CN1261564A - 钛系金属的锻造方法、发动机阀门的制造方法和发动机阀门 - Google Patents

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Abstract

提供一种低成本,可制造高延性和疲劳强度的钛系金属制品的钛系金属的锻造方法和发动机阀门的制造方法。本发明钛系金属的锻造方法的特征在于,具有准备在钛合金中总计含1%(体积)以上热力学稳定的陶瓷和/或气孔的钛系烧结坯料的工序,和在锻造温度将该坯料加热并锻造的工序。本发明钛系金属的锻造方法,由于内部的气孔或钛合金中热力学稳定的陶瓷颗粒可抑制锻造时晶粒生长,材料的变形抗力小,使在比较高的温度条件下的锻造成为可能,且由于可维持细小的合金组织,因而可抑制冲击值和疲劳强度的降低。

Description

钛系金属的锻造方法、发动机 阀门的制造方法和发动机阀门
本发明涉及钛系金属的锻造方法，详细地说是涉及用于汽车发动机阀门的钛系金属的锻造方法。
对安装在汽车等内燃机上的发动机阀门材质的要求在发动机零件中归入严格的种类。特别是因为在高温燃烧气氛中承受相当大的载荷，所以要求高温耐热强度和耐蚀性、耐氧化性和与阀座接触面的耐磨性优越。而且，随着近年来汽车趋向高性能，发动机阀门构件也要求轻量化。
作为满足这些要求的发动机阀门正开发使用钛系金属(钛合金)的发动机阀门。
钛合金其特性与晶体结构密切相关。为此，钛合金按晶体结构可大致分为α型、α+β型、β型钛合金。
作为钛合金，已知使用量最多的α+β型钛合金，在相变温度(β相变点)以上(β温度区)相变成β型组织，β型组织的钛合金在β相变点以下(α+β温度区)相变成α+β型组织。
如果超过β相变点，α+β型钛合金迅速成为粗大的组织，因为冲击值和疲劳强度降低，以前的α+β型钛合金的锻造在α+β温度区进行。但是，由于在α+β温度区α+β型钛合金变形抗力大，所以不容易锻造加工。
用这样的钛合金加工的钛合金制发动机阀门的一般制造方法，是将从熔融的钛合金制造的钛合金制线材用顶锻机预成形，再将该部件进行热镦锻形成阀门形状。
例如，特开平7-34815号公开了钛合金制发动机阀门的制造方法。该制造方法是将钛合金棒热挤压和模锻成伞状的阀门形状的方法。
另外，也有用粉末冶金法制造阀门的方法。即，是将钛合金粉末冷等静压(CIP)成形，成形成具有阀门形状的成形体后，将该成形体烧结的方法。
作为这样粉末冶金法的例子有特开平6-229213号中公开的发动机阀门的制造方法。该制造方法公开了将钛粉末和铝粉末的混合物用外壳密封挤压锻造成形成阀门形状后，由反应合成制造由Ti-Al系金属间化合物构成的发动机阀门的制造发动机阀门的方法。
但是，特开平7-34815号记载的发动机阀门的制造方法是使用钛合金制线材的制造方法，由于钛合金线材是熔炼材，为制造成直棒状许多工序是必需的，同时由于成品率也差，成本变高。
另外，特开平6-229213号记载的发动机阀门的制造方法是使用粉末冶金的制造方法，由于烧结体残留气孔多，具有延性和疲劳强度低的问题。
本发明课题涉及上述实际情况，提供可制造低成本，延性和疲劳强度高的钛系金属制品的钛系金属的锻造方法和发动机阀门的制造方法。
为解决上述课题，本发明人反复研究钛系金属的制造方法的结果发现，通过热锻在钛合金中含有热力学稳定的陶瓷或气孔的钛系烧结坯料，使在材料变形抗力小的温度条件下进行锻造成为可能，且由于可保持细小的合金组织，确认可抑制冲击值和疲劳强度降低，可克服上述课题。
即，本发明的钛系金属的锻造方法，其特征在于具有在钛合金中具有热力学稳定的陶瓷颗粒或按体积比具有1％以上气孔的钛系烧结坯料的准备工序和将该坏料加热到锻造温度并锻造的工序。
作为钛合金中热力学稳定的陶瓷颗粒，有TiB与TiB2等的硼化钛、TiC、Ti2C、硅化钛、TiN等，广义说金属间化合物、稀土类元素的氧化物也符合条件。其中硼化钛是理想的。还有，所谓在钛合金中热力学稳定，意味着直到高温在钛中可残存没有分解、固溶的颗粒。另外，耐热强度不一定意味着必需，只要以颗粒存在可发挥同样的作用效果。
另外，本发明发动机阀门的制造方法，其特征在于具有将坯料加热的工序，将加热的坯料挤压成形成棒的工序，将成形的棒立刻滚轧矫正的工序，再加热的工序和其后热镦锻伞部的工序。
另外，如仅烧结，由于残留气孔，则钛系金属发生延性、疲劳强度的降低，由于进行了锻造致密化，则不发生延性，疲劳强度的降低。
钛系金属的锻造方法
本发明钛系金属的锻造方法，具有制造烧结坯料的工序，加热烧结坯料的工序和锻造烧结坯料的工序。
制造烧结坯料的工序是将原料粉末烧结成烧结坯料的工序。在此，将完全混合的规定组成的钛系粉末使用金属模按模成形等的成形方法制造成形体，将该成形体烧结则得到烧结坯料。原料粉末具有钛系粉末与强化用粉末构成的混合粉末和钛系合金粉末。钛系粉末中具有纯钛粉末与氢化钛粉末等。强化用粉末中具有Al-V合金粉末与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，在钛系合金粉末中具有，例如Ti-6Al-4V合金粉末与Ti-6Al-4V-5TiB合金粉末等。
钛系粉末其平均粒径为80μm以下是理想的。如平均粒径大于80μm，烧结温度降低，引起锻造裂纹。
由于烧结坯料是将粉体成形后烧结成的，其内部有气孔。该烧结坯料相对密度高是理想的。如果烧结坯料的相对密度变高，由于高温延性提高，烧结坯料锻造成形性提高。这从图1的相对密度与高温延性关系的测定结果也可知晓。在此，图1的关系图是测定在Ti-5.9 Al-3.9 Sn-3.9 Zr-1Mo-1Nb-0.15Si合金基体中分散5％(体积)硼化钛颗粒的钛合金烧结体的高温延性、相对密度变化的关系图。
加热烧结坯料工序是将烧结坯料加热到锻造温度的工序。即，如从图1关系图所知晓的，随着温度上升延性提高。即，延性提高，锻造性也提高。该加热温度为900-1400℃是理想的，更理想为1000-1300℃。
加热温度上限也可比β相变点高。当然，在加热到比β相变点低的α+β温度区也能够锻造，由于在本发明烧结体中残留的气孔或硼化钛颗粒具有抑制加热与锻造时晶粒生长的效果，在β温度区加热，锻造成为可能，可使锻造可能温度扩大。
还有，希望残留气孔的体积率1％以上。气孔率不满1％的场合，引起晶粒生长。硼化钛颗粒在1％(体积)以上也是理想的，也可与气孔合计在1％(体积)以上。另外，如超过上述加热温度，坯料表面显著氧化。但是，在惰性气体中进行锻造可避免氧化。
锻造是用工具加压金属材料给予塑性变形加工成规定的尺寸形状的加工方法。作为这种锻造方法有自由锻造、模锻、挤压、镦锻等方法。
在该锻造工序中在沿成形品伸长的方向烧结坯料塑性流动是理想的。即塑性流动在零件伸长的方向进行，由于在成形品表面的拉伸应力方向残留气孔可线状化，可抑制由于残留气孔的机械特性的恶化。
另外，在烧结坯料金属基体中分散纤维状或棒状强化颗粒的场合，由于在成形品表面的拉伸应力方向使强化颗粒取向，可改善机械特性。再者，同样分散杂质和其它类杂物分散的场合，由于该类杂物也在拉伸应力方向取向，可抑制机械特性降低。
发动机阀门的制造方法
本发明发动机阀门的制造方法具有加热坯料的工序，由坯料的一部分形成棒的工序，矫正棒的工序，再加热的工序和由坯料的剩余部分镦锻伞部的工序。
使用的坯料是原料粉末等成形后烧结的坯料。
由于坯料加热，其延性提高，在锻造时坯料易于变形，因此进行坯料加热的工序。这时的加热温度为900-1400℃是理想的，更希望的是1000-1300℃。
坯料成形成棒的工序是将加热的坯料挤压成形形成棒的工序。在挤压成形形成棒中，坯料中含的气孔或强化颗粒等类杂物在棒的伸长方向取向，使发动机阀门的机械强度改善。
棒矫正工序是将成形的棒立刻温滚轧的工序。在将成形的棒立刻温滚轧时，可使耐热Ti合金等室温延性低的材料不产生裂纹并矫正。另外，提高轴精确度使可进行轴精确度高的镦粗。还有，室温延性高的材料，棒成形后也可进行冷却直到室温附近。
再加热工序：由于棒矫正时的滚轧温度比锻造理想的温度低，要再加热，使变形容易。
伞部镦锻工序是将伞部热镦锻的工序。在该工序中由于矫正了棒可进行轴精确度高的镦粗。在镦粗用金属模中矫正棒的通孔的内径与制品外径的间隙小时，可高精度形成伞部直角。
以下用实施例说明本发明。
实施例1
按照规定的组成秤量—100目的氢化脱氢钛粉末、平均粒径10μm的Al-40V合金粉末、平均粒径2μm的TiB2粉末，并充分混合。充分混合后，将该混合粉末以金属模成形成具有直径16mm，长度45mm的圆柱状的压制粉末体。这时的成形面压力为5t/cm2。还有，试样1、2、5、6、比较例1、2、3、4是Ti粉末和Al-40V合金粉末混合的成形体，试样3、4、7、8是Ti粉末和加进Al-40V合金粉末中加入TiB2粉末混合的成形体。
其后将这些圆柱状压制粉末体在真空度10-5乇左右的气氛中进行1300℃，4小时的加热，将压制粉末体烧结，得到烧结坯料。
在距该烧结坯料端面10mm的位置切断，用光学显微镜观察断面组织，测定原β晶粒的尺寸。
其后，将切断剩余部分加热到温度1030℃，1300℃，进行镦粗率60％的镦粗成形后，进行镦粗体中央部分断面组织的观察，测定原β晶粒的尺寸。
表1
                                                         锻造＝镦锻
  试料No.    气孔率(体积％)   硼化钛(体积％)  锻造加热温度(℃)   原β颗粒尺寸(μm)  备注
 锻造前 锻造后
试料1  5  0  1030  80  70
试料2  1  0  ↑  85  75
试料3  5  5  ↑  60  50
试料4  1  5  ↑  65  55
比较例1  0.5  0  ↑  100  120
比较例2  0  0  ↑  150  220
试料5  5  0  1030  80  80
试料6  1  0  ↑  85  84
试料7  5  5  ↑  60  56
试料8  1  5  ↑  65  60
比较例3  0.5  0  ↑  100  230
比较例4  0  0  ↑  150  400 裂纹
*)基体组成：Ti-6Al-4V
从表1结果可知，试料1-8分别由于气孔、硼化钛颗粒抑制了锻造后的晶粒尺寸的增加。
实施例2
作为本发明的钛系金属的锻造方法和发动机阀门的制造方法的实施例，制造由钛系金属组成的发动机阀门。
按规定的比例称量—100目的氢化脱氢钛粉末、平均粒径10μm的Al-24.9Sn-24.4Zr-6.2Nb-6.2Mo-1.4Si合金粉末和平均粒径2μm的TiB2粉末，充分混合。将该混合粉末用金属模成形成直径16mm，长度45mm的圆柱状，得到压制粉末体。这时的成形面压力为5t/cm2。
其后，将该圆柱状压制粉末体在真空度1.0×10-5乇左右的气氛中进行1300℃，4小时的加热处理烧结，得到烧结坯料(图2a)。得到的烧结坯料10相对密度为4.1g/cm2(90％)。
将得到的烧结坯料10加热到1200℃后，进行挤压成形成发动机阀门的轴部11(图2b)。还有，挤压成形用图3所示的挤压成形机2来进行。还有，在该挤压成形时金属模温度设定为450℃。在该挤压成形时挤压比设定为8。该挤压比是使挤压剩余部分即阀门伞形部分变形的部分材料的相对密度按95％设定的值。如该挤压比变低，挤压剩余部分的相对密度达不到95％。
该挤压成形机2在模21中安置挤压材(坯料10)，从上冲头23上方对该挤压材加压，挤压材边变形边从模21的开口部分流出。上冲头23也承受上压头24，该上压头24降下则对挤压材加压。
将形成发动机阀门轴部的坯料立刻温滚轧。该滚轧时的温度为200-500℃。
滚轧进行后，将坯料加热到1250-1350℃，并安置在设定为400-580℃的模内，进行镦粗使挤压残余部分13成形为伞状的阀门头部15的形状(图2c)。还有，锻造温度比加热温度低100-180℃。
由以上工序得到的发动机阀门，气孔沿轴部的伸长方向线状化，同时硼化钛颗粒也沿该方向取向。由此，本实施例中制造的发动机阀门机械特性优越。这时的取向方向示于图4。
制造锻造烧结坯料的试片，测定该试片的密度和机械特性来进行本发明锻造方法的评价。
按规定的组成秤量—100目的氢化脱氢钛粉末、平均粒径10μm的Al-40V合金粉末、平均粒径2μm的TiB2粉末并充分混合。充分混合后，将该混合粉末用金属模成形成具有直径16mm、长度45mm的圆柱状的压制粉末体。这时的成形面压力为5t/cm2。还有，试料11-13是Ti粉末和Al-40V合金粉末混合的成形体，试料14-16是Ti粉末和加进Al-40V合金粉末中的TiB2合金粉末混合的成形体。
其后，对这些圆柱状压制粉末体在真空度10-5乇左右的气氛中进行1300℃，4小时的加热来烧结压制粉末体，得到烧结坯料。
对试料11和14的烧结坯料施行机械加工，用磨削加工制造拉伸试片和疲劳试片。
对试料12和15的烧结坯料进行加热温度1100℃，用面压力10吨的热压致密化后，施行与试料11和14同样的机械加工来制造试片。
对试料13和16的烧结坯料进行加热温度1100℃、断面收缩率85％的热挤压的致密化后，施行与试料11和14同样的机械加工来制造试片。
另外，作为比较例10由磨削加工来制造熔炼Ti-6Al-4V合金组成的试片。
测定各试片的组成，相对密度、0.2％屈服强度、室温延伸率和疲劳强度，测定结果示于表2。
相对密度的测定按阿基米德法进行。
0.2％屈服强度用应力-应变曲线图来测定
试验前后实测给予试片预先标记的标点间隔来测定室温延伸率。
表2
  试料No. 组成  硼化钛(体积％) 工序 相对密度(％)   0.2％屈服强度(MPa)  延伸率(％)  疲劳强度(MPa)
试料11  Ti-6Al-4V  0 仅烧结 98  820  8  280
试料12  Ti-6Al-4V  0 烧结+压制 100  880  12  480
试料13  Ti-6Al-4V  0 烧结+挤压 100  880  15  580
试料14  Ti-6Al-4V  10 仅烧结 96  1030  1  310
试料15  Ti-6Al-4V  10 烧结+压制 100  1050  2  520
试料16  Ti-6Al-4V  10 烧结+挤压 100  1070  5  650
比较例10  Ti-6Al-4V  0 熔炼 100  870  14  500
由表2的测定结果，试料12、13和15、16的试料，由于金属组织被致密化，0.2％屈服强度、室温延伸率和疲劳强度变大。另外，硬质颗粒(硼化钛)没有进入试料的场合，相对密度也为100％，对由压制致密化的试样12的室温延伸率和疲劳强度提高，但其效果与不充分的相比，施行挤压的试料13得到与比较例10的溶炼材同等以上的良好特性。
再者，将硼化钛颗粒分散的试片的场合，由于挤压也使屈服强度提高。推测这是硼化钛颗粒取向的效果。
本发明钛系金属的锻造方法，由于将烧结体锻造致密化，防止了残留气孔引起的延性和疲劳强度的降低，得到与熔炼材同等特性的锻造制品。
另外，由于使用烧结坯料，具有大幅度缩短坯料制造工序的效果。
图1是表示钛合金烧结体相对密度与高温延性的关系图。
图2是在制造发动机阀门中烧结坯料的锻造图。
图3是挤压成形中使用的压力机图。
图4是表示发动机阀门材料的流线方向图。

Claims (4)

1、一种钛系金属的锻造方法，包括准备在钛合金中总计含1％(体积)以上的热力学稳定的陶瓷颗粒和/或气孔的钛系烧结坯料的工序和在锻造温度将该坯料加热并锻造的工序。
2、一种发动机阀门的制造方法，包括将烧结坯料加热的工序，将加热的坯料在将一部分作为挤压剩余部分剩余的状态下挤压成形成棒的工序，将挤压成形的棒滚轧矫正轴弯曲的工序，再加热的工序和将上述挤压剩余部分热镦锻形成伞部的工序。
3、权利要求2记载的发动机阀门的制造方法，上述滚轧在挤压成形后立刻进行。
4、按权利要求1至权利要求3的制造方法制造的发动机阀门。
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