JPH0336256A - チタンおよびチタン合金の酸化処理方法 - Google Patents
チタンおよびチタン合金の酸化処理方法Info
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- JPH0336256A JPH0336256A JP16938789A JP16938789A JPH0336256A JP H0336256 A JPH0336256 A JP H0336256A JP 16938789 A JP16938789 A JP 16938789A JP 16938789 A JP16938789 A JP 16938789A JP H0336256 A JPH0336256 A JP H0336256A
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- Japan
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- oxygen
- gas
- hardness
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- Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の目的〕
（産業上の利用分野）
本発明は、チタンおよびチタン合金の酸化処理方法の改
良に関する。
良に関する。
（従来の技術）
比重が鋼の約６割という軽金属で、しかも強靭であり、
錆が発生し難い特性を有するところからチタンを素材ど
した部品が多用される。すなわち、純チタンとしては耐
蝕性を要求されるところに用いられ、かつチタン合金は
強力合金の形で高負荷のかかる部位に用いられる。この
ような利点を有し、用途範囲の極めて広いチタンおよび
チタン合金であるが、その反面、特に耐摩耗性が低いと
いう問題がある。すなわち、たとえばエンジンの一部品
としてバルブスプリングリテーナのごとき摺動部品に用
いると、耐摩耗性が低いので、短期間に摩耗する不具合
が生じる。
錆が発生し難い特性を有するところからチタンを素材ど
した部品が多用される。すなわち、純チタンとしては耐
蝕性を要求されるところに用いられ、かつチタン合金は
強力合金の形で高負荷のかかる部位に用いられる。この
ような利点を有し、用途範囲の極めて広いチタンおよび
チタン合金であるが、その反面、特に耐摩耗性が低いと
いう問題がある。すなわち、たとえばエンジンの一部品
としてバルブスプリングリテーナのごとき摺動部品に用
いると、耐摩耗性が低いので、短期間に摩耗する不具合
が生じる。
そこで、上記チタンおよびチタン合金からなる部材の表
面を処理し、必要な硬度を得て、耐摩耗性を確保する必
要がある。このような表面処理方法の一手段として、酸
化処理方法がある。これは、チタンおよびチタン合金か
らなる部材を０２十Ｎ２ガス中で加熱し、その表面に酸
化物層および酸素富化層を形成させ、これら酸化物層お
よび酸素富化層により表面の硬度が増大して耐摩耗性が
向上する方法である。
面を処理し、必要な硬度を得て、耐摩耗性を確保する必
要がある。このような表面処理方法の一手段として、酸
化処理方法がある。これは、チタンおよびチタン合金か
らなる部材を０２十Ｎ２ガス中で加熱し、その表面に酸
化物層および酸素富化層を形成させ、これら酸化物層お
よび酸素富化層により表面の硬度が増大して耐摩耗性が
向上する方法である。
従来、上記ｏ２十Ｎ２ガスどしては、大気（空気）がそ
のまま適用され、チタンおよびチタン合金は大気中で所
定時間、所定温度の加熱を受けるようになっている。上
記大気の構成は、体積比で、Ｎ２が７８％＋０２が２１
％およびアルゴンガス、炭酸ガス、水素他の微量な成分
からなる。
のまま適用され、チタンおよびチタン合金は大気中で所
定時間、所定温度の加熱を受けるようになっている。上
記大気の構成は、体積比で、Ｎ２が７８％＋０２が２１
％およびアルゴンガス、炭酸ガス、水素他の微量な成分
からなる。
概略で、大気はＮ２が８０％、０２が２０％のガスであ
る。このような酸化処理方法を採用すれば、所期の効果
が得られることは、すでに確認済みである。
る。このような酸化処理方法を採用すれば、所期の効果
が得られることは、すでに確認済みである。
（発明が解決しようとする課題）
しかしながら、このような酸化処理方法によると、用い
られるガスが大気であり、この大気の０２とＮ２との体
積比は常に一定であるから、常に一定の硬度しか得られ
ず、さらに耐摩耗性が要求される部品の素材としては不
適であった。
られるガスが大気であり、この大気の０２とＮ２との体
積比は常に一定であるから、常に一定の硬度しか得られ
ず、さらに耐摩耗性が要求される部品の素材としては不
適であった。
本発明は、上記事情に着目してなされたものであり、チ
タンおよびチタン合金を０２十Ｎ２ガス中で加熱し、そ
の表面に酸化物層および酸素富化層を得る基本的な処理
方法を変えることなく、さらに酸素の拡散深さを深くし
て特に酸化富化層の硬度を増大し、耐摩耗性の向上化を
図れるチタンおよびチタン合金の酸化処理方法を提供す
ることを目的とする。
タンおよびチタン合金を０２十Ｎ２ガス中で加熱し、そ
の表面に酸化物層および酸素富化層を得る基本的な処理
方法を変えることなく、さらに酸素の拡散深さを深くし
て特に酸化富化層の硬度を増大し、耐摩耗性の向上化を
図れるチタンおよびチタン合金の酸化処理方法を提供す
ることを目的とする。
（課題を解決するための手段）
本発明は、チタンおよびチタン合金を０２十Ｎ２ガス中
で加熱し、その表面に酸化物層および酸素富化層を形成
する酸化処理方法において、上記０２十Ｎ２ガスの０２
とＮ２との割合を変化させて必要な硬度分布を持つ酸素
富化層を得ることを特徴とするチタンおよびチタン合金
の酸化処理方法である。
で加熱し、その表面に酸化物層および酸素富化層を形成
する酸化処理方法において、上記０２十Ｎ２ガスの０２
とＮ２との割合を変化させて必要な硬度分布を持つ酸素
富化層を得ることを特徴とするチタンおよびチタン合金
の酸化処理方法である。
（作 用）
０２＋Ｎ２ガスを用いることには変りないが、特に０２
の割合を増大し、かっＮ２の割合を但１減すると、酸素
富化層での硬度上昇とともにこの拡散深さを深くでき、
耐摩耗性が向上する。
の割合を増大し、かっＮ２の割合を但１減すると、酸素
富化層での硬度上昇とともにこの拡散深さを深くでき、
耐摩耗性が向上する。
（実施例）
以下、本発明におＰＩる一実施例を図面にもどづいて説
明する。チタンおよびチタン合金の耐摩耗性は、この表
面に硬度のある酸化物層および酸素富化層を形成するこ
とによって得られるのであるが、実質的に、上記酸化物
層の性質を調整したり、酸素富化層に対する酸素濃度の
調整および酸素拡散深さの条件によって硬度が影響する
。そしてまた、酸素富化層の性質は、チタンおよびチタ
ン合金に対する加熱温度によって異なる形態を得る。す
なわち第１図（Ａ）に示すように、たとえばチタン部材
を加熱し、その加熱温度が７００〜８００℃になると、
チタン自体は青銅色に変色し、かつその表面にはＴｉＯ
２（別名ニルチル）である酸化物層が形成される。そし
てさらに加熱温度を８２５〜８５０℃に上昇して長時間
加熱すると、同図（Ｂ）に示すように、チタンの直く表
面はＴｉ＋ＴｉＯ粉末、ＴｉＯ＋金属チタン、複数色に
分かれたルチルおよび最表面に外部酸化スケール層が形
成される。すなわち、チタン組成内に酸素が固溶して拡
散することとなり、チタンと酸化物層との間に酸素富化
層が生じる。そしてさらに加熱温度を８７５〜１０５０
℃に上昇して長時間加熱すると、同図（Ｃ）に示すよう
に、チタンの直ぐ表面はＴｉ＋Ｔｉ○粉末、金属的外観
をなすＴｉＯとＴ ｉ Ｏ＋Ｔ ｉとの合成層、Ｔｉ、
Ｏ，およびルチルが形成される。すなわち、Ｔｉ（チタ
ン）の表面には明確な酸素富化層が形成され、さらにこ
の表面を酸化物層が覆う。
明する。チタンおよびチタン合金の耐摩耗性は、この表
面に硬度のある酸化物層および酸素富化層を形成するこ
とによって得られるのであるが、実質的に、上記酸化物
層の性質を調整したり、酸素富化層に対する酸素濃度の
調整および酸素拡散深さの条件によって硬度が影響する
。そしてまた、酸素富化層の性質は、チタンおよびチタ
ン合金に対する加熱温度によって異なる形態を得る。す
なわち第１図（Ａ）に示すように、たとえばチタン部材
を加熱し、その加熱温度が７００〜８００℃になると、
チタン自体は青銅色に変色し、かつその表面にはＴｉＯ
２（別名ニルチル）である酸化物層が形成される。そし
てさらに加熱温度を８２５〜８５０℃に上昇して長時間
加熱すると、同図（Ｂ）に示すように、チタンの直く表
面はＴｉ＋ＴｉＯ粉末、ＴｉＯ＋金属チタン、複数色に
分かれたルチルおよび最表面に外部酸化スケール層が形
成される。すなわち、チタン組成内に酸素が固溶して拡
散することとなり、チタンと酸化物層との間に酸素富化
層が生じる。そしてさらに加熱温度を８７５〜１０５０
℃に上昇して長時間加熱すると、同図（Ｃ）に示すよう
に、チタンの直ぐ表面はＴｉ＋Ｔｉ○粉末、金属的外観
をなすＴｉＯとＴ ｉ Ｏ＋Ｔ ｉとの合成層、Ｔｉ、
Ｏ，およびルチルが形成される。すなわち、Ｔｉ（チタ
ン）の表面には明確な酸素富化層が形成され、さらにこ
の表面を酸化物層が覆う。
このようにして上記酸素富化層は、酸化物層から酸素が
拡散して得られるものであるから、この酸素量を調整す
ることにより酸化物層からの酸素の拡散量を制御でき、
酸素富化層での硬度う〕でＩＴを制御できることとなる
。
拡散して得られるものであるから、この酸素量を調整す
ることにより酸化物層からの酸素の拡散量を制御でき、
酸素富化層での硬度う〕でＩＴを制御できることとなる
。
なお説明すれば、第２図に示すように、酸化物層ｆと酸
素富化層ｊとの境界での０２ａ度は、０２ ＋Ｎ２ガス
中の酸素ポテンシャルμ０２と酸素富化層ｊ側でのμ０
２が等しくなるときの値Ｉ である。
素富化層ｊとの境界での０２ａ度は、０２ ＋Ｎ２ガス
中の酸素ポテンシャルμ０２と酸素富化層ｊ側でのμ０
２が等しくなるときの値Ｉ である。
２０２
μ（０＋Ｎ ）′″″μＴ
たがって、ｏ２＋Ｎ２ガス中の０２濃度が増加すれば、
μ（０＋Ｎ ）が増加し、かっμ１．テが増加して、酸
素富化層ｊに固溶する酸素量が増加する。またチタン中
の０２の拡散係数は、一定温度では１つの値であるから
、酸化物層ｆと酸素富化層ｊとの境界での０２濃度が増
加すれば、拡散深さが深くなって硬化層が深くなる。
μ（０＋Ｎ ）が増加し、かっμ１．テが増加して、酸
素富化層ｊに固溶する酸素量が増加する。またチタン中
の０２の拡散係数は、一定温度では１つの値であるから
、酸化物層ｆと酸素富化層ｊとの境界での０２濃度が増
加すれば、拡散深さが深くなって硬化層が深くなる。
チタンおよびチタン合金を０２十Ｎ２ガス中で加熱し、
その表面に酸化物層ｆおよび酸素化富化層ｊを得る、酸
化処理方法は変りがない。この方法でチタンおよびチタ
ン合金を酸化処理し、この硬度を調べると、第３図にＡ
曲線で示すように、その部拐の表面からの深さが浅いほ
ど高い硬度を有し、深くなるにつれて徐々に硬度も低下
する。
その表面に酸化物層ｆおよび酸素化富化層ｊを得る、酸
化処理方法は変りがない。この方法でチタンおよびチタ
ン合金を酸化処理し、この硬度を調べると、第３図にＡ
曲線で示すように、その部拐の表面からの深さが浅いほ
ど高い硬度を有し、深くなるにつれて徐々に硬度も低下
する。
そして、所定深さでは上記酸化物層ｆおよび酸素富化層
ｊが形成されないところから、チタンおよびチタン合金
特有の細度に一定化する。ところが、加熱時間と加熱温
度はそのままで、上記０２の濃度を上げてＮ２の濃度を
下げたガス中で酸化処理をなし、再び同様の試験をなす
と、新たに８曲線に示すような結果が得られた。すなわ
ち、表面から同−深さでは、硬度がより増大する。これ
は全般的に亘って言えることであり、しかもチタンおよ
びチタン合金特有の硬度に一定化するのは、Ａ曲線と比
較して表面からの深さがかなり深くなったところでもあ
る。
ｊが形成されないところから、チタンおよびチタン合金
特有の細度に一定化する。ところが、加熱時間と加熱温
度はそのままで、上記０２の濃度を上げてＮ２の濃度を
下げたガス中で酸化処理をなし、再び同様の試験をなす
と、新たに８曲線に示すような結果が得られた。すなわ
ち、表面から同−深さでは、硬度がより増大する。これ
は全般的に亘って言えることであり、しかもチタンおよ
びチタン合金特有の硬度に一定化するのは、Ａ曲線と比
較して表面からの深さがかなり深くなったところでもあ
る。
さらに詳細なデータをとった結果を、第４図に示す。チ
タンもしくはチタン合金を９００ ℃で３０分間加熱す
る条件は具通である。そして、加熱終了後に強制的に水
冷も１．＜はアルゴンガス吹杓けのごとき空冷をなすこ
とにより、熱膨張率の相違で表面の余分な酸化スケール
が円滑に剥離して品質か向上する。Ｏ生変化は、これま
でと同様、０２２０％十Ｎ２８０％ガスである大気中で
加熱したものの特性である。表面からの深さが約０．３
５＋ｎｕのところで、チタンおよびチタン合金特有の硬
度に一定化するが、表面からこの深さまでは、上述した
ようむ酸化物層ｆおよび酸素富化層ｊを得ることにより
、ある程度の硬度は保持する。これに対して目印変化は
、０２の濃度を上げて０２５０％とし、これと同量の分
だ＋、ｔ Ｎ ２を低下して５０％としたものの特性で
ある。その結果、表面からの深さが約０．５ ｍｍにな
って、ようやくチタンおよびチタン合金特有の硬度に一
定化する。
タンもしくはチタン合金を９００ ℃で３０分間加熱す
る条件は具通である。そして、加熱終了後に強制的に水
冷も１．＜はアルゴンガス吹杓けのごとき空冷をなすこ
とにより、熱膨張率の相違で表面の余分な酸化スケール
が円滑に剥離して品質か向上する。Ｏ生変化は、これま
でと同様、０２２０％十Ｎ２８０％ガスである大気中で
加熱したものの特性である。表面からの深さが約０．３
５＋ｎｕのところで、チタンおよびチタン合金特有の硬
度に一定化するが、表面からこの深さまでは、上述した
ようむ酸化物層ｆおよび酸素富化層ｊを得ることにより
、ある程度の硬度は保持する。これに対して目印変化は
、０２の濃度を上げて０２５０％とし、これと同量の分
だ＋、ｔ Ｎ ２を低下して５０％としたものの特性で
ある。その結果、表面からの深さが約０．５ ｍｍにな
って、ようやくチタンおよびチタン合金特有の硬度に一
定化する。
しかも、表面からこの深さまで上述した０２２０％＋Ｎ
２８０％のものよりも全般に亘って硬度が増大する。△
中受化は、さらにｏ２の濃度を上げて０２８０％とし、
これと同量の分だけＮ２を低下して２０％どしたものの
特性である。その結果、表面からの深さか約０．６ｍｍ
になって、ようやくチタンおよびチタン合金特有の硬度
に一定化する。
２８０％のものよりも全般に亘って硬度が増大する。△
中受化は、さらにｏ２の濃度を上げて０２８０％とし、
これと同量の分だけＮ２を低下して２０％どしたものの
特性である。その結果、表面からの深さか約０．６ｍｍ
になって、ようやくチタンおよびチタン合金特有の硬度
に一定化する。
しかも、表面からこの深さまで上述した０２５０％十Ｎ
２５０％のものよりも全般に亘って硬度が増大する。結
局、０２濃度が濃くなるほど、酸化物層ｆから酸素富化
層Ｊへの酸素の拡散深さが大となり、よって酸素の固溶
による硬度の上昇化を得ることとなる。
２５０％のものよりも全般に亘って硬度が増大する。結
局、０２濃度が濃くなるほど、酸化物層ｆから酸素富化
層Ｊへの酸素の拡散深さが大となり、よって酸素の固溶
による硬度の上昇化を得ることとなる。
このような条件で得られたチタンおよびチタン合金で、
たとえばエンジンの吸気弁もしくは排気弁の一部を構成
するバルブスプリングリテーナを製作し、モータリング
による摩耗試験を行った結果を第５図に示す。すなわち
、最も摩耗量が多いのは○生変化の０２２０％十Ｎ ２
８０％ガスである大気中て加熱したものであり、０□の
濃度の変化により摩耗量か変化する。
たとえばエンジンの吸気弁もしくは排気弁の一部を構成
するバルブスプリングリテーナを製作し、モータリング
による摩耗試験を行った結果を第５図に示す。すなわち
、最も摩耗量が多いのは○生変化の０２２０％十Ｎ ２
８０％ガスである大気中て加熱したものであり、０□の
濃度の変化により摩耗量か変化する。
以上説明したように本発明によれば、０２＋Ｎ２ガス中
で加熱する基本的な酸化処理方法は食えることなく、０
２とＮ、の割合を変化して、必要な硬度分布を持つ酸素
富化層を得るようにしたから、その用途に応じた目的の
硬度を得て、銅摩耗性の向上化を図れるという効果を奏
する。
で加熱する基本的な酸化処理方法は食えることなく、０
２とＮ、の割合を変化して、必要な硬度分布を持つ酸素
富化層を得るようにしたから、その用途に応じた目的の
硬度を得て、銅摩耗性の向上化を図れるという効果を奏
する。
図面は本発明の一実施例を示し、第１［ａ（Ａ）（Ｂ）
、（Ｃ）は互いに異なる加熱温度によって変化するチタ
ンおよびチタン合金の組織拡大図、第２図はその概略構
成図、第３図は０２ ＋Ｎ２ガスの割合を異ならせた概
略特性図、第４図はその詳細な特性図、第５図はそのチ
タンおよびチタン合金をバルブスプリングリテーナに適
用した場合の摩耗特性図である。 ｆ・・・酸化物層、ｊ・・・酸素富化層。
、（Ｃ）は互いに異なる加熱温度によって変化するチタ
ンおよびチタン合金の組織拡大図、第２図はその概略構
成図、第３図は０２ ＋Ｎ２ガスの割合を異ならせた概
略特性図、第４図はその詳細な特性図、第５図はそのチ
タンおよびチタン合金をバルブスプリングリテーナに適
用した場合の摩耗特性図である。 ｆ・・・酸化物層、ｊ・・・酸素富化層。
Claims (1)
- チタンおよびチタン合金をＯ＿２＋Ｎ＿２ガス中で加熱
し、その表面に酸化物層および酸素富化層を形成する酸
化処理方法において、上記Ｏ＿２＋Ｎ＿２ガスのＯ＿２
とＮ＿２との割合を変化させて必要な硬度分布を持つ酸
素富化層を得ることを特徴とするチタンおよびチタン合
金の酸化処理方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16938789A JPH0336256A (ja) | 1989-06-30 | 1989-06-30 | チタンおよびチタン合金の酸化処理方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16938789A JPH0336256A (ja) | 1989-06-30 | 1989-06-30 | チタンおよびチタン合金の酸化処理方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0336256A true JPH0336256A (ja) | 1991-02-15 |
Family
ID=15885652
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16938789A Pending JPH0336256A (ja) | 1989-06-30 | 1989-06-30 | チタンおよびチタン合金の酸化処理方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0336256A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999004055A1 (en) * | 1997-07-19 | 1999-01-28 | The University Of Birmingham | Method of case hardening |
| CN112522664A (zh) * | 2020-12-04 | 2021-03-19 | 中国科学院金属研究所 | 一种钛合金低温氧氮化超硬超厚渗层及其制备方法和应用 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS53120642A (en) * | 1977-03-30 | 1978-10-21 | Citizen Watch Co Ltd | Method of hardening surface of titanium and titanium alloy |
| JPS6483652A (en) * | 1987-09-24 | 1989-03-29 | Fujikura Ltd | Wear-resistant member |
-
1989
- 1989-06-30 JP JP16938789A patent/JPH0336256A/ja active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS53120642A (en) * | 1977-03-30 | 1978-10-21 | Citizen Watch Co Ltd | Method of hardening surface of titanium and titanium alloy |
| JPS6483652A (en) * | 1987-09-24 | 1989-03-29 | Fujikura Ltd | Wear-resistant member |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO1999004055A1 (en) * | 1997-07-19 | 1999-01-28 | The University Of Birmingham | Method of case hardening |
| CN112522664A (zh) * | 2020-12-04 | 2021-03-19 | 中国科学院金属研究所 | 一种钛合金低温氧氮化超硬超厚渗层及其制备方法和应用 |
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