JPH0375385A - ＴｉＡｌ基合金製機械摺動部用部品 - 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、軽量で且つ高温強度に優れた金属間化合物Ｔ
ｉＡ　Ｑ基合金によって形成された例えばエンジンパル
プのような機械摺動部用部品、詳しくは、表面に耐摩耗
性に優れた被覆層を有する金属間化合物ＴｉＡ　Ｉ！、
基合金製機械摺動部用部品に関する。

（従来の技術） 以下、機械摺動部用部品の代表的として、エンジンパル
プについて説明する。

自動車、航空機等のエンジンのパルプには、従来、ＪＩ
Ｓ　Ｇ　４３１１５ＵＩＩ　３６　、同ＳＵＨ１等の耐
熱鋼が用いられているが、パルプを軽量化することで、
エンジンの高性能化を図ることができる。即ち、パルプ
を耐熱鋼より比重の軽い材料で形成すれば、エンジンの
出力を上げることができて、燃費も低くなるのである。

ところが、エンジンバルブに用いる耐熱材料には、単に
強度だけでなく高温（例えば８００°Ｃ）での高い比強
度（強度／密度）が必要である。

そこで、下記■〜■に示すような特徴を有するＴｉＡ　
ｊ！金属間化合物系合金がエンジンバルブの材料として
注目されている。

■軽い（比重；３．８）、■高温における耐酸化性が良
好である。■高温クリープ特性に優れる。■高温強度お
よび比強度が例えばＮｉ基合金のインコネル７１３より
も高い。

ＴｉＡｌは、Ｌｌ。型の結晶構造を有しており、Ｔｉと
ＡＩ！、の２元系においては、化学量論組成（Ｔｉ　−
３６重量％Ａｌ）からＡｌ側に広い固溶範囲を形成する
とともに、第３元素もある程度固溶することができる。

ところが、ＴｉＡｆ系合金は上記のような優れた特徴を
もつ反面、Ｎｉ基合金、耐熱鋼、Ｔｉ基合金等に比べて
常温延性が著しく低く、塑性加工が困難であるという欠
点がある。従って、ＴｉＡ　ｌ系合金製エンジンバルブ
の実用化を図るためには、この欠点を解消する必要があ
る。

そこで、ＴｉＡｌ系合金の常温延性を改善するための努
力がなされており、幾つかの方法が提案されている。

例えば、特開昭６１−４１７４０号公報には、第３元素
としてＭｎを添加したＴｉ　−（３０〜３６）重量％Ａ
ｌ−（０，１〜５．０）重量％旧合金が、また特開昭６
３−１２５６３４号公報には、第３元素としてＢを添加
したＴｉ　−（３３〜３８）重量％Ａ　Ｉｌ−（０，０
５〜０．２０）重量％Ｂ合金が、それぞれ示されており
、常温延性はある程度改善されている。

しかしながら、ＴｉＡｊｊ系合金をエンジンバルブとし
て実用化するためには、もう一つの問題を解消する必要
がある。

即ち、エンジンバルブは、バルブガイドやバルブシート
等と常に摺動しながら動くので、はげしく摩耗する。特
に、エンジンバルブのフェース面、軸および輪端の摩耗
が大きい、ところが、従来、ＴｒＡ　Ａ系合金の耐摩耗
性については、検討がなされておらず、どの程度の耐摩
耗性を有しているのか不明であったが、本発明者等らが
ＴｉＡｌ系合金の摺動摩耗性を調べた結果、エンジンバ
ルブの材料として用いることができるほど十分な耐摩耗
性を具備していないことが判明した。

（発明が解決しようとするＩＩＩ） 本発明の課題は、ＴｉＡ　ｌ基合金のもつ軽量で且つ高
温強度および比強度が高いという優れた特性を損なうこ
となく、常温延性および耐摩耗性を改善して金属間化合
物ＴｉＡ　ｌ基合金製機械摺動用部品、例えば特に高温
で使用されるエンジンバルブの実用化を図ることにある
。

（課題を解決するための手段） 本発明者等は、（ａ）化学量論組成（Ｔｉ−３６重量％
Ａｆ）よりＡｆの含有量が少ない合金は、約１１００°
Ｃ以下では（ＴｉＡｌ　＋Ｔｉ５Ａｌ）の２相組織とな
り、この２相組織とＴｉＡ　ｌの化学量論ｍ戒（Ｔｉｔ
／！単相）の室温延性を比べると、２相組織の方がより
優れた特性を示すこと、（ｂ）化学量論＆ｌｌ威よりＡ
Ｎの含有量が少ない合金に、第３元素としてＭｏを添加
した場合、およびＭｏの他に更に第４元素としてＢを添
加した場合、常温延性が一層改善されて優れた高温強度
を示すことを見出し、先に特許出願した（「金属間化合
物ＴｉＡＪ！基軽量耐熱合金」特願昭６３−１２９６４
２号、昭和６３年５月２７日出願）。

この合金は、常温延性が１．５％以上と優れ、且つ、高
／！Ｌ　（８００°Ｃ）での引張強さが４０ｋｇｆ／ｍ
１以上あるので、例えばエンジンバルブの材料としては
好適である。しかし、そのままではエンジンバルブとし
て使用に耐えるほどの十分な耐摩耗性を有していないこ
とが、摺動摩耗性の調査から判明した。

そこで、本発明者らは更に検討を加えた結果、このＴｉ
Ａｌ！、基合金でエンジンバルブを作製し、その表面に
耐摩耗処理を施してやれば、十分使用に耐えることを確
認し、本発明を完成した。

ここに、本発明の要旨は「素材がＴｉＡｆｆｉ基合金か
らなり、その表面にモリブデンを含む金属の被覆層、コ
バルト基合金の被覆層、窒化チタンを含む化合物の被覆
層、炭化チタンを含む化合物の被覆層、酸化アル５ニウ
ムを含む化合物の被覆層、炭化タングステンを含む化合
物の被ｒｉＩ層、炭化クロムを含む化合物の被覆層のい
ずれかの被覆層を有する機械摺動部用部品」にある。

上記被覆層を施す前の機械摺動部用部品、例えばエンジ
ンバルブは、下記の方法で製造することができる。

（ｉ）第１図に示す如く、Ａｒアーク溶解法、プラズマ
アーク溶解法、真空アーク溶解法等によって、後に述べ
るような化学組成からなるＴｉＡ　ｊ！ｌ基合金インゴ
ットを溶製し、これを８００〜１２００°Ｃに加熱した
後、恒温鍛造又は精密鋳造でエンジンバルブ素形材に加
工し、加工後は必要に応じて１０００〜１２５０’Ｃの
温度で焼鈍を行って偏析軽減および加工歪みの除去を行
い、その後、切削或いは研磨等の機械加工によって所定
形状のエンジンバルブに成形する方法。

（ｉｉ）或いは第２図に示す如く、（ｉ）と同様の方法
で金属間化合物ＴｉＡ　ｌ基合金のインゴットを溶製し
、ＰＲＥＰ法（プラズマ回転電極法）、アトマイズ法、
粉砕法等で粉末とし、これを鉄製容器に真空封入し、１
０５０〜１３００°Ｃの温度に加熱してＨＩＰ処理（熱
間静水圧加圧処理）で焼結材を製造し、機械加工又は酸
洗処理で容器とＨＩＰ処理で生成したＦｅ−Ｔｉ反応生
成物を除去してエンジンバルブ素形材に成形し、その後
、機械加工して所定形状のエンジンバルブに成形するか
、或いは、ＨＩＰ処理後の焼結材を、更に８００〜１２
００°Ｃの温度で恒温鍛造し、拡散熱処理した後、機械
加工又は酸洗処理で容器とＨＩＰ処理で生成したＦｅ−
Ｔｉ反応生成物を除去し、機械加工して所定形状のエン
ジンバルブに成形する方法。

（作用） 以下、本発明の機械摺動部用部品について詳細に説明す
る。

本発明の機械摺動部用部品は、素材にＴｉＡｆ基合金を
使用し、その表面に耐摩耗性に優れた被覆層を有してい
ることに特徴がある。

前記素材のＴｉＡｌ１基合金としては、３２〜３６重量
％の＾２を含み残部がＴｉである合金、３２〜３６重量
％のＡｆｆｉと５重量％以下のＭｏを含み残部がＴｉで
ある合金、或いは３２〜３６重量％の＾ｌ、５重量％以
下のＭｏおよび０．２重量％以下のＢを含み残部がＴｉ
である合金を使用することが推奨される。これら成分が
前記の望ましい範囲から外れると下記のような弊害が生
じやすくなる。

Ａ乏：３２〜３６重量％ へ〇含有量が３６重量％を超えると室温から約１５００
゛Ｃまでの間が単相領域となって所望の常温延性（常温
での伸び率：１．５％以上）が得られ難くなり、３２重
置％より少ないとその合金は（ＴｉＡ　ｌ　＋Ｔｉ５Ａ
　ｌ　）の２相ｍ織となるもののＴｉ３Ａｆｆｉの比率
が高くなり過ぎて高温強度が低下し、更に常温延性も急
激に低下する。

Ｍｏ：５重量％以下 Ｍｏは常温延性を改善する作用がある。ＭＯはβ相安定
化元素であり、これが添加されていると「焼鈍双晶」又
は「変形双晶」が生威しやすくなり、その結果、常温延
性が向上する。しかし、５重量％を超えて含有されると
β相が出現して合金の高温強度が低下する。

Ｍｏは単独で添加されていてももよく、或いは、次に述
べるＢと一緒に添加されていてもよい０Ｍ。

とＢを併用すると、勅単独添加の場合よりも常温延性が
一層改善される。

Ｂ：０．２重量％以下 ＢはＴｉＡｌ合金の結晶粒を強化して常温延性を更に向
上させるのみならず結晶粒を微細化して高温強度をも向
上させる作用を有しているが、０．２重量％を超えて含
有されていると脆いホウ化物が生成し、逆に常温延性が
劣化する。

これら成分の他に、Ｎｂ、　Ｃｒ、　Ｍｎ、　Ａｇ５Ｖ
等の成分を１種又は２種以上合計で５重量％以下の範囲
で含有させた合金を使用してもよい。

第１表は、化学組成が望ましい範囲内の合金とそうでな
い合金との室温および８００°Ｃでの機械的性質を調査
した結果の一例を示したものである。

調査は、第１表に示す化学成分のＴｉＡ　ｌ基合金のイ
ンゴット（径：５０開、長さ：　１０１００１ＩをＡｒ
アーク溶解法により溶製し、これを１０００°Ｃで恒温
鍛造して棒材（径＝２５問）に加工した後、１２００°
Ｃで２４時間焼鈍し、機械加工により外径４１ＩＩ１１
、評点間距離ｌｆｏｗｍの引張試験片を切り出して引張
試験を行い調べた。引張試験は、試験開始から破断に至
るまで０．５％／層ｉｎの歪速度とした。

（以下、余白） 第１表より、Ｎα９およびＮα１０の合金のように、Ａ
Ｉ！、含有量が望ましい範囲外のものは、室温およびｓ
ｏｏ”ｃでの伸びが低く、Ｎα１１の合金のようにＭ。

を過度に添加したものは、常温の伸び及びｓｏｏ’ｃで
の強度が低く、Ｎα１２の合金のようにＢを過度に添加
したものは、常温の伸びが低い、これに対して、望まし
い範囲内である隠１〜弘８の合金は、いずれも室温およ
びｓｏｏ”ｃでの伸びが１．５％以上あり、且つ、８０
０°Ｃでの強度も４０ｋｇｆ／＋ｍ”以上である。

従って、素材には漱１〜ｋＢのような合金を使用するの
がよい。

このようなＴｉＡｌ基合金からなる機械摺動部品用部品
の表面に、モリブデンを含む金属、コバルト基合金、窒
化チタンを含む化合物、炭化チタンを含む化合物、酸化
アルミニウムを含む化合物、炭化タングステンを含む化
合物、炭化クロムを含む化合物のいずれか１種を被覆す
れば優れた耐摩耗性を付与することができる。

本発明において、被覆層の種類を上記のような金属およ
び化合物に限定するのは、これらの金属および化合物は
硬質であるうえにＴｉＡ　ｊ！　％合金と密着性がよく
、さらには鉄系材料との摺動摩耗性に優れているからで
ある。

例えば、排気エンジンバルブではバルブ頭部は８００℃
の温度まで上昇するが、上記の金属又は化合物の場合、
ＴｉＡ　ｌ基合金との密着性がよいので８００°Ｃの温
度でも剥がれることがない、また、鉄系材料で作られて
いるバルブガイドやバルブシートとの耐摩耗適合性に優
れているので摺動摩耗が少ない。

なお、前記モリブデンを含む金属の被覆層とは、Ｍｏの
みからなる被覆層或いは各種−〇合金、例えばＭｏ−０
，５％−丁ｔ、　ＴＺＣ，ＴＺＭ等のＭｏ基合金を含む
被覆層である。コバルト基合金の被覆層とは、例えば、
Ｃ：１〜３．０重量％、Ｃｏ：４０〜５５重量％、Ｗ：
４〜２０重量％、Ｃｒ　：　２５〜３５重量％の組成の
被覆層である。窒化チタンを含む化合物の被覆層とは、
ＴｉＮのみを含む被覆層或いは基本皮膜層がＴｉＮで他
にＴｉＣ，、Ｔ１ＣＮを含む被覆層である。炭化チタン
を含む化合物の被覆層とは、ＴＩＣのみを含む被覆層或
いは基本皮膜層がＴｉＣで他にＴｉＮ、Ｔ１ＣＮを含む
被覆層である。酸化アルミニウムを含む化合物の被覆層
とは、酸化アルミニウムのみを含む被覆層或いは基本皮
膜層が酸化アルミニウムで他にＨａｌｏｓ　５ｉｆｔ、
、Ｔｉ１ｔ、　Ｚｒ０ｚ等の酸化物を１種以上含む被覆
層である。炭化タングステンを含む化合物の被覆層とは
、炭化タングステンのみを含む被覆層或いは基本皮膜層
が炭化タングステンで他にＣｏ、　Ｎｉ、　Ｆｅ等の金
属を１種以上含む被覆層である。

炭化クロムを含む化合物の被覆層とは、炭化クロムのみ
を含む被覆層或いは基本皮膜層が炭化クロムで他にＮｉ
Ｃｒ合金、Ｇｏ金合金Ｎｉ合金、Ｔｉ、　Ｔｉ−＾Ｌ−
■合金、等の１種以上含む被覆層である。

このような金属又は化合物の被覆層は、次のような方法
で機械摺動部用部品、例えばエンジンバルブの表面に形
成することができる。

モリブデンを含む金属の被覆層、コバルト基合金の被覆
層、酸化アルミニウムを含む化合物の被覆層、炭化タン
グステンを含む化合物の被覆層および炭化クロムを含む
化合物の被覆層は、プラズマ溶射法等の溶射法によって
形成することができる。窒化チタンを含む化合物の被覆
層および炭化チタンを含む化合物の被覆層は、物理的プ
ロセスによる気相メツキ（ＰＶＤ）およびガス窒化等の
処理によって形成することができる。

被覆層の厚みは、モリブデンを含む化合物の被覆層、コ
バルト基合金の被覆層、酸化アルミニウムを含む化合物
の被覆層、炭化タングステンを含む化合物の被覆層およ
び炭化クロムむ化合物の被覆層の場合には、３〜７０μ
ｍが好ましい、窒化チタンを含む化合物の被覆層および
炭化チタンを含む化合物の被覆層の場合には、２〜ＩＯ
μ鶏が望ましい。

いずれの被覆層の場合でも薄すぎると耐摩耗性が十分で
はなく、厚すぎると密着性が低下する。

被覆は機械摺動部用部品の全面或いは一部でもよい０例
えば７ｔＡｆｆｉ！合金製エンジンパルプの場合、バル
ブ全表面に被覆してよく或いは摩耗の大きいフェース面
、軸および軸端のみだけでもよい。

以下、実施例により本発明を更に説明する。

（実施例１） Ｔｉ−３４重量％Ａｊ２．　Ｔｉ−３４重量％／／！−
１，５重置％Ｍｏ、　Ｔｉ−３４重量％Ａｆｆｉ−１，
５重量％Ｍｏ−０，０８重量％Ｂの３種のＴｉ＋／！基
合金のインゴット（径：５０■、長さ：　１００ｍ＋ｍ
）をＡｒアーク溶解により溶製した。

次いで、これらのインゴットを１１５０°Ｃで恒温鍛造
し、エンジンバルブ素形材に加工した後、１２００°Ｃ
で２４時間焼鈍し、切削してエンジンバルブ（傘部径：
　３（ｈａｗｂ、軸径：６開、長さ：　１２０ｍｍ）に
底形した。続いて、ガスプラズマ溶射によりモリブデン
をエンジンバルブ全表面に溶射した。溶射皮膜は３０μ
−とした。

こうして製造したエンジンバルブおよびモリブデンを溶
射していないエンジンバルブを動弁系排気バルブにセッ
トし、ガソリン燃料を使用したエンジンテストを行った
。

エンジンテストは、エンジン回転数；　５０００ｒｐｍ
＋。

試験時間＝３０時間、の条件で行い、テスト後のエンジ
ンバルブのフェース面、軸端および軸部の摩耗状態を観
察した。

その結果、モリブデンを全表面に被覆した本発明のエン
ジンパルプは、フェース面、軸端および軸部との３０時
間のエンジンテスト後も殆ど摩耗がなく、良好な耐摩耗
を示した。また、エンジンの回転限界も従来のＳＨＯ３
６製エンジンバルブでは８０００ｒｐｍであるのが、９
０００ｒｐｍに向上した。

これに対して、モリブデンを溶射していないエンジンパ
ルプは、５時間のエンジンテストでフェース面および軸
部が摩耗し、エンジンの能力が低下した。

（実施例２） Ｔｉ−３４重量％ＡｆのＴｉＡｌ基合金のインゴット（
径：　５０ｖ＋＋、長さ：　１０ｋｍ）を＾ｒアークン
容解法によりｔ容製した。

次いで、このインゴットを１１５０°Ｃで恒温鍛造し、
棒材（径＝２５ＩＩＩｍ）に加工した後、１２００°Ｃ
で２４時間焼鈍し、さらに焼鈍後の棒材を切削して径１
０ｍ１１．長さ４０ＩＩＩＩのピンに底形した。その後
、ピン表面にガスプラズマ溶射およびＰＶＤ処理により
第２表に示す被覆層を形威し、ピンオンディスク方式に
て摺動摩耗性を調査した。従来例としてタフトライド処
理したＳＨＯ３６製ピンについても同様に試験を行い摺
動摩耗性を調査した。これらの結果を第２表に示す。

なお、ピンオンディスク試験は、荷重：２ｋｇ、摺動速
度：　６２．８ｎ＋／＋ｉｎ　、摺動距離：　２．５Ｘ
１０’ａ＋、相手材：高張力ｉｌ！（引張強さ：　６０
ｋｇｆ／ａｍ”）、潤滑剤：なし、の条件で行った。

（以下、余白） 第２表より明らかなように、Ｎ１１ｌ−８１１７に示す
本発明のエンジンパルプ（本発明例のもの）は、いずれ
も摩耗が少なく、従来例と同レベルである。

これに対して、阻８の被覆層を有しない比較例のエンジ
ンパルプは、摩耗が大きい。

（発明の効果） 以上説明した如く、本発明の金属間化合物ＴｉＡｆｆｉ
基合金製機械摺動部用部品は、母材のＴｉＡｊｌ！基合
金が常温延性および高温強度に優れ、且つ、表面には硬
質の被覆層を有しているので摩耗が少ない。

しかも、従来の鋼製品より軽量であるため、例えば、自
動車、航空機等のエンジンパルプに用いエンジン性能を
向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、被覆層を施す前のエンジンパルプの製造工程
の一例を示す図、 第２図は、被覆層を施す前のエンジンパルプのもう一つ
の製造工程の例を示す図、である。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）表面にモリブデンを含む金属を被覆してなること
   を特徴とするＴｉＡｌ基合金製機械摺動部用部品。
2. （２）表面にコバルト基合金を被覆してなることを特徴
   とするＴｉＡｌ基合金製機械摺動部用部品。
3. （３）表面に窒化チタンを含む化合物を被覆してなるこ
   とを特徴とするＴｉＡｌ基合金製機械摺動部用部品。
4. （４）表面に炭化チタンを含む化合物を被覆してなるこ
   とを特徴とするＴｉＡｌ基合金製機械摺動部用部品。
5. （５）表面に酸化アルミニウムを含む化合物を被覆して
   なることを特徴とするＴｉＡｌ基合金製機械摺動部用部
   品。
6. （６）表面に炭化タングステンを含む化合物を被覆して
   なることを特徴とするＴｉＡｌ基合金製機械摺動部用部
   品。
7. （７）表面に炭化クロムを含む化合物を被覆してなるこ
   とを特徴とするＴｉＡｌ基合金製機械摺動部用部品。