(57)【要約】    【課題】  チタン材の所望の微細領域を選択的に表面処理して硬度を高める方法を提供することである。    【解決手段】  チタン材の所望の微細領域に、所定流量の窒素ガスを吹き付けながら、微弱な放電エネルギーでアーク放電を施すことにより、窒化物の被覆を形成することを特徴とする表面処理方法が提供される。窒素ガスの流量は好ましくは、２．５リットル／分〜３０リットル／分である。本方法では、アーク放電を施す前に、窒素ガスを微細領域に０．３ミリ秒〜３．０ミリ秒吹き付けるのが好ましく、アーク放電を施した後に、窒素ガスを微細領域に０．３ミリ秒〜９．９ミリ秒吹き付けるのが好ましい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン材の所望の微細領域を選択的に表面処理する方法であって、
前記微細領域に、所定流量の窒素ガスを吹き付けながら、微弱な放電エネルギーでアーク放電を施すことにより、窒化物の被覆を形成することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記流量が、２．５リットル／分〜３０リットル／分であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記アーク放電を施す前に、窒素ガスを前記微細領域に０．３ミリ秒〜３．０ミリ秒吹き付けることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記アーク放電を施した後に、窒素ガスを前記微細領域に０．３ミリ秒〜９．９ミリ秒吹き付けることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、チタン材を表面処理する方法に関する。より詳細には、本発明は、チタン材の所望の微細領域を選択的に表面処理する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
チタンは、軽量で耐蝕性や生体適合性に優れている等の種々の優れた化学的・物理的特性を有する材料であるが、耐磨耗性が劣っているという欠点を有している。そのため、摺動部での使用等の過酷な状況下での用途に応えるべく、硬度を高めて耐磨耗性を改善することが望まれている。従来、チタンの硬度を高める方法として、チタンにアルミニウムやバナジウム等の合金金属を添加する方法が知られている。
【０００３】
一方、金属表面に対する窒化物被覆法として、ガス窒化、レーザー窒化、イオン・インプランテーション法等が知られているが、これらの方法の短所（処理時間が長い、処理温度が高い、コストが高い、剥離し易い等）を克服すべく、本発明者等は、処理時間が単純であり、コストが低く、密着性が良好な方法として、窒素雰囲気中でのアーク表面溶融を利用した窒化法を提案した（非特許文献１参照）。
【０００４】
【非特許文献１】有田大，松浦清隆，工藤昌行著：２００２年度傾斜機能材料論文集，未踏科学技術協会編，２００３年，３７頁〜４１頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
チタンの硬度を高める上述の従来の方法では、硬度は４００Ｈｖ程度にしかならず、摺動部等の硬度が必要な用途に対しては、依然として、満足すべきものとはなっていない。一方、硬度が必要な用途であっても、手術用メスや人工関節等のように、硬度の必要な個所が当該物の全体ではなく極く一部である場合（例えば、手術用メスでは刃部、人工関節では摺動部）も数多い。そこで、チタン材の所望の微細領域の硬度を高めることが要請されている。
【０００６】
本発明は、このような現状に鑑みて案出されたものであって、チタン材の所望の微細領域を選択的に表面処理して硬度を高める方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の非特許文献１に記載した実験では、純チタン材に対して、表面から順に、ＴｉＮ層、（ＴｉＮ＋Ｔｉ2 Ｎ＋αＴｉ）層、及びαＴｉ層の各層が形成されることが確認され、チタン材の硬度を１５００Ｈｖ程度にまで高めることに成功した。本発明は、非特許文献１に記載した研究成果を基にして、所望の微細領域を選択的に表面処理（即ち、窒化物で被覆）する方法を創作したものである。
【０００８】
所望の微細領域を選択的に窒化物で被覆するには、チタン材の処理表面において溶融部の位置と大きさを精密に制御することが必要である。本発明者等は、表面処理時における放電エネルギーを小さくすることにより、窒化物の微小な被覆を形成することができることを見い出した。
【０００９】
本願請求項１に記載のチタン材の所望の微細領域を選択的に表面処理する方法は、前記微細領域に、所定流量の窒素ガスを吹き付けながら、微弱な放電エネルギーでアーク放電を施すことにより、窒化物の被覆を形成することを特徴とするものである。
【００１０】
本願請求項２に記載の表面処理方法は、前記請求項１の方法において、前記流量が、２．５リットル／分〜３０リットル／分であることを特徴とするものである。
【００１１】
本願請求項３に記載の表面処理方法は、前記請求項１又は２の方法において、前記アーク放電を施す前に、窒素ガスを前記微細領域に０．３ミリ秒〜３．０ミリ秒吹き付けることを特徴とするものである。
【００１２】
本願請求項４に記載の表面処理方法は、前記請求項１から３までのいずれか１項の方法において、前記アーク放電を施した後に、窒素ガスを前記微細領域に０．３ミリ秒〜９．９ミリ秒吹き付けることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の方法によれば、溶融部の幅及び深さを数十μｍ〜数百μｍに微小化することが可能になるので、チタン材の所望の微細領域を選択的に（約１５００Ｈｖまで）硬化させることができる。本発明の方法は、例えば、手術用メスの刃部や人工関節の摺動部等を硬化させるのに用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態に係るチタン材を表面処理する方法について説明する。図１は、本発明の方法により表面処理を実施している状態を示した概略図である。図１において、参照符号１０はトーチ部、参照符号１２はタングステン電極を示している。トーチ部１０には、窒素ガス供給口１０ａが設けられている。
【００１５】
まず、電気的に接地されたチタン材の表面処理しようとする微細領域に、トーチ部１０を接近させ、トーチ部１０の窒素ガス供給口１０ａから微細領域に所定流量の窒素ガスを吹き付けながら、微弱な放電エネルギーでアーク放電を施す。
【００１６】
微細領域に吹き付けられる窒素ガスの流量は、約２．５リットル／分〜約３０リットル／分であるのが好ましい。窒素ガスの流量が約２．５リットル／分以下の場合には、窒化物の被覆が形成されにくくなる。
【００１７】
アーク放電の放電エネルギーは、電圧と電流と時間の積で表される。放電エネルギーを微弱にするには、印加電圧を一定にした状態で、放電電流を微弱にし、かつ、放電時間を短くすればよい。本実施の形態では、印加電圧を２００ボルトにした状態で、放電電流を１アンペア〜３０アンペアの間で変動させ、かつ放電時間を０．５ミリ秒〜１８０ミリ秒の間隔でオン／オフを繰り返した。また、これらの放電時間内において、放電電流を高電流と低電流との間で繰り返し変動させる（最大繰り返し回数：９９回）ことができるようにした。そして、この際における高電流の取り得る範囲は、１アンペア〜３０アンペアとし、低電流の取り得る範囲は、高電流の５０％〜９９％とした。
【００１８】
上述のように、放電時間を短くし、かつ放電時間内において放電電流を繰り返し下げることにより、微弱な放電エネルギーでのアーク放電が可能になり、これにより、微細領域に対して窒化物の被覆を形成することができる。
【００１９】
なお、アーク放電を施す前に、窒素ガスを微細領域に約０．３ミリ秒〜約３．０ミリ秒の間吹き付けることが好ましい。これにより、アークの安定化を図ることができる。また、アーク放電を施した後に、窒素ガスを微細領域に約０．３ミリ秒〜約９．９ミリ秒の間吹き付けることが好ましい。これにより、チタン部材の加熱部の酸化防止を図ることができる。
【００２０】
微細領域にトーチ部１０を接近させる際、タングステン電極１２とチタン材との間の距離を、約０．２ｍｍ〜約０．５ｍｍとするのが好ましい。
【００２１】
次に、本発明の方法を実施する際に用いられた３Ｄ−Ｍｉｃｒｏ  Ｗｅｌｄｅｒ装置（三次元微小溶接装置）について簡単に説明する。３Ｄ−Ｍｉｃｒｏ  Ｗｅｌｄｅｒ装置は、本発明者等が開発した装置であり、既に特許出願がなされている（特願２００３−６９２８１号）。３Ｄ−Ｍｉｃｒｏ  Ｗｅｌｄｅｒ装置では、アーク発生の原理自体は、従来のＴＩＧ溶接機と実質的に同一であるが、放電エネルギーを従来のＴＩＧ溶接機と比較して非常に小さく設定することができるとともに、電極位置を自由に制御することができるように構成されていることを特徴としている。
【００２２】
図２（ａ）は、３Ｄ−Ｍｉｃｒｏ  Ｗｅｌｄｅｒ装置の概略縦断面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）の線２ｂ−２ｂに沿って見た図である。図２（ａ）及び図２（ｂ）において全体として参照符号５００で示される３Ｄ−Ｍｉｃｒｏ  Ｗｅｌｄｅｒ装置は、装置５００の中心部となる造形区画５２０と、造形区画５２０の下方に配置された駆動区画５３０と、造形区画５２０の背部に配置された昇降区画５４０と、造形区画５２０の上方に配置された排気部５１０と、駆動区画５３０及び昇降区画５４０の下方に配置された制御区画５５０とを備えている。装置５００の各区画及び部は、パネル状部材５０１で包囲されている。
【００２３】
造形区画５２０には、トーチ部１０が収容されており、トーチ部１０は、後述する昇降区画５４０に設けられた各機構により、垂直方向（Ｚ方向）に移動できるように構成されている。造形区画５２０のトーチ部１０の下方には、水平方向（Ｘ方向及びＹ方向）の任意の位置に移動できるように構成された造形台５２１が設けられている。トーチ部１０の前方には、トーチ部１０の動作状況の確認、電弧（アーク）の遠隔調整等の情報を得るため、ＣＣＤカメラ５２２が配置されている。
【００２４】
駆動区画５３０には、造形台５２１を水平方向（Ｘ方向及びＹ方向）の任意の位置に移動させるため、電動モータ５３１及び水平駆動装置５３２がそれぞれ設けられている。造形区画５２０及び駆動区画５３０は、造形台５２１の可動範囲を除いて、パネル状部材５０１で仕切られている。
【００２５】
昇降区画５４０には、昇降機５４１が収容されており、昇降機５４１に固定された支持梁５４４が、トーチ部１０に連結されている。昇降機５４１は、ピストン５４３を介して、電動モータ５４２に連結されており、電動モータ５４２の回転方向と回転量を制御することにより、トーチ部１０を垂直方向の任意の位置に移動させるように構成されている。
【００２６】
排気部５１０には、造形区画５２０との間を仕切るパネル状部材５０１を貫通するように、軸流排気ファン５１１が設けられている。排気部５１０は、排気ダクト５０５からの排気を室外に導くようになっている。なお、図２（ａ）における矢印は、排気の方向を示す。
【００２７】
制御区画５５０には、プログラマブルコントローラ部５５１、ワイヤーハーネス部５５２、集合端子台５５３、及び電源引き込みケーブル５５４が収容されている。
【００２８】
表面処理を行おうとする微細領域の座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）データ及び放電時間に関するデータ等を予めプログラマブルコントローラ部５５１の記憶装置に格納しておき、これらのデータに基づき、電動モータ５３１、５４２に信号を送って駆動させ、微細領域にアーク放電を施す。３Ｄ−Ｍｉｃｒｏ  Ｗｅｌｄｅｒ装置５００における座標の精度は、０．１マイクロメートル、放電時間の精度は、０．５ミリ秒である。装置５００により放電位置、その移動速度、放電電流、放電時間を制御して、微細領域に窒化物の被覆を形成する。    
【００２９】
次に、微弱な放電エネルギーによるアーク放電でも窒化物の被覆の形成が可能であることを検証するために行った実験について説明する。実験では、上述の３Ｄ−ＭｉｃｒｏＷｅｌｄｅｒ装置を用い、円板状の純チタン試料（直径１０ｍｍ、高さ３ｍｍ）の上方にタングステン電極（直径約１ｍｍ）を設置し、アーク放電を施した。実験時の電流条件と放電時間は、コンピュータにより制御し、６〜２４アンペア、９１ｍｓとした。また、窒素ガスの流量は、２．５リットル／分とした。なお、タングステン電極と純チタン試料との距離は０．４ｍｍ〜２ｍｍ、放電位置間隔は０．１ｍｍ〜１ｍｍ、放電時間間隔は３秒とした。実験では、このようにしてアーク放電を施した試料についての組織観察、濃度分析、ＸＲＤ分析、硬度試験を行った。
【００３０】
放電電流を１２アンペア、放電時間を１サイクルの条件でアーク放電を施した試料の外観を観察すると、試料の表面に黄金色を呈した放電の痕跡（直径約０．９ｍｍ）が認められた。次いで、試料の処理表面に対して直角な縦断面における組織を観察すると、デンドライトが認められた。これにより、微弱な放電エネルギーにもかかわらず、当該領域が一度溶融したことが分かる。この溶融領域の形状は、最大深さ約１４０μｍの半球状であり、溶融痕は中心が盛り上がるように形成されていた。また、デンドライトは、表面から溶融領域底部に向かって直線状に成長していた。
【００３１】
次いで、被覆層に生成されているのがチタン窒化物であることを確認するため、試料の深さ方向に対してＥＰＭＡ（微小部Ｘ線分析装置）による濃度分析を行った。その結果は、図３に示す通りである。図３のグラフにおいて、横軸が試料表面からの距離、縦軸が濃度であり、菱形の点がチタンの濃度、矩形の点が窒素の濃度を示す。図３のグラフから、窒素が試料内部に侵入しており、試料の最表面におけるチタンと窒素の割合が原子比で約１：１であることが分かる。この結果とＸＲＤ分析結果から、試料の最表面付近では、ＴｉＮが形成されていることが分かった。また、窒素の濃度は、試料の表面から離れるに従って低下し、１２アンペア、９１ミリ秒という低電圧、短時間にもかかわらず、窒素が約１４０μｍまで侵入していることが分かった。
【００３２】
次いで、窒化が硬度に如何なる影響を及ぼすのかを確認するため、マイクロビッカース硬度試験を行った。その結果は、図４に示す通りである。図４のグラフにおいて、横軸が試料表面からの距離、縦軸がビッカース硬度である。試料の最表面付近におけるビッカース硬度は約１８００であり、従来のＴＩＧ溶接機を用いた場合と略同等の硬度が得られた。硬度は、試料表面から深さ方向に進むに従って低下し、溶融部の底部付近における硬度は、未処理の試料と略同程度となった。本試験により、約１００μｍの硬化層を形成することができることが分かった。
【００３３】
上述の実験により、純チタン試料に対して、幅がｍｍオーダー、厚さがμｍオーダーの窒化物の被覆の形成が確認され、本発明の方法の有効性が実証された。
【００３４】
本発明は、以上の発明の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の方法により表面処理を実施している状態を示した概略図である。
【図２】図２（ａ）は、本発明の方法を実施するのに用いられる３Ｄ−ＭｉｃｒｏＷｅｌｄｅｒ装置の縦断面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）の線２ｂ−２ｂに沿って見た図である。
【図３】本発明の方法の有効性を実証するために行われた実験により得られた、試料の深さ方向に対するＥＰＭＡによる濃度分析の結果を示したグラフである。
【図４】本発明の方法の有効性を実証するために行われた実験により得られた、試料の深さ方向における硬度試験の結果を示したグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
１０  トーチ部
１０ａ  窒素ガス供給口
１２  タングステン電極
５００  ３Ｄ−Ｍｉｃｒｏ  Ｗｅｌｄｅｒ装置
５１０  排気部
５２０  造形区画
５３０  駆動区画
５４０  昇降区画
５５０  制御区画
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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