JP7083297B2

JP7083297B2 - 機械部品

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Publication number: JP7083297B2
Application number: JP2018176118A
Authority: JP
Inventors: 昌弘山田; 力大木
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2018-09-20
Filing date: 2018-09-20
Publication date: 2022-06-10
Anticipated expiration: 2038-09-20
Also published as: JP2020045535A

Description

本発明は、機械部品に関する。より特定的には、本発明は、チタン合金製の機械部品に関する。

耐摩耗性が要求される機械部品の表面に対しては、表面粗さを低減することを目的として、砥粒を用いた研削が行われる。チタン合金は、鋼と比較して熱伝導率が低い。そのため、非特許文献１（宮川修、チタンの砥粒反応性と研磨、日本補綴歯科学会雜誌、４２巻４号、１９９８年）及び非特許文献２（熊谷信男、精密工学会誌、５８巻４号、１９９２年）に記載されているように、チタン合金製の機械部品の表面に対して砥粒を用いた研削を行う場合、砥粒が機械部品の表面（研削面）に溶着しやすい。この溶着物は、研削面を擦過しやすい。そのため、砥粒を用いた研削により、チタン合金製の機械部品の表面において０．１μｍ未満の表面粗さ（算術平均粗さ）を達成することは困難である。

非特許文献３（山本章裕ら、遠心バレル研磨に関する基礎的研究（第２報）、精密工学会誌、６４巻１２号、１９９８年）に記載されているように、３５０Ｈｖ程度の硬度を有するチタン合金製の機械部品の表面において、研磨メディアを用いた乾式バレル研磨を行うことにより、０．１μｍ程度の表面粗さ（算術平均粗さ）が得られている。

しかしながら、チタン合金製の機械部品を耐摩耗性が要求される用途に適用する場合、表面に炭素、窒素、酸素等を固溶させる等の表面処理を行うことにより、表面における硬度が３５０Ｈｖ以上とされる。表面処理により形成された硬化層は、相対的に脆い。そのため、非特許文献３に記載の方法で３５０Ｈｖ以上の硬度を有するチタン合金製の機械部品の表面を研磨した場合、表面にむしれや疵が生じてしまい、０．１μｍ未満の表面粗さを得ることは困難である。

表面処理によって形成された相対的に脆い層に対する研磨時のむしれや疵を防止する研磨方法として、メカノケミカル研磨加工（すなわち、機械的作用と化学的作用を複合させた研磨加工）を行う方法が知られている。例えば、特許文献１（特開２００７－２２２９６１号公報）には、研磨液を塗布した研磨パットを用いて材料表面のメカノケミカル研磨加工を行う方法が記載されている。

特開２００７－２２２９６１号公報

宮川修、チタンの砥粒反応性と研磨、日本補綴歯科学会雜誌、４２巻４号、１９９８年熊谷信男、精密工学会誌、５８巻４号、１９９２年山本章裕ら、遠心バレル研磨に関する基礎的研究（第２報）、精密工学会誌、６４巻１２号、１９９８年

しかしながら、特許文献１に記載されているような従来のメカノケミカル研磨は、シリコンウェハ等の平坦な表面を有する部材を研磨するためのものであった。すなわち、特許文献１に記載されているような従来のメカノケミカル研磨は、球面すべり軸受の内輪等の外周面等の曲面を有する部材の研磨に適用することが困難であった。

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、低い表面粗さの曲面部を含み、かつ相対的に硬度が高い表面を有するチタン合金製の機械部品を提供するものである。

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、曲面部を含む表面を有している。表面における算術平均粗さは、０．１μｍ未満である。表面における硬度は、３５０Ｈｖ以上である。

上記の機械部品において、表面における二乗平均平方根傾斜は、０．０４以下であってもよい。上記の機械部品において、表面における硬度は、６５０Ｈｖ以上７００Ｈｖ以下であってもよい。

上記の機械部品において、表面には、酸素が固溶する浸酸層が設けられていてもよい。上記の機械部品において、チタン合金は、ＡＳＴＭ規格に定めるＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金（以下においては、Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金を「６４チタン合金」という）であってもよい。

本発明の一態様に係る機械部品及びその製造方法によると、相対的に硬度が高く、かつ曲面部を含む表面において、表面粗さを低減することができる。

実施形態に係る機械部品の上面図である。図１のＩＩ－ＩＩにおける断面図である。図２の領域ＩＩＩにおける拡大図である。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。加工対象部材２０の上面図である。図５のＶＩ－ＶＩにおける断面図である。バレル研磨装置３０の模式図である。バレル研磨装置３０の動作を示す模式図である。研磨工程Ｓ２を行う前の加工対象部材２０の外周面２０ｄにおける断面曲線である。研磨工程Ｓ２を行った後の加工対象部材２０の外周面２０ｄにおける断面曲線である。

本発明の実施形態の詳細を、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符号を付すものとし、重複する説明は繰り返さないものとする。

（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、例えば球面すべり軸受の内輪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。例えば、実施形態に係る機械部品は、球面すべり軸受の外輪であってもよい。以下においては、内輪１０を実施形態に係る機械部品の例として、実施形態の説明を行う。

内輪１０は、チタン合金製である。内輪１０に用いられるチタン合金は、６４チタン合金である。表１に、６４チタン合金の化学組成を示す。

６４チタン合金は、５．５０質量パーセント以上６．７５質量パーセント以下のアルミニウム（Ａｌ）と、３．５０質量パーセント以上４．５０質量パーセント以下のバナジウム（Ｖ）と、０．４０質量パーセント以下の鉄（Ｆｅ）と、０．０８質量パーセント以下の炭素（Ｃ）と、０．０５０質量パーセント以下の窒素（Ｎ）と、０．０１５質量パーセント以下の水素と、０．２０質量パーセント以下の酸素（Ｏ）と、残部を構成するチタン（Ｔｉ）とを含んでいる。なお、内輪１０に用いられるチタン合金は、これに限られるものではない。

内輪１０は、リング状の形状を有している。内輪１０は、表面を有している。内輪１０の表面は、曲面部を含んでいる。曲面部は、曲面により構成されている部分である。

より具体的には、内輪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。上面１０ａ及び底面１０ｂは、内輪１０の中心軸１０ｅに沿う方向における端面を構成している。底面１０ｂは、上面１０ａの反対面である。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１０ｅとの距離は、外周面１０ｄと中心軸１０ｅとの距離よりも小さい。

外周面１０ｄは、曲面により構成されているため、内輪１０の表面の曲面部となる。上面１０ａ及び底面１０ｂは、平面により構成されているため、内輪１０の表面の曲面部ではない。すなわち、内輪１０の表面は、曲面部を含んでいればよく、内輪１０の表面の全てが、曲面により構成されている必要はない。

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、内輪１０は、表面において、浸酸層１１を有している。浸酸層１１は、浸酸層１１以外の内輪１０の部分よりも酸素が多く固溶している層である。表面にある浸酸層１１における酸素濃度は、例えば、１質量パーセント以上であり、１．３質量パーセント以上であることが好ましく、１．６質量パーセント以上であることがさらに好ましい。

内輪１０の表面における硬度は、３５０Ｈｖ以上である。内輪１０の表面における硬度は、好ましくは６５０Ｈｖ以上７００Ｈｖ以下である。内輪１０の表面における硬度は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳＺ２２４４：２００９）に定めるビッカース試験法にしたがって測定される。

内輪１０の表面における算術平均粗さは、０．１μｍ未満である。より具体的には、内輪１０の曲面部（例えば、外周面１０ｄ）における算術平均粗さは、０．１μｍ未満である。算術平均粗さは、ＪＩＳ規格（ＪＩＳＢ０６０１－２００１）にしたがって測定される。

内輪１０の表面における二乗平均平方根傾斜は、０．０４以下であることが好ましい。より具体的には、内輪１０の曲面部（例えば、外周面１０ｄ）における二乗平均平方根傾斜は、０．０４以下であることが好ましい。二乗平均平方根傾斜は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳＢ０６０１－２００１）にしたがって測定される。

（実施形態に係る機械部品の製造方法）
以下に、実施形態に係る機械部品の製造方法を説明する。なお、実施形態に係る機械部品の製造方法は、内輪１０の製造方法を例として説明する。

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、研磨工程Ｓ２とを有している。準備工程Ｓ１においては、加工対象部材２０が準備される。加工対象部材２０は、研磨工程Ｓ２を経ることにより内輪１０となる部材である。

加工対象部材２０は、チタン合金製である。加工対象部材２０に用いられるチタン合金は、例えば６４チタン合金である。図５は、加工対象部材２０の上面図である。図６は、図５のＶＩ－ＶＩにおける断面図である。図５及び図６に示すように、加工対象部材２０は、リング状の形状を有している。加工対象部材２０は、表面を有している。加工対象部材２０の表面は、曲面部を含んでいる。

加工対象部材２０は、上面２０ａと、底面２０ｂと、内周面２０ｃと、外周面２０ｄとを有している。上面２０ａ及び底面２０ｂは、加工対象部材２０の中心軸２０ｅに沿う方向における端面を構成している。底面２０ｂは、上面２０ａの反対面である。内周面２０ｃ及び外周面２０ｄは、上面２０ａ及び底面２０ｂに連なっている。内周面２０ｃと中心軸２０ｅとの距離は、外周面２０ｄと中心軸２０ｅとの距離よりも小さい。なお、上面２０ａ、底面２０ｂ、内周面２０ｃ及び外周面２０ｄは、研磨工程Ｓ２を経ることにより上面１０ａ、底面１０ｂ、内周面１０ｃ及び外周面１０ｄとなる面である。

外周面２０ｄは、曲面により構成されているため、加工対象部材２０の表面の曲面部となる。上面２０ａ及び底面２０ｂは、平面により構成されているため、加工対象部材２０の表面の曲面部ではない。すなわち、加工対象部材２０の表面は、曲面部を含んでいればよく、加工対象部材２０の表面の全てが、曲面により構成されている必要はない。

外周面２０ｄは、副曲率半径Ｒを有している。副曲率半径Ｒは、中心軸２０ｅを通り、かつ中心軸２０ｅに平行な断面における外周面２０ｄの曲率半径である。

加工対象部材２０の表面における硬度は、３５０Ｈｖ以上である。加工対象部材２０の表面における硬度は、好ましくは６５０Ｈｖ以上７００Ｈｖ以下である。加工対象部材２０の表面における硬度は、加工対象部材２０の表面に対して浸酸処理を行うことにより改善することができる。浸酸処理は、加工対象部材２０を、酸素を含む雰囲気ガス中で保持することにより行われる。また、加工対象部材２０の表面における硬度は、加工対象部材２０に対して溶体化処理及び時効処理を行うことによっても改善することができる。溶体化処理は、例えば加工対象部材２０を構成するチタン合金のβ変態開始温度（チタン合金中のα相がβ相への変態を開始する温度）以上β単相変態温度（チタン合金がβ単相になる温度）以下の温度に保持した後に冷却することにより行われる。時効処理は、例えば加工対象部材２０を構成するチタン合金のβ変態開始温度以下の温度において保持した後に冷却することにより行われる。

研磨工程Ｓ２においては、加工対象部材２０の表面に対する研磨が行われる。研磨工程Ｓ２は、バレル研磨により行われる。このバレル研磨は、例えば遠心バレル研磨である。但し、研磨工程Ｓ２において行われるバレル研磨は、これに限られるものではない。例えば、研磨工程Ｓ２において行われるバレル研磨は、回転バレル研磨であってもよく、振動バレル研磨であってもよい。

図７は、バレル研磨装置３０の模式図である。図７に示すように、バレル研磨装置３０は、回転部３１と複数のバレル３２とを有している。回転部３１は、平面視において円盤形状を有している。バレル３２は、筒状形状を有している。バレル３２は、例えば多角形筒形状を有している。バレル３２は、回転部３１に取り付けられている。バレル３２は、回転部３１の中心軸を中心とする円に沿って、等間隔に配置されている。バレル３２内には、複数のセラミック球と研磨液と加工対象部材２０とが投入されている。研磨液は、砥粒を含有している。

セラミック球は、セラミックにより構成される球状の研磨メディアである。セラミック球は、真球形状でなくてもよい。セラミック球は、例えば楕円球形状であってもよい。

複数のセラミック球は、第１種類のセラミック球と、第２種類のセラミック球とが混在していてもよい。第１種類のセラミック球は、第１直径を有している。第２種類セラミック球は、第２直径を有している。第１直径は、第２直径よりも大きい。なお、セラミック球が真球形状ではない場合、第１直径及び第２直径は、セラミック球の体積から球相当径を計算することにより決定される。また、第１種類のセラミック球（第２種類のセラミック球）は、全ての第１種類のセラミック球（第２種類のセラミック球）の直径が第１直径（第２直径）の±３パーセントの範囲にあれば、全ての第１種類のセラミック球（第２種類のセラミック球）は、第１直径（第２直径）を有しているものとする。第１直径は、副曲率半径Ｒよりも大きいことが好ましい。第２直径は、副曲率半径Ｒよりも小さいことが好ましい。このことを別の観点からいえば、第１直径を副曲率半径Ｒで除した値は１以上であることが好ましく、第２直径を副曲率半径Ｒで除した値が１未満であることが好ましい。

上記の例においては、複数のセラミック球として、２種類の異なる径のものを混在させて用いる例を示したが、複数のセラミック球は、３種類以上の異なる径のものを混在させて用いてもよい。

図８は、バレル研磨装置３０の動作を示す模式図である。図８に示すように、研磨工程Ｓ２におけるバレル研磨は、回転部３１が複数のバレル３２に対して遊星動作を行わせることにより実施される。すなわち、回転部３１は、回転部３１の中心軸周りにバレル３２を旋回させる（公転させる）とともに、バレル３２をバレル３２の中心軸周りに回転させる（自転させる）。バレル３２の自転方向は、バレル３２の公転方向とは逆方向である。この遊星運動に伴い、バレル３２の内容物（すなわち、加工対象部材２０、研磨液及びセラミック球）に遠心力による圧力及び強制流動作用が生じる。その結果、加工対象部材２０と研磨液中の砥粒及びセラミック球との間に相対運動差及びそれに起因したメカノケミカル研磨作用が生じる。

（実施形態に係る機械部品及び実施形態に係る機械部品の製造方法の効果）
以下に、実施形態に係る機械部品の効果及び実施形態に係る機械部品の製造方法の効果を説明する。

実施形態に係る機械部品は熱伝導率が相対的に低いチタン合金製であり、表面における硬度は３５０Ｈｖ以上であり、表面が曲面部を含んでいるが、曲面部における算術平均粗さが乾式バレル研磨によって達成可能であった０．１μｍよりも小さくなっている。このように、実施形態に係る機械部品及び実施形態に係る機械部品の製造方法によると、曲面部における表面粗さを改善することが可能となる。

曲面部における二乗平均平方根傾斜が小さくなるにしたがい、表面摩擦時の応力集中が緩和される。そのため、実施形態に係る機械部品において、曲面部における二乗平均平方根傾斜が０．０４以下である場合、表面摩擦時の応力集中を緩和することができる。

相対的に径が大きいセラミックス球は、相対的に大きな運動エネルギーにより、加工対象部材２０の表面における研磨を促進する役割を担う。他方、相対的に径の小さいセラミック球は、相対的に小さな運動エネルギーにより、加工対象部材２０の表面をより均一に研磨する役割を担う。そのため、実施形態に係る機械部品の製造方法において、複数のセラミック球として、第１種類のセラミック球と第２種類のセラミック球とが混在している場合、曲面部における表面粗さをさらに改善することができる。

以下に、実施形態に係る機械部品及び実施形態に係る機械部品の効果を確認するために行った表面性状測定試験の結果を説明する。

＜試料準備＞
上記の表面性状測定試験に供した試料は、表２に示す加工対象部材２０を用いて準備された。表２に示すように、加工対象部材２０を構成するチタン合金として、６４チタン合金が用いられた。加工対象部材２０は、幅（上面２０ａと底面２０ｂとの間の距離）が１４．５ｍｍ、副曲率半径Ｒが１１．３ｍｍの球面すべり軸受の内輪形状とされた。加工対象部材２０に対しては、表面における硬度を６５０Ｈｖ以上７５０Ｈｖ以下の範囲とするために、浸酸処理が行われた。浸酸処理が行われた後には、加工対象部材２０の表面に対して、砥石による粗研磨が行われた。この粗研磨後においては、外周面２０ｄの副曲率方向（加工対象部材の周方向に交差する方向）に沿って測定された算術平均粗さは０．１５μｍであり、最大断面高さは３．０μｍであった。

＜表面性状測定結果＞
図９は、研磨工程Ｓ２を行う前の加工対象部材２０の外周面２０ｄにおける断面曲線である。図１０は、研磨工程Ｓ２を行った後の加工対象部材２０の外周面２０ｄにおける断面曲線である。図９及び図１０において、横軸は副曲率方向における距離（単位：ｍｍ）であり、縦軸は高さ（単位：μｍ）である。

図９に示すように、研磨工程Ｓ２を行う前においては、加工対象部材２０の外周面２０ｄの高さの平均振幅は、±０．５μｍ程度であった。研磨工程Ｓ２を行う前においては、加工対象部材２０の外周面２０ｄには、局所的に疵が存在していた。このような疵の最大深さは、２．５μｍ程度であった。

図１０に示すように、研磨工程Ｓ２を行った後においては、加工対象部材２０の外周面２０ｄ（すなわち、内輪１０の外周面１０ｄ）の高さの平均振幅は、±０．２５μｍ程度であった。研磨工程Ｓ２を行った後においては、加工対象部材２０の外周面２０ｄにおける局所的な疵の最大深さは、０．４μｍ程度であった。

表３に示すように、研磨工程Ｓ２を行う前においては、加工対象部材２０の外周面２０ｄにおける算術平均粗さは０．１４μｍ程度であった。また、研磨工程Ｓ２を行う前においては、加工対象部材２０の外周面２０ｄにおける二乗平均平方根傾斜は０．０５であった。他方、研磨工程Ｓ２を行った後においては、加工対象部材２０の外周面２０ｄ（内輪１０の外周面１０ｄ）における算術平均粗さは、０．０６μｍであり、加工対象部材２０の外周面２０ｄにおける二乗平均平方根傾斜は０．０３であった。その他の表面性状を表す測定値に関しても、研磨工程Ｓ２が行われた後においては、研磨工程Ｓ２が行われる前と比較して、改善していた。

以上の試験結果から、実施形態に係る機械部品及び機械部品の製造方法によると、曲面部を有する表面における表面粗さの改善が可能であることが、実験的に確認された。

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、特許請求の範囲によって示され、特許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。

上記の実施形態は、チタン合金製の機械部品及びチタン合金製の機械部品の製造方法に特に有利に適用される。

１０内輪、１０ａ上面、１０ｂ底面、１０ｃ内周面、１０ｄ外周面、１０ｅ中心軸、１１浸酸層、２０加工対象部材、２０ａ上面、２０ｂ底面、２０ｃ内周面、２０ｄ外周面、２０ｅ中心軸、３０バレル研磨装置、３１回転部、３２バレル、Ｒ副曲率半径、Ｓ１準備工程、Ｓ２研磨工程。

Claims

曲面部を含む表面を有するチタン合金製の機械部品であって、
前記曲面部における算術平均粗さは、０．１μｍ未満であり、
前記曲面部における二乗平均平方根傾斜は、０．０４以下であり、
前記表面における硬度は、６５０Ｈｖ以上７００Ｈｖ以下であり、
前記表面には、酸素が固溶する浸酸層が設けられており、
前記浸酸層中における酸素濃度は、１質量パーセント以上であり、
前記チタン合金は、６４チタン合金である、機械部品。