チタンバーの表面処理: 耐食性と耐摩耗性

チタン棒 構造部品、伝達部品、インプラント装置などの分野で広く使用されています。ただし、表面硬度が低く、耐摩耗性が低く、過酷な環境では孔食や隙間腐食が発生しやすいです。表面処理により耐食性と耐摩耗性が向上し、性能のカスタマイズが可能になります。

 

 

 

1.1 機械的処理

物理的効果によってチタン棒の表面を改質するもので、化学試薬を使用せず、プロセスが簡単で低コストであることが特徴です。

機械研磨では段階的に研削することで表面粗さRa＜0.01μmの鏡面仕上げが可能です。--

サンドブラストは、高速の砂粒子の衝撃によって酸化層と汚染物質を除去し、Ra 2～5 μm の粗い表面を形成して接着強度を向上させます。-

 

1.2 化学処理

化学試薬とチタンバー表面の反応により表面状態を調整し、不純物を除去し、平坦度を最適化し、その後の強化の基礎を築きます。

化学研磨では、表面仕上げを改善するために弱酸またはアルカリ溶液が使用され、シランシーリングが必要です。

酸洗精製にはフッ酸-硝酸混合溶液を使用し、酸化スケールや不純物を除去します。

大気酸化により高温で酸化皮膜を厚くし、耐食性を向上させることができます。

 

 

2.1 電気化学的処理

電気分解によりチタン棒の表面に緻密な酸化膜を形成し、制御可能なプロセスにより耐食性と耐摩耗性を兼ね備えます。

陽極酸化では、硫酸電解液中で 10 ～ 200 V の電圧を印加して、厚さ 1 ～ 30 μm の TiO2 膜を形成します。これにより、耐摩耗性、耐食性、生体適合性が向上します。プロセスパラメータを調整することで、光触媒やセンサー分野向けの多孔質TiO₂ナノチューブアレイを準備できます。

アップグレードされた陽極酸化技術であるマイクロ アーク酸化は、300～600 V の高電圧を印加して、HV 1500+ の硬度と 800 度を超える高温耐性、および優れた絶縁性能を備えたセラミック- グレードの酸化物層を形成します。

 

2.2 熱処理改質

高温またはプラズマ元素の拡散によってチタン棒の表面に硬質合金層を形成し、硬度、耐摩耗性、耐食性を向上させます。{0}

窒化は最も広く使用されている技術で、厚さ 5～20 μm、硬度 HV 2000 の TiN/Ti₂N 層を形成でき、摩擦係数を 60% 低減でき、高負荷のトランスミッション部品に主に使用されています。-プラズマニトロ酸化は、より優れた性能と小さな変形を備えた複合層を形成します。

浸炭により、厚さ 2 ～ 10 μm の TiC 層が形成され、800 度までの高温耐性が得られます。ホウ化処理は硬度が高いですが、プロセスが複雑です。

 

2.3 コーティングおよび複合技術

チタンバーの表面に機能性コーティングを作成して、耐食性と耐摩耗性をカスタマイズできます。これは、チタンバーの表面強化の重要な手段です。

摩擦を減らすために潤滑および付着防止コーティングが使用されます。グラファイト エマルション コーティングは 1～5 μm の潤滑膜を形成し、酸化に強く、加工ロスを 30% 以上削減します。フルオロリン酸塩コーティングの摩擦係数は 0.1 と低いです。

ハイエンドの機能性コーティング: バイオセラミック (HA) コーティングは、オッセオインテグレーションを促進するために整形外科用インプラントに使用されます。 DLC コーティングの硬度は HV 3000 ～ 5000、摩擦係数は 0.05 です。貴金属コーティングは優れた耐食性を持っていますが、剥離しやすく、コストが高くなります。電気メッキされたナノ-ニッケルと銀は、耐摩耗性と焼き付き防止性能を向上させることができ、航空宇宙用ブレードの「焼き付き」問題を解決します。-

 

 

3.1 レーザー表面処理

高エネルギー レーザーでチタン棒の表面を改質します。高速、高精度、母材への影響が少ないという特徴があり、同時に耐摩耗性と耐食性を向上させることができます。{0}

レーザー クラッディングでは、Gr5 チタン粉末を使用して 0.5 ～ 2 mm の合金層を作成し、耐摩耗性を 5 倍向上させ、過酷な作業条件に適しています。-

レーザー表面合金化では、窒素と炭素を浸透させて、HV 1000 ～ 2000 の勾配層を形成できます。

レーザーカラーのチタン加工と陽極酸化処理を組み合わせて、保護と装飾を考慮しています。

 

3.2 イオン注入技術

窒素、酸素、炭素、その他のイオンをチタン棒の表面に0.1～1μmの深さで注入し、硬度を3倍に高め、腐食電流密度を2桁減少させることができます。この技術はマトリックスの性能を変えることなく、ナノスケールの強化を実現します。

貴金属イオンを注入すると耐食性が向上しますが、コストが高くつき、まだ研究中です。

 

3.3 複合改質技術

単一の表面処理では複雑な作業条件に対応することが難しく、複数の技術を組み合わせて行うのが主流となっています。陽極酸化とマグネトロンスパッタリングを組み合わせることで、医療機器やインプラントに適した抗菌率＞99%のTiO₂/Ag抗菌コーティングを作製できます。プラズマニトロ酸化とレーザークラッディングの組み合わせでは、耐食性と重負荷の耐摩耗性が考慮されています。-

 

 

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