JPH0818151B2 - Ti−Al合金と構造用鋼との接合方法および接合部品 - Google Patents

Ti−Al合金と構造用鋼との接合方法および接合部品

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JPH0818151B2 JP63285279A JP28527988A JPH0818151B2 JP H0818151 B2 JPH0818151 B2 JP H0818151B2 JP 63285279 A JP63285279 A JP 63285279A JP 28527988 A JP28527988 A JP 28527988A JP H0818151 B2 JPH0818151 B2 JP H0818151B2
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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、金属間化合物TiAlを主要構成相とするTi-A
l合金の部材と構造用鋼の部材とを接合して、1個の機
械構造部品を製作するための接合方法に関し、その接合
方法により得られた接合部品をも包含する。
【従来の技術】
タービンブレードやエンジンバルブ、あるいはターボ
チャージャーのホイールなど、高速で回転または往復動
する機械部品の材料として、最近では、高温に耐え(使
用温度700℃以上)て軽量(比重3.8)なTi-Al系合金
が、適用されつつある。 こうした用途に適する材料として、本発明者らも、他
の共同研究者らとともに、いくつかのTi-Al合金を開発
し、すでに開示した。たとえば、Al:32〜38%に加えて
B:0.005〜0.20%を含有し、残部が実質上Tiからなる
か、または上記BとともにC:0.2%以下とO:0.3%以下お
よび(または)N:0.3%以下(ただしO+N:0.4%以下)
を含有し、残部が実質上Tiからなる合金(特開昭63-125
634号)がそれであって、この合金は在来のTi-Al合金に
くらべて、強度と靱性が向上している。 いまひとつは、Al:32〜38%に加えてNi:0.05〜3.0%
および(または)Si:0.05〜3.0%を含有し、残部が実質
上Tiからなるか、または、さらに前記の量のBを添加し
たり、C,O,Nを規制した合金(特願昭62-236609号)であ
って、これは延性が高く鋳造容易である。 Ti-Al合金の部材に対し、高温条件下に高速で回転そ
のほかの運動をさせるためには、部材を表面硬化が可能
な構造用鋼の軸に接合しなければならない。ここで「構
造用鋼」とは、機械部品の構造材として使用することの
ある鋼のすべてを意味する。たとえば、ターボチャージ
ャーのホットホイールでは回転軸にSCM鋼またはSNCM鋼
を、またエンジン用バルブではステムにマルテンサイト
系耐熱鋼を使用しており、これらはいずれも構造用鋼に
包含される。 Ti-Al合金の部材と構造用鋼の部材との接合法として
は、焼ばめも試みられているが、多くは銀ロウ付けが行
なわれる。ところが、エンジンの高出力化に伴って排気
ガス温度も高くなり、接合部の温度が450℃に達するよ
うになったので、銀ロウ付けでは使用中に強度が低下す
る不安が出てきた。 一方、ホットホイールの材料としてはNi基超合金も使
用されており、これを構造用鋼の軸と接合するために、
摩擦溶接が行なわれている。摩擦溶接は、溶加材を用い
る溶融溶接より溶接部の強度が高く、母材の95%以上の
値が得られるから、この種の部品の製作には好ましい溶
接法である。 この摩擦溶接をTi-Al合金製ホットホイールと構造用
鋼たとえばSCM435の軸との間で試みても、接合後にクラ
ックが生じて継手を形成できない。これは、摩擦により
生じた高温で圧接した後、冷却の過程で軸材がマルテン
サイト変態を起して体積が膨脹し、またTiCなどの脆化
相を含むため、接合部が破断するからである。
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、このような問題を打破して、金属間
化合物TiAlを主要構成相とするTi-Al合金の部材と構造
用鋼の部材たとえば軸材とを、より高い使用温度に耐え
るように接合して、所望の機械部品を製作できるように
することにある。
【課題を解決するための手段】
本発明のTi-Al合金と構造用鋼との接合方法は、金属
間化合物TiAlを主要構成相とするTi-Al合金の部材と構
造用鋼の部材とを接合するに当り、両者の中間材として
オーステナイト系ステンレス鋼もしくは耐熱鋼、または
Ni基もしくはCo基の超合金を使用し、少なくとも中間材
と構造用鋼との接合を摩擦溶接法により行なうことを特
徴とする。 中間材としてオーステナイト系ステンレス鋼もしくは
耐熱鋼を使用する場合は、これとTi-Al合金の部材との
接合を、やはり摩擦溶接により行なうとよい。 とくに高い接合部高温強度を実現したい場合は、中間
材としてγ′析出硬化型のNi基合金を使用する。この場
合も摩擦溶接は有用な接合手段であるが、それに代え
て、Ni基合金の中間材を、Ti-Al合金で鋳包んで接合す
ることも可能である。この種のNi基超合金とTi-Al合金
とは、熱膨脹率が近似した値を示すからである。 本発明のTi-Al合金と構造用鋼との接合部品は、金属
間化合物TiAlを主要構成相とするTi-Al合金の部材と構
造用鋼の部材とを、中間材を介して接合してなる接合部
品であって、中間材がオーステナイト系ステンレス鋼も
しくは耐熱鋼、またはNi基もしくはCo基の超合金であ
り、少なくとも中間材を構造用鋼との間を摩擦溶接法よ
り接合したことを特徴とする。 本発明は、前記したTi-Al合金のいずれにも適用可能
であるが、高温の使用条件下に高速で回転または往復動
するという部品の用途からみて、金属間化合物TiAl(A
l:36%−Ti64%)の組成から合金組成がずれるとしても
Tiリッチ側のものがよく、Alリッチ側のものはあまり有
用ではない。従って、本発明の適用を推奨すべきTi-Al
合金の代表は、つぎの合金組成をもつものである。 1)Al:32〜36%を含有し残部が実質上TiからなるTi-Al
合金 2)Al:32〜36%に加えて下記のグループのいずれか1
種または2種以上を含有し、 イ)B:0.005〜0.20% ロ)C:0.2%以下とO:0.3%以下および(または)N:0.3
%以下(ただしO+N:0.4%以下) ハ)Ni:0.05〜3.0%および(または)Si:0.05〜3.0% 残部が実質上TiからなるTi-Al合金 実例を示せば、第1図の部品はターボチャージャー用
のホットホイールであって、これはTi-Al合金製のホイ
ール(1B)、中間材(2A)としてINCONEL751のリング、
そして軸材(3)としてSCM435鋼の棒を、いずれも摩擦
溶接により接合して製作したものである。 第2図は同様な部品を示すが、これは中間材(2B)と
してNi基超合金製のナット型の部材を、ホイール(1B)
の鋳造の際に鋳包んで一体化し、この中間材と軸材
(3)の棒とを摩擦溶接により接合してなるものであ
る。 第3図の部品はエンジンバルブであって、Ti-Al合金
のバルブ部品(4)、中間材(5)のINCONEL751からな
る円板、SUH3鋼のステム部分(6)を、いずれも摩擦溶
接により接合して製作した。バルブに仕上げるには、ス
テム部にタフトライド(軟窒化)処理を施して表面硬化
し、かつバルブシートとの接触部にステライトなどの硬
質金属の肉盛り溶接を行なうことはもちろんである。
【実施例】
つぎの3種の材料を、いずれも径8.5mmの棒材として
用意し、ブレーキ方式溶接機を用いて、まずイ)と
ロ)、次にロ)とハ)の端面を摩擦溶接し、溶接部に生
じたバリは旋盤により除去した。 イ)Ti-Al合金(Al:36%、Hv250) ロ)Inconel 751(HRC39)…中間材 ハ)SNCM439(HRC33)…軸材 接合部の熱間ねじり試験を行なったところ、第4図に
示すとおり、十分な強度を有することがわかった。破断
は、母材のTi-Al合金の部分で起った。
【発明の効果】
本発明の接合方法によれば、軽量で耐熱性のよいTi-A
l合金と、強度にすぐれた表面硬化処理可能な構造用鋼
とが、高い接合部強度をもって接合できる。 接合部の高温強度が高いため、それに隣接するジャー
ナル部やシールリング溝の表面硬化に、高周波焼入れや
火焔焼入れの手段が利用できる。 中間材として使用した耐熱合金は一般に熱伝動率が低
いので、Ti-Al合金製の部材が高温にさらされたときに
も、軸材への熱の移動量を軽減でき、このことは、軸受
部などの耐久性を向上させるのに役立つ。 従って本発明は、とくにターボチャージャーのホット
ホイール、エンジンバルブ、タービンブレードおよびデ
ィスクなどの機械部品の製作に適用したとき、その意義
が大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図ないし第3図は本発明の接合方法を適用して製作
した機械部品の例を説明するための図であって、第1図
および第2図はターボチャージャーのホットホイール
を、第3図はエンジンバルブを、いずれも半ばは縦断面
で示した側面図である。 第4図は本発明の方法で得た接合部の、熱間ねじり試験
の結果を示すグラフである。 1A,1B……ホイール 2A,2B……中間材 3……軸材 4……バルブシート 5……中間材(円板) 6……ステム材

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】金属間化合物TiAlを主要構成相とするTi-A
    l合金の部材と構造用鋼の部材とを接合する方法であっ
    て、中間材としてオーステナイト系ステンレス鋼もしく
    は耐熱鋼、またはNi基もしくはCo基の超合金を使用し、
    少なくとも中間材と構造用鋼との接合を摩擦溶接法によ
    り行なうことを特徴とするTi-Al合金と構造用鋼との接
    合方法。
  2. 【請求項2】中間材としてオーステナイト系ステンレス
    鋼もしくは耐熱鋼を使用し、これとTi-Al合金の部材と
    の接合も摩擦溶接により行なう請求項1の接合方法。
  3. 【請求項3】中間材としてγ′析出硬化型のNi基合金を
    使用し、これをTi-Al合金で鋳包むことにより中間材とT
    i-Al合金との接合を行なう請求項1の接合方法。
  4. 【請求項4】金属間化合物TiAlを主要構成相とするTi-A
    l合金の部材と構造用鋼の部材とを、中間材を介して接
    合してなる接合部品であって、中間材がオーステナイト
    系ステンレス鋼もしくは耐熱鋼、またはNi基もしくはCo
    基の超合金であり、少なくとも中間材を構造用鋼との間
    を摩擦溶接法により接合したことを特徴とする接合部
    品。
  5. 【請求項5】Al:32〜36%を含有し残部が実質上Tiから
    なるTi-Al合金の部材を使用した請求項4の接合部品。
  6. 【請求項6】Al:32〜36%に加えて下記のグループのい
    ずれか1種または2種以上を含有し、 イ)B:0.005〜0.20% ロ)C:0.2%以下とO:0.3%以下および(または)N:0.3
    %以下(ただしO+N:0.4%以下) ハ)Ni:0.05〜3.0%および(または)Si:0.05〜3.0% 残部が実質上TiからなるTi-Al合金の部材を使用した請
    求項4の接合部品。
  7. 【請求項7】構造用鋼としてマルテンサイト系耐熱鋼を
    使用し、中間材としてNi基超合金を使用したエンジンバ
    ルブである請求項4の接合部品。
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