JPH0610113A - チタンまたはチタン合金の強化、硬化方法及び接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 固体状態のまま合金成分の拡散反応を利用し
て、チタンまたはチタン合金の表層部あるいは全体を合
金化し強化、硬化させ、また拡散接合させる。 【構成】 チタンまたはチタン合金の表面に合金化可能
な合金形成物質を固体状態あるいは気体状態で接触さ
せ、液相が形成される温度未満で熱処理することによ
り、拡散反応させ新たなチタン合金を生成させる。また
合金化可能な母合金を介して二つのチタン材料を密着さ
せ同様に熱処理することにより拡散接合させる。 【効果】 チタンまたはチタン合金の表面を強化、硬化
させ耐摩耗性と耐疲労特性を向上させ、またチタンまた
はチタン合金の薄板を更に強度の高い新たなチタン合金
薄板にして、圧延法では得られない高強度チタン合金薄
板を造る。また複数のチタン部品を接合させ複雑なネッ
トシェイプ部品あるいは複合材料を造ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、チタンまたはチタン合
金の表面或いは全体を強化、硬化させ、耐摩耗性或いは
硬度、強度を付与するための方法、およびチタンまたは
チタン合金の接合方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の表面硬化方法には表面に窒化チタ
ン、窒化クロムなどの薄い層を物理蒸着させるもの、空
気中で加熱酸化させ表面に薄い酸素含有層を形成させる
ものなどがあるが、いずれも硬化層が非常に薄く表面と
内部の硬度差が大きいため、局部的、衝撃的に押し付け
力が働くと、表面の硬化層が割れ剥がれてしまい用をな
さない。チタン合金は通常、溶解段階で合金元素を添加
して合金化する。そのチタン合金は強度が高く、また熱
間加工でも加工温度範囲が狭いため非常に加工しにく
い。そのため恒温鍛造、超塑性加工、などのコストの高
い方法、或いは単純形状に留める、弱いが加工し易い純
チタンを加工して代用する等としている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の表面硬化方法で
は硬化層が薄く硬すぎるため剥離してしまうという問題
点があった。本発明では真空に近い特定雰囲気の下で熱
処理することにより、表面の硬化層を適度の硬さで厚く
し徐々に内部の硬度に近付ける様にすることができ剥離
を防ぎ、良好な耐摩耗性を付与することができる。また
チタン合金の薄板は圧延加工しにくく製造が難しいが、
純チタンの薄板を特定雰囲気の下で熱処理することによ
り表面から合金成分を拡散させ、高強度チタン合金の極
薄板を簡単に造ることができる。またチタン合金は機械
加工が難しく複雑形状の部品の製造には莫大なコストが
かかる。本発明ではチタンまたはチタン合金の素形材、
あるいは板、棒、線、型材をその間に合金形成物質（以
降母合金と記す）を介して密着させ、特定雰囲気の下で
熱処理することにより、接合し複雑形状部品あるいは複
合材料を造ることもできる。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明に係わるチタンま
たはチタン合金の強化，硬化方法および接合方法は、チ
タンまたはチタン合金からなる被処理材を酸素、窒素、
炭酸ガス、一酸化炭素、などの極低分圧のガスの特定の
雰囲気下で熱処理することにより、被処理材の表面の過
度の反応を抑え、ガスの構成元素を表面から内部に拡散
させ深い部分に迄強度を保たせることを特徴としてい
る。熱処理の雰囲気、温度、時間を変化させることによ
り表層部分を強化させたり、また内部まで合金化強化さ
せ全体の強度を高めることができる。強度と硬度は比例
するので、強度が向上したところは硬度も向上してい
る。

【０００５】Ａｌ，Ｃ，Ｏ，Ｎ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｔａ，
Ｖ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｐ
ｂ，Ｓｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｓｎ，Ｚｎ，Ｓｂ，Ａｕ，Ａｇ，
Ｔｉ、の元素から構成され、これら元素を含むガス、或
いはこれら単独の金属か、これら複数の元素を予め混合
し又は溶解し、チタン合金にさせ得る予備合金とした母
合金の微粉末を、チタンまたはチタン合金からなる被処
理材の表面に均一に密着させ特定の雰囲気下で熱処理す
ると、ガスまたは母合金は被処理材の表面から拡散浸透
し表層部分に新たなチタン合金が生成され、表層の強度
と硬度が向上する。このとき熱処理の雰囲気、温度、時
間を変化させることにより表層部分を合金化し強化、硬
化させるだけでなく、内部まで新たな組成に合金化させ
全体の強度、硬度を高めることができる。母合金微粉末
の場合その大きさは０．１ｍｍ以下が好ましく、それ以
上であると拡散に長時間を要する。かつ平均最適粒径は
被処理材の厚さの１０分の１以下である。またチタンま
たはチタン合金からなる被処理材に母合金の微粉末を均
一に散布または塗布し、あるいは上記元素の金属箔また
は母合金の箔を置き、もう一つの被処理材を載せ密着さ
せ、特定の雰囲気下で熱処理すると母合金は双方の被処
理材に拡散、合金化し二つの被処理材がその面で接合さ
れることになる。本発明の基本技術はチタン基材中に於
いて、速い拡散速度を持ち且つチタンと合金化可能な合
金形成物質をチタンと接触させ、熱処理中に拡散合金化
させ部分的にあるいは全体を高強度高硬度のチタン合金
にすることである。

【０００６】ここでいう特定雰囲気とは、真空あるいは
不活性ガスの中に酸素、窒素、炭酸ガス、一酸化炭素、
炭化水素、アルコール、アンモニア、金属ハロゲン化物
ガス、空気等の活性ガスを単独、またはこれらの混合ガ
スを、これら活性ガスの分圧が百分の一以下である様に
した雰囲気または真空雰囲気を示す。母合金の微粉末、
箔などを被処理材に密着させる方法はロール、プレス、
鍛造、槌叩き、押し出し、引き抜き、等の加工により圧
着させるか、あるいは溶融母合金中への浸漬、メッキな
どで付着させるプロセスでも良い。ここで圧着させる場
合は粉末を薄く塗布することが好ましく、厚く塗布した
いときには塗布、圧着の操作を繰り返すとよい。塗布す
る際には母合金と水、溶剤、接着剤、潤滑材などを混合
してスラリー、ペーストにするのが便利であるが濃度を
適切に選び圧粉したときの母合金の密度を７０％以上に
するとよい。熱処理の条件は、被処理材の表層だけを硬
化するときは高目のガス分圧で低温度、短時間とする、
被処理材の内部まで合金化し強化し耐摩耗特性を向上さ
せるときは、低目のガス分圧で高温度、長時間とするの
が基本である。このときの温度は被処理材であるチタン
と母合金間で液相が形成される温度未満であることが重
要であり７００度Ｃから１５００度Ｃの間、時間は０．
１時間から１０００時間の間の条件がよい。

【０００７】

【作用】チタンまたはチタン合金からなる被処理材を真
空加熱容器に入れ例えば１０^−１ｔｏｒｒ分圧の酸素の
中で加熱すると、酸素は被処理材の表面で反応し溶け込
みその部分が合金化するがその酸素は直ちに被処理材の
内部に拡散し内部を合金化する。表面部分は再び酸素と
反応し内部に拡散し、これが繰り返されるが雰囲気の酸
素分圧が低いため表層部分の酸素含有量はあまり高くな
らない。従って被処理材の中の酸素含有量は内部から表
面に向かって徐々に高くなり、硬度も強度も表面に向か
って徐々に上がり耐摩耗性が著しく向上した。上記反応
を長時間続けると被処理材全体に酸素を拡散させ、全体
を合金化し被処理材の強度を高めることができる。即ち
純チタンの薄板、筐体を合金化し高強度化することがで
きる。酸素の代わりに一酸化炭素、炭酸ガス、アルコー
ル、炭化水素、窒素、アンモニアなどのガスに置き換え
ると、炭素、窒素などもチタン中に溶け込み合金化し同
様に高強度チタンを得ることができる。

【０００８】その他、純チタン板の上に６０Ａｌ−４０
Ｖ母合金の微粉末ペーストを一様に塗布しもう一枚の純
チタン板を載せサンドイッチ状にし、プレスにより成形
すると同時に二枚の板を密着させる。この成形品を脱脂
した後、真空加熱容器に入れ熱処理すると母合金は双方
の板に拡散しチタン６Ａｌ−４Ｖ合金になると同時に二
枚のチタン板は接合され強固な筐体が形成される。母合
金の微粉末ペーストを塗った純チタン板一枚だけをプレ
ス成形し熱処理する場合でも同様の効果が得られる。ま
たハーフアロイの被処理材を同様の処理によりフルアロ
イの強固な成形品にすることもできる。αあるいはα＋
βチタン合金の板をこの様に複雑な形状に冷間で加工す
ることは難しく、本発明の作用が良く現れている。純チ
タン、ハーフアロイ等被処理材そのものが軟らかく加工
し易いこと、また母合金粉末が硬くプレス等で圧着する
と、母合金が被処理材中に食い込み投錨効果で密着し離
れず拡散が容易に行われることが特徴である。

【０００９】

【実施例】純チタンまたはチタン合金の被処理材を密閉
加熱容器の中に入れ内部を真空にし純酸素で満たし６０
０℃で１０００時間保持すると被処理材の表面から内部
に酸素が拡散浸透する。しかしこのとき温度が低いため
拡散速度は遅く被処理材中の酸素含有量は分布図１の細
い実線の分布に示すとうりで表面部分だけに限られる。
そして表面の酸素分圧が高すぎるので表面だけが極端に
酸化される。この場合表面の強度、硬度が高く内部は低
いので表面が剥離しやすく、耐摩耗性に乏しい。そこで
真空中または純アルゴンガス中に百分の一気圧の分圧の
酸素を入れ９００℃で１０時間熱処理すると雰囲気の酸
素分圧が低いので表面の酸化は抑えられ、かつ拡散速度
は速くなり図１の破線で示す様に内部に迄酸素が拡散
し、深さ方向の強度、硬度分布は緩やかになる。同一雰
囲気の中７００℃で１０００時間保持しても同様の効果
が得られる。この様な硬度分布では良い耐摩耗性を示
す。次に十万分の一気圧の酸素分圧の雰囲気中で１５０
０℃で０．１時間熱処理すると表面の酸化は抑えられ、
拡散速度は一層速くなり、図１の太い実線に示すとうり
酸素はより深く浸透拡散し、深さ方向の強度、硬度分布
はより緩やかになり、ほぼ鋼に於ける浸炭と同様の分布
を呈する。このときの耐摩耗性は浸炭鋼に匹敵する程良
くなった。前述の例に於いて酸素を窒素に置き換えて同
様の実験を試みると図２に示す結果が得られ、良好な耐
摩耗性を示す。

【００１０】ＣＯガス、またはＣＯ_２ガスの分圧が一万
分の一気圧以下の雰囲気の中に純チタンまたはチタン合
金の被処理材を入れ１０００℃で１時間熱処理すると、
酸素と炭素が同時に被処理材の表面から浸入拡散し、図
３、図４に示す様な含有量分布を呈する。したがって強
度、硬度分布も図のようになる。これは鋼の浸炭現象に
於いて表面のＣＯ、ＣＯ_２分圧がその表面硬度の効果を
左右するのに似ている。この様に内部から表面に向かっ
て緩やかに硬度を高くすると耐摩耗性が著しく向上す
る。この場合には酸素と炭素の双方の強化、硬化能力が
発揮されるのでより効果が大きくなる。

【００１１】純チタンまたはチタン合金の被処理材の表
面にＴｉＯ_２の微粉末のスラリーを薄く均一に塗布し、
これをプレスなどで圧着させ、真空加熱容器の中に入れ
真空中あるいは不活性ガス雰囲気中で熱処理すると、Ｔ
ｉＯ_２中の酸素が被処理材の表面から浸入拡散し、酸素
含有量と強度、硬度は図５の様な分布になる。これは図
１と良く似ており酸素を気体でも固体の状態でも被処理
材に接する様に位置させれば同様の効果をもたらすこと
を示している。耐摩耗性も同様に向上した。ここでＴｉ
Ｏ_２微粉末の代わりにＴｉＮ微粉末を用いたところ図６
の関係が得られ同様の効果が得られた。また、ＴｉＣ微
粉末の場合にも同様の効果が得られた。ＴｉＯ_２あるい
はＴｉＮ、ＴｉＣの微粉末を圧着させる代わりに、予め
表面を酸化、あるいは窒化，炭化させ表面にＴｉＯ_２あ
るいはＴｉＮ、ＴｉＣの被膜を生成させておいてから熱
処理して拡散させても全く同様の効果が得られた。熱処
理が終わった段階で表面にＴｉＯ_２層、あるいはＴｉＮ
層、ＴｉＣ層の被膜が残っている場合にはショットブラ
ストで除去することができる。ショットブラストをかけ
ると表面の残留応力により耐疲労強度が向上する。

【００１２】０．５ｍｍ厚さの純チタンまたはチタン合
金の被処理材、薄板を百分の一気圧以下の酸素分圧の雰
囲気中で熱処理すると板の両面から酸素が浸入拡散し、
酸素含有量は図７の様な分布になるので、板の全体の強
度、硬度が共に高くなり、あたかも高強度チタン合金の
薄板の様な特性を持った板ができる。次に窒素の百分の
一気圧以下の窒素分圧雰囲気中で熱処理すると図８の様
な分布が得られ、同様に板の強度、硬度を高めることが
できる。これは板の表面にＴｉＯ_２、ＴｉＮの微粉末を
圧着し、あるいは表面を酸化、窒化してから真空中で熱
処理した場合でも同様の効果を得ることができる。

【００１３】純チタンの被処理材の表面に、６０％Ａｌ
４０％Ｖ母合金の微粉末（１００μ以下）を散布あるい
は塗布しプレスまたはロールで圧着させる。そして真空
中或いはアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中に置き９
００℃で１時間熱処理したところ、ＡｌとＶは被処理材
中に表面から浸透拡散し図９に示すとうり２００μ深さ
の表層部分が略６Ａｌ４Ｖチタン合金になり表層部分の
強度と硬度が向上した。表面に若干の未反応層が残って
いたがショットブラストで除去したところきれいな表面
が得られた。６Ａｌ４Ｖチタン合金の被処理材の表面に
５２％Ｍｏ，２７％Ｚｒ、２１％Ｓｎの母合金微粉末を
散布し同様の方法で熱処理したところ、表層部分に１１
％Ｍｏ、６％Ｚｒ，４％Ｓｎのβチタン合金が生成さ
れ、ＢＣＣに変態し膨脹するため、表面に圧縮残留応力
が働き疲労強度が向上した。次に純チタンの０．５ｍｍ
薄板の双方の表面に６０％Ａｌ４０％Ｖ母合金の微粉末
（２０μ以下）と潤滑材を混合した粉末、またはスラリ
ーをそれぞれ０．０５ｍｍの厚さに散布あるいは塗布
し、それを冷間でプレス成形し筐体とし被処理材と母合
金を密着させた。これを真空加熱あるいは溶媒で脱脂し
た後、アルゴン雰囲気中で同様の熱処理を施したところ
図１０に示す通り薄板全体にＡｌとＶが拡散し、６Ａｌ
４Ｖチタン合金薄板の筐体ができた。これをカメラの筐
体として使用したところ非常に軽く堅固で表面疵の付き
にくいカメラボディとなった。

【００１４】ここでは６０％Ａｌ４０％Ｖの母合金を用
いたが、種々のチタン合金に適合する組成の母合金を用
いればそれに応じたチタン合金の薄板を造ることができ
る。例えばＡｌ−Ｓｎ、Ａｌ−Ｍｏ、Ａｌ−Ｖ−Ｓｎ、
Ａｌ−Ｖ−Ｃｒ、Ａｌ−Ｖ−Ｆｅ、Ａｌ−Ｖ−Ｆｅ−Ｍ
ｏなどの母合金で良いが、これに極少量の遷移金属を予
め合金化しておくと熱処理中に遷移金属の高い拡散速度
に助けられて、その他の金属の拡散も速まり組成の均一
な合金が造られる。ハーフアロイの３Ａｌ２Ｖチタン合
金の薄板を被処理材とすると半量の母合金で良いので軽
い熱処理で済む。これら被処理材全体の強度を上げる場
合の母合金の重量は被処理材の重量の１％から２５％の
範囲が良い。

【００１５】６Ａｌ４Ｖチタン合金の厚板の上に６０％
Ａｌ４０％Ｖの母合金の微粉末を均一に散布し、その上
に純チタンの薄板を載せ二枚の板をロールで圧延し、母
合金と二枚の板を密着させる。そして真空中あるいは不
活性ガス雰囲気中で９００℃、２時間の熱処理を加えた
ところ、母合金の拡散により二枚の板は接合され複合材
料が造られた。このときの板の内部の組成分布は図１１
に示すとうりであり、純チタン板側の表面は純チタンの
ままであり耐蝕性はそのまま保たれる。強度と耐蝕性を
要求される化学プラントのタンク等に使われる。

【００１６】二つの６Ａｌ４Ｖチタン合金の部品を接合
しようとする面に６０％Ａｌ４０％Ｖの母合金の微粉末
を均一に塗布し、その面で合わせプレスで強く圧着さ
せ、真空中あるいは不活性ガス雰囲気中で１３００℃、
１時間の熱処理を加えたところ、母合金の拡散により二
つの部品は強固に接合され複雑な形状の部品ができた。
部品の内部の組成分布は図１２に示すとうり接合部分だ
けＡｌとＶが少し高いが完全に合金化しており強度は充
分である。

【００１７】

【発明の効果】本発明は以上説明した様に構成されてお
り、以下に記載するような効果を示す。図１、図２、図
３、図４、図５、図６に示す様に表面だけの過度の硬化
を抑え、内部へも徐々に適度の強度と硬度を付与するこ
とができるので、表層の硬化層が剥離しにくい。図１３
に示すとおり被処理材の表層から内部まで徐々に強化硬
化したものは耐摩耗性が著しく向上する効果が得られ
た。

【００１８】図７、図８、図１０に示す処理を施した薄
板を引張試験に供し図１４の結果を得た。酸素、窒素、
炭素を拡散させた純チタンの薄板では強度は向上したが
伸びが若干減少した。また６０％Ａｌ４０％Ｖ母合金を
拡散させ合金化させた６Ａｌ４Ｖ合金薄板は、伸びを減
少させずに強度を大きく向上させることができ、通常の
チタン６Ａｌ４Ｖ合金薄板の強度特性にほぼ近くなっ
た。

【００１９】二つのチタン６Ａｌ４Ｖ合金部品を母合金
を介して拡散接合させた図１２の被処理材を接合面に垂
直方向に引張ったところ、接合面では切れず他の部分で
切断された。接合面は完全に合金化しており合金組成が
高いため強度も高くこの部分の接合強度は溶接材以上で
あった。

【図面の簡単な説明】

【図１】 酸素雰囲気中で熱処理したときのチタン中
の酸素溶解量分布と強度・硬度分布を示す図。

【図２】 チタン中の窒素溶解量分布と強度・硬度分
布を示す図。

【図３】 チタン中の酸素炭素溶解量分布と強度・硬
度分布を示す図。

【図４】 チタン中の酸素炭素溶解量分布と強度・硬
度分布を示す図。

【図５】 ＴｉＯ_２微粉末を圧着、又は表面に酸化層
を生成させ熱処理したときのチタン中の酸素溶解量分布
と強度・硬度分布を示す図。

【図６】 チタン中の窒素溶解量分布と強度・硬度分
布を示す図。

【図７】 チタン薄板中の酸素溶解量分布と強度・硬
度分布を示す図。

【図８】 チタン薄板中の窒素溶解量分布と強度・硬
度分布を示す図。

【図９】 チタン中へ拡散したＡｌ、Ｖの溶解量分布
を示す図。

【図１０】 チタン薄板中へ拡散したＡｌ、Ｖの溶解量
分布を示す図。

【図１１】 純チタン、チタン合金接合面のＡｌ、Ｖ溶
解量分布を示す図。

【図１２】 二つのチタン合金部品接合面とＡｌ、Ｖ溶
解量分布を示す図。

【図１３】 本発明品の耐摩耗性を示す図。

【図１４】 本発明品薄板の強度、伸び特性を示す図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ２３Ｃ 10/52 7516−4Ｋ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チタンまたはチタン合金からなる被処理
   材に特定の雰囲気下で熱処理を施し拡散させることを特
   徴とするチタンまたはチタン合金の強化、硬化方法及び
   接合方法。
2. 【請求項２】 被処理材の形状が薄板または箔、薄板ま
   たは箔を成形した筐体、複数枚の板または筐体を重ね合
   わせ密着させたもの、或いは厚板、棒、線、型材、素形
   材、またそれらを密着させたもので、被処理材の表面あ
   るいは密着させた被処理材の間に合金形成物質を置く
   か、被処理材の表面に予め合金形成物質を反応生成付着
   させた請求項１記載のチタンまたはチタン合金の強化、
   硬化方法及び接合方法。
3. 【請求項３】 合金形成物質はその組成がＡｌ，Ｃ，
   Ｏ，Ｎ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｖ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｍ
   ｎ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｐｂ，Ｓｉ，Ｗ，Ｚｒ，Ｓｎ，
   Ｚｎ，Ｓｂ，Ａｕ，Ａｇ，Ｔｉ，の元素から構成され、
   これら元素を含むガス、或いはこれら単独の金属か、こ
   れら複数の元素を合金化した母合金であり、母合金の大
   きさは０．１ｍｍ以下の微粉末、或いは０．１ｍｍ以下
   の薄い板である請求項２記載のチタンまたはチタン合金
   の強化、硬化方法及び接合方法。
4. 【請求項４】 母合金の微粉末をそのまま、或いは水、
   溶剤、接着剤、等に均一混合しスラリー或いはペースト
   状としたものを被処理材の表面に均一に散布、塗布し、
   あるいは更にロール、プレス、鍛造、押し出し、引き抜
   き、等の加工により圧着させ、あるいはメッキなどで合
   金形成物質を付着させるようにした請求項２記載のチタ
   ンまたはチタン合金の強化、硬化方法及び接合方法。
5. 【請求項５】 特定の雰囲気は真空、或いは酸素、窒
   素、炭酸ガス、一酸化炭素、炭化水素、アルコール、ア
   ンモニア、金属ハロゲン化物ガス、空気、等の活性ガス
   の単独、又はそれらの混合ガスからなり、その分圧が百
   分の一気圧以下である請求項１記載のチタンまたはチタ
   ン合金の強化、硬化方法及び接合方法。
6. 【請求項６】 熱処理の温度が７００度Ｃ以上、被処理
   材と合金形成物質間で液層が形成される温度未満、時間
   が０．１時間以上１０００時間以下である請求項１記載
   のチタンまたはチタン合金の強化、硬化方法及び接合方
   法。