(57)【要約】【課題】（１）チタン、およびチタン合金の表面硬度および耐磨耗性の向上。（２）上記目的を達成するための安価で簡便な方法を提供する。【解決手段】チタン材料表面にアルミニウムを５〜３０重量％含むチタン合金層を存在させておき、該表面上に炭素材料を介在させた状態で高温で処理することからなるチタン材料表面の炭化方法。【選択図】　　　　図１
2004083939.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン材料表面にアルミニウムを５〜３０重量％含むチタン合金層を存在させておき、該表面上に炭素材料を介在させた状態で高温で処理することを特徴とするチタン表面の炭化方法。
【請求項２】
炭素材料が炭素鋼であることを特徴とする請求項１記載のチタン材料表面の炭化方法。
【請求項３】
処理温度が９００〜１１００℃の範囲であることを特徴とする請求項１〜２記載のチタン材料表面の炭化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する分野】
本発明は、チタン材料表面の炭化方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
チタン、およびチタン合金は高価ではあるが軽量で、比強度が高く耐食性に優れているため、レース用車のコネクティングロッドやバルブ等の往復部品等に使用されている。
【０００３】
しかし、チタン、およびチタン合金は高価である以外に表面硬度が低く耐磨耗性に乏しいという欠点があり、これまで用途が制限されてきた。
【０００４】
チタン材料の表面の硬度や耐磨耗性を向上させる方法としては、これまでにもモリブデンの溶射、クロムメッキ、ＴｉＮコーティング、ＴｉＣコーティング、Ｃｒ／Ｖコーティング等の方法が提案されている。
【０００５】
これらの方法のうち、モリブデンを溶射する方法では材料表面の平滑性が得られず、後で機械加工しなければならないという問題がある。クロムメッキする方法は工程が複雑で劇毒物の薬品を用いるため、設備が整っている工場でしか処理できない。ＴｉＮコーティング、ＴｉＣコーティング、Ｃｒ／ＶコーティングはＰＶＤ装置、スパッタリング装置等の特殊な装置が必要でかつ真空炉内で処理する必要があるため、コストが高くかつ大型の材料へのコーティングは困難である。チタン表面をＴｉＣ化すれば硬度が増し、耐磨耗性が向上することは知られているが、これまでチタン表面をＴｉＣ化するための簡便な方法は知られていなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする問題点】
本発明は上記問題点を解決することを目的としている。本発明の第一の目的は、チタン、およびチタン合金の表面硬度および耐磨耗性の向上を目的とする。本発明の第二の目的は、上記目的を達成するための安価で簡便な方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明はチタン材料表面にアルミニウムを５〜３０重量％含むチタン合金層を存在させておき、該表面上に炭素材料を介在させた状態で高温で処理することを特徴とするチタン表面の炭化方法である。
【０００８】
炭素材料は炭素鋼であることが好ましい。
【０００９】
処理温度は９００〜１１００℃の範囲であることが好ましい。
【００１０】
【発明の具体的な態様】
本発明につき詳しく説明する。本発明では、基材としてチタン、またはチタン合金を用いる。チタン合金としては、汎用高力チタン合金として広く使用されるＴｉ−Ａｌ−Ｖ合金、冷間加工性に優れたＴｉ−Ｍｏ−Ｚｒ合金等を挙げることができる。
【００１１】
本発明では、上記チタン、またはチタン合金の表面の耐磨耗性または硬度を向上させるべき部分の表面にアルミニウムを高濃度に含有させたチタン合金層を形成させることが必要である。このような層を設けることにより炭素材料によるチタン表面の炭化がスムースに進むとともに、炭素材料をチタン材料から容易に剥離することが出来る。
【００１２】
チタン合金層におけるアルミニウムの含有量は合金全体の５〜３０重量％、好ましくは９〜２０重量％、特に好ましくは１１〜１５重量％の範囲であり、この範囲において、上記効果が優れる。
【００１３】
チタンまたはチタン合金材料の表面にアルミニウムを高濃度に含むチタン合金を存在させるための方法としては、次ぎの方法等を採用することができる。例えば、チタンまたはチタン合金材料が板状の場合、チタンまたはチタン合金材料のインゴットを圧延して板状に成形する工程において、その表面にアルミニウムを高濃度に含むチタン合金の薄層を存在させ、共圧延する方法を採用することができる。
【００１４】
一方、チタンまたはチタン合金材料が鋳造品の場合、アルミニウムを高濃度に含むチタン合金を鋳造品に溶射する方法、チタンまたはチタン合金材料とアルミニウムを高濃度に含むチタン合金とを共鋳造する方法等を挙げることができる。
【００１５】
なお、本発明でいうアルミニウムを高濃度に含むチタン合金を表面層に存在させるとは、少なくともチタン金属表面層に高濃度アルミニウムを存在させることが必要条件であり、表面層のみならずチタン材料全体がアルミニウムを高濃度に含むチタン合金からできていても一向に差し支えない。
【００１６】
本発明では、チタン合金を炭化するための炭素材料が必要である。本発明でいう炭素材料とは、炭素鋼、グラファイト、炭化物セラミックス等を挙げることができる。これらのうちでは、炭素鋼が最も好ましい。
【００１７】
本発明で好ましく用いることのできる炭素鋼における炭素の含有量は、０．１〜１０重量％、好ましくは０．３〜５重量％、特に好ましくは０．５〜２重量％の範囲である。この範囲において、処理して得られたチタン材料の表面硬度の向上効果が優れる。
【００１８】
本発明を実施するための方法につき手順を追って説明する。本発明の方法では、まず上記した硬度を向上すべきチタン材料、アルミニウム含有チタン材料と炭素材料とを準備する。チタン材料とアルミニウム含有チタン材料とは予め層状構造とさせておいてもよい。
【００１９】
上記各種材料は表面に汚れや酸化物が付着していると接合や反応の妨げとなるので、好ましくは除去しておく。このためには揮発性溶剤、例えばメタノール、エタノール等のアルコール、アセトン、ｎ−ヘキサン等の有機溶媒、あるいはこれらを含浸させた布等で表面洗浄を行うか、表面をやすり等で研磨する等の前処理を行っておくことが好ましい。
【００２０】
次ぎに上記材料をチタン材料、アルミニウム含有チタン材料層、炭素材料層の順に接触させる。接触は、好ましくは加圧下で行う。このようにチタン材料、アルミニウム含有チタン材料層、炭素材料層を接触させるには、例えば図１の装置のように機械的な手段を用いてもよいし、磁石のような手段を用いてもよい。
【００２１】
次ぎに上記接触させた材料を熱処理する。熱処理条件としては、炭素材料からチタン表面への炭素の移行が可能であって、かつチタン材料が軟化、変形しない温度条件であるべきで、通常７００〜１３００℃、好ましくは８００〜１２００℃、特に好ましくは９００〜１１００℃の範囲で、処理時間は１０分〜１０時間、特に３０分〜２時間の範囲が好ましい。処理条件は金属が反応しないようアルゴン雰囲気や真空中で行うことが好ましい。なかでも真空中で行うことが好ましい。
【００２２】
このようにして表面層が炭化されたチタンまたはチタン合金の板または成形品が得られる。このチタンまたはチタン合金の表面にはチタン炭化物を主体とした層が形成される。
【００２３】
【本発明の効果】
以上のような本発明の方法により、チタン、およびチタン合金の表面硬度および耐磨耗性が向上する。また、本発明の製造方法では、ＰＶＤ、スパッタリング等の特別な装置を必要とせず、簡便な加熱炉で実施できるため安価で簡便である。本発明の方法により表面硬度が改善されたチタン製品は自動車用コネクティングロッド、バルブ、切削用バイト等の用途に好ましく使用することができる。
【００２４】
【実施例】
次ぎに実施例を挙げて本発明につき更に詳しく説明するが、本発明はその要旨を超えない限りこれらの実施例になんら限定されるものではない。
【００２５】
なお、硬度の評価は次ぎの方法で採用した。
ビッカース硬度：荷重３００ｇｆ、押込み時間：１５秒間
【００２６】
【実施例１】
《試験に用いた板の素材》
（１）チタン板：１００％チタン
（２）チタン−アルミニウム合金（Ｔｉ−Ａｌ）：アルミニウム１２重量％含有チタン
（３）炭素鋼：ＳＫ５炭素鋼（炭素含有量０．８重量％）
《形状》
１０ｍｍｘ１０ｍｍｘ３ｍｍ
《装置》
図１の装置でチタン板／Ｔｉ−Ａｌ／炭素鋼の順に締付けた。処理炉としては真空炉を用いた。
【００２７】
《処理条件》
真空ポンプで系内を２×１０−３Ｐａにした後、１０℃／分の速度で１０００℃まで昇温し、該温度で１２０分保持した後に１００℃／３０分の速度で降温し、１０時間以上経過後取り出した。
【００２８】
《硬度と耐磨耗性の測定結果》
上記方法で得られた試料の炭素鋼部分は容易に剥がれるので、チタン板／Ｔｉ−Ａｌ積層板のＴｉ−Ａｌの表面を紙やすりで研磨した後、ビッカース硬度を測定した。なお、対照のため、処理しないＴｉ−Ａｌ板のビッカース硬度も測定した。測定結果を表１に示す。
【００２９】
表１
2004083939.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の実施例で用いた装置の概略図である。
【図１】
2004083939.tif 000004