JPH07180025A - TiAl金属間化合物の酸化処理方法 - Google Patents

TiAl金属間化合物の酸化処理方法

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JPH07180025A
JPH07180025A JP32871693A JP32871693A JPH07180025A JP H07180025 A JPH07180025 A JP H07180025A JP 32871693 A JP32871693 A JP 32871693A JP 32871693 A JP32871693 A JP 32871693A JP H07180025 A JPH07180025 A JP H07180025A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 耐摩耗性に優れたTiAl金属間化合物の酸
化処理方法。 【構成】 少なくとも酸素を含む雰囲気下で、T+50
logH≧750・・・・・(a)式および500+2
5×Al≧T・・・・・・(b)式〔ここで、T:処理
温度(℃)、H:処理時間(h)、Al:被処理材のA
l(重量%)〕なる条件下で加熱し、酸化処理を行うこ
とを特徴とし、さらに請求項2のTiAl金属間化合物
の酸化処理方法は請求項1のTiAl金属間化合物の酸
化処理方法において、25logH+T+0.4P<1
150・・・(c)式〔ここで、P:圧力(Tor
r)〕なる条件下で加熱し、酸化処理を行うことを特徴
とするものであって、TiAl金属間化合物の表面に耐
摩耗性に優れた酸化皮膜を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はTiAl金属間化合物の
酸化処理方法に関する。
【0002】
【従来の技術】Ti−Al二元系平衡状態図において、
常温における35〜42重量%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
400MPa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】このTiAl金属間化合物は、他の金属間
化合物と同様に、通常の金属や合金に比べて脆く、常温
延性に乏しく、そのため比較的延性の出やすいTi寄り
のTiAl+Ti3Al相境界に近い組成の化合物を中
心に検討が続けられており、従ってTi−Al系合金の
実用組成としては、化学量論組成である36重量%Al
よりさらにTiリッチな化合物に、延性または耐酸化性
を改善するためMn、V、Si、Nb、Cr、Mo等の
第3元素が添加されたものである。
【0004】ところで、これらTi−Al系合金部材を
エンジンバルブやバルブステム等の動弁系部材として使
用しようとすると耐摩耗性の問題が出てくる。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Ti−Al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、Ti−Al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。
【0005】その外に、Ti−Al系部材に酸化被膜を
形成する発明としては、特開平2−294458号公報
の発明があり、この発明では低圧酸素分圧下でTiを酸
化させずにAlだけを選択的に酸化させAl23被膜を
形成して、Ti−Al系合金部材の酸化性を向上させた
ものであって、耐摩耗性の向上を目的とするものではな
く、酸化処理と耐摩耗性との関係は、これまでに報告が
なく不明であった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】一方、TiAl金属間
化合物の窒化処理で生成されるTiN、Ti2AlNは
高温(例えば700℃以上と言われている。)の環境で
は不安定であり、分解しやすいと言われている。これに
対して、TiAlの酸化物は高温でも安定であると言わ
れている。そこで、本発明ではTiAl金属間化合物の
酸化処理方法について研究を重ね、優れた耐摩耗性を有
する酸化処理皮膜が得られるTiAl金属間化合物の酸
化処理方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】発明者等は酸化処理の条
件、すなわち処理温度、処理時間、処理圧力、処理材の
Al含有量と、被処理材の耐摩耗性との関連について、
鋭意研究を重ねた。その結果これら諸要因と耐摩耗性と
の間に一定の関連のあることを見出して本発明を完成し
た。
【0008】本発明の請求項1のTiAl金属間化合物
の酸化処理方法は、TiAl金属間化合物の酸化処理法
であって、少なくとも酸素を含む雰囲気下で、 T+50logH≧750・・・・・(a) 500+25×Al≧T・・・・・・(b) 〔ここで、T:処理温度(℃)、H:処理時間(h)、
Al:被処理材のAl(重量%)〕なる条件下で加熱
し、酸化処理を行うことを要旨とする。
【0009】本発明の請求項2のTiAl金属間化合物
の酸化処理方法は、請求項1のTiAl金属間化合物の
酸化処理方法において、 25logH+T+0.4P<1150・・・(c) 〔ここで、P:圧力(Torr)〕なる条件下で加熱
し、酸化処理を行うことを要旨とする。
【0010】本発明の対象となるチタン系合金は、Ti
3Al(α2相)とTiAl(γ相)の両相を含んだ金属
間化合物を中心とする。TiAlにMn、Cr、Mo、
Si等を第3元素として添加した材料にも有効である。
TiAlのAl量としては30〜37重量%である。こ
れ以外の組成では延性が低いため実用に適しない。
【0011】また、本発明の対象となるTiAl被処理
材の表面は酸化処理に先立って、脱脂および洗浄するこ
とが望ましい。TiAl部材の脱脂および洗浄は従来か
ら公知の手法により行うことができる。例えば、脱脂で
あればアルカリ脱脂、電解脱脂、溶剤脱脂等を用いるこ
とができる。また、洗浄後の水分・有機溶剤が残留する
と、これらが高温でTiAl母材と反応してしまうの
で、真空で余熱をかけ、これら成分を表面から除去して
から、所定の温度まで昇温することが望ましい。
【0012】酸化処理をする雰囲気は少なくとも酸素を
含むものであって、例えば酸素または大気ガスを導入し
て行われる。
【0013】
【作用】(請求項1)請求項1の発明において、TiA
l金属間化合物の酸化処理条件のうち、処理時間(H)
および温度(T)の下限を(a)式 T+50logH≧750・・・・・(a) としたので、良好な酸化層が形成されると共に表面粗さ
も滑らかになり、耐摩耗性に優れた酸化皮膜を得ること
ができる。
【0014】また、TiAl金属間化合物の酸化処理条
件のうち、処理時間(H)および温度(T)の上限を
(b)式 500+25×Al≧T・・・・・・(b) としたので、組織が変化し材料強度が低下することがな
い。
【0015】請求項1の発明において、TiAl金属間
化合物の酸化処理条件のうち、処理時間(H)および温
度(T)の下限を(a)式としたのは、温度および処理
時間が(a)式を満足しないと、良好な酸化層が形成さ
れなくなると共に表面粗さも粗くなり、耐摩耗性に優れ
た酸化皮膜を得ることができないからである。
【0016】また、TiAl金属間化合物の酸化処理条
件のうち、処理時間(H)および温度(T)の上限を
(b)式としたのは、温度および処理時間が(a)式を
満足しないと、組織が変化し材料強度が低下するからで
ある。
【0017】(請求項2)請求項2の発明において、T
iAl金属間化合物の酸化処理条件のうち、圧力
(P)、処理時間(H)および温度(T)の上限を
(c)式 25logH+T+0.4P<1150・・・(c) としたので、スケールの発生と表面の粗面化を抑制し、
良好な耐摩耗性を確保することができる。
【0018】請求項2の発明において、TiAl金属間
化合物の酸化処理条件のうち、圧力(P)、処理時間
(H)および温度(T)の上限を(c)式としたのは、
請求項1の酸化処理条件では、表面に生成する酸化物が
表面粗さを悪くし、また表面がスケールで覆われてしま
う場合もある。そこで、さらに(c)式の条件を付加す
ることにより、スケールの発生と表面の粗面化を抑制
し、良好な耐摩耗性を確保することができる。
【0019】
【実施例】本発明の実施例を比較例と対比して説明し、
本発明の効果を明らかにする。 (実施例1)Al含有量が31重量%および34重量%
のTiAl合金からなる試料を脱脂・洗浄した後、真空
加熱炉に入れ1×10-3Torrの真空にした。次に、
表1に示す各温度に加熱し、圧力760Torrの酸素
ガスを真空加熱炉に導入し、2時間の窒化処理を行っ
た。窒化処理後に各試料の引張強さを測定し、結果を表
1に示した。なお、(500+25×Al重量%)℃は
31Al重量%で1275℃、34Al重量%で135
0℃である。
【0020】
【表1】
【0021】表1から明らかなように、処理温度が(5
00+25×Al重量%)℃の上限温度を越えた比較例
1および2は、組織が変化したため、引張強度が14.
4〜15.7kgf/mm2と著しく低下した。これに
対して、処理温度が(500+25×Al重量%)℃の
上限温度以下であった本発明の実施例1および2は本来
の引張強度が維持されることが判明し本発明の効果が確
認された。
【0022】(実施例2)Al含有量34.5%のTi
Al合金からなる試験片を用意し、脱脂・洗浄した後、
真空加熱炉に入れ1×10-3Torrの真空中に保持し
た。次いで、760Torrおよび1×10-4Torr
に保持し、図1および図2に示す各温度に図1および図
2に示す各処理時間の酸化処理を行った。
【0023】これら試験片について窒化処理後にLFW
摩耗試験を行った。この摩耗試験は、図3に示すよう
に、外径35mm、内径30mm、幅10mmの鋳鉄
(JISFC20)製の円筒試験片を相手材とし、試験
片を接触させ接触部に常温の潤滑油を供給しつつ、回転
数5rpm、相手材への押圧力60kgfで30分間摩
耗試験を行うものである。得られた結果は摩耗量が10
0μmを越えるものは×印、摩耗量が10〜100μm
であるものを△印、摩耗量が10mm以下のものは○印
で、図1および図2に示した。なお、図1および図2に
示した線は共に(a)式を表す線である。
【0024】図1および図2から明らかなように、
(a)式以上の酸化処理時間(H)および酸化処理温度
(T)である試験片は全て○印であって、摩耗量が10
μm以下であって、(a)式を満足する酸化処理条件に
より耐摩耗性の優れた酸化処理皮膜が形成されることが
確認された。
【0025】(実施例3)Al含有量34.5%のTi
Al合金からなる試験片を用意し、脱脂・洗浄した後、
真空加熱炉に入れ1×10-3Torrの真空中に保持し
た。次いで、760Torrおよび1×10-4Torr
に保持し、図4、図5および図6に示す各温度に図4、
図5および図6に示す各処理時間の酸化処理を行った。
また、処理時間を1時間と一定として図6に示す各圧力
と処理時間の酸化処理を行った。
【0026】これら試験片について酸化処理後に実施例
2と同様のLFW摩耗試験を行った。得られた結果は摩
耗量が100μmを越えるものは×印、摩耗量が10〜
100μmであるものを△印、摩耗量が10mm以下の
ものは○印で図1および図2に示した。なお、図4およ
び図5に示した線は共に(c)式を表す線である。
【0027】図4、図5および図6から明らかなよう
に、(c)式以下の酸化処理圧力(P)、酸化処理時間
(H)および酸化処理温度(T)である試験片は全て○
印であって、摩耗量が10μm以下であって、(C)式
を満足する酸化処理条件により耐摩耗性の優れた酸化処
理皮膜が形成されることが確認された。
【0028】
【発明の効果】本発明の請求項1のTiAl金属間化合
物の酸化処理方法は以上詳述したように、少なくとも酸
素を含む雰囲気下で、T+50logH≧750・・・
・・(a)式および500+25×Al≧T・・・・・
・(b)式〔ここで、T:処理温度(℃)、H:処理時
間(h)、Al:被処理材のAl(重量%)〕なる条件
下で加熱し、酸化処理を行うことを特徴とし、さらに請
求項2のTiAl金属間化合物の酸化処理方法は請求項
1のTiAl金属間化合物の酸化処理方法において、2
5logH+T+0.4P<1150・・・(c)式
〔ここで、P:圧力(Torr)〕なる条件下で加熱
し、酸化処理を行うことを特徴とするものであって、T
iAl金属間化合物の表面に耐摩耗性に優れた酸化皮膜
を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】圧力760Torrにおける種々の処理時間お
よび処理温度で酸化処理した試験片の摩耗量および式
(a)を示す直線を表す線図である。
【図2】圧力1×10-4TorrTorrにおける種々
の処理時間および処理温度で酸化処理した試験片の摩耗
量および式(a)を示す直線を表す線図である。
【図3】耐摩耗試験片および相手材の側面図である。
【図4】圧力760Torrにおける種々の処理時間お
よび処理温度で酸化処理した試験片の摩耗量および式
(c)を示す直線を表す線図である。
【図5】圧力1×10-4Torrにおける種々の処理時
間および処理温度で酸化処理した試験片の摩耗量および
式(c)を示す直線を表す線図である。
【図6】処理時間T=1時間における種々の処理圧力お
よび処理温度で酸化処理した試験片の摩耗量および式
(c)を示す直線を表す線図である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 TiAl金属間化合物の酸化処理法であ
    って、少なくとも酸素を含む雰囲気下で、 T+50logH≧750・・・・・(a) 500+25×Al≧T・・・・・・(b) 〔ここで、T:処理温度(℃)、H:処理時間(h)、
    Al:被処理材のAl(重量%)〕なる条件下で加熱
    し、酸化処理を行うことを特徴とするTiAl金属間化
    合物の酸化処理方法。
  2. 【請求項2】 請求項1のTiAl金属間化合物の酸化
    処理方法において、 25logH+T+0.4P<1150・・・(c) 〔ここで、T:処理温度(℃)、H:処理時間(h)、
    P:圧力(Torr)〕なる条件下で加熱し、酸化処理
    を行うことを特徴とするTiAl金属間化合物の酸化処
    理方法。
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WO2004007788A1 (en) * 2002-07-16 2004-01-22 The Boc Group Plc Method of case hardening titanium and zirconium alloys
CN106834992A (zh) * 2015-12-04 2017-06-13 中航商用航空发动机有限责任公司 TiAl合金铸件及其处理工艺

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