JPH0421729A - Ｔｉ―Ａｌ系合金を用いた材料の製造方法と製品 - 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】 ａ、　産業上の利用分野 本発明はＴｉ−Ａ　ｉ系の合金材料の製造方法と、その
材料を利用した製品（特にピストン）に関する。

ｂ、　従来の技術 チタン（Ｔｉ）は稠密六方格子（ｈｃｐ）の結晶構造か
らなり、これに面心立方格子（ｆｃｃ）の結晶構造から
なるアルミニウム（ＡＩ！、）が固溶してゆくと、丁１
の結晶構造にＡＮ原子が置換される形で合金化が進行す
る。しかし加える八！の量がある組成域以上になると、
Ｌｌ。型と呼ばれる結晶構造を有する金属間化合物即ち
ＴｉＡ　Ｉ！が生成する。

一般にこの金属間化合物は構成元素と異なる結晶構造を
有し、共有結合化合物、イオン結合化合物、電子化合物
といった様々な原子結合様式を有するのが特徴である。

従って、共有結合性の強い化合物はセラミックスに似た
物性を有し、電子結合性の強い化合物は金属にイ以だ物
性を有する。いわば金属とセラミックスの中間の材料群
に位置するのが金属間化合物である。

首−Ａｌ系にはＴｉ５Ａ　ｌ　、ＴｉＡ　ｊ！　＋Ａ　
１２　ｓＴｉ　の３種の金属間化合物が存在し、特にＴ
ｉ／／！はＴｉとＡｌとを原子比率で１＝１の割合で固
溶させた場合に形成される。これは高温になるにつれて
強度が増すという“強度の逆温度依存性”を有し、室温
付近では殆ど延びを示さない、しかし８００〜９００℃
付近から急に延びを示す脆性−延性遷移温度を有してい
る。従ってＴｉＡｆは比重３．７と軽いことからＮｉ基
趨耐熱合金に代替しろる材料として注目を集めるように
なった。

一方、ピストン頭部を強化し、耐熱性を向上させるため
ＳｉＣなどのウィスカーによってプリフォームを作成し
、これを型にセットしてへ！合金の溶湯を注いでピスト
ンを加圧鋳造する方法（ＦＲＭ化）がおこなわれている
、また＾ｊ！　ｇｏｓセラミックス等の小片を鋳ぐるむ
ことによりピストン頭部を強化する方法がおこなわれて
いる。さらにセラミックス粉末を溶射する方法なども知
られている。

Ｃ１発明が解決しようとする課題 前記ＴｉＡ　１２は耐酸化性に優れ、前記のように温度
の上昇と共に強度も序章する強度の逆温度依存性を有し
ているが、将来の耐熱合金に比較すると著しく脆く、前
記Ｎｉ基超超耐熱合金代替材料としては不適当である。

一方、前記ＦＲＭ化ピ大ピストンプリフォームによる複
合化部と母材との境界部分に熱膨張や凝固収縮率の違い
により割れや鋳巣が発生し易く、その複合化部は熱伝導
率が悪くピストンの蓄熱を招き、またプリフォームのコ
ストが高いという問題点がある。さらにウィスカーとへ
２溶湯の“ぬれ性”に問題がある。

またセラミックスを鋳ぐるんだものでは、母材との界面
での接合力に問題があり、特に急加熱急冷などの熱衝撃
に弱く信顧性に欠けるという欠点がある。

さらに溶射被膜も密着強度に一様性がなく、表層剥離が
熱衝撃存在下で発生し易い。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、前記問題点
を解消すべく、前記従来の複合強化材料に匹敵またはそ
れ以上の軽量耐熱性を備えたＴｉ−Ａ　ｌ系合金材料の
製造方法と、それを用いたピストン及びその製造方法を
提供することを目的とする。

ｄ、　課題を解決するための手段 前記目的に添い、本発明は、純Ｔｉと純Ａｆｆｉの各粉
末をＴｉ：Ａｆ！＝８０〜６０　：　２０〜４０−ｔ％
の割合で混合したあと、あるいはこの割合のＴｉＡ　ｌ
金属間化合物粉末をそのまま、少なくとも４　ｔ　／　
ｄ以上の圧力で成形し、これを真空中または不活性ガス
中において１０５０〜１２００℃の温度で焼結したあと
、この焼結体に対し、同じく真空または不活性ガス雰囲
気中において溶浸温度７５０〜８５０℃、溶浸重量比１
０〜３０％となるように耐熱性のアルミルラム合金を溶
浸させたＴｉ−へ！系合金材料の製造方法と、この材料
を用いたピストンと、その製造方法を提供することによ
って前記課題を解消した。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳
細に説明する。

第１図に示す要領で、まず、ボールミル等を用いて純Ｔ
ｉ粉末と純へ！粉末とを第１表に示す条件によって秤量
し、十分に混合する。あるいは同表の混合比の範囲にあ
るＴｉＡｌ１！粉末をそのまま用いてもよい。

第１表 なお、前記条件においてＡｆが２０ｗｔ％以下になると
↑ＩＡｌの形成が認められなくなり、また４０ｗｔ％以
上になるとこの焼結条件では焼結が不可能となる。

次にパンチ１とダイス２によって、第２表に示す加圧成
形条件によって加圧し成形体３を得る。

第２表 なお、前記加圧成形条件において、成形圧力は４〜８ｔ
／Ｃ４程度でよい、２を以下では成形体強度が低く、ま
た加圧力が強すぎても焼結後の空隙が少なくなり、後述
の溶浸効果が得られにくい。

次に、この成形体３を次の第３表に示す条件で焼結する
。

第３表 ＴｉとＡｌの混合粉末を焼結すると両者の粉末の接触界
面で拡散反応が生じ、八！の拡散係数が大きいためにＡ
ｌは優先的にＴｉ側へと拡散して行く。

このためＡｆが拡散していった箇所には空隙（カーケン
ドールボイド）が形成され、焼結体は直径数１００μを
有する穴だらけの素材となる。

この焼結温度の範囲外及び焼結時間未満ではこのような
拡散が充分におこなわれず、好ましい焼結体が得られな
い。

次に、この焼結体５に対し、高Ｓｉを含有する熱処理性
耐熱アルミニウム合金を浸透させる。たとえばＡＣ８Ａ
、　ＡＣ８Ｂ、　ＡＣ９Ａ、　ＡＣ９Ｂ、　Ａ３９０等
の合金を、溶浸材料６とし用い、これを前記焼結体５上
に載置し、第４表に示す条件で炉７内で溶浸処理を施す
、なお、溶浸とは、強固な多孔質体（焼結体など）に対
し、これよりも低融点の金属または合金の溶湯を侵入さ
せて緻密な焼結体とする処理方法である。

第４表 表における溶浸の雰囲気は真空、アルゴン、水素の雰囲
気がよい。

本発明の方法により得られた合金はＴｉＡ　１．基合金
である。　　ＴｉＡｌは５００℃でも強度は低下せず３
０ｋｇｒ／ｃ４　（マトリックスに同合金を用いたＦＩ
ｌ？Ｉで５　ｋｇｆ／ｃｊ以下）でありピストン材料と
して極めて有効な素材である。また、熱処理（１，処理
）を本材料に施せばさらに強度が向上する。

次に本発明に係る方法で処理した材料を製品、たとえば
ピストンに応用した実施例について説明する。

第１図に示すように、まず、純Ｔｉ粉末と純Ａｌ粉末と
をＴｉ：Ａ　ｌ　＝６４　：　３６の比率で秤量し、充
分混合する。

次にこの混合粉末を前記第２表に示す条件で、成形圧力
８　ｔ　／　ｃｄ以上で加圧し、ピストン頭部に対応す
る大きさの成形体３を得る。これを焼結炉４に収容し、
１２００”Ｃで４時間に亘って真空焼結を施す。

次にこの焼結体５を、第１図に分岐して示すように金型
１０内であって、ピストン頭部に相当する位置にセット
する。この場合、この焼結体５は約４００℃に予め予熱
しておく。

次に溶融した約７５０℃のアルミ合金ＡＣ８Ａの溶湯１
１をこの金型１０に注ぎ、パンチによって加圧鋳造（溶
浸処理に相当）を施す、この結果、鋳ぐるまれた焼結体
５にアルミ合金が浸透し２てゆき、その部分ではＴｉＡ
ｆが基合金となったものかえられる。

次に、このピストンに対し、熱処理（Ｔ！処理）を施し
たのち、機械加工を施して完成する。

このようにして鋳込まれた部分は約３００℃以上でＡＣ
８Ａそのものより高温強度が高く、また熱伝導率、熱膨
張率もほぼ同様であり、鋳ぐるみに適している。

なお、前記処理においては加圧鋳造に代って重力鋳造に
よってもよい。

ｅ、　発明の効果 本発明の方法によれば、次のような効果が得られる。

■　ピストンの強化に、ＦＪ？Ｍや溶射方法が用いられ
ていたが、これらの方法はコストが高いという難点があ
った。これに対し本発明の方法によればコスト的にも安
く処理することができる。

■　ピストン用として用いられる材料（例えばＡＣ８Ａ
　）より、約３００℃以上の温度で高い強度のものが得
られる。

■　切削性を害する粗大化した初晶シリコンが、本発明
の方法によって消失するため、切削性が向上する。

■　成形後に、ＴｉＡ　ｌを基合金とする組成となるた
め、熱１１張率が小さく、Ｓｉｃ等のセラミックスより
熱伝導率が大きいＴｉＡ　ｌの特性が利用でき、エンジ
ン部品として有効な材料となる。

■　ＴｉＡｆを基合金としてＡｆも存在するため、これ
をアルミ合金（ＡＣ８Ａ等）に鋳ぐるんでもその境界部
の接合性が良好であり、従来のような割れなどが発生す
るおそれはない。

■　強化部は熱膨張率、熱伝導率ともＡＣ８Ａ等に近い
ため、熱衝撃に強く耐久性に優れた製品かえられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る方法の実施要領を説明する図であ
る。 ３・・・成形体、　　　　　　　５・・・焼結体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）純Ｔｉと純Ａｌの各粉末をＴｉ：Ａｌ＝８０〜６０
   ：２０〜４０ｗｔ％の割合で混合したあと、あるいはこ
   の混合割合のＴｉＡｌ金属間化合物粉末をそのまま、少
   なくとも４ｔ／ｃｍ＾２以上の圧力で成形し、これを真
   空中または不活性ガス中において１０５０〜１２００℃
   の温度で焼結したあと、この焼結体に対し、同じく真空
   又は不活性ガス雰囲気中において溶浸温度７５０〜８５
   ０℃、溶浸重量比１０〜３０％となるように耐熱性のア
   ルミニウム合金を溶浸させることを特徴とするＴｉ−Ａ
   ｌ系合金材料の製造方法。 ２）前記耐熱性のアルミニウム合金がＪＩＳＡＣ８Ａ、
   ＡＣ８Ｂ、ＡＣ９Ａ、ＡＣ９Ｂ、Ａ３９０及びこれに類
   する合金であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載のＴｉ−Ａｌ系合金材料の製造方法。 ３）純Ｔｉと純Ａｌの各粉末をＴｉ：Ａｌ＝８０〜６０
   ：２０〜４０ｗｔ％の割合で混合したあと、あるいはこ
   の混合割合のＴｉＡｌ金属間化合物粉末をそのまま用い
   、少なくとも４ｔ／ｃｍ＾２以上の圧力で成形し、これ
   を真空中または不活性ガス中において１０５０〜１２０
   ０℃の温度で焼結してプリフオームを製作し、これを鋳
   造用型にセットしたあと、ピストン用アルミ合金の溶湯
   を注いで、該溶湯を焼結体内に浸透させ、ピストン頭部
   のプリフオームの部分にＴｉＡｌを基合金とする強化部
   を形成したことを特徴とするピストンの製造方法。 ４）アルミ合金製ピストン頭部の特定区域にＴｉＡｌを
   基合金とする強化部を有するピストン。