雰囲気制御 Scanning cyclic press によるチタン材料の常温窒化技術
北海道大学大学院工学研究院 機械・宇宙航空工学部門
教授 中村 孝(2019 年度 一般研究開発助成 AF-2019018-B2)
キーワード：Scanning cyclic press，表面改質，常温窒化．

１．研究の目的と背景
チタン系材料は比強度，耐食性，耐熱性などに優れた軽金属であり，CO2 削減や省エネを背景とした機器の軽量化を目的として幅広い分野で用いられている．しかし，耐摩耗性に劣るため焼付きを起こしやすいという問題があり，摺動部材として適用する際には対策が必要となる．金属の耐摩耗性を向上させる手法として，ガス窒化やプラズマ窒化に代表される窒化処理がある．チタンの窒化処理では，試料の表層に硬度に優れる窒化チタン（TiN）を形成させる．しかし，窒化処理には一般に高温と長時間を要するため，熱による強度特性の変化が懸念される 1-3)．一方，筆者らは，低荷重の振動圧縮負荷を材料表面に繰返し付与することで表層組織を改質する Cyclic press（CP）および
図2

Scanning cyclic press（SCP）という新たな表面改質技術を開発した 4-9)．図 1 に SCP の改質原理を示す．CP は，精密な荷重制御の下で材料表面の 1 点にインデンタを用いて微小圧縮負荷を繰返し付与することで表面を改質する技術であり，SCP は試料を反力受けで支えながらこれに回転と軸方向への移動を与えることでインデンタを相対的に走査させ，CP を広範囲に適用する技術である．これまでに筆者らは，低炭素鋼 S25C に対して常温窒素環境中において CP を施した結果，改質部表層に Fe2N の窒化層が形成されたことを確認した 6), 7)．この結果から，CP，SCP 法を用いることで，金属材料表層に常温で窒化層を形成できる可能性が示された．そこで本研究では，純チタンの試験片に対して窒素雰囲気下で SCP を施すことで，チタンの常温窒化処理を試みた．

SCP 装置の外観写真

ル，試験片に回転および軸方向の送りを与える 2 種類のモーター，コントローラなどからなる．また，真空チャンバを備えており試験片周囲の雰囲気を変えることができる．
本装置では，振動するインデンタで試験片に付与される荷重を対面にある反力受けに接続されたロードセルで検出し，これをフィードバックすることによって，精密な荷重制御を実現している．2 種類のモーターを駆動させ試験片に回転と送りを与えることにより，試験片表面全体を改質することができる．
2・2

供試材および試験片

供試材には工業用純チタン 2 種（TB340H）を用いた．
表 1 に供試材の化学成分を示す．本供試材の平均粒径は17.5 µm 程度であった．素材より切削加工で直径 4.0 mm の丸棒型試験片を作製した．加工硬化層を除去するため試験片表面を#800～#2000 のエメリー紙を用いて直径で約 100µm 研磨した後，1 µm のアルミナ砥粒とダイヤモンド砥粒を用いてバフ研磨を行い，鏡面状に仕上げた．

図1

SCP の表面改質原理

２．実験方法2・1

SCP 装置O0.1132・3

表 1 供試材の化学成分 (mass%)
N
CFeH
0.003
0.001
0.028
0.0007Ti
Bal.

SCP の改質条件

本試験では，最大圧縮荷重 58.8 N（6 kgf）
，最小圧縮荷図 2 に SCP 装置の外観を示す．本装置は，試験片に圧重 0 N（0 kgf）の正弦波軸荷重を負荷周波数 200 Hz で試縮負荷を付与するインデンタ，試験片を支える反力受け，験片表面に付与した．総負荷繰返し数は 1×107 回とした．

インデンタを駆動させる油圧アクチュエーター，インデン

また， 試験片の送り速度は 10 μm/sec，回転速度は 1.3 rpm

タによって試験片に付与される荷重を検知するロードセとした．改質範囲は試験片軸方向に 8 mm の領域である．

観察面の SIM 像を取得した．
元素分析には，電子プローブマイクロアナライザ
改質部

底面5 mm(a)分析用試料切り出しの模式図
断面組織観察元素分析
硬さ試験（EPMA: Electron Probe Micro Analyzer / JXA-8530F，JEOL）
を用いた．試料内部に窒素が導入される深さを調査するた
め，加速電圧を 15 kV とし，分析用試料の断面の縁（図3(b)黒破線部）から内部に向かって，波長分散型 X 線分光法（WDS）で点分析を行った．分析は 3 つのラインに沿って実施し，分析点同士の間隔は Line1 で 0.75 µm，Line2 では 0.5 µm とした．Line3 では，最初の 10 点を 0.2 µm 間隔，それ以降は 0.5 µm 間隔として分析を行った（図 3(d)）．
結晶相の同定には X 線回折（XRD: X ray diffraction）装結晶相の同定

置（SmartLab，リガク）を使用した．分析は図 3(b)に示した円柱型の分析用試料の側面に対して行い，入射 X 線には CuKα 波（波長：0.154 nm）を用いた．
硬さ試験は，ナノインデンテーション試験機（ENT-底面NEXUS-KT，ELIONIX）を用い，試験荷重を 2 mN，最大(b)分析用試料の模式図

荷重保持時間を 0.5 sec として実施した．分析用試料の断面（図 3(b)青破線部）において 3 本の測定ラインを設け，これに沿って圧子を押し込み，硬さを求めた．このとき各測定点同士の間隔は 7 µm とした（図 3(e)）．

３．実験結果3・1

表面観察および表面粗さ測定結果

図 4 に試験片の外観写真を示す．SCP 後の試験片の改質(c)断面観察の模式図(d)元素分析の条件部には加工痕である条痕が形成され（同図(b)黒枠部），一部が変色している様子が観察された．図 4(b)に示す赤枠部をデジタルマイクロスコープ（VHX-700，KEYENC）で拡大観察したところ，改質部の一部が黄金色に変色している様子が確認された（図 4(c)）．窒化チタン（TiN）は金色を示すことから，この変色した領域には TiN が形成されている可能性がある．

(e)ナノインデンテーション試験の条件
図32・4

分析用試料および分析方法の模式図

分析方法

改質後，表面性状の変化を調べるためにカラー3D レー(a)SCP 前の試料の外観写真

ザ顕微鏡（VK-9700/9710，KEYENCE）を用いて，試験片の表面を観察した．また，表面観察で得られた三次元画像から表面粗さを測定し，算術平均粗さ Ra を求めた．
組織観察および元素分析を行うために分析用の試料を準備した．図 3 に分析用試料および分析方法の模式図を示(b)SCP 後の試料の外観写真

す．SCP 後の試験片の改質部から，ファインカッターで全長 5 mm 程度の分析用試料を切り出した（図 3(a)）．この分析用試料に対して，図 3(b)に示すように，①断面組織観察，②元素分析，③X 線回折法による結晶相の同定および④硬さ試験を行った．
断面組織観察には集束イオンビーム装置（FIB: FocusedIon Beam System / JEM-9320FIB，JEOL）を使用した．FIBによって分析用試料の断面の一部（図 3(b)緑枠部）を掘り出し，観察面を創生した（図 3(c)）．そして，同装置でこの(c)改質部拡大図
図4

試験片の外観写真

(a)SCP 前の試料の表面拡大図および断面プロファイル(a)SCP 前の試料断面の SIM 像(b)改質部の拡大図および断面プロファイル
図5(b)改質部の断面 SIM 像

SCP 前後の試験片の拡大図と断面プロファイル

図6

試料の断面 SIM 像

SCP 前後の改質部における表面性状の変化を定量的に示すため，表面粗さを測定した．図 5 に SCP 前後の試験

3・3

元素分析結果片の拡大図と断面のプロファイルを示す．なお，断面プロ図 7 に，EPMA による元素分析の結果を示す．Line1～

ファイル図は試験片拡大図の A-B 断面から取得したもの

Line3 のいずれにおいても，表面から深さ 2 μm までの範である．図 5(a)より，SCP 前の試験片の表面は概ね平滑で囲で約 30 at%を超える窒素が検出された．一方，深さ 2 µm一方，あり，このときの表面粗さは Ra = 0.29 μm であった．

から 10 μm にかけては検出される窒素の量が減少し，深図 5(b)より，SCP 後の試験片表面には高さ 5 μm 程度の凹

さ 10 μm 以上では検出されなくなった．

凸が多数確認された．表面粗さは Ra = 1.12 μm であり，SCP前より大きな値を示した．

40

断面組織観察結果

FIB 装置を用いて，分析用試料断面に創生した観察面のSIM 像を取得した．SIM 像では，組織の結晶方位差に依存したコントラストが得られ，観察組織の組織構造を定性的に評価することができる．図 6 に SCP 前後の試料断面における SIM 像を示す．なお，同図の SIM 像は装置内の試

窒素検出量/at.%

3・2料を 60 °傾斜させ撮影したものであるため，画像の縦方向長さは本来の√3/2 倍 （≒0.87 倍）になっている．図 6(a)Line1Line2Line33020100より，SCP 前の試料の断面には，明瞭な組織が確認されな

02468101214161820表面からの距離/ μmかった．一方，SCP 後の試料には，図 6(b)中黄色の矢印で示した箇所のように，表層から 12 μm 程度の深さまで回図7EPMA による元素分析の結果転方向に筋状の組織が形成されていることが観察された．
これは，SCP 前の表層には見られなかった組織であり，細3・4結晶相同定結果かなコントラストの変化が確認できることから，改質部の図 8 に SCP 前後の試験片表面から得た XRD 図形を示組織が微細化された結果であると言える．このように，す．SCP 前の試料の XRD 図形からは Ti に起因するピーク

SCP を施すことで表層組織が大きく変化することが確認（■印付）のみが確認された．一方，SCP 後の試料の XRDされた．

図形からは，Ti のピークの他に，TiN に起因するピーク（◆

(4) 結晶相同定の結果，導入された窒素はチタンと窒化チ印付）が認められた．この結果と前述の元素分析結果から，タン（TiN）を形成していることが示された．
(5) ナノインデンテーション試験の結果，試料表層は内部SCP 後の試料には TiN が形成された可能性が高い．と比較して硬さが向上していた．
: Ti

謝Intensity / arb. unit.

SCP前

辞

本研究の断面組織観察，元素分析および組成分析は，北海道大学

全学共同利用施設

超高圧電子顕微鏡研究室，ナノ・マテリアル分析研究室および高エネルギー超強力 X: TiN線回折室の装置を利用して実施した．
SCP後

本研究は公益財団法人天田財団の一般研究開発助成（AF-2019018-B2）によって実施されました．ここに深く感謝の意を表します．

3・530405060
Diffraction angle, 2θ / deg.

70

図8SCP 前後の試験片の XRD 図形

参考文献
1) Keiro Tokaji, Takeshi Ogawa and Hideaki Shibata: The
effect of gas nitriding on fatigue behaviour in pure titanium,
International Journal of Fatigue, Vol. 16, No. 5 (1994), pp.

ナノインデンテーション試験結果

図 9 に試料断面の押し込み硬さを示す．同図には，試料断面の中央付近で測定した硬さ（破線）も併記した．図 9より，最表層付近では，8.5～9.5 GPa 程度の硬さが得られた．一方，試料内部に行くにつれて硬度は低下し，深さ 14μm 以降では試料中央付近の硬さと同程度になった．

2) 森田辰郎，加藤慶太郎，清水真佐男，川嵜一博：窒化により表面改質した純鉄と純チタンの疲労特性の比較，
日本機械学会論文集 A 編，63 巻，605 号 (1997), pp. 16.
3) Masayuki Akita, Yoshihiko Uematsu, Toshifumi Kakiuchi,
Masaki Nakajima, Yu Bai and Kazuhiro Tamada: Fatigue

10押込み硬さ / GPa

331-336.

behavior of bulk β-type titanium alloy Ti–15Mo–5Zr–3Al

Line1Line2Line3
試料中央部平均値

8annealed in high temperature nitrogen gas, Materials Science& Engineering A, Vol. 627 (2015), pp. 351–359.
4) 植野正大，中村孝，大久保賢二，渡辺精一：金属表面6のナノ微細化を目的とする Cyclic Press 法の開発，日本4機械学会 M&M2012 カンファレンス，OS1606，CDROM，2012.

25) 宮崎数則，中村孝，藤村奈央，柴山環樹，和島達希：
ナノ微細化表面改質を目的とする Scanning Cyclic Press

001020304050

表面からの距離 / μm

図9SCP 後の試料の押込み硬さの開発と低炭素鋼への適用，日本機械学会 2016 年度
年次大会，J1610203，CD-ROM，2016.
6) 中村孝，宮崎数則，藤村奈央，和島達希，金属加工法，
特願 2016-175905，特許 6996700，2021/12/20.

４．まとめ
常温窒素環境下で純チタンに対して Scanning cyclicpress を施した．改質後の試料に対して，表面観察，粗さ測定，断面組織観察，元素分析，結晶相の同定およびナノインデンテーション試験を行い，以下の結果を得た．
(1) 改質後の表面には条痕が形成され，金色を呈していた．
(2) 断面では表層 12 μm 程度まで回転方向に沿って筋状に微細化された組織が観察された．また，表面から 2～3μm 程の領域に周辺とは様子が異なる組織が見られた．
(3) 元素分析の結果，表層から約 4 μm 程度の深さまで約10～30 at%の窒素が検出された．

7) 中村孝，中谷建太朗，宮崎数則，藤村奈央，柴山環樹，
和島達希：Cyclic Press による低炭素鋼のナノ微細化表
面改質，日本機械学会 2016 年度年次大会，J1610202，
CD-ROM，2016.
8) 藤村奈央，中村孝，髙橋航圭，和島達希：Scanning Cyclic
Press によるマグネシウム合金 AZ31 の表面改質と疲労特性改善効果，材料，Vol. 66，No. 12 (2017)，pp. 906–912.
9) N. Fujimura, K. Ooga, K. Takahashi, T. Nakamura, T.
Wajima:Surfacemodificationofmachine-finishedmagnesium alloy AZ31 using a scanning cyclic press,
Mechanical Engineering Journal, Vol. 7, No. 4 (2020), Paper
No. 20-00007.