JP2020152935A - チタン合金製滑り軸受 - Google Patents

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Abstract

【課題】摺動面の靭性を確保しつつ、摺動面の高硬度化と疲労強度の低下を抑制することのできるチタン合金製滑り軸受とすることである。【解決手段】α+β型またはα型のチタン合金製の内輪1の外周に凸型球面の摺動面2を有し、この摺動面2に潤滑性ライナー3を介して外輪4が摺接するチタン合金製の球面滑り軸受Aであり、摺動面2には、プライマリα結晶粒とセカンダリα結晶粒が含まれており、摺動面2は酸素濃度0.8質量%以上で硬さが550Hv以上であり、摺動面2の表面からの深さに応じて酸素濃度が連続的に減少する酸素拡散層5を設ける。【選択図】図1

Description

この発明は、滑り軸受に関し、特に軽量化と共に耐久性の求められる航空宇宙などの技術分野で適用できるチタン合金製の滑り軸受に関する。
一般に、人工衛星、ロケット等に用いられる機器は、輸送中の燃料消費量の削減などを目的に、可及的に軽量化することが求められる。
鋼等の一般的な機械構成部材に代えて、軽量化に有効な機械構成部材としてチタン合金が周知である。
チタン合金は、軽量でありかつ耐食性や重量比強度に優れているが、鋼と比較して硬度が低いので、耐摩耗性が低いという欠点がある。
チタン合金の硬度を改善する方法として、窒素主体で酸素を微量に含む混合雰囲気ガス中に、部材を加熱温度で所定時間保持し、部材の表面に主として窒素と酸素を固溶させることで、装飾品に用いられるチタン合金の硬度を向上させる処理方法が知られている(特許文献1)。
またチタン合金を使用した球面滑り軸受の内輪及び外輪の少なくとも一方に、物理的気相成長法(PVD)によって窒化チタン(TiN)を蒸着させた硬化面を有する球面滑り軸受が知られている(特許文献2)。
国際公開第97/36018号 特開2007−255712号公報
しかし、上記した窒素および微量の酸素を固溶させる表面改質方法では、硬度が改善されるが、靱性は低い状態であって改善できないという問題点がある。
すなわち、チタン合金の表面に、0.6〜8.0重量%の窒素と、0.5〜14.0重量%の酸素とを固溶した硬化層は、窒素および酸素により硬度は上昇する一方で、脆性的であり、そのような硬化層を有するチタン合金製の滑り軸受の内輪や外輪等に大きな荷重が作用すると、割れが発生する可能性がある。また、このような表面改質方法で酸素を固溶させると、チタン合金の結晶粒が粗大化するので、疲労強度は低下するという問題点もある。
また窒化チタンの硬化層を蒸着によって形成すると、チタン合金に大きな負荷をかけて高い滑り速度で摺動させた時に、窒化チタンの硬化層がはく離する可能性もある。
そこで、この発明の課題は、上記したチタン合金製滑り軸受の表面を硬化する改質処理に伴う問題を解決し、摺動面の靭性を確保しつつ、摺動面の高硬度化を図り、疲労強度の低下を抑制できるチタン合金製滑り軸受にすることである。
上記の課題を解決するために、この発明においては、α+β型またはα型のチタン合金で摺動面の形成された滑り軸受であり、前記摺動面にプライマリα結晶粒とセカンダリα結晶粒が含まれており、前記摺動面の表面からの深さに応じて酸素濃度が連続的に減少する酸素拡散層を設け、前記表面は酸素濃度0.8質量%以上に酸素を固溶し、前記表面の硬さが550Hv以上であるチタン合金製滑り軸受としたのである。
上記のように構成されたこの発明のチタン合金製滑り軸受は、摺動面の表面に設けた酸素拡散層によって、前記表面は酸素濃度0.8質量%以上に酸素が固溶されて強化され、硬さ550Hv以上に硬化された摺動面を有する。
またα+β型またはα型のチタン合金製の摺動面には、プライマリα結晶粒と共に、プライマリα結晶粒より微細なセカンダリα結晶粒が含まれており、微細化した結晶粒径によって疲労強度が改善され、滑り軸受として充分な摺動面における靭性が確保される。
このように結晶粒径の微細化に伴って疲労強度が改善されたチタン合金製滑り軸受に対し、酸素拡散層を設けて摺動面の硬さを改善する。
酸素拡散層は、チタン合金からなる摺動面に、酸素濃度が表面からの深さに応じて連続的に減少するので、密着性よくチタン合金の内部と一体化して剥離し難い状態に設けられ、また結晶粒径の微細化により改善された疲労強度を低下させない。すなわち、酸素拡散層は、チタン合金の表面の強度,硬さ,耐食性,耐摩耗性を向上させ、しかもチタン合金全体の疲労強度を低下させない。
上記チタン合金は、できるだけ引張強度、クリープ強さ等を高めるために、α相の安定化元素であるアルミニウム元素(Al)をある程度(7質量%以下)まで含ませることは好ましく、例えば、アルミニウム元素(Al)が6質量%含有され、かつバナジウム(V)が4質量%含有されているTi−6Al−4Vチタン合金などを用いることが好ましい。
酸素原子の化合した微細な二次α相を有する全結晶粒の平均粒径は、15μm以下にすることが疲労強度を高めるために好ましく、そのような平均粒径は、上記摺動面の表面が、EBSD測定の観察画像において、結晶方位差15°以上を結晶粒界とみなし、前記観察画像の全領域に対し、結晶粒の面積が大きい結集粒から降順に面積を足し合わせ、前記観察画像領域中の全結晶粒面積の70%に到達した結晶粒までの結晶粒径の平均値を求めた際の平均粒径が15μm以下の結晶粒で構成されていることで確認できる。
この発明の適用できる滑り軸受の形態は、例えば球面滑り軸受であり、内輪と外輪が潤滑性ライナーを介して摺接するチタン合金製の球面滑り軸受として構成することができる。
上記潤滑性ライナーは、樹脂の成形体または織布で形成されたライナーであることは、航空宇宙機器のように低圧又は真空の環境、さらには極低温の環境、また温度変化の大きい環境でも使用可能なチタン合金製滑り軸受とするために好ましい。
上記潤滑性ライナーが、樹脂の成形体である場合には、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアミド、ポリイミドおよびポリフェニレンサルファイドから選ばれる1種以上の樹脂の成形体を採用することが、上記特定の環境での使用に耐えるチタン合金製滑り軸受であるために好ましい。
同様に、上記潤滑性ライナーが、織布で形成されたライナーである場合には、ポリテトラフルオロエチレン繊維、芳香族ポリアミド繊維、ガラス繊維およびポリエステル繊維から選ばれる1種以上の繊維製織布であることが、上記特定の環境での使用に耐えるチタン合金製滑り軸受であるために好ましい。
以上のチタン合金製滑り軸受は、航空・宇宙機器用のチタン合金製滑り軸受として適用できるものになる。
この発明のチタン合金製滑り軸受は、摺動面にプライマリα結晶粒とセカンダリα結晶粒が含まれており、結晶粒径の微細化に伴って疲労強度が改善されると共に、酸素拡散層を設けた摺動面の硬さが改善されるので、摺動面の靭性を確保しつつ、摺動面の高硬度化と疲労強度の低下を抑制することのできるチタン合金製滑り軸受となる利点がある。
第1実施形態のチタン合金製の球面滑り軸受の断面図 第2実施形態のチタン合金製の球面滑り軸受の断面図 第3実施形態のチタン合金製の滑り軸受の断面図 実施例の内輪素材の表面からの深さと硬さ(Hv)の関係を示す図表 実施例の内輪素材の表面からの深さと酸素濃度の関係を示す図表 実施例の内輪素材の表面のEBSD測定に用いた画像の図面代用写真
この発明の実施形態を以下に、添付図面に基づいて説明する。
図1に示すように、第1実施形態は、無給油式のチタン合金製の球面滑り軸受Aであり、チタン合金製の内輪1の外周に凸型球面の摺動面2を有し、この摺動面2に潤滑性ライナー3を介して摺接する凹型球面の内周を有する外輪4を組み合わせて構成されている。
潤滑性ライナー3の接する内輪1の摺動面2には、プライマリα結晶粒とセカンダリα結晶粒が含まれており、摺動面2の表面からの深さに応じて酸素濃度が連続的に減少する酸素拡散層5を設けている。
内輪1は、α+β型またはα型のチタン合金で形成されており、摺動面(表面)2は酸素濃度0.8質量%以上に酸素を固溶し、摺動面(表面)2の硬さが550Hv以上である。
潤滑性ライナー3は、自己潤滑剤性を有する樹脂または繊維からなる成形体もしくは織布またはそれらの複合素材からなり、外輪4に保持されて一体化している。樹脂製の潤滑性ライナー3は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアミド、ポリイミドおよびポリフェニレンサルファイドなどの樹脂を主成分とし、例えば射出成形等の周知の成形手段により内・外径面が球形等の環状体に成形したものである。また繊維製の潤滑性ライナー3は、ポリテトラフルオロエチレン繊維、芳香族ポリアミド繊維、ガラス繊維またはポリエステル繊維などの繊維素材からなる織布を所定の接着剤にて外輪4の内周面に接着したものである。
この発明のチタン合金製滑り軸受は、周知形態の滑り軸受として適用できるものである。
例えば、図2に示されるような第2実施形態の給油式の球面滑り軸受Bは、チタン合金製の内輪6の外周に凸型球面の摺動面2を有し、この摺動面2に対向して摺接する摺動面7を凹型球面の内周に形成したチタン合金製の外輪4を設け、これら一組の摺動面2、7の両方にはプライマリα結晶粒とセカンダリα結晶粒が含まれており、酸素拡散層5をそれぞれ形成している。図中の符号8は、摺動面2に通じる給油孔であり、符号9は油溝である。
または、図3に示される第3実施形態のスリーブ型の滑り軸受Cのように、チタン合金製の円筒形スリーブ10の内周面側を摺動面11とし、摺動面11には、プライマリα結晶粒とセカンダリα結晶粒が含まれており、さらに酸素拡散層5を設けたものであってもよい。
上記いずれの実施形態でも摺動面を形成するチタン合金は、α+β型またはα型のチタン合金を用いている。
例えば、α+β型チタン合金の例として、Ti-6Al-4VやTi-6Al-2Sn-4Zr-6Mo等を挙げることができ、またα型チタン合金の例として、Ti-5Al-2.5SnやTi-8Al-1Mo-1V等を挙げることができる。
上記のようなチタン合金製滑り軸受の摺動面は、最終的にα+β型またはα型のチタン合金に酸素を浸酸工程で固溶させることにより、表面硬さを高めて強化するが、酸素を固溶させる表面のチタン合金は、複数のα結晶粒を含んでいる。
α結晶粒とは、α相で構成されている結晶粒である。α結晶粒には、プライマリα結晶粒及びセカンダリα結晶粒が含まれている。プライマリα結晶粒は、プライマリα相で構成される結晶粒である。セカンダリα結晶粒は、セカンダリα相で構成される結晶粒である。
プライマリα相は、後述する溶体化処理工程、時効処理工程及び浸酸処理工程のいずれにおいてもβ相に変態することなく残存したα相である。
また、セカンダリα相は、一旦β相に変態した後に冷却される際に、マルテンサイト変態又はマッシブ変態により形成される相である。セカンダリα相には、hcp構造のα’相と、斜方晶構造のα’’相とがある。
プライマリα結晶粒とセカンダリα結晶粒とは、形状により識別することができる。プライマリα結晶粒は楕円形状を有しており、セカンダリα結晶粒は針状の形状を有している。
各々のα結晶粒は、結晶方位により識別される。より具体的には、あるα結晶相の結晶方位と当該α結晶相に隣接する別のα結晶相の結晶方位とのずれが15°未満である場合には、それらのα結晶相は、1つのα結晶粒とみなされる。
他方で、あるα結晶相の結晶方位と当該α結晶相に隣接する別のα結晶相の結晶方位とのずれが15°以上である場合に、それらのα結晶相は、別々のα結晶粒と見做される。
結晶方位の測定(各々のα結晶粒界の特定)は、例えば、EBSD(Electron Back Scatter Diffraction)法を用いて行われる。
上記測定法を用いて、この発明における摺動面の表面にあるチタン合金に含まれるα結晶粒の大きさを測定すると、第1群と、第2群とに区分され、第1群に属するα結晶粒の結晶粒径の最小値は、第2群に属するα結晶粒の結晶粒径の最大値よりも大きい。第1群に属するα結晶粒の総面積をα結晶粒の総面積で除した値は、0.7以上である。第1群に属する最も結晶粒径が小さいα結晶粒を除いた第1群に属するα結晶粒の総面積をα結晶粒の総面積で除した値は、0.7未満である。
このことを別の観点からいうと、摺動面の表面にあるチタン合金に含まれるα結晶粒は、結晶粒径が大きいものから順番に第1群に割り当てられる。そして、それまでに第1群に割り当てられたα結晶粒の総面積がα結晶粒の総面積の0.7倍をはじめて超えた段階で、第1群への割り当てを停止し、残余のα結晶粒を第2群に割り当てる。
なお、「表面にあるα結晶粒」とは、摺動面の表面と当該表面から250μmの距離にある位置との間にある領域に含まれているα結晶粒のことをいう。「表面にあるα結晶粒」は、摺動面の表面と当該表面から300μmの距離にある位置との間にある領域に含まれているα結晶粒であってもよい。
第1群に属するα結晶粒の平均粒径は、25μm以下である。第1群に属するα結晶粒の平均粒径は、好ましくは15μm以下である。第1群に属するα結晶粒の平均粒径は、各々の結晶粒の円相当径から算出することができる。
以上のようにしてEBSD法における摺動面の表面の観察画像から、結晶方位差15°以上を結晶粒界とみなし、前記観察画像の全領域に対し、結晶粒の面積が大きい結集粒から降順に面積を足し合わせ、前記観察画像領域中の全結晶粒面積の70%に到達した結晶粒までの結晶粒径の平均値を求めた際の平均粒径が15μm以下の結晶粒で構成されていることが確認できる。
チタン合金は、表面において、0.8質量%以上の酸素(O)を含有している。好ましくは、チタン合金は、表面において、1.4質量%以上の酸素を含有している。さらに好ましくは、チタン合金は、表面において、1.8質量%以上の酸素を含有している。なお、チタン合金中における酸素の濃度は、EPMA(Electron Probe Micro Analyzer)により測定される。
上記のように摺動面にプライマリα結晶粒とセカンダリα結晶粒が含まれているチタン合金製滑り軸受の製造工程では、以下のように準備工程、溶体化処理工程、時効処理工程、浸酸工程、後処理工程を経て行なわれる。
準備工程においては、α+β型チタン合金またはα型チタン合金のいずれかの摺動面を備えた内輪または外輪について、最終製品の寸法に近い寸法と形状にまで切削加工を行なう。
溶体化処理工程では、前記準備工程にて一定形状まで加工された内輪または外輪等の部品を所定の温度と時間、炉中で加熱保持する。
この時、炉内は常圧下で、不活性ガスとしてアルゴン等を導入する。不活性ガスは希ガスであるヘリウムや窒素ガス等を用いても良い。
溶体化処理工程では、保持工程と、冷却工程とを必須工程とする。
保持工程においては、処理対象材が炉内で所定の保持温度(以下に「第1温度」という)において、所定の時間(以下、「第1時間」という)保持される。
溶体化処理工程においては、対象材を構成するチタン合金中のα相の一部が、β相へと変態する。
前記した第1温度は、対象材を構成するチタン合金のβ単相変態点よりも低い。β単相変態点とは、対象材を構成するチタン合金中のα相の全てがβ相へと変態する温度である。
冷却工程は、保持工程の後に行われる。冷却工程においては、保持工程を経た対象材の冷却が行われる。これにより、保持工程においてβ相に変態したα相がセカンダリα相となる。
時効処理工程は、溶体化処理工程が行われた後にプライマリα結晶粒より微細なセカンダリα結晶粒を析出させることを目的として行われる。
時効処理工程おいては、対象材が、所定の温度(以下、「第2温度」という)において所定の時間(以下、「第2時間」という)保持された後に、冷却される。時効処理工程により、冷却工程においてα相に変態していないβ相から、微細なセカンダリα結晶粒が析出する。
なお、加熱保持する際に、炉内は、常圧下で不活性ガスとしてアルゴン、希ガスであるヘリウムや窒素ガス等を導入する。
浸酸処理工程においては、溶体化処理工程及び時効処理工程の後、高硬度を有する酸素拡散層を形成するために浸酸処理を行なう。
浸酸処理工程は、対象材を、所定の保持温度(以下、「第3温度」という)において、所定の時間(以下、「第3時間」という)保持することにより行われる。
浸酸処理工程は、二酸化炭素(CO)を含む雰囲気ガス中において行われる。この雰囲気ガスは、不活性ガスをさらに含んでいてもよい。不活性ガスは、例えばアルゴン(Ar)、ヘリウム(He)等の希ガスである。不活性ガスは、窒素(N)であってもよい。雰囲気ガスの圧力は、常圧(大気圧)であることが好ましい。
上記一連の処理工程は、内輪や外輪等の処理対象材の全表面に対して行なってもよく、また摺動面のみを浸酸処理する時には、処理対象材の一部にマスキングを施して酸素拡散層を設けてもよい。
浸酸工程の処理条件をより詳細に説明すれば以下の通りである。
すなわち、常圧下の炉内にアルゴンガスをベースとしたCOガスを導入し,チタン合金製の部材を炉内にて加熱保持後、冷却する。チタン合金をCOガス雰囲気下で加熱すると,チタン合金製部材の表面でCOガスがOとCに解離し、これらの元素が表面から内部に拡散浸透する。なお、炭素は、酸素と比較してチタン中での固溶限が狭いため、対象材の固溶強化に殆ど影響しない。
後処理工程として、前記の浸酸処理工程の後、対象材を特定の寸法精度に仕上げるための旋削や研磨等の機械加工を行ない、さらに必要に応じてライナーを成形および接着し、その他の組立加工を行なう。
すなわち、浸酸処理後のチタン合金の表層部には、TiC、TiOまたはTiOからなる化合物層が形成されるが、この化合物層は、硬さは高いものの脆性的であるため、後処理工程の機械加工にて表層を除去する。また、浸酸処理後、特定の寸法精度に仕上げるため、旋削や研磨等の機械加工が実施される。
上記一連の工程によって製造された内輪の摺動面表面の酸素濃度は、約0.8質量%以上になり、摺動面表面の硬度は約550Hv以上になる。また、摺動面表面のEBSD観察画像において、結晶方位差15°以上で粒界として規定し、EBSD画像の全領域に対し、結晶粒の面積が大きい結集粒から降順に面積を足し合わせ、EBSD画像領域中の全結晶粒面積の70%に到達した結晶粒までの結晶粒径の平均値を求めた際の平均粒径が15μm以下の結晶粒で摺動面の表面を構成する。
上記のように製造される実施形態の比強度が高いチタン合金製の滑り軸受は、溶体化及び時効処理において結晶粒微細化を行うことで疲労強度を確保しながら、その後の浸酸処理において高硬度の酸素拡散層を設けることができ、高硬度を有すると共に疲労強度に優れた滑り軸受になる。
ASTM B348-13 GR.5準拠のα+β型チタン合金であるTi-6Al-4Vからなる球面滑り軸受の内輪1(図1)の素材に対し、溶体化処理工程、時効処理工程を行なった。
このときの内輪の素材(以下、「試料」と称する。)の外周面ビッカース硬さ(Hv)を、試料の表面から少しずつ削り取りながら深さ0.5mmまで所定深さ毎に測定し、各深さでのHvと当初表面からの深さ(mm)との関係を図4に示した。
また、上記のビッカース硬さ(Hv)の測定と同時に、酸素濃度(質量%)をEPMAによって測定し、試料表面から深さ0.5mmまでの深さ(mm)との関係を図5に示した。
ここで、図4、5では、後処理工程を行っていない試料の硬さ及び酸素濃度分布を示している。
最終製品である実施例の球面滑り軸受は、内輪の外周面の表層が、後処理工程での機械加工によって任意に設定される取り代分だけ除去されたものである。したがって、図4、5に示される試料の硬度及び酸素濃度分布において、取り代分より深い位置での硬度や酸素濃度が、実際の摺動面(表面)の硬度および酸素濃度に相当する。
ここで、浸酸処理後の機械加工は、硬化層である酸素拡散層を可能な限り除去しない範囲内での取り代にて行うことが望ましく、一般的に取り代は、0.10mm未満である。参考のために、図中に記載した試料の表面から取り代0.10mmで軸受摺動面を形成した場合の摺動面(表面)の硬さ及び酸素濃度は、547Hv及び0.78質量%であった。
また、試料の表面から取り代0.10mmで軸受摺動面を形成した場合の表層のEBSD画像を図6に示した。
図6のEBSD画像からも明らかなように、測定した試料中のα結晶粒の平均粒径は、10.1μmであった。また溶体化および時効により析出したセカンダリα結晶粒は、EBSD像に現れているように微細な針状の二次α相であることが確認された。
この時の平均粒径の測定条件は、結晶方位差15°以上で粒界として規定し、EBSD画像の全領域に対し、結晶粒の面積が大きい結集粒から降順に面積を足し合わせ、EBSD画像領域中の全結晶粒面積の70%に到達した結晶粒までの結晶粒径の平均値として測定した。
以上のようにして得られた実施例の球面滑り軸受は、微細なセカンダリα結晶粒を有するα結晶粒の平均粒径は、10.1μmと小さくなり、その後に浸酸処理されて表面に充分な酸素を固溶しているので、摺動面(表面)の硬さは約550Hv及び酸素濃度は約0.8質量%であり、軽量なチタン合金製であっても耐摩耗性と共に高い疲労強度を備えており、耐久性のよい強度が求められる使用条件においても適用性のあることが分かる。
航空宇宙機器用の滑り軸受などとして、軽量化および耐久性のよい強度が求められる用途に汎用性のある滑り軸受として利用でき、また摺動を伴う揺動や一方向回転下で運転される滑り軸受などにも利用できる。
1、6 内輪
2、7、11 摺動面
3 潤滑性ライナー
4 外輪
5 酸素拡散層
8 給油孔
9 油溝
10 スリーブ
A、B 球面滑り軸受
C スリーブ型の滑り軸受

Claims (8)

  1. α+β型またはα型のチタン合金で摺動面の形成された滑り軸受であり、前記摺動面にプライマリα結晶粒とセカンダリα結晶粒が含まれており、前記摺動面の表面からの深さに応じて酸素濃度が連続的に減少する酸素拡散層を設け、前記表面は酸素濃度0.8質量%以上に酸素を固溶し、前記表面の硬さが550Hv以上であるチタン合金製滑り軸受。
  2. 上記チタン合金が、Ti−6Al−4Vチタン合金である請求項1に記載のチタン合金製滑り軸受。
  3. 上記摺動面の表面が、EBSD測定の観察画像において、結晶方位差15°以上を結晶粒界とみなし、前記観察画像の全領域に対し、結晶粒の面積が大きい結集粒から降順に面積を足し合わせ、前記観察画像領域中の全結晶粒面積の70%に到達した結晶粒までの結晶粒径の平均値を求めた際の平均粒径が15μm以下の結晶粒で構成されている請求項1または2に記載のチタン合金製滑り軸受。
  4. 上記滑り軸受が、球面滑り軸受であり、内輪と外輪が潤滑性ライナーを介して摺接する請求項1〜3のいずれかに記載のチタン合金製滑り軸受。
  5. 上記潤滑性ライナーが、樹脂の成形体または織布で形成されたライナーである請求項4に記載のチタン合金製滑り軸受。
  6. 上記樹脂の成形体が、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアミド、ポリイミドおよびポリフェニレンサルファイドから選ばれる1種以上の樹脂の成形体である請求項5に記載のチタン合金製滑り軸受。
  7. 上記織布が、ポリテトラフルオロエチレン繊維、芳香族ポリアミド繊維、ガラス繊維およびポリエステル繊維から選ばれる1種以上の繊維からなる織布である請求項5に記載のチタン合金製滑り軸受。
  8. 請求項1〜7のいずれかに記載のチタン合金製滑り軸受からなる航空・宇宙機器用のチタン合金製滑り軸受。
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