JPH1072656A

JPH1072656A - チタン系材料の表面硬化方法

Info

Publication number: JPH1072656A
Application number: JP24870896A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Shigematsu; 一典重松; Mamoru Nakamura; 守中村
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1996-08-30
Filing date: 1996-08-30
Publication date: 1998-03-17

Abstract

(57)【要約】【課題】チタン系材料の強度等の機械的特性を可及的
に損なうことなく、且つ所定の表面部位のみに、生産性
よく、優れた特性を有する表面硬化層を形成し得る表面
硬化方法を提供する。【解決手段】チタン系材料１０を窒素ガスの充填され
た容器１６内に収容して、該チタン系材料１０の表面に
レーザービームを照射することにより、かかるレーザー
ビームのエネルギーにてチタンと窒素との反応を誘起さ
せて、該チタン系材料の表面に高硬度の窒化物層を形成
せしめる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は、チタン系材料の表面硬化方法に
係り、特に、チタン系材料の表面において、生産性よ
く、優れた特性を有する表面硬化層を形成し得るチタン
系材料の表面硬化方法に関するものである。

【０００２】

【背景技術】従来より、チタン系材料にあっては、その
比強度が高く、また耐食性にも優れているところから、
様々な分野において、各種構造部材への応用が検討さ
れ、実施されてきているが、その反面、耐摩耗性に劣る
という欠点があるところから、機械装置等における摺動
部や他金属との接触部に使用される際には、多くの場合
において、耐摩耗性を向上させるための表面硬化処理
が、それら摺動部や接触部に相当する部分に必要となる
のである。

【０００３】そして、そのようなチタン系材料の表面硬
化処理として、Ｃｒメッキに代表される湿式メッキ、Ｃ
ＶＤ、ＰＶＤ、イオン注入等の多様な表面処理法が、従
来より採用されてきている。しかし、それらの表面処理
法にあっては、Ｃｒ等の高価な原料が必要であったり、
また、イオン注人装置等の多大な設備投資が必要であっ
たり、更には、メッキ処理等の工程において、作業員に
高度の技能が要求される等の問題点を内在していたので
ある。

【０００４】一方、上記の如き表面硬化処理法よりも簡
便なガス窒化法を用いたチタン系材料の表面硬化処理
も、従来より採用されてきている。これは、チタン系材
料を、窒素雰囲気下において、加熱、保持せしめること
によって、かかる材料の表面に、硬度の高い窒化物層を
形成して、該材料の表面の耐摩耗性を向上させる手法で
ある。

【０００５】ところが、このようなガス窒化法にあって
も、チタン系材料全体を高温下において加熱、保持する
ところから、表面硬化処理後における該材料の強度等の
機械的特性を損なわないようにするためには、そのよう
な加熱、保持は、チタン系材料の変態温度（約８５０
℃）以下の温度において、実施されなければならず、従
って、充分な窒化物層を得るためには、非常に長時間の
保持（例えば、８５０℃で１０〜２０時間）が必要であ
り、甚だ生産性が悪く、また、高価な高純度窒素ガスを
大量に消費するため、処理コストが高いという問題点を
有している。加えて、かかるガス窒化法にあっては、チ
タン系材料の表面の所定の一部にのみ表面硬化を施すこ
とが、極めて困難であって、その結果、表面硬化処理の
後に、チタン系材料を切削等、機械加工する必要がある
場合等にあっては、そのような加工が困難なものとな
る。

【０００６】これらのことから、チタン系材料の表面硬
化処理のコストは非常に高いものとなり、このことが、
チタン系材料の製造コストを上昇せしめて、各種構造部
材等への適用を阻害する要因の一つになっているのであ
る。

【０００７】

【解決課題】ここにおいて、本発明は、かかる事情を背
景にして為されたものであって、その解決課題とすると
ころは、チタン系材料の強度等の機械的特性を可及的に
損なうことなく、且つ所定の表面部位のみに、生産性よ
く、優れた特性を有する表面硬化層を形成し得る表面硬
化方法を提供することにある。

【０００８】

【解決手段】そして、かかる課題を解決するために、本
発明は、チタン系材料を窒素ガスの充填された容器内乃
至は室内に配置して、該チタン系材料の表面にレーザー
ビームを照射することにより、かかるレーザービームの
エネルギーにてチタンと窒素との反応を誘起させて、該
チタン系材料の表面に高硬度の窒化物層を形成せしめる
ことを特徴とするチタン系材料の表面硬化方法を、その
要旨とするものである。

【０００９】このような本発明に係るチタン系材料の表
面硬化方法に従えば、レーザービームを該チタン系材料
の表面に照射するところから、レーザービームの照射さ
れた部分及びその近傍のみが、局所的に、該チタン系材
料の変態温度以上の高温に加熱されて、そこにおいて、
チタンと窒素との反応が速やかに進行することとなる一
方、それ以外の部分は変態温度以上に加熱されることが
ないところから、極めて短時間に、また、所定の表面部
位のみに、従来の手法に比して、厚く且つ硬度の高い窒
化物層が形成されると共に、該表面部位以外の部分にお
いては、チタンの相変態および粒成長が可及的に抑制さ
れることとなるのである。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を更に具体的に明ら
かにするために、図面を参照しつつ、本発明の具体的構
成について詳細に説明することとする。

【００１１】先ず、図１には、本発明に従うチタン系材
料の表面硬化方法を好適に実施し得る具体的な装置の構
成が示されている。即ち、かかる表面硬化方法の処理対
象となるチタン系材料１０が、移動テーブル１４上に固
定された気密な圧力容器１６内に、保持台１２上に載置
された状態において、保持台１２と共に収容され、該圧
力容器１６の後述する開口部を介して、図示しないレー
ザー装置のレーザービームの照射方向に面するように配
置されている。

【００１２】より詳細には、圧力容器１６は、その上壁
部１８の略中心部位に開口部２０を有すると共に、該開
口部２０は、使用するレーザービームを殆ど吸収するこ
となく、透過せしめる材料、セレン化亜鉛等からなる平
板２２にて、密閉されている。また、その側壁部２４に
は、窒素ガスの導入用通路２６及び窒素ガスの排気用通
路２８が並設され、それぞれ、窒素ガスの導入用バルブ
３０及び窒素ガスの排気用バルブ３２を介して、図示し
ない、窒素ガス供給装置及び窒素ガス排気装置に接続さ
れ、それによって、該圧力容器１６内が、後述の所定の
圧力の窒素ガスで充満せしめられ得るようになってい
る。一方、該側壁部２４の、それら通路２６，２８と内
部空間を挟んで略対向位置する部位には、圧力測定用通
路３４が設けられ、圧力計３６に接続されている。

【００１３】そして、そのような圧力容器１６内に、チ
タン系材料１０が、該圧力容器１６の開口部を密閉して
いる平板２２を介して、図示しないレーザー装置のレー
ザービームの照射方向に面するような状態において、該
圧力容器１６の底壁部１９に固定された保持台１２上に
載置される一方、該圧力容器１６は、図示しない駆動装
置によって所定の方向に移動可能な公知の移動テーブル
１４上に固定され、それによって、該チタン系材料１０
の該照射方向に面する表面の所定の範囲にわたって、レ
ーザービームが照射され得るようになっているのであ
る。このように、本発明の実施の一形態においては、チ
タン系材料が、レーザービームに対して、相対的に移動
することにより、該レーザービームが、該チタン系材料
の所定の範囲にわたって、照射されるように構成されて
いるのであるが、レーザー装置全体若しくはその一部を
動かすことにより、チタン系材料の所定の範囲にわたっ
て、レーザービームを照射することも可能である。

【００１４】なお、本発明に従って、かかる表面硬化方
法を実施し得るチタン系材料１０としては、公知の各種
の材質のものが対象とされ、例えば純チタン、Ｔｉ−Ａ
ｌ−Ｖ等のチタン合金、ＴｉＡｌ等の金属間化合物を挙
げることが出来る。

【００１５】また、そのようなチタン系材料の表面に照
射され、チタンと窒素との反応を誘起せしめるレーザー
としては、ＹＡＧレーザー、炭酸ガスレーザー、エキシ
マレーザー等を挙げることが出来、そのような各種レー
ザーを発生させる公知のレーザー装置が適宜に採用され
る。そして、本発明にあっては、そのような各種のレー
ザーを単独で用いてもよく、また、複数種類のレーザー
を併用してもよい。なお、そのようなレーザーの出力
は、好ましくは、１０００Ｗ以上、１５００Ｗ以下とさ
れる。けだし、出力が１０００Ｗより小さくなると、チ
タン系材料の表面が充分に加熱されず、チタンと窒素と
の反応が充分に進行しない一方、それが１５００Ｗより
大きくなると、加熱がチタン系材料の内部にまで及び、
チタン系材料の強度等の機械的特性を劣化させることと
なるからである。

【００１６】而して、上記の如き装置構成において、窒
素ガスの導入用バルブ３０を開き、所定の窒素ガス供給
装置から、窒素ガスの導入用通路２６を通じて、窒素ガ
スを圧力容器１６内に導入し、該容器１６内を所定圧力
の窒素ガスにて充填せしめた後、レーザービームを所定
の出力にてチタン系材料１０の表面に向けて照射すると
共に、移動テーブル１４を移動させて、該レーザービー
ムが、該チタン系材料１０の所定の範囲にわたって、照
射せしめられるようにされる。そして、該レーザービー
ムのエネルギーにて、該チタン系材料１０表面の照射部
分及びその近傍の部分が、順次、局所的に高温に加熱せ
しめられ、それら部分において、窒素がチタン系材料中
への拡散し、チタンと窒素とが反応して、ＴｉＮ及びＴ
ｉ₂Ｎ等の高硬度の窒化物のコーティング層が形成され
るのである。

【００１７】なお、かかる圧力容器１６内の圧力（窒素
ガス圧）としては、レーザービームの照射によるチタン
と窒素との反応が効果的に進行せしめられるように、適
宜に選定されることとなるが、好ましくは、０．１気圧
〜２気圧が採用されることとなる。けだし、そのような
圧力が、０．１気圧より低くなっても、また２気圧より
高くなっても、チタンと窒素との反応の効率が悪化する
からである。

【００１８】

【実施例】ところで、この本発明に従うチタン系材料の
表面硬化方法について種々実験を行ない、その結果を評
価した。

【００１９】先ず、図１に示される如き装置構成に従
い、圧力：１気圧の窒素ガス雰囲気下において、レーザ
ー装置として、公知の炭酸ガスレーザー装置を用い、出
力：１２００Ｗにて炭酸ガスレーザーを連続発振せしめ
ると共に、レーザービームを、ビームを導く反射鏡を揺
動させることにより、その照射面において１５ｍｍの幅
で揺動させ、厚さ３ｍｍの工業用チタン板（純チタン）
表面の１５ｍｍ×２０ｍｍの範囲にわたって、レーザー
ビームを照射した。なお、この処理に要した時間は約４
０秒であった。

【００２０】そして、その得られたチタン板を、その表
面から深さ方向の５箇所において、公知のＸ線回折法に
より分析すると共に、その表面から深さ方向の４箇所に
おける、該チタン板のビッカース硬度を、各深さ位置に
おける該チタン板の上層部分を研磨紙で研磨することに
よって除去した後、ＪＩＳＺ２２４４に準拠して測定
し、その結果を、それぞれ、図２及び図３に示した。

【００２１】すなわち、図２は、該チタン板における照
射部分の表面、及び、そこから、２０μｍ，３０μｍ，
４０μｍ，５０μｍの各深さにおける内部において、散
乱されるＸ線の強度の回折方向による変化を示したもの
である。なお、この図の一番下の部分には、純チタンの
場合の散乱Ｘ線の強度変化が、参考として示されてい
る。かかる図２から明らかな如く、処理後のチタン板に
あっては、レーザービームの照射によって表面硬化処理
がなされた部分には、表面から４０μｍの深さまで、参
考として示された純チタンにおいては存在しない、窒化
物、即ちＴｉＮ及びＴｉ₂Ｎのピークが確認され得ると
共に、そのような窒化物のピークは、表面から５０μｍ
の深さの部分においても、微かに存在することが確認さ
れる。従って、従来のＣＶＤ、ＰＶＤおよびガス窒化法
によって形成される、一般に１０〜２０μｍの表面硬化
層と比べて、厚い約５０μｍの厚さの窒化物層が、レー
ザービームの照射によって表面硬化処理がなされた表面
部位に形成されたことが分かる。

【００２２】また、図３は、該チタン板における照射部
分の表面から、２０μｍ，３０μｍ，４０μｍ，５０μ
ｍの各深さにおける内部のビッカース硬度を測定した結
果である。比較のため、同じ工業用チタン板を、従来の
ガス窒化法に従って、窒素雰囲気炉中において、８５０
℃まで加熱し、その温度で１０時間保持して、その表面
を窒化させることにより得られたチタン板の表面硬度、
及び未処理の純チタンの表面硬度が、併せて図中に示さ
れている。

【００２３】なお、本発明に従うチタン系材料の表面硬
化方法によって処理されたチタン板のレーザ照射面は、
表面粗さが大きいため、硬度の測定を行なっていない
が、この図３から明らかなように、本発明のチタン系材
料の表面硬化方法によって処理されたチタン板にあって
は、レーザービームが照射された表面部位から２０μｍ
の深さにおける内部の硬度が、約７．５ＧＰａにも達し
ており、未処理の純チタンの表面硬度は勿論のこと、従
来のガス窒化法によって処理したチタン板の表面硬度を
も大きく上回っていることが、確認され得るのである。

【００２４】以上、本発明の代表的な実施例について詳
述してきたが、それは文字通りの例示であって、本発明
が、そのような具体例にのみ限定して解釈されるもので
はなく、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修
正、改良等を加えた態様において実施され得るものであ
り、また、そのような実施の態様が、本発明の趣旨を逸
脱しない限りにおいて、何れも、本発明の範疇に属する
ものであることは、言うまでもないところである。

【００２５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
に従うチタン系材料の表面硬化方法によれば、チタン系
材料の表面に、極めて短時間に、また、所定の部位のみ
に、従来の手法に比して、厚く且つ硬度の高い窒化物層
が形成されると共に、該表面部位以外の部分において
は、チタンの相変態および粒成長が可及的に抑制される
こととなるところから、チタン系材料の強度等の機械的
特性を可及的に損なうことなく、且つ所定の表面部位の
みに、生産性よく、優れた特性を有する表面硬化層を形
成することが出来、かかるチタン系材料の目的とする表
面部位の耐磨耗性を向上させることが出来るのである。

【００２６】また、そのような表面硬化処理の後に、チ
タン系材料部材の表面硬化処理のなされていない部位に
対しては、必要であれば、切削等の機械加工を容易に実
施し得るのである。

【００２７】さらに、かかるチタン系材料の表面硬化方
法にあっては、高価なメッキのための材料や、特殊な設
備を用いることなく実施することが出来、しかも、使用
する窒素ガスの量が少量でよく、更には、加熱のための
エネルギーが大幅に削減出来ることから、チタン系材料
の表面硬化処理を、従来法に比べて極めて低コストで実
施することが可能となる。

【００２８】そして、それらの結果として、チタン系材
料部材の機械的構造物等への適用が促進され、その工業
的な利用が大きく拡大することが期待されるのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るチタン系材料の表面硬化方法を有
利に実施し得る装置の一例を示す断面説明図である。

【図２】本発明に係るチタン系材料の表面硬化方法に従
って処理されたチタン板のＸ線回折による分析結果を示
す図である。

【図３】本発明に係るチタン系材料の表面硬化方法に従
って処理されたチタン板の深さ方向の硬度分布の測定結
果を示す図である。

【符号の説明】

１０チタン系材料１２保持台１４移動テーブル１６圧力容器１８上壁部２０開口部２２平板２４側壁部２６窒素ガスの導入用通路２８窒素ガスの排気用通路３０窒素ガスの導入用バルブ３２窒素ガスの排気用バルブ３４圧力測定用通路３６圧力計

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】チタン系材料を窒素ガスの充填された容
器内乃至は室内に配置して、該チタン系材料の表面にレ
ーザービームを照射することにより、かかるレーザービ
ームのエネルギーにてチタンと窒素との反応を誘起させ
て、該チタン系材料の表面に高硬度の窒化物層を形成せ
しめることを特徴とするチタン系材料の表面硬化方法。