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1. (WO2018181285) 機械部品及びすべり軸受
Document

明 細 書

発明の名称 機械部品及びすべり軸受

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003  

先行技術文献

特許文献

0004  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0005   0006  

課題を解決するための手段

0007   0008   0009   0010   0011   0012   0013  

発明の効果

0014  

図面の簡単な説明

0015  

発明を実施するための形態

0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051  

産業上の利用可能性

0052  

符号の説明

0053  

請求の範囲

1   2   3   4   5  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8  

明 細 書

発明の名称 : 機械部品及びすべり軸受

技術分野

[0001]
 本発明は、機械部品及びすべり軸受に関する。

背景技術

[0002]
 チタン合金は、鋼と比較して硬さが低いため耐摩耗性が低い。そのため、表面処理を行うことなくチタン合金を耐摩耗性が要求される機械部品に適用することは、困難である。従来から、国際公開第97/36018号(特許文献1)に記載のチタン合金部材が知られている。特許文献1に記載のチタン合金部材は、表面に、表面硬化層を有している。
[0003]
 表面硬化層は、チタン合金部材の表面にある第1の硬化層と第1の硬化層よりもチタン合金部材の内部側にある第2の硬化層とを有している。第1の硬化層中には、0.6重量パーセント以上8.0重量パーセント以下の窒素が固溶している。第1の硬化層中には、1.0重量パーセント以上14.0重量パーセント以下の酸素が固溶している。第2の硬化層中には、0.5重量パーセント以上14.0重量パーセント以下の酸素が固溶している。

先行技術文献

特許文献

[0004]
特許文献1 : 国際公開第97/36018号

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0005]
 上記のとおり、特許文献1に記載のチタン合金部材においては、窒素を固溶させることにより、表面硬化層の硬さを改善している。しかしながら、窒素を固溶させることにより表面硬化層の硬さは上昇するものの、表面硬化層が脆性的となる。
[0006]
 本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。より具体的には、本発明は、表面の靱性を維持しつつ、表面の硬さを改善することができるチタン合金製の機械部品及びすべり軸受を提供する。

課題を解決するための手段

[0007]
 本発明の一態様に係る機械部品は、チタン合金製である。本発明の一態様に係る機械部品は、表面に酸素拡散層を備える。酸素拡散層中における窒素濃度は、0.5質量パーセント以下である。酸素拡散層中における酸素濃度は、表面において1.0質量パーセント以上6.0質量パーセント以下であり、かつ表面からの距離が0.05mmとなる位置において0.6質量パーセント以上4.0質量パーセント以下である。
[0008]
 本発明の一態様に係る機械部品によると、機械部品の表面における靱性を維持しつつ、機械部品の表面における硬さを改善することができる。
[0009]
 上記の機械部品において、酸素拡散層の硬さは、表面において600Hv以上1500Hv以下であってもよく、表面からの距離が0.05mmとなる位置において500Hv以上1250Hv以下であってもよい。この場合には、機械部品の表面における靱性を維持しつつ、機械部品の表面における硬さを改善することができる。
[0010]
 上記の機械部品において、チタン合金は、64チタン合金であってもよい。この場合には、機械部品の表面における靱性を維持しつつ、機械部品の表面における硬さを改善することができる。
[0011]
 本発明の一態様に係るすべり軸受は、チタン合金製である。本発明の一態様に係るすべり軸受は、摺動面に酸素拡散層を備える。酸素拡散層中における窒素濃度は、0.5質量パーセント以下である。酸素拡散層中における酸素濃度は、摺動面において1.0質量パーセント以上6.0質量パーセント以下であり、かつ摺動面からの距離が0.05mmとなる位置において0.6質量パーセント以上4.0質量パーセント以下である。
[0012]
 本発明の一態様に係るすべり軸受によると、すべり軸受の摺動面における靱性を維持しつつ、すべり軸受の摺動面における硬さを改善することができる。
[0013]
 上記のすべり軸受において、チタン合金は、64チタン合金であってもよい。この場合には、すべり軸受の摺動面における靱性を維持しつつ、すべり軸受の摺動面における硬さを改善することができる。

発明の効果

[0014]
 本発明の一態様に係る機械部品によると、機械部品の表面における靱性を維持しつつ、機械部品の表面における硬さを改善することができる。本発明の一態様に係るすべり軸受によると、すべり軸受の摺動面における靱性を維持しつつ、すべり軸受の摺動面における硬さを改善することができる。

図面の簡単な説明

[0015]
[図1] 実施形態に係る機械部品の上面図である。
[図2] 図1のII-IIにおける断面図である。
[図3] 図2の領域IIIにおける拡大図である。
[図4] 実施形態に係る機械部品の製造方法を示す工程図である。
[図5] 試験片1及び試験片2の硬さと表面からの距離との関係を示す模式的なグラフである。
[図6] 試験片1中における酸素濃度と表面からの距離との関係を示す模式的なグラフである。
[図7] 試験片2中における酸素濃度と表面からの距離との関係を示す模式的なグラフである。
[図8] 試験片1及び試験片2の拡散層10e中における酸素濃度と硬さとの関係を示す模式的なグラフである。

発明を実施するための形態

[0016]
 以下に、実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の図面においては、同一又は相当する部分に同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さないものとする。
[0017]
 (実施形態に係る機械部品の構成)
 以下に、実施形態に係る機械部品の構成を、図1~図3を参照して説明する。図1は、実施形態に係る機械部品の上面図である。図2は、図1のII-IIにおける断面図である。図1及び図2に示すように、実施形態に係る機械部品は、すべり軸受10である。但し、実施形態に係る機械部品は、これに限られるものではない。
[0018]
 すべり軸受10は、チタン(Ti)合金により構成されている。すべり軸受10を構成するチタン合金は、ASTM規格B348-13GR.5に規定されているTi-6Al(アルミニウム)-4V(バナジウム)合金であることが好ましい。なお、以下においては、このTi-6Al-4V合金を、64チタン合金という。
[0019]
 すべり軸受10はリング状部材により構成されている。すべり軸受10は、上面10aと、底面10bと、内周面10cと、外周面10dとを有している。底面10bは、上面10aの反対側の面である。外周面10dは、内周面10cの反対側の面である。上面10a及び底面10bは、すべり軸受10の中心軸に直交するすべり軸受10の面である。内周面10c及び外周面10dは、上面10a及び底面10bに連なっている。内周面10cと中心軸との距離は、外周面10dと中心軸との距離よりも大きくなっている。内周面10cは、すべり軸受10の摺動面(軸と接する側の面)を構成している。
[0020]
 図3は、図2の領域IIIにおける拡大図である。図3に示すように、すべり軸受10は、拡散層10e(酸素拡散層)を有している。拡散層10eは、内周面10cに設けられている。拡散層10eは深さDを有している。深さDは、内周面10cに直交する方向における内周面10cからの距離である。深さDは、0.05mm以上である。好ましくは、深さDは、0.2mm以上である。特に好ましくは、深さDは、0.25mm以上である。
[0021]
 拡散層10e中において、窒素濃度は、0.5質量パーセント以下となっている。すなわち、拡散層10e中においては、窒素濃度が0.5質量パーセント以下であればよく、拡散層10e中に窒素が含まれていなくてもよい。拡散層10e中において、窒素は、チタン合金中に固溶している。
[0022]
 内周面10cにある拡散層10e中において、酸素濃度は、1.0質量パーセント以上6.0質量パーセント以下である。なお、内周面10cにある拡散層10e中において酸素濃度が6.0質量パーセント以下とされているのは、チタン合金製の軸受において必要とされる硬さを考慮したものである。また、内周面10cからの距離が0.05mmとなる位置の拡散層10e中において、酸素濃度は、0.6質量パーセント以上4.0質量パーセント以下である。拡散層10e中における酸素濃度は、内周面10cからの距離が大きくなるにつれて、小さくなっている。拡散層10e中において、酸素は、チタン合金中に固溶している。
[0023]
 拡散層10e中における窒素濃度及び酸素濃度は、例えばEPMA(電子線マイクロアナライザ)により測定される。
[0024]
 内周面10cにおいて、拡散層10eの硬さは、600Hv以上1500Hv以下であることが好ましい。内周面10cからの距離が0.05mmとなる位置において、拡散層10eの硬さは、500Hv以上1250Hv以下であることが好ましい。
[0025]
 拡散層10eの硬さは、JIS Z 2244:2009に規定されているビッカース硬さ試験法にしたがって測定される。
[0026]
 拡散層10eにおいて、すべり軸受10を構成するチタン合金は、α相で構成される結晶粒を含んでいる。このα相で構成される結晶粒は、拡散層10eにおいて、等軸状に配列されていることが好ましい。
[0027]
 以下に、実施形態に係る機械部品の製造方法を、図4を参照して説明する。図4は、実施形態に係る機械部品の製造方法を示す工程図である。図4に示すように、実施形態に係る機械部品の製造方法は、準備工程S1と、浸酸工程S2と、冷却工程S3と、後処理工程S4とを有している。
[0028]
 準備工程S1においては、加工対象物の準備が行われる。この加工対象物は、実施形態に係る機械部品がすべり軸受10である場合、チタン合金製のリング状の部材である。加工対象物は、内周面を有している。加工対象物の内周面は、最終的にはすべり軸受10の内周面10cとなる面である。
[0029]
 浸酸工程S2においては、加工対象物の表面に浸酸処理が行われる。より具体的には、加工対象物の内周面に浸酸処理が行われる。浸酸処理に際しては、酸素を含有する雰囲気下において、熱処理炉を用いて加熱処理が行われる。酸素を含有する雰囲気ガスは、例えば吸熱型変成ガスである。加熱処理における加熱温度は、900℃以上1000℃以下であることが好ましい。熱処理における加熱温度は、920℃以上950℃以下であることが特に好ましい。熱処理における保持時間は、5時間以上20時間以下であることが好ましい。熱処理における保持時間は、6時間以上15時間以下であることが好ましい。
[0030]
 浸酸工程S2においては、雰囲気中の酸素が加工対象物の表面から加工対象物の内部に侵入、拡散し、拡散層10eが形成される。なお、浸酸工程S2においては、加工対象物の表面に、チタンの酸化物(TiO 、TiO等)膜が形成される。このチタン酸化物膜は、例えば後処理工程S4において除去される。
[0031]
 冷却工程S3においては、加工対象物は、熱処理炉から取り出され、冷却される。加工対象物の冷却は、熱処理炉から取り出された加工対象物を、例えばセミホット油中で保持することにより行われる。
[0032]
 後処理工程S4においては、加工対象物に対する後処理が行われる。後処理工程S4においては、例えば加工対象物の洗浄、加工対象物に対する研削、研磨等の機械加工等が行われる。これにより、加工対象物からすべり軸受10が製造される。
[0033]
 (拡散層の硬度と拡散層中における酸素濃度との関係)
 以下に、拡散層10eの硬度と拡散層10e中における酸素濃度との関係についての評価試験及びその結果を説明する。
[0034]
 <試験片>
 まず、上記の試験に用いた試験片について説明する。表1には、各試験片に用いられたチタン合金の組成が示されている。表1に示すように、試験片に用いられたチタン合金は64チタン合金である。また、試験片に用いられたチタン合金中の酸素濃度は、0.2質量パーセント以下であり、試験片に用いられたチタン合金中の窒素濃度は、0.05質量パーセント以下である。
[0035]
[表1]


[0036]
 <熱処理条件>
 試験片に対しては、上記の浸酸工程S2及び冷却工程S3が行われた。表2には、浸酸工程S2における加熱温度、保持時間及び雰囲気ガスが示されている。表2に示すように、試験片1においては、加熱温度は950℃であり、保持時間が6.75時間であった。試験片2においては、加熱時間は920℃であり、保持時間は14.4時間であった。なお、試験片1及び試験片2の双方において、熱処理は、吸熱型変成ガス中で行われた。また、冷却工程S3は、100℃のセミホット油中で保持することにより行われた。
[0037]
[表2]


[0038]
 <硬さ評価試験>
 図5は、試験片1及び試験片2の硬さと表面からの距離との関係を示す模式的なグラフである。図5に示すように、試験片1及び試験片2の硬さは、表面からの距離が大きくなるにつれて、小さくなっている。試験片1及び試験片2においては、表面と表面からの距離が0.25mmとなる位置までの間の領域で、硬さが400Hv以上であった。試験片1及び試験片2の表面に形成されるチタンの酸化物膜(スケール)の厚さが0.01mm程度であるため、試験片1及び試験片2においては、深さDが0.2mm程度の拡散層10eが形成されていた。
[0039]
 試験片1及び試験片2においては、表面と表面からの距離が0.14mmとなる位置までの間の領域で、硬さが500Hv以上となっていた。試験片1及び試験片2において、表面と表面からの距離が0.07mmとなる位置までの間の領域で、硬さが600Hv以上の硬さを有していた。すなわち、試験片1及び試験片2においては、拡散層10eは、表面において600Hv以上の硬さを有しており、表面からの距離が0.05mmとなる位置において、500Hv以上の硬さを有していた。
[0040]
 図6は、試験片1中における酸素濃度と表面からの距離との関係を示す模式的なグラフである。図6に示すように、試験片1中における酸素濃度は、表面からの距離が大きくなるにつれて、小さくなっている。試験片1においては、表面と表面からの距離が0.25mmとなる位置との間の領域で、酸素濃度が0.2質量パーセント以上となっていた。この結果からも、試験片1においては、深さDが0.2mm程度の拡散層10eが形成されていることが示されている。
[0041]
 試験片1中においては、表面と表面からの距離が0.14mmとなる位置との間の領域で、酸素濃度が0.6質量パーセント以上となっていた。試験片1中においては、表面と表面からの距離が0.07mmとなる位置との間の領域で、酸素濃度が1.0質量パーセント以上となっていた。このことを別の観点からいえば、試験片1においては、拡散層10e中の酸素濃度は、スケールが除去された後の表面で1.0質量パーセント以上となっており、スケールが除去された後の表面からの距離が0.05mmとなる位置において、0.6質量パーセント以上となっていた。
[0042]
 図7は、試験片2中における酸素濃度と表面からの距離との関係を示す模式的なグラフである。図7に示すように、試験片2中における酸素濃度は、表面からの距離が大きくなるにつれて、小さくなっている。試験片2においては、表面と表面からの距離が0.25mmとなる位置との間の領域で、酸素濃度が0.2質量パーセント以上となっていた。この結果からも、試験片2においては、深さDが0.2mm程度の拡散層10eが形成されていることが示されている。
[0043]
 試験片2中においては、表面と表面からの距離が0.14mmとなる位置との間の領域で、酸素濃度が0.6質量パーセント以上となっていた。試験片2中においては、表面と表面からの距離が0.07mmとなる位置との間の領域で、酸素濃度が1.0質量パーセント以上となっていた。このことを別の観点からいえば、試験片2においては、拡散層10e中の酸素濃度は、スケールが除去された後の表面において1.0質量パーセント以上となっており、スケールが除去された後の表面からの距離が0.05mmとなる位置において0.6質量パーセント以上となっていた。
[0044]
 なお、図6及び図7中に図示されていないが、試験片1及び試験片2中における窒素濃度は、いずれの場所においても0.05質量パーセント以下であった。
[0045]
 図8は、試験片1及び試験片2の拡散層10e中における酸素濃度と硬さとの関係を示す模式的なグラフである。図8に示すように、試験片1において、各々の位置における酸素濃度と硬さとをプロットするとともに酸素濃度と硬さとの関係を直線近似したところ、酸素濃度をX(単位:質量パーセント)、硬さをY(単位:Hv)とすると、X及びYには、Y=191.27×X+399.43(以下において、式1という)との関係があることが明らかとなった。
[0046]
 同様の処理を試験片2に対して行ったところ、X及びYには、Y=283.4×X+312.73(以下において、式2という)との関係があることが明らかとなった。すなわち、試験片1及び試験片2においては、酸素濃度が高くなるほど、硬さが高くなることが示された。また、式1及び式2の対比から、拡散層10e中の酸素濃度が同一であっても加熱温度が低く保持時間が長い方が、結晶粒の成長が抑制されることによって拡散層10eの硬度がより上昇することが明らかとされた。
[0047]
 式1及び式2のXに0.6を代入すると、Y>500となる。また、式1及び式2のXに1.0を代入すると、Y>600となる。なお、式1及び式2のXに6.0を代入するとY>1500となり、式1及び式2のXに4.0を代入するとY>1250となる。
[0048]
 以上から、実施形態に係る機械部品としてのすべり軸受10において、内周面10cにある拡散層10e中における酸素濃度が1.0質量パーセント以上であり、かつ内周面10cからの距離が0.05mmとなる位置にある拡散層10e中における酸素濃度が0.6質量パーセント以上である場合、拡散層10eの硬さは、内周面10cにおいて600Hv以上となり、内周面10cからの距離が0.05mmとなる位置において500Hv以上となることが明らかにされた。
[0049]
 以下に、実施形態に係る機械部品の効果について説明する。実施形態に係る機械部品においては、拡散層10e中における窒素濃度が低い。そのため、実施形態に係る機械部品においては、拡散層10eの靱性が低下しにくい。
[0050]
 また、実施形態に係る機械部品においては、表面に位置する拡散層10e中における酸素濃度が1.0質量パーセント以上となっており、かつ表面からの距離が0.05mmとなる位置にある拡散層10e中において0.6質量パーセント以上となっている。その結果、実施形態に係る機械部品においては、拡散層10eは、高い硬度(具体的には、表面において600Hv以上、表面からの距離が0.05mmとなる位置において500Hv以上)を得ることができる。そのため、実施形態に係る機械部品においては、機械部品の表面における靱性を維持しつつ、機械部品の表面における硬さを改善することができる。
[0051]
 以上のように本発明の実施形態について説明を行ったが、上述の実施形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は、上述の実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むことが意図される。

産業上の利用可能性

[0052]
 上記の実施形態は、チタン合金製の機械部品に有利に適用され、より特定的には、チタン合金製の軸受部品及びそれにより構成されるすべり軸受に特に有利に適用される。

符号の説明

[0053]
 10 すべり軸受、10a 上面、10b 底面、10c 内周面、10d 外周面、10e 拡散層、D 深さ、S1 準備工程、S2 浸酸工程、S3 冷却工程、S4 後処理工程。

請求の範囲

[請求項1]
 チタン合金製の機械部品であって、
 前記機械部品は、表面に酸素拡散層を備え、
 前記酸素拡散層中における窒素濃度は、0.5質量パーセント以下であり、
 前記酸素拡散層中における酸素濃度は、前記表面において1.0質量パーセント以上6.0質量パーセント以下であり、かつ前記表面からの距離が0.05mmとなる位置において0.6質量パーセント以上4.0質量パーセント以下である、機械部品。
[請求項2]
 前記酸素拡散層の硬さは、前記表面において600Hv以上1500Hv以下であり、前記表面からの距離が0.05mmとなる位置において500Hv以上1250Hv以下である、請求項1に記載の機械部品。
[請求項3]
 前記チタン合金は、64チタン合金である、請求項1又は請求項2に記載の機械部品。
[請求項4]
 チタン合金製のすべり軸受であって、
 前記すべり軸受は、摺動面に酸素拡散層を備え、
 前記酸素拡散層中における窒素濃度は、0.5質量パーセント以下であり、
 前記酸素拡散層中における酸素濃度は、前記摺動面において1.0質量パーセント以上6.0質量パーセント以下であり、かつ前記摺動面からの距離が0.05mmとなる位置において0.6質量パーセント以上4.0質量パーセント以下である、すべり軸受。
[請求項5]
 前記チタン合金は、64チタン合金である、請求項4に記載のすべり軸受。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]