(57)【要約】【課題】セカンダリα相の結晶粒の粗大化に伴う機械的特性の劣化を抑制することができるチタン合金製の機械部品の製造方法を提供する。【解決手段】本発明の一態様に係るチタン合金製の機械部品の製造方法は、チタン合金製の加工対象部材を、チタン合金のβ単相変態点よりも低い溶体化温度まで加熱する加熱工程を備える。加熱工程は、第１昇温速度で加工対象部材を加熱する第１工程と、第１工程よりも後に行われ、かつ第１昇温速度よりも遅い第２昇温速度で加工対象部材を加熱する第２工程とを有する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン合金製の機械部品の製造方法であって、
前記チタン合金製の加工対象部材を、前記チタン合金のβ単相変態点よりも低い溶体化温度まで加熱する加熱工程を備え、
前記加熱工程は、第１昇温速度で前記加工対象部材を加熱する第１工程と、前記第１工程よりも後に行われ、かつ前記第１昇温速度よりも遅い第２昇温速度で前記加工対象部材を加熱する第２工程とを有する、機械部品の製造方法。
【請求項２】
前記第１工程は、前記加工対象部材の温度が前記溶体化温度よりも２０℃低い温度に達する前に終了する、請求項１に記載の機械部品の製造方法。
【請求項３】
前記第１昇温速度は、５℃／分以上３０℃／分以下である、請求項１又は請求項２に記載の機械部品の製造方法。
【請求項４】
前記溶体化温度は、前記チタン合金のβ単相変態点よりも６０℃低い温度以上前記チタン合金のβ単相変態点以下である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の機械部品の製造方法。
【請求項５】
前記加熱工程の後に行われる保持工程をさらに備え、
前記保持工程において、前記加工対象部材は、前記溶体化温度から５℃低い温度以上前記溶体化温度から５℃高い温度以下の範囲の保持温度に保持される、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の機械部品の製造方法。
【請求項６】
前記保持工程において、前記加工対象部材は、６０秒以上１０×１０３秒以上の間、前記保持温度に保持される、請求項５に記載の機械部品の製造方法。
【請求項７】
前記加熱工程から前記保持工程に移行する間に、前記加工対象部材の温度は、前記チタン合金のβ単相変態点を超えない、請求項５又は請求項６に記載の機械部品の製造方法。
【請求項８】
前記チタン合金は、６４チタン合金である、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の機械部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械部品の製造方法に関する。より特定的には、本発明は、チタン合金製の機械部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、チタン（Ｔｉ）合金製の機械部品の製造方法として、特開２００３−１３１５９号公報（特許文献１）に記載の方法が知られている。特許文献１に記載の方法において、機械部品を構成するチタン合金には、溶体化処理が行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１３１５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
β単相変態点よりも低い温度においては、プライマリα相が残留する。そのため、β単相変態点よりも低い温度で溶体化処理がなされた場合、プライマリα相のピン止め効果により、β相の結晶粒の粗大化が抑制される。他方で、β単相変態点よりも高い温度においては、プライマリα相が消失するため、ピン止め効果が無くなる。そのため、β単相変態点よりも高い温度で溶体化処理がなされた場合、β相の結晶粒が粗大化する傾向にある。このβ相は、溶体化温度から冷却する際に、マルテンサイト変態又はマッシブ変態によりセカンダリα相になる。溶体化処理の際にβ相の結晶粒が粗大化している場合、セカンダリα相の結晶粒も粗大化する。セカンダリα相の結晶粒の粗大化は、チタン合金の機械的特性の劣化につながる。
【０００５】
特許文献１に記載の方法における溶体化処理は、チタン合金のβ単相変態点よりも８０℃低い温度以上チタン合金のβ単相変態点よりも３０℃低い温度以下の溶体化温度で行うものとされている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の方法においては、溶体化温度に至るまでの昇温速度の制御について、特段の配慮がなされていない。そのため、特許文献１に記載の方法においては、溶体化温度が、オーバーシュートにより、一時的にβ単相変態点よりも高くなってしまうおそれがある。したがって、特許文献１に記載の方法においては、セカンダリα相の結晶粒の粗大化により、チタン合金製の機械部品の機械的特性（硬度、引張強度）が劣化するおそれがある。
【０００７】
本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。より具体的には、本発明は、セカンダリα相の結晶粒の粗大化に伴う機械的特性の劣化を抑制することができるチタン合金製の機械部品の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様に係るチタン合金製の機械部品の製造方法は、チタン合金製の加工対象部材をチタン合金のβ単相変態点よりも低い溶体化温度まで加熱する加熱工程を備える。加熱工程は、第１昇温速度で加工対象部材を加熱する第１工程と、第１工程よりも後に行われ、かつ第１昇温速度よりも遅い第２昇温速度で加工対象部材を加熱する第２工程とを有する。
【０００９】
本発明の一態様に係るチタン合金製の機械部品の製造方法においては、加熱工程の途中において、昇温速度が、第１昇温速度から第２昇温速度に低下する。そのため、本発明の一態様に係るチタン合金製の機械部品の製造方法においては、加工対象部材の温度が、β単相変態点よりも低い溶体化温度に対してオーバーシュートしにくい。したがって、本発明の一態様に係るチタン合金製の機械部品の製造方法によると、セカンダリα相の結晶粒の粗大化に伴う機械的特性の劣化を抑制することができる。
【００１０】
上記のチタン合金製の機械部品の製造方法において、第１工程は、加工対象部材の温度が溶体化温度よりも２０℃低い温度に達する前に終了してもよい。この場合には、加工対象部材の温度が溶体化温度に対してオーバーシュートしてしまうことを（セカンダリα相の結晶粒が粗大化してしまうことを）、さらに確実に抑制することができる。
【００１１】
上記のチタン合金製の機械部品の製造方法において、第１昇温速度は、５℃／分以上３０℃／分以下であってもよい。
【００１２】
上記のチタン合金製の機械部品の製造方法において、溶体化温度は、チタン合金のβ単相変態点よりも６０℃低い温度以上チタン合金のβ単相変態点以下であってもよい。この場合、溶体化温度がβ単相変態点に近くても、セカンダリα相の結晶粒が粗大化してしまうことを抑制することができる。
【００１３】
上記のチタン合金製の機械部品の製造方法は、加熱工程の後に行われる保持工程をさらに備えていてもよい。保持工程において、加工対象部材は、溶体化温度から５℃低い温度以上溶体化温度から５℃高い温度以下の範囲の保持温度に保持されていてもよい。
【００１４】
この場合、保持工程においても、加工対象部材の温度が、チタン合金のβ相単相変態点よりも低い温度に維持される。そのため、この場合には、セカンダリα相の結晶粒が粗大化してしまうことをさらに抑制することができる。
【００１５】
上記のチタン合金製の機械部品の製造方法において、加工対象部材は、保持工程において、６０秒以上１０×１０３秒以上の間保持温度に保持されていてもよい。
【００１６】
上記のチタン合金製の機械部品の製造方法において、加熱工程から保持工程に移行する間に、加工対象部材の温度は、チタン合金のβ単相変態点を超えないようにされていてもよい。
【００１７】
上記のチタン合金製の機械部品の製造方法において、チタン合金は、６４チタン合金であってもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の一態様に係るチタン合金製の機械部品の製造方法に係るチタン合金の製造方法によると、セカンダリα相の結晶粒の粗大化に伴う機械的特性の劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施形態に係る機械部品１０の断面図である。
【図２】実施形態に係る機械部品１０の製造方法を示す工程図である。
【図３】サンプル２の断面の金属組織をＥＢＳＤ法により観察した図面代用写真である。
【図４】サンプル１の断面の金属組織をＥＢＳＤ法により観察した図面代用写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図面を参照して、本発明の実施形態の詳細を説明する。なお、以下の図面においては、同一又は相当する部分に同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さないものとする。
【００２１】
（実施形態に係る機械部品の構成）
以下に、実施形態に係る機械部品１０の構成を説明する。
【００２２】
図１は、実施形態に係る機械部品１０の断面図である。図１に示すように、機械部品１０は、例えば転がり軸受の内輪である。但し、機械部品１０は、これに限られるものではない。機械部品１０は、転がり軸受の外輪であってもよい。機械部品１０は、すべり軸受であってもよい。
【００２３】
機械部品１０は、チタン合金により構成されている（機械部品１０は、チタン合金製である）。機械部品１０を構成するチタン合金は、α型チタン合金又はα＋β型チタン合金である。α型チタン合金は、室温においてα相単相となるチタン合金である。α相は、ｈｃｐ（hexagonal  closed-packed）構造を有するチタンの低温相である。α＋β型チタン合金は、室温においてα相及びβ相により構成されるチタン合金である。β相は、ｂｃｃ（body  center  cubic）構造を有するチタンの高温相である。
【００２４】
好ましくは、機械部品１０を構成するチタン合金は、ＪＩＳ６０種として規定されるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金（以下においては、６４チタン合金という）である。表１に、６４チタン合金の化学成分を示す。表１に示すように、６４チタン合金は、５．５０質量パーセント以上６．７５質量パーセント以下のアルミニウム（Ａｌ）、３．５０質量パーセント以上４．５０質量パーセント以下のバナジウム（Ｖ）、０．４０質量パーセント以下の鉄（Ｆｅ）、０．２０質量パーセント以下の酸素（Ｏ）、０．０８質量パーセント以下の炭素（Ｃ）、０．０５質量パーセント以下の窒素（Ｎ）、０．０１５質量パーセント以下の水素（Ｈ）及び残部チタンにより構成されている。なお、６４チタン合金は、α＋β型チタン合金である。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
機械部品１０を構成するチタン合金は、プライマリα相を含有している。プライマリα相は、後述する加熱工程Ｓ２１においてβ相に変態せずに残留したα相である。機械部品１０を構成するチタン合金は、セカンダリα相を含有している。セカンダリα相には、ｈｃｐ構造を有するα’相と斜方晶構造を有するα’’相とがある。セカンダリα相は、β相からマルテンサイト変態又はマッシブ変態した相である。機械部品を構成するチタン合金は、β相を含有していてもよい。
【００２７】
機械部品１０を構成するチタン合金に含まれるセカンダリα相の結晶粒径の最大値は、１０μｍ未満であることが好ましい。機械部品１０を構成するチタン合金に含まれるセカンダリα相の結晶粒径の最大値は、７μｍ未満であることがさらに好ましい。機械部品１０を構成するチタン合金に含まれるセカンダリα相の結晶粒径の最大値は、ＥＢＳＤ（Electron  Back  Scatter  Diffraction）法により断面視におけるセカンダリα相の円相当径を測定することにより決定される。機械部品１０を構成するチタン合金の硬度は、３５０Ｈｖ以上であることが好ましい。機械部品１０を構成するチタン合金の硬度は、３７０Ｈｖ以上であることがさらに好ましい。機械部品１０を構成するチタン合金の硬度は、ＪＩＳ  Ｚ２２４４：２００９に定めるビッカース硬さ試験にしたがって測定される。
【００２８】
（実施形態に係る機械部品の製造方法）
以下に、機械部品１０の製造方法を説明する。
【００２９】
図２は、実施形態に係る機械部品１０の製造方法を示す工程図である。図２に示すように、機械部品１０の製造方法は、準備工程Ｓ１と、溶体化工程Ｓ２と、冷却工程Ｓ３とを有している。
【００３０】
準備工程Ｓ１においては、加工対象部材が準備される。機械部品１０が例えば転がり軸受の内輪である場合、加工対象部材は、リング状の部材である。加工対象部材は、チタン合金により構成されている（チタン合金製である）。加工対象部材を構成するチタン合金は、例えばα＋β型チタン合金である。加工対象部材を構成するチタン合金は、α型チタン合金であってもよい。加工対象部材を構成するチタン合金は、６４チタン合金であることが好ましい。
【００３１】
溶体化工程Ｓ２は、加熱工程Ｓ２１と、保持工程Ｓ２２とを有している。溶体化工程Ｓ２においては、加工対象部材を構成するチタン合金の溶体化処理が行われる。すなわち、溶体化工程Ｓ２においては、加工対象部材を構成するチタン合金のα相の一部が、β相に変態する。
【００３２】
加熱工程Ｓ２１においては、加工対象部材の温度が溶体化温度に至るまで加工対象部材に対する加熱が行われる。溶体化温度は、加工対象部材を構成するチタン合金のβ単相変態点（チタン合金がβ単相となる温度）よりも低い。溶体化温度は、好ましくは、加工対象部材を構成するチタン合金のβ単相変態点よりも６０℃低い温度以上加工対象部材を構成するチタン合金のβ単相変態点よりも１０℃低い温度以下である。なお、チタン合金が６４チタン合金である場合には、β単相変態点は、９９５℃となる。
【００３３】
加熱工程Ｓ２１は、第１工程Ｓ２１１と、第２工程Ｓ２１２とを有している。第１工程Ｓ２１１においては、加工対象部材が、開始温度から切替温度まで昇温される。開始温度は、例えば室温である（例えば２５℃）。切替温度は、例えば溶体化温度よりも２０℃以上低い温度である。第２工程Ｓ２１２においては、加工対象部材は、切替温度から溶体化温度まで昇温される。すなわち、第２工程Ｓ２１２は、第１工程Ｓ２１１が行われた後に行われる。
【００３４】
第１工程Ｓ２１１における昇温速度は、第１昇温速度である。第１工程Ｓ２１１における加工対象部材の昇温は、例えば直線的に（温度上昇量が加熱時間に比例するように）行われる。但し、第１工程Ｓ２１１における加工対象部材の昇温方法は、これに限られるものではない。第２工程Ｓ２１２における昇温速度は、第２昇温速度である。第２工程Ｓ２１２における加工対象部材の昇温は、例えば直線的に行われる。但し、第２工程Ｓ２１２における昇温方法は、これに限られるものではない。
【００３５】
第１昇温速度は、切替温度と開始温度との差を、切替温度から開始温度に達するまでの時間で除した値により算出される。第１昇温速度は、第２昇温速度よりも高い（第２昇温速度は、第１昇温速度よりも遅い）。第２昇温速度は、切替温度と溶体化温度との差を、切替温度から溶体化温度に達するまでの時間で除した値により算出される。第１昇温速度は、好ましくは５℃／分以上３０℃／分以下である。第１昇温速度及び第２昇温速度は、例えば、ＰＩＤ（Proportional  Integral  Differential）制御により制御される。
【００３６】
なお、上記においては、加熱工程Ｓ２１において二段階に昇温速度を切り替える例について示したが、加熱工程Ｓ２１における昇温速度の切り替えは、より多くの段数で行われてもよい。例えば、加熱工程Ｓ２１は、第２工程Ｓ２１２の後に行われ、かつ第２昇温速度よりも遅い第３昇温速度で加工対象部材を加熱する第３工程を有していてもよい。
【００３７】
保持工程Ｓ２２においては、加工対象部材は、所定範囲内の温度（以下においては、保持温度という）に、所定時間（以下においては、保持時間という）保持される。保持温度は、好ましくは、溶体化温度よりも５℃低い温度以上溶体化温度よりも５℃高い温度以下の温度範囲である。さらに好ましくは、保持温度は、溶体化温度よりも３℃低い温度以上溶体化温度よりも３℃高い温度以下の温度範囲である。保持時間は、好ましくは６０秒以上１０×１０３秒以下である。
【００３８】
加熱工程Ｓ２１から保持工程Ｓ２２に移行する際には、加工対象部材の温度は、オーバーシュートしない。つまり、加熱工程Ｓ２１から保持工程Ｓ２２に移行する際に、加工対象部材の温度が、一時的に溶体化温度を超えて加工対象部材を構成するチタン合金のβ単相変態点以上の温度に達することはない。このことは、加熱工程Ｓ２１の途中において昇温速度が遅くなるように切り替わることにより（第２昇温速度が第１昇温速度よりも遅いことにより）達成される。
【００３９】
加熱工程Ｓ２１及び保持工程Ｓ２２は、例えば還元炉により行われる。還元炉の雰囲気ガスは、例えば９９．９９９５体積パーセント以上のアルゴン（Ａｒ）、０．２体積ｐｐｍ以下の酸素（Ｏ２）、０．５体積ｐｐｍ以下の水素（Ｈ２）、０．２体積ｐｐｍ以下の一酸化炭素（ＣＯ）、０．２体積ｐｐｍ以下の二酸化炭素（ＣＯ２）及び０．２体積ｐｐｍ以下のＴＨＣ（炭化水素）を含有するガスである。
【００４０】
冷却工程Ｓ３においては、加工対象部材の冷却が行われる。冷却工程Ｓ３においては、溶体化工程Ｓ２において生じたβ相がマルテンサイト変態又はマッシブ変態することにより、セカンダリα相が生じる。冷却工程Ｓ３において、冷却は、例えば水冷により行われる。冷却工程Ｓ３において、冷却は、油冷により行われてもよい。冷却工程Ｓ３における冷却速度は、例えば２００℃／秒以上である。冷却工程Ｓ３における冷却速度は、２５０℃／秒以上であってもよい。冷却工程Ｓ３における冷却速度は、３００℃／秒以上であってもよい。冷却工程Ｓ３における冷却速度は、溶体化温度と１００℃との差を溶体化温度から１００℃に至るまでの時間で除することにより算出される。
【００４１】
（実施形態に係る機械部品の製造方法の効果）
以下に、機械部品１０の製造方法の効果を説明する。
【００４２】
加工対象部材に対して、加工対象部材を構成するチタン合金のβ単相変態点よりも高い温度での溶体化処理が行われた場合、加工対象部材を構成するチタン合金中から、α相が消失する。その結果、プライマリα相によるピン止め効果が消失することにより、β相の結晶粒が粗大化する。粗大化したβ相の結晶粒は、溶体化処理後の冷却により、セカンダリα相に変態するため、β相の結晶粒の粗大化は、セカンダリα相の結晶粒の粗大化につながる。そして、セカンダリα相の結晶粒の粗大化は、チタン合金製の機械部品の機械的特性の劣化につながる。
【００４３】
機械部品１０の製造方法においては、第２昇温速度が第１昇温速度よりも遅くなっている。すなわち、機械部品１０の製造方法において、加熱工程Ｓ２１における昇温速度は、保持工程Ｓ２２に移行する前に、一旦緩やかになっている。そのため、加熱工程Ｓ２１から保持工程Ｓ２２に移行する際に、加工対象部材の温度が、オーバーシュートしにくい。すなわち、加工対象部材の温度が、溶体化工程Ｓ２において、加工対象部材を構成するチタン合金のβ単相変態点を超えにくい。
【００４４】
その結果、加工対象部材を構成するチタン合金中のプライマリα相によるピン止め効果で、加工対象部材を構成するチタン合金中のβ相、ひいては当該β相から生じるセカンダリα相の結晶粒が粗大化しにくい。したがって、機械部品１０の製造方法によると、相対的に結晶粒が小さいセカンダリα相を含有するチタン合金により構成される機械部品１０を得ることができる。つまり、機械部品１０の製造方法によると、機械部品１０の機械的特性を改善することができる。
【００４５】
機械部品１０の製造方法による効果を確認するため、以下の試験を行った。
この試験のサンプルとして、サンプル１及びサンプル２を用いた。サンプル１及びサンプル２には、６４チタン合金が用いられた。サンプル１及びサンプル２の寸法は、２０ｍｍ×１０ｍｍ×５ｍｍとされた。
【００４６】
サンプル１及びサンプル２においては、溶体化温度は、９４０℃とされた。サンプル１においては、加熱工程Ｓ２１において、９２０℃に至るまで１０℃／分の昇温速度で加熱を行うとともに、９２０℃に達した時点でヒータの出力を落とすことにより、保持工程Ｓ２２に移行する際のオーバーシュートが防止された。
【００４７】
サンプル２においては、９４０℃に至るまで１０℃／分の昇温速度で加熱が行われた結果、保持工程Ｓ２２に移行する際に、オーバーシュートが生じた。サンプル１及びサンプル２において、保持工程Ｓ２２での保持温度は、９４０℃±３℃であった。サンプル１及びサンプル２において、保持工程Ｓ２２での保持時間は、９．６×１０３秒であった。サンプル１及びサンプル２において、冷却工程Ｓ３は、２８０℃／秒の冷却速度の水冷により行われた。
【００４８】
サンプル１及びサンプル２の金属組織は、ＥＢＳＤ（Electron  Back  Scatter  Diffraction  Patterns）法により観察された。図３は、サンプル２の断面の金属組織をＥＢＳＤ法により観察した図面代用写真である。図４は、サンプル１の断面の金属組織をＥＢＳＤ法により観察した図面代用写真である。図３に示すように、サンプル２においては、α相が消失し、粗大な針状のセカンダリα相が析出している。この針状のセカンダリα相の長手方向寸法の最大値は、１００μｍ以上であり、結晶粒径（断面視における円相当径）は、１０μｍ以上である。他方、図４に示すように、サンプル１においては、プライマリα相は残存している。また、サンプル１においては、プライマリα相の間に、微細なセカンダリα相が析出している。さらに、サンプル１においては、セカンダリα相の結晶粒径の最大値は、７μｍ以下である。このように、機械部品１０の製造方法によると、相対的に結晶粒が小さいセカンダリα相を含有するチタン合金により構成される機械部品１０を得ることができる（つまり、機械部品１０の機械的特性を改善することができる）ことが、実験的にも明らかにされた。
【００４９】
機械部品１０の製造方法において、加工対象部材の温度が溶体化温度よりも２０℃低い温度に達する前に第１工程Ｓ２１１が終了する場合、より確実に加熱工程Ｓ２１から保持工程Ｓ２２に移行する際のオーバーシュートを抑制することができる。
【００５０】
機械部品１０の製造方法において、第１昇温速度が５℃／分以上３０℃／分以下である場合、より確実に加熱工程Ｓ２１から保持工程Ｓ２２に移行する際のオーバーシュートの発生を抑制することができる。
【００５１】
機械部品１０の製造方法によると、溶体化温度がチタン合金のβ単相変態点よりも６０℃低い温度以上チタン合金のβ単相変態点以下の範囲内にある場合のように、溶体化温度がβ単相変態点に近い場合であっても、相対的に結晶粒が小さいセカンダリα相を含有するチタン合金により構成される機械部品１０を得ることができる（つまり、機械部品１０の機械的特性を改善することができる）。
【００５２】
機械部品１０の製造方法において、加工対象部材が溶体化温度から５℃低い温度以上溶体化温度から５℃高い温度以下の範囲の保持温度に保持される場合、セカンダリα相の結晶粒が粗大化してしまうことをさらに抑制することができる。
【００５３】
以上のように本発明の実施形態について説明を行ったが、上述の実施形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は、上述の実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
上記の実施形態は、機械部品及び機械部品の製造方法に特に有利に適用される。
【符号の説明】
【００５５】
１０  機械部品、Ｓ１  準備工程、Ｓ２  溶体化工程、Ｓ３  冷却工程、Ｓ２１  加熱工程、Ｓ２２  保持工程、Ｓ２１１  第１工程、Ｓ２１２  第２工程。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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