JP2775164B2 - チタンの鍛造成形品およびその製造方法 - Google Patents

チタンの鍛造成形品およびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は例えばエンジン部品などに使用されるチタン
の鍛造成形品およびその製造方法に関するものである。
〔従来の技術〕
チタン基合金は比強度の高い材料であるために、近年
エンジンのコンロッドやバルブなどの部品に使用される
ようになってきた。
ところで、このチタン基合金は950〜990℃においてβ
相の比率がα相に対して急激に増えるように変化する。
そして、一度β相となった組織が徐々に冷却されると粒
界に粗大なα相、すなわちGB−α相が析出し機械的性質
が低下することが知られている。
そこで、従来、鍛造工程中に加工による温度上昇があ
ってもβ相の比率が急激に増えないようにするために、
鍛造前の加熱工程や、鍛造工程における最高温度を、例
えばTi−6Al−4Vでは950℃程度としそれ以下の温度でチ
タン基合金素材を鍛造するようにしていた。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、このようなチタンの鍛造成形品の製造方法に
おいては、変形抵抗が大きく塑性加工性が悪いα相の比
率が大きいα+β域で鍛造を行っているために、鍛造金
型が著しく摩耗し金型の寿命を延長するのがきわめて困
難であった。また、所定の高強度を得るために鍛造後
に、溶体化処理が必要になり、熱処理工程が多くなると
共に歪が大きくなるという問題もあった。
そこで、これらの問題を解決すべく発明者はチタンの
金属組織と強度との関係、あるいは鍛造温度や鍛造後の
熱処理の金属組織に及ぼす影響などについて考察し、そ
れに基づいて繰返し実験を行った。その結果、チタン基
合金素材をβトランザス(以下β−Tという)を越える
までに加熱した後に鍛造を行うか、あるいは鍛造中に加
工熱でβ−Tを越える温度にし、かつ鍛造後にMs点以上
の温度から急冷するようにすると、変形抵抗が小さい状
態で鍛造が行えるにも関わらず、α+β域で鍛造を行っ
た場合と略同等の強度が得られることを見出した。ま
た、このように鍛造を行えば、鍛造後の溶体化処理を行
う必要がないことがわかった。
本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、溶体
化処理を不要として熱処理工程を簡素化し、鍛造金型の
寿命を長くすることができるチタン鍛造成形品およびそ
の製造方法を提供するものである。
〔課題を解決するための手段〕
本発明に係るチタンの鍛造成形品の製造方法は、加熱
工程あるいは鍛造工程の少なくとも一方の工程において
チタン基合金素材をβ−Tを越える温度にすると共に、
冷却工程においてチタン基合金素材をMs点以上の温度か
ら急冷するものである。また、チタンの鍛造成形品は鍛
流線を有すると共に、マルテンサイトの針状組織が析出
した金属組織を有したものである。
〔作用〕
本発明においては、チタン基合金素材をβ−T以上に
することにより、結晶構造が変化し鍛造時の変形抵抗が
小さくなる。また、鍛造中にβ−Tを通過するか、β−
T通過直後鍛造を行うため結晶粒界に粗大なα相が析出
するのが抑えられると共に、Ms以上からの急冷によりマ
ルテンサイトの針状組織が析出するために強度の低下が
抑えられる。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を図により詳細に説明する。
第1図は本発明に係るチタンの鍛造成形品の製造方法に
よるチタン基合金素材の温度変化を示すグラフであり、
横軸に時間Tをとり、縦軸に温度temをとってある。詮
ず、成形品に近い形状、例えばコンロッドの場合は棒状
のチタン基合金素材を用意し、加熱工程aにおいてチタ
ン基合金素材を加熱装置でβ−Tを越える温度に加熱し
チタン基合金素材を変形抵抗が小さいβ単相に結晶構造
を変化させる。実施例においては、チタン基合金素材と
してTi−6Al−4Vが用いられているため、990℃を越える
温度である約1200℃にまで加熱する。ここで、加熱時間
は結晶粒の成長およびスケールの生成を低減するため
に、可及的に短い方が好ましい。また、加熱温度も鍛造
時にチタン基合金素材を変形抵抗が小さい状態に保持で
きる範囲内で可及的に低い方が好ましい。
次の鍛造工程bにおいては、チタン基合金素材の温度
が1050℃で鍛造を開始する。すなわち、荒地型を用いて
荒地鍛造を行い、仕上型を用いて仕上鍛造を行う。チタ
ン基合金素材は型のキャビティの形状に沿って鍛流線を
形成するように塑性変形し成形品の形状、例えばコンロ
ッド形状に成形される。鍛造中にチタン基合金素材は温
度が低下し、β−Tを通過してα+β域に入るが、Ms点
(840〜885℃)よりは低くならないようにする。なお、
鍛造中にチタン基合金素材の全体がβ域からβ−Tを通
過することが望ましいが、必ずしも鍛造中にβ−Tを通
過させる必要はない。すなわち、鍛造開始時に表面温度
がβ−T以下、内部温度がβ−T以上であってもよく、
あるいは表面温度がβ−T以下、内部温度がβ−T以下
であってもよい。これは、β−T通過直後であれば、変
形抵抗もさほど大きくならず、仮に、析出したGB−α相
があったとしても鍛造を開始することでその粗大化成長
が抑えられるからである。
そして、鍛造後、冷却工程cで、前記Ms点以上の温度
である910℃から水あるいは油を溜めた冷却槽中に漬け
て急冷する。
なお、時効処理は鍛造成形品を加熱炉内に保持して行
う。例えば530℃の炉内に4時間保持した後に空冷す
る、あるいは680℃の炉内に1時間保持した後に空冷す
る。鍛造成形品の形状を修正するホットコイニングは、
前記時効処理の処理温度よりも低い温度で行う。
このようなチタンの鍛造成形品の製造方法によれば、
チタン基合金素材をβ−Tを越える温度に加熱したの
で、チタン基合金素材を変形抵抗が小さい状態で鍛造を
行うことができ、荒地型、仕上型に大きな力が作用する
のを防止することができる。そのため、これら鍛造金型
が摩耗するのを軽減し、寿命を延長化することができ
る。また、鍛造後のチタン基合金素材をMs点以上からの
急冷したので、ミクロ組織において結晶粒界に粗大なα
相、すなわちGB−α相が析出するのを抑えることができ
ると共に、マルテンサイトの針状組織を析出させること
ができる。しかも、マクロ組織においては、鍛造時にチ
タン基合金素材がキャビティ形状に塑性変形する際に形
成される鍛流線はそのまま残しておくことができる。
第2図は本発明に係るチタンの鍛造成形品の一実施例
であるコンロッドを示す斜視図、第3図は第2図のIII
−III線断面図である。コンロッド1は第3図に中央部
横断面図を示すようにマクロ組織においては、外周面に
沿って鍛流線が存在している。
第4図は同じく本発明に係るチタンの鍛造成形品とし
てのコンロッド1の金属組織を示す写真である。
(a),(b)は第3図においてAで示すコンロッドの
表面部の金属組織を示し、(a)は100倍に拡大し、
(b)は400倍に拡大したものである。(c),(d)
は第3図においてBで示す芯部をそれぞれ100倍,400倍
に拡大したものである。これらのミクロ組織を示す写真
において押潰された多角形の輪郭のように見える部分が
結晶粒界であり、この結晶粒界付近に白く見える部分が
GB−α相である。このGB−α相は(d)において顕著に
現れており、(d)の写真の略中央部を左右方向に横断
している。結晶粒界内にねずみ色あるいは黒く見える部
分がマルテンサイトであり、黒く細い筋が多数平行に並
んでいる部分、あるいは筋が交差して網目状に並んでい
る部分がマルテンサイトの針状組織である。なお、
(a)において結晶粒が縦に長くなるように押潰されて
おり、このような結晶粒の変形が鍛流線の発生に影響を
与えていると考えられる。
第5図は従来の製造方法によって製造したコンロッド
の第4図に相当した金属組織を示す写真である。従来の
コンロッドの金属組織においては、(a)〜(d)の何
れ写真においても粒状のα組織が析出している。
第6図は本発明に係るチタンの鍛造成形品としてのコ
ンロッドの疲れ試験よる実験値と従来のコンロッドの疲
れ試験による実験値と比較して示すグラフであり、横軸
に破断するまでの応力繰返し回数Nをとり、縦軸に応力
S(MPa)をとってある。グラフにおいて黒色で示す実
験値はβ域まで加熱した本発明のコンロッドで得られる
実験値を示し、白抜きで示す実験値はα+β域で鍛造し
た従来のコンロッドで得られる実験値を示す。また、三
角形は圧延方向(RD)に荷重を加えた場合を示し、正方
形は圧延と直交する方向(TD)に荷重を加えた場合の実
験結果を示す。なお、実験は空気中(AIR)において行
われ、応力比R(σmin/σmax)は−1とされている。
この第6図によれば、黒色の実験値と白抜きの実験値
がそれぞれ曲線Cに沿って点在しており、本発明のコン
ロッドが、従来のコンロッドと略同程度の疲れ強度を有
していることがわかる。これは、結晶粒が粗大化するこ
とおよび結晶粒界に粗大なGB−α相が析出するのが抑え
られると共に、マルテンサイトの針状組織が析出するこ
となどによって、強度が低下するのが抑えられるためと
考えられる。また、長手方向に延びた鍛流線が存在する
ため、長手方向に引張応力や圧縮応力を受けるコンロッ
ドの機能に有利に働くと考えられる。
なお、上記実施例においては、チタン基合金素材を加
熱工程においてβ−Tを越える温度にまで加熱した例に
ついて説明したが本発明はこれに限定されるものではな
く、加熱温度をβ−Tよりも低くし、鍛造工程中の加工
による昇温よってチタン基合金素材をβ−Tを越える温
度にするようにしてもよく、同等な作用効果を得ること
ができる。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、加熱工程あるい
は鍛造工程の少なくとも一方の工程においてチタン基合
金素材をβ−Tを越える温度にすると共に、冷却工程に
おいてチタン基合金素材をMs点以上の温度から急冷する
から、鍛造時の変形抵抗を小さくし、かつ鍛流線および
マルテンサイトの針状組織が析出した金属組織を有し従
来のものと略同等な強度を有するチタンの鍛造成形品を
製造することができる。
したがって、鍛造金型の摩耗を軽減して寿命を延長す
ることができると共に、鍛造金型の一つの金型当たりの
塑性変形量を多くし鍛造金型の種類を少なくすることも
できる。また、鍛造成形品の鍛造後に従来行われていた
溶体化処理工程を不要にすることができるから、熱処理
工程を簡素化することができるだけでなく、溶体化処理
によって生じていた歪をなくして、鍛造成形品に生じる
歪を小さく抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係るチタンの鍛造成形品の製造方法に
よるチタン基合金素材の温度変化を示すグラフ、第2図
は本発明に係るコンロッドを示す斜視図、第3図は第2
図のIII−III線断面図、第4図は同じくコンロッドの金
属組織を示す写真、第5図は従来の製造方法によって製
造したコンロッドの第4図に相当した金属組織を示す写
真、第6図は本発明に係る鍛造成形品としてのコンロッ
ドの疲れ試験よる実験値と従来のコンロッドの疲れ試験
による実験値とを比較して示すグラフである。 1……コンロッド、a……加熱工程、b……鍛造工程、
c……冷却工程。
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI C22F 1/00 682 C22F 1/00 682 683 683 684 684A 691 691B 692 692A 692B 694 694B (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C22F 1/00,1/18 B21J 5/00 B21K 1/14

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】チタン基合金素材を加熱する加熱工程と、
    加熱されたチタン基合金素材を鍛造成形する鍛造工程
    と、成形されたチタン基合金素材を冷却する冷却工程と
    からなり、前記加熱工程あるいは鍛造工程の少なくとも
    一方の工程においてチタン基合金素材をβトランザスを
    越える温度にすると共に、冷却工程においてチタン基合
    金素材をMs点以上の温度から急冷することを特徴とする
    チタンの鍛造成形品の製造方法。
  2. 【請求項2】鍛流線を有すると共に、マルテンサイトの
    針状組織が析出した金属組織を有することを特徴とする
    チタンの鍛造成形品。
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JP2983598B2 (ja) 1989-10-23 1999-11-29 キャメロン フォージッド プロダクツ カンパニー 微細結晶粒チタン鍛造品及びその製造方法
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