JPH0195837A

JPH0195837A - β型チタン合金鍛造品の製造方法

Info

Publication number: JPH0195837A
Application number: JP25223987A
Authority: JP
Inventors: Wataru Takahashi; 渉高橋; Heiji Hagita; 萩田　兵治
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1987-10-06
Filing date: 1987-10-06
Publication date: 1989-04-13

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、例えば自動車エンジン用バルブリテーナ等に
好適な、軽量でかつ高強度のβ型チタン合金鍛造品を低
コストで製造する方法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、冷間鍛造で製造される自動車用鍛造品類、特に自
動車エンジン用バルブリテーナは肌焼鋼または構造用鋼
を浸炭・焼入れ・焼戻しして製造されていたが、最近、
エンジンの高トルク、高回転数化の要請が強くなり、こ
れに伴ないバルブリテーナの軽量化、高強度化を目的と
してチタン材が用いられつつある。

しかしながら、冷間鍛造性の良好な純チタンは、耐摩耗
性が要求されるバルブリテーナ等の部品では母材硬度が
低く、また（α＋β）型チタン合金は硬度は高いが冷間
鍛造性が悪いため熱間鍛造でしか製造できず、コストが
高くつく。

他方、β型チタン合金は、冷間鍛造性が良好で、かつ母
材硬度も高く、後工程で時効処理を施せ□ばさらに硬度
を高めることが可能であり、バルブリテーナ材料等とし
て好適である。しかしその反面、変形抵抗が大きく、冷
間鍛造時に焼付きが発生しやすいという問題点がある。

冷間鍛造時の焼付きを防止するためには、鉄鋼であれば
一般にリン酸亜鉛潤滑処理を施すことができるが、チタ
ン合金は化学的に不活性なためにこの処理はできない。

このため従来はチタンの潤滑処理方法として一般的に行
われる酸化処理を施し、素材表面に酸化被膜を形成し、
この酸化被膜を潤滑下地被膜として鍛造が行われていた
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、β型チタン合金では適正な条件下で酸化
被膜を形成させると耐焼付き性は良好にはなるが、冷間
鍛造時に酸化被膜に割れが発生し、そのため母材にミク
ロクラックが発生する。このミクロクランクは後工程で
時効処理を行なう場合にはマクロ割れに発展し、最終成
品の疲労強度の劣化をもたらすものである。さらに、酸
化被膜は脱スケールが難しく、一般に行なわれる硝弗酸
酸洗では肌あれを生ずるという問題もある。さらに製品
の耐摩耗性は、チタン合金の母材で得られる以上の性能
が要求される場合もある。

本発明はかかる問題点の克服を主目的としてなされたも
のであり、軽量かつ高強度でさらに耐摩耗性の優れたβ
型チタン合金鍛造製品の製造方法を提供するものである
。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するための本第１発明は、β型チタン
合金材に対して亜鉛または鉄及び亜鉛を含む合金を被着
してなる粒（以下、「鉄・亜鉛粒」という）によるブラ
スト処理を行い、該合金材の表面に亜鉛または鉄・亜鉛
合金被膜層を形成させ、その後、リン酸亜鉛処理し、続
いて水洗・反応型金属石けん処理・乾燥の処理を施した
後、冷間鍛造により、歪速度１００ｓ−’以下の加工速
度で成形することを特徴とするものであり、本第２発明
は、第１発明で得られた成形品の表面に形成されている
表面潤滑被膜を除去した後、４００〜５５０℃の温度で
時効処理することにより、内部硬度を増大させることを
特徴とするものである。本第３発明は第２発明の時効温
度で窒化処理と時効処理を同時に行うことを特徴とする
ものである。さらに本第４発明は、第１発明で得られた
成形品の表面に形成された表面潤滑被膜を除去した後、
７３０〜８８０℃の温度で窒化処理した後、４００〜５
５０℃の温度で時効処理することにより表面硬化と共に
内部硬度を増大させることを特徴とするものである。

なお、上記歪速度とは次のように定義される。

一般に、スラブ高さをｈｏ、製品高さをｈとすると定義
される。

しかし、本明細書では、公称平均歪として、圧縮の場合
、０−ｈ Δｔ−ｈ。

と定義する。

〔作　用〕

本発明では、化学的に不活性なβ型チタン合金材の表面
に、鉄・亜鉛粒をブラスト処理することにより、該表面
上に物理的に鉄・亜鉛合金層を付着形成させる。これに
より、続くリン酸亜鉛処理、反応型金属石けん処理等の
潤滑処理が良好に行われ、冷間鍛造時の焼付きを防止す
る。

歪み速度を１００５−’以下とするのは、β型チタン合
金では歪み速度が大きくなると変形能が低下して、大変
形を要する冷間鍛造品が製造出来なくなるためであり、
前記合金の変形能を十分引き出すには１００３−’以下
である必要があるからである。

４００〜５００℃で冷間鍛造品を時効するのは、母材硬
度を最大にするためであり、４００℃未満では時効硬化
が不十分であり、５５０℃を超えると過時効になるため
である。

窒化は表面を硬化させて耐摩耗性を向上させるためであ
り、４００〜５００℃での窒化はイオンブレーティング
、ＰＶＤ等が適用出来る。時効温度で窒化可能な窒化手
段を採用することにより時効処理と窒化処理を同時に行
なうことが出来、工程省略効果がある。他の窒化温度７
３０〜８８０℃はβ型チタン合金の溶体化温度であり、
かつガス窒化温度である。冷間鍛造では品物の形状によ
り部分的に加工度が異なることによる性質が異なるため
、−度溶体化処理をした後、時効すれば各部が均一な性
質を持つ製品が得られる。７３０℃未満では溶体化が不
十分であり、かつ窒化速度が遅く、８８０℃を超えると
結晶粒が異常成長するため、７３０〜８８０℃を溶体化
兼ガス窒化温度とする。

〔発明の具体的構成〕

以下、図面を参照しながら本発明を具体的に詳説する。

第１図はバルブリテーナを得る場合における本発明の製
造工程を示すブロック図である。

本発明の出発材料たるβ型チタン合金素材１としては、
例えば、Ｔｉ−１５Ｖ　−３Ｇ　−３Ａｌ−３Ｓｎ。

Ｔｉ　−３ＡＡ　−８Ｖ　−６Ｃｒ　−４Ｍｏ　−４Ｚ
ｒ等が好適である。この素材を切削２することによって
直接、第２図（ａ）に示す加工用スラグ３を得るか、ま
たは前記素材を切断しその表面をＭＯ３２油等により潤
滑処理４し、次いで据込み加工と打抜き加工とにより冷
鍛予備成形５し、必要により焼鈍６した後、ショツトブ
ラスト、フッ硝酸等で酸洗し表面にミクロクラックが残
らないように十分清浄に脱スケール７処理し、加工用ス
ラグ３を得る。ここで、冷鍛予備成形の加工度が大きい
場合は、６００〜７５０℃の温度で予備成形品を約３０
分間加熱し、焼鈍６するのがよい。その際の脱スケール
も前述の方法で十分行う。

このようにして得た加工用スラグに潤滑処理を、予め後
述の鉄・亜鉛粒によるブラスト処理８により潤滑下地処
理を行った後に、リン酸亜鉛処理・水洗・反応型金属石
けん処理・乾燥（ボンデ・ボンダリューベ処理）９によ
り行う。潤滑処理後のチタン合金スラグの潤滑被膜の構
造は第３図に示すように、βチタン合金スラグの上に鉄
・亜鉛合金層β、リン酸亜鉛被膜層Ｃ１反応層Ｄ、反応
型金属石けん層Ｅが積層した構造となる。

このようにして潤滑処理された加工用スラグは冷鍛本成
形工程１０に供される。この本成形は歪速度１００　Ｓ
−’以下の加工速度で行う。これにより冷間鍛造品とし
てのバルブリテーナ−（第２図（ｂ）参照）１１が得ら
れる。ここで歪速度とは加工速度とスラグの加工前の高
さとの比である。

本発明では、いっそうの摩耗防止を図るため、前記本成
形品の潤滑被膜を、湯洗後の塩酸酸洗等により潤滑被膜
を除去１２した後、４００〜５５０℃で時効１３を施こ
し、母材硬度を増大させればこのままで使用可能となる
。さらに４００〜５５０℃の温度で時効を兼ねたイオン
窒化等の処理１４のまま、または７３０〜８８０℃の温
度でのガス窒化処理１５の後、４００〜５５０℃で時効
１６を行い、内部硬度を増大させて完成品とする。

次に本発明の各主要工程の具体的内容について説明する
。

本発明の主たる特徴である鉄・亜鉛粒によるブラストは
、例えば特公昭５９−９３１２に開示されているように
鉄粒を核とし、核の表面に鉄・亜鉛合金層を介して亜鉛
が付着した粒を通常の方法でブラストすることによって
加工用スラグの表面に鉄・亜鉛合金層を形成する方法で
ある。この鉄・亜鉛合金層の付着量は後工程のりん酸亜
鉛処理性、潤滑油の保持性、経済性、生産性等を考慮し
て１〜４０　ｇｌｒｄが好ましい。すなわち、１　ｇ／
ｒｔｆ未満ではＴｉ合金素材の全表面をカバーできず、
後工程のりん酸亜鉛処理性が劣り、またプレス加工時の
保持性に劣る。他方４０　ｇ／ｎｒが超える付着量にな
ると該鉄・亜鉛合金層の付着に要する時間が長くかかり
、潤滑効果の割には作業性に劣る。

この投射材料の製造法の一例は、溶融亜鉛法ともいうべ
きもので、金属亜鉛の溶融体、または金属亜鉛に合金成
分としてアルミニウム（約３〜５％）、鋼（約０．２〜
１％）を添加した溶融体Ｘと、所定粒度、好ましくは１
０メツシユ篩を通過する粒度の鉄粒子（固体）Ｙとを、
望ましくはＹ／Ｘの重量比１０〜９０％で混合し、反応
温度４００〜５００℃、反応時間２〜１０分程度で反応
させ、得られた反応生成物を冷却した後、機械的に、好
ましくは殻部分の亜鉛または鉄亜鉛の合金層の単離する
量が殻部分の量に対して３０％以下となる程度に粉砕す
る方法である。

他の例は浸透亜鉛法というべきもので、鉄もしくは鉄合
金の粒子（固体）と亜鉛粉末とを混合し、あるいはさら
にハロゲン化アンモンもしくは塩化物を０．５〜３％程
度添加し、この混合物も鉄製もしくは炭化ケイ素製の円
筒状容器に充填して密閉し、４００〜７００℃の温度で
３から２０分間の加熱処理によって亜鉛を拡散浸透せし
め、鉄粒子の周囲に鉄亜鉛合金相および亜鉛の殻を形成
させる。ここで、加熱処理にあたり、スクリュー式ま１
またはプシミア式の外熱型の密閉炉を用いてもよい。

かかる投射材料は常用の投射装置によりチタン表面に投
射すればよい。

なお、上記投射材料の鉄または鉄合金からなる殻とは、
純鉄のほかＣ，Ｎ、　Ｓｔ、　Ｍｎ、　Ｃｒ、　Ｎｉ等
を含む鉄合金であってもよい。亜鉛合金とは、亜鉛にＡ
ｌやＣｕ等が添加された合金である。

上記鉄・亜鉛被膜はメツキでもよいが、ブラストによる
被膜はポーラス状となっているため潤滑被膜の保持性が
よい。従って、本発明では鉄・亜鉛粒のブラストにより
鉄・亜鉛合金層を形成させる方法を採用したのである。

次に、りん酸亜鉛処理条件については全酸度３０〜３５
ポイント、処理温度約８０℃、処理時間１０〜２０分で
よい。要は、一般に冷間鍛造加工に必要とされる付着量
的７ｇ／ｒｒｆを確保し得る条件で処理する。りん酸亜
鉛処理後は錆防止のため通常の水洗を行なう。

また、反応型金属石けん処理の条件としては、通常の冷
間鍛造に必要とされている付着量すなわち反応層≧１　
ｇ／ｎｒ、反応型石けん付着量≧２．０ｇ／ｒｒｒ以上
を確保するため、特に限定するものではないが処理濃度
２〜３ポイント、処理温度約８０℃、処理時間３〜５分
でよい。なお、反応型石けんとしてはステアリン酸カル
シウムあるいはステアリン酸ナトリウムを用いるのがよ
い。

反応型石けん処理後の乾燥は、基本的には大気中での自
然乾燥でよいが、速乾性を必要とする場合は熱風乾燥炉
、赤外線乾燥炉、高周波誘導加熱炉等を用いればよい。

なお、りん酸素亜鉛処理材については、水素ぜい性の問
題を解決するためにベーキングを兼ねて約２００℃の温
度で乾燥すればよい。

〔実施例〕

次に実施例を説明する。

（実施例１）第１表に示す合金組成（Ａ）、（Ｂ’）を有するβ型チ
タン合金のインゴットを溶製し、これを１ｏｓｏ℃の温
度に加熱し、９４０℃で圧延して２０ｗφの線材を製造
し、この線材を切削工程、または、切断−フッ素樹脂潤
滑−冷間鍛造−６５０℃焼鈍−フッ硝酸脱スケール工程
を経て、それぞれ第２図（ａ）に示す切削スラグと冷鍛
スラグを得た。

次いでこの両スラグを鉄・亜鉛粒ブラストにより線材表
面に約１０ｇ／ｒｒｒの鉄・亜鉛合金層を形成し、続い
てリン酸亜鉛被膜処理（全酸度３０ポイント、処理温度
８０℃、処理時間１５分、付着置駒７．８ｇ／ｒｒｒ）
を施こし、水洗後ステアリン酸ナトリウム処理（濃度約
２ポイント、処理温度８０℃、処理時間５分、付着量：
反応要約１．６ｇ／ｒｒｒ、反応型層けん被膜約５．７
ｇ／ｒｒｆを施こし、約２００℃で乾燥した後、歪速度
１０ｓ−’の加工速度で本成形して、第２（ｂ）に示す
バルブリテーナを得た。

このリテーナの冷間鍛造性と硬度測定結果を第２表に示
す。

第　　　　２　　　　表第２表には比較のために両スラグを、６５０℃×２０分
間の酸化処理をし、１．５℃／ｓｅｅの冷却速度で空冷
後、フッ素樹脂潤滑を施し、歪速度１０３−’の加工速
度で本成形して得られたバルブリテーナの冷間鍛造性と
硬度測定結果を第２表に併せて記載する。

第２表から明らかなごとく、酸化による潤滑処理したバ
ルブリテーナは、肉眼で認められる割れはないが、×１
００の顕微鏡にて微細な割れがみられた。これに対し本
発明法による場合は、全く割れが認められず良好な冷間
鍛造性を示した。また硬度はいずれもＨＶ３２０以上と
なっている。

（実施例２）実施例１の供試材Ｂより製造した切削スラグを実施例１
の方法でリン酸亜鉛−石けん処理を行い潤滑した後、歪
速度を種々変えて本成形を行って得られたバルブリテー
ナの冷間鍛造性および冷間鍛造のままの硬度測定結果を
第３表に示す。

第　　　　３　　　　表歪速度＝加工速度／スラグ初期高さ（１／Ｓ−’）第３
表より、歪速度が１００ｓ−’を超える加工速度では割
れが発生し、変形能が低下していることがわかる。

（実施例３）実施例１で製造した供試体Ｂの本成形品（バルブリテー
ナ）を、湯洗と５％塩酸で潤滑被膜を除去した後、第４
表に示す温度で２０時間、イオン窒化処理を施した製品
の窒化深さと窒化後の硬度測定結果を第４表に示す。

第　　　４　　　表第４表より、４００℃未満の温度では十分な層厚の窒化
層が得られず、また５５０℃を超える温度では、リテー
ナの内部が過時効により軟化することがわかる。また、
第２表と比較すれば時効により母材硬度が増大すること
がわかる。

（実施例４）実施例１で製造した供試材Ｂの本成形品（バルブリテー
ナ）を、湯洗と５％塩酸で潤滑被膜を除去した後、８５
０℃Ｘ１５Ｈｒのガス窒化と溶体化をした後、第５表に
示す温度で時効した製品の窒化深さと硬度測定結果を同
表に示す。

第　　　５　　　表第２表と第５表を比較すれば、４００℃未満の温度では
冷間鍛造のままの硬度と同じであり、５５０℃を超える
温度では、過時効のため、最高硬度が得られないことが
わかる。なお、溶体化時効材の硬度が製品断面について
均一となること、窒化表面が母材より耐摩耗性に優れて
いることは周知である。

〔発明の効果〕

以上の通り、本発明によれば、β型チタン合金スラグよ
り冷間鍛造性の優れたβ型チタン合金鍛造品を低コスト
で製造できるので、これまでβチタン合金を素材に適用
できなかったバルブリテーナ−は勿論のこと、ギア類、
シャフト類、ボルト類等の各種鍛造品にもβ型チタン合
金番適用することが可能となり、自動車用部品のみなら
ず、航空機等の部品にもその用途が拡大されるという大
なる効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の製造工程を示すブロック図、第２図
（ａ）、　（ｂｌはバルブリテーナ−の加工用スラグと
バルブリテーナ−の形状を示す縦断面図、第３図は加工
用スラグに施した潤滑被膜構造を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）脱スケールしたβ型チタン合金材に、亜鉛又は鉄
亜鉛合金を被着してなる粒によるブラスト処理を行ない
、該合金材の表面に亜鉛又は鉄亜鉛被膜を形成させ、そ
の後リン酸亜鉛処理し、続いて水洗・反応型金属石けん
処理・乾燥の工程を経た後、冷間鍛造により、歪速度１
００ｓ＾−＾１以下の加工速度で成形することを特徴と
するβ型チタン合金鍛造品の製造方法。
（２）脱スケールしたβ型チタン合金材に、亜鉛又は鉄
亜鉛合金を被着してなる粒によるブラスト処理を行ない
、該合金材の表面に亜鉛又は鉄亜鉛被膜を形成させ、そ
の後リン酸亜鉛処理し、続いて水洗・反応型金属石けん
処理・乾燥の工程を経た後、冷間鍛造により、歪速度１
００ｓ＾−＾１以下の加工速度で成形し、続いて得られ
た成形品の表面に形成されている表面潤滑被膜を除去し
た後、４００〜５５０℃の温度で時効することを特徴と
するβ型チタン合金鍛造品の製造方法。
（３）脱スケールしたβ型チタン合金材に、亜鉛又は鉄
亜鉛合金を被着してなる粒によるブラスト処理を行ない
、該合金材の表面に亜鉛又は鉄亜鉛被膜を形成させ、そ
の後リン酸亜鉛処理し、続いて水洗・反応型金属石けん
処理・乾燥の工程を経た後、冷間鍛造により、歪速度１
００ｓ＾−＾１以下の加工速度で成形し、次いで得られ
た成形品の表面に形成された表面潤滑被膜を除去した後
、４００〜５５０℃の温度で窒化することにより表面処
理と同時に時効することを特徴とするβ型チタン合金鍛
造品の製造方法。
（４）脱スケールしたβ型チタン合金材に、亜鉛又は鉄
亜鉛合金を被着してなる粒によるブラスト処理を行ない
、該合金材の表面に亜鉛又は鉄亜鉛被膜を形成させ、そ
の後リン酸亜鉛処理し、続いて水洗・反応型金属石けん
処理・乾燥の工程を経た後、冷間鍛造により、歪速度１
００ｓ＾−＾１以下の加工速度で成形し、次いで得られ
た成形品の表面に形成された表面潤滑被膜を除去した後
、７３０〜８８０℃の温度で窒化処理した後、４００〜
５５０℃の温度で時効することを特徴とするβ型チタン
合金鍛造品の製造方法。