JPH01195264A - 高硬度表面層を有するβ型チタン合金の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、β型チタン合金の表面処理に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

チタン材料は、一般に摩擦係数が０．５〜０．６と大き
い値を示し、他の金属と接触する用途に使用する場合に
は、焼き付きが生じやすい。また、β型チタン合金は切
り欠き感受性が強く、切り欠き部分からの亀裂の発生も
多い。そこで潤滑剤の使用は勿論のこと種々の表面硬化
処理が施されている。例えば、１）鍍金、溶射、拡散接
合、ろう付け、肉盛溶接などにより、高硬度値を有する
他の材料をチタン材料の表面に付着またはチタン材料の
表面層中に分散させる、あるいは、２）Ｃ，Ｎ、０など
の異種元素をチタン材料の表面に固溶させ、硬いα相を
チタン材料の表面付近に生成させるかあるいはＣ，、Ｎ
、０などの異種元素とチタンとの化合物をチタン材料の
表面付近に生成させるなどの方法がとられてきた。

しかしながら、■）では、表面層の硬度上昇の割には、
工程が煩雑であり、また表面層と母相のチタン材との界
面でしばしば剥離が起ごるなどの問題点がある。また、
２）は非常に硬い表面層を得ることができるが、この硬
い表面層は非常に薄く、窒化処理を行った場合、約３０
μｍ〜５０μｍの厚みしか得られない。従って、これら
の場合、安全設計上問題があると共に、表面処理後、機
械的方法で精密加工を施すことが不可能である。

一方、熱処理のみによる表面処理方法としては、レーザ
ー照射あるいは高周波焼入れ、火炎焼入れなどの方法が
あるが、これらはいずれも鋼などの表面処理に通用して
、表面層部分のみを変態点以上に加熱し、レーザー照射
後の速い自己冷却能を利用して、あるいは焼入れること
により、高硬度のマルテンサイト相を生成させるための
ものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は、従来よりも簡単な方法で、剥離し難く、０．
３１ＴＩＩ１１以上の硬化法゛さの高硬度表面層を有す
るβ型チタン合金を製造するための方法を提供しようと
するものである。

〔問題点を解決するための手段〕 請求項１の発明（以下本発明（１）という）では、４０
０℃以上の温度での時効処理を施したβ型チタン合金を
、表面層のみが当該合金のβ−トランザス＋２５０℃以
上の温度になるように急速加熱保持し、１０℃毎秒以上
の冷却速度で冷却後、１００℃以上４００℃以下の温度
で再び時効処理を施すことを特徴とする。ここで、急速
加熱の際の加熱速度および保持時間は、材料の大きさな
どに依存して変化させる。また、β−トランザス＋２５
０℃以上の温度からの冷却は、再時効処理温度以下の温
度まで行い、その後、再時効処理温度まで加熱すること
により再時効処理を行ってもよいし、直接、再時効処理
温度まで冷却し、その温度で引き続き再時効処理を行っ
てもよい。

請求項２の発明（以下本発明（２）という）では、４０
０℃以上の温度での時効処理を施したβ型チタン合金に
、レーザーを表面に照射することにより象、速加熱を行
い、表面層のみを当該合金のβ−トランザス＋２５０℃
以上の温度に加熱し、レーザー照射後の優れた自己冷却
能により急速冷却後、１００　’Ｃ以上４００℃以下の
温度で再び時効処理を施すことを特徴とする。ここでレ
ーザー照射は、スポット状のビームを走査させながら、
試料の前方に送る、あるいは試料を後方へ送る方式でも
よいし、幅広ビームを用いる方式でもよい。

また、ＣＯ□レーザーなどのように連続的な照射を行っ
てもよいし、ＹＡＧレーザーのようにパルス波を照射し
てもよい。

〔作　用〕

以下本発明について詳細に説明する。

本発明者らは、鋭意研究の結果、β−トランザス＋２５
０℃以上の高温β域で溶体化処理後急冷したβ型チタン
合金は、著しく加速された時効硬化挙動を示し、α相が
微細にかつ均一に析出し、強度を上昇させることを見い
出した。たとえばＴｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａ
　Ｉ！金合金β−トランザス；７６０’Ｃ）を通常の溶
体化処理である８００℃の溶体化処理を行った後急冷し
た材料は、３００℃で時効処理した場合、７２０時間の
処理でもビッカース硬度で４５０　（Ｈｖ）程度である
のに対し、１２００℃で溶体化処理後水焼入れした材料
を、３００℃で時効処理した場合、わずか４８時間で５
００　（ｌｌｖ）の高硬度を得ることができる。これは
、高温のβ域で溶体化処理することにより高濃度の空孔
が導入され、その後急冷することにより時効処理温度ま
でこの高濃度の空孔を凍結し、空孔との位置交換が主た
る機構である元素の拡散が時効処理中に著しく加速され
、微細なα相が非常に速くかつ均質に析出することによ
るものである。ここで「β型チタン合金」とは、いわゆ
るｒ　ｎｅａｒβ型チタン型金タフ合金でいる。すなわ
ち、β型チタン合金とは、β相から焼入れだ場合、８０
％以上のβ相がマルテンサイト変態せず室温まで残留す
る種類のチタン合金であり、例えばＴｉ−６ＡＣ２Ｓｎ
−４Ｚｒ−６Ｍｏ。

Ｔｉ−１０Ｖ−２Ｐｅ−３＃Ｊ合金、Ｔｉ−１５Ｖ−３
Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａ１合金、ＴｉＴｉ−３ｊＶ−８Ｖ−
６Ｃｒ−４Ｚｒ−４合金、Ｔｉ−１３Ｖ−１１Ｃｒ−３
Ａ１合金などである。また、β−トランザスとはβ−相
が安定であるような最下限の温度である。

本発明はこの現象をβ型チタン合金の表面層の硬化に応
用したものである。

一般にβ型チタン合金は、鋳造あるいは熱間加工、冷間
加工あるいは粉末成型あるいは溶体化処理あるいは焼鈍
などの工程を施した後、歪み取り焼鈍を除く苺材の最終
熱処理として、４００℃以上の温度での時効処理を施す
。これは、時効処理により高強度化が図られるが、４０
０℃以下での時効処理を行うと著しく延性が低下するた
めである。

したがって、延性を確保するために最終時効処理温度は
通常４００℃以上の温度域で行われる。

本発明（１）では、まずこの４００℃以上の温度での時
効処理を施したβ型チタン合金を、表面層付近のみがβ
−トランザス＋２５０℃以上の温度になるように象、速
加熱保持することとした。ここで、加熱温度をβ−トラ
ンザス−１−２５０℃以上の温度としたのは、これ未満
の温度では、導入される空孔の濃度が低く、再時効処理
時に時効処理時間が長くなり実際的でないこと、および
達成される硬度が低くなるため、本発明の効果が十分に
達成されない理由による。これらの処理は、たとえば高
周波加熱、高温炉への直接挿入などによって達成される
。このときの加熱速度、保持時間は材料の大きさなどに
よって変化させ最適な条件で行う。

次に、１０℃毎秒以上の冷却速度で冷却することとした
が、これは、β−トランザス＋２５０℃以上の高温で導
入された高密度の空孔を、急冷することにより時効処理
温度まで凍結するためである。

これは、たとえば水焼入れなどによって達成される。こ
こで冷却速度の下限を１０℃毎秒としたのは、これ未満
の冷却速度では、冷却中に消滅する空孔が多く、このた
め十分な数の空孔が凍結されず、本発明の効果が十分に
達成されない理由による。

次に、１００℃以上４００℃以下の温度にて再時効処理
を行うこととした。これは、母材はすでに４００℃以上
の温度での時効処理を施されており、要求される強度と
延性を有しているので、この材質を損なわずに表面層の
みを硬化させるには、４００℃以下の温度で再時効処理
を行う必要があることによる。再時効処理温度の下限値
を１００℃としたのは、これ未満の温度で再時効処理を
行った場合、元素の拡散が著しく遅く、実際的な時間内
でα相の析出及び時効硬化が得られないことによる。

本発明（２）は、本発明（１）における急速加熱を、レ
ーザー照射によりおこなったものである。

まず、４００℃以上の温度での時効処理を施されたβ型
チタン合金の材料表面に、レーザーを照射することによ
り急速加熱を行い、表面層付近のみをβ−トランザス＋
２５０℃以上の温度に局所的に加熱する。ここで加熱温
度の上限は、特に明示しなかったが、特に滑らかな表面
を得たい場合、固相線温度（融点）以下に加熱すること
が望ましい。しかし後工程で機械加工仕上げなどを施し
、滑らかな表面を得ることが可能な場合には、固相線温
度（融点）以上に加熱してもよい。

本発明（１）では、次に、１０℃毎秒以上の冷却速度で
冷却することとしたが、本発明（２）では、レーザー照
射試料の持つ優れた自己冷却能力　−により、急冷は自
ずから達成される。

なお、本発明（２）のレーザー照射による方法は、１０
００℃毎秒以上の急速加熱および８００℃毎秒以上の急
速冷却が達成されるうえ、母材に対する熱影響が最も少
ない方法であるため、本発明においては最も優れた方法
である。

〔実施例〕

Ｔｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３へ１合金（β−トラ
ンザス；７６０℃）に対して、本発明を適用した場合を
例に、本発明の作用について説明する。ここで、本発明
を適用する場合、〔作用］の項で述べたように、本発明
（２）のレーザー照射による方法が最適である。したが
って、本発明（２）を適用した場合を中心に説明する。

本合金を８５０　’Ｃで１２ｍｍ厚の板に圧延し、酸洗
による脱スケール後、６　ｍｍ厚まで冷延し、その後８
００℃にて１５分間溶体化処理した後水焼入れし、さら
に、表面から０．５　ｍｍを研削により除去し５　ｍｍ
厚にした後、１０−”Ｔｏｒｒの真空中において、５０
０℃で２０時間時効処理を行った材料を試験材とした。

第１表から第４表に各種工程を示し、これらの工程を施
した試料の圧延方向と垂直な断面における硬度分布を測
定した結果を第２図から第５図に示す。なお、第１図は
硬度測定要領を示した図である。また、レーザー照射は
、出力８ｋＷ、矩形モード、ビーム径５．０　ｍｍ角、
送り速度１、２　ｍ毎分の条件で行った。

第１表において、試料番号■は、表面処理を全く施して
いない、時効処理まま材である。また、試料番号■は、
窒素雰囲気で溶体化処理を行った試料で、試料表面に窒
化チタン層を有しており、これは〔従来の技術〕の項で
説明した従来法２）に相当する工程である。試料番号■
は、本発明（２）の実施例であり、また試料番号■は、
本発明（１）の実施例であり加熱は高周波加熱を用いた
。これらの工程を施した試料の硬度分布を測定した結果
を第２図に示す。第２図に示されるが如く、表面処理を
施さなかった試料（試料番号■）は、表面から内部まで
ほぼ一定の硬度値４１０（ｌｌｖ）を示す。また、窒化
処理を施した試料（試料番号■）は、表面からの深さが
３５μｍまでは、５００　（ｌｌｖ）以上の高い硬度値
を示すが、それより試料内部では、急速に軟化し４０８
ｍ以上内部では母材と同じ程度の硬度値しか示さない。

一方、これに対して、本発明（２）を施した試料は、４
００μｍ深さまで５００（Ｈｖ）程度の高い硬度値を示
し、また本発明（１）を施した試料でも１００μｍ深さ
までは５００　（ｌｌｖ）程度、５００μｍ深さまでは
４５０　（ｌｖ）以上の高い硬度値を示しており、いず
れの場合も、従来法で行われてきた窒化処理材に比べて
著しく大きい硬化深さを得ることができる。

第２表において、試料番号■は、本発明（２）における
加熱温度の下限値である１０１０℃（β−トランザム＋
２５０℃）に近い温度に加熱した場合の本発明（２）の
実施例であり、試料番号■は、１０１０℃以下の温度に
加熱した場合の本発明（２）の比較例である。これらの
工程を施した試料の硬度分布を測定した結果を、第３図
に示す。

第３図に示されるが如く、１０１０℃以上の温度に加熱
した試料（試料番号■）は、４００μｍ深さまで５００
　（ｌｌｖ）程度の高硬度値を示すが、１０１０℃以下
の温度に加熱した試料（試料番号■）は、１００．ｕｍ
深さですでに４５０（Ｈｖ）以下の硬度値になっており
、本発明の効果が十分に達成されていない。これは、１
０１０℃以下の温度に加熱した試料には十分な濃度の空
孔が導入されていなかったためである。

第３表において、試料番号■は、本発明の再時効処理温
度の上限値である４００℃超の温度で再時効処理を施し
た場合の、本発明（２）の比較例である。また、試料番
号■は、本発明における再時効処理温度の下限値である
１００℃に近い温度で再時効処理を行った場合の本発明
（２）の実施例である。また、試料番号■は、１００℃
未満の温度で再時効処理を行った場合の本発明（２）の
比較例である。これらの工程を施した試料の硬度分布測
定を行った結果を第４図に示す。第４図に示されるが如
く、４００℃超の温度で再時効処理を行った試料（試料
番号■）は、４００℃以下の温度で再時効処理を行った
試料（試料番号■、第２図）と比較して、表面層の硬度
値及び硬化深さが共に減少しているばかりでなく、母材
の硬度も４００　（ｌｌｖ）程度に減少しており、母材
にまで悪影響を及ぼしている。また、１００℃以上の温
度で再時効処理を行った試料（試料番号■）は、再時効
処理時間が１４８時間とやや長くなるが、５００μ輪深
さまで５００（Ｈｖ）程度の高硬度を維持しているのに
対し、１００℃未満の温度で再時効処理を行った試料（
試料番号■）は、１０００時間の再時効処理に対しても
硬化しておらず、表面から内部まで一定の４１０　（ｌ
ｌｖ）程度の硬度を示している。

これは、再時効処理温度が低すぎて元素の拡散がほとん
ど起こらないため、α相が析出しないことによる。

第４表において、試料番号［相］は本発明（１）の加熱
後の冷却速度の下限値である１０℃毎秒に近い冷却速度
で冷却した場合の本発明（１）の実施例であり、試料番
号■は、１０℃毎秒未満の冷却速度で冷却した場合の本
発明（１）の比較例である。

これら試料を１２００　’Ｃに加熱する際には、高周波
加熱を用いた。これらの工程を施した試料の硬度分布測
定を行った結果を第５図に示す。第５図に示されるが如
く、１０℃毎秒以上の冷却速度で冷却した試料（試料番
号［相］）は、５００μｍ深さまで４５０　（Ｉｌｖ）
程度以上の高硬度値を示すのに対し、１０℃毎秒未満の
冷却速度で冷却した試料試料番号■）は、わずか２０μ
ｍ深さしか４５０　（ｌｌｖ）以上の高硬度値を示さな
い。これは、冷却中に空孔が消滅し、再時効処理時に、
表面層における加速時効硬化挙動が達成されなくなるた
めである。

〔発明の効果〕

本発明により、従来よりも簡単な方法で、剥離し難く、
０．３　Ｍ以上の硬化深さの高硬度表面層を有するβ型
チタン合金を製造することができ、焼き付き、疲労亀裂
の発生、切り欠き脆化の大幅な低減を達成することがで
きる。また、本発明を適用した材料は、本発明の表面処
理を施した後、精密機械加工仕上げを行うことができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は硬度分布測定の方法を示した概略図、第２図は
第１表に示された工程を施した試料の硬度分布測定結果
を示す図、第３図は第２表に示された工程を施した試料
の硬度分布測定結果を示す図、第４図は第３表に示され
た工程を施した試料の硬度分布測定結果を示す図、第５
図は第４表に示された工程を施した試料の硬度分布測定
結果を示す図である。 特許出願人　新日本製鐵株式台社 第１図 第２図 ゑ回かりの泳ぐ 第３図 第４図 左面かうの＝Ｘ５

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）４００℃以上の温度での時効処理を施したβ型チ
   タン合金を、表面層のみが当該合金のβ−トランザス＋
   ２５０℃以上の温度になるように、急速加熱保持し、１
   ０℃毎秒以上の冷却速度で冷却後、１００℃以上４００
   ℃以下の温度で再び時効処理を施すことを特徴とする高
   硬度表面層を有するβ型チタン合金の製造方法。
2. （２）レーザーを表面に照射することにより急速加熱お
   よび急速冷却を行うことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の高硬度表面層を有するβ型チタン合金の製造
   方法。