HeterogeneousなTi-Fe傾斜拡散層によるチタンの耐摩耗性表面改質

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20K23043
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 山口 洋史 東北大学, 大学病院, 医員 (80876475)
• Project Period (FY): 2020-09-11 – 2022-03-31
• Keywords: チタン / チタン合金 / 耐摩耗性 / 表面改質 / 傾斜構造

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、チタンへの鉄の熱拡散を行い、形成されたTi-Fe合金層の構造を解析し、拡散合金層を熱処理条件により制御可能にすることであった。実験の結果、形成された鉄拡散層は表層から内部に向かい鉄濃度が減少する傾斜構造を有し、合金相は表層から内部へβ+TiFe → β → α+β → αと変化することが分かった。拡散層は熱処理時間が長いほど厚く、また熱処理温度が長いほど厚くなった。熱処理温度や熱処理時間により表層の合金相は異なっていたが、これはTi-Fe状態図により説明することができることが分かり、熱処理条件と状態図により、Ti-Fe拡散層の厚みや表層部の合金相を制御できることが明らかになった。
鉄を拡散させたチタンの耐摩耗性は、条件によりバルクとしてのTi-Fe合金よりも優れた耐摩耗性を示すことが分かった。特に表層部でβ相を示す条件で耐摩耗性が優れていた。
拡散層の点分析では表層からの距離が同じでも部位により鉄濃度にある程度の幅が生じており、特に表層部ではその濃度幅が広かった。表層のβ相が濃度の異なるβ相の集合体となることで硬さと伸びを共存させ、また、そのβ相が傾斜構造をとりながらより伸びを示す下地と一体化することで、バルク材以上の耐摩耗性を示したと考えられる。
本研究結果より、Ti-Fe拡散層の制御が可能であり、表層の鉄濃度が不均一となることでより優れた耐摩耗性を示すことが示唆された。これを応用すると、鉄以外の元素を拡散し、耐摩耗性以外の機能を付与すること、また複数の金属を拡散させチタンにマルチな機能を付与することも可能と考えられる。