JP2000220967A - 部材の硬化処理装置と硬化処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 部材に硬度バラツキを発生させない均一な厚
みを有する表面硬化層を安定的に形成するための硬化処
理装置と硬化処理方法を提供すること。 【解決手段】 真空槽の内部に硬化処理室を配置し、硬
化処理室の外側に真空槽内壁に向けてガス導入口を配置
し、硬化処理室の内部にヒ−タ−とチタンおよびチタン
合金からなる部材を置いたトレイを交互に配置した硬化
処理装置で、高真空排気した後真空雰囲気中で７００〜
８００℃に所定時間加熱し、窒素成分と酸素成分を含有
するガスの減圧雰囲気中で７００〜８００℃に所定時間
加熱し、ヘリウムの減圧不活性ガス雰囲気中で７００〜
８００℃に所定時間保持した後に加熱を停止し常温まで
冷却することにより、部材に硬度バラツキを発生させな
いで均一な厚みを有する表面硬化層を安定的に形成する
ことが可能となる。

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装置と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装置と硬化
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、窒素
と酸素の導入位置や導入方法により窒素と酸素のガス拡
散が不均一になりガス分布ムラが発生する。ガス分布ム
ラが発生するとチタンおよびチタン合金からなる部材近
傍での窒素と酸素ガスの流れが不均一となるため、表面
から内部へ拡散・固溶する窒素と酸素の量が部材の配置
場所によって異なるため表面硬化層の厚みに差が生じて
しまい結果として硬度差が発生する。また加熱手段とチ
タンおよびチタン合金からなる部材の位置関係や放熱に
よって部材が均一に加熱できなくなり加熱ムラが発生す
る。部材への加熱ムラが発生するとチタンおよびチタン
合金からなる部材の配置場所によっては実質的には温度
差が生じていることになり、この温度差によりガス分布
ムラのときと同様に表面から内部へ拡散・固溶する窒素
と酸素の量が部材の配置場所によって異なるため表面硬
化層の厚みに差が生じてしまい結果的に硬度差が発生す
る。すなわち、ガス分布ムラ、加熱分布ムラが生じると
同一バッチ内の処理であっても硬度バラツキが生じてし
まうため、均一な硬化処理が困難となる問題点があっ
た。

【０００６】本発明の目的は、チタンおよびチタン合金
からなる部材の放熱を最小限に抑え、かつ均一に加熱し
加熱ムラを発生させないこと、窒素と酸素を含有する減
圧雰囲気中で窒素と酸素のガスの流れを均一にし、ガス
の分布ムラを発生させないことにより部材に硬度バラツ
キを発生させずに均一な厚みを有する表面硬化層を安定
的に形成するための硬化処理装置と硬化処理方法とを提
供することにある。

【０００７】

【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に、均一な厚みを有する表面硬化層
を安定的に形成するための硬化処理装置と硬化処理方法
を種々検討した結果、以下のような硬化処理装置と硬化
処理方法を採用す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均一に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、ガス導入口と
ガス排気口とを備えた真空槽の内部に硬化処理を行うた
めの硬化処理室を配置し、さらに硬化処理室の外側に真
空槽内壁に向けてガス導入口を配置して、硬化処理室の
内部に加熱手段とチタンおよびチタン合金からなる部材
が載置されたトレイを交互に配設した構成のチタンおよ
びチタン合金からなる部材の硬化処理装置を使用し、真
空槽内部を１×１０‐５Ｔｏｒｒの圧力以下まで高真空
排気した後に、加熱手段とチタンおよびチタン合金から
なる部材の載置されたトレイが交互に配設されている硬
化処理室の内部で、加熱手段によりチタンおよびチタン
合金からなる部材を真空雰囲気中で７００〜８００℃に
所定時間加熱保持する加熱工程と、硬化処理室の外側に
配設したガス導入口から真空槽内壁に向けて窒素成分と
酸素成分を含有するガスを導入した減圧雰囲気中で加熱
工程と同一の温度で所定時間保持する硬化処理工程と、
窒素成分と酸素成分の供給を停止し硬化処理工程と同様
なガスの供給方法によりヘリウムまたはアルゴンなどの
不活性ガスを導入した減圧不活性ガス雰囲気中で硬化処
理工程と同一の温度で所定時間保持した後に加熱手段に
よる加熱を停止し常温まで冷却する冷却工程とからなる
３工程により硬化処理することを特徴とする硬化処理方
法により達成される。

【０００８】放熱を最小限にするためのに、真空槽内に
専用の硬化処理室を設け硬化処理室内のみを加熱手段で
あるヒ−タ−により加熱する構成とした。チタンおよび
チタン合金からなる部材はトレイ上に配置し、ヒ−タ
−、トレイ、ヒ−タ−あるいはヒ−タ−、トレイ、トレ
イ、ヒ−タ−と数段配置する。ヒ−タ−がトレイを直接
加熱することでトレイ上に置かれたチタンまたはチタン
合金からなる部材が均一に加熱され加熱ムラを発生させ
ない。また、硬化処理室の外側からガスを導入するがガ
ス導入口は処理室側に向けるのではなくて真空槽内壁側
に向ける。これは減圧下で真空槽内壁にガスを衝突させ
て真空槽内側でのガスの流れを均一にさせて硬化処理室
内へ均一にガスを浸透させるためである。このように、
ガスの拡散が均一となりガス分布ムラが発生しなくな
る。ガス分布ムラや部材への加熱ムラが解消するので、
チタンおよびチタン合金からなる部材上での硬度分布が
解消し均一な硬化処理が可能となる。

【０００９】図１に本硬化処理における硬化処理装置の
装置構成を示す模式図を示す。ガス導入口１２とガス排
気口１６を備えた真空槽２の内部には硬化処理室４が配
置され、硬化処理室の外側に真空槽２の内壁に向けてガ
ス導入口１２が配置されている。硬化処理室４の内側に
は、基材支持台であるトレイ８上にチタンおよびチタン
合金からなる部材６と、チタンおよびチタン合金からな
る部材６を加熱して活性化するための手段としてヒ−タ
−１０が交互に配設されている。真空槽６の内部をガス
排気口１６を通じて真空ポンプ１８により、残留ガス雰
囲気の影響が排除される１×１０- 5 Ｔｏｒｒ以下の圧
力まで真空排気した後に真空雰囲気中でヒ−タ−１０に
よりチタンおよびチタン合金からなる部材６を７００〜
８００℃まで所定時間加熱してから、ガス導入口１２の
ガス導入弁１４を開け窒素成分と酸素成分を含むガスを
導入した減圧雰囲気中で加熱したときと同一の温度を所
定時間保持して、チタンおよびチタン合金からなる部材
６の表面に窒素と酸素を吸着および拡散させて、チタン
およびチタン合金からなる部材６の表面から内部へ窒素
と酸素を拡散、固溶させ表面硬化層をする。この後、ガ
ス導入口１２のガス導入弁１４を閉じ、ガス排気口１６
を通じて真空ポンプ１８により真空槽２の内部を真空排
気してから、ガス導入口１２のガス導入弁１４を開け不
活性ガスを導入した減圧雰囲気中で硬化処理したときと
同一の温度を所定時間保持した後、ヒ−タ−１０による
加熱を停止し減圧不活性ガス雰囲気中で常温まで冷却し
た。

【００１０】図２は本発明における、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硬化処理方法
の工程を示す図である。本発明における硬化処理方法の
工程は、加熱工程２０、硬化処理工程２２、冷却工程２
４により構成されている。すなわち、真空槽内を１×１
０- 5 Ｔｏｒｒ以下の圧力まで真空排気した後、真空雰
囲気中でチタンおよびチタン合金からなる部材を加熱手
段であるヒ−タ−により７００〜８００℃まで所定時間
加熱処理する加熱工程２０と、窒素成分と酸素成分を含
んだガスを真空槽内部に導入した減圧雰囲気中で加熱工
程２０と同一の温度で所定時間保持し、チタンおよびチ
タン合金からなる部材の表面から内部へ窒素と酸素を拡
散、固溶させ硬化層を形成させる硬化処理工程２２と、
減圧不活性ガス雰囲気中で硬化処理工程２２と同一の温
度で所定時間保持した後に加熱を停止して常温まで冷却
する冷却工程２４とからなる３工程から構成されている
ことを特徴としている。

【００１１】チタンおよびチタン合金からなる部材を７
００〜８００℃まで加熱処理する加熱工程２０は、熱間
鍛造後の研磨加工でチタンおよびチタン合金からなる部
材を加工するときに発生する加工ひずみ層を緩和させる
ことを目的として行うものである。加工ひずみ層は研磨
加工時の応力が格子ひずみとなって残っている状態で結
晶的にはアモルファス相である。研磨加工後のチタンお
よびチタン合金からなる部材に対し加熱処理を行わず硬
化処理を施すと、加工ひずみ層を緩和しながら窒素と酸
素の拡散、固溶を行うことになるため、チタンおよびチ
タン合金からなる部材の最表面では窒素と酸素の反応量
が高くなり、内部へ拡散、固溶する量よりも最表面層で
反応する量の方が大きくなり、結果として最表面に着色
物質である窒化チタンなどの窒化物や二酸化チタンなど
酸化物のが形成される。この着色物質が形成されると外
観品質が低下するため硬化部材として好ましい状態では
ない。従って研磨加工したチタンおよびチタン合金から
なる部材は本発明における硬化処理工程２２を施す前に
加熱工程２０を施す必要がある。

【００１２】硬化処理工程２２は加熱工程２０が終了
後、直ちに窒素成分と酸素成分を含むガスを真空槽内に
導入した雰囲気中で加熱工程２０と同じ加熱状態を所定
時間保持することを特徴としている。硬化処理工程２２
は加熱工程２０が終了後、直ちに窒素成分と酸素成分を
含むガスを真空槽内に導入した減圧雰囲気中で加熱工程
２０と同じ加熱状態を所定時間保持することを特徴とし
ている。

【００１３】図３に鏡面外観を有するＪＩＳ規格で定義
されたチタン第２種材を、９９．５％の窒素に５０００
ｐｐｍ（０．５％）の水蒸気を混合したガス雰囲気中
で、処理温度をパラメ−タ−にとり６３０〜８５０℃変
化させ３時間硬化処理した後の表面から１．０μｍ深さ
でのビッカ−ス硬度を測定した結果を示す。処理温度が
７００℃以下の温度では、ビッカ−ス硬度がＨｖ＝７５
０以下となり充分な硬化処理がなされない。この原因は
７００℃以下の温度ではチタンおよびチタン合金に対し
窒素と酸素が充分に拡散、固溶しないため、硬化層が形
成されず表面硬度が上昇しないからである。一方、処理
温度が８００℃以上では、チタンおよびチタン合金に対
し窒素と酸素の拡散、固溶速度が大きく、深い硬化層が
得られるためビッカ−ス硬度はＨｖ＝１０５０以上とな
るが、処理温度が高いために結晶粒が粗大化して表面粗
れが発生してしまい、処理前の表面状態を維持すること
ができない。従って、本発明における硬化処理工程２２
の温度は７００〜８００℃の範囲内とする必要がある。

【００１４】冷却工程２４は硬化処理工程２２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。冷却工程２４のガス雰囲気を硬化処理工程２２
と同一のガス雰囲気とすると、冷却しながら窒素と酸素
を供給しているため、チタンおよびチタン合金からなる
部材の表面から窒素と酸素が熱拡散しなくなった状態の
後も吸着し続け窒素と酸素が供給過多となり、表面で着
色物である窒化物、酸化物を形成する。これら着色物質
の形成を防止するために冷却工程２４の雰囲気は減圧不
活性ガス雰囲気とする必要がある。

【００１５】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
−ス、時計バンド、ピアス、イアリング、指輪、メガネ
フレ−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。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明においては、チタンおよび
チタン合金からなる部材を均一に加熱し加熱ムラを発生
させないこと、窒素と酸素を含有する減圧雰囲気中で窒
素と酸素のガスの流れを均一にし、ガスの分布ムラを発
生させないことにより部材に硬度バラツキを発生させず
に均一な厚みを有する表面硬化層を安定的に形成するこ
とが目的であり、これに対しては、ガス導入口とガス排
気口とを備えた真空槽の内部に硬化処理を行うための硬
化処理室を配置し、さらに硬化処理室の外側に真空槽内
壁に向けてガス導入口を配置して、硬化処理室の内部に
加熱手段とチタンおよびチタン合金からなる部材が載置
されたトレイを交互に配設した構成のチタンおよびチタ
ン合金からなる部材の硬化処理装置を使用し、真空槽内
部を真空排気した後に硬化処理室の内部の加熱手段によ
りチタンおよびチタン合金からなる部材を真空雰囲気中
で７００〜８００℃に所定時間加熱保持する加熱工程
と、硬化処理室の外側に配設したガス導入口から真空槽
内壁に向けて窒素成分と酸素成分を含有するガスを導入
した減圧雰囲気中で加熱工程と同一の温度で所定時間保
持する硬化処理工程と、窒素成分と酸素成分の供給を停
止し硬化処理工程と同様なガスの供給方法により不活性
ガスを導入した減圧雰囲気中で硬化処理工程と同一の温
度で所定時間保持した後に加熱手段による加熱を停止し
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
硬化処理方法を採ることで、その目的が達成される。

【００１７】

【実施例】（実施例）本発明の実施例を図１、図４を用
いて説明する。図１は本硬化処理おける硬化処理装置の
装置構成を示す模式図で、図４は基材支持台である３０
０ｍｍ×３００ｍｍの大きさのトレイを１００ｍｍ×１
００ｍｍの大きさの領域１〜領域９までの９領域に分割
したものを示す模式図である。ガス導入口１２とガス排
気口１６を備えた真空槽２の内部には硬化処理室４が配
置され、硬化処理室４の外側に真空槽２の内壁に向けて
ガス導入口１２が配置されている。硬化処理室４の内側
には、基材支持台であるトレイ８が４段と加熱手段とし
てヒ−タ−１０が５段交互に配置され、チタンおよびチ
タン合金からなる部材６はトレイ８の全段上の領域１〜
領域９までの全領域３６箇所に配置されている。真空槽
６の内部をガス排気口１６を通じて真空ポンプ１８によ
り、残留ガス雰囲気の影響が排除される１×１０- 5 Ｔ
ｏｒｒ以下の圧力まで真空排気した後に真空雰囲気中で
ヒ−タ−１０によりチタンおよびチタン合金からなる部
材６を７５０℃まで１時間加熱してから、ガス導入口１
２のガス導入弁１４を開け、９９．２％の窒素に８００
０ｐｐｍ（０．８％）の水蒸気を混合させたガスを導入
し、圧力を０．１５Ｔｏｒｒに調整した減圧雰囲気中で
加熱工程と同一の温度７５０℃で３時間保持した後、ガ
ス導入口１２のガス導入弁１４を閉じ、ガス排気口１６
を通じて真空ポンプ１８により真空槽２の内部を真空排
気してから、ガス導入口１２のガス導入弁１４を開けヘ
リウムを導入し圧力を０．１５Ｔｏｒｒに調整した減圧
雰囲気中で硬化処理工程と同一の温度７５０℃で３０分
間保持した後、ヒ−タ−１０による加熱を停止し圧力を
０．１５Ｔｏｒｒに調整したヘリウムの減圧雰囲気中で
常温まで冷却した。

【００１８】チタンおよびチタン合金からなる部材６に
は鏡面外観を有するＪＩＳ規格で定義されたチタン第２
種材からなる時計バンドを使用し、図４に示すトレイ上
の領域１〜領域９までの全領域に配置した。トレイは全
部で４段配置してあるので、段別を識別するために、鉛
直方向に見て最上段にあるトレイを第１段、以下鉛直下
方向に、第２段、第３段、第４段とした。表面硬化処理
後に硬さを測定評価した。硬さはビッカ−ス硬度計によ
り測定し、表面から1μｍの深さでのビッカ−ス硬度Ｈ
ｖ＝７５０以上を合格とした。これらの結果を表１に示
す。

【００１９】

【表１】

【００２０】表１から明らかなように、本実施例では全
段の全領域で表面から１．０μｍでの深さでのビッカ−
ス硬度はＨｖ７５０以上であり、かつ硬度がＨｖ８００
−８８０の範囲内にある。また硬度分布は全平均値Ｈｖ
８３６±５％の範囲内にほぼ全ての値が収まっていて硬
度バラツキは良好で、全段全領域で均一な硬化処理がな
されている。

【００２１】（比較例１）本発明に対する第１の比較例
を図４、図５を用いて説明する。図４は基材支持台であ
る３００ｍｍ×３００ｍｍの大きさのトレイを１００ｍ
ｍ×１００ｍｍの大きさの領域１〜領域９までの９領域
に分割したことを示す模式図で、図５は従来の硬化処理
おける硬化処理装置の装置構成を示す模式図である。ガ
ス導入口３２とガス排気口３６を備えた真空槽２６の内
部には基材支持台であるトレイ２８上の領域１〜領域９
までの９箇所にチタンおよびチタン合金からなる部材６
が配置され、チタンおよびチタン合金からなる部材６を
加熱して活性化するための加熱手段としてヒ−タ−３０
が１段配置されている。真空槽２６の内部をガス排気口
３６を通じて真空ポンプ３８により残留ガス雰囲気の影
響が排除される１×１０- 5 Ｔｏｒｒ以下の圧力まで真
空排気した後に真空雰囲気中でヒ−タ−３０によりチタ
ンおよびチタン合金からなる部材６を７５０℃まで１時
間加熱してから、ガス導入口３２のガス導入弁３４を開
け、９９．２％の窒素に８０００ｐｐｍ（０．８％）の
水蒸気を混合させたガスを導入し、圧力を０．１５Ｔｏ
ｒｒに調整した減圧雰囲気中で加熱工程と同一の温度７
５０℃で３時間保持した後、ガス導入口３２のガス導入
弁３４を閉じ、ガス排気口３６を通じて真空ポンプ３８
により真空槽２６の内部を真空排気してから、ガス導入
口３２のガス導入弁３４を開けヘリウムを導入し圧力を
０．１５Ｔｏｒｒに調整した減圧雰囲気中で硬化処理工
程と同一の温度７５０℃で３０分間保持した後、ヒ−タ
−３０による加熱を停止し圧力を０．１５Ｔｏｒｒに調
整したヘリウムの減圧雰囲気中で常温まで冷却した。

【００２２】チタンおよびチタン合金からなる部材６に
は鏡面外観を有するＪＩＳ規格で定義されたチタン第２
種材からなる時計バンドを使用し、図４に示すトレイ上
の領域１〜領域９までの全領域に配置した。表面硬化処
理後に硬さを測定評価した。硬さはビッカ−ス硬度計に
より測定し、表面から１μｍの深さでのビッカ−ス硬度
Ｈｖ＝７５０以上を合格とした。これらの結果を表２に
示す。

【００２３】

【表２】

【００２４】表２から明らかなように、本比較例１では
全領域で表面から１．０μｍでの深さでのビッカ−ス硬
度がＨｖ７５０以下の値で不合格である。この原因は、
本比較例１では真空槽内に硬化処理室がないので、ヒ−
タ−でチタンおよびチタン合金からなる部材を加熱して
も放熱が多くチタンおよびチタン合金からなる部材を効
果的に加熱できず、窒素と酸素が表面から内部へ充分に
拡散、固溶しなかったためである。従って、本比較例の
ように硬化処理室を設けないものは放熱による熱損失が
大きく、硬化処理を安定的に行うには不適である。

【００２５】（比較例２）本発明に対する第２の比較例
を図４、図６を用いて説明する。図４は基材支持台であ
る３００ｍｍ×３００ｍｍの大きさのトレイを１００ｍ
ｍ×１００ｍｍの大きさの領域１〜領域９までの９領域
に分割したことを示す模式図で、図６は従来の硬化処理
おける硬化処理装置の装置構成を示す模式図である。ガ
ス導入口４８とガス排気口５２を備えた真空槽４０の内
部には硬化処理室４２が配置され、硬化処理室４２の外
側に真空槽４０の内壁に向けてガス導入口４８が配置さ
れている。硬化処理室４２の内側には、加熱手段として
のヒ−タ−４６が上下に２段とその間に基材支持台であ
るトレイ４４が４段配置され、チタンおよびチタン合金
からなる部材６はトレイ４４の全段上の領域１〜領域９
までの全領域３６箇所に配置されている。真空槽４０の
内部をガス排気口５２を通じて真空ポンプ５４により、
残留ガス雰囲気の影響が排除される１×１０- 5 Ｔｏｒ
ｒ以下の圧力まで真空排気した後に真空雰囲気中でヒ−
タ−４６によりチタンおよびチタン合金からなる部材６
を７５０℃まで１時間加熱してから、ガス導入口４８の
ガス導入弁５０を開け、９９．２％の窒素に８０００ｐ
ｐｍ（０．８％）の水蒸気を混合させたガスを導入し、
圧力を０．１５Ｔｏｒｒに調整した減圧雰囲気中で加熱
工程と同一の温度７５０℃で３時間保持した後、ガス導
入口４８のガス導入弁５０を閉じ、ガス排気口５２を通
じて真空ポンプ５４により真空槽４０の内部を真空排気
してから、ガス導入口４８のガス導入弁５０を開けヘリ
ウムを導入し圧力を０．１５Ｔｏｒｒに調整した減圧雰
囲気中で硬化処理工程と同一の温度７５０℃で３０分間
保持した後、ヒ−タ−１０による加熱を停止し圧力を
０．１５Ｔｏｒｒに調整したヘリウムの減圧雰囲気中で
常温まで冷却した。

【００２６】チタンおよびチタン合金からなる部材６に
は鏡面外観を有するＪＩＳ規格で定義されたチタン第２
種材からなる時計バンドを使用し、図４に示すトレイ上
の領域１〜領域９までの全領域に配置した。トレイは全
部で４段配置してあるので、段別を識別するために、鉛
直方向に見て最上段にあるトレイを第１段、以下鉛直下
方向に、第２段、第３段、第４段とした。表面硬化処理
後に硬さを測定評価した。硬さはビッカ−ス硬度計によ
り測定し、表面から1μｍの深さでのビッカ−ス硬度Ｈ
ｖ＝７５０以上を合格とした。これらの結果を表３に示
す。

【００２７】

【表３】

【００２８】表３から明らかなように、本比較例２では
第１段目と第４段目の全領域で表面から１．０μｍでの
深さでのビッカ−ス硬度がＨｖ７５０以上であり、かつ
硬度はＨｖ７５０−８００の範囲内にある。また硬度分
布は第１段目と第４段目の全平均値Ｈｖ７７５±３％の
範囲内に全ての値が収まっていて硬度バラツキは良好で
ある。しかし第２段目と第３段目では、全領域で表面か
ら１．０μｍでの深さでのビッカ−ス硬度がＨｖ７５０
以下の値で不合格である。この原因は、本比較例２では
第２段と第３段のトレイを直接加熱するためのヒ−タ−
が配置されていないので、最上部と最下部に配置された
ヒ−タ−からの輻射熱で加熱していることになるため充
分な輻射熱が得られず、チタンおよびチタン合金からな
る部材を効果的に加熱できずに窒素と酸素が表面から内
部へ充分に拡散、固溶しなかったためである。従って、
本比較例のようにトレイを直接加熱できないような、ト
レイとヒ−タ−の配置構成は不適である。

【００２９】（比較例３）本発明に対する第３の比較例
を図４、図７を用いて説明する。図４は基材支持台であ
る３００ｍｍ×３００ｍｍの大きさのトレイを１００ｍ
ｍ×１００ｍｍの大きさの領域１〜領域９までの９領域
に分割したことを示す模式図で、図７は従来の硬化処理
おける硬化処理装置の装置構成を示す模式図である。ガ
ス導入口６４とガス排気口６８を備えた真空槽５６の内
部には硬化処理室５８が配置されている。硬化処理室５
８の内側には基材支持台であるトレイ６０が４段と加熱
手段としてヒ−タ−６２が５段交互に配置され、チタン
およびチタン合金からなる部材６はトレイ６０の全段上
の領域１〜領域９までの全領域３６箇所に配置されてい
る。またガス導入口６４も硬化処理室５８の内側に配置
されている。真空槽５６の内部をガス排気口６８を通じ
て真空ポンプ７０により残留ガス雰囲気の影響が排除さ
れる１×１０- 5 Ｔｏｒｒ以下の圧力まで真空排気した
後に真空雰囲気中でヒ−タ−６２によりチタンおよびチ
タン合金からなる部材６を７５０℃まで１時間加熱して
から、ガス導入口６４のガス導入弁６６を開け、９９．
２％の窒素に８０００ｐｐｍ（０．８％）の水蒸気を混
合させたガスを導入し、圧力を０．１５Ｔｏｒｒに調整
した減圧雰囲気中で加熱工程と同一の温度７５０℃で３
時間保持した後、ガス導入口６４のガス導入弁６６を閉
じ、ガス排気口６８を通じて真空ポンプ７０により真空
槽５６の内部を真空排気してから、ガス導入口６４のガ
ス導入弁６６を開けヘリウムを導入し圧力を０．１５Ｔ
ｏｒｒに調整した減圧雰囲気中で硬化処理工程と同一の
温度７５０℃で３０分間保持した後、ヒ−タ−６２によ
る加熱を停止し圧力を０．１５Ｔｏｒｒに調整したヘリ
ウムの減圧雰囲気中で常温まで冷却した。

【００３０】チタンおよびチタン合金からなる部材６に
は鏡面外観を有するＪＩＳ規格で定義されたチタン第２
種材からなる時計バンドを使用し、図４に示すトレイ上
の領域１〜領域９までの全領域に配置した。トレイは全
部で４段配置してあるので、段別を識別するために、鉛
直方向に見て最上段にあるトレイを第１段、以下鉛直下
方向に、第２段、第３段、第４段とした。表面硬化処理
後に硬さを測定評価した。硬さはビッカ−ス硬度計によ
り測定し、表面から１μｍの深さでのビッカ−ス硬度Ｈ
ｖ＝７５０以上を合格とした。これらの結果を表４に示
す。

【００３１】

【表４】

【００３２】表４から明らかなように、本比較例３では
第１段目〜第４段目の全ての段で表面から１．０μｍで
の深さでのビッカ−ス硬度がＨｖ７５０以下の領域があ
り、特にトレイ内側の領域５では全段でＨｖ７５０以下
となって不合格である。この原因は、本比較例３ではガ
ス導入口を硬化処理室の内側に配置しているのでガスの
流れに偏りが生じたためで、ガスが供給し易いトレイ外
側領域での硬度が比較的高く、逆にガスが供給しにくい
トレイ内側領域の硬度が低くなっている。従って、本比
較例のように硬化処理室の内側にガス導入口を配置し、
ガスが均一に拡散できないような構成とする装置構成は
不適である。

【００３３】本発明の実施例の結果から、ガス導入口と
ガス排気口とを備えた真空槽の内部に硬化処理を行うた
めの硬化処理室を配置し、さらに硬化処理室の外側に真
空槽内壁に向けてガス導入口を配置して、硬化処理室の
内部に加熱手段とチタンおよびチタン合金からなる部材
が載置されたトレイを交互に配設した構成のチタンおよ
びチタン合金からなる部材の硬化処理装置を使用し、真
空槽内部を１×１０‐５Ｔｏｒｒの圧力以下まで高真空
排気した後に、加熱手段とチタンおよびチタン合金から
なる部材の載置されたトレイが交互に配設されている硬
化処理室の内部で、加熱手段によりチタンおよびチタン
合金からなる部材を真空雰囲気中で７００〜８００℃に
所定時間加熱保持する加熱工程と、硬化処理室の外側に
配設したガス導入口から真空槽内壁に向けて窒素成分と
酸素成分を含有するガスを導入した減圧雰囲気中で加熱
工程と同一の温度で所定時間保持する硬化処理工程と、
窒素成分と酸素成分の供給を停止し硬化処理工程と不活
性ガスを導入した減圧不活性ガス雰囲気中で硬化処理工
程と同一の温度で所定時間保持した後に加熱手段による
加熱を停止し常温まで冷却する冷却工程とからなる工程
により硬化処理することでチタンまたはチタン合金から
なる部材に対し、加熱ムラとガス分布ムラを発生させ
ず、硬度バラツキの発生しない均一な硬化処理が可能と
なった。

【００３４】本発明の実施例の加熱工程において、真空
雰囲気中で加熱手段により７５０℃まで１時間加熱し加
熱処理しているが真空雰囲気に限らず、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ヘリウムや
アルゴンなどの不活性ガスの減圧雰囲気中で加熱処理し
てもかまわない。また加熱時間は１時間に限らず３０分
以上２時間以下であれば任意の時間でよい。

【００３５】本発明の実施例において、硬化処理工程の
処理時間は窒素に水蒸気を混合させたガスを導入して所
定の圧力に調整した後、加熱工程での温度と同一の温度
で３時間保持したが、硬化処理工程の処理時間が１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は飽和してしまうた
め、硬化処理工程の処理時間は１〜１０時間の範囲内な
らば任意の時間でよい。

【００３６】本発明の実施例において、硬化処理工程で
は９９．２％窒素に８０００ｐｐｍ（０．８％）の水蒸
気を添加した混合ガスを用いたが、窒素と酸素の固溶量
を制御するためには、高純度窒素に対し濃度１０００〜
５００００ｐｐｍの分圧の水蒸気を混合させたガスを用
いればよい。

【００３７】本発明の実施例において、冷却工程ではヘ
リウムの減圧雰囲気中で常温まで冷却しているが、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の減圧雰囲気中
あるいは真空雰囲気中で冷却してもかまわない。

【００３８】本発明の実施例において、硬化処理工程で
は窒素に水蒸気を混合したガスを用いたが、ガスは上記
混合ガスに限らず窒素に替えてアンモニアまたはヒドラ
ジンを用いてもよく、水蒸気に替えて酸素、一酸化窒
素、二酸化窒素など酸素成分を含むガスを用いてもよ
い。またこれらにヘリウム、アルゴンなどの不活性ガス
を添加しても差し支えない。

【００３９】本発明の実施例において、硬化処理工程と
冷却工程ではガス雰囲気の圧力を０．１５Ｔｏｒｒとし
たが、圧力は上記数値に限らず減圧状態であれば任意の
圧力でよい。

【００４０】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。

【００４１】

【発明の効果】以上述べてきたように本発明によれば、
真空槽の内部に硬化処理室を配置し、硬化処理室の外側
に真空槽内壁に向けてガス導入口を配置し、硬化処理室
の内部にヒ−タ−とチタンおよびチタン合金からなる部
材を置いたトレイを交互に配置した装置で、高真空排気
した後真空雰囲気中で７００〜８００℃に所定時間加熱
し、窒素成分と酸素成分を含有するガスの減圧雰囲気中
で７００〜８００℃に所定時間加熱し、ヘリウムの減圧
不活性ガス雰囲気中で７００〜８００℃に所定時間保持
した後に加熱を停止し常温まで冷却する硬化処理法によ
りチタンおよびチタン合金からなる部材からの放熱を最
小限に抑え、かつ均一に加熱し加熱ムラを発生させず、
また窒素と酸素のガスの流れを均一にしてガスの分布ム
ラを発生させずに部材に硬度バラツキを発生させない均
一な厚みを有する表面硬化層を安定的に形成することが
可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例である部材の硬化処理装置を示
す模式図である。

【図２】本発明における硬化処理方法の工程を示す図で
ある。

【図３】本発明における処理温度とビッカ−ス硬度の相
関関係を示す図である。

【図４】本発明における基材支持台であるトレイを９領
域に分割したことを示す模式図である。

【図５】従来の硬化処理装置を示す模式図である。

【図６】従来の硬化処理装置を示す模式図である。

【図７】従来の硬化処理装置を示す模式図である。

【符号の説明】

２ 真空槽 ４ 硬化処理室 ６ チタンおよびチタン合金からなる部材 ８ トレイ １０ ヒ−タ− １２ ガス導入口 １４ ガス導入弁 １６ ガス排気口 １８ 真空ポンプ ２０ 加熱工程 ２２ 硬化処理工程 ２４ 冷却工程

───────────────────────────────────────────────────── 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 1/00 ６７３ ６８２ ６８２ ６９１ ６９１Ｂ ６９１Ｚ ６９２ ６９２Ｚ

Claims (2)

【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
   槽本体の内部に硬化処理室を配置し、硬化処理室の外側
   に真空槽内壁に向けてガス導入口と、硬化処理室の内部
   に加熱手段とチタンおよびチタン合金からなる部材が載
   置されたトレイを交互に配設した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装置。
2. 【請求項２】 ガス導入口とガス排気口とを備えた真空
   槽本体の内部に硬化処理室を配置し、真空槽内部を高真
   空排気した後に、加熱手段とチタンおよびチタン合金か
   らなる部材の載置されたトレイが交互に配設されている
   硬化処理室の内部において、加熱手段によりチタンおよ
   びチタン合金からなる部材を真空雰囲気中で７００〜８
   ００℃に所定時間加熱保持する加熱工程と、硬化処理室
   の外側に配設されたガス導入口から真空槽内壁に向けて
   窒素成分と酸素成分を含有するガスを供給した減圧雰囲
   気中で、加熱手段によりチタンおよびチタン合金からな
   る部材を７００〜８００℃に所定時間加熱保持する硬化
   処理工程と、硬化処理室の外側に配設されたガス導入口
   から真空槽内壁に向けてヘリウムまたはアルゴンなどの
   不活性ガスを供給した減圧不活性ガス雰囲気中で、加熱
   手段によりチタンおよびチタン合金からなる部材を硬化
   処理工程と同一の温度で所定時間保持した後にチタンお
   よびチタン合金からなる部材への加熱を停止し常温まで
   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。