JP3859504B2 - アルミ化チタン金属材料の強化処理方法及び同方法を適用される金属材料 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は金属間アルミ化チタンのような被加工金属材料の強化処理方法及び同方法を適用されるアルミ化チタン金属材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
被加工金属材料の従来の強化処理技術ないし改造技術は、必ずしも所望の成果をもたらさないものであつた。例えば、アルミ化チタン（Titanaluminide）またはマグネシウムのグループの特殊な被加工金属材料は、従来応用されてきた、例えば鍛造または押出成形などの処理技術や改造技術によると、未だに被加工材料の組織の化学的構造的な不均一性が著しく、所定の技術的応用のためには許容できない。公知の処理技術や改造技術にはまず第１に比較的低い改造度しか達成されない欠点がある。このことは、被加工金属材料が例えば航空機の噴射推進装置のタービン羽根や自動車の駆動ユニツトの連接棒などの熱的かつ機械的に高負荷をかけられる部分に使用されるべき場合には容認できない。
【０００３】
金属間アルミ化チタンのような被加工金属材料は、極めて脆いので改造しにくい。今までこの種の被加工金属材料は専ら溶融金属組織（sch-melzmetalogisch ）法によつてのみ製造されていた。この強化処理方法では主として真空・アーク溶融、プラズマ溶融、誘導溶融が適用された。溶融材料は大抵２回から３回溶融されるにも拘らず、鋳造体には大きな品質欠如が現れる。つまり、鋳造体が結晶の特に著しい優先方位（Vorzugsorientierung 選択方位）を有する粗大粒組織のために、空隙の急激な増加（組成中の局所的変化）となつて現れる。この種の欠陥は例えばアルミ化チタンの一次鋳造の際のみではなく、他の多くの被加工金属材料にも生じるので、既述のように被加工金属材料の鋳物から直接加工部品を製造するのには適していない。したがつて、一次鋳物として存在する被加工金属材料は組織的及び化学的に強化する必要がある。このため、高温改造を鍛造または押出成形により規則的に応用し、例えば金属合金が必要ならば特に被加工材料の組織の明瞭な改良と、被加工材料の組成中の局所的変化の均衡が目標となる。
【０００４】
今までは、被加工材料の鋳物の組織は被加工材料中に注入された機械的エネルギによる高温改造の過程中に開始された再結晶工程と相変化工程（相転移に同じ）を通じて強化された。したがつて、改造後の組織の微細さと均一性は、改造温度と改造速度の他に、被加工材料の改造の際に達成された塑性変形の度合（改造度）にかかつている。圧縮による従来の一段階の鍛造の際の改造度は、ほぼ９０〜９５％の高度還元に限定される。この程度の改造度では鍛造体の周縁部に強い２次引張応力が生じ、これがしばしば亀裂の発生につながる。特に、アルミ化チタンのような脆い被加工材料にとつては問題であり、改造度は事実上僅かである。より高度な改造度を得るには多段階の鍛造が必要であり、これは極めて不経済で、完成部品の目標とする全ての形態形成に応用できるものではない。
【０００５】
特に、温度１０００℃以上で鍛造するためには、鍛造用打ち型材料を全く使用できないことも不利である。従来から温度１０００℃での鍛造用打ち型材料に使用されているモリブデン合金は、保護ガス下でしか操作できず、鍛造の実用的な実施を困難かつ高価になものにする。
【０００６】
今まで応用されてきた押出成形は、明らかに鍛造よりも高い改造度が得られる。また、流体静力学的応力を重ねることにより、脆い被加工材料も比較的良く改造することができる。押出成形を実際に適用する時、所望の型本体の幾何学的形状により、改造度は約１０：１の割合の縮小横断面に制限される。押出成形の不利な点は、鍛造よりも高い温度を必要とすることである。したがつて、アルミ化チタンのように酸化と腐食に極めて弱い被加工材料では、押出成形するためにはカプセルで包む必要があり、加工費用がかなり高価になる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は従来の強化処理方法よりも改良された、金属間アルミ化チタンのような非常に脆く極めて改造しにくい被加工金属材料にも適用できる、アルミ化チタン金属材料の強化処理方法と同方法を適用したアルミ化チタン金属材料を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の方法はアルミ化チタン金属材料の組織の強化処理方法において、ａ）チタンと、アルミニウムと、ニオブ，クロム，マンガン，ケイ素の内の少なくとも１つと、ホウ素とからなるアルミ化チタン金属材料の素材を鋳造する工程と、ｂ）前記素材を電気誘導により温度１０００〜１１００℃に加熱する工程と、ｃ）前記素材に捩れと圧縮を同時に加える造形工程とを具備することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明によるアルミ化チタン金属材料は上記強化処理方法により処理され、特にアルミ化チタン（Titanaluminid）の組成がＴｉ−４７Ａｌ−３．７（Ｎｂ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｓｉ）−０．５Ｂからなることを特徴とする。ここで、数値は原子％を、括弧内は括弧内の元素の少くとも１つを意味する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明による強化処理方法が適用される金属素材は、今まで押出成形または鍛造のために一次処理されたように、何重もの溶融により処理されるものを意味する。
【００１１】
上述の意味での金属素材は科学的目的でいうと適当な試料であるが、例えば噴射推進装置のタービン羽根や自動車の駆動ユニツトの連接棒のような半製品ないし最終製品の製造に役立つものである。本発明の解決策を応用して被加工金属材料から金属素材が製造可能である。金属素材の目標とすることは、被加工金属材料の組織強化を明確に改善可能とすることにある。即ち、脆くて改造困難ないし変態困難な被加工金属材料に本発明の強化処理方法を適用して、所要の組織が達成可能であり、この成果は本発明の強化処理方法に課された期待さえをも凌駕した。即ち、本発明の強化処理方法による組織の構造的及び化学的強化は、公知の鍛造による強化処理方法及び押出成形による強化処理方法により達成可能な組織の状況（Konstellationen ）と比較して断然改善された。本発明の別の利点は、金属素材が加熱される改造温度ないし変態温度が、従来公知の鍛造による強化処理方法及び押出成形による強化処理方法により達成される温度よりも一段と低くてよいことである。
【００１２】
本発明の方法によれば、捩れ加工を行う造形が金属素材に有利に施され、金属素材の伸長により引き起こされた塑性変形が得られる。この時、捩れ角度は幾何学的制限を受けずに、金属素材の幾重もの捩れにより極めて強い塑性変形を起こすようにしなければならない。金属素材の実効長が小さい場合でも、捩れにより高い改造度が達成される。即ち、改造困難な被加工材料に本発明による強化処理方法を適用しても被加工材料の改造度は極めて高い。捩れにより極めて強い機械的エネルギが被加工材料に導入され、このエネルギにより被加工材料の組織の一様でダイナミツクな再結晶化が始まる。
【００１３】
被加工金属材料の組織の強化を向上させるために、造形は金属素材の圧縮の形で実施される。この時、金属素材に実質上同時に捩れと圧縮を行うと、つまり二種の造形が重なると、造形の態様は被加工金属材料が変形する時、捩れにより生じることがある剪断亀裂が極めて速い段階で再び封じられ、その結果、剪断亀裂はマクロな亀裂には拡大せず、捩れと圧縮の重なりにより被加工材料の均質な変形が行われる。何故なら、金属素材の幾何学的構造が適当ならば、両方の変形過程に伴う剪断過程が相互に強く作用し合うからである。
【００１４】
金属素材に一定の力を加えることにより圧縮が起こるのが好ましいが、金属素材に一定の変形速度で圧縮を起こすものでもよい。
【００１５】
本発明の強化処理方法を実施するに際し、金属素材の加熱は原則的に任意の仕方で行うことができる。金属素材を加熱する場合に、造形が行われる時に金属素材を総体的に加熱するか、改造温度ないし変態温度を保つように制御するのが好ましく、この場合は金属素材は総体的に造形される。即ち、金属素材は捩じられるか圧縮される。
【００１６】
しかし、金属素材のある選定部分だけを加熱して、選定部分の造形を行うこと、即ち最も広義には、金属素材の造形に際して、金属素材との相対的位置に配設した加熱装置からの熱供給に応じて段階的に行うことも可能である。
【００１７】
金属素材の加熱には、金属素材の周囲にあつて金属素材に沿つて摺動可能な電気コイルを使用して金属素材の選定範囲を加熱することもできる。
【００１８】
最も有利な点は、金属素材の変形を１０００℃の範囲の温度で行うことであるが、特殊な被加工金属材料の場合には、金属素材の改造温度を１０００℃よりも高くするか、低くすることもできる。
【００１９】
１０００℃以上の極度に高い改造温度にする必要がある場合には、本発明の強化処理方法は少くとも部分的に保護ガス下で行うのが好ましい。
【００２０】
本発明による強化処理方法により処理された金属素材は、アルミ化チタンからなり、特にTi-47Al-3.7（Nb，Cr，Mn，Si）-0.5Bの組成が好ましい。
【００２１】
【実施例】
本発明の一実施例を示した模式図に基づいてさらに詳細に説明する。
【００２２】
ここに記載した強化処理方法は研究室尺度で組成Ti-47Al-3.7(Nb,Cr,Mn,Si)-0.5B（数値は原子％）のTiAl合金について確認された。実験は空気中で実施された。実験のため、ねじ付き頭部(clamping head for accommodation heads with threads)を備えた試料を、圧縮機[testing machine]に組み込んだ。試料捕捉枠は試料を捩じるために相対向して捩ることができる（図１）。試料を電気誘導コイルにより、１０００〜１１００℃の温度に加熱した。試料の温度は熱電対を用いて測定した。電気誘導コイルの幾何学的構造に基づいて試料の加熱部分は長さ約６ｍｍとした。この長さは評価するために効果的なものであることが分かった。試料が所望の温度になった後に、まず圧縮方向に一定の荷重１０〜５０ＭＰａをかけた。この時、鋳物組成は非常に粗いので、まだ変形は起こらなかった。次いで、試料を１分以内にψ＝７２０°（２回転）だけ捩った。実験に供した試料の構造では、ｒ＝４ｍｍ、試料の外皮でｌ＝６ｍｍ、γｔ＝約６００％、伸び率ｄγｔ／ｄｔ＝５×１０^-2／ｓという非常に高い変形度に相当し、したがって一方では捩れの最中に強力な再結晶が起こる。再結晶と並行する組織組成により材料の降伏応力は大幅に低下し、その結果、密着応力下では圧縮されても変形する。このようにして、捩れと圧縮の所望の組合せが達成され、生じた圧縮変形率は２０％という典型的な値になる。
【００２３】
図２は改造された試料のマクロ撮影写真である。改造法により達成された精製組織を、光学顕微鏡により撮影したものを図３〜５に示す。
【００２４】
図３〜５は試料の頭部の比較的粗い鋳物組織を示す。試料の頭部に変形は起きておらず、ダイナミツクな再結晶も生じてない。これに対して、圧縮と捩れにより変形した試料の中央部分には著しい組織精製が行われている（図４）。薄板状の群落の平均粒度は、試料の頭部で約ｄ＝８００μｍであるのに対して、試料の中央部の相当粒度は約ｄ＝５０μｍに減少した。捩れと圧縮により変形された試料部分には、改造度が大きいにも拘らずどこにも亀裂は生じなかつた。したがつて、試料の改造度はその後の組織精製を行うために、確実かつ明瞭に拡大することができる。
【００２５】
ここに記載した強化処理方法は容易に技術的標準に拡張することができる。何故なら、強化処理方法に必要な要素、例えば誘導加熱や改造機械は冶金工業の標準装備に属するからである。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の強化処理方法の特別の利点は、試料捕捉枠を加熱する必要がなく、したがつて、試料ないし材料の耐高熱性に対して何らの制限も受けず、実験の実施に際して改造される試料を、全長にわたつて均一に所望の変形温度に加熱することができる。
【００２７】
しかし、強化処理方法の実施には、試料の局部を誘導加熱により加熱することもできる。この加熱方法は、同一条件で局所的に極めて大きい改造度と改造速度とを実現することができ、多くの材料で均一な再結晶を得るのに有利である。
【００２８】
試料の総改造のためには、図１に示すように誘導コイルを試料の長手方向ないし軸方向に沿つて摺動させる必要がある。この改造は従来の鍛造法及び押出成形法と比較すると、温度１０００℃位の比較的低い改造温度で行うことができ、アルミ化チタンのような腐食し易い被加工材料の改造を極めて簡単に達成できる。しかし、この強化処理方法の利点は、改造過程が極度の高温の保護ガス下で比較的簡単な仕方で実現できる点にある。アルミ化チタンの場合は例えばしばしば１３５０℃以上の改造温度が必要であり、薄板状の組織形態を設定することができる。
【００２９】
本発明の方法の実施に当り、加熱方法の変更ににより高度の改造条件を変形態様及び再結晶挙動に設定することができる。その結果、アルミ化チタンのような比較的脆い被加工材料も十分に成形することができる。材料の変形に必要な回転トルクは、いずれの場合も比較的冷たい試料捕捉枠を介して導入できるので、試料捕捉枠を非常に高価な耐熱材料で製造する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の強化処理方法の可能な技術的解決策の原理により、金属素材に捩れと圧縮を組み合せる工程を示す正面図である。
【図２】本発明の強化処理方法により捩れと圧縮を組み合せて温度１０００℃で処理した組成がTi-47Al-3.7（Nb，Cr，Mn，Si）-0.5BのTiAl試料の概略構成図である。
【図３】捩れと圧縮を組み合せて得られた試料の頭部に再成形された精製組織を光学顕微鏡で見た時の模式図である。
【図４】同試料の中央部に再成形された組織の模式図である。
【図５】同試料の中央部に再成形された厚い精製組織を走査型電子顕微鏡で見た時の模式図である。
【符号の説明】
１０：金属素材 １１：ねじ本体 １２：ねじ本体 １３：造形装置 １４：捩れ １５：圧縮 １６：加熱装置（誘導コイル） １７：加熱装置の摺動方向 １８：加熱部分

Claims (6)

1. アルミ化チタン金属材料の組織の強化処理方法において、
   ａ）チタンと、アルミニウムと、ニオブ，クロム，マンガン，ケイ素の内の少なくとも１つと、ホウ素とからなるアルミ化チタン金属材料の素材を鋳造する工程と、
   ｂ）前記素材を電気誘導により温度１０００〜１１００℃に加熱する工程と、
   ｃ）前記素材に捩れと圧縮を同時に加える造形工程と
   を具備することを特徴とする、アルミ化チタン金属材料の強化処理方法。
2. 前記アルミ化チタン金属材料の素材の組成がＴｉ−４７Ａｌ−３．７（Ｎｂ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｓｉ）−０．５Ｂ（ここで、数値は原子％、括弧内は少くとも１つの元素を含む意味）である、請求項１に記載のアルミ化チタン金属材料の強化処理方法。
3. 前記素材の造形を一定の変形速度で捩れと圧力を加えて行う、請求項１，２のいずれかに記載のアルミ化チタン金属材料の強化処理方法。
4. 前記素材の造形を該素材を取り囲む電気誘導コイルにより加熱しながら、一定の変形速度で捩れと圧力を加えて行う、請求項１〜３のいずれかに記載のアルミ化チタン金属材料の強化処理方法。
5. 前記素材の造形を少くとも部分的に保護ガス雰囲気下で行う、請求項１〜４のいずれかに記載のアルミ化チタン金属材料の強化処理方法。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の強化処理方法により処理されたことを特徴とする、アルミ化チタン金属材料。

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