(57)【要約】【課題】  強度の高い合金材料を容易に製造するための熱処理方法を提供する。【解決手段】  固体合金材料の熱処理方法であって、初期加熱槽内の液体リチウムを、固体合金材料の合金成分が固溶体に溶解する固溶温度よりも高くかつ固体合金材料の融点よりも低い温度にあらかじめ加熱して保持しておき、初期加熱槽内の液体リチウム内に固体合金材料を直接浸漬して固体合金材料が固溶体を形成するまで保持する初期加熱工程Ｓ３と、冷却槽内の液体リチウムを、固溶温度よりも低い温度にあらかじめ保持し、初期加熱工程Ｓ３の後に冷却槽内の液体リチウム内に固体合金材料を直接浸漬して冷却して過飽和固溶体を得るリチウム浸漬冷却工程Ｓ４と、リチウム浸漬冷却工程Ｓ４の後に固体合金材料を室温まで冷却する第２の冷却工程Ｓ５と、その後に、室温よりも高い時効温度に保った再加熱槽内に固体合金材料を入れて保持する再加熱工程Ｓ６と、を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体合金材料の熱処理方法であって、
初期加熱槽内の液体リチウムを、固体合金材料の合金成分が固溶体に溶解する固溶温度よりも高くかつ固体合金材料の融点よりも低い温度にあらかじめ加熱して保持しておき、その初期加熱槽内の液体リチウム内に前記固体合金材料を直接浸漬して前記固体合金材料が固溶体を形成するまで保持する初期加熱工程と、
冷却槽内の液体リチウムを、前記固溶温度よりも低い温度にあらかじめ保持し、前記初期加熱工程の後に前記冷却槽内の液体リチウム内に前記固体合金材料を直接浸漬して冷却して過飽和固溶体を得るリチウム浸漬冷却工程と、
前記リチウム浸漬冷却工程の後に、室温よりも高い時効温度に保った再加熱槽内に前記固体合金材料を入れて保持する再加熱工程と、
を有すること、を特徴とする固体合金材料の熱処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載の熱処理方法において、前記リチウム浸漬冷却工程と再加熱工程の間に、前記固体合金材料をリチウムの融点よりも低い温度まで冷却する第２の冷却工程をさらに有することを特徴とする固体合金材料の熱処理方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の熱処理方法において、前記固体合金材料はα−βチタン合金材料またはβチタン合金材料であることを特徴とする固体合金材料の熱処理方法。
【請求項４】
請求項３に記載の熱処理方法において、
前記初期加熱工程は、前記初期加熱槽内の液体リチウムの温度を７００℃以上でかつ１３００℃以下に保持して行ない、
前記リチウム浸漬冷却工程は、前記冷却槽内の液体リチウムの温度を５００℃以下に保持して行なうこと、
を特徴とする固体合金材料の熱処理方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の熱処理方法において、前記リチウム浸漬冷却工程の後で前記再加熱工程の前に、前記固体合金材料に機械加工を行なう再加熱前機械加工工程をさらに有すること、を特徴とする固体合金材料の熱処理方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の熱処理方法において、前記初期加熱工程の前に、前記固体合金材料に機械加工を行なう加熱前機械加工工程をさらに有すること、を特徴とする固体合金材料の熱処理方法。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の熱処理方法において、前記再加熱工程は、前記再加熱槽内の液体リチウム内に前記固体合金材料を直接浸漬して行なうことを特徴とする固体合金材料の熱処理方法。
【請求項８】
合金材料の熱処理装置において、
内部に不活性ガスが充填された熱処理室と、
前記熱処理室内に配置され、固体合金材料の合金成分が固溶体に溶解する固溶温度よりも高くかつ前記固体合金材料の融点よりも低い温度に液体リチウムを加熱して保持しておき、その液体リチウム内に前記固体合金材料を受け入れる初期加熱槽と、
前記熱処理室内に配置され、前記固溶温度よりも低い温度に液体リチウムを保持しておき、その液体リチウム内に、前記初期加熱槽内を通ってきた前記固体合金材料を受け入れる冷却槽と、
を有することを特徴とする固体合金材料の熱処理装置。
【請求項９】
請求項８に記載の固体合金材料の熱処理装置において、前記合金材料は、α−βチタン合金材料またはβチタン合金材料であることを特徴とする固体合金材料の熱処理装置。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の固体合金材料の熱処理装置において、前記熱処理室内に配置され、前記固溶温度よりも低く、かつ前記冷却槽内の液体リチウムよりも高い温度に液体リチウムを保持しておき、その液体リチウム内に、前記冷却槽内を通ってきた前記固体合金材料を受け入れる再加熱槽をさらに有すること、を特徴とする固体合金材料の熱処理装置。
【請求項１１】
前記固体合金材料は、チタン合金材料であり、ゴルフクラブのヘッド部材、車両用構造部材、航空機用構造部材、エンジン用構造部材、インプラント用部材のいずれかの材料であること、を特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の固体合金材料の熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
合金材料の熱処理方法および熱処理装置に関し、特に、液体リチウムを利用する熱処理方法および熱処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素鋼その他の合金を焼入れや焼鈍などの熱処理によって所望の機械的性質を得ることが古くから行なわれている。
【０００３】
また、チタンは、軽くて強度が高く、しかも耐高温性、耐腐食性が高いことから、近年急速に用途を広げている。純チタンの結晶構造は室温で稠密六方晶（α相）であるが、約８８５℃で同素変態をして体心立方晶（β相）となる。一方、純チタンに種々の金属を添加した合金は熱処理によって結晶構造が種々に変化し、それに伴って機械的性質も種々に変わりうることが知られている（非特許文献１参照）。
【０００４】
従来の金属材料の熱処理において、加熱手段としては、電気炉やガス炉や真空炉が一般的であり、冷却手段としては、水や油やガスを用いるのが一般的である。また、一部では、高周波加熱、通電加熱、ソルト加熱冷却、鉛や錫やガリウムなどの溶融金属での加熱冷却が行なわれている。さらに、液体金属ナトリウムやカリウムを冷却流体として用いて固体金属材料を熱処理する技術が提案されている（特許文献１および２参照）。
【特許文献１】特開２０００−３４５２３６号公報
【特許文献２】特開２００２−１２９１７号公報
【非特許文献１】鈴木敏之、森口康夫著、「チタンのおはなし（改訂版）」、日本規格協会（１９９５年）、第７０〜７８頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のガスや電気ヒータで加熱する方法では加熱に長時間が必要でかつ被処理金属を均一に加熱するのが困難であった。また、高周波加熱では被処理部品の形状に合わせた高周波通電治具が必要で高コストになり、ソルト加熱冷却では環境保全の観点からそのソルトの取扱い管理が非常に難しい。さらに、鉛や錫やガリウムなどの溶融金属による加熱冷却では、重金属による環境汚染防止の観点から、その取扱い管理にコストがかかるのと、被処理部品の表面にこれらの重金属がメッキされた状態で付着し、除去に手間がかかっている。また、ナトリウムやカリウムは沸点がそれぞれ８８１℃および７５６℃と低く、それ以上の温度に加熱媒体として使用するには加圧雰囲気を作る必要があり、また大気中で自然発火の心配もある。
【０００６】
一般に、金属材料の強度を熱処理によって高めることが求められている。特にチタンはその軽さ（比重の小ささ）が大きな特長であって、強度を高める要請が強い。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、強度の高い合金材料を容易に製造するための新たな熱処理方法および熱処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は上記目的を達成するものであって、請求項１に記載の発明は、固体合金材料の熱処理方法であって、初期加熱槽内の液体リチウムを、固体合金材料の合金成分が固溶体に溶解する固溶温度よりも高くかつ固体合金材料の融点よりも低い温度にあらかじめ加熱して保持しておき、その初期加熱槽内の液体リチウム内に前記固体合金材料を直接浸漬して前記固体合金材料が固溶体を形成するまで保持する初期加熱工程と、冷却槽内の液体リチウムを、前記固溶温度よりも低い温度にあらかじめ保持し、前記初期加熱工程の後に前記冷却槽内の液体リチウム内に前記固体合金材料を直接浸漬して冷却して過飽和固溶体を得るリチウム浸漬冷却工程と、前記リチウム浸漬冷却工程の後に、室温よりも高い時効温度に保った再加熱槽内に前記固体合金材料を入れて保持する再加熱工程と、を有すること、を特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の熱処理方法において、前記リチウム浸漬冷却工程と再加熱工程の間に、前記固体合金材料をリチウムの融点よりも低い温度まで冷却する第２の冷却工程をさらに有することを特徴とする固体合金材料の熱処理方法。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の熱処理方法において、前記固体合金材料はα−βチタン合金材料またはβチタン合金材料であることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の熱処理方法において、前記初期加熱工程は、前記初期加熱槽内の液体リチウムの温度を７００℃以上でかつ１３００℃以下に保持して行ない、前記リチウム浸漬冷却工程は、前記冷却槽内の液体リチウムの温度を５００℃以下に保持して行なうこと、を特徴とする。
【００１２】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の熱処理方法において、前記リチウム浸漬冷却工程の後で前記再加熱工程の前に、前記固体合金材料に機械加工を行なう再加熱前機械加工工程をさらに有すること、を特徴とする。
【００１３】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の熱処理方法において、前記初期加熱工程の前に、前記固体合金材料に機械加工を行なう加熱前機械加工工程をさらに有すること、を特徴とする。
【００１４】
また、請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６のいずれかに記載の熱処理方法において、前記再加熱工程は、前記再加熱槽内の液体リチウム内に前記固体合金材料を直接浸漬して行なうことを特徴とする。
【００１５】
また、請求項８に記載の発明は、合金材料の熱処理装置において、内部に不活性ガスが充填された熱処理室と、前記熱処理室内に配置され、固体合金材料の合金成分が固溶体に溶解する固溶温度よりも高くかつ前記固体合金材料の融点よりも低い温度に液体リチウムを加熱して保持しておき、その液体リチウム内に前記固体合金材料を受け入れる初期加熱槽と、前記熱処理室内に配置され、前記固溶温度よりも低い温度に液体リチウムを保持しておき、その液体リチウム内に、前記初期加熱槽内を通ってきた前記固体合金材料を受け入れる冷却槽と、を有することを特徴とする。
【００１６】
また、請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の固体合金材料の熱処理装置において、前記合金材料は、α−βチタン合金材料またはβチタン合金材料であることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項８または９に記載の固体合金材料の熱処理装置において、前記熱処理室内に配置され、前記固溶温度よりも低く、かつ前記冷却槽内の液体リチウムよりも高い温度に液体リチウムを保持しておき、その液体リチウム内に、前記冷却槽内を通ってきた前記固体合金材料を受け入れる再加熱槽をさらに有すること、を特徴とする。
【００１８】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１ないし７のいずれかに記載の固体合金材料の熱処理装置において、前記固体合金材料は、チタン合金材料であり、ゴルフクラブのヘッド部材、車両用構造部材、航空機用構造部材、エンジン用構造部材、インプラント用部材のいずれかの材料であること、を特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、固体合金材料に対して、従来考えられなかったような急激な加熱と冷却を容易に行なうことができ、それによって合金材料の強度を、従来よりも飛躍的に高めることができる。特に、ここで利用する液体金属リチウムは、固体合金材料の熱処理に利用した場合に次のような利点がある。
【００２０】
（１）ナトリウムの沸点（８８１℃）に比べてリチウムの沸点（１３４２℃）が高いので、液体金属リチウムによって、より高温での熱処理が可能である。
【００２１】
（２）液体で熱伝導率が高いので、均一加熱が可能である。
【００２２】
（３）液体金属ナトリウムに比べて発生する蒸気量が少ないので、リチウムの消費が少ない。
【００２３】
（４）表面に付着したリチウムは水洗で容易に除去できる。
【００２４】
（５）液体金属ナトリウムに比べて、水との反応が穏やかで取扱いが容易である。
【００２５】
（６）液体金属ナトリウムに比べて比重が約半分の小ささであるので、輸送や取扱いが容易である。
【００２６】
（７）液体金属ナトリウムに比べて空気中での酸化が穏やかであって自然発火しないので、取扱いが容易である。
【００２７】
（８）処理対象の固体合金材料がチタンの場合、チタン表面の酸化物を還元して表面をきれいにする働きがある。（チタンよりもリチウムの方が酸化しやすいため。）
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下に、本発明に係る固体合金材料の熱処理方法および熱処理装置の実施の形態を、図１ないし図３を参照しながら説明する。ここで、図１は本発明に係る固体合金材料の熱処理方法の一実施の形態を示すフローチャート、図２は本発明に係る固体合金材料の熱処理装置の一実施の形態を示す模式的立断面図、図３は図１の熱処理方法において被処理固体金属材料をα−βチタン合金とした場合の被処理固体金属材料の温度変化の一例を示すグラフである。
【００２９】
図２に示すように、固体金属材料（たとえばα−βチタン合金またはβチタン合金の金属塊）５０を熱処理するための熱処理室１０内に３個の液体リチウム槽１２，１４，１６が配置されている。これらは、初期加熱槽１２、冷却槽１４、再加熱槽１６である。初期加熱槽１２の内部に収容された液体リチウムの温度は、被処理固体合金材料の固溶温度よりも高くかつその固体合金材料の融点よりも低い温度（変態温度）にあらかじめ保持しておく。ここで、固溶温度は、被処理固体合金材料の合金成分が固溶体に溶解する温度である。たとえば、被処理固体合金材料がα−βチタン合金の場合、７００〜１０００℃の範囲に保持するのが好ましい。このためにリチウムを加熱するヒータ１８が初期加熱槽１２に取り付けられている。
【００３０】
また、冷却槽１４内に収容された液体リチウムの温度は、被処理固体合金材料の固溶温度よりも低くかつリチウムの融点（１８１℃）よりも高い冷却温度に保持しておく。この冷却温度は、たとえば、被処理固体合金材料がα−βチタン合金の場合、５００℃以下の温度に保持するのが好ましく、さらには１８１〜３００℃の範囲内であることが好ましい。このために液体リチウムを加熱するヒータ２０とこれを冷却するためのファン２２が冷却槽１４に取り付けられている。
【００３１】
再加熱槽１６の内部に収容された液体リチウムの温度は、リチウムの融点（１８１℃）よりも高い温度、たとえば２００〜６５０℃に保持しておくのが好ましく、さらには３００〜６００℃の範囲に保持するのが好ましい。このために液体リチウムを加熱するヒータ２４が再加熱槽１６に取り付けられている。
【００３２】
熱処理室１０には、液体リチウムと反応しない不活性ガスが充填されている。入口扉３０および出口扉３２がそれぞれ二重になっていて、それらの二重扉の間に入口室３４および出口室３６がそれぞれ形成されている。この構造により、液体リチウム槽１２、１４、１６を不活性ガス雰囲気に保持したままで、固体金属材料５０を熱処理室１０に入れたり出したりできる構造になっている。
【００３３】
また熱処理室１０には、固体金属材料５０を液体リチウム槽１２、１４、１６の液体リチウム内に順次浸漬して移動するための移動機構３８が配置されている。
【００３４】
次に、図１に示すフローチャートに沿って本発明に係る固体合金材料の熱処理方法の一実施の形態を説明する。
【００３５】
初めに、第１の工程Ｓ１で、被処理材であるチタン合金などの固体金属材料が圧延ロールなどにより所定の厚さに圧延され、板材が形成されたり、金属塊が切削や成形加工されたりすることにより、所定の部品形状寸法に機械加工される。この工程により、金属内部に加工歪が蓄積され、その後の熱処理による微細組織を作る核形成作りを助け、材料の強度上昇が図られる。なお、図２では、固体金属材料として金属塊５０を処理する例が示されている。
【００３６】
続いて第２の工程Ｓ２で、固体金属材料の表面に付着した汚れや不純物が取り除かれる。この工程は、液体リチウムの純度を管理する上で重要である。
【００３７】
次に、固体金属材料（金属塊）５０は、入口室３４を通って熱処理室１０内に搬入され、第３の工程Ｓ３で、初期加熱槽１２内の液体リチウムに浸漬される。これにより、固体金属材料５０は固溶温度よりも高い温度にまで急激に加熱される。このとき、合金成分がほぼ瞬時に全組織にわたって溶解して、固溶体を形成する。
【００３８】
また、急速加熱と短時間加熱によって結晶粒径の成長が抑制される。すなわち、被処理固体金属材料がたとえばα−βチタン合金の場合、稠密六方晶であるα相から体心立方晶であるβ晶に変化するがそのβ結晶の粒径の成長が抑制される。
【００３９】
次に、固体金属材料５０は初期加熱槽１２から取り出され、第４の工程Ｓ４で、冷却槽１４内の液体リチウムに浸漬される。これにより、固体金属材料５０は、その合金成分が固溶体に溶解する固溶温度よりも低い温度にまで急激に冷却される。この急速冷却により、合金元素のα組織の成長が抑制され、過飽和状態のβ組織が維持され、合金元素がより微細に組織に固溶した状態が形成される。
【００４０】
次に、固体金属材料５０は冷却槽１４の液体リチウムから取り出され、第５の工程（第２の冷却工程）Ｓ５で、リチウムの融点よりも低い温度にまで冷却される。たとえば、ガス中での自然放冷により室温（常温）まで冷却される。この工程では所定の時間常温に保ち、組織の安定化を図る。なお、この第５の工程Ｓ５は自然放冷に限定されず、強制冷却などとすることもできる。さらにこの第５の工程Ｓ５を省略することも可能である。
【００４１】
さらに、第４の工程Ｓ４または第５の工程Ｓ５の終了後に、固体金属材料５０に圧延などの機械加工を行ない、金属内部に歪を付加することにより、組織の微細化を図ることも可能である（図示せず）。特に、このとき固体金属材料５０は比較的軟らかいので機械加工するうえで都合がよい。
【００４２】
次に、第６の工程Ｓ６で、固体金属材料５０は再加熱槽１６の液体リチウムに浸漬されて再加熱される。この工程で、時効により、金属と合金元素との間で化合物組織が形成される。そのときに、より微細な組織となり、その結果強度が向上する。
【００４３】
次に、固体金属材料５０を、出口室３６を通して熱処理室１０外へ搬出する。次に、第７の工程Ｓ７で、常温まで冷却する。この冷却は、たとえば、常温のガス雰囲気の中での自然放冷などによる。
【００４４】
次に、第８の工程Ｓ８で、固体金属材料５０に付着したリチウムを除去する。この工程は、水洗や超音波による洗浄などが可能である。
【００４５】
上記の例では、固体金属材料５０を熱処理室１０外へ搬出した後に、第７の工程Ｓ７（自然放冷）および第８の工程Ｓ８（付着リチウム除去・表面洗浄）を行なうとしたが、これらの工程は熱処理室１０内で行なうことも可能である。
【００４６】
また、第６の工程Ｓ６（再加熱）は必ずしも急激に行なう必要はないので、液体リチウム内で行なう代わりに、電気炉や真空炉加熱など他の方法で再加熱を行なってもよい。その場合、この第６の工程Ｓ６（再加熱）の前に固体金属材料５０を熱処理室１０外へ搬出することができる。
【００４７】
また、図２では、固体金属材料５０が金属塊状の場合を示したが、固体金属材料が線材や板材であってもよく、その場合は、連続した固体金属材料が初期加熱槽１２、冷却槽１４、再加熱槽１６を順次通過するようにして、連続的に熱処理することができる（図示せず）。図２には示していないが、熱処理室１０をグローブボックス型にして、移動機構３８の代わりに作業者が手作業で実施することも可能である。
【００４８】
以上説明したように、液体リチウムを利用した一連の熱処理により、急激な加熱と冷却、それに再加熱を経て、きわめて強度の高い金属材料を得ることができる。
【００４９】
ここで、前述の熱処理を施したチタン合金材料の適用例について説明する。これらの適用例はいずれも、チタン合金の比重が小さいことと、この熱処理によって高い強度が得られることを利用するものである。
【００５０】
［ゴルフクラブヘッド材料への適用］
ゴルフクラブの設計製作に求められる最も重要な性能は、打ったボールの飛距離が大きいことである。このためには、できるだけクラブヘッドを軽くし、スウィングしたときのヘッドスピードをできるだけ速くすることと、ボールが当たるフェース面での反発係数を大きくすることが重要である。従来は、フェース表面をできるだけ硬くし、ボールの弾力を利用して反発係数を上げてきたが、最近では、フェース面の弾力性を高める方がより反発係数が上がることがわかり、弾力性を高めるためにより薄いフェースのクラブが求められている。
【００５１】
クラブヘッドにおいて、フェースの厚さとフェースの撓み量の関係を示す計算例を図４に示す。フェースを薄くするほど撓み量が増すことがわかる。したがって、反発係数を高めるためにはフェースをできるだけ薄くすることが望ましい。しかし、フェースを薄くするとボールが当ったときなどの衝撃によってフェース材料に生じる応力が大きくなることから、より高い材料強度が要求されている。
【００５２】
このような要求に応えて、近年、クラブヘッドの材料としてチタン合金が使われるようになっている。しかし、チタン合金は非常に活性で反応性に富んでいるため、従来の熱処理では加熱冷却時に表面に厚い酸化物の皮膜が形成されてその皮膜の除去が難しく、また熱処理炉の温度分布の変動やバラツキが品質のバラツキに大きく影響するため、従来の熱処理炉の温度管理では不充分で、ゴルフクラブに使用するチタン合金に対しては一般に採用されていない。
【００５３】
また、一部には熱処理したチタン合金も使用されているが、従来の熱処理では高温加熱中に水素や酸素が内部に拡散侵入しやすく、充分な強度向上が得られていない。
【００５４】
本発明による熱処理を行なうことにより、チタン合金材料の強度を従来よりもさらに高めることができ、より薄くて強度の高いゴルフクラブヘッドを実現できる。これにより、より大きな飛距離を得ることができる。
【００５５】
図５は、本発明による熱処理を施したチタン合金材料を用いたウッド型ゴルフクラブヘッドの構造例を示す。ゴルフクラブヘッドは中空構造になっており、シャフト（図示せず）に接続されたホゼル６０と、ホゼル６０に接合されて中空部６１の上部を形成するクラウン６２と、クラウン６２に接続されて中空部６１の底部を形成するソール６３と、クラウン６２およびソール６３に接続されて中空部６１の前面を形成するフェース６４とからなる。これらの部品が互いに溶接接続されている。フェース６４はボール（図示せず）に当る板状の部分で、ボールが当ったときに撓み、その後、フェース６４の弾性によってボールをはじき返す機能を有する。
【００５６】
このゴルフクラブヘッドの材料として、本発明による熱処理を施したチタン合金材料を用いる。すなわち、この材料は従来のチタン合金材料よりも強度が大きいので、肉圧を薄くすることができ、それにより、従来よりも、クラブヘッドを軽くすることができる。
【００５７】
特に、フェース６４にこの材料を用いて肉圧を薄くすることにより、クラブヘッドの軽量化が可能なだけでなく、フェース６４がボールに当ったときのフェース６４の撓みを大きくすることができるので、反発係数を大きくすることができる。したがって、フェース６４のみに本発明による熱処理を施したチタン合金材料を用いることも効果的である。
【００５８】
［機械構造材料への適用］
チタン合金は比強度（単位密度当りの強度）が高いことから、自動車の車体や飛行機の胴体や翼、エンジンなどの軽量化のために、これらの機械構造材料としてチタン合金の利用が進められている。本発明による熱処理を施したチタン合金材料は従来のチタン合金に比べてさらに比強度が高いので、こうした用途への適用が可能である。
【００５９】
図６は、本発明に係る固体合金材料の熱処理方法の適用例である自動車用ガソリンエンジンの断面図である。シリンダ７１内のピストン７２がコンロッド７３を介してクランクシャフト７４に接続されていて、シリンダ７１内でピストン７２が往復運動することによりクランクシャフト７４が回転駆動される。シリンダ７１の上部のシリンダヘッド７５には吸気管７６と排気管７７が接続され、吸気管７６および排気管７７を開閉するために、それぞれ、吸気バルブ７８および排気バルブ７９が配置されている。吸気バルブ７８および排気バルブ７９の開閉のタイミングはカム８０の回転とバルブロッカー８１によって決められ、さらに、バルブスプリング８２およびリテーナ８３によってカム８０の押し付け力が制御されている。
【００６０】
したがって、常に往復運動をしているバルブ７８、７９、バルブスプリング８２、リテーナ８３、コンロッド７３、ピストン７２などを軽くして慣性力を小さくすることはエンジンの性能向上に大きく寄与する。よって、これらの部品の少なくとも一部に本発明に係る固体合金材料の熱処理方法を適用することが効果的である。
【００６１】
図７は、本発明に係る固体合金材料の熱処理方法の適用例である飛行機用ジェットエンジンの縦断面図である。前方の空気をファンブレード８７で集め、集められた空気の一部を圧縮ゾーン４０で高圧にし、その後方の燃焼室４１に送り、そこで燃料と混合させ燃焼させて、高温高圧の燃焼ガスを作り、その後方のタービン４２を回転させる。ファンブレード８７、低温領域の可動部品である圧縮機ブレード８８および圧縮機ブレードディスク８９、静止部のファンケース９０およびベーン９１などに本発明に係る固体合金材料の熱処理方法を適用することが効果的である。
【００６２】
このように飛行機用ジェットエンジンの部品に本発明に係る固体合金材料の熱処理方法を適用することにより、飛行機全体の軽量化をすることができ、さらに、回転部品を軽くすることによって遠心力が低減するので、より高速回転が可能となり、エンジン性能向上にも寄与する。
【００６３】
［インプラント材料への適用］
チタン合金は、一般に軽くて強く、しかも人体に毒性などの害を及ぼさないことから、人体内に人工骨の一部として埋め込んで使用するインプラント用材料として利用されている。本発明による熱処理を施したチタン合金材料は従来のチタン合金に比べてさらに比強度が高いので、こうした用途への適用が可能である。
【００６４】
図８は、本発明に係る固体合金材料の熱処理方法の適用例である人工股関節の展開縦断面図である。人体との共存性に優れたチタン合金と耐磨耗性に優れたセラミックスや樹脂材料などで作られた球蓋部９４が腰骨９５に埋め込まれ（インプラントされ）、球蓋部９４には凹部９９が形成されている。また、大腿骨９７にはチタン合金製のステム部９８が埋め込まれ、ステム部９８からチタン合金製の骨頭部９６が突出している。球蓋部９４の凹部９９に骨頭部９６が摺動可能に挿入されて人工股関節が形成される。チタン合金の伸びやヤング率などの物性値を人間の骨に近づけるように制御することにより、より人間の骨に近い快適な人工関節とすることができる。
【００６５】
本発明に係る固体合金材料の熱処理方法を適用することにより、チタン合金の物性値を制御できる幅が広がり、より人間の骨に近い物性値を得ることができる。
【実施例１】
【００６６】
α−βチタン合金であるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖについて、図１および図３に示す熱処理を行なった結果を図９に示す。
【００６７】
すなわち、図９は、この熱処理を行なう前と、熱処理を行なった後の材料について、０．２％耐力と引張り強度の実測値を示す。さらに、従来方法での溶体化時効処理後の値として、非特許文献１の第７６頁表４．３に掲載された値も示す。この表から明らかなように、この発明の熱処理方法によれば、被処理金属材料の耐力および強度が格段に高くなる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明に係る固体合金材料の熱処理方法の一実施の形態を示すフローチャート。
【図２】本発明に係る固体合金材料の熱処理装置の一実施の形態を示す模式的立断面図。
【図３】図１の熱処理方法において被処理固体金属材料をα−βチタン合金とした場合の被処理固体金属材料の温度変化の一例を示すグラフ。
【図４】ゴルフクラブヘッドのフェース厚さと撓み量との関係を示すグラフ。
【図５】本発明に係る固体合金材料の熱処理方法の適用例であるゴルフクラブヘッドの縦断面図。
【図６】本発明に係る固体合金材料の熱処理方法の適用例であるガソリンエンジンの断面図。
【図７】本発明に係る固体合金材料の熱処理方法の適用例であるジェットエンジンの縦断面図。
【図８】本発明に係る固体合金材料の熱処理方法の適用例である人工股関節の展開縦断面図。
【図９】図１および図３の熱処理方法によるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ材料の実施例の耐力と強度の実測値を示す表。
【符号の説明】
【００６９】
１０：熱処理室、１２：初期加熱槽（液体リチウム槽）、１４：冷却槽（液体リチウム槽）、１６：再加熱槽（液体リチウム槽）、１８：ヒータ、２０：ヒータ、２２：ファン、２４：ヒータ、３０：入口扉、３２：出口扉、３４：入口室、３６：出口室、３８：移動機構、４０：圧縮ゾーン、４１：燃焼室、４２：タービン、５０：固体金属材料（金属塊）、６０：ホゼル、６１：中空部、６２：クラウン、６３：ソール、６４：フェース、７１：シリンダ、７２：ピストン、７３：コンロッド、７４：クランクシャフト、７５：シリンダヘッド、７６：吸気管、７７：排気管、７８：吸気バルブ、７９：排気バルブ、８０：カム、８１：バルブロッカー、８２：バルブスプリング、８３：リテーナ、８７：ファンブレード、８８：圧縮機ブレード、８９：圧縮機ブレードディスク、９０：ファンケース、９１：ベーン、９４：球蓋部、９５：腰骨、９６：骨頭部、９７：大腿骨、９８：ステム部、９９：凹部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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