2020 Fiscal Year Research-status Report
Development of super rapid nitriding technique using induction heating and fine particle peening
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20K14609
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| Research Institution | Kyoto Institute of Technology |
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Principal Investigator |
武末 翔吾 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 助教 (00846058)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 表面改質 / 高周波誘導加熱 / 微粒子ピーニング / 窒化 / チタン / 摩擦摩耗 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，高周波誘導加熱（Induction heating：IH）により900℃以上の高温に加熱することで，数分の極短時間で窒素が拡散し高硬さ化するというチタンの特性を活かして，高速での硬質膜のコーティング技術を開発し，あらゆる金属の耐摩耗性を極短時間で向上させようとするものである．その方法として，申請者らが開発した雰囲気制御高周波誘導加熱微粒子ピーニング（Atmospheric controlled induction heating fine particle peening：AIH-FPP）処理システムを用い，窒素雰囲気中で高周波誘導により加熱した基材に対してチタン微粒子を用いた微粒子ピーニング（Fine particle peening：FPP）を施し，基材表面にチタンを移着させ，移着したチタンに窒素を拡散させることにより高硬さ化させることを考案した．
初年度である本年度は，上記プロセスの中の第一段階である，チタンの移着条件の明確化を行った．チタンを基材にむらなく移着させることは，創成されるコーティングの特性を十分に発揮させる上で，極めて重要である．本研究では基材として，工業的に広く使用されているSCM415鋼を用いた．これまでのAIH-FPP処理の研究において，FPPを行う時間とその際の基材の加熱温度が投射粒子の移着挙動に顕著な影響を及ぼすことが明らかになっているため，これらを変化させながら処理を施し，試験片を作製した．作製した試験片は走査型電子顕微鏡（SEM），エネルギー分散型X線分光分析装置（EDX），X線回折装置（XRD）レーザ顕微鏡，ナノインデンテーション装置などを用いて分析することにより，十分な厚さのチタンの移着層が創成できる条件を明らかにした．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
「研究実績の概要」で示した内容について検討した結果，本研究で実施する処理においては，FPPを施す時間よりも基材の加熱温度の方がチタン粒子の移着挙動に顕著な影響を及ぼすことが明らかになった．具体的には，加熱温度が900℃，1000℃の場合，チタンが被処理面に不均一に移着し，基材が露出している箇所も認められるが，1100℃でFPPを施すと，10秒の極短時間で厚さ200μm程度のチタンの移着層が創成できることが明らかになった．また，創成されたチタンの移着層からは窒素が検出され，チタン粒子よりも高硬さを有することも明らかにした．このことから，提案する表面改質プロセスの第1段階である，基材に対するチタンの移着条件の明確化が達成されたため，「おおむね順調に進展している」と判断できる．
上述した移着条件の明確化に加えて，学術的に重要と考えられる，チタンの高速での窒化メカニズムについても同時に検討を加えた．その結果，本研究で利用しているIHによるチタンの高速での窒化は，IHにより生じる電気的効果およびチタンの表面に形成される不働態被膜の消失に起因する窒素拡散促進によることが明らかになった．これらの知見を利用することにより，チタンの極短時間窒化を利用した硬質膜の高速コーティング技術の開発がより円滑に進むものと期待できる．
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は，処理条件に更なる検討を加えることにより，創成されるコーティングの高硬さ化を図る．具体的には，今年度見出された処理条件でチタンを移着させた後の加熱条件（加熱保持時間，温度）を検討し，移着したチタンに対する雰囲気中の窒素の拡散を進行させる．創成されたコーティングをSEM，EDX，XRD，レーザ顕微鏡，ナノインデンテーション装置などを用いて分析することにより，短時間で硬質膜を創成できるAIH-FPP処理条件を見出す．
また，創成された被膜の摩擦摩耗特性についても検討を加える予定である．摩擦摩耗試験はボールオンディスク式摩擦摩耗試験機を用いて行い，室温に加え，200℃の高温での試験も実施し，被処理材の摩擦摩耗特性に及ぼす試験温度の影響についても明らかにする．被処理材の耐摩耗性は，試験中の摩擦係数の測定，SEM，EDX，レーザ顕微鏡による摩耗痕の分析，相手材（アルミナボール）の観察などを行うことにより検討を加える．
さらに，チタンの酸化物は窒化物と比較して耐摩耗性に優れるという知見もあるため，チタンの酸化物のコーティング手法についても検討する．具体的には，窒素への雰囲気置換を行わずに，大気環境下で同様の処理を行い，大気中の酸素を移着したチタンに拡散させる．この処理により得られた被膜について，上記と同様の分析および摩擦摩耗試験を行い，チタンの窒化物の被膜で得られた結果と比較することにより，得られる被膜の特性に及ぼす処理雰囲気の影響，すなわちチタンへの拡散元素の影響について検討を加え，優れた摩擦摩耗特性を有する被膜の創成を試みる．
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