JPH08143991A - 耐摩耗性及び耐焼付性に優れたチタン合金及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】耐摩耗性及び耐焼付性を向上させ、内燃機関の
動弁系に適用するのに有利なチタン合金を提供するこ
と。 【構成】ＴｉＣ粒子が分散したβ型チタン合金を８２５
°Ｃにおいて１時間加熱保持し、Ｔｉ₃ ＡｌＣ粒子を析
出させる第１加熱工程と、第１加熱工程を経た該チタン
合金を４２５℃において２時間加熱保持して、α相を析
出させる第２の加熱工程とを順に実施する。これにより
β相にＴｉ₃ ＡｌＣ粒子及びα相を混在させたβ型チタ
ン合金を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は耐摩耗性及び耐焼付性に
優れたチタン合金及びその製造方法に関する。本発明は
例えば内燃機関の動弁系のバルブに適用できる。

【０００２】

【従来の技術】近年チタン合金が注目をあびており、種
々の産業界でチタン合金が使用されつつある。例えば、
車両の内燃機関の動弁系に用いられるバルブにおいて
も、軽量化及び強度確保等を目的として、チタン合金を
母材としたものが開発されている。しかしチタン合金は
耐摩耗性及び耐焼付性は必ずしも充分ではなく、そのた
めチタン合金系のバルブのフェース部、ステム部、軸端
部の耐摩耗性及び耐焼付性を向上するため、下記の技術
が従来より提案されている。

【０００３】特開昭６１−２３２３１０号公報には、バ
ルブのフェース部にＣｏ基合金を肉盛りする技術が提案
されている。特開昭６１−２３４２１０号公報には、バ
ルブの外表面にイオン窒化処理を施す技術が提案されて
いる。特開昭５６−１４６８７５号公報には、バルブの
外表面に硬化処理を施す技術が提案されている。特開昭
６１−２６１６０９号公報には、バルブの外表面にクロ
ムメッキを施す技術が開示されている。

【０００４】上記した技術は、耐摩耗性、耐焼付性に
優れた別材料を接合させる技術（肉盛、溶射、メッキ
等）と、表面層のみを改質する技術（イオン窒化、陽
極酸化等）の２つに大別される。更に特開平２−１２９
３３０号公報および特開平４−１７６３９号公報には、
基地をβ相化し、その基地に硬質のＴｉＣ粒子を分散さ
せたチタン合金が提案されている。このチタン合金で
は、ＴｉＣ粒子の分散により優れた耐摩耗性及び耐焼付
性が得られる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら前記した
に係る技術では、耐摩耗性あるいは耐焼付性に優れた
別材料を摺動面に接合するため、必要な性能は確保され
易いが、相手材である母材がチタン合金であるため、別
材料の耐剥離性の確保のために、下地処理などが必要と
なり、コスト高となる。

【０００６】一方、前記したの技術は、比較的安価な
方法であるが、表面に形成される処理層は、最大でも数
１０μｍの厚さのため極めて薄く、耐久性が不充分であ
り、過酷な使用条件で用いられる部材、例えば車両の内
燃機関に用いられる動弁系のバルブに適用するには不向
きである。更に前記した特開平４−１７６３９号公報に
係るチタン合金は、耐摩耗性及び耐焼付性が改善された
チタン合金であるが、過酷な条件下では必ずしも充分で
はない。例えば車両の内燃機関の動弁系に用いられるバ
ルブ等の様に過酷な摺動条件下においては、耐摩耗性、
耐焼付性が不足する。

【０００７】本発明は上記した実情に鑑みなされたもの
であり、ＴｉＣ粒子が分散したβ相型のチタン合金にお
いて、耐摩耗性及び耐焼付性に一層優れたチタン合金お
よびその製造方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は、ＴｉＣ粒子
を分散したβ相を基地とするβ型チタン合金について鋭
意開発を進めた。そしてＴｉＣ粒子を分散したβ型チタ
ン合金中にＴｉ₃ ＡｌＣ粒子及びα相を積極的に混在さ
せれば、過酷な摺動条件下においても、優れた耐摩耗性
と耐焼付性を兼備することができるとの知見に到達し、
試験で確認し、本発明を完成した。

【０００９】即ち、請求項１に係るチタン合金は、Ｔｉ
Ｃ粒子が分散したβ型チタン合金において、Ｔｉ₃ Ａｌ
Ｃ粒子及びα相を混在させ、Ｔｉ₃ ＡｌＣ粒子の析出量
は、Ｘ線回折法による〔Ｔｉ₃ ＡｌＣ強度／ＴｉＣ強
度〕で０．３〜０．７であり、α相の析出量は、Ｘ線回
折法による〔α相強度／β相強度〕で４〜１２であるこ
とを特徴とする耐摩耗性及び耐焼付性に優れたものであ
る。

【００１０】請求項２に係るチタン合金の製造方法は、
ＴｉＣ粒子が分散したβ相を基地とするβ型チタン合金
を８００°Ｃ〜９００℃の温度に加熱保持し、Ｔｉ₃ Ａ
ｌＣ粒子を析出させる第１加熱工程と、第１加熱工程を
経た該チタン合金を４００℃〜５５０℃の温度に加熱保
持して、α相を析出させる第２の加熱工程とを順に実施
し、β相にＴｉ₃ ＡｌＣ粒子及びα相を混在させたβ型
チタン合金を得ることを特徴とするものである。

【００１１】

【作用】請求項１に係るチタン合金によれば、β型チタ
ン合金であるため、基地の主体はβ相である。この様に
請求項１に係るチタン合金によれば、β相を基地とする
ため、β相の安定化のために有効な元素例えばＣｒ、
Ｖ、Ｗ等の少なくとも１種を含有することができる。

【００１２】請求項１に係るチタン合金によれば、耐摩
耗性及び耐焼付性が向上する。その理由は、β相の基地
に析出するα相が基地を高強度化することに起因すると
考えらる。即ち、高強度化した基地により硬質のＴｉ₃
ＡｌＣ粒子が安定して保持される様になり、摺動に伴う
Ｔｉ₃ ＡｌＣ粒子の脱落等が抑制され、摺動面における
焼付性及び耐摩耗性が向上するものと考えられる。Ｔｉ
₃ ＡｌＣの析出量を前記０．３〜０．７にすることで耐
焼付性が向上し、α相の析出量を前記４〜１２にするこ
とでＴｉ₃ ＡｌＣ粒子の脱落を抑制できる。

【００１３】請求項１に係るチタン合金によれば、α相
は一般的にはサブミクロンオーダー程度で、微細であ
り、その平均粒径は例えば０．３μｍ以下程度特に０．
０５〜０．１μｍ程度を採用できる。Ｔｉ₃ ＡｌＣ粒子
の平均粒径は例えば０．２〜３μｍ程度特に０．５〜２
μｍ程度を採用できる。ＴｉＣ粒子の平均粒径は例えば
５〜７０μｍ程度特に１０〜５０μｍ程度を採用でき
る。

【００１４】請求項２に係るチタン合金の製造方法にお
いては、第１の加熱処理は、チタン合金のβ相の基地に
Ｔｉ₃ ＡｌＣ粒子を析出させることを主眼とするもので
あり、第２の加熱処理は、β相の基地にα相を析出させ
ることを主眼とするものである。第１の加熱処理は、８
００℃〜９００℃で行うものであり、特に８２０〜８８
０℃で行い得る。第２の加熱処理は、４００℃以上５５
０℃以下で行うものであり、特に４２０〜５２０℃で行
い得る。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。ま
ず、重量％で６％のＡｌと４％のＶとを含有するチタン
インゴット材（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）を溶解炉で溶解し
た。そして、その溶湯に炭化クロム（Ｃｒ₃Ｃ₂ ）を添
加し、所定時間経過後に鋳型に注入して凝固させ、テス
トピースを作製した。このテストピースに係る組織は、
ＴｉＣ粒子が分散したβ相の基地で構成されている。こ
こで、溶湯に添加した炭化クロムに含まれるＣｒはβ相
安定元素として機能し、炭化クロムに含まれるＣはＴｉ
Ｃ粒子、Ｔｉ₃ ＡｌＣ粒子を生成する役割を果たすと考
えられる。チタン合金中のＡｌはα相安定化元素と考え
られており、またＴｉ₃ ＡｌＣ粒子の生成にも寄与する
と考えられている。

【００１６】なお、溶湯に添加した炭化クロムの添加量
は、チタンインゴット材を重量％で１００％としたとき
１０％程度である。従って上記テストピースの組成は、
重量％で５．４％Ａｌ−３．６％Ｖ−８．７％Ｃｒ−
１．３％Ｃ−不可避の不純物−残部実質的にＴｉであ
る。その後に、そのテストピースを８００℃以上に大気
中で加熱保持（８２５℃×１時間）して第１の加熱処理
を行った後に水冷した。次に４００℃以上に大気中で加
熱保持（４２５℃×２時間）して第２の加熱処理を行な
い、その後空冷した。

【００１７】本実施例において、第１の加熱処理は、チ
タン合金のβ相の基地にＴｉ₃ ＡｌＣ粒子を析出させる
ことを主眼とするものである。第１の加熱処理の際に水
冷したのは、Ｔｉ₃ ＡｌＣ粒子が分散したβ相の基地を
維持するためである。また第２の加熱処理は、β相の基
地に微細なα相を析出させることを主眼とするものであ
る。

【００１８】さて図１は実施例に係るチタン合金で形成
されているバルブ１の断面を示す。図１に示す様にバル
ブ１は、バルブフェース１０を備えたヘッド部１１と、
ヘッド部１１と一体的に形成されたステム部１２とを備
えている。１２ａはステム部の軸端部を示す。ところで
図２は、テストピース（６ｍｍ×１０ｍｍ×１６ｍｍの
ブロック形状）の表面近傍における断面組織の光学顕微
鏡写真（腐食液：フッ酸系）を示したものである。この
テストピースでは、第１の加熱処理は８７５℃×１時間
であり、第２の加熱処理は５００℃×２時間である。図
２において、ＴｉＣ粒子を分散したβ相（体心立方格
子：ｂｃｃ構造）の基地の粒界及び粒内に、α相（六方
最密格子：ｈｃｐ構造）がサブミクロンオーダーで微細
に（０．０５〜０．１μｍ程度と考えられる）析出して
いることが把握される。これによりＴｉ₃ ＡｌＣ粒子を
保持する基地の強度が向上し、Ｔｉ₃ ＡｌＣ粒子の脱落
が軽減され、これによりチタン合金の摺動面における耐
摩耗性が向上すると考えられる。勿論、ＴｉＣ粒子の脱
落軽減も期待される。

【００１９】更に、上記の様にサブミクロンオーダーで
微細のα相をβ相の基地に混在化させると、後述する試
験から明らかな様に、チタン合金の摺動面における耐焼
付性が向上する。この理由は次の様に考えられる。即
ち、摺動方向に異なる相がランダムに存在することによ
り、微視的な凝着が発生した際、その凝着部が摺動によ
り拡大しようとしても、相が変わる部分で凝着の進行が
抑制され易いためであると考えられる。

【００２０】更に図２から理解できる様に、実施例に係
るチタン合金では、Ｔｉ₃ ＡｌＣ粒子はβ相の基地の粒
内中あるいは粒界に、およそ２〜３μｍ以下の粒径で微
細に析出している。そしてその粒子による微小凹凸の形
成により、チタン合金の摺動面における油膜保持能力が
向上し、耐焼付性および耐摩耗性を一層向上させる作用
を期待できる。また図２において示されているＴｉＣ粒
子の平均粒径は、１０〜５０μｍ程度と考えられる。

【００２１】ところで、上記のα相とＴｉ₃ ＡｌＣ粒子
は、それぞれ一方のみが析出していても、耐焼付性や耐
摩耗性向上効果は一応見られる。しかし、過酷な条件で
使用される内燃機関の動弁系のバルブの実用領域では不
充分なレベルである。この点本実施例の様にα相とＴｉ
₃ ＡｌＣ粒子との双方がβ相の基地に混在すれば、複合
作用により、チタン合金の摺動面における耐焼付性およ
び耐摩耗性を著しく向上させ得、動弁系のバルブとして
実用可能なレベルが達成される。

【００２２】上記した実施例に係るチタン合金のテスト
ピースについて耐焼付性及び耐摩耗性を試験した。耐焼
付性試験は機械試験所型焼付試験を採用し、図３から理
解できる様に、盤状のテストピース３０を用い、テスト
ピース３０にリング状の相手材３１（実際の内燃機関で
使用されているステムガイド相当材；ＦＣＡ９）を押圧
し、２ｃｃ／分でオイルを滴下しつつ２０００ｒｐｍで
相手材３１を回転させて行い、押圧力を２４５Ｎから焼
付発生まで順に増加させ焼付発生荷重を測定した。試験
結果はテストピース２個の平均値とした。

【００２３】耐摩耗性試験はＬＦＷ摩耗試験験を採用
し、図４から理解できる様に、角盤状のテストピース４
０を用い、油浴中でテストピース４０にリング状の相手
材４１（実際の内燃機関で使用されているリフタ相当
材；米国規格ＳＡＥ４６２０、Ｎｉ−Ｍｏ系鋼）を押圧
し、５ｒｐｍで相手材４１を５分間回転させて行い、テ
ストピース４０の摺動部分の摩耗体積を測定した。試験
結果はテストピース２個の平均値とした。

【００２４】（比較例）比較例１〜比較例４に係るチタ
ン合金を作製した。比較例１は、前記した実施例１で用
いたチタンインゴット材（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）を溶解
炉で溶解し、その溶湯に炭化クロム（Ｃｒ₃ Ｃ₂ ）を実
施例１と同程度添加し、β相化した基地にＴｉＣ粒子を
分散させたものである。比較例２は、比較例１の合金を
４００℃以上に加熱保持（４２５℃×２時間）してβ相
中に微細なα相を析出させたものである。比較例３は、
比較例１の合金を８００℃以上に加熱保持（８２５℃×
１時間）してβ相の基地にＴｉ₃ ＡｌＣ粒子を析出させ
たものである。比較例４は、前記したＴｉ−６Ａｌ−４
Ｖの組成をもつチタン合金であり、従来から使用されて
いる代表的なチタン合金である。比較例４の組織は（α
相＋β相の混合組織のみ）であり、Ｔｉ₃ ＡｌＣ粒子や
ＴｉＣは分散していない。

【００２５】比較例に係るチタン合金についても、同様
に耐焼付性及び耐摩耗性を試験した。 （試験結果）実施例及び各比較例における試験結果を、
表１に示す。表１から理解できる様に、実施例は、焼付
発生荷重は１．５ｋＮであり、摩耗量は０．４×１０^-3
ｍｍ³ であり、極めて少なかった。

【００２６】従来よりの代表的なチタン合金である比較
例４は、表１に示す様に、焼付発生荷重は０．２５ｋＮ
であり、摩耗量は６０１５×１０^-3ｍｍ³ であり、耐焼
付性、耐摩耗性とも大きく劣る。また比較例１では焼付
発生荷重は０．５０ｋＮであり、摩耗量は１３１７×１
０^-3ｍｍ³ であり、耐焼付性、耐摩耗性ともに充分では
なかった。比較例２では焼付発生荷重は０．６３ｋＮで
あり、摩耗量は３６．５×１０^-3ｍｍ³ であり、耐焼付
性、耐摩耗性ともに充分ではなかった。比較例３では焼
付発生荷重は０．７５ｋＮであり、摩耗量は４５．２×
１０^-3ｍｍ³ であり、耐焼付性、耐摩耗性ともに充分で
はなかった。

【００２７】ここで表１から理解できる様に、ＴｉＣ粒
子を分散したβ相を基地とした比較例１は、比較例４に
比較して焼付発生荷重が大きく、摩耗量も少なく、耐焼
付性及び耐摩耗性にともに向上している。しかし比較例
１のチタン合金を母材として作成したバルブを実際の内
燃機関の動弁系の吸気側に組み込み、耐久試験を行った
ところ、バルブのステム部の焼付きおよび軸端部の過大
摩耗が耐久試験の初期に発生し、実用性が発揮されない
ことが明らかとなった。

【００２８】比較例２及び比較例３は比較例４に比較し
ていずれも耐摩耗性および耐焼付性が向上している。特
に比較例２及び比較例３は比較例４に比較して摩耗量は
小さくて耐摩耗性は大きく向上している。しかし使用条
件が過酷な内燃機関の動弁系のバルブに使用するチタン
合金としてみると、焼付発生荷重及び摩耗量ともにまだ
不充分なレベルである。

【００２９】これに対し実施例は、表１から理解できる
様に比較例１〜４に比べて、焼付発生荷重が大きく、摩
耗量が少なく、従って耐摩耗性、耐焼付性ともに大きく
向上している。 （第１の加熱処理、第２の加熱処理における温度の相
違）第１の加熱処理、第２の加熱処理における温度の相
違を調べる試験を行った。この試験では、テストピート
として、ＴｉＣ粒子を分散したβ型のチタン合金を母材
としたバルブを用いた。そしてこのバルブに対して、表
２に示す様に、温度を３条件に変えた第１の加熱処理
と、３条件に変えた第２の加熱処理との双方を順に実施
した。そして各バルブを実際の内燃機関の動弁系の吸気
側に組み込み、高速回転にて耐久試験し、バルブのステ
ム部の耐焼付性および軸端部の耐摩耗性を測定した。

【００３０】ここで、Ｔｉ₃ ＡｌＣ粒子析出ねらいの第
１の加熱処理の温度は、表２に示す様に７００℃、８２
５℃および８７５℃とした。そしてα相析出ねらいの第
２の加熱処理の温度は、表２に示す様に３７５℃、４２
５℃および５００℃とした。その試験結果を表２に示
す。表２においてａ欄はバルブのステム部の焼付発生程
度を示し、ｂ欄はステム部の軸端部の摩耗深さ（μｍ）
を示す。表２において◎は『優』を示し、×は『劣』を
示し、○及び△はその間の状態を示す。ここで、バルブ
のステム部の耐焼付性は、耐久試験後のステム部におい
て相手バルブガイドと摺動する部分のスカッフ発生の程
度により優劣を比較した。また、軸端部の耐摩耗性は、
軸端部の摩耗深さにより優劣を比較した。

【００３１】表２から理解できる様に、第１の加熱処理
の温度が７００℃で第２の加熱処理の温度が３７５℃の
場合は、ａ欄及びｂ欄共に×であり、耐焼付性および耐
摩耗性がいずれも劣る。第１の加熱処理の温度が８２５
℃で第２の加熱処理の温度が４２５℃の場合には、ａ欄
及びｂ欄共に○であり、耐焼付性および耐摩耗性が良好
である。第１の加熱処理の温度が８７５℃で第２の加熱
処理の温度が４２５℃の場合には、ａ欄及びｂ欄共に◎
であり、耐焼付性および耐摩耗性が共に優れている。第
１の加熱処理の温度が８７５℃で第２の加熱処理の温度
が５００℃の場合には、ａ欄及びｂ欄共に◎であり、耐
焼付性および耐摩耗性が共に優れている。

【００３２】なお表２から理解できる様に、第１の加熱
処理の温度が８７５℃であっても、第２の加熱処理の温
度が３７５℃の場合には、ａ欄は△でありｂ欄は×であ
った。第１の加熱処理の温度が８２５℃で第２の加熱処
理の温度が３７５℃の場合には、ａ欄は×でありｂ欄は
△であった。第１の加熱処理の温度が７００℃で第２の
加熱処理の温度が３７５℃の場合には、ａ欄及びｂ欄共
に×であった。

【００３３】（Ｔｉ₃ ＡｌＣ粒子およびα相の析出量）
Ｔｉ₃ ＡｌＣ粒子およびα相の析出量を調べる試験を行
った。この試験では、表２に示す加熱処理の条件と同様
の条件で製造したテストピースを用い、Ｔｉ₃ＡｌＣ粒
子およびα相の析出量を測定した。その結果を表３に示
す。ここで、各相の析出量はＸ線回折法による強度ピー
クにて測定した。即ちＴｉ₃ ＡｌＣ粒子の析出量は、Ｔ
ｉＣ粒子に対する強度比で相対的に把握し、これは表３
のａ欄に示されている。つまり表３のａ欄は、Ｘ線回折
における（Ｔｉ₃ ＡｌＣ強度／ＴｉＣ強度）の値を示
す。なお、Ｘ線回折法によるＸ線強度の測定条件は表４
に記載した。

【００３４】またα相の析出量は、β相に対する強度比
で相対的に把握し、これは表３のｂ欄に示されている。
つまり表３のｂ欄はＸ線回折における（α相強度／β相
強度）の値を示す。表２と表３との比較から理解できる
様に、表２において耐焼付性および耐摩耗性が優れるも
の程、表３において強度比が大きいことがわかる。すな
わちＸ線回折における（Ｔｉ₃ ＡｌＣ強度／ＴｉＣ強
度）の値、及び、（α相強度／β相強度）の値が多いも
の程、耐摩耗性及び耐焼付性において優れた性能を示す
という結果が得られた。

【００３５】換言すれば、Ｔｉ₃ ＡｌＣ粒子の析出量及
びα相の析出量が多いもの程、耐摩耗性及び耐焼付性に
おいて優れた性能を示すという結果が得られた。故に、
耐摩耗性及び耐焼付性の一層の向上には、Ｔｉ₃ ＡｌＣ
粒子及びα相をβ相の基地に混在させることが重要であ
ることが把握される。

【００３６】

【表１】

【００３７】

【表２】

【００３８】

【表３】

【００３９】

【表４】 （付記）上記した実施例から次の技術的思想も把握でき
る。 請求項１、２に係るチタン合金を母材とし、かつ、車
両の内燃機関の動弁系に用いられるバルブ又はバルブ
材。このバルブによれば、バルブフェースを構成する、
β相にα相が混在した基地に、Ｔｉ₃ ＡｌＣ粒子、Ｔｉ
Ｃ粒子が表出し、相手材であるバルブシ−ト（一般に鉄
基の焼結合金）に適合する。なおバルブは、例えば上記
チタン合金からなる鍛造材や鋳造材を切削加工して形成
できる。

【００４０】

【発明の効果】請求項１によれば、耐摩耗性及び耐焼付
性が一層優れたチタン合金が得られる。このチタン合金
は摺動条件が過酷な部材、例えば車両の内燃機関の動弁
系に用いられるバルブに適する。請求項２によれば、上
記した請求項１に係る耐摩耗性及び耐焼付性が一層優れ
たチタン合金が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】バルブの断面図である。

【図２】光学顕微鏡による表層付近の金属組織を示す写
真である。

【図３】耐焼付性試験方法を示す構成図である。

【図４】耐摩耗性試験方法を示す構成図である。

【符号の説明】

図中、１はバルブ、１１はヘッド部、１２はステム部、
１２ａは軸端部を示す。

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【手続補正書】

【提出日】平成７年７月１２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桐山 幹男 神奈川県秦野市曾屋518番地 日鍛バルブ 株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ＴｉＣ粒子が分散したβ型チタン合金にお
   いて、Ｔｉ₃ ＡｌＣ粒子及びα相を混在させ、Ｔｉ₃ Ａ
   ｌＣ粒子の析出量は、Ｘ線回折法による〔Ｔｉ₃ ＡｌＣ
   強度／ＴｉＣ強度〕で０．３〜０．７であり、α相の析
   出量は、Ｘ線回折法による〔α相強度／β相強度〕で４
   〜１２であることを特徴とする耐摩耗性及び耐焼付性に
   優れたチタン合金。
2. 【請求項２】ＴｉＣ粒子が分散したβ相を基地としたβ
   型チタン合金を８００°Ｃ〜９００℃の温度に加熱保持
   し、Ｔｉ₃ ＡｌＣ粒子を析出させる第１加熱工程と、 該第１加熱工程を経た該チタン合金を４００℃〜５５０
   ℃の温度に加熱保持して、α相を析出させる第２の加熱
   工程とを順に実施し、 該β相にＴｉ₃ ＡｌＣ粒子及びα相を混在させたβ型チ
   タン合金を得ることを特徴とするチタン合金の製造方
   法。