JPH0748659A - エンジンバルブの製造に適したチタン合金棒の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、自動車、二輪車等のエンジンに使
用される大量生産を可能としたエンジンバルブ用のチタ
ン合金棒に関し、特にエンジンバルブを製造する際の傘
部鍛造後の焼鈍において軸部の曲りを起こさないチタン
合金棒の製造方法に関するものである。 【構成】 チタン合金棒の製造において、コイル状線材
から直線状棒材に矯直する工程を７００℃以上の熱間に
て行うことを特徴とするエンジンバルブの製造に好適な
チタン合金棒の製造方法。あるいは、Ｔβ−５０以上Ｔ
β＋１００℃以下（Ｔβ：β相変態点温度）の温度に微
視組織を調整すると共に上記方法により熱間で矯直する
ことを特徴とするエンジンバルブの製造に好適なチタン
合金棒の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は自動車、二輪車等のエン
ジンに使用される大量生産を可能としたエンジンバルブ
用のチタン合金棒に関する。詳しくは、エンジンバルブ
を製造する際に、傘部鍛造後の焼鈍において、バルブ粗
形材の軸部の曲りを起こさないチタン合金棒の製造方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車等のエンジン燃焼室の吸、排気孔
に設けられるバルブは、傘部と、これに連続する軸部お
よび軸端部で構成される。例えば直径７mmの鋼製棒材を
２５０mm長さに切断し、その一端部を通電加熱しつつ熱
間にてアップセット鍛造（電気鍛縮法）し、つづいて傘
部を熱間にて型鍛造してきのこ状の粗形材とし、歪取り
焼鈍を行い、次いで切削、研削加工により最終形状に仕
上げた後、耐磨耗性を付与するために軟窒化処理等の表
面処理を行っているのが通例である。エンジンバルブに
おける傘部のフェース部、軸部、および軸端部のいずれ
も耐磨耗性が要求される。また、バルブの使用環境から
バルブには高温強度、耐蝕性、耐酸化性を具えていなけ
ればならず、従来のバルブは耐熱鋼で製作されるのが一
般的であった。

【０００３】ところで、近年自動車等のエンジンは、馬
力を低下させることなく、燃費を改善するために軽量化
が求められている。上下運動を高速でくりかえすエンジ
ンバルブについては、軽量化による燃費改善の波及効果
が極めて大きく、そのため比強度の高いチタン合金材の
採用が試みられている。例えば競争用自動車の吸気バル
ブには、α＋βチタン合金の代表例であるＴｉ−６Ａｌ
−４Ｖが多く用いられてきた。しかし、エンジンバルブ
にチタン合金をそのまま使用した場合は、バルブシー
ト、バルブガイド等の相手材とバルブの各部との摺動に
よる磨耗が生じ、耐久性に乏しいという問題がある。こ
のためチタン合金製バルブは、耐熱鋼製バルブとほぼ同
様の方法で仕上げ加工まで行い、軸部に耐磨耗性を付与
するため、Ｍｏ溶射を施している。従って、製造コスト
が高くなり、経済性を無視した製品となっている。

【０００４】一方、特開昭６１−８１５０５号公報、特
開昭６２−２５６９５６号公報が提案しているように、
比較的安価な耐磨耗処理として各々の雰囲気で加熱する
酸化処理、窒化処理が知られている。しかし、通常のα
＋β型チタン合金製バルブに、これらの処理を適用する
と、高い温度で加熱するために熱変形（特に軸部の曲
り）が生じ、バルブに要求される形状寸法精度を確保で
きない。従って、バルブとして使用するには、表面処理
を施したチタン合金製バルブを矯正することとなり、効
率的な生産が極めて困難となる。このことは「チタニウ
ム・ジルコニウム」ｖｏｌ．３５、Ｎｏ．２、第７４頁
に記載されている。

【０００５】寸法形状変化が起こる原因は、通常のα＋
β型チタン合金棒が微細な等軸α晶組織であるために、
酸化あるいは窒化の処理温度（７００〜９００℃）でチ
タン合金バルブが自重（約５０ｇ）によるわずかな応力
でクリープ変形するからである。 これに対して、特開
平５−５９９１９号公報に記載される様に、特定の組織
（例えば針状α晶組織）のα＋β型チタン合金や、ニア
α型チタン合金の棒をバルブ素材とすれば、このクリー
プ変形の問題は解決しうる。ところで、微細等軸α晶組
織の５〜１０mmφの棒材は、熱間圧延後コイル状の線材
とし、冷間伸線により真円としたのち、シェービングに
より疵取りを行い、切断し、棒材に矯正するのが通例で
あるが、伸び値、絞り値の低下した針状α晶組織の棒材
の製造方法について具体的な提案はされていない。

【０００６】さらに、傘部の鍛造後に歪取り焼鈍を行う
が、チタン合金を使用した場合、クリープ変形のない特
定組織を有する素材でも、傘部の鍛造後の焼鈍時に軸部
が約１００μｍと大きく曲がる現象が生じる。素材が耐
熱鋼の場合、焼鈍処理により軸部に約５０μｍの曲りが
発生しているが、この変形分は容易に研削が可能である
ので問題と成っていない。しかし、チタン合金では軸部
の変形が大きく、そのために傘部の振れも大きくなり、
軸部および傘部の変形分を削ることとなるが、耐熱鋼と
比較して、切削、研削加工の能率が悪く、また素材コス
トが高いため、変形分を切削、研削する方法は、問題で
ある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、チタン合金
でバルブを製造する場合に、チタン合金棒材の製造方法
を改善することにより、後の酸化処理または窒化処理で
仕上げたバルブに変形が生じないために必要不可欠の工
程である傘部鍛造後の歪取り焼鈍で発生するバルブ粗形
材の軸部の曲りを小さくし、切削、研削必要量を少なく
しようとするものである。また上記歪取り焼鈍で発生す
る変形を防止する前提として、クリープ変形しにくい組
織を有する棒を製造する必要があるが、熱間加工工程で
クリープ変形しにくい針状α晶組織とすると、伸び値、
絞り値が低下するため、コイル状線材から棒材に矯正す
るときに割れやすくなり、これを防止する矯正方法が課
題となる。また熱間加工工程でクリープ変形しやすい微
細等軸α晶組織とすると、この組織をクリープ変形しに
くい組織に熱処理で変えるときに、熱処理中に大きく変
形してしまい矯正が困難となるため、これを防止する矯
正方法が課題である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明は、（１）チタン合金棒の製造において、コイ
ル状線材から直線状棒材に矯正する工程の内、少なくと
も最終工程にて７００℃以上の熱間にて矯正することを
特徴とし、（２）上記（１）のチタン合金がα＋β型チ
タン合金またはニアα型チタン合金であって、熱間加工
工程において針状α晶組織に調整されたコイル状線材で
ある場合には、粗矯正したのち、または、そのまま上記
（１）の方法により矯正することを特徴とし、（３）上
記（１）のチタン合金がα＋β型チタン合金またはニア
α型チタン合金であって、熱間加工工程において微細等
軸α晶組織に調整されたコイル状線材である場合には、
粗矯正したのち、または、そのままβ変態点−５０℃以
上、β変態点＋１００℃以下に加熱して微視組織を針状
α晶組織に等軸α晶が分散した組織または針状α晶組織
に調整したのち、上記（１）の方法により矯正すること
を特徴とする。

【０００９】

【作用】以下、本発明を詳細に説明する。本発明に適し
たチタン合金は、α＋β型チタン合金である、Ｔｉ−６
Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ、Ｔｉ−６Ａｌ−
２Ｆｅ−０．１Ｓｉ、Ｔｉ−５Ａｌ−１Ｆｅ、Ｔｉ−５
Ａｌ−２Ｃｒ−１Ｆｅ、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ
−６Ｍｏ等、およびニアα型チタン合金である、Ｔｉ−
６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ−０．１Ｓｉ等であ
る。これらの合金は、熱間加工により直径５〜１０mmの
線材が製造可能であるとともに、エンジンバルブとして
の使用特性を満足しうるものである。またこれらのチタ
ン合金は、β相温度域にて熱間加工するか、または単に
加熱すると、針状α晶組織となり、α＋β相温度域にて
充分に熱間加工すると、微細等軸α晶組織となる。

【００１０】これらの合金のコイル状線材の段階での微
視組織がクリープ変形しにくい組織、すなわち針状α晶
組織である場合は、以下に示す方法により矯正を行う。
まずはじめに、コイルを連続抽伸機に通すかまたはその
まま適当な長さに切断したのち、割れ発生のない程度に
粗矯正を行う。針状組織の線材は、例えば、伸び値は７
％、絞り値は２０％と通常の微細等軸α晶組織を持つ材
料の半分程度に小さくなっており、ちどり状に配置した
ロールによる通常の矯正方法（２ロール矯正）では、完
全に矯正すると割れが発生するため、粗矯正までに止め
ておく。なお次に述べる熱間矯正する設備を用いて粗矯
正を行っても良い。

【００１１】次に、熱間で矯正するのは、冷間で矯正し
たままであると、後の傘部鍛造後の焼鈍で冷間での曲げ
加工で導入された歪が開放し、変形が発生するからであ
る。すなわち、通常バルブ用に使用される５〜１０mmφ
の細い棒材は、ビレットを熱間圧延し、直径が１〜２ｍ
のコイル状の線材とした後に、冷間伸線、シェービング
を行い表面を精整し、かつ断面を真円に近いものとす
る。つぎにコイルを連続抽伸機に通し、適当な長さに切
断後、冷間で２ロール矯正し直棒とし、センタレス研削
して仕上げられる。この冷間矯正時（冷間伸線時を含
む）に棒材に大きな歪が蓄積され、後の加熱により、元
の形状に少し戻る。

【００１２】熱処理時に冷間で導入された歪が棒材形状
に与える影響の一例を挙げると、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合
金の場合、１０cm当たり２．５mmの曲りを冷間で矯正す
ると、８００℃の焼鈍により約４％、１００μｍの曲り
が発生する。一方バルブ用耐熱鋼ＳＵＨ１１の場合、同
様の曲りを冷間で矯正すると８００℃の焼鈍により約２
％、５０μｍの曲りを生じるにすぎない。

【００１３】熱間矯正の方法は、通電加熱により材料の
温度を高くしたのち、引張応力を加えて直線状に矯正す
るのが一般的である。ここで熱間で矯正する温度を７０
０℃以上としたのは、７００℃未満の温度で矯正した棒
材は、傘部鍛造後の焼鈍で軸部に曲りがでるためであ
る。ここで軸部が曲がらないように７００℃未満で焼鈍
することも考えられるが、後の耐磨耗処理温度も７００
℃未満に制限される。その結果、窒化処理と比べて処理
温度の低い酸化処理を行う場合でも、７００℃未満の処
理では硬化層の付与が不十分であり、特にフェース部の
耐磨耗性が不足する。ここでは熱間矯正の上限の温度は
特に定めないが、温度が高すぎると耐力が低くなるた
め、重力で線材が垂れ下がり、両端からの引張応力を加
えるだけでは矯正の効果が十分でない場合がある。この
ことと、傘部鍛造後の焼鈍で軸部に曲りが出なくなる温
度を考え合わせると、矯正温度は７００〜９００℃が好
ましい。なお加熱時間が短い場合は、温度を多少高めに
する必要がある。また冷却は空冷で良い。

【００１４】バルブ用のチタン合金が、コイル状線材の
段階でクリープ変形しやすい粒径が２〜４μｍの微細等
軸α晶組織をもつ場合は、以下に示す方法により矯正を
行う。まずはじめに、コイルを連続抽伸機に通し、適当
な長さに切断したのち、必要に応じて通常のちどり状に
配置したロール等により粗矯正する。なおこの線材は、
伸び値は１５％、絞り値は４０％と大きいので完全に矯
正を行っても割れの問題はない。次に熱間矯正する設備
を用いて、熱間矯正前に、β変態点−５０℃以上から、
β変態点未満の温度に加熱したのちに矯正温度まで空冷
し、針状α晶組織の中に等軸α晶が分散した組織に変え
るか、または熱間矯正前に、β変態点以上、β変態点＋
１００℃以下の温度に加熱したのちに矯正温度まで空冷
し、針状α晶組織に変えた後に熱間矯正を行う。このよ
うに組織を変えるのは、傘部鍛造後の焼鈍および耐磨耗
処理での加熱時にクリープ変形しにくくするためであ
る。さらに通常の熱処理炉を使用しないのは、クリープ
変形しやすい微細等軸α晶組織のコイル状の線材を加熱
炉中で処理すると大きく変形し、後の矯正が困難となる
からである。なお、この組織調整のための熱処理後、室
温まで空冷したのち、再度所定の温度まであげて矯正し
てももちろん良い。

【００１５】ここでβ変態点−５０℃以上としたのは、
この温度未満では、微細な等軸α晶組織からの変化は少
なく、クリープ変形を防止する効果が少ないためであ
る。またβ変態点＋１００℃以下としたのは、この温度
を越える場合は、クリープ変形を防止する効果は充分発
揮できるが、酸化が激しくなり、後工程でのセンターレ
ス加工において研削代が多く必要となるからである。な
お組織の調整に必要な加熱時間は、β変態点以下の場合
は、数分から３０分であり、β変態点以上の場合は数秒
から１分程度である。

【００１６】

【実施例１】Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖビレットをβ相温度域
にて熱間加工により９mmφの線材とした。コイルの巻き
取り直径は約１ｍであり、この材料の微視組織は針状α
晶組織である。

【００１７】この線材を、冷間伸線とシェービングを行
い、表面を精整するとともに直径７mmの真円とした。こ
の一部を通常のちどり状に配置したロールにより、割れ
防止のために２００℃にて矯正し、その他を粗矯正した
のち、６００〜９００℃の各温度で通電加熱しながら引
張る方法で熱間矯正した。それぞれをセンターレス研削
により６．７mmφの曲りのない棒材とし、さらに所定の
方法により傘部を鍛造し、傘径３６mm、バルブ長さ１１
５mmのバルブ粗形材としたのち、６００〜９００℃で１
時間バルブを横に寝かせた状態で焼鈍した。以上の工程
を経た後に、バルブ粗形材の軸部に発生した曲り、すな
わち片面当たりのセンターレス研削必要量を測定した結
果を表１に示す。

【００１８】軸部の曲りは、軸部の両端を支持してバル
ブを回転し、ダイヤルゲージにて中央部の振れの最小値
と最大値を測定し、この差の半分とした。これによると
７００℃以上の温度で矯正することで、後の加熱で発生
する曲りの９４％を除去することが出来るのでバルブ加
工でのセンターレス研削必要量を激減しうる。一方、６
００℃での矯正は、５０％の除去にすぎない。なお８５
０〜９００℃の焼鈍では、クリープによる変形が少し生
じている。次に、傘径３５mm、バルブ長さ１１０mm、軸
径６．６８mmの最終バルブ形状に仕上げた後、７００〜
９００℃で１時間バルブを横に寝かせた状態および立脚
させた状態で酸化処理した結果を表２に示す。本発明で
製造されたチタン合金棒は傘部鍛造後の焼鈍での軸部の
曲りが少ないので、バルブ加工でのセンターレス研削必
要量が極めて少ないこと、酸化処理で適正な温度やバル
ブの設置状態を選択することで、寸法精度が高いバルブ
を製造しうることが分かる。ここで、バルブに要求され
る寸法精度では１０μｍ以内である。また、焼鈍後に曲
りの少ないものは、少なくとも軸部については熱間矯正
工程で焼鈍の役目が終了しているので、傘鍛造を高温で
行い歪の残留しないようにすれば、焼鈍工程を省略でき
る。すなわち、鍛造、仕上げ加工した後に直接酸化処理
を実施してよい。

【００１９】

【表１】

【００２０】

【表２】

【００２１】

【実施例２】Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖビレットを熱間加工に
より９mmφの線材とした。コイルの巻き取り直径は約１
ｍであり、この材料の微視組織は針状α晶組織である。
工程１として、この線材を、冷間伸線とシェービングを
行い、表面疵を除去するとともに直径７．９mmの真円と
し、この一部を連続抽伸を行って７．６mmφの棒材とし
た。２ロール矯正を、ロールオフセット量を１０mmで行
ったところ、棒の曲りは完全に除去できた。その後セン
タレス研削により７．３mmφの磨棒に加工して、浸透探
傷試験を行ったところ、図５に示すＣ方向疵が３０％発
生した。次にロールオフセット量を７mmで行ったとこ
ろ、曲り不良が１０％、Ｃ方向疵が１５％発生した。さ
らに、ロールオフセット量を５mmで行ったところ、曲り
不良が２０％、Ｃ方向疵が１０％発生した。結果を表３
に示す。ここで、棒の長さ１ｍ当り０．２５mm超の曲り
のものを、曲り不良とした。

【００２２】工程２として、上記直径７．９mmφの真円
材を用いて、連続抽伸を行って７．６mmφの棒材とし、
７００〜１０００℃の各温度で通電加熱しながら引張る
熱間矯正を行って、棒の曲りを除去した後、センタレス
研削により７．３mmφの磨棒とした。この磨棒の浸透探
傷試験を行ったところ、外面疵は発生しなかった。工程
３として、上記圧延材を冷間伸線とシェービングを行
い、７．６mmφの真円材とし、線材のまま７００〜１０
００℃の各温度で通電加熱しながら引張る熱間矯正を行
って、曲りのない棒とした後、センタレス研削により
７．３mmφの磨棒とした。この磨棒の浸透探傷試験を行
ったところ、外面疵は発生しなかった。

【００２３】表４に製造工程を、表５に浸透探傷試験結
果を示す。以上により、熱間矯正を行うことにより、曲
り不良のない、また、外面疵のない直棒を高い歩留で製
造することができる。

【００２４】

【表３】

【００２５】

【表４】

【００２６】

【表５】

【００２７】

【実施例３】準備したチタン合金は、コイル状線材であ
り、その種類は、２〜４μｍ粒の等軸α晶組織を有する
Ｔｉ−６Ａｌ−４ＶとＴｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ、および
２〜４μｍ幅の針状α晶を有するＴｉ−６Ａｌ−４Ｖと
Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｆｅ−０．
１Ｓｉ、Ｔｉ−５Ａｌ−１Ｆｅ、Ｔｉ−５Ａｌ−２Ｃｒ
−１Ｆｅ、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏ、Ｔ
ｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ−０．１Ｓｉであ
る。

【００２８】これらに本発明の方法を適用した。例え
ば、２〜４μｍ粒の等軸α晶組織のものは、熱間矯正前
に微視組織を変えるため同設備を用いて通電により加熱
し、その後矯正温度まで空冷し、矯正した。これらの棒
材をセンターレス研削後、バルブに加工した。すなわち
傘部鍛造、焼鈍、仕上げ加工し、酸化処理を施した。

【００２９】表６に処理工程と各工程終了後の軸部の曲
りを示す。傘部鍛造後の焼鈍では、バルブ粗形材を横に
寝かせた状態で１時間大気炉加熱した。酸化処理は、バ
ルブを立脚された状態で大気炉加熱した。本発明の方法
によれば、焼鈍後の軸部の曲りが１３μｍ以内と極めて
少ないことが分かり、研削必要量を減少させることがで
きる。

【００３０】

【表６】

【００３１】

【発明の効果】本発明を用いることにより、伸び値、絞
り値の小さく、クリープ変形しにくい棒材を効率的に製
造できる。さらにバルブ製造工程において、型鍛造後の
軸部の曲りが極めて少ないため、軸部の切削代を少なく
出来る。その結果、製造コストが低減できる一例を表７
に示す。

【００３２】

【表７】

【００３３】本発明を適用した結果、バルブ軸部に対す
る素材コストの約１割、切削費用の９割以上が低減しう
る。また軸部の曲りは傘部の振れにも影響し、その部分
の研削代も多くする必要があったが、本発明によりこれ
についても大幅な改善ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】バルブ側面図。

【図２】バルブ粗形材の軸部が変形した状態の例を示す
図。

【図３】バルブを横に寝かせた状態を示す図。

【図４】バルブを立脚させた状態を示す図。

【図５】バルブ材におけるＣ方向疵を示す図。

【符号の説明】

１：傘部 ２：軸部 ３：軸端部 ４：フェース部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 諭 山口県光市大字島田3434番地 新日本製鐵 株式会社光製鐵所内 (72)発明者 左田野 豊 山口県光市大字島田3434番地 新日本製鐵 株式会社光製鐵所内 (72)発明者 大黒 治男 山口県光市大字島田3434番地 新日本製鐵 株式会社光製鐵所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チタン合金棒の製造において、コイル状
   線材から直線状棒材に矯正する工程の内、少なくとも最
   終工程にて７００℃以上の熱間にて矯正することを特徴
   とするエンジンバルブの製造に適したチタン合金棒の製
   造方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載のチタン合金がα＋β型チ
   タン合金またはニアα型チタン合金であって、熱間加工
   工程において針状α晶組織に調整されたコイル状線材で
   ある場合には、粗矯正したのち、または、そのまま請求
   項１記載の方法により矯正することを特徴とするエンジ
   ンバルブの製造に適したチタン合金棒の製造方法。
3. 【請求項３】 請求項１記載のチタン合金がα＋β型チ
   タン合金またはニアα型チタン合金であって、熱間加工
   工程において微細等軸α晶組織に調整されたコイル状線
   材である場合には、粗矯正したのち、または、そのまま
   β変態点−５０℃以上、β変態点＋１００℃以下に加熱
   して微視組織を針状α晶組織に等軸α晶が分散した組織
   または針状α晶組織に調整したのち、請求項１記載の方
   法により矯正することを特徴とするエンジンバルブの製
   造に適したチタン合金棒の製造方法。