JP2009221901A - Diaphragm for metering pump - Google Patents

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Kazuaki Nishino
和彰 西野
Kazuhiko Ito
一彦 伊東
Tadahiko Furuta
忠彦 古田
Toshiharu Shimizu
敏晴 清水
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Toyota Central R&D Labs Inc
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Tacmina Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a metallic diaphragm for a metering pump having a low Young's modulus and high elastic deformability. <P>SOLUTION: The diaphragm for the metering pump capable of transferring a fluid by predetermined elastic deformation is formed of a highly elastically-deformable titanium alloy which: comprises a 30-60 mass%, group Va (vanadium group) element and the substantial balance of titanium; has a tensile elasticity limit of 700 MPa or more, defined as a stress applied when permanent deformation truly reaches 0.2% at a tensile test; exhibits a characteristic that, within an elastic deformation region where the stress to be applied ranges from 0 to the tensile elastic limit strength, the slope of a tangent on a stress-strain diagram obtained by the tensile test decreases with the increase in stress; and has an average Young's modulus of 75 GPa or less obtained from the slope of the tangent at a stress position corresponding to 1/2 of the tensile elastic limit strength as a typical value of Young's moduli obtained from the slope of the tangent on the stress-strain diagram. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、定量ポンプに用いられるものであって、所定の圧力によって弾性変形することにより、所定の流体を搬送する金属製のダイヤフラムに関する。   The present invention relates to a metal diaphragm that is used in a metering pump and conveys a predetermined fluid by elastic deformation by a predetermined pressure.

従来、例えば定量ポンプ(往復動ポンプ)として、ポンプヘッドと、ダイヤフラムと、このダイヤフラムに設けられたピストン部と、ピストン部を駆動する駆動源とを備え、駆動源によって、ピストン部を駆動するとともに、ダイヤフラムを周期的に往復動させることにより、所定の流体(例えば気体や液体)を搬送するものがある(例えば特許文献1参照)。   Conventionally, for example, as a metering pump (reciprocating pump), a pump head, a diaphragm, a piston portion provided on the diaphragm, and a drive source for driving the piston portion are provided, and the piston portion is driven by the drive source. In some cases, a predetermined fluid (for example, gas or liquid) is conveyed by periodically reciprocating the diaphragm (see, for example, Patent Document 1).

このようなポンプにおいて、例えば、搬送される流体が次亜塩素酸アルカリ水溶液等のように酸化性物質を含むような液体である場合、ダイヤフラムには、耐食性を考慮して、合成樹脂製のものが用いられる場合が多い。
特開2006−207533号公報
In such a pump, for example, when the fluid to be conveyed is a liquid containing an oxidizing substance such as an alkaline hypochlorite aqueous solution, the diaphragm is made of a synthetic resin in consideration of corrosion resistance. Is often used.
JP 2006-207533 A

また、従来の樹脂製のダイヤフラムの他に、強度、耐久性、加工性が良いという観点から、金属製のダイヤフラムが用いられる場合もある。   In addition to a conventional resin diaphragm, a metal diaphragm may be used from the viewpoint of good strength, durability, and workability.

しかしながら、ダイヤフラムを金属製とした場合には、樹脂製のダイヤフラムに比して、弾性変形し難くなるため、樹脂製のダイヤフラムと同量の吐出量のポンプを構成するには、この金属製のダイヤフラムが大型化してしまい、これに伴ってポンプも大型化してしまうという問題があった。   However, when the diaphragm is made of metal, it is less likely to be elastically deformed than a resin diaphragm. Therefore, in order to construct a pump having the same discharge amount as a resin diaphragm, this metal There was a problem that the diaphragm was increased in size and the pump was increased in size.

したがって、金属製のダイヤフラムを用いたポンプを小型化するには、このダイヤフラムのヤング率を低下させ、弾性変形能を向上させる必要があった。   Therefore, in order to reduce the size of a pump using a metal diaphragm, it is necessary to reduce the Young's modulus of the diaphragm and improve the elastic deformability.

そこで、本発明は、低ヤング率で高弾性変形能を有する金属製の定量ポンプ用ダイヤフラムを提供することを課題とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a metal metering pump diaphragm having a low Young's modulus and a high elastic deformability.

本発明は上記の課題を解決するために以下の技術的手段を講じた。   In order to solve the above problems, the present invention has taken the following technical means.

すなわち、本発明は、所定の弾性変形によって流体を搬送可能な定量ポンプ用ダイヤフラムであって、30〜60質量%のVa族(バナジウム族)元素と、残部が実質的にチタンとからなり、引張試験で真に永久歪みが0.2%に到達したときの応力として定義される引張弾性限強度が700MPa以上であり、加える応力が0から該引張弾性限強度までの範囲にある弾性変形域内で、該引張試験により得られた応力−歪み線図上の接線の傾きが応力の増加に伴って減少する特性を示し、該応力−歪み線図上の接線の傾きから求まるヤング率の代表値として、該引張弾性限強度の1/2に相当する応力位置での接線の傾きから求めた平均ヤング率が75GPa以下である高弾性変形能を有するチタン合金により形成されることを特徴とする。   That is, the present invention is a diaphragm for a metering pump capable of conveying a fluid by a predetermined elastic deformation, comprising 30 to 60% by mass of a Va group (vanadium group) element, and the balance being substantially titanium, In the elastic deformation region where the tensile elastic limit strength defined as the stress when the permanent set reaches 0.2% in the test is 700 MPa or more and the applied stress is in the range from 0 to the tensile elastic limit strength. As a representative value of Young's modulus obtained from the slope of the tangent on the stress-strain diagram, which shows a characteristic that the slope of the tangent on the stress-strain diagram obtained by the tensile test decreases as the stress increases. The titanium alloy is characterized by being formed of a titanium alloy having a high elastic deformability having an average Young's modulus of 75 GPa or less determined from a slope of a tangent at a stress position corresponding to 1/2 of the tensile elastic limit strength.

このような本発明に係る定量ポンプ用ダイヤフラムは、弾性変形域内で応力−歪み線図上の接線の傾きが応力の増加に伴って減少するという従来に全くない新規な特性を示し、引張弾性強度が700MPa以上という高弾性強度で、平均ヤング率が75GPa以下という低ヤング率である、高弾性変形能のチタン合金により形成されている。これにより、ダイヤフラムは、その大きさを極端に大きくすることなく、所望の弾性変形を実現できるようになる。   Such a diaphragm for a metering pump according to the present invention exhibits a novel characteristic that has never existed in the past, in which the slope of the tangent line on the stress-strain diagram decreases as the stress increases within the elastic deformation region. Is made of a highly elastic deformable titanium alloy having a high elastic strength of 700 MPa or more and a low Young's modulus of an average Young's modulus of 75 GPa or less. As a result, the diaphragm can realize desired elastic deformation without extremely increasing its size.

また、本発明に係る定量ポンプ用ダイヤフラムは、チタン合金を、チタンと適量のVa族元素との組み合わせで構成することにより、従来になく低ヤング率で高弾性変形能かつ高強度を得られたものである。ここで、Va族元素を30〜60質量%としたのは、30質量%未満では十分な平均ヤング率の低下を図れず、一方、60質量%を超えると十分な弾性変形能や引張強度が得られず、チタン合金の密度が上昇して、比強度の低下を招くからである。また、60質量%を越えると、材料偏析が生じ易くなり、材料の均質性が損われて、強度のみならず靱性や延性の低下も招き易くなるからである。   In addition, the diaphragm for a metering pump according to the present invention can obtain a high elastic deformability and high strength with a low Young's modulus, which is unprecedented, by constituting a titanium alloy with a combination of titanium and an appropriate amount of Va group element. Is. Here, the reason why the Va group element is set to 30 to 60% by mass is that if the amount is less than 30% by mass, the average Young's modulus cannot be sufficiently reduced, whereas if it exceeds 60% by mass, sufficient elastic deformability and tensile strength are obtained. This is because the density of the titanium alloy is increased and the specific strength is lowered. On the other hand, if it exceeds 60% by mass, material segregation is likely to occur, the homogeneity of the material is impaired, and not only strength but also toughness and ductility are easily lowered.

なお、本発明において、「チタン合金」とは、Tiを含有する合金を意味し、Tiの含有量を特定するものではない。また、「引張弾性限強度」とは、試験片への荷重の負荷と除荷とを徐々に繰り返して行う引張試験において、永久伸び(歪み)が0.2%に到達したときの負荷していた応力をいう。この点、前記引張試験において、試験片の最終的な破断直前の荷重を、その試験片の平行部における試験前の断面積で除して求められる引張強度とは異なる。   In the present invention, the “titanium alloy” means an alloy containing Ti, and does not specify the content of Ti. “Tensile elastic limit strength” refers to the load applied when the permanent elongation (strain) reaches 0.2% in a tensile test in which loading and unloading of the test piece are repeated gradually. Stress. In this respect, the tensile test is different from the tensile strength obtained by dividing the load immediately before the final break of the test piece by the cross-sectional area before the test in the parallel portion of the test piece.

また、「平均ヤング率」とは、厳密な意味でのヤング率の「平均」を指すものではなく、本発明で使用したチタン合金を代表するヤング率という意味である。具体的には、前記引張試験により得られた応力(荷重)−歪み(伸び)線図において、引張弾性限強度の1/2に相当する応力位置での曲線の傾き(接線の傾き)を、平均ヤング率とした。なお、本明細書中で「低ヤング率」とは、前記平均ヤング率が、従来の一般的なヤング率に対して小さいことを意味し、「高強度」とは、前記引張弾性限強度または前記引張強度が大きいことを意味する。   The “average Young's modulus” does not mean the “average” of Young's modulus in a strict sense, but means the Young's modulus representing the titanium alloy used in the present invention. Specifically, in the stress (load) -strain (elongation) diagram obtained by the tensile test, the slope (tangential slope) of the curve at the stress position corresponding to 1/2 of the tensile elastic limit strength, The average Young's modulus was used. In the present specification, “low Young's modulus” means that the average Young's modulus is smaller than the conventional general Young's modulus, and “high strength” means the tensile elastic limit strength or It means that the tensile strength is large.

また、本発明に係る定量ポンプ用ダイヤフラムは、円形状に形成されるとともに、その厚さをtとし、その直径をDとしたとき、0.0003≦t/D≦0.02である構成を採用できる。   The diaphragm for a metering pump according to the present invention is formed in a circular shape, and has a configuration in which 0.0003 ≦ t / D ≦ 0.02 when the thickness is t and the diameter is D. Can be adopted.

かかる構成によれば、定量ポンプ用ダイヤフラムは、所望の弾性変形によって、搬送流体を適当に搬送できるようになる。なお、このダイヤフラムは、直径に対して厚さが薄過ぎると(t/Dが0.0003よりも小さくなると)、耐圧性が低下することになり、好ましくない。また、直径に対して厚さが厚過ぎると(t/Dが0.02よりも大きくなると)、ダイヤフラムの弾性変形能が低下して、十分な吐出量を確保できなくなり、好ましくない。   According to this configuration, the diaphragm for the metering pump can appropriately transport the transport fluid by desired elastic deformation. If the diaphragm is too thin with respect to its diameter (t / D becomes smaller than 0.0003), the pressure resistance is lowered, which is not preferable. On the other hand, when the thickness is too thick with respect to the diameter (when t / D is larger than 0.02), the elastic deformability of the diaphragm is lowered, and a sufficient discharge amount cannot be secured, which is not preferable.

また、本発明に係る定量ポンプ用ダイヤフラムは、その外縁部の厚さがその中央部の厚さよりも厚くされている構成を採用できる。   Moreover, the diaphragm for metering pumps according to the present invention can employ a configuration in which the outer edge portion is thicker than the central portion.

かかる構成によれば、ダイヤフラムは、定量ポンプ(往復動ポンプ)に取り付けられるときに、例えば、厚さの厚い外縁部を挟持するようにすれば、中央部の弾性変形能を損なうことなく、定量ポンプ(往復動ポンプ)に対して、この厚肉部を確実かつ強固に固定できるようになり、そのシール性も飛躍的に向上するものになる。   According to such a configuration, when the diaphragm is attached to the metering pump (reciprocating pump), for example, if the outer edge portion having a thick thickness is sandwiched, the diaphragm is fixed without impairing the elastic deformability of the central portion. This thick portion can be securely and firmly fixed to the pump (reciprocating pump), and its sealing performance is also greatly improved.

また、本発明に係る定量ポンプ用ダイヤフラムは、その外縁部の厚さが、その中央部の厚さの3倍以上とされている構成を採用できる。   Moreover, the diaphragm for metering pumps according to the present invention can employ a configuration in which the thickness of the outer edge portion is at least three times the thickness of the central portion.

かかる構成によれば、ダイヤフラムは、定量ポンプ(往復動ポンプ)に取り付けられるときに、例えば、厚さの厚い外縁部を挟持するようにすれば、中央部の弾性変形能を損なうことなく、定量ポンプ(往復動ポンプ)に対して、この厚肉部を確実かつ強固に固定できるようになり、そのシール性も飛躍的に向上したものになる。   According to such a configuration, when the diaphragm is attached to the metering pump (reciprocating pump), for example, if the outer edge portion having a thick thickness is sandwiched, the diaphragm is fixed without impairing the elastic deformability of the central portion. With respect to the pump (reciprocating pump), this thick portion can be fixed securely and firmly, and the sealing performance is also greatly improved.

また、本発明に係る定量ポンプ用ダイヤフラムは、その外縁部が、前記チタン合金または金属チタンで円環状に構成されている構成を採用できる。   Moreover, the diaphragm for metering pumps according to the present invention can employ a configuration in which the outer edge portion is formed in an annular shape from the titanium alloy or metal titanium.

かかる構成によれば、ダイヤフラムの外縁部が前記チタン合金または金属チタンで構成されることで、その外縁部の物理的特性(例えば熱膨張率等)をその中央部と同じかまたはそれに近くすることができ、これにより、耐久性等が良く、しかもその製造が容易となる。   According to such a configuration, the outer edge portion of the diaphragm is made of the titanium alloy or metal titanium, so that the physical properties (for example, thermal expansion coefficient) of the outer edge portion are the same as or close to the central portion. As a result, the durability and the like are good and the manufacture thereof is facilitated.

本発明によれば、低ヤング率で高弾性変形能を有する金属製のダイヤフラムを提供できる。   According to the present invention, a metal diaphragm having a low Young's modulus and a high elastic deformability can be provided.

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しながら説明する。図1は、本発明に係るダイヤフラムを用いた一例をして定量ポンプ(往復動ポンプ)の概略断面図を示している。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic sectional view of a metering pump (reciprocating pump) as an example using the diaphragm according to the present invention.

図1に示すように、定量ポンプ(往復動ポンプ)は、2つのダイヤフラム1,1を周期的に弾性変形させることにより、所定の往復動をさせて流体を搬送するものである。この定量ポンプ(往復動ポンプ)は、各ダイヤフラム1,1を内部に有する左右2つの流体搬送部10,10と、前記ダイヤフラム1,1を駆動させるべく適切なタイミングで作動油を流体搬送部10,10に供給する駆動力供給部40と、回転運動を生ずる電動モータとこの電動モータの回転力を駆動力供給部40に伝達するためのギヤ等を有する駆動部(図示略)とを備えている。   As shown in FIG. 1, the metering pump (reciprocating pump) conveys fluid by performing predetermined reciprocating motion by periodically elastically deforming the two diaphragms 1, 1. The metering pump (reciprocating pump) includes two left and right fluid conveying units 10 and 10 each having diaphragms 1 and 1 inside, and fluid conveying unit 10 that supplies hydraulic oil at an appropriate timing to drive the diaphragms 1 and 1. , 10 and a drive unit (not shown) having an electric motor that generates a rotational motion and a gear for transmitting the rotational force of the electric motor to the drive force supply unit 40. Yes.

各流体搬送部10,10は、駆動力供給部40からの作動油をダイヤフラム1,1に供給するための左右の作動油供給部31,31と、これら作動油供給部31,31の間に設けられたポンプヘッド32と、作動油供給部31,31内の作動油に混入したガスを外部に排出するガス排出機構20を備える。各流体搬送部10,10は、ポンプヘッド32と左右の作動油供給部31,31とを用いて各ダイヤフラム1,1を挟持することにより構成されている。   Each fluid conveyance unit 10, 10 is provided between left and right hydraulic oil supply units 31, 31 for supplying hydraulic oil from the driving force supply unit 40 to the diaphragms 1, 1, and between these hydraulic oil supply units 31, 31. The pump head 32 provided and the gas discharge mechanism 20 which discharges | emits the gas mixed in the hydraulic oil in the hydraulic oil supply parts 31 and 31 outside are provided. Each fluid conveyance part 10 and 10 is comprised by clamping each diaphragm 1 and 1 using the pump head 32 and the hydraulic oil supply parts 31 and 31 on either side.

そして、この作動油供給部31とポンプヘッド32とを用いて、ダイヤフラム1を内部に備えたダイヤフラム駆動室2が構成されている。また、各作動油供給部31,31内には、ダイヤフラム1,1に連接された弁体3,3およびこれに対応した弁座4,4を備えた作動油制限室5が設けられている。   A diaphragm drive chamber 2 including the diaphragm 1 is configured by using the hydraulic oil supply unit 31 and the pump head 32. Further, a hydraulic oil restriction chamber 5 having valve bodies 3 and 3 connected to the diaphragms 1 and 1 and corresponding valve seats 4 and 4 is provided in the hydraulic oil supply units 31 and 31. .

さらに、ポンプヘッド32には、搬送流体を流入させるために機能する流入側逆止弁33および搬送流体を流出させるために機能する流出側逆止弁34が設けられており、搬送流体は、その流入経路33aおよび流入側逆止弁33を通じてダイヤフラム駆動室2の流体搬送室2aに流入し、流出側逆止弁34およびその流出経路34aを通じて所定の搬送経路に流出するようになっている。   Further, the pump head 32 is provided with an inflow side check valve 33 that functions to allow the carrier fluid to flow in and an outflow side check valve 34 that functions to cause the carrier fluid to flow out. The fluid flows into the fluid transfer chamber 2a of the diaphragm drive chamber 2 through the inflow path 33a and the inflow side check valve 33, and flows out to the predetermined transfer path through the outflow side check valve 34 and the outflow path 34a.

ダイヤフラム駆動室2においては、駆動部からの駆動力を、駆動力供給部40を介してダイヤフラム1,1が受け、この駆動力に基づいてダイヤフラム1,1が往復動すべく構成されている。具体的には、駆動力供給部40と作動油供給部31,31とが作動油配管部35,35を介して連通され、作動油配管部35,35および作動油供給部31,31内は作動油で満たされており、後述する駆動力供給部40のピストン部43,44の往復動が、作動油配管部35,35および作動油供給部31,31内の作動油を介して、ダイヤフラム1,1に伝達されることとなる。   The diaphragm drive chamber 2 is configured such that the diaphragms 1 and 1 receive the driving force from the driving unit via the driving force supply unit 40, and the diaphragms 1 and 1 reciprocate based on the driving force. Specifically, the driving force supply unit 40 and the hydraulic oil supply units 31 and 31 are communicated with each other through the hydraulic oil piping units 35 and 35, and the hydraulic oil piping units 35 and 35 and the hydraulic oil supply units 31 and 31 are inside. Filled with hydraulic oil, reciprocating movements of piston parts 43 and 44 of a driving force supply unit 40, which will be described later, are applied to the diaphragm via the hydraulic oil in the hydraulic oil pipes 35 and 35 and the hydraulic oil supply units 31 and 31. 1 and 1 are transmitted.

各作動油制限室5,5内の弁体3,3は、弁体支持部6,6にコイルスプリング等の付勢手段7,7を介して取り付けられるとともに、作動油制限室5,5とダイヤフラム駆動室2,2との間を連絡するシャフト8,8に固着されている。   The valve bodies 3, 3 in the hydraulic oil restriction chambers 5, 5 are attached to the valve body support portions 6, 6 via biasing means 7, 7 such as coil springs, and the hydraulic oil restriction chambers 5, 5 It is fixed to shafts 8 and 8 communicating with the diaphragm drive chambers 2 and 2.

各シャフト8,8の一方端部は、ダイヤフラム1,1の作動油制限室5,5側の面に接するとともに、付勢手段7,7および弁体3,3を介してダイヤフラム1,1側に付勢されるようになっている。   One end of each shaft 8, 8 is in contact with the surface of the diaphragm 1, 1 on the side of the hydraulic oil restriction chamber 5, 5, and the diaphragm 1, 1 side through the biasing means 7, 7 and the valve body 3, 3. It has come to be energized.

作動油制限室5,5とダイヤフラム駆動室2,2との間には、シャフト8,8を支持するシャフト支持部9,9が設けられており、各シャフト支持部9,9には、作動油制限室5,5からダイヤフラム駆動室2,2に作動油を流通させるための貫通孔が形成されている。同様に、弁体支持部6についても、作動油を流通させるための貫通孔が形成されている。   Between the hydraulic oil restriction chambers 5 and 5 and the diaphragm drive chambers 2 and 2, shaft support portions 9 and 9 for supporting the shafts 8 and 8 are provided. A through-hole for allowing the working oil to flow from the oil restriction chambers 5 and 5 to the diaphragm drive chambers 2 and 2 is formed. Similarly, the valve body support portion 6 is also formed with a through-hole for circulating hydraulic oil.

上記構成の作動油制限室5,5によって、作動油配管部35,35を介して作動油供給部31,31に流入した作動油によってダイヤフラム1,1が弾性変形して所定の往復動をしたときに、このダイヤフラム1,1とともに弁体3も往復動することとなる。作動油制限室5,5に必要以上の圧力が作用した場合には、この弁体3が移動して、弁座4に当接するようになっている。   Due to the hydraulic oil restriction chambers 5 and 5 having the above-described configuration, the diaphragms 1 and 1 are elastically deformed by the hydraulic oil flowing into the hydraulic oil supply units 31 and 31 via the hydraulic oil piping portions 35 and 35, and are reciprocated predetermined. Sometimes, the valve body 3 reciprocates together with the diaphragms 1 and 1. When an excessive pressure is applied to the hydraulic oil restriction chambers 5 and 5, the valve body 3 moves and comes into contact with the valve seat 4.

これによって、作動油制限室5,5は、ダイヤフラム1,1に過大な圧力が加わらないようにして、ダイヤフラム1,1の破損を防止できるようになっている。なお、作動油制限室5,5と駆動力供給部40との間には、リリーフ機構37,37が設けられており、作動油制限室5,5に必要以上の圧力が作用した場合には、このリリーフ機構37,37によって所定量の作動油を排出して圧力を適正な状態で維持できるようになっている。   Thus, the hydraulic oil restriction chambers 5 and 5 can prevent the diaphragms 1 and 1 from being damaged by preventing excessive pressure from being applied to the diaphragms 1 and 1. In addition, relief mechanisms 37 and 37 are provided between the hydraulic oil restriction chambers 5 and 5 and the driving force supply unit 40, and when an excessive pressure is applied to the hydraulic oil restriction chambers 5 and 5, The relief mechanisms 37, 37 can discharge a predetermined amount of hydraulic oil and maintain the pressure in an appropriate state.

この定量ポンプ(往復動ポンプ)は、ダイヤフラム駆動室2,2および作動油制限室5,5が形成されているため、作動油中に空気等のガスが混入した場合には、各室2,5の最上部にガスが溜まりやすい。そこで、ダイヤフラム駆動室2,2および作動油制限室5,5内のガスを適切に排出させるために、前記ガス排出機構20が定量ポンプ(往復動ポンプ)に設けられている。ガス排出機構20は、作動油制限室5に設けられた第1ガス排出経路21と、ダイヤフラム駆動室2に設けられた第2ガス排出経路22と、これらのガス排出経路21、22を通じて排出されるガスおよび作動油の流量を調整する流量調整部25を備える。   This metering pump (reciprocating pump) is formed with diaphragm drive chambers 2 and 2 and hydraulic oil restriction chambers 5 and 5, so that when a gas such as air is mixed into the hydraulic oil, Gas tends to accumulate at the top of 5. Therefore, in order to properly discharge the gas in the diaphragm drive chambers 2 and 2 and the hydraulic oil restriction chambers 5 and 5, the gas discharge mechanism 20 is provided in a metering pump (reciprocating pump). The gas discharge mechanism 20 is discharged through a first gas discharge path 21 provided in the hydraulic oil restriction chamber 5, a second gas discharge path 22 provided in the diaphragm drive chamber 2, and these gas discharge paths 21 and 22. A flow rate adjusting unit 25 that adjusts the flow rates of the gas and hydraulic oil.

第1ガス排出経路21は、その一方端部が作動油制限室5内における弁座4よりも作動油配管部35側の上方位置に設けられ、第1ガス排出経路22は、その一方端部が、ダイヤフラム駆動室2内におけるダイヤフラム1と弁座4との間の上方位置に設けられている。   One end of the first gas discharge path 21 is provided above the valve seat 4 in the hydraulic oil restriction chamber 5 on the hydraulic oil piping part 35 side, and the first gas discharge path 22 has one end thereof. Is provided at an upper position between the diaphragm 1 and the valve seat 4 in the diaphragm drive chamber 2.

そして、それぞれの排出経路21,22の他方端部は、流量調整部25と作動油供給部31との間に形成された連通部24に連通すべく近接して設けられている。さらに、第1ガス排出経路21と、第2ガス排出経路22上には、それぞれ逆流防止のためのボール体23,23(逆流防止体)が設けられている。   The other ends of the discharge paths 21 and 22 are provided close to each other so as to communicate with a communication part 24 formed between the flow rate adjustment part 25 and the hydraulic oil supply part 31. Furthermore, ball bodies 23 and 23 (backflow prevention bodies) for preventing backflow are provided on the first gas discharge path 21 and the second gas discharge path 22, respectively.

流量調整部25は、逆流防止のためのボール体28と、このボール体28のリフト量(可動可能領域)を調整する調節バルブ27を有する。調整バルブ27は、その内部にバルブ内排出経路を有している。そして、この調整バルブ27の外周部には流量調整部25に対して螺合すべく雄ねじ部が形成されており、ボール体28のリフト量は、この調整バルブ27のねじ込み量にて調整されている。流量調整部25は、調整バルブ27によってボール体28のリフト量を調整することにより、この流量調整部25を流通するガスおよび作動油の流量を調整できるようになっている。   The flow rate adjustment unit 25 includes a ball body 28 for preventing a backflow and an adjustment valve 27 that adjusts the lift amount (movable region) of the ball body 28. The adjustment valve 27 has an in-valve discharge path therein. A male screw portion is formed on the outer peripheral portion of the adjusting valve 27 so as to be screwed to the flow rate adjusting portion 25, and the lift amount of the ball body 28 is adjusted by the screwing amount of the adjusting valve 27. Yes. The flow rate adjustment unit 25 can adjust the flow rate of the gas and hydraulic oil flowing through the flow rate adjustment unit 25 by adjusting the lift amount of the ball body 28 by the adjustment valve 27.

また、流量調整部25,25は、流体排出配管部36を介して駆動力供給部40の作動油貯留部(ケーシング50内)に接続されている。また、流量調整部25における調整バルブ27の上部には、この調整バルブ27を覆うと共に、調整バルブ27の調整の際に着脱可能(あるいは開閉可能)な保護カバー29が設けられている。   Further, the flow rate adjusting units 25, 25 are connected to the hydraulic oil storage unit (inside the casing 50) of the driving force supply unit 40 via the fluid discharge piping unit 36. In addition, a protective cover 29 that covers the adjustment valve 27 and is detachable (or openable / closable) when adjusting the adjustment valve 27 is provided above the adjustment valve 27 in the flow rate adjustment unit 25.

上記構成のガス排出機構20では、調整バルブ27を操作して、ボール体28を所定のリフト量にて移動可能な状態にすることにより、ダイヤフラム駆動室2および作動油制限室5に混入したガスが、第1ガス排出経路21、第2ガス排出経路22を通じて、各ボール体23、23、28を押し上げ、調整バルブ27のバルブ内排出経路を通じて外部に排出されるようになっている。また、このガスの排出とともに溢流した作動油は、流体排出配管部36を通じて駆動力供給部40に回収されるようになっている。   In the gas discharge mechanism 20 configured as described above, the gas mixed into the diaphragm drive chamber 2 and the hydraulic oil restriction chamber 5 is obtained by operating the adjustment valve 27 so that the ball body 28 can be moved by a predetermined lift amount. However, the ball bodies 23, 23 and 28 are pushed up through the first gas discharge path 21 and the second gas discharge path 22, and are discharged to the outside through the in-valve discharge path of the adjustment valve 27. Further, the hydraulic oil that overflows with the discharge of the gas is collected by the driving force supply unit 40 through the fluid discharge piping unit 36.

駆動力供給部40は、駆動部のギヤから駆動力を受ける駆動力伝達軸41と、この駆動力伝達軸41に取り付けられた偏心カム42と、この偏心カム42の動きに応じて往復動するピストン部(第1ピストン部43および第2ピストン部44)と、第1ピストン部43内のベアリング47の内輪で支持された第1回動軸45と、第2ピストン部44内のベアリング48の内輪で支持された第2回動軸46と、第2ピストン部44内にて第1ピストン部43と第2ピストン部44とを適切に付勢して、各ピストン部43,44内に設けられている各回動軸45,46を偏心カム42に接触させるべく機能する調整手段たる位置規制付勢手段49と、これらの各要素を内包しているケーシング部50等とを用いて構成されている。そして、以上のような要素を有する駆動力供給部40においては、ケーシング部50内壁とピストン部43,44との間の密閉空間に、作動油が充填されている。   The driving force supply unit 40 reciprocates according to the movement of the driving force transmission shaft 41 receiving the driving force from the gear of the driving unit, the eccentric cam 42 attached to the driving force transmission shaft 41, and the eccentric cam 42. The piston part (first piston part 43 and second piston part 44), the first rotating shaft 45 supported by the inner ring of the bearing 47 in the first piston part 43, and the bearing 48 in the second piston part 44 Provided in each piston part 43, 44 by appropriately energizing the first piston part 43 and the second piston part 44 within the second rotating shaft 46 supported by the inner ring and the second piston part 44. The position regulating biasing means 49 that is an adjusting means that functions to bring the rotating shafts 45 and 46 into contact with the eccentric cam 42, and a casing portion 50 that contains these elements, and the like. Yes. And in the driving force supply part 40 which has the above elements, the hydraulic fluid is filled in the sealed space between the inner wall of the casing part 50 and the piston parts 43 and 44.

駆動力供給部40は、第2ピストン部44が中空状に形成されている。すなわち、第2ピストン部44は、その内部に、駆動力伝達軸41、偏心カム42、第1ピストン部43、ベアリング48、および位置規制付勢手段49等が包含可能であるべく形成されている。   In the driving force supply unit 40, the second piston portion 44 is formed in a hollow shape. That is, the second piston portion 44 is formed so that the driving force transmission shaft 41, the eccentric cam 42, the first piston portion 43, the bearing 48, the position restriction biasing means 49, and the like can be included therein. .

そして、第2ピストン部44の内壁部(内面部)と第1ピストン部43の外壁部(外面部)との間には、位置規制付勢手段49が挟持されている。すなわち、この位置規制付勢手段49によって、第1ピストン部43および第2ピストン部44が偏心カム42の位置する方向に付勢されることとなる。換言すれば、この位置規制付勢手段49によって、第1ピストン部43内の第1回動軸45と、第2ピストン部44内の第2回動軸45とが、常に偏心カム42の外周面に接すべく、適切に付勢されることとなる。   A position restriction urging means 49 is sandwiched between the inner wall portion (inner surface portion) of the second piston portion 44 and the outer wall portion (outer surface portion) of the first piston portion 43. In other words, the first piston portion 43 and the second piston portion 44 are biased in the direction in which the eccentric cam 42 is positioned by the position regulation biasing means 49. In other words, the position restricting and biasing means 49 always causes the first rotating shaft 45 in the first piston portion 43 and the second rotating shaft 45 in the second piston portion 44 to always have the outer periphery of the eccentric cam 42. It will be properly biased to contact the surface.

なお、この駆動力供給部40は、第1ピストン部43、第2ピストン部44に対応して、ガス排出機構20から流体排出配管部36を通じてこの駆動力供給部40に作動油が回収されることによる駆動力の低下を防止するために、補助プランジャ機構60,60、作動油供給弁70,70を備えている。   The driving force supply unit 40 collects hydraulic oil from the gas discharge mechanism 20 to the driving force supply unit 40 through the fluid discharge pipe unit 36 corresponding to the first piston unit 43 and the second piston unit 44. In order to prevent a decrease in driving force due to this, auxiliary plunger mechanisms 60 and 60 and hydraulic oil supply valves 70 and 70 are provided.

本実施形態にかかる定量ポンプ(往復動ポンプ)は、通常運転時においては、次のように機能する。この定量ポンプ(往復動ポンプ)は、まず、駆動部の電動モータを回転させて、この回転力を、ギヤを介して駆動力伝達軸41に伝える。   The metering pump (reciprocating pump) according to the present embodiment functions as follows during normal operation. The metering pump (reciprocating pump) first rotates the electric motor of the drive unit, and transmits this rotational force to the drive force transmission shaft 41 via a gear.

次に、この駆動力伝達軸41によって偏心カム42を回転させ、この偏心カム42の回転によって、第1および第2ピストン部43,44を往復動させる。ここでは、上述した構成に基づいて、第1ピストン部43と第2ピストン部44とが一体的に、一つの偏心カム42によって往復動する。そして、このピストン部43,44の往復動によって作動油に対して所定の力および方向の圧力が作用し、その作動油が、配管部35,35に送排出されることとなる。   Next, the eccentric cam 42 is rotated by the driving force transmission shaft 41, and the first and second piston portions 43 and 44 are reciprocated by the rotation of the eccentric cam 42. Here, based on the above-described configuration, the first piston portion 43 and the second piston portion 44 reciprocate integrally with one eccentric cam 42. The reciprocating motion of the piston portions 43 and 44 causes a predetermined force and direction of pressure to act on the hydraulic oil, and the hydraulic oil is sent to and discharged from the pipe portions 35 and 35.

次に、配管部35,35を介して流通する作動油の圧力に基づいて、ダイヤフラム1,1が適切なタイミングで往復動し、このダイヤフラム1,1の動きによって、流入側逆止弁33および流出側逆止弁34が作動して、所望の液体が搬送されることとなる。   Next, the diaphragms 1 and 1 reciprocate at an appropriate timing based on the pressure of the hydraulic fluid flowing through the piping portions 35 and 35, and the movement of the diaphragms 1 and 1 causes the inflow check valve 33 and The outflow side check valve 34 is operated, and a desired liquid is conveyed.

通常運転時において、本実施形態にかかる定量ポンプ(往復動ポンプ)は、各構成要素が以上のように機能して、ダイヤフラム1,1の往復動を繰り返し行わせることによって、所望流体を定量的に搬送させることが可能となる。なお、この定量ポンプ(往復動ポンプ)は、2つのダイヤフラム1,1の往復動を異ならせることにより、流体を無脈動で搬送できるようになっている。   During normal operation, the metering pump (reciprocating pump) according to the present embodiment is capable of quantitatively determining the desired fluid by causing the constituent elements to function as described above and causing the diaphragms 1 and 1 to reciprocate repeatedly. Can be conveyed. In addition, this metering pump (reciprocating pump) can convey the fluid without pulsation by making the reciprocating motions of the two diaphragms 1 and 1 different.

上記の定量ポンプ(往復動ポンプ)に用いられるダイヤフラム1,1は、図2に示すように、平面視円形の薄膜状とされている。本実施形態では、ダイヤフラム1,1は、直径約100mm、厚さが約0.1mmで一定のものが用いられている。   As shown in FIG. 2, the diaphragms 1 and 1 used for the above-described metering pump (reciprocating pump) have a thin film shape with a circular shape in plan view. In this embodiment, the diaphragms 1 and 1 have a constant diameter of about 100 mm and a thickness of about 0.1 mm.

また、ダイヤフラムは、図3の変形例に示すように、その外縁部の厚さがその中央部(図示略)の厚さよりも厚く形成される構成を採用できる。この変形例では、厚肉とされた外縁部(以下「厚肉部」という)1bが平面視で円環状に構成されており、その厚肉部1bの環の内側に、所定の弾性変形によって搬送流体を搬送する膜部1aが形成されている。この変形例では、膜部1aと厚肉部1bが後述する同じチタン合金によって一体に構成されている。   Moreover, as shown in the modification of FIG. 3, the diaphragm can employ a configuration in which the outer edge portion is thicker than the central portion (not shown). In this modification, an outer edge portion (hereinafter referred to as “thick portion”) 1b having a thick wall is formed in an annular shape in plan view, and a predetermined elastic deformation is applied to the inside of the ring of the thick portion 1b. A film portion 1a for transporting the transport fluid is formed. In this modification, the film part 1a and the thick part 1b are integrally formed of the same titanium alloy described later.

なお、この変形例に係るダイヤフラム1は、膜部1aの厚さおよび厚肉部1bの厚さが一定とされており、しかも厚肉部1bの厚さが、その中央部(膜部1aの中央部)の厚さの3倍以上とされていることが望ましい。このようにすることで、ダイヤフラム1は、例えば、厚肉に構成された厚肉部(外縁部)1bを前記ポンプヘッド32と作動油供給部31,31とで挟持したときに、この厚肉部1bが厚さ方向に対して弾性変形(収縮)することにより、強固かつ確実に固定されることになり、これによってシール性が良いものとなる。さらに、ダイヤフラム1は、膜部1aと厚肉部1bとを同じチタン合金によって形成することにより、耐久性、耐食性が良く、しかも製造コストを低減できるようになる。   In the diaphragm 1 according to this modification, the thickness of the film portion 1a and the thickness of the thick portion 1b are constant, and the thickness of the thick portion 1b is equal to the central portion (of the film portion 1a). It is desirable that the thickness is not less than three times the thickness of the central portion. In this way, when the diaphragm 1 is sandwiched between the pump head 32 and the hydraulic oil supply units 31 and 31, for example, the thick portion (outer edge portion) 1 b configured to be thick is thick. When the part 1b is elastically deformed (shrinked) in the thickness direction, the part 1b is firmly and reliably fixed, and the sealing performance is thereby improved. Further, the diaphragm 1 is formed of the same titanium alloy for the film part 1a and the thick part 1b, so that the durability and corrosion resistance are good, and the manufacturing cost can be reduced.

また、上記のように、この変形例に係るダイヤフラム1は、その中央部の厚さ(膜部1aの中央部の厚さ)をtとし、その直径をDとしたときに、0.0003≦t/D≦0.02となっていることが望ましく、また、0.001≦t/D≦0.02とされるのがより望ましく、さらに0.002≦t/D≦0.015とされるのが最も望ましい。t/Dが0.0003よりも小さい場合には、耐圧性が低下することになり、好ましくない。また、t/Dが0.02よりも大きくなると、ダイヤフラム1の弾性変形能が低下して、十分な吐出量を確保できなくなり、好ましくない。   Further, as described above, the diaphragm 1 according to this modified example has 0.0003 ≦ when the thickness of the central portion (the thickness of the central portion of the film portion 1a) is t and the diameter is D. It is preferable that t / D ≦ 0.02, more preferably 0.001 ≦ t / D ≦ 0.02, and further 0.002 ≦ t / D ≦ 0.015. It is most desirable. When t / D is smaller than 0.0003, the pressure resistance is lowered, which is not preferable. On the other hand, if t / D is larger than 0.02, the elastic deformability of the diaphragm 1 is lowered, and a sufficient discharge amount cannot be secured, which is not preferable.

また、ダイヤフラムは、図4の変形例に示すように、膜部1aと、この膜部1aよりも厚さの厚い厚肉部材1bを予め別体に用意し、これらを溶接等の手段によって固着することによって、膜部1aの外縁部1bを厚肉(厚肉部)に形成することも可能である。この変形例では、膜部1aは、図3の変形例と同じように所定のチタン合金(後述する)によって構成され、厚肉部1bは、例えば金属チタン(Ti)によって構成されている。この変形例では、円環状に構成された2つの厚肉部1b,1bによって、膜部1aの外周を挟むようにするとともに、各厚肉部1b,1bを膜部1aに固着されている。   Further, as shown in the modification of FIG. 4, the diaphragm is prepared by separately preparing a film part 1a and a thick member 1b thicker than the film part 1a in advance, and fixing them by means such as welding. By doing so, it is also possible to form the outer edge part 1b of the film part 1a thickly (thick part). In this modification, the film part 1a is made of a predetermined titanium alloy (described later) as in the modification of FIG. 3, and the thick part 1b is made of, for example, metal titanium (Ti). In this modification, the outer periphery of the film part 1a is sandwiched between two thick parts 1b and 1b configured in an annular shape, and the thick parts 1b and 1b are fixed to the film part 1a.

このように、チタン合金製の膜部1aと金属チタン製の厚肉部1bとを別体とするとともに、厚肉部1bを溶接等の手段によって膜部1aに固定することにより、ダイヤフラム1は、その外縁部が金属チタンで構成されることになり、この外縁部の物理的特性(例えば熱膨張率等)をその中央部(膜部1a)に近くすることができ、これにより、耐久性等の良いものになる。   Thus, by separating the titanium alloy film part 1a and the metal titanium thick part 1b from each other and fixing the thick part 1b to the film part 1a by means such as welding, the diaphragm 1 The outer edge portion is made of metal titanium, and the physical properties (for example, the coefficient of thermal expansion) of the outer edge portion can be made close to the center portion (film portion 1a), thereby improving durability. And so on.

上記の各ダイヤフラム1,1は、低ヤング率で高弾性変形能を有するチタン合金により形成されている。以下、このチタン合金について説明する。   Each of the diaphragms 1 and 1 is made of a titanium alloy having a low Young's modulus and a high elastic deformability. Hereinafter, this titanium alloy will be described.

ダイヤフラムに用いられるチタン合金に関する平均ヤング率と引張弾性限強度とについて、以下に図5、図6を用いて説明する。図5は、チタン合金の応力−伸び(歪み)線図を模式的に示した図であり、図6は、従来のチタン合金(Ti−6Al−4V合金)の応力−伸び(歪み)線図を模式的に示した図である。   The average Young's modulus and tensile elastic limit strength related to the titanium alloy used for the diaphragm will be described below with reference to FIGS. FIG. 5 is a diagram schematically showing a stress-elongation (strain) diagram of a titanium alloy, and FIG. 6 is a stress-elongation (strain) diagram of a conventional titanium alloy (Ti-6Al-4V alloy). FIG.

図6に示すように、従来の金属材料では、先ず、引張応力の増加に比例して伸びが直線的に増加する(A’−A間)。そして、その直線の傾きによって従来の金属材料のヤング率は求められる。換言すれば、そのヤング率は、引張応力(公称応力)をそれと比例関係にある歪み(公称歪み)で除した値となる。このように応力と伸び(歪み)とが比例関係にある直線域(A’−A間)では、変形が弾性的であり、例えば、応力を除荷すれば、試験片の変形である伸びは0に戻る。しかし、さらにその直線域を超えて引張応力を加えると、従来の金属材料は塑性変形を始め、応力を除荷しても、試験片の伸びは0に戻らず、永久伸びを生じる。   As shown in FIG. 6, in the conventional metal material, first, the elongation linearly increases in proportion to the increase in tensile stress (between A ′ and A). And the Young's modulus of the conventional metal material is calculated | required by the inclination of the straight line. In other words, the Young's modulus is a value obtained by dividing the tensile stress (nominal stress) by the strain (nominal strain) proportional to the tensile stress. Thus, in the linear region (between A ′ and A) in which stress and elongation (strain) are in a proportional relationship, the deformation is elastic. For example, if the stress is unloaded, the elongation that is the deformation of the test piece is Return to zero. However, when a tensile stress is further applied beyond the linear region, the conventional metal material starts plastic deformation, and even when the stress is unloaded, the elongation of the test piece does not return to 0 and a permanent elongation occurs.

通常、永久伸びが0.2%となる応力σpを0.2%耐力と称している(JIS Z 2241)。この0.2%耐力は、応力−伸び(歪み)線図上で、弾性変形域の直線(A’−A:立ち上がり部の接線)を0.2%伸び(歪み)分だけ平行移動した直線(B’−B)と応力−伸び(歪み)曲線との交点(位置B)における応力でもある。従来の金属材料の場合、通常、「伸びが0.2%程度を超えると、永久伸びになる」という経験則に基づき、0.2%耐力≒引張弾性限強度と考えられている。逆に、この0.2%耐力内であれば、応力と歪みとの関係は概ね直線的または弾性的であると考えられる。   Usually, the stress σp at which the permanent elongation is 0.2% is referred to as 0.2% proof stress (JIS Z 2241). The 0.2% proof stress is a straight line obtained by translating a straight line in the elastic deformation region (A′-A: tangent to the rising portion) by 0.2% elongation (strain) on the stress-elongation (strain) diagram. It is also the stress at the intersection (position B) between (B′-B) and the stress-elongation (strain) curve. In the case of a conventional metal material, it is generally considered that 0.2% proof stress≈tensile elastic limit strength based on an empirical rule that “when elongation exceeds about 0.2%, permanent elongation occurs”. Conversely, within this 0.2% proof stress, the relationship between stress and strain is considered to be generally linear or elastic.

ところが、図5の応力−伸び(歪み)線図からも解るように、このような従来の概念は、チタン合金には当てはまらない。理由は定かではないが、チタン合金の場合、弾性変形域において応力−伸び(歪み)線図が直線とはならず、上に凸な曲線(A’−B)となり、除荷すると同曲線A−A’に沿って伸びが0に戻ったり、B−B’に沿って永久伸びを生じたりする。このように、チタン合金では、弾性変形域(A’−A)ですら、応力と伸び(歪み)とが直線的な関係になく、応力が増加すれば、急激に伸び(歪み)が増加する。また、除荷した場合も同様であり、応力と伸び(歪み)とが直線的な関係になく、応力が減少すれば、急激に伸び(歪み)が減少する。このような特徴がチタン合金の高弾性変形能として発現していると思われる。   However, as can be seen from the stress-elongation (strain) diagram of FIG. 5, such a conventional concept does not apply to titanium alloys. The reason is not clear, but in the case of titanium alloy, the stress-elongation (strain) diagram does not become a straight line in the elastic deformation region, but becomes an upwardly convex curve (A'-B). Elongation returns to 0 along -A 'or permanent elongation occurs along BB'. Thus, in the titanium alloy, even in the elastic deformation region (A′-A), the stress and elongation (strain) are not in a linear relationship, and if the stress increases, the elongation (strain) increases rapidly. . The same applies to unloading, where the stress and elongation (strain) are not in a linear relationship, and if the stress decreases, the elongation (strain) decreases rapidly. Such a feature seems to be manifested as a high elastic deformability of the titanium alloy.

ところで、チタン合金の場合、図5からも解るように、応力が増加するほど応力−伸び(歪み)線図上の接線の傾きが減少している。このように、弾性変形域において、応力と伸び(歪み)とが直線的に変化しないため、従来の方法でチタン合金のヤング率を定義することは適切ではない。また、チタン合金の場合、応力と伸び(歪み)とが直線的に変化しないため、従来と同様の方法で0.2%耐力(σp’)≒引張弾性限強度と評価することも適切ではない。つまり、従来の方法により求まる0.2%耐力では、本来の引張弾性限強度よりも著しく小さい値となってしまい、もはや、0.2%耐力≒引張弾性限強度と考えることはできない。   In the case of a titanium alloy, as can be seen from FIG. 5, the slope of the tangent line on the stress-elongation (strain) diagram decreases as the stress increases. Thus, since the stress and elongation (strain) do not change linearly in the elastic deformation region, it is not appropriate to define the Young's modulus of the titanium alloy by the conventional method. In the case of a titanium alloy, since stress and elongation (strain) do not change linearly, it is not appropriate to evaluate as 0.2% proof stress (σp ′) ≈tensile elastic limit strength by the same method as before. . In other words, the 0.2% yield strength obtained by the conventional method becomes a value that is significantly smaller than the original tensile elastic limit strength, and can no longer be considered as 0.2% yield strength≈tensile elastic limit strength.

そこで、本来の定義に戻って、チタン合金の引張弾性限強度(σe)を前述したように求めることとし(図5中のBの位置)、また、チタン合金のヤング率として、前述の平均ヤング率を導入することとした。なお、図5および図6中、σtは引張強度であり、εeはチタン合金の引張弾性限強度(σe)における伸び(歪み)であり、εpは従来の金属材料の0.2%耐力(σp)における伸び(歪み)である。   Therefore, returning to the original definition, the tensile elastic limit strength (σe) of the titanium alloy is obtained as described above (position B in FIG. 5), and the Young's modulus of the titanium alloy is used as the average Young mentioned above. It was decided to introduce rate. 5 and 6, σt is the tensile strength, εe is the elongation (strain) at the tensile elastic limit strength (σe) of the titanium alloy, and εp is the 0.2% proof stress (σp of the conventional metal material) ) In (elongation).

チタン合金は、全体を100質量%とした場合に、ジルコニウム(Zr)とハフニウム(Hf)とスカンジウム(Sc)とからなる金属元素群中の1種以上の元素を合計で20質量%以下含むと、好適である。ジルコニウムとハフニウムとは、チタン合金の低ヤング率化と高強度化に有効である。また、これらの元素は、チタンと同族(IVa族)元素であり、全率固溶型の中性的元素であるため、Va族元素によるチタン合金の低ヤング率化を妨げることもない。また、スカンジウムは、チタンに固溶した場合、Va族元素と共にチタン原子間の結合エネルギーを特異的に低下させ、ヤング率をさらに低下させる有効な元素である。   When the total amount of the titanium alloy is 100% by mass, when one or more elements in the metal element group composed of zirconium (Zr), hafnium (Hf), and scandium (Sc) are contained in a total of 20% by mass or less Is preferable. Zirconium and hafnium are effective in lowering the Young's modulus and increasing the strength of the titanium alloy. In addition, these elements are elements belonging to the same group (IVa group) as titanium, and are neutral elements of all solid solution type, and therefore do not hinder the low Young's modulus of the titanium alloy by the Va group element. Further, scandium is an effective element that, when dissolved in titanium, specifically lowers the Young's modulus by specifically reducing the binding energy between titanium atoms together with the Va group element.

それらの元素が合計で20質量%を越えると、材料偏析による強度、靱性の低下やコスト上昇を招くため、好ましくない。ヤング率、強度、靱性等のバランスを図る上で、それらの元素を合計で、1質量%以上、さらには、5〜15質量%とすると、より好ましい。また、これらの元素は、Va族元素と作用上、共通する部分が多いため、所定の範囲内で、Va族元素と置換することもできる。つまり、チタン合金は、合計で20質量%以下のジルコニウム(Zr)とハフニウム(Hf)とスカンジウム(Sc)とからなる金属元素群中の1種以上の元素と、該金属元素群中の1種以上の元素との合計が30〜60質量%となるVa族(バナジウム族)元素と、残部が実質的にチタンとからなり、平均ヤング率が75GPa以下で引張弾性限強度が700MPa以上であると、好適である。   When the total amount of these elements exceeds 20% by mass, the strength and toughness are reduced due to material segregation, and the cost is increased. In order to balance the Young's modulus, strength, toughness, and the like, it is more preferable that the total amount of these elements is 1% by mass or more, and further 5 to 15% by mass. Further, since these elements have many parts in common with the Va group element, they can be replaced with the Va group element within a predetermined range. That is, the titanium alloy is composed of one or more elements in the metal element group consisting of zirconium (Zr), hafnium (Hf), and scandium (Sc) in a total amount of 20% by mass or less, and one kind in the metal element group. The Va group (vanadium group) element whose total with the above elements is 30 to 60% by mass and the balance is substantially titanium, the average Young's modulus is 75 GPa or less, and the tensile elastic limit strength is 700 MPa or more. Is preferable.

また、チタン合金は、合計で20質量%以下のジルコニウム(Zr)とハフニウム(Hf)とスカンジウム(Sc)とからなる金属元素群中の1種以上の元素と、該金属元素群中の1種以上の元素との合計が30〜60質量%となるVa族(バナジウム族)元素と、残部が実質的にチタンとからなる焼結合金であると、好適である。ジルコニウム等を合計で20質量%以下としたのは、前述したとおりである。また、同様に、それらの元素を合計で1質量%以上、さらには、5〜15質量%とすると、より好ましい。   In addition, the titanium alloy has a total of 20% by mass or less of one or more elements in the metal element group consisting of zirconium (Zr), hafnium (Hf), and scandium (Sc), and one kind in the metal element group. It is preferable that the sintered alloy is composed of a Va group (vanadium group) element whose total amount is 30 to 60% by mass and the balance is substantially titanium. As described above, the total amount of zirconium and the like is 20% by mass or less. Similarly, it is more preferable that the total amount of these elements is 1% by mass or more, and further 5 to 15% by mass.

チタン合金は、クロム(Cr)とモリブデン(Mo)とマンガン(Mn)と鉄(Fe)とコバルト(Co)とニッケル(Ni)とからなる金属元素群中の1種類以上の元素を含むと、好適である。より具体的には、全体を100質量%とした場合に、前記クロムと前記モリブデンとはそれぞれ20質量%以下であり、前記マンガンと前記鉄と前記コバルトと前記ニッケルとはそれぞれ10質量%以下であると、好適である。   When the titanium alloy contains one or more elements in a metal element group consisting of chromium (Cr), molybdenum (Mo), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni), Is preferred. More specifically, when the whole is 100% by mass, the chromium and the molybdenum are each 20% by mass or less, and the manganese, the iron, the cobalt, and the nickel are each 10% by mass or less. If there is, it is preferable.

クロムとモリブデンとは、チタン合金の強度と熱間鍛造性とを向上させる上で有効な元素である。熱間鍛造性が向上すると、チタン合金の生産性や歩留まりの向上が図れる。ここで、クロムやモリブデンが、20質量%を越えると、材料偏析が生じ易くなり、均質な材料を得ることが困難となる。それらの元素を1質量%以上とすると、固溶強化による強度等の向上を図る上で好ましく、さらに、3〜15質量%とすると、より好ましい。   Chromium and molybdenum are effective elements for improving the strength and hot forgeability of the titanium alloy. When hot forgeability is improved, productivity and yield of the titanium alloy can be improved. Here, when chromium and molybdenum exceed 20% by mass, material segregation easily occurs, and it becomes difficult to obtain a homogeneous material. When these elements are 1% by mass or more, it is preferable for improving the strength and the like by solid solution strengthening, and further preferably 3-15% by mass.

マンガン、鉄、コバルト、ニッケルは、モリブデン等と同様、チタン合金の強度と熱間鍛造性を向上させる上で有効な元素である。従って、モリブデン、クロム等の代わりに、またはモリブデン、クロム等と共にそれらの元素を含有させても良い。但し、それらの元素が10質量%を越えると、チタンとの間で金属間化合物を形成し、延性が低下してしまうため、好ましくない。それらの元素を1質量%以上とすると、固溶強化による強度等の向上を図る上で好ましく、さらに、2〜7質量%とすると、より好ましい。   Manganese, iron, cobalt, and nickel are elements that are effective in improving the strength and hot forgeability of titanium alloys, like molybdenum. Therefore, these elements may be contained in place of molybdenum, chromium or the like or together with molybdenum, chromium or the like. However, if these elements exceed 10% by mass, an intermetallic compound is formed with titanium and ductility is lowered, which is not preferable. When these elements are 1% by mass or more, it is preferable for improving the strength and the like by solid solution strengthening, and more preferably 2-7% by mass.

チタン合金が焼結チタン合金である場合、前記金属元素群に錫を加えると、好適である。すなわち、焼結チタン合金は、クロム(Cr)とモリブデン(Mo)とマンガン(Mn)と鉄(Fe)とコバルト(Co)とニッケル(Ni)と錫(Sn)とからなる金属元素群中の1種類以上の元素を含むと好適である。具体的には、全体を100質量%とした場合に、前記クロムと前記モリブデンとはそれぞれ20質量%以下であり、前記マンガンと前記鉄と前記コバルトと前記ニッケルと前記錫とはそれぞれ10質量%以下であると、より好適である。   When the titanium alloy is a sintered titanium alloy, it is preferable to add tin to the metal element group. That is, the sintered titanium alloy is a metal element group consisting of chromium (Cr), molybdenum (Mo), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), and tin (Sn). It is preferable to include one or more elements. Specifically, when the total is 100% by mass, the chromium and the molybdenum are each 20% by mass or less, and the manganese, the iron, the cobalt, the nickel, and the tin are 10% by mass, respectively. The following is more preferable.

錫はα安定化元素であり、チタン合金の強度を向上させる上で有効な元素である。従って、10質量%以下の錫を、モリブデン等の元素と共に含有させても良い。錫が10質量%を越えると、チタン合金の延性が低下して加工性の低下を招く。錫を1質量%以上、さらには、2〜8質量%とすると、低ヤング率化と共に高強度化を図る上で、より好ましい。なお、モリブデン等の元素については、前述と同様である。   Tin is an α-stabilizing element and is an effective element for improving the strength of the titanium alloy. Therefore, 10% by mass or less of tin may be contained together with an element such as molybdenum. When tin exceeds 10 mass%, the ductility of a titanium alloy will fall and workability will fall. When tin is 1 mass% or more, and further 2 to 8 mass%, it is more preferable in terms of increasing the strength as well as reducing the Young's modulus. The elements such as molybdenum are the same as described above.

チタン合金は、アルミニウム(Al)を含むと好適である。具体的には、前記アルミニウムが、全体を100質量%とした場合に0.3〜5質量%であると、一層好適である。アルミニウムは、チタン合金の強度を向上させる上で有効な元素である。従って、0.3〜5質量%のアルミニウムを、モリブデンや鉄等の代りに、またはそれらの元素と共に含有させても良い。アルミニウムが0.3質量%未満では固溶強化作用が不十分で、十分な強度の向上が図れない。また、5質量%を越えると、チタン合金の延性を低下させる。アルミニウムを0.5〜3質量%とすると、安定した強度の向上を図る上で、より好ましい。なお、アルミニウムを錫と共に添加すると、チタン合金の靱性を低下させることなく、強度を向上させることができるため、より好ましい。   The titanium alloy preferably contains aluminum (Al). Specifically, it is more preferable that the aluminum content is 0.3 to 5 mass% when the whole is 100 mass%. Aluminum is an effective element for improving the strength of the titanium alloy. Accordingly, 0.3 to 5% by mass of aluminum may be contained in place of molybdenum or iron or together with these elements. If the aluminum content is less than 0.3% by mass, the solid solution strengthening effect is insufficient and sufficient strength cannot be improved. Moreover, when it exceeds 5 mass%, the ductility of a titanium alloy will be reduced. When aluminum is 0.5-3 mass%, when aiming at the improvement of the stable intensity | strength, it is more preferable. Note that it is more preferable to add aluminum together with tin because the strength can be improved without reducing the toughness of the titanium alloy.

チタン合金は、全体を100質量%とした場合に、0.08〜0.6質量%の酸素(O)を含むと、好適である。また、全体を100質量%とした場合に、0.05〜1.0質量%の炭素(C)を含むと、好適である。また、全体を100質量%とした場合に、0.05〜0.8質量%の窒素(N)を含むと、好適である。まとめると、全体を100質量%とした場合に、0.08〜0.6質量%の酸素(O)と0.05〜1.0質量%の炭素(C)と0.05〜0.8質量%の窒素(N)とからなる元素群中の1種類以上の元素を含むと、好適である。   It is preferable that the titanium alloy contains 0.08 to 0.6% by mass of oxygen (O) when the whole is 100% by mass. Moreover, when the whole is 100 mass%, it is suitable when 0.05-1.0 mass% carbon (C) is included. Moreover, when the whole is 100 mass%, it is suitable when 0.05-0.8 mass% nitrogen (N) is included. In summary, when the total is 100% by mass, 0.08 to 0.6% by mass of oxygen (O), 0.05 to 1.0% by mass of carbon (C), and 0.05 to 0.8%. It is preferable that one or more elements in the element group consisting of nitrogen (N) in mass% are included.

酸素、炭素および窒素は、いずれも侵入型の固溶強化元素であり、チタン合金のα相を安定にし、強度を向上させる上で有効な元素である。酸素が0.08質量%未満、炭素または窒素が0.05質量%未満では、チタン合金の強度向上が十分ではない。また、酸素が0.6質量%を超え、炭素が1.0質量%を超え、または窒素が0.8質量%を超えると、チタン合金の脆化を招き好ましくない。酸素を0.1質量%以上、さらには0.15〜0.45質量%とすると、チタン合金の強度と延性とのバランスにおいて、より好ましい。同様に、炭素を0.1〜0.8質量%、窒素を0.1〜0.6質量%とすると、その強度と延性とのバランスにおいて、より好ましい。   Oxygen, carbon, and nitrogen are all interstitial solid solution strengthening elements, and are effective elements for stabilizing the α phase of the titanium alloy and improving the strength. If oxygen is less than 0.08 mass% and carbon or nitrogen is less than 0.05 mass%, the strength of the titanium alloy is not sufficiently improved. Moreover, when oxygen exceeds 0.6 mass%, carbon exceeds 1.0 mass%, or nitrogen exceeds 0.8 mass%, the titanium alloy becomes brittle, which is not preferable. When oxygen is 0.1% by mass or more, further 0.15 to 0.45% by mass, it is more preferable in terms of the balance between the strength and ductility of the titanium alloy. Similarly, 0.1 to 0.8% by mass of carbon and 0.1 to 0.6% by mass of nitrogen are more preferable in terms of the balance between strength and ductility.

チタン合金は、全体を100質量%とした場合に、0.01〜1.0質量%のホウ素(B)を含むと、好適である。ホウ素は、チタン合金の機械的な材料特性と熱間加工性とを向上させる上で有効な元素である。ホウ素は、チタン合金に殆ど固溶せず、そのほぼ全量がチタン化合物粒子(TiB粒子等)として析出する。この析出粒子が、チタン合金の結晶粒成長を著しく抑制して、チタン合金の組織を微細に維持するからである。ホウ素が0.01質量%未満では、その効果が十分ではなく、1.0質量%を超えると、高剛性の析出粒子が増えることにより、チタン合金の全体的なヤング率の上昇と冷間加工性の低下を招いてしまうからである。   When the titanium alloy is 100% by mass as a whole, it is preferable that the titanium alloy contains 0.01 to 1.0% by mass of boron (B). Boron is an element effective in improving the mechanical material properties and hot workability of the titanium alloy. Boron hardly dissolves in the titanium alloy, and almost all of it precipitates as titanium compound particles (TiB particles or the like). This is because the precipitated particles remarkably suppress the crystal grain growth of the titanium alloy and keep the structure of the titanium alloy fine. If boron is less than 0.01% by mass, the effect is not sufficient. If it exceeds 1.0% by mass, the number of highly rigid precipitated particles increases, resulting in an increase in the overall Young's modulus of the titanium alloy and cold working. This is because it causes a decline in sex.

なお、0.01質量%のホウ素を添加した場合、TiB粒子で換算すると、0.055体積%となり、一方、1質量%のホウ素を添加した場合は、TiB粒子で換算すると、5.5体積%となる。従って、言換えると、チタン合金は、ホウ化チタン粒子が0.055体積%から5.5体積%の範囲にあると好ましい。ところで、上述の各組成元素は、所定の範囲内で、任意に組合わせることができる。具体的には、前記Zr、Hf、Sc、Cr、Mo、Mn、Fe、Co、Ni、Sn、Al、O、C、N、Bを、前記範囲内で、適宜選択的に組み合わせて、チタン合金とすることもできる。もっとも、このことは、チタン合金の趣旨を逸脱しない範囲内で、さらに別の元素を配合することを排除するものではない。   In addition, when 0.01 mass% boron is added, it becomes 0.055 volume% when converted in terms of TiB particles, whereas when 1 mass% boron is added, it is converted into 5.5 volumes when converted in terms of TiB particles. %. Therefore, in other words, the titanium alloy preferably has titanium boride particles in the range of 0.055 volume% to 5.5 volume%. By the way, the above-mentioned composition elements can be arbitrarily combined within a predetermined range. Specifically, the above-mentioned Zr, Hf, Sc, Cr, Mo, Mn, Fe, Co, Ni, Sn, Al, O, C, N, and B are appropriately and selectively combined within the above range, and titanium. It can also be an alloy. However, this does not exclude the addition of another element within a range not departing from the spirit of the titanium alloy.

冷間加工組織とは、チタン合金を冷間加工したときに得られる組織である。「冷間」とは、チタン合金の再結晶温度(再結晶を起す最低の温度)よりも十分低温であることを意味する。再結晶温度は、組成により変化するが、概ね600℃程度であり、チタン合金は、通常、常温〜300℃の範囲で冷間加工されると良い。   The cold work structure is a structure obtained when a titanium alloy is cold worked. “Cold” means that the temperature is sufficiently lower than the recrystallization temperature of the titanium alloy (the lowest temperature at which recrystallization occurs). Although the recrystallization temperature varies depending on the composition, it is about 600 ° C., and the titanium alloy is usually cold-worked in the range of room temperature to 300 ° C.

また、X%以上の冷間加工組織とは、次式により定義される冷間加工率がX%以上の場合にできる冷間加工組織をいう。   Moreover, the cold work structure | tissue of X% or more means the cold work structure | tissue produced when the cold work rate defined by following Formula is X% or more.

冷間加工率 X=(S0−S)/S0 ×100(%)
(S0:冷間加工前の断面積、S:冷間加工後の断面積)
Cold working rate X = (S 0 −S) / S 0 × 100 (%)
(S 0 : sectional area before cold working, S: sectional area after cold working)

このような冷間加工によってチタン合金内に加工歪みが付与される。この加工歪みが、原子レベルでのミクロ的な構造変化を構成組織内にもたらし、チタン合金のヤング率の低減に寄与すると考えられる。また、その冷間加工による原子レベルでのミクロ的な構造変化に伴う弾性歪みの蓄積が、チタン合金の強度の向上に寄与していると考えられる。   Such cold working imparts a working strain in the titanium alloy. This processing strain is considered to bring about a microscopic structural change at the atomic level in the structural structure and contribute to the reduction of the Young's modulus of the titanium alloy. In addition, it is considered that the accumulation of elastic strain accompanying the microscopic structural change at the atomic level due to the cold working contributes to the improvement of the strength of the titanium alloy.

具体的には、10%以上の冷間加工組織を有し、平均ヤング率が70GPa以下で引張弾性限強度が750MPa以上であると、好適である。冷間加工を付与することにより、チタン合金の低ヤング率化と高弾性変形能化と高強度化とをより進行させることができる。さらに、チタン合金は、50%以上の前記冷間加工組織を有し、平均ヤング率が65GPa以下で引張弾性限強度が800MPa以上であると、好適である。さらに、チタン合金が、70%以上の前記冷間加工組織を有し、平均ヤング率が60GPa以下で引張弾性限強度が850MPa以上であると、一層好適である。さらに、チタン合金は、90%以上の前記冷間加工組織を有し、平均ヤング率が55GPa以下で引張弾性限強度が900MPa以上であると、格別に好適である。   Specifically, it is preferable that it has a cold-worked structure of 10% or more, an average Young's modulus is 70 GPa or less, and a tensile elastic limit strength is 750 MPa or more. By imparting cold working, the lower Young's modulus, higher elastic deformability and higher strength of the titanium alloy can be further advanced. Further, the titanium alloy preferably has the cold-worked structure of 50% or more, an average Young's modulus of 65 GPa or less, and a tensile elastic limit strength of 800 MPa or more. Furthermore, it is more preferable that the titanium alloy has the cold-worked structure of 70% or more, the average Young's modulus is 60 GPa or less, and the tensile elastic limit strength is 850 MPa or more. Further, the titanium alloy is particularly suitable when it has the cold-worked structure of 90% or more, the average Young's modulus is 55 GPa or less, and the tensile elastic limit strength is 900 MPa or more.

チタン合金は、冷間加工率を99%以上とすることもでき、詳細は定かではないものの、従来のチタン合金とは明らかに異なるものである。従来の冷間加工性に優れるチタン合金(例えば、Ti−22V−4Al:通常DAT51等)と比較しても、チタン合金の冷間加工率は、まさに驚異的な値である。このように、チタン合金は、極めて冷間加工性に優れ、しかも冷間加工によりその材料物性や機械的特性が一層改善される傾向にあるため、低ヤング率で高弾性変形能および高強度が求められる、各種の冷間加工成形品に最適な材料である。   The titanium alloy can have a cold working rate of 99% or more, and although details are not clear, it is clearly different from conventional titanium alloys. Even when compared with a conventional titanium alloy excellent in cold workability (for example, Ti-22V-4Al: usually DAT51, etc.), the cold work rate of the titanium alloy is an astonishing value. In this way, titanium alloys are extremely excellent in cold workability, and the physical properties and mechanical properties of cold work tend to be further improved, so that high elastic deformability and high strength are achieved with a low Young's modulus. It is the optimum material for various cold-worked molded products that are required.

焼結合金は、原料粉末を焼結させて得られる合金である。チタン合金が焼結チタン合金である場合、低ヤング率、高弾性変形能、高強度および優れた冷間加工性を発揮する。例えば、その焼結チタン合金は、平均ヤング率が75GPa以下で引張弾性限強度が700MPa以上となり得る。さらに、焼結チタン合金は、その組織中の空孔量を調整して、ヤング率、強度、密度等を調整することができる。例えば、その焼結合金が30体積%以下の空孔を含むと、好適である。空孔を30体積%以下とすることにより、同一合金組成であっても、その平均ヤング率を大幅に低下させることが可能となるからである。   A sintered alloy is an alloy obtained by sintering raw material powder. When the titanium alloy is a sintered titanium alloy, it exhibits low Young's modulus, high elastic deformability, high strength, and excellent cold workability. For example, the sintered titanium alloy can have an average Young's modulus of 75 GPa or less and a tensile elastic limit strength of 700 MPa or more. Furthermore, the sintered titanium alloy can adjust the amount of pores in its structure to adjust the Young's modulus, strength, density, and the like. For example, it is preferable that the sintered alloy contains pores of 30% by volume or less. This is because by setting the pores to 30% by volume or less, the average Young's modulus can be significantly reduced even with the same alloy composition.

一方、その焼結合金は、熱間加工により空孔が5体積%以下に緻密化された組織であると、新たな特長が付与され、好適である。すなわち、焼結合金を熱間加工により緻密化すると、低ヤング率や、高弾性変形能、高強度に加え、チタン合金に優れた冷間加工性を持たせることができる。そして、空孔を1体積%以下に減少させると、より好適である。なお、熱間加工とは、再結晶温度以上での塑性加工を意味し、例えば、熱間鍛造、熱間圧延、熱間スエージ、HIP等がある。   On the other hand, if the sintered alloy has a structure in which pores are densified to 5% by volume or less by hot working, a new feature is imparted, which is preferable. That is, when the sintered alloy is densified by hot working, in addition to the low Young's modulus, high elastic deformability, and high strength, the titanium alloy can have excellent cold workability. And it is more suitable when a void | hole is reduced to 1 volume% or less. The hot working means plastic working at a recrystallization temperature or higher, and examples thereof include hot forging, hot rolling, hot swage, HIP, and the like.

また、空孔とは、焼結合金内に残留する空隙を意味し、相対密度で評価される。相対密度とは、真密度ρ0(残留空孔0%の場合)で焼結体の密度ρを割った値の百分率(ρ/ρ0 )×100(%)で表され、空孔の体積%は次式で表される。
空孔の体積%={1−(ρ/ρ0)}×100 (%)
例えば、金属粉末をCIP成形(冷間静水圧成形)する場合、その静水圧(例えば、2〜4ton/cm2)を調整することで容易に空孔の体積量を調整できる。空孔の大きさは、特に、限定されるものではないが、例えば、その平均径が50μm以下であると、焼結合金の均一性が保持され、強度低下も抑えられ、チタン合金は適度の延性をもつ。ここで、平均径とは、2次元画像処理で測定された空孔を断面積の等価な円に置換して算出した、その円の平均径を意味する。
Moreover, a void | hole means the space | gap which remains in a sintered alloy, and is evaluated by relative density. The relative density is expressed as a percentage (ρ / ρ 0 ) × 100 (%) of a value obtained by dividing the density ρ of the sintered body by the true density ρ 0 (in the case of 0% residual voids), and the volume of the voids. % Is expressed by the following equation.
Hole volume% = {1- (ρ / ρ 0 )} × 100 (%)
For example, when the metal powder is CIP-molded (cold isostatic pressing), the volume of pores can be easily adjusted by adjusting the hydrostatic pressure (for example, 2 to 4 ton / cm 2 ). The size of the pores is not particularly limited. For example, if the average diameter is 50 μm or less, the uniformity of the sintered alloy is maintained and the strength reduction is suppressed. Has ductility. Here, the average diameter means the average diameter of the circle calculated by replacing the holes measured by the two-dimensional image processing with a circle having an equivalent cross-sectional area.

焼結法の場合に必要となる原料粉末は、少なくともチタンとVa族元素とを含んでいる。もっとも、それらは多種多様な形態をとり得る。例えば、原料粉末が、さらに、Zr、Hf、Sc、Cr、Mo、Mn、Fe、Co、Ni、Sn、Al、O、C、N、Bを含んでも良い。具体的には、例えば、原料粉末が、全体を100質量%とした場合に、ジルコニウム(Zr)とハフニウム(Hf)とスカンジウム(Sc)とからなる金属元素群中の1種以上の元素を合計で20質量%以下含むと、好適である。   The raw material powder required for the sintering method contains at least titanium and a Va group element. However, they can take a wide variety of forms. For example, the raw material powder may further contain Zr, Hf, Sc, Cr, Mo, Mn, Fe, Co, Ni, Sn, Al, O, C, N, and B. Specifically, for example, when the raw material powder is 100% by mass as a whole, the total of one or more elements in the metal element group consisting of zirconium (Zr), hafnium (Hf), and scandium (Sc) is added. It is preferable that the content is 20% by mass or less.

そして、その製造方法は、チタンと、合計で20質量%以下のジルコニウム(Zr)とハフニウム(Hf)とスカンジウム(Sc)とからなる金属元素群中の1種以上の元素と、該金属元素群中の1種以上の元素との合計が30〜60質量%となるVa族(バナジウム族)元素とを含む少なくとも二種以上の原料粉末を混合する混合工程と、該混合工程により得られた混合粉末を所定形状の成形体に成形する成形工程と、該成形工程で得られた成形体を1200〜1400℃でかつ2〜16時間の条件下で加熱して焼結させる焼結工程と、からなると好適である。   The manufacturing method includes titanium, one or more elements in a metal element group composed of zirconium (Zr), hafnium (Hf), and scandium (Sc) in a total amount of 20% by mass or less, and the metal element group. A mixing step of mixing at least two kinds of raw material powders including a Va group (vanadium group) element whose total amount with one or more types of elements is 30 to 60% by mass, and mixing obtained by the mixing step A molding step of molding the powder into a molded body having a predetermined shape, and a sintering step of heating and sintering the molded body obtained in the molding step at 1200 to 1400 ° C. for 2 to 16 hours. This is preferable.

また、この製造方法は、チタンと、合計で20質量%以下のジルコニウム(Zr)とハフニウム(Hf)とスカンジウム(Sc)とからなる金属元素群中の1種以上の元素と、該金属元素群中の1種以上の元素との合計が30〜60質量%となるVa族(バナジウム族)元素とを少なくとも含む原料粉末を所定形状の容器に充填する充填工程と、該充填工程後に熱間静水圧法(HIP法)を用いて該容器中の該原料粉末を900〜1300℃かつ1〜10時間の条件下で焼結させる焼結工程とからなると、好適である。原料粉末が、さらに、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、モリブデン、鉄、錫、アルミニウム、酵素、炭素、窒素およびホウ素の少なくとも一種以上の元素を含むと、好適である。   In addition, this manufacturing method includes titanium, one or more elements in a metal element group composed of zirconium (Zr), hafnium (Hf), and scandium (Sc) in a total amount of 20% by mass or less, and the metal element group. A filling step of filling a container having a predetermined shape with a raw material powder containing at least a Va group (vanadium group) element with a total of 30 to 60% by mass of one or more elements therein, and a hot static after the filling step It is preferable to use a sintering process in which the raw material powder in the container is sintered under the conditions of 900 to 1300 ° C. and 1 to 10 hours using a hydraulic method (HIP method). It is preferable that the raw material powder further contains at least one element of chromium, manganese, cobalt, nickel, molybdenum, iron, tin, aluminum, enzyme, carbon, nitrogen and boron.

この製造方法が、混合工程を伴う場合には、原料粉末が、純金属粉末および/または合金粉末の2種以上からなると、好適である。具体的な使用粉末として、例えばスポンジ粉末、水素化脱水素粉末、水素化粉末、アトマイズ粉末などを使用できる。粉末の粒子形状や粒径(粒径分布)などは、特に限定されるものではなく、市販の粉末をそのまま用いることができる。もっとも、使用粉末は、コストや焼結体の緻密性の観点から、平均粒径が100μm以下であると、好ましい。さらに、粉末の粒径が45μm(#325)以下であれば、より緻密な焼結体を得やすい。   When this manufacturing method involves a mixing step, it is preferable that the raw material powder is composed of two or more of pure metal powder and / or alloy powder. Specific examples of usable powders include sponge powder, hydrodehydrogenated powder, hydrogenated powder, and atomized powder. The particle shape and particle size (particle size distribution) of the powder are not particularly limited, and commercially available powders can be used as they are. However, it is preferable that the used powder has an average particle size of 100 μm or less from the viewpoint of cost and compactness of the sintered body. Furthermore, if the particle size of the powder is 45 μm (# 325) or less, a denser sintered body can be easily obtained.

この製造方法が、HIP法を用いる場合には、原料粉末が、チタンと少なくともVa族元素とを含む合金粉末からなると、好適である。この合金粉末は、チタン合金の組成を備えた粉末であり、例えば、ガスアトマイズ法や、REP法(回転電極法)、PREP法(プラズマ回転電極法)、あるいは溶解法により製造されたインゴットを水素化した後粉砕する方法、さらにはMA法(機械的合金化法)等により、製造される。   When this manufacturing method uses the HIP method, it is preferable that the raw material powder is made of an alloy powder containing titanium and at least a Va group element. This alloy powder is a powder having a titanium alloy composition, for example, hydrogenating an ingot produced by a gas atomizing method, a REP method (rotating electrode method), a PREP method (plasma rotating electrode method), or a melting method. Then, it is manufactured by a method of pulverizing, further MA method (mechanical alloying method) or the like.

混合工程は、原料粉末を混合する工程である。それらの混合には、V型混合機、ボールミル及び振動ミル、高エネルギーボールミル(例えば、アトライター)等を使用できる。   A mixing process is a process of mixing raw material powder. A V-type mixer, a ball mill and a vibration mill, a high energy ball mill (for example, an attritor) or the like can be used for mixing them.

成形工程は、混合工程で得られた混合粉末を所定形状の成形体に成形する工程である。成形体の形状は、製品の最終的な形状でも良いし、焼結工程後にさらに加工を施す場合はビレット形状等でもよい。成形工程には、例えば、金型成形、CIP成形(冷間静水圧プレス成形)、RIP成形(ゴム静水圧プレス成形)等を用いることができる。   The molding step is a step of molding the mixed powder obtained in the mixing step into a molded body having a predetermined shape. The shape of the molded body may be the final shape of the product, or may be a billet shape when further processing is performed after the sintering process. In the molding step, for example, die molding, CIP molding (cold isostatic pressing), RIP molding (rubber isostatic pressing), or the like can be used.

充填工程は、チタンと少なくともVa族元素とを含む、前述の原料粉末を所定形状の容器に充填する工程であり、熱間静水圧法(HIP法)を用いるために必要となる。原料粉末を充填する容器の内側形状は、所望の製品形状に対応している。また、容器は、例えば、金属製でも、セラミック製でも、ガラス製でもよい。また、真空脱気して、原料粉末を容器に充填、封入するとよい。   The filling step is a step of filling the above-mentioned raw material powder containing titanium and at least a Va group element into a container having a predetermined shape, and is necessary for using a hot isostatic pressure method (HIP method). The inner shape of the container filled with the raw material powder corresponds to a desired product shape. The container may be made of metal, ceramic, or glass, for example. Further, it is preferable to vacuum degas and fill and enclose the raw material powder in a container.

焼結工程は、前記成形工程で得られた成形体を加熱して焼結させ焼結体を得る工程、または、前記充填工程後に熱間静水圧法(HIP)を用いて前記容器中の該粉末を加圧固化させる工程である。成形体を焼結させる場合は、真空又は不活性ガスの雰囲気でなされることが好ましい。また、焼結温度は、該合金の融点以下で、しかも成分元素が十分に拡散する温度域で行われることが好ましく、例えば、その温度範囲は1200℃〜1400℃である。また、その焼結時間は2〜16時間であることが好ましい。従って、チタン合金の緻密化と生産性の効率化を図る上で、1200℃〜1400℃かつ2〜16時間の条件で焼結工程を行うと良い。   The sintering step is a step of heating and sintering the molded body obtained in the molding step to obtain a sintered body, or a hot isostatic pressure method (HIP) after the filling step. This is a step of solidifying the powder under pressure. When sintering a molded object, it is preferable to make in the atmosphere of a vacuum or an inert gas. The sintering temperature is preferably not higher than the melting point of the alloy and in a temperature range where the component elements are sufficiently diffused. For example, the temperature range is 1200 ° C to 1400 ° C. The sintering time is preferably 2 to 16 hours. Therefore, in order to increase the density and productivity of the titanium alloy, the sintering process is preferably performed under conditions of 1200 ° C. to 1400 ° C. and 2 to 16 hours.

HIP法による場合、拡散が容易で粉末の変形抵抗が小さく、しかも、前記容器と反応しにくい温度領域で行われることが好ましい。例えば、その温度範囲は900℃〜1300℃である。また、成形圧力は、充填粉末が十分にクリープ変形できる圧力であることが好ましく、例えば、その圧力範囲は50〜200MPa(500〜2000気圧)である。HIPの処理時間は、粉末が十分にクリープ変形して緻密化し、かつ、合金成分が粉末間で拡散できる時間が好ましく、例えば、その時間は1時間〜10時間である。   In the case of the HIP method, it is preferable to carry out in a temperature range in which diffusion is easy, the deformation resistance of the powder is small, and the reaction with the container is difficult. For example, the temperature range is 900 ° C to 1300 ° C. Moreover, it is preferable that a shaping | molding pressure is a pressure which can fully carry out creep deformation of a filling powder, for example, the pressure range is 50-200 Mpa (500-2000 atmospheres). The HIP treatment time is preferably a time during which the powder is sufficiently creep deformed and densified, and the alloy component can diffuse between the powders. For example, the time is 1 hour to 10 hours.

熱間加工を行うことにより、焼結合金の空孔等を低減して組織を緻密化させることができる。従って、この製造方法は、さらに、前記焼結工程後に得られた焼結体を熱間加工して該焼結体の組織を緻密化させる熱間加工工程を有すると、好適である。この熱間加工は、概略的な製品の形状を形成するために行っても良い。   By performing hot working, the pores and the like of the sintered alloy can be reduced and the structure can be densified. Therefore, it is preferable that this manufacturing method further includes a hot working step in which the sintered body obtained after the sintering step is hot worked to densify the structure of the sintered body. This hot working may be performed to form a rough product shape.

この製造方法により得られたチタン合金は、冷間加工性に優れるため、得られた焼結体を冷間加工して種々の製品を製造することができる。従って、この製造方法は、さらに、前記焼結工程後に得られた焼結体を冷間加工して素材または製品に成形する冷間加工工程を有すると、好適である。そして、前記熱間加工により粗加工を行った後、冷間加工により仕上加工を行っても良い。   Since the titanium alloy obtained by this production method is excellent in cold workability, various products can be produced by cold working the obtained sintered body. Therefore, it is preferable that this manufacturing method further includes a cold working step in which the sintered body obtained after the sintering step is cold worked to form a material or a product. And after performing roughing by the said hot processing, you may finish by cold processing.

以上説明したチタン合金によって形成されたダイヤフラム1,1によれば、上記のようなチタン合金で形成されることにより、低ヤング率で高弾性変形能を有するものとなり、これによって、その大きさを極端に大きくすることなく所望の弾性変形を実現できる。したがって、このダイヤフラム1,1を用いて構成された定量ポンプ(往復動ポンプ)は、その大きさを可及的に小さく構成できるようになり、この点で特に有用なものになる。同様に、このダイヤフラム1,1を用いた機器を可及的に小型化できるようになる。   According to the diaphragms 1 and 1 formed of the titanium alloy described above, by being formed of the titanium alloy as described above, it has a low elastic modulus and a low Young's modulus. Desired elastic deformation can be realized without making it extremely large. Accordingly, the metering pump (reciprocating pump) configured using the diaphragms 1 and 1 can be configured to be as small as possible, and is particularly useful in this respect. Similarly, a device using the diaphragms 1 and 1 can be miniaturized as much as possible.

本発明の実施形態に係る定量ポンプ(往復動ポンプ)の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the metering pump (reciprocating pump) which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るダイヤフラムを示し、(a)は、その平面図、(b)は、その側面図である。The diaphragm which concerns on embodiment of this invention is shown, (a) is the top view, (b) is the side view. 本発明の実施形態に係るダイヤフラムの他の変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other modification of the diaphragm which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るダイヤフラムの他の変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other modification of the diaphragm which concerns on embodiment of this invention. ダイヤフラムに用いられるチタン合金の応力−伸び(歪み)線図を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the stress-elongation (distortion) diagram of the titanium alloy used for a diaphragm. 従来のチタン合金の応力−伸び(歪み)線図を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the stress-elongation (distortion) diagram of the conventional titanium alloy.

符号の説明Explanation of symbols

1…ダイヤフラム、1a…膜部、1b…厚肉部、2…ダイヤフラム駆動室、3…弁体、4…弁座、5…作動油制限室、6…弁体支持部、7…付勢手段、8…シャフト、9…シャフト支持部、10…流体搬送部、20…ガス排出機構、21…第1ガス排出経路、22…第2ガス排出経路、23…ボール体、24…連通部、25…流量調整部、26…規制部、27…調整バルブ、28…ボール体、29…保護カバー、31…作動油供給部、32…ポンプヘッド、33…流入側逆止弁、34…流出側逆止弁、35…作動油配管部、37…リリーフ機構、40…駆動力供給部、41…駆動力伝達軸、42…偏心カム、43…第1ピストン部、44…第2ピストン部、45…第1回動軸、46…第2回動軸、47…ベアリング、48…ベアリング、49…位置規制付勢手段、50…ケーシング、60…補助プランジャ機構、70…作動油供給弁   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Diaphragm, 1a ... Film | membrane part, 1b ... Thick part, 2 ... Diaphragm drive chamber, 3 ... Valve body, 4 ... Valve seat, 5 ... Hydraulic oil restriction chamber, 6 ... Valve body support part, 7 ... Energizing means , 8 ... shaft, 9 ... shaft support part, 10 ... fluid conveying part, 20 ... gas discharge mechanism, 21 ... first gas discharge path, 22 ... second gas discharge path, 23 ... ball body, 24 ... communication part, 25 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Flow adjustment part, 26 ... Restriction part, 27 ... Adjustment valve, 28 ... Ball body, 29 ... Protection cover, 31 ... Hydraulic oil supply part, 32 ... Pump head, 33 ... Inflow side check valve, 34 ... Outflow side reverse Stop valve, 35 ... hydraulic oil piping part, 37 ... relief mechanism, 40 ... driving force supply part, 41 ... driving force transmission shaft, 42 ... eccentric cam, 43 ... first piston part, 44 ... second piston part, 45 ... First rotating shaft, 46 ... second rotating shaft, 47 ... bearing, 48 ... bearing, 49 Position regulating biasing means, 50 ... casing, 60 ... auxiliary plunger mechanism, 70 ... hydraulic oil supply valve

Claims (5)

所定の弾性変形によって流体を搬送可能な定量ポンプ用ダイヤフラムであって、
30〜60質量%のVa族(バナジウム族)元素と、残部が実質的にチタンとからなり、
引張試験で真に永久歪みが0.2%に到達したときの応力として定義される引張弾性限強度が700MPa以上であり、加える応力が0から該引張弾性限強度までの範囲にある弾性変形域内で、該引張試験により得られた応力−歪み線図上の接線の傾きが応力の増加に伴って減少する特性を示し、
該応力−歪み線図上の接線の傾きから求まるヤング率の代表値として、該引張弾性限強度の1/2に相当する応力位置での接線の傾きから求めた平均ヤング率が75GPa以下である高弾性変形能を有するチタン合金により形成されることを特徴とする定量ポンプ用ダイヤフラム。
A diaphragm for a metering pump capable of conveying a fluid by a predetermined elastic deformation,
30 to 60% by mass of a Va group (vanadium group) element and the balance substantially consisting of titanium,
In the elastic deformation region, the tensile elastic limit strength defined as the stress when the permanent set reaches 0.2% in the tensile test is 700 MPa or more, and the applied stress is in the range from 0 to the tensile elastic limit strength. The slope of the tangent line on the stress-strain diagram obtained by the tensile test shows a characteristic that decreases as the stress increases,
As a representative value of the Young's modulus obtained from the slope of the tangent on the stress-strain diagram, the average Young's modulus obtained from the slope of the tangent at the stress position corresponding to 1/2 of the tensile elastic limit strength is 75 GPa or less. A diaphragm for a metering pump, characterized by being formed of a titanium alloy having high elastic deformability.
円形状に形成されるとともに、その厚さをtとし、その直径をDとしたとき、0.0003≦t/D≦0.02である請求項1に記載の定量ポンプ用ダイヤフラム。   The diaphragm for a metering pump according to claim 1, wherein the diaphragm is formed in a circular shape, and the thickness is t and the diameter is D, 0.0003 ≦ t / D ≦ 0.02. その外縁部の厚さがその中央部の厚さよりも厚くされている請求項1または2に記載の定量ポンプ用ダイヤフラム。   The diaphragm for metering pumps according to claim 1 or 2 whose thickness of the outer edge part is thicker than the thickness of the central part. その外縁部の厚さが、その中央部の厚さの3倍以上とされている請求項1〜3のいずれか1項に記載の定量ポンプ用ダイヤフラム。   The diaphragm for metering pumps according to any one of claims 1 to 3, wherein a thickness of the outer edge portion is three times or more of a thickness of the central portion. その外縁部が、前記チタン合金または金属チタンで円環状に構成されている請求項1〜4のいずれか1項に記載の定量ポンプ用ダイヤフラム。   The diaphragm for metering pumps according to any one of claims 1 to 4, wherein an outer edge portion of the titanium alloy or metal titanium is formed in an annular shape.
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