專(zhuān)利名稱(chēng)：鈦系金屬的鍛造方法、發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)的制造方法和發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鈦系金屬的鍛造方法，詳細(xì)地說(shuō)是涉及用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)的鈦系金屬的鍛造方法。
對(duì)安裝在汽車(chē)等內(nèi)燃機(jī)上的發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)材質(zhì)的要求在發(fā)動(dòng)機(jī)零件中歸入嚴(yán)格的種類(lèi)。特別是因?yàn)樵诟邷厝紵龤夥罩谐惺芟喈?dāng)大的載荷，所以要求高溫耐熱強(qiáng)度和耐蝕性、耐氧化性和與閥座接觸面的耐磨性?xún)?yōu)越。而且，隨著近年來(lái)汽車(chē)趨向高性能，發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)構(gòu)件也要求輕量化。
作為滿足這些要求的發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)正開(kāi)發(fā)使用鈦系金屬(鈦合金)的發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)。
鈦合金其特性與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。為此，鈦合金按晶體結(jié)構(gòu)可大致分為α型、α+β型、β型鈦合金。
作為鈦合金，已知使用量最多的α+β型鈦合金，在相變溫度(β相變點(diǎn))以上(β溫度區(qū))相變成β型組織，β型組織的鈦合金在β相變點(diǎn)以下(α+β溫度區(qū))相變成α+β型組織。
如果超過(guò)β相變點(diǎn)，α+β型鈦合金迅速成為粗大的組織，因?yàn)闆_擊值和疲勞強(qiáng)度降低，以前的α+β型鈦合金的鍛造在α+β溫度區(qū)進(jìn)行。但是，由于在α+β溫度區(qū)α+β型鈦合金變形抗力大，所以不容易鍛造加工。
用這樣的鈦合金加工的鈦合金制發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)的一般制造方法，是將從熔融的鈦合金制造的鈦合金制線材用頂鍛機(jī)預(yù)成形，再將該部件進(jìn)行熱鐓鍛形成閥門(mén)形狀。
例如，特開(kāi)平7-34815號(hào)公開(kāi)了鈦合金制發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)的制造方法。該制造方法是將鈦合金棒熱擠壓和模鍛成傘狀的閥門(mén)形狀的方法。
另外，也有用粉末冶金法制造閥門(mén)的方法。即，是將鈦合金粉末冷等靜壓(CIP)成形，成形成具有閥門(mén)形狀的成形體后，將該成形體燒結(jié)的方法。
作為這樣粉末冶金法的例子有特開(kāi)平6-229213號(hào)中公開(kāi)的發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)的制造方法。該制造方法公開(kāi)了將鈦粉末和鋁粉末的混合物用外殼密封擠壓鍛造成形成閥門(mén)形狀后，由反應(yīng)合成制造由Ti-Al系金屬間化合物構(gòu)成的發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)的制造發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)的方法。
但是，特開(kāi)平7-34815號(hào)記載的發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)的制造方法是使用鈦合金制線材的制造方法，由于鈦合金線材是熔煉材，為制造成直棒狀許多工序是必需的，同時(shí)由于成品率也差，成本變高。
另外，特開(kāi)平6-229213號(hào)記載的發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)的制造方法是使用粉末冶金的制造方法，由于燒結(jié)體殘留氣孔多，具有延性和疲勞強(qiáng)度低的問(wèn)題。
本發(fā)明課題涉及上述實(shí)際情況，提供可制造低成本，延性和疲勞強(qiáng)度高的鈦系金屬制品的鈦系金屬的鍛造方法和發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)的制造方法。
為解決上述課題，本發(fā)明人反復(fù)研究鈦系金屬的制造方法的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過(guò)熱鍛在鈦合金中含有熱力學(xué)穩(wěn)定的陶瓷或氣孔的鈦系燒結(jié)坯料，使在材料變形抗力小的溫度條件下進(jìn)行鍛造成為可能，且由于可保持細(xì)小的合金組織，確認(rèn)可抑制沖擊值和疲勞強(qiáng)度降低，可克服上述課題。
即，本發(fā)明的鈦系金屬的鍛造方法，其特征在于具有在鈦合金中具有熱力學(xué)穩(wěn)定的陶瓷顆?；虬大w積比具有1％以上氣孔的鈦系燒結(jié)坯料的準(zhǔn)備工序和將該壞料加熱到鍛造溫度并鍛造的工序。
作為鈦合金中熱力學(xué)穩(wěn)定的陶瓷顆粒，有TiB與TiB2等的硼化鈦、TiC、Ti2C、硅化鈦、TiN等，廣義說(shuō)金屬間化合物、稀土類(lèi)元素的氧化物也符合條件。其中硼化鈦是理想的。還有，所謂在鈦合金中熱力學(xué)穩(wěn)定，意味著直到高溫在鈦中可殘存沒(méi)有分解、固溶的顆粒。另外，耐熱強(qiáng)度不一定意味著必需，只要以顆粒存在可發(fā)揮同樣的作用效果。
另外，本發(fā)明發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)的制造方法，其特征在于具有將坯料加熱的工序，將加熱的坯料擠壓成形成棒的工序，將成形的棒立刻滾軋矯正的工序，再加熱的工序和其后熱鐓鍛傘部的工序。
另外，如僅燒結(jié)，由于殘留氣孔，則鈦系金屬發(fā)生延性、疲勞強(qiáng)度的降低，由于進(jìn)行了鍛造致密化，則不發(fā)生延性，疲勞強(qiáng)度的降低。
鈦系金屬的鍛造方法本發(fā)明鈦系金屬的鍛造方法，具有制造燒結(jié)坯料的工序，加熱燒結(jié)坯料的工序和鍛造燒結(jié)坯料的工序。
制造燒結(jié)坯料的工序是將原料粉末燒結(jié)成燒結(jié)坯料的工序。在此，將完全混合的規(guī)定組成的鈦系粉末使用金屬模按模成形等的成形方法制造成形體，將該成形體燒結(jié)則得到燒結(jié)坯料。原料粉末具有鈦系粉末與強(qiáng)化用粉末構(gòu)成的混合粉末和鈦系合金粉末。鈦系粉末中具有純鈦粉末與氫化鈦粉末等。強(qiáng)化用粉末中具有Al-V合金粉末與Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Si合金粉末等的母合金粉末或TiB2、TiC等陶瓷粉末。另外，在鈦系合金粉末中具有，例如Ti-6Al-4V合金粉末與Ti-6Al-4V-5TiB合金粉末等。
鈦系粉末其平均粒徑為80μm以下是理想的。如平均粒徑大于80μm，燒結(jié)溫度降低，引起鍛造裂紋。
由于燒結(jié)坯料是將粉體成形后燒結(jié)成的，其內(nèi)部有氣孔。該燒結(jié)坯料相對(duì)密度高是理想的。如果燒結(jié)坯料的相對(duì)密度變高，由于高溫延性提高，燒結(jié)坯料鍛造成形性提高。這從

圖1的相對(duì)密度與高溫延性關(guān)系的測(cè)定結(jié)果也可知曉。在此，圖1的關(guān)系圖是測(cè)定在Ti-5.9 Al-3.9 Sn-3.9 Zr-1Mo-1Nb-0.15Si合金基體中分散5％(體積)硼化鈦顆粒的鈦合金燒結(jié)體的高溫延性、相對(duì)密度變化的關(guān)系圖。
加熱燒結(jié)坯料工序是將燒結(jié)坯料加熱到鍛造溫度的工序。即，如從圖1關(guān)系圖所知曉的，隨著溫度上升延性提高。即，延性提高，鍛造性也提高。該加熱溫度為900-1400℃是理想的，更理想為1000-1300℃。
加熱溫度上限也可比β相變點(diǎn)高。當(dāng)然，在加熱到比β相變點(diǎn)低的α+β溫度區(qū)也能夠鍛造，由于在本發(fā)明燒結(jié)體中殘留的氣孔或硼化鈦顆粒具有抑制加熱與鍛造時(shí)晶粒生長(zhǎng)的效果，在β溫度區(qū)加熱，鍛造成為可能，可使鍛造可能溫度擴(kuò)大。
還有，希望殘留氣孔的體積率1％以上。氣孔率不滿1％的場(chǎng)合，引起晶粒生長(zhǎng)。硼化鈦顆粒在1％(體積)以上也是理想的，也可與氣孔合計(jì)在1％(體積)以上。另外，如超過(guò)上述加熱溫度，坯料表面顯著氧化。但是，在惰性氣體中進(jìn)行鍛造可避免氧化。
鍛造是用工具加壓金屬材料給予塑性變形加工成規(guī)定的尺寸形狀的加工方法。作為這種鍛造方法有自由鍛造、模鍛、擠壓、鐓鍛等方法。
在該鍛造工序中在沿成形品伸長(zhǎng)的方向燒結(jié)坯料塑性流動(dòng)是理想的。即塑性流動(dòng)在零件伸長(zhǎng)的方向進(jìn)行，由于在成形品表面的拉伸應(yīng)力方向殘留氣孔可線狀化，可抑制由于殘留氣孔的機(jī)械特性的惡化。
另外，在燒結(jié)坯料金屬基體中分散纖維狀或棒狀強(qiáng)化顆粒的場(chǎng)合，由于在成形品表面的拉伸應(yīng)力方向使強(qiáng)化顆粒取向，可改善機(jī)械特性。再者，同樣分散雜質(zhì)和其它類(lèi)雜物分散的場(chǎng)合，由于該類(lèi)雜物也在拉伸應(yīng)力方向取向，可抑制機(jī)械特性降低。
發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)的制造方法本發(fā)明發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)的制造方法具有加熱坯料的工序，由坯料的一部分形成棒的工序，矯正棒的工序，再加熱的工序和由坯料的剩余部分鐓鍛傘部的工序。
使用的坯料是原料粉末等成形后燒結(jié)的坯料。
由于坯料加熱，其延性提高，在鍛造時(shí)坯料易于變形，因此進(jìn)行坯料加熱的工序。這時(shí)的加熱溫度為900-1400℃是理想的，更希望的是1000-1300℃。
坯料成形成棒的工序是將加熱的坯料擠壓成形形成棒的工序。在擠壓成形形成棒中，坯料中含的氣孔或強(qiáng)化顆粒等類(lèi)雜物在棒的伸長(zhǎng)方向取向，使發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)的機(jī)械強(qiáng)度改善。
棒矯正工序是將成形的棒立刻溫滾軋的工序。在將成形的棒立刻溫滾軋時(shí)，可使耐熱Ti合金等室溫延性低的材料不產(chǎn)生裂紋并矯正。另外，提高軸精確度使可進(jìn)行軸精確度高的鐓粗。還有，室溫延性高的材料，棒成形后也可進(jìn)行冷卻直到室溫附近。
再加熱工序由于棒矯正時(shí)的滾軋溫度比鍛造理想的溫度低，要再加熱，使變形容易。
傘部鐓鍛工序是將傘部熱鐓鍛的工序。在該工序中由于矯正了棒可進(jìn)行軸精確度高的鐓粗。在鐓粗用金屬模中矯正棒的通孔的內(nèi)徑與制品外徑的間隙小時(shí)，可高精度形成傘部直角。
以下用實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明。
實(shí)施例1按照規(guī)定的組成秤量—100目的氫化脫氫鈦粉末、平均粒徑10μm的Al-40V合金粉末、平均粒徑2μm的TiB2粉末，并充分混合。充分混合后，將該混合粉末以金屬模成形成具有直徑16mm，長(zhǎng)度45mm的圓柱狀的壓制粉末體。這時(shí)的成形面壓力為5t/cm2。還有，試樣1、2、5、6、比較例1、2、3、4是Ti粉末和Al-40V合金粉末混合的成形體，試樣3、4、7、8是Ti粉末和加進(jìn)Al-40V合金粉末中加入TiB2粉末混合的成形體。
其后將這些圓柱狀壓制粉末體在真空度10-5乇左右的氣氛中進(jìn)行1300℃，4小時(shí)的加熱，將壓制粉末體燒結(jié)，得到燒結(jié)坯料。
在距該燒結(jié)坯料端面10mm的位置切斷，用光學(xué)顯微鏡觀察斷面組織，測(cè)定原β晶粒的尺寸。
其后，將切斷剩余部分加熱到溫度1030℃，1300℃，進(jìn)行鐓粗率60％的鐓粗成形后，進(jìn)行鐓粗體中央部分?jǐn)嗝娼M織的觀察，測(cè)定原β晶粒的尺寸。
表1鍛造＝鐓鍛
*)基體組成Ti-6Al-4V從表1結(jié)果可知，試料1-8分別由于氣孔、硼化鈦顆粒抑制了鍛造后的晶粒尺寸的增加。
實(shí)施例2作為本發(fā)明的鈦系金屬的鍛造方法和發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)的制造方法的實(shí)施例，制造由鈦系金屬組成的發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)。
按規(guī)定的比例稱(chēng)量—100目的氫化脫氫鈦粉末、平均粒徑10μm的Al-24.9Sn-24.4Zr-6.2Nb-6.2Mo-1.4Si合金粉末和平均粒徑2μm的TiB2粉末，充分混合。將該混合粉末用金屬模成形成直徑16mm，長(zhǎng)度45mm的圓柱狀，得到壓制粉末體。這時(shí)的成形面壓力為5t/cm2。
其后，將該圓柱狀壓制粉末體在真空度1.0×10-5乇左右的氣氛中進(jìn)行1300℃，4小時(shí)的加熱處理燒結(jié)，得到燒結(jié)坯料(圖2a)。得到的燒結(jié)坯料10相對(duì)密度為4.1g/cm2(90％)。
將得到的燒結(jié)坯料10加熱到1200℃后，進(jìn)行擠壓成形成發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)的軸部11(圖2b)。還有，擠壓成形用圖3所示的擠壓成形機(jī)2來(lái)進(jìn)行。還有，在該擠壓成形時(shí)金屬模溫度設(shè)定為450℃。在該擠壓成形時(shí)擠壓比設(shè)定為8。該擠壓比是使擠壓剩余部分即閥門(mén)傘形部分變形的部分材料的相對(duì)密度按95％設(shè)定的值。如該擠壓比變低，擠壓剩余部分的相對(duì)密度達(dá)不到95％。
該擠壓成形機(jī)2在模21中安置擠壓材(坯料10)，從上沖頭23上方對(duì)該擠壓材加壓，擠壓材邊變形邊從模21的開(kāi)口部分流出。上沖頭23也承受上壓頭24，該上壓頭24降下則對(duì)擠壓材加壓。
將形成發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)軸部的坯料立刻溫滾軋。該滾軋時(shí)的溫度為200-500℃。
滾軋進(jìn)行后，將坯料加熱到1250-1350℃，并安置在設(shè)定為400-580℃的模內(nèi)，進(jìn)行鐓粗使擠壓殘余部分13成形為傘狀的閥門(mén)頭部15的形狀(圖2c)。還有，鍛造溫度比加熱溫度低100-180℃。
由以上工序得到的發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)，氣孔沿軸部的伸長(zhǎng)方向線狀化，同時(shí)硼化鈦顆粒也沿該方向取向。由此，本實(shí)施例中制造的發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)機(jī)械特性?xún)?yōu)越。這時(shí)的取向方向示于圖4。
制造鍛造燒結(jié)坯料的試片，測(cè)定該試片的密度和機(jī)械特性來(lái)進(jìn)行本發(fā)明鍛造方法的評(píng)價(jià)。
按規(guī)定的組成秤量—100目的氫化脫氫鈦粉末、平均粒徑10μm的Al-40V合金粉末、平均粒徑2μm的TiB2粉末并充分混合。充分混合后，將該混合粉末用金屬模成形成具有直徑16mm、長(zhǎng)度45mm的圓柱狀的壓制粉末體。這時(shí)的成形面壓力為5t/cm2。還有，試料11-13是Ti粉末和Al-40V合金粉末混合的成形體，試料14-16是Ti粉末和加進(jìn)Al-40V合金粉末中的TiB2合金粉末混合的成形體。
其后，對(duì)這些圓柱狀壓制粉末體在真空度10-5乇左右的氣氛中進(jìn)行1300℃，4小時(shí)的加熱來(lái)燒結(jié)壓制粉末體，得到燒結(jié)坯料。
對(duì)試料11和14的燒結(jié)坯料施行機(jī)械加工，用磨削加工制造拉伸試片和疲勞試片。
對(duì)試料12和15的燒結(jié)坯料進(jìn)行加熱溫度1100℃，用面壓力10噸的熱壓致密化后，施行與試料11和14同樣的機(jī)械加工來(lái)制造試片。
對(duì)試料13和16的燒結(jié)坯料進(jìn)行加熱溫度1100℃、斷面收縮率85％的熱擠壓的致密化后，施行與試料11和14同樣的機(jī)械加工來(lái)制造試片。
另外，作為比較例10由磨削加工來(lái)制造熔煉Ti-6Al-4V合金組成的試片。
測(cè)定各試片的組成，相對(duì)密度、0.2％屈服強(qiáng)度、室溫延伸率和疲勞強(qiáng)度，測(cè)定結(jié)果示于表2。
相對(duì)密度的測(cè)定按阿基米德法進(jìn)行。
0.2％屈服強(qiáng)度用應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖來(lái)測(cè)定試驗(yàn)前后實(shí)測(cè)給予試片預(yù)先標(biāo)記的標(biāo)點(diǎn)間隔來(lái)測(cè)定室溫延伸率。
表2
由表2的測(cè)定結(jié)果，試料12、13和15、16的試料，由于金屬組織被致密化，0.2％屈服強(qiáng)度、室溫延伸率和疲勞強(qiáng)度變大。另外，硬質(zhì)顆粒(硼化鈦)沒(méi)有進(jìn)入試料的場(chǎng)合，相對(duì)密度也為100％，對(duì)由壓制致密化的試樣12的室溫延伸率和疲勞強(qiáng)度提高，但其效果與不充分的相比，施行擠壓的試料13得到與比較例10的溶煉材同等以上的良好特性。
再者，將硼化鈦顆粒分散的試片的場(chǎng)合，由于擠壓也使屈服強(qiáng)度提高。推測(cè)這是硼化鈦顆粒取向的效果。
本發(fā)明鈦系金屬的鍛造方法，由于將燒結(jié)體鍛造致密化，防止了殘留氣孔引起的延性和疲勞強(qiáng)度的降低，得到與熔煉材同等特性的鍛造制品。
另外，由于使用燒結(jié)坯料，具有大幅度縮短坯料制造工序的效果。
圖1是表示鈦合金燒結(jié)體相對(duì)密度與高溫延性的關(guān)系圖。
圖2是在制造發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)中燒結(jié)坯料的鍛造圖。
圖3是擠壓成形中使用的壓力機(jī)圖。
圖4是表示發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)材料的流線方向圖。
權(quán)利要求
1.一種鈦系金屬的鍛造方法，包括準(zhǔn)備在鈦合金中總計(jì)含1％(體積)以上的熱力學(xué)穩(wěn)定的陶瓷顆粒和/或氣孔的鈦系燒結(jié)坯料的工序和在鍛造溫度將該坯料加熱并鍛造的工序。
2.一種發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)的制造方法，包括將燒結(jié)坯料加熱的工序，將加熱的坯料在將一部分作為擠壓剩余部分剩余的狀態(tài)下擠壓成形成棒的工序，將擠壓成形的棒滾軋矯正軸彎曲的工序，再加熱的工序和將上述擠壓剩余部分熱鐓鍛形成傘部的工序。
3.權(quán)利要求2記載的發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)的制造方法，上述滾軋?jiān)跀D壓成形后立刻進(jìn)行。
4.按權(quán)利要求1至權(quán)利要求3的制造方法制造的發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)。
全文摘要
提供一種低成本,可制造高延性和疲勞強(qiáng)度的鈦系金屬制品的鈦系金屬的鍛造方法和發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)的制造方法。本發(fā)明鈦系金屬的鍛造方法的特征在于,具有準(zhǔn)備在鈦合金中總計(jì)含1%(體積)以上熱力學(xué)穩(wěn)定的陶瓷和/或氣孔的鈦系燒結(jié)坯料的工序,和在鍛造溫度將該坯料加熱并鍛造的工序。本發(fā)明鈦系金屬的鍛造方法,由于內(nèi)部的氣孔或鈦合金中熱力學(xué)穩(wěn)定的陶瓷顆?？梢种棋懺鞎r(shí)晶粒生長(zhǎng),材料的變形抗力小,使在比較高的溫度條件下的鍛造成為可能,且由于可維持細(xì)小的合金組織,因而可抑制沖擊值和疲勞強(qiáng)度的降低。
文檔編號(hào)C22C14/00GK1261564SQ9912047
公開(kāi)日2000年8月2日 申請(qǐng)日期1999年10月28日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月29日
發(fā)明者山口登士也, 堀田昭雄, 柴田義范, 古田忠彥, 齋藤卓, 巖瀨悟 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車(chē)株式會(huì)社