JPH04118182A

JPH04118182A - Ｔｉ―Ａｌ系複合材

Info

Publication number: JPH04118182A
Application number: JP2232361A
Authority: JP
Inventors: Kohei Taguchi; 功平田口; Tomohiko Ayada; 倫彦綾田
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 1990-09-04
Filing date: 1990-09-04
Publication date: 1992-04-20
Anticipated expiration: 2014-01-06
Also published as: JP2843661B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、例えばエンジン部品のような往復運動ないし
回転する部品等に好適なＴｉ−Ａｌ系複合材に関する。

［従来の技術］Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物は耐熱性、耐酸化性、耐摩耗
性等に優れしかも軽量であるなどの性質をもつため、例
えばエンジン部品のような厳しい条件下で使われる素材
として有望視されている。

従来、Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物を用いた勘弁系部品と
して、特開昭６１−２２９９０７号公報（先行技術１）
に見られるように、Ｔｉ−Ａｔ基合金によって一体成形
された勘弁系部品が提案されている。また、特開平２−
１３３１８３号公報（先行技術２）のように、Ｔｉ−Ａ
ｌ合金と構造用鋼とを、ステンレス鋼等の中間材を介し
て、摩擦溶接法によって相互に接合することも提案され
ている。

［発明が解決しようとする課Ｉｍ］上記先行技術１の場合、Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物から
なる単一の部材で成形がなされるため、製品形状によっ
ては成形が難しく、コスト高となる。

また、製品各部が均一な物性をもつため、必要に応じて
各部の性能に変化をもたせることができない。

一方、先行技術２のような摩擦溶接法は、接合する部材
の組合わせに大きく支配され、その接合工程にきわめて
手間がかかるばかりでなく、接合部の耐熱性や接合強度
等の品質に問題があり、母材であるＴｉ−Ａｌ合金の優
れた特質を生かしきれない。

また、母材に比べて融点の低い金属を用いるろう付けに
よる接合も考えられるが、ろう付けは接合部の耐熱性が
低いという欠点がある。

従って本発明の目的は、所望形状のものが比較的容易に
得られかつ母材と同等以上の優れた接合部を有するＴｉ
−Ａｌ系金属間化合物を用いた複合材を提供することに
ある。

［課題を解決するための手段］上記目的を果たすために開発された本発明の複合材は、
主としてＴｉ−Ａｌ系金属間化合物からなる第１の部材
に、拡散を伴う接合部を介して第２の部材が接合されて
いることを特徴とするものである。

なお、Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物は、Ｔｉｉ　Ａｌ、　
ＴｉＡｌ。

Ａｌ３　Ｔｉ等であり、これら金属間化合物は、単相も
しくは複合組織として使用される。更に、諸特性［作用
］本発明の複合材を得るには、所望形状に加工された金属
間化合物形成前の第１の部材と、この第１の部材に接合
される第２の部材を、金属間化合物が形成される温度ま
で加熱する。この熱処理によって、接合部に拡散ないし
自己燃焼焼結を生じ、金属間化合物が形成されると同時
に、金属間化合物形成時の発熱もしくは自己燃焼反応熱
により第１の部材と第２の部材か強固に接合される。接
合部の組織は母材（第１の部材）との判別が困難なほど
良好なものであり、母材および接合部は共に優れた耐熱
性と耐酸化性を発揮し、しかも接合強度がきわめて大き
い。

［実施例コ以下に本発明の実施例について図面を参照して説明する
。第１図に示された複合材Ａの一例はエンジンの動弁系
部品に使われるポペットバルブである。すなわちこの複
合材Ａは、外径が軸線方向に一定の円柱状のバルブステ
ムａと、このバルブステムａの先端側に位置するきのこ
形のバルブヘッドｂとを備えている。この図示例におい
ては、バルブヘッドｂｌ：Ｔｊ−ＡＩ系金属間化合物か
らなる第１の部材１が使われている。バルブステムａに
Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物からなる第２の部材２が使わ
れている。これら第１の部材１と第２の部材２は、第２
図に示される複合材の製造工程を経て、互いに接合部３
において接合される。

第２図に示す製造工程の一例は、ｍｌの部材１の材料で
ある混合圧着体の原料を混合する工程５と、必要に応じ
て行われる上記混合原料を圧着して形状を付与する混合
圧着体製造工程６と、必要に応じて行われる成形前熱処
理工程７および成形工程８と、第２の部材２を製造する
工程１ｏと、第１の部材１と第２の部材２を仮止めする
工程１１と、金属間化合物の形成温度まで加熱する熱処
理工程１３と、必要に応じて実施される熱処理後の加工
工程１４と、金属間化合物形成後の熱処理工程１５およ
び仕上げ工程１６を含んでいる。

第１の部材１の原料を混合する工程５においては、−例
としてガスアトマイズ法により作製した３５０メツシユ
以下のＡＩ粉末と、３５０メツシユ以下のスポンジＴｊ
粉末を重量分率でＴｊ　：　Ａｌ　−６４％：３６％の
割合で、Ａｒガス置換された乾式ボールミルを用いて混
合する。

混合圧着体の製造工程６において、金型プレス等を用い
て、所望形状の混合圧着体（この場合、圧粉体）を得る
。なお、金型ブレスの代りに、上記混合原料をパイプに
詰め、ロータリスェージング等によって円柱形状に圧着
させるようにしてもよい。

上記工程６が終了したのち、必要に応じて例えば真空中
で行われる焼鈍等の成形前熱処理工程７を実施すること
により、前記工程６で混合圧着体を製造した時の加工歪
を除去し、変形抵抗を減少させる。また、混合圧着体の
圧着面を拡散によって強固なものとし、強度を向上させ
る。

成形前熱処理工程７は、混合体もしくは混合圧着体の不
純物成分を拡散または除去する効果もある。この熱処理
工程７は、大気中もしくは真空中、不活性ガスあるいは
酸化還元雰囲気ガス等、あるいはこれら雰囲気を組合わ
せて行われてもよい。

処理温度は金属間化合物が形成される温度以下が一般的
であるが、圧着面の一部に金属間化合物かできる程度の
短時間の加熱であるなら金属間化合物が形成される温度
以上であってもかまわない。

Ｔｉ−Ａｌ系の場合は２００℃〜６００℃の範囲が望ま
しい。

上記工程６によって得られた混合圧着体に、成形工程８
によって鍛造あるいは機械加工等を行つてもよい。但し
、前記工程６によって所望の形状が得られる場合は、上
記熱処理工程７および成形工程８を省略してもよい。

第２の部材２の製造工程１０においては、ガスアトマイ
ズ法により作製した３５０メツシユ以下のＡＩ粉末と、
３５０メツシユ以下のスポンジＴｉ粉末を重量分率でＴ
ｉ　：　Ａｌ　−６４％＝３６％の割合で、Ａｒガス置
換された乾式ボールミルを用いて混合する。そののち、
金型ブレス等によって所望形状の混合圧着体を得る。こ
の混合圧着体を第１の部材１と同様の工程によって成形
するようにしてもよい。

なお、第２の部材２は、鍛造や鋳造、あるいは粉末冶金
法等の他の製造方法によって造られたものであってもよ
い。

上記各工程を経て得られた金属間化合物形成前の第１の
部材１の材料（混合圧着体）と第２の部材２の材料（混
合圧着体）は、工程１１において互いに接合部位を接触
させた状態で仮止めされる。

両部材１，２を仮止めする方法としては、例えば凹凸嵌
合とか、接着剤による固定、ろう付は等が採用されても
よい。

上記部材１，２は、熱処理工程１３において図示しない
加熱装置に入れられ、金属間化合物が形成される温度（
例えば９００℃）まで加熱されかつ必要に応じて加圧さ
れる。第１の部材１と第２の部材２の材料である前記混
合圧着体は、上記温度に加熱されることにより、自己燃
焼焼結により金属間化合物を形成すると同時に発熱し、
互いの接合界面において拡散結合することなどにより一
体化する。

Ｔｉ−Ａｌ系の場合は、５０ｋｇ　ｆ　／σ２以上に加
圧するとよい。これ以下の圧力では、複合材の強度が極
端に低下する。さらに高強度な複合材を得るためには、
２００　ｋｇ　ｆ　／ｃｍ２以上に加圧するとよい。

Ｔｉ−Ａｌ系の場合の熱処理温度は４００℃以上がよい
。

４００℃以下では、処理時間が長くかかる。

上記熱処理工程１３は、大気中で行ってもよいが、不活
性ガスあるいは真空雰囲気や酸化還元雰囲気等のガス中
で行えば更に好ましい結果が得られることがある。また
、これらの雰囲気を組合わせてもよい。特に局部的に加
熱する場合は、ガスアーク、金属被覆アーク溶接等の通
常の溶接に用いられる雰囲気制御が有効である。また、
ろう付は等に用いられる溶剤やフラックス等を用いても
よい。

なお、必要があれば上記熱処理工程１３の終了後に、鍛
造等の適宜の加工工程１４を実施することにより、母材
と接合部の欠陥、偏析の改善、不純物の分散等を図って
もよい。

また、上記熱処理工程１３によって金属間化合物の形成
と接合がなされた後、必要に応じて上記圧力と雰囲気を
維持した状態で複合材Ａを例えば９００℃に保持し、１
時間の熱処理工程１５を行ってもよい。処理温度は、金
属間化合物の固相線以下の温度域が望ましい。特に、Ｔ
ｉ−Ａｌ系の場合は７００℃以上が望ましい。これ以下
の温度では十分な拡散が進行しない。この熱処理工程１
５は、大気中で行ってもよいが、不活性ガスあるいは真
空雰囲気や酸化還元雰囲気等のガス中で行えば更に好ま
しい結果が得られることがある。また、これらの雰囲気
を組合わせてもよい。材料によっては加圧しない状態で
この熱処理工程１５を実施してもよい。

金属間化合物形成後の熱処理工程１５を行うことによっ
て、複合材Ａに含まれる空孔を更に減少させることがで
きるとともに、組織の均一化が促進され、また、接合歪
の除去、更には不純物の拡散もしくは不純物の除去が図
れる。この熱処理工程１５の実施によって、結晶粒の大
きさや金属間化合物組織または析出物の調整をすること
も可能である。

以上の一連の工程によって、（ＴｉＡｌ＋Ｔ１３Ａｌ）
の金属間化合物からなる第１の部材１と、同じく（Ｔｉ
Ａｌ　＋Ｔｉｉ　Ａｌ）の金属間化合物からなる第２の
部材２とが完全に一体化された複合材Ａが得られた。こ
の複合材Ａは、母材および接合部３に実用上問題になる
ような欠陥が存在せず、均質であり、４点曲げ強度７５
ｋｇｆ／＋ａｍ２の良好な接合強度を有していた。

第５図は上記複合材Ａの接合部３の顕微鏡写真である。

接合部の組織は母材とほぼ同じてあり、接合部の判別が
困難なほど良好な接合がなされた。

母材および接合部は共に優れた耐熱性と耐酸化性を発揮
し、しかも接合強度がきわめて大きい。

上記熱処理工程１５の終了後に仕上げ工程１６を行って
もよい。例えばバレル加工等によって複合材Ａの表面を
滑らかなものにする。あるいは機械加工等によって表面
の研磨を行うとか、表面傷。

表面層等の除去あるいは切断、研削加工等により形状の
修正、追加を行う。また、ショットピーニング等を行う
ことにより、複合材Ａの表層部に圧縮残留応力を生じさ
せれば、複合材Ａの耐久性を更に高めることができる。

この実施例のように、接合部３がバルブステムａとバル
ブヘッドｂとの境界部に設けられている場合、外径が軸
線方向に一定の単純な形状のバルブステムａをバルブヘ
ッドｂとは別に製作することができるので制作が容易で
あり、コストの低減効果が大きい。

なお、第１の部材１の材料にＴｉ　：　Ａｌ　−６４％
：８６％の混合圧着体を用い、第２の部材２の材料にＴ
ｉ　：　ＡＩ　−３７，１７％：　６２．８３％の混合
圧着体を用いて、上記実施例と同様の製造工程を実施し
たところ、金属間化合物（ＴｉＡｌ　＋　Ｔｌ３ＡＩ）
からなる第１の部材１と、金属間化合物（Ａ１３　Ｔｉ
）からなる第２の部材２とが完璧に接合された複合材が
得られた。第６図は（ＴＩＡＩ＋Ｔｉ３＾１）とＡ１３
　Ｔｉとの接合部を示している。

なお、第２の部材２に通常のバルブステムと同様のＦｅ
系金属を用いてもよい。更に比強度の高いＴ１系金属を
用いると軽量化の効果が大きい。第７図は（ＴｉＡｌ＋
Ｔｉ３Ａｔ）とＴｉ系合金との接合部の顕微鏡写真であ
る。

また、第３図に示されるように、バルブステムａに、前
述したＴｉ−Ａｌ系金属間化合物からなる第１の部材１
を用い、バルブへ・ソドｂにＮｉＡｌ等のＮｉ−Ａｌ系
金属間化合物、またはその他の金属間化合物、更にはＡ
ｌ２０３やＳｉ３　Ｎ　４　、　Ｓｉｃ等のセラミック
スを用いてもよい。この場合、第１図に示した実施例に
比べて、耐熱および耐酸化性が向上する。第８図は（Ｔ
ｉＡｌ　＋Ｔｉｓ　Ａｌ）とＮｉＡｌの接合部の顕微鏡
写真である。第５図ないし第８図に示された組織の全て
に、拡散を伴なう接合が認められた。

第４図に示された実施例は、Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物
からなる第１の部材１をインサート材として使用し、こ
の第１の部材１を介して、前述した実施例と同様の材質
からなる第２の部材２と第３の部材４を互いに連結した
ものである。この場合、インサート材としての第１の部
材１のみにＴｉ−Ａｌ系金属間化合物を用いてもよく、
寸法精度の高い複合材Ａが得られる。

第１の部材であるＴｉ−Ａｌ系金属間化合物と接合され
る第２の部材は、Ｔｉ−Ａｌ系あるいはＮｉ−Ａｌ系等
の金属間化合物や、Ｆｅ、　Ｐｅ合金、Ｔｉ、　Ｔｉ合
金、Ａ１．　Ａ１合金等の金属、Ｎｂ、　Ｔａ等の高融
点金属およびその合金、８１等の半金属、Ｎｉ基耐熱合
金などでもよい。また、Ａ１□０３　、　Ｓｉ３Ｎ　４
　、　ＳｉＣ等のセラミックスとの良好な接合が可能で
ある。

そして前記いずれの実施例も、接合部において拡散を伴
なう結合がなされていることにより、高強度な接合部を
有する軽量な複合材Ａが得られ、更に、接合部に母材よ
り融点の低い金属相を含まないことにより、母材と同等
以上の強度と耐熱性が発揮される。

前記各実施例の複合材Ａは、従来のＦｅ系部品や、Ｎｉ
基耐熱合金等に比べて更に軽量化が図れるため、実施例
で説明したエンジン用バルブ以外の往復直線運動する部
品や、タービン部品等のような高速回転する部品等にも
好適である。特に、高温あるいは高圧、酸化雰囲気のよ
うな厳しい条件下で使用される部材において優れた性能
を発揮する。また、複数の部材を接合することによって
所望形状の複合材を得るようにしているから、体成形品
では製造が困難であるような形状の部品も容易に製造可
能である。また、必要に応じて所望部位の性質を局部的
に変化させることができる。

［発明の効果］本発明によれば、耐熱性と耐酸化性および耐摩耗性等に
優れかつ軽量なＴｉ−Ａｌ金属間化合物を主体とする所
望形状の複合材を容易に得ることができ、しかも母材と
同等以上の優れた品質の接合部をもつ複合材が得られる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す複合材の断面図、第２
図は第１図に示された複合材の製造工程を示す工程説明
図、第３図および第４図はそれぞれ複合材の他の例を示
すそれぞれ断面図、第５図は（ＴｊＡＩ＋Ｔｊｉ　Ａｌ
）同志の接合部の金属組織を４００倍に拡大して示す顕
微鏡写真、第６図は（ＴｉＡＩ＋Ｔｉｉ　Ａｌ）とＡｌ
３Ｔｉの接合部の金属組織を４００倍に拡大して示す顕
微鏡写真、第７図は（ＴｉＡｌ＋Ｔｉ、ＡＩ）とＴｉ系
合金の接合部の金属組織を４００倍に拡大して示す顕微
鏡写真、第８図は（Ｔｉ＾Ｉ＋Ｔｆ３ＡＩ）とＮｉＡｌ
の接合部の金属組織を４００倍に拡大して示す顕微鏡写
真である。１・・・第１の部材、２・・・第２の部材、Ａ・・・複
合材。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第図第図第図ミで　５８ＳＴｉＡｉ　＋　Ｔ１３ム１！Ｔ＋ＡｌＴｉうＡ（×４αＬ第５図ＦＧ　６−１〆ＴｉＡ−Ｔ・、、Ａｔ　；　〜・・：Ｘ４θＯ）第７図秒′・、て・ＴｌＡ１＋丁、、Ａ ← ｉＪ（〆帆℃ゝ第６図Ｔ１に’　＋　Ｔ＋３ＡＮＩｉ入１箱８図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）主としてＴｉ−Ａｌ系金属間化合物からなる第１
の部材に、拡散を伴う接合部を介して第２の部材が接合
されていることを特徴とするＴｉ−Ａｌ系複合材。
（２）上記接合部に母材以外の元素を主成分とする金属
相が含まれていない請求項１記載の複合材。
（３）上記接合部に母材以外の元素が実質的に含まれて
いない請求項１記載の複合材。
（４）上記第１の部材と第２の部材とによって、エンジ
ン用バルブが構成されている請求項１記載の複合材。
（５）上記バルブは、円柱状のバルブステムと、このバ
ルブステムの先端側に位置するバルブヘッドとを備えた
ポペットバルブであり、上記バルブステムとバルブヘッ
ドとの境界部分に第１の部材と第２の部材の接合部が設
けられている請求項４記載の複合材。