JPH03236403A - ＴｉＡｌ基合金製機械部品の製造方法 - 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） 本発明は、軽量で且つ高温強度に優れたＴｉＡ　Ｉｔ基
合金の熱間延性を改善し、ＴｉＡ　ｊ！基合金製機械部
品、例えば自動車、航空機等のエンジン部材を製造する
方法に関する。

（従来の技術） 高温環境で使用される機械部品、例えば、自動車、航空
機等のエンジンパルプの材料には、現在のところ５ＵＩ
Ｉ　ＩＬ　５ＬＩＩ＋　３６等の耐熱鋼が使われている
。このパルプを軽量化することで、エンジンの高性能化
、即ち、高出力、高回転および低燃費化を図ることがで
きるが、エンジンパルプに用いられる耐熱鋼には、単な
る強度だけでなく高温（例えば８００’Ｃ）での高い比
強度（強度／密度）が必須である。

このようなことから、近年、下記■〜■に示すような特
性を有する金属間化合物ＴｉＡ１基合金が、上記のよう
な機械部品の材料として注目されている。

■軽い（比重：　３．８）。■高温における耐酸化性が
良好である。■高温クリープ特性に優れる。■高温強度
および比強度がｓｕｎ　Ｉｆ　５Ｕ）Ｉ　３６等の耐熱
鋼よりも高い。

このＴｉＡ　１基合金は、Ｌｌ。型の結晶構造をもち、
ＴｉとＡｌの２元系においては、化学量論組成（Ｔｉ−
３６重量％Ａｊ２）からＡｌ側に広い固溶範囲を形成す
るとともに、第３元素もある程度固溶することができる
。ところがＴｉＡ　ｌ基合金はＮｉ１合金、耐熱鋼、Ｔ
ｉ基合金等に比べて常温延性が著しく低く、さらに熱間
延性にも乏しいことから、高歪速度の熱間圧延で加工す
ることができない、従って、例えばＴｉＡ　Ｉ　Ｗ合金
製エンジンパルプを製造しようとすれば、ＴｉＡ１基合
金のインゴットを溶製し、これを切削加工する方法で製
造するしかなく、これでは製造歩留りは著しく低くなり
、しかもコスト高となる。さらには、溶製材は結晶粒が
粗大（数百μ以上）であるため、製品は常温延性に乏し
いものとなり、到底実用に供することができない。

（発明が解決しようとする課題） ＴｉＡ　ｊ！　Ｘ合金製エンジンバルブの実用化を図る
ためには、前記するような欠点を解消する必要がある。

常温延性の改善に関しては、第３元素を添加する方法が
幾つか提案されている０例えば、特開昭６１−４１７４
０号公報には第３元素としてＭｎを添加したＴｉ　−（
３０〜３６）重量％Ａ４−（０，１〜５．０）重量％Ｍ
ｎ合金が、特開昭６３−１２５６３４号公報には第３元
素としてＢを添加したＴｉ　−（３２〜３８）重量％Ａ
ｌ（０，０５〜０．２０）重置％Ｂ合金、がそれぞれ示
されており、これらでは鋳造のままでも常温延性はある
程度改善されている。一方、ＴｉＡｌ基合金製の機械部
品を製造するための加工方法に関しては、特開昭６３−
１７１８６２号公報に中間焼鈍を含む２段階恒温鍛造法
が示されており、この方法でも常温延性および高温強度
が改善されている。しかし、この技術は２段階恒温鍛造
という加工時間および金型費等がかかる加工法であり、
ＴｉＡ１！、基合金製機械部品の安定量産化という観点
からは問題がある。

本発明の課題は、ＴｒＡｌ基合金の優れた特性を撰なう
ことなく、この合金の室温延性および高温延性を改善し
て品質に優れたＴｉＡｊ２基合金製機械部品を製造する
ことができる方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 前述したようにＴｉＡｌ基合金は、熱間においても塑性
加工性が悪く、通常の高歪速度の熱間圧延或いは熱間鍛
造等の熱間加工では割れが発生する。

そこで、本発明者らは低コストでニアネットシエイプ（
最終製品に近い形状）の焼結体を作ることのできる粉末
冶金法を利用してＴｉＡ　Ｉ！、基台金製機械部品を製
造することを考え、それについて詳細に検討を行った結
果、下記の知見を得た。即ち、（ａ）　　ＴｒＡｌ基合
金の粉末を用い、これを熱間静水圧法で加圧焼結すると
、その焼結体は偏析のない微！ＩＩ組織となり、常ｌ息
延性、熱間延性および強度に優れる。

（ロ）焼結体の組織が微細で熱間延性がよいので、高歪
速度の熱間加工も可能となり、組織がより微細化される
ため、常温延性はさらに向上する。

（Ｃ）　　粉末を熱間静水圧加圧焼結する前に、これに
冷間加工を施すと、冷間加工しない場合に比べ、焼結体
の＆［ｌ織は一段と微細となる。

（ｄｌ　　適量のＭｏ又はＢの１種又は２種を含むＴｉ
Ａ　１基合金の粉末を使用すれば、常雇延性および熱間
加工性はさらに向上する。

上記知見に基づく本発明は、下記の（１）〜（６）を要
旨とする。

（１）金属間化合物ＴｉＡｌ基合金の粉末を熱間静水圧
法で加圧焼結し、その焼結体に熱間加工を施すことを特
徴とするＴｉＡｌ基合金製機械部品の製造方法。

（２）上記（１）記載の熱間加工後に拡散熱処理を行う
ことを特徴とするＴｉＡｌ基合金製機緘部品の製造方法
。

（３）金属間化合物ＴｉＡ　１基合金の粉末に冷間加工
を施し、そのわ〕末を熱間静水圧法で加圧焼結して焼結
体とすることを特徴とするＴｉＡｌ基合金製機振部品の
製造方法。

（４）上記（３）記載の焼結体に熱間加工を施すことを
特徴とするＴｉＡｌ基合金製機械部品の製造方法。

（５）上記（３）記載の焼結体に熱間加工と拡散熱処理
を施すことを特徴とするＴｉＡｌ基合金製機械部品の製
造方法。

（６）金属間化合物ＴｉＡ　１４合金の粉末が、３２〜
３６重置％のＡＩ！、と、０．５〜５重量％のｈＯおよ
び０．０１〜０．５重量％のＢのｔｍ又は２種を含み、
残部がＴｉおよび不可避不純物からなる化学組成である
ことを特徴とする上記（１）、（２）、（３）、（４）
又は（５）記載のＴｉＡｊ２基合金製機械部品の製造方
法。

（作用） 以下、添付図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明のＴｉＡ　ｌ基合金製機械部品の製造
方法を示す概略工程図である。

出発材料である金属間化合物ＴｉＡ　１基合金の粉末は
、＾ｒアーク溶解法、プラズマアーク溶解法、真空アー
ク溶解法等によってインゴットを溶製し、これをＰＲＥ
Ｐ法、アトマイズ法、粉砕法等で微細粉末化することで
製造することができる。

こうして得られた粉末を、第１図に示す工程１〜工程５
のいずれかの工程に沿って所定形状の機械部品、例えば
、エンジンバルブに形成する。

以下、エンジンバルブを製造する場合を例にとって説明
する。

工程１は本願第１発明の製造方法である。熱間静水圧加
圧填ｇ（ｔｚｐ処理）に先立ち、前記粉末を内部がエン
ジンバルブに近い形状をした容器に充填し、容器内を真
空引きして封入する。このとき、容器は鉄系材料、例え
ば普通鋼からできたものを使用するのがよい、鉄系材料
の容器は安価であるうえに、潤滑剤の付着がよいので、
熱間静水圧加圧焼結後に熱間加工を行う場合、容器を付
けたまま行えば、良好な潤滑性が得られるので、加工が
しやすくなる。さらに、鉄系材料の容器であれば後工程
で酸又は機械加工によってこれを容易に取り除くことが
できる。

熱間静水圧加圧焼結では、粉末を封入した容器を熱間静
水圧加圧装置の中に入れ、高温高圧で焼結する。この熱
間静水圧加圧焼結において、低い温度でガス圧を高くと
って処理しても、ＴｉＡ　ｊ！基合金粉末が相互に十分
結合せず、内部に小さな空洞が残る場合があり、過度に
高い温度で処理すると、結晶粒が粗大化し、常雇延性お
よび熱間延性が劣化する以外に、粉末と容器との反応が
激しくなり、これらの反応生成物、例えば鉄系材料の容
器の場合にはＴｉ　　Ｆｅ反応生成物が多くなり、製品
歩留りが低下する。従って、熱間静水圧加圧焼結は１０
５０〜１３００°Ｃの温度で１５００〜２０００ｋｇ／
ｃｍ”のガス圧で行うのが望ましい、また、処理時間に
ついては、短かいとわ）末同士が十分焼結しない場合が
あり、長すぎるとわ）末と容器との反応が激しくなり、
反応生成物が厚くなるので、１〜４時間程度が望ましい
、因みに１２００°Ｃの温度で１時間処理すると、鉄系
容器の場合、約５０μｍ厚程度のＴｉ−Ｆｅの反応生成
物が焼結体表面部に形成されるが、この程度の厚さであ
れば後工程において特に問題とはならない。

次いで、焼結体に恒温鍛造、熱間圧延等の熱間加工を施
す、熱間静水圧加圧焼結で得られた焼結体は、偏析の少
ない微ｇＩ組織をしており、高延性である。このため、
高歪速度の熱間加工が可能である。従来の溶製材では１
０−’／秒の歪速度で熱間加工すると割れが発生するが
、焼結体の場合、この歪速度以上、例えば、１０／秒の
歪速度で熱間加工しても割れが生しない、しかし、高速
炭分熱間加工が可能であるといっても、低すぎる加工温
度ではＴｉＡ　ｌ基合金に割れが生しることもあり、高
すぎる加工温度では金型寿命が短くなるので、加工温度
は８００〜１２００°Ｃが適当である。

熱間加工により焼結体は、鍛伸効果によって組織が微細
化され、常雇延性が向上する。

この熱間加工は焼結体の全体に施してもよいが、エンジ
ンバルブの場合には、疲労破壊が生じゃすいバルブ頭部
と軸部の境界となる部分のみだけに施しても有効である
。

熱間加工後は、焼結体を機械加工してエンジンバルブに
仕上げる、このとき、容器をつけたまま熱間加工或いは
後述する拡散熱処理を行ったものは、容器と反応生成物
を取り除いてエンジンバルブに仕上げる。

その後、必要に応して機械加工によって生じた残留応力
を除去する目的で、９００−１２００　’Ｃの温度で数
時間程度保持する熱処理を行ってもよい。

工程２は本願第２発明の製造方法であり、この方法は前
記熱間加工後に拡散熱処理を行うことを特徴とする。こ
の拡散熱処理は成分元素の均一化を計ることを目的とし
たものであるが、加工歪みの除去効果および加工度差に
よって生じた結晶粒度のバラフキを均一化する効果があ
る。また、この熱処理で結晶粒度を調整することもでき
る。

拡散熱処理は前記残留応力除去熱処理と同程度の温度で
長時間行うのが望ましい０例えば、２０時間である。

拡散熱処理後は機械加工で最終製品に仕上げ、必要に応
して熱処理を施して８ｇ械加工により生した残留応力を
取り除いてもよい。

工程３は本願第３発明、工程４は第４発明、さらに工程
５は第５発明の製造方法を示したものである。第３〜第
５発明の特徴は熱間静水圧加圧焼結を行う前の粉末に冷
間加工を施すことにある。

粉末を冷間加工してこれに塑性歪みを与えることで、熱
間静水圧加圧焼結時にはその塑性歪みの効果により焼結
体は微細な再結晶粒となる。

わ〕末の冷間加工は、粉末を成形体にしてから例えば据
込み加工法によって行うことができるが、充分な加工歪
みを確保するためには、嵩比重で２０％程度以上の加工
度とするのが望ましい、冷間加工後は、これを粉砕して
再び粉末化した後、熱間静水圧加圧焼結する。

熱間静水圧加圧焼結後の焼結体は、冷間加工しない粉末
を熱間静水圧加圧焼結した焼結体より、その＆［Ｉ織は
微細であり、延性に優れるので、そのまま直ちに機械加
工に送り、エンジンバルブに仕上げてもよい（工程３）
、或いは、焼結体の全体または特定の部分を熱間加工し
、＃Ｊｉｍをさらに微細化して常温延性を改善した後、
機械加工に送ってもよい（工程４）、さらには熱間加工
後、拡散熱処理して残留応力の除去、再結晶による結晶
粒度のバラフキの解消および結晶粒度の調整を行った後
、機械加工でエンジンバルブに仕上げてもよい（工程５
）。

粉末を冷間加工する上記の製造方法で、粉末の冷間加工
を据込み加工法で行った場合、熱間静水圧加圧焼結後の
焼結体は２μ−未満の結晶粒度となることがある。結晶
粒が微細なものは高延性を示し、熱間加工は容易である
が、微細なまま最終製品となると、その製品はクリープ
強度に劣る。

従って、このようなものは、拡散熱処理工程で結晶粒を
２μ冒以上に調整してやるのがよい、しかし、８０μ閣
を超えて結晶粒度を大きくすると常温延性が低下する。

前記、工程３〜工程５を採用する場合でも、熱間静水圧
加圧焼結、熱間加工および拡散熱処理は前記と同様の条
イ１で行うのが望ましい。

本発明において、粉末を封入する容器および熱間静水圧
加圧焼結時に形成される反応生成物は、いずれかの段階
で除去する必要がある。これを最終の機械加工で行えば
、これらの除去と製品形状への仕上げが同時に行え、且
つ、熱間加工では容器をつけたまま加工することになの
で、加工性が高まるという利点があるが、機械加工する
前の段階、即ち、熱間静水圧加圧焼結後、熱間加工後、
熱間加工と拡散熱処理の間、熱間加工と拡散熱処理を行
った後でこれらを除去してもよい。

これらの途中の段階で取り除く場合は、酸で溶解しても
よい、この場合、硝酸を使用すれば母材を溶解すること
なく、容器と反応生成物を取り除くことができる。硝酸
は濃度を２０〜４０％、液塩を５０°Ｃ以下にして使用
すれば、能率よくしかも安全に容器と反応生成物を取り
除くことができる。

本発明において、上記工程に沿ってエンジンバルブを製
造する場合、素材粉末には３２〜３６重量％のＡｆと、
０．５〜５重量％のガ０および０．０１〜０．５重量％
のＢの１種又は２種を含み、残部がＴｉおよび不可避不
純物からなる化学組成の粉末を使用するのがよい。

八ｌ： Ａｌが３２重量％を下回ると、合金は（ＴｉＡｌ＋Ｔｉ
ＪＡ）２相組織となるもののＴｉ、Ａ７！相の体積が大
きくなりすぎて高温強度および常雇延性が低下する。一
方、３６重量％を超えてＡｌを含む合金は常温延性に劣
る。

ＭｏおよびＢ： ＭｏおよびＢには常温延性を向上させる作用がある。ま
た、恥には強度を高める働きもある。　Ｍｏを添加する
ことによって常温延性が改善されるのは、Ｍｏには変形
双晶を発生させやすくし、且つ結晶粒微細化効果がある
ことによると考えられる０Ｍｏ含有量が０．５重蓋％未
病では、前記作用が得られず常温延性の向上が小さい、
５重量％を超えてＭｏを含ませるとβ相が現れ、高強度
が低下する。

ＢにはＴｉＡｌＷ合金の結晶粒界を強化し、常温延性を
高め、結晶粒を微細化して強度を向上させる作用がある
。　０．０１重量％未満ではこれらの作用がなく、０．
５１１１％を超えて含有すると跪いホウ化物が生成し、
常温延性が改善されない。

なお、本発明では、上記成分の他に、Ｍｎ、　Ａｇ、Ｖ
、　ＮｂＸＣｒの１種以上を総量で５重蓋％以下含むＴ
ｒＡ　Ｉ！　５合企む）末を使用することもできる。

以上、主にエンジンバルブを製造する場合を例にとり説
明したが、これ以外の機械部品、例えば、タービンフ゛
レード、ターボチャージャーインペラ等も本発明方法で
製造すれば、延性に優れたものとなる。

（実施例１） Ａｒアーク溶解により、Ｔｉ　　３３．５％ＡＩ！、合
金のインゴット（径＝８０１１ＩＩ、長さ：　　２００
ｍｍ）を溶製し、これをＰＲＥＰ法で＃６０〜＃１００
メツシュのＴｉＡ　１球状粉末にした。この粉末の一部
を嵩比重で２０％の冷間据込み加工した。

これらの粉末を炭素鋼（ＪＩＳ　５Ｓ４１）製の容器（
５０旧径Ｘ　１００ｍｍ長さ）に真空封入し、熱間静水
圧加圧焼結した後、一部はそのままで他のものは熱間押
出加工又は熱間押出加工と拡散熱処理した。第１表にこ
れらの諸条件を示す。

次いで、これらの熱間静水圧加圧焼結のままの焼結体、
熱間押出加工後の焼結体および拡散熱処理後の焼結体を
、機械加工して容器と反応生成物を取り除き、機械加工
でこれらから外径４ｍｍ、評点距離１６＋ａｍの引張試
験片を切り出し、引張試験に供した。

引張試験は、常温および８００°Ｃの両温皮下で実施し
、引張強さと伸びを求めた。さらに８００″Ｃ×１００
０時間のクリープ試験を行い、そのときの破断強度を調
べた。これらの結果を第１表に併記する。

なお、引張試験時における歪速度は試験開始から破断ま
で０．５％／分とした。

比較例として、同ｍ戒の鋳造のままのインゴット（表中
ＮＦＬ７）、前掲の特開昭６３−１２５６３４号公報記
載の成分範囲内のＴｉ−３５％＾Ｎ−０，０５％Ｂ合金
のインゴット（表中Ｎα８）およびＴｉ　−−３４，９
％Ａ２合金のインゴ・２トを恒温温度：　１ｏｏｏ°Ｃ
：歪み速度：　１０−”／秒：加工度：５０％で恒温鍛
造した特開昭６３−１２５６３４号公報記戦の方法によ
る鍛造材（表中Ｎ（Ｌ９）からそれぞれ試験片を切り出
し、同し試験を行った。これらの結果も第１表にあわせ
て示す。

（以下、余白） 第１表より、本発明方法によれば従来不可能であった熱
間加工が可能であること、拡散熱処理は延性を改善し結
晶粒度を制御することができるのでクリープ強度の制御
ができること、および粉末の冷間加工は延性をさらに改
善することがわかる。

（実施例２） 第２表に示す合金組成のインゴット溶製し、球状粉末化
した後、一部の粉末に嵩比重で２０％の冷間据込み加工
を施した。

次いで、これらの粉末を１１００°Ｃで熱間静水圧加圧
焼結した後、１０００°Ｃで熱間押出加工を行った。

熱間押出加工後は、ｉ波加工で容器と反応生成物を取り
除き、張試験片を切り出し、引張試験に供した。

インゴットの溶製法、インゴットサイズ、粉末の大きさ
、容器、試験方法および試験片サイズは実施例１と同し
とした。第２表に試験結果を併記する。

（以下、余白） 第２表より、ＭｏおよびＢを含むＴｉＡ　ｌ　基合金の
粉末から製造したものは、これら成分を含まない、例え
ば、第１表の胤ｌＯのＴｉＡ　１合金より強度および延
性が高いことがわかる。

（実施例３） 実施例１と同し合金成分のＴｉＡｊ２球状粉末を用い、
これを内部がエンジンバルブに近い形状をした炭素！ｉ
ｉｉ］　（Ｊ■Ｓ　５５４１）製の肉厚１．０ｏｎの容
器に真空封入し、処理温度１２００℃、処理１時間、ガ
ス圧力２０００ｋｇ／ｃｍ　”の条件で熱間静水圧加圧
処理を行った。熱間静水圧加圧処理後、１０００′ｃで
熱間鍛造し、容器とＴｉ−Ｆｅの反応生成物を処理温度
４５℃の４０％硝酸で酸洗熔解し、ＴｉＡ　ｌ基合金製
エンジンバルブ素形材を製造した。

この素材を１２００°Ｃの温度で２４時間真空中で拡散
熱処理して＆１１織均−化を図った後、仕上機械加工に
よりｒｉａ　ｌ　７４合金製エンジンバルブとした。

その後、このエンジンバルブを動弁系排気バルブにセッ
トし、ガソリン燃料を使用したエンジンテストを行い、
回転限界を求めた。比較例として従来の耐熱鋼のエンジ
ンバルブの回転限界も求めた。

エンジンテストは、排気量１３００ｃ　Ｃ，ＯＨＣ１４
気筒２パルプのガソリンエンジンを用い、５ＵＨ３６製
排気バルブ４本を上記ＴｉＡｌ基合金製パルプに置換し
て行った。

その結果、従来の耐熱鋼のエンジンバルブでは、回転限
界は８０００ｒｐｍであったものが、本発明方法で製造
したＴｉＡｌ基合金製バルブでは９０００ｒｐｍに向上
した。また、バルブ表面には割れ等が認められず、良好
な機械的特性を示した。

（発明の効果） 以上説明した如く、本発明方法によれば高い耐熱性、延
性及び比強度を有するＴｉＡ　ｌ　％合金製機械部品、
例えば、エンジンバルブを製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の製造方法を示す工程図である。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属間化合物ＴｉＡｌ基合金の粉末を熱間静水圧
   法で加圧焼結し、その焼結体に熱間加工を施すことを特
   徴とするＴｉＡｌ基合金製機械部品の製造方法。
2. （２）請求項（１）記載の熱間加工後に拡散熱処理を行
   うことを特徴とするＴｉＡｌ基合金製機械部品の製造方
   法。
3. （３）金属間化合物ＴｉＡｌ基合金の粉末に冷間加工を
   施し、その粉末を熱間静水圧法で加圧焼結して焼結体と
   することを特徴とするＴｉＡｌ基合金製機械部品の製造
   方法。
4. （４）請求項（３）記載の焼結体に熱間加工を施すこと
   を特徴とするＴｉＡｌ基合金製機械部品の製造方法。
5. （５）請求項（３）記載の焼結体に熱間加工と拡散熱処
   理を施すことを特徴とするＴｉＡｌ基合金製機械部品の
   製造方法。
6. （６）金属間化合物ＴｉＡｌ基合金の粉末が、３２〜３
   ６重量％のＡｌと、０．５〜５重量％のＭｏおよび０．
   ０１〜０．５重量％のＢの１種又は２種を含み、残部が
   Ｔｉおよび不可避不純物からなる化学組成であることを
   特徴とする請求項（１）、（２）、（３）、（４）又は
   （５）記載のＴｉＡｌ基合金製機械部品の製造方法。