(57)【要約】【課題】均一な硬化層を安定した状態で得られるチタン材料の表面硬化方法を提供する。【解決手段】チタン材料からなる地金の表面に対し、チタン材料と固溶してチタン材料を硬化させる硬化元素を含有するチタン材料から形成された溶加棒を用いて肉盛溶接を行うことにより、地金のチタン材料と溶加棒のチタン材料とがチタン材料の溶融域を形成し、このときに、溶加棒に含まれている硬化元素が溶融状態のチタン材料中に混入する。このような混入によって硬化元素がチタン材料と固溶し、地金の表面に硬化元素が固溶した硬化層を形成する。これにより、チタン地金の表面に安定した均一な品質の表面硬化層が形成される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン材料からなる地金の表面に対し、チタン材料と固溶してチタン材料を硬化させる硬化元素を含有するチタン材料から形成された溶加棒を用いて肉盛溶接を行うことにより、上記地金の表面に上記硬化元素が固溶した硬化層を形成することを特徴とするチタン材料の表面硬化方法。
【請求項２】
上記肉盛溶接により、上記硬化層中にチタンと硬化元素との化合物粒子を析出させる請求項１記載のチタン材料の表面硬化方法。
【請求項３】
上記地金の表面に上記硬化元素と金属との化合物粉末を存在させた状態で上記肉盛溶接を行うことにより、上記硬化層中にチタンと硬化元素との化合物粒子を析出させる請求項１または２記載のチタン材料の表面硬化方法。
【請求項４】
上記溶加棒中に上記硬化元素と金属との化合物粉末を存在させ、当該溶加棒で上記肉盛溶接を行うことにより、上記硬化層中にチタンと硬化元素との化合物粒子を析出させる請求項１または２記載のチタン材料の表面硬化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チタン材料に対して極めて効率よく表面硬化を行うチタン材料の表面硬化方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
チタン合金は、比強度が高く耐食性に優れており、ナイフや刃物の他、硬度を必要とする構造材に用いるのに適している。ここで、従来のチタン合金を硬化するための処理方法として、例えば、ガス窒化法やプラズマ窒化法があり、この方法によるとチタン合金の表面に黄金色を呈する硬質な層（ＴｉＮとＴｉＮ２からなる）を形成することができ、母材側にも窒素の拡散・固溶による硬質な層を形成することができる。この方法は、処理法として簡便であり、耐摩耗性を著しく改善できるという利点がある。
【０００３】
しかしながら、上記ガス窒化法やプラズマ窒化法にあっては、バッチ処理であり、しかも８５０℃以上の温度で主として１０時間以上という高温・長時間処理を行うものである。そのため、大量に連続した処理をすることができず、また母材の機械的性質の劣化を生じさせるという問題がある。また、摺動部材等のように、摺動する部分だけ硬化させればよいものであっても、部材表面全体が硬化してしまい、後の機械加工が困難になる不都合が生じる場合もある。
【０００４】
そこで、窒素ガスをシールドガスとしてチタン地金表面をアーク溶解し、溶融池に窒素を混入させて凝固することにより、溶融凝固部分に窒素を固溶してチタン材料を部分的に強化する方法が開示されている（下記の特許文献１および２）。
【特許文献１】特開平１１−３６０８３
【特許文献２】特開２００１−２０７２４６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１および２記載の方法は、いずれも、窒素ガスをシールドガスとしてチタン地金の表面をアーク溶解させ、溶融池にシールドガス中の窒素を混入させるものであるため、アークの状態すなわち地金の溶融状態やシールドガスのシールド状態等の要因によって窒素の混入状態に変動をきたし、均一な硬化層を安定した状態で得られ難いという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、均一な硬化層を安定した状態で得られるチタン材料の表面硬化方法の提供をその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明のチタン材料の表面硬化方法は、チタン材料からなる地金の表面に対し、チタン材料と固溶してチタン材料を硬化させる硬化元素を含有するチタン材料から形成された溶加棒を用いて肉盛溶接を行うことにより、上記地金の表面に上記硬化元素が固溶した硬化層を形成することを要旨とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のチタン材料の表面硬化方法は、チタン材料からなる地金の表面に対し、チタン材料と固溶してチタン材料を硬化させる硬化元素を含有するチタン材料から形成された溶加棒を用いて肉盛溶接を行うことにより、溶加棒に含まれる硬化元素が、地金表面と溶加棒との溶接によって形成されるチタン材料の溶融池に混入するとともに、溶融池周辺の地金にも拡散する。そして、このような混入と拡散によって、チタン材料に対して硬化元素が固溶し、地金の表面に硬化層を形成する。すなわち、溶加棒が地金に直接溶け込むような現象であるから、溶加棒中の硬化元素が確実に地金に混入して固溶層すなわち硬化層が形成され、均一な安定した硬化層を構成することができる。
【０００９】
このように、溶加棒が地金とともに溶融状態になって、溶加棒に含有されている硬化元素が溶接で形成される溶融池に混入されて固溶させるものであるから、所定量の硬化元素を確実に固溶させることができ、期待通りの物性の表面硬化層を形成させることができる。さらに、溶加棒の製造工程において、溶加棒に含有させる硬化元素の量を容易に制御できるので、溶加棒からチタン材料に混入する硬化元素の量や分布状態を最適化するよう制御することが容易であり、硬化状態にムラのない良質な硬化層が形成できる。また、この場合において、例えば肉盛溶接をアーク溶接で行う場合、アーク電流，アーク電圧，アーク長さ等の溶接条件を所定値に正確に設定できるので、肉盛溶接自体を所定の肉盛状態にすることができ、ねらい通りの良質な硬化層を形成できる。
【００１０】
本発明のチタン材料の表面硬化方法において、上記肉盛溶接により、上記硬化層中にチタンと硬化元素との化合物粒子を析出させる場合には、きわめて高い硬度を有する例えば硬質セラミックスや金属間化合物等の化合物粒子がチタン材料中に析出することで、硬化層の硬度が一層高くなる。
【００１１】
本発明のチタン材料の表面硬化方法において、上記地金の表面に上記硬化元素と金属との化合物粉末を存在させた状態で上記肉盛溶接を行うことにより、上記硬化層中にチタンと硬化元素との化合物粒子を析出させる場合には、肉盛溶接時の溶融池中に上記硬化元素と金属との化合物粉末が混入することにより、形成される硬化層中に上記化合物粒子が分散した状態で析出し、硬化層の硬度が一層高くなる。
【００１２】
本発明のチタン材料の表面硬化方法において、上記溶加棒中に上記硬化元素と金属との化合物粉末を存在させ、当該溶加棒で上記肉盛溶接を行うことにより、上記硬化層中にチタンと硬化元素との化合物粒子を析出させる場合には、上記化合物粉末は溶加棒中に存在しているので、肉盛溶接時の溶融池中に上記硬化元素と金属との化合物粉末が混入することにより、形成される硬化層中に上記化合物粒子が分散した状態で析出し、硬化層の硬度が一層高くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
つぎに、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００１４】
本発明のチタン材料の表面硬化方法は、チタン材料からなる地金の表面に対し、チタン材料と固溶してチタン材料を硬化させる硬化元素を含有するチタン材料から形成された溶加棒を用いて肉盛溶接を行う。
【００１５】
上記チタン材料としては、工業用純チタン材料、チタン系の耐食合金、α型チタン合金、ニアα型チタン合金、β型チタン合金、α＋β型チタン合金等を適用することができ、特に限定するものではない。すなわち、地金のチタン材料として、工業用純チタン材料、チタン系の耐食合金、α型チタン合金、ニアα型チタン合金、β型チタン合金、α＋β型チタン合金等のいずれを適用してもよく、溶加棒のチタン材料としても工業用純チタン材料、チタン系の耐食合金、α型チタン合金、ニアα型チタン合金、β型チタン合金、α＋β型チタン合金等のいずれを適用してもよい。
【００１６】
より詳しく説明すると、上記チタン系の耐食合金としては、例えば、Ｔｉ−０．１５Ｐｄ合金、Ｔｉ−０．３Ｍｏ合金、Ｔｉ−５Ｔａ合金等をあげることができるが、これに限定するものではなく、各種のものを用いることができる。
【００１７】
また、上記α型チタン合金としては、常温で母材が稠密六方晶のα相を呈するものであれば、特に限定するものではなく、各種のものを適用することができる。例えば、Ｔｉ−５Ａｌ−２．５Ｓｎ合金、Ｔｉ−５．５Ａｌ−３．５Ｓｎ−３Ｚｒ−１Ｎｂ−０．３Ｍｏ−０．３Ｓｉ合金、Ｔｉ−２．５Ｃｕ合金等をあげることができる。
【００１８】
また、上記ニアα型チタン合金としては、特に限定するものではなく、各種のものを適用することができる。例えば、Ｔｉ−８Ａｌ−１Ｍｏ−１Ｖ合金、Ｔｉ−２．２５Ａｌ−１１Ｓｎ−５Ｚｒ−１Ｍｏ−０．２Ｓｉ合金、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ合金、Ｔｉ−５Ａｌ−５Ｓｎ−２Ｚｒ−２Ｍｏ−０．２５Ｓｉ合金、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｎｂ−１Ｔａ−０．８Ｍｏ合金、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−１．５Ｚｒ−１Ｍｏ−０．３５Ｂｉ−０．１Ｓｉ合金、Ｔｉ−６Ａｌ−５Ｚｒ−０．５Ｍｏ−０．２Ｓｉ合金、Ｔｉ−５Ａｌ−６Ｓｎ−２Ｚｒ−１Ｍｏ−０．２５Ｓｉ合金等をあげることができる。
【００１９】
また、上記α＋β型チタン合金としては、特に限定するものではなく、各種のものを適用することができる。例えば、Ｔｉ−８Ｍｎ合金、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金、Ｔｉ−６Ａｌ−６Ｖ−２Ｓｎ合金、Ｔｉ−７Ａｌ−４Ｍｏ合金、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏ合金、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−２Ｚｒ−２Ｍｏ−２Ｃｒ−０．２５Ｓｉ合金、Ｔｉ−１０Ｖ−２Ｆｅ−３Ａｌ合金、Ｔｉ−４Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｍｏ−０．５Ｓｉ合金、Ｔｉ−４Ａｌ−４Ｓｎ−４Ｍｏ−０．５Ｓｉ合金、Ｔｉ−２．２５Ａｌ−１１Ｓｎ−４Ｍｏ−０．２Ｓｉ合金、Ｔｉ−５Ａｌ−２Ｚｒ−４Ｍｏ−４Ｃｒ合金、Ｔｉ−４．５Ａｌ−５Ｍｏ−１．５Ｃｒ合金、Ｔｉ−６Ａｌ−５Ｚｒ−４Ｍｏ−１Ｃｕ−０．２Ｓｉ合金等をあげることができる。
【００２０】
また、上記β型チタン合金は、常温で母材が体心立方晶のβ相を呈するものであれば、特に限定するものではなく、各種のものを適用することができる。例えば、Ｔｉ−１３Ｖ−１１Ｃｒ−３Ａｌ合金、Ｔｉ−８Ｍｏ−８Ｖ−２Ｆｅ−３Ａｌ合金、Ｔｉ−３Ａｌ−８Ｖ−６Ｃｒ−４Ｍｏ−４Ｚｒ合金、Ｔｉ−１１．５Ｍｏ−６Ｚｒ−４．５Ｓｎ合金、Ｔｉ−１１Ｖ−１１Ｚｒ−２Ａｌ−２Ｓｎ合金、Ｔｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ合金、Ｔｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ合金、Ｔｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ａｌ−３Ｓｎ合金、Ｔｉ−２０Ｖ−４Ａｌ−１Ｓｎ合金、Ｔｉ−２２Ｖ−４Ａｌ合金等をあげることができる。
【００２１】
地金に用いるチタン材料と溶加棒に用いるチタン材料との組み合わせとしては、地金と溶加棒との溶接による溶接金属部を材料的に安定させるという観点から、同じタイプのチタン材料の組み合わせで用いるのが好ましい。すなわち、地金にα型チタン合金を使用した場合は溶加棒もα型チタン合金を、地金にβ型チタン合金を使用した場合は溶加棒もβ型チタン合金を、地金にα＋β型チタン合金を使用した場合は溶加棒もα＋β型チタン合金を、それぞれ用いるのが好ましい。また、溶加棒に純チタン材を使用した場合は、地金にどのタイプのチタン材料を用いても良い。
【００２２】
上記チタン材料からなり、表面硬化処理の対象材である地金は、平板状やブロック状所定の形状のものを用いることができる。必要に応じて、予め冷間加工・熱間加工等の塑性加工や切削加工等を施すことにより、所定の製品形状（ネットシェイプを含む）に成形してもよい。なお、地金としてのチタン材料は、溶製材だけでなく、ＨＩＰ焼結等の粉末冶金法によって得られた材料も含む趣旨である。
【００２３】
上記硬化元素としては、金属結晶の格子間に侵入固溶して材料を硬化させるものであり、例えば、炭素，窒素，硼素，酸素等をあげることができる。これらの硬化元素は、溶加棒を形成するチタン材料中に含有させている。
【００２４】
このような硬化元素を含有した溶加棒は、例えばつぎのようにしてつくることができる。例えば、チタン材料の棒材あるいは線材を、窒化性ガスの雰囲気下で所定時間加熱するガス窒化やプラズマ窒化、あるいは窒化性の塩浴中に浸漬する塩浴窒化等を施すことにより、チタン材料中に窒素を含む溶加棒を形成することができる。同様に、チタン材料の棒材あるいは線材に対して浸炭処理を施すことにより炭素を含む溶加棒を形成でき、浸炭窒化処理を行うことにより、炭素および窒素を含む溶加棒を形成することができる。また、材料の棒材あるいは線材に対してホウ化処理（ボロナイジング）を行うことにより、硼素を含有する溶加棒を形成することができる。
【００２５】
このような、表面処理的な手法で硬化元素を含有させる場合、例えば窒化処理と浸炭処理を同時もしくは順次行うことにより、２種類以上の硬化元素を含有させることも可能である。
【００２６】
また、別の方法として、チタン材料を加熱溶融する際に、溶解チタン材料中に窒素ガスを吹き込んだり、溶解チタン材料中に粉末炭素を混入して凝固させることにより、窒素や炭素を含むチタンインゴットを得、これを棒材あるいは線材に加工して窒素や炭素を含む溶加棒を形成することもできる。
【００２７】
また、溶加棒中に上記化合物粉末を存在させる手法として、上記化合物粉末をバインダ液に混入し、それを溶加棒の表面に塗布したり、溶加棒を中空にしておいてその中に化合物粉末を充填したりすることもできる。
【００２８】
本発明では、上記のようにして得られた溶加棒を用いてチタン材料からなる地金に肉盛溶接を行うことにより、上記地金の表面に上記硬化元素が固溶した硬化層を形成する。
【００２９】
このようにすることにより、溶加棒に含まれる硬化元素が、地金表面と溶加棒との溶接によって形成されるチタン材料の溶融池に混入するとともに、溶融池周辺の地金にも拡散する。そして、このような混入と拡散によって、チタン材料に対して硬化元素が固溶し、地金の表面に硬化層を形成する。すなわち、溶加棒が地金に直接溶け込むような現象であるから、溶加棒中の硬化元素が確実に地金に混入して固溶層すなわち硬化層が形成され、均一な安定した硬化層を構成することができる。
【００３０】
このように、溶加棒が地金とともに溶融状態になって、溶加棒に含有されている硬化元素が溶接で形成される溶融池に混入されて固溶させるものであるから、所定量の硬化元素を確実に固溶させることができ、期待通りの物性の表面硬化層を形成させることができる。さらに、溶加棒の製造工程において、溶加棒に含有させる硬化元素の量を容易に制御できるので、溶加棒からチタン材料に混入する硬化元素の量や分布状態を最適化するよう制御することが容易であり、硬化状態にムラのない良質な硬化層が形成できる。
【００３１】
上記のような肉盛溶接は、例えば、ＭＩＧ溶接を採用することができる。そして、地金を所定の溶接治具に支持させるとともに溶加棒を消耗電極としてアーク溶接を行うことにより、溶加棒と地金の間にアークを発生させ、地金を溶解するとともに、溶加棒を溶解して地金の溶解池に移行させながら行われる。このようにして、溶融池が凝固してできた溶接金属部は、溶加棒の硬化元素が移行して固溶した硬化層が形成される。また、溶加棒の硬化元素は、溶融池に移行したのち溶融池の周囲の地金にも拡散浸透してその拡散領域を硬化させる。このような硬化層は、製品の摺動部分などに設けられる。このように、アーク溶接の溶接操作によって必要箇所のみに硬化層を形成することができる。また、肉盛溶接をアーク溶接で行うことから、アーク電流，アーク電圧，アーク長さ等の溶接条件を所定値に正確に設定できるので、肉盛溶接自体を所定の肉盛状態にすることができ、ねらい通りの良質な硬化層を形成できる。
【００３２】
このときの溶加棒の直径は、０．８〜５ｍｍ程度に設定され、溶加棒の先端部と製品との間のアーク柱の長さは、１〜５ｍｍ程度に設定されている。また、アーク電流は２０〜５００Ａ、アーク電圧は２０〜４０Ｖの範囲内に設定される。
【００３３】
また、必要に応じて、上記ＭＩＧ溶接装置を動作させて、溶加棒が蛇行やジグザク状に移動するようなウイービング動作を行うことによって、製品の所定箇所の広い領域にわたって表面硬化を行うこともでき、生産性の向上にとって有効である。
【００３４】
そののち、製品の摺動部分を平滑にして製品の正常な動作をえるために、上記肉盛溶接の箇所を研磨して平坦な動作面を形成することが行われる。上記チタン材料の溶融部分は製品地金の深さ領域にまで達しているので、研磨後であっても表面には硬化元素が均一に分布した状態で存在し、製品の耐磨耗性を確保することができる。
【００３５】
上記肉盛溶接を行うための溶接手法としては、上述したＭＩＧ溶接に限定するものではなく、例えば、ＴＩＧ溶接，ＭＩＧ溶接，被覆アーク溶接等の各種アーク溶接等、各種のガスシールド溶接法を採用することができる。
【００３６】
このとき、硬度調節の目的で、溶接後６００℃以下×１〜４０時間で析出熱処理を行うことができる。また、被肉盛り材がβ合金の場合は３５０〜６００℃×１〜４０時間で時効処理を兼ねて行う。
【００３７】
ここで、上記のような肉盛溶接において、硬化元素の固溶硬化によって硬化層が形成されることは上述したとおりであるが、さらに、チタンと硬化元素との化合物粒子を上記硬化層中に析出させて一層製品の表面硬化を促進することができる。このようにすることにより、上記肉盛溶接により、きわめて高い硬度を有する化合物粒子が、硬質セラミックスや金属間化合物等としてチタン材料中に析出・分散され、硬化層の硬度が一層高くなる。
【００３８】
具体的には、上記地金の表面に上記硬化元素と金属との化合物粉末を存在させた状態で上記肉盛溶接を行うことにより、上記硬化層中にチタンと硬化元素との化合物粒子を析出させることができる。このようにすることにより、肉盛溶接時の溶融チタン材料中に上記化合物粉末が混入し、チタンと窒素あるいはチタンと炭素が窒化チタンや炭化チタンの化合物粒子になって析出・分散され、硬化層の硬度が一層高くなる。
【００３９】
すなわち、製品表面に肉盛溶接を行う前に、硬化元素と金属との化合物粉末、例えば、窒化クロム，炭化クロムおよび炭化鉄等から形成した化合物粉末を、製品の所定箇所の表面に所定の厚さで層状に配置する。この状態で上記炭化物粉末が配置された領域に対して上記溶加棒で肉盛溶接すると、溶融チタン材料中に窒化クロム，炭化クロムおよび炭化鉄等が溶け込んで、このときに窒化クロム，炭化クロムおよび炭化鉄等から分離した窒素や炭素が、チタンとの間で窒化チタンや炭化チタンのような非常に硬度の高い化合物粒子を析出・分散する。チタンは窒素や炭素との間で化合物を析出しやすい特質を有しているので、窒化チタンや炭化チタンの析出・分散が確実になされる。上記のように窒化クロム，炭化クロムおよび炭化鉄等を肉盛溶接工程において、補助的に介入させることにより、製品表面の硬度を一層高くすることができ、製品性能を向上させることが可能となる。
【００４０】
また、上記溶加棒中に上記硬化元素と金属との化合物粉末を存在させ、当該溶加棒で上記肉盛溶接を行うことにより、上記硬化層中にチタンと硬化元素との化合物粒子を析出させることができる。このようにすることにより、肉盛溶接時の溶融チタン材料中に上記化合物粉末が混入し、チタンと窒素あるいはチタンと炭素が窒化チタンや炭化チタンの化合物粒子になって析出・分散され、硬化層の硬度が一層高くなる。
【００４１】
すなわち、上記の溶加棒の作り方において説明したように、溶加棒中に窒化クロム，炭化クロムおよび炭化鉄等の粉末が溶加棒に一体化されている状態で肉盛溶接がなされると、溶融チタン材料中に窒化クロム，炭化クロムおよび炭化鉄等が溶け込んで、このときに窒化クロム，炭化クロムおよび炭化鉄等から分離した窒素や炭素が、チタンとの間で窒化チタンや炭化チタンのような非常に硬度の高い化合物粒子を析出・分散する。上記のように窒化クロム，炭化クロムおよび炭化鉄等を肉盛溶接工程において、補助的に介入させることにより、製品表面の硬度を一層高くすることができ、製品性能を向上させることが可能となる。
【実施例１】
【００４２】
つぎに、実施例について説明する。
【００４３】
窒化溶接棒による肉盛り溶接
i．ミグ溶接棒またはティグ溶加棒の製造
下記の表１に示す条件でミグ溶接棒またはティグ溶加棒を製造した。
【表１】
2006095589.tif 000002
【００４４】
ii．肉盛り溶接
つぎに、成形後の被肉盛り材の焼鈍処理や時効処理の終えた製品の耐摩耗性を必要とする刃部のみに肉盛り溶接を行った。肉盛溶接の溶接条件は、電流値７０Ａ、電圧値２０Ｖ、アーク柱長２．５ｍｍで行った。硬度調節の目的で溶接後に６００℃以下１〜４０時間程度の析出熱処理を行った。
【００４５】
iii．肉盛り溶着金属の性質
上記のようにして得られた肉盛溶接品の肉盛部の窒素含有率および硬度を測定した結果を下記の表２に示す。
【表２】
2006095589.tif 000003
【００４６】
このように、溶着部の硬度としてＨｖ５００〜６００程度のものを得ることができた。これに対し、芯部の硬度はＨｖ４００以下（３５０程度）であった。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、例えば、スパイク用金具、摺動材、耐磨耗性部材、化学プラント、石油精製プラント、原子力発電プラント、海水淡水化装置等に用いるチタン材料やチタン製品に適用することができる。