(57)【要約】【課題】処理工程が少なく安定した酸化防止が可能な、耐摩耗性と高い疲労強度を有するチタン材の表面処理方法を提供する。【解決手段】耐摩耗性の付与のための酸化処理において、疲労強度が必要な部位へ窒化処理を施すことにより酸素の拡散を安定して十分に防止できる。そのため、これまで疲労強度低下分を材料の肉厚等で補っていたが、それが不要となり薄肉計量、かつ、耐摩耗性と高い疲労強度が両立できるチタン部材が得られる。また、疲労強度が必要な部位だけを窒化チャンバを用いて窒化するため、工程が少なく、かつ、連続処理が可能となり、非常に安価な処理で生産性に優れる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタンもしくはチタン合金からなり表面硬化処理に酸化処理を用いる部材に施す表面処理であって、前記部材を使用するときに発生する応力が大きい部位に対し、窒化チャンバを用いて予め窒化処理を施すことにより前記部位に前記酸化処理がなされないようにしたことを特徴とするチタン材の表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高温下で使用されるエンジン部品等に使用されるチタン材に施される表面処理方法に関し、詳しくは、チタン製エンジン部品に耐摩耗性と高い疲労強度を持たせることができる表面処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近時、エンジン部品の軽量化により出力向上、低燃費を目的に軽量であるチタン材が駆動部品に使用されるようになった。チタン材は表面が酸化することにより耐摩耗性が上がるが、脆くなるために疲労強度が低下するという背反性を有する。高温下で使用されるエンジン部品等に使用されるチタン材に、酸素吸収防止のために施される表面処理方法としては、チタン表面に酸素バリア被膜としてアルミニウム粉末を焼成により付着させる方法が公知である。そのプロセスとしては「ショットブラスト」「洗浄・乾燥」「ベースコート塗布」「乾燥（１００℃）」「焼成（４００℃）」「バニッシュ加工」「シーラ塗付」「乾燥（１００℃）」「焼成（４００℃）」「酸素拡散処理」の最低１０工程が必要とされる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特許第３１５１７１３号公報（第２頁、
【００１３】参照）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、チタン表面にアルミニウム粉末を付着させた部材が高温に曝されると、チタンとアルミニウムの界面に脆い金属間化合物チタンアルミが形成される。そのため、エンジンバルブ作動時の撓みによりこの金属間化合物の層に亀裂が発生し、酸素バリア被膜が脱落することがあり安定した酸化防止が出来ないおそれがある。また、工程が多いため安価に製作することが出来ない弱点を有する。そこで本発明は、処理工程が少なく安定した酸化防止が可能な、耐摩耗性と高い疲労強度を有するチタン材の表面処理方法を提供することを課題とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題の解決を目的としてなされた請求項１の発明は、チタンもしくはチタン合金からなり表面硬化処理に酸化処理を用いる部材に施す表面処理であって、前記部材を使用するときに発生する応力が大きい部位に対し、窒化チャンバを用いて予め窒化処理を施すことにより前記部位に前記酸化処理がなされないようにしたことを特徴とする。
【０００６】
【作用】
上述のように、請求項１の発明においては、部材を使用するときに発生する応力が大きい部位に予め窒化処理を施してあるので酸化処理工程において酸化がなされない。そのため、酸化による疲労強度の劣化がなく、しかも窒化処理により耐摩耗性も向上する。摺動部は酸化処理により耐摩耗性が確保される。すなわち、チタンもしくはチタン合金からなる部材においては、使用時に発生する応力が大きい部位に窒化チャンバを用いて予め窒化処理を施し、この部位の表面を窒化層で覆う。チタン材の表面を窒化ガスで窒化して生成した窒化層は、緻密で且つ剥離がないので部材が変形しても亀裂発生はなく、酸化処理時の酸素の拡散を安定して防止できる。また、チタン材は比熱が小さく、熱伝導率が悪いため、疲労強度が必要な部位だけを部分的に窒化チャンバで覆って窒化するのは、表面の温度上昇が早いため短時間で処理ができ、しかも表面の温度上昇だけであるので歪の発生も少なく歪取り修正が不要である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の望ましい実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態に係る表面処理の工程図、図２は本発明の表面処理を施した対象物として例示したエンジンバルブ、図３はそのエンジンバルブの組立図である。はじめに、表面処理対象物として例示したエンジンバルブの作動について図２および図３を参照して説明する。図２および図３において、シリンダヘッド１に圧入されたガイド２にエンジンバルブ３の軸部３ａが貫入され摺動する。エンジンバルブ３の傘部３ｂのフェース面３ｃがポート１ａの燃焼室１ｂ側に固定されたバルブシート４に当接して燃焼室１ｂ内の気密を保持する。軸部３ａの端部にはコッタ５が係合するコッタ溝３ｄが刻設され、コッタ溝３ｄに係合したコッタ５によりリテーナ６が固定される。
【０００８】
リテーナ６とシリンダヘッド１の間にはエンジンバルブ３を閉塞させるよう押圧するスプリング７が挟持されている。エンジンバルブ３は軸端面３ｅを周知のカムが押し下げることによりガイド２で規制されながら上下に作動する。このとき、コッタ５が嵌っているコッタ溝３ｄおよびコッタ５に接する部位、もしくはポート１ａを開閉する傘部３ｂから軸部３ａにいたる首部３ｆに大きな変形が生じる。したがって、この部位には表面処理等で疲労強度を損なわないようにしておく必要がある。
【０００９】
次に、本発明に係る表面処理方法により表面処理されたエンジンバルブを例にとり図２を参照して説明する。図２において、エンジンバルブ３はチタン合金、例えば、Ｔｉ−６ＡＩ−４Ｖで成形されておりガイド２内で摺動する軸部３ａ、周知のバルブリフタと接触する軸端面３ｅ、そしてバルブシート４に当接するフェース面３ｃ等には耐摩耗性を付与するため酸化処理が施されている。一方、疲労強度が要求されるコッタ溝３ｄおよびコッタ５と接する部位ならびに首部３ｆ（斜線で示す）には窒化層が形成されている。チタンの窒化層は緻密であるため、窒化層が形成された後は、酸化処理を行ってもその部位は酸素拡散層が形成されず、疲労強度の低下がない。
【００１０】
次に、本発明に係る表面処理方法について説明する。図１において、プロセス（以下、単にＰと記す）１００において、機械加工により最終形状・最終面粗度に仕上げられたエンジンバルブの洗浄と乾燥が行われる。次いで、Ｐ１０１において、酸素の拡散を防止したい部位、例えば、コッタ溝およびコッタと接する部位もしくは首部（図２における斜線部分）を窒化チャンバで覆う。次いで、Ｐ１０２において、窒化チャンバに９００℃以上の窒素ガスを充填し窒化処理を施す。次いで、Ｐ１０３において、窒化処理を施していない部位の酸化処理を行う。なお、Ｐ１０２において誘導加熱装置を並設した窒化チャンバを使用して窒化部位の温度上昇を図ってもよい。
【００１１】
本工程により形成される窒化層は、窒素の拡散層で０．１〜３μｍと薄いため、エンジンバルブの変形に追従するので亀裂が発生することはない。そのため、エンジンバルブの製造工程における酸化処理での酸素の拡散を防止するだけでなく、エンジン内での使用中に高温ガスに曝されても酸素の拡散が進行することはない。
【００１２】
また、本発明は、エンジンバルブだけに限らず、例えば、コンロッドのような部材全体が強度を必要とする部品にも容易に適用することができる。すなわち、コンロッドはピストンとクランクシャフトを連結しているため、引張強度のほか高い疲労強度が要求される。そのため、チタン製コンロッドにこれらの特性を付与するために、強度が必要とされる部位に窒化チャンバを用いて窒化した後、酸化処理を施せばよい。また、その他の工程としては、ピストンまたはピストンピンあるいはクランクシャフトとの摺動部の加工の前に窒化処理を行い、その後摺動部の仕上げ加工を実施し酸化処理を施してもよい。（図示せず）
【００１３】
次に、代表的なチタン材Ｔｉ−６ＡＩ−４Ｖで製作したエンジンバルブの首部に、本発明の表面処理を施した有処理品を酸化処理した場合Ａと、無処理品を酸化処理した場合Ｂの表面からの断面硬さを測定した比較試験結果について説明する。図４は断面硬度の測定比較結果を示すグラフである。図４において、無処理Ｂの場合の硬さは、酸化処理により最表面は酸化チタンが生成されているため表面硬さは非常に高く、また、表面から酸素が内部に拡散しているため極めて大幅な硬さ変化がある。それに対し本発明の表面処理を施した有処理Ａの場合の硬さは、表面から内部までほぼ一定であるため窒化層により酸化が防止されていることが判る。
【００１４】
【発明の効果】
本発明は上述のように構成されているので以下の効果を奏する。すなわち、耐摩耗性の付与のための酸化処理において、疲労強度が必要な部位へ窒化処理を施すことにより酸素の拡散を安定して十分に防止できる。そのため、これまで疲労強度低下分を材料の肉厚等で補っていたが、それが不要となり薄肉計量、かつ、耐摩耗性と高い疲労強度が両立できるチタン部材が得られる。また、疲労強度が必要な部位だけを窒化チャンバを用いて窒化するため、工程が少なく、かつ、連続処理が可能となり、非常に安価な処理で生産性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る表面処理方法の工程図である。
【図２】本発明に係る表面処理を施したエンジンバルブの正面図である。
【図３】本発明に係る表面処理を施したエンジンバルブの組立図である。
【図４】本発明の表面処理品と無処理品との断面硬度の測定結果を示すグラフである。
【図１】
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【図４】
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【図２】
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【図３】
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