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2014/9/29
関西ものづくり技術シーズ発表会
極短時間熱処理および複合表面改質による
チタン合金の耐摩耗性および強度改善技術
京都工芸繊維大学大学院 工芸科学研究科
機械システム工学部門
森田 辰郎
先端材料学研究室の概要
先端材料
材料特性
摩擦摩耗特性
機械的性質
疲労特性
アルミ合金
チタン合金
GFRP（超音波診断）
ステンレス鋼
表面改質
熱処理・接合
微粒子衝突処理（FPB）
DLC被覆処理
プラズマ処理
チタン短時間熱処理
複合処理
摩擦撹拌接合(FSW)
先端材料学研究室の概要
先端材料学研究室の概要
チタンの優位性と問題点
純チタン・Ti-6Al-4V合金 (α+β 型)
米国チタン市場
高比強度，耐食性優
純チタン： 16%，Ti-6Al-4V:56 %
CP Ti
Ti-6Al-4V
(a+b Alloy)
b Alloys
Other a+b
Alloys
(1998年現在)
【問題点】
低耐摩耗性
高摩擦係数
目 的
Ti-6Al-4V合金
耐摩耗性劣
表面改質による耐摩耗性の改善が必要
ガス窒化等では疲労強度が低下
複合表面改質＋短時間熱処理
（プラズマ窒化＋短時間熱処理＋微粒子衝突処理）
耐摩耗性，静的強度，疲労強度の同時的向上
プラズマ窒化
○第1段階：プラズマ窒化
(1023 K, 14.4 ks)
1. 硬化層の形成，耐摩耗性の
改善
2. 母材部組織の成長抑制，疲
労強度の低下を抑制
微粒子衝突処理（FPB）
○第2段階：FPB
1. 脆弱な化合物層の除去
2. 表面組織の微細化
3. 高い圧縮残留応力
疲労強度の大幅改善
FPB
Shot Peening
微粒子衝突処理（FPB）
Equipment for FPB
FPB Treatment
短時間2段階熱処理
短時間2段階熱処理
母材部の組織制御
静的強度の向上
熱処理媒体：液体Li
短時間2段階熱処理の効果
針状組織
a’相
↓
強度向上
残留b相→応力誘起変態による延性維持
複合処理
プラズマ窒化
短時間熱処理
FPB
・硬化層の形成
・母材組織は極力抑制
・組織制御による母材強
度改善
・残留β 相の応力誘起
変態による延性維持
・表面化合物層の除去
・表面組織の微細化
・圧縮残留応力の付与
耐摩耗性，静的強度，疲労強度の同時的向上
試験材料一覧
Ti-6Al-4V 合金
焼鈍（1023 K, 3.6 ks）
プラズマ窒化
短時間熱処理
短時間熱処理
FPB処理
AN
H
PN
PN/FPB PN/H/FPB
硬さ分布
耐摩耗性（1 km）
深さ64 mm
深さ 42 mm
深さ 12 mm
330 Hv
434 Hv
902 Hv
深さ3 mm
深さ33 mm
1227 Hv
756 Hv
機械的性質・残留応力
Young’s
modulus
(GPa)
Yield
strength
(MPa)
Tensile
strength
(MPa)
Elongation
(%)
Reduction
in area
(%)
Residual
Stress
(MPa)
AN
107
967
1022
10
45
-27±7
H
111
1228
1331
11
49
-164±38
PN
102
908
959
8
37
103±13
PN/FPB
105
913
985
10
34
-385±52
PN/H/FPB
112
1241
1392
6
31
-417±74
S-N曲線
PN/H/FPB
59 %改善
PN/FPB
33 %改善
H
27 %改善
PN
32 %低下
疲労強度
PN/FPB
AN
PN/H/FPB
まとめ
PN/H/FPB
PN/FPB
H
AN
PN
文献値
まとめ
チタン合金の耐摩耗性および疲労強度に及ぼす
プラズマ窒化，短時間2段階熱処理および微粒子
衝突処理（FPB）から構成される複合処理の効果
１．耐摩耗性が改善される．
２．延性を損なうことなく，静的強度が顕著に
改善される．
３．疲労強度が飛躍的に改善される．
※状況に応じて，短時間2段階熱処理あるいは複
合表面改質のみによっても，各種機械的特性を
改善可能である．
関連論文・解説記事
【特 許】
(1) 森田辰郎：チタン製品の表面改質方法および表面改質チタン製品，特願2007-30932，特開2008-195994．
(2) 森田辰郎，川嵜一博，三阪佳孝：Ti-6Al-4V α ＋β 型チタン合金の短時間熱処理方法，特願平9-254217，特開平11-80916，特許3762528号．
(3) 森田辰郎，川嵜一博，三阪佳孝：α ＋β 型チタン合金の短時間2段階熱処理方法，特願2002-151770，特開2003-342704，特許3789852号．
【論 文】
(1) T. Morita, K. Asakura, C. Kagaya: Effect of Combination Treatment on Wear Resistance and Strength of Ti-6Al-4V Alloy, Materials Science and
Engineering, (2014), submitted.
(2) T. Morita, N. Uehigashi, C. Kagaya: Improvement of Fatigue Strength of Ti-6Al-4V Alloy by Hybrid Surface Treatment Composed of Plasma Nitriding and
Fine-Particle Bombarding, Materials Transactions, 54-9 (2013-9), 1719-1724. http://dx.doi.org/10.2320/matertrans.M2013228
(3) T. Morita, N. Uehigashi, C. Kagaya: Effect of Hybrid Surface Treatment Composed of Plasma Nitriding and Fine Particle Bombarding on Fatigue Strength
of Ti-6Al-4V Alloy, Materials Transactions, 54-1 (2013-1), 22-27. http://dx.doi.org/10.2320/matertrans.M2012262
(4) T. Morita, H. Nakaguchi, S. Noda, C. Kagaya: Effects of Fine Particle Bombarding on Surface Characteristics and Fatigue Strength of Commercial Pure
Titanium, Materials Transactions, 53-11 (2012-11), 1938-1945. http://dx.doi.org/10.2320/matertrans.M2012226
(5) T. Morita, K. Murakami: Effect of Short Time Solution Treatment on Cold Workability of Ti-6Al-4V Alloy, Materials Transactions, 53-1 (2012-1), 173-178．
http://dx.doi.org/10.2320/matertrans.M2011182
(6) 森田辰郎，坂田俊之，加賀谷忠治，川嵜一博：Ti-6Al-4V合金の疲労強度に及ぼす短時間熱処理および微粒子衝突の効果，日本金属学会論文集，75-10
(2011-10)，532-538．http://dx.doi.org/10.2320/jinstmet.75.532
(7) 森田辰郎，大友隆行，加賀谷忠治，田中信一，辻 宣佳：プラズマ浸炭およびFPB処理によるTi-6Al-4V合金の高疲労強度化，材料，57-8 (2008-8)，838845． http://dx.doi.org/10.2472/jsms.57.838
(8) 森田辰郎，平野靖典，冨田幸太，熊切 正，加賀谷忠治，池永 勝：DLC被覆処理を施したTi-6Al-4V合金の疲労特性，日本機械学会論文集(A)，74-741
(2008-5)，693-699．http://dx.doi.org/10.1299/kikaia.74.693
(9) 森田辰郎，大友隆行，加賀谷忠治，田中信一，辻 宣佳：プラズマ浸炭したTi-6Al-4V合金の疲労特性に及ぼすFPB処理による化合物層除去および残留応
力付与の効果，材料， 56-9 (2007-9)，872-879．http://dx.doi.org/10.2472/jsms.56.872
(10) 森田辰郎，信田康介，川嵜一博，三阪佳孝，Ti-6Al-4V合金の疲労強度に及ぼす短時間2段階熱処理の影響，材料，56-4 (2007-4)，345-351．
http://dx.doi.org/10.2472/jsms.56.345
(11) T. Morita, K. Hatsuoka, T. Iizuka, K. Kawasaki: Strengthening of Ti-6Al-4V Alloy by Short-Time Duplex Heat Treatment, Materials Transactions, 46-7
(2005-7), 1681-1686. http://dx.doi.org/10.2320/matertrans.46.1681
(12) 森田辰郎，三阪佳孝，川嵜一博，飯塚高志：短時間2段階高周波熱処理によるTi-6Al-4V合金の高強度化，日本金属学会誌，68-10 (2004-10)，862-867．
http://dx.doi.org/10.2320/jinstmet.68.862
関連論文・解説記事
(13) T. Morita, Y. Iwasaki, K. Kawasaki: Effect of Difference in Young's Moduli between Surface-Layer and Substrate on Fatigue Strength, Materials
Transactions, 45-7 (2004-7), 2351-2356. http://dx.doi.org/10.2320/matertrans.45.2351
(14) T. Morita, Y. Tanaka: Behavior of Dislocations in a Surface-Layer/Substrate Elastic System, Theoretical and Applied Mechanics Japan, 53 (2004), 19-26.
JST.JSTAGE/nctam/53.19
(15) 森田辰郎，渕川俊作，小茂鳥 潤，清水真佐男，皆川邦典，川嵜一博：窒化した高強度チタン合金の疲労強度，日本機械学会論文集(A)，67-656 (20014)，719-725．http://dx.doi.org/10.1299/kikaia.67.719
(16) T. Morita, S. Araki, K. Saito: Simulation of Dislocation Dynamics Concerning Influence of Grain Size on Fracture Strengt h of Thin-Surface-Layer,
Theoretical and Applied Mechanics, 49 (2000), 289-297.
(17) 森田辰郎，庭山和歌子，川嵜一博，三阪佳孝：短時間高周波熱処理による Ti-6Al-4V 合金の高強度化，日本機械学会論文集(A)，64-624 (1998-8)，
2115-2120．http://dx.doi.org/10.1299/kikaia.64.2115
(18) 森田辰郎，西村昌記，川嵜一博，菊内康正：レーザー照射によるチタン合金の表面改質，日本機械学会論文集(A)，63-612 (1997-8)，1802-1807．
http://dx.doi.org/10.1299/kikaia.63.1802
(19) T. Morita, H. Takahashi, M. Shimizu, K. Kawasaki: Factors Controlling the Fatigue Strength of Nitrided Titanium, Fatigue & Fracture of Engineering
Materials & Structures, 20-1 (1997-1), 85-92. http://dx.doi.org/10.1111/j.1460-2695.1997.tb00404.x
(20) 森田辰郎，加藤慶太郎，清水真佐男，川嵜一博：窒化により表面改質した純鉄と純チタンの疲労特性の比較，日本機械学会論文集(A)，63-605 (1997-1)，
1-6．http://dx.doi.org/10.1299/kikaia.63.1
(21) T. Morita, K. Saito, M. Shimizu: Analysis of Stress Field Generated in Thin-Layer by Pile-up of Screw Dislocations, Theoretical and Applied Mechanics,
44 (1995), 137-144.
(22) 森田辰郎，清水真佐男，齋藤憲司，川嵜一博：表面改質したチタンの硬化層に堆積するらせん転位の動力学シミュレーション，日本機械学会論文集(A)，
60-571 (1994-3)，811-818． http://dx.doi.org/10.1299/kikaia.60.811
(23) 高橋 等，森田辰郎，清水真佐男，川嵜一博：窒化した純チタンの疲労強度に及ぼす結晶粒径の影響，日本機械学会論文集(A)，59-567 (1993-11)，
2481-2486．http://dx.doi.org/10.1299/kikaia.59.2481
(24) 森田辰郎，清水真佐男，川嵜一博：窒化した純チタンの疲労強度に及ぼす表面硬化層の影響，日本機械学会論文集(A)，59-563 (1993-7)，1650-1655．
http://dx.doi.org/10.1299/kikaia.59.1650
(25) 森田辰郎，清水真佐男，川嵜一博：窒化処理を施した純チタンの塩酸環境下での疲労特性，日本機械学会論文集(A)，58-555 (1992-11)，2040-2045．
http://dx.doi.org/10.1299/kikaia.58.2040
(26) 森田辰郎，清水真佐男，川嵜一博：窒化により表面改質した純チタンの疲労特性，日本機械学会論文集(A)，58-546 (1992-2)，172-177．
http://dx.doi.org/10.1299/kikaia.58.172
(27) 森田辰郎，清水真佐男，川嵜一博：窒化処理を施した Ti-6Al-4V 合金の疲労挙動，日本機械学会論文集(A)，56-529 (1990-9)，1915-1919．
http://dx.doi.org/10.1299/kikaia.56.1915
関連論文・解説記事
【プロシーディングス】
(1) C. Tsuda1, T. Morita, S. Tanaka, M. Shimamura, S. Ninomiya: Improvement in Fatigue Strength of Notched Ti-6Al-4V Alloy by Short-Time Heat Treatment
Using Lithium Baths, Abstract of 16th International Conference on Experimental Mechanics, (2014-7), Cambridge, UK.
(2) S. Tanaka, T. Morita, K. Shinoda: Effects of Short-time Duplex Heat Treatment on Microstructure and Fatigue Strength of Ti-6Al-4V Alloy, 13th
International Conference on Fracture, Beijing, China (2013-6), S18-S10.
(3) M. Shimamura, T. Morita, T. Maeda, S. Matsumoto, H. Seto: Texture of Pure Titanium Formed by Cold-Rolling and Its Influence on Mechanical and Fatigue
Properties, Proceedings of the 12th World Conference on Titanium, Ti-2011 Science and Technology, II (2012-5), 1025-1029.
(4) T. Morita, H. Nakaguchi, S. Noda, C. Kagaya: Effects of Fine-Particle Bombarding on Surface Characteristics and Fatigue Strength of CP Titanium,
Proceedings of The Second China-Japan Joint Symposium on Fatigue of Engineering Materials and Structures, Chengdu, China (2011-10), 59-60.
(5) T. Morita, T. Ohtomo, C. Kagaya, N. Tsuji, S. Tanaka, T. Miyasaka: Effect of Hybrid Surface Modification Composed with Plasma Carburizing and FPB
Treatment on Fatigue Strength of Ti-6Al-4V Alloy, Ti-2007 Science and Technology, II (2007), 1659-1662.
(6) T. Morita, S. Fuchikawa, J. Komotori, M. Shimizu, K. Minakawa, K. Kawasaki: Fatigue Strength of Nitrided High-Strength Titanium Alloys, Ti-2003 Science
and Technology, II (2004), 941-948.
(7) T. Morita, M. Shimizu, K. Kawasaki: Fatigue Properties of Nitrided Titanium in HCl Environment, Proceedings of Asian Pacific Conference for Fracture and
Strength '96, (1996), 875-879.
(8) T. Morita, M. Shimizu, K. Kawasaki: Fatigue Properties of Nitrided Ti-6Al-4V Alloy, Proceedings of KSME/JSME Joint Conference Fracture and Strength
'90, (1990), 67-72.
【解説記事】
(1) 森田辰郎，加賀谷忠治：微粒子衝突処理により形成される表面層の性状とその効果，熱処理，52-3 (2012-6)，136-142．
(2) 森田辰郎：表面改質および組織制御によるチタンの高性能化，チタン，60-2 (2012-4)，140- 143．
(3) 森田辰郎，加賀谷忠治：表面改質材の疲労強度の考え方と最近の研究，金属，79-7 (2009-7)，21-26．
【受 賞】
(1) 平成23年11月，（社）日本チタン協会技術賞．
(2) 平成13年5月23日，（社）日本材料学会 平成12年度 学術奨励賞．
ＥＮＤ