JP7154087B2

JP7154087B2 - 機械部品

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Publication number: JP7154087B2
Application number: JP2018182071A
Authority: JP
Inventors: 美有佐藤; 昌弘山田; 力大木
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2018-09-27
Publication date: 2022-10-17
Anticipated expiration: 2038-09-27
Also published as: JP2020050918A

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。

従来から、チタン合金製の機械部品が広く知られている。チタン合金製の機械部品は、例えば航空機、自動車部品等に用いられている。チタン合金製の機械部品には、耐摩耗性が必要とされる。そのため、チタン合金製の機械部品に対しては、硬さを高めるための熱処理が行われることが通例である。

チタン合金製の機械部品の硬さを高めるための熱処理としては、溶体化処理が挙げられる。溶体化処理においては、第１に、加熱工程が行われる。加熱工程においては、機械部品は、機械部品を構成するチタン合金のβ変態開始点よりも高い温度に加熱される。これにより、機械部品を構成するチタン合金中のα相の一部が、β相へと相変態する。

溶体化処理においては、第２に、冷却工程が行われる。冷却工程においては、加熱工程で生じたβ相が、セカンダリα相へ相変態する。これにより、チタン合金製の機械部品の硬さが改善される。

溶体化処理のみによっては、チタン合金製の機械部品の表面における硬さが十分ではない場合がある。そのため、チタン合金製の機械部品の表面における硬さをさらに改善するために、非特許文献１（F. Borogioli et. al., Improvement of wear resistance of Ti-6Al-V alloy by means of thermal oxidation, Material Letters, 59 (2005), pp.2159-2162）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酸素を固溶させる表面処理（浸酸処理）がさらに行われる場合がある。

F. Borogioli et. al., Improvement of wear resistance of Ti-6Al-V alloy by means of thermal oxidation, Material Letters, 59 (2005), pp.2159-2162

しかしながら、チタン合金製の機械部品の表面に酸素等を固溶させるための表面処理を行う場合、表面近傍において結晶粒の粗大化を惹起する。その結果、チタン合金製の機械部品の表面における硬さは改善されるものの、結晶粒の粗大化に起因して疲労強度が低下してしまう。

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、表面における硬さ及び疲労強度を両立することが可能な機械部品を提供するものである。

一実施形態に係る機械部品は、表面を有し、かつチタン合金製である。チタン合金は、複数のα結晶粒を有する。α結晶粒には、プライマリα結晶粒と、セカンダリα結晶粒とが含まれている。表面にあるα結晶粒は、第１群と、第２群とに区分されている。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群に属する結晶粒径が最も小さい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。第１群に属するα結晶粒の平均粒径は、１５μｍ以下である。チタン合金は、表面において、１質量パーセント以上の酸素を含有する。

上記の機械部品において、表面におけるチタン合金の硬さは６００Ｈｖ以上であってもよい。

上記の機械部品において、チタン合金は、表面において、１．４質量パーセント以上の酸素を含有していてもよい。上記の機械部品において、表面におけるチタン合金の硬さは６５０Ｈｖ以上であってもよい。

上記の機械部品において、チタン合金は、表面において、１．８質量パーセント以上の酸素を含有していてもよい。上記の機械部品において、表面におけるチタン合金の硬さは７００Ｈｖ以上であってもよい。

上記の機械部品において、チタン合金は、α型チタン合金及びα＋β型チタン合金のいずれかであってもよい。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。

上記の機械部品は、軸受部品であってもよい。上記の機械部品は、すべり軸受であってもよい。

一実施形態に係る機械部品によると、表面における硬さ及び疲労強度を両立することができる。

すべり軸受１０の上面図である。図１のＩＩ－ＩＩにおける断面図である。チタン合金に含まれる酸素の濃度と硬さとの関係とを示すグラフである。第１群に属するα結晶粒の平均粒径と表面におけるチタン合金の硬さとの関係を示すグラフである。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。比較例に係る機械部品の表面付近におけるＥＢＳＤ像である。実施例に係る機械部品の表面付近におけるＥＢＳＤ像である。

実施形態の詳細を、図面を参照しながら説明する。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符号を付すものとし、重複する説明は繰り返さない。

（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。

実施形態に係る機械部品は、例えば、軸受部品である。実施形態に係る機械部品は、例えば、すべり軸受である。実施形態に係る機械部品はこれに限られないが、以下においては、すべり軸受１０を例として説明する。

図１は、すべり軸受１０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に示されるように、環状（リング状）の形状を有している。すべり軸受１０は、表面を有している。より具体的には、すべり軸受は、表面として、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、すべり軸受１０の中心軸１０ｅに沿う方向における端面を構成している。内周面１０ｃ及び外周面１０ｄは、上面１０ａ（底面１０ｂ）に連なっている。内周面１０ｃは、すべり軸受１０のすべり面を構成している。

すべり軸受１０は、チタン（Ｔｉ）合金製である。すべり軸受１０は、好ましくは、α型のチタン合金又はα＋β型のチタン合金で形成されている。ここで、α型のチタン合金とは、常温においてα相単相組織を呈するチタン合金である。また、α＋β型のチタン合金とは、常温においてα相及びβ相で構成される２相組織を呈するチタン合金である。なお、α相とは、ｈｃｐ（hexagonal closed pack）構造のチタンの低温相であり、β相とは、ｂｃｃ（body centered cubic）構造のチタンの高温相である。

好ましくは、すべり軸受１０は、ＡＳＴＭ規格（Ｂ３４８－１３ＧＲ．５）に定められるＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金（以下においては、「６４チタン合金」という）で形成されている。なお、６４チタン合金は、α＋β型のチタン合金の一種である。

α型チタン合金の例としては、ＡＳＴＭ規格に定められるＴｉ－５Ａｌ－２．５Ｓｎ合金、Ｔｉ－８Ａｌ－１Ｍｏ－１Ｖ合金、Ｔｉ－６Ａｌ－２Ｓｎ－４Ｚｒ－２Ｍｏ合金がある。α＋β型チタン合金の例としては、ＡＳＴＭ規格に定められるＴｉ－３Ａｌ－２．５Ｖ合金、Ｔｉ－６Ａｌ－２Ｓｎ－４Ｚｒ－６Ｍｏ合金、Ｔｉ－６Ａｌ－６Ｖ－２Ｓｎ（Ｃｕ＋Ｆｅ）合金がある。

表面にあるチタン合金は、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Ｓ２、時効処理工程Ｓ３及び浸酸処理工程Ｓ４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結晶粒と見做される。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°以上である場合には、それらのα結晶相は、別々のα結晶粒と見做される。なお、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。

表面にあるチタン合金に含まれるα結晶粒は、第１群と、第２群とに区分される。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、表面にあるチタン合金に含まれるα結晶粒は、降順に（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、すべり軸受１０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、すべり軸受１０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。

チタン合金は、表面において、１質量パーセント以上の酸素（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質量パーセント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質量パーセント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。

表面におけるチタン合金の硬さは、６００Ｈｖ以上であることが好ましい。表面におけるチタン合金の硬さは、６５０Ｈｖ以上であることがさらに好ましい。表面におけるチタン合金の硬さは、７００Ｈｖ以上であることが特に好ましい。なお、表面におけるチタン合金の硬さは、ＪＩＳ規格（ＪＪＳＺ２２４４：２００９）に規定されるビッカース硬さ試験法にしたがって測定される。

図３は、チタン合金に含まれる酸素の濃度と硬さとの関係とを示すグラフである。図３において、横軸は酸素濃度（単位：質量パーセント）を示しており、縦軸は硬さ（単位：Ｈｖ）を示している。図３に示されるように、チタン合金に含まれる酸素の濃度をＸとすると（単位：質量パーセント）とすると、チタン合金の硬さは、－１３．８４６Ｘ^２＋１８５．９５Ｘ＋３６３．６６で近似することができる。

そのため、例えば、表面におけるチタン合金中の酸素の濃度を１．４質量パーセント以上とすることにより、表面におけるチタン合金の硬さを６００Ｈｖ以上とすることができる。同様に、表面におけるチタン合金中の酸素の濃度を１．８質量パーセント以上とすることにより、表面におけるチタン合金の硬さを６５０Ｈｖ以上とすることができる。

図４は、第１群に属するα結晶粒の平均粒径と表面におけるチタン合金の硬さとの関係を示すグラフである。図４において、横軸は第１群に属するα結晶粒の平均粒径の平方根の逆数（単位：μｍ^－１／２）であり、縦軸は硬さ（単位：Ｈｖ）である。図４に示されるように、第１群に属するα結晶粒の平均粒径が小さくなるほど、表面におけるチタン合金の硬さが上昇している。

図５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５に示されるように、実施形態に係る機械部品の製造方法は、準備工程Ｓ１と、溶体化処理工程Ｓ２と、時効処理工程Ｓ３と、浸酸処理工程Ｓ４と、後処理工程Ｓ５とを有している。

準備工程Ｓ１においては、対象材が準備される。対象材は、チタン合金製である。対象材は、例えば、α型のチタン合金、α＋β型のチタン合金で形成されている。対象材は、好ましくは、６４チタン合金で形成されている。

溶体化処理工程Ｓ２においては、対象材に対して、溶体化処理が行われる。溶体化処理工程Ｓ２は、保持工程Ｓ２１と、冷却工程Ｓ２２とを有している。保持工程Ｓ２１においては、対象材が、所定の保持温度（以下においては、「第１温度」という）において、所定の時間（以下においては、「第１時間」という）保持される。溶体化処理工程Ｓ２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。

第１温度は、対象材を構成するチタン合金のβ変態開始点よりも高い。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変態開始点とは、対象材を構成するチタン合金中のα相の少なくとも一部が、β相への変態を開始する温度である。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。第１温度は、好ましくは、β単相変態点よりも６０℃低い温度以上β単相変態点未満である。第１時間は、好ましくは、６０秒以上７．２×１０^３秒以下である。

冷却工程Ｓ２２は、保持工程Ｓ２１の後に行われる。冷却工程Ｓ２２においては、保持工程Ｓ２１を経た対象材の冷却が行われる。これにより、保持工程Ｓ２１においてβ相に変態したα相がセカンダリα相となる。冷却工程Ｓ２２は、例えば５質量パーセント濃度の食塩水で対象材を水冷することにより行われる。

時効処理工程Ｓ３は、溶体化処理工程Ｓ２が行われた後に行われる。時効処理工程Ｓ３においては、対象材が、所定の温度（以下においては、「第２温度」という）において所定の時間（以下においては、「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Ｓ３により、冷却工程Ｓ２２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。

第２温度は、対象材を構成するチタン合金のβ変態開始点よりも低い。好ましくは、第２保持温度は、４００℃以上７００℃以下である。第２温度は、さらに好ましくは、５００℃以上５６０℃以下である。第２時間は、好ましくは、３０秒以上４．３×１０^４秒以下であり、さらに好ましくは、７．２×１０^３秒以上３．６×１０^４秒以下である。

浸酸処理工程Ｓ４は、時効処理工程Ｓ３が行われた後に行われる。浸酸処理工程Ｓ４においては、対象材の表面から対象材の内部に向かって、酸素が導入される。浸酸処理工程Ｓ４においては、対象材の表面に、チタン酸化物（ＴｉＯ_２、ＴｉＯ）及びチタン炭化物（ＴｉＣ）が形成される。なお、対象材の表面に形成されたチタン酸化物及びチタン炭化物は、後処理工程Ｓ５において除去される。

浸酸処理工程Ｓ４は、対象材を、所定の保持温度（以下においては、「第３温度」という）において、所定の時間（以下においては、「第３時間」という）保持することにより行われる。

第３温度は、対象材を構成するチタン合金中における酸素の拡散速度を高める観点から８００℃以上であることが好ましい。第３温度は、対象材を構成するチタン合金に含まれる結晶粒の粗大化を抑制する観点からβ単相変態点未満が好ましい。第３時間は、対象材中に十分酸素を拡散させる観点から、１．４×１０^４秒以上３．６×１０^５秒以下であることが好ましい。

浸酸処理工程Ｓ４は、二酸化炭素（ＣＯ_２）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_２）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。

雰囲気ガス中における二酸化炭素の分圧は、対象材中へと十分酸素を拡散させる観点から、５０ｐｐｍ以上であることが好ましい。この雰囲気ガス中における二酸化炭素の分圧は、対象材の表面においてチタン酸化物及びチタン炭化物が過度に形成されてしまうことを抑制する観点から、１パーセント以下であることが好ましい。

雰囲気ガス中に含まれる二酸化炭素は、対象材の表面において、炭素（Ｃ）と酸素とに分解される。対象材の表面において分解された炭素及び酸素は、対象材の内部へと拡散する。このようにして、雰囲気ガスに含まれる元素が対象材に拡散浸透し、浸酸処理工程Ｓ４が行われる。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Ｓ５は、浸酸処理工程Ｓ４の後に行われる。後処理工程Ｓ５においては、対象材に対する後処理が行われる。後処理工程Ｓ５においては、例えば、対象材の洗浄、対象材に対する研削、研磨等の機械加工等が行われる。以上により、実施形態に係る機械部品の製造が行われる。

（実施形態に係る機械部品の効果）
以下に、実施形態に係る機械部品の効果を説明する。

プライマリα相はセカンダリα相と比較して相対的に硬さが低いため、チタン合金中に相対的に結晶粒径の大きなプライマリα結晶粒が多く含まれている場合、当該プライマリα結晶粒が破壊の起点となりやすく、疲労強度が低下する。

上記のとおり、実施形態に係る機械部品の表面にあるチタン合金中においては、第１群に属するα結晶粒の平均粒径は、１５μｍ未満である。すなわち、表面にあるチタン合金中には、相対的に結晶粒径の大きなプライマリ結晶粒の数が少ない。また、実施形態に係る機械部品においては、表面にあるチタン合金中の酸素濃度が１重量パーセント以上であるため、表面にあるチタン合金は、酸素によって固溶強化されている。したがって、実施形態に係る機械部品によると、表面における硬さが改善されているとともに、結晶粒径の微細化に伴って疲労強度が改善されている。

実施例に係る機械部品は、６４チタン合金製の対象材に対して、溶体化処理工程Ｓ２、時効処理工程Ｓ３及び浸酸処理工程Ｓ４を行うことにより、製造された。詳細な熱処理条件に関しては、表１に示されるとおりである。

より詳細には、第１温度は９８０℃とされ、第１時間は２０分（１．２×１０^３秒）とされた。また、第２温度は５３０℃とされ、第２時間は５時間（１．８×１０^４秒）とされた。さらに、第３温度は８５０℃とされ、第３時間は１６時間（５．７６×１０^４秒）とされた。浸酸処理工程Ｓ４は、二酸化炭素とアルゴンとを含む雰囲気ガス中において行われ、当該雰囲気ガス中における二酸化炭素の分圧は２００ｐｐｍとされた。

他方で、比較例に係る機械部品は、６４チタン合金製の対象材に対して、二酸化炭素とアルゴンとを含む雰囲気ガス中において、８５０℃で１６時間（５．７６×１０^４秒）保持することにより製造された。

図６は、比較例に係る機械部品の表面付近におけるＥＢＳＤ像である。なお、図６中においては、下側が表面側である。図６に示されるように、比較例に係る機械部品においては、表面にあるチタン合金中において、粗大なα結晶粒が析出していた。比較例に係る機械部品においては、第１群に属するα結晶粒の平均粒径は、２１．６μｍであった。

図７は、実施例に係る機械部品の表面付近におけるＥＢＳＤ像である。なお、図７中においては、下側が表面側である。図７に示されるように、実施例に係る機械部品においては、表面にあるチタン合金中において、相対的に微細なα結晶粒が析出していた。実施例に係る機械部品においては、第１群に属するα結晶粒の平均粒径は、１０．１μｍであった。

このように、実施形態に係る機械部品によると、相対的に結晶粒径の大きなプライマリ結晶粒の数を減らすことができ、その結果、疲労強度の改善が可能であることが実験的にも示された。

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に特に有利に適用される。

１０すべり軸受、１０ａ上面、１０ｂ底面、１０ｃ内周面、１０ｄ外周面、１０ｅ中心軸、Ｓ１準備工程、Ｓ２溶体化処理工程、Ｓ３時効処理工程、Ｓ４浸酸処理工程、Ｓ５後処理工程、Ｓ２１保持工程、Ｓ２２冷却工程。

Claims

表面を有するチタン合金製の機械部品であって、
前記チタン合金は、複数のα結晶粒を有し、
前記α結晶粒には、プライマリα結晶粒と、セカンダリα結晶粒とが含まれており、
前記表面と前記表面から２５０μｍの距離にある位置との間の領域にある前記α結晶粒は、第１群と、第２群とに区分され、
前記第１群に属する前記α結晶粒の結晶粒径の最小値は、前記第２群に属する前記α結晶粒の結晶粒径の最大値よりも大きく、
前記第１群に属する前記α結晶粒の総面積を前記第１群に属する前記α結晶粒及び前記第２群に属する前記α結晶粒の総面積で除した値は０．７以上であり、
前記第１群に属する結晶粒径が最も小さい前記α結晶粒を除いた前記第１群に属する前記α結晶粒の総面積を前記第１群に属する前記α結晶粒及び前記第２群に属する前記α結晶粒の総面積で除した値は０．７未満であり、
前記第１群に属する前記α結晶粒の平均粒径は１５μｍ以下であり、
前記チタン合金は、前記表面において、１質量パーセント以上の酸素を含有し、
前記チタン合金は、６４チタン合金であり、
前記表面における前記チタン合金の硬さは、６００Ｈｖ以上である、機械部品。
前記チタン合金は、前記表面において、１．４質量パーセント以上の酸素を含有する、請求項１に記載の機械部品。
前記表面における前記チタン合金の硬さは６５０Ｈｖ以上である、請求項２に記載の機械部品。
前記チタン合金は、前記表面において、１．８質量パーセント以上の酸素を含有する、請求項１に記載の機械部品。
前記表面における前記チタン合金の硬さは７００Ｈｖ以上である、請求項４に記載の機械部品。
前記機械部品は、軸受部品である、請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の機械部品。
前記機械部品は、すべり軸受である、請求項６に記載の機械部品。