JP2000144356A - 部材の硬化処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 チタン地金色のままで表面粗れのない部材の
表面と内部が硬化処理されたキズのつきにくい高硬度の
チタンおよびチタン合金からなるチタン硬化部材とその
硬化処理方法を提供することにある。 【解決手段】 真空槽内に、表面に窒化チタン層が形成
されたチタンまたはチタン合金からなる部材を配置し、
高真空排気した後にヘリウムもしくはアルゴンなどの不
活性ガスの減圧雰囲気中で７００〜８００℃の温度で所
定時間加熱し部材の表面に形成されている窒化チタン層
を構成している窒素を表面から内部へ熱拡散により拡
散、固溶させて、窒素の化合物である窒化チタン層を消
失させ窒素が内部に固溶した硬化層を形成させ、ヘリウ
ムもしくはアルゴンなどの不活性ガスの減圧雰囲気中で
常温まで冷却することによりチタン地金色のまま、表面
粗れのない硬化処理が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、チタンおよびチタ
ン合金からなり、その表面と内部が硬化処理されたチタ
ン硬化部材の硬化処理方法に関するものであり、特に装
飾用品として用いられるチタンおよびチタン合金製の時
計ケース、時計バンド、ピアス、イヤリング、指輪、メ
ガネフレームなどの硬化処理方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、チタン、チタン合金はメタルアレ
ルギーを起こしにくい、人に優しい金属として注目され
ている。時計、眼鏡、宝飾などに代表される装飾部材に
ついても上記のコンセプトは広く支持されているが、一
方で使用中のキズ発生などによる外観品質の低下が大き
な問題として指摘されている。これは主に、部材自身の
表面硬度の低さに起因するものであり、解決を目指して
種々の表面硬化処理方法が試みられている。

【０００３】表面硬化処理方法には、大きく分けて金属
部材表面に硬質膜を被履する方法と金属部材自身を硬化
する方法がある。金属部材表面に硬質膜を被履くする方
法としては電気メッキに代表されるウェットプロセス、
真空蒸着・イオンプレーティング・スパッタリング・プ
ラズマＣＶＤなどに代表されるドライプロセスが公知で
あるが、いずれも部材との密着性に難点があり膜剥離問
題に対しては完全に解決するまでには至っていない。一
方、金属部材自身を硬化する方法としてはイオン注入、
イオン窒化、ガス窒化、浸炭などが知られているが、処
理時間が長く生産性に難点があること、処理温度が高い
ため結晶粒が粗大化して表面が粗れ外観品質が劣るなど
の問題がある。

【０００４】筆者らは、これらを解決するためにチタン
およびチタン合金に窒素と酸素の化合物を形成させずに
熱拡散により、窒素と酸素をチタンおよびチタン合金の
内部に拡散、固溶させて表面粗れを生じさせずにチタン
地金色のまま硬化処理することが可能であることを見出
した。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、チタン
およびチタン合金からなる部材に、窒素と酸素を熱拡散
により、拡散、固溶させて表面硬化処理を行う場合、ガ
ス圧力、ガス流量の変動や処理温度のシフトによっては
表面に窒素の化合物である窒化チタンを形成してしまう
ことがある。窒化チタンは黄色い着色物質であり、チタ
ンおよびチタン合金からなる部材表面に窒化チタンが形
成されると結晶粒が粗大化して結晶粒が大きくなり、表
面粗れが発生する。つまり、表面に窒化チタンが形成さ
れると、チタンおよびチタン合金の地金色のままで、表
面粗れが生じていない表面硬化層が得られないという欠
点がある。

【０００６】表面に窒化チタンが形成された場合、鏡面
（ミラ−面）品の場合のには後研磨加工により修正可能
であるが、ヘア−ライン面、ホ−ニング面の場合では修
正が困難であり、全て廃却しなければならず、コストア
ップになってしまう。

【０００７】本発明の目的は、処理条件がシフトし、チ
タンおよびチタン合金からなる部材の表面に着色物質で
ある窒化チタンが形成されたときに、窒化チタンを消失
させ、チタン地金色のままで表面粗れのない部材の表面
と内部が硬化処理されたキズのつきにくい高硬度のチタ
ンおよびチタン合金からなるチタン硬化部材とその硬化
処理方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明において、上記の
課題を解決するため、表面に窒化チタンが形成されたチ
タンおよびチタン合金からなる部材をチタン地金色のま
まで、表面粗れのない硬化処理方法を種々検討した結
果、以下の処理方法を用いることによりチタンおよびチ
タン合金からなる部材の表面と内部を硬化処理すること
が可能であることを見い出した。すなわち、真空槽内
に、表面に窒化チタン層が形成されたチタンまたはチタ
ン合金からなる部材を配置し、高真空排気した後にヘリ
ウムもしくはアルゴンなどの不活性ガスの減圧雰囲気中
で７００〜８００℃の温度で所定時間加熱しチタンおよ
びチタン合金からなる部材の表面に形成されている窒化
チタン層を構成している窒素を表面から内部へ熱拡散に
より拡散、固溶させて、窒素の化合物である窒化チタン
層を消失させ窒素が内部に固溶した硬化層を形成させる
焼鈍硬化処理工程と、ヘリウムもしくはアルゴンなどの
不活性ガスの減圧雰囲気中で常温まで冷却する冷却工程
とからなる工程により処理することを特徴とする処理方
法を採用することによりチタン地金色のまま、表面粗れ
のない硬化処理が可能となる。高真空排気した後にヘリ
ウムもしくはアルゴンなどの不活性ガスを導入した減圧
雰囲気に圧力を調整しているが、これはチタンおよびチ
タン合金が活性な金属であるので不純物成分と反応する
ことを防止するためである。

【０００９】このとき表面粗れを生じさせないことと最
表面での硬度を上昇させるためには、チタンおよびチタ
ン合金からなる部材の表面近傍で窒素が窒化チタン層な
どの化合物を形成することなく、窒素が固溶した硬化層
を形成していることである。このような構成の硬化層を
形成させることにより、表面粗れを生じさせずにチタン
地金色のままでの表面硬化処理が可能となる。

【００１０】図１に本硬化処理方法の工程図を示す。

【００１１】焼鈍硬化処理工程は表面に窒化チタン層が
形成されたチタンおよびチタン合金からなる部材をヘリ
ウムもしくはアルゴンなどの不活性ガスの減圧雰囲気中
で、加熱手段により７００−８００℃の温度で所定時間
保持することを特徴としている。

【００１２】冷却工程は焼鈍硬化処理工程が終了したも
のを、速やかにチタンおよびチタン合金からなる部材を
常温まで冷却させ真空槽内部から取り出すため工程であ
る。

【００１３】本発明において、チタンおよびチタン合金
からなる部材とは、チタンおよびチタン合金製の時計ケ
ース、時計バンド、ピアス、イヤリング、指輪、メガネ
フレームなど装飾用品に適用可能なもの全てを意味する
ものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明においては、表面に窒化チ
タンが形成されたチタンおよびチタン合金からなる部材
をチタン地金色のまま表面粗れのない硬化処理すること
が目的であり、これに対しては、真空槽内に表面に窒化
チタン層が形成されたチタンまたはチタン合金からなる
部材を配置し、高真空排気した後にヘリウムもしくはア
ルゴンなどの不活性ガスの減圧雰囲気中で７００〜８０
０℃の温度で所定時間加熱しチタンおよびチタン合金か
らなる部材の表面に形成された窒化チタン層を構成して
いる窒素を表面から内部へ熱拡散により拡散、固溶させ
て、窒素の化合物である窒化チタン層を消失させ窒素が
内部に固溶した硬化層を形成させる焼鈍硬化処理工程
と、ヘリウムもしくはアルゴンなどの不活性ガスの減圧
雰囲気中で常温まで冷却する冷却工程とからなること特
徴とする処理方法を採ることで、その目的が達成され
る。

【００１５】

【実施例】本発明の実施例を図２、図３を用いて説明す
る。図２はチタンおよびチタン合金からなる部材を硬化
処理するための装置構成を示す模式図で、図３は硬化処
理された部材の構造を示す断面模式図である。ガス導入
口１０とガス排気口１２を備えた真空槽4の内部には、
基材支持台であるトレイ8上に、表面に窒化チタン層が
形成されているチタンおよびチタンからなる部材２と、
チタンおよびチタン合金からな部材２を加熱して活性化
するための加熱手段としてヒーター６が配置されてい
る。真空槽４の内部をガス排気口１２を通じて真空ポン
プ１４により残留ガス雰囲気の影響が排除される１×１
０−５Ｔｏｒｒ以下の圧力まで高真空排気した後、ガス
導入口１０よりヘリウムを導入し圧力を０．２Ｔｏｒｒ
に調整した雰囲気中で、ヒーター６によりチタンおよび
チタン合金からなる部材２を６９０〜８１０℃まで５時
間一定に保持して焼純処理を行い、チタンおよびチタン
合金からなる部材２の表面に形成された窒化チタン層を
構成している窒素１８を熱拡散により、チタンおよびチ
タン合金からなる部材２の表面から内部へ拡散、固溶さ
せて表面硬化層１６を形成した。この後、ヒーター６に
よる加熱を停止し０．２Ｔｏｒｒのヘリウム雰囲気中で
常温まで冷却した。

【００１６】被硬化処理部材には、鏡面外観を有するＪ
ＩＳ規格で定義されたチタン第２種材からなる時計ケー
スを使用し、その表面に窒化チタン層が０．１μm形成
されたものを用いた。上記６９０〜８１０℃の温度範囲
で処理温度を変化させて焼鈍硬化処理した。その後に硬
さ、表面粗れ、表面組織の結晶粒の大きさ、表面上の窒
化チタンの有無を測定評価した。硬さはビッカース硬度
計により測定し、表面から１μｍの深さでのビッカース
硬度Ｈｖ＝７５０以上を合格とした。表面粗れは表面粗
さ計を使用し平均表面粗さＲａを測定し、０．４μｍ以
下を合格とした。結晶粒Ｒｃの大きさは表面の結晶組織
を電子顕微鏡により測定し、６０μｍ以下を合格とし
た。表面での窒化チタン層の有無はX線入射角α＝０．
５°の薄膜X線回折により測定し、窒化チタンのピ−ク
が存在しないものを合格とした。これらの測定結果を表
１に示す。

【００１７】

【表１】

【００１８】試料番号ａ〜ｄはそれぞれ、６９０℃〜８
１０℃まで処理温度を変化させて処理したもので、試料
番号ｅは未処理の純チタン材であり、試料番号fは純チ
タン材に窒化チタン層が０．１μm形成されたものであ
る。

【００１９】表１から明らかなように、試料番号ａは処
理後の平均表面粗さＲａ、結晶粒の大きさＲｃともに未
処理の純チタンと同等で良好であるが、表面から１．０
μｍの深さでの硬さがＨｖ＝６１０と低く充分な硬化層
が形成されていない。また焼鈍硬化処理前に表面に形成
されてあった窒化チタン層の窒素が内部に充分に拡散、
固溶されず表面の窒化チタン層が消失していないためチ
タン地金色のままの硬化処理がなされていない。従って
不合格である。試料番号ｄは表面から１．０μｍの深さ
での硬さがＨｖ＝１０１０と高く、焼鈍硬化処理前に表
面に形成されてあった窒化チタン層の窒素が内部に充分
に拡散、固溶し表面の窒化チタン層が消失していて、チ
タン地金色のままの硬化処理がなされているが、平均表
面粗さがＲａ＝１．０μｍと大きく、また結晶粒もＲｃ
＝６０〜１５０μｍに粗大化し表面粗れが顕著に認めら
れる。従ってこれも不合格である。これらに対し試料番
号ｂとｃは表面から１．０μｍの深さでの硬さがＨｖ＝
７５０〜９００となり表面硬化層が形成されていて、か
つ平均表面粗さがＲａ＝０．２５〜０．４０μｍ、結晶
粒の大きさがＲｃ＝３０〜６０μｍで、未処理の純チタ
ンと比較してほとんど変化がなく、焼鈍硬化処理前に表
面に形成されてあった窒化チタン層の窒素が内部に充分
に拡散、固溶し表面の窒化チタン層が消失していて、チ
タン地金色のままの硬化処理がなされていることが認め
られ、これらは合格である。

【００２０】実施例の結果から、焼鈍硬化処理前に表面
に窒化チタン層が形成されたチタンまたはチタン合金か
らなる部材を配置し、高真空排気した後にヘリウムもし
くはアルゴンなどの不活性ガスを真空槽に導入した減圧
雰囲気中で７００〜８００℃の温度で所定時間加熱し、
チタンおよびチタン合金からなる部材の表面に形成され
た窒化チタンを構成している窒素を表面から内部へ熱拡
散により拡散、固溶させて、窒素の化合物である窒化チ
タン層を消失させ窒素が内部に固溶した硬化層を形成さ
せる焼鈍硬化処理工程と、ヘリウムもしくはアルゴンな
どの不活性ガスの減圧雰囲気中で常温まで冷却する冷却
工程を通すことにより、窒素が固溶した表面硬化層を形
成させ、チタンおよびチタン合金からなる部材の表面を
チタン地金色ままでの表面粗れのない硬化処理が可能と
なった。

【００２１】焼鈍硬化処理工程の処理温度に関しては、
７００℃以下の温度では窒素が充分に固溶しないため硬
化層が形成されずに表面硬度が上昇しないことと、窒素
が内部に拡散、固溶しないため表面の窒化チタン層が消
失しないことから、７００℃以上の温度が必要である。
一方、８００℃以上の処理温度では窒素の拡散速度が大
きく深い硬化層が得られるが、その一方で結晶粒が粗大
化して表面が粗れ外観品質が劣化するため、硬化処理工
程の処理温度は結晶粒が粗大化しない８００℃以下とす
る必要がある。

【００２２】本発明の実施例において、被硬化処理部材
としてチタン第２種材からなる時計ケ−スをを用いた
が、チタンおよびチタン合金からなる部材とは時計ケー
スに限らず、チタンおよびチタン合金製の時計バンド、
ピアス、イヤリング、指輪、メガネフレームなど装飾用
品に適用可能なもの全てを意味するものである。

【００２３】本発明の実施例の焼鈍硬化処理工程と冷却
工程において、実施例はヘリウムの減圧雰囲気中で処理
を行っているが、ヘリウムの減圧雰囲気に限らず、チタ
ンおよびチタン合金からなる部材との反応が発生しない
アルゴン、ネオンなど不活性ガスの減圧雰囲気中や真空
雰囲気中で焼純硬化処理を行ってもかまわない。また圧
力も限定する必要はなく減圧雰囲気であれば任意の圧力
でかまわない。

【００２４】本発明の実施例において、焼鈍硬化処理工
程の処理時間はヘリウムを導入して所定の圧力に調整し
た後、７００〜８００℃の一定温度で５時間保持した
が、焼鈍硬化処理工程の処理時間が２時間以下では表面
から１μｍの深さでのビッカース硬度Ｈｖ＝７５０以上
が得られず、また表面に形成された窒化チタン層を構成
している窒素が内部に充分に拡散、固溶しないため表面
の窒化チタン層が消失しない。一方、焼鈍硬化処理工程
の処理時間が１０時間以上ではビッカース硬度が飽和し
てしまう。従って焼鈍硬化処理工程の処理時間は２〜１
０時間の範囲内ならば任意の時間でよい。

【００２５】本発明においては、表面に着色物質である
窒化チタン層がされた部材を、チタン地金色のまま表面
粗れのない硬化処理するための処理方法を提供すること
が目的であるが、その処理方法は上記方法に限定するこ
とはなく、プラズマを用いても良い。重要なことは、ヘ
リウムもしくはアルゴンなどの不活性ガスの減圧雰囲気
中で焼鈍硬化処理を行い、平均表面粗さがほとんど変化
することなく、さらに結晶粒を粗大化せずに、チタン地
金色のままで窒素が固溶している硬化層を形成させるこ
とにある。

【００２６】本発明において、被硬化処理部材にはチタ
ンおよびチタン合金を用いたが、チタンおよびチタン合
金とは純チタンを主体とする金属部材を意味し、ＪＩＳ
規格で定義されているチタン第１種、チタン第２種、チ
タン第３種などをいう。またチタン合金とは、純チタン
を主体とする金属にアルミニウム、バナジウム、鉄など
を添加した金属部材を意味し、ＪＩＳ規格で定義されて
いるチタン６０種、チタン６０Ｅ種などをいう。この他
にも各種チタン合金および各種チタン基の金属間化合物
がチタン合金に含まれる。

【００２７】

【発明の効果】以上述べてきたように本発明によれば、
表面に窒化チタン層が形成されたチタンまたはチタン合
金からなる部材を配置し、高真空排気した後にヘリウム
もしくはアルゴンなどの不活性ガスを真空槽に導入した
減圧雰囲気中で７００〜８００℃の温度で所定時間加熱
しチタンおよびチタン合金からなる部材の表面に形成さ
れた窒化チタンを構成している窒素を表面から内部へ熱
拡散により拡散、固溶させて、窒素の化合物である窒化
チタン層を消失させ窒素が内部に固溶した硬化層を形成
させた後、ヘリウムもしくはアルゴンなどの不活性ガス
の減圧雰囲気中で常温まで冷却させることにより、チタ
ンおよびチタン合金からなる部材へのチタン地金色のま
まで表面粗れのない硬化処理が可能となった。また、本
発明によって得られた部材はチタン地金色のままの表面
硬化処理が可能であることから、装飾性を高めた実用域
の装飾部材を提供することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における工程図を示す図である。

【図２】本発明の一実施例である部材の硬化処理方法を
説明するための装置構成を示す模式図である。

【図３】本発明の一実施例である部材の構造を示す断面
模式図である。

【符号の説明】

２ チタンおよびチタン合金からなる部材 ４ 真空槽 ６ ヒ−タ− ８ トレイ １０ ガス導入口 １２ ガス排気口 １４ 真空ポンプ １６ 表面硬化層 １８ 窒素

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２２Ｆ 1/00 ６７３ Ｃ２２Ｆ 1/00 ６７３ ６９１ ６９１Ｂ ６９１Ｃ ６９１Ｚ ６９２ ６９２Ｚ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガス導入口とガス排気口とを備えた真空
   槽に加熱手段とトレイと、表面に窒化チタン層が形成さ
   れているチタンまたはチタン合金からなる部材を配置
   し、高真空排気した後にヘリウムもしくはアルゴンなど
   の不活性ガスを該真空槽に導入した減圧雰囲気中で加熱
   手段により７００〜８００℃の温度で所定時間加熱しチ
   タンおよびチタン合金からなる部材の表面に形成されて
   いる窒化チタンを構成している窒素を表面から内部へ熱
   拡散により拡散、固溶させて、窒素の化合物である窒化
   チタン層を消失させ窒素が内部に固溶した硬化層を形成
   させる焼鈍硬化処理工程と、ヘリウムもしくはアルゴン
   などの不活性ガスの減圧雰囲気中で常温まで冷却する冷
   却工程とからなることを特徴とするチタンおよびチタン
   合金からなる部材の硬化処理方法。