JP2007501327A - チタン又はチタン合金からファスナーを製造する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】チタン又はチタン合金から部品を製造する方法を提供する。
【解決手段】この方法は、チタン又はチタン合金の中間形態品を作成する工程を含んでいる。続いてチタン又はチタン合金を時効硬化させる時に、所望レベルの強度を確保させるために選択された温度及び時間条件下で中間形態品を次に固溶化熱処理する。その固溶化熱処理を施した中間形態品を次に加工熱処理して所望の部品又は所望の部品の前形態品に形成する。次に、その形成された部品又は前形態品を、完成品の所望の強度レベルを確保するために選択された温度及び時間条件下で時効硬化させる。

Description

本発明は、チタン又はチタン合金からファスナー及びその他の部品を製造する方法に関し、特に、チタン又はチタン合金部品を加工熱処理で形成する前に、固溶化熱処理する方法に関するものである。

ボルト及びネジのような高強度のファスナーを製造するためにチタン合金Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖが用いられている。その合金は、製造するファスナーの種類及びサイズによってバー状，ロッド状又はワイヤー状の形態で供給されている。従来、そのバー，ロッド又はワイヤーは、焼なましされた状態で顧客に提供される。顧客は、鍛造，ヘッディング又は押出し加工のような技術によって又はそれらの技術を組合わせて用いて、ファスナーを製造している。ファスナー半加工品は、約６４９℃、通常約４２７℃以下でない温度から高温で一般に形成されている。次いで、そのファスナー半加工品を溶解ソルト浴中に浸漬させることによって洗浄してから、酸エッチングする。

次に、所望の強度レベルを達成するために、そのファスナー半加工品を熱処理する。公知の熱処理技術としては、二段階熱処理がある。第一の段階で、その部品を約１時間、約８９９〜９６８℃で、一般的には不活性雰囲気中で、固溶化処理してから、水で焼入れする。熱処理の第二の段階では、その部品を２時間〜８時間、約４２７〜５６６℃で時効処理することによって析出硬化させてから不活性ガス又は真空中で冷却する。従来、その時効処理は、固溶化熱処理工程直後に実施されている。

固溶化熱処理は、固溶化熱処理中にファスナーの汚染を防止しなければならないため、熱処理における最も問題のある工程である。チタン及びその合金は、特に、固溶化熱処理で一般的に用いられるような高温で、非常に反応してしまうものである。固溶化熱処理中にチタン又はチタン合金に何らかの異物が接触すると、その材料が汚染されることになる。固溶化熱処理中における異物の一般的なものは、炉雰囲気中における汚染物質やチタン半加工品の表面上の潤滑剤の如き残留処理材料である。そのような汚染物質の存在に関連する問題を避けるためには、特別な炉雰囲気を維持し且つファスナーを熱処理炉中に置く前に十分に洗浄しなければならない。ファスナーの洗浄は、環境危害及び廃棄問題のある危険な化学薬品を用いる必要があるため、別の問題を引き起こす。更に、その洗浄は、例えば、水素を付加することによる洗浄の場合には、ファスナーの化学的性質を変化させ、その半加工品から金属を溶解させることによる洗浄の場合には、ファスナーの寸法を変化させてしまう。これらの問題があるため、その洗浄処理は信頼性がなく、時間と費用が掛かることになる。

その公知の固溶化熱処理は、好ましくない完成品を頻繁に生み出してしまうため、同様に厄介である。或る場合には、決して好ましくない炉雰囲気又は部品上の残留潤滑剤のために、その部品が不純物で汚染されることとなる。また、別の場合には、不十分な焼入れのために部品が劣悪な機械的特性を有するようになる。更に、固溶化熱処理中に、部品が歪められたり、くっ付いたり、曲がったり又はフラットスポット（ｆｌａｔ ｓｐｏｔｓ）を発生させることがある。また、固溶化熱処理設備は高価で部品製造のための運転費用が掛かるということも事実である。洗浄条件の関連する緩和と共に、頭付きファスナーの半加工品の固溶化熱処理の必要性を除去すると、製造方法のかなりの能率向上と製品品質のより高い均一化が可能になる。

また、ファスナーは、固溶化熱処理されたチタン合金バーを直接機械加工することによって製造することもできる。その機械加工されたファスナーを次に時効硬化させる。然し、この方法は、鍛造処理を含んでいない。従って、上述した問題を受けにくい。

ファスナーを形成するために、Ｔｉ ３−８−６−４−４等のベータチタン合金が、固溶化熱処理状態で提供されている。所望の特性を確保するために、そのファスナーは次に時効される。然し、ベータ合金と、アルファ合金，ニアアルファ（ｎｅａｒ−ａｌｐｈａ）合金及びアルファ−ベータ合金の如き別の公知のチタン合金との間には、重大な冶金技術上の相違点がある。

本発明に依れば、チタン又はチタン合金製ワイヤー，ロッド又はバーから部品を製造する方法が得られる。本明細書を通じて、用語「チタン」は、アルファチタン合金，ニアアルファチタン合金及びアルファ−ベータチタン合金に加えて、純粋チタンを意味するものとする。この方法は、チタンの中間形態品を調製する工程を含んでいる。その中間形態品を、続いてその合金を時効硬化させる時に、所望レベルの強度を確保させるのに十分な温度及び時間条件下で、固溶化熱処理させる。次に、その固溶化熱処理された材料をファスナー又はファスナーの前形態品の如き所望の部品に形成する。その形成工程は合金を高温で加熱して実施し、その形成された部品を最終温度から迅速に冷却する。その形成工程に続いて、所望レベルの強度と特性とを確保するべく、部品を時効硬化させる。

本発明による方法の好ましい実施形態においては、公知の方法によってチタン合金、好ましくはＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の中間形態品を作成する。好ましい中間形態品としては、ワイヤー，ロッド及びバーである。そのＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金は、約６重量％のアルミニウムと約４重量％のバナジウムを含み残部がチタンと通常の不純物である公知のチタン合金である。その合金中の不純物は、その合金が、約０．１０重量％以下の炭素，約０．０５重量％以下の窒素，約０．０１２５重量％以下の水素及び約０．２０重量％以下の酸素を含むように制限される。この方法において用いられる好ましいチタン合金においては、酸素は約０．１４〜０．１７重量％に制限するのが好ましい。その中間形態品を作る方法は重要ではなく、チタン合金のワイヤー，ロッド又はバーを作成する何らかの方法を採用することができる。

チタン合金のその中間形態品を次に少なくとも約１分から約２時間、約８９９〜９６８℃で固溶化熱処理してから、水で焼入れする。好ましくは、その中間形態製品を約１時間その固溶化温度で加熱する。中間形態品から所望の製品を作る前に、その中間形態品を潤滑剤で被覆してもよい。好ましい潤滑剤は、グラファイトと二硫化モリブデンとにより成るドライフィルム潤滑剤である。当業者に知られている同様な目的のための別の潤滑剤であってもよい。

潤滑剤が塗布されたワイヤー，ロッド又はバーを次に加工熱処理して所望の部品を作成する。その好ましい作成方法は鍛造であり、ヘッディングは、ワイヤー又はロッドから小さい部品を作るのに特に好適である。或る分野については、押出し技術をこの方法による部品の作成に関連して用いることができる。部品を作成する前に、中間形態品を出発サイズにカットし、高い出発温度まで加熱してから、機械加工して所望のサイズ及び形状にする。加工熱処理形成のための高い出発温度は、実行可能な固溶化熱処理温度に近くなるように選択する。十分な潤滑性，長い金型寿命又は部品又は部品の前形態品の寸法制御が重要である分野においては、より低い形成温度を用いることができる。約８７１℃であるが、好ましくは約７０４℃又は約６４９℃以下でない出発温度から部品を作成するのが好ましい。適切な環境下においては、より低い最終温度を用いてもよい。然しながら、いずれにしても、最終温度は約４２７℃以下である。形成された部品は、好ましくは水で焼入れすることによって、最終温度から迅速に冷却する。

次に、形成された部品を、好ましくは真空加熱処理炉中で、時効硬化させる。その部品は、アルゴン又はヘリウムのような不活性雰囲気中で時効させてもよい。また、部品は空気中でも時効させることができると予想される。部品を真空炉中で時効させた場合には、部品がその加熱処理炉中で汚染されるのを防止するために洗浄するのが好ましい。そのような洗浄は、初めに部品を溶解ソルト浴中に浸漬させてから酸エッチングすることにより実施する。時効は、約２〜８時間、約４２７〜５６６℃の温度で実施し、次いで不活性ガス又は真空中で冷却する。

次に、熱処理された部品を最終寸法及び形状にするのに必要な研磨又は機械加工を施す。

本発明の広範な技術的思想から逸脱しない範囲で上述した実施形態に変更又は修正を加えてもよいことは当業者によって理解されるであろう。従って、本発明は、上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨の範囲内にある全ての変更又は修正を含むものであると理解される。

Claims (10)

1. チタン又はアルファ合金，ニアアルファ合金及びアルファ−ベータ合金より成るグループから選択されたチタン合金の中間形態品を作成する工程と、
   続いてチタン又はチタン合金を時効硬化させる時に、所望レベルの強度を確保させるために選択された温度及び時間条件下で前記中間形態品を固溶化熱処理する工程と、
   固溶化熱処理を施した前記中間形態品を加工熱処理して所望の部品又は所望の部品の前形態品に形成する工程と、
   前記形成された部品又は前形態品を、所望の強度レベルを確保するために選択された温度及び時間条件下で時効硬化させる工程とを含む、チタン又はチタン合金から部品を製造するための方法。
2. 前記中間形態品をアルファ−ベータチタン合金から作成する、請求項１に記載の方法。
3. 約６重量％のアルミニウム，約４重量％のバナジウムを含有し、残部がチタンと通常の不純物であるチタン合金から前記中間形態品を作成する、請求項１に記載の方法。
4. 前記中間形態品を作成する前記工程が、チタン合金をワイヤー，ロッド及びバーから成るグループより選択された長尺形態品に作成する工程を含んでいる、請求項１に記載の方法。
5. 固溶化熱処理を施した前記中間形態品を加工熱処理形成する前記工程が、長尺形態品をほぼ均一な長さの複数のピースにカットし、それらピースを高温に加熱してから、鍛造，ヘッディング，押出し加工又はこれらの組合せより成るグループから選択された形成処理によって所望の部品又は前形態品を形成する工程を含んでいる、請求項１に記載の方法。
6. 固溶化熱処理を施した前記中間形態品を加工熱処理形成する前記工程が、前記形成工程後に前記部品を高温から迅速に冷却する工程を含んでいる、請求項５に記載の方法。
7. チタン又はチタン合金から中間形態品を作成する前記工程が、約０．１０重量％以下の炭素と約０．０５重量％以下の窒素と約０．０１２５重量％以下の水素と、約０．２０重量％以下の酸素とを含有するようにチタン又はチタン合金を調製する工程を含んでいる、請求項１に記載の方法。
8. チタン又はチタン合金を調製する前記工程が、チタン又はチタン合金が約０．１７重量％以下の酸素を含むようにチタン又はチタン合金の溶解を制御する工程を含んでいる、請求項７に記載の方法。
9. 中間形態品を固溶化熱処理する前記工程が、前記中間形態品を少なくとも約１分〜約２時間、約８９９〜９６８℃の温度で加熱し、次に前記中間形態品を水で焼入れする工程を含んでいる、請求項１に記載の方法。
10. 固溶化熱処理を施した前記中間形態品を加工熱処理形成する前記工程が、約８７１〜４２７℃の温度で前記中間形態を機械加工する工程を含んでいる、請求項１に記載の方法。