JPS62256956A - チタン系製品の表面処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は自動２輪車及びその他の車両のエンジン部品
等に使用されるチタン乃至チタン合金からなるチタン系
金属を使用した製品（以下チタン系製品という）の表面
処理に係り、特に他部品に対する摺動部や接触部を有す
るものに好適な表面処理方法に関する。

［従来の技術］ 自動２輪車及び自動車など各種車両のエンジン部品とし
て、チタン系製品が使用されている。チタン系金属は軽
量・高硬度・高耐熱性等の緒特性の優秀さによって、特
にレーシング仕様車の部品など高性能部品に多用される
傾向がある。しかしチタン系金属の場合、耐摩耗性及び
耐焼付き性について特に配慮する必要があり、また表面
に形成される酸化層を削除して耐疲労性を向上させる必
要がある。そこでチタン系製品を鍛造等によって成形し
た後、その表面に酸化スケールが形成されている場合は
これを削除し、かつその削除面にモリブデン溶射又はチ
ッ化処理などの表面処理を施していた。また熱処理を行
う場合には酸化スケールを形成しないようアルゴン炉又
は真空炉内で行う必要があった。このようなチタン系製
品の一例として、バルブ、バルブリテーナ及びコンロッ
ド等がある。これらの具体例を第１Ａ図・第１Ｂ図・第
１Ｃ図の各図に示す。但し、表面処理層の厚さは説明の
便宜上実際より誇張した大きさで示しである。

第１Ａ図はチタン系バルブを示す。このバルブステム８
部分は、図示しないバルブガイドとの間で摺動する部分
であり、耐摩耗性及び耐焼付き性を向上させるため表面
処理を施す必要がある。そこでバルブステムａについて
厚さｔｌだけ母材を切削し、この切削面をサンドブラス
ト等によって粗面加工した後、再び厚さｔ１分モリブデ
ン溶射を行って表面処理層すを形成していた。この結果
、バルブステムａの直径ｔ。は母材の厚さｔ２と表面処
理層すの厚さ２ｔ、とによって与えられる。すなわちｔ
。＝ｔ２＋２ｔ□となる。なお厚さｔ２はバルブの強度
を負担する部分であり、ｔｌは強度には殆ど関与しない
部分である。

第１Ｂ図はチタン系のバルブシ−トを示す。

このバルブリテーナはバルブスプリングＣの端部ｄを支
持するための段部等を形成するよう機械加工した後、８
００°Ｃを越え１０００°Ｃ程度までの範囲における高
温状態で表面全体にチッ化処理される。その結果、表面
にチッ化処理層ｅが形成される。但しこのチッ化処理層
ｅはチッ化処理の特性上比較的粗面となっている。

第１Ｃ図はチタン系のコンロッドを示す。このコンロッ
ドの小端部ｆはピストンピンｇと結合するので、ピスト
ンピンｇの慣性重量に耐えかつ耐摩耗性を保つため銅系
金属からなるブツシュｈ等を介在させている。また大端
部ｉはクランクシャフトｊを嵌合するので、スラスト面
にモリブデン溶射等による表面処理層ｋが形成され、耐
摩耗性を保っている。

［発明が解決しようとする問題点］ ところで上記例示部品に関する表面処理のうち、まずバ
ルブの場合については、バルブステムａに所定の摺動性
を確保するため、何ら強度に関与しない表面処理層すの
形成を必要とし、その厚さ２ｔい分だけ大径並びに重量
増とならざるを得ない。またモリブデン溶射の場合、そ
の前処理として切削及びサンドブラスト処理等の機械加
工を要し、溶射後も表面の平滑化処理等の仕上加工を必
要とし、製造に多数の工程を必要とする。ざらにバルブ
の傘部と接触するバルブシート（図示省略）には、高価
なベリリウム−銅系合金等を使用して熱の迅速な伝播を
促し、表面処理されてない傘部の耐摩耗性向上を図る必
要があった。

またリテーナについてはチッ化処理層ｅが比較的粗面と
なっている結果、この粗面がバルブスプリング端部ｄを
摩耗してエッチ部分とし、このエッチ部分が逆にバルブ
リテーナのバルブスプリング端部ｄとの接触部を摩耗す
る（以下このような作用を相手攻撃性という）。そこで
出来る限りこのような相手攻撃性の影響を回避するため
には、エッチが形成しにくくなるようバルブスプリング
端部ｄを肉盛りする特殊の加工を必要とした。しかもチ
ッ化処理は高温で処理される必要があるので、熱処理後
の製品について所定の精度を出すには、８００６Ｃを越
える熱処理によって生じる熱変形に伴う歪を除去しなけ
ればならず、このために熟練と複雑な工程を必要とした
。

さらにコンロッドについては、銅系のブツシュｈ及び表
面処理層ｋを必要とするため、それだけコンロッドが大
型化し重量が大となる。しかも小端部ｆ側においては銅
系のブツシュｈを圧入するための前処理及び工大作業を
必要とする。また大端部ｉ側においても溶射により表面
処理層ｋを形成するため、前記チタンバルブにおいて述
べたと同様の多くの工程を必要とする。

そこで本発明はかかる問題点を解決するチタン系製品の
製造方法を提供するものであり、これにより著しい作業
性の向上を達成し、かつ製品の軽量化を実現することを
目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明のチタン系製品の表面処理方法は、以下の各工程
からなる。すなわち、チタン系金属を所定形状に成形し
、その表面を仕上げ加工する工程と、仕上げ加工された
製品を酸素を有する炉中に入れ、８００°Ｃ以下の温度
で数分乃至数時間熱処理し、製品の表面に所定の酸化ス
ケールを形成させる工程とからなることを特徴とする。

［発明の作用コ 本発明に係るチタン系製品の表面処理を行う場合、まず
チタン系金属を所定形状に成形し、その表面を平滑化す
る等仕上げ加工する。この工程ではチタン系金属からな
る母材層の生地が表面に出ている。そこでこの製品を酸
素を有する炉中に入れ、８００６Ｃ以下で数分乃至数時
間の加熱を行う。すると母材層の上に酸化スケールが形
成される。このとき熱処理温度が８００°Ｃ以下のため
熱変形による歪が生じにくい。その厚さは熱処理の条件
次第で適宜調整可能である。すなわち高温又は長時間に
なる程酸化スケールがより厚くなり、逆に低温又は短時
間になる程酸化スケールがより薄くなる。また酸化スケ
ールは、従来の表面処理層と同等程度乃至それ以上の表
面固さを与えられ、良好な耐摩耗性及び耐焼付き性を示
す。

［実施例コ 第２図乃至第６図に本発明を適用して製造した製品例を
示す。

まず第２Ａ図・第２Ｂ図は、本発明に係る表面処理層の
形成を模式的に示すものである。すなわち第２Ａ図はチ
タン系金属を所定の製品形状に成形し、その表面を仕上
げ加工した工程における加工面を示し、この工程ではチ
タン系金属からなる母材層１の生地が表面に出ている。

そこで雰囲気に酸素を有する炉例えば大気炉の中にこの
製品を入れ、８００６Ｃ以下で数分乃至数時間の加熱を
行う。すると第２Ｂ図に示すように母材層１上に外側か
ら酸化スケール２、化合物層３及び熱影響層４が順に形
成される。酸化スケール２並びに化合物層３及び熱影響
層４からなる層は本発明によって形成される表面処理層
であり、以下これを酸化表面処理層という。酸化スケー
ルはチタンの酸化物からなる層であるため、その表面は
かなり硬くなり、ビッカース硬度５００以上の従来品と
比べて遜色ない表面硬度が得られる。しかも熱処理後の
表面は熱処理前の仕上加工面がそのまま維持されるので
、熱処理後新たに仕上加工を必要としない。したがって
、そのまま製品の外観面として使用可能となる。また化
合物層３には炉の雰囲気により酸素乃至窒素並びに炭素
等とチタンとの各種化合物が形成される。なお酸化表面
処理層の厚さは温度及び処理時間によって自在に制御可
能である。但し、熱処理温度があまり高温になると製品
に歪が生じるので８００６Ｃ以下とするのが好ましく、
また比較的低温でも処理時間を長くすれば熱処理は可能
であるが、熱処理時間があまり長くなると効率が悪いの
で、低温側は５００°Ｃ以上とするのが有利である。そ
こで熱処理温度を５００°Ｃ乃至８００°Ｃの範囲で適
宜選択するのが最も好ましい。またこのときの処理時間
は熱処理温度に関連して数分乃至数時間の範囲で適宜選
択される。

第３図は本実施例を適用して製造した製品を使用する自
動２輪車用エンジンの全体図である。このエンジンＥは
ピストンＰ等を収容するシリンダ部Ｓとシリンダヘッド
部Ｈとからなる。シリンダヘッド部Ｈには吸気口Ｉｎ及
び排気口Ｅｘが設けられ、かつそれぞれにバルブ５が配
設される。吸気及び排気バルブ５は適当なチタン合金か
らなるチタン系バルブである。これらバルブは傘部な宥
し、それぞれが吸気口Ｉｎ汲び排気口Ｅｘ内に配設され
ている。これらバルブ５はバルブガイド６に摺動自在に
支持され、その端部はバルブリテーナ７と一体化されて
いる。バルブリテーナ７にはバルブスプリング８が配さ
れる。またバルブ５の一端はロッカーアーム９に接触さ
れている。ロッカーアーム９はカムシャフトに形成され
たカム１０によって図の上下方向に揺動され、バルブ５
を所定のタイミングでリフトするようにされている。ま
たピストンＰにはコンロッド１１が取付けられている。

コンロッド１１は小端部１２を有し、ここでピストンピ
ン１３と結合されている。

また大端部１４はクランクシャフト１５と結合されてい
る。これらのバルブ５、バルブリテーナ７及びコンロッ
ド１１は全て本実施例の方法によって表面処理され、酸
化表面処理層が形成されている。

第４図はチタン系のバルブ５のみについての拡大図であ
る。このバルブ５は全体がチタン系金属からなり、バル
ブステム１６及び傘部１７を有す　　′る。また傘部１
７の先端部はシート面１８をなし、吸・排気口側に予め
取付けられているバルブシート１９ど密接可能となって
いる。このバルブ５は前述した熱処理によって製造され
、バルブ５の全表面に酸化スケール２、化合物層３及び
熱影響層４からなる酸化表面処理層が形成される。この
ようにして得られるバルブ５表面の硬さは、従来の表面
処理による硬度（ビッカース硬度５００程度）と同等以
上となる。したがってバルブステム１６にはその後側の
表面処理加工も施すことなく、バルブリテーナと摺動さ
せて使用可能となる。また酸化表面処理層を含むバルブ
５の外径はＴｏであり、従来の溶射層を除外した部分の
外径（第１Ａ図の１２）とほぼ等しい。ゆえに寸法Ｔ１
で示す従来の溶射層に相当する分（２点鎖線で示した部
分）だけバルブ５を小径化可能である。またバルブ５の
外径Ｔ。はすなわち母材の径であり、従来品の母材部分
の径（第１Ａ図のｔ２）とほぼ同径であるから、従来量
等の強度を達成でき、表面が酸化スケール２であっても
、要求される製品の強度に対して耐疲労強度の変化は無
視し得る範囲にある。但し、前疲労強度を考慮する場合
には若干Ｔｏよりも大径にするか、熱処理条件を変えて
酸化スケール２等を薄くするよう調整すればよい。また
シート面１８部分までも連続して酸化表面処理層が形成
されているので耐摩耗性が良く、バルブシート１９を従
来のように高価なベリリウム−銅系合金とすることなく
、安価な鉄系材料でも足りる。

第５図はバルブリテーナ７の拡大図である。バルブリテ
ーナ７も同様に熱処理されて表面全体に酸化スケール２
、化合物層３及び熱影響層４からなる酸化表面処理層が
形成される。この表面はチッ化処理したときと比べて遥
かに平滑な面となっている。しかも高い表面硬さを有し
て耐摩耗性がよい。したがってバルブスプリング８の端
部との接触部分は相手攻撃性に乏しい。ゆえにバルブス
プリング８の端部は通常の加工方法によって多少のエッ
チ部分が形成されているようなものであっても十分な耐
久性を保つことができる。

第６図はコンロッド１１を示す。このコンロッド１１も
全体を熱処理加工されて酸化スケール２、化合物層３及
び熱影響層４からなる酸化表面処理層を有する。そこで
小端部１２のピストンピン１３結合部には、ピストンピ
ン１３との接触部分にこの表面処理層があるため、従来
必要であった銅ブツシュが不要となる。そのため銅ブツ
シュの嵌合工程及びそのための前処理工程が不要となる
。また大端部１４においても、クランクシャフト１５と
の接触部が酸化表面処理層となるので、モリブデン溶射
などの表面処理が不要であり表面処理の工程数が著しく
削減される。なおコンロッド１１に対する熱処理は本実
施例のようにその全表面に対して施すこともできるが、
一部をマスクして酸素と非接触状態で熱処理することに
より部分的に行うこともできる。なお部分的な酸化表面
処理層の形成は他の製品についても必要により適宜可能
である。

叙上の通り本実施例においては酸化スケールの表面硬さ
をそのまま利用するので、これを除去する作業が不要で
ありかつ材料の無駄も減少する。

しかも製品の小型化並びに軽量化が達成でき、動弁系の
部品など慣性重量の大きくなる部分に使用した場合には
性能向上に極めて有利である。そのうえ大気炉を用いて
製造すれば、安価簡便な熱処理が可能となり一層有利で
ある。

なお本発明は上記の製品に限定されず、種々な製品に対
して適用可能であり、例えばエンジン部品に限ってみて
もクランクシャフトやロッカーアームなど多数のものが
ある。

［発明の効果］ 本発明に係るチタン製品の表面処理は、製品の仕上げ加
工面に対する酸化スケールの形成による。したがってモ
リブデン溶射やチッ化処理など従来の表面処理を不要と
するので、これらの表面処理に必要となる各種の前処理
及び仕上げ加工や歪除去等の後処理が不要となり、作業
性が著しく向上する。そのうえ酸化スケールを強度部分
である母材の表面自体に形成するので、酸化スケールも
製品の強度部分として関与でき、その分だけ製品の外形
を小型化できかつ軽量化できる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図・第１Ｂ図・第１ｃ図はそれぞれ従来例を示し
、第２Ａ図及び第２Ｂ図乃至第６図は本発明の実施例に
係る製品例を示す。第１Ａ図・第１Ｂ図は断面図、第１
Ｃ図は平面図、第２Ａ図・第２Ｂ図は熱処理工程の前後
における要部の部分断面図、第３図は実施例に係る製品
の使用状態を示す断面図、第４図及び第５図は断面図、
第６図は一部切欠いて示す平面図である。 （符号の説明） １・・・母材層、２・・・酸化スケール、３・・・化合
物層、４・・・熱影響層、５・・・バルブ、７・・・バ
ルブリテーナ、１１・・・コンロッド。 特　許　出　願　人　　本田技研工業株式会社代理人　
弁理士　小　松　清　光 第１Ａ図 第３図 第４図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. チタン系金属を所定形状に成形し、その表面を仕上げ加
   工する工程と、仕上げ加工された製品を酸素を有する炉
   中に入れ、８００℃以下の温度で数分乃至数時間熱処理
   し、製品の表面に所定の酸化スケールを形成させる工程
   とからなることを特徴とするチタン系製品の表面処理方
   法。