JPS6256561A - ＴｉまたはＴｉ合金の表面硬化方法 - 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】 Ｌｌ−匹五ユＡ１ 本発明は、ＴｉまたはＴｉ金合金形成された部材の表面
硬化方法に係り、特に該金属材の長面層を溶融接、急冷
凝固させて、表面層の硬化を行う方法に関するものであ
る。

゛よ　　の。

Ｔ部材またはＴｉ合金材の表面層を硬化させる方法とし
ては、窒化処理法、酸化処理法、メッキ処理法、物理蒸
着法（ｐｖｏ）　、化学蒸着法（ＣＶＤ）が知られてい
る。

しかしながら、いずれの方法も、下記の理由で採用し難
い。

■窒化または酸化処理法では、窒化または酸化雰囲気中
で、材料を温度約６００°以上に加熱しＣ１表面層に窒
化物または酸化物を生成さ１ｔ、最表面を著しく硬化さ
せ得るが、窒素または酸枠；含右吊の低−トにどもなっ
て、硬度および強度が急激に低下しく第１図、第２図参
照）、シかｔ）高温加熱による部材の変形が生ずる不具
合がある。

■メッキ処理法においては、表面活性剤によるＴｉまた
はＴｉ合金材表面の活性化処理が難しく、メッキ膜の剥
離強度を安定化させ難いという不具合がある。

■物理蒸着法（ＰＶＤ）は、加熱蒸発させた金属を被処
理材上に析出させるか、あるいは金属蒸気に酸素、窒桑
、炭化水素等の気体を送って、金属の酸化物、窒化物、
炭化物等の化合物を被処理材上に析出させる方法であり
、化学蒸着法（ＣＶＤ）は、主として金属のハロゲン化
物を加熱分解し、目的の金属あるいは化合物を被処理材
上に析出させる方法であって、いずれの方法も、構造用
部材としてのＴｆまたは１１合金材の処理を行うには、
経費高である。

Ｕ　　　　゛するた　の　　゛　び 本発明の目的は、ＴｉまたはＴｉ合金の表面を、廉価な
方法で、簡易、かつ確実に硬化させる点にある。

ギー照射で溶解（例、プラズマアーク溶解）し、溶融池
中に硬質材粉末を噴射、混入さけ、次いでのエネルギー
照射で溶解し、組織内に固溶して組織を強化する合金元
素の粉末、またはＣ（炭素）粉末を、溶融池中に噴射、
混入させ、次いで凝固ネルギー照射で溶解し、溶融池に
対して窒素ガスまたは酸素ガスを噴射せしめ、次いで凝
固さゼることによって達成される。

Ｔｉは、純金属でも成る程度の強さを有するが、不純物
の含有により急激に強く、かつ脆くなる（第１図、第２
図参照）。工業用チタン（９９，２重量％Ｔｉ）の引張
り強さは、４０へ一６５Ｋｇ／ｍ２、耐力３５〜５０Ｋ
ｇ／ａ１２、伸び３０〜１５％であって、強さは軟鋼、
高張力鋼、あるいはステンレス鋼級である。

また、Ｔｉには、二つの結晶形があり、常温では、稠密
六方格子（α）であって、８８２℃以上では体心立方格
子（β）である。Ｔｉの強さを高めるためには、種々の
合金元素を加える必要があり一般に合金元素を加えた場
合には、それがα、βいずれに多く固溶するかによって
、Ａ、Ｂ、Ｃ（第３図ないし第５図参照）の二型式に区
別される。

Ａ型は、α安定系と称され、包析型であって、β相より
もα相中に多く固溶する元素（へカ、Ｓｎ　。

Ｃ，Ｎ、　０）によって現れ、β相温度域から急冷して
も、完全にα相に変態するため、焼入硬化は生じない。

Ｂ型は、共析系と称され、α相よりもβ相中に多く固溶
する元素（ＳＬ、Ｃｒ、也）Ｉｎ、Ｆｅ、　ＮＬ、Ｃｏ
）によって現れ、室温でα、β両相の共存するα−β組
織を有しており、変態温度以上から焼入れすると、β→
α変態が遅れて室温で硬く、かつ脆くなる。

Ｃ型は、β安定系と称され、Ｔｉのβど同型の結晶形の
元素（Ｎｏ、　Ｎｂ、　Ｔａ、　Ｖ）によって現れ、該
元素はβ相と全域にねｌこって固溶し合うが、α相に対
しては限界があって、成るｍ以上該元素渚が増加すると
、変態点が降下して室温に至り、α相は存在しなくなる
。

以上、Ａ、Ｂ、Ｃ型のうち、β相安定化型であるＢ、Ｃ
型では、β相を低温に急冷復、時効処理すれば、靭性、
強さを向上ざゼることが可能である。

一方、鋼の表面硬化処理法として、部材の表面層を溶融
後、凝固させ、急冷によるチル層（ｃｈｉｌｌｅｄ　１
ａｙｅｒ　）を得る手法が知られており、この手法をＴ
ｉまたはＴｉ合金に適用することが考えられるが、前記
の理由から、ＴｉおよびＡ型合金の強化を計り難く、ま
た、Ｂ、Ｃ型合金につき、表面層を溶融した後の急冷を
行ったとしても、その硬化程度は十分ではない。

そこで、本発明では、■Ｔ＝またはＴ＝合金製部材表面
層を溶融させると同時に、溶融池中にＴｉＣ，ＴｉＮ、
ＷＣ等の硬質材粉末を混入させて粉末分散強化層を得る
方法、■ＴｉまたはＴ光合金製部材表面層を溶融させる
と同時に、溶融池中に硬化性金属元素（組織内に固溶し
て組織を強化する合金元素。例、Ｆｃ、ＳＬ、Ｈｏ、Ｃ
ｒ等。第１図参照）の粉末を混入させて、強化層を得る
方法、■Ｔ尤またはＴｉ合金製部材表面層を溶融させる
と同時に、溶融池中にＣ（炭素〉粉末を混入させ、第１
図図示の硬化を利用する方法、■ＴｉまたはＴ１合金製
部材表面層を溶融させると同時に溶融池中に窒素または
Ｍｉを含有せしめ、第１図図示の効果を利用する方法、
を採用することとした。

なお、前記■、■、■の方法については、元素添加量と
Ｍ得される硬度の間に、 ＨＢ（ブリネル硬度）＝１９６酊→１５８、眉ｘ＋４Ｅ
＋２ｏ１ｉ＋　５７　（いずれも看債％）なる関係が成
り立つことが知られている（第１図参照〉。

本発明方法は、プラズマアーク・トーチを用いて、これ
を実施することができ、Ｔ、ＬおよびＴ、−合金の熱伝
導率が低いために、表面層のみを溶融させることが可能
である。しかも、プラズマアーク・トーチを用いた場合
、不活性シールドガスによってＴｉと反応する空気を遮
断することができ、あるいはＪ：た不活性シールドガス
中に適宜窒素または酸素を氾合（〕−ＵＴ尤と反応させ
ることが可能である。

具体的には、例−えば、第６図図示の如く、Ｔｉまたは
Ｔ光合金製部材１０の表面を、プラズマ用ガスおよびシ
ールド用ガスとしてアルゴンガスを用いたプラズマアー
ク・トーチ１４で溶融させ、その溶融池１２に、Ｔ尤Ｃ
，ＴｉＮ’、ＷＣ等の硬質材粉末、あるいは前記硬化性
金属元素の粉末を、アルゴンガスを搬送ガスとして、粉
末供給ノズル１６から噴射せしめるのである。

本発明方法においては、溶融池に対する添加元素の種類
、澄を選択し表面硬化層の硬度を変化させ、かつ高雷度
エネルギー源からのエネルギー照射量を選択することに
よって、表面硬化層の深さと硬度を変化させることがで
きる。そして、本発明方法を連用し得るＴ尤または１尤
合金製部材の例として、内燃機関の連接棒、弁〈バルブ
・フェイスおよびバルブ・ステム・エンドの強化）、ロ
ッカ・アーム（受圧面部の強化）、カム（受任面表　　
１ 部の強化）等を挙げることができる。

友Ｊｕｔ 第７図、第８図に示す形状、寸法のＴｉ合金（Ａρ−６
重量％、Ｖ−４重量％、残部−Ｔ尤）製リング２０を用
意し、第６図図示の手法で、表１に示す条件に従って、
該リング２ｏの外周面を溶融硬化処理を行った。試験片
■と■では、く（Ｐを中心とする回転速度が異なり、前
者のそれが２．７ｍ／秒であるのに対し、後者のそれが
２．０ｍ／秒であって、熱投入団および粉末添加ｍにつ
いては、試験バエ〈試験片■なる関係がある。

表面硬化処理後における試験片Ｔ、ＴＩの硬度（ＨＨＶ
　３００ｇ）を、硬化処理表面からの深さに対応させて
、第９図、第１０図に示した。図中、Ｘは、硬化層であ
って、α品が大ぎく、Ｃｒが７１へリツクス中に均一に
分散し、Ｃ（１ｍ素）が組織内に点状に存在した組織で
あり、Ｙは、変態点以−Ｆに加熱された熱影響部であっ
て、α針状組織になっており、Ｚは、同等熱影響を受け
ない素材組織″ｃあって、微ｍなα＋β絹械である。

〈評価〉 硬化層の硬度」二昇率は、外表面において、試験片１の
それが約３０％であるのに対し、試験片■のぞれが約８
０％であって、熱投入団および粉末添加量を増すことに
よって大きな硬度」二昇が得られることが判る。

ル且豊旦浬 以上の説明から明らかな様に、ＴｉまｌζはＴｉ硬質材
粉末、組織内に固溶して組織を強化する合金元素の粉末
、Ｃ（炭素）粉末のいずれかを噴射、混入させ、あるい
は溶融池に対して窒素ガスまたは酸素ガスを時用させた
復、該溶融池を凝固させる本発明方法によれば、Ｔｉま
たはＴｉ合金製部材の表面層を簡易、かつ確実に硬化さ
せ得るとともに、その処理経費が低廉であって、Ｍ摩耗
性、耐焼付性を要求される部品用材料として、杼道で耐
熱性の優れたＴ尤材を効果的に使用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はＴｉの硬さににおよぼす添加元素の影響を示す
グラフ、第２図ｊ、ｔ　Ｔ　Ｌの耐力と延性におよぼす
窒素、酸素、炭素の影響を示すグラフ、第３図ないし第
５図は添加元素によって相違するＴ尤合金の三種類の平
衡状態図、第６図は本発明方法を実施するための一員体
例を示ず図、第７図、第８図はそれぞれ硬化確認用試験
片の正面図、側面図、第９図は試験片１の硬化表面から
の深さと硬度の関係を示すグラフ、第１０図は試験片■
についての同様なグラーフである。 １０・・・Ｔ２合金製部材、１２・・・溶融池、１６・
・・粉末供給ノズル、２０・・・リング。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＴｉまたはＴｉ合金で形成された部材の表面層を
   高密度エネルギー源からのエネルギー照射で溶解し、溶
   融池中に硬質材粉末を噴射、混入させ、次いで凝固させ
   ることを特徴とするＴｉまたはＴｉ合金の表面硬化方法
   。
2. （２）ＴｉまたはＴｉ合金で形成された部材の表面層を
   高密度エネルギー源からのエネルギー照射で溶解し、組
   織内に固溶して組織を強化する合金元素の粉末、または
   Ｃ（炭素）粉末を、溶融池中に噴射、混入させ、次いで
   凝固させることを特徴とするＴｉまたはＴｉ合金の表面
   硬化方法。
3. （３）ＴｉまたはＴｉ合金で形成された部材の表面層を
   高密度エネルギー源からのエネルギー照射で溶解し、溶
   融池に対して窒素ガスまたは酸素ガスを噴射せしめ、次
   いで凝固させることを特徴とするＴｉまたはＴｉ合金の
   表面硬化方法。