JPH0310060A - チタンまたはチタン合金の表面処理方法 - 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、例えば他種金属部品との摺動部品としても使
用可能なチタンまたはチタン合金（以下、チタン又はチ
タン合金の両者を単にチタン合金という）を得るチタン
合金の表面処理方法に関する。

〈従来の技術〉 一般に、例えば車両用のエンジン部品には多数の金属材
料が（資）用されている。ところで、従来からこの種の
エンジン部品の一部を鉄鋼材料よりも比重が小さいチタ
ン合金によって形成し、エンジン全体の軽量化を図る乙
とが行われている。しかしながら、チタン合金によって
形成された部品を格別な表面処理を施すことなく他種金
属部品との摺動部品として使用した場合には相手金属部
品との焼付けが発生し易く、また摩耗による損傷が著し
いという問題がある。そこで、チタン合金部品に窒化、
浸炭、めっき等の表面処理を施すこ七により、相手金属
部品との焼付けを防止することが従来から行われている
。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、チタン合金部品に窒化等の表面処理を施
した場合にはその部品の硬度が大幅に上昇するので、こ
の表面処理部品と摺接する相手金属部品側の摩耗量が大
きくなり、耐久性が損われる問題があった。また、チタ
ン合金部品の表面にめっき処理を施しｔコ場合には相手
金属部品側との摺動動作にともないめっき処理層が剥離
し易いので、信頼性の面で問題があり、低コストで信頼
性の優れた表面処理方法の開発が要望されているのが実
情であった。

本発明は上記事情に鑑み、チタン合金部品の耐焼付は性
および耐摩耗性の向上を図ることができると同時に、チ
タン合金部品に摺接する相手部品側の摩耗量の増大を防
止して耐久性の向上を図ることができるチタン合金の表
面処理方法を提供することを目的とする。

く課題を解決するための手段〉 前記目的を達成する本発明のチタン合金の表面処理方法
は、チタン合金からなる被処理体を酸洗浄する前処理工
程と、前処理した被処理体を酸化性雰囲気中で加熱状態
で所定時間保持することにより該被処理体の表面に酸化
物層及び酸素富化層の複合層を形成する加熱工程と、こ
の加熱工程終了後、上記被処理体を急冷して該被処理体
の表面複合層の最外層のスケール層を除去するスケール
層除去工程とを具備したことを特徴とし、又、チタン合
金からなる被処理体を酸化性雰囲気中で加熱状態で所定
時間保持することにより該被処理体の表面に酸化物層及
び酸素富化層の複合層を形成する加熱工程と、この加熱
工程終了後、上記被処理体を急冷して該被処理体の表面
複合層の最外層のスケール層を除去するスケール層除去
工程と、このスケール層除去工程後、上記被処理体を所
定温度に保持して時効処理する時効処理工程とを具備し
たことを特徴とし、さらに、チタンまたはチタン合金か
らなる被処理体を酸洗浄する前処理工程と、前処理した
被処理体を酸化性雰囲気中で加熱状態で所定時間保持す
ることにより上記被処理体の表面に酸化物層及び酸素富
化層の複合層を形成する加熱工程と、この加熱工程終了
後、上記被処理体を急冷して上記被処理体の表面複合層
の最外層のスケールＭを除去するスケール層除去工程と
、このスケール層除去工程後、上記被処理体を所定温度
に保持して時効処理する時効処理工程とを具備したこと
を特徴とする。

く作　　　用〉 前処理を施した被処理体に、加熱処理工程とスケール除
去工程とによる酸化処理を施すと、この酸化処理による
酸化皮膜層とチタン合金とが密着し、良好な耐摩耗性が
得られる。

又、チタン合金からなる被処理体の酸化処理の際の加熱
処理により溶体化処理が併せて施されたことになるので
、酸化処理後、所定温度に保持して時効処理を施すこと
により、チタン合金の硬度が上昇し、良好なｉｌｎｇＪ
耗性が得６れろ。

さらに、上記前処理後に酸化処理を行い、その後時効処
理を施すことにより、同様にＮ（摩耗性及び耐焼付は性
がさらに向上し、且つ、チタン合金部品に摺接する相手
部品側の摩耗量の増大を防止して耐久性の向上を図るこ
とができろ。

く実　施　例〉 以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

第２図はエンジンの弁機構１の要部の概略構成を示すも
ので、２は吸気弁または排気弁等のバルブ本体である。

このバルブ本体２にはバルブステム３の上端部にバルブ
スプリングリテーナ４が固定されており、このバルブ本
体２のバルブステム３の周囲に装着されたバルブスプリ
ング５の上端部がバルブスプリングリテーナ４に圧接状
態で保持されている。

この場合、バルブスプリング５は例えば鉄鋼材料によっ
て形成されているとともに、バルブスプリングリテーナ
４はチタンまたはチタン合金、例えばβ型のチタン合金
であるＴｉ−２２Ｖ−４Ａ４合金によって形成されてい
る。

なお、本発明に係る表面処理方法が適用できるのは、こ
の他、α型である純粋なＴｉＨａ型チタン合金であるＴ
ｉ−５Ａｊ−２，５Ｓｎ；ｎｅａｒａｆｆチタン合金で
あるＴ　ｉ　−５Ａ　／　−６Ｓ　ｎ−２Ｚｎ−２Ｚｒ
−Ｉ、２３ｉ、Ｔｉ−ＦｉＡＩ−ＩＭ。

ＩＶ、ＴｉＴｉ−６Ａｊ−２３ｎ−４Ｚｒ−２；　ａ＋
β型チタン合金であるＴｉ−６Ａｊ−４Ｖ、Ｔｉ−６Ａ
Ｉ−６Ｖ−２Ｓｒ、ＴｉＴｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ
−６，Ｔ　ｉ−８Ｍｎ　；　β型チタン合金であるＴｉ
−１３Ｖ　　１１Ｃｒ−３Ａ＃、Ｔｉ−８Ｚｒ−８Ｖ−
２Ｆ　ｅ　　３　Ａ　Ｉ　、　Ｔ　ｉ　−３Ａ　ｌ　　
Ｓ　Ｖ　　６　Ｃｒ　　４　Ｍ　ｏ　−４Ｚｒ　（俗称
：βＣ）、Ｔｉ−１１，５Ｚｒ−６Ｃｒ−４，５Ｓｎ（
俗称；β■）などを挙げることができる。

このバルブスプリングリテーナ４を被処理体として表面
処理を施した例を以下に示す。

（実施例１） まず、バルブスプリングリテーナ４を塩酸液中で１０分
間超音波洗浄することにより前処理を施した。

この前処理はチタン合金の表面の油膜・酸化物等の不純
物等を除去することを目的とするものであり、塩酸や硝
酸などを用いて超音波洗浄を施すことにより、上記目的
が確実１ζ達成される。

この前処理の後、被処理体のバルブスプリングリテーナ
４を酸化性雰囲気中、例えば大気中で９００℃の加熱温
度で３０分保持することにより、その表面に酸化物層及
び酸素富化層の複合層を形成（加熱工程）し、さらにこ
の加熱工程終了後、被処理体を水冷により急冷して被処
理体の表面複合層における最外層のスケール層を除去す
る（スケール層除去工程）という酸化処理を行う。

ここで、加熱工程での加熱処理は上述した条件に限定さ
れろものではなく、例えば７００℃の加熱温度で１０時
間保持させてもよく、また１０５０℃の加熱温度で５分
間保持させてもよい。ここで、加熱温度を７００℃より
も低く設定した場合には第３図に示すように被処理体の
硬度（ビッカース硬度）　Ｈｖが５００より低くなるの
で、耐摩耗性が悪くなる問題があるとともに、加熱温度
を１０５０℃よりも高く設定した場合には被処理体の表
面に形成されるチタン合金の結晶粒が粗大化するので、
機械的な引張り強度や疲労強度が低下する問題が発生し
、さらに処理後の重量増加量が大きくなる問題もある。

したがって、加熱工程時の加熱温度は７００〜１．０５
０℃の範囲内で適宜設定してもよい。この場合、加熱時
間は低Ｓ側では長く設定し、高温側では短くなるように
設定することにより、上記実施例と同様の効果を得ろこ
とができる。

さらに、上記実施例では加熱工程終了後、水冷によって
被処理体を急冷させているが、空冷によって冷却しても
よい。ここで水冷に用いる冷却水の温度は、−殻内に２
０℃程度の常温でよいが、８０℃程度以下のものなら冷
却水として使用できる。そして、かかる冷却水により被
処理体が常温近くまで冷却されるように冷却を行丸ばよ
いが、通常は１程度度の冷却を行えばよい。また、空冷
の場合、室温雰囲気温度になるまで被処理体を室内に放
置するようにしてもよいが、空気、窒素ガス、アルゴン
ガス等の気体を被処理体に吹き付けろことにより室ｉ雰
囲気温度まで急冷する強制急冷を行ってもよい。

また、加熱工程における加熱温度の違いにより、チタン
合金の表面の酸化皮膜の構造に差異が出る。

第４図（ａ）　、　（ｂ）　、　ｆｃ）には、この加熱
工程の加熱温度の違いによるチタン１１の表面の酸化被
膜の構造の差異の一例を示す。ここで、第４図ｆＡ）は
加熱工程時の加＃Ａ温度を７００〜８００℃に設定した
場合の酸化被膜構造、同図（ｂ）は加熱工程時の加熱温
度を８２５〜８５０℃で長時間保持した場合の酸化被膜
構造、同図（Ｃ１は加熱工程時の加熱温度を８７５〜１
０５０℃で長時間保持した場合の酸化被膜構造をそれぞ
れ示すものである。この場合、第４図（ａｌでは青銅色
のチタン１１の表面に単一のＴｉ０（ルチル）層１２が
形成されている。さらに、同図（ｂｌおよび（０）では
チタン１１の表面に複数の酸化物層および酸素富化層の
度合層１３゜１４がそれぞれ形成されている。この第４
図（ｂｌの複合層１３は内面側から順にＩＮｌ　３　ａ
カナ３１　ン＋　ＴｉＯｆ９Ｊ末層、ｆ（／ｗ１３　ｂ
カＴｉ。

＋金属チタン層、１層１３ｃが暗青色のＴｉ０層、■層
１３ｄが淡青色のＴｉＯ□層、Ｖ層１３８が黄褐色のＴ
　ｉ　Ｏ，層によって形成されている。

また、第４図ｔａ）の複合ＮＪ１４は内面側から順に１
層１４ａがチタン＋ＴｉＯ粉末層、■層１４ｂがＴｉＯ
＋金属チタン層、１層１４ｃがＴｉ０層、■層１４ｄが
Ｔｉ２０．層、７層１４ｅが暗青色のＴ　ｉ　Ｏ，層に
よって形成されている。

ここで、上記実施例１（前処理＋酸化処理）の場合のＴ
ｉ−２２Ｖ−４Ａｊ合金からなる被処理体の表面硬さを
、前処理を施さないで酸化処理のみを行った場合（比較
例１）と比較した結果を次表に示す。

乙のように、前処理を施した後酸化処理を行った実施例
１の被処理体の方が硬度が向上していた。これは、酸化
皮膜とチタン合金との密着が良好になったためと予想さ
れる。

なお、上記実施例におけろ酸化処理は、加熱工程終了後
、被処理体を急冷して被処理体の表面複合層１３の最外
層の多孔性酸化物からなる外部酸化スケール層を除去す
るようにしたので、被処理体であるＴｉ−２２Ｖ−４Ａ
ｊ合金によって形成されるバルブスプリングリテーナ４
の表面にこのバルブスプリングリテーナ４に摺接するバ
ルブスプリング５側と略同程度の硬度の硬化層を比較的
深く　（例えば１００μｍ以上）形成させることができ
る。

そのため、Ｔｉ−２２Ｖ−４Ａｊ合金部品の耐焼付は性
および耐摩耗性の向上を図ることができると同時に、Ｔ
　ｉ　−２２Ｖ　−４Ａ　Ｉ合金部品に摺接するバルブ
スプリング５側の摩耗量の増大を防止して耐久性の向上
を図ることができる。

（実＃Ｉ例２） 前処理を施していない被処理体であるバルブスプリング
リテーナ４を実施例１と同様に加熱処理した（加熱工程
）後、急冷し、その表面複合層のスケース層におけろ最
外層のスケール層を除去する（スケール除去工程）酸化
処理を施した。

この酸化処理後、被処理体を５００℃で２時間保持して
時効処理を施しな。

被処理体は酸化処理における９００℃での加熱処理によ
り第５図に示すようにβ単相となっている。すなわち加
熱処理により併せて溶体化処理が行われている。よって
、その後、５００℃で保持することによりβ相に比べて
高硬度のα相が析出し、時効処理される。

このように時効処理とは、一定温度で一定時間保持する
ことによりα相を析出させることをいい、上記実施例の
チタン合金（Ｔｉ２２Ｖ−４ＡＩ）の場合、４５０〜５
５０℃の温度で行えばよい。また、この時効処理の処理
時間は、要求される被処理体の強度によって異るが、大
体１〜１０時間の範囲でよい。

（実施例３） 実施例１と同様に前処理を施した後、酸化処理を施した
被処理体に、さらに実施例２と同様に時効処理を施した
。

ここで、実施例１の被処理体と本実施例の被処理体とを
比較することにより、時効処理による効果を確認した。

次表には表面硬度及び心部硬度の値を示す。

この結果に示すように、時効処理により被処理体の硬度
がさらに向上しており、後述するように＃４ｗ１耗性の
向上につながっている。

なお、第６図には実施例１の前処理及び酸化処理を施し
た被処理体と、実施例３の前処理及び酸化処理の後、時
効処理を施した被処理体とについて、その表面からの距
離と硬度との関係について調べた実験結果（断面硬さ分
布）を示す。

（比較試験） 以上説明した実施例１　（前処理＋酸化処理）。

実施例２（酸化処理十時効処理）、実施例３（前処理＋
酸化処理土時効処理）のバルブスプリングリテーナ４に
ついて、モータリング耐久試験を行い、バルブスプリン
グリテーナ４におけるバルブスプリング５の座面５ａの
摩耗量Δｔの変化状態を第１図に示す。

なお、比較のため、前処理を行わないで酸化処理のみを
施した比較例１及び全く未処理の比較例２について同様
の試験を行った。

第１図の結果より、前処理（実施例１）あるい（よ時効
処理（実施例２）を行うと、酸化処理のみの比較例１と
比べて＃４１９［純性がそれぞれ向上し、さらに、前処
理及び時効処理の両方を施すと（実施例３）、耐摩耗性
がさらに向上することが認められた。

なお、時効処理の温度、つまＦ）α相が析出する温度は
Ｔｉ合金の種類によって異なるので各Ｔ１合金に適した
温度を採用する必要がある。例えば上記実施例と同様に
β型の合金であるＴ　ｉ−１３Ｖ−１１Ｃｒ　−３Ａ　
Ｉでは４２６〜４８２℃、Ｔ　ｉ　−３Ａ　Ｉ　−８Ｖ
　−６Ｃｒ　−４Ｍ　ｏ　−４ｚ「（俗称；βＣ）では
３７５〜４７５℃であり、ａ＋β型合金合金ろＴ　ｉ　
−６Ａ　Ｉ　−４Ｖでは４８２〜５３８℃、Ｔ　ｉ　−
６Ａ　Ｉ　−６Ｖ　−２５ｒでは４８２〜６４８℃、Ｔ
ｉ−８Ｍｎでは４８２〜５１０℃であり、ｎｅａｒａ型
合金であるＴｉ−８ＡＴｉ−８ＡＩ−Ｉでは５６０〜６
２０℃である。また、これらの処理時間は上述したよう
に要求される強度によって異なるが、大体１〜１０時間
の範囲から選べばよい。

なお、上記各実施例ではこの発明をバルブスプリングリ
テーナ４に適用した場合について示したが、コンロッド
、バルブスプリング。

バルブステム等に適用してもよく、さらにその他、本発
明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施できることは
勿論である。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明によれば、チタン合金から
なる被処理体に前処理を施した後に、被処理体を酸化性
雰囲気中で加熱状態で所定時間保持して前記被処理体の
表面に酸化物層および酸素富化層の複合層を形成する加
熱工程と、この加熱工程終了後、前記被処理体を急冷し
て前記被処理体の表面複合層の最外層のスケール層を除
去するスケール層除去工程とからなる酸化処理工程を設
けるようにしたので、酸化処理工程のみの場合よりチタ
ン合金部品の耐摩耗性及び耐焼付は性がさらに向上し、
又、チタン合金部品に摺接する相手部品側の増大を防止
して耐久性の向上を図ることができる。

又、酸化処理を施した後、若しくは前処理及び酸化処理
を施した後に、時効処理を施すことにより、同様に耐摩
耗性及び耐焼付は性がさらに向上し、且つ、チタン合金
部品に摺接する相手部品側の増大を防止して耐久性の向
上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例のバルブスプリングリテーナのモータリ
ング耐久試験結果を示すグラフ、第２図は実施例におけ
ろエンジンの弁機構の要部の概略構成を示す縦断面図、
第３図は加熱温度と表面硬度との関係を示すグラフ、第
４図（ａ）。 （ｂｌ、　（ｃｌはそれぞれ加熱工程の各加熱温度に対
応する酸化被膜構造を示す断面図、第５図は実施例にお
ける状態図、第６図は実施例における表面からの距離と
硬度との関係を示すグラフである。 図　　面　　中、 ２はバルブ本体、 ３はバルブステム、 ４はバルブスプリングリテーナ、 ５はバルブスプリング、 １１はチタン、 １３．１４は複合層である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）チタンまたはチタン合金からなる被処理体を酸洗
   浄する前処理工程と、前処理した被処理体を酸化性雰囲
   気中で加熱状態で所定時間保持することにより該被処理
   体の表面に酸化物層及び酸素富化層の複合層を形成する
   加熱工程と、この加熱工程終了後、上記被処理体を急冷
   して該被処理体の表面複合層の最外層のスケール層を除
   去するスケール層除去工程とを具備したことを特徴とす
   るチタンまたはチタン合金の表面処理方法。
2. （２）チタンまたはチタン合金からなる被処理体を酸化
   性雰囲気中で加熱状態で所定時間保持することにより該
   被処理体の表面に酸化物層及び酸素富化層の複合層を形
   成する加熱工程と、この加熱工程終了後、上記被処理体
   を急冷して該被処理体の表面複合層の最外層のスケール
   層を除去するスケール層除去工程と、このスケール層除
   去工程後、上記被処理体を所定温度に保持して時効処理
   する時効処理工程とを具備したことを特徴とするチタン
   またはチタン合金の表面処理方法。
3. （３）チタンまたはチタン合金からなる被処理体を酸洗
   浄する前処理工程と、前処理した被処理体を酸化性雰囲
   気中で加熱状態で所定時間保持することにより上記被処
   理体の表面に酸化物層及び酸素富化層の複合層を形成す
   る加熱工程と、この加熱工程終了後、上記被処理体を急
   冷して上記被処理体の表面複合層の最外層のスケール層
   を除去するスケール層除去工程と、このスケール層除去
   工程後、上記被処理体を所定温度に保持して時効処理す
   る時効処理工程と具備したことを特徴とするチタンまた
   はチタン合金の表面処理方法。