(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも質量％で、Ａｌ：４〜５％と、Ｖ：２．５〜３．５％と、Ｍｏ：１．８〜２．２％と、Ｆｅ：１．７〜２．３％と、Ｏ：０．１５％以下とを含有し、残部がＴｉであるチタン合金からなる部材の部分的な硬化処理において、
前記チタン合金部材に対し、高周波加熱を用いた溶体化処理を施す工程と、
溶体化処理を施されたチタン合金部材に対し、高周波加熱を用いた時効処理を施す工程とを備え、
前記溶体化処理工程の溶体化処理の温度は（Ｔβ−１００）℃〜（Ｔβ−１０）℃であり、且つ前記時効処理工程の昇温温度は５℃／秒以上として時効処理温度は４００〜６００℃で、時効処理時間は１〜１０分であり、少なくとも硬さがビッカース硬度で３８０ＨＶ以上であることを特徴とする、チタン合金部材の硬化熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波加熱を用いた熱処理によるチタン合金部材の硬化熱処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
チタン材は、最も広く使用されている構造用材料であるステンレス鋼を含めた鋼材に比較して、高耐食性で軽量且つ高強度であるため、厳しい腐食環境下において耐久性を要求される場合や、回転・反復運動をするような部材での慣性力によるエネルギーロスを最小限に抑制することが望まれる場合、構造用材料として使用されている。しかしながら、高耐食性とはいってもエロージョンコロージョンが支配的な環境下では表面硬化処理などの対策が必要であり、また擦過する部分ではチタン材はもともと活性な金属であって焼き付きを起こし易くやはり表面硬化処理が必要となる。
【０００３】
このような環境下において、ステンレス鋼を含めた鋼材では硬質Ｃｒメッキや無電解Ｎｉメッキをはじめとするメッキや、またはステライトなどの肉盛りが可能であって、このような表面処理方法によって耐磨耗性や耐エロージョン性などの対策を採ってきている。ところがチタン材においては、チタンが貴な金属であるためメッキをすることが困難であり、またＦｅ、Ｎｉ、ＣｏやＣｒなどを基とする合金とは脆弱な金属間化合物を形成し易く、これらの金属を肉盛りした場合には接合界面に金属間化合物が形成され、処理した部材の使用中にその硬化層が剥離したりするおそれがある。
【０００４】
このため、該環境下におけるチタン材の使用に際しては、Ｍｏなどの溶射やＴｉＮなどの硬質層のイオンプレーティングが行われている。これらは真空やアルゴンガスなどの不活性雰囲気下において、チタンと脆弱な金属間化合物を形成しない金属を溶融しながら吹き付けたり、硬質の被膜を蒸着させる方法である。
【０００５】
また時効硬化能があるチタン合金では、溶体化処理とその後の時効処理といった熱処理によって、高硬度化を達成することが可能である。例えば、代表的なβ型チタン合金であるＴｉ−１５Ｖ−３Ａｌ−３Ｃｒ−３Ｓｎ合金では、８００℃×１ｈｒ→水冷の溶体化処理後の４８０〜５４０℃×１０〜２０ｈｒ→空冷の時効処理によって、ビッカース硬度でＨＶ＝４２０〜４３０程度、また代表的なα＋β型チタン合金であるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金では、９５０℃×１ｈｒ→水冷の溶体化処理後の４８０〜５１０℃×１〜６ｈｒ→空冷の時効処理によって、ＨＶ＝４００程度の高硬度を達成可能である。またこの方法を応用したもので、高周波加熱コイルを用いて溶体化処理を行い、その後は従来通り熱処理炉に挿入して時効処理を施す方法も行われている。
【０００６】
さらに、チタン材同士の溶接は可能であるため、時効硬化能を有するチタン合金を肉盛り溶接したり、ＭＩＧやＴＩＧといった溶接方法にて接合することは可能である。時効硬化能を有するチタン材を部材に溶接後、時効処理を施すことによって、その部分を硬化させることが可能となり、この方法によって耐磨耗性や耐エロージョン性を達成することも、試みられている。また、溶体化−時効処理によって硬化させたチタン材を、ＭＩＧやＴＩＧなどによって溶接する方法も行われている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、耐磨耗性や耐エロージョン性を達成するために不活性雰囲気下での処理が必須となる溶射やイオンプレーティングなどの表面処理方法を採用する場合、不活性雰囲気とするためのチャンバーなどの隔離された部屋に被処理物を挿入しなければならず、被処理物が大型となった場合には現実的には不可能な処理方法である。
【０００８】
また、時効硬化能を有するチタン合金を部材の素材として用い、溶体化−時効処理によって硬化させる場合には、部材全体が硬化されてしまう。擦過される部分やエロージョンを受ける部分は部材の一部分であることが殆どで、また部材としては耐磨耗性や耐エロージョン性の他に延性や靭性などの特性も要求されるため、部材全体を硬化してしまった場合には、耐磨耗性や耐エロージョン性の観点では対応をとることが可能であっても、部材本体に要求される延靭性などの特性を満足させることが不可能となる。さらに、溶体化処理時には水冷などの急速冷却をするため、部材に熱歪みが発生し、その歪みを矯正する付加的な工程も必要となり、作業効率や製造コストの面においても不都合が生じる。またさらに、通常時効処理では短くて１ｈｒ、長い場合には１０〜２０ｈｒの時効処理時間が必要であり、処理に長時間を要するという不都合もある。
【０００９】
さらに、肉盛りやその他の溶接による時効処理によって高硬度化するチタン材或いは高硬度化したチタン材を張り付ける場合には、その接合部近傍の本体では熱影響によって組織変化が生じ、やはり延性の劣化という問題が生じる。
【００１０】
以上のように、表面処理、従来の溶体化−時効処理或いは溶接・溶着といったこれまでの耐磨耗性や耐エロージョン性を改善する方法においては、現実性、製造効率、部材の特性面において、数々の課題を有している。
【００１１】
本発明の目的は、上記の問題点を解決するために、耐磨耗性や耐エロージョン性を改善するため、製造効率よくチタン合金部材を部分的に硬化処理させることが可能なチタン合金部材の硬化熱処理方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決し目的を達成するために、本発明は以下に示す手段を用いている。
本発明の方法は、少なくとも質量％で、Ａｌ：４〜５％と、Ｖ：２．５〜３．５％と、Ｍｏ：１．８〜２．２％と、Ｆｅ：１．７〜２．３％と、Ｏ：０．１５％以下とを含有し、残部がＴｉであるチタン合金からなる部材の部分的な硬化処理において、
前記チタン合金部材に対し、高周波加熱を用いた溶体化処理を施す工程と、
溶体化処理を施されたチタン合金部材に対し、高周波加熱を用いた時効処理を施す工程とを備え、
前記溶体化処理工程の溶体化処理の温度は（Ｔβ−１００）℃〜（Ｔβ−１０）℃であり、且つ前記時効処理工程の昇温温度は５℃／秒以上として時効処理温度は４００〜６００℃で、時効処理時間は１〜１０分であり、少なくとも硬さがビッカース硬度で３８０ＨＶ以上であることを特徴とする、チタン合金部材の硬化熱処理方法である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、耐磨耗性や耐エロージョン性など部分的な硬化処理が必要とされる場合の処理方法について詳細な検討を行った結果、チタン合金部材に対し、部分的に高周波加熱を用いた溶体化処理及び時効処理を行うことが有効であるという知見を得た。
【００１５】
この知見に基づき本発明者らは、化学成分を特定したチタン合金部材に対して部分的に施す、高周波加熱を用いた溶体化処理条件及び時効処理条件を一定範囲内に制御するようにして、耐磨耗性や耐エロージョン性を改善するため、製造効率よくチタン合金部材を部分的に硬化処理させることが可能なチタン合金部材の硬化熱処理方法を見出し、本発明を完成させた。
以下に本発明の実施の形態について説明する。
【００１６】
本発明は、チタン合金からなる部材の部分的な硬化処理において、高周波加熱を用いた急速加熱の溶体化処理及び時効処理を行うことを特徴とするチタン合金の硬化処理方法である。硬化させたい部分の形状に合致させた高周波加熱コイル等を用いることにより、必要な部分のみを該硬化処理することが可能となる。これまでに、高周波加熱コイルを用いた熱処理は行われているが、これは溶体化処理のみを高周波加熱コイルを用いた急速加熱処理し、その後は従来通り熱処理炉に挿入して長時間の熱処理をするものであった。本発明においては、溶体化処理に引き続き行われる時効処理においても、高周波加熱を用いた急速加熱処理を行う。これによって時効時の昇温過程での析出を制御することが可能となり、極めて短時間の時効処理にて高硬度を達成することが可能となる。
【００１７】
その際の溶体化処理条件として、溶体化処理の温度は（Ｔβ（β変態点）−１００）℃〜（Ｔβ（β変態点）−１０）℃である。これによって、その後の時効処理にて高硬度を達成するために析出物を再固溶させ、かつ過飽和の状態を達成することができる。また溶体化処理時の最高到達温度をβ変態点以下とするため、高硬度達成の観点では少々不利になるが、硬さがビッカース硬度で３８０ＨＶ以上が得られ、また２相組織を維持できるため、硬化された部分での延性も充分に確保できる特徴がある。さらにその後の時効処理条件として、熱処理時の昇温速度は５℃／秒以上であり、且つ時効処理の温度は４００〜６００℃で、かつ時効処理の時間は１〜１０分である。昇温速度を５℃／秒以上とすることによって、時効時の昇温過程での析出を抑制することが可能となり、かつ短時間で高硬度を達成することが可能となる。また、時効温度が４００℃未満や時効時間が１分未満では充分な時効が達成されず高硬度が得られず、逆に時効温度が６００℃より高温では時効析出物が粗大となりやはり高硬度が得られず、また時効時間が１０分より長時間では高周波加熱を用いた熱処理であるので単品での処理となるため、作業効率の面で不都合が生じる。
【００１８】
さらに、硬化されるチタン合金として、その化学組成が少なくとも重量％にてＡｌを４〜５％、Ｖを２．５〜３．５％、Ｍｏを１．８〜２．２％、Ｆｅを１．７〜２．３％、Ｏを０．１５％以下含有しているチタン合金である。当組成とすることで、急速加熱による極短時間での溶体化−時効処理による高硬度化を一層容易に達成することが可能となる。
【００１９】
チタン合金において、Ａｌ及びＯはα相を安定化させるのに必須の元素であり、またＡｌが４％未満では強度への充分な寄与がなく、逆にＡｌが５％越え、Ｏが０．１５％越えでは延靭性が劣化するので望ましくない。またＶ、Ｍｏ及びＦｅはβ相を安定化させる元素であり、Ｖが２．５％未満では充分にβ相が安定せず、３．５％越えではβ相が安定しすぎて溶体化−極短時間の時効処理にて充分な高硬度化が達成できない。Ｍｏ及びＦｅはそれぞれ１．８％、１．７％未満では充分にβ相が安定せず、それぞれ２．２％、２．３％越えではβ相が安定しすぎて溶体化−極短時間の時効処理にて充分な高硬度化が達成できない。このため、高周波加熱による急速加熱の溶体化−時効処理において、その素材を少なくとも重量％にてＡｌを４〜５％、Ｖを２．５〜３．５％、Ｍｏを１．８〜２．２％、Ｆｅを１．７〜２．３％、Ｏを０．１５％以下含有しているチタン合金である。
以下に、本発明の実施例を挙げ、本発明の効果を立証する。
【００２０】
【実施例】
（実施例１）
図１に示すφ８ｍｍ×１００ｍｍ長の形状を有する部材を硬化処理するため、高周波加熱を用いた急速加熱による溶体化及び時効処理による硬化処理を施した。その際、溶体化処理後の冷却はＨｅガスによるもので、冷却速度は２０℃／秒程度であった。表１にはその際の条件と合わせて、図１に示す硬化処理後の部材の特性を示す（Ａ０２，Ａ０４，Ａ０５，Ａ０７，Ａ０８：本発明例、Ａ０１，Ａ０３，Ａ０６，Ａ０９：比較例）。なお本実施例においては、チタン合金部材の素材として２相のα＋β型Ｔｉ合金であるＡＭＳ４８９９（公称組成：Ｔｉ−４．５％Ａｌ−３％Ｖ−２％Ｍｏ−２％Ｆｅ合金、β変態点：９００℃）を用いた。
【００２１】
表１より明らかなように、高周波加熱を用いた溶体化及び時効処理において、本発明の範囲内である溶体化処理温度が（Ｔβ−１００）℃の８００℃以上（Ｔβ−１０）℃の８９０℃以下であれば、その後時効処理によりＨＶ＝３８０以上の高硬度が達成可能である。また、前記溶体化処理に引き続いた時効処理において、本発明の範囲内である時効処理時の昇温速度が５℃／秒以上、時効温度が４００〜６００℃、時効時間が１〜１０分であれば、ＨＶ＝３８０以上の高硬度が達成可能である。さらに溶体化時の熱処理温度がβ変態点以下であるため、２相組織を維持できるので、高硬度化された部分から採取した引張試験片による引張試験での伸びが５％以上あり、本発明（本発明例Ａ０２，Ａ０４，Ａ０５，Ａ０７，Ａ０８）によれば高硬度を達成し且つ歪みの矯正などに耐え得る加工性も保持することが可能となる。
【００２２】
しかしながら、溶体処理温度が本発明範囲外の８００℃未満（比較例Ａ０９）では、析出物を再固溶させることができずに過飽和の状態にすることが不可能なため、次工程での時効によって高硬度を達成することができなかった。また、溶体化処理温度が本発明範囲外の９００℃（比較例Ａ０６）では高硬度は達成可能であるが、過度に硬化されるため硬化部分における延性が低下した。さらに時効処理時の昇温速度が本発明範囲外の５℃／秒未満（比較例Ａ０１）では時効温度に昇温中の析出を抑制することができず、短時間時効にて高硬度を達成できず、時効温度が４００℃未満（比較例Ａ０１）や時効時間が１分未満（比較例Ａ０３）では時効が充分に進まず、時効処理によって高硬度が達成できなかった。時効温度が６００℃より高温（比較例Ａ０９）では時効が進みすぎ、極めて短時間で過時効の状態になり、高硬度を達成できなかった。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
（実施例２）
実施例１と同様に図１に示すφ８ｍｍ×１００ｍｍ長の形状を有する部材（各種チタン合金）を硬化処理するため、高周波加熱を用いた急速加熱による溶体化及び時効処理による硬化処理を施した。
【００２５】
図２に、各種チタン合金の短時間側からの時効曲線を示す。チタン合金の化学組成が本発明の範囲内であるＴｉ−４．５％Ａｌ−３％Ｖ−２％Ｍｏ−２％Ｆｅ合金では、極短時間での時効処理による高硬度化（３８０ＨＶ以上）が可能であった。
【００２６】
一方、チタン合金の化学組成が本発明の範囲外であるＴｉ−６％Ａｌ−４％Ｖ合金及びＴｉ−１５％Ｖ−３％Ａｌ−３％Ｃｒ−３％Ｓｎ合金では、いずれも極短時間での時効処理による高硬度化が達成されていない。
【００２７】
（実施例３）
図３に示す８ｍｍ厚×２００ｍｍ幅×１０００ｍｍ長の形状を有する部材において、長さ方向中央部の２０ｍｍ幅×２０ｍｍ長の部分を硬化処理するため、高周波加熱を用いた急速加熱による極短時間の溶体化及び時効処理による硬化処理を施した。溶体化処理の条件は、本発明範囲内の１０℃／秒の昇温速度にて８５０℃まで昇温しファン冷却後、１０℃／秒の昇温速度にて昇温し５００℃×５分→空冷の時効処理を施した。なお本実施例においては、チタン合金部材の素材として２相のα＋β型Ｔｉ合金であるＡＭＳ４８９９（公称組成：Ｔｉ−４．５％Ａｌ−３％Ｖ−２％Ｍｏ−２％Ｆｅ合金、β変態点：９００℃）を用いた。また図３に示す部材の位置Ａの部分は硬化処理が必要な部分であり、位置Ｂの部分は硬化処理が必要ではない部分である。また、ファン冷却時の冷却速度は、周囲の非熱処理部への抜熱があるため、水冷並の３０℃／秒であったが、周囲の非熱処理部からの拘束を受けるため熱歪は生じなかった。
【００２８】
当実施例に示す高周波加熱を用いた急速加熱による極短時間の溶体化及び時効処理による部分硬化処理においては、位置Ａの部分は処理前の素材に比較して大きく硬度が上昇しており、充分に溶体化−時効処理による硬化処理の効果が得られている。また硬化処理が必要とされない位置Ｂにおいては硬度上昇がほとんどなく、延性も保持されている。また時効処理の時間も短く、作業効率面でも良好である。さらに熱処理を受ける部分が硬化処理が必要な部分のみであり、且つ熱処理も短時間であるため、熱処理後の部材の表面手入れについても省略ないし著しい簡略化が可能であった。
【００２９】
以上のような実施例により、チタン合金からなる部材の部分的な硬化処理において、高周波加熱を用いた急速加熱による極短時間の溶体化処理及び時効処理を行うことによって、効率よくチタン合金の硬化処理が可能となるとともに、母材部分の材料特性を劣化させず、さらに硬化処理が施された部分においても矯正などに耐え得る加工性を保持することが達成可能となる。また、その高周波加熱を用いたチタン合金の部分硬化処理の条件としては、溶体化処理のための熱処理温度を（Ｔβ−１００）℃〜（Ｔβ−１０）℃とし、且つ時効処理のための熱処理時の昇温速度を５℃／秒以上として時効処理の温度を４００〜６００℃で、時効処理の時間を１〜１０分とし、少なくとも硬さがビッカース硬度で３８０ＨＶ以上であることが望ましい。さらに、高硬度化されるチタン合金部材を形成するチタン材の化学組成としては、重量％にてＡｌを４〜５％、Ｖを２．５〜３．５％、Ｍｏを１．８〜２．２％、Ｆｅを１．７〜２．３％、Ｏを０．１５％以下含有していることが望ましい。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、熱処理条件及びチタン合金組成を特定することにより、効率よくチタン合金の硬化処理が達成可能となり、工業上有用な効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１及び２に係る被硬化物と熱処理の状況を示す図。
【図２】実施例２に係るチタン合金の時効曲線を示す図。
【図３】実施例３に係る被硬化物と熱処理の状況を示す図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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