JP4776837B2 - ＴｉＡｌ系合金の表面処理方法及びＴｉＡｌ系合金 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＴｉＡｌ系合金の表面処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＴｉＡｌ系金属間化合物（以下、ＴｉＡｌと称する）は、航空機エンジンや、自動車エンジンのターボチャージャーなどへの利用が検討されている。例えば、近年、自動車のＣＯ2 排出規制対応及び省エネルギー化のため、使用温度の高温化に適した軽量なエンジン用ターボチャージャー（過給機）の開発が急がれている。このような次世代の自動車用過給機のローター用材料として、軽くて高温強度に優れたＴｉＡｌ系合金が有望視されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＴｉＡｌは耐高温酸化性の点から使用可能上限温度が９７３Ｋ（７００℃）近傍となっており、適用可能範囲は排ガス温度の低いディーゼルエンジンに限られている。ガソリンエンジン用過給機では使用温度が１０７３〜１１２３Ｋ（８００〜８５０℃）となるので、ＴｉＡｌを適用するためには耐高温酸化性を改善する必要がある。
【０００４】
ＴｉＡｌの耐高温酸化性向上を目的として、これまでに低酸素分圧下熱処理、Ａｌ拡散浸透処理等が試みられているが、いずれも保護性酸化被膜の剥離や表面処理層の割れなどの問題があり、決定的な改善策には至っていないのが現状である。一方、二元系ＴｉＡｌに微量の高融点金属イオンを注入することで耐高温酸化性が大幅に改善されるとの報告がなされているものの、さらなる耐高温酸化性の向上が望まれている。
【０００５】
本発明は、上述する事情に鑑みてなされたものであり、耐高温酸化性を向上させることができるＴｉＡｌ系合金の表面処理方法、及び高い耐高温酸化性を有するＴｉＡｌ系合金を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のＴｉＡｌ系合金の表面処理方法は、ＴｉＡｌ系合金にＮｂ（ニオブ）を含む層とＣ（炭素）を含む層とを有する被膜を形成することを特徴とする。
この場合において、イオン注入により前記被膜を形成するとよい。
また、この場合、室温でＮｂイオンの注入を行う工程と、室温でＣイオンの注入を行う工程とを有するとよい。
上記のＴｉＡｌ系合金の表面処理方法によれば、ＴｉＡｌにＮｂとＣとの双方を含む被膜を形成することにより、ＴｉＡｌの耐高温酸化性を向上させることができる。
【０００７】
また、本発明のＴｉＡｌ系合金は、Ｎｂを含む層とＣを含む層とを有する被膜が形成されていることを特徴とする。
上述したように、ＮｂとＣとを含む被膜が形成されていることから、上記のＴｉＡｌ系合金は、高い耐高温酸化性を有する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳しく説明する。
本発明のＴｉＡｌ系合金の表面処理方法は、イオン注入により、ＴｉＡｌ系合金にＮｂ層とＣ層とを含む被膜を形成する。本例では、室温でＮｂイオンの注入を行った後、室温でＣイオンの注入を行う。
【０００９】
図１は、上記表面処理方法によって被膜が形成されたＴｉＡｌの表面組織の一例を模式的に示している。図１の例では、ＴｉＡｌ基材１０の最表面にＮｂの濃縮した層１１が生成され、その下にＣの濃縮した層１２が生成されている。
【００１０】
図２は、図１に示したＴｉＡｌを高温酸化した際の表面組織の様子の一例を模式的に示している。上記被膜が形成されたＴｉＡｌでは、高温酸化時、ＣとＴｉの濃縮層（Ｔｉ−Ｃ濃縮層）２２と、Ｎｂを含む酸化物層（Ｔｉの酸化物の中にＴｉとＮｂを多く含んだ層）２３とが生成される。図２（ａ）の例では、Ａｌ酸化物層（アルミナ保護被膜）２１の内側にＴｉ−Ｃ濃縮層２２が生成され、その外側にＮｂを含む酸化物層２３とが生成されている。図２（ｂ）の例では、Ａｌ酸化物層（アルミナ保護被膜）２１の内側と外側とにＴｉ−Ｃ濃縮層２２が生成され、最外側にＮｂを含む酸化物層２３とが生成されている。そして、Ｔｉ−Ｃ濃縮層によりＴｉＡｌ基材２０への酸素の拡散が抑制されるとともに、酸化物層中のＮｂにより酸素の透過が抑制され、これらにより、ＴｉＡｌの耐高温酸化性が向上すると考えられる。
【００１１】
ＴｉＡｌ系合金において、Ｖ（バナジウム）を含むことにより、耐高温酸化性が低下する恐れがあるものの、本例のように被膜を形成することで、高い耐高温酸化性を得ることができる。なお、図１または２に示した表面組織の構造は一例であって本発明はこれに限定されない。
【００１２】
【実施例】
次に、Ａｌを４８mol％ 、Ｍｏを０．３〜３mol％ 、Ｖを０．３〜３mol％ 、Ｓｉを０．３〜３mol％ 含有し、残部がＴｉと不可避的不純物からなる組成を有する既存のＴｉＡｌ金属間化合物（以下、ＴｉＡｌ（Ｍｏ-Ｖ-Ｓｉ））の鋳造材を用い、これにＮｂ+ 注入（比較例１）、Ｃ+ 注入（比較例２）、Ｎｂ+ の注入後Ｃ+ 注入（実施例）、Ｍｏ+ の注入後Ｃ+ 注入（比較例３）の４種類のイオン注入を行った。
【００１３】
表１にイオンの注入条件を示す。イオン注入は、試料を真空チャンバ内にセットし、真空度を１．０×１０-6ｔｏｒｒ以下まで真空引きした後、表１に示す各条件で行った。なお、イオン注入の際に、外部による試料加熱または冷却処理は行っていない。
【００１４】
【表１】
【００１５】
イオン注入後の試料について、オージェ電子分光分析装置（ＡＥＳ；Auger Electron Spectroscopy）を用いて、深さ方向の元素濃度分布の分析を行ったところ、比較例１（室温Ｎｂ+ 注入）では、Ｎｂはある深さに濃度ピークを持つほぼガウス分布を示した。比較例２（室温Ｃ+ 注入）では、Ｃ元素はある深さに濃度ピークを持つほぼガウス分布を示した。実施例（室温Ｎｂ+ の注入後室温Ｃ+ 注入）では、Ｎｂ及びＣ元素はそれぞれの単独イオン注入の場合（比較例１，２）とほぼ同様な濃度分布を示し、最表面に数十μｍのＮｂの濃縮した層を生じ、その下にＣの濃縮した層を生じた。すなわち、実施例において、ＴｉＡｌにＮｂ濃縮層とＣ濃縮層とを含む被膜が形成されたことが認められた。
【００１６】
次に、試料の耐高温酸化性を評価するために、自動車の排気ガスを模擬した環境中での繰り返し酸化試験を実施した。試験は、図３に示すような炉内環境を制御できる繰り返し酸化装置を用いた。雰囲気は自動車用排気ガスを模擬した組成（７％ＣＯ2 、６％Ｈ2 Ｏ、１０％０2 、Bal.Ｎ2 ）とした。試験は１１２３Ｋ（８５０℃）×５時間（加熱：１８ｋｓｅｃ）、室温×１時間（冷却：３．６ｋｓｅｃ）のサーマルサイクルを負荷した繰り返し酸化試験とした。繰り返し数は最大１００サイクル（１８００ｋｓｅｃ）とした。繰り返し酸化中に定期的に試料の酸化による重量増加を測定するとともに、試験終了後の試料の外観観察を行った。
【００１７】
上記繰り返し酸化試験の結果を図４に示す。比較例１（室温Ｎｂ+ 注入）では、無注入のＴｉＡｌに比べて１／２以上の酸化増量を生じ、高温酸化抑制効果は十分でなかった。比較例２（室温Ｃ+ 注入）では、無注入のＴｉＡｌと同程度の酸化増量を示し、高温酸化抑制効果は認められなかった。これに対して、実施例（室温Ｎｂ+ の注入後室温Ｃ+ 注入）では、高い高温酸化抑制効果を示し、試験後の外観でも顕著な酸化は観察されなかった。比較例３（室温Ｍｏ+ の注入後室温Ｃ+ 注入）では、無注入のＴｉＡｌに比べて高温酸化速度は減少するものの、実施例（室温Ｎｂ+ の注入後室温Ｃ+ 注入）のような耐高温酸化性の大幅な向上は認められなかった。これは、高温酸化抑制にＮｂとＣの両方の存在が関与していることを示唆している。
【００１８】
また、実施例（室温Ｎｂ+ の注入後室温Ｃ+ 注入）について、１００サイクル（１８００ｋｓｅｃ）の繰り返し酸化試験後、ＡＥＳを用いて、深さ方向の元素濃度分布の分析を行った。その結果を図５に示す。上記試験後、実施例では、Ａｌ酸化物層（アルミナ保護被膜）の外側にＣとＴｉの濃縮層（Ｔｉ−Ｃ濃縮層）が認められ、さらに外側にＮｂを含む酸化物層が認められた。ＮｂとＣの両方の存在が耐高温酸化性にどのように関与しているかは現段階では十分に明らかにされていないものの、Ｔｉ−Ｃ濃縮層により基材への酸素の拡散が抑制されるとともに、表面付近の酸化物層中に含まれるＮｂにより酸素の透過が抑制されていると考えられる。
【００１９】
なお、ＮｂとＣとを含む被膜の効果は上記例に示した組成のＴｉＡｌ系合金に限らず、他の組成のＴｉＡｌや２元系ＴｉＡｌ合金においても成立すると考えられる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の表面処理方法によれば、Ｎｂを含む層とＣを含む層とを有する被膜が形成されることにより、ＴｉＡｌ系合金の耐高温酸化性を向上させることができる。
また、本発明のＴｉＡｌ系合金は、Ｎｂを含む層とＣを含む層とを有する被膜が形成されていることから、高い耐高温酸化性を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の表面処理方法によって被膜が形成されたＴｉＡｌの表面組織の一例を模式的に示す図である。
【図２】 図１に示したＴｉＡｌを高温酸化した際の表面組織の様子の一例を模式的に示す図である。
【図３】 耐高温酸化性を評価するための繰り返し酸化装置を示す図である。
【図４】 繰り返し酸化試験の結果を示す図である。
【図５】 繰り返し酸化試験後のＡＥＳによる深さ方向の元素濃度分布の分析結果を示す図である。
【符号の説明】
１０、２０ ＴｉＡｌ基材
１１ Ｎｂ濃縮層
１２ Ｃ濃縮層
２１ Ａｌ酸化物層
２２ Ｔｉ−Ｃ濃縮層
２３ Ｎｂ含有酸化物層
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＴｉＡｌ系合金の表面処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＴｉＡｌ系金属間化合物（以下、ＴｉＡｌと称する）は、航空機エンジンや、自動車エンジンのターボチャージャーなどへの利用が検討されている。例えば、近年、自動車のＣＯ2 排出規制対応及び省エネルギー化のため、使用温度の高温化に適した軽量なエンジン用ターボチャージャー（過給機）の開発が急がれている。このような次世代の自動車用過給機のローター用材料として、軽くて高温強度に優れたＴｉＡｌ系合金が有望視されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＴｉＡｌは耐高温酸化性の点から使用可能上限温度が９７３Ｋ（７００℃）近傍となっており、適用可能範囲は排ガス温度の低いディーゼルエンジンに限られている。ガソリンエンジン用過給機では使用温度が１０７３〜１１２３Ｋ（８００〜８５０℃）となるので、ＴｉＡｌを適用するためには耐高温酸化性を改善する必要がある。
【０００４】
ＴｉＡｌの耐高温酸化性向上を目的として、これまでに低酸素分圧下熱処理、Ａｌ拡散浸透処理等が試みられているが、いずれも保護性酸化被膜の剥離や表面処理層の割れなどの問題があり、決定的な改善策には至っていないのが現状である。一方、二元系ＴｉＡｌに微量の高融点金属イオンを注入することで耐高温酸化性が大幅に改善されるとの報告がなされているものの、さらなる耐高温酸化性の向上が望まれている。
【０００５】
本発明は、上述する事情に鑑みてなされたものであり、耐高温酸化性を向上させることができるＴｉＡｌ系合金の表面処理方法、及び高い耐高温酸化性を有するＴｉＡｌ系合金を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のＴｉＡｌ系合金の表面処理方法は、ＴｉＡｌ系合金にＮｂ（ニオブ）を含む層とＣ（炭素）を含む層とを有する被膜を形成することを特徴とする。
この場合において、イオン注入により前記被膜を形成するとよい。
また、この場合、室温でＮｂイオンの注入を行う工程と、室温でＣイオンの注入を行う工程とを有するとよい。
上記のＴｉＡｌ系合金の表面処理方法によれば、ＴｉＡｌにＮｂとＣとの双方を含む被膜を形成することにより、ＴｉＡｌの耐高温酸化性を向上させることができる。
【０００７】
また、本発明のＴｉＡｌ系合金は、Ｎｂを含む層とＣを含む層とを有する被膜が形成されていることを特徴とする。
上述したように、ＮｂとＣとを含む被膜が形成されていることから、上記のＴｉＡｌ系合金は、高い耐高温酸化性を有する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳しく説明する。
本発明のＴｉＡｌ系合金の表面処理方法は、イオン注入により、ＴｉＡｌ系合金にＮｂ層とＣ層とを含む被膜を形成する。本例では、室温でＮｂイオンの注入を行った後、室温でＣイオンの注入を行う。
【０００９】
図１は、上記表面処理方法によって被膜が形成されたＴｉＡｌの表面組織の一例を模式的に示している。図１の例では、ＴｉＡｌ基材１０の最表面にＮｂの濃縮した層１１が生成され、その下にＣの濃縮した層１２が生成されている。
【００１０】
図２は、図１に示したＴｉＡｌを高温酸化した際の表面組織の様子の一例を模式的に示している。上記被膜が形成されたＴｉＡｌでは、高温酸化時、ＣとＴｉの濃縮層（Ｔｉ−Ｃ濃縮層）２２と、Ｎｂを含む酸化物層（Ｔｉの酸化物の中にＴｉとＮｂを多く含んだ層）２３とが生成される。図２（ａ）の例では、Ａｌ酸化物層（アルミナ保護被膜）２１の内側にＴｉ−Ｃ濃縮層２２が生成され、その外側にＮｂを含む酸化物層２３とが生成されている。図２（ｂ）の例では、Ａｌ酸化物層（アルミナ保護被膜）２１の内側と外側とにＴｉ−Ｃ濃縮層２２が生成され、最外側にＮｂを含む酸化物層２３とが生成されている。そして、Ｔｉ−Ｃ濃縮層によりＴｉＡｌ基材２０への酸素の拡散が抑制されるとともに、酸化物層中のＮｂにより酸素の透過が抑制され、これらにより、ＴｉＡｌの耐高温酸化性が向上すると考えられる。
【００１１】
ＴｉＡｌ系合金において、Ｖ（バナジウム）を含むことにより、耐高温酸化性が低下する恐れがあるものの、本例のように被膜を形成することで、高い耐高温酸化性を得ることができる。なお、図１または２に示した表面組織の構造は一例であって本発明はこれに限定されない。
【００１２】
【実施例】
次に、Ａｌを４８mol％ 、Ｍｏを０．３〜３mol％ 、Ｖを０．３〜３mol％ 、Ｓｉを０．３〜３mol％ 含有し、残部がＴｉと不可避的不純物からなる組成を有する既存のＴｉＡｌ金属間化合物（以下、ＴｉＡｌ（Ｍｏ-Ｖ-Ｓｉ））の鋳造材を用い、これにＮｂ+ 注入（比較例１）、Ｃ+ 注入（比較例２）、Ｎｂ+ の注入後Ｃ+ 注入（実施例）、Ｍｏ+ の注入後Ｃ+ 注入（比較例３）の４種類のイオン注入を行った。
【００１３】
表１にイオンの注入条件を示す。イオン注入は、試料を真空チャンバ内にセットし、真空度を１．０×１０-6ｔｏｒｒ以下まで真空引きした後、表１に示す各条件で行った。なお、イオン注入の際に、外部による試料加熱または冷却処理は行っていない。
【００１４】
【表１】
イオン注入後の試料について、オージェ電子分光分析装置（ＡＥＳ；Auger Electron Spectroscopy）を用いて、深さ方向の元素濃度分布の分析を行ったところ、比較例１（室温Ｎｂ+ 注入）では、Ｎｂはある深さに濃度ピークを持つほぼガウス分布を示した。比較例２（室温Ｃ+ 注入）では、Ｃ元素はある深さに濃度ピークを持つほぼガウス分布を示した。実施例（室温Ｎｂ+ の注入後室温Ｃ+ 注入）では、Ｎｂ及びＣ元素はそれぞれの単独イオン注入の場合（比較例１，２）とほぼ同様な濃度分布を示し、最表面に数十μｍのＮｂの濃縮した層を生じ、その下にＣの濃縮した層を生じた。すなわち、実施例において、ＴｉＡｌにＮｂ濃縮層とＣ濃縮層とを含む被膜が形成されたことが認められた。
【００１６】
次に、試料の耐高温酸化性を評価するために、自動車の排気ガスを模擬した環境中での繰り返し酸化試験を実施した。試験は、図３に示すような炉内環境を制御できる繰り返し酸化装置を用いた。雰囲気は自動車用排気ガスを模擬した組成（７％ＣＯ2 、６％Ｈ2 Ｏ、１０％０2 、Bal.Ｎ2 ）とした。試験は１１２３Ｋ（８５０℃）×５時間（加熱：１８ｋｓｅｃ）、室温×１時間（冷却：３．６ｋｓｅｃ）のサーマルサイクルを負荷した繰り返し酸化試験とした。繰り返し数は最大１００サイクル（１８００ｋｓｅｃ）とした。繰り返し酸化中に定期的に試料の酸化による重量増加を測定するとともに、試験終了後の試料の外観観察を行った。
【００１７】
上記繰り返し酸化試験の結果を図４に示す。比較例１（室温Ｎｂ+ 注入）では、無注入のＴｉＡｌに比べて１／２以上の酸化増量を生じ、高温酸化抑制効果は十分でなかった。比較例２（室温Ｃ+ 注入）では、無注入のＴｉＡｌと同程度の酸化増量を示し、高温酸化抑制効果は認められなかった。これに対して、実施例（室温Ｎｂ+ の注入後室温Ｃ+ 注入）では、高い高温酸化抑制効果を示し、試験後の外観でも顕著な酸化は観察されなかった。比較例３（室温Ｍｏ+ の注入後室温Ｃ+ 注入）では、無注入のＴｉＡｌに比べて高温酸化速度は減少するものの、実施例（室温Ｎｂ+ の注入後室温Ｃ+ 注入）のような耐高温酸化性の大幅な向上は認められなかった。これは、高温酸化抑制にＮｂとＣの両方の存在が関与していることを示唆している。
【００１８】
また、実施例（室温Ｎｂ+ の注入後室温Ｃ+ 注入）について、１００サイクル（１８００ｋｓｅｃ）の繰り返し酸化試験後、ＡＥＳを用いて、深さ方向の元素濃度分布の分析を行った。その結果を図５に示す。上記試験後、実施例では、Ａｌ酸化物層（アルミナ保護被膜）の外側にＣとＴｉの濃縮層（Ｔｉ−Ｃ濃縮層）が認められ、さらに外側にＮｂを含む酸化物層が認められた。ＮｂとＣの両方の存在が耐高温酸化性にどのように関与しているかは現段階では十分に明らかにされていないものの、Ｔｉ−Ｃ濃縮層により基材への酸素の拡散が抑制されるとともに、表面付近の酸化物層中に含まれるＮｂにより酸素の透過が抑制されていると考えられる。
【００１９】
なお、ＮｂとＣとを含む被膜の効果は上記例に示した組成のＴｉＡｌ系合金に限らず、他の組成のＴｉＡｌや２元系ＴｉＡｌ合金においても成立すると考えられる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の表面処理方法によれば、Ｎｂを含む層とＣを含む層とを有する被膜が形成されることにより、ＴｉＡｌ系合金の耐高温酸化性を向上させることができる。
また、本発明のＴｉＡｌ系合金は、Ｎｂを含む層とＣを含む層とを有する被膜が形成されていることから、高い耐高温酸化性を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の表面処理方法によって被膜が形成されたＴｉＡｌの表面組織の一例を模式的に示す図である。
【図２】 図１に示したＴｉＡｌを高温酸化した際の表面組織の様子の一例を模式的に示す図である。
【図３】 耐高温酸化性を評価するための繰り返し酸化装置を示す図である。
【図４】 繰り返し酸化試験の結果を示す図である。
【図５】 繰り返し酸化試験後のＡＥＳによる深さ方向の元素濃度分布の分析結果を示す図である。
【符号の説明】
１０、２０ ＴｉＡｌ基材
１１ Ｎｂ濃縮層
１２ Ｃ濃縮層
２１ Ａｌ酸化物層
２２ Ｔｉ−Ｃ濃縮層
２３ Ｎｂ含有酸化物層
Claims (4)
- ＴｉＡｌ系合金にＮｂを含む層とＣを含む層とを有する被膜を形成することを特徴とするＴｉＡｌ系合金の表面処理方法。
- イオン注入により前記被膜を形成することを特徴とする請求項１に記載のＴｉＡｌ系合金の表面処理方法。
- 室温でＮｂイオンの注入を行う工程と、室温でＣイオンの注入を行う工程とを有することを特徴とする請求項２に記載のＴｉＡｌ系合金の表面処理方法。
- Ｎｂを含む層とＣを含む層とを有する被膜が形成されていることを特徴とするＴｉＡｌ系合金。
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|---|---|---|---|
| JP2001297029A JP4776837B2 (ja) | 2001-09-27 | 2001-09-27 | ＴｉＡｌ系合金の表面処理方法及びＴｉＡｌ系合金 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001297029A JP4776837B2 (ja) | 2001-09-27 | 2001-09-27 | ＴｉＡｌ系合金の表面処理方法及びＴｉＡｌ系合金 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003105539A JP2003105539A (ja) | 2003-04-09 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001297029A Expired - Fee Related JP4776837B2 (ja) | 2001-09-27 | 2001-09-27 | ＴｉＡｌ系合金の表面処理方法及びＴｉＡｌ系合金 |
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| Country | Link |
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2001
- 2001-09-27 JP JP2001297029A patent/JP4776837B2/ja not_active Expired - Fee Related
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