JPH02179861A - チタンまたはチタン合金の表面処理方法 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は例えば他種金属部品との摺動部品として使用
可能なチタンまたはチタン合金の表面処理方法に関する
。

（従来の技術） 一般に、例えば車両用のエンジン部品には多数の金属部
品が使用されている。ところで、従来からこの種のエン
ジン部品の一部を鉄鋼材料よりも比重が小さいチタンま
たはチタン合金によって形成し、エンジン全体の軽量化
を図ることが行われている。しかしながら、チタンまた
はチタン合金によって形成された部品を格別な表面処理
を施すことなく他種金属部品との摺動部品として使用し
た場合には相手金属部品との焼付けが発生し易く、また
摩耗による損傷が著しいという問題がある。そこで、チ
タンまたはチタン合金部品に窒化、浸炭、めっき等の表
面処理を施すことにより、相手金属部品との焼付けを防
止することが従来から行われている。

しかしながら、チタンまたはチタン合金部品に窒化等の
表面処理を施した場合には部品の硬度が大幅に上昇する
ので、この表面処理部品と摺接する相手金属部品側の摩
耗量が大きくなり、耐久性が損われる問題があった。ま
た、チタンまたはチタン合金部品の表面にめっき処理を
施した場合には相手金属部品側との摺動動作にともない
めっき処理層が剥離し易いので、信頼性の面で問題があ
り、低コストで信頼性の優れた表面処理方法の開発が要
望されているのが実情であった。

（発明が解決しようとする課題） 従来構成のものにあってはチタンまたはチタン合金部品
に窒化等の表面処理を施した場合にはこの表面処理部品
と摺接する相手金属部品側の摩耗量が大きくなり、耐久
性が損われる問題が発生するとともに、チタンまたはチ
タン合金部品の表面にめっき処理を施した場合にはめっ
き処理層が剥離し易く、信頼性の面で問題があった。

この発明は上記事情に着目してなされたもので、チタン
またはチタン合金部品の耐焼付は性および耐摩耗性の向
」二を図ることができると同時に、チタンまたはチタン
合金部品に摺接する相手部品側の摩耗量の増大を防止し
て耐久性の向上を図ることかできるチタンまたはチタン
合金の表面処理方法を提供することを目的とするもので
ある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） この発明はチタンまたはチタン合金によって形成される
被処理体を酸化性雰囲気中で加熱状態で所定時間保持さ
せて前記被処理体の表面に酸化物層および酸素富化層の
複合層を形成する加熱工程と、この加熱工程終了後、前
記被処理体を急冷して前記被処理体の表面複合層の最外
層のスケル層を除去するスケール層除去工程とを設けた
ものである。

（作用） チタンまたはチタン合金によって形成される被処理体を
酸化性雰囲気中で加熱状態で所定時間保持させ、前記被
処理体の表面に酸化物層および酸素富化層の複合層を形
成させたのち、被処理体を急冷して前記被処理体の表面
複合層の最外層のスケール層を除去することにより、被
処理体表面にチタンまたはチタン合金部品に摺接する相
手部品側と略同程度の硬度の硬化層を比較的深く形成し
、チタンまたはチタン合金部品の耐焼付は性および耐摩
耗性の向上を図ると同時に、チタンまたはチタン合金部
品に摺接する相手部品側の摩耗量の増大を防止して耐久
性の向上を図るようにしたものである。

（実施例） 以下、この発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図はエンジンの弁機構１の要部の概略構成を示すも
ので、２は吸気弁または排気弁等のバルブ本体である。

このバルブ本体２にはバルブステム３の上端部にバルブ
スプリングリテーナ４が固定されており、このバルブ本
体２のバルブステム３の周囲に装着されたバルブスプリ
ング５の上端部がバルブスプリングリテーナ４に圧接状
態で保持されている。この場合、バルブスプリング５は
例えば鉄鋼材料によって形成されているとともに、バル
ブスプリングリテーナ４はチタンまたはチタン合金、例
えばＴ　ｉ−２２Ｖ−４ＡｊＪ合金によって形成されて
いる。

また、バルブスプリングリテーナ４を形成するＴ　１−
２２Ｖ−４ＡＮ合金は所定形状に形成されたのち、次の
方法によって表面処理されている。

ます、Ｔ　１−２２Ｖ−４ＡＲ合金によって形成される
バルブスプリングリテーナ４の被処理体を酸化性雰囲気
中、例えば大気中で加熱状態で所定時間保持させ、被処
理体の表面に酸化物層および酸素富化層の複合層を形成
する（加熱工程）。この加熱工程中は例えば９００℃の
加熱温度で３０分間保持させる。

さらに、この加熱工程終了後、被処理体を急冷して被処
理体の表面複合層の最外層のスケール層を除去する（ス
ケール層除去工程）。この場合、被処理体の急冷作業は
水冷によって行われている。

なお、第２図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は上記表面処理方
法の加熱工程時の加熱温度の違いによるチタン１１の表
面の酸化被膜の構造の差異の一例を示すものである。こ
こで、第２図（Ａ）は加熱工程時の加熱温度を７００〜
８００℃に設定した場合の酸化被膜構造、同図（Ｂ）は
加熱工程時の加熱温度を８２５〜８５０℃で長時間保持
させた場合の酸化被膜構造、同図（Ｃ）は加熱工程時の
加熱温度を８７５〜１０５０℃で長時間保持させた場合
の酸化被膜構造をそれぞれ示すものである。

この場合、第２図（Ａ）では青銅色のチタン１１の表面
に単一のＴｉ０２（ルチル）層１２が形成されている。

さらに、同図（Ｂ）および（Ｃ）ではチタン１１の表面
に複数の酸化物層および酸素富化層の複合層１３．１４
がそれぞれ形成されている。この第２図（Ｂ）の複合層
１３は内面側から順に１層１３ａがチタン＋ＴｉＯ粉末
層、■層１３ｂがＴｉＯ＋金属チタン層、■層１３ｃが
暗青色のＴ　ｉ　０２層、■層１３ｄが淡青色のＴ　ｉ
　０２層、７層１３ｅが黄褐色のＴ　Ｌ　０２層によっ
て形成されている。また、第２図（Ｃ）の複合層１４は
内面側から順に１層１４ａがチタン＋Ｔｉｏ粉末層、■
層１４ｂがＴｉＯ＋金属チタン層、■層１４ｃがＴｉ０
層、■層１４ｄがＴｉ２Ｏ３層、７層１４ｅが暗青色の
ＴｉＯ２層によって形成されている。

また、下表は上記表面処理が行なわれたＴｉ−２２Ｖ−
４Ａｎ合金の表面硬さを調べた実験結果 を示すものである。

表 さらに、第３図は上記表面処理が行なわれた被処理体の
表面からの距離と硬度との関係を調べた実験結果（断面
硬さ分布）を示すものである。なお、第３図中で、ａは
被処理体を９００℃の加熱／！１度で３０分間保持させ
た場合の特性、ｂは被処理体を７００℃の加熱温度で３
０分間保持させた場合の特性をそれぞれ示すものである
。

また、第４図はバルブスプリングリテーナ４のモータリ
ング耐久試験結果（バルブスプリングリテーナ４におけ
るバルブスプリング５の座面５ａの摩耗量Δｔの変化状
態）を示すものである。なお、第４図中、Ｃは表面処理
を施していない場合の特性、ｄは浸炭焼入れ処理を施し
た場合の特性、ｅはイオン窒化処理を施した場合の特性
、ｇは本発明の表面処理を施した場合の特性をそれぞれ
示すものである。また、ｆは鋼の代表例である５Ｃｒ４
１５に浸炭焼入れ処理を施した場合の特性を比較例とし
て示すものである。

したかって、上表および第３図、第４図からも明らかな
ように上記表面処理方法によれば加熱１稈終了後、被処
理体−を急冷して被処理体の表面慢合層１３の最外層の
多孔性酸化物からなる外部酸化スケール層を除去するよ
うにしたので、被処理体であるＴ　１−２２Ｖ−４Ａｉ
１合金部品によって形成されるバルブスプリングリテー
ナ４の表面にこのバルブスプリングリテーナ４に摺接す
るバルブスプリング５側と略同程度の硬度の硬化層を比
較的深＜（例えば１００μｍ以上）形成させることがで
きる。そのため、Ｔ　ｉｌ−２２Ｖ−４Ａ合金部品の耐
焼付は性および耐摩耗性の向上を図ることができると同
時に、Ｔ　１−２２Ｖ−４Ａｆｆ合金部品に摺接するバ
ルブスプリング５側の摩耗量の増大を防止して耐久性の
向上を図ることができる。

さらに、第５図は上記表面処理が行なわれた被処理体の
各加熱温度毎の加熱時間と重量増加状態との関係を調べ
た実験結果を示すものである。

したがって、この第５図からも明らかなように加熱工程
時に被処理体を９００℃の加熱温度で３０分間保持させ
ることにより、Ｔｉ−２２Ｖ−４ＡＪ合金部品の表面処
理時の寸法変化およびＩＲ冊変化の低減を図ることがで
きる。

なお、この発明は上記実施例に限定されるものではない
。例えば、上記実施例では加熱工程中、９００℃の加熱
温度で３０分間保持させた場合について示したが、加熱
工程は７００℃の加熱温度で１０時間保持させてもよく
、また１０５０°Ｃの加熱温度で５分間保持させてもよ
い。ここで、加熱温度を７００℃よりも低く設定した場
合には第６図に示すように被処理体の硬度（ビッカース
硬度）Ｈｖが５００より低くなるので、耐摩耗性が悪く
なる問題があるとともに、加熱温度を１０５０℃よりも
高く設定した場合には被処理体の表面に形成されるチタ
ン合金の結晶粒がｔｆｌ大化するので、機械的な引張り
強度や疲労強度が低下する問題が発生し、さらに処理後
の重量増加量が大きくなる問題もある。したがって、加
熱工程時の加熱温度は７００〜１０５０℃の範囲内で適
宜設定してもよい。この場合、加熱時間は低温側では長
く設定し、高温側では短くなるように設定することによ
り、上記実施例と同様の効果を得ることができる。

さらに、上記実施例では加熱工程終了後、水冷７によっ
て被処理体を急冷させているが、強制空冷によって急冷
させてもよい。

また、上記実施例ではこの発明をバルブスプリングリテ
ーナ４に適用した場合について示したが、フンロッド、
バルブスプリング、バルブステム等に適用してもよく、
さらにその他、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々
変形実施できることは勿論である。

［発明の効果］ この発明によればチタンまたはチタン合金によって形成
される被処理体を酸化性雰囲気中で加熱状態で所定時間
保持させて前記被処理体の表面に酸化物層および酸素富
化層の複合層を形成する加熱工程と、この加熱工程終了
後、前記被処理体を急冷して前記被処理体の表面腹合層
の最外層のスケール層を除去するスケール層除去工程と
を設けたので、チタンまたはチタン合金部品の耐焼付は
性および耐摩耗性の向上を図ることができると同時に、
チタンまたはチタン合金部品に摺接する相手部品側の摩
耗二の増大を防止して耐久性の向−Ｆを図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

図面はこの発明の一実施例を示すもので、第１図はエン
ジンの弁機構の要部の概略構成を示す縦断面図、第２図
（Ａ）は加熱工程時の加熱温度を７００〜８００℃に設
定した場合の酸化被膜構造の概略構成図、同図（Ｂ）は
加熱工程時の加熱温度を８２５〜８５０℃で長時間保持
させた場合の酸化波膜構造の概略構成図、同図（Ｃ）は
加熱工程時の加熱温度を８７５〜１０５０℃で長時間保
持させた場合の酸化波膜構造の概略構成図、第３図は彼
、処理体の表面からの距離と硬度との関係を調べた実験
結果を示す特性図、第４図はバルブスプリングリテーナ
のモータリング耐久試験結果を示す特性図、第５図は被
処理体の各加熱温度毎の加熱時間と重量増加状態との関
係を調べた実験結果を示す特性図、第６図は加熱温度と
表面硬度との関係を示す特性図である。 ４・・・バルブスプリングリテーナ（被処理体）、１．
３．１４・・・複合層。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 表面からの洞巳大庄 第３図 （ｍｍ） ＦＦ　］’！ｉ　（Ｈｒ） 第４図 膚 屑 （ｍｉｎ） 第 図 ７１］想温茂　（０Ｃ） ３ｏづす刀珂カロ然し１寸の表面不ヌク【ヒ１１虻との
戸４１爪第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. チタンまたはチタン合金によって形成される被処理体を
   酸化性雰囲気中で加熱状態で所定時間保持させ、前記被
   処理体の表面に酸化物層および酸素富化層の複合層を形
   成する加熱工程と、この加熱工程終了後、前記被処理体
   を急冷して前記被処理体の表面複合層の最外層のスケー
   ル層を除去するスケール層除去工程とを具備したことを
   特徴とするチタンまたはチタン合金の表面処理方法。