(57)【要約】      （修正有）【課題】搾出−型打ち鍛造法によるチタン合金製のエンジンバルブの製造において、バルブの各部分が好ましい組織、すなわち傘部は針状組織、軸部は等軸組織を有するものを、鍛造後に特段の加熱処理を行なうことなく、鍛造と同時に実現する。【解決手段】バブル形状を備えた上下一対で鍛造用の金型を加熱して用い、軸部の径より太い径をもつスラグの端面面取りを行なって（α＋β）域の温度に加熱したものを傘部の側から挿入し、スラグの下部を前方押出して軸部を搾出成形し、続いてスラグの上部を型打ちして材料を横方向に展開させて傘部を成形する。傘部の組成変形によって生じる熱を利用して、傘部の周辺部の温度をそのチタン合金のβトランザス温度を超える温度とし、その部分の組織を針状（α＋β）組織とする。Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金（βトランザス温度：９８０℃）では、スラグの加熱温度を８００℃以上、好ましくは９００℃以上とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン合金製で、端面面取りを行なったスラグから、搾出および傘打ち加工を同時に行なう鍛造によりエンジンバルブを製造する方法であって、バルブ形状を備えた上下一対の鍛造用の金型を用い、軸部の径より太い径をもつスラグを（α＋β）域の温度に加熱したものを、加熱した金型に傘部の側から挿入し、スラグの下部を前方押出しすることにより軸部を搾出成形し、続いてスラグの上部を型打ちして材料を横方向に展開させることにより傘部を成形する工程からなり、傘部の塑性変形によって生じる熱を利用して、傘部の周辺部の温度を、そのチタン合金のβトランザス温度を超える温度とすることにより、その部分の組織を針状（α＋β）組織とすることを特徴とするチタン合金製エンジンバルブの製造方法。
【請求項２】
使用するチタン合金に応じて、鍛造するスラグの加熱温度と型打ち鍛造により傘部の周辺部に生じる相当塑性ひずみの量との関係によって定まる到達温度が、そのチタン合金のβトランザス温度を超えるような加熱温度を選択して実施する請求項１のチタン合金製エンジンバルブの製造方法。
【請求項３】
チタン合金として、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金（βトランザス温度：９８０℃）を使用し、スラグの加熱温度を９３０〜１０３０℃として実施する請求項１または２のチタン合金製エンジンバルブの製造方法。
【請求項４】
スラグに黒鉛被膜を施し、金型の潤滑剤として鉱物油を用いて実施する請求項１ないし３のいずれかのチタン合金製エンジンバルブの製造方法。
【請求項５】
鍛造用の金型の温度を１００〜５００℃に加熱して実施する請求項１ないし３のいずれかのチタン合金製エンジンバルブの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チタン合金、代表的にはＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を材料として、エンジンバルブ、とくに自動車エンジンのバルブを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車エンジンのバルブをはじめとするエンジンバルブは、良好なレスポンスを実現する上で軽量であることが望まれるから、チタン合金のような比重の小さい材料で製造することが好ましい。エンジンバルブはまた、軽量であるだけでなく強度が高く、かつ耐熱性にすぐれていることが必要であるから、それに適した材料を選ばなければならない。上記したＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金は、これらの諸要求を満たす材料として好適なものである。ところが、一般に機械的特性のすぐれたチタン合金は、成形性が低いという弱点があり、この点ではＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金も例外でない。
【０００３】
これまで、チタン合金でエンジンバルブを製造する方法として知られ、実用されてきたのは、電気アップセット−型入れ鍛造法であった。この製造方法は、まずバルブ軸部の直径と同じ直径を有するチタン合金線材を用意し、その一端を通電加熱して据え込むことにより傘部となる大径部分を形成し、それを鍛造型に入れて傘部を鍛造する、という２工程からなる。この方法は、まず、比較的細いチタン合金線材を用意するという工程からして、チタン合金のもつ低い成形性ゆえに不利であり、その上に電気アップセットの工程が時間がかかる（１〜２分間）ので、全体として、生産性が低いという難点があった。いうまでもなく、生産性の低さは、材料の価格とあいまって、本来は低コストで製造されるべきバルブのコストを押し上げていた。
【０００４】
バルブの組織についていえば、傘部は高温疲労強度が高い針状組織すなわち針状αまたは針状（α＋β）であることが好ましく、一方、軸部は靭延性においてすぐれている等軸組織であることが好ましい。このような観点から、バルブ製造に適したチタン合金線材として、（α＋β）型チタン合金線材のミクロ組織を６〜２５μｍの粒径の、等軸α晶組織、針状α晶組織または等軸α晶組織と針状α晶組織との混合組織のいずれかとしたものが提案された（特許文献１）。
【０００５】
前記した電気アップセット−型入れ鍛造法によるエンジンバルブ製造法の一例を挙げれば、等軸状α組織をなす（α＋β）相またはニアα相チタン合金からなる軸状素材の一端部に、βトランザス温度を超える温度で加工した「拡径部」を形成した後、直ちに熱間鍛造することにより、軸部の一端に針状α組織の傘部を形成することからなる製造方法が開発されている（特許文献２）。
【特許文献１】特開平６−８１０５９
【特許文献２】特開２００１−２３４３１３
【０００６】
チタン合金でエンジンバルブを製造する方法の生産性を向上させる方策として、発明者らは、軸部より径が太い円柱状で、端面の面取りを行なったスラグを用意し、それをバルブ形状をそなえた鍛造型に置き、型打ち鍛造により一挙にバルブ形状の鍛造品を得ることを着想し、試行して成功を収めた。この方法によるときは、スラグの下部が鍛造型の軸部に押し込まれ、前方押し出しによって細径にされる搾出が行なわれ、一方、スラグの上部は型打ち鍛造により傘部に成形される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、上記した搾出−型打ち鍛造法によるチタン合金製のエンジンバルブの製造において、バルブの各部分が好ましい組織、すなわち傘部は針状組織、軸部は等軸組織を有するものを、鍛造後に特段の加熱処理を行なうことなく、鍛造と同時に実現することができる製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成する本発明のチタン合金製エンジンバルブの製造方法は、チタン合金製で、端面面取りを行なったスラグから、搾出および傘打ち加工を同時に行なう鍛造によりエンジンバルブを製造する方法であって、バルブ形状を備えた上下一対の鍛造用の金型を用い、軸部の径より太い径をもつスラグを（α＋β）域の温度に加熱したものを、加熱した金型の傘部の側から挿入し、スラグの下部を前方押出しすることにより軸部を搾出成形し、続いてスラグの上部を型打ちして材料を横方向に展開させることにより傘部を成形する工程からなり、原理的にいって、傘部の塑性変形によって生じる熱を利用して、傘部の周辺部の温度をそのチタン合金のβトランザス温度を超える温度とすることにより、その部分の組織を針状（α＋β）組織とすることを特徴とする製造方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の製造方法に従ってチタン合金を材料とするエンジンバルブを製造すれば、鍛造素材として、軸部の径に合わせたチタン合金線材を使用せず、より大径の円柱状スラグを使用することができ、素材の製造が容易であることと、従来の方法で行なっていた電気アップセットの工程を必要とせず、一回の型打ち搾出鍛造でバルブが得られるから、工程が少なくなり所要時間が短縮されて、生産性が著しく向上する。そのため、エンジンバルブがより低廉な価格で提供できるという利益がある。その上、得られたバルブは、傘部が針状組織であって高温疲労強度が高く、軸部は等軸組織であって靭延性が高く、それぞれ望ましい特性を有している。
【００１０】
自動車エンジンバルブについてみれば、従来はチタン合金製のバルブはレーシングカーや高級車にしか使用できなかったものが、コストの低下と高い性能の実現により中級車以下にも使用することができるようになり、レスポンスの向上などエンジン性能を高めるばかりでなく、燃費の改善などを通じて環境への負荷を減らすことにも寄与する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
上記の原理に基づく本発明のチタン合金製エンジンバルブの製造方法を、より詳細に説明すれば、まず、スラグの端面の面取りを行なうことは、シャープエッジによるスラグの温度低下を防止し、温度を均一に保つという効果を与える。面取りはまた、鍛造時のカジリや軸ワレを防ぐはたらきもある。
【００１２】
本発明の効果を確実に得るためには、使用するチタン合金に応じて、鍛造するスラグの加熱温度と型打ち鍛造により傘部の周辺部に生じる相当塑性ひずみの量との関係によって定まる到達温度が、そのチタン合金のβトランザス温度を超えるような加熱温度を選択することが重要である。発明者らは、型打ち鍛造により傘部を成形するときに、傘部の各位置における相当塑性ひずみの分布がどのようになるかを、コンピュータ・シミュレーションにより算出した。その結果は、図１に示すとおりである。これによれば、傘部の周辺部に生じる相当塑性ひずみの量は、１．８〜２．０である。
【００１３】
一方、あらかじめ一定の温度に加熱されたチタン合金を鍛造してひずみを与えたとき、それに起因する発熱が材料の温度を上昇させ、結果としてどの程度の温度に到達するかを、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金（βトランザス温度：９８０℃）を対象として調べ、図２に示す結果を得た。
【００１４】
図１および図２を総合していえることは、鍛造の対象とするスラグを、少なくとも８００℃以上に加熱しておけば、傘部の周縁部において相当塑性ひずみが１．８〜２．０となる結果、その部分の温度が容易にβトランザス温度を超える、ということである。確実にβトランザス温度を超えるためには、加熱温度を９００℃以上、９５０℃程度にすることが好ましい。要するに、βトランザス温度には達しないが、それに近い温度であることが好ましい。
【００１５】
傘部の本体部分は、図２にみるように、さらに高い相当塑性ひずみ（２〜３）を生じるから、いっそう容易にβトランザス温度を超える。傘部の軸に連なる基部は、相当塑性ひずみが低い（０．７〜１．０）から、多くの場合、βトランザス温度を超えない。このようにして、傘部の周辺部および本体は針状（α＋β）組織、傘部の基部から軸部にかけては等軸（α＋β）組織を有するエンジンバルブが得られる。
【００１６】
鍛造金型は、常用の熱間加工用のダイス鋼で製造したものを使用することができる。鍛造に先立って、金型は、許容される限度で加熱しておくことが、材料の温度を確実にβトランザス温度以上に到達させる上で望ましい。少なくとも１００℃、またはそれ以上に加熱しておく。好ましくは、３００℃以上にする。ただし、常用の熱間加工用ダイス鋼で製造した金型を加熱できる温度は５００℃が限界であって、それ以上は、金型が変形しやすくなって適当でない。実用上は、４５０℃程度に止めるのがよい。
【００１７】
本発明の実施に当たっては、型打ち鍛造の分野において知られている技術を利用することが推奨される。たとえば、鍛造するスラグに黒鉛被膜を施すことや、金型に潤滑剤を塗布しておくことなどがそれである。潤滑剤としては、鉱物油が好適である。
【実施例】
【００１８】
Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を材料として、図３に示す形状のエンジンバルブを製造した。この合金から径１６mmの棒を製造し、長さ４０mmに切断して、鍛造用スラグとした。スラグを９５０℃、金型を２００℃に加熱して、鍛造を行なった。得られたバルブ製品を縦に切断して、組織を調べた。傘部の周辺部および本体は約９０％が針状組織、残りが等軸組織であって、傘部の基部から軸部は、ほぼ１００％が等軸組織であった。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の製造方法にしたがって型打ち鍛造によりエンジンバルブを製造したときに、バルブ傘部の各位置において生じる相当塑性ひずみの量を示す断面図。
【図２】鍛造がもたらす相当塑性ひずみの量と、それに起因する温度上昇により鍛造材料が到達する温度との関係を、種々の加熱温度において示したグラフ。
【図３】本発明の実施例で製造したエンジンバルブの形状・寸法を示す側面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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