(57)【要約】【課題】チタン合金製部品を、製造コストの高騰を抑えながら軽量で優れた耐摩耗性を有するものにすること。【解決手段】チタン合金を母材とするエンジンバルブ１は、その軸端部３ａの頂面にて、母材表層に樹枝状組織を含む硬化層４が設けられる。この硬化層４は、ガスノズル２１から不活性ガス２２を供給しながら、軸端部３ａの母材表面にレーザ発振器２３から発射されるレーザビーム２４照射して母材表層を一旦加熱溶融させる。その後、照射を終えて溶融箇所を凝固させることにより樹枝状組織を形成する。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン合金を母材とするチタン合金製部品であって、
前記母材の表層に樹枝状組織を含む硬化層を設けたことを特徴とするチタン合金製部品。
【請求項２】
チタン合金を母材とするチタン合金製部品であって、
前記母材の表層に、少なくとも板状組織を含む硬化層と樹枝状組織を含む硬化層とを合わせ持つ複合硬化層を設けたことを特徴とするチタン合金製部品。
【請求項３】
チタン合金を母材とするチタン合金製部品の表面処理方法であって、
前記母材の表面に高密度エネルギーを照射して前記母材の表層を一旦加熱溶融させてから前記照射を終えて前記溶融箇所を凝固させることにより樹枝状組織を含む硬化層を形成することを特徴とするチタン合金製部品の表面処理方法。
【請求項４】
チタン合金を母材とするチタン合金製部品の表面処理方法であって、
前記母材の表面に高密度エネルギーを照射して前記母材の表層を一旦加熱溶融させてから前記照射を終えて前記溶融箇所を凝固させることにより板状組織を含む硬化層を形成した後、前記照射箇所に前回よりも少量の高密度エネルギーを照射して前記母材の表層を再び加熱溶融させてから前記照射を終えて前記溶融箇所を再び凝固させることにより前記板状組織を含む硬化層を樹枝状組織を含む硬化層とすることを特徴とするチタン合金製部品の表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、チタン合金を母材として形成されるチタン合金製部品及びその部品の表面処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、エンジン用運動部品として、エンジンバルブ、バルブスプリングリテーナ及びコンロッド等の部品が挙げられる。これらの部品は、他の部品と繰り返し摺動することから、十分な耐摩耗性が要求される。これら部品の耐摩耗性向上等を目的とした技術が、下記の特許文献１乃至６に記載される。
【０００３】
特許文献１には、エンジンバルブ及びその製造方法について記載される。この製造方法では、耐熱鋼等を基材として形成されたエンジンバルブにつき、その弁フェース部を加熱溶融した直後に傘部より強制的に冷却し、樹枝状組織構造の硬化層を形成している。
【０００４】
特許文献２には、チタン又はチタン合金部材について記載される。この部品では、チタン又はチタン合金よりなるエンジンバルブ及びコンロッド等につき、その表層を酸素又は酸素化合物を含有する不活性ガス雰囲気のもとで溶融温度以上に加熱し、この溶融部分に酸素を吸収固溶し、表面硬化層を形成している。
【０００５】
特許文献３には、チタン又はチタン合金の表面処理方法について記載される。この処理方法は、チタン又はチタン合金よりなるバルブスプリングリテーナ、バルブスプリング、バルブステム及びコンロッド等につき、その部品を酸化雰囲気中において加熱状態で所定時間保持させ、その部品の表面に酸化物層及び酸素富化層の複合層を形成する工程と、その後に、この部品を急冷して複合層の最外層のスケール層を除去する工程とを備える。
【０００６】
特許文献４には、コンロッドについて記載される。このコンロッドは、チタン合金から構成されるコンロッド本体と、鉄系材料から構成されるキャップとを備え、そのキャップの厚みをコンロッド本体の他端の厚みよりも大きくしている。
【０００７】
特許文献５には、チタン合金のメッキ方法について記載される。この方法では、チタン合金材よりなるコンロッドにつき、その表面に溶融アルミニウムメッキ被膜を形成し、その後に熱処理を行ってチタン合金材と溶融アルミニウムメッキ被膜との間の境界面に合金層を形成する。次いで溶融アルミニウムメッキ被膜の表面に耐摩耗性メッキ被膜を形成している。
【０００８】
特許文献６には、チタン又はチタン合金の表面改質方法が記載される。この方法では、チタン又はチタン合金表面に不活性ガスを供給しながら高エネルギー密度ビームを照射してその照射部分を溶融させる。その後半溶融状態において酸素を含むアシストガスを供給し、最表面に近づくほど酸素濃度が高くなるように吸収固溶させて、表面に緩やかな硬度傾斜を形成している。
【０００９】
【特許文献１】
特開平８−１２１１２５号公報（第２〜５頁、図１，２）
【特許文献２】
特開平１−１１９６８２号公報（第１〜４頁、図１〜３）
【特許文献３】
特開平２−１７９８６１号公報（第２〜５頁、図１，２）
【特許文献４】
特開平５−１９６０３０号公報（第２〜４頁、図１〜３）
【特許文献５】
特開平５−３４５９８８号公報（第２，３頁、図１〜４）
【特許文献６】
特開平７−２６３８７号公報（第２頁、図１，２）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特許文献１に記載の従来技術では、耐熱鋼等を基材としてその弁フェース部に樹枝状組織構造の硬化層が形成されることから、ビッカース硬さとしてはせいぜいＨＶ６００程度が限界であり、耐摩耗性が十分とは言えなかった。
【００１１】
また、特許文献２に記載の従来技術では、一般にチタン合金として、ニアα合金やα−β合金が用いられる。しかし、この種のチタン合金の表層に形成される表面硬化層では、その硬さが、ビッカース硬さでＨＶ５５０以下となり、耐摩耗性が十分とは言えなかった。一方、ニアβ合金を使用すれば、ビッカース硬さはＨＶ７５０に達するものの、その材料自体にエンジンバルブに要求される耐熱性がない。更に、特許文献２に記載された一連の処理を複数回行えば硬度も向上すると考えられるが、工程数が増える分だけ製造コストが高騰してしまう。
【００１２】
また、特許文献３に記載の処理方法によれば、ビッカース硬さとしてＨＶ７００程度の表面硬さが得られるものの、複合層の厚さがせいぜい数十μｍ程度と薄い。このため、この方法で表面処理された部品を、レーシングカー向けの高性能エンジンに使用しようとした場合、耐摩耗性が十分とは言えなかった。
【００１３】
また、特許文献４に記載の従来技術では、キャップが鉄系材料から構成されることから、コンロッド本体とキャップの両方をチタン合金から構成したコンロッドと比べて軽量化の効果が小さかった。
【００１４】
また、特許文献５に記載の従来技術では、溶融アルミニウムメッキ被膜を形成し、チタン合金材と溶融アルミニウムメッキ被膜との間の境界面に合金層を形成し、溶融アルミニウムメッキ被膜の表面に耐摩耗性メッキ被膜を形成していることから、工程が複雑なものとなった。また、コンロッドの特定部分にメッキを施そうとした場合、製造コストの高いマスキングが必要になる。一方、マスキングを省略しようとしてコンロッドの全表面にメッキを施そうとした場合、メッキ液が大量に必要となり、やはり製造コストが高騰する。
【００１５】
更に、特許文献６に記載の従来技術では、その硬化原理が、吸収された酸素の内部歪みによる固溶硬化であり、針状組織よりなる硬化層が形成されることになった。このため、針状組織の硬化層では、その硬さがＨＶ５００〜６００程度であり、十分な硬度が得られず、耐摩耗性が十分とは言えなかった。また、アシストガスの供給が必要になることから、母材溶融時に不活性ガス供給のための設備の他に、アシストガス供給のための設備が必要となり、その分だけ製造コストが高騰することになった。
【００１６】
この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、チタン合金製部品を、製造コストの高騰を抑えながら軽量で優れた耐摩耗性を有するものにすることを可能としたチタン合金製部品及びその表面処理方法。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、チタン合金を母材とするチタン合金製部品であって、母材の表層に樹枝状組織を含む硬化層を設けたことを趣旨とする。
【００１８】
上記発明の構成によれば、硬化層が樹枝状組織を含むので、チタン合金製部品の母材の表層に高硬度で厚膜の硬化層が形成される。
【００１９】
上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、チタン合金を母材とするチタン合金製部品であって、母材の表層に、少なくとも板状組織を含む硬化層と樹枝状組織を含む硬化層とを合わせ持つ複合硬化層を設けたことを趣旨とする。
【００２０】
上記発明の構成によれば、複合硬化層が板状組織を含む硬化層と樹枝状組織を含む硬化層とを合わせ持つので、チタン合金製部品の母材の表層に高硬度で厚膜の複合硬化層が形成される。
【００２１】
上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、チタン合金を母材とするチタン合金製部品の表面処理方法であって、母材の表面に高密度エネルギーを照射して母材の表層を一旦加熱溶融させてから照射を終えて溶融箇所を凝固させることにより樹枝状組織を含む硬化層を形成することを趣旨とする。
【００２２】
上記発明の構成によれば、チタン合金製部品の母材の表層に樹枝状組織が形成されるので、その母材の表層に高硬度で厚膜の硬化層が形成される。
【００２３】
上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、チタン合金を母材とするチタン合金製部品の表面処理方法であって、母材の表面に高密度エネルギーを照射して母材の表層を一旦加熱溶融させてから照射を終えて溶融箇所を凝固させることにより板状組織を含む硬化層を形成した後、照射箇所に前回よりも少量の高密度エネルギーを照射して母材の表層を再び加熱溶融させてから照射を終えて溶融箇所を再び凝固させることにより板状組織を含む硬化層を樹枝状組織を含む硬化層とすることを趣旨とする。
【００２４】
上記発明の構成によれば、チタン合金製部品の母材の表層に板状組織を含む硬化層と樹枝状組織を含む硬化層とが重なり合って形成されるので、その母材の表層に高硬度で厚膜の複合硬化層が形成される。また、複合硬化層はその表面から母材までの硬さ分布がなだらかになる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
以下、本発明のチタン合金製部品及びその表面処理方法をエンジンバルブに具体化した第１の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００２６】
図１に、チタン合金製部品としてのエンジンバルブ１の正面図を示す。エンジンバルブ１は、傘部２と軸部３を含む。傘部２の周縁には、フエース部２ａが設けられる。フェース部２ａは、バルブシートに対して着座する部分である。軸部３の上側の軸端部３ａには、硬化層４が設けられる。
【００２７】
この実施の形態で、エンジンバルブ１の母材であるチタン合金として、「Ｔｉ−６Ａ１−４Ｖ」が使用される。硬化層４は、母材の表層に形成された樹枝状組織より形成される。この実施の形態で、軸部３の外径は、約６ｍｍである。
【００２８】
次に、エンジンバルブ１の製造工程を図２を参照して説明する。
先ず、第１工程では、母材であるチタン合金が準備される。第２工程では、母材が熱間鍛造されることによりエンジンバルブ１の原形が形成される。第３工程では、エンジンバルブ１の原形が機械加工（表面切削等）される。第４工程では、硬化層４を形成するための部分硬化処理が施される。第５工程では、硬化部位の仕上加工が施される。この工程では、部分硬化処理で生じる変形が取り除かれる。第６工程では、第５工程で生じる活性面を不活性化すると共に、軸端部３ａ以外で軸部３とフェース部２ａを表面硬化させて耐摩耗性を付与するために、エンジンバルブ１の全面に対して酸化処理が施される。このようにして、エンジンバルブ１が製造される。
【００２９】
ここで、上記した第４工程における部分硬化処理について詳しく説明する。この実施の形態では、エンジンバルブ１の軸端部３ａの頂面に高密度エネルギーとしてのレーザビームを照射して母材の表層を一旦加熱溶融させてから照射を終えて溶融箇所を凝固させることにより樹枝状組織を形成している。この樹枝状組織により硬化層４が構成される。即ち、図３に示すように、軸端部３ａに、ガスノズル２１からアルゴンやヘリウム等の不活性ガス２２を供給しながら、レーザ発振器２３から発射されるレーザビーム２４を軸端部３ａの頂面にスポット照射する。これにより、軸端部３ａの母材の表層を一旦加熱溶融させてから照射を終えて溶融箇所を凝固させる。ここでのレーザ発振器２３からのレーザ発射は、連続発射でもパルス発射でもよい。
【００３０】
レーザビーム２４を照射する際、軸端部３ａの頂面に対する不活性ガス２２の供給量、並びにレーザビーム２４の出力、照射方向及び照射時間等を調整することにより、軸端部３ａの頂面に樹枝（デンドライト）状結晶を析出させる。これにより、所定深さを有する樹枝状組織を形成する。この樹枝状組織により所定深さの硬化層４が得られる。
【００３１】
一般に、金属結晶は、樹木のように枝分かれのある形態をとる結晶「樹枝状結晶」と、枝分かれのない「セル状結晶」とに区別される。樹枝状結晶の枝の成長方向は、結晶学的に特定の方向を有しており、合金特有のものである。樹枝状組織を含む硬化層４の硬さは、単位面積に占める樹枝状結晶の面積比率により異なる。
【００３２】
ここで、樹枝状結晶の面積比率と樹枝状組織の硬さ（ビッカース硬さ）との関係につき、その実験結果を図４〜１０を参照して説明する。
【００３３】
この実験では、チタン合金として、「Ｔｉ−６Ａ１−４Ｖ」が使用され、レーザとして「ＹＡＧレーザ」が使用され、レーザビーム照射に際して「窒素シールドガス」が不活性ガスとして使用された。この実験では、チタン合金に対するレーザビームの照射時間を６段階に変えることにより、６つの観察用試料を得た。各観察用試料（樹枝状組織を含む硬化層を含む。）の表面を鏡面研磨した後、適当な腐食液（例えば、フッ酸）に漬け、金属顕微鏡により組織が判別できる倍率で撮られた写真を図４〜９に示す。各写真の倍率は、いずれも「２００倍」である。撮られた写真をコンピュータにより画像処理することにより樹枝状結晶のみを判別して２値化した。これにより、樹枝状結晶の面積比率を得た。硬さの測定は、樹枝状結晶の面積比率が低いほどバラツキが大きくなることから、１０回程度の平均値をとることにした。
【００３４】
図４に、樹枝状結晶面積比率が「０％」のときの写真１を示す。この場合の硬さは「ＨＶ５０７」であった。図５に、樹枝状結晶面積比率が「１．７％」のときの写真２を示す。この場合の硬さは「ＨＶ５３６」であった。図６に、樹枝状結晶面積比率が「９．４％」のときの写真３を示す。この場合の硬さは「ＨＶ６２５」であった。図７に、樹枝状結晶面積比率が「３１．８％」のときの写真４を示す。この場合の硬さは「ＨＶ７２８」であった。図８に、樹枝状結晶面積比率が「４６．３％」のときの写真５を示す。この場合の硬さは「ＨＶ７９３」であった。図９に、樹枝状結晶面積比率が「８１．６％」のときの写真６を示す。この場合の硬さは「ＨＶ８６２」であった。
【００３５】
図１０に、図４〜９に係る試料につき、樹枝状結晶面積比率と硬さの関係をグラフに示す。上記実験結果から明らかなように、樹枝状組織を含む硬化層の硬さは、樹枝状結晶面積比率が多くなるほど増えることが分かる。
【００３６】
ここで、硬化層の表面からの深さとその硬さ（ビッカース硬さ）との関係につき、実験結果を図１１〜１３を参照して説明する。
【００３７】
この実験では、図１１に示すように、棒材試料２５の外周を円周状に硬化処理した。これはエンジンバルブ１の軸部３の表面処理を想定したものである。硬化処理幅を広げるには、棒材試料２５をその軸方向へ移動させることによりレーザビーム２４を螺旋状に照射すればよい。軸端部３ａの表面処理を想定した場合は、レーザビーム２４のスポット径を拡大してスポット照射（固定して照射）すればよい。
【００３８】
この実験における実施例１、実施例２、比較例１及び比較例２に係るレーザビーム照射条件等を図１２に表に示す。実施例１、実施例２及び比較例１は、レーザビーム照射処理したものである。実施例１及び実施例２は樹枝状組織を形成したものである。比較例１は、後述する板状組織を形成したものである。比較例２は、対照として酸化処理したものである。得られた実験結果を図１３のグラフに示す。
【００３９】
図１３のグラフから明らかなように、比較例２では、「ＨＶ７５０」程度の最大硬さが「０．１ｍｍ」以下の浅い表面で得られることが分かる。これに対し、実施例１では、「ＨＶ９００」程度の硬さが「１．２ｍｍ」程度の深さまで得られ、「１．２〜２．５ｍｍ」の深さまで硬さが緩やかに減少することが分かる。実施例２では、「ＨＶ７００」程度の硬さが「１．０ｍｍ」程度の深さまで得られ、「１．０〜２．０ｍｍ」の深さまで硬さが比較的緩やかに減少することが分かる。比較例１では、「ＨＶ５４０」程度の硬さが「０．５ｍｍ」程度の深さまで得られ、「０．５〜１．５ｍｍ」の深さまで硬さが緩やかに減少することが分かる。硬化層の硬さは、レーザビーム照射条件を適宜に調整することにより、「６００〜１０００ＨＶ」程度の範囲で設定可能なことが分かる。
【００４０】
以上説明したこの実施の形態によれば、チタン合金製エンジンバルブ１の軸端部３ａの頂面にレーザビームを照射して母材の表層を一旦加熱溶融させてから照射を終えて溶融箇所を凝固させるので、軸端部３ａの母材の表層に樹枝状組織をを含む硬化層４がミリオーダの深さで形成される。従って、軸端部３ａの頂面表層に高硬度で厚膜な硬化層４が形成される。このため、チタン合金製エンジンバルブ１につき信頼性の高い表面処理を行うために多工程を必要とすることがなく、製造コストの高騰を抑えることができる。また、チタン合金を母材とすることから、エンジンバルブ１を軽量化することができる。しかも、他部品との接触部分である軸端部３ａの頂面に樹枝状組織を含む硬化層４が形成されるので、その部分で優れた耐摩耗性を得ることができる。
【００４１】
このように軽量で高耐摩耗性を有するエンジンバルブ１は、レーシングカー向けの高性能エンジンに適用することができる。また、このエンジンバルブ１は、その軸端部３ａに高い耐摩耗性が得られることから、ロッカーアームが軸端部３ａを直接たたくことになるロッカーアーム式の動弁機構に好適である。
【００４２】
上記説明では、エンジンバルブ１の軸端部３ａに硬化層４を設ける場合について説明したが、エンジンバルブ１の軸部３やフェース部２ａにも同様に硬化層を設けることができる。
【００４３】
即ち、エンジンバルブ１の軸部３に硬化層を設けるには、図１４に示すように、レーザ発振器２３から発射されるレーザビーム２４を軸部３の外周面に照射する。また、ガスノズル２１から不活性ガスを供給すると共に、エンジンバルブ１を回転させ、同軸部３又はレーザ発振器２３を同図に破線矢印で示す方向へ移動させればよい。
【００４４】
一方、エンジンバルブ１のフェース部２ａに硬化層を設けるには、図１５に示すように、レーザ発振器２３から発射されるレーザビーム２４をフェース部２ａに照射する。また、ガスノズル２１から不活性ガスを供給すると共に、エンジンバルブ１を回転させればよい。
【００４５】
［第２の実施の形態］
次に、本発明のチタン合金製部品及びその表面処理方法をバルブスプリングリテーナに具体化した第２の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００４６】
図１６に、バルブスプリングリテーナ（以下、単に「リテーナ」と言う。）６を含むエンジンバルブ１の軸端部３ａ付近を拡大断面図に示す。エンジンバルブ１の軸端部３ａには、コッタ７を介してリテーナ６が組み付けられる。図１７に、リテーナ６のみを断面図に示す。リテーナ６の内周面には、硬化層４が設けられる。
【００４７】
この実施の形態で、リテーナ６には、母材であるチタン合金として、「Ｔｉ−６Ａ１−４Ｖ」が使用される。硬化層４は、母材の表層に形成された樹枝状組織により構成される。
【００４８】
この実施の形態では、リテーナ６の内周面における母材の表面に高密度エルギーとしてのレーザビームを照射して母材の表層を一旦加熱溶融させてから照射を終えて溶融箇所を凝固させる。これにより、リテーナ６の内周面の表層に樹枝状組織を含む硬化層４が形成される。即ち、図１８に示すように、リテーナ６の内周面６ａに、ガスノズル２１から不活性ガスを供給しながら、レーザ発振器２３から発射されるレーザビーム２４を照射する。このとき、リテーナ６を回転させると共に、垂直方向へ移動させる。これにより、リテーナ６の内周面６ａに対して、レーザビーム２４を螺旋状に照射処理する。これにより、内周面６ａの母材の表層を螺旋状に一旦加熱溶融させる。その後、レーザ発振器２３からのレーザビーム２４の発射を停止する。ここでのレーザビーム照射条件等は、図１２の表に示す実施例１及び実施例２のそれと同じである。
【００４９】
従って、この実施の形態によれば、チタン合金を母材としてなるリテーナ６の内周面６ａにレーザビーム２４を照射して母材の表層を一旦加熱溶融させてから凝固させるので、その母材の表層に樹枝状組織を含む硬化層４がミリオーダの深さで形成される。従って、リテーナ６の内周面６ａの表層に高硬度で厚膜な硬化層４が得られる。このため、チタン合金製リテーナ６につき信頼性の高い表面処理を行うために多工程を必要とすることがなく、製造コストの高騰を抑えることができる。また、チタン合金を母材とすることから、リテーナ６を軽量化することができる。しかも、コッタ７との接触部分である内周面６ａに樹枝状組織を含む硬化層４が設けられるので、その部分で優れた耐摩耗性を得ることができる。
【００５０】
リテーナは動弁機構部品の一つであり、軽いほどエンジンの低燃費化と高出力化（高回転化）に寄与する。従って、本実施の形態のように軽量で高耐摩耗性を有するリテーナ６は、レーシングカー向けの高性能エンジンに好適となる。
【００５１】
［第３の実施の形態］
次に、本発明のチタン合金製部品及びその表面処理方法をコンロッドに具体化した第３の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００５２】
図１９に、コンロッド１１を正面図に示す。図２０に、エンジンにおけるコンロッド１１の組み付け状態を概念図に示す。コンロッド１１は、コンロッド本体１２と、コンロッドキャップ１３とを備える。コンロッド本体１２の先端部には、図２０に示すように、ピストン１４に連結される小端部１５が設けられる。コンロッド本体１２とコンロッドキャップ１３とで構成される大端部１６は、図２０に示すように、クランクシャフト１７のクランクピン１７ａに連結される。コンロッド１１の大端部１６の両スラスト面１６ａ、即ち、クランクシャフト１７との摺接面には、硬化層４が設けられる。
【００５３】
この実施の形態で、コンロッド１１には、母材であるチタン合金として、「Ｔｉ−６Ａ１−４Ｖ」が使用される。硬化層４は、母材の表層に形成された樹枝状組織より構成される。
【００５４】
この実施の形態では、コンロッド１１のスラスト面１６ａに高密度エネルギーとしてのレーザビームを照射して母材の表層を一旦加熱溶融させてから照射を終えて溶融箇所を凝固させる。これにより、樹枝状組織を含む硬化層４が形成される。即ち、図２１に示すように、コンロッド１１のスラスト面１６ａに、ガスノズル２１から不活性ガス２２を供給しながら、レーザ発振器２３から発射されるレーザビーム２４をスポット照射する。このとき、コンロッド１１を回動させることにより、スラスト面１６ａにてレーザビーム２４が円を描きながら照射処理される。これにより、スラスト面１６ａの母材表層を円形に一旦加熱溶融させてから凝固させる。ここでのレーザビーム照射条件等は、図１２の表に示す実施例１及び実施例２のそれに準ずる。
【００５５】
従って、この実施の形態によれば、チタン合金を母材としてなるコンロッド１１のスラスト面１６ａにレーザビーム２４を照射してその母材の表層を一旦加熱溶融させてから凝固させるので、母材表層に樹枝状組織を含む硬化層４がミリオーダの深さで形成される。従って、コンロッド１１のスラスト面１６ａの表層に高硬度で厚膜な硬化層４が得られる。このため、チタン合金製のコンロッド１１につき信頼性の高い表面処理を行うために多工程を必要とすることがなく、製造コストの高騰を抑えることができる。また、チタン合金を母材とすることから、コンロッド１１を軽量化することができる。しかも、クランクシャフト１７との接触部分であるスラスト面１６ａに樹枝状組織を含む硬化層４が設けられるので、その部分で優れた耐摩耗性を得ることができる。
【００５６】
コンロッドは、エンジンの運動部品の一つであり、軽いほどエンジンの低燃費化と高出力化（高回転化）に寄与する。従って、本実施の形態のように軽量で高耐摩耗性を有するコンロッド１１は、レーシングカー向けの高性能エンジンに好適となる。
【００５７】
［第４の実施の形態］
次に、本発明のチタン合金製部品及びその表面処理方法をエンジンバルブに具体化した第４の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００５８】
この実施の形態では、第１の実施の形態のエンジンバルブ１と表面処理方法の点で構成が異なる。即ち、第１の実施の形態では、不活性ガスを供給しながら、エンジンバルブ１の軸端部３ａの母材表面にレーザビーム２４を照射して母材の表層を一旦加熱溶融させてから凝固させていた。これに対し、この実施の形態では、図２２に示すように、ガスノズル２１から不活性ガス２２を供給しながら軸端部３ａの母材の表面に高密度エネルギーとしてのレーザビーム２４をレーザ発振器２３により照射して母材の表層を一旦加熱溶融させてから照射を終えて溶融箇所を凝固させることにより板状組織を含む硬化層を形成する。その後、同じ照射箇所に前回よりも少量のレーザビームを照射して母材の表層を再び加熱溶融させてから照射を終えて溶融箇所を再び凝固させることにより板状組織を含む硬化層を樹枝状組織を含む硬化層とする。ここでも、レーザ発振器２３からのレーザ発射は、連続発射でもパルス発射でもよい。
【００５９】
即ち、図２３（ａ）にグラフに示すように、最初の時刻ｔ０〜ｔ１の間に、出力Ａでレーザビーム２４を軸端部３ａに照射して、軸端部３ａの母材表層を一旦加熱溶融させる。次に、時刻ｔ１〜ｔ２の間に、レーザビーム２４の照射を中断して、照射箇所を凝固させる。これにより、図２３（ｂ）に示すように、軸端部３ａの照射箇所の母材２６に板状組織２７が形成される。次に、時刻ｔ２〜ｔ３の間に、前と同じ照射箇所に前回よりも低出力Ｂのレーザビーム２４を照射して、母材２６の表層を再び加熱溶融させる。その後、レーザビーム２４の照射を終えて、照射箇所を再び凝固させる。これにより、図２３（ｃ）に示すように、照射箇所の母材２６の表層のみに樹枝状組織２８が形成される。つまり、この実施の形態では、図２３（ｃ）に示すように、板状組織２７を含む硬化層としての深層２９と樹枝状組織２８を含む硬化層としての浅層３０とを合わせ持つ複合硬化層３１が設けられる。ここでは、時刻ｔ１〜ｔ２の照射間隔の長さを適宜設定することにより、板状組織２７を十分に冷却してもよいし、しなくてもよい。
【００６０】
図２４に、上記した複合硬化層３１の断面を５０倍の顕微鏡写真に示す。この写真から明なように、板状組織２７を含む深層２９よりも樹枝状組織２８を含む浅層３０の方が、組織がちみつであることがその色合いから分かる。図２５には、上記した浅層２９の樹枝状組織２８を顕微鏡写真に示す。図２６に、上記した深層２９の板状組織２８を顕微鏡写真に示す。両写真とも、倍率は２００倍である。この実施の形態では、浅層３０の硬さが「ＨＶ８０６」であるのに対し、深層２９の硬さが「ＨＶ５２９」となった。
【００６１】
ここで、対照とされる酸化処理層と、樹枝状組織のみからなる硬化層と、樹枝状組織及び板状組織からなる複合硬化層につき、表面からの深さと硬さの関係を比較して図２６にグラフに示す。このグラフは、図１３に示すグラフに準ずるものであり、第１の実施の形態と同等の実験により得られたものである。
【００６２】
図２７から明らかなように、酸化処理層では、「ＨＶ７５０」程度の最大硬さが「０．１ｍｍ」以下の浅い表面で得られるだけである。これに対し、単一の硬化層では、「ＨＶ８００」程度の硬さが「１．０ｍｍ」程度の深さまで得られ、「１．０〜２．０ｍｍ」の深さまで硬さが段階的に減少することが分かる。複合硬化層では、「ＨＶ８００」程度の硬さが「０．５ｍｍ」程度の深さまで得られ、「０．５〜２．２ｍｍ」の深さまで硬さがなだらかに減少することが分かる。硬化層や複合硬化層の硬さ、深層２９と浅層３０の厚さ、レーザビーム照射条件を適宜に調整することにより、「６００〜１０００ＨＶ」程度の範囲で設定可能となる。
【００６３】
以上説明したこの実施の形態によれば、チタン合金を母材としてなるエンジンバルブ１の軸端部３ａにレーザビーム２４を照射して母材２６の表層を一旦加熱溶融させてから照射を終えて溶融箇所を凝固させることにより板状組織２７を形成する。その後、その照射箇所に前回よりも低出力のレーザビーム２４を照射して母材２６の表層を再び加熱溶融させてから照射を終えて溶融箇所を再び凝固させることにより板状組織２７の浅層３０を樹枝状組織２８とする。これにより、軸端部３ａの母材２６の表層に、板状組織２７を含む深層２９と樹枝状組織２８を含む浅層３０とを合わせ持つ高硬度で厚膜な複合硬化層３１が形成される。このため、チタン合金製エンジンバルブ１の軸端部３ａにつき信頼性の高い表面処理を行うために多工程を必要とすることがなく、製造コストの高騰を抑えることができる。また、チタン合金を母材とすることから、エンジンバルブ１を軽量化することができる。しかも、他部品との接触部分である軸端部３ａの頂面に複合硬化層３１が設けられるので、その部分で優れた耐摩耗性を得ることができる。
【００６４】
更に、この実施の形態では、複合硬化層３１が、その表面から母材までの硬さ分布がなだらかとなる。このため、複合硬化層３１にロッカーアームが衝突することで激しい摺動摩擦が生じても、ピッチングが起きない耐ピッチング性を得ることができる。
【００６５】
このように軽量で高耐摩耗性、耐ピッチング性を有するエンジンバルブ１は、レーシングカー向けの高性能エンジンに適用することができる。また、このエンジンバルブ１は、その軸端部３ａに高い耐摩耗性と耐ピッチング性が得られることから、ロッカーアームが軸端部３ａを直接たたくことになるロッカーアーム式の動弁機構に好適となる。
【００６６】
上記説明では、エンジンバルブ１につき、その軸端部３ａの頂面に複合硬化層３１を形成するための表面処理について説明した。これに対し、エンジンバルブ１の軸部３の外周面に複合硬化層を形成するには、次のように表面処理を行う。
【００６７】
即ち、図２８に示すように、軸部３の外周面に対して第１レーザ発振器３２と第２レーザ発振器３３を向ける。そして、ガスノズル２１から不活性ガス２２を供給しながら軸部３を回転させ、第１レーザ発振器３２を動作させてピーク出力のレーザビーム３４を軸部３の外周面に照射し、その照射箇所に対し時間をずらして第２レーザ発振器３３から小出力のレーザビーム３５を照射する。これにより、上記と同様に、軸部３の母材の表層に対して、板状組織を含む深層と樹枝状組織を含む浅層とを合わせ持つ複合硬化層を設けることができる。複合硬化層を構成する深層と浅層のそれぞれの厚さは任意に調整可能である。
【００６８】
尚、この発明は前記各実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で以下のように実施することもできる。
【００６９】
（１）前記第４の実施の形態では、エンジンバルブ１の母材表層に複合硬化層３１を設けたが、バルブスプリングリテーナやコンロッドの母材表層に、同様の表面処理方法により複合硬化層を設けることもできる。
【００７０】
（２）前記各実施の形態では、チタン合金製部品として、エンジンバルブ１、リテーナ６及びコンロッド１１を列挙して説明したが、耐摩耗性が要求される部品であれば、これらの部品以外のチタン合金製部品にも、本発明を具体化することができる。
【００７１】
（３）前記各実施の形態では、対象部品にガスノズル２１から不活性ガス２２を供給しながら、レーザ発振器２４，３２，３３から発射さるレーザビーム２４，３４，３５を照射するようにしたが、この不活性ガスの代わりに窒素ガスや酸素ガスを供給してもよく、これら不活性ガス、窒素ガス及び酸素ガスの供給を省略してもよい。
【００７２】
（４）前記各実施の形態では、高密度エネルギーとして、レーザビームをチタン合金部品の表面に照射するようにしたが、高密度エネルギーはレーザビームに限られるものではなく、電子ビーム又は高周波誘導加熱等であってもよい。
【００７３】
（５）前記第４の実施の形態では、図２９に示すように、複合硬化層３１の全体を母材２６に対して楔状に設け、その中で板状組織２７を含む深層２９と樹枝状組織２８を含む浅層３０を上下に積み上げて形成した。
これに対し、硬化処理条件を変えることにより、図３０に示すように、複合硬化層３１の全体を母材２６に対して楔状に設け、その中で板状組織２７を含む深層２９を楔状に形成し、樹枝状組織２８を含む浅層３０を深層２９に対して楔状に形成してもよい。
更に、図３１に示すように、板状組織２７を含む深層２９と樹枝状組織２８を含む浅層３０を母材２６に対して上下に積層することにより二層構造の複合硬化層４４を設けたり、図３２に示すように、樹枝状組織２８を含む深層２９と板枝状組織２７を含む浅層３０を母材２６に対して上下に積層することにより二層構造の複合硬化層４５を設けたり、板状組織を含む硬化層と樹枝状組織を含む硬化層を母材に対して上下に積層することにより三層構造の複合硬化層を設けたり、図３３に示すように、板状組織２７を含む硬化層４６と樹枝状組織２８を含む硬化層４７を母材２６に対して上下に交互に積層することにより四層構造の複合硬化層４８を設けたりしてもよい。
【００７４】
（６）前記第４の実施の形態では、図３４に示すように、時刻ｔ０〜ｔ１の時間に出力Ａのレーザビームを照射し、時刻ｔ１〜ｔ２の時間にレーザビームの照射を中断し、時刻ｔ２〜ｔ３の時間（時刻ｔ０〜ｔ１の時間より短い時間）に出力Ａよりも低出力Ｂのレーザビームを照射するようにした。これにより、母材の表面に高密度エネルギーを照射して母材の表層を一旦加熱溶融させてから照射を終えてその溶融箇所を凝固させることにより板状組織を含む硬化層を形成した後、その照射箇所に前回よりも少量の高密度エネルギーを照射して母材の表層を再び加熱溶融させてから照射を終えて溶融箇所を再び凝固させることにより板状組織を含む硬化層を樹枝状組織を含む硬化層とする表面処理方法を実施した。
これに対し、２回目に照射するレーザビームを、１回目よりも少量の高密度エネルギーにするために、２回目のレーザビームの出力レベルと出力時間の組合せを適宜に変更してもよい。即ち、例えば、図３５に示すように、時刻ｔ０〜ｔ１の時間に出力Ａのレーザビームを照射し、時刻ｔ１〜ｔ２の時間にレーザビームの照射を中断し、時刻ｔ２〜ｔ４の時間（時刻ｔ０〜ｔ１の時間と同じ時間）に低出力Ｂよりも低い出力Ｃのレーザビームを照射するようにしてもよい。
また、図３６に示すように、時刻ｔ０〜ｔ１の時間に出力Ａのレーザビームを照射し、時刻ｔ１〜ｔ２の時間にレーザビームの照射を中断し、時刻ｔ２〜ｔ５の時間（時刻ｔ２〜ｔ３の時間より短い時間）に出力Ａよりも高出力Ｄのレーザビームを照射するようにしてもよい。
更に、図３７に示すように、時刻ｔ０〜ｔ１の時間に出力Ａのレーザビームを照射し、時刻ｔ１〜ｔ２の時間にレーザビームの照射を中断し、時刻ｔ２〜ｔ６の時間（時刻ｔ２〜ｔ５の時間より長い時間）に出力Ａのレーザビームを照射するようにしてもよい。
【００７５】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、硬化層が樹枝状組織を含むので、チタン合金製部品の母材の表層に高硬度で厚膜の硬化層が形成される。このため、チタン合金製部品を、製造コストの高騰を抑えながら軽量で優れた耐摩耗性を有するものにすることができる。
【００７６】
請求項２に記載の発明によれば、複合硬化層が板状組織を含む硬化層と樹枝状組織を含む硬化層とを合わせ持つので、チタン合金製部品の母材の表層に高硬度で厚膜の複合硬化層が形成される。このため、チタン合金製部品を、製造コストの高騰を抑えながら軽量で優れた耐摩耗性を有するものにすることができる。
【００７７】
請求項３に記載の発明によれば、チタン合金製部品の母材の表層に樹枝状組織を含む硬化層が形成されるので、その母材の表層に高硬度で厚膜の硬化層が形成される。このため、チタン合金製部品を、製造コストの高騰を抑えながら軽量で優れた耐摩耗性を有するものにすることができる。
【００７８】
請求項４に記載の発明によれば、チタン合金製部品の母材の表層に板状組織を含む硬化層と樹枝状組織を含む硬化層とが重なり合って形成されるので、その母材の表層に高硬度で厚膜の複合硬化層が形成される。このため、チタン合金製部品を、製造コストの高騰を抑えながら軽量で優れた耐摩耗性を有するものにすることができる。また、複合硬化層はその表面から母材までの硬さ分布がなだらかになるので、複合硬化層の耐ピッチング性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係り、エンジンバルブを示す正面図。
【図２】エンジンバルブの製造工程を示すフローチャート。
【図３】軸端部の表面処理方法を示す説明図。
【図４】樹枝状組織を示す顕微鏡写真。
【図５】樹枝状組織を示す顕微鏡写真。
【図６】樹枝状組織を示す顕微鏡写真。
【図７】樹枝状組織を示す顕微鏡写真。
【図８】樹枝状組織を示す顕微鏡写真。
【図９】樹枝状組織を示す顕微鏡写真。
【図１０】樹枝状結晶面積比率と硬さの関係を示すグラフ。
【図１１】棒状試料の表面処理方法を示す説明図。
【図１２】レーザビーム照射条件等を比較して示す表。
【図１３】表面からの深さと硬さの関係を示すグラフ。
【図１４】エンジンバルブ軸部の表面処理方法を示す説明図。
【図１５】エンジンバルブフェース部の表面処理方法を示す説明図。
【図１６】第２の実施の形態に係り、エンジンバルブの軸端部付近を示す拡大断面図。
【図１７】リテーナを示す断面図。
【図１８】リテーナ内周面の表面処理方法を示す説明図。
【図１９】第３の実施の形態に係り、コンロッドを示す正面図。
【図２０】コンロッドのエンジン組付状態を示す概念図。
【図２１】コンロッドのスラスト面における表面処理方法を示す説明図。
【図２２】第４の実施の形態に係り、エンジンバルブ軸端部の表面処理方法を示す説明図。
【図２３】（ａ）〜（ｃ）は、レーザビーム照射タイミングと板状組織及び樹枝状組織の形成過程を示す説明図。
【図２４】複合硬化層の断面を示す顕微鏡写真。
【図２５】樹枝状組織を示す顕微鏡写真。
【図２６】板状組織を示す顕微鏡写真。
【図２７】表面深さと硬さとの関係を示すグラフ。
【図２８】エンジンバルブ軸部の表面処理方法を示す説明図。
【図２９】別の実施の形態に係り、複合硬化層を示す断面図。
【図３０】別の実施の形態に係り、複合硬化層を示す断面図。
【図３１】別の実施の形態に係り、複合硬化層を示す断面図。
【図３２】別の実施の形態に係り、複合硬化層を示す断面図。
【図３３】別の実施の形態に係り、複合硬化層を示す断面図。
【図３４】別の実施の形態に係り、レーザビーム出力を示すタイムチャート。
【図３５】別の実施の形態に係り、レーザビーム出力を示すタイムチャート。
【図３６】別の実施の形態に係り、レーザビーム出力を示すタイムチャート。
【図３７】別の実施の形態に係り、レーザビーム出力を示すタイムチャート。
【符号の説明】
１    エンジンバルブ（チタン合金製部品）
４    硬化層
６    リテーナ（チタン合金製部品）
１１  コンロッド（チタン合金製部品）
２４  レーザビーム
２７  板状組織
２８  樹枝状組織
２９  深層
３０  浅層
３１  複合硬化層
３４  レーザビーム
３５  レーザビーム
４１  複合硬化層
４２  硬化層
４３  硬化層
４４  複合硬化層
４５  複合硬化層
４６  硬化層
４７  硬化層
４８  複合硬化層
【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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【図１０】
2005002361.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
2005002361.tif 000020
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
2005002361.tif 000027
【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
2005002361.tif 000031
【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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