JPH0692605B2 - チタン合金の粉末焼結製品の製造方法 - Google Patents
チタン合金の粉末焼結製品の製造方法Info
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- JPH0692605B2 JPH0692605B2 JP1051448A JP5144889A JPH0692605B2 JP H0692605 B2 JPH0692605 B2 JP H0692605B2 JP 1051448 A JP1051448 A JP 1051448A JP 5144889 A JP5144889 A JP 5144889A JP H0692605 B2 JPH0692605 B2 JP H0692605B2
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、粉末焼結されたチタン合金製品の歩留り向上
および低コスト化に関わるチタン合金粉末焼結製品の製
造方法に関するものである。
および低コスト化に関わるチタン合金粉末焼結製品の製
造方法に関するものである。
［従来の技術］ チタンおよびチタン合金は比強度が高く、また靱性、耐
食性、耐熱性などが優れた材料であるが、中でもチタン
合金は溶解、鍛造、切削性などに難点がある。そのため
にいわゆるNear Net Shape加工技術が種々試みられてお
り、その一つの有力な技術として粉末冶金法がある。チ
タン合金の粉末冶金法としては、原料粉末として所定の
合金成分の粉末を使用し、圧粉成型（以下CIPと記載す
る）、真空焼結の工程を経て製造した焼結チタン合金を
高温静水圧下で圧下して成形する（以下HIPと記載す
る）素粉末混合法が代表的なものである。
食性、耐熱性などが優れた材料であるが、中でもチタン
合金は溶解、鍛造、切削性などに難点がある。そのため
にいわゆるNear Net Shape加工技術が種々試みられてお
り、その一つの有力な技術として粉末冶金法がある。チ
タン合金の粉末冶金法としては、原料粉末として所定の
合金成分の粉末を使用し、圧粉成型（以下CIPと記載す
る）、真空焼結の工程を経て製造した焼結チタン合金を
高温静水圧下で圧下して成形する（以下HIPと記載す
る）素粉末混合法が代表的なものである。
かかる素粉末混合法で製造したチタン合金は、鋳塊溶解
圧延法で製造したものとほぼ同等の引張特性、破壊靱
性、疲労特性を示すことが明らかになっている。また粉
末を出発材料とすれば、小ロット多品種の製品が容易に
最終製品形状（Net Shape）ないしは最終製品に近い形
状（Near Net Shape）に成形できる利点があり、今後市
場がますます拡大することが期待できる。
圧延法で製造したものとほぼ同等の引張特性、破壊靱
性、疲労特性を示すことが明らかになっている。また粉
末を出発材料とすれば、小ロット多品種の製品が容易に
最終製品形状（Net Shape）ないしは最終製品に近い形
状（Near Net Shape）に成形できる利点があり、今後市
場がますます拡大することが期待できる。
ここで、製品開発ニーズとして、チタンおよびチタン合
金の機能性を活用した小ロットの製品の供給を渇望され
ており、さらに低価格の製品を希望されることが多くな
った。しかしながら、上述の方法では、HIP（熱間静水
圧成形）処理を行っても、表面にミクロポロシティー
（残留空隙）が残存してしまい、素材の製品化の過程で
切削加工および表面機械仕上げ工程が必須であり、多大
な費用が必要でまたその工程も必然的に長くなり、低価
格化が計れない実情である。
金の機能性を活用した小ロットの製品の供給を渇望され
ており、さらに低価格の製品を希望されることが多くな
った。しかしながら、上述の方法では、HIP（熱間静水
圧成形）処理を行っても、表面にミクロポロシティー
（残留空隙）が残存してしまい、素材の製品化の過程で
切削加工および表面機械仕上げ工程が必須であり、多大
な費用が必要でまたその工程も必然的に長くなり、低価
格化が計れない実情である。
［発明が解決しようとする課題］ 本発明は上述した製造工程をさらに簡素にした高能率の
製造法を提供するものである。
製造法を提供するものである。
容易に最終製品形状ないしは最終製品に近い形状に成形
できる利点がある粉末冶金技術の工程で、真空焼結後の
焼結チタン合金中に存在するミクロポロシティーは、HI
P処理後にも焼結品の表面層には多数認められる。これ
らのミクロポロシティーが最終製品まで存在すると、疲
労亀裂の発生起点となり疲労特性が悪くなる。
できる利点がある粉末冶金技術の工程で、真空焼結後の
焼結チタン合金中に存在するミクロポロシティーは、HI
P処理後にも焼結品の表面層には多数認められる。これ
らのミクロポロシティーが最終製品まで存在すると、疲
労亀裂の発生起点となり疲労特性が悪くなる。
一方、これまで、ショットピーニングにより機械部品の
疲労寿命が著しく向上するといわれている。この効果は
これまでバネ材や線材の疲労特性の向上に著しいことが
よく知られている｛例えば金属便覧改訂４版（丸善、19
82）P812｝が、粉末焼結製品では、一部の部品を除い
て、あまり普及していない。近年粉末焼結技術が大きく
進歩し、NearNet Shapeの技術が大幅に発達してきた
が、未だ製品の表面仕上げには機械研削仕上げがなさ
れ、その機械研削仕上げ面に更にショットピーニングを
行い、機械部品の疲労寿命を上げる努力がなされてい
る。粉末焼結半製品の表面層に残留した空隙の除去のた
めに機械研削仕上げすることは、製品製造コストを上げ
るばかりでなく、製品歩留りの低下の大きな要因であ
る。特に機能材料としてチタンおよびチタン合金材料の
使用ニーズが高まり、それらの製造コストの切り下げ要
求が多い。そのために製造工程をより簡素化して、その
機能特性を上げる必要が出てきた。そこで本発明者らは
所望の材料寸法と表面状態を得るために型材質の選択お
よび粉末焼結工程およびショットピーニングの表面仕上
工程を組み合わせて、製品製造工程の短縮と歩留り向上
および低コスト化の出来るチタン合金粉末焼結製品の製
造方法を発明した。
疲労寿命が著しく向上するといわれている。この効果は
これまでバネ材や線材の疲労特性の向上に著しいことが
よく知られている｛例えば金属便覧改訂４版（丸善、19
82）P812｝が、粉末焼結製品では、一部の部品を除い
て、あまり普及していない。近年粉末焼結技術が大きく
進歩し、NearNet Shapeの技術が大幅に発達してきた
が、未だ製品の表面仕上げには機械研削仕上げがなさ
れ、その機械研削仕上げ面に更にショットピーニングを
行い、機械部品の疲労寿命を上げる努力がなされてい
る。粉末焼結半製品の表面層に残留した空隙の除去のた
めに機械研削仕上げすることは、製品製造コストを上げ
るばかりでなく、製品歩留りの低下の大きな要因であ
る。特に機能材料としてチタンおよびチタン合金材料の
使用ニーズが高まり、それらの製造コストの切り下げ要
求が多い。そのために製造工程をより簡素化して、その
機能特性を上げる必要が出てきた。そこで本発明者らは
所望の材料寸法と表面状態を得るために型材質の選択お
よび粉末焼結工程およびショットピーニングの表面仕上
工程を組み合わせて、製品製造工程の短縮と歩留り向上
および低コスト化の出来るチタン合金粉末焼結製品の製
造方法を発明した。
手始めにエンジン部品のコネクッティングロッドの軽量
化を検討し、低コスト化を可能にする粉末焼結されたチ
タン合金製品の製造技術を開発した。特にショットピー
ニングによる表面改質効果を十分に発揮できるように次
の三点の工夫を行った。
化を検討し、低コスト化を可能にする粉末焼結されたチ
タン合金製品の製造技術を開発した。特にショットピー
ニングによる表面改質効果を十分に発揮できるように次
の三点の工夫を行った。
１）疲労特性の向上：ショットピーニングによる残留圧
縮応力の発生とその活用。
縮応力の発生とその活用。
２）製品表面層の残留空隙の無害化：表面層に存在する
ミクロポロシティーの圧潰とその近傍の加工硬化の促進
と硬化した層の剥離。
ミクロポロシティーの圧潰とその近傍の加工硬化の促進
と硬化した層の剥離。
３）製品表面の美麗化：機械研削に匹敵する外観と光沢
の確保。
の確保。
本発明はこれらの基礎的な知見のうち、特に２）を発展
させ完成したものである。
させ完成したものである。
［課題を解決するための手段および作用］ 本発明の着眼点は、本発明者が長年にわたり研究してき
た合金粉末法および素粉末混合法によるチタン合金の粉
末焼結製品の製造技術とショットピーニング技術にあ
る。すなわち、従来の溶解法に代わって所定の合金成分
となるよう予め機械的に混合している混合粉末を、金型
プレス、冷間静水圧プレス（CIP）などで所定の形状に
圧粉成形した圧粉成形体に、さらに真空焼結およびHIP
の工程を経て製造した焼結チタン合金のHIP製品の表面
層に多数みられる残留空隙除去を製造工程簡素化のため
にショットピーニングを用いて行うものである。従来法
では粉末焼結製品の表面層に残留した空隙を機械研削に
より除去していた。本発明ではその残留空隙をショット
ピーニングにより圧潰して表面から深さ方向に表面層を
加工硬化させ併せて、ショットピーニングにより残留圧
縮応力を発生させ、ショットピーニング中に圧潰した残
留空隙の界面部を剥離起点にして加工硬化した表面部分
を剥離させ、機械研削相当の表面に仕上げる。即ちチタ
ン合金粉末焼結製品を製造するに際し、構成金属元素粉
末を混合、圧粉成型、真空焼結の工程を経て製造した焼
結チタン合金を700℃以上β変態点温度までのα＋β２
相域で加圧し、その半製品の表面層に残留した空隙をシ
ョットピーニングして除去して表面仕上げをすることを
特徴とするチタンおよびチタン合金の粉末焼結製品の製
造方法を確立した。
た合金粉末法および素粉末混合法によるチタン合金の粉
末焼結製品の製造技術とショットピーニング技術にあ
る。すなわち、従来の溶解法に代わって所定の合金成分
となるよう予め機械的に混合している混合粉末を、金型
プレス、冷間静水圧プレス（CIP）などで所定の形状に
圧粉成形した圧粉成形体に、さらに真空焼結およびHIP
の工程を経て製造した焼結チタン合金のHIP製品の表面
層に多数みられる残留空隙除去を製造工程簡素化のため
にショットピーニングを用いて行うものである。従来法
では粉末焼結製品の表面層に残留した空隙を機械研削に
より除去していた。本発明ではその残留空隙をショット
ピーニングにより圧潰して表面から深さ方向に表面層を
加工硬化させ併せて、ショットピーニングにより残留圧
縮応力を発生させ、ショットピーニング中に圧潰した残
留空隙の界面部を剥離起点にして加工硬化した表面部分
を剥離させ、機械研削相当の表面に仕上げる。即ちチタ
ン合金粉末焼結製品を製造するに際し、構成金属元素粉
末を混合、圧粉成型、真空焼結の工程を経て製造した焼
結チタン合金を700℃以上β変態点温度までのα＋β２
相域で加圧し、その半製品の表面層に残留した空隙をシ
ョットピーニングして除去して表面仕上げをすることを
特徴とするチタンおよびチタン合金の粉末焼結製品の製
造方法を確立した。
以下に本発明について詳細に説明する。
本発明において、チタン合金とは、Tiに例えばAl,V,Mo,
Cr,Zr,Sn,Feなどの１種または２種以上と含有せしめて
なるチタン合金である。焼結製品の変態点は示差熱分析
により決定した。
Cr,Zr,Sn,Feなどの１種または２種以上と含有せしめて
なるチタン合金である。焼結製品の変態点は示差熱分析
により決定した。
チタン合金の構成金属元素粉末を混合し、最終製品形状
ないし最終製品に近い形状に成形のために圧粉成型し
て、真空焼結の工程を経て製造した焼結チタン合金をHI
P処理する。
ないし最終製品に近い形状に成形のために圧粉成型し
て、真空焼結の工程を経て製造した焼結チタン合金をHI
P処理する。
多数の残留空隙が生成している圧粉成形後焼結処理した
半製品をHIP処理した製品を切断して断面組織を観察す
ると、残留空隙が製品の内部まで深く存在することがあ
る。このことは、製品使用特性の規格を満足しないこと
になる。CIP後焼結処理した半製品をHIP処理すると、特
定の静水圧と特定の温度条件によりHIP製品の表面層に
残留空隙が集まった様相となる。それが表面下約200μ
ｍまでの深さに散見されることが多い。これ以上の深さ
になると、本発明の効果が少なくなるので、残留空隙の
存在する深さを150μｍを限定の基準にしている。
半製品をHIP処理した製品を切断して断面組織を観察す
ると、残留空隙が製品の内部まで深く存在することがあ
る。このことは、製品使用特性の規格を満足しないこと
になる。CIP後焼結処理した半製品をHIP処理すると、特
定の静水圧と特定の温度条件によりHIP製品の表面層に
残留空隙が集まった様相となる。それが表面下約200μ
ｍまでの深さに散見されることが多い。これ以上の深さ
になると、本発明の効果が少なくなるので、残留空隙の
存在する深さを150μｍを限定の基準にしている。
この深さが浅いほど、ショットピーニングによる剥離代
が少なく、歩留りは高くなる。これらの残留空隙の存在
する深さはHIPの加熱温度と加圧力による。700℃以上β
変態点温度までのα＋β２相域で加圧することにより約
150μｍの深さに残留空隙を抑制できる。
が少なく、歩留りは高くなる。これらの残留空隙の存在
する深さはHIPの加熱温度と加圧力による。700℃以上β
変態点温度までのα＋β２相域で加圧することにより約
150μｍの深さに残留空隙を抑制できる。
700℃未満のHIPの加熱温度では表面下約200μｍ以上残
留空隙がみられるようになり疲労特性、引張特性などが
悪くなる。またβ変態点以上の加熱では組織が粗大化し
て、疲労特性、引張特性などが悪くなる。加圧力は特定
しないが、ここで限定した加熱温度条件では、250kg/cm
2以上の圧力を用いて１時間以上の静水圧プレス条件で
よい結果を得ることが出来る。また加圧力が高いほど、
残留空隙の存在する深さが浅くなる。そのHIP半製品の
表面層に残留した空隙をショットピーニングにより圧潰
し、加工硬化した層を剥離して、除去して表面仕上げを
する。鋼球を投射するショットピーニングでは、鋼球の
サイズ、硬さ、投射速度などが残留空隙の圧潰を左右す
る。その条件はチタン合金の成分系に応じて選定する。
その基準はチタン合金の硬度を計測し、それ以上の硬さ
の球状物を10m/sec以上で投射すると、20分から40分の
投射時間で残留空隙を圧潰、剥離して美麗な金属光沢を
得られる。鋼球のサイズは限定しないが、焼結製品およ
びHIP製品の表面粗さよりも大きい100μｍから600μｍ
の径の鋼球で投射することにより、その目的を達成でき
る。
留空隙がみられるようになり疲労特性、引張特性などが
悪くなる。またβ変態点以上の加熱では組織が粗大化し
て、疲労特性、引張特性などが悪くなる。加圧力は特定
しないが、ここで限定した加熱温度条件では、250kg/cm
2以上の圧力を用いて１時間以上の静水圧プレス条件で
よい結果を得ることが出来る。また加圧力が高いほど、
残留空隙の存在する深さが浅くなる。そのHIP半製品の
表面層に残留した空隙をショットピーニングにより圧潰
し、加工硬化した層を剥離して、除去して表面仕上げを
する。鋼球を投射するショットピーニングでは、鋼球の
サイズ、硬さ、投射速度などが残留空隙の圧潰を左右す
る。その条件はチタン合金の成分系に応じて選定する。
その基準はチタン合金の硬度を計測し、それ以上の硬さ
の球状物を10m/sec以上で投射すると、20分から40分の
投射時間で残留空隙を圧潰、剥離して美麗な金属光沢を
得られる。鋼球のサイズは限定しないが、焼結製品およ
びHIP製品の表面粗さよりも大きい100μｍから600μｍ
の径の鋼球で投射することにより、その目的を達成でき
る。
［実施例］ （１）２種類の粉末、すなわち、その組成がチタン99.6
％よりなるスポンジチタン粉末と、その組成がアルミニ
ウム60％，バナジウム40％の添加用母合金粉末を用意し
た。
％よりなるスポンジチタン粉末と、その組成がアルミニ
ウム60％，バナジウム40％の添加用母合金粉末を用意し
た。
（２）第１工程：チタン粉末と添加用母合金粉末を重量
比9:1の混合比で機械的に混合した。
比9:1の混合比で機械的に混合した。
第２工程：その混合粉末を所定の弾力性のある型に挿
入、充填した。HIP後において製品で10mm径の疲労と引
張の試験片となるようにCIP用の試験片を作製した。
入、充填した。HIP後において製品で10mm径の疲労と引
張の試験片となるようにCIP用の試験片を作製した。
第３工程：充填粉末を冷間静水圧プレス（CIP）により
圧粉成形した。第４工程：圧粉体を真空度10-6torr,125
0℃で焼結処理した。第５工程:1000kg/cm2,900℃,3時間
の条件下で熱間静水圧プレスをした。第６工程：ショッ
トピーニングの無いものと有るものの比較をするため
に、ショットピーニング条件として0.6mm径の鋼球（硬
さHv590）を48m/secで投射、20分、40分の２水準行っ
た。また機械研削も比較材にした。なお、この合金のβ
変態点は990℃である。
圧粉成形した。第４工程：圧粉体を真空度10-6torr,125
0℃で焼結処理した。第５工程:1000kg/cm2,900℃,3時間
の条件下で熱間静水圧プレスをした。第６工程：ショッ
トピーニングの無いものと有るものの比較をするため
に、ショットピーニング条件として0.6mm径の鋼球（硬
さHv590）を48m/secで投射、20分、40分の２水準行っ
た。また機械研削も比較材にした。なお、この合金のβ
変態点は990℃である。
（３）従来法（ショットピーニング無し）および本発明
の方法で作ったTi-6Al-4V合金の金属組織の表面部の特
徴を第１図、第２図、第３図に示す。
の方法で作ったTi-6Al-4V合金の金属組織の表面部の特
徴を第１図、第２図、第３図に示す。
第２図から明らかなように、本発明の方法で製造した合
金は残留空隙が圧潰している。また第３図は第２図の圧
潰した残留空隙近傍の加工硬化層が剥離した表面部を示
している。
金は残留空隙が圧潰している。また第３図は第２図の圧
潰した残留空隙近傍の加工硬化層が剥離した表面部を示
している。
この合金から引張試験片、疲労試験片を製作しそれぞれ
の試験を行った。疲労試験条件は軸荷重、Ｒ（応力比）
＝−1.0,f（周波数）＝20Hz,大気中、室温である。引張
試験結果を表１に、また疲労特性を第４図に示す。この
結果が示すように、本発明法による合金は従来法に比べ
て機械研削仕上げした材質特性と同等の特性が得られ
た。
の試験を行った。疲労試験条件は軸荷重、Ｒ（応力比）
＝−1.0,f（周波数）＝20Hz,大気中、室温である。引張
試験結果を表１に、また疲労特性を第４図に示す。この
結果が示すように、本発明法による合金は従来法に比べ
て機械研削仕上げした材質特性と同等の特性が得られ
た。
［発明の効果］ 本発明の特徴は複雑な形体をもつ焼結体の製品について
も、投射角度などを工夫することにより残留空隙の少な
い健全な製品を機械研削工程を省いて製造できる。その
結果、製品の歩留り向上および低コスト化が達成でき
る。このチタン合金の粉末焼結製品の製造方法は純チタ
ンの粉末焼結製品についても適用し効果がある。
も、投射角度などを工夫することにより残留空隙の少な
い健全な製品を機械研削工程を省いて製造できる。その
結果、製品の歩留り向上および低コスト化が達成でき
る。このチタン合金の粉末焼結製品の製造方法は純チタ
ンの粉末焼結製品についても適用し効果がある。
なお、本発明は回転電極法等により製造した合金粉末を
用いたHIP処理製品の表面成形用にも著しい効果があ
る。
用いたHIP処理製品の表面成形用にも著しい効果があ
る。
第１図はTi-6Al-4Vからなる組成を持つチタン合金をHIP
処理したままの光学顕微鏡による金属組織の写真、 第２図は第１図と同一組成を持つチタン合金を本発明の
方法で作ったショットピーニング20分鋼球を投射したも
のの光学顕微鏡による金属組織の写真、 第３図は第１図、第２図と同一組成を持つチタン合金を
本発明の方法で作ったショットピーニング40分鋼球を投
射したものの光学顕微鏡による金属組織の写真、 第４図は従来法と本発明法の合金材の疲労特性を示すグ
ラフ、 である。
処理したままの光学顕微鏡による金属組織の写真、 第２図は第１図と同一組成を持つチタン合金を本発明の
方法で作ったショットピーニング20分鋼球を投射したも
のの光学顕微鏡による金属組織の写真、 第３図は第１図、第２図と同一組成を持つチタン合金を
本発明の方法で作ったショットピーニング40分鋼球を投
射したものの光学顕微鏡による金属組織の写真、 第４図は従来法と本発明法の合金材の疲労特性を示すグ
ラフ、 である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−188735（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−246333（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−130732（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−159358（ＪＰ，Ａ) 特公 平１−29864（ＪＰ，Ｂ２)
Claims (1)
- 【請求項１】チタン合金粉末焼結製品を製造するに際
し、構成金属元素粉末を混合、圧粉成型、真空焼結の工
程を経て製造した焼結チタン合金を700℃以上β変態点
温度までのα＋β２相域でHIP（熱間静水圧成形）し、
その半製品の表面層に残留した空隙をショットピーニン
グして除去して表面仕上げをすることを特徴とするチタ
ン合金の粉末焼結製品の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1051448A JPH0692605B2 (ja) | 1989-03-03 | 1989-03-03 | チタン合金の粉末焼結製品の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1051448A JPH0692605B2 (ja) | 1989-03-03 | 1989-03-03 | チタン合金の粉末焼結製品の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02232303A JPH02232303A (ja) | 1990-09-14 |
| JPH0692605B2 true JPH0692605B2 (ja) | 1994-11-16 |
Family
ID=12887215
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1051448A Expired - Fee Related JPH0692605B2 (ja) | 1989-03-03 | 1989-03-03 | チタン合金の粉末焼結製品の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0692605B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SE9602376D0 (sv) * | 1996-06-14 | 1996-06-14 | Hoeganaes Ab | Compact body |
| JP5871490B2 (ja) * | 2011-06-09 | 2016-03-01 | 日本発條株式会社 | チタン合金部材およびその製造方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62188735A (ja) * | 1986-02-14 | 1987-08-18 | Kanto Denka Kogyo Kk | ＴｉＮｉ系合金線材又は板材の製造法 |
-
1989
- 1989-03-03 JP JP1051448A patent/JPH0692605B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02232303A (ja) | 1990-09-14 |
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