特開 2024-42299 チタン合金造形物

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024042299

(43)【公開日】2024-03-28

(54)【発明の名称】チタン合金造形物

(51)【国際特許分類】

   B22F 10/64 20210101AFI20240321BHJP

   B22F 10/28 20210101ALI20240321BHJP

   B22F 3/24 20060101ALI20240321BHJP

   C22C 1/04 20230101ALI20240321BHJP

   B33Y 80/00 20150101ALI20240321BHJP

   B33Y 70/00 20200101ALI20240321BHJP

   C22C 14/00 20060101ALN20240321BHJP

   C22F 1/18 20060101ALN20240321BHJP

   C22F 1/00 20060101ALN20240321BHJP

【ＦＩ】

B22F10/64

B22F10/28

B22F3/24 C

C22C1/04 E

B33Y80/00

B33Y70/00

C22C14/00 Z

C22F1/18 H

C22F1/00 613

C22F1/00 624

C22F1/00 628

C22F1/00 630C

C22F1/00 630D

C22F1/00 630G

C22F1/00 687

C22F1/00 691A

C22F1/00 691B

C22F1/00 691C

C22F1/00 691Z

C22F1/00 692A

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022146909

(22)【出願日】2022-09-15

【新規性喪失の例外の表示】新規性喪失の例外適用申請有り

(71)【出願人】

【識別番号】390029089

【氏名又は名称】高周波熱錬株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504255685

【氏名又は名称】国立大学法人京都工芸繊維大学

(71)【出願人】

【識別番号】520322509

【氏名又は名称】株式会社エヌ・ティ・ティ・データ・ザムテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】100124327

【弁理士】

【氏名又は名称】吉村 勝博

(72)【発明者】

【氏名】三阪 佳孝

(72)【発明者】

【氏名】塚原 真宏

(72)【発明者】

【氏名】森田 辰郎

(72)【発明者】

【氏名】武末 翔吾

(72)【発明者】

【氏名】酒井 仁史

(72)【発明者】

【氏名】樋口 官男

【テーマコード（参考）】

4K018

【Ｆターム（参考）】

4K018AA06

4K018BA03

4K018CA44

4K018EA51

4K018EA60

4K018FA08

4K018HA03

(57)【要約】      （修正有）

【課題】疲労強度及び摩擦摩耗特性が有効に向上したチタン合金造形物を提供する。
【解決手段】チタン合金の積層構造を有する基材１０と、基材１０の表面に設けられた硬化層３０とを有し、硬化層３０の表面２０は硬度８００ＨＴ１１５以上のうねりを有し、かつ、前記表面の平均摩擦係数が０．２００以下であるチタン合金造形物とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

チタン合金の積層構造を有する基材と、
前記基材の表面に設けられた硬化層とを有し、
前記硬化層の表面は硬度８００ＨＴ１１５以上のうねりを有し、かつ、前記表面の平均摩擦係数が０．２００以下であるチタン合金造形物。

【請求項2】

前記硬化層の表面は硬度１０００ＨＴ１１５以上のうねりである請求項１に記載のチタン合金造形物。

【請求項3】

前記硬化層は、前記基材の表面に設けられたチタン酸化物で構成された第１硬化層と、前記第１硬化層の内層に設けられたα相で構成された第２硬化層と、前記第２硬化層の内層に設けられたα’マルテンサイト相と準安定β相で構成された第３硬化層と、を有する請求項１又は２に記載のチタン合金造形物。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、チタン合金造形物に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、α＋β型チタン合金を、１ｋＨｚ～４００ｋＨｚの周波数による高周波誘導加熱により、１秒～６００秒未満の時間及び８００℃～１２００℃の温度で短時間加熱した後、急冷してα’相を生成させることで、α＋β型チタン合金の降伏強度、引張強度及び疲労強度を向上させる高周波熱処理方法が記載されている（特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平１１－８０９１６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１には、疲労強度及び摩擦摩耗特性が有効に向上したチタン合金造形物は記載されていない。
そこで、本発明は、疲労強度及び摩擦摩耗特性が有効に向上したチタン合金造形物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】

【0005】

本発明に係るチタン合金造形物は、チタン合金の積層構造を有する基材と、前記基材の表面に設けられた硬化層とを有し、前記硬化層の表面は硬度８００ＨＴ１１５以上のうねりを有し、かつ、前記表面の平均摩擦係数が０．２００以下であることを特徴とする。

【0006】

前記硬化層は、前記基材の表面に設けられたチタン酸化物で構成された第１硬化層と、前記第１硬化層の内層に設けられたα相で構成された第２硬化層と、前記第２硬化層の内層に設けられたα’マルテンサイト相と準安定β相で構成された第３硬化層と、を有することが好ましい。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、疲労強度及び摩擦摩耗特性が有効に向上したチタン合金造形物を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本実施形態に係るチタン合金造形物を説明するための概念図であり、図１（ａ）は、全体形状の一例を示す概念図であり、図１（ｂ）は、（ａ）をＡ－Ａ線で切った時の断面概念図であり、図１（ｃ）は、（ｂ）のＳ領域を拡大した断面概念図である。

【図2】実施例で使用した試験片の形状である。その内、図２（ａ）はＥＢＳＤ分析、Ｘ線回析、断面硬さ分布測定及び摩擦摩耗試験用の元材であり、図２（ｂ）は疲労試験用である。

【図3】実施例及び比較例における表面２０近傍のＥＢＳＤ分析結果である。

【図4】実施例及び比較例における基材１０内のＥＢＳＤ分析結果である。

【図5】実施例及び比較例における表面２０のＸ線回析による相同定結果である。

【図6】実施例及び比較例における表面２０から内層方向における断面硬さ分布の測定結果である。

【図7】実施例及び比較例における表面２０の疲労試験結果を示すグラフである。

【図8】摩擦摩耗試験に用いた試験片の形状と試験の概念図である。

【図9】実施例の処理材及び比較例の被処理材の各々の表面におけるすべり距離（Ｘ軸）と摩擦係数（Ｙ軸）の関係及びそれぞれの平均摩擦係数を示すグラフである。

【図10】摩耗摩耗試験を行った後の（ａ）比較例の被処理材及び（ｂ）実施例の処理材の各々の表面の特徴を示す走査型電子顕微鏡写真である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るチタン合金造形物を説明するための概念図である。その内、図１（ａ）は、全体形状の一例を示す概念図であり、図１（ｂ）は、（ａ）をＡ－Ａ線で切断した時の断面概念図であり、図１（ｃ）は、（ｂ）のＳ領域を拡大させた時の断面概念図である。

【0010】

本実施形態に係るチタン合金造形物１は、図１に示すように、例えば丸棒形状で構成され、チタン合金の積層構造を有する基材１０と、基材１０の表面２０に設けられた硬化層３０とを有し、硬化層３０の表面２０は、硬度８００ＨＴ１１５以上のうねりを有し、かつ前記表面２０の平均摩擦係数が０．２００以下である。

【0011】

チタン合金の積層構造を有する基材１０は、三次元積層造形技術により積層造形されたものである。ここで積層造形とは、造形したい対象製品の三次元データをコンピュータに入力して、当該三次元データをコンピュータ上で水平にスライスして二次元データを作成し、これらのデータに基づいて金属粉体や樹脂等の材料を積層して造形する方法をいう。

【0012】

この積層造形には様々な方法があるが、本実施形態に係るチタン合金の積層構造を有する基材１０を製造するために使用される方法は、特に限定されない。
例えば、積層造形にはセレクティブレーザメルティング法（ＳＬＭ法）を用いてもよい。このセレクティブレーザメルティング法では、造形したい対象製品のデータに基づいて、レーザ溶融装置に敷き詰めた対象製品の原料となる金属粉末にレーザを照射することにより、この照射した範囲の金属粉末を溶解させる。その後、金属粉末を敷き詰めた台座を逐次的に降下させながら当該金属粉末の溶融と凝固とを繰り返すことで任意形状の製品が造形される。

【0013】

セレクティブレーザメルティング法等により積層造形することで、当該対象製品が複雑な形状であっても精密な寸法形状で造形することが可能となる。そのため、チタン合金をセレクティブレーザメルティング法等により積層造形すれば、切削等の他の加工法では実現不可能な複雑形状に造形でき、例えば個々人の骨格形状に適合した人工骨等の生体材料製品へ好適に用いることが可能である。
基材１０の厚さは、チタン合金造形物を使用する用途によって、適時設定することができる。

【0014】

基材１０の表面２０に設けられた硬化層３０は、後述する高周波誘導加熱により形成されたものである。
ここで、硬化層３０の表面２０の硬度８００ＨＴ１１５以上のうねりを有するとは、表面２０の硬度が８００ＨＴ１１５以上であり、かつその硬度８００ＨＴ１１５以上の表面２０がうねりを有していることをいう。
また、ここでうねりとは最大うねり高さＷｚ（μｍ）で数値化されるものであり、前記うねりは最大うねり高さＷｚ（μｍ）が１０μｍ以上７０μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは２０μｍ以上６０μｍ以下であり、更に好ましくは３０μｍ以上５０μｍ以下である。
最大うねり高さＷｚ（μｍ）の測定は、既知の測定方法及び装置（例えば、キーエンス製形状測定レーザマイクロスコープＶＫ－Ｘ２００／Ｘ２１０）を用いて行うことができる。

【0015】

また、表面２０の硬度８００ＨＴ１１５以上は、後述する高周波誘導加熱による製造条件を調整することで達成することができる。
なお、前記表面２０の硬度は１０００ＨＴ１１５以上であることが好ましく、１２００ＨＴ１１５以上であることが更に好ましい。
前記表面２０の硬度の上限値は、特に限定されないが、高周波誘導加熱における効率化等の観点から１５００ＨＴ１１５以下であることが好ましく、より好ましくは１４００ＨＴ１１５以下である。

【0016】

また、本実施形態に係るチタン合金造形物１は、前記表面２０の平均摩擦係数が０．２００以下である。
そのため、チタン合金造形物１を、例えば、摺動部品で使用する場合は、その摺動面における摺動抵抗が小さくなるため、当該摺動部品の長寿命化も図ることができる。
更に、表面２０の平均摩擦係数（０．２００以下）は、後述する摩擦摩耗試験を行う試験装置で得られた試験片を評価することで測定することができる。

【0017】

本実施形態に係るチタン合金造形物１（図１）は、上記のような硬化層３０を備えているため、疲労強度及び摩擦摩耗特性が有効に向上する。
すなわち、表面２０の硬度が８００ＨＴ１１５以上であるため疲労強度が有効に向上する。また、その硬度８００ＨＴ１１５以上の表面２０がうねりを有している。従って、表面２０の平均摩擦係数を０．２００以下にすることが可能なため、摩擦摩耗特性も有効に向上する。

【0018】

硬化層３０は、具体的には図１に示すように、前記基材１０の表面２０に設けられたチタン酸化物で構成された第１硬化層３０ａと、第１硬化層３０ａの内層に設けられたα相で構成された第２硬化層３０ｂと、第２硬化層３０ｂの内層に設けられたα’マルテンサイト相と準安定β相で構成された第３硬化層３０ｃと、を有する。

【0019】

第１硬化層３０ａは、図１に示すように、前記基材１０の表面２０に設けられたチタン酸化物で構成されている。第１硬化層３０ａの厚さは、例えば１μｍ程度である。
第２硬化層３０ｂは、図１に示すように、第１硬化層３０ａの内層に設けられたα相で構成されている。第２硬化層３０ｂの厚さは、例えば１０μｍから３０μｍ程度である。
第３硬化層３０ｃは、図１に示すように、第１硬化層３０ａの内層であって、更に前記第２硬化層３０ｂの内層に設けられたα’マルテンサイト相と準安定β相で構成されている。第３硬化層３０ｃの厚さは、例えば１２０μｍから１４０μｍ程度である。

【0020】

上述のように、本実施形態に係るチタン合金造形物１は、第１硬化層３０ａ、第２硬化層３０ｂ及び第３硬化層３０ｃが当該基材１０の表面２０から内層方向に向かって、この順に積層されている。
この第１硬化層３０ａ、第２硬化層３０ｂ及び第３硬化層３０ｃの存在により高い圧縮残留応力が発生すると共に、第３硬化層３０ｃ中に含まれる準安定β相の応力誘起変態による亀裂の進展抑制効果が発現するため、疲労強度が更に有効に向上すると考えられる。
また、第１硬化層３０ａがチタン酸化物で構成されているため、基材１０の表面２０における摩擦摩耗特性がより改善すると考えられる。

【0021】

次に、本実施形態に係るチタン合金造形物の製造方法の一例を説明する。
本実施形態に係るチタン合金造形物を製造するためには、チタン合金の積層構造を有する基材を高周波誘導加熱する。ここで高周波誘導加熱する基材は、三次元積層造形技術により積層造形された際に形成されるうねりを有している状態で高周波誘導加熱する。
この高周波誘導加熱は、高周波を発生させる高周波発生装置と、誘導磁界を発生させる加熱コイルとを用意する。ただし、本実施形態としては、上記発生装置や加熱コイルの構造が限定されるものではなく、公知の装置を使用することができる。
上記発生装置で発生させる高周波の周波数としては、１ｋＨｚ以上である。この周波数の高周波電流を加熱コイルに印加して誘導磁界を発生させることにより、当該基材が急速昇温される。
前記周波数は、好ましくは１ｋＨｚ～４００ｋＨｚの範囲内である。

【0022】

上記高周波誘導加熱では、最高到達温度が９９８℃（β変態点）以上であることが好ましい。このような温度とすることで、チタン合金の積層構造を有する基材１０の表面からの酸素、窒素の拡散が短時間に達成可能である。また、高周波誘導による加熱では、疲労強度と摩擦摩耗特性の改善に対して有効な硬化層を形成させるために１秒の加熱時間があればよい。
上記加熱後は、従来法と同様に、被処理材を水冷等により急冷する。

【0023】

高周波誘導による加熱は、大気雰囲気中で行うものとする。このように大気雰囲気中で加熱を行うことで、チタン合金の積層構造を有する基材の表面及びその表層へ酸素及び窒素を供給することができる。
その結果、チタン合金の積層構造を有する基材の表面に上記のような硬化層３０を形成することができる。
また、大気雰囲気で加熱を行うため、新たな雰囲気供給装置等を設置する必要が無く、既存の高周波誘導加熱装置で行うことができる。従って、製造コストの増加を抑制することができる。

【実施例0024】

図２は、実施例で使用した試験片の形状である。その内、図２（ａ）はＥＢＳＤ分析、Ｘ線回析、断面硬さ分布測定及び摩擦摩耗試験用、図２（ｂ）は疲労試験用である。
チタン合金の積層構造を有する基材として、セレクティブレーザメルティング法による三次元積層造形技術により円柱形状に積層造形させた図２（ａ）、（ｂ）に示す形状を有するＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金（以下、図２（ａ）、（ｂ）の両方を含めて「被処理材」という。）を作製した。また、高周波発生装置には２００ｋＨｚの高周波電圧を出力するものを用いた。

【0025】

次に、被処理材の周囲を加熱コイルで囲み、この加熱コイルに上記高周波発生装置で発生させた高周波電圧を印加して誘導磁界を発生させ、大気雰囲気中で、セレクティブレーザメルティング法による三次元積層造形のままの被処理材を６０秒間、高周波誘導加熱した。この加熱時には、高周波発生装置の出力を制御して、被処理材の加熱温度が１０５０℃になるように、また当該加熱温度までの昇温速度が１００℃／秒になるように調整した。また、上記加熱時間後には、被処理材を降温速度が１００℃／秒になるように急冷した（実施例）。得られた処理材について、ＥＢＳＤ分析、Ｘ線回析、断面硬さ分布測定、疲労試験及び摩擦摩耗試験を行った。

【0026】

なお、比較例として、上述した高周波誘導加熱を行っていない当該三次元積層造形のままの被処理材について、同様にＥＢＳＤ分析、Ｘ線回析、断面硬さ分布測定、疲労試験及び摩擦摩耗試験を行った。
また、得られた処理材（実施例）及び当該三次元積層造形のままの被処理材（比較例）のそれぞれの表面の最大うねり高さＷｚ（μｍ）を、表面形状測定装置（キーエンス製形状測定レーザマイクロスコープＶＫ－Ｘ２００／Ｘ２１）で測定したところ、比較例はＷｚ：４４．４３１μｍ、実施例はＷｚ：４１．６４２μｍであった。

【0027】

図３は、実施例及び比較例における表面２０近傍のＥＢＳＤ分析結果である。図４は、実施例及び比較例における基材１０内のＥＢＳＤ分析結果である。図５は、実施例及び比較例における表面２０のＸ線回析による相同定結果である。図６は、実施例及び比較例における表面２０から内層方向における断面硬さ分布の測定結果である。図７は、実施例及び比較例における表面２０の疲労試験結果を示すグラフである。

【0028】

また、図８は、摩擦摩耗試験に用いた試験片の形状と試験の概念図である。摩擦摩耗試験にはレスカ製ＦＰＢ－２１００を用いた。試験片形状はピン形状ではなく、図８に記載の蒲鉾状とした。試験片は、相手材の回転方向が試験片長手方向と垂直となるように設置した。相手材は直径５０ｍｍ、厚さ３ｍｍのアルミナ板とし、試験条件は試験荷重２．９４Ｎ（３００ｇ），試験片中央部の回転半径８ｍｍ，しゅう動速度４０ｍｍ/秒，無潤滑，大気中とした。
なお、試験温度は回転テーブルに装備されたヒータを用いて、２０℃一定とした。摩擦係数は試験機内のロードセルにより計測された抵抗力と試験荷重から算出された。試験はしゅう動距離１００ｍで終了し，試験後には摩擦摩耗試験片のしゅう動部をレーザ顕微鏡により観察した。

【0029】

図９は、実施例の処理材及び比較例の被処理材の各々の表面におけるすべり距離（Ｘ軸）と摩擦係数（Ｙ軸）の関係及びそれぞれの平均摩擦係数を示すグラフである。図１０は、摩擦摩耗試験を行った後の（ａ）実施例の処理材及び（ｂ）比較例の被処理材の各々の表面の特徴を示す走査型電子顕微鏡写真である。

【0030】

図３に示すように、実施例における表面２０近傍には、深さ１０μｍから３０μｍ程度の範囲内に、比較例には認められないα相で構成された第２硬化層３０ｂ（相マップ中のα相）が形成されていることが確認できる。また、図３に示すように、実施例及び比較例ともに、第２硬化層３０ｂの内層には、α’マルテンサイト相（相マップ中の針状部分）と準安定β相（相マップ中の針状部分以外の領域）で構成された第３硬化層３０ｃが形成されていることが確認できる。
一方、図４において、実施例における基材１０内の組織と比較例の組織との間に特に相違点がないことが確認できる。

【0031】

図５において、実施例における表面２０には、比較例には認められないＴｉＯ_２及びＴｉＯのピークが発現していることが確認できる。以上から、実施例における表面２０には、チタン酸化物で構成された第１硬化層３０ａが形成されたことが確認できる。
また、図６において、実施例における表面２０から内層方向には、比較例と異なり、表面２０近傍での１３３０ＨＴ１１５から基材１０の硬度（４５０ＨＴ１１５程度）まで硬度変化が生じた硬度傾斜層（上述した硬化層３０）の存在が確認できる。
また、硬化層の表面の硬度は８００ＨＴ１１５以上（１０００ＨＴ１１５以上、１２００ＨＴ１１５以上）であることが確認できる

【0032】

図３を見ると、第３硬化層３０ｃには、実施例及び比較例共に針状のα’マルテンサイト相が存在している。その一方で、図６を見ると、第３硬化層３０ｃ（例えば、表面からの距離（μｍ）が５０μｍから１００μｍ）では、基材１０や比較例よりも硬さが高くなっている。
この硬さが高くなる理由としては、上述の高周波誘導加熱時に大気雰囲気中の酸素や窒素が被処理材の表面２０から内層方向に向かって第３硬化層３０ｃまで拡散すると共にα’マルテンサイト相の割合が増加したためと推察される。
なお、第３硬化層３０ｃの外層である第２硬化層３０ｂは、上記の拡散した酸素や窒素の量が多いために安定化したα相が形成された。

【0033】

図７において、疲労強度（繰返し数が１０^７まで破断しない応力振幅値（ＭＰａ））が、８０ＭＰａ（比較例）から４４０ＭＰａ（実施例）まで５倍以上向上していることが確認できる。
このことから、疲労強度が有効に向上したチタン合金造形物が得られることが確認された。

【0034】

図９に示すように、実施例の処理材の表面の平均摩擦係数は０．１７７（０．２００以下）であり、比較例の被処理材の表面の平均摩擦係数（０．３２７）よりも顕著に低かった。これは、図８に示すように、実施例の処理材表面の最大うねり高さＷｚ値が比較例の被処理材の表面の最大うねり高さＷｚ値（Ｗｚ：４１．６４２）と顕著な差がなく、点接触状態が維持されたこと、図６に示すように、実施例の処理材の表面には硬化層が形成されたことの二つの要素に起因すると考えられる。

【0035】

図１０に示すように、摩擦摩耗試験後の表面は、（ａ）実施例の処理材の方が（ｂ）比較例の被処理材よりも斑点状の白色部（摩擦痕）が小さかった。
この観察結果は、実施例の処理材において表面のうねりの硬度が上昇した結果、摺動時の摩耗が抑制され、耐摩耗性が顕著に改善されたことを示した。

【符号の説明】

【0036】

１ チタン合金造形物
１０ 基材
２０ 表面
３０ 硬化層
３０ａ 第１硬化層
３０ｂ 第２硬化層
３０ｃ 第３硬化層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】