JPH0633221A

JPH0633221A - Ｔｉ−Ａｌ系合金部材へのＴｉ拡散浸透処理方法

Info

Publication number: JPH0633221A
Application number: JP18706092A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tamura; 央田村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1992-07-14
Filing date: 1992-07-14
Publication date: 1994-02-08

Abstract

(57)【要約】【目的】大面積部位の表面硬化処理が可能なＴｉ−Ａ
ｌ系合金部材へのＴｉ拡散浸透処理方法。【構成】Ｔｉ−Ａｌ系合金からなる基材を、チタン粉
末に活性化剤粉末および焼結防用のセラミック粉末を混
合した処理粉末で覆い、不活性雰囲気中で加熱して、Ｔ
ｉを拡散させ、必要に応じてさらに不活性雰囲気中で、
７００〜１１００℃で１０〜５０時間の加熱処理を行
う。Ｔｉ−Ａｌ系合金部材は処理粉末中で熱処理してＴ
ｉを拡散浸透させるので、処理面積の大きな部材でも、
また複雑形状の部材であっても、処理が可能であり、耐
摩耗性に優れたＴｉ−Ａｌ系合金部材が得られ、さら
に、加熱処理を行うことにより、Ｔｉがより深部まで拡
散浸透して、耐摩耗性のある拡散深さが拡大される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＴｉ−Ａｌ系合金部材へ
のＴｉ拡散浸透処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】Ｔｉ−Ａｌ二元系において、常温におけ
る３５〜４２原子％Ａｌの組成域において、金属間化合
物ＴｉＡｌが存在し、この金属間化合物は比重が約３．
８と軽量で、かつ、１０７０Ｋまでの耐力が４００ＭＰ
ａ以上等の優れた力学的特性を持つため、軽量耐熱構造
材として、エンジンやタービン等への実用化が期待され
ている。

【０００３】しかしながら、金属間化合物ＴｉＡｌは軽
量で高温強度、クリープ強度には優れているが、硬度が
低いため表面の耐摩耗性が劣り、高い耐摩耗性を要求さ
れる摺動部材へ適用するためには、表面硬化処理をする
必要があった。

【０００４】例えば、特開平２−４７２７８号公報の耐
摩耗性Ｔｉ系部材の発明においては、実質的にＴｉＡｌ
からなる基材の耐摩耗性が要求される部位の表面層に、
アルミニウム粉末を配し、レーザ光を照射することによ
り、Ａｌ濃度が４８％以上のＴｉＡｌ₃層を主体とする
層を形成し、耐摩耗性を向上しており、また、特開平３
−２２９８８４号公報の耐摩耗性チタン合金部材の発明
においては、ＴｉＡｌからなる基材の耐摩耗性が要求さ
れる部位に、ブラズマ肉盛法を用いてアルミニウム２８
〜３１％を含む主としてＴｉ₃Ａｌからなる耐摩耗層を
形成し、耐摩耗性の優れた部材を得ている。

【０００５】特開平３−７５３８５号公報のＴｉＡｌ基
合金製摺動部用部品の発明においては、これらＴｉＡｌ
系合金をエンジンバルブとして用いるには充分な耐摩耗
性を具備しないことを指摘すると共に、ＴｉＡｌ合金部
材の表面を、物理的プロセスによる気相メッキまたはガ
ス窒化等の処理によって、厚さ２〜１０μｍの窒化チタ
ン層で被覆することにより、耐摩耗性が改善されること
が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記特開平
２−４７２７８号公報の耐摩耗性Ｔｉ系部材の発明にお
いては、表面層にアルミニウム粉末を配し、レーザ光を
照射することにより、耐摩耗層を形成しており、また前
記特開平３−２２９８８４号公報の耐摩耗性チタン合金
部材の発明においては、ブラズマ肉盛法を用いて耐摩耗
層を形成している。

【０００７】しかしながら、この様な方法は、例えば自
動車用エンジンバルブフェースのような限られた部位
（小面積部位）には適しているが、複雑な形状の部品表
面全体であるとか、大面積部位への適用は困難である。

【０００８】本発明はＴｉ−Ａｌ合金部材の表面硬化処
理の前記のごとき問題点を解決すべく発明されたもので
あって、Ｔｉ−Ａｌ合金部材の耐摩耗性を必要とする摺
動部材への適用において、大面積部位あるいは複雑形状
部位への表面硬化処理が可能な処理方法を提供すること
を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】発明者は、Ｔｉ−Ａｌ金
属間化合物を主体とする基材の耐摩耗性を必要とする部
位に、アルミニウム２８〜３１％を含む主としてＴｉ₃
Ａｌからなる耐摩耗層を形成すると、摺動部材としの耐
摩耗性が確保できることに鑑み、Ｔｉを拡散浸透させる
ことを着想し、Ｔｉ−Ａｌ合金部材のＴｉ拡散方法につ
いて鋭意研究を重ねた。その結果、基材の表面に適量の
Ｔｉ粉末とハロゲン化物およびセラミック粉末の混合粉
末を接触させて加熱することにより、Ｔｉを拡散浸透で
きることを見出して本発明を完成した。

【００１０】本発明のＴｉ−Ａｌ系合金部材へのＴｉ拡
散浸透処理方法は、Ｔｉ−Ａｌ系合金からなる基材を、
混合比で１０〜６０ｗｔ％のチタン粉末と、１０ｗｔ％
以下のハロゲン化合物と、残部がセラミック粉末からな
る処理粉末で覆い、不活性雰囲気中で加熱して、Ｔｉを
拡散させることを要旨とする。また、本発明では、必要
に応じて、さらにＴｉを拡散させたＴｉ−Ａｌ系合金か
らなる基材を、前記処理粉末から取り出し、さらに不活
性雰囲気中で、７００〜１１００℃で１０〜５０時間の
加熱処理を行う。

【００１１】本発明のＴｉ−Ａｌ系合金は、Ａｌ３３〜
３８重量％を含むＴｉ−Ａｌ合金からなる。Ａｌ３３〜
３８重量％はＴｉＡｌを主とするＴｉ−Ａｌ系金属間化
合物の組成範囲である。ここに、ＴｉＡｌを主とするＴ
ｉ−Ａｌ系金属間化合物とは、ＴｉＡｌ金属間化合物を
主として含み、他にＴｉＡｌ₂、ＴｉＡｌ₃、Ｔｉ₃Ａｌ
等の金属間化合物を含むものをいう。

【００１２】Ａｌが３３重量％未満ではＴｉＡｌ合金中
のＴｉＡｌ金属間化合物の割合が少なくなって低比重、
高温強度およびクリープ強度の向上が充分でなく、、Ａ
ｌが３８重量％を越えるとＴｉＡｌ₃金属間化合物が晶
出しやすくなって脆くなる。このため、基材のＡｌが３
３〜３８重量％を外れると、耐摩耗性チタン合金部材の
強度特性が劣る。

【００１３】処理粉末は、拡散浸透しようとする金属粉
末、金属粉末の焼結防止用のアルミナ、カオリン等のセ
ラミック粉末、金属粉末に活性化吸着し解離する塩化ア
ンモニウムまたはハロゲン化物からなる。拡散浸透処理
は被処理部材のまわりに処理粉末を充填するいわゆる粉
末充填法により行われる。処理温度は７００〜１１００
℃の温度域とし、処理時間は２〜２０時間とすることが
好ましい。

【００１４】上記処理で膜厚が不十分な時は、上記処理
後に被処理物を粉末中より取り出し、熱処理によって拡
散深さ（改質厚さ）を拡大することも可能である。その
際の条件としては、不活性雰囲気にて７００〜１１００
の温度範囲で１０〜５０時間行う。

【００１５】

【作用】Ｔｉ−Ａｌ系合金部材は処理粉末中で熱処理し
てＴｉを拡散浸透させるので、処理面積の大きな部材で
も、また複雑形状の部材であっても、処理が可能であ
り、耐摩耗性に優れたＴｉ−Ａｌ系合金部材が得られ
る。さらに、必要に応じて７００〜１１００℃で１０〜
５０時間の加熱処理を行うことにより、Ｔｉがより深部
まで拡散浸透して、耐摩耗性のある拡散深さが拡大され
る。

【００１６】すなわち、基材についてはＴｉ−Ａｌを主
とするＴｉ−Ａｌ系金属間化合物によって充分な高温強
度や耐クリープ強度を発揮し、基材の耐摩耗性が必要な
部位についてはＴｉの浸透拡散により、Ｔｉ₃Ａｌを主
とするＴｉＡｌ系金属間化合物からなる耐摩耗層が形成
され、充分な耐摩耗性を発揮する。

【００１７】本発明においては、表面改質部厚さは５〜
１０００μｍとすることが好ましい。Ｔｉ拡散層の厚さ
が５μｍ未満では表面改質効果が充分でなく、逆に１０
００μｍを越えると処理に長時間を要し表面改質層が剥
離するおそれがあるからである。

【００１８】処理粉末のＴｉ粉末混合量を１０〜６０重
量％としたのは、１０％未満では充分な厚さの表面改質
層が得られないからであり、６０％を越えると処理粉末
が焼結しＴｉの拡散ができなくなり却って表面改質層の
厚さが激減するからである。

【００１９】また、活性化剤である塩化アンモニウムや
フッ化アルミニウム等のハロゲン化物の添加量を１０％
以下としたのは、添加量が１０％を越えるとＴｉの拡散
浸透量が却って減少するからである。セラミック粉末は
処理温度でのＴｉ粉末の焼結を防止する作用をする。従
って、セラミック粉末は処理温度で分解やそれ自身の焼
結がないもの、例えば安定酸化物等を用いるのが好まし
く、さらに好ましくはＡｌ₂０₃、ＺｒＯ₂等である。

【００２０】Ｔｉの拡散浸透処理温度を７００〜１１０
０℃の温度域とし、処理時間を２〜２０時間としたの
は、処理条件が７００℃未満で２時間未満であると、拡
散速度が遅く充分な処理厚さが得られないからであり、
処理温度が１１００℃を越えるとＴｉ−Ａｌの基材の変
態により組織が変わるおそれがあるからであり、処理時
間が２０時間を越えても拡散Ｔｉ含有量が飽和し、それ
以上増加しないからである。

【００２１】Ｔｉを拡散させたＴｉ−Ａｌ系合金からな
る基材の加熱処理時間を７００〜１１００℃で１０〜５
０時間としたのは、温度については前記拡散浸透処理と
同じであり、時間については、５０時間を越えると部材
に歪みが生じ、面粗度が悪くなるからであり、１０時間
未満ではＴｉ拡散の効果が得られないからである。

【００２２】

【実施例】本発明の実施例を説明し本発明の効果を明ら
かにする。（実施例１）試料Ｎｏ．１として、φ１０×１０ｍｍの
円柱形状のＴｉ−Ａｌ合金（Ｔｉ−３４重量％Ａｌ）を
アルミナ製ルツボに入れ、その周囲を下記組成の拡散剤
粉末にて覆った。この状態でアルゴン雰囲気にした高温
炉内にセットし、９５０℃にて１０時間保持した。

【００２３】（拡散剤処理粉末組成）Ｔｉ粉末（８０〜２００メッシュ）５０重量％塩化アンモニウム粉末（−２７５メッシュ）２重量％Ａｌ₂Ｏ₃粉末（８０〜２００メッシュ）４８重量％

【００２４】試料Ｎｏ．２として、試料Ｎｏ．１と同様
にＴｉ拡散浸透処理したφ１０×１０ｍｍの円柱形状の
ＴｉＡｌ合金（Ｔｉ−３４重量％Ａｌ）をアルミナ製ル
ツボより取り出し、周囲に付着した粉末を除去し、表面
をトリクロロエタン等の有機洗浄剤で洗浄した。この試
料Ｎｏ．２をアルゴン雰囲気にした炉中にセットし、１
１００℃にて２０時間保持する加熱処理を施した。

【００２５】上記処理にて得られた試料Ｎｏ．１および
Ｎｏ．２を切断し、その断面組織の観察を行った。処理
層厚さを測定したところ、Ｎｏ．１では１０μｍであっ
た。しかし、Ｎｏ．２では膜と母材との界面が明確でな
く組織の違いによる膜厚判定は困難であった。

【００２６】次に、Ｘ線回折によって、処理層の同定を
行った、その結果、母材および処理層Ｎｏ．１、Ｎｏ．
２について、それぞれ下記の化合物が検出された。母材：Ｔｉ₃Ａｌ、ＴｉＡｌ（下線は強い
ピークを示す）Ｎｏ．１：Ｔｉ₃Ａｌ、ＴｉＡｌ（下線は強い
ピークを示す）Ｎｏ．２：Ｔｉ₃Ａｌ、ＴｉＡｌ（下線は強い
ピークを示す）ここで、処理層においては、Ｔｉ₃Ａｌのピークが強く
検出されている。ＴｉＡｌ合金はＴｉＡｌとＴｉ₃Ａｌ
より構成されており、試料Ｎｏ．１およびＮｏ．２の処
理層は、この混合比がＴｉ₃Ａｌがリッチになったもの
であることが上記の結果より推定された。

【００２７】処理層の組成を明確にするために、ＥＰＭ
Ａライン分析によって、Ａｌ濃度分布を調査した。その
結果を図１に示す。図１に示す通り拡散浸透処理のみを
施した試料Ｎｏ．１では、処理層界面部でＡｌ含有率が
急激に変化している。また、処理層のＡｌ含有率が２８
重量％であることから、処理層の大部分はＴｉ₃Ａｌよ
り構成されていることが推定された。

【００２８】一方、拡散処理後に熱処理を行った試料Ｎ
ｏ．２では、Ａｌ含有率が連続的に変化していることが
わかる。これは、熱処理によって表面近傍のＴｉが内部
にまで拡散し、その結果、Ｔｉ₃ＡｌとＴｉＡｌとの混
合比が変化したためと推定された。

【００２９】（実施例２）拡散処理粉末のＴｉ含有量が
処理層厚さに及ぼす影響について調査するため、Ｔｉ含
有量を５〜１００重量％の範囲で混合した拡散処理粉末
を用い、実施例１と同様の方法および条件で、Ｔｉ−Ａ
ｌ合金にＴｉ拡散処理を施し、Ｔｉが拡散した処理層の
厚さを測定した。その結果を図２に示す。

【００３０】図２に示したように、処理粉末中のＴｉ含
有量が１０重量％以下では、急激に処理層厚さが減少し
ている。これは、母材に対してＴｉ粉末が充分に接して
いないために、拡散原料であるＴｉが不足したためであ
る。一方、８０重量％以上では処理粉末が焼結してしま
い、処理粉末が母材と接合してしまったため、試料の取
り出しが出来なくなった。また、７０重量％では試料の
取り出しは出来たものの、処理層の厚さが激減した。こ
れは、処理粉末の一部に焼結が起こり、これにより充分
なＴｉ供給ができなくなったためである。以上の結果よ
り、処理粉末中のＴｉ含有量を１０〜６０重量％で処理
すると、所望の処理層厚さでＴｉを拡散浸透させること
ができることが確認された。

【００３１】（実施例３）実施例１と同様な母材および
処理粉末を用い、処理温度、時間を表１に示す通りに変
化させて拡散処理を行い、処理層厚さを測定した。その
結果も併せて表１に示した。なお、表１において、Ｎ
ｏ．１は拡散処理温度が低い比較例、Ｎｏ．５は拡散処
理時間の短い比較例、Ｎｏ．９は拡散処理後の熱処理温
度が低い比較例、Ｎｏ．１３は拡散処理後の熱処理時間
が短い比較例、Ｎｏ．１６は拡散処理後の熱処理時間が
長い比較例である。

【００３２】

【表１】

【００３３】表１に示したように、Ｎｏ．１の拡散処理
温度が低い比較例およびＮｏ．５の拡散処理時間の短い
比較例はＴｉが充分に拡散せず、処理層厚さが２〜３μ
ｍと薄かった。また、Ｎｏ．９の拡散処理後の熱処理温
度が低い比較例およびＮｏ．１３の拡散処理後の熱処理
時間が短い比較例は、共に処理層のＴｉ拡散が不十分
で、処理層の厚さは１３μｍであった。一方、拡散処理
後の熱処理時間が７０時間と長かった比較例Ｎｏ．１６
は、母材に歪みが生じ表面粗度が大きくなった。

【００３４】これに対して本発明の実施例は、所望の処
理層厚さが得られることが判明し、拡散浸透処理条件
は、処理温度は７００〜１１００℃の温度域とし、処理
時間は２〜２０時間とすることが好ましく、また拡散処
理後の加熱処理は７００〜１１００℃で１０〜５０時間
とすることが必要であることが確認された。

【００３５】（実施例４）実施例１の試料Ｎｏ．２につ
いて、その断面の硬度分布を測定し、その結果をＡｌ含
有率との関係図として図３にまとめて示した。図３より
明らかなように、Ａｌ含有率が増加するに伴い、つまり
表面から内部に移るのに伴って、硬度は低下しているこ
とがわかる。これは、Ｔｉ₃ＡｌとＴｉＡｌとの混合比
に起因するものであり、Ｔｉ₃Ａｌの硬度が約４００Ｈ
ｖ、ＴｉＡｌの硬度が約２００Ｈｖであることにより、
説明できる。

【００３６】（実施例５）実施例１で作製した試料Ｎ
ｏ．１およびＮｏ．２の処理層の摩耗試験を実施した。
摩耗試験は図４に示すように、試料の処理層に、ＳＳ４
１からなるリングを、荷重２〜１２ｋｇの間で変化させ
て押圧し、回転数２００ｒｐｍで３０分回転し、処理層
の摩耗量ｍｍ³を測定し、得られた結果を図５に示し
た。なお、比較のために無処理品およびＰＶＤによるＴ
ｉＮコーティング品（膜厚５μｍ）についても、同様に
摩耗試験を行い、図５に併せて示した。

【００３７】本発明品である試料Ｎｏ．１およびＮｏ．
２共に、低荷重では無処理品に比べて優れた耐摩耗性を
示した。一方、高荷重域においては、試料Ｎｏ．１の摩
耗量がやや増加したものの、試料Ｎｏ．１およびＮｏ．
２共に、低荷重では無処理品およびＰＶＤによるＴｉＮ
コーティング品に比べて、優れた耐摩耗性を示した。こ
の結果、本発明の効果が確認されると共に、Ｎｏ．１の
摩耗量が高荷重においてやや高かった理由が、膜厚がＮ
ｏ．１では１０μｍと薄いことに起因するものであり、
このような高荷重域での使用に際しては、Ｎｏ．２のよ
うな熱処理による処理層の拡大処理を行うのが好ましい
ことが判明した。

【００３８】（実施例６）本発明の実機評価を行うた
め、ＴｉＡｌ合金（Ｔｉ−３４重量％Ａｌ）を用いて、
自動車エンジン用ピストンピンを作製し、実施例１で示
したと同一条件でＮｏ．１についてはＴｉ拡散浸透処理
を施し、Ｎｏ．２についてはＴｉ拡散浸透処理後さらに
熱処理を施した。また、比較のために、無処理品および
ＰＶＤによるＴｉＮコーティング品についても、同様の
ピストンピンを作製した。

【００３９】これらピストンピンを、３ｌ−８気筒エン
ジンに組み込み、実機評価を行った。評価条件は、〔過
吸圧６５０ｍｍＨｇでの４０００ｒｐｍ全負荷運転６
分〕→〔アイドル運転１分〕→〔停止６分〕→〔アイド
ル運転１分〕を１サイクルとし、このサイクルを繰り返
し、摩耗または異常の有無で評価した。得られた結果は
表２にまとめて示した。

【００４０】

【表２】

【００４１】表２に示したように、無処理品は１００時
間で摩耗し１５０時間で運転を中止した。また、ＰＶＤ
（ＴｉＮコーティング）品は１５０時間で摩耗が始まり
２５０時間までしか運転できなかった。これに対して本
発明品は優れた性能を発揮し、目標値である５００時間
をクリヤーする性能であって、本発明の効果が確認され
た。

【００４２】

【発明の効果】本発明のＴｉ−Ａｌ系合金部材へのＴｉ
拡散浸透処理方法は以上詳述したように、Ｔｉ−Ａｌ系
合金からなる基材を、チタン粉末に活性化剤粉末および
焼結防用の安定酸化物を混合した処理粉末で覆い、不活
性雰囲気中で加熱して、Ｔｉを拡散させ、必要に応じて
さらに不活性雰囲気中で、７００〜１１００℃で１０〜
５０時間の加熱処理を行うことを特徴とするものであっ
て、Ｔｉ−Ａｌ系合金部材は処理粉末中で熱処理してＴ
ｉを拡散浸透させるので、処理面積の大きな部材でも、
また複雑形状の部材であっても、処理が可能であり、耐
摩耗性に優れたＴｉ−Ａｌ系合金部材が得られ、さら
に、加熱処理を行うことにより、Ｔｉがより深部まで拡
散浸透して、耐摩耗性のある拡散深さが拡大される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法により処理した処理層の表面からの
距離とＡｌ含有量との関係を示した線図である。

【図２】処理粉末中のＴｉ含有量と処理層厚さとの関係
を示す線図である。

【図３】本発明方法で処理された処理層のＡｌ含有量と
硬度の関係を示す線図である。

【図４】摩耗試験の試験方法を説明する斜視図である。

【図５】摩耗試験における荷重と摩耗量との関係を示す
線図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｔｉ−Ａｌ系合金からなる基材を、混合
比で１０〜６０ｗｔ％のチタン粉末と、１０ｗｔ％以下
のハロゲン化合物と、残部がセラミック粉末からなる処
理粉末で覆い、不活性雰囲気中で加熱して、Ｔｉを拡散
させることを特徴とするＴｉ−Ａｌ系合金部材へのＴｉ
拡散浸透処理方法。
【請求項２】Ｔｉを拡散させたＴｉ−Ａｌ系合金から
なる基材を、前記処理粉末から取り出し、さらに不活性
雰囲気中で、７００〜１１００℃で１０〜５０時間の加
熱処理を行うことを特徴とする請求項１に記載のＴｉ−
Ａｌ系合金部材へのＴｉ拡散浸透処理方法。