JPH10503551A

JPH10503551A - How to process titanium parts

Info

Publication number: JPH10503551A
Application number: JP7527717A
Authority: JP
Inventors: ダグラスダブリューシニアフェイ
Original assignee: スタームラガーアンドカンパニーインコーポレイテッド
Priority date: 1994-04-25
Filing date: 1995-04-18
Publication date: 1998-03-31
Also published as: EP0763143A1; EP0763143A4; CN1151192A; WO1995029270A1; KR970702386A

Abstract

(57)【要約】チタン含有部品の処理方法及び処理された部品が開示される。処理は、１５〜２５％の二酸化炭素、３０〜５０％の窒素、及び３０〜５０％の水素のガス雰囲気を有する炉室(１２)に部品を入れる事を含む。雰囲気は、７８８℃（１４５０°Ｆ）〜１０１０℃（１８５０°Ｆ）の温度にあり、処理は、５〜６０分で十分である。部品は、硬度、強度及び耐摩耗性が改善される。 (57) Abstract: A method of treating a titanium-containing component and a treated component are disclosed. The process involves placing the components in a furnace chamber (12) having a gas atmosphere of 15-25% carbon dioxide, 30-50% nitrogen, and 30-50% hydrogen. The atmosphere is at a temperature of 788 ° C. (1450 ° F.) to 1010 ° C. (1850 ° F.), and a treatment of 5 to 60 minutes is sufficient. The parts have improved hardness, strength and wear resistance.

Description

【発明の詳細な説明】チタン部品の処理方法発明の背景金属を、水素及び窒素雰囲気で（米国特許第３,２１１,５９０号明細書）、或いはアンモニア及びメタン雰囲気で（米国特許第３,８９１,４７３号明細書）熱処理する事が提案されている。ヘリウムの中性雰囲気でのチタンの熱処理についても、提案されている（米国特許第４,０９８,６２３号明細書）。従来の方法は、窒素、水素及び一酸化炭素の雰囲気でのチタン部品処理法について開示していない。低炭素鋼及び鉄は、２０％の一酸化炭素、４０％の水素及び４０％の窒素及びガス雰囲気で処理されている。焼付け抵抗性を改善する為の、プロパン−アルゴン混合物又はメタン−アルゴン混合物を使用するチタン合金材料の処理が報告されている(Transactions of the ASM Vol．46，pp．257，267-70(1953))。発明の要旨概ね、本発明は、大気圧下の炉中で、窒素、メタノール及び任意に天然ガス又はプロパンの混合物を造り、この混合物を、平衡に達せしめ、次いでチタン部品を、炉中に導入し、最後に炉温度を、５分〜６００分の時間で、７８８℃（１４５０°Ｆ）〜１０１０℃（１８５０°Ｆ）の範囲に低下させる工程を有するチタン含有部品を処理する方法を含む。その様に処理されたチタンの表面は、非常に硬く、且つ焼付け抵抗性を有する事がこの方法の特徴である。処理中に合金表面に形成される被膜が、主に、酸素窒化物(oxynitride)及び場合によっては幾らかの炭素窒化物(carbonitride)の領域を持つ酸化チタンからなる事が特徴である。図面の簡単な説明図１は、本発明方法を実施するのに使用される装置の部分的に区分された立面図である。好適な実施態様の説明図１において、装置１０は、炉１１、炉室ボックス１２及びブロック１５で支持されたチタン部品バスケット１４を含む。室１２は、３つのガス導管入口１６、１７及び１８を有する。導管１６は、メタノールタンク２１からメタノールを、シャフトを備えた多孔分散機(sparger)２２へ供給する。導管１７は、ガスタンク２３から天然ガスを供給し、導管１８は、窒素タンク２４から窒素を供給する。シャフト付きファン２７は、室１２でのガスの混合及び循環を行い、出口煙突２９（図示せず）は、室１２から出口ガスを導く。センサー３７は、室１２の温度、酸素及びガス成分を測定する。工程監視装置３１は、導管１６、１７及び１８のバルブ３３、３４、３５を調節し、室１２での混合を調節する。室ボックス１２でのガスの組合せは、供給源として、ガス状窒素、メタノール及びプロパン又は天然ガスを使用して、望ましい部品の冶金学的層特性の達成を変化させる、１５〜２５％の二酸化炭素、３０〜５０％の水素及び３０〜５０％の窒素の雰囲気から成る炭化水素不活性ガス混合物を造り出す。ガス割合は容量である。使用される工程管理装置は、含まれてもよいが、酸素の測定及び調節を制限するものであってはならない。本発明を使用する処理可能な部品は、１００％チタン又は、以下のチタン合金である。合金Ａ成分％チタン９０アルミニウム６バナジウム４合金Ｂ成分％チタン９４．５アルミニウム３バナジウム２．５合金Ｃ成分％チタン９０ジルコニウム４錫２モリブデン６アルミニウム６合金の割合は重量である。本発明で処理したＴｉ−６Ａ１−４Ｖ合金と、未処理のものについての試験結果は次の通りである。１．機械的性質処理された試料の表面硬度は、実質的に同じ特性バランスを持つ未処理試料の硬度より著しく高かった。２．耐摩耗性＃１０グリット酸化アルミニウム媒体を使用しての摩耗試験では、処理試料は、未処理試料より摩耗が少なかった。条件％摩耗処理．３７７４未処理．４５３３実施例合金Ａで作製された火器の引金を、窒素、メタノール及び天然ガスを、窒素４０％（ガス）メタノール５８〜６０％（液体）及びプロパン０〜２％（ガス）の割合で導入し、炉中で、次のガス雰囲気とした炉中に入れた。成分％二酸化炭素１５〜２５水素３０〜５０窒素３０〜５０ガス雰囲気を、大気圧又はその近くとした。処理雰囲気は、窒素二酸化炭素水素酸素メタン及び水の複合混合物である。この混合物は、炉中では平衡状態になければならない。メタンは、部品表面の浸炭化を含む部品処理を遂行する為の水素及び二酸化炭素を形成する為に解離する。平衡は、炉中での混合物の反応の完結によって得られる。平衡反応式は、である。平衡の決定は、処理された材料表面に移植又は分散された炭素水準を分析する様な間接的手段で行われる。その他の方法としては、炉雰囲気中の一酸化炭素の成分水準を仮定するアルゴリズムで炭素ポテンシャルを指示する、炉中に配置された酸素測定器による炭素ポテンシャルの測定が挙げられる。炭素ポテンシャルは、一定の一酸化炭素含有量を仮定する酸素含有量の関数に略等しい。若し一酸化炭素含有量が変化すれば、同じ酸素％が、異なる炭素ポテンシャルを生成する。再度、アルゴリズムが、全ての変数を相関関係に置く為に使用される。成分雰囲気の維持及び次いで調節パラメーターとしての酸素％の使用による炭素の調節が非常に重要である。本発明方法の調節原理は、炉中へのガス流量の割合の調節にある。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Method of Treating Titanium Parts Background of the Invention Metals may be prepared in a hydrogen and nitrogen atmosphere (US Pat. No. 3,211,590) or in an ammonia and methane atmosphere (US Pat. No. 3,891). No., 473) heat treatment has been proposed. A heat treatment of titanium in a neutral atmosphere of helium has also been proposed (US Pat. No. 4,098,623). Conventional methods do not disclose a method for treating titanium components in an atmosphere of nitrogen, hydrogen and carbon monoxide. Low carbon steel and iron have been treated in a 20% carbon monoxide, 40% hydrogen and 40% nitrogen and gas atmosphere. The treatment of titanium alloy materials using propane-argon or methane-argon mixtures to improve bake resistance has been reported (Transactions of the ASM Vol. 46, pp. 257, 267-70 (1953)). ). SUMMARY OF THE INVENTION In general, the present invention provides for the formation of a mixture of nitrogen, methanol and optionally natural gas or propane in a furnace at atmospheric pressure, allowing the mixture to reach equilibrium, and then introducing titanium components into the furnace. And finally, reducing the furnace temperature to a range of 788 ° C (1450 ° F) to 1010 ° C (1850 ° F) in a time period of 5 minutes to 600 minutes, including a method of treating a titanium-containing component. . It is a feature of this method that the surface of the titanium thus treated is very hard and has bake resistance. The coating formed on the alloy surface during processing is characterized primarily by titanium oxide with oxynitride and possibly some carbonitride regions. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a partially sectioned elevation view of an apparatus used to carry out the method of the present invention. Description of the Preferred Embodiment In FIG. 1, the apparatus 10 includes a furnace 11, a furnace chamber box 12, and a titanium parts basket 14 supported by a block 15. Chamber 12 has three gas conduit inlets 16, 17 and 18. Conduit 16 supplies methanol from methanol tank 21 to a sparger 22 having a shaft. The conduit 17 supplies natural gas from a gas tank 23, and the conduit 18 supplies nitrogen from a nitrogen tank 24. A shafted fan 27 mixes and circulates gas in the chamber 12, and an outlet chimney 29 (not shown) directs outlet gas from the chamber 12. The sensor 37 measures the temperature of the chamber 12, oxygen and gas components. The process monitor 31 regulates the valves 33, 34, 35 of the conduits 16, 17 and 18 to regulate mixing in the chamber 12. The combination of gases in the chamber box 12 uses gaseous nitrogen, methanol and propane or natural gas as a source to alter the achievement of the metallurgical layer properties of the desired part from 15 to 25% carbon dioxide. To produce a hydrocarbon inert gas mixture consisting of an atmosphere of 30-50% hydrogen and 30-50% nitrogen. Gas ratios are volumes. The process control equipment used may be included but should not limit oxygen measurement and regulation. Processable components using the present invention are 100% titanium or the following titanium alloys. Alloy A component % titanium 90 aluminum 6 vanadium 4 Alloy B component % titanium 94.5 aluminum 3 vanadium 2.5 Alloy C component % titanium 90 zirconium 4 tin 2 molybdenum 6 aluminum 6 alloy ratio is weight. The test results for the Ti-6A1-4V alloy treated according to the present invention and the untreated Ti-6A1-4V alloy are as follows. 1. mechanical nature The surface hardness of the treated sample was significantly higher than that of the untreated sample with substantially the same balance of properties. 2. Abrasion Resistance In a wear test using # 10 grit aluminum oxide media, the treated sample had less wear than the untreated sample. Condition % wear treatment. 3774 unprocessed. 4533 Example Fire of a firearm made of alloy A was introduced with nitrogen, methanol and natural gas at a rate of 40% nitrogen (gas), 58-60% methanol (liquid) and 0-2% propane (gas). Then, it was placed in a furnace with the following gas atmosphere. Component % carbon dioxide 15-25 hydrogen 30-50 nitrogen 30-50 The gas atmosphere was at or near atmospheric pressure. The processing atmosphere is a complex mixture of nitrogen, carbon dioxide, hydrogen, oxygen, methane, and water. This mixture must be in equilibrium in the furnace. Methane dissociates to form hydrogen and carbon dioxide to perform component processing, including carburizing of the component surface. Equilibrium is obtained by the completion of the reaction of the mixture in the furnace. The equilibrium reaction equation is It is. The determination of the equilibrium is made by indirect means such as analyzing the level of carbon implanted or dispersed on the treated material surface. Another method is to measure the carbon potential with an oximeter located in the furnace, which indicates the carbon potential with an algorithm that assumes the level of carbon monoxide in the furnace atmosphere. The carbon potential is approximately equal to a function of the oxygen content assuming a constant carbon monoxide content. If the carbon monoxide content changes, the same percentage of oxygen produces a different carbon potential. Again, an algorithm is used to correlate all variables. Controlling the carbon by maintaining the component atmosphere and then using oxygen% as a control parameter is very important. The regulation principle of the method according to the invention consists in regulating the rate of gas flow into the furnace.

Claims

[Claims] 1. A method for treating a titanium-containing component, comprising: 1) a) 30-50% nitrogen, b) 30-50% hydrogen, and c) 15-25% carbon dioxide Introducing a mixture of component gases containing 2) introducing titanium components into a furnace box having air; 3) sealing the box from the outside atmosphere; 4) At 788 ° C. (1450 ° F.) to 1010 ° C. (1850 ° F.), Monitoring and adjusting the temperature of the A method that includes 2. By adjusting the introduction of component gases, the furnace atmosphere is i) 30-50% nitrogen; ii) 30-50% hydrogen, and iii) 15-25% carbon dioxide The method of claim 1, wherein the method comprises: 3. A titanium-containing component treated by the method of claim 1.