特開 2024-33626 冷間鍛造部品および冷間鍛造部品の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024033626

(43)【公開日】2024-03-13

(54)【発明の名称】冷間鍛造部品および冷間鍛造部品の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B21J 5/00 20060101AFI20240306BHJP

   B21K 1/46 20060101ALI20240306BHJP

【ＦＩ】

B21J5/00 E

B21K1/46 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022137323

(22)【出願日】2022-08-30

(71)【出願人】

【識別番号】596072209

【氏名又は名称】日星精工株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100076473

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 昭夫

(74)【代理人】

【識別番号】100112900

【弁理士】

【氏名又は名称】江間 路子

(74)【代理人】

【識別番号】100198247

【弁理士】

【氏名又は名称】並河 伊佐夫

(72)【発明者】

【氏名】坂口 一哉

(72)【発明者】

【氏名】西尾 吉弥

【テーマコード（参考）】

4E087

【Ｆターム（参考）】

4E087AA05

4E087BA05

4E087BA14

4E087CA22

4E087CA24

4E087CA32

4E087CB03

4E087CC01

4E087DA04

4E087DB08

4E087EA37

4E087EC11

4E087HA53

4E087HB13

(57)【要約】

【課題】プロセス費用が安く且つ部品強度に優れたＴｉ合金製の冷間鍛造部品を提供する。
【解決手段】冷間鍛造部品１は、β型Ｔｉ合金から成り、軸部２と軸部２よりも大径の頭部４とを有し、内部に鍛流線７が形成されている。冷間鍛造部品１は、軸部２および頭部４における硬さが共に３５０～４００ＨＶの範囲内で、軸部２および頭部４における硬さの差が１０ＨＶ以下である。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

β型Ｔｉ合金から成り、軸部と該軸部よりも大径の頭部とを有し、内部に鍛流線が形成された冷間鍛造部品であって、
前記軸部の硬さおよび前記頭部の硬さが何れも３５０～４００ＨＶの範囲内で、
前記軸部の硬さと前記頭部の硬さとの差が１０ＨＶ以下である冷間鍛造部品。

【請求項2】

前記冷間鍛造部品がボルト類である、請求項１に記載の冷間鍛造部品。

【請求項3】

β型Ｔｉ合金から成る冷間鍛造部品の製造方法であって、
β型Ｔｉ合金から成る素材に冷間鍛造を施し、軸部と、該軸部よりも大径の頭部とを形成した後、
５００～５３０℃で８時間以上保持する条件で時効処理を行ない、
前記軸部の硬さおよび前記頭部の硬さを何れも３５０～４００ＨＶの範囲内とし、前記軸部の硬さと前記頭部の硬さとの差を１０ＨＶ以下とする冷間鍛造部品の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明はβ型チタン合金から成る冷間鍛造部品およびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

チタン合金（以下、Ｔｉ合金と称する場合がある）は、鋼と同程度の機械的強度を持ちながら比重がその６０％程度と軽い。そのため、Ｔｉ合金製の部品は、高強度を保ちつつ軽量化が望まれる用途などに使用されている。加えてＴｉ合金は、耐食性に優れている利点がある。

【0003】

Ｔｉ合金はその組織（結晶相）によりα型、β型、およびα＋β型に分類されるが、従来、比較的高い強度を要求される用途ではＴｉ－６Ａｌ－４Ｖから成るα＋β型Ｔｉ合金が用いられていた。しかしながらこのα＋β型Ｔｉ合金は、変形抵抗が高いことから冷間塑性加工には不向きとされている。このため、例えばボルトのような加工度の高い部品を製造する際には、切削加工或いは熱間鍛造により頭部および軸部が形成されるため、加工に要するコストが高くなってしまう。

【0004】

一方、β型Ｔｉ合金はα＋β型Ｔｉ合金に比較して冷間加工性に優れることから、β型Ｔｉ合金を素材とすることで冷間鍛造により部品を製造することも可能とされている（下記特許文献１参照）。即ち、β型Ｔｉ合金を素材とすることで、部品製造時のプロセス費用を低減させることができる。そして、所定の形状に加工された冷間鍛造部品に対して時効処理を施し、β相中にα相を析出させることで部品の強度を高めることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００６－３５２９８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら冷間鍛造により所定の形状に加工されたβ型Ｔｉ合金製の部品に対して時効処理が施された場合に、該部品が、加工度が大の頭部と、加工度が小の軸部とを有していると、これら頭部と軸部との境界部では加工硬化による硬さの差によって応力集中による破断が生じ易くなり、部品強度を十分に高めることが難しい場合があった。このような冷間鍛造時の加工度の違いに基づく脆弱部は、軸部における、転造により形成されたねじ部との境界に生じる場合もある。

【0007】

本発明は以上のような事情を背景とし、プロセス費用が安く且つ部品強度に優れたＴｉ合金製の冷間鍛造部品およびその製造方法を提供することを目的としてなされたものである。

【0008】

本発明者等は、β型Ｔｉ合金から成る冷間鍛造部品における上記課題を解決するために種々検討した結果、（１）軸部および頭部における硬さを所定範囲内とし、且つ軸部および頭部の硬さの差を小さくすることで、頭部と軸部との境界部における破断を抑制することができる、（２）このように軸部および頭部の硬さが規定された冷間鍛造部品は、特定の時効処理条件の下で得ることができる、との知見を得た。

【0009】

本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、本発明の要旨は次の通りである。
［１］ β型Ｔｉ合金から成り、軸部と該軸部よりも大径の頭部とを有し、内部に鍛流線が形成された冷間鍛造部品であって、
前記軸部の硬さおよび前記頭部の硬さが何れも３５０～４００ＨＶの範囲内で、
前記軸部の硬さと前記頭部の硬さとの差が１０ＨＶ以下である冷間鍛造部品。

【0010】

［２］ ［１］において、前記冷間鍛造部品がボルト類である冷間鍛造部品。
ここでボルト類としては、ボルトに限定されることなく、リベット、ペグ、ネイル等が含まれる。

【0011】

［３］ β型Ｔｉ合金から成る冷間鍛造部品の製造方法であって、
β型Ｔｉ合金から成る素材に冷間鍛造を施し、軸部と、該軸部よりも大径の頭部とを形成した後、
５００～５３０℃で８時間以上保持する条件で時効処理を行ない、
前記軸部の硬さおよび前記頭部の硬さを何れも３５０～４００ＨＶの範囲内とし、前記軸部の硬さと前記頭部の硬さとの差を１０ＨＶ以下とする冷間鍛造部品の製造方法。

【0012】

本発明によれば、軸部および頭部における硬さを特定の範囲内とすることで、冷間鍛造における加工度の違いに基づく脆弱部の発生を抑制することが可能である。軸部および頭部における硬さを特定の範囲内とする冷間鍛造部品は、追加的な熱処理等を行わずとも時効処理の条件を規定することで得ることができる。このため本発明によれば、プロセス費用が安く且つ部品強度に優れたＴｉ合金製の冷間鍛造部品を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一実施形態の冷間鍛造部品としてのＴｉ合金製ボルトの模式的な断面図である。

【図2】図１のボルトの製造方法を示すフローである。

【図3】図１のボルトの冷間鍛造工程についての説明図である。

【図4】図３に続く冷間鍛造工程についての説明図である。

【図5】機械的特性の評価に用いたボルト形状の試験片を示した図である。

【図6】図５の試験片における硬さ測定箇所を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

次に本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１は本発明の一実施形態の冷間鍛造部品としてのＴｉ合金製ボルトを示した断面図である。同図において１はボルトで、軸部２と、軸部２よりも大径の頭部４とが形成されている。軸部２の外周には雄ねじ３が形成されている。一方、頭部４の上面にはレンチ等の工具を係合させる凹状部５が形成されている。

【0015】

ボルト１は、β型Ｔｉ合金からなり、冷間鍛造によって軸部２および頭部４が形成されており、図１で示すように、ボルト１の内部には軸部２と頭部４に連続した複数の鍛流線７が並列的に形成されている。
ここで、鍛流線７はＴｉ合金の金属組織が冷間鍛造の圧力により曲げられた模様であり、上記ボルト１では、頭部４の頂面４ａ付近から軸部３の先端面３ａにかけて複数の鍛流線７が、その外形にほぼ沿って並列的に形成される。

【0016】

本実施形態のボルト１は冷間鍛造により形成されたものであるため、切削加工或いは熱間鍛造により形成されるＴｉ－６Ａｌ－４Ｖを素材とする従来のＴｉ合金製ボルトに比べてプロセス費用を低く抑えることができる。

【0017】

本実施形態では、塑性加工容易性の観点からβ型Ｔｉ合金としてＴｉ－２２Ｖ－４Ａｌが用いられている。Ｔｉ－２２Ｖ－４Ａｌの合金組成は、質量％で、Ｖ：２０．０～２３．０％、Ａｌ：３．５～４．５％、Ｎ：≦０．０５％、Ｃ：≦０．１０％、Ｈ：≦０．０１５％、Ｆｅ：≦１．００％、Ｏ：≦０．２５％で、残部がＴｉおよび不可避的不純物である。
また、上記以外のＴｉ－１５Ｖ－３Ｃｒ－３Ｓｎ－３Ａｌ等のβ型Ｔｉ合金を用いることも可能である。

【0018】

そして本実施形態のボルト１では、軸部２および頭部４における硬さが何れも３５０～４００ＨＶの範囲内で、軸部２および頭部４における硬さの差が１０ＨＶ以下とされている。
軸部２および頭部４における硬さが何れも３５０ＨＶ以上とすることで、強度区分１０．９（ＪＩＳ Ｂ１０５１）以上の強度を有するボルトとすることができる。但し、硬さが高く且つ軸部の硬さと前記頭部の硬さとの差が大きい場合、頭部と軸部との境界部では応力集中による破断が生じ易くなるため、本実施形態では、軸部２および頭部４における硬さが何れも３５０～４００ＨＶの範囲内で、軸部２および頭部４における硬さの差が１０ＨＶ以下とされている。
好ましくは、軸部２および頭部４における硬さが何れも３８０～４００ＨＶの範囲内で、軸部２および頭部４における硬さの差が５～８ＨＶ以下である。
ここで軸部２および頭部４における硬さは、該当部位内の複数箇所の硬さをマイクロビッカース硬度計（荷重３００ｇ）で測定したときの平均値である。

【0019】

次に、図２で示すフローに従ってボルト１の製造方法を説明する。
先ず、素材準備工程Ｓ０１で適当な直径のコイル状のβ型Ｔｉ合金の素材を準備し、均質化処理工程Ｓ０２において、所定の温度で所定時間保持した後、冷却することによりβ相を安定化させる。

【0020】

その後、被膜形成工程Ｓ０３では、素材の表面に、素材と工具との間で潤滑作用を果たす被膜を形成する。本実施形態では素材の表面に酸化被膜を形成し、更に酸化被膜上に二硫化モリブデンの被膜を形成する。

【0021】

次に、伸線処理工程０４において、被膜が形成された素材を、図示を省略するダイス孔に通して素材の真円度を高める。

【0022】

続く切断および冷間鍛造の工程（Ｓ０５、Ｓ０６）は、多段のボルトフォーマで行うことができる。
切断工程Ｓ０５では、図３の（Ｉ）で示すようにボルト１の質量と等しくなる所定長さでコイル状の素材を切断し、円柱状の素材２０を得る。
続く冷間鍛造工程Ｓ０６では、円柱状の素材２０対して冷間鍛造加工が施される。この冷間鍛造工程は、素材２０のサイズや目的とするボルトの形状等に応じて、複数段階の加工を施すものであるが、例えば以下に説明するような前方押出、据え込み、後方押出の各工程によって構成される。

【0023】

先ず、前方押出工程では、例えば図３の(II）に示すようにダイ２１内に素材２０を配置してパンチ２３で下方に向かって加圧する。ダイ２１には、上部に素材２０の直径と略同一内径の大径部が構成され且つ下部にそれよりも小径の小径部が構成されると共に、それらの中間部にテーパ面を備えた成形孔２５が備えられており、素材２０はその大径部に配置される。また、パンチ２３は、素材２０と略同一径に構成されている。そのため、この工程では、素材２０がそのダイ２１内で前方押出加工され、下端部がその小径部の直径に縮小された第1加工品３０が成形される。図３の（III）は、加圧終了段階を示している。

【0024】

次いで、据え込み工程では、ダイ２１から取り出された素材３０を他のダイ３１内に配置し、パンチ３３で押圧する。図４の（IV），（Ｖ）は、この工程における加圧開始前および加圧終了後をそれぞれ表している。ダイ３1には、素材３０の下端部の直径と略同一内径の挿入孔３５が設けられており、第1加工品３０は、ダイ３1内にその下端部のみが挿入されている。また、パンチ３３は、第1加工品３０の大径部よりも十分に大きい加圧面を備えている。そのため、パンチ３３で押圧されると、ダイ３１の上面３２との間で第1加工品３０の大径部が押し潰され、その上端面が拡大された第２加工品４０が成形される。

【0025】

次いで、後方押出工程では、ダイ３１から取り出された第２加工品４０を他のダイ４１内に配置し、パンチ４３で押圧する。図４の（VI）および（VII）は、この工程における加圧開始前および加圧終了後をそれぞれ表している。ダイ４１には上端部が第２加工品４０の大径部よりもやや大径に構成され且つ小径部が第２加工品４０の小径部と略同一径に構成された段付孔４５が備えられている。一方、パンチ４３の下端部は、その下端面の差渡し寸法が第２加工品４０の大径部よりも十分に小さく、例えば第２加工品４０の小径部と同程度とされた六角形断面に構成されている。そのため、パンチ４３で押圧されると、第２加工品４０の大径部の中央部が下方に押下げられると共に、それよりも外周側の部分が上方に流動させられるので、段付孔４５の大径部と同一外径の大径部を有し且つその中央部に凹状部５を備えたボルト形状の第３加工品５０が成形される。成形された第３加工品５０の大径部の直径はボルト１（図１参照）の直径と同じである。

【0026】

次いで、ねじ転造工程Ｓ０７では、第３加工品５０の軸部(すなわち小径部)に良く知られた転造加工を施すことにより雄ねじ３を形成する。

【0027】

そして、時効処理工程Ｓ０８では、雄ねじ３が形成された加工品に時効処理（加熱処理）を施す。時効処理によってβ相中にα相を析出させ、部品強度を向上させることができる。本実施形態では５００～５３０℃の雰囲気中で、加工品を８時間以上保持する条件で時効処理を行なっている。

【0028】

ここで、時効処理温度が低い場合、加工度の低い軸部と加工度の高い頭部での硬さの差が大きくなり、軸部と頭部との境界に脆弱部が生じ易い。一方、時効処理温度が高い場合、軸部と頭部での硬さの差は小さくなるが、硬さ自体が低下して所定の部品強度を確保することができなくなってしまう。このため本実施形態では、時効処理温度を５００～５３０℃の範囲内としている。好ましくは５１０～５２０℃である。

【0029】

また、時効処理時間が短い場合、α相の析出が不十分となり、頭部と軸部での硬さの差が大きくなり易い。このため本実施形態では時効処理時間を８時間以上としている。
好ましくは１２～１６時間である。

【0030】

そして、表面処理工程Ｓ０９において、時効処理された加工品に対して必要に応じた表面処理（ショットブラスト等）が施され本実施形態のボルト１を得ることができる。

【実施例0031】

次に本発明の実施例を以下に説明する。ここでは、β型Ｔｉ合金（Ｔｉ－２２Ｖ－４Ａｌ）からなる素材およびこの素材を用いたボルト形状の冷間鍛造部品に施す時効処理条件を変化させ、機械的特性の評価を行った。

【0032】

（１）素材の引張強度および絞り特性の評価
β型Ｔｉ合金（Ｔｉ－２２Ｖ－４Ａｌ）からなり、図２で示す均質化処理および伸線処理された直径φ４．７ｍｍの円柱状の素材を用いてＪＩＳ Ｚ２２０１ ９Ｂ号相当の試験片を採取し、下記表１の条件で時効処理を施し、引張強度および絞り特性を評価した。試験方法はＪＩＳ Ｚ２２４１に準じる。得られた結果を下記表１に示している。なお、引張強度および絞りの値は、試験片３本について測定した値の平均値とした。

【0033】

（２）冷間鍛造部品における硬さの評価
前記の素材を用い、冷間鍛造およびねじ転造により頭部：φ７．５×１．３ｍｍで、軸部：φ４．８×２５ｍｍのボルト形状の試験片１Ｂを作製した（図５参照）。この場合の据え込み率から算出した頭部における加工率は７６％、また軸部絞り率から算出した軸部のねじ下加工率は１１％である。ここで加工率は、頭部は据え込み率、軸部は断面減少率により算出することができる。

【0034】

作製されたボルト形状の試験片１Ｂに対して、下記表１の条件で時効処理を施し、時効処理後の頭部４の硬さおよび軸部２の硬さを測定した。そして頭部４の硬さ、軸部２の硬さ、軸部２および頭部４における硬さの差を下記表１に示している。
ここでの軸部２および頭部４における目標とする最適硬さ範囲は、３５０～４００ＨＶである。下記表１では、軸部２および頭部４の硬さが上記最適硬さ範囲である場合を「〇」とし、少なくとも何れか一方の硬さが上記最適硬さ範囲外である場合を「×」としている。

【0035】

なお、頭部４の硬さについては、図６で示すように、頭部４の内部中心の箇所６１と頭部４の外周面から０．５ｍｍ内側の箇所６２の２箇所について測定し、その平均値を頭部の硬さとした。
また軸部２の硬さについては、軸部２の内部中心の箇所６３－１、６３－２、６３－３、６３－４と、軸部２の外周面から０．５ｍｍ内側の箇所６４－１、６４－２、６４－３、６４－４の計８箇所について測定し、その平均値を軸部の硬さとした。各測定箇所の軸方向の間隔Ｐは１．５ｍｍ、また頭部４の下向きの面から、最も頭部４に近い測定箇所６３－１および６４－１までの軸方向距離Ｌは０．４ｍｍである。

【0036】

（３）冷間鍛造部品における引張強度の評価
上記の時効処理が施された試験片１Ｂを用い、ＪＩＳ Ｂ１０５１に準拠して引張強さ試験を行い、引張強さ（Ｎ／ｍｍ²）を測定した。また引張強さ試験における試験片の破断箇所を確認した。これらの結果を下記表１に示している。
表１における「破断箇所」の欄では、引張強さ試験における試験片の破断箇所が首部（頭部と軸部との境界部）であった場合を「×」とし、破断箇所が首部以外であった場合を「〇」とした。

【0037】

【表1】

【0038】

表１の結果によれば、時効処理温度が４５０℃～４９０℃の場合はボルト頭部およびボルト軸部の硬さが４００ＨＶを超えており、引張試験において首部における破断が認められた。
一方、時効処理温度が５５０℃以上では、硬さの低下により目標の強度区分１０．９の引張強さ（１０４０Ｎ／ｍｍ²以上）が確保できていない。
これに対し、時効処理温度が５００℃～５３０℃の範囲では、ボルト頭部およびボルト軸部の硬さが３５０～４００ＨＶの範囲内であり、且つ硬さの差も１０ＨＶ以下に収まっており、引張試験において首部での破断無く且つＪＩＳ Ｂ１０５１で規定されている強度区分１０．９の引張強さ１０４０Ｎ／ｍｍ²以上が確保されており、ボルトの高強度化が図られていることが分かる。

【0039】

以上、本発明の冷間鍛造部品および冷間鍛造部品の製造方法について詳しく説明したが、本発明は上記実施形態および実施例に限定されるものではない。例えば、本発明の冷間鍛造部品は、ボルトに限定されるものではなくボルト以外のボルト類（例えばリベット等）にも適用可能である等、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。

【符号の説明】

【0040】

１ ボルト（冷間鍛造部品）
２ 軸部
４ 頭部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】