JPH0649624A - Ti−Al系金属間化合物からなる内燃機関用弁体 - Google Patents

Ti−Al系金属間化合物からなる内燃機関用弁体

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JPH0649624A
JPH0649624A JP4203935A JP20393592A JPH0649624A JP H0649624 A JPH0649624 A JP H0649624A JP 4203935 A JP4203935 A JP 4203935A JP 20393592 A JP20393592 A JP 20393592A JP H0649624 A JPH0649624 A JP H0649624A
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JP
Japan
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intermetallic compound
internal combustion
combustion engine
valve
valve body
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Pending
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JP4203935A
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English (en)
Inventor
Kazuhisa Shibue
和久 渋江
Bokujiyun Kin
睦淳 金
Masaki Kumagai
正樹 熊谷
Takashi Morikawa
隆 森川
Hiroyuki Shamoto
裕幸 社本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Toyota Motor Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 形状付与が容易でしかも高温強度を備え、軽
量で内燃機関の排気弁や吸気弁として好適なTi−Al
系金属間化合物からなる内燃機関用弁体を提供するこ
と。 【構成】 内燃機関用の吸気弁又は排気弁に使用される
弁体1であって、Alが40〜46at%,Mnが0.
5〜3at%からなり、該Ti−Al系金属間化合物中
に、TiAlとTi3Alとが交互に積層されたラメラ
組織を体積率で50%以上を含むとともに、かさ部及び
首部のラメラ組織の平均結晶粒径が50〜500μm,
軸部の平均結晶粒径が50μm未満であることを特徴と
するTi−Al系金属間化合物からなる内燃機関用弁体
1。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、軽量耐熱或は高比剛性
が要求される自動車分野等の吸気弁や排気弁に関し、特
にTi−Al系金属間化合物からなる内燃機関用弁体に
関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、高度情報化時代となるにつれ
て、人的或は物流的輸送の分野において、高速化・快適
性が要求されるとともに地球環境に優しい輸送機関が求
められている。特に自動車工業分野においては、高性能
化,快適性,耐環境性を具備した自動車が要求され、こ
のため自動車用内燃機関の改良がなされてきている。と
りわけ、吸・排気弁を軽量化すれば、弁のカムプロフィ
ールへの追従性を向上することができるとともに燃料消
費量を低減することが可能となる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、自動車
の吸・排気弁の使用環境は高温であるため、現状は耐熱
鋼或はNi基合金が使用されているが、これらの合金の
密度は約8000kg/m3とかなり大きいという問題があ
る。また、軽量金属材料としては、Ti合金或はAl合
金が代表的なものであるが、いずれも耐熱性が耐熱鋼よ
りも劣るのでほとんど利用されておらず、そのため弁用
の軽量耐熱材料の開発が待たれている。
【0004】ところで、近年研究が進んでいるTi−A
l系金属間化合物は、密度が3700〜4000kg/m3
程度と軽量であり、さらに高温強度に優れており、軽量
・耐熱材料として期待されている。しかし、本化合物は
以下の,の理由により、未だ内燃機関用の実用的な
吸・排気弁に適用されていない。
【0005】Ti−Al系金属間化合物は難加工材で
あるため、弁の形状付与が困難。 Ti−Al系金属間化合物の常温或は高温強度特性
が、弁として耐えうるかが不明。 このうち、前記については、反応焼結法を採用すれ
ば、比較的複雑な形状部品を容易に製造可能なことが知
られている(特公平1−30898号)。従って、この
方法を用いて、内燃機関用の吸気弁や排気弁の様な比較
的複雑な弁形状を、容易に製造する方法が提案されてい
る(特開平4−28832号)。この反応焼結法とは、
Ti粉末とAl粉末を反応合成温度未満において混合−
脱気−塑性加工により緻密なTiとAlの混合体を作製
した後、該混合体を反応合成温度以上に加熱する方法で
ある。
【0006】更に、弁の部位により要求特性が異なるこ
とを勘案し、各部位に要求される特性に適する金属組織
を備えるTi−Al系金属間化合物からなる弁体が発明
されている(特願平3−39110号)。これは、特に
高温強度が要求される弁のかさ部及び首部の結晶粒径を
35〜500μm,常温付近の強度が要求される軸部の
結晶粒径を25μm以下とする弁である。しかしなが
ら、これらの発明(特開平4−28832号及び特願平
3−39110号)では、弁として耐え得るかの十分な
検討がなされておらず、特に、非定常な高速回転域にお
いて弁の耐久性は不明である。
【0007】一方、本発明者らは、反応焼結法により製
造されたTi−Al系金属間化合物において、その金属
組織を制御することにより一層強度を高められることを
発見した(日本金属学会講演概要集 ’92.4,P3
47,(617))。これによれば、強度の向上には、
TiAlとTi3Alからなるラメラ組織の体積率を高
くすることと微細にすることが有効であることが報告さ
れている。
【0008】そこで本発明は、前記課題を解決するため
に、弁体の要求を満足する金属組織を明らかにするとと
もに、形状付与が容易でしかも高温強度を備え、更に非
定常な高速回転域においても破壊しない内燃機関の吸気
弁や排気弁として好適なTi−Al系金属間化合物から
なる内燃機関用弁体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】この目的を達成するため
の本発明は、内燃機関用の吸気弁又は排気弁に使用され
る弁体であって、Alが40〜46at%,Mnが0.
5〜3at%,残部TiからなるTi−Al系金属間化
合物からなり、該Ti−Al系金属間化合物中に、Ti
AlとTi3Alとが交互に積層されたラメラ組織を体
積率で50%以上を含むとともに、かさ部及び首部のラ
メラ組織の平均結晶粒径が50〜500μm,軸部の平
均結晶粒径が50μm未満であることを特徴とするTi
−Al系金属間化合物からなる内燃機関用弁体を要旨と
する。
【0010】ここで、各請求項の数値を規定する理由を
説明する。 (1)Al量:40at%〜46at% 下限値未満ではラメラ層が粗大化する。また上限値を越
えるとラメラ層が十分に得られないため、Ti−Al系
金属間化合物製の弁体としての強度が不足し、実用に耐
えない。
【0011】(2)Mn量:0.5at%〜3at% Mn添加によりラメラ層が発達するとともにラメラ層が
微細化するため、Mn添加は強度および延性の向上に寄
与するが、下限値未満ではそれらの効果がみられず、上
限値を越えるとそれらの効果が飽和するとともに密度の
上昇を招き好ましくない。
【0012】(3) ラメラ組織の体積率:50%以上 50%未満では、弁体の強度が向上しない。 (4) ラメラ組織の結晶粒径 軸部:ラメラの平均結晶粒径が50μm以下 上限を越えると強度が低下し、弁体(軸部)としての強
度を確保できない。
【0013】かさ部及び首部:ラメラの平均結晶粒径が
50〜500μm以下 下限未満ではクリープ強度が不十分となり、上限を越え
ると常温付近の強度が著しく低下し、弁体としての強度
が確保できなくなる。
【0014】
【作用】Ti−Al系金属間化合物からなる内燃機関用
弁体を製造するに際して、常温材料特性と組成および金
属組織の関係を詳細に調査するとともに、弁体の材料と
しての適用性を検討した結果、軸部では常温引張強さ5
50MPa以上,伸び0.5%以上の引張特性が、かさ部
及び首部では例えばクリープ破断強度(800℃,10
0時間)80MPa以上必要なことが明らかになった。こ
の引張特性は、例えば反応焼結法(Ti粉末とAl粉末
を反応合成温度未満において混合−脱気−塑性加工によ
り緻密にTiとAlの混合体を作製した後、該混合体を
反応合成温度以上に加熱する方法)により得られるが、
この反応焼結法で得られた材料を調べることで、引張特
性を実現するための組成範囲及び金属組織が明らかとな
った。
【0015】よって、この引張特性を得ることができる
前記本発明の構成を採用することによって、内燃機関の
吸気弁や排気弁として好適なTi−Al系金属間化合物
からなる内燃機関用弁体が実現される。
【0016】
【実施例】以下、本発明を具体化した実施例を、比較例
とともに説明する。 (実施例)チタン粉末を粒径149μm以下にふるいわ
けた後、ガスアトマイズ法で作製したAl−Mn合金粉
末を粒径149μm以下にふるい分け、化学成分が最終
組成で下記表1の試料No.1〜5となる様にこれらの粉
末を混合した。
【0017】そして、この混合物をアルミニウム容器に
挿入し、本容器内を加熱しながら真空排気し脱気処理
(温度:460℃)をした後、押出しを実施した。得ら
れた押出材からアルミニウム容器を外削除去し、鍛造用
素材とした。続いて、冷間鍛造により弁体に近い形状に
加工し、HIP中で反応合成(合成開始温度:560
℃)を行い、Ti−Al系金属間化合物とした後、引き
続いてHIP中にて金属組織の均質化処理を実施した
(加熱温度:1300℃,加熱時間:8時間,圧力:1
60MPa)。
【0018】得られた弁体形状材から切削により、図1
に示す様なかさ部,首部及び軸部からなる弁体1を成形
し、モータリング試験に供した。また、弁体状材から引
張試験片(平行部径:φ5mm、標点間距離:15mm)を
採取し、常温引張試験(ひずみ速度:10-3/秒)を実
施するとともにミクロ組織観察を実施し、ラメラ組織の
体積率およびその結晶粒径を測定した。これらの試験及
び測定等の結果を同じく表1に記す。
【0019】また、押出材(バルブの首部相当)を、同
様にHIP中で反応合成し、Ti−Al系金属間化合物
とした後、引き続いてHIP中にて金属組織の均質化処
理を実施した。得られたTi−Al系金属間化合物から
クリープ試験片を作製し、800℃においてクリープ試
験を行ない、その破断強度を求めた。
【0020】また、前記モータリング試験としては、2
000cc,4気筒のガソリンエンジンに前記弁体を排気
弁として組み込み、その強度を評価した。試験条件は1
0000rpm×10minの高回転短時間モータリング試験
とした。尚、表1中の○は本試験結果において、弁体の
破壊等が発生しなかった良好なことを表す。
【0021】
【表1】
【0022】(比較例1)チタン粉末を粒径149μm
以下にふるいわけた後、ガスアトマイズ法で作製したA
l粉末或はAl−Mn合金粉末を粒径149μm以下に
ふるい分け、化学成分が最終組成で下記表2の試料No.
1〜3となる様にこれらの粉末を混合した。
【0023】そして、この混合物をアルミニウム容器に
挿入し、本容器内を加熱しながら真空排気し脱気処理
(温度:460℃)を実施した。得られた押出材からア
ルミニウム容器を外削除去し、鍛造用素材とした。続い
て、冷間鍛造により弁体に近い形状に加工し、反応合成
(合成開始温度:560℃)を行い、Ti−Al系金属
間化合物とした後、引き続いてHIP中にて金属組織の
均質化処理を実施した(加熱温度:1300℃,加熱時
間:8時間,圧力:160MPa)。
【0024】得られた弁体形状材から切削により弁体に
成形し、前記実施例と同様なモータリング試験に供し
た。また、弁体状材から同様に引張試験片を採取し、常
温引張試験を実施するとともにミクロ組織観察を実施
し、ラメラ組織の体積率およびその結晶粒径を測定し
た。その結果を下記表2の試料No.1〜3に記す。
【0025】(比較例2)また、プラズマアーク溶解に
よりTi−42.5at%Al−1.6at%Mn合金を
作製し、得られた鋳塊から切削により弁体を成形し、前
記実施例と同様なモータリング試験に供した。また、弁
体形状材から同様に引張試験片を採取し、常温引張試験
を実施するとともにミクロ組織観察を実施し、ラメラ組
織の体積率およびその結晶粒径を測定した。その結果を
表2の試料No.4に示す。
【0026】
【表2】
【0027】前記表1及び表2から明らかな様に、本実
施例では、いずれもモータリング試験において、弁体の
破壊が見られず好適であった。それに対して、比較例で
は、いずれの場合も、製造された試料の強度が低く、モ
ータリング試験においても弁体が破壊し好適ではない。
【0028】尚、本発明は、上記実施例に何等限定され
ず、本発明の要旨の範囲内において各種の態様で実施で
きることは勿論である。例えば、前記実施例では、弁体
を排気弁として使用したが、吸気弁として使用した場合
もその効果は変わらない。
【0029】
【発明の効果】以上詳述した様に、本発明のTi−Al
系金属間化合物からなる内燃機関用弁体は、Alが40
〜46at%,Mnが0.5〜3at%からなり、Ti
−Al系金属間化合物中に、TiAlとTi3Alとが
交互に積層されたラメラ組織を体積率で50%以上を含
むとともに、ラメラ組織の平均結晶粒径がかさ部及び首
部で50〜500μm,軸部で50μm未満であるので、
例えば反応焼結法を採用することにより形状付与の加工
が容易であり、しかも内燃機関に使用される弁体として
十分な高温強度を備えている。
【0030】しかも本発明によって、弁体の軽量化が実
現されるので、内燃機関の燃料消費量を軽減できるとい
う顕著な利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例の弁体を示す正面図である。
【符号の説明】
1…弁体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 熊谷 正樹 東京都港区新橋5丁目11番3号 住友軽金 属工業株式会社内 (72)発明者 森川 隆 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 社本 裕幸 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内燃機関用の吸気弁又は排気弁に使用さ
    れる弁体であって、Alが40〜46at%,Mnが
    0.5〜3at%,残部TiからなるTi−Al系金属
    間化合物からなり、該Ti−Al系金属間化合物中に、
    TiAlとTi 3Alとが交互に積層されたラメラ組織
    を体積率で50%以上を含むとともに、かさ部及び首部
    のラメラ組織の平均結晶粒径が50〜500μm,軸部
    の平均結晶粒径が50μm未満であることを特徴とする
    Ti−Al系金属間化合物からなる内燃機関用弁体。
JP4203935A 1992-07-30 1992-07-30 Ti−Al系金属間化合物からなる内燃機関用弁体 Pending JPH0649624A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1127949A3 (en) * 2000-02-23 2002-09-18 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. TiA1 based alloy, production process therefor, and rotor blade using same

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1127949A3 (en) * 2000-02-23 2002-09-18 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. TiA1 based alloy, production process therefor, and rotor blade using same
US6669791B2 (en) 2000-02-23 2003-12-30 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. TiAl based alloy, production process therefor, and rotor blade using same

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