(57)【要約】【課題】  従来のＴｉ合金よりも低比重、高剛性であり、さらに、従来のＴｉＡｌ合金よりも靭性を向上させた吸排気バルブ用ＴｉＡｌ合金およびその製造方法を提供する。また、軽量かつ高剛性なバルブ部品を実現することにより、エンジンの高回転化や出力改善を図る。【解決手段】  組成がＡｌ：８．０〜９．５ｗｔ％および残部ＴｉからなるＴｉＡｌ合金を、６００〜９００℃において４０時間以上時効熱処理する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
組成がＡｌ：８．０〜９．５ｗｔ％および残部ＴｉからなるＴｉＡｌ合金を、６００〜９００℃において４０時間以上時効熱処理することを特徴とする吸排気バルブ用ＴｉＡｌ合金の製造方法。
【請求項２】
前記組成に、更に、Ｆｅ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂのうち少なくとも１種を添加し、それらの添加量のｗｔ％の値を以下の［数１］式に用いたときに、Ｍｏ当量が５．７以下となることを特徴とする請求項１に記載の吸排気バルブ用ＴｉＡｌ合金の製造方法。
［数１］
Ｍｏ当量＝Ｍｏ＋２．５Ｆｅ＋１．２５Ｃｒ＋０．６７Ｖ＋０．２８Ｎｂ
【請求項３】
組成がＡｌ：８．０〜９．５ｗｔ％および残部ＴｉからなるＴｉＡｌ合金において、α−Ｔｉ中に３０〜５０ｖｏｌ％のＴｉ３Ａｌが析出していることを特徴とする吸排気バルブ用ＴｉＡｌ合金。
【請求項４】
前記組成に、更に、Ｆｅ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂのうち少なくとも１種を添加したＴｉＡｌ合金であって、それらの添加量のｗｔ％の値を以下の［数２］式に用いたときに、Ｍｏ当量が５．７以下となることを特徴とする請求項３に記載の吸排気バルブ用ＴｉＡｌ合金。
［数２］
Ｍｏ当量＝Ｍｏ＋２．５Ｆｅ＋１．２５Ｃｒ＋０．６７Ｖ＋０．２８Ｎｂ
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンバルブ部品に用いられるチタン合金およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンバルブ部品の材料として、ＴｉＡｌ合金が知られている。例えば、特許文献１に記載のＴｉＡｌ合金からなるバルブは、一般的なＴｉ合金からなるバルブに比べて非常に軽量であるという特徴がある。また、エンジンの高回転化や高効率化（燃焼効率向上、フリクション抵抗低減等）のためバルブには剛性が求められるが、従来のバルブ材であるＴｉ合金に比して、ＴｉＡｌ合金は高い剛性を有するという利点がある。
【０００３】
しかしながら、従来のバルブ材と比べ、ＴｉＡｌ合金は靭性が非常に低いため、バルブの信頼性の観点から適用が困難となっている。このため、ＴｉＡｌ合金からなるバルブ部品の適用範囲は非常に限定されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２２９２１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＴｉＡｌ合金は主に金属間化合物からなるため靭性が低く、バルブ部品の安全率管理が極めて難しい。すなわち、ＴｉＡｌ合金を用いてバルブ部品を設計する際には、部品強度に十分な余裕を持たせるために、バルブ部品の寸法をより大きくする必要がある。このため、ＴｉＡｌ合金の低比重であるという利点を効率的に利用できない。
【０００６】
したがって、本発明は、従来のＴｉ合金よりも低比重、高剛性であり、さらに、従来のＴｉＡｌ合金よりも靭性を向上させた吸排気バルブ用ＴｉＡｌ合金およびその製造方法を提供することを目的としている。また、本発明は、軽量かつ高剛性なバルブ部品を実現することにより、エンジンの高回転化や出力改善を図ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の吸排気バルブ用ＴｉＡｌ合金の製造方法は、組成がＡｌ：８．０〜９．５ｗｔ％および残部ＴｉからなるＴｉＡｌ合金を、６００〜９００℃において４０時間以上時効熱処理することを特徴とする。
【０００８】
上記ＴｉＡｌ合金を６００〜９００℃の範囲で４０時間以上時効処理することにより、α−Ｔｉを生成させ、α−Ｔｉ中に３０〜５０ｖｏｌ％のＴｉ３Ａｌを析出させることができる。このため、基地中のα−Ｔｉにより材料の靭性が向上する。また、α相中にＴｉ３Ａｌが析出しているため、Ｔｉ３Ａｌによる析出硬化により基地の剛性を向上できると考えられる。したがって、本発明の製造方法により、従来のＴｉＡｌ合金よりも靭性が改善され、従来のＴｉ合金よりも低比重、高剛性であるＴｉＡｌ合金が得られる。
【０００９】
なお、本発明の吸排気バルブ用ＴｉＡｌ合金の製造方法において、上記組成に、更に、Ｆｅ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂのうち少なくとも１種を添加し、それらの添加量のｗｔ％の値を以下の［数１］式に用いたときに、Ｍｏ当量が５．７以下となることが好ましい。
［数１］
Ｍｏ当量＝Ｍｏ＋２．５Ｆｅ＋１．２５Ｃｒ＋０．６７Ｖ＋０．２８Ｎｂ
【００１０】
上記ＴｉＡｌ合金に、β−Ｔｉ安定化元素であるＦｅ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂのうち少なくとも１種を添加すると、基地にβ相を析出させることができる。Ｆｅ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂは、β相の析出温度を低下させる効果があり、β相により材料の機械加工性が向上する。ただし、基地中のβ相が過剰であると、材料の硬度や強度等が低くなりすぎるので、β相の析出量を調節するため、Ｍｏ当量を５．７以下に設定する。なお、固溶強化を目的としてＳｎやＺｒ、高温強度や耐クリープ性向上を目的としてＳｉやＮｂを添加してもよい。
【００１１】
また、本発明の吸排気バルブ用ＴｉＡｌ合金は、組成がＡｌ：８．０〜９．５ｗｔ％および残部ＴｉからなるＴｉＡｌ合金において、α−Ｔｉ中に３０〜５０ｖｏｌ％のＴｉ３Ａｌが析出していることを特徴とする。
【００１２】
ＴｉＡｌ合金において、Ｔｉ３Ａｌが３０ｖｏｌ％に満たないと、基地の剛性を向上させる効果が小さく、５０ｖｏｌ％を超えると、α−Ｔｉが少なくなるため材料の靭性が低くなる。このため、本発明では、ＴｉＡｌ合金において、α−Ｔｉ中に３０〜５０ｖｏｌ％のＴｉ３Ａｌを析出させる。
【００１３】
なお、本発明の吸排気バルブ用ＴｉＡｌ合金において、上記組成に、更に、Ｆｅ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂのうち少なくとも１種を添加したＴｉＡｌ合金が好ましく、それらの添加量のｗｔ％の値を以下の［数２］式に用いたときに、Ｍｏ当量が５．７以下となることが好ましい。
［数２］
Ｍｏ当量＝Ｍｏ＋２．５Ｆｅ＋１．２５Ｃｒ＋０．６７Ｖ＋０．２８Ｎｂ
【００１４】
以下に、β−Ｔｉ安定化元素であるＦｅ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｎｂについて述べる。
Ｆｅ：
Ｆｅは安価であり、その添加量が少なくても、β相安定化の効果が非常に大きい。また、材料の強度向上効果がある。ただし、Ｆｅを過剰に添加すると、Ｔｉと結合してＴｉＦｅを生成するため、延性が低下する。このため、本発明では、Ｆｅの添加量は、α−Ｔｉに固溶し、過剰に析出しない範囲である２ｗｔ％以下とする。
【００１５】
Ｃｒ：
Ｃｒも安価であり、その添加量が少なくても、β相安定化の効果が得られる。また、材料の強度向上効果がある。ただし、過剰に添加すると、機械加工性が低下する場合があるため、Ｃｒの添加量は３．０ｗｔ％未満とする。なお、本発明においては、高靭性を確保する観点から、α−Ｔｉに固溶し、過剰のＴｉＣｒ２を析出しない範囲である１ｗｔ％以下とすることが望ましい。
【００１６】
Ｍｏ，Ｖ：
ＭｏおよびＶは、全率固溶体型の元素であるため、Ｔｉと結合して析出物を生成することがない。そこで、本発明においては、β相の析出量を調節するために用いる。
【００１７】
Ｎｂ：
Ｎｂはβ相安定化の効果が低いが、耐クリープ性向上の効果も得られる。このため、本発明においては、Ｎｂを微量添加する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の吸排気バルブ用ＴｉＡｌ合金の製造方法によれば、Ａｌを添加することによって材料の比重を低減し、Ｔｉ３Ａｌを析出させることにより剛性を向上させたＴｉＡｌ合金が得られる。また、本発明のＴｉＡｌ合金の製造方法によれば、適量のα−Ｔｉを基地に残すことによって、靭性が向上したＴｉＡｌ合金が得られる。本発明のＴｉＡｌ合金を所定のバルブ部品に用いた場合、従来材であるＴｉ６２４６を用いた場合と比べ、バルブ部品を７％程度軽量化できる。また、本発明のＴｉＡｌ合金は高剛性であるため、設計により、バルブ部品の更なる軽量化やエンジンの高回転化が実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施形態で用いた各材料の試験片の圧縮加工性試験結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明のＴｉＡｌ合金の一例を述べる。Ｔｉ３Ａｌを３０〜５０ｖｏｌ％分散させるため、Ａｌの添加量は９．５ｗｔ％とし、それ以外の成分元素については、適宜添加を行った。表１に、各材料の成分を示す。表１に示すように、熱間押出し時の加工性や強度の観点から、Ｆｅ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ等のβ相安定化元素を添加した材料や、固溶強化促進のためＺｒをさらに添加した材料を用意した。なお、耐クリープ性を得るため、各材料にＳｉを０．２ｗｔ％添加し、特に材料ＡにはＮｂも添加した。また、各材料において、Ｍｏ当量が５．７以下となるように成分元素の添加量を設定した。
【００２１】
【表１】
2010270347.tif 000002
【００２２】
表１に示した５種類の材料について、直径３８ｍｍ×高さ１８ｍｍの鋳塊を作製し、直径８ｍｍ×高さ１２ｍｍのボタン型試験片を６個ずつ切り出し、時効熱処理後、密度測定および圧縮加工性試験を実施した。時効熱処理は、６００〜９００℃において４０時間以上行い、Ｔｉ３Ａｌを十分に析出させた後、水冷により冷却を行った。そして、Ｘ線回折法によりα相、Ｔｉ３Ａｌ相、β相の相比の確認を行った。評価に用いたピーク角は、α相：３５．３°、３８．４°、４０．４°、Ｔｉ３Ａｌ相：２５．８°、β相：３９．２°である。なお、α相の３つのピークにはＴｉ３Ａｌ相のピークも重なっているため、相比はその影響を考慮して算出した。これらの結果を、表２に示す。なお、相比に基づいて求めたヤング率の推定値も表２に示す。
【００２３】
【表２】
2010270347.tif 000003
【００２４】
表２に示す結果から、各材料において、α−Ｔｉ中に３０〜５０ｖｏｌ％程度のＴｉ３Ａｌが析出したことを確認できた。表２に示すヤング率の推定値から、最も高い剛性を示す材料はＪであると推測できる。また、β相の割合から、加工性に対して最も有利となる材料はＭであることが推定される。
【００２５】
次に、材料の加工性を比較するため、表１に示した５種類の材料について、ボタン型試験片を用いて圧縮加工性試験を行った。圧縮試験では、加熱炉が設置された圧縮試験機に試験片を固定し、各試験温度において３０分保持した後、０．１ｍｍ／ｓｅｃの一定速度で圧縮歪み量が６０％前後に到達するまで圧縮を行い、その際の圧縮降伏強さを測定した。試験温度は、一次押出しを想定し、βトランザス（β変態点）以下の温度である、８００℃、９００℃、１０００℃とした。圧縮加工性試験の結果を図１に示す。
【００２６】
図１から、８００〜１０００℃の各温度域において、他の材料と比べ、材料Ｍの変形抵抗が明らかに小さいことがわかる。このことから、加工性に効果のあるβ相をかなり多く含有させることにより、圧縮降伏強さを低減し、材料の加工性を向上させることが可能であるとわかる。
【００２７】
以上の結果を基に、材料ＪおよびＭについてさらに検討を行った。表３に示す条件において、材料ＪおよびＭについて、それぞれ、スカル溶解により鋳造し、一次押出し、熱処理を行い、上記と同様にして相比を求めた後、引張試験を行った。それらの結果を表３に示す。また、比較のため、従来のＴｉ系バルブ材（Ｔｉ６２４６、ＴｉＡｌ）の物性値の一例を表３に伴わせて示す。
【００２８】
【表３】
2010270347.tif 000004
【００２９】
表３からわかるように、本発明の材料ＪおよびＭは、従来材であるＴｉＡｌに対し、伸びの値が著しく改善しており、また、Ｔｉ６２４６に対しては、伸びの値は同等以上であるため、靭性が実用レベルに改善されたといえる。また、Ｔｉ６２４６に比べ、材料ＪおよびＭは密度が低く、高いヤング率を示しており、低比重、高剛性化を達成したと考えられる。したがって、本発明のＴｉＡｌ合金は、従来のＴｉ合金よりも低密度、高剛性であり、さらに、従来のＴｉＡｌ合金よりも靭性が改善していることが確認できた。
【図１】
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