特許 6345098 チタン製部材

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6345098

(24)【登録日】2018年6月1日

(45)【発行日】2018年6月20日

(54)【発明の名称】チタン製部材

(51)【国際特許分類】

   C23C 8/60 20060101AFI20180611BHJP

   C23C 28/00 20060101ALI20180611BHJP

   C22C 14/00 20060101ALN20180611BHJP

   C23C 18/32 20060101ALN20180611BHJP

【ＦＩ】

   C23C8/60

   C23C28/00 B

   !C22C14/00 Z

   !C23C18/32

【請求項の数】4

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2014-246843(P2014-246843)

(22)【出願日】2014年12月5日

(65)【公開番号】特開2016-108608(P2016-108608A)

(43)【公開日】2016年6月20日

【審査請求日】2017年9月6日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002439

【氏名又は名称】株式会社シマノ

(74)【代理人】

【識別番号】100117204

【弁理士】

【氏名又は名称】岩田 徳哉

(72)【発明者】

【氏名】谷口 誠典

(72)【発明者】

【氏名】岩井 亨

【審査官】 神田 和輝

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−１８２５５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−２５０１７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００６−５０６５２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平３−２５７１５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平８−３５０７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５１−１３３１１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平４−７２０５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭４８−７９１３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５０−２８４４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５０−７７２３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１８０４５７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２２Ｃ １４／００

Ｃ２３Ｃ ８／００−８／８０

Ｃ２３Ｃ １８／３２−１８／３６

Ｃ２３Ｃ ２８／００−２８／０４

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴＣｈｉｎａ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

母材がチタン合金であり、表面には厚さ１μｍ以上の層状のホウ化チタン被膜が形成され、該ホウ化チタン被膜よりも深い母材の部分にニッケルとリンが浸透していることを特徴とするチタン製部材。

【請求項2】

ホウ化チタン被膜の内側には、リンの濃化ピークが存在している請求項１記載のチタン製部材。

【請求項3】

リンの濃化ピークよりも内側の部分には、リンは実質上存在しない一方、ニッケルは分散状態で拡散浸透している請求項２記載のチタン製部材。

【請求項4】

母材がβ型のチタン合金である請求項１乃至３の何れかに記載のチタン製部材。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、各種の用途に使用されるチタン製部材であって、その表面にホウ化処理を施したものに関する。

【背景技術】

【0002】

例えば下記特許文献１、２のように、チタン材からなる母材の表面にホウ化処理を施すことによって耐摩耗性を向上させることが知られている。しかしながら、従来のホウ化処理層は母材との密着性が必ずしも良くなく、耐摩耗性、耐久性について更なる改善が求められる。

【0003】

尚、下記特許文献３には、母材表面に、ホウ素の拡散速度が母材金属よりも大きい金属材料からなる金属被覆層を形成した後に、ホウ化処理を行うことによって金属被覆層中にホウ素を拡散させて、ホウ素の拡散速度が母材金属より大きい金属材料とホウ素とからなる被覆層を形成するという構成が開示されている。しかしながら、例えば金属材料がニッケル（Ｎｉ）である場合には、被覆層として、ホウ化ニッケル（Ｎｉ_２Ｂ＋Ｎｉ_３Ｂ）が形成されることになり、表面にホウ化チタン（ＴｉＢ＋ＴｉＢ_２）が形成されるものではなく、やはり耐摩耗性、耐久性について更なる改善が求められる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特表２００６−５０６５２５号公報

【特許文献2】特開平３−２５７１５１号公報

【特許文献3】特開平８−３５０７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

それゆえに本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされ、耐摩耗性、耐久性に優れたチタン製部材を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、チタン材の中でも特にチタン合金に着目し、そのチタン合金に種々の前処理を施した後にホウ化処理を行うことによって耐摩耗性、耐久性に優れたホウ化処理層が得られることを見出した。

【0007】

即ち、本発明に係るチタン製部材は、母材がチタン合金であり、表面には厚さ１μｍ以上の層状のホウ化チタン被膜が形成され、該ホウ化チタン被膜よりも深い母材の部分にニッケルとリンが浸透していることを特徴とする。

【0008】

該構成のチタン製部材は、母材がチタン合金からなり、部材の表面には層状のホウ化チタン被膜が形成され、該ホウ化チタン被膜よりも深い母材の部分にはニッケルとリンが存在している。ホウ化チタンはＴｉＢやＴｉＢ_２である。ホウ化チタン被膜は、塊状や針状、ウィスカー状ではなく、厚さ１μｍ以上の層状、即ち、断面視においては帯状となって形成されている。従って、ホウ化チタン被膜は、非常に強固な被膜となっている。また、該ホウ化チタン被膜よりも深い母材の部分にニッケルとリンが浸透しているので、ホウ化チタン被膜の密着性が高く、耐摩耗性と耐久性に優れている。

【0009】

尚、かかるチタン製部材は以下のようにして形成することができる。即ち、母材の表面を所定のエッチング液にてエッチングする。完全にα相のみからなるα型のチタン合金である場合を除いて、チタン合金の表面はα相とβ相とがまだら模様に混在した結晶構造となっている。α＋β型のチタン合金はもとより、β型のチタン合金であってもα相が存在しており、また、α型のチタン合金であってもニアαとも称されるものではβ相が若干ながら存在している。そこで、そのようにα相とβ相が混在している母材の表面をエッチングすることによって、α相のみを溶かして母材の表面に微細な凹凸を形成することができる。そして、その後、無電解ニッケルめっきを施す。詳細には、無電解ニッケル−リンめっきを施す。無電解ニッケル−リンめっきの中でも特に、リンの含有率が低い低リンタイプで行う。その後、ホウ化処理を行い、所定温度で熱処理を行う。これにより、層状のホウ化チタン被膜が形成されると共にニッケルとリンが母材に浸透してホウ化チタン被膜の高い密着性が得られる。尚、ホウ化処理後には、表面にニッケル層が形成されるが、そのニッケル層はバレル研磨等の各種の研磨処理によって除去するので、表面には、層状のホウ化チタン被膜によって覆われた状態となる。

【0010】

上記構成においては特に、ホウ化チタン被膜の内側には、リンの濃化ピークが存在していることが好ましい。ホウ化チタン被膜の内側にリンの濃化ピークが存在しているということは即ちリンが母材に効率良く浸透していることである。従って、層状のホウ化チタン被膜のより一層高い密着性が得られ、耐摩耗性、耐久性がより一層向上する。

【0011】

更に、リンの濃化ピークよりも内側の部分には、リンは実質上存在しない一方、ニッケルは分散状態で拡散浸透していることが好ましい。尚、リンが実質上存在していないとは、即ち、リンの含有率が１％以下であることを意味する。リンの濃化ピークよりも内側の部分においてリンは実質上存在しない一方でニッケルが分散状態に拡散浸透していると、ホウ化チタン被膜のより一層高い密着性が得られて、耐摩耗性、耐久性がより一層向上することになる。

【0012】

また、母材はβ型のチタン合金であることが好ましく、冷間加工性が良く、部材の強度も容易に確保できる。しかも、エッチング処理によって表面に微小な凹凸を分散した状態で形成することができ、無電解ニッケルめっきの密着性が高くなって、その結果、ホウ化チタン被膜の密着性も高くなる。

【発明の効果】

【0013】

以上のように、本発明に係るチタン製部材にあっては、母材をチタン合金とし、その母材表面に層状のホウ化チタン被膜が形成され、該ホウ化チタン被膜よりも深い母材の部分にニッケルとリンが浸透しているので、ホウ化チタン被膜の密着性が高く、耐摩耗性と耐久性に優れている。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の一実施形態におけるチタン製部材の要部断面を模式的に示した要部断面図。

【図2】同チタン製部材のＧＤ−ＯＥＳ分析結果を示すグラフ。

【図3】同チタン製部材のＦＥ−ＥＰＭＡ分析結果を示す図面代用写真。

【図4】表面研磨前のチタン製部材の要部断面図。

【図5】表面研磨前のチタン製部材のＧＤ−ＯＥＳ分析結果を示すグラフ。

【図6】表面研磨前のチタン製部材の要部断面を示す図面代用写真。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の一実施形態に係るチタン製部材について図面を参酌しつつ説明する。図１に本実施形態におけるチタン製部材の要部断面を模式的に示している。本実施形態におけるチタン製部材は、母材１がチタン合金からなるものであって、部材の表面にはホウ化チタン被膜２が形成されているものである。かかるチタン製部材は各種の用途に使用でき、各種の釣り具や自転車部品として好適である。例えば、釣り具としてはリールの部品や、釣竿の釣り糸ガイドに適用できる。釣り糸ガイドでは、釣り糸が摺動する部分であるガイドリングに適用できる。また、釣り糸ガイドにおいてフレームとガイドリングが一体的に形成されている構成では、釣り糸が摺動する部分であるリング部に適用できる。

【0016】

母材１は、各種のチタン合金からなる。チタン合金は、α相とβ相が混在しているものであって、主としてα相であって一部にβ相が残留したニアα型（少量のβ安定化元素を添加したα合金）、α＋β型、β型が適用できる。ニアα型としては、例えば、Ｔｉ−８Ａｌ−１Ｍｏ−１ＶやＴｉ−６Ａｌ−２Ｎｂ−１Ｔａ−０．８Ｍｏ等である。α＋β型は、ニアα型よりも多量のβ相が残留しており、例えば、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５ＶやＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ等である。β型は、準安定β型とも称されるものであって、α＋β型に比してβ安定化元素が多く、α安定化元素が少ない。β型では、残留β相中に微細な粒でα相が分散して生成しており、従って、β型においてもその表面にはα相とβ相とがまだら模様となって存在している。β型としては、例えば、Ｔｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａｌや、Ｔｉ−３Ａｌ−８Ｖ−６Ｃｒ−４Ｚｒ−４Ｍｏや、Ｔｉ−１０Ｖ−２Ｆｅ−３Ａｌ等があるが、特に、冷間加工性に優れていることからＴｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａｌが好ましい。

【0017】

ホウ化チタン被膜２は、厚さが１μｍ以上、好ましくは５μｍ以上、更に好ましくは１０μｍ以上であって、実用上は５０μｍ以下であって、層状に形成されている。該ホウ化チタン被膜２では、ホウ素濃度が深さ方向に略一定となっていてる。尚、ホウ化チタン被膜２の厚さは均一でなくてもよい。ホウ化チタン被膜２を構成するホウ化チタンは、一ホウ化チタン（ＴｉＢ）と二ホウ化チタン（ＴｉＢ_２ ）からなる。尚、ホウ化チタン被膜２には、ホウ素とチタン以外にもチタン合金の合金成分が存在している。

【0018】

また、ホウ化チタン被膜２よりも深い母材１の部分にはニッケル（Ｎｉ）とリン（Ｐ）が拡散している。より詳細には、ニッケルは表面のホウ化チタン被膜２の部分を含めて母材１に分散状態で拡散浸透している。但し、ニッケルの含有率は低く数％程度であり、母材１にはニッケルの濃化ピークは存在していない。一方、リンは、ホウ化チタン被膜２よりも深い母材１の部分において濃化しており、その濃化ピークが存在している。より詳細には、ホウ化チタン被膜２の直ぐ内側にリンの濃化ピーク部分３が所定の厚さで存在している。リンの濃化ピーク部分３の厚さは例えばホウ化チタン被膜２の厚さよりも薄い。リンの濃化ピーク部分３におけるリンの濃度は例えば７〜１５％である。そして、リンの濃化ピーク部分３よりも深い部分にはリンは実質上存在しておらず、その含有率は１％以下となっている。このように、ニッケルとリンは何れもホウ化チタン被膜２よりも深い母材１の部分に浸透しているが、ニッケルは母材１に広く分散して拡散浸透している一方、リンはホウ化チタン被膜２の内側の部分に局所的に集中して存在し且つそれよりも深い部分には実質上存在していない。

【0019】

図２に、図１に示したチタン製部材をＧＤ−ＯＥＳ分析（グロー放電発光分析法）した結果を示している。尚、チタン合金は、β型であって、Ｔｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａｌを使用している。但し、チタン合金に含有している元素であるバナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、スズ（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）については表示を省略している。グラフの横軸は分析深さであって右側に向けて表面から深くなっていく。尚、横軸は分析時間のカウント数で示している。また、グラフの縦軸は含有する元素の含有率（濃度）であって単位は％である。この図２に示すように、表面から一定の深さまで、ホウ素（Ｂ）の濃度が略一定となった領域が存在している。この領域及びその近傍の部分がホウ化チタン被膜２である。尚、ホウ化チタン被膜２よりも深い部分では、ホウ素の濃度が徐々に低くなっていくように現れているが、これはこの分析特有のものであり、実際には、ホウ化チタン被膜２よりも深い部分にはホウ素はほとんど存在していない。また、ホウ化チタン被膜２よりも深い部分にリンの濃化ピークが認められる。尚、ニッケルの含有率は小さいので図２においてはニッケルの表示は省略している。

【0020】

図３に、このチタン製部材をＦＥ−ＥＰＭＡ（電界放出型電子線マイクロアナライザ）による元素分析結果の写真を示している。但し、グレースケールにて示しているため、元々のカラー表示ではなくなっている。また、含有する元素のうちチタン（Ｔｉ）、ホウ素（Ｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、リン（Ｐ）のみを表示している。尚、合計五枚の写真は何れも同じ箇所を示したものであって、上側が表面側（外側）であり下側が内側（深い側）である。最も左側の写真は光学顕微鏡写真であり、そこから右側へと順に、チタン（Ｔｉ）、ホウ素（Ｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、リン（Ｐ）の分析結果を示している。この分析結果からも、表面にはホウ化チタンが厚く層状となって形成されていることがわかる。また、そのホウ化チタンの被膜の内側にはリンが集中して存在しており、それよりも深くなるとリンは実質的に存在していない。その一方、ニッケルは低い含有率でホウ化チタンの被膜も含めてそこからかなり深い部分まで全体に亘って分散状態で拡散している。

【0021】

次に本実施形態におけるチタン製部材の製造方法の概要について説明する。まず、母材１の表面を脱脂した後、所定のエッチング液にてエッチングする。尚、脱脂処理の前に例えばショットブラスト等によって表面を粗面にしてもよい。エッチング液は、母材１の材質によって種々調整する。即ち、チタン合金の種類等に応じて適宜調整して、チタン合金の表面におけるα相のみが溶けて母材１の表面に微細な凹凸が形成されるようにする。尚、チタン合金としてβ型のものを使用すれば、表面に微細な凹凸を容易に形成でき、また、分散状態で凹凸を形成できる。その後、無電解ニッケル−リンめっきを施す。特に、リンの含有率が低い低リンタイプで行う。

【0022】

その後、ホウ化処理を行う。ホウ化処理には固相法、液相法、気相法があるが、特に、固相法が好ましい。固相法における粉末組成は任意であって、ホウ素源としては例えば炭化ホウ素やアモルファスホウ素等が使用でき、その他、促進剤等として炭酸ナトリウムやホウ化フッ素カリウム、無水ホウ砂、活性炭等を使用できる。また、ホウ化処理の温度は例えば６００〜１５００℃であり、加熱時間は例えば数時間から数十時間である。そして、その後、更に所定温度で時効する。所定温度での時効には二種類あって、ホウ化処理終了段階での冷却性能によって異なってくるが、例えば、ホウ化処理後に溶体化して時効する場合には、例えば８００℃に加熱した後冷却して、例えば３００〜６００℃で１２時間時効を行う。一方、ホウ化処理時に溶体化している場合には、例えば３００〜６００℃で１２時間時効を行う。尚、時効の時間は任意であって更に長時間行ってもよい。このようにホウ化処理を行うことにより表面にホウ化チタン被膜２が層状に形成され、また、無電解ニッケル−リンめっきによって母材１の表面に付着させたニッケルとリンが母材１に拡散浸透していく。

【0023】

尚、ホウ化処理によって表面にはニッケル層４が形成される。その状態を図４に示しており、図５には図２と同様にＧＤ−ＯＥＳ分析結果を示している。図５のように表面にはニッケルの存在が認められる。また、図６には、ニッケル層４が表面に残った状態の顕微鏡写真を示している。図６において、白く筋状に光って横方向に延びている部分がホウ化チタン被膜２である。このように最表面のニッケル層４の直ぐ内側に、ホウ化チタン被膜２が層状に形成される。ニッケル層４はホウ化チタン被膜２の外側に形成されるが、ニッケル層４は耐摩耗性に劣っている残部であるので、バレル研磨等の各種の研磨処理によって除去する。ニッケル層４を除去した後の状態が図１であり、表面が硬いホウ化チタン被膜２によって覆われた状態となり、優れた耐摩耗性と耐久性が得られる。

【0024】

以上のようなチタン製部材においては、部材の表面が硬いホウ化チタン被膜２によって覆われた状態となっており、また、該ホウ化チタン被膜２よりも深い母材１の部分にニッケルとリンが浸透拡散しているので、ホウ化チタン被膜２の母材１との密着性が高く、耐摩耗性と耐久性に優れた表面被膜が得られる。特に、母材１をチタン合金とすることで、エッチングによって表面に微細な凹凸を形成することができ、更にはβ型のチタン合金とすることにより、微細な凹凸を分散して形成でき、その後の無電解ニッケル−リンめっきの密着性が高まる結果、ホウ化チタン被膜２の密着性も高くなり、優れた耐摩耗性が得られることになる。しかも、ホウ化チタン被膜２の内側にはリンの濃化ピークが存在していて、リンが母材１に効率良く浸透した状態にあって、ホウ化チタン被膜２のより一層高い密着性が得られる。また、ニッケルが分散して拡散浸透しているので、ホウ化チタン被膜のより一層高い密着性が得られる。

【符号の説明】

【0025】

１ 母材
２ ホウ化チタン被膜
３ リンの濃化ピーク部分
４ ニッケル層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】