JP2639053C

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Publication number: JP2639053C
Authority: JP
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Publication date: 1999-06-28

Description

【発明の詳細な説明】【発明の属する技術分野】本発明は、チタンまたはチタン合金で製造した機械部品の表面硬化方法に関す
る。【従来の技術】たとえば内燃エンジンのバルブのフェースに対して耐摩耗性を与えるために、
従来から「ステライト」を代表とするＣｏ合金などの肉盛り溶接をして、これを
硬化させることが行なわれている。一方、最近ではエンジンの高性能化に伴って、バルブにもＴｉ合金を使用して
軽量化することが試みられている。ところが、ＴｉまたはＴｉ合金に対して常用
のＣｏ合金を肉盛りしてみても、母材と肉盛り金属層との界面から割れて剥離す
る傾向があり、耐久性や信頼性に欠けることがわかった。ＴｉおよびＴｉ合金の表面効果技術としては、窒化法がある。これは、Ｔｉま
たはびＴｉ合金の部品をＮ₂雰囲気中で高温に加熱し、表層にＴｉＮ相を形成さ
せて硬化をはかるものである。しかし、形成できる硬化層の厚さが数ミクロンと
薄く、それが摩滅あるいは剥離すると耐摩耗性が一挙に失われるのが、窒化法の難点である。そのほかの手法には、炭化物肉盛り法がある。これは、ＷＣ粉末を純Ｔｉの粉
末と併用して肉盛り硬化をはかる方法であるが、溶融池内でＷＣが重力偏析する
ために炭化物の分布が不均一になり、肝心の表層部においてあまり硬化が期待で
きない。【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ＴｉまたはＴｉ合金で製作した機械部品の表面に、十分な厚
さをもち密着性の高い肉盛り硬化層を形成し、それによって耐久性のよい耐摩耗
表面を得る表面硬化方法を提供することにある。【課題を解決するための手段】本発明のＴｉまたはＴｉ合金の表面硬化方法は、ＴｉまたはＴｉ合金からなる
母材の表面において、Ｃｒ₃Ｃ₂とＴｉまたはＴｉ合金との混合物からなる肉盛り
材を、母材と混合が生じるように溶融させて肉盛り硬化し、さらに再溶融させて
肉盛り層の硬さの分布を均一にすることからなる。本発明を適用できるＴｉ合金は、母材としては、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金に代
表されるような、Ｔｉを主成分としてそれに比較的少量の合金成分が添加したも
ののほか、金属間化合物ＴｉＡｌを主成分とするもののような、Ｔｉに対して比
較的多量の合金成分を添加したものを包含する。肉盛りに使用するＴｉまたはＴｉ合金は、母材と同種のものが好適であるが、
母材がＴｉ合金であっても純Ｔｉを使用してよいし、母材と異なるＴｉ合金でも
差し支えない。肉盛りに使用するＣｒ₃Ｃ₂とＴｉ（またはＴｉ合金）との混合物の組成は、Ｃ
ｒ₃Ｃ₂が１０〜７０％（重量）、代表的には３０〜６０％の範囲となるようにえ
らべばよい。粉末どうしを混合使用してもよいし、粉末混合物を適宜のバインダ
ーを用いて棒などに成形して使用してもよい。溶融は、肉盛り材と母材との混合が生じるように、十分な熱を供給して行なう
必要がある。それには、プラズマアーク溶接、ＴＩＧ溶接などの手段が適切であ
る。溶接の雰囲気は、Ａｒのような不活性ガスを使用すれば、作業が容易であるが、酸素および（または）窒素を溶融金属に固溶させて硬化する効果も狙って、Ｃ
Ｏ₂、Ｏ₂、Ｎ₂をコントロールされた量で含有する雰囲気を使用することも有利で
ある。いったん肉盛りを行ったのち再度の溶融をさせることにより、硬さの分布が均
一になる。【作用】ＴｉまたはＴｉ合金の表面にＣｏ合金の肉盛り溶接を行なったとき、肉盛り金
属層の密着がよくないのは、界面において金属間化合物のＴｉＣｏやＴｉ₂Ｃｏ
の層が生成するためであることがわかった。このような金属間化合物は、それ自
体が硬質であるが脆いため、肉盛り部と母材の界面に層状に生成すると、そこか
ら剥離しやすいわけである。本発明に従って、第１図に見るように、ＴｉまたはＴｉ合金の母材（１）にＣ
ｒ₃Ｃ₂とＴｉまたはＴｉ合金とが混在する肉盛り材（２）を溶接すると、Ｃｒ₃
Ｃ₂の融点（１８９５℃）はＴｉの融点（１６７０℃）に近いため、全体がいっ
たん溶融してほぼ均質になり、冷却され凝固する過程でチタンの炭化物ＴｉＣ（
４）が析出する。これが溶融金属中に微細に分布することにより、肉盛り層が硬
化する。溶融金属（３）は、Ｔｉ成分が存在するから、単にＣｏ合金を溶接した
場合よりも、母材となじみやすい。しかもこの溶接は、母材と肉盛り材との混合
が生じるように行なうのであるから、溶融金属の母材に近い部分ほどＴｉ成分の
含有量が高い。これを模式的に示せば、第２図のグラフのようになる。すなわち、肉盛り材と
してステライトを使用した従来の肉盛り溶接によるときは、表面から内部へ向か
う硬さの分布が、細線で示すように、表層からある深さまでステライト自体の硬
さを保ち、そこで急激に高まったあと、一挙に母材の硬さまで低くなる。この急
激な硬さの高まりは、前記した金属間化合物ＴｉＣｏあるいはＴｉ₂Ｃｏの生成
に起因するものである。これに対し、本発明に従って、Ｃｒ₃Ｃ₂とＴｉ（またはＴｉ合金）とを混合し
て使用した場合には、第２図に太線で示すように、かなりの厚さにわたってその
硬さを保ったのち、溶融部分から母材に向かって連続的に低下する分布をみせる。肉盛り金属層と母材との間に脆い層ができないから、剥離の心配はない。容易に理解されるように、Ｃｒ₃Ｃ₂の使用割合を高くすれば、ある程度までは
炭化物の生成量が多くなって、肉盛り硬化層の対摩耗性は高くなり、一方、Ｔｉ
またはＴｉ合金の割合を高くすれば、母材との密着性はいっそう良好になる。溶融金属層（３）の厚さは、肉盛り材（２）の使用量と溶接部に与える熱量と
を調節することにより、かなり広い範囲で変更でき、所望により相当厚くするこ
とができる。従って、肉盛り溶接後に表面を研磨して、たとえば第１図に破線で
示した位置まで削り取ったとしても、なお十分な硬化層を残すことができる。【実施例１】Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金平板を母材として使用し、Ｃｒ₃Ｃ₂粉末と、上と同じ
Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の粉末を下記の割合で混合したものを、それぞれ併記し
た雰囲気で、プラズマアーク法（電流１００Ａ）により肉盛り溶接した。場合により、プラズマアーク単独の加熱による溶接金属の再溶融を行なった。肉盛り部分の厚さは約１．５ｍｍであった。母材と肉盛り層の界面の付近にお
いて、肉盛り硬化層の表面に至るまでの硬さの分布をしらべた。その結果をＮｏ．１〜５については第３図に、Ｎｏ．６〜９については第４図
に、それぞれ示す。第３図のＮｏ．２とＮｏ．１，３〜５との比較、そして第４図のＮｏ．６とＮｏ．７との比較から、再溶融による硬さの均一化効果が明らかであり、また第３
図と第４図との比較から、肉盛り溶接時の雰囲気のコントロールが有意義なこと
がわかる。【実施例２】母材として、純Ｔｉの平板を使用し、Ｃｒ₃Ｃ₂粉末と純Ｔｉの粉末とを前者が
５０重量％となるように混合した肉盛り材を用い、実施例１と同じ条件で肉盛り
硬化を行なった。また、一部分は再溶融処理を施した。それぞれの硬さの分布をしらべて、第５図に示す結果を得た。【参考例】Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金で製作したエンジンバルブフェースに、Ｃｒ₃Ｃ₂粉末
を３５重量％含み、残部が同じくＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の粉末である肉盛り材
を、プラズマアーク法（電流９８Ａ，Ａｒ雰囲気中）により肉盛り溶接した。フェースを研削仕上げしたのち、硬化層と母材にまたがる部分の硬さをしらべ
た。その結果を第６図に示す。【発明の効果】本発明の方法により肉盛り硬化を行なえば、ＴｉまたはＴｉ合金の母材の表面
に、十分な厚さの硬化層を、高い密着性をもって設けることができる。従って、本発明の表面硬化法は、内燃エンジンのバルブ、ロッカーアーム、コ
ンロッドあるいはピストンピンをはじめとする、軽量でしかも耐摩耗性をもつこ
とを要求される部品の製造にとって有用である。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for hardening a surface of a mechanical part manufactured from titanium or a titanium alloy. 2. Description of the Related Art In order to provide wear resistance to the face of a valve of an internal combustion engine, for example,
Conventionally, overlay welding of a Co alloy or the like typified by “Stellite” and hardening the same has been performed. On the other hand, recently, as the engine performance has been improved, attempts have been made to reduce the weight of the valve by using a Ti alloy. However, even if a common Co alloy is overlaid on Ti or a Ti alloy, the alloy tends to be cracked and peeled off from the interface between the base metal and the overlaid metal layer, and lacks durability and reliability. Was. As a surface effect technology of Ti and a Ti alloy, there is a nitriding method. In this method, a Ti or Ti alloy component is heated to a high temperature in an N ₂ atmosphere to form a TiN phase on a surface layer and cure the Ti or Ti alloy. However, the difficulty of the nitriding method is that the thickness of the hardened layer that can be formed is as thin as several microns, and when it is worn or peeled, the wear resistance is lost at once. Another technique is the carbide overlay method. In this method, WC powder is used together with pure Ti powder for hardening, but the distribution of carbides becomes uneven due to gravitational segregation of WC in the molten pool, and hardening hardly occurs at the surface layer of the core. Can not expect. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to form a build-up hardened layer having a sufficient thickness and high adhesion on the surface of a mechanical part made of Ti or a Ti alloy, thereby improving durability. It is an object of the present invention to provide a surface hardening method for obtaining a good wear-resistant surface. Means for Solving the Problems The surface hardening method of Ti or Ti alloy according to the present invention is characterized in that the surface of a base material made of Ti or Ti alloy is overlaid with a mixture of Cr ₃ C ₂ and Ti or Ti alloy. The material is melted so as to be mixed with the base material, and is hardened and then re-melted to make the hardness distribution of the hardened layer uniform. The Ti alloy to which the present invention can be applied includes, as a base material, an alloy containing Ti as a main component and a relatively small amount of an alloy component added thereto, such as a Ti-6Al-4V alloy, and an intermetallic compound TiAl. Includes those in which a relatively large amount of an alloy component is added to Ti, such as the main component. Ti or Ti alloy used for overlaying is preferably the same type as the base material,
Even if the base material is a Ti alloy, pure Ti may be used, or a Ti alloy different from the base material may be used. The composition of the mixture of Cr ₃ C ₂ and Ti (or Ti alloy) used for overlaying is C
r ₃ C ₂ should be selected so as to be in the range of 10 to 70% (weight), typically 30 to 60%. Powders may be mixed and used, or the powder mixture may be molded into a rod or the like using an appropriate binder and used. It is necessary to perform melting by supplying sufficient heat so that mixing between the overlay and the base material occurs. For this purpose, means such as plasma arc welding and TIG welding are suitable. As for the atmosphere of welding, if an inert gas such as Ar is used, the work is easy, but the effect of solidifying oxygen and / or nitrogen in the molten metal to harden it is also intended.
It is also advantageous to use an atmosphere containing controlled amounts of O ₂ , O ₂ and N ₂ . Once the build-up is performed and the melting is performed again, the hardness distribution becomes uniform. When the surface of Ti or a Ti alloy is overlaid with a Co alloy by welding, the poor adhesion of the overlaid metal layer is caused by the intermetallic compound TiCo or Ti ₂ Co at the interface.
It was found that this was due to the formation of a layer. Such an intermetallic compound itself is hard but brittle, so if it is formed in a layer at the interface between the build-up portion and the base material, it is easily peeled off therefrom. According to the present invention, as shown in FIG. 1, the base material (1) of Ti or Ti alloy has C
When welding the cladding material (2) in which r ₃ C ₂ and Ti or Ti alloy are mixed, Cr ₃
Since the melting point of C ₂ (1895 ° C.) is close to the melting point of Ti (1670 ° C.), the whole melts once and becomes almost homogeneous, and in the process of cooling and solidifying, the titanium carbide TiC (
4) precipitates. This is finely distributed in the molten metal, so that the build-up layer is hardened. Since the molten metal (3) has a Ti component, the molten metal (3) is more easily compatible with the base material than when a Co alloy is simply welded. In addition, since the welding is performed so that the base material and the build-up material are mixed, the portion of the molten metal closer to the base material of the molten metal has a higher content of the Ti component. This is schematically shown in the graph of FIG. In other words, when using conventional build-up welding using stellite as a build-up material, the distribution of hardness from the surface to the inside, as shown by the thin line, maintains the hardness of the stellite itself from the surface to a certain depth, where After a sudden increase, the hardness of the base material drops to a single value. This rapid increase in hardness is due to the formation of the above-mentioned intermetallic compound TiCo or Ti ₂ Co. On the other hand, when Cr ₃ C ₂ and Ti (or Ti alloy) are mixed and used according to the present invention, their hardness is maintained over a considerable thickness as shown by the thick line in FIG. After that, the distribution shows a continuous decrease from the molten portion toward the base material. Since there is no brittle layer between the build-up metal layer and the base material, there is no fear of peeling. As will be easily understood, if the use ratio of Cr ₃ C ₂ is increased, the amount of carbide generated is increased to some extent, and the wear resistance of the build-up hardened layer is increased, while Ti is increased.
Alternatively, if the proportion of the Ti alloy is increased, the adhesion to the base material is further improved. The thickness of the molten metal layer (3) can be varied in a fairly wide range by adjusting the amount of the overlay (2) used and the amount of heat applied to the weld, and can be made considerably thicker if desired. Therefore, even if the surface is polished after the build-up welding and is scraped off, for example, to the position shown by the broken line in FIG. 1, a sufficient hardened layer can still be left. Example 1 Using a Ti-6Al-4V alloy flat plate as a base material, a mixture of Cr ₃ C ₂ powder and the same powder of the above Ti-6Al-4V alloy at the following ratios was also described. In the atmosphere, overlay welding was performed by a plasma arc method (current 100A). In some cases, the weld metal was re-melted by heating the plasma arc alone. The thickness of the built-up portion was about 1.5 mm. In the vicinity of the interface between the base material and the overlay, the distribution of hardness up to the surface of the hardened overlay was examined. The result was No. No. 1 to 5 are shown in FIG. 6 to 9 are shown in FIG. No. 3 in FIG. 2 and No. 1, 3 to 5, and No. 1 in FIG. 6 and No. From the comparison with No. 7, the effect of homogenizing the hardness by remelting is clear, and
It can be seen from the comparison between FIG. 4 and FIG. 4 that the control of the atmosphere during the overlay welding is significant. Example 2 As a base material, a pure Ti flat plate was used, and a cladding material in which a Cr ₃ C ₂ powder and a pure Ti powder were mixed so that the former was 50% by weight was used. Overlay hardening was performed under the same conditions. In addition, a part was subjected to a remelting treatment. By examining each hardness distribution, the results shown in FIG. 5 were obtained. The engine valve face fabricated in Reference Example] Ti-6Al-4V alloy, Cr ₃ C ₂ powder containing 35 wt% of the padding material is a powder of balance also Ti-6Al-4V alloy, a plasma arc method (Current 98A, in an Ar atmosphere). After the face was ground and finished, the hardness of the part straddling the hardened layer and the base material was examined. The results are shown in FIG. According to the method of the present invention, a hardened layer having a sufficient thickness can be provided with high adhesion on the surface of a base material of Ti or a Ti alloy by performing the overlay hardening. Therefore, the surface hardening method of the present invention is useful for the production of parts that are required to be lightweight and wear-resistant, such as valves, rocker arms, connecting rods or piston pins of internal combustion engines.

【図面の簡単な説明】第１図は、本発明の方法により表面硬化を行なっているところを示す、母材と
肉盛り溶接金属との断面図である。第２図は、表面硬化材料による硬さのちがいを模式的にあらわしたグラフであ
る。第３図、第４図、第５図および第６図は、いずれも本発明の実施例において得
た、肉盛り硬化層の付近の硬さの分布を示すグラフである。１…母材２…肉盛り材３…溶接金属BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a cross-sectional view of a base metal and a build-up weld metal showing a case where surface hardening is performed by the method of the present invention. FIG. 2 is a graph schematically showing a difference in hardness due to a surface hardening material. FIGS. 3, 4, 5, and 6 are all graphs showing the distribution of hardness in the vicinity of the build-up hardened layer obtained in the example of the present invention. 1: Base metal 2: Overlay material 3: Weld metal

Claims

Claims: 1. A cladding material made of a mixture of Cr ₃ C ₂ and Ti or Ti alloy is mixed with a base material on a surface of a base material made of Ti or Ti alloy. A surface hardening method for titanium or a titanium alloy, comprising melting and building up and hardening, and further remelting to make the hardness distribution of the building up layer uniform. 2. The surface hardening method according to claim 1, wherein the hardening is performed in an atmosphere containing oxygen and / or nitrogen, and hardening by solid solution of these gas components is also performed. 3. The surface hardening method according to claim 1, which is applied to a valve face made of a Ti alloy.