JP5934972B2 - Lubricationless sliding member - Google Patents

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Description

本発明は、無潤滑摺動部材に係り、特に、長期に亘って摺動しても初期性能が維持され、摩耗が少ない無潤滑摺動部材に関する。   The present invention relates to a non-lubricated sliding member, and more particularly, to a non-lubricated sliding member that maintains initial performance even when slid over a long period of time and has little wear.

航空機分野等において用いられる摺動部材には、軽量化および高耐久性が求められており、そのような摺動部材として、無潤滑で用いられる無潤滑摺動部材が知られている。   A sliding member used in the aircraft field or the like is required to be lightweight and highly durable. As such a sliding member, a non-lubricating sliding member used without lubrication is known.

公知の無潤滑摺動部材として、ポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFEと略称する場合がある)系ファブリックライナーを有する無潤滑摺動部材が知られている。この無潤滑摺動部材は、PTFE系ファブリックライナーを熱硬化性接着剤により基材の表面に貼り付けた部材と、PTFE系ファブリックライナー面と対向して接する相手材とを組み合わせたものである。   As a known non-lubricating sliding member, a non-lubricating sliding member having a polytetrafluoroethylene (hereinafter sometimes abbreviated as PTFE) -based fabric liner is known. This non-lubricating sliding member is a combination of a member in which a PTFE fabric liner is attached to the surface of a base material with a thermosetting adhesive and a counterpart material that is in contact with and faces the PTFE fabric liner surface.

PTFE系ファブリックライナーを有する摺動部材においては、長期間の使用中に相手材表面に傷等の損傷が生じる。そのメカニズムについては十分解明されていないが、その損傷の程度が許容範囲を超えるとPTFE系ファブリックライナー自身の破壊が生じて動摩擦係数の増加により、球面軸受においてはトルクが不安定化し、その後ライナー自身の摩滅の進行により短期間で摺動部材として機能しなくなり、寿命に至る。   In a sliding member having a PTFE-based fabric liner, damage such as scratches occurs on the surface of the counterpart material during long-term use. Although the mechanism has not been fully elucidated, if the degree of damage exceeds the allowable range, the PTFE fabric liner itself breaks down and the dynamic friction coefficient increases, causing the torque to become unstable in the spherical bearing, and then the liner itself Due to the progress of wear, it will not function as a sliding member in a short period of time, leading to a lifetime.

そのため、より長い寿命を達成できるPTFE系ファブリックライナー面と接する相手材の選択が課題となっており、このような相手材として従来、ステンレス、チタン合金、あるいはそれらに表面処理を施したものが用いられている。   For this reason, selection of a mating material in contact with the PTFE-based fabric liner surface that can achieve a longer life has been an issue. Conventionally, stainless steel, titanium alloys, or those that have been surface-treated are used as such mating materials. It has been.

特に、航空宇宙、深海探査、化学プラントなどの諸分野で使用されているチタン合金は、比強度が高く、耐食性に優れているため、PTFE系ファブリックライナー面と接する相手材としても好適であると考えられている。   In particular, titanium alloys used in various fields such as aerospace, deep sea exploration, and chemical plants have high specific strength and excellent corrosion resistance, and are therefore suitable as counterpart materials that come into contact with PTFE-based fabric liner surfaces. It is considered.

例えば、このような相手材としてチタン合金を用いた例として、PTFE系ファブリックライナーを凹球面状のすべり面に有する外部保持具と、凸球面状のすべり面にTiAlN化合物の薄膜層を有する内部保持具とからなる球面軸受が開示されている(例えば、特許文献1参照)。   For example, as an example of using a titanium alloy as such a counterpart material, an external holder having a PTFE-based fabric liner on a concave spherical sliding surface, and an internal holding having a thin film layer of TiAlN compound on the convex spherical sliding surface A spherical bearing made of a tool is disclosed (for example, see Patent Document 1).

しかしながら、相手材にTiAlN化合物をコーティングしたチタン合金を用いた場合でも、航空機分野等で使用するには、PTFE系ファブリックライナーからの損傷に長期間耐えるには必ずしも十分とはいえなかった。   However, even when a titanium alloy coated with a TiAlN compound is used as a counterpart material, it is not always sufficient to withstand damage from a PTFE-based fabric liner for a long period of time for use in the aircraft field or the like.

また、比強度に優れた他のチタン合金複合材料として、炭素と反応して炭化物を生成するSi、Cr、Tiなどの元素およびその炭化物を含む層で被覆されたカーボンナノチューブ(以下、CNTと略称する場合がある)がチタン合金の結晶粒内に分散されていることを特徴とするチタン合金複合材料が開示されている(例えば、特許文献2参照)。   Further, as another titanium alloy composite material excellent in specific strength, carbon nanotubes (hereinafter abbreviated as CNT) coated with a layer containing an element such as Si, Cr, Ti, etc. that reacts with carbon to form carbides and the carbides. In other words, a titanium alloy composite material is disclosed in which the titanium alloy composite material is dispersed in the crystal grains of the titanium alloy (see, for example, Patent Document 2).

このようなチタン合金複合材料は、炭化物を含む層で被覆されたCNTをチタン合金粉末表面に固定させた後、その粉末を加熱して焼結させることによって得ることができ、引張強度、ヤング率、靭性、硬さなどの機械的強度が従来のチタン合金よりも優れているとされている。しかしながら、その摺動特性はよく知られていない。   Such a titanium alloy composite material can be obtained by fixing CNTs coated with a carbide-containing layer on the surface of the titanium alloy powder, and then heating and sintering the powder to obtain tensile strength, Young's modulus. It is said that mechanical strength such as toughness and hardness is superior to conventional titanium alloys. However, its sliding characteristics are not well known.

特開2005−30492号公報JP 2005-30492 A 特開2007−70697号公報JP 2007-70697 A

本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、無潤滑で用いられるPTFE系ファブリックライナーを摺動面に有する摺動部材において、軽量であり、かつ、摺動の際に、摩擦抵抗が少なく、PTFE系ファブリックライナーの摩耗や摺動による表面傷が発生し難く、長期に亘って摺動しても初期性能が維持される長寿命な無潤滑摺動部材を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above situation, and is a lightweight sliding member having a PTFE-based fabric liner used without lubrication on a sliding surface, and has a frictional resistance when sliding. An object of the present invention is to provide a long-life, non-lubricating sliding member that is less prone to surface scratches due to wear and sliding of PTFE-based fabric liners and that maintains initial performance even when sliding over a long period of time. .

発明者らは、PTFE系ファブリックライナーに対する摺動特性について鋭意研究した結果、PTFE系ファブリックライナーが摺動する際の相手材としてβリッチα+βチタン合金にCNTを添加したチタン合金複合材料を用いると極めて低い動摩擦係数を示し、長時間の連続摺動に耐えうることを突き止めた。   As a result of intensive research on the sliding characteristics with respect to the PTFE-based fabric liner, the inventors have found that when a titanium alloy composite material in which CNT is added to a β-rich α + β titanium alloy is used as a counterpart material when the PTFE-based fabric liner slides, It showed a low coefficient of dynamic friction and was able to withstand long-term continuous sliding.

すなわち、本発明の無潤滑摺動部材は、互いに接触しながら相対的に滑り運動を行う一対の摺動面を有し、一方の摺動面をポリテトラフルオロエチレン系ファブリックライナーとし、もう一方の摺動面をチタン合金にカーボンナノチューブを添加したチタン合金複合材料とした無潤滑摺動部材であって、前記チタン合金が、βリッチα+βチタン合金であることを特徴としている。 That is, the non-lubricated sliding member of the present invention has a pair of sliding surfaces that relatively slide while in contact with each other, one sliding surface being a polytetrafluoroethylene fabric liner, and the other A non-lubricating sliding member having a sliding surface made of a titanium alloy composite material obtained by adding carbon nanotubes to a titanium alloy , wherein the titanium alloy is a β-rich α + β titanium alloy .

本発明においては、チタン合金に炭化タングステンのナノ粒子がさらに添加されていることを好ましい態様としている。   In this invention, it is set as the preferable aspect that the tungsten carbide nanoparticle is further added to the titanium alloy.

また、本発明においては、チタン合金複合材料は、その金属組織において前記カーボンナノチューブが微細な球状炭化チタンとして分布していることを特徴とする。 In the present invention, the titanium alloy composite material is characterized in that the carbon nanotubes are distributed as fine spherical titanium carbide in the metal structure .

本発明においては、一方の摺動面がポリテトラフルオロエチレン系ファブリックライナーを円筒状の内周面または外周面に固着して形成された摺動面であり、前記もう一方の摺動面が円筒状の外周面または内周面であることを好ましい態様としている。 In the present invention, one sliding surface is a sliding surface formed by fixing a polytetrafluoroethylene fabric liner to a cylindrical inner peripheral surface or outer peripheral surface, and the other sliding surface is a cylindrical surface. The outer peripheral surface or the inner peripheral surface is a preferred embodiment.

本発明においては、無潤滑摺動部材が、ポリテトラフルオロエチレン系ファブリックライナーを内周面に固着して形成した凹球面状の第1の摺動面を有する第1の部材と、この第1の部材によって保持され且つ第1の摺動面と接触しながら相対的に滑り運動を行うことが可能なチタン合金複合材料からなる凸球面状の第2の摺動面を有する第2の部材とを有する無潤滑球面滑り軸受であることを好ましい態様としている。   In the present invention, the non-lubricated sliding member includes a first member having a concave spherical first sliding surface formed by fixing a polytetrafluoroethylene-based fabric liner to the inner peripheral surface, and the first member. A second member having a convex second spherical sliding surface made of a titanium alloy composite material which is held by the member and capable of relatively sliding while being in contact with the first sliding surface; A preferred embodiment is a non-lubricated spherical plain bearing.

本発明の複合材料の母材のチタン合金は軽量、高強度で耐食性に優れており、粉末冶金法と熱間塑性加工法を組み合わせた特殊な製造プロセスによりCNTおよびCNTと母材チタンとの反応で生じた微細な炭化チタン球状粒子がマトリックス中に分散することで材料自体に優れた機械的特性が付与される。さらに、適切な時効処理によって母材硬さを高めることが可能である。また、第2相粒子として炭化タングステン(WC)やダイヤモンドのナノ粒子を微量添加して強度・硬さをさらに高めることも可能である。そのため、特段に本複合材料に対して表面硬化処理を施さなくてもPTFE系ファブリックライナーとの組み合わせによって軽量、長寿命な摺動部材を得ることができる。   The titanium alloy of the base material of the composite material of the present invention is lightweight, high strength and excellent in corrosion resistance, and the reaction of CNT and CNT with the base material titanium by a special manufacturing process combining powder metallurgy and hot plastic working methods. The fine titanium carbide spherical particles produced in 1) are dispersed in the matrix, so that excellent mechanical properties are imparted to the material itself. Furthermore, the base material hardness can be increased by an appropriate aging treatment. Further, it is possible to further increase the strength and hardness by adding a small amount of tungsten carbide (WC) or diamond nanoparticles as the second phase particles. Therefore, a sliding member having a light weight and a long life can be obtained by combining with the PTFE-based fabric liner even if the composite material is not subjected to surface hardening treatment.

実施例1における試験方法を示す模式図である。2 is a schematic diagram showing a test method in Example 1. FIG. 本発明の開発材および比較材における摩耗試験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the abrasion test result in the developed material and comparative material of this invention. 本発明の開発材および比較材における摩耗試験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the abrasion test result in the developed material and comparative material of this invention. 摩耗試験後の試験片(CNTチタン合金複合材料)の摺動面状態を示す光学顕微鏡写真であり、(a)はディスクの研削方向に直交方向、(b)は研削方向に平行方向、(c)はリングである。It is an optical microscope photograph which shows the sliding surface state of the test piece (CNT titanium alloy composite material) after an abrasion test, (a) is orthogonal to the grinding direction of a disk, (b) is parallel to the grinding direction, (c ) Is a ring. 摩耗試験後の試験片(DHA1)の摺動面状態を示す光学顕微鏡写真であり、(a)はディスクの研削方向に直交方向、(b)は研削方向に平行方向、(c)はリングである。It is an optical microscope photograph which shows the sliding surface state of the test piece (DHA1) after an abrasion test, (a) is orthogonal to the grinding direction of the disk, (b) is parallel to the grinding direction, and (c) is a ring. is there. 実施例2の説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram of Example 2. 球状化TiC微粒子の分散状況を示す電子顕微鏡写真である。It is an electron micrograph showing the dispersion state of spheroidized TiC fine particles.

以下、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
本発明の無潤滑摺動部材は、互いに接触しながら相対的に滑り運動を行う一対の摺動面を有し、一方の摺動面をPTFE系ファブリックライナーとし、もう一方の摺動面をチタン合金、好ましくはβリッチα+βチタン合金にCNTを添加したチタン合金複合材料(以下、CNT−Ti合金と略称する場合がある)としたことを特徴としている。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.
The non-lubricated sliding member of the present invention has a pair of sliding surfaces that relatively slide while in contact with each other, one sliding surface is a PTFE fabric liner, and the other sliding surface is titanium. It is characterized by being an alloy, preferably a titanium alloy composite material in which CNT is added to a β-rich α + β titanium alloy (hereinafter sometimes abbreviated as CNT-Ti alloy).

本発明の摺動部材においては、任意の金属材料の表面にフェノール樹脂を介してPTFE系ファブリックライナーを接着してなる部材と、CNT−Ti合金からなる相手部材との組み合わせからなり、PTFE系ファブリックライナーの表面がCNT−Ti合金の表面を摺動する。これら両部材を備えていれば任意の摺動箇所に適用することができ、たとえば、球面軸受における内輪と外輪の組合せが考えられる。   The sliding member of the present invention comprises a combination of a member formed by adhering a PTFE fabric liner to the surface of an arbitrary metal material via a phenol resin and a mating member made of a CNT-Ti alloy. The surface of the liner slides on the surface of the CNT-Ti alloy. If these two members are provided, the present invention can be applied to any sliding part. For example, a combination of an inner ring and an outer ring in a spherical bearing is conceivable.

本発明のβリッチα+βチタン合金にCNTを添加した複合材料とPTFE系ファブリックライナーを組み合わせた摺動部材であって、複合材料には特段表面硬化処理を施さずに素材をそのまま使用する。本複合材料は粉末冶金法と塑性加工法を組み合わせた特殊なプロセスにより製造され、チタン系素材でありながら熱処理後に十分な硬さ(〜53HRC)を有し、表面硬化処理等を施すことなくPTFE系ファブリックライナーに対して非常に低く安定した動摩擦係数(〜0.02)が長期にわたって持続することが明らかとなった。その結果、摩耗量が極わずかで、長期にわたって高い寸法精度が維持でき、長寿命化が達成できる。   The sliding member is a combination of a composite material obtained by adding CNT to the β-rich α + β titanium alloy of the present invention and a PTFE fabric liner, and the raw material is used as it is without being subjected to special surface hardening treatment. This composite material is manufactured by a special process that combines powder metallurgy and plastic working, and has sufficient hardness (~ 53HRC) after heat treatment even though it is a titanium-based material, and without PTFE treatment, etc. It has been found that a very low and stable dynamic friction coefficient (˜0.02) persists over a long period of time for fabric based liners. As a result, the amount of wear is extremely small, high dimensional accuracy can be maintained over a long period of time, and a long life can be achieved.

PTFE系ファブリックライナーを有する摺動部材においては、相手材の摩耗が進行し、ある限界点を超えるとライナー側が急速に摩耗し寿命にいたるため、摩耗しにくい相手材の選択が求められる。チタン合金については、既存の合金では十分な硬度が得られないため、浸炭窒化処理やTiAlN等の表面コーティング処理が不可欠とされるが、母材に十分な硬度が無いため厚膜が必要で剥離、チッピング等の課題を有していた。本複合材料は素材のままで十分な耐久性を有するため、表面処理は不要である。また、更なる耐久性の向上を求めて表面処理を施す場合でも母材が十分な硬度を有するため、硬質皮膜との相性も良い。   In a sliding member having a PTFE fabric liner, the wear of the mating material progresses, and when a certain limit is exceeded, the liner side wears rapidly and reaches the end of its life. For titanium alloys, sufficient hardness cannot be obtained with existing alloys, so carbonitriding treatment and surface coating treatment such as TiAlN are indispensable. , Had problems such as chipping. Since this composite material has sufficient durability as it is, the surface treatment is unnecessary. Further, even when surface treatment is performed in order to further improve durability, the base material has sufficient hardness, and thus compatibility with a hard coating is good.

本発明は、特に軽量化が求められる航空機器分野等において無潤滑で使用される軸受として、その他軽量化やメンテナンスフリーが求められる用途に有効である。   The present invention is particularly effective for applications that require weight reduction and maintenance-free as bearings that are used without lubrication in the field of aircraft equipment that requires weight reduction.

ポリテトラフルオロエチレン系ファブリックライナー
本発明のPTFE系ファブリックライナーはテフロン(登録商標)ライナーとも呼ばれ、PTFE繊維をバックアップ材(強化材)と混紡して織物状(ファブリック状)にし、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂を含浸させたライナーである。低い摩擦係数と高い機械的強度を併せ持つため、無潤滑条件で高い面圧(静荷重下で482N/mm { 49.2kgf/mm} まで、低速揺動下では220〜275N/mm { 22.5〜28.1kgf/mm } まで)に耐えることができ、航空機用滑り軸受などに使用されている。
Polytetrafluoroethylene-based fabric liner The PTFE- based fabric liner of the present invention is also referred to as a Teflon (registered trademark) liner, and PTFE fibers are blended with a back-up material (reinforcing material) to form a woven fabric (fabric), such as a phenol resin. A liner impregnated with a thermosetting resin. Since it has both a low coefficient of friction and high mechanical strength, it has a high surface pressure under non-lubricated conditions (up to 482 N / mm 2 {49.2 kgf / mm 2 } under static load, 220 to 275 N / mm 2 { 22.5 to 28.1 kgf / mm 2 }) and is used for aircraft plain bearings and the like.

このPTFE系ファブリックライナーは、熱硬化性接着剤を用いて、金属面に接着させて使用される。   This PTFE-based fabric liner is used by being bonded to a metal surface using a thermosetting adhesive.

バックアップ材としては、ガラス繊維やポリエステル繊維(商品名:ダクロン:デュポン社)、ポリアミド繊維(商品名:ノメックス:デュポン社)などの合成繊維を用いることが出来る。   As the backup material, synthetic fibers such as glass fiber, polyester fiber (trade name: Dacron: DuPont), polyamide fiber (trade name: Nomex: DuPont) can be used.

チタン合金複合材料
本発明の摺動部材のうち、上記PTFE系ファブリックライナーと接触して摺動する部材は、チタン合金にCNTを添加したチタン合金複合材料であり、この複合材料は、炭素と反応して炭化物を生成する元素およびその炭化物を含む層で被覆されたCNTを、チタン合金の結晶粒内に分散させてなるものである。すなわち、CNTを覆う層は、上記元素とCNTの一部が反応して生成された炭化物と、未反応元素とから構成されている。そして、この層が、複合化の際にCNTとチタンとの反応を抑制する層として機能し且つチタン合金との濡れ性を高めるため、複合化後もCNTが有する補強材としての性能が維持されている。さらに、本発明では、このように被覆されたCNTを結晶粒内に分散させることで、引張り強度、ヤング率、靱性、硬さなどの機械的強度を著しく向上させることができる。なお、本発明において、CNTがチタン合金の結晶粒内に分散されている状態とは、塑性加工時の塑性流動により、チタン合金の微結晶粒内にCNTの少なくとも一部が適度な分散性を保ちながら取り込まれた状態をいう。
Titanium alloy composite material Among the sliding members of the present invention, the member that slides in contact with the PTFE fabric liner is a titanium alloy composite material obtained by adding CNT to a titanium alloy, and this composite material reacts with carbon. Thus, an element that generates carbide and CNT covered with a layer containing the carbide are dispersed in the crystal grains of the titanium alloy. That is, the layer covering the CNTs is composed of carbides generated by the reaction of the above elements with a part of the CNTs, and unreacted elements. And since this layer functions as a layer that suppresses the reaction between CNT and titanium at the time of compounding and enhances the wettability with the titanium alloy, the performance as a reinforcing material possessed by CNT is maintained even after compounding. ing. Furthermore, in the present invention, the mechanical strength such as tensile strength, Young's modulus, toughness, and hardness can be remarkably improved by dispersing the coated CNTs in the crystal grains. In the present invention, the state in which the CNTs are dispersed in the crystal grains of the titanium alloy means that at least a part of the CNTs has an appropriate dispersibility in the microcrystal grains of the titanium alloy due to plastic flow during plastic processing. The state of being captured while keeping.

本発明におけるCNTとしては、その繊維径、繊維長、形状などは特に限定されず、一般に補強材として用いられている従来公知のものを制限なく用いることができる。CNTは、気相成長法、アーク放電法、レーザー蒸発法などで生成される単層CNTや多層CNTを挙げることができる。補強材としての性能およびチタン合金中における分散性を更に向上させる観点から、カーボンナノチューブの繊維径は2nm〜80nmおよび繊維長は1μm〜100μmであることが好ましい。なお、チタン複合材料中のCNTの繊維径、繊維長および形状は、超高分解能FE−SEMや透過型電子顕微鏡による組織観察によって測定することができる。   The CNTs in the present invention are not particularly limited in fiber diameter, fiber length, shape, etc., and conventionally known CNTs generally used as reinforcing materials can be used without limitation. Examples of CNTs include single-walled CNTs and multilayered CNTs produced by vapor deposition, arc discharge, laser evaporation, and the like. From the viewpoint of further improving the performance as a reinforcing material and the dispersibility in the titanium alloy, the fiber diameter of the carbon nanotube is preferably 2 nm to 80 nm and the fiber length is preferably 1 μm to 100 μm. In addition, the fiber diameter, fiber length, and shape of CNT in the titanium composite material can be measured by microstructure observation with an ultrahigh resolution FE-SEM or a transmission electron microscope.

また、CNTの含有量は、チタン合金複合材料に対して、好ましくは、0.1質量%〜10質量%、更に好ましくは、0.2質量%〜5.0質量%、最も好ましくは、0.4質量%〜3.0質量%である。CNTの含有量が上記範囲内であれば、機械的特性を更に向上させることができる。なお、チタン複合材料中のCNTの含有量は、超高分解能FE−SEMや透過型電子顕微鏡による形態観察と元素分析および「JIS H 1617 チタン及びチタン合金中の炭素定量方法」に従って分析することによって測定することができる。   Further, the content of CNT is preferably 0.1% by mass to 10% by mass, more preferably 0.2% by mass to 5.0% by mass, and most preferably 0% with respect to the titanium alloy composite material. .4 mass% to 3.0 mass%. If the content of CNT is within the above range, the mechanical properties can be further improved. In addition, the content of CNT in the titanium composite material is analyzed by morphological observation and elemental analysis using an ultra-high resolution FE-SEM or a transmission electron microscope and analysis according to “JIS H 1617 carbon determination method in titanium and titanium alloy”. Can be measured.

本発明において、CNTを被覆する元素は、炭素と反応して炭化物を生成するものであれば特に限定されないが、ケイ素、クロム、チタン、バナジウム、タンタル、モリブデン、ジルコニウム、ホウ素およびカルシウムから成る群から選択される少なくとも1種であることが好ましく、ケイ素およびクロムから選択される少なくとも1種であることが更に好ましい。上記で例示した元素は、その炭化物がチタン合金との親和性に優れるため、機械的特性を更に向上させることができる。   In the present invention, the element that coats the CNT is not particularly limited as long as it reacts with carbon to produce a carbide, but from the group consisting of silicon, chromium, titanium, vanadium, tantalum, molybdenum, zirconium, boron, and calcium. It is preferably at least one selected, and more preferably at least one selected from silicon and chromium. The elements exemplified above can further improve the mechanical properties because the carbides are excellent in affinity with the titanium alloy.

また、CNTを被覆する、上記元素およびその炭化物を含む層の厚さは、チタン合金中への分散強化による機械的強度を更に向上させる観点から、好ましくは、少なくとも0.5nm、更に好ましくは、2nm〜50nmであり、特に、0.5nm〜10nmとすることが好ましい。なお、超高分解能FE−SEMまたは透過型電子顕微鏡による組織観察によって、CNTが上記元素およびその炭化物を含む層により被覆されているか否かを確認することができる。   Further, the thickness of the layer containing the above element and its carbide covering CNT is preferably at least 0.5 nm, more preferably from the viewpoint of further improving the mechanical strength by dispersion strengthening in the titanium alloy. It is preferably 2 nm to 50 nm, and particularly preferably 0.5 nm to 10 nm. Note that it is possible to confirm whether or not the CNT is covered with a layer containing the above element and its carbide by observing the structure with an ultrahigh resolution FE-SEM or a transmission electron microscope.

次に、本発明のチタン合金複合材料の製造方法について説明する。
本発明によるチタン合金複合材料の製造方法は、炭素と反応して炭化物を生成する元素およびその炭化物を含む層でCNTを被覆するCNT被覆工程、チタン合金粉末の表面にCNTを固定化するCNT固定化工程、CNTが固定されたチタン合金粉末を焼結させる焼結工程、およびチタン合金の結晶粒内にCNTを分散させるCNT分散工程を含むことを特徴とする。
Next, the manufacturing method of the titanium alloy composite material of this invention is demonstrated.
The method for producing a titanium alloy composite material according to the present invention includes a CNT coating step of coating CNTs with an element that reacts with carbon to generate carbides and a layer containing the carbides, and CNT fixation for fixing CNTs on the surface of the titanium alloy powder And a CNT dispersion step of dispersing the CNTs in the crystal grains of the titanium alloy.

(1)CNT被覆工程
本発明におけるCNT被覆工程は、炭素と反応して炭化物を生成する元素およびその炭化物を含む層でCNTを被覆する工程である。この工程では、まず、CNTと、炭素と反応して炭化物を生成する元素からなる粉末とが、攪拌混合機などを備えた混合容器内に投入され、15分〜30分間程度混合される。また、ここで使用する粉末は、炭素と反応して炭化物を生成する元素からなるものであればよく、好ましくは、ケイ素、クロム、チタン、バナジウム、タンタル、モリブデン、ジルコニウム、ホウ素およびカルシウムからなる群から選択される少なくとも1種である。また、粉末の粒子形状や平均粒径は特に限定されるものではないが、10μm〜50μm以下の平均粒径を有する粉末を用いることでCNTの分散性を更に向上させることができる。
(1) CNT coating step The CNT coating step in the present invention is a step of coating CNT with an element that reacts with carbon to generate carbide and a layer containing the carbide. In this step, first, CNT and powder made of an element that reacts with carbon to produce a carbide are put into a mixing container equipped with a stirring mixer and the like and mixed for about 15 to 30 minutes. Further, the powder used here may be any element that is made of an element that reacts with carbon to form a carbide, and preferably, a group consisting of silicon, chromium, titanium, vanadium, tantalum, molybdenum, zirconium, boron, and calcium. Is at least one selected from The particle shape and average particle size of the powder are not particularly limited, but the dispersibility of CNTs can be further improved by using a powder having an average particle size of 10 μm to 50 μm or less.

次に、混合容器から取り出された混合物は、内部と外部との通気が可能な非密閉型容器内に充填される。この非密閉型容器を、密閉炉体と、密閉炉体の内部を加熱するための加熱手段と、密閉炉体の内部を真空にする真空ポンプとを備えた真空炉内に設置する。その後、真空ポンプにより密閉炉体の内部を真空状態に維持しつつ、加熱手段により密閉炉体内を加熱して、炭素と反応して炭化物を生成する元素からなる粉末を昇華させる。そして、この蒸気はCNTと接触して、CNTの表面を覆う層を形成する。この層は、昇華した元素の一部がCNTと反応して生成された炭化物と、未反応元素とから構成されている。ここでの真空度、加熱温度、加熱時間等の条件は、使用する粉末の種類に応じて適宜設定すればよいが、製造コストとCNT表面を覆う層の品質とのバランスを考慮すると、例えば、真空度1×10−2Pa〜1×10−3Pa、加熱温度1100℃ 〜1500℃、加熱時間5時間〜10時間とすればよい。また、昇温速度および降温速度は、特に限定されるものではないが、100℃/h〜200℃/hであることが好ましい。 Next, the mixture taken out from the mixing container is filled into a non-sealed container capable of aeration between the inside and the outside. This non-sealed container is installed in a vacuum furnace provided with a sealed furnace body, a heating means for heating the inside of the sealed furnace body, and a vacuum pump for evacuating the inside of the sealed furnace body. Thereafter, while the inside of the closed furnace body is maintained in a vacuum state by a vacuum pump, the closed furnace body is heated by a heating means to sublimate a powder made of an element that reacts with carbon to generate a carbide. And this vapor | steam contacts CNT and forms the layer which covers the surface of CNT. This layer is composed of a carbide generated by a part of the sublimated element reacting with CNT and an unreacted element. Conditions such as the degree of vacuum, heating temperature, and heating time here may be appropriately set according to the type of powder to be used, but considering the balance between the manufacturing cost and the quality of the layer covering the CNT surface, The degree of vacuum may be 1 × 10 −2 Pa to 1 × 10 −3 Pa, the heating temperature may be 1100 ° C. to 1500 ° C., and the heating time may be 5 hours to 10 hours. Further, the temperature increase rate and the temperature decrease rate are not particularly limited, but are preferably 100 ° C./h to 200 ° C./h.

このようにしてCNTを上記元素で被覆しておくことで、CNTをチタン合金と複合化する際にCNTとチタンとの反応を抑制することができる。   Thus, by coating CNT with the said element, when CNT is compounded with a titanium alloy, reaction of CNT and titanium can be suppressed.

(2)CNT固定化工程
本発明におけるCNT固定化工程は、上述したCNT被覆工程で得られたCNTをチタン合金粉末の表面に固定化する工程である。この工程では、まず、CNT被覆工程で得られたCNTが、チタン合金粉末と混合される。CNTとチタン合金粉末との混合割合は、特に限定されるものではないが、母材となるチタン合金の機械的特性を更に向上させる観点から、好ましくは、0.1質量%〜10質量%、更に好ましくは、0.2質量%〜3.0質量%、最も好ましくは、0.4質量%〜1.0質量%のCNTが混合物中に含まれるようにすることが望ましい。また、ここで使用するチタン合金粉末としては、α型(例えば、Ti−O、Ti−5Al−2.5Snなど)、ニアα型(例えば、Ti−6Al−5Zr−0.5Mo−0.2Si、Ti−5.5Al−3.5Sn−3Zr−0.3Mo−1Nb−0.3Si、Ti−8Al−1Mo−1V、Ti−6Al−2Sn−4Zr−2Moなど)、α+β型(例えば、Ti−6Al−4V、Ti−6Al−6V−2Sn、Ti−6Al−2Sn−4Zr−6Mo、Ti−4.5Al−3V−2Mo−2Feなど)、ニアβ型(例えば、Ti−5Al−2Sn−2Zr−4Mo−4Cr、Ti−10V−2Fe−3Alなど)、β型(例えば、Ti−15Mo−5Zr−3Al、Ti−11.5Mo−6Zr−4.5Sn、Ti−15V−3Cr−3Al−3Sn、Ti−15Mo−5Zr、Ti−13V−11Cr−3Alなど)いずれの結晶構造を有するものでもよい。さらに、特開平2005−76052号公報に開示されるようなTiBおよび/またはTiCの微粒子が金属組織内に分散されたチタン合金(Ti−15V−6Cr−4AlをベースにTiBおよび/またはTiCを少量添加したものやTi−22V−4 AlをベースにTiBおよび/またはTiCを少量添加したもの)も好適に用いることができる。最終的に得られるチタン合金複合材料の機械的強度を考慮すると、Ti−6Al−4V、Ti−15Mo−5Zr−3Al、Ti−15V−3Cr−3Al−3Sn、Ti−10V−2Fe−3Al、Ti−4.5Al−3V−2Mo−2Feおよび特開平2005−76052号公報に開示されるチタン合金が好ましい。また、チタン合金粉末の粒子形状や平均粒径は特に限定されるものではないが、10μm〜50μmの平均粒径を有する粉末を用いることで、複合チタン合金の機械的特性をより高めることができる。また、混合物中にCNTが3質量% 以上含まれる場合には、CNTの凝集を抑制する観点から、平均粒径の小さいチタン合金粉末を用いることが好ましい。さらに、強度・硬さ、耐摩耗性を向上させるためには、炭化タングステン(WC)のナノ粒子(0.1μm以下)を少量(1〜10wt%)添加することが好ましい。
(2) CNT immobilization step The CNT immobilization step in the present invention is a step of immobilizing the CNT obtained in the above-described CNT coating step on the surface of the titanium alloy powder. In this step, first, the CNT obtained in the CNT coating step is mixed with the titanium alloy powder. The mixing ratio of CNT and titanium alloy powder is not particularly limited, but from the viewpoint of further improving the mechanical properties of the titanium alloy as a base material, preferably, 0.1 mass% to 10 mass%, More preferably, it is desirable that 0.2% by mass to 3.0% by mass, and most preferably 0.4% by mass to 1.0% by mass of CNT be included in the mixture. Moreover, as titanium alloy powder used here, alpha type (for example, Ti-O, Ti-5Al-2.5Sn, etc.), near alpha type (for example, Ti-6Al-5Zr-0.5Mo-0.2Si). , Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-0.3Mo-1Nb-0.3Si, Ti-8Al-1Mo-1V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo), α + β type (for example, Ti- 6Al-4V, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe, etc., near β type (for example, Ti-5Al-2Sn-2Zr-) 4Mo-4Cr, Ti-10V-2Fe-3Al, etc.), β-type (for example, Ti-15Mo-5Zr-3Al, Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn, Ti-15V-3Cr-3Al) 3Sn, Ti-15Mo-5Zr, such as Ti-13V-11Cr-3Al) or may have any crystal structure. Further, a titanium alloy in which fine particles of TiB and / or TiC are dispersed in a metal structure as disclosed in JP-A-2005-76052 (based on Ti-15V-6Cr-4Al, a small amount of TiB and / or TiC). Additions or additions of TiB and / or TiC based on Ti-22V-4Al can also be suitably used. Considering the mechanical strength of the finally obtained titanium alloy composite material, Ti-6Al-4V, Ti-15Mo-5Zr-3Al, Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti -4.5Al-3V-2Mo-2Fe and titanium alloys disclosed in JP-A-2005-76052 are preferred. The particle shape and average particle size of the titanium alloy powder are not particularly limited, but the mechanical properties of the composite titanium alloy can be further improved by using a powder having an average particle size of 10 μm to 50 μm. . Moreover, when 3 mass% or more of CNT is contained in a mixture, it is preferable to use a titanium alloy powder with a small average particle diameter from a viewpoint of suppressing aggregation of CNT. Furthermore, in order to improve strength, hardness, and wear resistance, it is preferable to add a small amount (1 to 10 wt%) of tungsten carbide (WC) nanoparticles (0.1 μm or less).

次に、CNTとチタン合金粉末との混合物に機械的衝撃力を加えることによって、チタン合金粉末の表面にCNTが固定化される。これにより、チタン合金粉末粒子の表面からのCNTの脱離が防止され、後述する焼結工程において均質な焼結体を得ることができる。   Next, CNTs are immobilized on the surface of the titanium alloy powder by applying a mechanical impact force to the mixture of the CNT and the titanium alloy powder. Thereby, detachment | desorption of CNT from the surface of a titanium alloy powder particle is prevented, and a homogeneous sintered compact can be obtained in the sintering process mentioned later.

機械的衝撃力を加えるための具体的手段としては、機械的衝撃力の強いハイブリタイゼーションシステム(奈良機械製作所製)やメカノフュージョンシステム(ホソカワミクロン製)等の撹拌装置やメディア粒子を用いた分散装置の他、ヘンシェルミキサーやV型混合器等の乾式混合撹拌装置を用いるこができる。これらの中でも、CNTをより均一に且つ強固にチタン合金粉末粒子の表面に固定化するために、高速気流中、機械的衝撃力としてローターとステーターの剪断力、粒子同士の衝突力および粒子と機壁との衝突力を与えることのできるハイブリタイゼーションシステムを採用することが好ましい。   Specific means for applying mechanical impact force include stirring devices such as a hybridization system (manufactured by Nara Machinery Co., Ltd.) and mechano-fusion system (manufactured by Hosokawa Micron), and dispersion devices using media particles. In addition, a dry mixing and stirring device such as a Henschel mixer or a V-type mixer can be used. Among these, in order to immobilize the CNTs more uniformly and firmly on the surface of the titanium alloy powder particles, the rotor and stator shear forces, the particle-to-particle collision forces, and the particle It is preferable to employ a hybridization system capable of giving a collision force with the wall.

(3)焼結工程
本発明における焼結工程は、上述のCNT固定化工程で得られたCNT固定化チタン合金粉末を加熱して焼結させる工程である。この工程では、CNT固定化工程で得られたCNT固定化チタン合金粉末を必要に応じて成形体とした後、当該技術分野において従来公知の焼結法、例えば、パルス通電焼結法、ホットプレス法、ガス圧焼結法、熱間等方加圧焼結法などにより、好ましくは真空または不活性ガスの雰囲気下で焼結される。従来の方法では、焼結過程においてチタンとCNTの大部分とが反応してしまうのに対し、本発明の焼結工程では、CNTを覆う層によりCNTとチタンとの反応が抑制され(CNTの一部はチタンと反応して炭化チタンを生成する)、CNTが有する補強材としての性能が維持される。
(3) Sintering Step The sintering step in the present invention is a step of heating and sintering the CNT-fixed titanium alloy powder obtained in the above-described CNT fixing step. In this step, the CNT-immobilized titanium alloy powder obtained in the CNT immobilization step is formed into a molded body as necessary, and then a conventionally known sintering method in the art, for example, a pulse current sintering method, a hot press It is preferably sintered in a vacuum or an inert gas atmosphere by a method, a gas pressure sintering method, a hot isostatic pressing method, or the like. In the conventional method, titanium and most of the CNT react in the sintering process, whereas in the sintering process of the present invention, the reaction between the CNT and titanium is suppressed by the layer covering the CNT (of the CNT). Some react with titanium to produce titanium carbide), and the performance as a reinforcing material of CNT is maintained.

焼結温度、焼結時間等の焼結条件は、採用する焼結法や使用するチタン合金の種類に応じて適宜設定すればよく、例えば、焼結温度800℃〜1300℃、焼結時間5分間〜2時間とすればよい。   The sintering conditions such as the sintering temperature and the sintering time may be appropriately set according to the employed sintering method and the type of titanium alloy used. For example, the sintering temperature is 800 ° C. to 1300 ° C., the sintering time is 5 What is necessary is just to carry out for minutes-2 hours.

上記で例示した焼結法の中でも、より簡便に、短い焼結時間で均質な焼結体を得る観点から、焼結法としてパルス通電焼結法を採用することが好ましい。パルス通電焼結法により焼結を行う場合、CNT固定化チタン合金粉末またはその成形体をグラファイトダイに充填し、例えば、50〜100℃/分の昇温速度で850〜950℃の温度まで昇温して、4.0Paの真空度下で、20〜30MPaの圧縮負荷をかけながら5〜10分間焼結を行えばよい。パルス通電焼結法による焼結では、粒子間のネック成長のみが促進され、粒子間収縮による粒子の粗大化が殆ど起こらないため、焼結前の粒子径が保持され、微細な組織構造を有する焼結体が得られる。このように、焼結体が微細な組織構造を有することにより、後述するCNT分散工程において、CNTを結晶粒内により均一に分散させやすくなり、結果として得られるチタン合金複合材料の機械的強度が向上する。   Among the sintering methods exemplified above, it is preferable to employ the pulse current sintering method as the sintering method from the viewpoint of more simply and obtaining a homogeneous sintered body in a short sintering time. When sintering by the pulse current sintering method, the graphite die is filled with the CNT-immobilized titanium alloy powder or the molded body thereof and, for example, the temperature is increased to 850 to 950 ° C. at a temperature increase rate of 50 to 100 ° C./min. Sintering may be performed for 5 to 10 minutes while applying a compressive load of 20 to 30 MPa under a vacuum degree of 4.0 Pa. In sintering by the pulse current sintering method, only neck growth between particles is promoted, and particle coarsening due to interparticle shrinkage hardly occurs, so the particle diameter before sintering is maintained and the structure is fine. A sintered body is obtained. Thus, since the sintered body has a fine structure, it becomes easier to disperse CNTs more uniformly in the crystal grains in the CNT dispersion step described later, and the mechanical strength of the resulting titanium alloy composite material is increased. improves.

(4)CNT分散工程
本発明におけるCNT分散工程は、上述の焼結工程で得られた焼結体に塑性加工を施して、チタン合金の結晶粒内にCNTを分散させる工程である。塑性加工としては、当該技術分野において従来公知の方法を制限なく採用することができ、例えば、圧延プロセス、鍛造プロセス、押出しプロセスなどが挙げられる。これらの中でも、結晶粒をより微細化し且つCNTをより均一に分散させるために、熱間圧延プロセスおよび恒温鍛造プロセスから選択される少なくとも1つのプロセスを採用することが好ましく、特に、熱間圧延プロセスは、結晶粒を繊維状に引き伸ばしてチタン合金複合材料の機械的強度を更に向上させることができるため好ましい。
(4) CNT Dispersion Step The CNT dispersion step in the present invention is a step in which the sintered body obtained in the above-described sintering step is subjected to plastic working to disperse CNTs within the crystal grains of the titanium alloy. As the plastic working, a conventionally known method in the technical field can be employed without limitation, and examples thereof include a rolling process, a forging process, and an extrusion process. Among these, it is preferable to employ at least one process selected from a hot rolling process and a constant temperature forging process in order to further refine crystal grains and more uniformly disperse CNTs. Is preferable because the mechanical strength of the titanium alloy composite material can be further improved by stretching the crystal grains into fibers.

熱間圧延プロセスにより焼結体に塑性加工を施す場合、圧延速度、圧延温度、圧下率等の圧延条件は特に限定されるものではないが、機械的強度のより優れたチタン合金複合材料を得る観点から、圧延歪量/pass:0.1〜0.2、圧延温度700℃〜850℃、圧下率65%以上とすることが好ましい。特に、圧下率が65%未満であると、CNTの結晶粒内への分散が不十分となることがあり、その結果、チタン合金複合材料の機械的強度が低下する恐れがあるため好ましくない。なお、ここでいう「圧下率」とは、(h1 −h2)×100/h1(ただし、h1:圧延前の板厚、h2:圧延後の板厚)で定義されるものである。熱間押し出し加工においても同様の圧下率(断面積減少率)が必要である。ここでいう「断面積減少率」とは(S1−S2)×100/S1(ただし、S1:押し出し加工前の断面積、S2:押し出し加工後の断面積)で定義される。   When plastic working is performed on a sintered body by a hot rolling process, rolling conditions such as rolling speed, rolling temperature, reduction ratio, etc. are not particularly limited, but a titanium alloy composite material with better mechanical strength is obtained. From the viewpoint, it is preferable that the rolling strain / pass: 0.1 to 0.2, the rolling temperature 700 ° C. to 850 ° C., and the rolling reduction 65% or more. In particular, if the rolling reduction is less than 65%, the dispersion of CNTs in crystal grains may be insufficient, and as a result, the mechanical strength of the titanium alloy composite material may be lowered, which is not preferable. The “rolling rate” here is defined by (h1−h2) × 100 / h1 (where h1: plate thickness before rolling, h2: plate thickness after rolling). The same rolling reduction (cross-sectional area reduction rate) is also required in hot extrusion. The “cross-sectional area reduction rate” here is defined by (S1-S2) × 100 / S1 (where S1: cross-sectional area before extrusion, S2: cross-sectional area after extrusion).

(5)時効処理工程
本発明のチタン合金複合材料の製造方法は、上述のCNT分散工程で得られたチタン合金複合材料を時効処理する工程を更に含むと好適である。この時効処理は、母材となるチタン合金の種類に応じて適宜設定すればよく、例えば、400℃〜600℃で4〜24時間行えばよい。このような時効処理を施すことによって、チタン合金複合材料の機械的強度を更に向上させることができる。特に摺動特性を向上させるためには、チタン合金中のCNTが球状の微細なチタン炭化物化を促進することが効果的である。
(5) Aging treatment step The method for producing a titanium alloy composite material of the present invention preferably includes a step of aging treatment of the titanium alloy composite material obtained in the above-described CNT dispersion step. This aging treatment may be appropriately set according to the type of titanium alloy used as a base material, and may be performed, for example, at 400 ° C. to 600 ° C. for 4 to 24 hours. By performing such an aging treatment, the mechanical strength of the titanium alloy composite material can be further improved. In particular, in order to improve the sliding characteristics, it is effective that the CNTs in the titanium alloy promote the formation of spherical fine titanium carbide.

以下、実施例および比較例によって本発明をより具体的かつ詳細に説明する。
[実施例1]
バックアップ材にポリアミド繊維(ノメックス:デュポン社)を用いて強化したPTFE系ファブリックライナーと、CVD法により作成されたCNTを0.8wt%複合し強化したβリッチα+βチタン合金(Ti−4.5Al−3V−2Mo−2Fe:JFEスチール株式会社製SP−700合金)の組み合わせについて、図1に示すリングオンディスク方式による摩擦摩耗試験を行い、摺動特性を評価した。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically and in detail by examples and comparative examples.
[Example 1]
Β-rich α + β-titanium alloy (Ti-4.5Al-) that is reinforced by combining PTFE fabric liner reinforced with polyamide fiber (Nomex: DuPont) as a back-up material and 0.8 wt% of CNT made by CVD method 3V-2Mo-2Fe: SP-700 alloy manufactured by JFE Steel Co., Ltd.) was subjected to a frictional wear test by the ring-on-disk method shown in FIG.

また、ライナー面の相手材を汎用チタン合金(Ti−6Al−4V、比較材1)および熱間金型鋼(SKD61相当材:大同特殊鋼株式会社製DHA1、比較材2)としたものについて同様の試験を行い比較対象とした。摩耗試験条件は航空機器用軸受を想定したもので摺動速度、面圧は一定とし、室温大気中において無潤滑で試験を実施した。試験に供した材料の詳細を表1、試験条件を表2に示す。   The same applies to the case where the liner side mating material is a general-purpose titanium alloy (Ti-6Al-4V, comparative material 1) and hot die steel (SKD61 equivalent material: DHA1 manufactured by Daido Steel Co., Ltd., comparative material 2). A test was conducted for comparison. The wear test conditions were assumed for bearings for aircraft equipment, the sliding speed and surface pressure were constant, and the test was conducted without lubrication in the room temperature atmosphere. Details of the materials subjected to the test are shown in Table 1, and test conditions are shown in Table 2.

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試験の概要を図1に、摩擦摩耗試験結果を図2および3に示す。図2および3中に符号Aで示すSP−700合金を母材とするチタン合金複合材料は極めて低い摩擦係数を示し、それに対応して摩耗量の増加も極めて少なかった。比較材である符号Bの汎用Ti合金と比べるとその差は歴然であり、硬度で上回る符号Cの熱間金型鋼に対しても優位な結果を示している。   The outline of the test is shown in FIG. 1, and the results of the frictional wear test are shown in FIGS. The titanium alloy composite material based on the SP-700 alloy indicated by symbol A in FIGS. 2 and 3 showed a very low friction coefficient, and the amount of wear increased correspondingly. The difference is obvious compared with the general-purpose Ti alloy of reference B, which is a comparative material, and shows an advantageous result even with respect to hot mold steel of reference C, which exceeds the hardness.

摩耗試験後の本発明の試験片およびDHA1(比較材2)の摺動面の光学顕微鏡写真をそれぞれ図4および5に示す。Ti−6Al−4V(比較材1)についてはライナーが完全に摩滅しリング本体と焼きついてしまったため省略した。硬度で上回り摺動距離も短いDHA1に対し、本複合材料には目立った傷も無く、特にライナー側の損傷(ファイバーの毛羽立ち等)が少ないことが確認できる。   4 and 5 show optical micrographs of the test piece of the present invention and the sliding surface of DHA1 (comparative material 2) after the abrasion test, respectively. Ti-6Al-4V (Comparative Material 1) was omitted because the liner was completely worn out and burned into the ring body. Compared to DHA1, which is harder and has a shorter sliding distance, this composite material has no noticeable scratches, and it can be confirmed that damage on the liner side (fiber fuzz etc.) is particularly small.

以上、本複合材とPTFE系ファブリックライナーとの組み合わせの優位性は明確で、本摺動部材は非常に低い摩擦係数を示し、長期に渡って安定動作が期待できる。   As described above, the superiority of the combination of the composite material and the PTFE-based fabric liner is clear, and the sliding member exhibits a very low coefficient of friction, and stable operation can be expected over a long period of time.

[実施例2]
厚さ0.3mmのPTFE系ファブリックライナー20をフェノール樹脂(熱硬化性樹脂接着剤)で内周面に固着して形成した凹球面状の摺動面を有する外輪10(材質:Ti−6Al−4Vチタン合金)と、その外輪1によって保持され、且つ凹球面状の摺動面と接触しながら相対的にすべり運動を行うことが可能な凸球面状の摺動面を有する内輪30(材質:本発明のチタン合金複合材)とを有する無潤滑球面すべり軸受を図6に示す。ライナー面の相手材となる内輪は本発明のチタン合金複合材によって構成されている。
[Example 2]
An outer ring 10 having a concave spherical sliding surface (material: Ti-6Al-) formed by fixing a PTFE fabric liner 20 having a thickness of 0.3 mm to the inner peripheral surface with a phenol resin (thermosetting resin adhesive). 4V titanium alloy) and an inner ring 30 having a convex spherical sliding surface that is held by the outer ring 1 and can relatively slide while contacting the concave spherical sliding surface (material: FIG. 6 shows a non-lubricated spherical plain bearing having the titanium alloy composite of the present invention. The inner ring which is the counterpart material of the liner surface is made of the titanium alloy composite material of the present invention.

PTFE系ファブリックライナーはバックアップ材にポリアミド繊維(ノメックス:デュポン社)を用いて強化した実施例1と同じものを使用している。また、チタン合金複合材としてはα+βチタン合金(Ti−6Al−4V)とCVD法により作成されたCNTを0.5wt%の割合で組み合わせて強化したチタン合金複合材を用いた。このチタン合金複合材料に対して強度と硬さを向上させるためにアルゴンガス雰囲気内で500℃×8時間の時効処理を施し、表面面硬さをHRC49程度とした。図7にこのチタン合金複合材料の金属組織のSEM写真を示す。CNTはマトリックスチタンと反応して微細な球状炭化チタンとして分布している。通常のTi−6Al−4Vチタン合金は硬さがHRC40程度なので、摩耗防止のために内輪3の球面にはセラミックコーティング、硬質クロムメッキおよびイオンコーティング等の硬質表面処理が施される。これに対し、本発明のチタン合金複合材はPTFE系ファブリックライナーと相性が極めて良いので摩耗が少なく硬さも高いので、表面硬化処理等を施さずとも長期に亘ってトルクが安定し、長寿命で軽量な球面滑り軸受を得ることができる。   The PTFE-based fabric liner is the same as that of Example 1 reinforced with polyamide fiber (Nomex: DuPont) as a backup material. Further, as the titanium alloy composite material, a titanium alloy composite material reinforced by combining α + β titanium alloy (Ti-6Al-4V) and CNT prepared by a CVD method at a ratio of 0.5 wt% was used. In order to improve the strength and hardness of the titanium alloy composite material, an aging treatment was performed at 500 ° C. for 8 hours in an argon gas atmosphere, and the surface hardness was set to about HRC49. FIG. 7 shows an SEM photograph of the metal structure of the titanium alloy composite material. CNT reacts with matrix titanium and is distributed as fine spherical titanium carbide. Since a normal Ti-6Al-4V titanium alloy has a hardness of about HRC40, the spherical surface of the inner ring 3 is subjected to hard surface treatment such as ceramic coating, hard chrome plating and ion coating in order to prevent wear. In contrast, the titanium alloy composite material of the present invention is extremely compatible with PTFE-based fabric liners and has low wear and high hardness, so that the torque is stable over a long period of time without surface hardening treatment, etc. A lightweight spherical plain bearing can be obtained.

また、図6の外輪10の内周面を円筒状にし、内輪を外周面が円筒状の円環部材または軸部材とした組合せの摺動部材を構成することも可能である。   It is also possible to configure a sliding member in which the inner peripheral surface of the outer ring 10 in FIG. 6 is cylindrical, and the inner ring is a circular ring member or shaft member whose outer peripheral surface is cylindrical.

無潤滑で用いられるテフロンライナーを有する摺動部材において、長期にわたって摺動しても摩耗が少なく、初期性能が維持される長寿命な軽量無潤滑摺動部材を提供することができる。   A sliding member having a Teflon liner that is used without lubrication can provide a lightweight, non-lubricating sliding member that has a long life and maintains little initial wear even when sliding over a long period of time.

A…実施例の開発材、
B…比較材1のTi−6Al−4V、
C…比較材2のDHA1、
1…リング本体、
2…ポリテトラフルオロエチレン系ファブリックライナー、
3…ディスク(相手材)、
10…外輪、
20…ポリテトラフルオロエチレン系ファブリックライナー、
30…内輪。
A: Development material of the example,
B: Ti-6Al-4V of Comparative material 1
C: DHA1 of comparative material 2,
1 ... Ring body,
2 ... Polytetrafluoroethylene fabric liner,
3. Disc (partner material),
10 ... Outer ring,
20 ... polytetrafluoroethylene fabric liner,
30 ... Inner ring.

Claims (5)

互いに接触しながら相対的に滑り運動を行う一対の摺動面を有し、一方の摺動面をポリテトラフルオロエチレン系ファブリックライナーとし、もう一方の摺動面をチタン合金にカーボンナノチューブを添加したチタン合金複合材料とした無潤滑摺動部材であって、前記チタン合金がβリッチα+βチタン合金であることを特徴とする無潤滑摺動部材。   It has a pair of sliding surfaces that slide relatively while in contact with each other, one sliding surface is a polytetrafluoroethylene fabric liner, and the other sliding surface is carbon alloy added to a titanium alloy A non-lubricating sliding member made of a titanium alloy composite material, wherein the titanium alloy is a β-rich α + β titanium alloy. 前記チタン合金に炭化タングステンのナノ粒子をさらに添加したことを特徴とする請求項1に記載の無潤滑摺動部材。   The non-lubricated sliding member according to claim 1, wherein tungsten carbide nanoparticles are further added to the titanium alloy. 前記チタン合金複合材料は、その金属組織において前記カーボンナノチューブが微細な球状炭化チタンとして分布していることを特徴とする請求項1または2に記載の無潤滑摺動部材。 The non-lubricated sliding member according to claim 1 or 2 , wherein the carbon nanotube is distributed as fine spherical titanium carbide in the metal structure of the titanium alloy composite material. 前記一方の摺動面がポリテトラフルオロエチレン系ファブリックライナーを円筒状の内周面または外周面に固着して形成された摺動面であり、前記もう一方の摺動面が円筒状の外周面または内周面であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の無潤滑摺動部材。 The one sliding surface is a sliding surface formed by fixing a polytetrafluoroethylene fabric liner to a cylindrical inner peripheral surface or outer peripheral surface, and the other sliding surface is a cylindrical outer peripheral surface. The non-lubricating sliding member according to claim 1, wherein the non-lubricating sliding member is an inner peripheral surface. 前記無潤滑摺動部材が、ポリテトラフルオロエチレン系ファブリックライナーを内周面に固着して形成した凹球面状の第1の摺動面を有する第1の部材と、この第1の部材によって保持され且つ第1の摺動面と接触しながら相対的に滑り運動を行うことが可能なチタン合金複合材料からなる凸球面状の第2の摺動面を有する第2の部材とを有する無潤滑球面滑り軸受であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の無潤滑摺動部材。   The non-lubricating sliding member has a first member having a concave spherical first sliding surface formed by fixing a polytetrafluoroethylene-based fabric liner to the inner peripheral surface, and is held by the first member And a second member having a convex second spherical sliding surface made of a titanium alloy composite material capable of relatively sliding while being in contact with the first sliding surface. The non-lubricated sliding member according to any one of claims 1 to 4, which is a spherical plain bearing.
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