JPH11343565A - 表面に硬化層を有するTi基合金材料およびその製造方法 - Google Patents

表面に硬化層を有するTi基合金材料およびその製造方法

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JPH11343565A
JPH11343565A JP14969998A JP14969998A JPH11343565A JP H11343565 A JPH11343565 A JP H11343565A JP 14969998 A JP14969998 A JP 14969998A JP 14969998 A JP14969998 A JP 14969998A JP H11343565 A JPH11343565 A JP H11343565A
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JP
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based alloy
hardened layer
alloy material
present
producing
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Hiroaki Yoshida
広明 吉田
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Daido Steel Co Ltd
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Daido Steel Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 表面に耐摩耗性、疲労強度などを向上させる
ための硬化層を有するTi基合金材料およびその製造方
法を提供すること。 【解決手段】 表面にTiとCuまたはNiを主成分と
する金属間化合物の硬化層を有するTi基合金材料。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、表面に硬化層を有する
Ti基合金材料およびその製造方法、詳細にはTiとC
uまたはNiの金属間化合物の硬化層を表面に有するT
i基合金材料およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】Ti基合金材料は、耐食性と比強度に優
れているので、機械部品の軽量化に有効とされている。
しかし、このTi基合金材料は、ヤング率が鉄基合金材
料の約半分程度しかなく、またTiが活性金属であるた
め浸炭や窒化のような有効な表面硬化法がないので、疲
労強度などが低く、実際には大幅な軽量化が実現されて
いない。またこのTi基合金材料の耐摩耗性は、強度の
割には低いため摺動部の部品に使用することができなか
った。
【0003】そこで、疲労強度や耐摩耗性を改善するた
め、Cr炭化物を使用して耐摩耗性を高くしたTi基合
金材料が開発されているが、まだ実用化される段階にい
たっていない。また、Ti基合金材料の表面の耐摩耗性
を改善する方法として、CVD、PVDなどによる硬化
膜を蒸着する方法が知られているが、拡散を伴わない表
面硬化方法では、限られた条件下での耐摩耗性の向上し
か期待することができず、また浸炭のように疲労強度を
向上させることもできない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、表面に耐摩
耗性、疲労強度などを向上させるための硬化層を有する
Ti基合金材料およびその製造方法を提供することを課
題としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の表面に硬化層を有するTi基合金材料にお
いては、表面にTiとCuまたはNiを主成分とする金
属間化合物の硬化層を有するものとすることである。
【0006】また、上記課題を達成するために、本発明
の表面に硬化層を有するTi基合金材料の製造方法にお
いては、Ti基合金材料の表面にCuまたはNiめっき
を施した後、非酸化雰囲気において500〜1000℃
の温度で拡散熱処理を行い、TiとCuまたはNiを主
成分とする金属間化合物の硬化層を形成し、必要に応じ
てショットピーニングあるいはショットブラストを施す
ことである。
【0007】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て説明する。本発明に使用することができるTi基合金
材料は、Ti─6Al−4V、Ti─3Al−2.5
V、Ti─4Al−2.5V─4Mo−2Sn−0.5
Si、Ti─5Al−4Mo−2Sn−2Zr─4C
r、Ti─6Al−2Mo−2Sn−4Zr、Ti─6
Al−4V、Ti─6Al−6V─2Sn、Ti─7A
l−4Mo、Ti─8Mn、Ti─5Al─2.5S
n、Ti─8Al─1Mo−1Vなどである。
【0008】本発明の硬化層を有するTi基合金材料の
製造方法におけるCuまたはNiめっき方法は、電解め
っき、化学めっき、CVD、PVDなどの何れでもよい
が、電解めっきが比較的簡単であり、かつ厚くめっきす
ることができるので好ましい。この場合、CuおよびN
iめっき層の密着性は、その後拡散熱処理を行うため特
に重要でない。さらにそのめっき厚さは、制限されない
が、厚ければ拡散処理に長い時間が必要であるので、実
用的には20μm以下が望ましい。またこれらのめっき
の前処理として、後の拡散処理を速やかにするために、
脱脂した後沸騰硝酸などによる酸洗、ショットブラスト
などので表面を粗面化しておくのが望ましい。
【0009】さらに、本発明の表面に硬化層を有するT
i基合金材料の製造方法において、500〜1000℃
の温度で拡散熱処理をしているが、この拡散熱処理は、
母材にめっき層のCuまたはNiを拡散させてTiとC
uまたはNiを主成分とする金属間化合物、すなわちC
u2Ti 、Ni3Ti の硬化層を形成させるためのものであ
る。またその温度を500〜1000℃としていのは、
500℃より低いとめっき層のCuまたはNiの拡散が
十分でなく、また1000℃より高いと組織を著しく粗
大化するからである。好ましくはCuめっきをするもの
で500〜900℃、Niめっきをするもので700〜
900℃である。また、この拡散熱処理の時間は、加熱
温度、製品の用途などにより異なるので、纏めて表現す
ることはできないが、例えば、30分〜2時間である。
【0010】また、本発明の表面に硬化層を有するTi
基合金材料の製造方法において、拡散熱処理を非酸化雰
囲気において実施しているが、非酸化雰囲気にするの
は、母材およびめっき層の酸化を防止するためで、真空
中、Arガスなどの不活性ガス中で行うことができる。
また、本発明の表面に硬化層を有するTi基合金材料の
製造方法において、拡散熱処理後の硬化層にショットピ
ーニングあるいはショットブラストを施しているが、疲
労強度を向上させるために行うものである。その方法
は、通常鋼などにおいて疲労強度を向上させるために行
っている条件に準じて行うことができる。
【0011】本発明の表面に硬化層を有するTi基合金
材料の用途は、レース用自動車のエンジンバルブ、カム
シャフト、その他のシャフト、スパイクシューズ用のス
パイク、レジャー用品などである。
【0012】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。 実施例1 直径10mm、長さ25mmのTi─6Al−4V合金
の棒材を試料片とし、沸硝酸により表面を十分粗面化し
た後、電解銅めっき法により10μmのめっきを施し
た。その後Ar雰囲気中で、400℃〜1000℃の範
囲でそれぞれの加熱温度のものを1時間ずつ加熱して拡
散熱処理を行った。これを試験片として表層近傍の硬さ
分布を測定し、その結果を図1に示した。また、これら
のうち900℃で1時間の拡散熱処理を行ったもの(本
発明サンプルA)と700℃で1時間の拡散熱処理を行
ったもの(本発明サンプルB)について、概要を図3に
示した大越式摩耗試験機を用いて下記の条件で摩耗試験
を実施した。その結果を下記表1に示す。さらに本発明
サンプルAについて概要を図3に示した小野式疲労試験
機を用いて下記の条件で疲労試験を実施した。その結果
を下記表2に示す。
【0013】 大越式摩耗試験条件: 相手材:JIS−SUJ2(硬さ:HRC61) 滑り速度:0.94m/sec 滑り距離:200m 最終荷重:6.3kgf 潤滑材:なし 小野式疲労試験: 試験片:図4に記載した形状のもの、回転速度:3500rpm
【0014】
【表1】
【0015】
【表2】
【0016】これらの結果より、本発明の製造方法によ
って製造された表面にTiとCuを主成分とする金属間
化合物の硬化層を有するTi基合金材料は、本発明の拡
散熱処理温度である500〜1000℃の間で処理をし
たものの表面硬さが未処理のものより高くなっており、
その値はHV570〜882である。この表面硬さは、
TiNーPVD材およびCrNーPVD材より低いが、
800℃以上で処理したものではMo溶射材およびFe
溶射材より高く、ガス窒化材および硬質Crめっき材と
同等である。さらに、その硬化層深さは、拡散熱処理の
温度により異なるが20〜60μmであり、TiNーP
VD材、CrNーPVD材、ガス窒化材および硬質Cr
めっき材より深く、最も深いもののMo溶射材およびF
e溶射材と同等かあるいはそれ以上である。
【0017】また、その耐摩耗性は、700℃の拡散熱
処理温度で処理したもののほうが、900℃で処理した
ものより劣っているが、それでも比較例の最も優れてい
るガス窒化材の摩耗量の1/2であり、900℃で処理
したものは、比較例(未処理材を除く)のものの摩耗量
の1/7〜1/200である。また疲労限は、900℃
で処理したものが未処理材に比較して約10%高くなっ
ている。
【0018】実施例2 実施例1と同じ直径10mm、長さ25mmのTi─6
Al−4V合金の棒材を試料片とし、沸硝酸により表面
を十分粗面化した後、電解ニッケルめっき法により10
μmのめっきを施した。その後Ar雰囲気中で、400
℃〜1000℃の範囲でそれぞれの加熱温度のものを1
時間ずつ加熱して拡散熱処理を行った。これを試験片と
して表層近傍の硬さ分布を測定し、その結果を図2に示
した。また、これらのうち900℃で1時間の拡散熱処
理を行ったもの(本発明サンプルC)と700℃で1時
間の拡散熱処理を行ったもの(本発明サンプルD)につ
いて、実施例1と同様に摩耗試験を実施した。その結果
を上記表1に示す。さらに本発明サンプルCについて実
施例1と同様に疲労試験を実施した。その結果を上記表
2に示す。
【0019】これらの結果より、本発明の製造方法によ
って製造された表面にTiとNiを主成分とする金属間
化合物の硬化層を有するTi基合金材料は、本発明の拡
散熱処理温度である500〜1000℃の間で処理をし
た全てのものの表面硬さが未処理のものより高くなって
おり、その値はHV420〜882である。この表面硬
さは、TiNーPVD材およびCrNーPVD材より低
いが、700℃以上で処理したものではMo溶射材およ
びFe溶射材より高く、ガス窒化材および硬質Crめっ
き材と同等である。さらに、その硬化層深さは、拡散熱
処理の温度により異なるが20〜60μmであり、Ti
NーPVD材、CrNーPVD材、ガス窒化材および硬
質Crめっき材より深く、最も深いもののMo溶射材お
よびFe溶射材と同等かあるいはそれ以上である。
【0020】また、その耐摩耗性は、700℃の拡散熱
処理温度で処理したもののほうが、900℃で処理した
ものより劣っているが、それでも比較例の最も優れてい
るガス窒化材と同等であり、900℃で処理したもの
は、比較例(未処理材を除く)の摩耗量の約1/3〜1
/100である。さらに疲労限は、900℃で処理した
もが未処理材に比較して約10%高くなっている。ま
た、CuをめっきしたものとNiをめっきしたものとを
比較すると、Cuをめっきしたものは、低い温度でも速
く拡散するが、最高表面硬さが低く、また表層からの距
離が大きくなると比較的急激に硬さが低下しているのに
対し、Niをめっきしたものは、最高表面硬さが高く、
また表層からの距離が大きくなっても緩やかに表面硬さ
が低下しているが、低い温度での拡散が遅くなってい
る。
【0021】
【発明の効果】本発明は、上記構成にしたことにより、
次のような優れた効果を奏する。 (1)本発明の表面にTiとCuまたはNiを主成分と
する金属間化合物の硬化層を有するTi基合金材料は、
表面硬さがHV500〜1000程度と高く、耐摩耗性
も優れている。 (2)また、金属間化合物層が鋼における浸炭層と同様
に連続層であるので、疲労強度が高くなる。 (3)本発明の製造方法は、Ti母材に対してCuまた
はNiの拡散が容易であるので、比較的短時間で、深い
拡散層の硬化層を有するTi基合金材料を製造すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一例の表面にTiとCuを主成分とす
る金属間化合物の硬化層を有するTi基合金材料の表層
からの距離と硬さとの関係を示すラフである。
【図2】本発明の一例の表面にTiとNiを主成分とす
る金属間化合物の硬化層を有するTi基合金材料の表層
からの距離と硬さとの関係を示すラフである。
【図3】 本発明の表面に硬化層を有するTi基合金材
料の耐摩耗性試験に用いた大越式摩擦試験機の概要を示
す斜視図である。
【図4】 本発明の表面に硬化層を有するTi基合金材
料の疲労試験に用いた小野式疲労試験機の概要を示す正
面図である。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 表面にTiとCuを主成分とする金属間
    化合物の硬化層を有することを特徴とする表面に硬化層
    を有するTi基合金材料。
  2. 【請求項2】 表面にTiとNiを主成分とする金属間
    化合物の硬化層を有することを特徴とする表面に硬化層
    を有するTi基合金材料。
  3. 【請求項3】 Ti基合金材料の表面にCuめっきを施
    した後、非酸化雰囲気において500〜1000℃の温
    度で拡散熱処理を行い、TiとCuを主成分とする金属
    間化合物の硬化層を形成することを特徴とする表面に硬
    化層を有するTi基合金材料の製造方法。
  4. 【請求項4】 Ti基合金材料の表面にNiめっきを施
    した後、非酸化雰囲気において500〜1000℃の温
    度で拡散熱処理を行い、TiとNiを主成分とする金属
    間化合物の硬化層を形成することを特徴とする表面に硬
    化層を有するTi基合金材料の製造方法。
  5. 【請求項5】 上記請求項3または請求項4記載の表面
    に硬化層を有するTi基合金材料の製造方法において、
    硬化層を形成した後、ショットピーニングあるいはショ
    ットブラストを施すことを特徴とする表面に硬化層を有
    するTi基合金材料の製造方法。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002371348A (ja) * 2001-06-14 2002-12-26 Tanaka:Kk チタン合金部品の疲労特性改善方法とそれを用いたチタン合金部品
JP2010031367A (ja) * 2008-07-29 2010-02-12 Hamilton Sundstrand Corp 物品およびこれを処理する方法
US7942638B2 (en) 2005-06-29 2011-05-17 Mtu Aero Engines Gmbh Turbomachine blade with a blade tip armor cladding
US8920881B2 (en) 2004-10-16 2014-12-30 MTU Aero Engines AG Method for producing a component covered with a wear-resistant coating

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