JP5312097B2 - 航空機用ベアリング部材、及びベアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、航空機用ベアリング部材、及びベアリング装置に関する。

金属対金属球面ベアリングは、航空機産業に用いられており、特に、航空機における着陸装置のベアリングとして用いられている。着陸装置用金属対金属ベアリングの製造に用いられる従来の材料としては、内輪及び外輪（或いは、場合によってボール及び外側のハウジング）として、ステンレススチール、及び銅合金が用いられる。これらの材料が用いられるのは、潤滑剤が存在しない状態で、かじり傷を受けないからである。しかし、これらは比較的重い材料であり、従来から、より軽く、従って、航空機産業により適切な、軽い材料が求められてきた。この観点から、上記の比較的重い金属の代わりに、強度を基に、チタン合金ベアリングを用いることが考えられる。チタン合金は、ステンレススチールや銅合金のベアリングに比べて約４０％軽く、重さの点では、減少させることができるが、これらの材料は、着陸装置が受ける荷重条件では、極めて早くかじり傷を受けて損傷してしまう傾向がある。米国特許第４，８４８，９３４号（特許文献１）は、チタン合金ベアリングの例を示す。チタン合金は、金属対金属接触には柔らかすぎるため、酸化クロムの被覆（コーティング）を施される。

他の被覆も検討されたが、比較的軟らかいチタン合金に対する、硬い被覆の付着性という深刻な問題に遭遇した。

酸化クロムの使用、及びクロムメッキ技術は、環境面で好ましくなく、製造コストがかなり高く、従って、酸化クロムの使用やクロムメッキ技術の使用は避けた方が良い。

英国特許第２，４１２，７０１号（特許文献２）は、金属対金属ベアリングであって、その材料の一つが、その表面に拡散領域を備えたチタン合金から成るものを提供する。英国特許第２，４１２，７０１号（特許文献２）は、拡散領域の形成のために窒素を用いることを開示しているに過ぎない。

英国特許第２，４１２，７０１号（特許文献２）に開示されているように、窒素の拡散を行なうと、２０μｍ程度の、比較的浅い窒素拡散領域が形成されることが分かった。言い換えると、窒素拡散領域はチタン合金の表面を２０μｍ程度浸透するに過ぎない。そのような深さであると、ベアリングが耐えうる圧力の大きさは限られている。例えば、窒素拡散領域を有する航空機用ベアリングの耐圧は８０ＭＰａ程度である。

米国特許第４，８４８，９３４号 英国特許第２，４１２，７０１号

軽量の航空機用ベアリングであって、公知の航空機用ベアリングよりも大きな圧力に耐え得るものが求められている。特に、航空機がより大きくなりより重くなっているので、８０ＭＰａよりもはるかに大きい圧力に耐え得る航空機用ベアリングが必要とされている。

本発明は、非鉄金属を主要成分とする金属の、航空機用ベアリング部材を提供する。
該部材は、その表面の近傍に酸素拡散領域を有するベアリング面を提供する。

英国特許第２，４１２，７０１号（特許文献２）に開示されたように窒素拡散領域を設ける代わりに、酸素拡散領域を設けることの利点は、拡散領域がはるかに深くなり、表面がより硬くなり、ベアリング部材として用いた場合に、摩耗が遅くなることである。さらに、酸素拡散領域を有する航空機用ベアリング部材は８０ＭＰａよりも大きい圧力に耐えることができる。酸素拡散領域及びＰＶＤ被覆を有し適切な初期なじみ過程を経た航空機用ベアリングは、２７０ＭＰａまで、あるいはそれより大きい圧力に耐えることができると考えられる。

金属部材に、酸素拡散領域を設けることは知られている。しかし、航空機産業において、特に航空機用ベアリング部材産業においては、そのことは知られていなかった。酸素拡散領域をベアリング産業に用いることは、従来当業者に好ましくないと考えられていた。これは、酸素拡散プロセスにより、酸素が拡散した部材の表面に別個の酸化物層が形成されるからである。部材がチタンで構成される場合には、該酸化物層は、ルチル型酸化チタン（ＴｉＯ_２）から成る。そのようなルチル型酸化チタン層は、例えば、０．５−１μｍ程度の深さを有する。

ベアリング部材に酸化物層が存在すると、酸化物層からの研磨性の粒状物が表面から分離し、ベアリング部材内の摩耗を増やし、ベアリング面のかじり（ｇａｌｌｉｎｇ）を増やすという問題がある。これらの理由で、ベアリングの分野では酸素拡散領域を用いることは好ましくないと考えられていた。

航空機用ベアリング部材が、さらに、表面上または表面内に窒素拡散領域を有するのが好ましい。

航空機用ベアリング部材の表面上又は表面内に、窒素拡散領域を有することの利点は、問題のある酸化物層がほぼ完全になくなることである。本発明の航空機用ベアリング部材の製造に当たっては、最初に酸素拡散領域を形成し、次に該酸素拡散領域の表面（ｔｏｐ）上に窒素拡散領域を形成することが望ましい。

一つの実施の形態においては、窒素拡散領域の少なくとも一部が、酸素拡散領域の少なくとも一部と侵入しあっている（ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌな）関係を有する。そのような構成を採用することの利点は、窒素拡散領域が酸素拡散領域を覆う役割を果たすことである。窒素拡散領域はさらに、ベアリング面の硬さを向上させる。

酸素及び窒素拡散領域の双方を用いることの相乗的効果は、酸素拡散領域を設けることで、拡散領域の、ベアリング部材の表面内への浸透を深くし、これにより、ベアリング部材がより高い圧力に耐え得るようになり、窒素拡散領域を設けることで、ベアリング面の硬さを向上させ、ベアリング面の対摩耗性を向上させることである。

酸素及び窒素拡散領域の双方を有する航空機用ベアリング部材の製造中において、窒素拡散領域を形成するステップが、好都合なことに、酸素拡散領域を形成するステップで形成された酸化物層を、著しく減少させ、あるいはほぼ完全になくすことが分かった。従って、その表面上に或いはその表面内に、酸素拡散領域及び窒素拡散領域を有する、本発明の航空機用ベアリング部材は、酸化物（例えば、ルチル）層を殆んど有しない。このように、酸素拡散領域を有することの効果が得られるとともに、それによる問題が除去されるという相乗的効果が得られる。窒素拡散領域が存在するため、酸化物層が減り、或いは除去されるのみならず、ベアリング面を硬くし、被覆が付着するための十分な面が提供される。

拡散領域の深さは、２１乃至１００μｍの範囲内にあるのが好ましい。該深さは、４０μｍ乃至７０μｍの範囲内にあるのが有利である。該深さが略６０μｍであるのが好都合である。「拡散領域」は、酸素拡散領域自体、又は酸素及び窒素拡散領域の組み合わせを意味する。窒素拡散領域が、酸素拡散領域の少なくとも一部と侵入しあっていれば、組み合わせの実効的深さは、酸素拡散領域自体の実効的深さとほぼ同じであることが理解されよう。

一つの実施の形態においては、表面上に被覆が形成されて、ベアリング面が形成される。

被覆の深さ（厚さ）は、０．１μｍ乃至５０μｍの範囲内にあるのが好ましい。該深さは、０．１μｍ乃至２５μｍの範囲内にあるのが有利である。該深さは２μｍ乃至４μｍの範囲内であるのが好都合である。

被覆は、第１の被覆層と、その上に形成された第２の被覆層とを含むものであっても良い。一つの実施の形態では、第１の被覆層の材料は、その下地となる拡散領域に対して付着性（乃至密着性）が良好となるように選択され、第２の被覆層の材料は、良好なベアリング面を提供するように選択される。

そのような２層構造の利点は、第１の層が中間被覆層として作用し、表層（第２の被覆層）が、下地となる拡散領域から分離する可能性を低くする。このように、第１の被覆層の材料は、材料のトライボロジー的性質には特に制約されず、下地となる窒素／酸素拡散領域に良好に付着するように選択される。一方、第２の被覆層の材料は、良好なベアリング面を提供するように選択され、第２の被覆層が拡散領域に付着するかどうかについては、殆んど或いは全く考慮する必要がない。但し、第２の被覆層が第１の被覆層に良好に付着するように選択されるのが好ましい。

被覆層の少なくとも一つが、窒化チタン、窒化クロム、タングステンカーバイドグラファイト（ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｃａｒｂｉｄｅ ｇｒａｐｈｉｔｅ）、窒化チタンアルミニウム（ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ｎｉｔｒｉｄｅ）及び窒化クロムアルミニウム（ｃｈｒｏｍｉｕｍ ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ｎｉｔｒｉｄｅ）の少なくとも一つを含むのが好ましい。

一つの実施の形態では、第１の被覆層の材料は、窒化クロム（ＣｒＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）及び窒化クロムアルミニウム（ＣｒＡｌＮ）のいずれかであり、第２の被覆層の材料は、タングステンカーバイドグラファイトである（ＷＣＣ）。このタングステンカーバイドグラファイトは、タングステンカーバイドとグラファイトの混合物である。

被覆、又は被覆層のいずれか一つあるいは全部を、物理蒸着法（ＰＶＤ）及び気相成長法（ＣＶＤ）の少なくとも一つにより形成することができる。

表面に被覆が形成されたこの一つの実施の形態においては、航空機用ベアリング部材は、０．１乃至０．７Ｒａの範囲内の表面粗さを有する。表面粗さは、０．２乃至０．４Ｒａの範囲内にあるのが好ましい。表面粗さは、０．２５乃至０．３５Ｒａの範囲内にあるのが好都合である。表面粗さは、略０．３Ｒａであるのが有利である。

本発明は、特許請求の範囲に定義された航空機用部材を提供する。

航空機用ベアリング部材は、航空機用ベアリングハウジング、航空機用ベアリングのボール、航空機用ベアリングの内輪又は航空機用ベアリングの外輪を有する。

一つの実施の形態では、本発明は、航空機用ベアリングであって、ハウジングとハウジング内のボールとを備え、ハウジング及びボールの少なくとも一方が、本発明の航空機用ベアリング部材で形成されたものを提供する。

本発明によれば、耐摩耗性に優れ、耐過重容量の大きいベアリング部材が得られる。

航空機用ベアリング装置の断面図である。 図１のベアリングのベアリングハウジングとボールの界面の詳細を示す図である。 本発明の他のベアリングのベアリングハウジングとボールの界面の詳細を示すである。 本発明のさらに他のベアリングのベアリングハウジングとボールの界面の詳細を示す図である。 本発明のベアリングの被覆の詳細を示す図である。 本発明の３極プラズマ酸化プロセス（ＴＰＯ）を実施するための装置の概略を示す図である。 ６００、６５０、７００°Ｃで、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖに対しＴＰＯを行なった後で得られる表面粗さ（Ｒａ）を示す図である。 ６００、６５０、７００°ＣでＴＰＯ処理されたＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ試料の表面の、ヌープ微小硬さの測定値を、押込み荷重の関数として示す図である。 処理されていない、並びに６００、６５０、７００°ＣでＴＰＯ処理されたＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ試料について得られたヌープ微小硬さプロファイルを、深さの関数として示す図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、６００°Ｃ、６５０°Ｃ、７００°ＣでのＴＰＯの後に形成された表面の酸化物層のＳＥＭ顕微鏡写真である。 処理されていない状態及びＴＰＯ処理を行なった場合の、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖの表面粗さを示す図である。 処理されていない状態、及びＴＰＯ処理後の、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖのヌープ微小硬さプロファイルを示す図である。 （ａ） 処理されていないＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ、（ｂ）（一定の酸素流入で）通常のＴＰＯ処理され、表面にルチル型ＴｉＯ_２の酸化物層を有するＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ、及び（ｃ）パルス状ＴＰＯを行ない、その後で、アルゴン又はアルゴン及び窒素中で、プラズマ加熱を行なうことにより得られた、パルス化ＴＰＯ処理されたＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ試料上のＰＶＤＴｉＮ被覆の臨界付着過重（ｃｒｉｔｉｃａｌ ａｄｈｅｓｉｏｎ ｌｏａｄ）を示す図である。

以下、添付の図面を参照して、実施の形態を例にとって、本発明を説明する。
図１は、航空機用ベアリング装置１を示す。図示のベアリング装置１は、ベアリングハウジング２と、ハウジング２内に保持されたボール３とを有する。ハウジング２は、内球面状ベアリング面４を有し、ボール３は、外球面状ベアリング面５を有する。ハウジング２及びボール３の、これら２つの球面状のベアリング面４、５は、互いに協働して、ベアリング界面を形成する。ボール３には、周知のように、さらに、中空６が設けられていても良い。

図２は、本発明の実施の形態におけるベアリングハウジング２とボール３の界面の詳細を示す。図２は、図１の符号１Ａで示す部分を拡大して示す。ボール３は、非鉄金属構造７、好ましくはチタンから成り、該非鉄金属構造７が基体を構成し、その内部に酸素拡散領域８が設けられている。酸素拡散領域８は、非鉄金属基体７と侵入しあっているのが好ましい。かくして、酸素拡散領域８は、非鉄金属基体７の表面下に埋没した形で存在する。しかし、酸素拡散領域の少なくとも一部が、下地となる該非鉄金属構造７の表面の上に延在し、表面層を構成するものであっても良い。

代わりに、或いは付加的に、ハウジングのベアリング面が、本発明の特徴を備えていても良い。

図３は、本発明の他の実施の形態のハウジング２及びボール３の界面の詳細を示す。図３の詳細は、図２の詳細と概して同じである。しかし、図３はさらに、酸素拡散領域８が設けられたベアリング面５の上又は内部の窒素拡散領域９を示す。窒素拡散領域は、酸素拡散領域８の少なくとも一部と侵入しあっていても良い。

図４は、本発明の他の実施の形態のベアリングハウジング２とボール３の界面の詳細を示す。ボール３の構造は、図２又は図３に示されるものと同じであっても良い。従って、図４に示されるボール３は、酸素拡散領域８（図２に示される）を有し、或いは酸素拡散領域８及び窒素拡散領域９（図３に示される）の双方を有する。

図４に示される構成は、さらに被覆(コーティング)１００を備える。この被覆１００は、例えば、ボール３の表面上に設けられている。被覆は、下地となる基体の表面内に部分的に延在する。被覆１００の表面は、ベアリング面５を構成しても良い。被覆は、窒化チタン、窒化クロム、タングステンカーバイドグラファイト、窒化チタンアルミニウム及び窒化クロムアルミニウムから成る群から選択された単一の材料で形成されていても良い。

図５は、被覆１００が２層被覆から成る、他の構成を示す。図５は、図４の符号４Ａで示す部分に相当する部分を拡大して示す。図５に示されるように、被覆１００は、第１の被覆層１０１と、該第１の被覆層１０１の上に形成された第２の被覆層１０２とを備える。第１の被覆層１０１の材料は、その下地となる拡散領域（図５には示されていない）に良好に付着するように選択され、第２の被覆層１０２の材料は、良好なベアリング面５を提供するように選択される。

第１の被覆層１０１の材料は窒化クロムであるのが好ましく、第２の被覆層１０２の材料はタングステンカーバイドグラファイトであるのが好ましい。

一つの実施の形態では、ボールとハウジングの双方が酸素拡散領域、窒素拡散領域及びタングステンカーバイドグラファイトの被覆（ＷＣＣ）を有する。ボール及びハウジングの一方の上に形成されるタングステンカーバイドグラファイトの組成は、ボール及びハウジングの他方の上に形成されるタングステンカーバイドグラファイトの組成と異なっていても良い。

本発明の航空機用ベアリング部材の製造に適した、非鉄金属を処理するプロセスにおいては、高温のプロセスチャンバーに部材を入れ、部材に、イオンを引き寄せるための電位を印加し、プロセスチャンバーに酸素を、酸素イオンを含むグロー放電が発生するような圧力で導入し、プロセスチャンバーが備えるグロー放電イオン化促進手段を動作させて、グロー放電の荷電粒子を増加させ、酸素イオンが部材に向かって流れ、部材の表面に衝突し、その少なくとも一部が部材内に拡散するようにする。

促進されたグロー放電を用いて、チタン、アルミニウム、マグネシウム、ジルコニウム及びそれらの合金のごとき、非鉄部材に対する酸化処理を行っても良い。グロー放電における、荷電粒子の密度を高くすると、部材の表面に衝突し（ｂｏｍｂａｒｄｉｎｇ）、浸透し（ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ）、その内部に酸化物を形成する酸素イオンの数を増やし、硬化され、耐腐食性が向上し、耐摩耗性が向上し、しかも、比較的滑らかな表面を、長い時間を要することなく生成する。

処理された部材は、例えば、航空機、バイオ医療、工作機械産業など、多くの用途に適切である。グロー放電は、当業者に知られている、いかなる方法で発生させても良い。例えば、ＤＣ法、ＡＣ法又はＲＦ法を用い得る。ＤＣを用いて、プロセスチャンバーの内部をアースに接続し、部材を負にバイアスして、グロー放電を形成するのが好ましい。

グロー放電イオン化促進手段は、例えば、チャンバー内の正にバイアスされた電極、フィラメント又は中空のカソードを有するプラズマ源、マイクロ波放電又は熱電子放射手段で構成され得るが、熱電子放射手段で構成されるのが好ましい。

熱電子放射手段は、負にバイアスされたフィラメントで構成されていても良く、該フィラメントは、プロセスで用いられる高い温度において、フィラメントとして作用することのできる材料であれば、どのような材料で形成されていても良い。適切な材料の例は、タングステン及びレニウムである。しかし、コストの点で、タングステンが好ましい。

熱電子放射手段を形成する材料は、酸化し、従って、処理プロセスが終わるまでに、動作しなくなることがあることが分かった。タングステンが用いられると、特にそうである。

しかし、本発明で開発された幾つかの方法を用いることにより、熱電子放射手段を構成するフィラメントの寿命を延長し得ることが分かった。例えば、フィラメントの直径は、１．０ｍｍより大きいことが好ましい。フィラメントの直径が増加するに伴い、その電気抵抗が著しく減少するので、太いフィラメントを用いると、それを熱し、放電を維持するための十分な電子放射を得るためにより大きい電力が必要となる。従って、これらの太さにおいては、フィラメントの加熱のために、高電流電源が必要である。

また、処理の間、酸素雰囲気に不活性ガスが付加され、処理の間酸素の分圧を全圧の７５％より小さくすると、そのようなフィラメントの寿命が著しく延びることが分かった。適切な不活性ガスは、アルゴン、クリプトン、ヘリウム、ネオンであり、アルゴンが好ましい。これらのガスとともに、窒素を用いても良い。

酸化の際の全体圧力が、０．１乃至１．０Ｐａ、例えば０．４Ｐａ程度であるときに、より良好な結果が得られることが分かった。これらの圧力において、より多数のイオンが、カソード降下電圧に近いエネルギーで部材の表面に到達し、部材の表面への高エネルギーイオンの供給を促進し、酸化プロセスの反応を促進する。

部材電位（乃至バイアス電圧）は、例えば−１００乃至−２０００Ｖの、適切な値であれば良い。しかし、部材電位を−１００乃至−５００Ｖ、例えば−２００Ｖとしてプロセスを動作させることにより、処理される部材の表面粗さをさらに減らすことができる。また、比較的低い温度、例えば３００°Ｃ乃至８００°Ｃ、好ましくは４００°Ｃ乃至７００°Ｃで動作させ、部材歪及び微小構造変化（ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｈａｎｇｅｓ）を少なくすることが好ましい。

典型的には、酸素イオンが部材の表面に衝突し、浸透するように、プロセスパラメータを決定することが課題である。結果として生じる硬化した層乃至硬化した外層部（ｃａｓｅ）は、内側の酸素拡散層及び外側の酸化物層から成る。

プロセスは、望まれるだけ（例えば０．１乃至１００時間）続けても良く、その持続時間は、通常、望まれる、硬化した外層部の厚さによって決定される。しかし、プロセスを比較的短い時間、例えば０．３乃至２０時間、好ましくは４時間、続けることとしても良く、その場合でも、表面に優れた物理的性質が得られる。

典型的には、硬化した外層部の厚さは、５乃至３００μｍ程度であり、２０乃至８０μｍであるのが好ましく、特に３０乃至５０μｍであるのが望ましい。結果として生じる硬化した外層部の厚さは、動作温度及び持続時間に大きく依存する。

例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を、７００°Ｃで４時間処理すると、深さが約５０μｍの酸素拡散層の上に、０．７乃至０．８μｍの別個の酸化物層（主としてルチル型ＴｉＯ_２である）が生成される。

上記のように、酸化物層の存在は望ましくない。例えば、処理された部材が、後に、特に、窒化物、炭化物（ｃａｒｂｉｄｅ）又は窒化炭素（ｃａｒｂｏｎｉｔｒｉｄｅ）コーティングで被覆されたとき、付着性を持たなくなる。しかし、この酸化物層の形成は、動作パラメータを適切に選択することにより制御し得ることができることが分かった。

例えば、チャンバーに酸素を供給するに当たり、その流量を変化させ、例えば、間欠的に遅くしたり、流れを止めたりすることにより、酸化物層の形成を大幅に減らすことができることが分かった。驚くことに、酸素の流れをそのように変化させること、或いは断続化乃至「パルス化」させることにより、熱電子放射手段、例えばフィラメントの寿命を長くし、従ってより細いフィラメントの使用、或いはより長い処理時関が可能になることがわかった。

例えば、チャンバーへ酸素が流入する期間相互間に、チャンバーへ酸素が流入しない期間を介在させることが、有効であるであることがわかった。酸素が流入する時間と流入しない時間の合計に対する流入する時間の比は、デューティサイクル比と呼ばれ、例えば０．０５乃至０．９５である。酸素流入の時間が長すぎると、硬化プロファイル（ｈａｒｄｅｎｉｎｇ ｐｒｏｆｉｌｅ）が劣るものとなることが分かった。従って、デューティサイクルが０．１５乃至０．８５程度で動作させるのが好ましく、特に０．２５乃至０．７５で動作させるのが好ましい。パルス化のサイクルタイムは、大幅に変更可能であり、６０分以内、例えば２０乃至６０分であれば良いことがわかった。例えば、サイクルタイムを３０分として、デューティサイクルを０．５０とする（即ち、酸素流入を１５分行い、その後１５分停止する）と、良好な結果が得られる。

上記のように、処理プロセスの間、酸素分圧を７５％未満とし、残りを不活性ガスとすることで、熱電子放射手段、例えばフィラメントの寿命を長くすることができる。酸素分圧を減らせば、酸化物層の形成も減ることが分かった。実際、酸素分圧を５０％よりも少なくし、さらに４０％よりも少なくし、例えば３０％程度とすることで、酸化物層の形成をさらに減らすことができることが分かった。現在のところ、好ましいガス混合は、分圧で、酸素３０％、アルゴン７０％である。

処理プロセスの最後に、酸素分圧をさらに減らし、例えばゼロにすると、それまでに酸化物層が形成されていても、該酸化物層が除去されることが分かった。これは、例えば、酸素流入を停止し、チャンバーが、殆んど、或いは完全に不活性ガス（例えば、アルゴン、クリプトン、ヘリウム、ネオン又はキセノン。窒素と混合されていても良い。）で満たされているようにすることで達成できる。このプラズマ加熱ステップ、即ち浸透させる段階（“ｓｏａｋｉｎｇ” ｓｔａｇｅ）は、酸化物層の酸素が部材に拡散することを可能にし、不活性ガスの照射乃至射突（ｂｏｍｂａｒｄｍｅｎｔ）が酸化物層の分解乃至分裂（ｄｉｓｒｕｐｔｉｏｎ）を助けるものと理解されている。このプロセスの段階において、酸素分圧は、０乃至１０％であり、好ましくはゼロであり、温度が４００°Ｃ乃至８００°Ｃであり、処理時間が０．３乃至２．０時間であるのが好ましい。

上記の技術の一部または全部をいずれかの組み合わせで用いて、酸化物層の厚さを調整し、或いは酸化物層を完全になくすようにすることができる。

パルス状（断続的）酸素の流入により金属部材を処理し、その後で、不活性ガス中でのプラズマ加熱を行なうことで、別個の酸化物層を完全になくすことができる。例えば、サイクルタイムを２０又は３０分とし、デューティサイクル比を０．２５又は０．５０とし、パルス状（断続的）酸素流入を１６５分行い、その後、アルゴン、又はアルゴン及び窒素の混合ガスでのプラズマ加熱ステップを７５分行う（これにより全処理時間（ｔｏｔａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｉｍｅ）が４時間となる）と、処理された部材が酸化物層を持たない。上記のように、部材の処理された表面を、後に、例えばＰＶＤ及び／又はＣＶＤプロセスにより、被覆することとしても良い。本発明のプロセスにより生成された表面は、特に、該プロセスが、酸化物層が存在しないように行われた場合に、そのような被覆に適していることが分かった。ＰＶＤ及び／又はＣＶＤ被覆は、当業界で公知の技術、例えばＤＣ、ＡＣ又はＲＦを用いて、成膜（ｄｅｐｏｓｉｔ）することができる。被覆プロセスを、同じプロセスチャンバーで、酸化プロセスの直後に、部材を大気にさらすことなく、一段階プロセスで行うことが可能である。代わりに、被覆を別のサイクルで、独立に、二段階プロセスで行うこととしても良い。

酸化プロセスを、そのような硬質セラミクス被覆と組み合わせることで、相乗的効果が得られ、部材の表面の荷重に耐える能力をさらに向上させ、硬化した表面による、被覆と部材の間の弾性及び塑性変形を減らすことができる。

以下、本発明を、図面を参照して説明する。
図６は、寸法が１．０ｍ×１．０ｍ×１．０ｍである、ステンレススチール製のプロセスチャンバー１０（テクバック社（Ｔｅｃｖａｃ Ｌｉｍｉｔｅｄ）が提供するＭｏｄｅｌ Ｎｏ．ＩＰ７０）を示す。このチャンバー内には、処理されるべき部材１２と、熱電子放射手段を構成するタングステンで構成されたフィラメント１４が配置される。

チャンバー１０には、それぞれ、酸素、アルゴン及び窒素を収容している、３つのガスシリンダー２０、２２、２４が流れ制御装置２６を介して接続されている。ＤＣ電源２８により、負のバイアス電圧が部材１２に印加される。同様のＤＣ高電流低電圧電源３０が、フィラメント１４を負にバイアスするために用いられている。フィラメント１４にはまた、ヒータ電源３２が接続されている。チャンバー１０にはさらに、輻射ヒータ３４、３６が配置される。

プロセスでは、３つの電気要素（部材、熱電子放射手段、及びチャンバーの内部（内壁）が用いられるので、このプロセスは、便宜上、３極プラズマ酸化（ＴＰＯ）と呼ばれる。使用にあたり、酸素、及び場合によってアルゴンがチャンバー１０に供給され、同時に拡散ポンプ３８を用いることで、チャンバー内の圧力が設定値に維持される。チャンバー１０内部と部材１２の電位差、及びガスの圧力によりグロー放電が起きる。フィラメント１４に、熱電子放射を起こさせるのに十分な電流が流され、熱電子放射により、グロー放電イオンのエネルギーを強化する。

酸素及びアルゴンのイオンは正に帯電しているので、負に帯電した部材に引き寄せられ、その表面と衝突する。チャンバーの温度は、金属の原子が十分振動し、衝突した酸素が金属部材内部に拡散するのを可能にするのに十分なレベルに上げられる。

酸化段階の次にプラズマ加熱段階が行われる。プラズマ加熱段階では不活性ガスのみが導入される。

実施例１： 酸素流入を一定にしたＴＰＯ：プロセス温度の影響

Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖテストディスク（英国の、チタニウムインターナショナル社（Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）から入手）を硬化させるため、ＴＰＯを、３つの異なる温度（６００、６５０、及び７００°Ｃ）で、２４０分間行なった。プロセスの間、酸素流入は、一定に保たれた。アニールされた状態（３８４±２０ＨＫ_０．１）で、厚さが３ｍｍであり、直径が３０ｍｍであり、Ｒａ＝０．０４０±０．００７μｍの表面仕上げまで研磨されたＴｉ−６Ａｌ−４Ｖテストディスクが、アルカリ溶液内で超音波により洗浄され、プロセッシングチャンバー（Ｔｅｃｖａｃ Ｌｉｍｉｔｅｄから入手可能なＩＰ７０ ｃｈａｍｂｅｒ）内に入れられた。

最終的に圧力を５×１０^−３Ｐａより低くした後、アルゴンがチャンバーに、圧力が２．０Ｐａになるまで導入された。これはスパッタクリーンステップを行うためである。被加工物（テストディスク）は、−１０００Ｖにバイアスされ、スパッタクリニーングが５分行われた。

０．５Ｐａのアルゴン内で、被加工物を−２００Ｖにバイアスして、プラズマ加熱ステップを行なった。タングステンフィラメントを−２００Ｖにバイアスした。フィラメントヒータ電流は、電流密度が１．５ｍＡ／ｃｍ^２となるように調整された。処理温度（６００又は６５０又は７００°Ｃ）になるまでプラズマ加熱を行なった。この電流密度値で、補助的加熱（即ち輻射加熱）が不要であった。

プラズマ加熱の後、酸化プロセスが開始された。アルゴン圧力は０．２８Ｐａに再調整され、酸素が、圧力が０．１２Ｐａになるまで導入された。この状態で、全圧が０．４Ｐａであり、ガス組成はアルゴン（Ａｒ）が７０％であり、酸素（Ｏ_２）が３０％であった。被加工物及びフィラメントのバイアスは、ともに−２００Ｖ（プラズマ加熱の間にプリセットされた値）に維持された。フィラメントヒータ電流は、処理の間、被加工物電流が１．５ｍＡ／ｃｍ^２に維持されるように、周期的に調整された。

酸化プロセスの後、処理されたテストディスクは、チャンバーに窒素を、１０^２Ｐａの圧力まで導入することにより、冷却された。テストディスクの温度が２００°Ｃよりも低くなったときに、チャンバー内に、大気圧となるまで（〜１０^５Ｐａ）、さらなる窒素が加えられた。

ＴＰＯを行なっても、処理されていない、研磨されたＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ試料に比べた表面粗さの変化は小さい（図７）。
ＴＰＯ温度に拘わらず、処理の後の表面粗さは極めて小さい（Ｒａ＜０．０６μｍ）。ＴＰＯ温度の上昇にともない、Ｒａの値は若干増加して、７００°Ｃの場合、約０．０５８μｍとなる。ＴＰＯ温度の上昇に伴うＲａの差は、極めて小さく、また図７の値は、ばらつきが少ない。

異なる温度（６００、６５０、７００°Ｃ）でのＴＰＯの後、表面硬さは、処理されていないＴｉ−６Ａｌ−４Ｖに対して、著しく改善が見られた（図８）。ＴＰＯ温度が上昇するに伴い、所与の押込み荷重に対する表面硬さの測定値も上昇した。これはおそらく、酸化物層の厚さの変化に関係している。最も小さい押込み荷重の場合に、高い硬さ値が記録された。これは、硬い酸化物層が存在することを示唆している。大きい押込み荷重（例えば、５００ｇｆ及び１０００ｇｆ）においてもＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ試料を７００°ＣでＴＰＯ処理した試料については、表面硬さにおける大幅な改善が達成された。

本発明の航空機用ベアリング部材は、４００ＨＫ_{０．０２５}（ｋｇｆ ｍｍ^−２）の硬さを有することが好ましい。該硬さは、表面から６０μｍ以内において４００ＨＫを超えることが好ましい。該硬さが、表面から２０μｍ以内において、６００ＨＫを超えることが好都合である。該硬さが、表面から１０μｍ以内において、７００ＨＫを超えることが有利である。本発明の航空機用ベアリング部材は、処理されていないベアリング面に比べて、より硬いベアリング面を提供する。

硬さプロファイルに対するＴＰＯの影響が図９に示されている。２４０分（４時間）という短いプロセス時間の後で、７００°Ｃにおいて、凡そ５０μｍの硬化した層が生じる。ＴＰＯ温度が低下すると、硬化した層の厚さも減少する。例えば、６００°Ｃにおける処理深さは約３０μｍである。

１０００ｇｆまでの荷重に対して、硬さが４００ＨＫを超えるのが好ましい。６００ｇｆまでの荷重に対して硬さが５００ＨＫを超えるのが好都合である。６００ｇｆまでの荷重に対して硬さが６００ＨＫより大きいことが有利である。３００ｇｆまでの荷重に対して硬さが６００ＨＫより大きいことが好ましい。２００ｇｆまでの荷重に対して硬さが８００ＨＫを超えるのが好都合である。１００ｇｆまでの荷重に対して硬さが１０００ＨＫより大きいことが有利である。４０ｇｆまでの荷重に対して硬さが１５００ＨＫと１８００ＨＫの間であることが好ましい。

１０ｋ倍（１０^４倍）で撮られたＳＥＭ顕微鏡写真は、ＴＰＯ温度に拘わらず、ＴＰＯ処理された表面に、密な酸化物層が常に形成されていることを示す（図１０）。ＴＰＯ温度が低下すると、酸化物層の厚さも減少する。ＴＰＯの温度が７００°Ｃ、６５０°Ｃ、６００°Ｃであるときに、酸化物層の厚さは、それぞれ、０．７〜０．８μｍ、０．２〜０．３μｍ、０．１〜０．２μｍである。

照角Ｘ線回折（ｇｌａｎｃｉｎｇ ａｎｇｌｅ ＸＲＤ）データもまた、ＴＰＯ温度とともに、酸化物層構造が変化することを示す。６００°Ｃにおいて、酸化物層は、アナターゼ型ＴｉＯ_２及びルチル型ＴｉＯ_２の混合物から成る。該データは、６５０°Ｃにおいては、６００°Ｃよりも、ルチル型ＴｉＯ_２の方が多いけれども、アナターゼ型ＴｉＯ_２及びルチル型ＴｉＯ_２の混合物が尚も存在することを示す。７００°Ｃにおいては、アナターゼ型ＴｉＯ_２のピークは存在せず、酸化物層が主として、ルチル型ＴｉＯ_２であることを示す。

実施例２： パルス状酸素流入を行なうＴＰＯ、及び不活性ガス中でのプラズマ加熱、又は不活性ガス及び窒素グロー放電による酸化物層の抑制

パルス化／プラズマ加熱条件の影響を調べるために、７００°Ｃにおいて、全部で２４０分となる、４回の試行（ｒｕｎ）が行なわれた。表面硬さが（３８４±２０ＨＫ_０．１）で、表面仕上げがＲａ＝０．０４０±０．００７μｍの、アニールされたＴｉ−６Ａｌ−４Ｖテストディスクが用いられた。各試行のための放電パラメータ（被加工物バイアス電圧、及びフィラメントバイアス電圧、電流密度）は、実施例１のように設定された（それぞれ、−２００Ｖ、−２００Ｖ、１．５ｍＡ／ｃｍ^２）。ＴＰＯの間、全圧は０．４Ｐａであり、アルゴンの分圧及び酸素の分圧はそれぞれ０．２８及び０．１２Ｐａであった。実施例１において、詳しく述べたのと同様に、パルス状ＴＰＯの前に、スパッタクリーニング及びプラズマ加熱も行なわれた。処理の間、酸素流入を一定とする代わりに、その流入が周期的にパルス化された。一方、アルゴンの流入は一定とされた。このパルス化されたＴＰＯ処理の持続時間は、１６５分であった。ＴＰＯの直後に、プラズマ加熱ステップが７００°Ｃで７５分間行なわれた。

ＴＰＯと同様に、プラズマ加熱における圧力は、０．１乃至１．０Ｐａの範囲であり、０．４Ｐａであるのが好ましい。プラズマ加熱の間の被加工物バイアス電圧は、−１００〜−１０００Ｖであり、−２００Ｖとするのが好ましい。表面の粗面化を少なくするためである。フィラメントヒータ電流は、周期的に調整され、被加工物における電流が一定となるようにされた。電流密度は、０．１乃至４．０ｍＡ／ｃｍ^２の範囲内、好ましくは、１．５ｍＡ／ｃｍ^２になるように設定すべきである。プラズマ加熱が極めて低い電流密度で行なわれる場合、処理温度を達成するために、輻射ヒータが必要とされるかも知れない。プラズマ加熱温度及び時間は、それぞれ、例えば、４００乃至８５０°Ｃ、及び０．１乃至１００時間である。

この例において、プラズマ加熱は、７００°Ｃで、全圧０．４Ｐａで、（ｉ）アルゴン、又は（ｉｉ）アルゴン＋窒素放電を用いて行なわれた。アルゴン及び窒素放電においては、ガス組成は、３０％Ａｒ＋７０％Ｎ_２（即ち、アルゴン分圧が０．１２Ｐａで、窒素分圧が０．２８Ｐａ）であった。

プラズマ加熱の間、被加工物及びフィラメントはいずれも−２００Ｖにバイアスされ（ＴＰＯと同じパラメータが用いられ）、フィラメントヒータ電流は、電流密度が１．５ｍＡ／ｃｍ^２となるように調整された。

ＴＰＯにおけるパルス化及びプラズマ加熱の条件は、各処理の試行（ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｒｕｎ）において、表１に示すように、与えられた。

これらの試行において、まず、試料の表面は、トータル１６５分間のＴＰＯにより酸素が拡散されることにより、硬化される。この段階では、試料の表面には、ベアリングへの適用においては無用な、もろい酸化物が形成されている。その後７５分間、アルゴン、或いは窒素とアルゴンの雰囲気中で加熱することで、酸素がより深く拡散されると共に、望ましくない酸化物層（ルチル）が除去される。ここで、特に試行２及び４では加熱が窒素を含む雰囲気中で行なわれるため、処理後の表面は、窒素拡散層が、その下に非常に硬く深い酸素拡散層を伴って形成されている。

図１１に、処理されていないＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ、および各試行において処理された試料の表面粗さを比較して示す。処理により、若干は表面が粗くなるものの、大幅な粗さの変化はみられない。また、図１２に、処理されていないＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ、および各試行において処理された試料の表面からの距離に対するヌープ微小硬さを示す。各試行の処理を行うことにより、処理されていないものに対して、表面近くの硬さが顕著に向上していることがわかる。ベアリングへの適用に当たっては、さらに、疲労特性、磨耗特性、剥離特性、及び製造のしやすさに加えて、コストも加えて考慮し、例示した試行のような条件のバリエーションの中から最良のものを選択することができる。

実施例３：３極プラズマ酸化及びそれに続く被覆成膜（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）

実施例２で詳しく述べたように、パルス化されたＴＰＯに続いて、不活性ガス及び窒素ガス放電によるプラズマ加熱ステップを行なうと、表面に酸化物層を持たない酸素拡散領域を備えたＴＰＯ層が生成される。この構造は、その物品が、ＰＶＤ又はＣＶＤ膜（例えば、窒化物、炭化物（ｃａｒｂｉｄｅｓ）及び窒化炭素（ｃａｒｂｏｎｉｔｒｉｄｅｓ）で被覆される場合には、望ましいかも知れない。酸化された基体（表面に薄い酸化物層を有する）上に、これらの種類の膜が成膜された場合には、被覆の付着力が弱いかも知れないからである。

ＴＰＯ及び被覆成膜の利点を示すため、４回のパルス化ＴＰＯ処理を行ない、その後で、７００°Ｃで、全時間が２４０分のプラズマ加熱（実施例２で説明したの同様）が行なわれ、その後で、厚さが１．６μｍのＰＶＤＴｉＮで被覆された。これは、２サイクルプロセスとして行なわれた。即ち、試料は、最初に一つの反応炉でＴＰＯ処理され、その後で、大気にさらされ、後のＴｉＮ被覆のために、ＰＶＤ炉に入れられた。これらの処理の組み合わせのために、３極プラズマ酸化され、ＴｉＮ−被覆されたＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ物品の、耐荷重容量が向上すると期待される。この二重処理されたＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ試料は、硬い、３０乃至５０μｍの深さの酸素拡散層により、チタン合金基体の弾性及び塑性変形が少なくされるため、確実により大きい荷重に耐えることができると予想される。

荷重の増加レートを１０Ｎ／分、テーブル速度を１０ｍｍ／分、予荷重を５Ｎとして、スクラッチ付着試験が行なわれた。スクラッチ試験の結果（図１３）は、表面に酸化物層を持たないＴＰＯ層（パルス化されたＴＰＯの試行１、２、３、４）上に、ＴｉＮを成膜した場合、高い臨界荷重が得られることを示す。ここで、ＬＣ１は初期のチッピングによる剥離が生じる点、ＬＣ２は光学顕微鏡により確認できる剥離が生じる点、ＬＣ３はアコースティックエミッション信号が急激に立ち上がる点を表す。これらの表現は、スクラッチ試験で一般的に用いられるものである。一方、表面にルチル型ＴｉＯ_２の酸化物層（実施例１参照）を有する、通常のＴＰＯ（即ち、酸素流入が一定）を行なったＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ上のＴｉＮは、５Ｎの予荷重で、付着性が確認できなかった。処理されていないＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ上のＴｉＮの第１の破損モード（ｆｉｒｓｔ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅ）は、十分な付着性の欠如によるものである（ＬＣ１値が全く記録されていない）。即ち、ＴｉＮと処理されていないＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の界面で剥離が起こった。表面の酸化物層を持たないＴＰＯ上のＴｉＮ（試行１、２、３、４）は、二重プロセスを行っていない（処理されていないＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金上のＴｉＮ）場合よりも、著しく高い臨界荷重を示す。この結果は、
（ｉ） 表面の酸化物層を持たない、硬化した（ＴＰＯ処理された）Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ基体上に、ＴｉＮ被覆を成膜すると、より良好な被覆／基体付着力が達成できること、及び
（ｉｉ） 表面に酸化物層を持たない、ＴＰＯ処理されたＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ上のＴｉＮは、二重処理を行なわないもの（処理されていないＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ上のＴｉＮ）よりも、高い耐荷重容量を呈すること
を示す。

本発明の航空機用ベアリング部材は、公知の航空機用ベアリングよりも、対磨耗性が良好であり、従って、公知の航空機用ベアリングよりも寿命が長く、交換が必要となる前に、より長く使用することができ、或いはより重い荷重に耐えることができる。

本明細書及び特許請求の範囲において、用語「備える」、「有する」などの文言及びその変形は、特定された特徴、ステップ或いは構成要素が含まれることを意味する。これらの用語は、他の特徴、ステップ、構成要素の存在を排除するものとして解すべきではない。

上記の記載及び以下の特許請求の範囲、並びに添付の図面に開示された特徴は、
特定の形態、開示された機能を行なう手段という文言による表現、或いは、開示された結果を得るための方法又はプロセスとして記載された特徴は、適切である限り、個別に、或いは組合せて用いることが可能であり、それにより、本発明が種々の形で実施可能である。

１ ベアリング装置、 ２ ハウジング、 ３ ボール、 ４ ベアリング面、 ５ ベアリング面、 ６ 中空、 ７ 非鉄金属構造、 ８ 酸素拡散層、 ９ 窒素拡散領域、 １００ 被覆、 １０１ 第１被覆層、 １０２ 第２被覆層。

Claims (8)

1. 非鉄金属を主要成分とする航空機用ベアリング部材であって、
   その表面の近くに酸素拡散領域を有し、
   上記表面上又は表面内に窒素拡散領域をさらに有し、
   上記窒素拡散領域の少なくとも一部が、上記酸素拡散領域の少なくとも一部と侵入しあっており、
   上記表面に被覆が設けられてベアリング面を提供し、
   上記被覆が窒化チタン、窒化クロム、タングステンカーバイドグラファイト、窒化チタンアルミニウム及び窒化クロムアルミニウムの少なくとも一つを含み、
   上記拡散領域の深さが、２１μｍ乃至１００μｍの範囲内にある
   ことを特徴とする航空機用ベアリング部材。
2. 上記被覆の厚さが、０．１μｍ乃至５０μｍの範囲内にある
   ことを特徴とする請求項１に記載の航空機用ベアリング部材。
3. 上記被覆が、第１の被覆層と、上記第１の被覆層の上に設けられた第２の被覆層とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の航空機用ベアリング部材。
4. 上記第１の被覆層の材料は、窒化クロム、窒化チタン及び窒化クロムアルミニウムのいずれかであり、上記第２の被覆層の材料は、タングステンカーバイドグラファイトである
   ことを特徴とする請求項３に記載の航空機用ベアリング。
5. 上記第１の被覆層の材料が窒化クロムアルミニウムであり、
   上記第２の被覆層の材料がタングステンカーバイドグラファイトである
   ことを特徴とする請求項３に記載の航空機用ベアリング部材。
6. 非鉄金属を主要成分とする航空機用ベアリング部材であって、
   その表面の近くに酸素拡散領域を有し、
   上記表面に被覆が設けられてベアリング面を提供し、
   上記被覆が、第１の被覆層と、上記第１の被覆層の上に設けられた第２の被覆層とを有し、
   上記第１の被覆層の材料が窒化クロムアルミニウムであり、
   上記第２の被覆層の材料がタングステンカーバイドグラファイトである
   ことを特徴とする航空機用ベアリング部材。
7. 上記表面上又は表面内に窒素拡散領域をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の航空機用ベアリング部材。
8. ハウジングと、上記ハウジング内に保持されたボールとを備え、上記ハウジング及びボールの少なくとも一方が、請求項１乃至７のいずれかに記載の航空機用ベアリング部材を備えることを特徴とする航空機用ベアリング装置。

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