JPH05156422A - Surface hardening method for base material consisting of titanium or titanium alloy and surface hardened member - Google Patents
Surface hardening method for base material consisting of titanium or titanium alloy and surface hardened memberInfo
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- JPH05156422A JPH05156422A JP2655491A JP2655491A JPH05156422A JP H05156422 A JPH05156422 A JP H05156422A JP 2655491 A JP2655491 A JP 2655491A JP 2655491 A JP2655491 A JP 2655491A JP H05156422 A JPH05156422 A JP H05156422A
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Abstract
Description
【０００１】[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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a surface hardening method and surface hardening member for titanium or a titanium alloy.
【０００２】[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。2. Description of the Related Art Recently, in automobile engines, there has been a demand for weight reduction of components of the engine as the engine speed is increased. Taking the rocker arm as an example, the conventional rocker arm is generally formed from an iron-based alloy that is carburized at necessary locations, but in recent years, in order to respond to the demand for weight reduction, titanium was used. Alternatively, it has been considered to manufacture a rocker arm using a titanium alloy. this is,
This is because titanium has a strength similar to that of iron, but its specific gravity is about the middle of that of iron and aluminum, so that the rocker arm can be quickly reduced in weight.
【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。Even when the rocker arm is made of titanium or a titanium alloy, the contact portion with the valve top and the cam must have excellent wear resistance,
This part needs to be cured.
【０００４】[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。Therefore, one of the methods currently considered for hardening titanium surface is nitriding. However, nitriding can harden only a small part of titanium surface (for example, about several μm of the surface). No, it cannot be used for rocker arms. Further, a method of hardening an alloy having high wear resistance by depositing is known, but welding is difficult due to the material properties of titanium, and there is a problem that this method is also difficult to adopt.
【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。As disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 50-28443, a method is known in which Ti or a Ti alloy is coated with a metal or an alloy and then cured. However, the thickness of the hardened layer obtained by this method is about several tens of μm, and there is a problem that a hardened layer having a sufficient thickness cannot be formed as a hardening method for wear resistant parts such as rocker arms.
【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。The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to form a thick cured layer of 1 mm or more on the surface of a titanium or titanium alloy substrate by a relatively easy treatment. It is possible to obtain a hardened material made of titanium or a titanium alloy having high wear resistance, and to provide a surface-hardened member made of titanium or a titanium alloy having a hardened thick layer.
【０００７】[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、ニッケル、ニッケル合金又はチタン
合金からなり、セラミック粒子が分散された被覆層を形
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
ものである。In order to solve the above-mentioned problems, in order to solve the above-mentioned problems, the surface of a base material made of titanium or a titanium alloy is made of nickel, a nickel alloy or a titanium alloy, and ceramic particles are A dispersed coating layer is formed, and then at least a boundary portion between the coating layer and the base material is heated to a temperature equal to or higher than a melting point to melt and diffuse, and at least a part of the coating layer and the base material surface portion are alloyed by melt diffusion. It will be transformed.
【０００８】請求項２に記載の発明は前記課題を解決す
るために、被覆層として、セラミック粒子が分散された
ニッケルろう又はチタンろうを用いるものである。In order to solve the above-mentioned problems, a second aspect of the present invention uses nickel solder or titanium solder in which ceramic particles are dispersed as a coating layer.
【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、ニッケル、ニッケル合金又は
チタン合金の粉末の塗布物であってセラミック粒子が分
散されたもの、あるいは、前記粉末の圧密体であってセ
ラミック粒子が分散されたものを用いるものである。In order to solve the above-mentioned problems, the invention according to claim 3 is, as a coating layer, a coating material of powder of nickel, a nickel alloy or a titanium alloy, in which ceramic particles are dispersed, or the powder. In this case, a compact body in which ceramic particles are dispersed is used.
【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、ニッケル又はニッケル合金又はチタン合
金の構成元素と、チタン又はチタン合金の構成元素とを
含み、セラミック粒子が分散されてなるものである。In order to solve the above-mentioned problems, the invention according to claim 4 comprises a base material made of titanium or a titanium alloy, and a melt diffusion layer formed on the base material. The layer contains a constituent element of nickel or a nickel alloy or a titanium alloy and a constituent element of titanium or a titanium alloy, and has ceramic particles dispersed therein.
【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、セラミック粒
子の分散されたニッケル又はニッケル合金又はチタン合
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ものである。In order to solve the above-mentioned problems, a fifth aspect of the present invention provides a base material made of titanium or a titanium alloy, a melt diffusion layer formed on the base material, and a coating layer on the melt diffusion layer. And the coating layer is made of nickel or nickel alloy or titanium alloy in which ceramic particles are dispersed, and the melt diffusion layer contains a constituent element of the base material and a constituent element of the coating layer.
【００１２】請求項６に記載の発明は前記課題を解決す
るために、請求項４又は５に記載のニッケル合金を、炭
素、窒素、ホウ素、ジルコニウム、銅、タングステン、
モリブデンの中から選択される少なくとも１種以上の元
素を含有させてなるものである。In order to solve the above-mentioned problems, the invention according to claim 6 provides the nickel alloy according to claim 4 or 5 with carbon, nitrogen, boron, zirconium, copper, tungsten,
It contains at least one element selected from molybdenum.
【００１３】請求項７に記載の発明は前記課題を解決す
るために、請求項４又は５に記載の溶融拡散層に、ニッ
ケルとチタンとの化合物又はニッケル合金の構成元素と
チタンの化合物と、セラミック粒子とを混在させてなる
ものである。In order to solve the above-mentioned problems, the invention according to claim 7 is characterized in that in the melt diffusion layer according to claim 4 or 5, a compound of nickel and titanium or a compound of nickel alloy and a compound of titanium, It is a mixture of ceramic particles.
【００１４】[0014]
【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、セラミック粒子の分散されたニッケル
又はニッケル合金又は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ニッ
ケル又はニッケル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、更にセラミック粒子による分散強化
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。また、セラミック粒子はニッケル合金、チ
タン合金とのなじみが良好であり、被覆層の内部に均一
に分散させておけば、溶融拡散を行った後でも溶融拡散
層の内部に均一に分散しているので、セラミック粒子の
偏析は生じない。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。According to the present invention, a melt diffusion layer made of nickel or nickel alloy or titanium alloy in which ceramic particles are dispersed is formed on the surface of a base material made of titanium or titanium alloy. The element and the constituent elements of nickel or nickel alloy undergo melting diffusion reaction to cause hardening by eutectic alloying, further precipitation hardening due to precipitation of the compound, further dispersion strengthening by ceramic particles, and melting melted by these The diffusion layer cures the substrate surface. Further, the ceramic particles have good compatibility with nickel alloys and titanium alloys, and if they are evenly dispersed inside the coating layer, they are evenly dispersed inside the melt diffusion layer even after melt diffusion. Therefore, segregation of ceramic particles does not occur. Furthermore, since the constituent elements of the coating layer diffuse to the surface of the base material and the constituent elements of the base material to diffuse to the coating layer side, the hardness gradient changes gradually at the boundary between the base material and the melt diffusion layer. Like
【００１５】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。Since the melt diffusion layer has excellent wear resistance, the surface-hardened member obtained by the present invention is suitable for mechanical parts such as rocker arms which require wear resistance. Further, since the base material of the present invention is titanium or a titanium alloy, the mechanical parts obtained by using the surface-hardened member of the present invention are lighter in weight and have the same strength as conventional iron-based materials. However, it has excellent wear resistance.
【００１６】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。Further, by the melt diffusion reaction of the constituent elements of the base material and the constituent elements of the coating layer, the mutual diffusion rate of the diffusion atoms can be increased, so that a thick melt diffusion layer can be obtained. When this thick melt diffusion layer is formed on the base material, the base material can be plastically processed and the base material surface can be cut.
【００１７】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。By using a powder coating or a compact as the coating layer, the thickness of the coating layer can be freely controlled, and a cured layer having a desired thickness is formed.
【００１８】以下に本発明を更に詳細に説明する。The present invention will be described in more detail below.
【００１９】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。FIG. 1 shows a rocker arm obtained by applying the method of the present invention. The rocker arm 1 of this example includes a bearing portion 2 and arm portions 3 and 4 extending on both sides of the bearing portion 2. A tip end of the arm portion 3 has a first contact portion 5 slidably contacting a cam. A second contact portion 6 that is in sliding contact with the valve shaft is formed at the tip of the arm portion 4.
【００２０】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。The rocker arm 1 is made of titanium or a titanium alloy, and its contact portions 5 and 6 are hardened according to the method of the present invention. Ti-6Al-4V alloy, Ti-13V-11 as the titanium alloy that constitutes the rocker arm
Cr-3Al alloy, Ti-5Al-2Cr-1-Fe alloy, Ti-5
Although an Al-3Mn alloy or the like can be exemplified, a titanium alloy other than this may be used.
【００２１】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以上にも
達するものであるが、後述する被覆層の厚さを調節する
ならばこれ以上薄く形成することもできる。As shown in FIG. 2, the cross-sectional structure of the contact portions 5 and 6 comprises a base material 7 made of titanium or a titanium alloy, and a melt diffusion layer 8 coated on the surface of the base material 7. .. The melt diffusion layer 8 reaches a thickness of 0.7 to 1.0 mm or more, but can be formed thinner if the thickness of the coating layer described later is adjusted.
【００２２】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、純ニッケル、Ｎi-７Ｃr-３Ｂ-４Ｓi-３Ｆe
合金、Ｎi-１５Ｃr-３Ｂ合金、Ｎi-２５Ｃr合金、Ｎi-０.
５Ｃ-３Ｓi-１０Ｃr-２.５Ｆe-２Ｂ-０.１Ｃo合金(コル
モノイＮo４)、Ｎi-０.６５Ｃ-１２Ｃr-４.２５Ｆe-４.
０Ｓi-２.５Ｂ合金(コルモノイＮo５)、Ｎi-１.５Ｃ-２
７Ｃr-８Ｗ-１.６Ｆe-１.５５Ｂ-０.５Ｃo合金(コルモ
ノイＮo８４)、５０Ｎi-３２Ｍｏ-１５Ｃｒ-３Ｓｉ合金
商品名:トリバロイ７００)、ＪＩＳ規定ＢＮi、など
のニッケルろう、Ｔi-４８Ｚr-４Ｂe、Ｔi-３０Ｖ-４Ｂ
e、Ｔi-３３Ｃr、Ｔi-１３Ｖ-１１Ｃr-３Ａlなどのチタ
ンろうを例示することができるが、これらに限るもので
はない。To form the melt diffusion layer 8, first, referring to FIG.
The coating layer 9 is formed on the surface of the base material 7 shown in FIG. A metal that forms a compound such as an intermetallic compound, a carbide, a nitride, or a boride with titanium is preferably used as the metal forming the coating layer 9.
Specifically, pure nickel, Ni-7Cr-3B-4Si-3Fe
Alloy, Ni-15Cr-3B alloy, Ni-25Cr alloy, Ni-0.
5C-3Si-10Cr-2.5Fe-2B-0.1Co alloy (Colmonoy No4), Ni-0.65C-12Cr-4.25Fe-4.
0Si-2.5B alloy (Kormonoi No5), Ni-1.5C-2
Nickel brazing material such as 7Cr-8W-1.6Fe-1.55B-0.5Co alloy (Colmonoy No84), 50Ni-32Mo-15Cr-3Si alloy (trade name: Trivalloy 700), JIS standard BNi, Ti-48Zr-4Be. , Ti-30V-4B
Examples thereof include titanium brazes such as e, Ti-33Cr and Ti-13V-11Cr-3Al, but are not limited thereto.
【００２３】そして、前記組成の金属にセラミック粒子
を分散させることで被覆層９が構成される。用いるセラ
ミック粒子として、ＴiＣ、ＷＣ、Ｂ4Ｃ、Ｃ-ＢＮ、Ｔi
Ｎ、Ｓi3Ｎ4、サイアロン、ＳiＣなどを例示することが
できるがこれらに限るものではない。なおここで、セラ
ミック粒子として例えばウイスカを混合しても良い。The coating layer 9 is formed by dispersing the ceramic particles in the metal having the above composition. As the ceramic particles used, TiC, WC, B 4 C , C-BN, Ti
Examples thereof include N, Si 3 N 4 , sialon, and SiC, but are not limited to these. Here, whiskers may be mixed as the ceramic particles.
【００２４】被覆層９を基材７上に形成する手段として
は、セラミック粒子の分散した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
セラミック粒子をバインダーに混合した塗布物を塗布し
ても良い。また、セラミック粒子を含む前記組成の金属
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、セラミック粒
子が均一に分散されたもので、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。As a means for forming the coating layer 9 on the base material 7, a metal foil of each composition in which ceramic particles are dispersed is bonded onto the base material 7 by a method such as pressure bonding, adhesion, spot welding or the like. It may be formed, or a coating material in which a metal powder having the above composition and ceramic particles are mixed with a binder may be applied. Alternatively, the metal powder having the above composition containing ceramic particles may be sprinkled on the base material 7 and then compacted and coated by a method such as a hydraulic press. In short, any known means may be used as long as it is a means in which the ceramic particles are uniformly dispersed and the coating layer 9 having a certain thickness can be formed. By the above means, the coating layer 9 having a thickness of about several mm can be easily formed.
【００２５】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が好ましく、それ以上の温度で
も良い。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。Once the coating layer 9 has been formed, it is placed in a vacuum furnace or the like and, for example, in a vacuum of 1 × 10 -4 Torr or less.
Heat to 0-1100 ° C. The reason for processing in vacuum is that titanium is chemically active and prevents the reduction reaction. The heating temperature is preferably a temperature in the vicinity of the eutectic point of the main constituent elements of the coating layer 9 and titanium, and may be higher. Therefore, as described above, the range of 900 to 1100 ° C. is preferable, but the heating temperature is appropriately set within the above range depending on the type of the coating layer 9.
【００２６】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。また、被覆層
９の溶融拡散時においてセラミック粒子は被覆層９との
なじみが良好であるので、溶融拡散層８においてもセラ
ミック粒子が均一に分散する。By the vacuum heat treatment, part or all of the coating layer 9 is melted and diffused. By holding for a predetermined time (tens of minutes to several tens of hours) in such a melt diffusion state, the elements forming the coating layer 9 and the elements forming the base material 7 mutually diffuse, and after cooling, the melt diffusion shown in FIG. Layer 8 is produced. Further, since the ceramic particles are well compatible with the coating layer 9 during the melting and diffusion of the coating layer 9, the ceramic particles are uniformly dispersed in the melting and diffusion layer 8 as well.
【００２７】この溶融拡散層８の硬度は、Ｔi-６Ａl-４
Ｖ合金の基材７を用い、被覆層９として、ＴiＣ粒子を
分散させたＮi-１.５Ｃ-２７Ｃr-８Ｗ-１.６Ｆe-１.５
５Ｂ-０.５Ｃo合金(コルモノイＮo８４)を用い、１０７
０℃で１時間加熱した場合にビッカース硬さで７１０前
後の硬度が得られる。なお、前記の被覆層９においては
コルモノイＮo８４合金とＴiＣ粒子とを体積比で１:１
に配合したものである。The melt diffusion layer 8 has a hardness of Ti-6Al-4.
Ni-1.5C-27Cr-8W-1.6Fe-1.5 in which TiC particles are dispersed as a coating layer 9 using a V alloy base material 7
Using 5B-0.5Co alloy (Kormonoi No84), 107
When heated at 0 ° C. for 1 hour, a Vickers hardness of about 710 is obtained. In the coating layer 9, the volume ratio of Colmonoy No84 alloy and TiC particles is 1: 1.
It is a mixture of
【００２８】ここで前記溶融拡散処理を行うことで、ニ
ッケルとチタンとの共晶合金化、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９としてニッケル合金を用いる場合
は、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
ロムとが金属間化合物を生成して硬化に寄与する。更
に、溶融拡散状態の被覆層９となじみが良好なセラミッ
ク粒子は溶融拡散層８の硬化に寄与する。By carrying out the melt diffusion treatment here, a eutectic alloy of nickel and titanium is formed, and further, an element selected from carbon, silicon, boron, nitrogen, zirconium and chromium, and a base material. Binary system with titanium or 3
The eutectic alloying of the original system and the formation of the intermetallic compound occur, and the melt diffusion layer 8 whose hardening is higher than that of the coating layer 9 is formed. An example of the intermetallic compound formed by the melt diffusion reaction is a γ'phase such as Ni 3 (Al + Ti). When a nickel alloy is used as the coating layer 9, carbon is carbide, silicon is silicide, boron is boride, nitrogen is nitride, and zirconium, niobium, and chromium generate intermetallic compounds, which contribute to hardening. Furthermore, the ceramic particles that are well compatible with the coating layer 9 in the melt diffusion state contribute to the hardening of the melt diffusion layer 8.
【００２９】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。When the coating layer 9 is heated and melted,
A part of the coating layer 9 on the base material 7 side may be melted or the entire coating layer 9 may be melted by using a means such as high frequency heating.
【００３０】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。FIG. 5 shows an enlarged structure of the melt diffusion layer 8. The melt diffusion layer 8 includes a base layer 11 and the base layer 1
1 and the hardened layer 12 on the upper side. That is, the base layer 11 is formed by diffusing the constituent elements of the coating layer 9 toward the base material 7, and the hardened layer is formed by diffusing the constituent elements of the base material 7 in the melt diffusion layer 8. Twelve.
【００３１】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。The melt diffusion layer 8 is formed by diffusing the constituent elements of the coating layer 9 in the base material 7 of titanium or titanium alloy, and the hardened layer 12 is composed of the constituent elements of the base material 7 in the constituent elements of the coating layer 9. Since it is formed by diffusion, the boundary between the base layer 11 and the hardened layer 12 may not be clear when the concentration gradient of the diffusion element is gentle. Here, the hardened layer 12 becomes harder than the base layer 11. That is, the hardness distribution has an inclination, and the hardness is gradually increased from the base layer 11 on the base material 7 side to the hardened layer 12 side.
【００３２】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。In this way, the surface-hardened member having the structure in which the hardness is smoothly decreased, when the hardest part of the surface is worn, only the wear resistance is gradually decreased, and the wear is rapidly advanced. Does not cause a problem that the balance with surrounding parts is lost. That is, taking the case of the rocker arm 1 as an example, the contact area with the valve top is not abruptly worn, the valve clearance does not become too large, and the problem of tapping does not occur.
【００３３】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。On the other hand, in the usual hardening method by means of metal plating, it is usual that alloying of the base material and metal plating is suppressed as much as possible so that the hardness does not decrease. In particular, the alloying can be promoted, the hardness can be increased more than that of the deposit, and the change in hardness of the melt diffusion layer 8 can be smoothly reduced to be continuous with the base material 7.
【００３４】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。On the other hand, FIG. 6 shows an embodiment in which the hardening material of the present invention is applied to the ring gear 30. In this ring gear 30, the outer gear portion is hardened by the method of the present invention. The entire outline of the ring gear 30 is made of titanium or a titanium alloy by a usual method such as forging, and after that, a coating layer is formed on the entire gear portion on the outer periphery and hardened, followed by cutting or polishing. The ring gear 30 can be obtained by finishing the gear portion.
【００３５】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。The melt diffusion layer 8 according to the present invention is a fraction of a millimeter
Since it has a sufficient thickness of several mm, it enables cutting and plastic working. Therefore, it becomes possible to manufacture a mechanical component that requires cutting or plastic working during manufacturing from titanium or a titanium alloy.
【００３６】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。In the above example, the method of the present invention is applied to the rocker arm 1 and the ring gear 30, but other members requiring wear resistance (valve retainer, transmission gear, differential gear,
Of course, the present invention may be applied to a disc brake, a bearing, etc.).
【００３７】[0037]
【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、セラミック粒子の
分散した厚さ０.５mmの種々の組成の被覆層を形成し、
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１×１０-4Ｔorrに真空引きした後に、９０
０〜１１００℃に１時間加熱して溶融拡散処理を行っ
た。[Example] Using a base material made of titanium or titanium alloy,
By coating the surface of the base material by a powder coating method, coating layers of various compositions having a thickness of 0.5 mm in which ceramic particles are dispersed are formed,
The base material with the coating layer was housed in a vacuum heating furnace, and the inside of the vacuum heating furnace was evacuated to 1 × 10 −4 Torr.
Melt diffusion treatment was performed by heating at 0 to 1100 ° C. for 1 hour.
【００３８】得られた溶融拡散層を有する基材をビッカ
ース硬度８０２のステライト＃１のリングと硬度ＨＲＣ
−５７のＪＩＳ規定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と
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、 Ｂbo3／１２ｒ ｍｍ3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。The obtained substrate having the melt diffusion layer was applied with a ring of Stellite # 1 having a Vickers hardness of 802 and a hardness of HRC.
Wear speed by sliding it against the JIS standard SUJ ring of -57
The relationship between (m / sec) and the specific wear amount was measured. For this measurement,
An Ogoshi-type abrasion tester was used. This Ogoshi-type wear tester is a rapid wear tester manufactured by Tokyo Testing Machine Co., Ltd., and it is worn by pressing a rotating disk against a flat test piece, and the amount of wear is measured by the size of the wear mark at that time. It is a device that does.
Now, assume that the outer diameter of the rotating disk is 2r, the thickness is B, the final load when worn by the wear distance lo is Po, and the depth of the wear mark is bo.
Then, the wear amount (volume) is expressed by Bbo 3 / 12r mm 3 , the contact pressure is expressed by Po / Bbo kg / mm 2 , and the specific wear amount Ws indicating the wear characteristics of the test material is Bb. 3 / 8r Pol mm 2 / k
indicated by g.
【００３９】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。As for the size of the rotating disk, a rotating disk in which a flange portion having an outer diameter of 30 mm and a thickness of 3 mm is formed on the outer peripheral portion of a cylindrical member having an outer diameter of 28 mm is used, and the flat test piece has a length of 40 to 60 mm. , Width 25mm, thickness 5-10m
m, the rotary disk is attached to the tip of the rotary shaft, the flange of the rotary disk is pressed against the test piece with a required pressure to drive the rotary shaft to rotate, and the flange is attached to the test piece. After rubbing against each other for a predetermined distance, the test was stopped, wear marks were measured, and the specific wear amount was calculated.
【００４０】図７と図８に、チタン又はチタン合金の基
材にそれぞれの組成の被覆層を形成し、それらの耐摩耗
性について耐摩耗試験を行った結果を示す。FIG. 7 and FIG. 8 show the results of abrasion resistance tests performed by forming a coating layer of each composition on a titanium or titanium alloy substrate and performing abrasion resistance test on them.
【００４１】図７に示す＃６はＣo-３Ｎi-２８Ｃr-４Ｗ
-１Ｃなる組成のステライト＃６を示し、＃１はＣo-３
Ｎi-３０Ｃr-１２Ｗ-２.５Ｃなる組成のステライト＃１
を示し、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、Ｔi-Ｃ入りの
コルモノイ合金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摩耗速度が速い場合に特に耐摩
耗性に優れていることが判明した。# 6 shown in FIG. 7 is Co-3Ni-28Cr-4W.
-1C shows Stellite # 6, where # 1 is Co-3
Stellite # 1 with a composition of Ni-30Cr-12W-2.5C
Where Ti is a titanium alloy having a composition of Ti-6Al-4V. From FIG. 7, the sample obtained by forming the Ti-C-containing Colmonoy alloy coating layer on the titanium alloy substrate and melting and diffusing the sample has particularly high wear resistance when the wear rate is faster than other samples. It turned out to be excellent.
【００４２】図８に示す試料においては、コルモノイＮ
o４とＴiＣを混合した被覆層をチタン合金の基材に被覆
した試料と、コルモノイＮo８４とＷＣを混合した被覆
層を用いた試料のいずれもが、他の試料に比較して極め
て優秀な耐摩耗性を発揮した。図８に示す耐摩耗性の良
好な試料にあっては、摩耗速度が向上しても比摩耗量が
ほとんど増加しないものがあるので、優秀な高速耐摩耗
性を有していることが明らかである。更に、Ｔi-６Ａl-
４Ｖ合金の基材を用い、ＴiＣを分散させたコルモノイ
Ｎo８４の被覆層の試料にあっては、ビッカース硬度で
７０９の優秀な値が得られた。In the sample shown in FIG. 8, Colmonoy N
Both the sample in which the coating layer mixed with o4 and TiC was coated on the titanium alloy base material and the sample with the coating layer mixed with Colmonoy No84 and WC were extremely excellent in abrasion resistance compared to other samples. Exhibited his ability. Some of the samples with good wear resistance shown in FIG. 8 have excellent high-speed wear resistance, because the specific wear amount hardly increases even if the wear rate is improved. is there. Furthermore, Ti-6Al-
An excellent value of 709 in Vickers hardness was obtained for the sample of the coating layer of Colmonoy No84 in which TiC was dispersed using a 4V alloy base material.
【００４３】図９はＴiあるいはＴi-６Ａｌ-４Ｖ合金基
材の表面にＴiＣを分散させたコルモノイＮｏ４の箔を
被覆してプレスした後に１１００℃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。FIG. 9 shows a cured product obtained by coating the surface of a Ti or Ti-6Al-4V alloy base material with a foil of Colmonoy No4 in which TiC is dispersed and pressing it, and then performing a melt diffusion treatment at 1100 ° C. for 1 hour. In the member, the measurement result of the hardness according to the depth from the surface is shown. From the results shown in FIG. 9, the cured member according to the present invention has the highest hardness of the surface portion,
It became clear that the deeper it is, the lower the hardness is.
【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ニッケル、ニッケル合金又
はチタン合金の溶融拡散層を形成し、セラミック粒子の
分散強化、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。セラミック粒子は溶融状態の被覆層とな
じみが良好で均一分散できるので、均一な硬度になるよ
うに硬化させることができる。更に、被覆層は数mm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、数mmに達する厚さの
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。In the surface-hardened member of the present invention, a molten diffusion layer of nickel, a nickel alloy or a titanium alloy is formed on a base material of titanium or a titanium alloy, dispersion strengthening of ceramic particles, eutectic alloying, and compounding. Since the precipitation-hardening is performed by, the melt diffusion layer itself is hardened and the base material is hardened. Since the ceramic particles have good compatibility with the coating layer in a molten state and can be uniformly dispersed, they can be hardened to have uniform hardness. Furthermore, the coating layer can be easily formed to a thickness of several mm, and this thick coating layer is melted to form a molten diffusion layer, so that a molten diffusion layer having a thickness of several mm can be easily obtained. You can Therefore, the surface-hardened member obtained by the method of the present invention can be subjected to cutting and composition processing, and can provide mechanical parts such as rocker arms, valve retainers, and various gears that require abrasion resistance. Since the constituent elements of the melt diffusion layer and the base material are mutually diffused, the base material at the boundary portion is also strengthened.
As a result, even if the portion of the melt diffusion layer is abraded, the wear resistance is gradually decreased, and the wear resistance is not abruptly decreased. Therefore, in the sliding portion of the rocker arm or the like, the valve clearance does not suddenly increase even if the wear progresses, and no hammering sound occurs. Further, since the surface-hardened member of the present invention is made of titanium or a titanium alloy inside, it is lighter in weight than conventional iron-based materials and has excellent corrosion resistance and high strength.
【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。FIG. 1 is a side view showing an example of a rocker arm obtained by applying a hardening material according to the present invention.
【図２】図２は溶融拡散層を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a melt diffusion layer.
【図３】図３は基材の断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a base material.
【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。FIG. 4 is a cross-sectional view showing a state in which a coating layer is formed on a base material.
【図５】図５は溶融拡散層の他の例を示す断面図であ
る。FIG. 5 is a cross-sectional view showing another example of the melt diffusion layer.
【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。FIG. 6 is a perspective view of a gear obtained by applying the hardening material according to the present invention.
【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。FIG. 7 is a first graph showing the relationship between specific wear amount and wear rate.
Is a graph of.
【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。FIG. 8 is a second graph showing the relationship between the specific wear amount and the wear rate.
Is a graph of.
【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。FIG. 9 is a graph showing the relationship between hardness and depth of a hardened layer.
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 1 Rocker Arm 3 Arm Part 4 Arm Part 5 Contact Part 6 Contact Part 7 Base Material 8 Melt Diffusion Layer 9 Coating Layer 11 Base Layer 12 Hardened Layer
───────────────────────────────────────────────────── 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 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Junya Oe 1-197 Kitabukuro-cho, Omiya-shi, Saitama Mitsubishi Materials Corporation Product Development Center
Claims (7)
面に、ニッケル、ニッケル合金又はチタン合金からな
り、セラミック粒子が分散された被覆層を形成し、次い
で前記被覆層と基材の少なくとも境界部分を共晶点以上
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。1. A coating layer made of nickel, a nickel alloy or a titanium alloy in which ceramic particles are dispersed is formed on the surface of a substrate made of titanium or a titanium alloy, and then at least a boundary portion between the coating layer and the substrate. Surface hardening of a base material made of titanium or a titanium alloy, characterized in that at least a part of the coating layer and the base material surface portion are alloyed by melt diffusion by heating to a temperature above the eutectic point to melt and diffuse. Law.
れたニッケルろう又は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。2. The surface hardening method for a substrate according to claim 1, wherein nickel brazing or titanium brazing in which ceramic particles are dispersed is used as the coating layer.
又はチタン合金の粉末の塗布物であってセラミック粒子
が分散されたもの、あるいは、前記粉末の圧密体であっ
てセラミック粒子が分散されたもの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。3. The coating layer is a coating of nickel, nickel alloy or titanium alloy powder in which ceramic particles are dispersed, or a compact of the powder in which ceramic particles are dispersed. The method of surface hardening a substrate according to claim 1, which is used.
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、ニッケル又はニッケル合金又はチタ
ン合金の構成元素と、チタン又はチタン合金の構成元素
とを含み、セラミック粒子が分散されてなることを特徴
とする表面硬化部材。4. A base material made of titanium or a titanium alloy,
A melt diffusion layer formed on this substrate,
The surface-hardened member, wherein the melt diffusion layer contains a constituent element of nickel or a nickel alloy or a titanium alloy and a constituent element of titanium or a titanium alloy, and ceramic particles are dispersed therein.
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、セラミッ
ク粒子の分散されたニッケル又はニッケル合金又はチタ
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。5. A base material made of titanium or a titanium alloy,
A melt diffusion layer formed on the base material, and a coating layer on the melt diffusion layer, wherein the coating layer is made of nickel or nickel alloy or titanium alloy in which ceramic particles are dispersed, The surface-hardened member, wherein the melt diffusion layer contains a constituent element of the base material and a constituent element of the coating layer.
ジルコニウム、銅、タングステン、モリブデンの中から
選択される少なくとも１種以上の元素を含有してなるこ
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。6. The nickel alloy is carbon, nitrogen, boron,
The surface-hardened member according to claim 4 or 5, comprising at least one element selected from zirconium, copper, tungsten, and molybdenum.
物又はニッケル合金の構成元素とチタンとの化合物と、
セラミック粒子と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。7. A compound of nickel and titanium or a compound of titanium and a constituent element of a nickel alloy is provided in the melt diffusion layer,
The surface-hardened member according to claim 4 or 5, wherein ceramic particles are mixed.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2655491A JP2921140B2 (en) | 1991-02-20 | 1991-02-20 | Surface hardening method and surface hardening member for substrate made of titanium or titanium alloy |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2655491A JP2921140B2 (en) | 1991-02-20 | 1991-02-20 | Surface hardening method and surface hardening member for substrate made of titanium or titanium alloy |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05156422A true JPH05156422A (en) | 1993-06-22 |
| JP2921140B2 JP2921140B2 (en) | 1999-07-19 |
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| JP2655491A Expired - Lifetime JP2921140B2 (en) | 1991-02-20 | 1991-02-20 | Surface hardening method and surface hardening member for substrate made of titanium or titanium alloy |
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|---|---|
| JP (1) | JP2921140B2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2499669B (en) * | 2012-02-24 | 2016-08-10 | Malcolm Ward-Close Charles | Processing of metal or alloy objects |
-
1991
- 1991-02-20 JP JP2655491A patent/JP2921140B2/en not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2499669B (en) * | 2012-02-24 | 2016-08-10 | Malcolm Ward-Close Charles | Processing of metal or alloy objects |
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