JP6394475B2 - Titanium member and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、耐酸化性と耐水素吸収性に優れたチタン部材およびチタン部材の製造方法に関する。   The present invention relates to a titanium member excellent in oxidation resistance and hydrogen absorption resistance and a method for producing the titanium member.

チタンは、軽量で高比強度であり、優れた耐熱性を有している。このため、チタンまたはチタン合金からなるチタン部材は、航空機、自動車、民生品等の広範な分野で利用されている。
従来、耐熱性の要求されるチタン部材においては、例えば、自動車の内燃機関近傍又は排気装置などの各用途に応じた要求に対応するチタン合金が用いられてきた。
Titanium is lightweight, has high specific strength, and has excellent heat resistance. For this reason, titanium members made of titanium or titanium alloys are used in a wide range of fields such as aircraft, automobiles, and consumer products.
Conventionally, in a titanium member requiring heat resistance, for example, a titanium alloy corresponding to a request corresponding to each application such as the vicinity of an internal combustion engine of an automobile or an exhaust device has been used.

例えば、自動車の内燃機関の排気管では、排気管に接触する排気ガスの温度が800℃程度の高温に達するため、十分な耐熱性が要求される。また、自動車の内燃機関の排気管の材料として使用されるチタン合金には、純チタンに近い室温加工性が要求される。このため、Al、Si、Cuなどの合金元素を合計で3質量%程度含有するチタン合金が用いられてきた。
しかし、上記のチタン合金を用いて製造されたチタン部材は、高温での耐酸化性および耐水素吸収性が不十分であり、耐酸化性および耐水素吸収性をより一層向上させることが要求されている。
For example, in an exhaust pipe of an internal combustion engine of an automobile, the temperature of exhaust gas in contact with the exhaust pipe reaches a high temperature of about 800 ° C., so that sufficient heat resistance is required. Further, a titanium alloy used as a material for an exhaust pipe of an automobile internal combustion engine is required to have room temperature workability close to that of pure titanium. For this reason, titanium alloys containing a total of about 3% by mass of alloy elements such as Al, Si, and Cu have been used.
However, titanium members manufactured using the above titanium alloys have insufficient oxidation resistance and hydrogen absorption resistance at high temperatures, and are required to further improve oxidation resistance and hydrogen absorption resistance. ing.

チタン合金の耐酸化性を向上させる方法としては、例えば、Al、Siなどの合金元素を添加する方法がある。この方法を用いる場合には、チタン合金となる素材インゴットを製造する段階で、Alおよび/またはSiなどの合金元素を添加する。しかし、チタン合金の耐酸化性を向上させるために、素材インゴットを製造する段階で多量の合金元素を添加すると、その後の工程における加工性が著しく低下する。このため、チタン部材の製造コストが増加するという不都合がある。   As a method for improving the oxidation resistance of the titanium alloy, for example, there is a method of adding an alloy element such as Al or Si. When this method is used, an alloy element such as Al and / or Si is added at the stage of manufacturing a material ingot to be a titanium alloy. However, if a large amount of alloy element is added at the stage of producing the raw material ingot in order to improve the oxidation resistance of the titanium alloy, the workability in the subsequent steps is significantly lowered. For this reason, there exists a problem that the manufacturing cost of a titanium member increases.

また、チタン部材の耐酸化性を向上させるために、チタンを含むマトリックス中に、2μm未満の最大寸法を有するホウ化チタン粒子が分散した複合材料を用いることが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
しかし、特許文献1に記載の複合材料では、耐酸化性が不十分であった。また、特許文献1に記載の複合材料は、粉末冶金法によって製造するため、製造コストが高く、材質が限定されるという不都合もあった。
In order to improve the oxidation resistance of the titanium member, it has been proposed to use a composite material in which titanium boride particles having a maximum dimension of less than 2 μm are dispersed in a matrix containing titanium (for example, Patent Documents). 1).
However, the composite material described in Patent Document 1 has insufficient oxidation resistance. Moreover, since the composite material described in Patent Document 1 is manufactured by a powder metallurgy method, the manufacturing cost is high and the material is limited.

また、チタン部材の耐酸化性を向上させる他の方法として、以下に示すように、チタン又はチタン合金で形成されたチタン材の表面に、耐酸化性を有する皮膜を形成する方法がある。
例えば、特許文献2には、チタン材の表面にアルミニウム粉末と液状バインダを混合したものを塗布し、400℃程度の温度で焼成し、酸素バリヤ被膜を形成する表面処理方法が開示されている。
As another method for improving the oxidation resistance of the titanium member, there is a method of forming a film having oxidation resistance on the surface of a titanium material formed of titanium or a titanium alloy as shown below.
For example, Patent Document 2 discloses a surface treatment method in which a mixture of aluminum powder and a liquid binder is applied to the surface of a titanium material, and is fired at a temperature of about 400 ° C. to form an oxygen barrier film.

また、特許文献3には、純チタンまたはチタン基合金よりなる基材上に、10at%以下のSiを含むAl合金粒子又は純Al粒子、並びにシリコーン樹脂を含む溶液を塗布して、焼成温度200〜400℃で焼成した焼成被覆層が形成された表面処理チタン材で構成されたエンジン排気管が開示されている。
特許文献4には、チタンまたはチタン合金からなる基材上を覆う皮膜として形成されている、少なくともチタン、硼素、および窒素を含有する導電性耐食材料が開示されている。
Further, in Patent Document 3, a solution containing Al alloy particles or pure Al particles containing Si of 10 at% or less and a silicone resin is applied onto a substrate made of pure titanium or a titanium-based alloy, and a firing temperature of 200 An engine exhaust pipe made of a surface-treated titanium material having a fired coating layer fired at ˜400 ° C. is disclosed.
Patent Document 4 discloses a conductive corrosion-resistant material containing at least titanium, boron, and nitrogen, which is formed as a film covering a substrate made of titanium or a titanium alloy.

特許文献5には、最下層がAl、Cr、Ti、Siから選択される1種以上の窒化物であり、中間層がAl、Cr、Ti、Siから選択される1種以上の金属元素とN、B、C、Oから選択される1種以上の元素との化合物であり、最上層がTi、Siから選択される金属元素とN、S、C、Bから選択される1種以上の元素との化合物からなる硬質皮膜が形成された超高合金製エンドミルが開示されている。   In Patent Document 5, the lowermost layer is one or more nitrides selected from Al, Cr, Ti, and Si, and the intermediate layer is one or more metal elements selected from Al, Cr, Ti, and Si. It is a compound with one or more elements selected from N, B, C, and O, and the uppermost layer is a metal element selected from Ti and Si and one or more elements selected from N, S, C, and B An ultra-high alloy end mill in which a hard film made of a compound with an element is formed is disclosed.

また、チタン部材の耐水素吸収性を向上させる技術として、例えば、特許文献6には、チタン表面に物理的蒸着法により窒化チタン層を被覆して、水素吸収による脆化を防止したチタン材料が記載されている。   As a technique for improving the hydrogen absorption resistance of a titanium member, for example, Patent Document 6 discloses a titanium material in which a titanium nitride layer is coated on a titanium surface by a physical vapor deposition method to prevent embrittlement due to hydrogen absorption. Have been described.

特開2014−40674号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-40674 特許第3151713号公報Japanese Patent No. 3151713 特許第4150700号公報Japanese Patent No. 4150700 国際公開第2007/142007号International Publication No. 2007/142007 国際公開第2010/137429号International Publication No. 2010/137429 特開平3−243759号公報JP-A-3-243759

しかしながら、従来のチタン部材では、高温での耐酸化性及び耐水素吸収性が不十分であった。
具体的には、特許文献2では、酸素バリヤ被膜を、酸化しやすいアルミニウム粉末を焼成して形成している。このため、特許文献2において、チタン材の表面に形成される酸素バリヤ被膜は、アルミ酸化物層である。アルミ酸化物層は、チタン材の表面から剥離し易いため、耐酸化性が十分に得られなかった。
However, conventional titanium members have insufficient oxidation resistance and hydrogen absorption resistance at high temperatures.
Specifically, in Patent Document 2, the oxygen barrier film is formed by baking aluminum powder that is easily oxidized. For this reason, in Patent Document 2, the oxygen barrier film formed on the surface of the titanium material is an aluminum oxide layer. Since the aluminum oxide layer was easily peeled off from the surface of the titanium material, sufficient oxidation resistance was not obtained.

また、特許文献3では、純チタンまたはチタン基合金よりなる基材上に、Alを含む粒子とシリコーン樹脂を含む溶液を塗布し、焼成することにより焼成被覆層を形成している。このため、特許文献3の表面処理チタン材において、基材上に形成される焼成被覆層は、アルミ酸化物層で形成されている。アルミ酸化物層は、純チタンまたはチタン基合金よりなる基材の表面から剥離し易いため、耐酸化性が十分に得られなかった。また、特許文献3では、焼成被覆層の材料として、耐熱性が400℃程度であるシリコーン樹脂を用いている。このため、特許文献3に記載の表面処理チタン材は、耐熱性が不十分であった。   Further, in Patent Document 3, a fired coating layer is formed by applying a solution containing Al particles and a silicone resin onto a base material made of pure titanium or a titanium-based alloy, and firing the solution. For this reason, in the surface-treated titanium material of Patent Document 3, the fired coating layer formed on the substrate is formed of an aluminum oxide layer. Since the aluminum oxide layer is easily peeled off from the surface of the substrate made of pure titanium or a titanium-based alloy, sufficient oxidation resistance cannot be obtained. Moreover, in patent document 3, the silicone resin whose heat resistance is about 400 degreeC is used as a material of a baking coating layer. For this reason, the surface-treated titanium material described in Patent Document 3 has insufficient heat resistance.

また、特許文献4に記載の導電性耐食材料は、基材と共に燃料電池用金属セパレータとして用いられるものであるため、導電性を確保する必要があり、高温環境での耐酸化性が不十分であった。   In addition, since the conductive and corrosion-resistant material described in Patent Document 4 is used as a metal separator for a fuel cell together with a base material, it is necessary to ensure conductivity, and oxidation resistance in a high temperature environment is insufficient. there were.

また、特許文献5に記載の硬質皮膜は、チタンおよびチタン合金と、硬度および熱膨張率の差が大きい。このため、特許文献5に記載の硬質皮膜を、チタンまたはチタン合金からなる基材上に形成したチタン部材では、高温環境で繰り返し使用すると、基材上から硬質皮膜が容易に剥離し、十分な耐酸化性が得られなかった。   Further, the hard coating described in Patent Document 5 has a large difference in hardness and thermal expansion coefficient from titanium and titanium alloys. For this reason, in the titanium member formed on the base material made of titanium or a titanium alloy, the hard coating described in Patent Document 5 is easily peeled off from the base material when used repeatedly in a high-temperature environment. Oxidation resistance was not obtained.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高温でも優れた耐酸化性および耐水素吸収性が得られるチタン部材を提供することを課題とする。
また、本発明は、高温でも優れた耐酸化性および耐水素吸収性が得られるチタン部材を簡便な方法で製造できるチタン部材の製造方法を提供することを課題とする。
This invention is made | formed in view of the said situation, and makes it a subject to provide the titanium member from which the outstanding oxidation resistance and hydrogen absorption resistance are obtained also at high temperature.
Moreover, this invention makes it a subject to provide the manufacturing method of the titanium member which can manufacture the titanium member which is excellent in oxidation resistance and hydrogen absorption resistance at high temperature by a simple method.

本発明者は、上記課題を解決するために、チタン元素と酸化ポテンシャルが近い元素であるシリコンとボロンに着目し、チタン基材の表面に耐酸化性および耐水素吸収性を付与する方法について鋭意検討した。
その結果、チタンまたはチタン合金からなるチタン基材上に、Si、B、Ti、O(酸素)を所定の含有量で含む酸化物層を、所定の厚みで形成することで、高温での耐酸化性及び耐水素吸収性に優れたチタン部材を提供できることを見出し、本発明を想到した。
本発明の要旨は以下のとおりである。
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventor has focused on silicon and boron, which are elements having an oxidation potential close to that of the titanium element, and has earnestly studied a method for imparting oxidation resistance and hydrogen absorption resistance to the surface of the titanium base material. investigated.
As a result, an oxide layer containing Si, B, Ti, O (oxygen) with a predetermined content is formed on a titanium base material made of titanium or a titanium alloy with a predetermined thickness, so that the acid resistance at a high temperature is increased. The present invention has been conceived by finding that a titanium member having excellent chemical resistance and hydrogen absorption resistance can be provided.
The gist of the present invention is as follows.

(1)チタンまたはチタン合金からなるチタン基材と、
前記チタン基材上に形成された酸化物層とを有し、
前記酸化物層が、質量%でSi:25〜50%、B:1〜5%、Ti:5〜20%、酸素:40〜55%、残部が不可避的不純物からなる組成を有し、
前記酸化物層の厚みが1.0μm以上5.0μm以下であることを特徴とするチタン部材。
(2)前記チタン部材が、自動車用のエンジン部材又は排気装置部材として用いられることを特徴とする(1)に記載のチタン部材。
(1) a titanium substrate made of titanium or a titanium alloy;
An oxide layer formed on the titanium substrate;
The oxide layer has a composition in which Si: 25 to 50% by mass, B: 1 to 5%, Ti: 5 to 20%, oxygen: 40 to 55%, and the balance of inevitable impurities,
A titanium member, wherein the oxide layer has a thickness of 1.0 μm or more and 5.0 μm or less.
(2) The titanium member according to (1), wherein the titanium member is used as an engine member or an exhaust device member for an automobile.

(3)(1)または(2)に記載のチタン部材の製造方法であり、
前記チタン基材の表面に、SiとBとを含む粉末を塗布し、酸素を含む雰囲気中で、700〜850℃、1〜4時間の熱処理を施す工程を含むことを特徴とするチタン部材の製造方法。
(3) A method for producing a titanium member according to (1) or (2),
A titanium member characterized by comprising a step of applying a powder containing Si and B to the surface of the titanium base material and subjecting it to a heat treatment at 700 to 850 ° C. for 1 to 4 hours in an atmosphere containing oxygen. Production method.

本発明のチタン部材は、チタン基材上に、質量%でSi:25〜50%、B:1〜5%、Ti:5〜20%、酸素:40〜55%を含有し、厚みが1.0μm以上5.0μm以下である酸化物層を有するため、高温でも優れた耐酸化性および耐水素吸収性が得られる。
また、本発明のチタン部材の製造方法は、チタン基材の表面に、SiとBとを含むスラリーを塗布し、酸素を含む雰囲気中で、700〜850℃、1〜4時間の熱処理を施す工程を含む方法であるため、簡便に高温でも優れた耐酸化性および耐水素吸収性が得られるチタン部材を製造できる。
The titanium member of the present invention contains Si: 25 to 50%, B: 1 to 5%, Ti: 5 to 20%, oxygen: 40 to 55% by mass% on the titanium base material, and the thickness is 1 Since the oxide layer has a thickness of 0.0 μm or more and 5.0 μm or less, excellent oxidation resistance and hydrogen absorption resistance can be obtained even at high temperatures.
Moreover, the manufacturing method of the titanium member of this invention apply | coats the slurry containing Si and B to the surface of a titanium base material, and performs the heat processing for 1 to 4 hours at 700-850 degreeC in the atmosphere containing oxygen. Since it is a method including a process, a titanium member that can easily obtain excellent oxidation resistance and hydrogen absorption resistance even at high temperatures can be produced.

本発明のチタン部材は、高温でも優れた耐酸化性および耐水素吸収性が得られるため、例えば、自動車用のエンジン部材又は排気装置部材の材料として使用した場合に、厚みを薄くしても耐酸化性が不足することによる割れが生じにくく、しかも耐水素吸収性が不足することによる脆化を抑制でき、好ましい。   The titanium member of the present invention has excellent oxidation resistance and hydrogen absorption resistance even at high temperatures. For example, when used as a material for an engine member or an exhaust device member for automobiles, the titanium member is resistant to acid even if the thickness is reduced. It is preferable that cracking due to lack of chemical resistance hardly occurs, and that embrittlement due to lack of hydrogen absorption resistance can be suppressed.

本発明のチタン部材およびその製造方法によれば、軽量で高強度のチタン部材の用途をさらに広げることができ、多くの人々の生活環境の向上に大きく貢献できる。具体的には、本発明のチタン部材を、航空機や自動車の材料として用いることで、燃費を向上できる。また、本発明のチタン部材を自動二輪車の材料として用いることで、運動性能が向上する。   According to the titanium member and the manufacturing method thereof of the present invention, the use of a lightweight and high-strength titanium member can be further expanded, which can greatly contribute to the improvement of the living environment of many people. Specifically, fuel efficiency can be improved by using the titanium member of the present invention as a material for aircraft and automobiles. Further, by using the titanium member of the present invention as a material for a motorcycle, the motion performance is improved.

以下、本発明のチタン部材およびチタン部材の製造方法について説明する。
「チタン部材」
本実施形態のチタン部材は、チタン基材と、チタン基材上に形成された酸化物層とを有する。本実施形態のチタン部材は、例えば、自動車用のエンジン部材又は排気装置部材として好適である。
Hereinafter, the titanium member and the manufacturing method of the titanium member of the present invention will be described.
"Titanium parts"
The titanium member of this embodiment has a titanium base material and an oxide layer formed on the titanium base material. The titanium member of this embodiment is suitable as an engine member or an exhaust device member for automobiles, for example.

本実施形態のチタン部材を形成しているチタン基材は、チタンまたはチタン合金からなる。
本実施形態においてチタン基材として用いられるチタン合金としては、高温強度および/または耐酸化性を向上させることにより耐熱性を向上させる元素である、Al、Si、Nb、Sn、Cu、Feから選ばれるいずれか1種以上の元素を含有するチタン合金であることが望ましい。このようなチタン合金としては、具体的には、Ti−1%Cu−0.5%Nb、Ti−0.5Al−0.45Si−0.2Nb、Ti−0.45%Si−0.2%Fe、Ti−1%Cu−1%Sn−0.35%Si−0.2%Nbなどが挙げられる。
The titanium base material forming the titanium member of the present embodiment is made of titanium or a titanium alloy.
The titanium alloy used as the titanium substrate in the present embodiment is selected from Al, Si, Nb, Sn, Cu, and Fe, which are elements that improve heat resistance by improving high-temperature strength and / or oxidation resistance. It is desirable that it is a titanium alloy containing any one or more elements. As such a titanium alloy, specifically, Ti-1% Cu-0.5% Nb, Ti-0.5Al-0.45Si-0.2Nb, Ti-0.45% Si-0.2. % Fe, Ti-1% Cu-1% Sn-0.35% Si-0.2% Nb, and the like.

チタン基材の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、板状、棒状、管状などの形状であってもよいし、板状、棒状、管状の材料を熱間又は冷間の成形加工および/または切削加工してなる形状であってもよく、チタン部材の用途に応じて決定される。   The shape of the titanium substrate is not particularly limited, and may be, for example, a plate shape, a rod shape, a tubular shape, etc., and a plate shape, a rod shape, a tubular material is hot or cold formed. In addition, the shape may be a shape formed by cutting, and is determined according to the use of the titanium member.

チタン基材の微視組織は、特に限定されるものではなく、チタン部材の用途に応じて決定できる。
例えば、本実施形態のチタン部材が自動車用排気管に用いられるものである場合など、チタン基材に対して管成形や曲げ加工など良好な室温成形性が要求される場合には、チタン基材の微視組織は等軸組織であることが好ましい。また、チタン基材に対して高温クリープ強度が要求される場合には、チタン基材の微視組織は針状α相を主とする針状組織であることが好ましい。
The microstructure of the titanium base material is not particularly limited and can be determined according to the use of the titanium member.
For example, when the titanium member of the present embodiment is used for an exhaust pipe for automobiles, etc., when a good room temperature formability such as pipe forming or bending is required for the titanium base material, the titanium base material The microscopic tissue is preferably an equiaxed tissue. When high temperature creep strength is required for the titanium base material, the microstructure of the titanium base material is preferably a needle-like structure mainly composed of acicular α phase.

本実施形態のチタン部材においてチタン基材上に形成されている酸化物層は、シリコンとボロンとを含む非晶質酸化物とチタン酸化物と含む。
また、酸化物層中に、チタンおよび/またはシリコンの窒化物、硼化物、炭化物は存在していないか、存在していてもX線回折法による検出限界以下の極微量である。
In the titanium member of this embodiment, the oxide layer formed on the titanium base material includes an amorphous oxide containing silicon and boron and a titanium oxide.
Further, the nitride, boride, and carbide of titanium and / or silicon are not present in the oxide layer, or even if they are present, the amount is extremely small below the detection limit by the X-ray diffraction method.

酸化物層は、Si:25〜50%、B:1〜5%、Ti:5〜20%、酸素:40〜55%、残部が不可避的不純物からなる組成を有する。なお、元素の含有量の「%」は「重量%」を意味する。   The oxide layer has a composition of Si: 25 to 50%, B: 1 to 5%, Ti: 5 to 20%, oxygen: 40 to 55%, and the balance of inevitable impurities. “%” Of the element content means “% by weight”.

酸化物層中のSi含有量は、25〜50%であり、30〜40%であることが好ましい。また、酸化物層中のB含有量は、1〜5%であり、2〜4%であることが好ましい。
酸化物層中のSi含有量が25%未満および/またはB含有量が5%超であると、シリコンとボロンとを含む非晶質酸化物中におけるシリコンの割合が不足して、シリコンとボロンとを含む非晶質酸化物の耐熱性が低下し、酸化物層が不安定になる。また、酸化物層中のSi含有量が25%未満であると、Siを含むことによる耐酸化性向上効果が十分に得られない。よって、Si含有量が25%未満および/またはB含有量が5%超であると、チタン部材の耐酸化性および/または耐水素吸収性が不足する。
Si content in an oxide layer is 25 to 50%, and it is preferable that it is 30 to 40%. The B content in the oxide layer is 1 to 5%, preferably 2 to 4%.
When the Si content in the oxide layer is less than 25% and / or the B content is more than 5%, the ratio of silicon in the amorphous oxide containing silicon and boron is insufficient, and silicon and boron As a result, the heat resistance of an amorphous oxide containing the above decreases and the oxide layer becomes unstable. Further, if the Si content in the oxide layer is less than 25%, the effect of improving oxidation resistance due to the inclusion of Si cannot be sufficiently obtained. Therefore, when the Si content is less than 25% and / or the B content is more than 5%, the oxidation resistance and / or hydrogen absorption resistance of the titanium member is insufficient.

また、酸化物層中のSi含有量が50%超および/またはB含有量が1%未満であると、シリコンとボロンとを含む非晶質酸化物中におけるボロンの割合が不足する。このため、シリコンとボロンとを含む非晶質酸化物が軟化しにくくなって、緻密な酸化物層が形成されにくくなり、チタン部材の耐酸化性および耐水素吸収性が不足する。   Further, when the Si content in the oxide layer exceeds 50% and / or the B content is less than 1%, the ratio of boron in the amorphous oxide containing silicon and boron is insufficient. For this reason, it becomes difficult for the amorphous oxide containing silicon and boron to be softened, so that a dense oxide layer is hardly formed, and the oxidation resistance and hydrogen absorption resistance of the titanium member are insufficient.

酸化物層中のTi含有量は、5〜20%であり、6〜15%であることが好ましい。Ti含有量が5%未満であると、酸化物層中のチタン酸化物の割合が少なくなり、相対的にシリコンとボロンとを含む非晶質酸化物の割合が多くなるため、酸化物層が脆化して、チタン部材の耐酸化性および/または耐水素吸収性が不足する。Ti含有量が20%超であると、酸化物層中のチタン酸化物の割合が多く、相対的にシリコンとボロンとを含む非晶質酸化物の割合が不足するため、チタン部材の耐酸化性および耐水素吸収性が不足する。   The Ti content in the oxide layer is 5 to 20%, and preferably 6 to 15%. If the Ti content is less than 5%, the proportion of titanium oxide in the oxide layer decreases, and the proportion of amorphous oxide containing silicon and boron relatively increases. It becomes brittle and the oxidation resistance and / or hydrogen absorption resistance of the titanium member is insufficient. If the Ti content exceeds 20%, the proportion of titanium oxide in the oxide layer is large, and the proportion of amorphous oxide containing silicon and boron is relatively insufficient. And hydrogen absorption resistance are insufficient.

酸化物層中のO(酸素)含有量は、40〜55%であり、45〜52%であることが好ましい。
本実施形態のチタン部材の酸化物層中には、Si、B、Ti、O(酸素)以外に、不可避的不純物として、チタン基材、後述する熱処理時の雰囲気、チタン基材の表面に塗布するスラリーの原料等から侵入するCr、Fe、Ni、Nb、Al、Sn、Cu、N、Cが含まれている。
本実施形態のチタン部材では、酸化物層によってチタン部材の耐酸化性および耐水素吸収性を向上させる効果が充分に発揮されるように、酸化物層中に含まれる不可避的不純物の含有量は酸化物層全体の10%未満であることが好ましい。
The O (oxygen) content in the oxide layer is 40 to 55%, and preferably 45 to 52%.
In the oxide layer of the titanium member of the present embodiment, in addition to Si, B, Ti, O (oxygen), it is applied as an unavoidable impurity to the titanium substrate, the atmosphere during heat treatment described later, and the surface of the titanium substrate. Cr, Fe, Ni, Nb, Al, Sn, Cu, N, and C entering from the raw material of the slurry to be produced are included.
In the titanium member of the present embodiment, the content of unavoidable impurities contained in the oxide layer is such that the effect of improving the oxidation resistance and hydrogen absorption resistance of the titanium member is sufficiently exhibited by the oxide layer. It is preferable that it is less than 10% of the whole oxide layer.

酸化物層に含まれる各元素の濃度は、以下に示す方法により算出できる。
すなわち、チタン部材から採取した試験片の酸化物層を含む断面を鏡面研磨し、電子線マイクロアナライザ(EPMA)分析装置を用いて、ビーム径0.5μm、加速電圧15kV、照射電流0.5μA、照射時間1000msecの条件で線分析を行い、簡易定量分析(ZAF)により濃度を算出して求めることができる。
The concentration of each element contained in the oxide layer can be calculated by the following method.
That is, a cross section including an oxide layer of a test piece collected from a titanium member is mirror-polished, and using an electron beam microanalyzer (EPMA) analyzer, a beam diameter of 0.5 μm, an acceleration voltage of 15 kV, an irradiation current of 0.5 μA, The line analysis can be performed under the condition of an irradiation time of 1000 msec, and the concentration can be calculated by simple quantitative analysis (ZAF).

本実施形態のチタン部材における酸化物層の厚みは、1.0μm以上5.0μm以下である。酸化物層の厚みが1.0μm未満であると、酸化物層を有することによる耐酸化性および耐水素吸収性を向上させる効果が充分に得られず、チタン部材の耐酸化性および耐水素吸収性が不足する。チタン部材の耐酸化性および耐水素吸収性をより一層向上させるために、酸化物層の厚みは1.5μm以上であることが好ましい。また、酸化物層の厚みが5.0μm超であると、チタン基材の表面および酸化物層が脆化されたものとなるとともに、チタン基材の表面から剥離し易くなる。酸化物層の脆化およびチタン基材からの剥離を抑制するために、酸化物層の厚みは4.5μm以下であることが好ましい。   The thickness of the oxide layer in the titanium member of this embodiment is 1.0 μm or more and 5.0 μm or less. When the thickness of the oxide layer is less than 1.0 μm, the effect of improving the oxidation resistance and hydrogen absorption resistance due to the oxide layer cannot be sufficiently obtained, and the oxidation resistance and hydrogen absorption of the titanium member are not obtained. Lack of sex. In order to further improve the oxidation resistance and hydrogen absorption resistance of the titanium member, the thickness of the oxide layer is preferably 1.5 μm or more. Further, when the thickness of the oxide layer is more than 5.0 μm, the surface of the titanium base material and the oxide layer become embrittled and easily peeled from the surface of the titanium base material. In order to suppress embrittlement of the oxide layer and peeling from the titanium base material, the thickness of the oxide layer is preferably 4.5 μm or less.

本実施形態のチタン部材における酸化物層の厚みは、例えば、チタン部材から採取した酸化物層の断面を含む試験片を、鏡面研磨して平滑にした後、走査型電子顕微鏡(SEM)で観察することにより測定できる。   The thickness of the oxide layer in the titanium member of the present embodiment is observed, for example, with a scanning electron microscope (SEM) after mirror-polishing a test piece including a cross section of the oxide layer collected from the titanium member and smoothing it. Can be measured.

「製造方法」
本実施形態のチタン部材の製造方法では、まず、チタン基材を製造する。チタン基材は、従来公知の製造方法を用いて製造できる。
例えば、スポンジチタン、母合金、スクラップなどの原料を用いて所定の化学組成となるように成分を調整し、消耗電極式真空アーク溶解法、電子ビーム溶解法、プラズマ溶解法などを用いて溶解し、鍛造、熱延、冷延などの展伸工程を経て板状、棒状又は管状の形状に加工する方法などにより製造できる。
"Production method"
In the titanium member manufacturing method of the present embodiment, first, a titanium substrate is manufactured. A titanium base material can be manufactured using a conventionally well-known manufacturing method.
For example, using raw materials such as sponge titanium, mother alloy, scrap, etc., adjust the components so that they have a predetermined chemical composition, and melt using consumable electrode type vacuum arc melting method, electron beam melting method, plasma melting method, etc. It can be manufactured by a method of processing into a plate shape, a rod shape, or a tubular shape through an extension process such as forging, hot rolling, or cold rolling.

本実施形態においては、このようにして得られた板状、棒状、管状のチタン基材に対し、さらに、熱間又は冷間の成形加工および/または切削加工を施すことにより、チタン基材を製造してもよい。
また、チタン基材は、鋳造法や3次元積層成形法などを用いて所定の形状に成型する方法により製造してもよい。
In the present embodiment, the plate-like, rod-like, and tubular titanium substrates obtained in this way are further subjected to hot or cold forming and / or cutting to obtain a titanium substrate. It may be manufactured.
Further, the titanium base material may be manufactured by a method of forming into a predetermined shape using a casting method, a three-dimensional lamination molding method, or the like.

次に、本実施形態のチタン部材の製造方法では、チタン基材の表面に、SiとBとを含む粉末を塗布し、酸素を含む雰囲気中で、700〜850℃、1〜4時間の熱処理を施す工程を行う。   Next, in the titanium member manufacturing method of the present embodiment, a powder containing Si and B is applied to the surface of a titanium substrate, and heat treatment is performed at 700 to 850 ° C. for 1 to 4 hours in an atmosphere containing oxygen. The process of giving is performed.

本実施形態においては、チタン基材の表面に、SiとBとを含む粉末を溶媒中に分散させたスラリーを塗布する。
スラリー中に含まれるSiは、Si元素を含むものであれば特に限定されるものではなく、例えば、Si化合物の粉末および/またはSi粉末を用いることができる。スラリー中に含まれるSiは、単体の粉末では可燃性であるため、Si化合物の粉末であることが好ましく、中でもクロムシリサイド(CrSi)粉末を用いることが好ましい。
In this embodiment, a slurry in which a powder containing Si and B is dispersed in a solvent is applied to the surface of a titanium base material.
Si contained in the slurry is not particularly limited as long as it contains Si element, and for example, Si compound powder and / or Si powder can be used. Since Si contained in the slurry is flammable as a single powder, it is preferably a powder of a Si compound, and among these, a chromium silicide (CrSi 2 ) powder is preferably used.

スラリー中に含まれるBは、B元素を含むものであれば特に限定されるものではなく、例えば、B化合物の粉末および/またはB粉末を用いることができる。スラリー中に含まれるBは、単体の粉末は可燃性であり、粉じん爆発の懸念があるため、B化合物の粉末であることが好ましく、中でもボロンカーバイド(BC)粉末を用いることが好ましい。 B contained in the slurry is not particularly limited as long as it contains B element. For example, B compound powder and / or B powder can be used. The B contained in the slurry is preferably a B compound powder because the single powder is flammable and there is a risk of dust explosion, and among these, boron carbide (B 4 C) powder is preferably used.

チタン基材の表面に塗布するスラリーは、例えば、Si化合物の粉末とB化合物の粉末とを水などの溶媒中に分散させることによって得られる。本実施形態では、スラリー中に含まれるSi化合物の粉末とB化合物の粉末とを、スラリー中のSi元素とB元素との割合が、酸化物層中に含まれるSi含有量とB含有量との質量比の範囲内となるように調整する。具体的には、スラリー中のSi元素とB元素との割合(Si:B)を、質量比で25:5〜50:1とする。   The slurry applied to the surface of the titanium base material is obtained, for example, by dispersing a powder of a Si compound and a powder of a B compound in a solvent such as water. In this embodiment, the Si compound powder and the B compound powder contained in the slurry, the ratio of Si element and B element in the slurry, the Si content and B content contained in the oxide layer, It adjusts so that it may become in the range of mass ratio. Specifically, the ratio of Si element to B element (Si: B) in the slurry is set to 25: 5 to 50: 1 by mass ratio.

チタン基材の表面にスラリーを塗布する方法としては、従来公知の方法を用いることができ、特に限定されない。
次に、必要に応じて、スラリーを塗布したチタン基材の表面を乾燥することにより塗膜を形成する。スラリーを塗布したチタン基材の表面を乾燥する方法としては、例えば、室温の大気中で放置する方法などを用いることができ、特に限定されるものではない。
As a method of applying the slurry to the surface of the titanium base material, a conventionally known method can be used and is not particularly limited.
Next, if necessary, a coating film is formed by drying the surface of the titanium substrate coated with the slurry. As a method for drying the surface of the titanium substrate to which the slurry is applied, for example, a method of leaving it in the atmosphere at room temperature can be used, and it is not particularly limited.

次に、スラリーを塗布し、乾燥したチタン基材に対して、酸素を含む雰囲気中で、700〜850℃、1〜4時間の熱処理を施す。
熱処理温度が700℃未満であると、1.0μm以上の厚みの酸化物層を形成するための熱処理時間が長時間となり、生産性が不十分となる。また、熱処理温度が700℃未満および/または熱処理時間が1時間未満であると、シリコン元素およびボロン元素の酸化物が、チタン基材の表面が酸化されることによって形成されるチタン酸化物層中に取り込まれにくくなり、上記組成の酸化物層が得られない。
一方、熱処理温度が850℃を超えるおよび/または熱処理時間が4時間を超えると、チタン基材の表面および酸化物層が脆化するとともに、チタン基材から酸化物層が剥離し易くなる。
Next, the slurry is applied, and the dried titanium substrate is subjected to heat treatment at 700 to 850 ° C. for 1 to 4 hours in an atmosphere containing oxygen.
When the heat treatment temperature is lower than 700 ° C., the heat treatment time for forming an oxide layer having a thickness of 1.0 μm or more becomes long and productivity becomes insufficient. Further, when the heat treatment temperature is less than 700 ° C. and / or the heat treatment time is less than 1 hour, the oxides of silicon element and boron element are formed in the titanium oxide layer formed by oxidizing the surface of the titanium base material. The oxide layer having the above composition cannot be obtained.
On the other hand, when the heat treatment temperature exceeds 850 ° C. and / or the heat treatment time exceeds 4 hours, the surface of the titanium base material and the oxide layer become brittle and the oxide layer easily peels from the titanium base material.

本実施形態においては、700〜850℃の熱処理温度で1〜4時間の熱処理を施すため、スラリーの原料に含まれるCrおよびCが熱処理中にほとんどが揮発し、チタン基材上にシリコンとボロンとを含む非晶質酸化物を含む上記組成の酸化物層が形成される。
また、本実施形態では、上記の範囲内で熱処理温度および/熱処理時間を調整することによって、1.0μm以上5.0μm以下の範囲内の所定の厚みを有する酸化物層が得られる。
In this embodiment, since the heat treatment is performed at a heat treatment temperature of 700 to 850 ° C. for 1 to 4 hours, most of Cr and C contained in the slurry raw material are volatilized during the heat treatment, and silicon and boron are formed on the titanium base material. An oxide layer having the above composition containing an amorphous oxide containing is formed.
In this embodiment, an oxide layer having a predetermined thickness in the range of 1.0 μm or more and 5.0 μm or less is obtained by adjusting the heat treatment temperature and / or the heat treatment time within the above range.

熱処理を行う際の雰囲気は、酸素を含む雰囲気であればよい。熱処理を行う際の雰囲気が、高真空雰囲気などの酸素を含まない雰囲気であると、上記組成の酸化物層が形成されないため、チタン部材の耐酸化性および耐水素吸収性が不足する。
熱処理を行う際の雰囲気は、例えば、大気中であってもよいし、分圧で0.05〜0.2Barの少量の酸素を含む低真空雰囲気であってもよいし、5〜20%の酸素を含む不活性ガス雰囲気であってもよい。
The atmosphere for the heat treatment may be an atmosphere containing oxygen. If the atmosphere during the heat treatment is an atmosphere that does not contain oxygen such as a high vacuum atmosphere, the oxide layer having the above composition is not formed, so that the oxidation resistance and hydrogen absorption resistance of the titanium member are insufficient.
The atmosphere at the time of performing the heat treatment may be, for example, in the air, a low vacuum atmosphere containing a small amount of oxygen of 0.05 to 0.2 Bar in partial pressure, or 5 to 20% An inert gas atmosphere containing oxygen may be used.

本実施形態のチタン部材は、チタン基材上に、質量%でSi:25〜50%、B:1〜5%、Ti:5〜20%、酸素:40〜55%を含有し、シリコンとボロンとを含む非晶質酸化物を含み、厚みが1.0μm以上5.0μm以下である酸化物層を有するため、優れた耐酸化性および耐水素吸収性が得られる。その理由は、酸化物層が、例えば、チタン基材上に形成したアルミ酸化物層と比較して剥離しにくいものであって、酸化物層中に含まれるシリコンとボロンとを含む非晶質酸化物が、酸素および水素の移動を抑制することによるものと推定される。   The titanium member of this embodiment contains Si: 25-50%, B: 1-5%, Ti: 5-20%, oxygen: 40-55% by mass% on a titanium base material, and silicon. Since the oxide layer includes an amorphous oxide containing boron and has a thickness of 1.0 μm or more and 5.0 μm or less, excellent oxidation resistance and hydrogen absorption resistance can be obtained. The reason is that, for example, the oxide layer is less likely to be peeled off than an aluminum oxide layer formed on a titanium substrate, and is an amorphous material containing silicon and boron contained in the oxide layer. It is presumed that the oxide is due to the suppression of oxygen and hydrogen migration.

また、本実施形態のチタン部材の製造方法では、チタン基材の表面に、SiとBとを含むスラリーを塗布し、酸素を含む雰囲気中で、700〜850℃、1〜4時間の熱処理を施す工程を含む。この場合、熱処理を施すことにより、チタン元素と酸化ポテンシャルが近いシリコン元素およびボロン元素が酸化物となって、チタン基材の表面が酸化されて形成されるチタン酸化物層中に取り込まれ、チタン酸化物とともに酸化物層を形成する。本実施形態では、スラリー中のSi元素とB元素との割合が適正であるので、上記の条件で熱処理を施すことにより生成されるシリコンとボロンとを含む酸化物は、主に緻密な非晶質酸化物となる。その結果、本実施形態の製造方法では、優れた耐酸化性および耐水素吸収性を有するチタン部材が得られるものと推定される。   Moreover, in the manufacturing method of the titanium member of this embodiment, the slurry containing Si and B is apply | coated to the surface of a titanium base material, and 700-850 degreeC and the heat processing for 1 to 4 hours are performed in the atmosphere containing oxygen. Including the step of applying. In this case, by performing heat treatment, silicon element and boron element having an oxidation potential close to that of titanium element become oxides, and the surface of the titanium base material is oxidized and taken into the titanium oxide layer. An oxide layer is formed together with the oxide. In this embodiment, since the ratio of the Si element and the B element in the slurry is appropriate, the oxide containing silicon and boron generated by performing the heat treatment under the above conditions is mainly dense amorphous. It becomes a quality oxide. As a result, in the manufacturing method of this embodiment, it is estimated that a titanium member having excellent oxidation resistance and hydrogen absorption resistance can be obtained.

また、スラリー中に含まれるSi元素およびB元素は、酸素と窒素を含む雰囲気中で上記の熱処理温度及び熱処理時間で熱処理を施すことにより、チタン基材の最表層部での窒素の濃化を促進する作用も有する。チタン基材の最表層部の窒素濃度がチタン基材の窒素濃度よりも高くなると、酸素の拡散経路が窒素で塞がれる効果によって、チタン基材の酸化速度が低下し、耐酸化性がより一層高くなる。
すなわち、本実施形態では、スラリー中のSi元素とB元素との割合が適正であるので、酸素と窒素を含む雰囲気中で上記の熱処理温度及び熱処理時間で熱処理を施すことにより、酸化物層を形成しつつ、チタン基材の最表層部に十分に窒素を濃化させることができ、チタン部材の耐酸化性をより一層向上できる。
Further, the Si element and B element contained in the slurry are concentrated in the outermost layer portion of the titanium base material by performing heat treatment at the above heat treatment temperature and heat treatment time in an atmosphere containing oxygen and nitrogen. It also has a promoting action. When the nitrogen concentration of the outermost layer of the titanium base material is higher than the nitrogen concentration of the titanium base material, the oxidation rate of the titanium base material decreases due to the effect of the oxygen diffusion path being blocked by nitrogen, and the oxidation resistance is further improved. It gets even higher.
That is, in this embodiment, since the ratio of the Si element and the B element in the slurry is appropriate, the oxide layer is formed by performing heat treatment in the atmosphere containing oxygen and nitrogen at the above heat treatment temperature and heat treatment time. While forming, nitrogen can be sufficiently concentrated in the outermost layer portion of the titanium base material, and the oxidation resistance of the titanium member can be further improved.

また、本実施形態のチタン部材の製造方法では、チタン基材の表面にスラリーを塗布し、熱処理を施すことにより、酸化物層を形成するので、例えば、物理的蒸着法(PVD)、溶射などの方法を用いる場合と比較して、簡便で効率よく製造できる。   Moreover, in the manufacturing method of the titanium member of this embodiment, since an oxide layer is formed by apply | coating a slurry to the surface of a titanium base material, and performing heat processing, for example, physical vapor deposition (PVD), thermal spraying, etc. Compared with the case of using this method, it can be produced simply and efficiently.

次に、本発明の実施例について説明する。なお、以下に示す実施例の条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。   Next, examples of the present invention will be described. In addition, the conditions of the Example shown below are one condition examples employ | adopted in order to confirm the feasibility and effect of this invention, and this invention is not limited to this one condition example. The present invention can adopt various conditions as long as the object of the present invention is achieved without departing from the gist of the present invention.

(チタン基材の製造)
下記(A)または(B)の化学組成となるように成分を調整した原料(チタン合金素材)を、VAR(真空アーク溶解)法を用いて溶解し、鍛造、熱延、冷延して、厚み1mmのチタン合金板を製造した。このようにして得られたチタン合金板に、真空中で、750℃、5時間の焼鈍を施して、チタン基材とした。
(A)Ti−0.1%Fe−0.45%Si−0.05%O(酸素)
(B)Ti−1%Cu−1%Sn−0.35%Si−0.2%Nb−0.05%O(酸素)
(Production of titanium substrate)
The raw material (titanium alloy material) whose components are adjusted to have the chemical composition of the following (A) or (B) is melted using a VAR (vacuum arc melting) method, forged, hot rolled, cold rolled, A titanium alloy plate having a thickness of 1 mm was produced. The titanium alloy plate thus obtained was annealed in a vacuum at 750 ° C. for 5 hours to obtain a titanium substrate.
(A) Ti-0.1% Fe-0.45% Si-0.05% O (oxygen)
(B) Ti-1% Cu-1% Sn-0.35% Si-0.2% Nb-0.05% O (oxygen)

(スラリーの調整)
平均粒径5μmのクロムシリサイド(CrSi)粉末と平均粒径0.5μmのボロンカーバイド(BC)粉末とを水中に分散させてスラリーを作成した。なお、スラリーは、クロムシリサイド粉末とボロンカーバイド粉末とを、スラリー中のSi元素とB元素との割合が、表1に示す酸化物層の組成におけるSi含有量とB含有量との質量比となるように調整した。
(Slurry adjustment)
Chromium silicide (CrSi 2 ) powder having an average particle diameter of 5 μm and boron carbide (B 4 C) powder having an average particle diameter of 0.5 μm were dispersed in water to prepare a slurry. The slurry is a chrome silicide powder and a boron carbide powder, and the ratio of the Si element and the B element in the slurry is the mass ratio of the Si content and the B content in the composition of the oxide layer shown in Table 1. It adjusted so that it might become.

(酸化物層の形成)
各チタン基材から縦20mm横20mmの正方形で厚みが1mmの試験片を採取し、上述した方法により調整したスラリーを表面の全面に塗布し、室温の大気中で48時間放置して乾燥させた。その後、スラリーを塗布したチタン基材に対して、大気中で、表1に示す熱処理温度および熱処理時間で熱処理を施して酸化物層を形成し、No.1〜No.16のチタン部材を得た。
(Formation of oxide layer)
A test piece having a square of 20 mm in length and 20 mm in width and 1 mm in thickness was collected from each titanium substrate, and the slurry prepared by the above-described method was applied to the entire surface, and was left to dry in the atmosphere at room temperature for 48 hours. . Thereafter, the titanium substrate coated with the slurry was heat-treated in the air at the heat treatment temperature and heat treatment time shown in Table 1 to form an oxide layer. 1-No. Sixteen titanium members were obtained.

このようにして得られたNo.1〜No.16のチタン部材について、酸化物層の組成および厚みを、以下に示す方法により測定した。その結果を表1に示す。   No. obtained in this way. 1-No. For the 16 titanium members, the composition and thickness of the oxide layer were measured by the following methods. The results are shown in Table 1.

「酸化物層の厚み」
各チタン部材から採取した酸化物層の断面を含む試験片を、鏡面研磨して平滑にした後、SEM観察で観察することにより測定した。
「酸化物層の組成」
酸化物層の組成は、EPMA分析装置を用いて上述した方法により求めた。
表1に示すように、No.1〜No.16のチタン部材については、いずれも酸化物層中に含まれる不可避的不純物の含有量は10%未満であった。したがって、スラリーの原料に含まれるCrおよびCは、熱処理中にほとんどが揮発していた。
"Oxide layer thickness"
The test piece including the cross section of the oxide layer collected from each titanium member was mirror-polished and smoothed, and then measured by observing with SEM observation.
"Composition of oxide layer"
The composition of the oxide layer was determined by the method described above using an EPMA analyzer.
As shown in Table 1, no. 1-No. For the 16 titanium members, the content of unavoidable impurities contained in the oxide layer was less than 10%. Therefore, most of Cr and C contained in the raw material of the slurry were volatilized during the heat treatment.

また、上記(B)の化学組成のチタン基材から縦20mm横20mmの正方形で厚みが1mmの試験片を採取し、No.17のチタン部材とした。
そして、No.1〜No.17のチタン部材について、以下に示す方法により、耐酸化性を評価した。その結果を表1に示す。
In addition, a test piece having a square of 20 mm in length and 20 mm in width and 1 mm in thickness was sampled from the titanium base material having the chemical composition (B). 17 titanium members were used.
And No. 1-No. About 17 titanium members, oxidation resistance was evaluated by the method shown below. The results are shown in Table 1.

「耐酸化性の評価方法」
No.1〜No.17のチタン部材を、800℃で100時間、静止大気中に暴露し、暴露後の増加質量を測定し、増加質量をチタン部材の表面積で割った値(増加質量(mg)/チタン部材の表面積(cm)、以下「酸化増量」と記載する。)で評価した。
そして、各チタン部材について、酸化増量が、酸化物層を形成しない試験片の耐酸化性を評価した場合の酸化増量の50%未満である場合を合格と評価した。
具体的には、酸化物層を形成しなかった場合の酸化増量は、上記(A)の化学組成のチタン基材および上記(B)の化学組成のチタン基材(No.17のチタン部材)の両方とも3.6mg/cmであった。したがって、各チタン部材については、酸化増量が3.6mg/cmの50%である1.8mg/cm未満のときを合格とした。
"Evaluation method of oxidation resistance"
No. 1-No. 17 titanium members were exposed to still air at 800 ° C. for 100 hours, and the increased mass after the exposure was measured. The value obtained by dividing the increased mass by the surface area of the titanium member (increased mass (mg) / surface area of the titanium member). (Cm 2 ), hereinafter referred to as “oxidation increase”).
And about each titanium member, the case where the oxidation increase was less than 50% of the oxidation increase at the time of evaluating the oxidation resistance of the test piece which does not form an oxide layer was evaluated as the pass.
Specifically, when the oxide layer is not formed, the oxidation increase is the titanium base material having the chemical composition (A) and the titanium base material (No. 17 titanium member) having the chemical composition (B). Both were 3.6 mg / cm 2 . Thus, for each titanium member, oxidized amount was evaluated as acceptable when less than 1.8 mg / cm 2 is 50% of the 3.6 mg / cm 2.

また、各チタン基材から採取した縦50mm横50mmの正方形で厚みが5mmの試験片を用いたこと以外は、耐酸化性の評価に用いた試験片と同様にして、酸化物層を形成し、耐水素吸収性の評価用のチタン部材を得た。そして、以下に示す方法により、耐水素吸収性を評価した。その結果を表1に示す。   In addition, an oxide layer was formed in the same manner as the test piece used for the evaluation of oxidation resistance except that a test piece having a length of 50 mm and a width of 50 mm and a thickness of 5 mm was used which was collected from each titanium substrate. A titanium member for evaluation of hydrogen absorption resistance was obtained. And hydrogen absorption resistance was evaluated by the method shown below. The results are shown in Table 1.

「耐水素吸収性の評価方法」
No.1〜No.17の耐水素吸収性の評価用のチタン部材(試料片)に対し、アルゴン99%水蒸気1%の雰囲気中で、800℃で30分の熱処理を行った。次に、試料片中央部の水素濃度を、LECO社性水素分析装置を用いて熱伝導度法で測定した。そして、水素濃度が100ppm以下である場合を合格とし、100ppmを超える場合を不合格と評価した。なお、LECO社製標準試料の水素濃度である113ppmを超える分析値は、外挿法により算出した。
また、アルゴン99%水蒸気1%の雰囲気中での熱処理を行う前の各試料片では、いずれも試料片中央部の水素濃度の値は10ppm未満であり充分に低かった。
"Method for evaluating hydrogen absorption resistance"
No. 1-No. A titanium member (sample piece) for evaluation of hydrogen absorption resistance of 17 was heat-treated at 800 ° C. for 30 minutes in an atmosphere of 99% argon and 1% water vapor. Next, the hydrogen concentration in the center of the sample piece was measured by a thermal conductivity method using a LECO hydrogen analyzer. And the case where hydrogen concentration was 100 ppm or less was set as the pass, and the case where it exceeded 100 ppm was evaluated as the failure. The analytical value exceeding 113 ppm, which is the hydrogen concentration of the standard sample manufactured by LECO, was calculated by extrapolation.
In each sample piece before heat treatment in an atmosphere of 99% argon and 1% water vapor, the hydrogen concentration value at the center of the sample piece was less than 10 ppm and was sufficiently low.

Figure 0006394475
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表1に示すように、No.1〜8のチタン部材は、チタン基材(A)を用い、スラリー中のクロムシリサイド粉末とボロンカーバイド粉末の割合と熱処理条件とを変えて、酸化物層の厚みと組成を変化させた例である。
No.1〜6のチタン部材は、酸化物層の厚みおよび組成が本発明の範囲内であり、いずれも耐酸化性および耐水素吸収性の評価が良好であった。
As shown in Table 1, no. The titanium members 1 to 8 are examples in which the thickness and composition of the oxide layer are changed by using the titanium base material (A) and changing the ratio of the chromium silicide powder and boron carbide powder in the slurry and the heat treatment conditions. is there.
No. As for the titanium members of 1-6, the thickness and composition of the oxide layer were within the range of the present invention, and all of the evaluations of oxidation resistance and hydrogen absorption resistance were good.

これに対し、No.7のチタン部材は、熱処理温度が低すぎるため、酸化物層の厚みが不足して、耐酸化性および耐水素吸収性の評価が不合格となった。
また、No.8は、熱処理温度が本発明の上限を超えているため、酸化物層の厚みが厚くなりすぎ、チタン基材の表面および酸化物層が脆化されたものとなり、耐酸化性の評価が不合格となった。
In contrast, no. Since the heat treatment temperature of the titanium member No. 7 was too low, the thickness of the oxide layer was insufficient, and the evaluation of oxidation resistance and hydrogen absorption resistance was rejected.
No. In No. 8, since the heat treatment temperature exceeds the upper limit of the present invention, the thickness of the oxide layer becomes too thick, the surface of the titanium base material and the oxide layer become brittle, and the evaluation of oxidation resistance is not good. Passed.

No.9〜16のチタン部材は、チタン基材(B)を用い、スラリー中のクロムシリサイド粉末とボロンカーバイド粉末の割合と熱処理条件とを変えて、酸化物層の厚みと組成を変化させた例である。
No.9〜12のチタン部材は、酸化物層の厚みおよび組成が本発明の範囲内であり、いずれも耐酸化性および耐水素吸収性の評価が良好であった。
No. The titanium members 9 to 16 are examples in which the titanium base material (B) is used and the thickness and composition of the oxide layer are changed by changing the ratio of the chromium silicide powder and boron carbide powder in the slurry and the heat treatment conditions. is there.
No. In the titanium members of 9 to 12, the thickness and composition of the oxide layer were within the scope of the present invention, and the evaluation of oxidation resistance and hydrogen absorption resistance was all good.

これに対し、No.13のチタン部材は、酸化物層中のB含有量が多く、Ti含有量が少ないため、耐酸化性に評価が不合格であった。
また、No.14のチタン部材は、酸化物層中のB含有量が不足しているため、耐酸化性および耐水素吸収性の評価が不合格であった。
In contrast, no. Titanium member No. 13 had a high B content in the oxide layer and a low Ti content, so its oxidation resistance was not evaluated.
No. Since the titanium content of 14 was insufficient in the B content in the oxide layer, the evaluation of oxidation resistance and hydrogen absorption resistance was unacceptable.

No.15は、酸化物層中のSi含有量が多いため、耐酸化性の評価は良好であったが、酸化物層中のSi含有量が多すぎて、酸化物層中の酸素含有量が少ないため、耐水素吸収性の評価が不合格となった。
No.16は、酸化物層中のSi含有量が少なく、Ti含有量が多いため、耐酸化性および耐水素吸収性の評価が不合格となった。
No.17は、酸化物層を形成していないため、耐酸化性および耐水素吸収性の評価が不合格であった。
No. No. 15, because the Si content in the oxide layer was large, the evaluation of oxidation resistance was good, but the Si content in the oxide layer was too much and the oxygen content in the oxide layer was small Therefore, the hydrogen absorption resistance evaluation was rejected.
No. Since No. 16 had little Si content in an oxide layer, and there was much Ti content, evaluation of oxidation resistance and hydrogen absorption resistance failed.
No. In No. 17, the oxide layer was not formed, so the evaluation of oxidation resistance and hydrogen absorption resistance was unacceptable.

本発明によれば、耐酸化性および耐水素吸収性に優れたチタン部材を提供できる。本発明のチタン部材により、軽量で高強度のチタン材の用途が広がり、航空機や自動車の燃費が向上するとともに、自動二輪車の運動性能が向上する。したがって、本発明は、多くの人々の生活環境の向上に大きく貢献する。よって、本発明は、チタン製造・加工産業において利用可能性が高いものである。   According to the present invention, a titanium member having excellent oxidation resistance and hydrogen absorption resistance can be provided. The titanium member of the present invention expands the use of lightweight and high-strength titanium materials, improves the fuel efficiency of aircraft and automobiles, and improves the performance of motorcycles. Therefore, the present invention greatly contributes to improving the living environment of many people. Therefore, the present invention has high applicability in the titanium manufacturing / processing industry.

Claims (3)

チタンまたはチタン合金からなるチタン基材と、
前記チタン基材上に形成された酸化物層とを有し、
前記酸化物層が、質量%でSi:25〜50%、B:1〜5%、Ti:5〜20%、酸素:40〜55%、残部が不可避的不純物からなる組成を有し、
前記酸化物層の厚みが1.0μm以上5.0μm以下であることを特徴とするチタン部材。
A titanium substrate made of titanium or a titanium alloy;
An oxide layer formed on the titanium substrate;
The oxide layer has a composition in which Si: 25 to 50% by mass, B: 1 to 5%, Ti: 5 to 20%, oxygen: 40 to 55%, and the balance of inevitable impurities,
A titanium member, wherein the oxide layer has a thickness of 1.0 μm or more and 5.0 μm or less.
前記チタン部材が、自動車用のエンジン部材又は排気装置部材として用いられることを特徴とする請求項1に記載のチタン部材。   The titanium member according to claim 1, wherein the titanium member is used as an engine member or an exhaust device member for an automobile. 請求項1または請求項2に記載のチタン部材の製造方法であり、
前記チタン基材の表面に、SiとBとを含む粉末を塗布し、酸素を含む雰囲気中で、700〜850℃、1〜4時間の熱処理を施す工程を含むことを特徴とするチタン部材の製造方法。
It is a manufacturing method of the titanium member according to claim 1 or 2,
A titanium member characterized by comprising a step of applying a powder containing Si and B to the surface of the titanium base material and subjecting it to a heat treatment at 700 to 850 ° C. for 1 to 4 hours in an atmosphere containing oxygen. Production method.
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