JP4641091B2

JP4641091B2 - 金属材料表面に対する炭窒化物層形成方法及び表面に炭窒化物層を備えるチタン系金属材料

Info

Publication number: JP4641091B2
Application number: JP2000274545A
Authority: JP
Inventors: 清隆松浦; 昌行工藤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2000-09-11
Filing date: 2000-09-11
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2020-09-11
Also published as: JP2002080958A

Description

【０００１】
本発明は、チタン系金属からなる金属材料表面に炭窒化物層を形成する方法及び該方法により得られる表面に炭窒化物層を備えるチタン系金属材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
純チタン及びチタン合金等のチタン系金属材料は、軽量でありながら高い強度を備えると共に、優れた耐食性を備えているので、航空宇宙機器用材料、自動車用材料等の多くの分野で用いられている。また、前記チタン系金属材料は、前記特性に加え、生体親和性にも優れているので、スポーツ用品、眼鏡、医療器具、生体埋込用材料等にも用いられている。
【０００３】
ところで、前記チタン系金属材料は、前記のように強度、耐食性に優れる一方で、硬度は必ずしも高いとは言えず、このためエンジンバルブ、ピストンリング、或いは人工関節等の摺動部材に用いる場合には、十分な耐摩耗性が得られないことがある。特に人工関節等の生体埋込用材料に用いる場合には、摩耗により発生する粉末が周辺の生体組織に炎症を誘発することが報告されている（平成１１年度日本金属学会北海道支部講演大会概要集、ｐ．２５）。
【０００４】
そこで、チタン系金属材料の耐摩耗性を改良するために、表面硬度を向上させる技術が種々提案されている。例えば、特開昭６３−１５７８５２号公報には、メタン等の浸炭性ガス雰囲気下にチタン合金材料を加熱処理して浸炭処理し、該チタン合金材料の表面に炭素が固溶した層を形成する技術が開示されている。また、特開平２−２５５５９号公報には、アンモニアガスを主成分とする雰囲気下にチタン合金材料を加熱処理して窒化処理し、該チタン合金材料の表面に窒化チタン層を形成する技術が開示されている。
【０００５】
前記各公報記載の技術によれば、前記チタン合金材料の表面硬度を向上することができるが、この場合の表面硬度は約７００〜８８０Ｈｖ（ビッカース硬度）に過ぎず、該チタン合金材料の耐摩耗性を改良するために十分とは言えない。
【０００６】
これに対して、前記チタン系金属材料の表面に、前記窒化チタン層を形成すると共に該窒化チタン層に炭素が固溶した炭窒化物層を形成するならば、前記耐摩耗性を改良するに十分な硬度が得られると考えられる。金属材料の表面に前記炭窒化チタン層を形成する方法として、特開平６−１３６５１５号公報、特開平６−３４６２２５号公報には、イオンプレーティングによる方法が開示されている。前記イオンプレーティングによる方法は、チタンターゲットからアーク放電等によりチタンイオンを放出させると共に、該チタンイオンを炭化水素ガス、窒素ガス等のガスと反応せしめることにより、鋼材等の金属材料の表面に炭窒化チタン層を形成するものである。
【０００７】
しかしながら、前記イオンプレーティングによる方法は、ターゲットからイオンを放出させるためにアーク放電等の設備を必要とするので、装置が大がかりになり、製造コストの増大が避けられない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる不都合を解消して、金属材料の表面に容易に炭窒化物層を形成することができる方法を提供することを目的とする。
【０００９】
また、本発明の目的は、高い表面硬度を備え、耐摩耗性に優れたチタン系金属材料を提供することにもある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明の金属材料表面に対する炭窒化物層形成方法は、チタン系金属からなる金属材料の表面に黒鉛を配置し、窒素雰囲気下で加熱処理することにより、該金属材料表面に炭窒化物層として炭窒化チタン層を形成することを特徴とする。尚、本明細書において、「炭窒化物」との用語は、母材となる金属材料の窒化物に炭素が固溶している状態の化合物を意味する。
【００１１】
本発明の方法によれば、窒素ガスの加熱分解により生じた窒素原子が前記チタン系金属からなる金属材料と反応して該金属材料表面に窒化チタン層を形成すると共に、該金属材料の表面に配置された黒鉛が前記加熱処理により分解して炭素原子を放出し、該炭素原子が前記窒化チタン層に固溶して、前記炭窒化チタン層を形成する。前記黒鉛の加熱分解により放出される炭素原子は、前記金属材料の表面に沿って急速に拡散するので、前記黒鉛は前記金属材料の表面に配置されてさえいればよく、該表面を完全に被覆する必要はない。前記黒鉛は粉末状でも小片状でもよく、例えば粉末状である場合には、前記金属材料の表面を薄く覆う程度に配置されていればよい。
【００１２】
従って、本発明の方法によれば、イオンプレーティング等のように大がかりな装置を必要とせず、安価かつ容易に表面に炭窒化物層を備える金属材料を得ることができる。
【００１３】
また、本発明の方法において、前記窒素雰囲気下の加熱処理は、１１００〜１３００℃の範囲の温度に、１０分〜９０分間保持して行うことにより、前記炭窒化物層を短時間で十分な厚さに形成することができ、高い硬度を得ることができる。本発明の方法では、前記加熱温度と保持時間とは、重要なプロセス・パラメータであり、加熱処理条件を前記範囲で調整することにより、前記炭窒化物層の厚さを自由に制御することができる。
【００１４】
但し、前記加熱処理が１１００℃未満の温度で１０分未満では、前記金属材料の窒化及び窒化物に対する炭素の固溶が進行しにくく、十分な硬度が得られない。また、前記加熱処理が１３００℃を超える温度で、９０分を超えて行われると、母材である前記金属材料が熱により損傷を受けることがある。
【００１５】
本発明の方法は、各種鋼材、純チタン、チタン合金等に適用することができるが、特に純チタン、チタン合金等のチタン系金属からなる前記金属材料の表面に前記炭窒化物層として炭窒化チタン層を形成する場合に有利に適用することができる。本発明の方法により、表面に炭窒化チタン層が形成されたチタン系金属は、本来備えている軽量性、生体親和性に加えて、前記高い硬度による優れた耐摩耗性が得られる。そこで、前記チタン系金属は、エンジンバルブ、ピストンリング、人工関節等の摺動部材に好適に用いることができる。
【００１６】
尚、本明細書において、「チタン系金属」との用語は、純チタンまたはチタン合金を意味する。また、前記純チタンは、製造工程等で不可避的に混入する微量の不純物を含んでいてもよい。
【００１７】
また、本発明のチタン系金属材料は、前記本発明の方法により、表面に黒鉛を配置したチタン系金属材料を、窒素雰囲気下で加熱処理することにより、該金属材料表面に炭窒化チタン層を形成してなるものであって、表面硬度がビッカース硬度で１０００Ｈｖ以上であることを特徴とする。
【００１８】
本発明のチタン系金属材料は、表面硬度が前記範囲にあることにより、エンジンバルブ、ピストンリング、人工関節等の摺動部材に好適な耐摩耗性を得ることができる。但し、前記表面硬度がビッカース硬度で１０００Ｈｖ未満では、前記摺動部材に好適な耐摩耗性を得ることができない。また、本発明の方法によれば前記表面硬度をビッカース硬度で２０００Ｈｖ程度とすることも可能である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態で得られた金属材料のＸ線微小分析（ＥＰＭＡ）の結果を示すグラフ、図２は本実施形態で得られた金属材料における表面からの深さ、保持時間と硬度との関係を示すグラフ、図３は本実施形態で得られた金属材料における保持時間、加熱温度と表面硬度との関係を示すグラフ、図４は本実施形態で得られた金属材料における保持時間、加熱温度と炭窒化物層の厚さとの関係を示すグラフである。
【００２０】
本実施形態では、金属材料として、直径１０ｍｍ、厚さ５ｍｍの純チタン（Ｔｉ：９９．５ｗｔ％、残部不可避的不純物）円盤を準備した。次に、前記純チタン円盤を黒鉛製容器に収容し、該純チタン円盤の表面を薄く覆うように黒鉛粉末を配置した。
【００２１】
次に、前記純チタン円盤を前記黒鉛製容器と共に真空炉に収容し、チタンの酸化を避けるために、炉内を１３３．３×１０^-3Ｐａ程度に減圧した。次に、超高純度窒素ガス（Ｎ₂：９９．９９ｖｏｌ％）を前記真空炉内に導入し、逆流防止弁を介して過剰ガスを炉外に放出することにより、炉内圧力を約１気圧に保持し、前記窒素雰囲気下に前記純チタン円盤を加熱処理することにより、該純チタン円盤の表面に炭窒化チタン層を形成した。
【００２２】
前記炭窒化チタン層は、前記加熱処理により前記窒素ガスと純チタンとの反応により生成した窒化チタンに、前記黒鉛の加熱分解により生成した炭素が固溶したものである。尚、前記加熱処理は、温度及び保持時間を変えて、複数通り行った。
【００２３】
次に、前記加熱処理を１２００℃の温度に２０分間保持することにより行ったときに得られた純チタン円盤の表面を光学顕微鏡及び走査型電子顕微鏡により観察したところ、単相組織であることが確認された。また、前記純チタン円盤の表面をＸ線微小分析（ＥＰＭＡ）により解析したところ、図１に示すように、表面から２０μｍ以内の範囲では、Ｃ及びＮの原子濃度の和がＴｉの原子濃度と略同程度となっていた。そして、該組成をＣ−Ｎ−Ｔｉ三元系平行状態図に対応させたところ、窒化チタン（ＴｉＮ）に炭素が固溶した化合物相に一致した。従って、前記純チタン円盤の表面には、窒化チタンに炭素が固溶した化合物である炭窒化チタン（Ｔｉ（Ｃ，Ｎ））からなる層が形成されていると考えられる。
【００２４】
次に、前記窒素ガス雰囲気下、前記純チタン円盤を１１１５℃の温度に、それぞれ３０分、６０分、９０分保持して前記加熱処理を行ったときの表面からの深さと硬度との関係を図２に示す。また、前記加熱処理を全く行わなかった場合の表面からの深さと硬度との関係を、保持時間０分として、図２に併せて示す。
【００２５】
図２から、加熱処理を全く行わないときには表面から内部にかけて略同一の硬度であるが、前記加熱処理を行うと、表面ほど高い硬度が得られ、内部に行くに従って硬度が低下する硬度勾配が形成されることが明らかである。また、保持時間が長くなるほど表面から深い位置でも高い硬度が得られることが明らかである。
【００２６】
尚、保持時間９０分の場合には、前記のように表面から深い位置で保持時間３０分または６０分の場合よりも高い硬度が得られる。
【００２７】
次に、前記窒素ガス雰囲気下、前記純チタン円盤を、それぞれ１１１５℃、１２００℃、１３００℃の温度に５〜１００分保持した。加熱温度、保持時間と表面硬度との関係を図３に、加熱温度、保持時間と炭窒化チタン層の厚さとの関係を図４に示す。
【００２８】
図３及び図４から、加熱温度及び保持時間を調整することにより、前記純チタン円盤の表面硬度と、形成される炭窒化チタン層の厚さとを自由に制御することができることが明らかである。
【００２９】
また、図３から前記加熱処理における保持時間が１０分未満では前記純チタン円盤の表面で十分な硬度が得られないことが明らかである。さらに、図３及び図４から、前記加熱温度が低くなるほど、所望の硬度及び所望の厚さの炭窒化層を得るために長時間を要することが明らかである。
【００３０】
尚、本実施形態では、金属材料として前記純チタン円盤を用いる例について説明しているが、チタン合金の場合にも本実施形態と同一の方法により表面に炭窒化チタン層を形成することができる。また、純チタン、チタン合金等のチタン系金属に替えて、鋼材等の他の金属材料の場合にも、本実施形態と同一の方法により、その表面に母材の炭窒化物層を形成することができる。
【００３１】
本発明の方法によれば、チタン系金属材料の表面に炭窒化チタン層を形成するときに、前述のように加熱温度及び保持時間を調整することにより、前記表面硬度がビッカース硬度で１０００Ｈｖ以上であるチタン系金属材料を得ることができ、かかるチタン系金属材料は、エンジンバルブ、ピストンリング、人工関節等の摺動部材に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態で得られた金属材料のＸ線微小分析（ＥＰＭＡ）の結果を示すグラフ。
【図２】本発明の一実施形態で得られた金属材料における表面からの深さ、保持時間と硬度との関係を示すグラフ。
【図３】本発明の一実施形態で得られた金属材料における保持時間、加熱温度と表面硬度との関係を示すグラフ。
【図４】本発明の一本実施形態で得られた金属材料における保持時間、加熱温度と炭窒化物層の厚さとの関係を示すグラフ。
【符号の説明】
符号なし。

Claims

チタン系金属からなる金属材料の表面に黒鉛を配置し、窒素雰囲気下で加熱処理することにより、該金属材料表面に炭窒化物層として炭窒化チタン層を形成することを特徴とする金属材料表面に対する炭窒化物層形成方法。
前記窒素雰囲気下の加熱処理は、１１００〜１３００℃の範囲の温度に、１０分〜９０分間保持して行うことを特徴とする請求項１記載の炭窒化物層形成方法。
表面に黒鉛を配置したチタン系金属材料を、窒素雰囲気下で加熱処理することにより、該金属材料表面に炭窒化チタン層を形成してなり、表面硬度がビッカース硬度で１０００Ｈｖ以上であることを特徴とするチタン系金属材料。