静岡大など、非加熱・短時間のチタン合金表面を窒素で硬化する技術を開発

静岡大学、東京都立大学(都立大)、東京電機大学(電大)、ヤマハ発動機の4者は6月30日、加熱することなくチタン合金表面に硬質な窒化層を短時間で形成させることに成功したと発表した。

同成果は、静岡大 工学部の菊池将一准教授、電大の井尻政孝助教(研究当時、現・都立大 システムデザイン学部 助教)、ヤマハ発動機 材料技術部の研究者・技術者らによる共同研究チームによるもの。詳細は、材料科学を題材としたオープンアクセスジャーナル「Advanced Materials」に掲載された。

チタン合金は高い強度を持ちながらも軽量で、なおかつ錆びないという性質を有しているため、現在では民生用としてさまざまなものに使われるようになっているが、唯一の欠点といえるのが、摩擦摩耗特性に乏しいという点だという。さらなる適用範囲の拡大には、この欠点の克服が不可欠で、そのための技術として現在主流となっているのが、窒素拡散を利用してチタン合金の表面を硬くしたり、摩耗に強い膜をコーティングしたりする技術だという。

しかし、それらの技術も長時間の加熱が必要であり、その結果、チタン合金組織の粗大化を引き起こし、強度の低下を招いてしまうという課題があった。そのため、加熱を必要としない短時間表面硬化プロセスの開発が求められていたという。

そして今回の研究で明らかにされたのが、常温・大気環境で窒素含有微粒子を高速投射するプロセスにより、窒素含有微粒子の一部がチタン合金の表面に付着し、短時間でチタン合金表面に硬い窒化層が形成されるという事実だという。

• 窒素を含む微粒子を高速で衝突させることにより、常温・大気環境でチタン合金の表面に窒化層を形成する技術が開発された (出所:都立大Webサイト)

さらに、窒素含有微粒子の衝突時にチタン合金の表面組織が改質されることも判明。従来技術では加熱によってチタン合金組織を粗大化させてしまっていたが、今回開発された技術では、チタン合金の表面組織を微細化させることにも成功したという。

• 従来の窒化処理と比較して、窒化層の形成速度が高いことが判明した (出所:都立大Webサイト)

なお、今回行われた研究による成果は、優れた摩擦摩耗特性と強度特性を併せ持つ多機能チタン合金開発につながると考えられるとしており、航空機、自動車、生体医療分野などへの応用展開が期待されるとしている。

• 今回の技術では、チタン合金の表面組織が微細化されることも見出された (出所:都立大Webサイト)