WO2011105039A1 - チタン材料、このチタン材料を構成部材に含む転動装置、及びチタン材料の製造方法 - Google Patents

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石川武正
高橋徹
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    • F16C29/0695—Ball or roller bearings in which the rolling bodies circulate partly without carrying load with the bearing body fully encircling the guide rail or track the bearing body encircles a guide rail or track of non-circular cross-section, e.g. with grooves or protrusions, i.e. the linear bearing is suited to transmit torque with balls
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    • F16H25/22—Screw mechanisms with balls, rollers, or similar members between the co-operating parts; Elements essential to the use of such members
    • F16H25/2247—Screw mechanisms with balls, rollers, or similar members between the co-operating parts; Elements essential to the use of such members with rollers

Definitions

  • the present invention relates to a titanium material, a rolling device including the titanium material as a constituent member, and a method for manufacturing the titanium material.
  • titanium materials are generally classified into pure titanium, ⁇ -type titanium alloy, ⁇ + ⁇ -type titanium alloy, and ⁇ -type titanium alloy.
  • pure titanium is a dense hexagonal crystal ( ⁇ phase) at room temperature, but undergoes an allotropic transformation (also referred to as a phase transformation) to a body-centered cubic crystal ( ⁇ phase) at about 885 ° C.
  • ⁇ phase dense hexagonal crystal
  • ⁇ phase transformation an allotropic transformation
  • ⁇ phase body-centered cubic crystal
  • an ⁇ -type titanium alloy is generally called ⁇ -type titanium alloy and an ⁇ - ⁇ type titanium alloy is one having two phases of ⁇ -phase and ⁇ -phase at room temperature.
  • an alloy that can be converted into a ⁇ single phase purely by quenching from a temperature equal to or higher than the ⁇ transformation point is called a ⁇ -type titanium alloy.
  • the ⁇ -type titanium alloy is an excellent material having both high strength, light weight, and corrosion resistance, so its use is widespread.
  • biomaterials such as artificial bones, accessories such as eyeglass frames, sports such as golf clubs, etc. The field of use is expanding to supplies.
  • the ⁇ -phase titanium alloy is unstable in the ⁇ -type titanium alloy, it causes martensitic transformation by rapid cooling, or a metastable phase called ⁇ -phase precipitates due to rapid cooling or aging, causing hardening and embrittlement.
  • the ⁇ phase is a phase having a hexagonal crystal structure and coexists on a continuous crystal lattice together with a ⁇ phase having a body-centered cubic crystal structure.
  • the manifestation of the ⁇ phase transformation in the titanium alloy affects the physical properties such as strength, toughness and electrical resistance of the titanium alloy.
  • the ⁇ phase is relatively soft and the ⁇ phase is very hard, the coexistence structure of these two phases defines the strength of the entire system.
  • Hardening and embrittlement of titanium alloy due to precipitation of ⁇ phase occurs when the amount of ⁇ -stabilizing element is small with respect to Ti, which is the base material element. It has been conventionally known that the ⁇ phase that causes hardening and embrittlement can be suppressed by adjusting (see, for example, Patent Document 1 below).
  • the present invention has been made in view of the various problems existing in the above-described prior art.
  • the purpose of the present invention is based on the results of elucidation of a new phase transformation mechanism in a titanium alloy found by the inventors. It is to provide a titanium material that has not been present in Japan and a technology for applying this titanium material to a rolling device.
  • the titanium material according to the present invention has a new phase in which diffraction spots are present at positions deviated from the imaginary line connecting the approximate centers of the diffraction spots of adjacent matrix phases on the electron diffraction pattern obtained by electron microscopy. It is characterized by.
  • titanium material according to the present invention can be used as a rolling sliding member in which relative rolling contact or sliding contact occurs with a counterpart member.
  • an inner member having a raceway surface on the outer surface
  • an outer member having a raceway surface facing the raceway surface of the inner member and disposed on the outer side of the inner member, and the both raceway surfaces
  • a rolling device provided so as to be freely rollable, wherein at least one of the inner member, the outer member, and the rolling member is made of the titanium material according to the present invention. Can do.
  • the method for producing a titanium material according to the present invention is a method for producing a titanium material used as a rolling sliding member in which relative rolling contact or sliding contact occurs with a counterpart member, which is performed by electron microscopy.
  • the Vickers hardness Hv of a titanium material having a new phase in which diffraction spots exist at positions deviated from the imaginary line connecting the approximate centers of the diffraction spots of adjacent matrix phases is 400 or more.
  • an aging treatment is performed at a treatment temperature of 300 to 500 ° C. and an aging time of 40 hours or more.
  • a titanium material that has not existed in the past and a technique for applying this titanium material to a rolling device. Can be provided.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining the precipitation form of the ⁇ phase in the Ti-20Mo alloy.
  • the fractional diagram (a) in FIG. 1 makes an electron beam incident in parallel to the direction of the ⁇ phase (101) plane.
  • the electron diffraction pattern when it was made to show is shown, and the fraction (b) in a figure is a mimetic diagram for explaining fraction (a).
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the precipitation form of a new phase in a Ti-20Mo alloy.
  • the fractional diagram (a) in FIG. 2 makes an electron beam incident parallel to the direction of the ⁇ phase (101) plane.
  • FIG. 3 is a graph showing data obtained by this experiment.
  • FIG. 4 is a diagram showing plot data to which reference numeral 1-1 is given in FIG. 3.
  • a fraction (a) in the figure shows an electron diffraction pattern, and a fraction (b) shows a fraction (a It is a schematic diagram for demonstrating.
  • FIG. 5 is a diagram showing plot data to which reference numeral 1-2 is given in FIG. 3.
  • a fraction (a) in the figure shows an electron diffraction pattern, and a fraction (b) shows a fraction (a It is a schematic diagram for demonstrating.
  • FIG. 4 is a diagram showing plot data to which reference numeral 1-1 is given in FIG. 3.
  • a fraction (a) in the figure shows an electron diffraction pattern, and a fraction (b) shows a fraction (a It is a schematic diagram for demonstrating.
  • FIG. 5 is a diagram showing plot data to which reference numeral 1-2 is given in FIG. 3.
  • a fraction (a) in the figure shows an electron
  • FIG. 6 is a diagram showing plot data to which reference numeral 2-1 is given in FIG. 3.
  • a fraction (a) in the figure shows an electron diffraction pattern
  • a fraction (b) shows a fraction (a It is a schematic diagram for demonstrating.
  • FIG. 7 is a diagram showing plot data to which reference numerals 2 to 7 are assigned in FIG. 3.
  • a fraction (a) in the figure shows an electron diffraction pattern
  • a fraction (b) shows a fraction (a It is a schematic diagram for demonstrating.
  • FIG. 8 is a diagram showing plot data to which reference numeral 3-2 is given in FIG. 3.
  • a fraction (a) in the figure shows an electron diffraction pattern
  • a fraction (b) shows a fraction (a It is a schematic diagram for demonstrating.
  • FIG. 9 is a diagram showing a dark-field image of a new phase created by detecting the diffraction spots indicated by reference numeral 1 in the electron diffraction pattern shown in the partial diagram (a) of FIG.
  • FIG. 10 is a diagram showing a dark-field image of a new phase created by detecting diffraction spots indicated by reference numeral 2 in the electron diffraction pattern shown in the partial diagram (a) of FIG.
  • FIG. 11 is a diagram showing a dark-field image of a new phase created by detecting the diffraction spots indicated by reference numeral 3 in the electron diffraction pattern shown in the partial diagram (a) of FIG.
  • FIG. 10 is a diagram showing a dark-field image of a new phase created by detecting the diffraction spots indicated by reference numeral 2 in the electron diffraction pattern shown in the partial diagram (a) of FIG.
  • FIG. 11 is a diagram showing a dark-field image of a new phase created by detecting the diffraction spots indicated by
  • FIG. 12 is a diagram showing a dark-field image of a new phase created by detecting diffraction spots indicated by reference numeral 4 in the electron diffraction pattern shown in the partial diagram (a) of FIG.
  • FIG. 13 is a diagram showing an ⁇ -phase dark field image created by detecting a diffraction spot indicated by reference numeral 5 in the electron diffraction pattern shown in FIG. 8A.
  • FIG. 14 is a diagram showing an ⁇ -phase dark field image created by detecting the diffraction spots indicated by reference numeral 6 in the electron diffraction pattern shown in FIG. 8A.
  • FIG. 15 is a diagram showing an ⁇ -phase dark field image created by detecting the diffraction spots indicated by reference numeral 7 in the electron diffraction pattern shown in FIG.
  • FIG. 16A is an external perspective view illustrating one embodiment of a linear guide device according to this embodiment configured by a rolling sliding member made of a titanium material.
  • FIG. 16B is a cross-sectional view for explaining an infinite circuit provided in the linear guide device shown in FIG. 16A.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating a case where the rolling device according to this embodiment is configured as a ball screw device.
  • FIG. 18 is a diagram illustrating a case where the rolling device according to this embodiment is configured as a spline device.
  • FIG. 19A is a partially longitudinal perspective view illustrating an example of a case where the rolling device according to this embodiment is configured as a rotary bearing device.
  • FIG. 19B is a view showing a longitudinal section of the rotary bearing device shown in FIG.
  • FIG. 20 is an external perspective view illustrating one mode when the rolling device according to this embodiment is configured as a sliding screw device.
  • FIG. 21 is a diagram for explaining various application examples of the present invention, and is an external perspective partial sectional view showing a rolling device of a type in which a linear motion guide and a ball screw are combined to form an integral structure. .
  • new phase a new structure-undetermined phase that has not been known in the past in research for elucidating the ⁇ -phase transformation mechanism.
  • new phase a transmission electron microscope (Transmission Electron Microscope) in order to obtain electronic knowledge about the ⁇ phase transformation.
  • Electron Energy-Loss (Microscopy, TEM) TEM-EELS (hereinafter simply referred to as “electron microscopy”) combined with Spectroscopy (EELS) to collect data for quantitative evaluation of changes in the electronic state density of the parent phase and ⁇ phase as the transformation progresses
  • TEM-EELS Electron Energy-Loss
  • EELS Spectroscopy
  • FIG. 1 and FIG. 2 are shown to explain the difference between the newly discovered new phase and the ⁇ phase.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining the precipitation form of the ⁇ phase in the Ti-20Mo alloy.
  • the fractional diagram (a) in the figure shows that the electron beam is parallel to the direction of the ⁇ phase (101) plane.
  • the electron diffraction pattern when it is made to enter is shown
  • the fraction figure (b) in a figure is a schematic diagram for demonstrating a fraction figure (a).
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the precipitation form of the new phase in the Ti-20Mo alloy.
  • the fractional diagram (a) in the figure shows that the electron beam is parallel to the direction of the ⁇ phase (101) plane.
  • the electron diffraction pattern when it is made to enter is shown
  • the fraction figure (b) in a figure is a schematic diagram for demonstrating a fraction figure (a).
  • spots with large intensities located at the four corners of the electron diffraction pattern indicate spots of the ⁇ phase 11 that is the parent phase.
  • the small spots in FIG. 1 indicate the ⁇ phase 12
  • the conventionally known diffraction spots of the ⁇ phase 12 are approximately the center of the diffraction spots of the ⁇ phase 11 diagonally adjacent on the electron diffraction pattern. It is known that it appears at a position that overlaps the line of the virtual line I to be connected, and appears at a position that is one third and two thirds of the length of the line segment of the virtual line I.
  • the small spots in FIG. 2 indicate the new phase 22 newly discovered this time.
  • the new phase 22 has been confirmed to appear at a position deviating from the virtual line II connecting the approximate centers of the diffraction spots of the ⁇ phase 11 diagonally adjacent to each other on the electron diffraction pattern.
  • the new phase 22 had almost the same hardness as the ⁇ phase 12 and excellent ductility.
  • the inventors can precipitate the new phase 22 under suitable conditions while eliminating the ⁇ phase 12, the inventors will solve the problem of embrittlement that the ⁇ phase 12 has, while having a new high hardness.
  • this new titanium material can be applied to a rolling sliding member that requires high reliability. It is possible to provide a rolling device having a suitable performance that is not present.
  • the composition is Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al, the density is 4.76 g / cm 3 , and the ⁇ transformation point is 760 ° C.
  • the thickness W of an experimental sample two types, 0.6 mm and 1.5 mm, were prepared according to aging conditions.
  • FIG. 3 is a graph showing data obtained by this experiment, with the aging time [hrs] on the horizontal axis and the Vickers hardness [Hv] on the vertical axis.
  • Table 1 shown below shows the experimental conditions of this experiment, and summarizes the experimental conditions and experimental results for each sample used in this experiment. Note that the experimental conditions and experimental results shown in Table 1 are denoted by reference numerals 1-1, 1-2, 2-1, 2-2, 2-3, 2-4, 2-5, 2 in FIG. The plot data to which ⁇ 6, 2-7, 3-1, 3-2, and 4-1 are assigned are shown.
  • Experiment No. 1 is an aging treatment of only one stage at an aging temperature of 300 ° C.
  • the first aging treatment is performed at an aging temperature of 300 ° C.
  • the second aging treatment is performed at an aging temperature of 400 ° C. or 500 ° C.
  • Experiment No. 1 is an aging treatment of only one stage at an aging temperature of 300 ° C.
  • the first aging treatment is performed at an aging temperature of 300 ° C.
  • the second aging treatment is performed at an aging temperature of 400 ° C. or 500 ° C.
  • the Vickers hardness Hv can be secured at least 400 or more, and
  • boundary lines III Hv and III hrs indicating the respective lower limit values could be drawn on the graph of FIG.
  • a boundary line where the Vickers hardness Hv indicated by the symbol III Hv indicates 400 could be used as the boundary condition.
  • a boundary line indicating the aging time 40 hrs indicated by the symbol III hrs could be used as the boundary condition.
  • the upper limit value among the values for which plot data was obtained in this experiment can be adopted. That is, the upper limit of the aging time in this experiment is 402 hrs, and the upper limit of the Vickers hardness Hv is 640.
  • the upper limit boundary value shown here is only within the range of the present experiment, and from the nature of the present experiment, there is little significance in providing an upper limit.
  • KS15-3-3-3 which is a titanium alloy
  • the Vickers hardness Hv is 400 or more
  • FIGS. 4 to 8 are diagrams showing plot data to which reference numerals 1-1, 1-2, 2-1, 2-7, and 3-2 are assigned in FIG. 3, respectively.
  • FIG. 1A shows an electron diffraction pattern
  • FIG. 2B is a schematic diagram for explaining the diagram (a).
  • 4A to 8B are electron diffraction patterns when an electron beam is incident in parallel to the direction of the ⁇ phase (101) plane.
  • the high-intensity spots indicate the spots of the ⁇ phase 11 that is the parent phase, and the diffraction spots of the ⁇ phase 11 that are diagonally adjacent to each other on the electron diffraction patterns.
  • the ⁇ phase 33 appears at the center position of the line segments of the virtual lines IV, V, VI, VII, and VIII connecting the approximate centers of the lines.
  • the ⁇ phase does not appear in all the electron diffraction patterns shown in FIGS. 4 to 8, and the virtual line connecting the approximate centers of the diffraction spots of the ⁇ phase 11 diagonally adjacent on the electron diffraction pattern. It can be confirmed that the new phase 22 appears at a position deviated from the lines IV, V, VI, VII, and VIII.
  • FIGS. 9 to 15 are diagrams showing dark field images created by detecting the diffraction spots indicated by reference numerals 1 to 7 in the electron diffraction pattern shown in the partial diagram (a) of FIG.
  • FIGS. 9 to 12 show dark field images of the new phase 22
  • FIGS. 13 to 15 show dark field images of the ⁇ phase 33.
  • the conventionally known aspect of the ⁇ phase 33 has a needle-like or columnar crystal grain shape.
  • the appearance of the new phase 22 shown in FIG. 9 to FIG. 12 was that many fine crystal grains were precipitated. In this way, by confirming the dark field image, it was possible to confirm the appearance of the new phase 22 that had a distinctly different appearance from the ⁇ phase 33.
  • the titanium material and the manufacturing method thereof according to the present invention have been described above.
  • the titanium material according to the present invention was found to be a diffraction spot of the matrix adjacent to the diagonal on the electron diffraction pattern obtained by electron microscopy, based on the experiment conducted by the present inventors and analysis of the results. It has been clarified that there are diffraction spots of the new phase 22 at positions deviating from the imaginary line connecting the approximate centers.
  • the titanium material according to the present invention had no ⁇ -phase diffraction spots on the electron diffraction pattern obtained by electron microscopy.
  • the titanium material according to the present invention can be manufactured by being subjected to an aging treatment at a treatment temperature of 300 to 500 ° C. and an aging time of 40 hours or more, and the Vickers hardness Hv at that time may be 400 or more. It could be confirmed.
  • the new phase 22 is a process in which the aging process proceeds and the ⁇ phase 12 disappears mainly after the ⁇ phase 33 and a few ⁇ phases 12 appear in the initial stage of the aging treatment. It was confirmed that it appeared in.
  • the titanium material according to the present invention is the one in which the new phase 22 is precipitated while the ⁇ phase 12 disappears, the brittleness is improved while having high hardness.
  • the reason why high hardness is obtained even when the ⁇ phase 12 disappears and the new phase 22 appears is that the present inventors are due to the cooperative action of the new phase 22 and the ⁇ phase 33. thinking.
  • the titanium material according to the present invention can be suitably used as a rolling sliding member that receives repeated rolling loads and sliding loads. Then, next, the example at the time of applying the titanium material which concerns on this invention to a rolling device is demonstrated.
  • rolling device in the present specification includes, for example, rolling bearings used in machine tools and the like, non-lubricated bearings used in vacuum, linear guides and linear guide devices, ball spline devices, ball screw devices, It includes devices with various rolling and sliding operations such as roller screw devices, cross roller rings, slide packs, linear bushings, slide rails and the like.
  • FIGS. 16A and 16B are illustrations of linear guide devices.
  • the rolling device according to the present embodiment can be configured as a linear guide device as shown in FIGS. 16A and 16B, and by forming such a linear guide device with the titanium material described above, high strength and light weight can be achieved. It is possible to realize an excellent rolling device having the significant characteristics of titanium materials such as property and corrosion resistance.
  • FIG. 16A is an external perspective view illustrating an embodiment of the linear guide device according to this embodiment formed of a titanium material.
  • FIG. 16B is a cross-sectional view for explaining an infinite circuit provided in the linear guide device shown in FIG. 16A.
  • the linear guide device 40 as a rolling device includes a track rail 41 as an inner member, and a track rail 41. And a moving block 43 as an outer member slidably mounted via balls 42... Installed as a number of rolling elements.
  • the track rail 41 is a long member whose cross section perpendicular to the longitudinal direction is formed in a substantially rectangular shape, and the surface (upper surface and both side surfaces) of the track rail 41 is a track surface that becomes a track when the balls 42 roll. Are formed over the entire length of the track rail 41.
  • the track rail 41 may be formed to extend linearly or may be formed to extend in a curved manner. Further, the number of rolling element rolling surfaces 41a illustrated in FIGS. 16A and 16B is two in total on the left and right, and a total of four is provided. Can be changed.
  • the moving block 43 is provided with a loaded rolling element rolling surface 43a as a raceway surface at a position corresponding to each of the rolling element rolling surfaces 41a.
  • the rolling element rolling surfaces 41a of the track rail 41 and the loaded rolling element rolling surfaces 43a of the moving block 43 form a load rolling path 52, and a plurality of balls 42 are sandwiched therebetween.
  • the moving block 43 includes four unloaded rolling paths 53 extending in parallel with the rolling element rolling surfaces 41a, and a direction change connecting the unloaded rolling paths 53 and the loaded rolling paths 52.
  • Paths 55 are provided.
  • One infinite circulation path is configured by a combination of one load rolling path 52 and no-load rolling path 53 and a pair of direction changing paths 55 connecting them (see FIG. 16B).
  • a plurality of balls 42 are installed in an infinite circulation path composed of a load rolling path 52, a no-load rolling path 53, and a pair of direction changing paths 55, 55 so as to be capable of infinite circulation, thereby moving block 43. Is reciprocally movable relative to the track rail 41.
  • the track rail 41 as an inner member
  • the moving block 43 as an outer member
  • balls 42 installed as a plurality of rolling elements ...
  • At least one of the above can be constituted by the above-described titanium material of the present invention.
  • all the constituent members can be made of a titanium material, or some of the constituent members can be made of a titanium material. This selection may be performed according to the usage environment of the linear guide device 40 or the like.
  • the rolling device according to the present embodiment can be configured as a ball screw device 56 as shown in FIG. 17, for example.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating a case where the rolling device according to this embodiment is configured as a ball screw device.
  • the ball screw device 56 is a device including a screw shaft 57 as an inner member and a nut member 59 as an outer member attached to the screw shaft 57 via a plurality of balls 58 so as to be relatively rotatable. .
  • the screw shaft 57 is an inner member in which a rolling element rolling groove 57a as a spiral raceway surface is formed on the outer peripheral surface, while the nut member 59 corresponds to the rolling element rolling groove 57a on the inner peripheral surface. It is an outward member in which a load rolling groove is formed as a spiral raceway surface. As the screw shaft 57 rotates relative to the nut member 59, the nut member 59 can reciprocate relative to the screw shaft 57.
  • the screw shaft 57, the nut member 59, the ball 58, and other members constituting the ball screw device 56 can be the titanium material of the present invention.
  • the rolling device according to the present embodiment can be configured as, for example, a spline device 60 as shown in FIG.
  • FIG. 18 is a diagram illustrating a case where the rolling device according to this embodiment is configured as a spline device.
  • the spline device 60 includes a spline shaft 61 as an inward member and a plurality of balls 62 as rolling elements on the spline shaft 61. And a cylindrical outer cylinder 63 as an outer member attached movably.
  • rolling element rolling surfaces 61a are formed as raceways for the balls 62 and extending in the axial direction of the spline shaft 21.
  • the outer cylinder 63 attached to the spline shaft 61 is formed with a loaded rolling element rolling surface as a raceway surface corresponding to the rolling element rolling surface 61a.
  • a plurality of protrusions extending in the direction in which the rolling element rolling surfaces 61a... Extend are formed on these loaded rolling element rolling surfaces.
  • a load rolling path is formed between the loaded rolling element rolling surface formed on the outer cylinder 63 and the rolling element rolling surface 61 a formed on the spline shaft 61.
  • a no-load return passage is formed in which the balls 62 released from the load move.
  • the outer cylinder 63 incorporates a cage 64 for aligning and holding a plurality of balls 62 in a circuit shape.
  • a plurality of balls 62 are installed so as to roll freely between the loaded rolling element rolling surface of the outer cylinder 63 and the rolling element rolling surface 61a of the spline shaft 61, and are infinitely circulated through the no-load return passage.
  • the outer cylinder 63 can reciprocate relative to the spline shaft 61.
  • the spline shaft 61, the outer cylinder 63, the ball 62 and other members constituting the spline device 60 can be made of the titanium material of the present invention.
  • the spline device 60 By configuring the spline device 60 in this way, it is possible to realize an excellent spline device 60 having, for example, significant characteristics of a titanium material such as high strength, light weight, and corrosion resistance.
  • FIGS. 19A and 19B are a partially longitudinal perspective view illustrating an embodiment in the case where the rolling device according to this embodiment is configured as a rotary bearing device.
  • FIG. 19B is a view showing a longitudinal section of the rotary bearing device shown in FIG. 19A.
  • the rolling device configured as the rotary bearing device 70 has an inner race 71 (as an inner member or an outer member) having an inner raceway surface 72 having a V-shaped cross section on the outer peripheral surface. And an outer race 73 (as an outer member or an inner member) having an outer raceway surface 74 having a V-shaped cross section on the inner circumferential surface, an inner raceway surface 72 and an outer raceway surface 74, and a substantially rectangular cross section.
  • the inner ring 71 and the outer ring 73 perform a relative rotational movement in the circumferential direction by having a plurality of rollers 77 as rolling elements that are cross-arranged between the raceway paths 75.
  • the excellent rotary bearing device 70 having the significant characteristics of the titanium material such as high strength, light weight, and corrosion resistance can be obtained. Can be realized.
  • the apparatus of the form with which the some rolling element was interposed between the inner member and the outer member was illustrated and demonstrated.
  • the scope of application of the present invention which is characterized in that the rolling device is constituted by a titanium material, is not limited to the one using such a rolling element, and the inner member and the outer member can be arranged without using the rolling element.
  • the present invention can also be suitably used for an apparatus configured to be in direct contact and capable of relative movement.
  • FIG. 20 is an external perspective view illustrating an example of a case where the rolling device according to this embodiment is configured as a sliding screw device.
  • a sliding screw device 80 shown in FIG. 20 includes a screw shaft 81 as an inner member in which a screw groove as a spiral raceway surface is formed on the outer peripheral surface, and a helical screw corresponding to the screw groove on the inner peripheral surface.
  • a nut member 83 as an outer member in which a nut groove as a raceway surface is formed, so that the nut member 83 is attached to the screw shaft 81 as the screw shaft 81 rotates relative to the nut member 83. It is comprised so that it can reciprocate relatively with respect to it.
  • any one or all of the screw shaft 81 and the nut member 83 which are constituent members thereof can be made of the titanium material of the present invention.
  • an excellent sliding screw device 80 having, for example, significant characteristics of a titanium material such as high strength, light weight, and corrosion resistance is realized. be able to.
  • the present invention can be applied to a rolling device 90 of a type in which a linear motion guide and a ball screw are combined as shown in FIG.
  • the screw shaft 91 and the moving block 93 are installed via a plurality of balls 95. It is also possible to configure the moving block 93 as a sliding screw.
  • KS15-3-3-3 which is a Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al-based titanium alloy
  • Types of titanium alloys can be included.
  • the present inventors can eliminate the ⁇ phase by aging the Ti-14Mo alloy, Ti-20Mo alloy, SP-700 titanium alloy, etc., under the above-described conditions of the present invention, and newly It has been confirmed that the phase can be precipitated.

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Abstract

　このチタン材料は、電子顕微鏡法によって得られた電子回折図形上で、対角に隣り合う母相１１の回折斑点の略中心を結ぶ仮想線上から逸れた位置に新相２２の回折斑点が存在するとともに、ω相１２の回折斑点が存在しないことを特徴としている。新相２２は、時効処理の初期段階において主としてα相３３とわずかのω相１２が出現した後に、時効処理が進んで前記ω相１２が消失する過程で出現したものであり、時効処理は、処理温度３００～５００℃、時効時間４０ｈｒｓ以上の条件にて実施される。また、このチタン材料は、ビッカース硬さＨｖが４００以上を示す。これにより、相変態を制御してω相を消失させるとともに新相を析出させたチタン材料を得た。そして、このチタン材料は、転動装置に適用することができる。

Description

チタン材料、このチタン材料を構成部材に含む転動装置、及びチタン材料の製造方法
　本発明は、チタン材料、このチタン材料を構成部材に含む転動装置、及びチタン材料の製造方法に関するものである。
　チタン材料は、一般に、純チタン、α型チタン合金、α＋β型チタン合金、β型チタン合金に大別されることが従来から知られている。このうちの純チタンは、常温で稠密六方晶（α相）であるが、約８８５℃で体心立方晶（β相）に同素変態（または、相変態ともいう。）する。このような純チタンに合金元素を添加すると、元素の種類や添加量によりβ変態点が変化し、α相及びβ相と呼ばれる２相領域が出現する。そして、合金化しても、常温においてα単相のものがα型チタン合金、α相とβ相の２相が存在するものがα＋β型チタン合金と一般に呼ばれている。また、β変態点以上の温度から焼き入れで純安定的にβ単相となり得る合金が、β型チタン合金と呼ばれている。
　以上のようなチタン材料は、鉄鋼材料に比べて比強度（＝引張強さ／比重）に優れることから、古くから航空、軍事、宇宙、海洋探査等の分野で使用されてきた。特に、β型チタン合金は、高強度、軽量性、耐食性を併せ持つ優れた材料であるため、その用途は広く、最近では、人工骨等の生体材料、眼鏡フレームなどの装身具、ゴルフクラブ等のスポーツ用品などにも使用分野が広がりつつある。
　ただし、β型チタン合金には、β相が不安定なために、急冷によってマルテンサイト変態を起こしたり、急冷や時効によってω相と呼ばれる準安定相が析出し、硬化と脆化を起こしたりするといった問題が存在していた。ここで、ω相とは、六方晶構造を持つ相であり、体心立方晶構造を持つβ相とともに連続した結晶格子上に共存するものである。チタン合金におけるω相変態の発現は、チタン合金の強度や靭性、電気抵抗等の物理的性質に影響を与えるものである。また、β相は比較的柔らかく、ω相は非常に硬いので、これら２相の共存組織が系全体の強度を規定することとなる。
　ω相の析出によるチタン合金の硬化と脆化は、母材元素であるＴｉに対してβ安定化元素量が少ない場合に起こるが、この問題に対しては、Ａｌ等の合金元素の添加量を調整することで、硬化及び脆化の原因となるω相を抑制できることが従来から知られている（例えば、下記特許文献１参照）。
　また、ω相が有する非常に硬いという性質に着目し、チタン合金中のω相の析出量（存在率や粒径など）を制御することで、高硬度でありながらも、耐摩耗性といった有意な特性にも優れたチタン材料を転がり摺動部材の構成材料に利用し、チタン合金製の転動装置を得る技術が提案されている（例えば、下記特許文献２参照）。
特開２００８－０７５１７３号公報 国際公開第０２／００８６２３号パンフレット
　チタン合金の強度、靭性、電気抵抗等の物理的性質に影響を与えるω相変態の発現については、実用上の問題ばかりでなく変態機構解明の見地からも非常に重要であり、多数の研究がなされている。特に、種々の相変態が実用材料の材質改善や機能開発に広く応用されている現状では、拡散型及び変位型の両変態挙動を呈するω相変態機構の解明は、その信頼性向上や、さらなる応用のためにも必要な問題となっている。
　しかしながら、ω相を含む相変態機構について、より本質的な解明は不十分であり、研究の余地が残されていた。また、ω相を含む相変態機構の解明に基づき、従来にはない、より好適な性質を有するとともに実業界にて利用可能なチタン材料を提供することが求められていた。例えば、上掲した特許文献２では、チタン合金中のω相の析出量を制御することで、高硬度のチタン材料を転がり摺動部材の構成材料に利用する技術が提案されているが、ω相変態機構の解明が不十分である現状においては、特許文献２が提案する技術は最適なものとはいえず、脆化を伴うω相を析出させた材料を転動装置という高い信頼性を要求される装置に適用することには、多くの問題が含まれていた。
　本発明は、上述した従来技術に存在する種々の問題に鑑みて成されたものであり、その目的は、発明者らが見出したチタン合金における新たな相変態機構の解明結果に基づいて、従来には存在しなかったチタン材料と、このチタン材料を転動装置に適用する技術を提供することにある。
　本発明に係るチタン材料は、電子顕微鏡法によって得られた電子回折図形上で、隣り合う母相の回折斑点の略中心を結ぶ仮想線上から逸れた位置に回折斑点が存在する新相を有することを特徴とするものである。
　また、上記本発明に係るチタン材料は、相手部材との間で相対的な転がり接触又はすべり接触が生じる転がり摺動部材として用いることができる。
　さらに、外面に軌道面を有する内方部材と、前記内方部材の軌道面に対向する軌道面を有して前記内方部材の外側に配置された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配置された転動体と、を備える転動装置において、前記内方部材、前記外方部材及び前記転動体のうちの少なくとも１つが、本発明に係るチタン材料から成ることとすることができる。
　またさらに、本発明に係るチタン材料の製造方法は、相手部材との間で相対的な転がり接触又はすべり接触が生じる転がり摺動部材として用いられるチタン材料の製造方法であって、電子顕微鏡法によって得られた電子回折図形上で、隣り合う母相の回折斑点の略中心を結ぶ仮想線上から逸れた位置に回折斑点が存在する新相を有するチタン材料のビッカース硬さＨｖが４００以上となるように、処理温度３００～５００℃、時効時間４０ｈｒｓ以上の時効処理を施すことを特徴としている。
　本発明によれば、発明者らが見出したチタン合金における新たな相変態機構の解明結果に基づいて、従来には存在しなかったチタン材料と、このチタン材料を転動装置に適用する技術を提供することができる。
図１は、Ｔｉ－２０Ｍｏ合金におけるω相の析出形態を説明するための図であり、特に、図中の分図（ａ）は、電子線をβ相（１０１）面の方向に平行に入射させたときの電子回折図形を示しており、図中の分図（ｂ）は、分図（ａ）を説明するための模式図である。 図２は、Ｔｉ－２０Ｍｏ合金における新相の析出形態を説明するための図であり、特に、図中の分図（ａ）は、電子線をβ相（１０１）面の方向に平行に入射させたときの電子回折図形を示しており、図中の分図（ｂ）は、分図（ａ）を説明するための模式図である。 図３は、本実験によって得られたデータを示すグラフ図である。 図４は、図３において符号１－１が付与されたプロットデータを示す図であり、図中の分図（ａ）は、電子回折図形を示し、分図（ｂ）は、分図（ａ）を説明するための模式図である。 図５は、図３において符号１－２が付与されたプロットデータを示す図であり、図中の分図（ａ）は、電子回折図形を示し、分図（ｂ）は、分図（ａ）を説明するための模式図である。 図６は、図３において符号２－１が付与されたプロットデータを示す図であり、図中の分図（ａ）は、電子回折図形を示し、分図（ｂ）は、分図（ａ）を説明するための模式図である。 図７は、図３において符号２－７が付与されたプロットデータを示す図であり、図中の分図（ａ）は、電子回折図形を示し、分図（ｂ）は、分図（ａ）を説明するための模式図である。 図８は、図３において符号３－２が付与されたプロットデータを示す図であり、図中の分図（ａ）は、電子回折図形を示し、分図（ｂ）は、分図（ａ）を説明するための模式図である。 図９は、図８の分図（ａ）で示した電子回折図形において、符号１で示した回折斑点を検出して作成した新相の暗視野像を示す図である。 図１０は、図８の分図（ａ）で示した電子回折図形において、符号２で示した回折斑点を検出して作成した新相の暗視野像を示す図である。 図１１は、図８の分図（ａ）で示した電子回折図形において、符号３で示した回折斑点を検出して作成した新相の暗視野像を示す図である。 図１２は、図８の分図（ａ）で示した電子回折図形において、符号４で示した回折斑点を検出して作成した新相の暗視野像を示す図である。 図１３は、図８の分図（ａ）で示した電子回折図形において、符号５で示した回折斑点を検出して作成したα相の暗視野像を示す図である。 図１４は、図８の分図（ａ）で示した電子回折図形において、符号６で示した回折斑点を検出して作成したα相の暗視野像を示す図である。 図１５は、図８の分図（ａ）で示した電子回折図形において、符号７で示した回折斑点を検出して作成したα相の暗視野像を示す図である。 図１６Ａは、チタン材料からなる転がり摺動部材によって構成される本実施形態に係るリニアガイド装置の一形態を例示する外観斜視図である。 図１６Ｂは、図１６Ａで示したリニアガイド装置が備える無限循環路を説明するための断面図である。 図１７は、本実施形態に係る転動装置をボールねじ装置として構成した場合を例示する図である。 図１８は、本実施形態に係る転動装置をスプライン装置として構成した場合を例示する図である。 図１９Ａは、本実施形態に係る転動装置を回転ベアリング装置として構成した場合の一形態を例示する部分縦断斜視図である。 図１９Ｂは、図１９Ａに示す回転ベアリング装置の縦断面を示す図である。 図２０は、本実施形態に係る転動装置を滑りねじ装置として構成した場合の一形態を例示する外観斜視図である。 図２１は、本発明の多様な適用事例を説明するための図であり、リニアモーションガイドとボールねじが組み合わされて一体構造となっている形式の転動装置を示す外観斜視部分断面図である。
（新相の発見）
　発明者らは、ω相変態機構を解明するための研究の中で、従来では知られていなかった新たな構造未決定相（以下、「新相」と記す。）を発見するに至った。すなわち、発明者らは、ω相変態についての電子論的知見を得るために、透過電子顕微鏡（Transmission Electron
Microscopy, TEM）に電子エネルギー損失分光法（Electron Energy-Loss
Spectroscopy, EELS）を組み合わせたＴＥＭ－ＥＥＬＳ（以下、単に「電子顕微鏡法」と記す。）を用いて、変態進行に伴う母相とω相の電子状態密度変化を定量的評価するデータの収集を行ったところ、採用した二段時効法の時効過程において、チタン材料の新しい析出形態を観察するに至った。具体的には、従来の学説では、「β－ω－α」の相変態が進行すると考えられていたが、時効条件によっては、新相の出現があることを確認したのである。
　ここで、新たに発見された新相とω相との相違点を説明するために、図１及び図２を示す。なお、図１は、Ｔｉ－２０Ｍｏ合金におけるω相の析出形態を説明するための図であり、特に、図中の分図（ａ）は、電子線をβ相（１０１）面の方向に平行に入射させたときの電子回折図形を示しており、図中の分図（ｂ）は、分図（ａ）を説明するための模式図である。また、図２は、Ｔｉ－２０Ｍｏ合金における新相の析出形態を説明するための図であり、特に、図中の分図（ａ）は、電子線をβ相（１０１）面の方向に平行に入射させたときの電子回折図形を示しており、図中の分図（ｂ）は、分図（ａ）を説明するための模式図である。
　図１及び図２において、電子回折図形の四隅に位置する強度の大きな斑点は、母相であるβ相１１の斑点を示している。そして、図１中の小さい斑点がω相１２を示しており、この従来から知られるω相１２の回折斑点は、電子回折図形上で対角に隣り合うβ相１１の回折斑点の略中心を結ぶ仮想線Ｉの線上と重なる位置に現れるとともに、仮想線Ｉの線分の長さの三分の一と三分の二の長さの位置に出現することが知られている。
　一方、図２中の小さい斑点は、今回新たに発見された新相２２を示している。この新相２２については、電子回折図形上で対角に隣り合うβ相１１の回折斑点の略中心を結ぶ仮想線ＩＩの線上から逸れた位置に出現することが確認されている。
　また、新相２２については、ω相１２と比較して硬度がほぼ同程度であり、延性が優れていることが確認された。そこで、発明者らは、ω相１２を消失させつつ新相２２を好適な条件で析出させることができれば、ω相１２が有していた脆化の問題を解消しつつも高い硬度を有する新たなチタン材料を提供できることに着目した。また、このような新たなチタン材料を安定して量産できる技術を確立できれば、高い信頼性が要求される転がり摺動部材にこの新たなチタン材料を適用することができ、さらには、従来にはない好適な性能を有する転動装置を提供することが可能となる。発明者らは、これらの着想に基づく研究を鋭意行った結果、ω相１２及び新相２２の変態過程を明確にし、新相２２を有するチタン材料を安定して量産できる製造条件を見出すことに成功したのである。そこで次に、発明者らが行った実験と、かかる実験によって見出されたω相１２を消失させつつ新相２２を好適に析出させるための条件について、説明することとする。
（実験内容及び結果）
　上述したように、新相２２は、二段時効法の時効過程において出現することが確認されていたので、発明者らは、この新相２２が出現するとともにω相１２が消失し、しかもビッカース硬さＨｖが少なくとも４００以上を確保できる時効処理条件を見出すことを実験の目的とした。この実験において採用された実験試料は、鋼種名ＫＳ１５－３－３－３として知られる高成形性高強度チタン合金であり、その外郭形状については、例えばドーナツ形を採用することとした。
　すなわち、本実験は、上記ドーナツ形からなる外郭形状を有するＫＳ１５－３－３－３製の実験試料を用意し、この実験試料に時効処理を行いながら、任意の時効処理時間ごとにおけるビッカース硬さＨｖを確認するとともに、電子顕微鏡法によって得られる電子回折図形を観察することで、ビッカース硬さＨｖが少なくとも４００以上を確保でき、かつ、ω相１２が消失して新相２２が析出する時効処理条件を見出すことで行われた。
　なお、ＫＳ１５－３－３－３の物性については、組成がＴｉ－１５Ｖ－３Ｃｒ－３Ｓｎ－３Ａｌ、密度が４．７６ｇ／ｃｍ３、β変態点が７６０℃となっている。また、実験試料の厚みＷについては、時効条件に応じて０．６ｍｍと１．５ｍｍの２種類を用意した。
　次に、本実験の条件と結果を図３及び表１に示す。ここで、図３は、本実験によって得られたデータを示すグラフ図であり、横軸に時効時間［ｈｒｓ］が、縦軸にビッカース硬さ［Ｈｖ］がとられている。また、以下に示す表１は、本実験の実験条件を示すとともに、本実験で使用された試料ごとの実験条件及び実験結果をまとめたものである。なお、表１にて示される実験条件及び実験結果については、図３中で符号１－１，１－２，２－１，２－２，２－３，２－４，２－５，２－６，２－７，３－１，３－２，４－１が付与されたプロットデータを抜き出して示してある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　今回発明者らが行った実験では、実験Ｎｏ．１～４で示される４回の実験が実施されている。実験Ｎｏ．１及び実験Ｎｏ．２で示された実験は、実験試料の厚みＷが０．６ｍｍのものが採用されている。特に、実験Ｎｏ．１は、時効温度３００℃で一段のみの時効処理が行われており、一方の実験Ｎｏ．２については、時効温度３００℃で一段目の時効処理を行った後に、時効温度４００℃又は５００℃で二段目の時効処理を行うことが実施されている。また、実験Ｎｏ．３において、時効時間が１２０ｈｒｓまでの時効処理については、実験試料の厚みＷが０．６ｍｍのものが採用されており、時効時間が１２０ｈｒｓ以降の時効処理については、実験試料の厚みＷが１．５ｍｍのものが採用されている。さらに、実験Ｎｏ．４については、実験結果の再現性の有無を確認するために、実験試料の厚みＷが１．５ｍｍのものを用いて実験Ｎｏ．３と全く同じ条件にて実験が行われたものである。またさらに、実験Ｎｏ．３及び実験Ｎｏ．４における時効処理は、時効温度３００℃にて一段のみの時効処理が行われている。
　図３に示された実験Ｎｏ．３のプロットデータからも明らかな通り、実験試料の厚みＷが変化したとしても、その変化の前後でのプロットは連続的な曲線を描いており、実験試料の厚みＷの変化が実験結果に及ぼす影響は少ないことが確認された。また、実験Ｎｏ．３のプロットデータと実験Ｎｏ．４のプロットデータは非常に近い値を示している。したがって、この結果から、本実験の結果が十分な汎用性を持ち、さらに、十分な再現性を有するものであることが確認できた。これらの結果から、本実験の有効性が確認されたので、続いて実験結果の解析を行った。
　すなわち、図３に示されたプロットデータごとの実験試料におけるビッカース硬さＨｖと、電子顕微鏡法によって得られる電子回折図形を観察することで、ビッカース硬さＨｖが少なくとも４００以上を確保でき、かつ、ω相１２が消失して新相２２が析出する時効処理条件を確認したところ、図３のグラフ図上にそれぞれの下限値を示す境界線ＩＩＩＨｖ，ＩＩＩｈｒｓを引くことができた。ビッカース硬さＨｖの下限値については、符号ＩＩＩＨｖで指示されるビッカース硬さＨｖが４００を示す境界線を境界条件とすることができた。一方、時効時間の下限値については、符号ＩＩＩｈｒｓで指示される時効時間４０ｈｒｓを示す境界線を境界条件とすることができた。
　上限値の境界についての考え方としては、本実験にてプロットデータが得られた値のうちの上限値を採用することもできる。すなわち、本実験での時効時間の上限値は４０２ｈｒｓであり、ビッカース硬さＨｖの上限値は６４０である。ただし、ここで示された上限境界値については、あくまで本実験の範囲でのものであり、また、本実験の性質から、上限を設けることの意味は少ないであろう。
　以上の結果から、チタン合金であるＫＳ１５－３－３－３においては、処理温度３００～５００℃、時効時間４０ｈｒｓ以上の時効処理を施すことによって、ビッカース硬さＨｖが４００以上であり、かつ、ω相１２が消失して新相２２が析出した新たなチタン材料を得られることが明らかとなった。
　なお、ω相１２が消失して新相２２が析出するメカニズムについては未だ明確にはなっていないが、その現象面での状況は把握することができた。すなわち、上述した発明条件から外れた実験試料を電子顕微鏡法によって観察したところ、時効処理の初期段階において主としてα相とわずかのω相１２が出現した後に、時効処理が進むことで前記ω相１２が消失して新相２２が出現するという現象を確認することができた。また、ω相１２と新相２２は混在することが確認されており、さらに、ω相１２の消失過程において新相２２が増加していくことが確認されている。したがって、従来から考えられている「β－ω－α」の順での相変態の進行過程については、「β－ω－新相－α」の順での相変態の進行過程が存在することが、今回の実験で明らかとなった。
　また、新相２２を確実に出現させるために、実験Ｎｏ．２では二段時効の処理を行ったが、今回の実験によって、二段時効法を用いなくとも、ω相１２を消失させて新相２２を析出させることが可能であることが明らかとなった（ただし、本発明方法は、二段時効法を含むものである）。
　次に、上述した本実験の電子顕微鏡法によって得られた電子回折図形のうちの代表例を、図４～図８に示す。なお、図４～図８は、それぞれ図３において符号１－１，１－２，２－１，２－７，３－２が付与されたプロットデータを示す図であり、各図中の分図（ａ）は、電子回折図形を示し、分図（ｂ）は、分図（ａ）を説明するための模式図である。なお、図４～図８における分図（ａ）の電子回折図形は、電子線をβ相（１０１）面の方向に平行に入射させたときの電子回折図形を示している。
　図４～図８で示される全ての電子回折図形において、強度の大きな斑点が母相であるβ相１１の斑点を示しており、電子回折図形上で対角に隣り合うβ相１１の回折斑点の略中心を結ぶ仮想線ＩＶ，Ｖ，ＶＩ，ＶＩＩ，ＶＩＩＩの線分の中央位置にα相３３が出現している。そして、図４～図８で示される全ての電子回折図形でω相は出現しておらず、かつ、電子回折図形上で対角に隣り合うβ相１１の回折斑点の略中心を結ぶ仮想線ＩＶ，Ｖ，ＶＩ，ＶＩＩ，ＶＩＩＩの線上から逸れた位置に新相２２が出現していることが確認できる。
　次に、新相２２がどのような様相を呈するかを確認するために、暗視野像を取得した。取得した暗視野像を図９～図１５に示す。なお、図９～図１５は、図８の分図（ａ）で示した電子回折図形において、それぞれ符号１～７で示した回折斑点を検出して作成した暗視野像を示す図である。また、図９～図１２は、新相２２の暗視野像を示し、図１３～図１５は、α相３３の暗視野像を示している。
　図１３～図１５に示されるように、従来から知られるα相３３の様相は、針状あるいは柱状の結晶粒形を呈している。一方、図９～図１２に示される新相２２の様相は、多数の微細な結晶粒が析出したものであった。このように、暗視野像を確認することにより、α相３３とは明らかに異なった様相を呈する新相２２の様相を確認することができた。
　以上、本発明に係るチタン材料とその製造方法について説明を行った。上述したように、本発明者らが行った実験及びその結果解析によって、本発明に係るチタン材料は、電子顕微鏡法によって得られた電子回折図形上で、対角に隣り合う母相の回折斑点の略中心を結ぶ仮想線上から逸れた位置に新相２２の回折斑点が存在することが明らかとなった。
　また、本発明に係るチタン材料では、電子顕微鏡法によって得られた電子回折図形上で、ω相の回折斑点が存在しないことを確認した。
　さらに、本発明に係るチタン材料は、処理温度３００～５００℃、時効時間４０ｈｒｓ以上の時効処理を施されることで製造可能であり、その際のビッカース硬さＨｖは、４００以上となることが確認できた。
　またさらに、本発明に係るチタン材料において、新相２２は、時効処理の初期段階において主としてα相３３とわずかのω相１２が出現した後に、時効処理が進んで前記ω相１２が消失する過程で出現したものであることを確認した。
　なお、本発明に係るチタン材料は、ω相１２を消失させながらも新相２２を析出させたものなので、高い硬度を有しながらも脆性が改善されている。また、ω相１２が消失して新相２２が出現した際にも高い硬度が得られる理由として、本発明者らは、新相２２とα相３３との協働した作用によるものであると考えている。以上のことから、本発明に係るチタン材料は、繰り返しの転がり負荷や摺動負荷を受けることとなる転がり摺動部材として、好適に用いることが可能である。そこで、次に、本発明に係るチタン材料を転動装置へ適用した場合の事例について、説明を行う。
（転動装置への適用例）
　次に、本発明のチタン材料を転がり摺動部材として用いた転動装置の具体的な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下で例示する転動装置の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。また、本明細書における「転動装置」は、例えば、工作機械などに用いられる転がり軸受全般や真空中で使用される無潤滑軸受、リニアガイドや直線案内装置、ボールスプライン装置、ボールねじ装置、ローラねじ装置、クロスローラリング、スライドパック、リニアブッシュ、スライドレールなどのような、あらゆる転動・摺動動作を伴う装置を含むものである。
～リニアガイド装置への適用例～
　本実施形態に係る転動装置は、図１６Ａ及び図１６Ｂに示すようなリニアガイド装置として構成することが可能であり、かかるリニアガイド装置を上述したチタン材料によって構成することにより、高強度、軽量性、耐食性といったチタン材料が有する有意な特性を併せ持つ優れた転動装置を実現することができる。ここで、図１６Ａは、チタン材料によって構成される本実施形態に係るリニアガイド装置の一形態を例示する外観斜視図である。また、図１６Ｂは、図１６Ａで示したリニアガイド装置が備える無限循環路を説明するための断面図である。
　まず、図１６Ａ及び図１６Ｂに例示するリニアガイド装置４０の構成について説明すると、本実施形態に係る転動装置としてのリニアガイド装置４０は、内方部材としての軌道レール４１と、軌道レール４１に多数の転動体として設置されるボール４２…を介してスライド可能に取り付けられた外方部材としての移動ブロック４３とを備えている。軌道レール４１はその長手方向と直交する断面が概略矩形状に形成された長尺の部材であり、その表面（上面及び両側面）には、ボール４２…が転がる際の軌道になる軌道面としての転動体転走面４１ａ…が軌道レール４１の全長に渡って形成されている。
　ここで軌道レール４１は、直線的に伸びるように形成されることもあるし、曲線的に伸びるように形成されることもある。また、図１６Ａ及び図１６Ｂにおいて例示する転動体転走面４１ａ…の本数は左右で２条ずつ合計４条設けられているが、その条数はリニアガイド装置４０の用途等に応じて任意に変更することができる。
　一方、移動ブロック４３には、転動体転走面４１ａ…とそれぞれ対応する位置に軌道面としての負荷転動体転走面４３ａ…が設けられている。軌道レール４１の転動体転走面４１ａ…と移動ブロック４３の負荷転動体転走面４３ａ…とによって負荷転走路５２…が形成され、複数のボール４２…が挟まれている。さらに、移動ブロック４３には、各転動体転走面４１ａ…と平行に伸びる４条の無負荷転走路５３…と、各無負荷転走路５３…と各負荷転走路５２…とを結ぶ方向転換路５５…が設けられている。１つの負荷転走路５２及び無負荷転走路５３と、それらを結ぶ一対の方向転換路５５との組み合わせによって、１つの無限循環路が構成される（図１６Ｂ参照）。
　そして、複数のボール４２…が、負荷転走路５２と無負荷転走路５３と一対の方向転換路５５，５５とから構成される無限循環路に無限循環可能に設置されることにより、移動ブロック４３が軌道レール４１に対して相対的に往復運動可能となっている。
　以上のような構成を備える本実施形態に係るリニアガイド装置４０においては、内方部材としての軌道レール４１、外方部材としての移動ブロック４３、及び、複数の転動体として設置されるボール４２…の少なくとも１つを、上述した本発明のチタン材料によって構成することができる。
　なお、本実施形態に係るリニアガイド装置４０は、全ての構成部材をチタン材料によって構成することもできるし、一部の構成部材をチタン材料によって構成することもできる。この選択は、リニアガイド装置４０の使用環境等に応じて行えばよい。
～転動体ねじ装置への適用例～
　また、本実施形態に係る転動装置は、例えば、図１７において示されるようなボールねじ装置５６として構成することが可能である。図１７は、本実施形態に係る転動装置をボールねじ装置として構成した場合を例示する図である。かかるボールねじ装置５６は、内方部材としてのねじ軸５７と、このねじ軸５７に複数のボール５８を介して相対回転可能に取り付けられる外方部材としてのナット部材５９とを備えた装置である。
　ねじ軸５７は、外周面に螺旋状の軌道面としての転動体転走溝５７ａが形成される内方部材であり、一方、ナット部材５９は、内周面に転動体転走溝５７ａに対応する螺旋状の軌道面としての負荷転走溝が形成される外方部材である。ねじ軸５７のナット部材５９に対する相対的な回転運動に伴って、ナット部材５９がねじ軸５７に対して相対的に往復運動可能となっている。
　そして、ボールねじ装置５６を構成するねじ軸５７やナット部材５９、ボール５８及びその他の部材を本発明のチタン材料とすることができる。ボールねじ装置５６をこのように構成することによって、例えば、高強度、軽量性、耐食性といったチタン材料が有する有意な特性を併せ持つ優れたボールねじ装置５６を実現することができる。
～スプライン装置への適用例～
　さらに、本実施形態に係る転動装置は、例えば、図１８において示されるようなスプライン装置６０として構成することが可能である。図１８は、本実施形態に係る転動装置をスプライン装置として構成した場合を例示する図である。
　ここで、図１８に示されるスプライン装置６０の構成を簡単に説明すると、スプライン装置６０は、内方部材としてのスプライン軸６１と、そのスプライン軸６１に多数の転動体としてのボール６２…を介して移動自在に取り付けられた外方部材としての円筒状の外筒６３とを有している。スプライン軸６１の表面には、ボール６２の軌道となり、スプライン軸２１の軸線方向に延びる軌道面としての転動体転走面６１ａ…が形成されている。スプライン軸６１に取り付けられる外筒６３には、転動体転走面６１ａに対応する軌道面としての負荷転動体転走面が形成される。これらの負荷転動体転走面には、転動体転走面６１ａ…が伸びる方向に伸びる複数条の突起が形成されている。外筒６３に形成した負荷転動体転走面とスプライン軸６１に形成した転動体転走面６１ａとの間で負荷転走路が形成される。負荷転走路の隣には、荷重から解放されたボール６２…が移動する無負荷戻し通路が形成されている。外筒６３には、複数のボール６２…をサーキット状に整列・保持する保持器６４が組み込まれている。そして、複数のボール６２…が、外筒６３の負荷転動体転走面とスプライン軸６１の転動体転走面６１ａとの間に転動自在に設置され、無負荷戻し通路を通って無限循環するように設置されることによって、外筒６３がスプライン軸６１に対して相対的に往復運動可能となっている。
　そして、図１８において示すスプライン装置６０の場合においても、スプライン装置６０を構成するスプライン軸６１や外筒６３、ボール６２及びその他の部材を本発明のチタン材料によって構成することが可能である。スプライン装置６０をこのように構成することによって、例えば、高強度、軽量性、耐食性といったチタン材料が有する有意な特性を併せ持つ、優れたスプライン装置６０を実現することができる。
～回転ベアリング装置への適用例～
　またさらに、本実施形態に係る転動装置は、例えば、図１９Ａ及び図１９Ｂにおいて示されるような回転ベアリング装置７０として構成することが可能である。ここで、図１９Ａは、本実施形態に係る転動装置を回転ベアリング装置として構成した場合の一形態を例示する部分縦断斜視図である。また、図１９Ｂは、図１９Ａに示す回転ベアリング装置の縦断面を示す図である。
　図１９Ａ及び図１９Ｂに示すように、回転ベアリング装置７０として構成される転動装置は、外周面に断面Ｖ字形状の内側軌道面７２を有する（内方部材又は外方部材としての）内輪７１と、内周面に断面Ｖ字形状の外側軌道面７４を有する（外方部材又は内方部材としての）外輪７３と、内側軌道面７２と外側軌道面７４とによって形成される断面略矩形状の軌道路７５の間に転動可能にクロス配列される複数の転動体としてのローラ７７…とを有することにより、内輪７１及び外輪７３が周方向に相対的な回転運動を行うものである。
　このような回転ベアリング装置７０を構成する部材を、本発明のチタン材料によって構成することにより、例えば、高強度、軽量性、耐食性といったチタン材料が有する有意な特性を併せ持つ優れた回転ベアリング装置７０を実現することができる。
～滑りねじ装置への適用例～
　上述した各装置については、内方部材と外方部材の間に複数の転動体が介装された形態の装置を例示して説明した。しかしながら、チタン材料によって転動装置を構成することを特徴とする本発明の適用範囲は、かかる転動体を用いたものには限られず、転動体を介さずに内方部材と外方部材とが直接接触して相対運動可能に構成される装置に対しても好適に用いることが可能である。
　例えば、図２０に示すように、滑りねじ装置８０として構成される転動装置に対して、本発明を適用することも可能である。ここで、図２０は、本実施形態に係る転動装置を滑りねじ装置として構成した場合の一形態を例示する外観斜視図である。そして、図２０に示す滑りねじ装置８０は、外周面に螺旋状の軌道面としてのねじ溝が形成される内方部材としてのねじ軸８１と、内周面にねじ溝に対応する螺旋状の軌道面としてのナット溝が形成される外方部材としてのナット部材８３と、を有することにより、ねじ軸８１のナット部材８３に対する相対的な回転運動に伴って、ナット部材８３がねじ軸８１に対して相対的に往復運動することができるように構成されている。
　また、図２０に示す滑りねじ装置８０についても、その構成部材であるねじ軸８１及びナット部材８３のいずれか一方又は全てを、本発明のチタン材料にて構成することが可能である。このような滑りねじ装置８０を構成する部材を、チタン材料によって構成することにより、例えば、高強度、軽量性、耐食性といったチタン材料が有する有意な特性を併せ持つ、優れた滑りねじ装置８０を実現することができる。
　以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態には、多様な変更又は改良を加えることが可能である。
　例えば、図２１において示されるような、リニアモーションガイドとボールねじが組み合わされて一体構造となっている形式の転動装置９０について、本発明を適用することが可能である。なお、図２１において示す転動装置９０の場合、ねじ軸９１と移動ブロック９３とは、複数のボール９５…を介して設置されているが、複数のボール９５…を介さずにねじ軸９１と移動ブロック９３とが滑りねじとして構成されるようにすることも可能である。
　また、本実施形態では、Ｔｉ－１５Ｖ－３Ｃｒ－３Ｓｎ－３Ａｌ系のチタン合金であるＫＳ１５－３－３－３を用いて行った実験結果を示したが、本発明のチタン材料にはその他の種類のチタン合金を含むことができる。例えば、本発明者らは、Ｔｉ－１４Ｍｏ合金やＴｉ－２０Ｍｏ合金、ＳＰ－７００チタン合金等であっても、上述した本発明条件にて時効処理を行うことで、ω相を消失させて新相を析出させることができることを確認している。
　その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。
　１１　β相、１２　ω相、２２　新相、３３　α相、４０　リニアガイド装置、４１　軌道レール、４１ａ　転動体転走面、４２　ボール、４３　移動ブロック、４３ａ　負荷転動体転走面、４８，４９　ねじ孔、５２　負荷転走路、５３　無負荷転走路、５５　方向転換路、５６　ボールねじ装置、５７　ねじ軸、５７ａ　転動体転走溝、５８　ボール、５９　ナット部材、６０　スプライン装置、６１　スプライン軸、６１ａ　転動体転走面、６２　ボール、６３　外筒、６４　保持器、７０　回転ベアリング装置、７１　内輪、７２　内側軌道面、７３　外輪、７４　外側軌道面、７５　軌道路、７７　ローラ、８０　滑りねじ装置、８１　ねじ軸、８３　ナット部材、９０　転動装置、９１　ねじ軸、９３　移動ブロック、９５　ボール。
 

Claims (8)

  1. 　電子顕微鏡法によって得られた電子回折図形上で、隣り合う母相の回折斑点の略中心を結ぶ仮想線上から逸れた位置に回折斑点が存在する新相を有することを特徴とするチタン材料。
  2. 　請求項１に記載のチタン材料において、
    　電子顕微鏡法によって得られた電子回折図形上で、ω相の回折斑点が存在しないことを特徴とするチタン材料。
  3. 　請求項１又は２に記載のチタン材料において、
    　処理温度３００～５００℃、時効時間４０ｈｒｓ以上の時効処理を施されることで、ビッカース硬さＨｖが４００以上であることを特徴とするチタン材料。
  4. 　請求項１～３のいずれか１項に記載のチタン材料において、
    　前記新相は、時効処理の初期段階において主としてα相とわずかのω相が出現した後に、時効処理が進んで前記ω相が消失する過程で出現したものであることを特徴とするチタン材料。
  5. 　請求項１～４のいずれか１項に記載のチタン材料において、
    　相手部材との間で相対的な転がり接触又はすべり接触が生じる転がり摺動部材として用いられることを特徴とするチタン材料。
  6. 　外面に軌道面を有する内方部材と、
    　前記内方部材の軌道面に対向する軌道面を有して前記内方部材の外側に配置された外方部材と、
    　前記両軌道面間に転動自在に配置された転動体と、
    　を備える転動装置において、
    　前記内方部材、前記外方部材及び前記転動体のうちの少なくとも１つが、請求項１～５のいずれか１項に記載のチタン材料から成ることを特徴とする転動装置。
  7. 　相手部材との間で相対的な転がり接触又はすべり接触が生じる転がり摺動部材として用いられるチタン材料の製造方法であって、
    　電子顕微鏡法によって得られた電子回折図形上で、隣り合う母相の回折斑点の略中心を結ぶ仮想線上から逸れた位置に回折斑点が存在する新相を有するチタン材料のビッカース硬さＨｖが４００以上となるように、処理温度３００～５００℃、時効時間４０ｈｒｓ以上の時効処理を施すことを特徴とするチタン材料の製造方法。
  8. 　請求項７に記載のチタン材料の製造方法において、
    　電子顕微鏡法によって得られた電子回折図形上で、ω相の回折斑点が存在しないように、時効処理の初期段階において主としてα相とわずかのω相を出現させた後、時効処理を進めることで前記ω相を消失させて前記新相を出現させる処理を実行することを特徴とするチタン材料の製造方法。
     
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