JP2972878B1 - チタン酸化物の厚被膜を有するチタン系金属材料及びその製造方法 - Google Patents

チタン酸化物の厚被膜を有するチタン系金属材料及びその製造方法

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Abstract

【要約】 【課題】 充分な膜厚を有し、かつ基材であるチタン系
金属材料に強固に密着した酸化物被膜を有するチタン系
金属材料及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 表面の少なくとも一部に厚さ10〜15
0μmのチタン酸化物被膜を有するチタン系金属材料。
チタン酸化物被膜を有するチタン系金属材料の製造方法
において、チタン系金属材料を大気中で加熱して該材料
の表面の少なくとも一部に厚さ5μm以上のチタン酸化
物被膜を形成した後、不活性気体を作動気体とする高周
波誘導熱プラズマで加熱することを特徴とする前記方
法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電子材料、触媒及
び吸着材などの広範囲の分野において有利に用いられる
チタン酸化物の厚被膜を有するチタン系金属材料及びそ
の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】チタンやチタン合金からなるチタン系金
属の材料の表面は、常温常圧で、緻密で、且つ非常に薄
いチタン酸化物膜に覆われ、これがチタン系金属材料に
耐食性を付与している。650℃以上の温度では、この
酸化物膜が厚くなるが、膜厚の増加に伴い、被膜が剥離
しやすくなる、チタン系金属材料に密着した酸化物膜を
得るには、適当な電解液中でアノード酸化する方法が知
られている。しかし、この方法でも、得られる酸化物膜
は、膜厚1μmにも満たない干渉膜である。火花放電を
伴う特殊な電解酸化でもその膜厚は8μm程度である。
従って、従来の技術では、チタン酸化物が持つ優れた機
能を充分に発揮する膜厚のチタン酸化物被膜は得られな
い。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、充分な膜厚
を有し、かつ基材であるチタン系金属材料に強固に密着
した酸化物被膜を有するチタン系金属材料及びその製造
方法を提供することをその課題とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記課題
を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成する
に至った。即ち、本発明によれば、表面の少なくとも一
部に厚さ10〜150μmのチタン酸化物被膜を有する
チタン系金属材料が提供される。また、本発明によれ
ば、チタン酸化物被膜を有するチタン系金属材料の製造
方法において、チタン系金属材料を大気中で加熱して該
材料の表面の少なくとも一部に厚さ5μm以上のチタン
酸化物被膜を形成した後、不活性気体を作動気体とする
高周波誘導熱プラズマで加熱することを特徴とする前記
方法が提供される。
【0005】
【発明の実施の形態】本発明で被処理原料として用いる
チタン系金属材料(以下、単に材料とも言う)には、チ
タン及びチタンを主成分とするチタン合金が包含され
る。チタン合金としては、(i)チタンと(ii)アルミ
ニウム、スズ、バナジウム、マンガン等の金属の1種又
は2種との合金が挙げられる。チタン合金中のチタン含
有量は、通常、80重量%以上、好ましくは85重量%
以上である。材料の形状は、特に制約されず、線状、板
状、ブロック状、容器状等の各種の形状であることがで
きる。また、材料表面は、微細凹凸面に形成することが
好ましく、これにより、材料に強固に結合したチタン酸
化物被膜を形成させることができる。この微細凹凸面
は、ブラスト法やケミカルエッチング法等の慣用の方法
により形成し得るが、好ましくはブラスト法が用いられ
る。材料表面に形成する凹凸面の表面粗さは、中心線平
均粗さで、0.1〜50μm、好ましくは0.5〜20
μmである。
【0006】本発明によるチタン酸化物被膜(以下、単
に酸化物被膜とも言う)を有する材料を得るには、先
ず、大気中において被処理原料としてのチタン系金属材
料を加熱する。この場合の加熱温度としては、600〜
1100℃、好ましくは800〜1000℃の温度が用
いられる。このような大気中での加熱により、その材料
表面にはチタン酸化物からなる少なくとも5μm、好ま
しくは10μm以上の厚膜が形成される。加熱温度が前
記範囲より低くなると、酸化物被膜が実用的速度で成長
しなくなり、一方、前記範囲より高くなると、基材であ
るチタン系金属材料とその表面に形成される酸化物被膜
との間の熱膨張差が大きくなるためにその被膜が剥離し
やすくなる。材料表面に形成する酸化物被膜の厚さは、
5〜200μm、好ましくは10〜150μmである。
【0007】適切な加熱時間は、その温度と目的とする
酸化物被膜の厚さとにより異なるが、0.5から8時間
が望ましい。アノード酸化による干渉膜よりも少し厚い
程度の酸化物被膜の形成は容易であり、その形成のため
の加熱時間が短いでの、加熱温度は前記の範囲内であれ
ば問題はない。酸化物被膜の厚さは加熱時間の長短で調
節可能なことから、一般的には、900℃前後の温度の
使用が好ましい。また、材料を大気下で所定温度まで加
熱する場合に、出来るだけ徐々に昇温することが望まし
い。更に、その加熱後に冷却する場合には、特に注意深
く徐冷する必要がある。これは、材料表面に形成・付着
した酸化物被膜が、急激な温度変化により、剥離してし
まうのを防止するためである。
【0008】前記のようにして得られる表面に酸化物被
膜を有する材料は、次いで、不活性気体を作動気体とす
る高周波誘導熱プラズマで加熱する。高周波誘導熱プラ
ズマの作動気体となる不活性気体としては、周期律表1
8族のいわゆる希ガスが用いられ、通常アルゴンが使用
される。一般的には窒素は不活性気体として取扱れる
が、プラズマ中では活性であり、チタンとは窒化物を形
成するので、本発明での作動気体としては用いられな
い。不活性気体を作動気体とする高周波誘導熱プラズマ
で加熱する際の加熱温度は、800〜1050℃の範囲
が適している。800℃より低い温度では、材料に対す
る酸化物被膜の結合力の向上が少なく、一方、1050
℃より高い温度では、生成した酸化物被膜の分解が生じ
るようになる。これは、酸素を含む大気中で加熱した場
合は、酸化が進行するが、高温で且つ酸素の無いプラズ
マによる加熱では逆に酸化物が分解するためである。前
記高周波誘導熱プラズマによる加熱により、既に大気中
での加熱により材料表面に形成された厚膜の酸化物被膜
が、材料表面に強固に付着するようになる。この酸化物
被膜の厚さは、通常、5〜200μmであり、好ましく
は10〜150μmである。この膜厚は、大気中での加
熱により形成した膜の厚さにほぼ等しく、加熱温度や加
熱時間等により若干減少する。なお、本発明で用いる高
周波誘導熱プラズマ発生装置は従来公知の装置であり、
本発明では、市販装置をそのまま用いることができる。
【0009】本発明において、既に大気中での加熱によ
り材料表面に形成された膜厚の酸化物被膜が、高周波誘
導熱プラズマでの加熱により、該材料に強固に密着する
ように変化する事実は明白に確認されているが、その機
構は確立してはいない。しかし、一般的には、次のよう
に説明できる。急速に10,000℃以上の高温となっ
て膨張する熱プラズマは、大気中での加熱により形成さ
れた膜厚の酸化物被膜を、材料表面に強く押し付けつつ
加熱する。この場合の酸化物被膜と材料表面との境界で
は、酸化物被膜の部分的分解が起こり酸化の程度の低い
酸化物となり、材料表面ではその分解で生成した酸素に
よる酸化が起こり弱く酸化された金属となる。このよう
にして、境界では、金属である基体の材料から被膜であ
る酸化物へと連続的に組成が変わる。すると、酸化物被
膜と材料との熱膨張差による両者の境界での応力も著し
く軽減される。従って、酸化物被膜は該材料に強固に密
着する。
【0010】
【実施例】以下に本発明を実施例により、更に詳細・具
体的に説明する。実施例1 厚さ1mmの市販純チタン板から22mm×22mmに
切り出した片を基板とした。この片面を、#80のコラ
ンダムでブラストして、均一に荒した。この基板4片
を、アセトン中で超音波洗浄し、大気中、電気炉で約1
時間半を要して885℃に加熱し、この温度に6時間保
持した後、炉の蓋を閉めた状態で放冷した。各試料片の
全面は僅かに黄色味を帯びた白色になり、その重量増加
量は162mgから169mgであった。これらの片の
内の1片を、ブラスト処理した面がアルゴンを作動気体
とする高周波誘導熱プラズマに当たるように加熱した。
この時、基板を熱電対が埋められたアルミナ多孔体上に
置き、熱プラズマが当たる基板面の裏に熱電対の測温接
点を接触させ、温度を測定した。用いたプラズマ発生装
置は、日本高周波株式会社製、周波数4MHz、最大出
力20kWの装置である。その作動条件は次のとおりで
ある。作動気体流量:61.2dm3min-1、高周波
誘導コイル中央−ブラスト処理面の間隔すなわち熔射距
離:25cm。高周波誘導コイルに印加する電力を次第
に増加し、基板温度が500℃までは100℃mi
-1、1,000℃近くでは30℃min-1程度の昇温
速度になるようにした。基板温度約1,000℃を保持
するように印加電力を5分間調節した後、100℃mi
-1程度で約500℃まで降温させ、以下は自然冷却と
した。
【0011】以上の高周波誘導熱プラズマによる加熱に
より、試料片の全面は青味を帯びた灰色に変わった。試
料片の重量変化は殆どなく、この酸化物被膜の厚さは1
50μmであった。得られた酸化物被膜を有するチタン
の試料片は、これを治貝で締め付け、ダイヤモンドソー
で分割しても、その酸化物被膜が剥離したり、膜に亀裂
を生じなかった。
【0012】比較例1 比較のため、アルゴン気流中で、実施例1において大気
中、885℃で6時間に加熱した他の1片を加熱処理し
た。この加熱処理は、昇温速度30℃min-1、基板温
度1,000℃で8分間保持し、降温速度30℃min
-1の条件で行った。このアルゴン気流中での加熱でも、
実施例1の高周波誘導熱プラズマによる加熱と同様に、
試料片は青味を帯びた灰色に変わり、その重量変化も殆
ど無かった。しかし、酸化物被膜は、ブラスト処理面で
は一部を残し、ブラスト処理してない裏面では全面がチ
タン基材から剥離した。裏面から剥離した酸化物被膜
は、22mm×22mmの形状を保ち、そのままX線回
折を行なった。その結果、この膜は若干歪んだルチル結
晶より成ると同定された。膜厚は、重量から計算では
0.11mm、マイクロメーターによる計測では0.1
4〜0.17mmであった。
【0013】実施例2 市販の厚さ2mmの6重量%アルミニウム−4重量%バ
ナジウム−90重量%チタンからなるチタン合金板から
10.75mm×10.75mmに切り出した片を基板
とした。実施例1と同様に、この片面を#80のコラン
ダムでブラストして、均一に荒した後、アセトン中で超
音波洗浄した。この基板4片を大気中、電気炉で約2時
間半を要して1,000℃に加熱し、この温度で1時間
保持した後、炉の蓋を閉めた状態で放冷した。各試料片
は実施例1と同様に、全面が僅かに黄色味を帯びた白色
になり、その重量増加量は45mgから48mgであっ
た。この基板4片を実施例1と同様に、高周波誘導熱プ
ラズマで加熱した。但し、基板温度1,010から1,
030℃を保持するように印加電力を9分間調節した。
得られた酸化物被膜を有するチタン合金の試料片の外観
は、実施例1と全く同様であった。しかし、試料片の重
量が3〜9mg減少した。被膜の基板への密着性は良好
で、通常の取扱では剥離することはなかった。また、そ
の酸化物被膜の厚さは100μmであった。
【0014】
【発明の効果】本発明によれば、チタン系金属材料表面
に密着した堅牢且つ緻密な膜厚酸化物被覆が得られる。
特に、10〜150μm程度の厚膜のチタン酸化物被膜
を形成することができる。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−237816(JP,A) 特開 平9−41120(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C23C 8/10 - 8/12 C23C 8/80

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 チタン系金属材料を大気中で600〜1
    100℃に加熱して該材料の表面の少なくとも一部に厚
    さ5〜200μmのチタン酸化物被膜を形成した後、周
    期律表18族の希ガスを作動気体とする高周波誘導熱プ
    ラズマで800〜1050℃に加熱することを特徴とす
    るチタン酸化物被膜を有するチタン系金属材料の製造方
    法。
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