JPH05148598A

JPH05148598A - チタン又はチタン合金からなる基材の表面硬化法および表面硬化部材

Info

Publication number: JPH05148598A
Application number: JP2655291A
Authority: JP
Inventors: Takumi Shibuya; 巧渋谷; Satoshi Kano; 智狩野; Hiroo Ozeki; 宏夫大関; Junya Oe; 潤也大江
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1991-02-20
Filing date: 1991-02-20
Publication date: 1993-06-15

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明はチタン又はチタン合金の表面硬化法
および表面硬化部材を提供することを目的とする。【構成】チタン又はチタン合金の基材上に下記の元素
を含むチタン合金の被覆層を形成し、加熱し溶融拡散反
応させて溶融拡散層を形成する。被覆層としては、チタ
ンろう、又は、チタン基合金粉末の塗布物、粉末の圧密
体でも良い。チタン合金を用いる場合は、窒素、炭素、
ホウ素、ジルコニウム、銅、タングステン、ニオブなど
を含むものを用いる。【効果】基材に含有される元素と被覆層に含有される
元素との溶融拡散反応により共晶合金化と化合物生成が
なされて硬い溶融拡散層が生成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、チタン又はチタン合金
の表面硬化法および表面硬化部材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車エンジンでは、高速回転化
に伴なってエンジンの構成部材の軽量化が要求されてい
る。例えばロッカアームを例にとると、従来のロッカア
ームは、必要箇所に浸炭処理を施した鉄系の合金から形
成されるのが一般的であったが、近年、前記軽量化の要
求に答えるべく、チタンあるいはチタン合金を用いてロ
ッカアームを製造することが考えられている。これは、
チタンが、鉄と同程度の強度を持ちながらその比重が鉄
とアルミニウムの中間程度であるので、ずみやかにロッ
カアームの軽量化が図れるからである。

【０００３】ところで、ロッカアームをチタンあるいは
チタン合金で製造する場合であっても、バルブトップや
カムとの接触部は優れた耐摩耗性を有する必要があり、
この部分は硬化させる必要がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】そこで現行で考えられ
るチタン表面の硬化法の１つとして、窒化があるが、窒
化ではチタン表面のごく一部分(例えば表面の数μm程
度)しか硬化することができず、ロッカアーム用には供
しえないものである。また、耐摩耗性の高い合金の盛金
による硬化法も知られているが、チタンの材料的な特性
上、溶接は難しく、この方法も採用しがたい問題があ
る。

【０００５】なお、特開昭５０−２８４４３号公報で開
示されるように、Ｔi又はＴi合金に金属または合金を被
覆した後に硬化処理する方法が知られている。ところ
が、この方法で得られる硬化層の厚さは、数十μm程度
であって、ロッカアームなどの耐摩耗性部品用の硬化法
としては、十分な厚さの硬化層が形成できない問題があ
る。

【０００６】本発明は前記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的とするところは、比較的容易な処理によっ
てチタン又はチタン合金の基材の表面に１mm以上の厚い
硬化された層を形成することができ、チタン又はチタン
合金製の耐摩耗性の高い硬化材を得ることができるとと
もに、硬化された厚い層を有するチタン又はチタン合金
製の表面硬化部材を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明は
前記課題を解決するために、チタン又はチタン合金から
なる基材の表面に、炭素、窒素、ホウ素、ジルコニウ
ム、銅、タングステン、モリブデン、ニオブの中から選
択される少なくとも１種以上の元素を含有するチタン合
金からなる被覆層を形成し、次いで前記被覆層と基材の
少なくとも境界部分を融点以上の温度に加熱して溶融さ
せ、溶融拡散により被覆層の少なくとも一部と基材表面
部とを合金化するものである。

【０００８】請求項２に記載の発明は前記課題を解決す
るために、被覆層を構成するチタン合金として、チタン
ろうを用いるものである。

【０００９】請求項３に記載の発明は前記課題を解決す
るために、被覆層として、チタン合金の粉末の塗布物、
あるいは、チタン合金の粉末の圧密体を用いるものであ
る。

【００１０】請求項４に記載の発明は前記課題を解決す
るために、チタン又はチタン合金からなる基材と、この
基材上に形成された溶融拡散層とを具備してなり、前記
溶融拡散層が、炭素、窒素、ホウ素、ジルコニウム、
銅、タングステン、モリブデン、ニオブの中から選択さ
れる少なくとも１種以上の元素と、チタン合金の構成元
素とを含むものである。

【００１１】請求項５に記載の発明は前記課題を解決す
るために、チタン又はチタン合金からなる基材と、この
基材上に形成された溶融拡散層と、この溶融拡散層上の
被覆層とを具備してなり、前記被覆層が炭素、窒素、ホ
ウ素、ジルコニウム、銅、タングステン、モリブデン、
ニオブの中から選択される少なくとも１種以上の元素を
含有するチタン合金からなり、前記溶融拡散層が、基材
の構成元素と被覆層の構成元素とを含む

【００１２】請求項６に記載の発明は前記課題を解決す
るために、溶融拡散層に、基材の構成元素と被覆層の構
成元素との化合物が混在されてなるものである。

【００１３】

【作用】本発明によれば、チタン又はチタン合金からな
る基材の表面に、チタン合金からなる溶融拡散層を形成
するので、チタン又はチタン合金の構成元素とチタン合
金の構成元素とが溶融拡散反応して共晶合金化による硬
化が起こり、更に化合物の析出による析出硬化が生じ、
これらにより硬化された溶融拡散層が基材表面を硬化す
る。更に、基材表面側に被覆層の構成元素が拡散すると
ともに、被覆層側にも基材構成元素が拡散するので、基
材と溶融拡散層の境界部分は硬さの勾配がゆるやかに変
化するようになる。

【００１４】溶融拡散層は耐摩耗性に優れるので、本発
明により得られる表面硬化部材はロッカアームなどのよ
うに耐摩耗性が要求される機械部品用として好適であ
る。また、本発明の基材は、あくまでチタン又はチタン
合金であるので、本発明の表面硬化部材を用いて得られ
る機械部品は、従来の鉄系材料に比較して軽量で同程度
の強度を有し、耐摩耗性も優秀である。

【００１５】更に、基材の構成元素と被覆層の構成元素
の溶融拡散反応によれば、拡散原子の相互拡散速度を高
めることができるので、厚い溶融拡散層が得られる。こ
の厚い溶融拡散層が基材上に形成されていると、基材の
塑性加工が可能になり、基材表面の切削加工が可能にな
る。

【００１６】被覆層として粉末の塗布物あるいは圧密体
を用いることで被覆層の厚さを自由に制御することがで
き、所望の厚さの硬化層が形成される。

【００１７】以下に本発明を更に詳細に説明する。

【００１８】図１は本発明方法を適用して得られたロッ
カアームを示している。この例のロッカアーム１は、軸
受部２とその両側に延設されたアーム部３,４とを具備
してなり、アーム部３の先端にはカムに摺接する第１接
触部５が、また、アーム部４の先端にはバルブ軸に摺接
する第２接触部６が各々形成されている。

【００１９】前記ロッカアーム１は、チタン又はチタン
合金からなり、その接触部５,６には本発明方法に係る
硬化処理が施されている。ロッカアームを構成するチタ
ン合金として、Ｔi-６Ａl-４Ｖ合金、Ｔi-１３Ｖ-１１
Ｃr-３Ａl合金、Ｔi-５Ａl-２Ｃr-１-Ｆe合金、Ｔi-５
Ａl-３Ｍn合金などを例示することができるが、これ以
外のチタン合金を用いても良い。

【００２０】前記接触部５,６の断面構造は、図２に示
すようにチタン又はチタン合金からなる基材７と、この
基材７の表面に被覆された溶融拡散層８とからなってい
る。この溶融拡散層８は、厚さ０.７〜１.０mm以上のも
のである。

【００２１】溶融拡散層８を形成するには、まず、図３
に示す基材７の表面に、図４に示すように被覆層９を形
成する。この被覆層９を構成する金属として用いるの
は、チタンとの間に、金属間化合物、炭化物、チッ化
物、ホウ化物などの化合物を生成する金属が好ましい。
具体的には、Ｔi-４８Ｚr-４Ｂe、Ｔi-３０Ｖ-４Ｂe、
Ｔi-３３Ｃr、Ｔi-１３Ｖ-１１Ｃr-３Ａlなどのチタン
ろうを中心とするチタン合金を例示することができる
が、これらに限るものではない。

【００２２】被覆層９を基材７上に形成する手段として
は、前記各組成の金属の箔を基材７上に、圧着、接着、
スポット溶接などの方法により接合して形成しても良い
し、前記組成の金属の粉体とをバインダーに混合した塗
布物を塗布しても良いし、電解メッキ、無電解メッキに
より形成しても良い。。また、前記組成の金属の粉末を
基材７上にまぶした後に、液圧プレスなどの手法により
圧密して被覆しても良い。要は、ある程度の厚さをもっ
た被覆層９を形成できる手段であれば公知のいかなる手
段を用いても良い。前記の手段により、厚さ数mm程度の
被覆層９を容易に形成することができる。

【００２３】被覆層９を形成したならば、真空炉などに
収納して、例えば１×１０^-4Ｔorr以下の真空中で９０
０〜１１００℃に加熱する。真空中で処理するのは、チ
タンが化学的に活性であり、還元反応を防止するためで
ある。また、加熱温度は被覆層９の構成主要元素とチタ
ンとの共晶点近傍の温度あるいはそれ以上の温度が好ま
しい。従って前記のように９００〜１１００℃の範囲が
好ましいが、加熱温度は被覆層９の種類によって前記の
範囲内で適宜設定するものとする。

【００２４】前記真空加熱処理によって被覆層９の一部
又は全部が溶融拡散する。このような溶融拡散状態で所
定時間(数十分〜数十時間)保持することで被覆層９を構
成する元素と基材７を構成する元素が相互拡散し、冷却
後に図２に示す溶融拡散層８が生成する。

【００２５】この溶融拡散層８の硬度は、Ｔi-２０Ｚｒ
-２０Ｃｒ-２０Ｎi合金においてビッカース硬度で４０
０〜４５０の値を示す。

【００２６】ここで前記溶融拡散処理を行うことで、チ
タンと他の元素との共晶合金化、更には、炭素とケイ素
とホウ素と窒素とジルコニウムとクロムとニオブのいず
れかから選択される元素と、基材のチタンとの２元系あ
るいは３元系の共晶合金化、並びに金属間化合物の生成
が起こり、被覆層９よりも硬化が高められた溶融拡散層
８が形成される。溶融拡散反応で生成される金属間化合
物として、Ｎi₃(Ａl＋Ｔi)などのγ'相を例示すること
ができる。また、被覆層に含有させる元素において炭素
がカーバイド、ケイ素がシリサイド、ホウ素がボライ
ド、窒素がチッ化物、ジルコニウムとニオブとクロムが
金属間化合物を生成して硬化に寄与する。

【００２７】なお、前記被覆層９を加熱溶融する場合、
高周波加熱などの手段を用い、基材７側の被覆層９の一
部を溶融させても良いし、被覆層９の全体を溶融させて
も良い。

【００２８】図５は溶融拡散層８の拡大構造を示すもの
である。溶融拡散層８は、基部層１１と、この基部層１
１上の硬化層１２とから構成される。即ち、被覆層９の
構成元素が基材７側に拡散して生成されたものが基部層
１１であり、溶融拡散層８に基材７の構成元素が拡散し
て生成されたものが硬化層１２である。

【００２９】溶融拡散層８は、チタン又はチタン合金の
基材７に被覆層９の構成元素が拡散して構成され、硬化
層１２は、被覆層９の構成元素に基材７の構成元素が拡
散して構成されたものであるので、拡散元素の濃度勾配
が緩やかな場合は基部層１１と硬化層１２との境界部分
が明確ではないこともある。ここで硬化層１２は基部層
１１よりも硬くなる。即ち、硬さの分布に傾斜がつくわ
けであり、基材７側の基部層１１から硬化層１２側にか
けて順次硬度が向上するような構造になる。

【００３０】このように硬度がなめらかに低下する構造
をもつ表面硬化部材は、使用に際し、仮に表面の最も硬
い部分が摩耗した場合でも徐々に耐摩耗性が低下するだ
けで、摩耗が急激に進んで周囲の部品とのバランスが崩
れる不具合が生じない。即ち、ロッカアーム１の場合を
例にとると、バルブトップとの接触面積が急激に摩耗す
ることがなく、バルブクリアランスが大きくなりすぎる
ことがなく、打音が発生するといった不具合は生じな
い。

【００３１】これに対して通常の盛金による硬化法で
は、硬度が低下しないように基材と盛金との合金化を極
力抑えて行うのが通常であるが、本発明では逆に、積極
的に合金化を促進し、盛金よりも硬度を上げることがで
きるとともに、溶融拡散層８の硬度変化を滑らかに低下
させて基材７に連続させることができるようにしたもの
である。

【００３２】一方、図６は本発明の硬化材をリングギヤ
３０に適用した実施例を示すものである。このリングギ
ヤ３０では外周のギヤ部が本発明方法で硬化されてい
る。リングギヤ３０の全体の概略部分はチタン又はチタ
ン合金で鍛造などの通常の手段で作製し、この後に外周
のギヤ部全体に被覆層を形成して硬化させた後に、切削
加工あるいは研摩加工を行ってギヤ部を仕上げることで
リングギヤ３０を得ることができる。

【００３３】本発明に係る溶融拡散層８は数分の一mm〜
数mmと十分な厚さを有するので、切削加工や塑性加工が
可能になる。よって製造時に切削加工や塑性加工が必要
な機械部品をチタン又はチタン合金で製造することが可
能になる。

【００３４】なお、前記の例ではロッカアーム１とリン
グギヤ３０に本発明方法を適用した例について説明した
が、その他の耐摩耗性の要求される部材(バルブリテー
ナ、トランスミッションギア、デファレンシャルギア、
ディスクブレーキ、軸受など)に本発明を適用しても良
いのは勿論である。

【００３５】

【実施例】チタンあるいはチタン合金製の基材を用い、
その基材の表面に粉末塗布法により、厚さ０.５mmのチ
タン合金の被覆層を形成し、この被覆層付きの基材を真
空加熱炉に収納して真空加熱炉の内部を１×１０^-4Ｔor
rに真空引きした後に、９００〜１１００℃に１時間加
熱して溶融拡散処理を行った。

【００３６】得られた溶融拡散層を有する基材を硬度Ｈ
ＲＣ−５７のＳＵＪリングに摺接させて摩耗速度(m／
秒)と比摩耗量の関係を測定した。この測定には、大越
式摩耗試験機を用いた。この大越式摩耗試験機は、株式
会社：東京試験機製作所製の迅速摩耗試験機であって、
回転円盤を平面試験片に押し付けて摩耗し、その時の摩
耗痕の大きさで摩耗量を測定する装置である。いま、回
転円盤の外径を２ｒ、厚さをＢとし、摩耗距離ｌoだけ
摩耗した時の最終荷重をＰo、摩耗痕の深さをboとする
と、摩耗量（体積）は、Ｂbo³／１２ｒｍｍ³で示さ
れ、接触圧力は、Ｐo／Ｂbo ｋｇ／ｍｍ²で示さ
れるとともに、試験材料の摩耗特性を示す比摩耗量Ｗｓは、Ｂb³／８ｒＰoｌo ｍｍ²／ｋ
ｇで示される。

【００３７】また、回転円盤の寸法は、外径２８ｍｍの
円筒部材の外周部に厚さ３ｍｍの外径３０ｍｍのフラン
ジ部を形成した回転円盤を用いるとともに、平面試験片
は、長さ４０〜６０ｍｍ、幅２５ｍｍ、厚さ５〜１０ｍ
ｍのものを用い、回転軸の先端に前記回転円盤を装着
し、回転円盤のフランジ部を前記試験片に所要の圧力で
押し当てて回転軸を回転駆動し、フランジ部が試験片に
対して所定距離擦り合った後に試験を停止して摩耗痕を
測定し、計算により比摩耗量を算出した。

【００３８】図７に、チタン合金の基材にＴi-２０Ｚｒ
-２０Ｃu-２０Ｎiなる組成の被覆層を形成して得られた
溶融拡散層を有するものの耐摩耗性について耐摩耗試験
を行った結果と、チタン合金の基材にＮi-５０Ｃo合金
の被覆層を形成して得られた溶融拡散層を有する試料の
耐摩耗性試験結果とを示す。

【００３９】図７においてＴi合はＴi-６Ａl-４Ｖなる
組成のチタン合金を示す。図７から、チタン合金の基材
に、チタンろうの被覆層を形成して溶融拡散させた試料
は、他の試料に比較して耐摩耗性に優れていることが判
明した。

【００４０】図８は、チタンろうを被覆層として用いた
場合の加熱温度変化と摩耗速度との関係を示すものであ
る。図８から、加熱温度を９００℃と９４０℃のいずれ
の値としても良好な耐摩耗性が得られることが明らかで
あるが、特に低速域での耐摩耗性の面では、９００℃で
処理した試料の方が良好な耐摩耗性を示した。

【００４１】図９はＴiあるいはＴi-６Ａｌ-４Ｖ合金基
材の表面にＴi-２０Ｚｒ-２０Ｃu-２０Ｎiなる組成の箔
を被覆してプレスした後に９５０℃で１時間溶融拡散処
理を行なって得られた硬化部材において、表面からの深
さに応じた硬度の測定結果を示す。図９に示す結果から
本発明による硬化部材は、表面部分の硬度が最も高く、
深くなるほど硬度が低くなっていることが明らかになっ
た。

【００４２】図１０はＴi-６Ａｌ-４Ｖ合金基材の板材
の一辺側にこの部分を覆うようにＴi-２０Ｚｒ-２０Ｃu
-２０Ｎiなる組成の被覆層を形成し、これを１０００℃
で１時間溶融拡散させて得られた硬化部材を示す。この
硬化部材において、斜線部分が硬化層を示す。この硬化
部材の冷間による圧延加工性を測定したところ、硬化部
材の厚ｔを厚さ０.６ｔに減少させるまでの圧下率では
硬化層にクラックが生じなかったが、硬化部材の厚さを
０.５ｔ以下になるように圧下すると硬化層および基材
との界面にヘアークラックが発生した。よってこの硬化
部材は圧下率４０％まで耐えることが判明した。なお、
前記基材を構成するＴi合金自体の冷間圧延加工の限界
が２０〜３０％程度であることが一般に知られているこ
とを考慮すると、硬化層の方が冷間加工に強いことが判
明した。

【発明の効果】本発明の表面硬化部材においては、チタ
ン又はチタン合金の基材上にチタン合金の溶融拡散層を
形成し、共晶合金化、化合物による析出硬化をさせてい
るので、この溶融拡散層自体が硬化するとともに、基材
を硬化する。更に、被覆層は１mm以上の厚さに容易に形
成することができ、この厚い被覆層を溶融させて溶融拡
散層を形成するので、１mm以上もの厚さの溶融拡散層を
容易に得ることができる。よって本発明方法により得ら
れる表面硬化部材は、切削加工と組成加工が可能にな
り、ロッカアームやバルブリテーナ、各種のギアなどの
耐摩耗性の要求される機械部品を提供することができ
る。溶融拡散層と基材とは互いの構成元素が相互に拡散
しているので、境界部分の基材も強化される。この結
果、仮に溶融拡散層の部分が摩耗した場合であっても、
耐摩耗性の低下はゆるやかであり、急激に耐摩耗性が低
下することはない。よってロッカアームなどの摺動部分
においては、摩耗が進んでもバルブクリアランスが急に
大きくなることはなく、打音が生じることはない。ま
た、本発明の表面硬化部材は、内部がチタン又はチタン
合金製であるので、従来の鉄系材料よりも軽量で耐食性
に優れ、強度も高い特徴がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明に係る硬化材を適用して得られる
ロッカアームの一例を示す側面図である。

【図２】図２は溶融拡散層を示す断面図である。

【図３】図３は基材の断面図である。

【図４】図４は基材上に被覆層を形成した状態を示す断
面図である。

【図５】図５は溶融拡散層の他の例を示す断面図であ
る。

【図６】図６は本発明に係る硬化材を適用して得られた
ギヤの斜視図である。

【図７】図７は比摩耗量と摩耗速度との関係を示す第１
のグラフである。

【図８】図８は比摩耗量と摩耗速度との関係を示す第２
のグラフである。

【図９】図９は硬化層の硬度と深さの関係を示すグラフ
である。

【図１０】図１０は圧延加工試験に供した硬化部材を示
す斜視図である。

【符号の説明】

１ロッカアーム３アーム部４アーム部５接触部６接触部７基材８溶融拡散層９被覆層１１基部層１２硬化層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大江潤也埼玉県大宮市北袋町１丁目297番地三菱マテリアル株式会社商品開発センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】チタン又はチタン合金からなる基材の表
面に、炭素、窒素、ホウ素、ジルコニウム、銅、タング
ステン、モリブデン、ニオブの中から選択される少なく
とも１種以上の元素を含有するチタン合金からなる被覆
層を形成し、次いで前記被覆層と基材の少なくとも境界
部分を融点以上の温度に加熱して溶融拡散させ、溶融拡
散により被覆層の少なくとも一部と基材表面部とを合金
化することを特徴とするチタン又はチタン合金からなる
基材の表面硬化法。
【請求項２】被覆層を構成するチタン合金として、チ
タンろうを用いることを特徴とする請求項１記載の基材
の表面硬化法。
【請求項３】被覆層として、チタン合金の粉末の塗布
物、あるいは、チタン合金の粉末の圧密体を用いること
を特徴とする請求項１記載の基材の表面硬化法。
【請求項４】チタン又はチタン合金からなる基材と、
この基材上に形成された溶融拡散層とを具備してなり、
前記溶融拡散層が、炭素、窒素、ホウ素、ジルコニウ
ム、銅、タングステン、モリブデン、ニオブ、ニッケル
の中から選択される少なくとも１種以上の元素と、チタ
ン合金の構成元素とを含むことを特徴とする表面硬化部
材。
【請求項５】チタン又はチタン合金からなる基材と、
この基材上に形成された溶融拡散層と、この溶融拡散層
上の被覆層とを具備してなり、前記被覆層が炭素、窒
素、ホウ素、ジルコニウム、銅、タングステン、モリブ
デン、ニオブ、ニッケルの中から選択される少なくとも
１種以上の元素を含有するチタン合金からなり、前記溶
融拡散層が、基材の構成元素と被覆層の構成元素とを含
むことを特徴とする表面硬化部材。
【請求項６】溶融拡散層に、基材の構成元素と被覆層の
構成元素との化合物が混在されてなることを特徴とする
請求項４又は請求項５に記載の表面硬化部材。