JP4398831B2 - Surface treatment method of metal material made of titanium or titanium alloy - Google Patents

Surface treatment method of metal material made of titanium or titanium alloy Download PDF

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Description

本発明は、チタンあるいはチタン合金からなる金属材料の表面に、ショット材を噴射して表層部の結晶粒を微細化することにより硬化させることのほか、別の層を造り込む表面処理方法に関するものである。   The present invention relates to a surface treatment method in which a shot material is sprayed onto the surface of a metal material made of titanium or a titanium alloy to harden it by refining crystal grains in a surface layer portion, and another layer is formed. It is.

従来から、ばねや鋳鋼品、鍛造品等の金属製品の疲労強度を向上させるために、金属製品における表層部を硬化させる表面硬化方法が用いられている。このような表面硬化方法として、例えば、焼き入れ・焼き戻しなどの処理を施した鉄鋼製品や非鉄金属製品の表面の一部または全部に対して冷間加工を施すショットピーニング処理や、マルテンサイト変態を生じさせることができる程度の炭素を含有する鉄鋼製品に対して、微粒子ショットピーニングを行うことにより、鉄鋼製品の表面温度をA3変態点以上に上昇させてマルテンサイト変態を生じさせる表面加工熱処理方法などが知られている。   Conventionally, in order to improve the fatigue strength of metal products such as springs, cast steel products, and forged products, a surface hardening method for hardening the surface layer portion of the metal products has been used. Such surface hardening methods include, for example, shot peening treatment in which a part or all of the surface of a steel product or non-ferrous metal product that has been subjected to treatment such as quenching and tempering, or martensitic transformation. Surface heat treatment method for causing martensitic transformation by raising the surface temperature of the steel product to the A3 transformation point or higher by performing fine particle shot peening on the steel product containing carbon of a level capable of producing carbon Etc. are known.

また、金属製品の表面の硬度を高めるための表面硬化処理方法として、特許文献1には、金属製品の表層部における硬化組織の形成を、マルテンサイト変態によらず、所定の条件下にてショット材を噴射するショットピーニング処理によって、表層部の金属組織結晶粒をナノ結晶化することで実現する方法が開示されている。この方法によれば、上述した表面加工熱処理方法よりも材料選択の幅が広がるとともに、表層部がナノ結晶化されて極めて高い表面硬度を有する金属製品を得ることができる。   In addition, as a surface hardening treatment method for increasing the hardness of the surface of a metal product, Patent Document 1 discloses that the formation of a hardened structure in the surface layer portion of a metal product is shot under a predetermined condition regardless of martensitic transformation. A method is disclosed that is realized by nanocrystallizing metallographic crystal grains in the surface layer portion by shot peening treatment in which a material is injected. According to this method, it is possible to obtain a metal product having an extremely high surface hardness because the range of material selection is wider than that of the surface processing heat treatment method described above and the surface layer portion is nanocrystallized.

特開2004−124227号公報JP 2004-124227 A

しかしながら、金属製品の表面にショットピーニング処理を施すことによって表層部の金属組織をナノ結晶化する方法を用いた場合には、金属製品の表面硬度が極めて高くなるために、その金属製品からは高周波数の騒音が発生する場合があるので問題であった。すなわち、例えば自動車用のエンジンバルブの表面にショットピーニング処理を施すことによって表層部の金属組織をナノ結晶化した場合には、そのエンジンバルブは摩擦や衝撃に対する耐久性が非常に高くなるという利点が得られるものの、そのエンジンバルブが駆動されることによって周囲の部品と接触等する際に、そのエンジンバルブからは高周波数の騒音が発生する場合があるので問題であった。   However, when a method of nano-crystallizing the metal structure of the surface layer by performing shot peening treatment on the surface of the metal product, the surface hardness of the metal product becomes extremely high. It was a problem because noise at a frequency might occur. That is, for example, when the surface microstructure of the engine valve for automobiles is nanocrystallized by performing shot peening treatment, the engine valve has the advantage that the durability against friction and impact becomes very high. Although it is obtained, when the engine valve is driven to come into contact with surrounding parts, high frequency noise may be generated from the engine valve, which is a problem.

そこで本発明は、表層部の金属組織がナノ結晶化されて表面の硬度が極めて高いのみならず、エンジンバルブなどの駆動部品に適用した場合であっても、高周波数の騒音が発生しにくくなるチタンあるいはチタン合金からなる金属材料の表面処理方法を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention not only generates extremely high surface hardness by nanocrystallizing the metal structure of the surface layer portion, but also makes it difficult to generate high-frequency noise even when applied to driving parts such as engine valves. An object of the present invention is to provide a surface treatment method for a metal material made of titanium or a titanium alloy.

本発明者らは、チタンあるいはチタン合金からなる金属材料の表面にショットピーニング処理を施すことによって表層部の金属組織をナノ結晶化させた後に、その金属材料に加熱処理を施すことによって、表層部に形成されたナノ結晶層と基材との間に中間層としてβ層が形成されること、及び、このβ層が高周波数の騒音低減に特に有効であることを見出して、以下の発明を完成した。
(1)チタンあるいはチタン合金からなる金属材料の表面にショットピーニング処理を施して、表層部の金属組織をナノ結晶化させるショットピーニング工程と、前記ショットピーニング工程と同時もしくはその後に前記金属材料を加熱する加熱工程と、を有し、
前記加熱工程では、金属材料を加熱することにより、ショットピーニング工程において金属材料の表面に形成されたナノ結晶層と基材との間にβ層を形成し、
前記ショットピーニング工程において用いられるショット材は、β安定化元素を含むショット材であり、前記ショットピーニング工程では、前記ショット材に含有されているβ安定化元素を金属組織の内部に侵入させながら、金属材料の表層部の金属組織をナノ結晶化させることを特徴とする金属材料の表面処理方法。
(2)金属材料は、α+β型のチタン合金であることを特徴とする(1)に記載の金属材料の表面処理方法。
(3)(1)または(2)に記載の金属材料の表面処理方法であって、
加熱工程では、金属材料を700℃以上の温度で加熱することを特徴とする金属材料の表面処理方法。
(4)(1)から(3)のうちいずれか1項に記載の金属材料の表面処理方法であって、
加熱工程では、金属材料を700℃以上の温度で0.5時間以上加熱することを特徴とする金属材料の表面処理方法。
)(1)から()のうちいずれか1項に記載の金属材料の表面処理方法によって表面処理されたチタンあるいはチタン合金からなる金属材料。
)(1)から()のうちいずれか1項に記載の金属材料の表面処理方法によって表面処理されたチタンあるいはチタン合金からなるエンジンバルブ。
)表面に形成された結晶粒径が100nm以下のナノ結晶層と基材との間にβ層が形成されていることを特徴するチタンあるいはチタン合金からなる金属材料。

The inventors have made the surface layer part by subjecting the surface of the metal material made of titanium or titanium alloy to nano-crystallization of the metal structure of the surface layer part by performing shot peening treatment, and then subjecting the metal material to heat treatment. As a result, it was found that a β layer was formed as an intermediate layer between the nanocrystal layer formed on the substrate and the base material, and that this β layer was particularly effective in reducing high-frequency noise. completed.
(1) provide Reinforced shot peening treatment to the surface of titanium or a metal material made of titanium alloy, the surface portion of the metal structure and shot peening step of nanocrystallisation, the shot peening step and simultaneously with or subsequent to the metal material a heating step of heating, was closed,
In the heating step, by heating the metal material, a β layer is formed between the nanocrystal layer formed on the surface of the metal material and the base material in the shot peening step,
The shot material used in the shot peening process is a shot material containing a β-stabilizing element, and in the shot peening process, while allowing the β-stabilizing element contained in the shot material to enter the inside of the metal structure, A surface treatment method for a metal material, characterized by nanocrystallizing a metal structure of a surface layer portion of the metal material.
(2) The surface treatment method for a metal material according to (1), wherein the metal material is an α + β type titanium alloy.
(3) A surface treatment method for a metal material according to (1) or (2),
In the heating step, the metal material is heated at a temperature of 700 ° C. or higher.
(4) The surface treatment method for a metal material according to any one of (1) to (3),
In the heating step, the metal material surface treatment method is characterized in that the metal material is heated at a temperature of 700 ° C. or more for 0.5 hour or more.
( 5 ) A metal material comprising titanium or a titanium alloy surface-treated by the surface treatment method for a metal material according to any one of (1) to ( 4 ).
( 6 ) An engine valve made of titanium or a titanium alloy surface-treated by the surface treatment method for a metal material according to any one of (1) to ( 4 ).
(7) a metal material composed of titanium or titanium alloy, wherein a β layer is formed between the grain size was formed with the following nanocrystal layer and the substrate 100nm on the surface.

本発明によれば、表層部の金属組織がナノ結晶化されて表面の硬度が極めて高いのみならず、エンジンバルブなどの駆動部品に適用した場合であっても、高周波数の騒音が発生しにくくなるチタンあるいはチタン合金からなる金属材料の表面処理方法を提供することができる。   According to the present invention, the metal structure of the surface layer is nanocrystallized and the surface hardness is extremely high, and even when applied to driving parts such as engine valves, high-frequency noise is unlikely to occur. It is possible to provide a surface treatment method for a metal material made of titanium or a titanium alloy.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明の方法によって表面処理される金属材料としては、チタンあるいはチタン合金からなる金属材料が用いられる。ここでいう「チタンあるいはチタン合金」とは、チタン単体の金属であってもよく、チタンと他の金属元素との合金であってもよい趣旨である。したがって、本発明において表面処理される金属材料としては、チタン単体金属(例えば、JIS1種〜4種の純チタン金属)のみならず、例えば、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-3Al-2.5V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Moなどの各種のチタン合金を採用することができる。なお、チタン合金は、α型、β型、α+β型の3つの合金系に分類することができるが、本発明において表面処理される金属材料としては、強度と靭性のバランスが良く耐食性に優れるα+β型のチタン合金を特に好ましく採用することができる。α+β型のチタン合金としては、前述した各種のチタン合金をその例として挙げることができる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
As the metal material to be surface-treated by the method of the present invention, a metal material made of titanium or a titanium alloy is used. The term “titanium or titanium alloy” as used herein means that it may be a metal of titanium alone or an alloy of titanium and another metal element. Therefore, as the metal material to be surface-treated in the present invention, not only a titanium simple metal (for example, JIS type 1 to 4 types of pure titanium metal) but also, for example, Ti-6Al-4V, Ti-6Al-2Sn-4Zr- Various titanium alloys such as 2Mo, Ti-3Al-2.5V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo can be used. Titanium alloys can be classified into three alloy systems, α-type, β-type, and α + β-type. However, as a metal material to be surface-treated in the present invention, α + β has a good balance between strength and toughness and excellent corrosion resistance. A titanium alloy of a type can be particularly preferably employed. Examples of the α + β type titanium alloy include the various titanium alloys described above.

本発明に係る金属材料の表面処理方法は、大別すると次の2つの工程により構成される。1つ目の工程は、チタンあるいはチタン合金からなる金属材料の表面にショットピーニング処理を施す「ショットピーニング工程」である。このショットピーニング工程により、金属材料の表層部には金属組織の結晶粒径が100nm以下のナノ結晶層が形成される。このナノ結晶層は、熱的に安定でしかも極めて硬度の高い層である。2つ目の工程は、ショットピーニング工程と同時もしくはその後に前記金属材料を加熱する「加熱工程」である。この加熱工程により、表層部におけるナノ結晶層と基材との間には、中間層としてのβ層が形成される。このβ層は、加熱前の金属組織よりもβ型チタン合金を相対的に多く含む層である。β型のチタン合金は、α型やα+β型のチタン合金よりもヤング率が小さいために、金属材料の反発係数を小さくして高周波数の騒音の発生を防止することができる。   The surface treatment method for a metal material according to the present invention is roughly constituted by the following two steps. The first step is a “shot peening step” in which shot peening is performed on the surface of a metal material made of titanium or a titanium alloy. Through this shot peening process, a nanocrystal layer having a metal structure crystal grain size of 100 nm or less is formed on the surface layer of the metal material. This nanocrystalline layer is a thermally stable and extremely hard layer. The second step is a “heating step” in which the metal material is heated simultaneously with or after the shot peening step. By this heating step, a β layer as an intermediate layer is formed between the nanocrystal layer and the base material in the surface layer portion. This β layer is a layer containing a relatively larger amount of β-type titanium alloy than the metal structure before heating. Since the β-type titanium alloy has a smaller Young's modulus than the α-type and α + β-type titanium alloys, it is possible to reduce the restitution coefficient of the metal material and prevent the generation of high-frequency noise.

図1は、ショットピーニング工程及び加熱工程についての模式的な説明図である。
図1(a)に示すように、ショットピーニング工程においては、例えばエア噴射式のショットピーニング装置を用いて、金属材料の表面10に対して金属粉末等からなるショット材12を吹き付ける。これにより、金属材料の表層部に高ひずみ速度で大きな変形を起こさせることができる。そして、金属材料の表層部の転位密度が臨界に達すると、その表層部の結晶組織は再結晶(温度を上げないで強加工中に生じる再結晶)により結晶粒径が100nm以下のナノ結晶粒組織に変化するとともに、同時に硬さが、例えば、ビッカース硬度で2倍程度に上昇する。このショットピーニング工程により、図1(b)に示すように、金属材料の表層部には100nm以下のナノ結晶粒組織からなるナノ結晶層14が形成される。
FIG. 1 is a schematic explanatory view of a shot peening process and a heating process.
As shown in FIG. 1A, in the shot peening process, a shot material 12 made of metal powder or the like is sprayed onto the surface 10 of the metal material using, for example, an air jet type shot peening apparatus. Thereby, a large deformation can be caused in the surface layer portion of the metal material at a high strain rate. When the dislocation density of the surface layer portion of the metal material reaches a critical level, the crystal structure of the surface layer portion is recrystallized (recrystallized during strong processing without increasing the temperature), and the crystal grain size is 100 nm or less. At the same time, the hardness changes to, for example, about twice as much as Vickers hardness. By this shot peening process, as shown in FIG. 1B, a nanocrystal layer 14 having a nanocrystal grain structure of 100 nm or less is formed on the surface layer portion of the metal material.

ショットピーニング工程における各種の条件は、金属材料の表層部をナノ結晶化させることができるのであれば、特に制限するものではない。例えば、ショット材の噴射速度は、100m/秒以上に設定することができる。ショット材の直径は、40μm以上200μm以下(より好ましくは40μm以上100μm以下)の範囲内に設定することができる。ショットピーニング処理を施す時間は、30秒から60秒の範囲内に設定することができる。ショット材の材質は、例えば鋳鉄、鋼等を採用することができる。ショットピーニング工程における各種の条件をこのような範囲に設定することによって、表層部における金属組織をより確実にナノ結晶化させて硬化させることが可能である。また、ショットピーニング工程における各種の条件(例えばショットピーニング処理の時間)を調節することによって、ナノ結晶層14の厚みや硬度を調節することも可能である。   Various conditions in the shot peening process are not particularly limited as long as the surface layer portion of the metal material can be nanocrystallized. For example, the injection speed of the shot material can be set to 100 m / second or more. The diameter of the shot material can be set within a range of 40 μm to 200 μm (more preferably 40 μm to 100 μm). The time for performing the shot peening process can be set within a range of 30 to 60 seconds. As the material of the shot material, for example, cast iron, steel or the like can be adopted. By setting various conditions in the shot peening process within such a range, the metal structure in the surface layer portion can be more reliably nanocrystallized and hardened. It is also possible to adjust the thickness and hardness of the nanocrystal layer 14 by adjusting various conditions in the shot peening process (for example, the time of the shot peening process).

図1(b)に示すように、金属材料の表面に対してショットピーニング処理が施されることによって、金属材料の表層部にはナノ結晶層14が形成される。このナノ結晶層14は、金属組織の結晶粒径が100nm以下の層であり、金属材料の表層部に対して新たに形成される層である。このナノ結晶層において、金属組織の結晶粒径が「100nm以下」とあるのは、例えば電子顕微鏡で金属組織の状態を観察したときに、その金属組織の50%以上の領域(好ましくは80%以上の領域)において、短軸方向の結晶粒径が概ね100nm以下の範囲内に分布していることを意味している。   As shown in FIG. 1B, a nanocrystal layer 14 is formed on the surface layer portion of the metal material by performing shot peening treatment on the surface of the metal material. This nanocrystal layer 14 is a layer having a crystal grain size of a metal structure of 100 nm or less, and is a layer newly formed on the surface layer portion of the metal material. In this nanocrystal layer, the crystal grain size of the metal structure is “100 nm or less” when, for example, the state of the metal structure is observed with an electron microscope, a region of 50% or more of the metal structure (preferably 80% In the above region), it means that the crystal grain size in the minor axis direction is distributed within a range of approximately 100 nm or less.

本発明の金属材料の表面処理方法では、上述したショットピーニング工程と同時もしくはその後に加熱工程が実施される。より好ましくは、ショットピーニング工程によってナノ結晶層14が形成された後に加熱工程が実施される。この加熱工程においては、図1(c)に示すように、ショットピーニング処理が施された後の金属材料が所定の条件下で加熱されることによって、金属材料の基材16とナノ結晶層14との間に中間層としてβ層18が形成される。このβ層18が形成される機構について説明すると、ナノ結晶領域は、通常の加工硬化領域や基材16側の領域に比べて加熱による粒成長が極めて遅い。これに対して、チタンあるいはチタン合金からなる基材16側の領域では、加熱(焼きなまし)による再結晶により金属組織がβ型チタン合金への変態を開始する。これにより、表層部に形成されているナノ結晶層14と基材16との間には、加熱による再結晶により新たにβ層18が形成されるとともに、微細な結晶粒径を維持しているナノ結晶層14とβ層18との境界が電子顕微鏡等により明確に認識されるようになる。   In the metal material surface treatment method of the present invention, the heating step is performed simultaneously with or after the above-described shot peening step. More preferably, the heating step is performed after the nanocrystal layer 14 is formed by the shot peening step. In this heating step, as shown in FIG. 1C, the metal material after the shot peening treatment is heated under predetermined conditions, whereby the base material 16 and the nanocrystal layer 14 of the metal material are heated. The β layer 18 is formed as an intermediate layer. The mechanism by which the β layer 18 is formed will be described. In the nanocrystal region, grain growth due to heating is extremely slow compared to a normal work-hardened region and a region on the base material 16 side. In contrast, in the region on the base material 16 side made of titanium or a titanium alloy, the metal structure starts to be transformed into a β-type titanium alloy by recrystallization by heating (annealing). As a result, a β layer 18 is newly formed by recrystallization by heating between the nanocrystal layer 14 formed on the surface layer portion and the base material 16, and a fine crystal grain size is maintained. The boundary between the nanocrystal layer 14 and the β layer 18 is clearly recognized by an electron microscope or the like.

このように、チタンあるいはチタン合金からなる金属材料の表面にショットピーニング処理を施した後に加熱処理を施すことによって、表層部に形成されたナノ結晶層14と基材16との間には、加熱される前よりもβ型のチタン合金をより多く含む層であるβ層18が新たに形成される。なお、加熱工程において新たに形成される「β層」とは、例えば電子顕微鏡でこのβ層の金属組織を観察したときに、β層の全ての領域がβ型チタン合金で構成されていることを意味するものではない。本発明にいう「β層」とは、所定温度以上の加熱によりβ型チタン合金への変態が促進されることによって、加熱工程において加熱される前よりもβ型のチタン合金をより多く含むこととなった層のことを意味している。したがって、加熱工程において新に形成されるβ層の金属組織内には、β型のチタン合金が相対的に多く含まれていることは勿論であるが、β層の一部の領域においてα型のチタン合金が若干含まれている場合もあり得るということである。   As described above, the heat treatment is performed after the shot peening treatment is performed on the surface of the metal material made of titanium or the titanium alloy, so that the heating is performed between the nanocrystal layer 14 formed on the surface layer portion and the base material 16. A β layer 18, which is a layer containing more β-type titanium alloy than before, is newly formed. Note that the “β layer” newly formed in the heating process means that all regions of the β layer are made of β-type titanium alloy when, for example, the metal structure of the β layer is observed with an electron microscope. Does not mean. The “β layer” referred to in the present invention includes more β-type titanium alloy than before being heated in the heating step by promoting transformation to a β-type titanium alloy by heating at a predetermined temperature or higher. It means the layer that became. Therefore, the β-type metal structure newly formed in the heating process contains a relatively large amount of β-type titanium alloy. The titanium alloy may be slightly contained.

本発明に係る金属材料の表面処理方法において、加熱工程における金属材料の加熱温度は、700℃以上であることが好ましく、より好ましくは800℃以上、さらに好ましくは850℃以上である。この温度範囲で金属材料を加熱することによって、表層部に形成されたナノ結晶層と基材との間にβ層をより確実に形成することができる。また、加熱工程における金属材料の加熱時間は、700℃以上の温度を維持したまま0.5時間以上加熱することが好ましく、より好ましくは、700℃以上の温度を維持したまま1時間以上加熱する。加熱工程における加熱手段は特に制限するものはないが、例えば電熱式のヒータによってチタンあるいはチタン合金からなる金属材料を加熱することができる。   In the metal material surface treatment method according to the present invention, the heating temperature of the metal material in the heating step is preferably 700 ° C. or higher, more preferably 800 ° C. or higher, and further preferably 850 ° C. or higher. By heating the metal material in this temperature range, the β layer can be more reliably formed between the nanocrystal layer formed on the surface layer portion and the substrate. The heating time of the metal material in the heating step is preferably 0.5 hours or longer while maintaining a temperature of 700 ° C. or higher, more preferably 1 hour or longer while maintaining a temperature of 700 ° C. or higher. . The heating means in the heating process is not particularly limited, but a metal material made of titanium or a titanium alloy can be heated by, for example, an electrothermal heater.

金属材料の表層部に硬度の高いナノ結晶層が形成されることによって、この金属材料の耐衝撃性や耐摩耗性を飛躍的に向上させることができる。例えば、α+β型のチタン合金からなる金属材料を用いて自動車のエンジン部品(例えばエンジンバルブ)を製造した後に、このエンジン部品の表面に対して本発明の表面処理方法を施すことによって、このエンジン部品の耐摩耗性や耐衝撃性等を飛躍的に向上させることができる。   By forming a nanocrystal layer having a high hardness on the surface portion of the metal material, the impact resistance and wear resistance of the metal material can be dramatically improved. For example, after manufacturing an automobile engine part (for example, an engine valve) using a metal material made of an α + β type titanium alloy, the surface of the engine part is subjected to the surface treatment method of the present invention. The wear resistance, impact resistance, etc. can be dramatically improved.

本発明において、ショットピーニング工程で使用するショット材は、β安定化元素を含むショット材であることが好ましい。例えば、Fe、Mo、Nb、V、Ta、Cr、Ru等のβ安定化元素を含むショット材を使用することが好ましい。
ショットピーニング工程におけるショット材としてこれらのβ安定化元素を含むショット材を使用することによって、ショット材に含有されているβ安定化元素を金属組織の内部に侵入させることができる。これにより、ショットピーニング工程の後に実施される加熱工程において、表層部に形成されたナノ結晶層と基材との間に中間層としてのβ層をより安定的に形成することが可能になる。
In the present invention, the shot material used in the shot peening process is preferably a shot material containing a β-stabilizing element. For example, it is preferable to use a shot material containing a β-stabilizing element such as Fe, Mo, Nb, V, Ta, Cr, Ru.
By using a shot material containing these β-stabilizing elements as a shot material in the shot peening process, the β-stabilizing element contained in the shot material can be penetrated into the metal structure. Thereby, in the heating process performed after the shot peening process, it is possible to more stably form a β layer as an intermediate layer between the nanocrystal layer formed on the surface layer portion and the base material.

これとは反対に、ショットピーニング工程におけるショット材としてα安定化元素を含むショット材を使用することによって、ショット材に含有されているα安定化元素を金属組織の内部に侵入させることができる。α安定化元素としては、Al、C、O、N、Sn等をその例として挙げることができる。その後、熱処理をすることで、α層の形成をすることができる。つまり、α安定化元素を含むショット材及びβ安定化元素を含むショット材を選択的に使用することによって、金属材料の内部に侵入させる元素の種類を任意に選択することができる。   On the contrary, by using a shot material containing an α-stabilizing element as a shot material in the shot peening process, the α-stabilizing element contained in the shot material can be penetrated into the metal structure. Examples of the α stabilizing element include Al, C, O, N, Sn and the like. Thereafter, the α layer can be formed by heat treatment. That is, by selectively using a shot material containing an α-stabilizing element and a shot material containing a β-stabilizing element, it is possible to arbitrarily select the type of element that enters the metal material.

本発明に係る金属材料の表面処理方法によれば、チタンあるいはチタン合金からなる金属材料の表層部に極めて硬度の高いナノ結晶層を形成することができる。また、ナノ結晶層と基材との間には、硬度がそれほど高くないβ層を形成することができる。したがって、表層部の硬度が高いので耐摩耗性や耐衝撃性に優れるとともに、硬度の低いβ層が他の部材と衝突したときの反発係数を小さくすることによって、高周波数の騒音が発生しにくい金属材料を得ることが可能となる。   According to the surface treatment method for a metal material according to the present invention, it is possible to form a nanocrystal layer with extremely high hardness on the surface layer portion of a metal material made of titanium or a titanium alloy. In addition, a β layer having a low hardness can be formed between the nanocrystal layer and the base material. Therefore, since the hardness of the surface layer portion is high, it has excellent wear resistance and impact resistance, and it is difficult to generate high-frequency noise by reducing the coefficient of restitution when the β layer with low hardness collides with other members. A metal material can be obtained.

本発明の金属材料の表面処理方法は、高周波数の騒音を低減したい部品に対して特に好ましく適用することが可能である。特に、チタン合金製の自動車用エンジンバルブに対して本発明の表面処理方法を適用することによって、このエンジンバルブの駆動に伴って発生する高周波数の騒音を低減することが可能になる。
また、本発明の表面処理方法は、その他のエンジン部品の表面処理方法に適用することも可能であり、例えば、エンジンに使用されるシャフトやカム、ハウジング等の表面処理方法に適用することが可能である。
The surface treatment method for a metal material according to the present invention can be particularly preferably applied to a component for which high frequency noise is desired to be reduced. In particular, by applying the surface treatment method of the present invention to an automobile engine valve made of titanium alloy, it becomes possible to reduce high-frequency noise that is generated when the engine valve is driven.
The surface treatment method of the present invention can also be applied to other engine component surface treatment methods, for example, a surface treatment method for shafts, cams, housings, etc. used in engines. It is.

また、本発明の金属材料の表面処理方法は、自動車用部品以外の他の部品の表面処理方法としての適用可能性をも有している。例えば、ゴルフクラブのヘッドに対して本発明の表面処理方法を適用することによって、β層により反発係数が小さくなることを利用して、フェース面にボールが当たったときの反発係数を調節することも可能である。   In addition, the surface treatment method for a metal material of the present invention has applicability as a surface treatment method for other parts other than automobile parts. For example, by applying the surface treatment method of the present invention to the head of a golf club, the restitution coefficient when the ball hits the face surface is adjusted by utilizing the fact that the restitution coefficient is reduced by the β layer. Is also possible.

〔ショットピーニング工程〕
図2は、ショットピーニング装置の概略構成図である。本実施例では、図2に示すように、φ13mm×L5mm、Ti-6Al-4V合金製のテストピース22(金属材料)の表面に対して、エア噴射式のショットピーニング装置20を用いてショット材を吹き付けた。ショット材としては、φ0.05mm、Fe-1.0C(鋳鉄)製のショット材を使用した。ショット材の噴射速度は、190m/sに設定した。ショットピーニングの加工の程度を示すカバレージ(C)は、6000%(噴射時間60秒)に設定した。カバレージ(C)は、テストピース22の加工全面積(A)とショットピーニングにより生じた圧痕の総面積(B)より、C=B/A×100%と定義される。本実施例では、テストピース表面でのショット材の衝突回数をより分り易く表現するために、カバレージ50%の加工に要する噴射時間を基準にして、噴射時間に比例してカバレージを表現している。例えば、カバレージ50%のショットピーニング加工に要する時間が0.5秒の場合には、噴射時間が10秒の場合をカバレージ1000%と表現している。
[Shot peening process]
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the shot peening apparatus. In this embodiment, as shown in FIG. 2, the shot material is shot by using an air jet type shot peening apparatus 20 on the surface of a test piece 22 (metal material) of φ13 mm × L5 mm, Ti-6Al-4V alloy. Sprayed. As the shot material, a shot material made of 0.05 mm and made of Fe-1.0C (cast iron) was used. The injection speed of the shot material was set to 190 m / s. The coverage (C) indicating the degree of shot peening processing was set to 6000% (injection time 60 seconds). The coverage (C) is defined as C = B / A × 100% from the total processing area (A) of the test piece 22 and the total area (B) of the indentation generated by shot peening. In this embodiment, in order to more easily express the number of shot material collisions on the surface of the test piece, the coverage is expressed in proportion to the injection time with reference to the injection time required for processing with 50% coverage. . For example, when the time required for shot peening with 50% coverage is 0.5 seconds, the case where the injection time is 10 seconds is expressed as 1000% coverage.

〔加熱工程〕
ショットピーニング装置20によりショットピーニング処理を施したテストピース22に対して、電熱式のヒータにより加熱処理を施した。このときの加熱温度は850℃、加熱時間は1時間に設定した。
[Heating process]
The test piece 22 subjected to the shot peening process by the shot peening apparatus 20 was subjected to a heating process by an electrothermal heater. The heating temperature at this time was set to 850 ° C., and the heating time was set to 1 hour.

〔電子顕微鏡による組織観察とEDXによる組成分析〕
ショットピーニング処理及び加熱処理を施したテストピース22の表面近傍の状態を電子顕微鏡により観察するとともに、エネルギー分散型X線マイクロアナライザー(EDX)によるテストピース22の元素分析を行った。この結果を図3に示す。
また、比較例として、ショットピーニング処理のみを施して加熱処理を施す前のテストピース22の表面近傍の状態を電子顕微鏡により観察するとともに、エネルギー分散型X線マイクロアナライザー(EDX)によるテストピース22の元素分析を行った。この結果を図4に示す。
[Structural observation by electron microscope and composition analysis by EDX]
The state near the surface of the test piece 22 subjected to the shot peening treatment and the heat treatment was observed with an electron microscope, and elemental analysis of the test piece 22 was performed with an energy dispersive X-ray microanalyzer (EDX). The result is shown in FIG.
In addition, as a comparative example, the state in the vicinity of the surface of the test piece 22 that has been subjected only to the shot peening treatment and before the heat treatment is observed with an electron microscope, and Elemental analysis was performed. The result is shown in FIG.

図3に示すように、ショットピーニング処理及び加熱処理を施したテストピース22の表面近傍には、ナノ結晶層(丸付き番号1,2)と基材(丸付き番号5,6)との間に、β型のチタン合金のβ層(丸付き番号3,4)が新たに形成されていることが確認された。また、各層(ナノ結晶層、β層、基材層)の境界線が明瞭に現れていることを確認することができた。また、EDXによる元素分析の結果により、ナノ結晶層と基材との間に形成されている層がβ型のチタン合金の層であることの裏付けをとることができた(丸付き番号3,4)。
これに対して、図4に示すように、ショットピーニング処理のみを施したテストピース22の表面近傍には、ナノ結晶層(丸付き番号1)と基材(丸付き番号2〜9)との間に、β層が全く形成されていなかった。
As shown in FIG. 3, in the vicinity of the surface of the test piece 22 subjected to the shot peening treatment and the heat treatment, between the nanocrystal layer (circled numbers 1 and 2) and the base material (circled numbers 5 and 6). In addition, it was confirmed that a β layer (circled numbers 3 and 4) of a β-type titanium alloy was newly formed. Moreover, it has confirmed that the boundary line of each layer (a nanocrystal layer, (beta) layer, a base material layer) appeared clearly. In addition, the results of elemental analysis by EDX confirmed that the layer formed between the nanocrystal layer and the base material is a β-type titanium alloy layer (circled number 3, 4).
On the other hand, as shown in FIG. 4, in the vicinity of the surface of the test piece 22 subjected to only shot peening treatment, a nanocrystal layer (circled number 1) and a base material (circled numbers 2 to 9) In the meantime, no β layer was formed.

〔反発係数測定試験〕
ナノ結晶層と基材との間にβ層が形成されることによって反発係数が小さくなることを確認するために、以下の要領で反発係数測定試験を行った。
まず、以下の表1に示すように、表面処理方法が異なる5種類のテストピースを準備した。テストピースの材質、形状は、実施例1のテストピース22と同様である。
[Restitution coefficient measurement test]
In order to confirm that the restitution coefficient is reduced by forming the β layer between the nanocrystal layer and the base material, a restitution coefficient measurement test was performed in the following manner.
First, as shown in Table 1 below, five types of test pieces with different surface treatment methods were prepared. The material and shape of the test piece are the same as those of the test piece 22 of the first embodiment.

表1において、テストピース番号1は、表面に何らの処理も施していないテストピースである。このテストピース番号1については、表面粗さがそれぞれ異なる3種類のテストピースを準備した。テストピース番号2は、ショットピーニング処理(カバレージ6000%)のみを施したテストピースである。テストピース番号3は、ショットピーニング処理(カバレージ6000%)を施した後に、表面にバフ研磨を施したテストピースである。テストピース番号4は、ショットピーニング処理を施した後に(カバレージ6000%)、加熱処理(820℃で1時間)を施したテストピースである。テストピース番号5は、加熱処理(820℃で1時間)のみを施したテストピースである。   In Table 1, test piece number 1 is a test piece whose surface has not been subjected to any treatment. For this test piece number 1, three types of test pieces having different surface roughnesses were prepared. Test piece number 2 is a test piece subjected to only shot peening (coverage 6000%). Test piece number 3 is a test piece having a surface subjected to buffing after shot peening (coverage 6000%). Test piece number 4 is a test piece that has been subjected to heat treatment (820 ° C. for 1 hour) after being subjected to shot peening treatment (coverage 6000%). Test piece number 5 is a test piece subjected to only heat treatment (820 ° C. for 1 hour).

表1における5種類のテストピースの表面(上面)の粗さ([Rz])を測定した後に、表1における5種類のテストピースを水平に置いて、そのテストピースの上面を基準として1mの高さからSUSJ2(高炭素クロム軸受鋼)のボールを落下させた。そして、このボールの1回目の跳ね返りの高さ([m])を反発係数(=h1/h0:h0は落下高さ、h1は跳ね返り高さ)として測定した。この結果を図5に示す。   After measuring the roughness ([Rz]) of the surface (upper surface) of the five types of test pieces in Table 1, the five types of test pieces in Table 1 were placed horizontally, and 1 m A ball of SUSJ2 (high carbon chromium bearing steel) was dropped from the height. The height of the first rebound ([m]) of this ball was measured as the coefficient of restitution (= h1 / h0: h0 is the drop height, and h1 is the rebound height). The result is shown in FIG.

図5に示す結果からわかるように、表面にショットピーニング処理及び加熱処理を施したテストピース(テストピース番号4)については、ショットピーニング処理のみを施したテストピース(テストピース番号2)及び加熱処理のみを施したテストピース(テストピース番号5)と比較すると、反発係数が1/2以下程度にまで小さくなることが確認された。つまり、この実施例2の結果より、本発明に係る金属材料の表面処理方法によって、金属材料の反発係数を小さくすることができる(換言すれば、他の部材との衝突時の騒音を小さくすることができる)ことが実証された。   As can be seen from the results shown in FIG. 5, for the test piece (test piece number 4) subjected to shot peening treatment and heat treatment on the surface, the test piece (test piece number 2) subjected to only shot peening treatment and heat treatment It was confirmed that the coefficient of restitution is reduced to about ½ or less when compared with the test piece (test piece number 5) subjected only to the above. That is, from the result of Example 2, the metal material surface treatment method according to the present invention can reduce the coefficient of restitution of the metal material (in other words, reduce the noise at the time of collision with other members). It has been demonstrated that

ショットピーニング工程及び加熱工程についての模式的な説明図である。It is typical explanatory drawing about a shot peening process and a heating process. ショットピーニング装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of a shot peening apparatus. ショットピーニング処理及び加熱処理を施したテストピースの表面近傍の状態の電子顕微鏡写真である。また、EDXによるこのテストピースの元素分析の結果である。It is an electron micrograph of the state of the surface vicinity of the test piece which performed the shot peening process and the heat processing. Moreover, it is the result of the elemental analysis of this test piece by EDX. ショットピーニング処理のみを施して加熱処理を施す前のテストピースの表面近傍の状態の電子顕微鏡写真である。また、EDXによるこのテストピースの元素分析の結果である。It is an electron micrograph of the state of the surface vicinity of the test piece before giving only a shot peening process and heat-processing. Moreover, it is the result of the elemental analysis of this test piece by EDX. 反発係数測定試験の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of a restitution coefficient measurement test.

符号の説明Explanation of symbols

10 表面
12 ショット材
14 ナノ結晶層
16 基材
18 β層
20 ショットピーニング装置
22 テストピース
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Surface 12 Shot material 14 Nanocrystal layer 16 Base material 18 Beta layer 20 Shot peening apparatus 22 Test piece

Claims (7)

チタンあるいはチタン合金からなる金属材料の表面にショットピーニング処理を施して、表層部の金属組織をナノ結晶化させるショットピーニング工程と、前記ショットピーニング工程と同時もしくはその後に前記金属材料を加熱する加熱工程と、を有し、
前記加熱工程では、金属材料を加熱することにより、ショットピーニング工程において金属材料の表面に形成されたナノ結晶層と基材との間にβ層を形成し、
前記ショットピーニング工程において用いられるショット材は、β安定化元素を含むショット材であり、前記ショットピーニング工程では、前記ショット材に含有されているβ安定化元素を金属組織の内部に侵入させながら、金属材料の表層部の金属組織をナノ結晶化させることを特徴とする金属材料の表面処理方法。
Provide Reinforced shot peening treatment to the surface of the metal material composed of titanium or titanium alloy is heated and shot peening step of a surface layer portion of the metal structure to nanocrystallization, the shot peening step and simultaneously with or subsequent to the metal material heated and the step, possess,
In the heating step, by heating the metal material, a β layer is formed between the nanocrystal layer formed on the surface of the metal material and the base material in the shot peening step,
The shot material used in the shot peening process is a shot material containing a β-stabilizing element, and in the shot peening process, while allowing the β-stabilizing element contained in the shot material to enter the inside of the metal structure, A surface treatment method for a metal material, characterized by nanocrystallizing a metal structure of a surface layer portion of the metal material.
金属材料は、α+β型のチタン合金であることを特徴とする請求項1に記載の金属材料の表面処理方法。   The metal material surface treatment method according to claim 1, wherein the metal material is an α + β type titanium alloy. 請求項1または請求項2に記載の金属材料の表面処理方法であって、
加熱工程では、金属材料を700℃以上の温度で加熱することを特徴とする金属材料の表面処理方法。
A surface treatment method for a metal material according to claim 1 or 2,
In the heating step, the metal material is heated at a temperature of 700 ° C. or higher.
請求項1から請求項3のうちいずれか1項に記載の金属材料の表面処理方法であって、
加熱工程では、金属材料を700℃以上の温度で0.5時間以上加熱することを特徴とする金属材料の表面処理方法。
It is the surface treatment method of the metal material of any one of Claims 1-3,
In the heating step, the metal material surface treatment method is characterized in that the metal material is heated at a temperature of 700 ° C. or higher for 0.5 hour or longer.
請求項1から請求項4のうちいずれか1項に記載の金属材料の表面処理方法によって表面処理されたチタンあるいはチタン合金からなる金属材料。   A metal material made of titanium or a titanium alloy surface-treated by the surface treatment method for a metal material according to any one of claims 1 to 4. 請求項1から請求項4のうちいずれか1項に記載の金属材料の表面処理方法によって表面処理されたチタンあるいはチタン合金からなるエンジンバルブ。   An engine valve made of titanium or a titanium alloy surface-treated by the metal material surface treatment method according to any one of claims 1 to 4. 表面に形成された結晶粒径が100nm以下のナノ結晶層と基材との間にβ層が形成されていることを特徴するチタンあるいはチタン合金からなる金属材料。 Metallic material composed of titanium or titanium alloy, wherein a β layer is formed between the grain size was formed with the following nanocrystal layer and the substrate 100nm on the surface.
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