JP4441128B2

JP4441128B2 - チタン合金のベーキング処理方法

Info

Publication number: JP4441128B2
Application number: JP2001004088A
Authority: JP
Inventors: 弘一田中; 信一田中
Original assignee: Tanaka Ltd
Current assignee: Tanaka Ltd
Priority date: 2001-01-11
Filing date: 2001-01-11
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2021-01-11
Also published as: JP2002212694A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、プラズマ浸炭処理を施したチタン合金の水素脆性による材質低下を防止するために、水素含有量を低減させるベーキング処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
チタン合金は、比強度、破壊靱性、耐熱性及び耐蝕性などに優れた特性を有しているため、航空機材料として重要な位置を占めており、その使用量も増加しつつあり、航空機の高速化や大型化などに伴い、外板、フレーム、結合金具類やファスナー類などの一次構造部材に使用されるようになり、純チタンよりも強度の高いチタン合金が主として使用されている。
【０００３】
例えば、ボルト、ナットなどのファスナー類では、熱応力を含めて繰返し応力を受ける苛酷な条件で使用される場合が多いため、ねじ部品としての所要の耐摩耗性及び設計上必要な締め付け力を確保するための良好な摺動性などの特性が要求されるが、チタン合金からこれらのねじ部品を製作する場合には、このような所要特性が充分満足できないという問題点があった。
【０００４】
このような特性を向上させるために、本出願人らによって、特願２０００−２１１５１８号に提案したように、例えば、α＋β型チタン合金では、通常、β変態点の直下で溶体化処理を行った後、数百度（℃）前後の温度域で、時効処理を行って、β相からα相を微細に析出させて強化した後、表面にＴｉＣの硬化層を形成するために、プラズマ浸炭処理を行う方法がある。
【０００５】
このプラズマ浸炭処理は、真空雰囲気中で、例えば、処理室内の上部断熱材が直流電源の陽極に接続され、被処理物の載置台が前記直流電源の陰極に接続され、両極間に直流電圧を加えてグロー放電を生じさせ、処理室の要所に設けたマニホールドから導入した浸炭性ガスをイオン化して、活性炭素イオンを発生させ、この活性炭素イオンを金属被処理物の表面に衝突させて被処理物内に拡散させ、Ｔｉと結合させて、表層部にＴｉＣの硬化層を形成する処理である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記プラズマ浸炭処理においては、活性炭素イオンとともに、雰囲気ガスの組成である水素もイオン化して、雰囲気内に存在するために、前記浸炭処理を施さない場合に比べて、水素が被処理物内に侵入しやすくなる。そのため、前記浸炭処理物は、靱性の低下や引張り強度よりも低い荷重で破壊するなど、所謂水素脆性を引起しやすくなり、このことは、前述のように苛酷な使用条件においても安全性が要求される航空機部品においては致命的な欠点となる。
【０００７】
そこで、この発明の課題は、溶体化処理及び時効処理後にプラズマ浸炭処理を施したチタン合金の水素脆性による材質低下を防止するために、水素含有量を低減させるベーキング処理方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、この発明においては、溶体化処理及び時効処理後にプラズマ浸炭処理を施したチタン合金を、真空下で２００℃以上前記時効処理の下限温度の範囲に所要時間保持してその内部の水素含有量を低減させるようにしたのである。
【０００９】
このようにすれば、プラズマ浸炭時に、活性炭素イオンとともに雰囲気中に存在するために、チタン合金内に侵入した水素が、真空下でチタン合金の表面に拡散して真空雰囲気中に放出されるのである。
【００１０】
ここで、保持温度範囲が２００℃以下であると、水素原子の拡散速度が遅くなって処理時間が長くなりすぎ、また、時効処理の下限温度以上になって時効温度域に入ると、析出物が凝集、粗大化するなどして過時効となって、前記チタン合金の強度が低下するなどの材質劣化のおそれがあるためである。前記時効処理の下限温度は、チタン合金の種類によって異なるが、およそ５７０℃以下の温度域にある。
【００１１】
なお、前記真空下とは、大気圧よりも低い圧力の状態を意味する。
【００１２】
前記所要時間が３０分以上１０時間以下であることが望ましい。
【００１３】
前記２００℃から時効処理の下限温度までの温度範囲では、保持時間が３０分よりも短いと侵入した水素がチタン合金の表面にまで充分拡散しなく、真空雰囲気中への放出が不充分となり、また、保持時間が１０時間以上としても、それ以上は、真空雰囲気中への水素の放出は殆ど期待できないからである。
【００１４】
前記真空の程度が、１５Ｐａ以下であることが望ましい。
【００１５】
プラズマ処理後のチタン合金中の水素は、単純に侵入しているだけなので、真空雰囲気の圧力を低くすればするほど、効果的に脱水素することができる。前記温度範囲に保持中の真空度が１５Ｐａを超えると、侵入した水素が真空雰囲気中に放出されにくくなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施形態のチタン合金の熱処理方法を添付の図１及び図２を参照して説明する。
【００１７】
この発明のベーキング処理は、（α＋β）型チタン合金、β型チタン合金、準α型合金のいずれにも適用することができる。
【００１８】
例えば、強度と靱性のバランスに優れ、熱処理性及び成形性に優れた代表的なα＋β型チタン合金であるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖについて記せば、前記溶体化処理は９００℃から９７０℃の温度範囲に２０分から７０分程度保持したのち、水冷することにより行われ、前記時効処理は４８０℃から６９０℃の温度範囲に２〜８時間保持することにより行われる。
【００１９】
前記プラズマ浸炭処理に用いる装置（日本電子工業社製）は、加熱炉の炉殻の内周面に取り付けられた断熱材等によって囲まれて処理室が形成され、この処理室がその内部に設けたグラファイトロッドからなる発熱体により加熱される。処理室内の上部断熱材が直流電源の陽極に接続され、被処理物の載置台が前記直流電源の陰極に接続され、両極間に直流電圧を加えてグロー放電を生じさせ、処理室の要所に設けたマニホールドから導入した浸炭性ガスをイオン化して活性炭素イオンを発生させ、この活性炭素イオンを被処理物の表面に衝突させて浸炭処理を行うにようになっている。また、処理室には、その内部を真空状態にするために、真空ポンプが接続されている。
【００２０】
被処理物のチタン合金は、まず、有機溶剤または超音波を用いて洗浄処理される。そして、前記処理室の載置台上に置かれた被処理物のチタン合金を、前記発熱体により加熱し、３５０℃以上７００℃未満の温度域に加熱し、処理室内に導入した水素ガスを混合した不活性ガスをプラズマ化し、このクリーニング用ガスで、チタン合金表面の酸化皮膜を跳ね飛ばすクリーニング処理を行う。
【００２１】
次いで、前記処理室の載置台上のチタン合金は、前記発熱体により、３５０℃から７００℃、望ましくは４００℃から６９０℃の温度範囲に加熱され、処理室内に浸炭性ガスとして、プロパンガス２０ｖｏｌ．％、希釈ガスとしての水素ガス８０ｖｏｌ．％の混合ガスが、処理室内の圧力が１３Ｐａ〜４００Ｐａの真空雰囲気になるように流量調節されて導入される。そして、前記グロー放電によりプロパンガス中の炭素がイオン化されて、活性炭素イオンが発生し、この活性炭素イオンがチタン合金に衝突し、拡散してＴｉと結合し、その表層部に浸炭層、即ちＴｉＣの硬化層が形成される。
【００２２】
前記浸炭処理の終了後、処理室内の浸炭性ガスが排気され、窒素ガスが処理室内に導入されて、チタン合金の温度を、処理室の開閉扉を開けて浸炭処理に伴って発生した煤などの異物を除去できる温度にまで降下させる。そして、処理室内を再度、前記真空ポンプで排気しておよそ１５Ｐａ以下の真空状態として、２００℃から時効処理の下限温度の範囲に、即ち前記Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖでは、２００℃から４８０℃の温度範囲に３０分〜１０時間の範囲の所要時間保持して、ベーキング処理を行い、保持終了後、処理室内に窒素ガスを導入し、チタン合金を常温まで冷却して処理室から取り出す。
【００２３】
ここで、保持温度範囲を２００℃から４８０℃の範囲としたのは、前述のように、保持温度が２００℃以下であると、水素原子の拡散速度が遅くなって処理時間が長くなりすぎ、また、４８０℃以上になると、時効温度域に入って、析出物が凝集、粗大化するなどして、過時効となり、前記チタン合金の強度が低下するなどの材質劣化のおそれがあるためである。
【００２４】
なお、前記時効処理の下限温度は、前述のように、チタン合金の種類によって異なり、（α＋β）型合金では、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖの場合のおよそ４８０℃を中心に４５０℃から５７０℃の範囲に、β型合金では、およそ４４０℃から４８０℃の範囲にある。また、準α合金では、５５０℃近傍にある。
【００２５】
また、前記２００℃から４８０℃の範囲、即ち２００℃から時効処理の下限温度の範囲では、保持時間が３０分よりも短いと侵入した水素がチタン合金の表面にまで充分拡散しなく、真空雰囲気中への放出が不充分となり、また、保持時間が１０時間以上としても、この保持時間以降の真空雰囲気中への水素の放出は殆ど期待できなく、処理時間が長くなるだけだからである。この保持時間は、チタン合金の種類によって異なる前記時効処理の下限温度や前記プラズマ浸炭処理条件に応じて適宜選択する前記温度範囲内のベーキング温度によって、前記時間範囲内で適切に決定することができる。
【００２６】
前記真空の程度が、１５Ｐａ以下とするのは、プラズマ処理後のチタン合金中の水素は、単純に侵入しているだけなので、真空雰囲気の圧力を低くすればするほど、効果的に脱水素することができるためであり、前記温度範囲に保持中の真空度が１５Ｐａを超えると、侵入した水素が真空雰囲気中に放出されにくくなる。
【００２７】
【実施例】
溶体化処理（９５０℃に１時間保持後、水冷）及び時効処理（５４０℃で８時間保持後、空冷）された直径２０ｍｍのチタン合金Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖの丸棒から引張試験片（平行部直径９ｍｍ、平行部長さ５０ｍｍ、肩部半径１５ｍｍ）及び図１に示した疲労試験片（切欠き平行部長さＬ₁＝８ｍｍ、切欠き平行部直径Ｄ₁＝６．６ｍｍ、切欠き平行部の肩部半径Ｒ₁＝１．５ｍｍ、平行部長さＬ₂＝７１ｍｍ、平行部直径Ｄ₂＝１０．５ｍｍ、平行部の肩部半径Ｒ₂＝２１ｍｍ、全長Ｌ₃＝１５２ｍｍ）を切り出し、１０００番のエメリー紙で研磨後、アセトン中で超音波洗浄し、水素ガスを混合した窒素ガスを用いて、前述のクリーニング処理を行った。
【００２８】
そして、浸炭ガスとして、プロパンガス２０ｖｏｌ．％、水素ガス８０ｖｏｌ．％の混合ガスを用い、前記ガス圧力１００Ｐａ、処理温度５３０℃、処理時間約４０分の条件で、プラズマ浸炭処理を行った。浸炭処理終了後、迅速に浸炭ガスを排気し、処理室に窒素ガスを導入して被処理物の前記各試験片を強制冷却し、その温度を１５０℃にまで下げ、処理室内の煤などの異物を除去した後、窒素ガスを排気し、１０Ｐａにまで減圧し、真空状態とした。そして、前記試験片を３００℃まで再加熱して、この温度で５時間保持してベーキング処理を行い、保持終了後、再度、処理室内に窒素ガスを導入して、常温まで冷却した。
【００２９】
このような処理を実施した前記各試験片を用いて引張り試験及び引張り疲労試験を行った。
【００３０】
図２は、引張り試験時の荷重−変位曲線を示したもので、同図中に処理条件Ａ、Ｂ、Ｃを示した。ここで、溶体化処理及び時効処理をＳＴＡ処理と記した。図２において、曲線Ｃが前述のベーキング処理を施した引張り試験片を用いた場合（処理Ｃ）である。同図中には、比較例として、ＳＴＡ処理のみを施した引張り試験片を用いた場合の曲線Ａ、ＳＴＡ処理後プラズマ浸炭処理を施しただけの引張り試験片を用いた場合の曲線Ｂも合わせ示している。
【００３１】
同図から、ＳＴＡ処理だけの場合（曲線Ａ）、ＳＴＡ処理＋プラズマ浸炭の場合（曲線Ｂ）、ＳＴＡ処理＋プラズマ浸炭＋ベーキングの場合（曲線Ｃ）のいずれの場合も、最大引張り荷重はほぼ等しく、この最大引張り荷重から算出した引張り強度はＡ、Ｂ、Ｃいずれの処理の場合も同程度であり、ＳＴＡ処理後にプラズマ浸炭、またはプラズマ浸炭＋ベーキングの処理を施しても、引張り強度は低下せず、また、降伏応力、即ち０．２％耐力もＡ、Ｂ、Ｃいずれの処理の場合もほぼ同じレベルであった。これらのことから、プラズマ浸炭処理、またはプラズマ浸炭＋ベーキング処理はＳＴＡ処理、即ち溶体化及び時効処理後の強度特性には悪影響を及ぼさないことが確認された。
【００３２】
一方、図１に示した疲労試験片を用いた引張り疲労試験は、電磁共振型疲労試験機を用い、実部品に要求される疲労強度に基づいて応力条件を設定し、最大応力約３１５ＭＰａ、最小応力約３０ＭＰａ、応力比０．１、応力振幅約１４３ＭＰａ、繰返し速度１００Ｈｚで実施した。この応力条件で、ＳＴＡ処理＋プラズマ浸炭処理（処理Ｂ）の場合には、繰返し数１０⁴で破断したが、ＳＴＡ処理（処理Ａ）の場合、ＳＴＡ処理＋プラズマ浸炭＋ベーキング処理（処理Ｃ）の場合には前記試験片はいずれも疲れ限度と見なすに必要な繰返し数１０⁷でも破断には至らなかった。
【００３３】
このことは、ＳＴＡ処理＋プラズマ浸炭処理の場合には、前述のように、浸炭処理の過程で水素がチタン合金中に侵入し、この水素がα相とβ相の界面に拡散し、水素化物を析出するなどして水素脆性を引き起こし、疲労強度が低下したと考えられる。一方、プラズマ浸炭後にベーキング処理を実施した場合（処理Ｃ）には、ベーキング処理によって侵入した水素がチタン合金表面に拡散して、真空雰囲気中へ放出されるため、水素脆性を引き起こすことなく、疲労強度がＳＴＡ処理を行った場合と同じレベルにまで回復したと考えられる。疲労試験後の処理Ａ、Ｂ、Ｃの各試験片からサンプルを採取して、水素濃度を分析したところ、ＳＴＡ処理後のプラズマ浸炭により一旦増加した水素濃度が、前記ベーキング処理により水素が放出されてＳＴＡ処理後の水素濃度近くにまで低減されていることを確認した。
【００３４】
このように、前記ねじ部品の耐摩耗性及び摺動性などを向上させるため、溶体化及び時効処理後にプラズマ浸炭を実施しても、その後に前述のベーキング処理を実施すれば、水素脆性による疲労強度などの機械的性質の低下を防止することができる。また、ねじ部品表層部のＴｉＣの硬化層による前記耐摩耗性及び摺動性の向上により、ねじ面に圧力が作用した状態で繰り返し応力を受ける場合の疲労特性、即ちフレッティング疲労特性の向上も期待される。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、溶体化及び時効処理されたチタン合金にプラズマ浸炭を施した後に、チタン合金の種類などに応じた適正な処理条件を選択し、ベーキング処理を実施するので、浸炭処理過程で侵入した水素を除去して水素脆性による疲労強度などの機械的性質の低下を防止することができる。それにより、チタン合金表層部に形成されたＴｉＣの硬化層の本来の特性が発揮でき、前述の耐摩耗性及び摺動性が向上し、航空機等に適用される部品としての要求特性を満足することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態のベーキング処理を施した疲労試験片の平面図
【図２】同上の引張り試験片を用いた引張り試験結果を示す荷重−変位曲線の説明図

Claims

溶体化処理及び時効処理後にプラズマ浸炭処理を施したチタン合金を、真空下で２００℃以上前記時効処理の下限温度の範囲に所要時間保持してその内部の水素含有量を低減させるチタン合金のベーキング処理方法。
前記所要時間が３０分以上１０時間以下である請求項１に記載のチタン合金のベーキング処理方法。
前記真空の程度が、１５Ｐａ以下である請求項１または２に記載のチタン合金のベーキング処理方法。