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JP3087377B2 - TiまたはTi合金製の部材のための表面硬化材、表面硬化方法および表面硬化部材 - Google Patents

TiまたはTi合金製の部材のための表面硬化材、表面硬化方法および表面硬化部材

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JP3087377B2
JP3087377B2 JP03245527A JP24552791A JP3087377B2 JP 3087377 B2 JP3087377 B2 JP 3087377B2 JP 03245527 A JP03245527 A JP 03245527A JP 24552791 A JP24552791 A JP 24552791A JP 3087377 B2 JP3087377 B2 JP 3087377B2
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JP
Japan
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alloy
surface hardening
type
weight
hardening material
Prior art date
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JP03245527A
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JPH0592294A (ja
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哲也 清水
知人 飯久保
信一 海野
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.)
Daido Steel Co Ltd
Fuji Oozx Inc
Original Assignee
Daido Steel Co Ltd
Fuji Oozx Inc
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Publication date
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  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、TiまたはTi合金製
の機械構造部材に硬質の表面を形成するための表面硬化
材に関する。 本発明は、その表面硬化材を使用して行
なう表面硬化方法と、その結果得られる表面硬化部材に
も関する。
【0002】
【従来の技術】よく知られているように、Tiとその合
金は一般に軽量であって比強度が高く、耐食性もすぐれ
ているため、種々の機械部品への使用が試みられてい
る。 とくに、回転や往復の運動をする部材に使用すれ
ば、在来の鋼製の部材の場合より駆動エネルギーを小さ
くでき、振動も軽減されて好ましい。
【0003】Tiの合金としては、Ti−6Al−4
V,Ti−6Al−6V−2Sn,Ti−6Al−2S
n−4Zr−2Mo,Ti−22V−4Alなど、10
%までのAlを含有する種々の組成のものが開発され、
実用されつつある。その組織は、α型、α+β型、β型
である。 純Tiはもちろん、これらの合金も耐摩耗性
が十分ではないから、摺動や多数回の接触を繰り返す部
材として使用するのは困難である。
【0004】ひとつの対策として、TiまたはTi合金
の部材に肉盛り溶接を行なって硬質表面を形成すること
が試みられた。 これは、常用のTi−6Al−4V合
金をマトリクスとし、金属炭化物を分散させたものを肉
盛り材として使用する手法であるが、400℃を超える
高温になると肉盛り材のマトリクスの組織が変化し、硬
度が低下してくるという難点があるため、適用できる場
面が限られている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、純T
i、または(α+β)型Ti合金、β型Ti合金もしく
はα型Ti合金で製造した部材の表面に肉盛り溶接する
ことにより硬質の表面を形成して耐摩耗性を与える表面
硬化材であって、高温においても安定なものを提供し、
それにより従来Ti合金の使用が望まれながら実現して
いなかった分野、たとえば自動車エンジン用バルブへの
使用を可能にすることにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の、純Ti、また
は(α+β)型Ti合金、β型Ti合金もしくはα型T
i合金で製造した部材の表面に肉盛り溶接することによ
り硬質の表面を形成するための表面硬化材は、Al:3
0〜42重量%を含有し残部が実質上TiであってTi
−Al金属間化合物を主体とする合金と、硬質の金属炭
化物、窒化物またはホウ化物の少なくとも1種とを、後
者が1〜50重量%を占めるように配合してなる。
【0007】上記のTi−Al金属間化合物を主体とす
る合金は、下記の添加元素の1種または2種以上を、2
種以上併用の場合は合計で20重量%以下含有してもよ
い。
【0008】Nb:0.5〜15%(重量%、以下同
じ)、W:0.5〜15%、Mn:0.1〜10%、C
r:0.1〜10%、V:0.1〜10%、B:0.0
1〜0.2%、Mo:0.1〜5%、Fe:0.1〜5
%、Ta:0.1〜10%、Zr:0.1〜5%および
Hf:0.1〜5%。
【0009】本発明の、純Ti、または(α+β)型T
i合金、β型Ti合金もしくはα型Ti合金で製造した
部材の表面に、硬質の表面を形成するための表面硬化法
は、純Ti、または(α+β)型Ti合金、β型Ti合
金もしくはα型Ti合金で製造した部材の表面に、請求
項1または2に記載の表面硬化材の粉末を、プラズマパ
ウダーウエルディング法により肉盛り溶接することから
なる。
【0010】このような表面硬化法によって得られる本
発明の表面硬化部材の代表的なものは、Ti合金製の自
動車エンジン用バルブのシートとの接触面に、請求項1
または2の表面硬化材を肉盛り溶接して、硬質表面を形
成したバルブである。
【0011】表面硬化材の適用方法には、代表的なプラ
ズマパウダーウエルディングのほか、TIG法、あるい
はエレクトロンビームやレーザーなどの高エネルギーを
利用した方法がある。
【0012】いずれの適用方法によるにしても、表面硬
化材は粉末状態であることが必要であるか、少なくとも
好都合である。 表面硬化材を構成するTi−Al合金
と金属炭化物、窒化物、ホウ化物などの硬質の粒子と
は、一体に溶製して粉末化したものに限らず、それぞれ
粉末状に用意したものを混合したものであってもよく、
要は、硬質の粒子がマトリクスとなる合金中に均質に分
散していることである。粉末の粒度は、肉盛り溶接を行
なう方法によっても適切な範囲が多少異なるが、通常は
60〜330メッシュが好適である。 マトリクスのT
i−Al合金は、基本的にはγ相(TiAl)および
α′相(Ti3Al)で構成されるが、β相が生成して
もとくに問題はない。
【0013】
【作用】金属の炭化物、窒化物、ホウ化物、代表的には
TiC,NbC,WC,TiN,NbN,BNなどは、
肉盛りされたTi−Al合金のマトリクス中に分散し
て、硬質の表面を形成する。 この効果は、Ti−Al
合金と硬質の粒子との配合物のうち、後者が少なくとも
1重量%を占めないと得られない。 一方、多量に加え
ると、肉盛り加工時に割れが発生しやすくなり、かつ肉
盛り部の靭性が低下するから、50重量%以内の配合に
止める。 一般には、後記する例にみるとおり、5〜3
0重量%の配合が適当である。
【0014】所望によりTi−Al合金に添加する諸元
素は、共通の効果として靭延性の向上があり、いずれも
前記した下限値以上でその効果が得られる。 多量に加
えても効果が飽和したり、かえって靭延性が低下したり
する上から、それぞれ上限値までの添加に止める。 こ
れら任意添加元素は、B以外はTiより比重が大であっ
て、多量に加えると部材が軽量であるというメリットを
減殺することになるから、2種以上併用の場合も、合計
で20重量%を超えるべきでない。
【0015】これらの元素の作用は、靭延性の向上とい
う共通の効果に加えて、詳細にみるとそれぞれ次のよう
な意義がある。 すなわち、Nb,W,V,Ta,Z
r,Hfは、金属間化合物TiAlおよびTi3Alの
うち主として後者に固溶し、固溶強化により強度を高め
る。 また、Ti3Alの延性を改善する。 これらの
元素のうちとくにNbおよびWは、耐酸化性の向上にも
寄与する。 次に、Mn,Cr,Fe,Moは、2種の
金属間化合物のうちではTiAlの方に多量に固溶し、
強度を上昇させる。 とくにMnおよびCrは、TiA
lおよびTi3Alの両方の延性を高める。 さらにB
は、結晶粒を微細化して高温延性の改善に有効である。
Bの添加量の上限値が低いのは、TiB2の過大な析
出による延性低下を避けるためである。
【0016】
【実施例】表面硬化を行なう部材の材料として、下記A
〜Dの4種を用意した。Aは市販品であり、B〜Dは、
プラズマアークを熱源とし水冷銅ルツボをそなえたスカ
ル炉を用いて、Arガス雰囲気中で原料を溶解して8kg
鋳塊としたものである。これらを鍛造して、径20mmの
丸棒に仕上げた。
【0017】A 純Ti B Ti−6Al−4V C Ti−22V−4Al D Ti−6Al−2Sn−4Zr−2Mo 別に、表1および表2の「肉盛り材」の欄に示す組成
の、Ti合金および硬質粒子の配合物を調製した。 T
i合金は、溶湯の遠心噴霧により粉末としたものから6
0〜140メッシュの範囲をふるい分け、別に用意した
硬質粒子の、やはり60〜140メッシュの粉末と混合
した。
【0018】上記した肉盛り材の粉末を、プラズマパウ
ダーウエルディングにより、前記A〜Dの部材の径20
mmの丸棒の端面に、その外周に沿って一周するように肉
盛り溶接した。 溶接の条件は、肉盛り材によって若干
異なるが、下記の範囲内にある: 電流 80〜120A 速度 80〜250mm/min ガス量 プラズマ用、パウダー用各1.0l/min シールド用10l/min 肉盛りした試片を観察して割れの有無を観察したのち縦
に切断し、肉盛り部分の断面について、ビッカース硬さ
を測定した(荷重10kgf)。 次に、肉盛り部分を先
端にもつピン型の試験片を製作し、回転するSUJ2の
ディスクに一定圧力で押しつけるピンオンディスク摩耗
試験(試験条件は、周速62.6m/min 、距離2.6
3×104m、押付力10kg、潤滑なし)を行ない、一
定の距離を摺動した後の摩耗量(重量減)を記録した。
【0019】以上の結果を、表1(実施例)および表2
(比較例)に示す。
【0020】
【表1】
【0021】
【表2】
【0022】
【発明の効果】本発明に従ってTiまたはTi合金の部
材の表面に肉盛り溶接を行ない、硬質の表面を形成する
ことにより、TiおよびTi合金の弱点であった低い耐
摩耗性を効果的に高めることができる。
【0023】この硬質表面を構成するTi−Al合金マ
トリクスは、相安定性にすぐれていて、高温に長時間さ
らした場合にも、組織が変化することなく硬度の低下を
生じることがない。 従ってこの技術は、Ti合金で製
造した自動車エンジンのバルブなどに適用したとき、と
くにその意義が大きい。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI C04B 35/58 101 C04B 35/58 105C 105 C22C 14/00 Z C22C 14/00 32/00 32/00 C23C 4/06 C23C 4/06 30/00 A 30/00 C04B 35/56 F (56)参考文献 特開 平1−212741(JP,A) 特開 平5−115995(JP,A) 特開 平5−77085(JP,A) 特開 平1−111858(JP,A) 特開 昭62−56561(JP,A) 特開 平2−70072(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23K 35/30 - 35/32 B23K 10/02 C22C 14/00 C22C 32/00

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 純Ti、または(α+β)型Ti合金、
    β型Ti合金もしくはα型Ti合金で製造した部材の表
    面に肉盛り溶接することにより硬質の表面を形成するた
    めの表面硬化材であって、Al:30〜42重量%を含
    有し残部が実質上TiであってTi−Al金属間化合物
    を主体とする合金と、硬質の金属炭化物、窒化物または
    ホウ化物の少なくとも1種とを、後者が1〜50重量%
    を占めるように配合してなる表面硬化材。
  2. 【請求項2】 Ti−Al金属間化合物を主体とする合
    金が、下記の添加元素の1種または2種以上を、2種以
    上併用の場合は合計で20重量%以下含有する請求項1
    の表面硬化材:Nb:0.5〜15%(重量%、以下同
    じ)、W:0.5〜15%、Mn:0.1〜10%、C
    r:0.1〜10%、V:0.1〜10%、B:0.0
    1〜0.2%、Mo:0.1〜5%、Fe:0.1〜5
    %、Ta:0.1〜10%、Zr:0.1〜5%および
    Hf:0.1〜5%。
  3. 【請求項3】 純Ti、または(α+β)型Ti合金、
    β型Ti合金もしくはα型Ti合金で製造した部材の表
    面に、請求項1または2に記載の表面硬化材の粉末を、
    プラズマパウダーウエルディング法により肉盛り溶接す
    ることからなる表面硬化方法。
  4. 【請求項4】 Ti−6Al−4V,Ti−6Al−6
    V−2Sn,Ti−6Al−2Sn−4Zr−2Moお
    よびTi−22V−4Alからえらんだ、10重量%以
    下のAlを含有するTi合金で製造した部材の表面に、
    請求項1または2に記載の表面硬化材を肉盛り溶接して
    なる表面硬化部材。
  5. 【請求項5】 Ti合金製の自動車エンジン用バルブの
    シートとの接触面に請求項1または2の表面硬化材を肉
    盛り溶接して硬質の表面を形成したバルブ。
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