JP2572777C - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、軽量・高強度・高耐食性といった特性を有するＴｉまたはＴｉ合金
に、更に耐摩耗性および耐熱性を与え、耐熱・耐摩耗性材料としても適用できる
様にしたＴｉＣ粒子分散強化型鋳造チタン基合金に関するものである。 ［従来の技術］ 耐摩耗性の要求される金属材料としては従来より主に軸受鋼（ＳＵＪ−２）等
の鋼材が汎用されていたが、耐摩耗性に対する要求度合いが厳しくなってくるに
つれて高速度鋼・超硬合金、サーメット等が使用される様になり、最近ではセラ
ミックスの利用も検討されている。しかしながらこれらの耐摩耗性材料には夫々
次の様な欠点がある。 即ち鋼材は比重が大きいため、回転もしくは往復運動をする耐摩耗性部品とし
て使用した場合は運動機構への負担が大きく、エネルギーロスが増大するという
難点があり、たとえばエンジン部品（インテークバルブ、バルブロッカー、コン
ロッド、バルブリテーナー、ロッカーアーム等）等に使用すると燃費がかさむ。
また高速度鋼や超硬合金は更に比重が大きいため、上記の欠点は一段とクローズ
アップされてくる。これに対しセラミックスは軽量であり、鋼材等に見られる上
記の様な問題は生じないが、製法が複雑であるばかりでなく延性や靭性が極端に
低いので衝撃破壊等に対する信頼性が乏しく、機械部品としての総合的品質を満
たすものとは言い難い。 この様な欠点を解消するための新しい耐摩耗性素材として、様々の粒子分散型
合金が開発され注目を集めている。即ち粒子分散型合金とは、耐熱・耐摩耗性に 富む炭化物、ほう化物、珪化物、窒化物、酸化物等の化合物と高靭性の金属とを
複合したものであり、複合方法としては粉末同士を混合し、プレス成形後焼結す
る粉末冶金法が最も一般的であり、その他溶湯混合法、内部酸化法、表面酸化法
等が知られている。 ［発明が解決しようとする問題点］ ところが上記の様な粒子分散型合金にはその製法を含めて次の様な欠点がある
。 分散粒子とマトリックス金属との均一混合が難しく、均質性に問題がある。 焼結乃至熱間押出加工と複合工程を組合わさなければ分散粒子による強化効
果は得られ難く、生産性が低い。 分散粒子とマトリックスは共存状態で熱力学的に不安定な状態にあることが
多く、後工程の加熱処理あるいは高温条件での使用時に分散粒子（化合物）やマ
トリックス（金属）が熱力学的に安定な方向に変化（固溶、再結晶化、拡散、変
態等）することがあり、複合材自体の変質を招き易い。 他方チタンおよびチタン合金は軽量で耐食性に優れ且つ高強度であるといった
特徴を有しているところから、航空機等の飛翔体用構造材料等として活用されて
いるが、耐摩耗性に劣るためそのままでは摩擦を受ける摺動部に適用することは
できない。従って摩擦を受ける部分に適用する場合は窒化、溶射等の表面硬化処
理を施す方法が採用されているが、これらの表面硬化処理法では満足のいく様な
耐摩耗性を得ることはできない。 本発明はこの様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、チタン
およびチタン合金の有する軽量性、高耐食性、高強度を維持しつつ、その欠点で
ある耐摩耗性と耐熱性を、前記粒子分散型合金に対して指摘した様な問題を生じ
ることなく分散粒子との複合化によって改善し、軽量性、耐食性、強度、耐熱性
、耐摩耗性等を満足し得る様な材料を提供しようとするものである。 ［問題点を解決するための手段］ 上記の目的を達成することのできた本発明に係る粒子分散強化型鋳造チタン基
合金の構成は、1.8〜１８重量％のＣを含み、チタンまたはチタン合金マトリッ
クス中にＴｉＣ粒子が均一に分散晶出したものであるところに要旨を有するもの である。 ［作用］ 従来の粒子分散型金属もしくは合金に見られる欠点は、前述の如く分散粒子（
化合物）とマトリックスが共存状態で熱力学的に不安定な状態にあり、後工程で
の加熱あるいは高温条件下での使用等に際し、化合物またはマトリックスが熱力
学的に安定な方向に変化し、複合素材としての性質が変わることである。従って
この様な欠点を改善するためには、金属もしくは合金からなるマトリックスと化
合物を共存状態で安定な状態、即ち熱力学的平衡状態に維持する必要がある。 そのための１つの考え方として、たとえば合金の平衡状態図において液相と化
合物（炭化物、窒化物、酸化物、金属間化合物）が共存し得る組成のものを対象
とし、マトリックスと共に化合物が完全に液相となる温度域に加熱保持した後、
この溶融物を冷却して固体にする鋳造法が考えられる。即ち溶融混合物を冷却凝
固していく過程で、液相と化合物固相との共存域における液相が凝固して固相に
なると、このとき変態が起こり、合金の固体単相もしくはこれと化合物（この化
合物は液相と共存していた化合物とは異なることもある）との混合固相になる場
合もあるが、いずれにせよ、この固相は合金マトリックスに化合物が分散した粒
子分散型鋳造合金となり、化合物としての含有量を適正に調整すれば、従来の粒
子分散型合金と同様の組成のものが得られるはずである。しかもこの方法を採用
すれば、鋳造工程で液相から徐々に固相が晶出して最終的に全体が凝固するもの
であるから、マトリックスと晶出粒子（化合物）とは熱力学的に安定な状態にあ
り、界面での変態等は起こり難いと考えられる。 他方、チタンやチタン合金にみられる耐摩耗性不足の改善策としては、硬質粒
状物の分散強化が考えられる。これは鋼材における耐摩耗性向上のメカニズムか
ら導かれるものであり、鋼はマトリックス（フェライトやマルテンサイト）中に
硬質の炭化物（セメンタイトや合金炭化物）が分散した複合組織であり、炭化物
の共存によって耐摩耗性は著しく高められている。 従ってチタンやチタン合金についても、耐摩耗性鋼材の場合と同様マトリック
ス中に超硬質の炭化物粒子が分散した複合組織とすることができれば、耐摩耗性
を大幅に改善し得るものと考えられる。この場合、共存する炭化物とチタンまた はチタン合金とが熱力学的平衡状態にある複合組織であれば、前述の様な粒子分
散型複合合金に見られる熱力学的不安定性に起因する変態等の問題も起こらない
はずである。 こうした観点に立ってＴｉ−Ｃよりなる２元合金平衡状態図を基に検討すると
、熱力学的に安定に共存し得る硬質の炭化物はＴｉＣであり、該ＴｉＣ粒子の分
散による耐摩耗性改善効果は、チタンマトリックスのみならず、チタンと共に種
々の合金元素を含むα合金、α＋β合金あるいはβ合金よりなるマトリックスと
の共存系においても同様に発揮される。 今、純チタンにａ重量％の炭素を添加した液相共存系より、ＴｉＣ平衡状態図
に基づいてＴｉＣが晶出する場合を考えると、添加した炭素のすべてがチタンと
反応してＴｉＣに変化すると仮定すると、凝固した複合組織中に占めるＴｉＣの
体積率（Ｖ_f）は、下記の概算式によって表わすことができる。 この関係を図示すると第１図の通りであって、ＴｉＣ体積率（Ｖ_f）は炭素の
添加量と直線関係にあり、炭素の添加量によってＴｉＣの体積率を任意に調整し
得ることが分かる。こうした傾向は、様々のチタン合金に炭素を添加してＴｉＣ
を生成させる場合にも基本的には変わらない。 この様にしてチタンまたはチタン合金マトリックス中にＴｉＣを生成・分散さ
せると、ＴｉＣが超高硬度（Ｈ_v：3000程度）粒子であるため複合則によって複
合材全体が著しく硬質化し、耐摩耗性の卓越したものとなる。但し実験によれば
ＴｉＣの体積率が約１０％未満では硬質粒子の絶対量が不足するため満足のいく
耐摩耗性向上効果が得られず、一方ＴｉＣの体積率が約９０％を超えると複合材
の靭性が劣悪となって割れ等の欠損を生じ易くなる。 この様なところから、ＴｉＣの体積率は約１０〜９０％となる様に炭素の添加
量を調整すべきであり、第１図に示したＴｉＣ体積率と炭素量の関係から、目的
にかなう耐摩耗性を確保するために必要な炭素量は1.8〜１８重量％という範囲
が導かれる。 ［実施例］ 実施例１ Ｃ：０〜18.5重量％を含み残部がＴｉおよび不可避不純物からなる２００ｇの
鋳塊（幅４０×長さ８０×厚さ１５mm）をタングステンアーク溶解法によって溶
製した。この鋳塊を使用し、（Ｉ）鋳塊のまま、および（II）１１５０℃に加熱
した後５０％の熱間圧延を与え更に７５０℃で焼鈍したもの、について、光学顕
微鏡によるＴｉＣ体積率の測定（画像解析装置使用）、ビッカース硬度測定及び
ＳＵＳ３０４を相手材とする摩耗試験（大越式摩耗試験機を使用し、距離３００
ｍ移動させたときの単位面積当たりの摩耗量で評価）を行なった。 結果は第１表に示す通りであり、炭素の添加量が増加するにつれてＴｉＣ体積
率はほぼ比例的に増大し、それに伴なって複合材の硬度は高まると共に耐摩耗性
は向上している。但し炭素量が１８重量％を超えると、ＴｉＣ体積率が９０％を
超えて耐衝撃強度に悪影響が表われてくる。 実施例２ 純チタンに代えてＴｉ−６Ａ１−４Ｖ合金を使用した他は実施例１と同様にし
て炭素量の異なる数種のチタン合金鋳塊を製造し、鋳造まま材および熱延・焼鈍
材について同様の試験を行なった。 結果は第２表に示す通りであり、第１表に示した純チタンを対象とする実験結
果とほぼ同様の傾向が得られている。尚第２図は、６重量％の炭素を加えたＴｉ
−６Ａ１−４Ｖ合金（鋳造まま材）の金属組織を示す図面代用光学顕微鏡写真で
あり、粒状のＴｉＣが均一に分散した複合組織となっていることが分かる。 ［発明の効果］ 本発明は以上の様に構成されており、その効果を要約すると次の通りである。 (1) チタンまたはチタン合金の有する軽量性、高耐食性、高強度特性を維持し
つつ耐摩耗性を著しく高めることができ、軽量で運動機構への負担の少ない回転
もしくは往復運動部材として有利に活用することができる。 (2) 耐摩耗性向上の為のＴｉＣ粒子は、溶融状態のチタンまたはチタン合金中
に含まれる炭素と結合してマトリックス中に晶出したものであり、ＴｉＣとマト
リックスは共存状態で熱力学的に安定であるから、従来の粒子分散型合金の様に
高温使用時に固溶、再析出、拡散、変態等を起こして変質する様な恐れがない。

【図面の簡単な説明】 第１図はチタン中の炭素の添加量とＴｉＣ体積率の関係を示すグラフ、第２図
は本発明に係るＴｉＣ粒子分散強化型チタン基合金の金属組織を示す図面代用光
学顕微鏡写真である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1.8〜１８重量％のＣを含み、チタンまたはチタン合金マトリックス中にＴｉ
   Ｃ粒子が均一に分散晶出したものであることを特徴とするＴｉＣ粒子分散強化型
   鋳造チタン基合金。