることからチタン合金がダイ２６等に接触しないので、そのダイ２６等に軸状素材１８やブランク３２，４２，５０が焼付くことが好適に抑制される。したがって、鍛造によって段付軸状形状のブランク５０を成型することが可能となるため、低コストでチタン合金製段付軸状部品１０を製造することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、チタン合金製段付軸状部品の製造方法に関する。

近年、ボルト形状素材やリベット素材などの段付軸状部品としてチタン合金が用いられるようになっている。チタン合金は、鋼と同程度の機械的強度を持ち乍ら比重がその60(％)程度と軽く、しかも、耐蝕性に優れている利点がある。そのため、たとえばチタン合金ボルトやチタン合金リベットは、高強度を保ちつつ軽量化することが望まれる用途、例えば、レーシング・カーや自転車等のボルトやリベットとして好適である。

上記チタン合金ボルトの一種に、例えばTi-16V-4Sn-3Al-3NbやTi-16V-4Sn-3Al-1Mo等から成るチタン合金製のボルト形状素材の軸部外周面に、冷間転造加工によって雄ねじ部を形成したものがある(例えば特許文献１等参照)。

特開平０７−２１４２１７号公報

しかしながら、チタン合金は金型鋼などの他材料との親和性が高く、鋼製ボルトと同様に冷間鍛造によってボルト形状素材を成形しようとすると成形型に焼付きが発生する。このため、上記公報に記載された技術でも、冷間塑性加工が可能となるのは雄ねじ部の転造に留まるので、ボルト形状素材の成形が例えば熱間鍛造や機械加工で行われることから、製造コストが未だ高い問題があった。このような問題は、ボルト形状素材のみならず、大径部と小径部とを有する段付軸状部品であれば共通に生じるものである。

本発明は、以上の事情を背景として為されたものであって、その目的は、低コストでチタン合金製段付軸状部品を製造し得る製造方法を提供することにある。

斯かる目的を達成するため、本発明の要旨とするところは、チタン合金から成る軸状素材を所定の段付軸状部品に成形する成形工程を含むチタン合金製段付軸状部品の製造方法であって、前記成形工程は、(a)前記軸状素材の表面に鍍金層を形成する鍍金工程と、(b)その鍍金層が形成された前記軸状素材を所定の成形型を用いて冷間または温間にて鍛造して前記段付軸状形状を成形する鍛造工程と
を、含むことにある。

このようにすれば、鍍金工程において軸状素材の表面に鍍金層が形成された後、冷間または温間による鍛造工程においてその軸状素材が鍛造により所定の段付軸状部品に成型される。そのため、鍛造の際には成形型と軸状素材との間に鍍金層が介在させられることからチタン合金が成形型に接触しないので、その成形型に軸状素材が焼付くことが好適に抑制される。したがって、鍛造によって段付軸状部品を成型することが可能となるため、低コストでチタン合金製段付軸状部品を製造することができる。

ここで、好適には、前記チタン合金製段付軸状部品の製造方法は、前記軸状素材の表面を所定の表面粗さに荒らす表面粗化工程を含み、前記鍍金工程は、その所定の表面粗さに荒らされた軸状素材の表面に鍍金層を形成するものである。このようにすれば、鍍金層の形成面が所定の表面粗さに荒らされているので、その固着強度が高められる。そのため、冷間または温間による鍛造工程において成形型との間で発生する圧力に起因する鍍金層の膜切れ或いは剥離が一層抑制されることから、軸状素材の焼付きが一層抑制される。

さらに好適には、前記鍍金工程に先だって、前記軸状素材の上面および下面と円周部との間の角部を面取りする面取り工程が設けられる。この面取りによって、バリやピン角が除去されて、バリによる型のかじりや鍍金ののりが不十分な部分が解消される。

また、好適には、前記表面粗化工程および面取り工程は、前記軸状素材にバレル研磨を施すことによって同時に実行されるものである。このようにすれば、表面粗化と面取りとが一挙に行われる。表面粗化工程は、軸状素材の表面を所定の表面粗さに荒らし得るものであれば特に方法を問わず、例えばショットブラストや酸洗浄等で行われてもよいが、バレル研磨が特に好適であり、表面粗化により鍍金層の固着強度が高められる。

また、好適には、前記所定の表面粗さは中心線平均粗さRaで0.5乃至3.0(μm)の範囲内の値である。このようにすれば、表面粗さが適度に調整されているので、鍍金層の固着強度が一層高められる。そのため、冷間または温間による鍛造時の断面減少率を大きくしても膜切れや剥離が生じ難いので、据込率を大きくしなくとも、大径の頭部と小径の軸部とを備えたボルトも容易に製造できる利点がある。なお、0.5(μm)未満の表面粗さでは平滑過ぎて十分な固着強度を確保できず、反対に3.0(μm)を越える表面粗さでは却って接触面積が小さくなるので固着強度を確保できない。一層好適には表面粗さRaが1.0乃至1.5の範囲内の値である。このようにすれば、優れた鍍金層の固着強度が確保でき、鍍金コストの増大が抑制される。ここで、「断面減少率」は、成形前の断面積をＡ₀、成形後の断面積をＡ₁とするとき、断面積が減少する前方押出等において(1-(Ａ₁/Ａ₀))×100で与えられる値である。また、「据込率」は、据込み加工前の長さをＬ₀、加工後の長さ寸法をＬ₁とするとき、(1-(Ｌ₁／Ｌ₀))×100で与えられる値である。

また、好適には、前記鍍金層は、3(μm)以上の厚さ寸法で設けられるものである。このようにすれば、鍍金層が十分な厚さ寸法で設けられることから、冷間または温間による鍛造の際に成形型との間で発生する圧力に起因して鍍金層が膜切れし或いは剥離して、軸状素材の焼付きが生じることが一層抑制される。すなわち、断面減少率が大きい冷間または温間による鍛造も好適に実施し得る。一層好適には、鍍金層厚みは5(μm)以下である。このようにすれば、鍍金除去コストの増大延いてはチタン合金製段付軸状部品の製造コストの増大が抑制される。

また、好適には前記鍛造工程は、前記段付軸状部品に対して面積減少率が10%以上で行われるものである。面積減少率が10%未満であっても前記鍍金工程は有効ではあるが、前記鍍金工程が行われなくても面積減少率が10%未満では軸状素材の変形量が比較的小さいために成形型に軸状素材が焼付くことがあまりなく、必ずしも鍍金を要しないためである。特に、面積減少率が10%以上では、前記鍛造工程は効果的に実施される。

また、好適には、前記鍍金層は、ニッケル、金、銅、亜鉛、それらのうちのいずれかの合金の少なくとも一つから成るものである。これらの金属は冷間または温間による鍛造時に成形型との間で圧力が発生してもその成形型に焼付き難く、また、チタン合金に強固に固着することからその冷間または温間にて鍛造時に膜切れや剥離も生じ難いので、鍍金層の形成材料として好適である。

また、好適には、前記鍍金工程は、前記軸状素材の表面にニッケルから成る下地鍍金を施す下地鍍金工程と、その下地鍍金の表面に軟質金属を鍍金する上鍍金工程とを含むものである。このようにすれば、ニッケルはチタン合金との密着性が特に優れているので、冷間または温間による鍛造時の鍍金層の膜切れや剥離が特に生じ難い。しかも、軟質金属から成る上鍍金層との二層構造であることから、鍍金層全体をニッケルで構成した場合に比較して鍍金層形成に伴う製造コストの増大が抑制される。すなわち、ニッケルとチタン合金との密着性に基づいて鍍金層の固着強度を高めながら、鍍金層の形成に伴う製造コスト増大を抑制することができる。

また、好適には、前記軟質金属は金、銅、亜鉛、それらのうちのいずれかの合金の少なくとも一つである。これらはニッケルから成る下地鍍金層に強固に固着されることから膜切れや剥離が生じ難く、しかも、成形型に焼付くこともないので、鍍金層を二層構造とする場合の上鍍金層の鋼製材料として好適である。

また、好適には、前記冷間または温間による鍛造工程の後に前記段付軸状部品の表面から前記鍍金層を剥離する鍍金剥離工程を含むものである。チタン合金ボルトは、鍍金層が表面に形成されたまま雄ねじを転造形成して用いられても良く、その場合には鍍金層が使用時の焼付き防止効果を奏することとなるが、そのような目的の鍍金層が無用な場合は、例えば鍛造後、好適には転造後に除去すればよい。

また、好適には、上記鍍金剥離工程は、段付軸状部品にバレル研磨を施すものである。鍍金剥離工程は、段付軸状部品の表面に形成されている鍍金層を剥離し得るものであれば特に方法を問わず、例えばショットブラスト等で行われてもよいが、酸洗処理が特に好適であり、冷間または温間による鍛造後の平滑な表面を保ちつつ鍍金層を除去できる利点がある。

また、好適には、前記チタン合金製段付軸状部品の製造方法は、βチタン合金から成る円柱状素材を所定のボルト形状素材に成形するボルト素材成形工程と、そのボルト形状素材の外周面に雄ねじを転造形成する転造工程とを含むβチタン合金ボルトの製造方法であって、前記ボルト素材成形工程は、前記円柱状素材の表面に鍍金層を形成する鍍金工程と、その鍍金層が形成された前記円柱状素材を所定の成形型を用いて冷間鍛造して前記ボルト形状素材を成形する冷間鍛造工程とを、含むことを特徴とするβチタン合金ボルトの製造方法を包含する。

また、好適には、前記βチタン合金ボルトの製造方法は、前記チタン合金製段付軸状部品の製造方法により成形された段付軸状素材にねじ転造工程が施される方法である。

また、好適には、前記チタン合金はβチタン合金であり、前記チタン合金ボルトの製造方法は、前記転造工程の後に所定温度で熱処理を施すことによりα相を析出させるための時効処理工程を含むものである。βチタン合金は冷間または温間にて鍛造したままでも十分な機械的強度を有しているが、適当な温度で時効処理を施してα相を析出させれば引張り強度や耐力等の機械的強度を向上させ得る。一方、このような時効処理は、絞り(すなわち材料の粘り強さ)を小さくするので、冷間鍛造後の機械的強度が十分に高く且つ大きい絞りを望む場合には時効処理は無用である。ここで、引張り強度、耐力、絞りは、それぞれJIS G0202-1166、JIS G0202-1164、JIS G0202-1175に規定されているものである。

なお、上記の時効処理は、β相が安定となる変態点よりも十分に低温で行われ、例えば450〜600(℃)の範囲内の温度が好適である。この温度範囲内において、例えば機械的強度が必要な場合には比較的低温、例えば450(℃)程度で時効処理を施すことが好ましく、一方、絞りを大きくすることを望む場合には比較的高温、例えば550(℃)程度で時効処理を施すことが好ましい。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。

図１は、本発明のチタン合金製段付軸状部品の製造方法の一実施例であるチタン合金ボルトの製造工程を説明する工程図である。この工程は、例えば、図２に示されるような六角穴付ボルト１０を製造するためのものであるが、六角ボルト等の他のβチタン合金ボルトの製造にも適用し得る。なお、図示のボルト１０は、例えば、頭部１２がｄ＝13(mm)程度の直径およびｋ＝8(mm)程度の長さ寸法に構成されると共に、軸部１４がｌ＝25(mm)程度の長さ寸法に構成された呼びＭ８のものであり、頭部１２の上面(図における左端面)には、例えば二面幅が6(mm)程度の六角穴１６がｔ＝4(mm)程度の深さ寸法で設けられている。この寸法は一例であり、上記図１に示される工程は、他の種々の寸法のボルトにも同様に適用される。以下、この図１に従って、このボルト１０の製造方法を説明する。

先ず、素材用意工程Ｐ１では、適当な直径、例えばφ＝9.7(mm)程度の丸棒やコイル状のβチタン合金素材を用意する。本実施例で用いられるβチタン合金は、例えばTi-4Al-22Vから成るものであって、図３に●で示すような歪−応力特性を有している。なお、この図は横軸に歪みの大きさをとり、縦軸にその歪みに対応する変形応力(MPa)をとったものであり、下方に位置するものほど歪みに対して発生する応力が小さく容易に変形することになる。また、図において、×はSUS304、○はTi-6Al-4Vから成るα＋β型チタン合金、◇はTi-3Al-15V-3Cr-3Sn、◆はTi-4Al-15V-6Cr、△はTi-3Al-13V-11Cr、□はTi-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Crである。○で表されたTi-6Al-4V(α＋β型チタン合金)の他の５種のチタン合金は全てβチタン合金であり、何れもα＋β型チタン合金に比較して歪みに対する変形応力が小さいので冷間加工性に優れ、本発明の実施に用い得る。この中でもTi-4Al-22V合金は特に変形応力が低く、冷間鍛造によるボルト製造に好適である。

図１に戻って、次いで、切断工程Ｐ２では、上記の素材をボルト１０の質量に等しい質量となる例えば18.8(mm)程度の所定の長さ寸法に切断する。この切断加工には、例えば丸棒においては鋸等が、コイル材においてはシャー等が好適に用いられる。図４(ａ)に切断加工されたブランクすなわち円柱状素材１８を示す。

次いで、表面粗化工程Ｐ３においては、上記の円柱状素材１８の表面２０を、例えばRaで0.5〜3.0(μm)程度の所定の表面粗さに荒らす。この工程は、例えば円柱状素材１８をセラミックス系等のメディア(研磨材)、水、界面活性剤、アルカリ等のコンパウンド等と共に回転容器内に投入し、その回転容器を所定の速度で所定の時間だけ回転させるバレル研磨等によって行われる。また、上記の円柱状素材１８はバレル研磨されることにより、上記の表面粗化工程と同時にこの円柱状素材１８の上面および下面と外周面との間の角部が略Ｒ状に面取り加工される。これより、円柱状素材１８の角部が滑らかになりこの角部においても好適な鍍金が可能となる。また、この工程は、バレル研磨に代えて、ショットブラスト処理や酸洗浄等で実施することもできる。

次いで、下地鍍金工程Ｐ４では、上記のように荒らされた円柱状素材１８の表面２０に化学鍍金等で薄いニッケル鍍金を施す。このニッケル鍍金は、下地鍍金層２２として設けられるものであって、厚く形成する必要は無いので、例えば1(μm)未満、例えば0.8(μm)程度の厚さ寸法で設けられる。また、ニッケルはチタン合金との親和性が比較的良いので高い固着強度を得ることができるが、前記の表面粗化工程Ｐ３は、この下地鍍金層２２の固着強度を一層高めるために実施されるものである。

次いで、上鍍金工程Ｐ５では、上記の下地鍍金層２２の上に、化学鍍金等で例えば3〜5(μm)程度の所定の厚さ寸法に銅鍍金等を施す。なお、この鍍金処理は、例えば、円柱状素材１８を銅を含む電解液と共にバレルで回すバレル鍍金によって行うこともできる。上記の下地鍍金層２２は、上鍍金層２４として設けられるこの銅鍍金の固着強度を高めるためのものである。βチタン合金から成る円柱状素材１８には、譬えその表面２０が荒らしてあっても銅鍍金を強固に固着形成することは困難であるが、銅鍍金から成る上鍍金層２４はニッケル鍍金から成る下地鍍金層２２には強固に固着されるので、円柱状素材１８の表面２０に十分な厚さ寸法の上鍍金層２４を形成することができる。図４(ｂ)は、上鍍金層２４が形成された円柱状素材１８の断面の一部を拡大して示している。

次いで、潤滑処理工程Ｐ６では、鍍金が施された円柱状素材１８に良く知られたMoS₂塗布等の潤滑化処理を施す。

次いで、冷間鍛造工程Ｐ７では、円柱状素材１８に一般のステンレス鋼の場合と同様な冷間鍛造加工が施される。この工程は、円柱状素材１８の寸法および形状やボルト１０の形状等に応じて、一回の加工による各部の変形量が適切となるように定められた複数段階の適宜の加工を施すものであるが、例えば以下に説明するような前方押出、据え込み、後方押出の各工程によって構成される。

先ず、前方押出工程では、例えば図４(ｃ)に示すようにダイ２６内に円柱状素材１８を配置してパンチ２８で下方に向かって加圧する。ダイ２６には、上部に円柱状素材１８の直径と略同一内径の大径部に構成され且つ下部がそれよりも小径の小径部に構成されると共に、それらの中間部にテーパ面を備えた成形孔３０が備えられており、円柱状素材１８はその大径部に配置される。また、パンチ２８は、円柱状素材１８と略同一径に構成されている。そのため、この工程では、円柱状素材１８がそのダイ２６内で前方押出加工され
、下端部がその小径部の直径に縮小されたブランク３２が成形される。図４(ｄ)は、加圧終了段階を示している。この段階で、ブランク３２の下端部は例えば直径が7.02(mm)に縮小されるが、上端部は当初の9.7(mm)程度に保たれている。また、この下端部の断面減少率はRe＝47.6(％)程度である。

次いで、据え込み工程では、ダイ２６から取り出されたブランク３２を他のダイ３４内に配置し、パンチ３６で押圧する。図４(ｅ)(ｆ)は、この工程における加圧開始前および加圧終了後をそれぞれ表している。ダイ３４には、ブランク３２の下端部の直径と略同一内径の挿入孔３８が設けられており、ブランク３２は、ダイ３４内にその下端部のみが挿入されている。また、パンチ３６は、ブランク３２の大径部よりも十分に大きい加圧面を備えている。そのため、パンチ３６で押圧されると、ダイ３４の上面４０との間でブランク３２の大径部が押し潰され、その上端面が例えば直径12.7(mm)程度に拡大されたブランク４２が成形される。

次いで、後方押出工程では、ダイ３４から取り出されたブランク４２を他のダイ４４内に配置し、パンチ４６で押圧する。図４(ｇ)(ｈ)は、この工程における加圧開始前および加圧終了後をそれぞれ表している。ダイ４４には上端部がブランク４２の大径部よりもやや大径に構成され且つ小径部がブランク４２の小径部と略同一径に構成された段付孔４８が備えられている。一方、パンチ４６の下端部は、その下端面の差渡し寸法がブランク４２の大径部よりも十分に小さく、例えばブランク４２の小径部と同程度とされた六角形断面に構成されている。そのため、パンチ４６で押圧されると、ブランク４２の大径部の中央部が下方に押下げられると共に、それよりも外周側の部分が上方に流動させられるので、段付孔４８の大径部と同一外径の大径部を有し且つその中央部に六角穴１６を備えたボルト形状のブランク５０が成形される。成型されたブランク５０の大径部の直径はボルト１０の直径に等しく、例えば13(mm)程度である。

以上の冷間鍛造の各工程において、本実施例によれば、円柱状素材１８のダイ２６，３４，４４への焼き付きは何ら発生せず連続成形が可能であり、しかも、据え込み工程においても何ら座屈等は認められなかった。本実施例においては、ダイ２６，３４，４４が成形型に相当する。

なお、円柱状素材１８の直径や上記の各工程で用いられるダイ２６等の寸法は、例えば、図５に示されるような断面減少率と変形抵抗および据込率との関係に基づいて決定されたものである。なお、図において、断面減少率Reが例えば64(％)程度を越えると、変形抵抗が著しく1200(MPa)程度まで増大して成形型に発生する圧力が過大となる。すなわち、量産には適さない。また、断面減少率Reが例えば43(％)程度を下回ると、据込率が50(％)以上となるので据え込み工程で座屈が生じやすくなる。したがって、各工程における変形量は、断面減少率Reが43〜63(％)の範囲内の値となるように定められる必要があり、上記の各寸法はそのような値に設定されている。

また、上記のように焼き付きが生じないのは、鍍金層２２，２４が設けられることにより、βチタン合金が露出しておらず、ダイ２６等に直接接触しないことに基づくものである。このような鍍金層２２，２４は、以下に説明する評価に基づいて形成条件を定めた。

先ず、鍍金層２２，２４の固着強度を高めるための表面粗化工程Ｐ３は、平均表面粗さRaを種々変更して評価したところ、下記の表１に示す結果を得た。表１において、鍍金剥離限界Reは、冷間鍛造工程Ｐ７において鍍金層２２，２４の剥離が生じた断面減少率Reである。この値が大きいほど冷間鍛造、特に軸部１４を形成するための前方押出成形で大きく変形させることが可能であり、下記の通り、0.5〜3.0(μm)の表面粗さとしたときに最もよい結果が得られた。0.5(μm)未満の表面粗さでは平滑に過ぎるので固着強度の改善が見られず、一方、3.0(μm)を越える表面粗さでは、一応の改善効果が認められたが、却って接触面積が小さくなることに起因して十分な固着強度は得られず、不十分であった。なお、表面粗化方法は、バレル研磨およびショットブラストで評価したところ、何れも効果が認められるものの、バレル研磨の方がダイ２６等への焼き付きが生じ難い結果を得た。

［表１］
平均表面粗さ(Ra) 鍍金剥離限界Re 評価
＜0.5(μm) 30(％) ×
0.5〜3.0(μm) 90(％) ○
＞3.0(μm) 40(％) △

また、下記の表２は、鍍金の種類と焼付き限界Reとの関係を評価したものである。下記の鍍金のうち、銅および亜鉛はニッケルの下地鍍金層２２の上に形成しており、クロムは十分な固着強度を確保できることからニッケルの下地鍍金層２２を設けなかった。また、焼付き限界Reは、前方押出成形において、焼き付きが生じた断面減少率Reである。この表２に示される通り、ニッケルから成る下地鍍金層２２の上に銅鍍金を施した場合には焼付き限界が90(％)まで向上した。また、下地鍍金層２２の上に亜鉛鍍金を形成した場合にも僅かに改善が認められた。しかしながら、クロム鍍金では全く改善しなかった。また、フッ素樹脂(PTFE)についても評価したところ、焼付き防止効果は全く認められなかった。

［表２］
鍍金種類 焼付き限界Re 評価
銅 90(％) ○
亜鉛 40(％) △
クロム 30(％) ×

また、表３に示す評価結果は、鍍金厚み(鍍金層２２，２４の合計値)と焼付き限界Reおよび鍍金除去コストとの関係を評価したものである。3(μm)未満の鍍金厚みでは、焼付き限界の改善効果は認められなかった。また、5(μm)を越える鍍金厚みでは、焼付き限界は改善するが、厚みの増加に伴って除去コストが増大する。したがって、3(μm)以上の鍍金厚みとすれば、十分な効果を得ることができるが、更に低コスト化を図るために除去コストまでを考慮すると、3〜5(μm)が好ましいと言える。

［表３］
鍍金厚み 焼付き限界Re 鍍金除去コスト 評価
＜3(μm) 30(％) − ×
3〜5(μm) 90(％) 1 ○
＞5(μm) 90(％) 1.5 △

図１に戻って、ねじ転造工程Ｐ８では、ブランク５０の軸部(すなわち小径部)に良く知られた転造加工を施すことにより雄ねじを形成する。

次いで、鍍金層除去工程Ｐ９では、例えば、酸洗処理、ショットブラスト処理やバレル研磨処理によって、下地鍍金層２２および上鍍金層２４を除去する。この工程は、ボルト１０に鍍金層２２，２４が無用な場合に実施されるものであり、例えば、焼付き防止等の目的で鍍金されていることが望まれる場合には実施されない。そして、時効処理工程Ｐ１０において、例えば500(℃)×30分程度の加熱処理を施すことにより、引張り強さや耐力等が高められ、前記のボルト１０が得られる。なお、この時効処理工程Ｐ１０は、引張り強さや耐力等を高める必要が無い場合には実施されない。

なお、下記の表４は、時効処理条件と機械的特性の変化との関係を評価した結果を示したものである。このような時効処理は、例えば450〜600(℃)程度の範囲内で実施し得るが、450(℃)程度では未処理のものに比較して引張り強さおよび耐力の改善が著しいものの伸びおよび絞りが小さくなる。すなわち硬いボルトが得られる。また、500(℃)程度では引張り強さおよび耐力の改善が著しく、しかも、伸びおよび絞りも比較的大きな値に維持された。また、550(℃)では、引張り強さおよび耐力の向上はこれらに比較して小さく留まるが、絞りは殆ど変化せず、伸びは未処理のものよりも改善する結果が得られた。すなわち、粘りのあるボルトが得られた。したがって、要求されるボルトの特性に応じて下記のような時効条件の中から選択した時効処理を施せば、種々の特性を有するボルト１０を得ることができる。

［表４］
時効条件 未処理 450(℃)×30分 500(℃)×30分 550(℃)×30分
引張り強さ(MPa) 952 1284 1256 1068
耐力(MPa) 736 1215 1143 970
伸び(％) 13.6 7.3 14.3 21
絞り(％) 55.3 21 35 54

また、図６は、このようにして製造されたボルト１０の硬さ分布を調べた結果を表したものである。図において、横軸は軸部の表面からの深さ位置を表しており、縦軸は各位置における硬さHmvを表している。また、「首下部」は、ボルト１０の軸部１４のうち頭部１２の直下の部分であり、「ねじ部」は、軸部１４のうち転造加工により雄ねじが形成された部分である。図に示されるように、軸部１４の硬さは、表層部では僅かにばらつきが見られるが、0.5(mm)程度以上の内部では安定しており、本実施例のように冷間鍛造によるボルト１０が十分な硬さ特性を有していることが確かめられた。

また、製造コストについても、本実施例によれば、切削加工による場合に比較して48(％)程度の費用でボルト１０を製造することができる。すなわち、切削加工により素材の一部が除去される場合に比較して材料費が低減され、且つ、冷間鍛造加工は切削加工に比較して加工に必要とする工具費用や加工時間が短くなる等の理由で加工費も低減されるので、従来の半分以下の費用で製造できるのである。

要するに、本実施例によれば、鍍金工程Ｐ４、Ｐ５において円柱状素材１８の表面２０に鍍金層２２，２４が形成された後、冷間鍛造工程Ｐ７においてその円柱状素材１８が冷間鍛造によりボルト形状のブランク５０に成型される。そのため、冷間鍛造の際にはダイ２６，３４，４４と円柱状素材１８との間に鍍金層２２，２４が介在させられることからβチタン合金がダイ２６等に接触しないので、そのダイ２６等に円柱状素材１８やブランク３２，４２，５０が焼付くことが好適に抑制される。したがって、冷間鍛造によってボルト形状のブランク５０を成型することが可能となるため、低コストでβチタン合金ボルト１０を製造することができる。

また、本実施例によれば、鍍金工程Ｐ４，Ｐ５に先立って円柱状素材１８の表面２０を荒らす表面粗化工程Ｐ３が実施されることから、鍍金層２２の形成面がRa0.5〜3.0(μm)程度の表面粗さに荒らされているので、その固着強度が高められる。そのため、冷間鍛造工程Ｐ７においてダイ２６等との間で発生する圧力に起因する鍍金層２２，２４の膜切れ或いは剥離が一層抑制されることから、円柱状素材１８やブランク３２等の焼付きが一層抑制される。

また、本実施例によれば、表面粗化工程Ｐ３は、円柱状素材１８にバレル研磨を施すものである。そのため、鍍金層２２，２４の高い固着強度が得られる。

また、本実施例においては、円柱状素材１８の表面２０にニッケルから成る下地鍍金層２２が形成されると共に、その下地鍍金層２２の表面に銅から成る上鍍金層２４が形成されることから、ニッケルはチタン合金との密着性が特に優れているので、冷間鍛造時の鍍金層２２，２４の膜切れや剥離が特に生じ難い。しかも、銅から成る上鍍金層２４との二層構造であることから、鍍金層全体をニッケルで構成した場合に比較して鍍金層形成に伴う製造コストの増大が抑制される。すなわち、ニッケルとチタン合金との密着性に基づいて鍍金層２２，２４の固着強度を高めながら、鍍金層２２，２４の形成に伴う製造コスト増大を抑制することができる。

以上、本発明を図面を参照して詳細に説明したが、本発明は更に別の態様でも実施できる。

例えば、実施例においては、六角穴付ボルト１０の製造方法に本発明が適用された場合について説明したが、本発明は、頭部１２が六角形に構成されたボルトや全体が略一様な直径に構成されたボルト等の他の形状のボルトの製造方法およびねじ転造工程Ｐ９を行わないリベット等の段付軸状部品の製造方法にも同様に適用される。

また、実施例においては、Ti-4Al-22Vから成るβチタン合金ボルト１０の製造方法に本発明が適用された場合について説明したが、本発明は、図３に示されるものやその他の組成のβチタン合金、αチタン合金およびα相とβ相が混在したα＋βチタン合金から成るボルトの製造方法にも同様に適用される。

また、実施例においては、表面粗化工程Ｐ３が鍍金に先立って実施されていたが、鍍金の十分な固着強度を確保できる場合には、この工程は実施されなくとも良い。

また、実施例においては、銅鍍金層(上鍍金層)２４を形成するに先立ってニッケル鍍金層(下地鍍金層)２２を形成していたが、銅鍍金層２４を直接形成しても十分な固着強度を確保できる場合には、ニッケル鍍金層２２は不要である。また、反対に、コスト的には不利であるが、全体をニッケル鍍金層で構成してもよい。

また、実施例においては、冷間鍛造工程Ｐ７が前方押出、据え込み、および後方押出の３工程で構成されていたが、その構成は製造しようとするボルト１０の形状に応じて適宜定められるものであり、これらに限られない。

また、実施例においては、軸状素材は表面粗化工程Ｐ３でバレル研磨されることにより表面粗化工程と同時に面取り加工がなされたが、この面取り工程は切削等の機械加工で行うこともできる。しかし、この面取り工程は必ずしも実施されなくても構わない。

その他、一々例示はしないが、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものである。

本発明の一実施例のβチタン合金ボルトの製造方法に係る工程図で ある。 図１に示される工程で製造されるβチタン合金ボルトの一例を示す 寸法図である。 本発明で用い得るβチタン合金の歪みと変形応力との関係をα＋β 型チタン合金およびステンレス鋼と比較して示す図である。 (ａ)〜(ｈ)は、それぞれ図１に示す製造工程の要部段階における素 材の加工状態を説明する図である。 図１の冷間鍛造工程における断面減少率と変形抵抗および据込率と の関係を示す図である。 図１に示す製造工程で製造されたβチタン合金ボルトの硬さ分布を 示す図である。

符号の説明

１０：βチタン合金ボルト、１８：円柱状素材、２２：下地鍍金層、２４：上鍍金層、２６，３４，４４：ダイ(成形型)、５０：ブランク(ボルト形状素材)
Ｐ３：表面粗化工程、Ｐ４：下鍍金工程、Ｐ５：上鍍金工程、Ｐ７：冷間鍛造工程

Claims (8)

1. チタン合金から成る軸状素材を所定の段付軸状部品に成形する成形工程を含むチタン合金製段付軸状部品の製造方法であって、
   前記成形工程は、
   前記軸状素材の表面に鍍金層を形成する鍍金工程と、
   その鍍金層が形成された前記軸状素材を所定の成形型を用いて冷間または温間にて鍛造して前記段付軸状形状を成形する鍛造工程と
   を、含むことを特徴とするチタン合金製段付軸状部品の製造方法。
2. 前記軸状素材の表面を所定の表面粗さに荒らす表面粗化工程を含み、
   前記鍍金工程は、その所定の表面粗さに荒らされた前記軸状素材の表面に鍍金層を形成するものである請求項１のチタン合金製段付軸状部品の製造方法。
3. 前記軸状素材の上面および下面と外周面との間の角部を面取りする面取り工程を含むものである請求項２のチタン合金製段付軸状部品の製造方法。
4. 前記表面粗化工程および面取り工程は、前記軸状素材にバレル研磨を施すことによって実行されるものである請求項３のチタン合金製段付軸状部品の製造方法。
5. 前記表面粗化工程によって粗化された前記軸状素材の表面粗さは中心線平均粗さRaで0.5乃至3.0(μm)の範囲内の値である請求項２または請求項４のチタン合金製段付軸状部品の製造方法。
6. 前記鍛造工程は、前記軸状部品に対して面積減少率が10％以上の成形を施すものである請求項１乃至５のいずれかのチタン合金製段付軸状部品の製造方法。
7. 前記鍍金工程により成形される前記鍍金層は、金、銅、亜鉛、それらのうちのの合金の少なくとも一つを鍍金するものである請求項２のチタン合金製段付軸状部品の製造方法。
8. βチタン合金から成る円柱状素材を所定のボルト形状素材に成形するボルト素材成形工程と、そのボルト形状素材の外周面に雄ねじを転造形成する転造工程とを含むβチタン合金ボルトの製造方法であって、前記ボルト素材成形工程は、
   前記円柱状素材の表面に鍍金層を形成する鍍金工程と、
   その鍍金層が形成された前記円柱状素材を所定の成形型を用いて冷間鍛造して前記ボルト形状素材を成形する冷間鍛造工程と
   を、含むことを特徴とするβチタン合金ボルトの製造方法。
   

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