JP4377757B2 - チタンアルミ金属間化合物製部材 - Google Patents

Description

本発明は、軽量で、高強度と高弾性率であり、且つ、低熱膨張である等の優れた特性を有するチタンアルミ金属間化合物によってその主要部が構成されている部材に関する。

近年、精密機械装置の軽量化を図るため、構成部材として、それ自体が軽量であるＴｉ、Ａｌ、Ｍｇなどの金属および合金や、セラミックスが広く使用されている。

しかしながら、これらの軽量金属およびその合金は、構造材としての強度は確保できるものの弾性係数が低いため剛性不足が生じ、剛性が要求される精密機械装置用部材として設計上の制約が生じる。また、セラミックスは加工性が著しく悪いため、その適用範囲が限られている。

一方、金属とセラミックスの中間特性を有する素材として各種金属間化合物の研究開発が進められてきているが、その中でもチタンアルミは密度が３.４〜３.９ｇ／ｃｍ^３と軽量であり、かつ、常温から高温までの強度が高いことから、反応焼結法、特殊鋳造法を適用した高温耐熱部材の実用化研究が活発に行われている。

例えば、特許文献１には、チタンアルミ金属間化合物の成形品を製造方法として、ＴｉとＡｌとからなる原料粉末を予めプレスによって圧縮成形し、その圧粉体をＴｉカプセルに充填し、脱気密封した後、ＨＩＰ処理により一気に１０００℃以上の高温において反応焼結することが開示されている。

しかしながら、このチタンアルミ金属間化合物からなる成形品は難切削材であり、その機械加工性は、セラミックスに比べはるかに良好であるものの、一般構造材に比べた場合には難切削材であり、孔空け加工、ネジ加工等の機械加工においてはドリル刃の欠損、あるいは素材部の欠損を発生し易く、製品歩留まりを悪化させると共に、工程数を著しく増大させる。このため、チタンアルミ金属間化合物の適用分野はターボチャージャーなど一部の耐熱部材、あるいは機能材としてのスパッタリングターゲットなどに限られており、一般の精密機械装置用部材としての適用例はほとんど見当たらないのが現状である。
特開平３−１７３７０５号公報

本発明が解決しようとする課題は、チタンアルミ金属間化合物製部材の精密機械加工性を改善し、これによって、チタンアルミ金属間化合物自体が有する軽量であり、且つ、高強度、高弾性率という特性を活かした精密機械装置の精密加工を施した部材の提供を可能ならしめることにある。

本発明のチタンアルミ金属間化合物製部材は、チタンアルミ金属間化合物からなる部材の中央先端の凹部に、機械加工性に優れた金属を挿入し、この機械加工性に優れた金属からなる部位を前記チタンアルミ金属間化合物からなる基体と熱間等方圧によって固相接合し一体化した後、その機械加工性に優れた金属からなる部位に機械加工を施したことを特徴とする。

この機械加工が必要な部位のみを機械加工性に優れた金属から形成することによって、必要な部位に複雑な機械加工を施すことができ、これによって、軽量でありながら、優れた剛性を有するチタンアルミ金属間化合物の特性を有する精密機器に適した部材とすることができる。

ＨＩＰによる固相接合によるチタンアルミ金属間化合物からなる部材との一体化のためには、機械加工性に優れた金属の熱膨張率がチタンアルミ金属間化合物からなる基体よりも大きい例えば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、ＮｉまたはＦｅ、または、これらの合金から形成するのがよい。これは、機械加工用金属として、熱膨張率がチタンアルミ金属間化合物より小さな材質を選定した場合、ＨＩＰ処理による接合工程における加熱・冷却により機械加工用金属には、圧縮残留応力が付与され、その後の機械加工中にドリル等の切削工具を圧迫し、切削工具の欠損に繋がるためである。

さらに、チタンアルミ金属間化合物と機械加工用金属とのＨＩＰによる固相接合に際しては、チタンアルミ金属間化合物ならびに前記機械加工用金属と固相拡散による良好な接合性を確保するために、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、ＮｉまたはＦｅ、および、これらの合金の中の１つからなるインサート材を介在させることで、チタンアルミ金属間化合物と機械加工用金属との接合界面の強度を高くすることができる。 また、インサート材の形態としては、メッキ、溶射、箔形態のいずれでもよい。 しかしながら、その厚みが５μｍより小さくなると拡散層を形成するためには不十分となり、一方厚みが１０００μｍを超えると厚み効果の飽和によってコスト増となるため、その厚みは、５μｍ以上１０００μｍ以下が好ましい．

チタンアルミ金属間化合物と機械加工用金属とのそれぞれの部位構成材は、金属カプセルに充填後、真空脱気および封入を行い、それぞれの部位構成材の融点以下の温度でＨＩＰ処理を実施することにより、それぞれが強固に固相接合した部材が得られる。

そして、固相接合した部材の機械加工用金属の部位を例えば機械加工することでチタンアルミ金属間化合物の特性を損なうことなく、複雑かつ精密な機械加工を施すことによりチタンアルミ金属間化合物を主材料とした機械部材が得られる。

このチタンアルミ金属間化合物を主体とする部材は、鋳造法、粉末冶金法のいずれによっても製造できるが、Ａｌを３０〜４５質量％と残部がＴｉからなる組成を基本組成とする。

すなわち、Ａｌが３０質量％未満の場合は、Ｔｉ_３Ａｌ，ＴｉＡｌ，ＴｉＡｌ_２，ＴｉＡｌ_３からなるチタンアルミ金属間化合物量が不足して弾性係数が１５００００Ｍｐａ程度の高い剛性を確保できず、また、４５質量％を越える場合は硬質化あるいは脆化することにより素材の靭性、加工性が著しく低下するため精密機械装置部材としての基本的な加工が困難となる。

また、チタンアルミ金属間化合物にはＣｒを０．５〜５質量％あるいはＮｂを０．５〜８質量％含有する組成とすることもできる。Ｃｒはチタンアルミ金属間化合物の靭性を改善するために効果があるが０．５％以下ではその効果が少なく、一方、５％を越えたらその効果が飽和する。また、Ｎｂはチタンアルミ金属間化合物の弾性率を改善するために効果があるが、０．５％以下ではその効果が少なく、一方、８％を越えると硬さの上昇により機械加工性が劣化する。

本発明により軽量、高強度、高弾性率を有するチタンアルミ金属間化合物の特性を損なうことなく高精度の機械加工を施した精密機械装置用部材が低コスト、かつ短工程で提供できる。

以下、本発明を産業用ロボットの支持アームに適用して、精密なネジ加工部位を有する部材とした実施例によってその実施形態を説明する。

図１は、本発明に係る先端に精密ネジ孔を形成したチタンアルミ金属間化合物製部材としてのロボット用支持アーム１０を示す。

同図に示すように、この支持アーム１０は、その中央先端の凹部に、精密加工が可能で、且つ、熱膨張率が基体１１を構成するチタンアルミ金属間化合物よりも大きい金属体１２としてのＴｉを、インサート１３としてのＣｕメッキ層を介して固相結合によって一体化したものである。そして、その金属体１２に精密ネジ孔１４を形成した状態を示している。

図２は、この図１に示す支持アーム１０の製作のための工程１〜５を示す。

工程１：チタンアルミ金属間化合物円柱素材の調製
粒状のスポンジＴｉと粒状のＡｌとを４０質量％Ａｌ−残部Ｔｉの組成となるよう配合し、この配合原料を１０^-４ｔｏｒｒまで真空排気後、内部をＡｒ置換して不活性雰囲気中で溶解し、φ５０ｍｍ×２００ｍｍの円柱素材１に鋳造した。この際、機械加工用金属を挿入するため、φ１０ｍｍ×２０ｍｍの空洞２を中子により確保した。この空洞２は円柱素材を鋳造後、機械加工により作成しても差し支えない。また、チタンアルミ金属間化合物の円柱素材１として、鋳造に代えて、反応焼結法例えばＨＩＰ処理により作成したものも使用できる。鋳造円柱素材１は１０^-３ｔｏｒｒまで脱気の後、Ａｒ置換した不活性雰囲気中で１１００℃以上１３５０℃以下の温度で２時間の熱処理を施し、鋳造材の凝固歪みを開放するとともに、界面の固相拡散を促進することによりＴｉ_３Ａｌ，ＴｉＡｌ，ＴｉＡｌ_２、ＴｉＡｌ_３のチタンアルミ金属間化合物とした。

工程２：加工用金属の挿入
チタンアルミ金属間化合物からなる円柱素材１の空洞２内に、インサート材３として３０μmの銅メッキを施したφ９ｍｍ×１９ｍｍの純チタンからなる加工用金属４を挿入した。

工程３：円柱素材のカプセル装入
工程２によって加工用金属４を挿入したチタンアルミ金属間化合物の円柱素材１をＨＩＰ処理のための鋼製カプセル５に溶接封入した。鋼製カプセル５に設けた上部脱気管５１によってカプセル内を１×１０^-４ｔｏｒｒまで真空脱気後、３００℃まで昇温し、素材表面の吸着ガスを放出し、脱気管５１をシール溶接した。

工程４；ＨＩＰ処理
カプセル５に真空封入された円柱素材１に８００℃で、１１８ＭＰａ下で、２時間ＨＩＰ処理を施した。これによって、銅メッキ３が施された機械加工用金属４である純チタン材がチタンアルミ金属間化合物からなる基体１１に固相接合した中間部材６が得られた。

工程５：精密機械加工（ネジ孔加工）
このようにして得られた機械加工用金属４がチタンアルミ金属間化合物からなる基体１１に固相接合した部材６を収納した鋼カプセル５を機械加工によって除去したのち、外面をφ４５ｍｍ×１８０ｍｍの円柱状に加工し、純チタンである機械加工用金属４の部分に深さ１６ｍｍの精密ドリル７によって精密ネジ加工を施し、図１に示すネジ加工部を有するロボット用の支持部材１０を得た。

このチタンアルミ金属間化合物を基体１１とする支持アーム１０は、チタンアルミ金属間化合物そのものが有する軽量である上に、剛性を含め機械的に優れた特性を有し、しかも、ロボットのような精密機械の部材として精密加工部位を有するものである。

本発明のチタンアルミ金属間化合物からなる部材は、チタンアルミ金属間化合物の特性を保持し、かつ、一般構造材と同様にボール盤、マシニングなどの汎用機械加工装置によりネジ加工を含めた任意形状の加工を精度良く行うことができ、各種の精密機械装置部材への適用を可能とするものである。

本発明のチタンアルミ金属間化合物製部材の実施例を示す。 本発明の部材を得るための工程を示す。

符号の説明

１ 鋳造円柱素材
２ 空洞
３ インサート材
４ 加工用金属
５ 鋼製カプセル
５１ 脱気管
６ 中間部材
７ 精密ドリル
１０ 支持アーム
１１ 基体
１２ インサート
１３ 金属体
１４ 精密ネジ孔

Claims (5)

1. チタンアルミ金属間化合物からなる部材の中央先端の凹部に、機械加工性に優れた金属を挿入し、
   この機械加工性に優れた金属からなる部位を前記チタンアルミ金属間化合物からなる基体と熱間等方圧によって固相接合し一体化した後、
   その機械加工性に優れた金属からなる部位に機械加工を施したチタンアルミ金属間化合物製部材。
2. 機械加工性に優れた金属が、チタンアルミ金属間化合物より大きい熱膨張率を有する金属である請求項１に記載のチタンアルミ金属間化合物製部材。
3. チタンアルミ金属間化合物より大きい熱膨張率を有する金属が、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、ＮｉまたはＦｅ、または、これらの合金の中の一つである請求項２に記載のチタンアルミ金属間化合物製部材。
4. チタンアルミ金属間化合物と機械加工用金属との熱間等方圧による固相接合部分に、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、ＮｉまたはＦｅ、および、これらの合金の中の１つからなるインサート材を介在させてなる請求項１に記載のチタンアルミ金属間化合物製部材。
5. チタンアルミ金属間化合物が、Ａｌを３０〜４５質量％と残部がＴｉからなる組成を基本組成とし、または、基本組成に、Ｃｒを０．５〜５質量％および／またはＮｂを０．５〜８質量％含有せしめてなる請求項１に記載のチタンアルミ金属間化合物製部材。

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