レーザー照射により誘起される炭素-チタン反応を用いた表面改質法の確立

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本研究では,炭素微粒子を固着させたチタン合金(Ti-6Al-4V合金)の表面にCO_2レーザーを照射することにより高硬さを有する表面硬化層の形成を試みた後,かかる表面改質法により形成される硬化層がチタン合金の耐摩耗性および耐食性に及ぼす効果について検討した.本研究で得られた結果を以下にまとめて示す.1.レーザーの照射条件と表面硬化層の性状の関係について検討するため,合計9種類(エネルギー密度3段階×照射時間3段階)の条件でレーザーを照射した際の硬化層の性状などについてそれぞれ詳細に調べた.その結果,表面が溶融する条件では,炭素,酸素および窒素の拡散(EMAにより測定)により,約1mmの深さまで硬化していたが,表面は凹凸の激しい状態となった.一方,表面が溶融しない条件においては,表面状態が良好な最大硬さHV1500を有する深さ約100〜200μmの硬化層が,炭素および酸素(窒素は確認されず)の拡散により形成された.しかしながら,レーザー照射に伴う急激な加熱・冷却により,レーザースポットの中央部には,深さ約10μmに及ぶ微細なひび割れが認められた.2.3種類の表面改質材(表面は未溶融)をピンオンディスク形式の摩耗試験に供し,その結果を未処理材の場合と比較した結果,表面改質材の耐摩耗性は,未処理材のそれと比較して著しく改善されることが明かとなった.例えば,硬化層暑さ100μm,最大硬さHV1500を有する表面改質材の場合,荷重1.0MPa,無潤滑の条件で2kmまで4340焼き入れ鋼に対して摩耗試験を行った際の摩耗量は,同条件で摩耗試験を行った未処理材のそれの約1/100であった.3.3種類の表面改質材を未処理材と共に濃塩酸(11.3N,30±0.5℃)中に浸漬し,かかる環境における各試験片の腐食量を,5時間ごと30時間まで測定すると共に,表面の腐食状態をSEMを用いて観察した.その結果,前述の表面改質に伴いチタン合金の耐食性が著しく改善することが明らかとなった.しかしながら,表面改質材ではレーザー照射時に表面に形成される微細なひび割れから優先的に腐食が生じており,耐摩耗性の改善上,その様な割れが生じない照射条件または照射方法について検討する必要があると言える.