JP2964794B2 - チタンまたはチタン合金製部材の製造方法 - Google Patents
チタンまたはチタン合金製部材の製造方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、チタンまたはチタン合
金を用いて鋳造体を成形した後、この鋳造体内部の引け
巣を消失させ、かつ鋳造体表面を硬化処理することによ
り、強度に優れた成形品を得る製造方法に関する。
金を用いて鋳造体を成形した後、この鋳造体内部の引け
巣を消失させ、かつ鋳造体表面を硬化処理することによ
り、強度に優れた成形品を得る製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、自動車エンジン用の動弁系部品な
どをチタンまたはチタン合金により成形し、軽量化を図
る試みが盛んに行われている。この種のチタン（合金）
製部品は、通常、鋳型内に溶湯を注入する鋳造法により
成形されるが、溶湯の冷却過程や凝固過程において、鋳
造体の内部に引け巣が生じ、強度が低下することは避け
がたい。このため、得られた鋳造体を熱間静水圧プレス
（以下、ＨＩＰと略称）し、内部の引け巣を消失させる
などの方法が採られている。
どをチタンまたはチタン合金により成形し、軽量化を図
る試みが盛んに行われている。この種のチタン（合金）
製部品は、通常、鋳型内に溶湯を注入する鋳造法により
成形されるが、溶湯の冷却過程や凝固過程において、鋳
造体の内部に引け巣が生じ、強度が低下することは避け
がたい。このため、得られた鋳造体を熱間静水圧プレス
（以下、ＨＩＰと略称）し、内部の引け巣を消失させる
などの方法が採られている。
【０００３】ところで、鋳造体内の引け巣には、鋳造体
の表面に開口するものもあるから、そのままでＨＩＰ処
理することは不可能である。また、チタン（合金）その
ものは、耐食性や耐摩耗性が良好ではないため、前記動
弁系部品などとして使用する場合には、何らかの表面硬
化処理を行う必要があった。
の表面に開口するものもあるから、そのままでＨＩＰ処
理することは不可能である。また、チタン（合金）その
ものは、耐食性や耐摩耗性が良好ではないため、前記動
弁系部品などとして使用する場合には、何らかの表面硬
化処理を行う必要があった。
【０００４】これらの条件を満たすため、従来は次のよ
うな製造方法が採られていた。 鋳造法により鋳造体を成形する。 鋳造体を金属缶内に封入（キャニング）する、ある
いは鋳造体の表面に同種材のＴｉ，Ｔｉ合金等の金属を
溶射することにより、鋳造体表面に開口する引け巣を塞
ぐ。なお、溶射層は多孔質になるため、膜厚を稼ぐ必要
がある。 鋳造体にＨＩＰ処理を施す。 プレス後の鋳造体から金属缶または溶射層を除去す
る。 鋳造体の表面に窒化層を形成するか、耐摩耗性の高
い合金を盛金するなどの方法により表面硬化処理を施
す。
うな製造方法が採られていた。 鋳造法により鋳造体を成形する。 鋳造体を金属缶内に封入（キャニング）する、ある
いは鋳造体の表面に同種材のＴｉ，Ｔｉ合金等の金属を
溶射することにより、鋳造体表面に開口する引け巣を塞
ぐ。なお、溶射層は多孔質になるため、膜厚を稼ぐ必要
がある。 鋳造体にＨＩＰ処理を施す。 プレス後の鋳造体から金属缶または溶射層を除去す
る。 鋳造体の表面に窒化層を形成するか、耐摩耗性の高
い合金を盛金するなどの方法により表面硬化処理を施
す。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記窒
化による表面硬化法では、チタン（合金）のごく表層部
(例えば表面から数μｍ程度)を硬化できるに留まり、自
動車エンジン用の動弁系部品などとしては耐摩耗性が不
足する。また盛金による表面硬化法では、チタンの特性
上、盛金される金属との接合性が高めにくいため、強度
的に不安があるという問題があった。
化による表面硬化法では、チタン（合金）のごく表層部
(例えば表面から数μｍ程度)を硬化できるに留まり、自
動車エンジン用の動弁系部品などとしては耐摩耗性が不
足する。また盛金による表面硬化法では、チタンの特性
上、盛金される金属との接合性が高めにくいため、強度
的に不安があるという問題があった。
【０００６】さらに、前記従来の製造方法では、ＨＩＰ
工程と、表面硬化処理工程とを別に設けているため、全
体の工程数が多く、生産性が低いという欠点があった。
工程と、表面硬化処理工程とを別に設けているため、全
体の工程数が多く、生産性が低いという欠点があった。
【０００７】なお、上記以外のチタン（合金）材の表面
硬化法としては、特開昭５０−２８４４３号公報で提案
されているように、チタン（合金）にＮｉ，Ｃｏ等の金
属またはこれらの合金を被覆した後、ガス窒化処理して
硬化処理する方法も知られている。しかし、この方法で
得られる硬化層の厚さは、数十μｍ程度と薄く、やはり
満足のいく強度は得られ難かった。
硬化法としては、特開昭５０−２８４４３号公報で提案
されているように、チタン（合金）にＮｉ，Ｃｏ等の金
属またはこれらの合金を被覆した後、ガス窒化処理して
硬化処理する方法も知られている。しかし、この方法で
得られる硬化層の厚さは、数十μｍ程度と薄く、やはり
満足のいく強度は得られ難かった。
【０００８】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、鋳造体内部の引け巣を消失させるとともに鋳造体表
面を硬化処理することができ、しかも得られる表面硬化
層の強度が高い、チタンまたはチタン合金製部材の製造
方法を提供することを課題としている。
で、鋳造体内部の引け巣を消失させるとともに鋳造体表
面を硬化処理することができ、しかも得られる表面硬化
層の強度が高い、チタンまたはチタン合金製部材の製造
方法を提供することを課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】次に、本発明に係るチタ
ンまたはチタン合金製部材の製造方法を工程順に、具体
的に説明する。
ンまたはチタン合金製部材の製造方法を工程順に、具体
的に説明する。
【００１０】（鋳造工程）本発明の方法では、まず、チ
タンまたはチタン合金の溶湯を鋳型内に注入し、鋳造体
を成形する。前記チタン合金としては、Ｔｉ−６Ａｌ−
４Ｖ合金、Ｔｉ−１３Ｖ−１１Ｃｒ−３Ａｌ合金、Ｔｉ
−５Ａｌ−２Ｃｒ−Ｆｅ合金、Ｔｉ−５Ａｌ−３Ｍｎ合
金などが挙げられるが、これら以外のチタン合金を用い
ても良い。また採用する鋳造法は、従来から行われてい
る真空鋳造法でよく、その条件も従来と同様でよい。
タンまたはチタン合金の溶湯を鋳型内に注入し、鋳造体
を成形する。前記チタン合金としては、Ｔｉ−６Ａｌ−
４Ｖ合金、Ｔｉ−１３Ｖ−１１Ｃｒ−３Ａｌ合金、Ｔｉ
−５Ａｌ−２Ｃｒ−Ｆｅ合金、Ｔｉ−５Ａｌ−３Ｍｎ合
金などが挙げられるが、これら以外のチタン合金を用い
ても良い。また採用する鋳造法は、従来から行われてい
る真空鋳造法でよく、その条件も従来と同様でよい。
【００１１】（被覆工程）次に、得られた鋳造体の表面
に、チタンとの間で共晶合金または金属間化合物を形成
する金属元素を主組成物とする被覆材料からなる被覆層
を形成する。前記金属元素としては、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｆ
ｅ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｗ，Ｚｒ，Ｖ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｃ，Ｂ，
Ｎなどが挙げられる。被覆材料にはさらに、チタンとの
間で炭化物、チッ化物あるいはホウ化物などの化合物を
生成する物質が含まれていてもよい。具体的な被覆材料
としては以下の物質が例示できる。
に、チタンとの間で共晶合金または金属間化合物を形成
する金属元素を主組成物とする被覆材料からなる被覆層
を形成する。前記金属元素としては、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｆ
ｅ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｗ，Ｚｒ，Ｖ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｃ，Ｂ，
Ｎなどが挙げられる。被覆材料にはさらに、チタンとの
間で炭化物、チッ化物あるいはホウ化物などの化合物を
生成する物質が含まれていてもよい。具体的な被覆材料
としては以下の物質が例示できる。
【００１２】（ａ）Ｎｉ系金属： 純Ｎｉ、Ｎｉ−７Ｃ
ｒ−３Ｂ−４Ｓｉ−３Ｆｅ合金、Ｎｉ−１５Ｃｒ−３Ｂ
合金、Ｎｉ−２５Ｃｒ合金、Ｎｉ−０.５Ｃ−３Ｓｉ−
１０Ｃｒ−２.５Ｆｅ−２Ｂ−０.１Ｃｏ合金(商品名：
コルモノイＮｏ４)、Ｎｉ−０.６５Ｃ−１２Ｃｒ−４.
２５Ｆｅ−４.０Ｓｉ−２.５Ｂ合金(商品名：コルモノ
イＮｏ５)、Ｎｉ−１.５Ｃ−２７Ｃｒ−８Ｗ−１.６Ｆ
ｅ−１.５５Ｂ−０.５Ｃｏ合金(コルモノイＮｏ８４)、
５０Ｎｉ−３２Ｍｏ−１５Ｃｒ−３Ｓｉ合金、商品名:
トリバロイ７００)、ＪＩＳ規定のＮｉろうであるＢＮ
ｉ−２。
ｒ−３Ｂ−４Ｓｉ−３Ｆｅ合金、Ｎｉ−１５Ｃｒ−３Ｂ
合金、Ｎｉ−２５Ｃｒ合金、Ｎｉ−０.５Ｃ−３Ｓｉ−
１０Ｃｒ−２.５Ｆｅ−２Ｂ−０.１Ｃｏ合金(商品名：
コルモノイＮｏ４)、Ｎｉ−０.６５Ｃ−１２Ｃｒ−４.
２５Ｆｅ−４.０Ｓｉ−２.５Ｂ合金(商品名：コルモノ
イＮｏ５)、Ｎｉ−１.５Ｃ−２７Ｃｒ−８Ｗ−１.６Ｆ
ｅ−１.５５Ｂ−０.５Ｃｏ合金(コルモノイＮｏ８４)、
５０Ｎｉ−３２Ｍｏ−１５Ｃｒ−３Ｓｉ合金、商品名:
トリバロイ７００)、ＪＩＳ規定のＮｉろうであるＢＮ
ｉ−２。
【００１３】（ｂ）前記金属元素を含むＴｉ系合金（チ
タンろう材）： Ｔｉ−４８Ｚｒ−４Ｂｅ、Ｔｉ−３０
Ｖ−４Ｂｅ、Ｔｉ−３３Ｃｒ、Ｔｉ−１３Ｖ−１１Ｃｒ
−３Ａｌ、Ｃｕ−２５Ｔｉ−２５Ｚｒ。ただし、本発明
は上記（ａ），（ｂ）の物質に限定されることはなく、
前記金属元素を含むものであれば、その他の物質も使用
可能である。
タンろう材）： Ｔｉ−４８Ｚｒ−４Ｂｅ、Ｔｉ−３０
Ｖ−４Ｂｅ、Ｔｉ−３３Ｃｒ、Ｔｉ−１３Ｖ−１１Ｃｒ
−３Ａｌ、Ｃｕ−２５Ｔｉ−２５Ｚｒ。ただし、本発明
は上記（ａ），（ｂ）の物質に限定されることはなく、
前記金属元素を含むものであれば、その他の物質も使用
可能である。
【００１４】被覆材料にはセラミックス粒子が分散され
ていてもよく、その場合には最終製品の耐摩耗性が向上
できる。使用可能なセラミック粒子としては、ＴｉＣ，
ＷＣ，Ｂ4Ｃ，ＣＢＮ，ＴｉＮ，Ｓｉ3Ｎ4，サイアロ
ン，ＳｉＣなどが例示できるが、これらに限定されるこ
とはない。セラミック粒子として例えばウイスカを使用
してもよい。セラミックス粒子の添加量としては、１０
〜５０ｖｏｌ％程度が好適である。１０ｖｏｌ％未満で
は添加の効果が少なく、５０ｖｏｌ％より大では溶融拡
散層の生成が阻害される。
ていてもよく、その場合には最終製品の耐摩耗性が向上
できる。使用可能なセラミック粒子としては、ＴｉＣ，
ＷＣ，Ｂ4Ｃ，ＣＢＮ，ＴｉＮ，Ｓｉ3Ｎ4，サイアロ
ン，ＳｉＣなどが例示できるが、これらに限定されるこ
とはない。セラミック粒子として例えばウイスカを使用
してもよい。セラミックス粒子の添加量としては、１０
〜５０ｖｏｌ％程度が好適である。１０ｖｏｌ％未満で
は添加の効果が少なく、５０ｖｏｌ％より大では溶融拡
散層の生成が阻害される。
【００１５】被覆層を鋳造体表面に形成する手段として
は、 被覆材料からなる箔を鋳造体上に、圧着、接着また
はスポット溶接等の方法により接合する方法、 被覆材料の粉体を、加熱により除去可能なバインダ
ー（例えばセルロース系）に混合した塗布物を鋳造体に
塗布するか、鋳造体にバインダーを塗布してから被覆材
料の粉末をまぶした後、さらに鋳造体を２００〜３００
℃程度に加熱してバインダーを除去する方法、 被覆材料を、電解メッキ法あるいは無電解メッキ法
により鋳造体上に被覆する方法、 などが挙げられる。
は、 被覆材料からなる箔を鋳造体上に、圧着、接着また
はスポット溶接等の方法により接合する方法、 被覆材料の粉体を、加熱により除去可能なバインダ
ー（例えばセルロース系）に混合した塗布物を鋳造体に
塗布するか、鋳造体にバインダーを塗布してから被覆材
料の粉末をまぶした後、さらに鋳造体を２００〜３００
℃程度に加熱してバインダーを除去する方法、 被覆材料を、電解メッキ法あるいは無電解メッキ法
により鋳造体上に被覆する方法、 などが挙げられる。
【００１６】これらの被覆方法によれば、厚さ数ｍｍ程
度の被覆層を容易に形成することができる。１回で形成
できる層厚が薄ければ、数回繰り返してもよい。また、
同程度の厚さの被覆層を形成することさえできれば、上
記被覆方法以外の被覆方法も採用可能である。
度の被覆層を容易に形成することができる。１回で形成
できる層厚が薄ければ、数回繰り返してもよい。また、
同程度の厚さの被覆層を形成することさえできれば、上
記被覆方法以外の被覆方法も採用可能である。
【００１７】（ＨＩＰ工程）次に、被覆層を形成した鋳
造体をＨＩＰ処理し、鋳造体内に存在する引け巣を押し
潰すとともに、鋳造体表面に溶融拡散層を形成する。そ
れにはまず、被覆層を形成した鋳造体を、１×１０-4ｔ
ｏｒｒ以下の高真空中で脱気しつつ耐熱容器に密封し、
この容器ごとＨＩＰ装置にセットする。
造体をＨＩＰ処理し、鋳造体内に存在する引け巣を押し
潰すとともに、鋳造体表面に溶融拡散層を形成する。そ
れにはまず、被覆層を形成した鋳造体を、１×１０-4ｔ
ｏｒｒ以下の高真空中で脱気しつつ耐熱容器に密封し、
この容器ごとＨＩＰ装置にセットする。
【００１８】ＨＩＰ条件は、鋳造体および被覆層の材質
によって異なるため一概にはいえないが、加熱温度は、
鋳造体を構成する材料の主成分と被覆材料の主成分との
共晶点温度をＴ（℃）とした場合、Ｔ−２０〜Ｔ＋１０
０（℃）の範囲に設定されることが望ましい。Ｔ−２０
℃未満では溶融拡散反応が不足する一方、Ｔ＋１００℃
より高いと溶融拡散反応が進行し過ぎ、いずれの場合も
良好な溶融拡散層が形成できない。具体的なＨＩＰ時の
加熱温度例を挙げると、鋳造体材質がＴｉの場合には８
９０℃前後、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖの場合には１０００℃
前後が好適である。
によって異なるため一概にはいえないが、加熱温度は、
鋳造体を構成する材料の主成分と被覆材料の主成分との
共晶点温度をＴ（℃）とした場合、Ｔ−２０〜Ｔ＋１０
０（℃）の範囲に設定されることが望ましい。Ｔ−２０
℃未満では溶融拡散反応が不足する一方、Ｔ＋１００℃
より高いと溶融拡散反応が進行し過ぎ、いずれの場合も
良好な溶融拡散層が形成できない。具体的なＨＩＰ時の
加熱温度例を挙げると、鋳造体材質がＴｉの場合には８
９０℃前後、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖの場合には１０００℃
前後が好適である。
【００１９】ＨＩＰ時の圧力は、鋳造体の材質、引け巣
の発生程度によっても異なるが、３００〜１０００ｋｇ
ｆ／ｃｍ2程度、特に３００〜５００ｋｇｆ／ｃｍ2が好
ましい。３００ｋｇｆ／ｃｍ2未満では引け巣を消失さ
せることが困難で、１０００ｋｇｆ／ｃｍ2より高圧に
する必要はない。
の発生程度によっても異なるが、３００〜１０００ｋｇ
ｆ／ｃｍ2程度、特に３００〜５００ｋｇｆ／ｃｍ2が好
ましい。３００ｋｇｆ／ｃｍ2未満では引け巣を消失さ
せることが困難で、１０００ｋｇｆ／ｃｍ2より高圧に
する必要はない。
【００２０】ＨＩＰ時の加圧・加熱方法としては、加圧
および加熱を同時に行う方法、加圧を先行させる方法、
加熱を先行させる方法のいずれも可能であるが、このう
ち特に、加熱を先行させる方法は本発明に好適である。
および加熱を同時に行う方法、加圧を先行させる方法、
加熱を先行させる方法のいずれも可能であるが、このう
ち特に、加熱を先行させる方法は本発明に好適である。
【００２１】すなわち、ＨＩＰ初期においてプレス圧力
を必要成形圧力の１０％以下に抑えつつ（常圧でもよ
い）、被覆層と鋳造体との界面に液相が生じる条件で鋳
造体を加熱することにより、鋳造体の表面に開口してい
る引け巣内に液相を充填した後、プレス圧力を所定の成
形圧力まで上昇させて鋳造体内に存在する引け巣を押し
潰す。このように加熱を先行させる方法を採れば、鋳造
体の表面に開口する引け巣内に液相を充填して引け巣を
塞いだうえで、内部の引け巣を押し潰すことになるか
ら、ＨＩＰが効果的に行えるという利点を有する。ＨＩ
Ｐ初期におけるプレス圧力が、必要成形圧力の１０％よ
り大であると、上記効果は得られない。
を必要成形圧力の１０％以下に抑えつつ（常圧でもよ
い）、被覆層と鋳造体との界面に液相が生じる条件で鋳
造体を加熱することにより、鋳造体の表面に開口してい
る引け巣内に液相を充填した後、プレス圧力を所定の成
形圧力まで上昇させて鋳造体内に存在する引け巣を押し
潰す。このように加熱を先行させる方法を採れば、鋳造
体の表面に開口する引け巣内に液相を充填して引け巣を
塞いだうえで、内部の引け巣を押し潰すことになるか
ら、ＨＩＰが効果的に行えるという利点を有する。ＨＩ
Ｐ初期におけるプレス圧力が、必要成形圧力の１０％よ
り大であると、上記効果は得られない。
【００２２】ＨＩＰ処理を所定時間(数十分〜数十時間)
続行することにより、被覆層を構成する元素と鋳造体を
構成する元素が相互拡散し、冷却後には溶融拡散層が生
成する。
続行することにより、被覆層を構成する元素と鋳造体を
構成する元素が相互拡散し、冷却後には溶融拡散層が生
成する。
【００２３】例えば、被覆材料としてＮｉ系合金を使用
した場合には、溶融拡散によりＮｉとＴｉの共晶合金化
が起こり、Ｔｉ2Ｎｉなどの金属間化合物が生成する。
また、被覆材料がＣ，Ｓｉ，Ｂ，Ｎ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｃｒ
などの元素を含む場合には、これら元素とＴｉとの２元
系または３元系の共晶合金、あるいは金属間化合物の生
成が起こり、Ｃがカーバイド、Ｓｉがシリサイド、Ｂが
ボライド、Ｎがチッ化物、Ｚｒ，Ｎｂ，Ｃｒがそれぞれ
金属間化合物を生成して硬化に寄与する。これらの反応
により、被覆材料よりも硬度が高い溶融拡散層が形成さ
れる。
した場合には、溶融拡散によりＮｉとＴｉの共晶合金化
が起こり、Ｔｉ2Ｎｉなどの金属間化合物が生成する。
また、被覆材料がＣ，Ｓｉ，Ｂ，Ｎ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｃｒ
などの元素を含む場合には、これら元素とＴｉとの２元
系または３元系の共晶合金、あるいは金属間化合物の生
成が起こり、Ｃがカーバイド、Ｓｉがシリサイド、Ｂが
ボライド、Ｎがチッ化物、Ｚｒ，Ｎｂ，Ｃｒがそれぞれ
金属間化合物を生成して硬化に寄与する。これらの反応
により、被覆材料よりも硬度が高い溶融拡散層が形成さ
れる。
【００２４】なお、被覆層の内周側部分のみを溶融拡散
させても良いし、被覆層の全体を溶融拡散させても良
い。また、加熱により溶融拡散層中にも液相は出現する
が、本発明の方法ではＨＩＰを使用して加圧するため、
液相が固相へ移行する過程で引け巣を生じるおそれはな
い。
させても良いし、被覆層の全体を溶融拡散させても良
い。また、加熱により溶融拡散層中にも液相は出現する
が、本発明の方法ではＨＩＰを使用して加圧するため、
液相が固相へ移行する過程で引け巣を生じるおそれはな
い。
【００２５】図１は、本発明の方法で得られる溶融拡散
層の一般例の断面を１５０倍に拡大した組織写真であ
る。この溶融拡散層は、被覆材料としてＮｉ−２５Ｃｒ
合金を使用し、鋳造体としてＴｉを使用して形成された
もので、侵食層と硬化層とからなり、硬化層は表面層お
よび混合層、侵食層は接合層および多数のアンカー部か
らそれぞれ形成されている。アンカー部の表層側は接合
層と一体的に連続し、接合層は混合層に一体的に連続
し、混合層は表面層に一体的に連続している。
層の一般例の断面を１５０倍に拡大した組織写真であ
る。この溶融拡散層は、被覆材料としてＮｉ−２５Ｃｒ
合金を使用し、鋳造体としてＴｉを使用して形成された
もので、侵食層と硬化層とからなり、硬化層は表面層お
よび混合層、侵食層は接合層および多数のアンカー部か
らそれぞれ形成されている。アンカー部の表層側は接合
層と一体的に連続し、接合層は混合層に一体的に連続
し、混合層は表面層に一体的に連続している。
【００２６】さらに詳細に説明すると、表面層はＴｉ2
Ｎｉの組成の金属間化合物が析出して硬化した層であ
る。混合層および接合層は、それぞれＴｉとＮｉとＣｒ
を含有し、混合層の方が、接合層よりもＮｉとＣｒの含
有量が多い析出物を含有する。アンカー部は、チタン材
の表面部に柱状に多数食い込んで形成されたものであ
り、Ｔｉを主成分とし、これに少量のＮｉと微量のＣｒ
が含有されている。
Ｎｉの組成の金属間化合物が析出して硬化した層であ
る。混合層および接合層は、それぞれＴｉとＮｉとＣｒ
を含有し、混合層の方が、接合層よりもＮｉとＣｒの含
有量が多い析出物を含有する。アンカー部は、チタン材
の表面部に柱状に多数食い込んで形成されたものであ
り、Ｔｉを主成分とし、これに少量のＮｉと微量のＣｒ
が含有されている。
【００２７】アンカー部が生成する理由は次のように考
えられる。被覆材料中のＮｉと鋳造体中のＴｉが２元系
合金を形成すると、溶融温度が降下するため、チタン材
と被覆材との界面に溶融帯が形成される。そして、この
溶融帯とチタン材の境界において、部分的に融点が降下
した部分（核）が島状に生じ、これら核からチタン材の
深さ方向に選択的にチタン材が溶解し始め、溶解部分が
柱状に広がる。そして、これら溶融部分が冷却時に柱状
のアンカー部として残留するのである。
えられる。被覆材料中のＮｉと鋳造体中のＴｉが２元系
合金を形成すると、溶融温度が降下するため、チタン材
と被覆材との界面に溶融帯が形成される。そして、この
溶融帯とチタン材の境界において、部分的に融点が降下
した部分（核）が島状に生じ、これら核からチタン材の
深さ方向に選択的にチタン材が溶解し始め、溶解部分が
柱状に広がる。そして、これら溶融部分が冷却時に柱状
のアンカー部として残留するのである。
【００２８】図１のような組織によれば、溶融拡散層の
全域に亙ってＴｉ2Ｎｉの組成を有する硬い金属間化合
物が生成しているので、全体の硬度が高くなる。特に、
表面層はＴｉ2Ｎｉ金属間化合物が多く生成し、硬度が
最大となる。これは、溶融拡散層の表面部分でＴｉ含有
量とＮｉ含有量が約２：１の割合になるためであると考
えられる。また、アンカー部はチタン材に食い込んでい
るので、そのアンカー効果により、チタン材と溶融拡散
層との接合力は特に高く、硬化部分に多少の塑性加工を
加えても剥離することはない。また、溶融拡散層は数分
の一〜数mm程度と十分な厚さを有するので、切削加工や
塑性加工も可能である。
全域に亙ってＴｉ2Ｎｉの組成を有する硬い金属間化合
物が生成しているので、全体の硬度が高くなる。特に、
表面層はＴｉ2Ｎｉ金属間化合物が多く生成し、硬度が
最大となる。これは、溶融拡散層の表面部分でＴｉ含有
量とＮｉ含有量が約２：１の割合になるためであると考
えられる。また、アンカー部はチタン材に食い込んでい
るので、そのアンカー効果により、チタン材と溶融拡散
層との接合力は特に高く、硬化部分に多少の塑性加工を
加えても剥離することはない。また、溶融拡散層は数分
の一〜数mm程度と十分な厚さを有するので、切削加工や
塑性加工も可能である。
【００２９】
【実施例】次に、実施例を挙げて本発明の効果を実証す
る。Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を原料として、真空鋳造法
により、図２に示すような自動車用エンジンバルブ１を
作成した。鋳造温度は１８００℃、鋳造時の真空度は８
×１０-4ｔｏｒｒとした。鋳造体１の寸法は、全長１０
０ｍｍ、弁棒部１Ｂの外径８ｍｍ、弁体部１Ａの外径３
１ｍｍである。鋳造直後の密度比は、９９．９％だっ
た。
る。Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を原料として、真空鋳造法
により、図２に示すような自動車用エンジンバルブ１を
作成した。鋳造温度は１８００℃、鋳造時の真空度は８
×１０-4ｔｏｒｒとした。鋳造体１の寸法は、全長１０
０ｍｍ、弁棒部１Ｂの外径８ｍｍ、弁体部１Ａの外径３
１ｍｍである。鋳造直後の密度比は、９９．９％だっ
た。
【００３０】図２に示すように、弁棒部１Ｂの外周面
と、弁体部１Ａの外周上縁に、それぞれ被覆材料からな
る被覆層２，３を形成した。被覆材料としては、Ｃｕ−
２５Ｔｉ−２５Ｚｒの粉末（粒度＃５０００）を使用し
た。被覆層の形成方法は、まず鋳造体１の前記部位にバ
インダーとしてメチルセルロースをスプレーし、塗布面
上に前記被覆材料粉末をまぶした。バインダーの塗布、
被覆材量粉末の散布を３回繰り返した。さらに、鋳造体
を２５０℃に真空加熱してバインダーを除去し、被覆量
０．０８ｇ／ｃｍ2（緻密な被覆厚さとして０．０１ｍ
ｍに相当）の被覆層を形成した。
と、弁体部１Ａの外周上縁に、それぞれ被覆材料からな
る被覆層２，３を形成した。被覆材料としては、Ｃｕ−
２５Ｔｉ−２５Ｚｒの粉末（粒度＃５０００）を使用し
た。被覆層の形成方法は、まず鋳造体１の前記部位にバ
インダーとしてメチルセルロースをスプレーし、塗布面
上に前記被覆材料粉末をまぶした。バインダーの塗布、
被覆材量粉末の散布を３回繰り返した。さらに、鋳造体
を２５０℃に真空加熱してバインダーを除去し、被覆量
０．０８ｇ／ｃｍ2（緻密な被覆厚さとして０．０１ｍ
ｍに相当）の被覆層を形成した。
【００３１】次に、被覆層２，３を形成した鋳造体１
を、１×１０-5ｔｏｒｒの真空中でＳＵＳ３０４製の容
器に封入し、ＨＩＰ装置にかけた。ＨＩＰ条件は、パッ
クした容器を充分軟らかくするため昇温先行とし、加熱
温度９５０℃で加圧して１時間保持した。
を、１×１０-5ｔｏｒｒの真空中でＳＵＳ３０４製の容
器に封入し、ＨＩＰ装置にかけた。ＨＩＰ条件は、パッ
クした容器を充分軟らかくするため昇温先行とし、加熱
温度９５０℃で加圧して１時間保持した。
【００３２】得られた成形品の密度比は１００％となっ
た。また、溶融拡散層の表面硬度はＨｖ６８０となった
のに対し、基材露出面の硬度はＨｖ２７０であり、溶融
拡散層は高い硬度を示した。弁棒部１Ｂの上端部におけ
る溶融拡散層の断面写真を図３（×５００）および図４
（×１０００）に、弁棒部１Ｂの中央部における溶融拡
散層の断面写真を図５（×５００）および図６（×１０
００）に示す。
た。また、溶融拡散層の表面硬度はＨｖ６８０となった
のに対し、基材露出面の硬度はＨｖ２７０であり、溶融
拡散層は高い硬度を示した。弁棒部１Ｂの上端部におけ
る溶融拡散層の断面写真を図３（×５００）および図４
（×１０００）に、弁棒部１Ｂの中央部における溶融拡
散層の断面写真を図５（×５００）および図６（×１０
００）に示す。
【００３３】各写真から明らかなように、いずれの部位
においても図１で説明した組織と同様の組織になってお
り、溶融拡散層は高い接合強度を示した。溶融拡散層の
厚さは、上端部で０．１３６ｍｍ、中央部で０．１１９
ｍｍだった。
においても図１で説明した組織と同様の組織になってお
り、溶融拡散層は高い接合強度を示した。溶融拡散層の
厚さは、上端部で０．１３６ｍｍ、中央部で０．１１９
ｍｍだった。
【００３４】なお、上記実施例はエンジンバルブの製造
に本発明を適用したものであったが、本発明はこれに限
定されるものではなく、その他の耐摩耗性の要求される
部材、例えばバルブリテーナ、トランスミッションギ
ア、デファレンシャルギア、ディスクブレーキ、ロッカ
ーアーム、軸受、各種ポンプの摺動部分、タービンブレ
ード、アイススケートの刃先、ゴルフクラブヘッド等に
も適用可能である。
に本発明を適用したものであったが、本発明はこれに限
定されるものではなく、その他の耐摩耗性の要求される
部材、例えばバルブリテーナ、トランスミッションギ
ア、デファレンシャルギア、ディスクブレーキ、ロッカ
ーアーム、軸受、各種ポンプの摺動部分、タービンブレ
ード、アイススケートの刃先、ゴルフクラブヘッド等に
も適用可能である。
【００３５】
【発明の効果】本発明に係るチタンまたはチタン合金製
部材の製造方法では、鋳造体の表面に被覆層を形成して
ＨＩＰを行うことにより、鋳造体の表面に溶融拡散層が
形成される。この方法で形成される溶融拡散層は、鋳造
体のバルク領域に食い込む多数のアンカー部と、これら
のアンカー部に連続して前記バルク領域上に形成された
接合層と、この接合層上に形成された硬質の硬化層とを
有するから、この溶融拡散層により製品の表面硬度が大
幅に向上するとともに、鋳造体に対する溶融拡散層の接
合強度が高い。したがって、鋳造体を単にＨＩＰ処理す
る場合に比して、製品の強度が大幅に向上できる。
部材の製造方法では、鋳造体の表面に被覆層を形成して
ＨＩＰを行うことにより、鋳造体の表面に溶融拡散層が
形成される。この方法で形成される溶融拡散層は、鋳造
体のバルク領域に食い込む多数のアンカー部と、これら
のアンカー部に連続して前記バルク領域上に形成された
接合層と、この接合層上に形成された硬質の硬化層とを
有するから、この溶融拡散層により製品の表面硬度が大
幅に向上するとともに、鋳造体に対する溶融拡散層の接
合強度が高い。したがって、鋳造体を単にＨＩＰ処理す
る場合に比して、製品の強度が大幅に向上できる。
【００３６】また、鋳造体の表面に被覆層を形成するこ
とにより、ＨＩＰと同時に被覆材料が鋳造体の表面と反
応し、硬質かつ緻密な溶融拡散層が形成されるため、表
面硬化処理工程を別に設けずに済み、生産性が向上でき
る。
とにより、ＨＩＰと同時に被覆材料が鋳造体の表面と反
応し、硬質かつ緻密な溶融拡散層が形成されるため、表
面硬化処理工程を別に設けずに済み、生産性が向上でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るチタンまたはチタン合金製部材の
製造方法により得られる溶融拡散層の一例を示す断面拡
大図である。
製造方法により得られる溶融拡散層の一例を示す断面拡
大図である。
【図２】本発明の実施例としてエンジンバルブに被覆層
を形成した状態を示す正面図である。
を形成した状態を示す正面図である。
【図３】同エンジンバルブの溶融拡散層の断面拡大写真
である。
である。
【図４】同エンジンバルブの溶融拡散層の断面拡大写真
である。
である。
【図５】同エンジンバルブの溶融拡散層の断面拡大写真
である。
である。
【図６】同エンジンバルブの溶融拡散層の断面拡大写真
である。
である。
１ エンジンバルブ（鋳造体） ２，３ 被覆層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 狩野 智 埼玉県大宮市北袋町１丁目297番地 三 菱マテリアル株式会社 メカトロ・生産 システム開発センター内 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C23C 24/10
Claims (11)
- 【請求項１】チタンまたはチタン合金の溶湯を鋳型内に
注入し、鋳造体を成形する鋳造工程と、 前記鋳造体の表面に、チタンとの間で化合物を形成する
金属元素を主組成物とする被覆材料からなる被覆層を形
成する被覆工程と、 前記被覆層を形成した鋳造体を熱間静水圧プレスするこ
とにより、鋳造体内に存在する引け巣を押し潰すととも
に、鋳造体表面に溶融拡散層を形成するＨＩＰ工程と、
を具備することを特徴とするチタンまたはチタン合金製
部材の製造方法。 - 【請求項２】前記チタンとの間で化合物を形成する金属
元素は、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｗ，Ｚｒ，
Ｖ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｃ，Ｂ，Ｎから選択される１または２
以上の金属元素であることを特徴とする請求項１記載の
チタンまたはチタン合金製部材の製造方法。 - 【請求項３】前記被覆材料は、Ｎｉ−Ｃｒ系合金である
ことを特徴とする請求項１記載のチタンまたはチタン合
金製部材の製造方法。 - 【請求項４】前記被覆材料は、Ｔｉ系合金であることを
特徴とする請求項１または２記載のチタンまたはチタン
合金製部材の製造方法。 - 【請求項５】前記被覆材料は、セラミックス粒子を含有
することを特徴とする請求項１，２，３または４記載の
チタンまたはチタン合金製部材の製造方法。 - 【請求項６】前記被覆工程に際し、前記被覆材料からな
る箔を鋳造体の表面に固定することにより被覆層を形成
することを特徴とする請求項１，２，３，４または５記
載のチタンまたはチタン合金製部材の製造方法。 - 【請求項７】前記被覆工程に際し、前記被覆材料の粉末
を、加熱により除去可能なバインダーを介して前記鋳造
体の表面に固定した後、鋳造体を加熱して前記バインダ
ーを除去し、被覆材料からなる被覆層を形成することを
特徴とする請求項１，２，３，４または５記載のチタン
またはチタン合金製部材の製造方法。 - 【請求項８】前記被覆工程において、前記被覆材料を前
記鋳造体の表面にめっきし、被覆層を形成することを特
徴とする請求項１，２，３，４または５記載のチタンま
たはチタン合金製部材の製造方法。 - 【請求項９】前記ＨＩＰ工程は、その初期において、プ
レス圧力を必要成形圧力の１０％以下に抑えつつ、前記
被覆層と前記鋳造体との界面に液相が生じる条件で鋳造
体を加熱することにより、鋳造体の表面に開口する引け
巣内に前記液相を充填した後、プレス圧力を所定の成形
圧力まで上昇させて鋳造体内に存在する引け巣を押し潰
すとともに、鋳造体表面に溶融拡散層を形成することを
特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７または８
記載のチタンまたはチタン合金製部材の製造方法。 - 【請求項１０】前記ＨＩＰ工程における加熱温度は、鋳
造体を構成する材料の主成分と被覆材料の主成分との共
晶点温度をＴ（℃）とした場合、Ｔ−３０〜Ｔ＋１００
（℃）の範囲に設定されることを特徴とする請求項１，
２，３，４，５，６，７，８または９記載のチタンまた
はチタン合金製部材の製造方法。 - 【請求項１１】前記ＨＩＰ工程におけるプレス圧力は、
３００〜１０００ｋｇｆ／ｃｍ2の範囲に設定すること
を特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７，８，
９または１０記載のチタンまたはチタン合金製部材の製
造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4255092A JP2964794B2 (ja) | 1992-09-24 | 1992-09-24 | チタンまたはチタン合金製部材の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4255092A JP2964794B2 (ja) | 1992-09-24 | 1992-09-24 | チタンまたはチタン合金製部材の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06101063A JPH06101063A (ja) | 1994-04-12 |
| JP2964794B2 true JP2964794B2 (ja) | 1999-10-18 |
Family
ID=17274012
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4255092A Expired - Lifetime JP2964794B2 (ja) | 1992-09-24 | 1992-09-24 | チタンまたはチタン合金製部材の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2964794B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB0922488D0 (en) * | 2009-12-23 | 2010-02-03 | Advanced Interactive Materials | Improvements in or relating to hot isostatic pressing |
| GB2519190B (en) * | 2012-02-24 | 2016-07-27 | Malcolm Ward-Close Charles | Processing of metal or alloy objects |
| KR101598938B1 (ko) * | 2014-07-10 | 2016-03-02 | 한국생산기술연구원 | 소실 모형 및 이를 이용한 주조 방법 |
| CN115595575B (zh) * | 2022-10-17 | 2024-09-17 | 阳江合金材料实验室 | 一种提高激光熔覆钛合金刀具刀刃硬度的热处理方法及刀具 |
-
1992
- 1992-09-24 JP JP4255092A patent/JP2964794B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06101063A (ja) | 1994-04-12 |
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|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
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