(57)【要約】【課題】チタン合金製滑り軸受における摺動面を高硬度化することにより、耐摩耗性を向上させて耐久性を向上させることである。【解決手段】チタン合金製の球面滑り軸受Ａのチタン合金の再結晶組織からなる摺動面２に、プライマリα結晶粒とセカンダリα結晶粒が含まれており、結晶粒成長の抑制相として分散状態でプライマリα結晶粒を面積率１％以上で１０％未満の範囲で含有させる。プライマリα結晶粒の「ピン止め効果」によってセカンダリα結晶粒を微小化して摺動面２の硬度を高める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン合金で摺動面が形成された滑り軸受であり、前記摺動面はプライマリα結晶粒とセカンダリα結晶粒が含まれた再結晶組織からなり、この再結晶組織は結晶粒成長の抑制相として前記プライマリα結晶粒を面積率１％以上１０％未満の範囲で含有するチタン合金製滑り軸受。
【請求項２】
上記チタン合金が、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖチタン合金である請求項１に記載のチタン合金製滑り軸受。
【請求項３】
前記セカンダリα結晶粒の平均粒径は１０μｍ以下である請求項１または２に記載のチタン合金製滑り軸受。
【請求項４】
上記滑り軸受が、上記摺動面を内輪もしくは外輪またはそれら両方に有する球面滑り軸受である請求項１〜３のいずれかに記載のチタン合金製滑り軸受。
【請求項５】
上記球面滑り軸受が、内輪と外輪が潤滑性ライナーを介して摺接する請求項４に記載のチタン合金製滑り軸受。
【請求項６】
上記潤滑性ライナーが、樹脂の成形体もしくは織布またはそれら両方で形成されたライナーである請求項５に記載のチタン合金製滑り軸受。
【請求項７】
上記樹脂の成形体が、ポリテトラフルオロエチレン、芳香族ポリアミド、ポリイミドおよびポリフェニレンサルファイドから選ばれる１種以上の樹脂の成形体である請求項６に記載のチタン合金製滑り軸受。
【請求項８】
上記織布が、ポリテトラフルオロエチレン繊維、芳香族ポリアミド繊維、ガラス繊維およびポリエステル繊維から選ばれる１種以上の繊維からなる織布である請求項６に記載のチタン合金製滑り軸受。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載のチタン合金製滑り軸受からなる航空・宇宙機器用のチタン合金製滑り軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、滑り軸受に関し、特に軽量化と共に耐久性の求められる航空宇宙などの技術分野で適用できるチタン合金製の滑り軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、人工衛星、ロケット等に用いられる機器は、輸送中の燃料消費量の削減などを目的に、可及的に軽量化することが求められる。
【０００３】
鋼等の一般的な機械構成部材に代えて、軽量化に有効な機械構成部材としてチタン合金が周知である。
チタン合金は、軽量でありかつ耐食性や重量比強度に優れているが、鋼と比較して硬度が低いので、耐摩耗性が低いという欠点がある。
【０００４】
また、チタン合金の中でもα+β型チタン合金は、溶体化-時効処理により更なる高強度化が可能であるため、ファスナー材としても使用される。
ミクロ組織がα+β型であり、初析α相の体積分率が１０％以上９０％以下、初析α相の結晶粒径が１０μｍ以下であり、質量割合で、Ａｌを４．０％以上５．０％以下、Ｖを２．５％以上３．５％以下、Ｆｅを１．５％以上２．５％以下、Ｍｏを１．５％以上２．５％以下含有するするチタン合金ファスナー材が知られている(特許文献１)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１３１５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記したチタン合金製ファスナー材は、初析α相とも称されるプライマリα相の体積比率が１０％以上と大きく、ファスナー材を構成するチタン合金の機械的強度に関しては、プライマリα相が、支配的な要素となっている。しかしながら、プライマリα相は、溶体化処理後の冷却過程において生じるセカンダリα相と比較して、機械的強度が低く、滑り軸受の使用に耐える機械的強度を備えた素材ではなかった。
【０００７】
そこで、この発明の課題は、上記したチタン合金製滑り軸受における摺動面を高硬度化することにより、耐摩耗性を向上させて耐久性を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、この発明においては、チタン合金で摺動面が形成された滑り軸受であり、前記摺動面はプライマリα結晶粒とセカンダリα結晶粒が含まれた再結晶組織からなり、この再結晶組織は結晶粒成長の抑制相として前記プライマリα結晶粒を面積率１％以上１０％未満の範囲で含有するチタン合金製滑り軸受としたのである。
【０００９】
上記のように構成されるこの発明のチタン合金製滑り軸受は、チタン合金の再結晶組織からなる摺動面に、結晶粒成長の抑制相として分散状態で前記プライマリα結晶粒を上記所定面積率で含有する。
【００１０】
上記所定面積率で分散したプライマリα結晶粒は、再結晶組織の結晶粒成長に必要な粒界の移動を妨げ、いわゆる「ピン止め効果」によってβ相の粗大化を抑制する。そのため、熱処理によってβ相が相転移しても形成される再結晶組織中のセカンダリα結晶粒の粗大化も抑制される。
【００１１】
すなわち、再結晶組織からなるチタン合金の強度に支配的な影響のあるセカンダリα相が緻密化されるので、チタン合金の強度は向上して、チタン合金製滑り軸受の摺動面を高硬度化し、これにより耐摩耗性は向上し、滑り軸受の耐久性が向上する。
【００１２】
上記チタン合金は、できるだけ引張強度、クリープ強さ等を高めるために、α相の安定化元素であるアルミニウム元素（Ａｌ）をある程度（７質量％以下）まで含むことが好ましく、例えば、アルミニウム元素（Ａｌ）が６質量％含有され、かつバナジウム（Ｖ）が４質量％含有されているＴｉ−６Ａｌ−４Ｖチタン合金などが好ましい。
【００１３】
前記セカンダリα結晶粒の平均粒径は１０μｍ以下であることが、セカンダリα相を緻密化して、チタン合金製滑り軸受の機械的強度を充分に向上させるために好ましい。
【００１４】
この発明の適用できる滑り軸受の形態は、例えば上記摺動面を内輪もしくは外輪またはそれら両方に有する球面滑り軸受であり、また内輪と外輪が潤滑性ライナーを介して摺接するチタン合金製の球面滑り軸受として構成することができる。
【００１５】
上記潤滑性ライナーは、樹脂の成形体もしくは織布またはそれら両方で形成されたライナーであることは、航空宇宙機器のように低圧又は真空の環境、さらには極低温の環境、また温度変化の大きい特定の環境でも使用可能なチタン合金製滑り軸受とするために好ましい。
【００１６】
上記潤滑性ライナーが、樹脂の成形体である場合、もしくは樹脂の成形体を含む場合には、樹脂の成形体は、ポリテトラフルオロエチレン、芳香族ポリアミド（アラミドとも称される。）、ポリイミドおよびポリフェニレンサルファイドから選ばれる１種以上の低摩擦係数または固体潤滑性があり、かつ耐熱性に優れた樹脂の成形体を採用することが、上記特定の環境での使用に耐えるチタン合金製滑り軸受であるために好ましい。
【００１７】
上記潤滑性ライナーが織布で形成されている場合、もしくは織布を含むライナーである場合に、織布は、ポリテトラフルオロエチレン繊維、芳香族ポリアミド繊維、ガラス繊維およびポリエステル繊維から選ばれる１種以上の低摩擦係数または固体潤滑性があり、かつ耐熱性に優れた繊維製織布であることが、上記特定の環境での使用に耐えるチタン合金製滑り軸受であるために好ましい。
【００１８】
以上のチタン合金製滑り軸受は、航空・宇宙機器用のチタン合金製滑り軸受として適用できるものになる。
【発明の効果】
【００１９】
この発明のチタン合金製滑り軸受は、再結晶組織からなる摺動面に、結晶粒成長の抑制相として分散しているプライマリα結晶粒を面積率１％以上１０％未満の範囲で含有しているので、セカンダリα相が緻密化され、チタン合金製滑り軸受の摺動面を高硬度化し、耐摩耗性が向上して耐久性が向上するという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態のチタン合金製の球面滑り軸受の断面図
【図２】第２実施形態のチタン合金製の球面滑り軸受の断面図
【図３】第３実施形態のチタン合金製のスリーブ型の滑り軸受の断面図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
この発明の実施形態を以下に、添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように、第１実施形態は、無給油式のチタン合金製の球面滑り軸受Ａであり、チタン合金製の内輪１の外周に凸型球面の摺動面２を有し、この摺動面２に潤滑性ライナー３を介して摺接する凹型球面の内周を有する外輪４を組み合わせて構成されている。
【００２２】
潤滑性ライナー３の接する内輪１のチタン合金の再結晶組織からなる摺動面２に、プライマリα結晶粒とセカンダリα結晶粒が含まれており、結晶粒成長の抑制相として分散状態でプライマリα結晶粒を面積率１％以上であって１０％未満の範囲で含有している。
【００２３】
このようなプライマリα結晶粒は、再結晶組織の結晶粒成長に必要な粒界の移動を妨げる作用を奏するものであり、プライマリα結晶粒の「ピン止め効果」によって粗大化の抑制されたβ相から、相転移して形成される再結晶組織中のセカンダリα結晶粒が、微小な結晶粒径になる。
【００２４】
チタン合金の再結晶組織におけるプライマリα結晶粒の面積率が１％未満では、ピン止め効果が充分でないので、セカンダリα結晶粒を微小化して硬度を高められず、耐摩耗性を高められる効果が充分に得られない。また、プライマリα結晶粒の面積率が１０％以上では、プライマリα結晶粒が支配的となり、セカンダリα結晶粒の微小化が充分でなくなる。
【００２５】
また、摺動面を高硬度化し、かつチタン合金の機械的強度を改善するために、充分に微小化されたセカンダリα結晶粒の平均粒径は、１０μｍ以下であることが好ましい。
【００２６】
潤滑性ライナー３は、自己潤滑剤性を有する樹脂または繊維からなる成形体もしくは織布またはそれらの複合素材からなり、外輪４に保持されて一体化している。樹脂製の潤滑性ライナー３は、ポリテトラフルオロエチレン、芳香族ポリアミド、ポリイミドおよびポリフェニレンサルファイドなどの樹脂を主成分とし、例えば射出成形等の周知の成形手段により内・外径面が球形等の環状体に成形したものである。
【００２７】
また繊維製の潤滑性ライナー３は、ポリテトラフルオロエチレン繊維、芳香族ポリアミド繊維、ガラス繊維またはポリエステル繊維などの繊維素材からなる織布を所要厚みに重ねて加熱・加圧等により内・外径面が球形等の環状体に成形したものである。
【００２８】
この発明のチタン合金製滑り軸受は、第１実施形態の無給油式のチタン合金製の球面滑り軸受Ａの他、各種形式の周知形態の滑り軸受として用いることができる。
例えば、図２に示されるような第２実施形態の給油式の球面滑り軸受Ｂは、チタン合金製の内輪５の外周に凸型球面の摺動面２を有し、この摺動面２に対向して摺接する摺動面６をチタン合金製の外輪４の凹型球面の内周に形成している。そして、これら一組の摺動面２、６の両方もしくはいずれか一方には、プライマリα結晶粒とセカンダリα結晶粒が含まれており、結晶粒成長の抑制相として分散状態でプライマリα結晶粒を面積率１％以上であって１０％未満の範囲で含有している。図中の符号７は、摺動面２に通じる給油孔であり、符号８は油溝である。
【００２９】
または、図３に示される第３実施形態のスリーブ型の滑り軸受Ｃは、チタン合金製の円筒形スリーブ９の内周面側を摺動面１０とし、摺動面１０には、プライマリα結晶粒とセカンダリα結晶粒が含まれており、結晶粒成長の抑制相として分散状態でプライマリα結晶粒を面積率１％以上であって１０％未満の範囲で含有しているものである。
【００３０】
上記いずれの実施形態においても摺動面を形成するチタン合金は、α＋β型またはα型のチタン合金を用いている。
【００３１】
チタン合金の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。
【００３２】
再結晶組織のプライマリα相は、後述する溶体化処理工程、冷却工程、時効処理工程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。
【００３３】
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、マルテンサイト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。
【００３４】
プライマリα結晶粒とセカンダリα結晶粒とは大きさにより識別することができ、プライマリα結晶粒径はセカンダリα結晶粒径より大きい。
【００３５】
チタン合金の再結晶組織は、結晶粒成長の抑制相として前記プライマリα結晶粒を所定の面積率で存在させるために、チタン合金中にα相を安定させる元素であるアルミニウム（Ａｌ）を６．０質量％以上含有させることが好ましい。
【００３６】
また、チタン合金製滑り軸受の製造工程における熱処理工程において、チタン合金のβ相からの相転移により形成されるセカンダリα結晶粒が再結晶組織中に面積率１０％以上に多く存在するようにし、緻密で機械的強度の改善された再結晶組織が得られる。そのために、β相を安定化させるためのバナジウム（Ｖ）元素を所定量含ませることも好ましい。
【００３７】
このようなα＋β型のチタン合金として、Ｔｉ-６Ａｌ-４Ｖが挙げられる。チタン合金中に、モリブデン元素（Ｍｏ）のような元素を含ませることも可能であり、Ｔｉ-６Ａｌ-２Ｓｎ-４Ｚｒ-６Ｍｏ等もチタン合金の例として挙げられるが、β相の安定性は充分ではない。
【００３８】
またα型のチタン合金の例としては、Ｔｉ-５Ａｌ-２．５ＳｎやＴｉ-８Ａｌ-１Ｍｏ-１Ｖ等を挙げることができる。
【００３９】
摺動面にプライマリα結晶粒とセカンダリα結晶粒が含まれているチタン合金製滑り軸受の製造工程では、準備工程、溶体化処理工程、冷却工程、時効処理工程、後処理工程を経て行なわれる。
【００４０】
準備工程においては、球面滑り軸受、スリーブ型の滑り軸受の摺動面を備えた部品（内輪、外輪、リング等の対象材）について、最終製品の寸法に近い寸法と形状に切削加工を行なう。
【００４１】
溶体化処理工程では、前記準備工程にて一定形状まで加工された対象材を所定の温度と時間、還元炉で加熱し、所定温度で所定時間だけ保持する保持工程を設ける。
【００４２】
この時、炉内は常圧下であり、炉内の雰囲気は、不活性ガスとしてアルゴン等を導入する。不活性ガスは希ガスであるヘリウムや窒素ガス等を用いても良い。
溶体化処理工程においては、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。
【００４３】
前記した所定温度は、対象材を構成するチタン合金のβ変態開始点よりも高く、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。
【００４４】
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。
【００４５】
保持工程の後に行われる冷却工程においては、保持工程を経た対象材がマルテンサイト生成温度（Ｍｓ点）以下となるまで冷却される。これにより、保持工程においてβ相に変態したα相がセカンダリα相となる。冷却工程は、例えば対象材を水冷することによって行なわれる。
【００４６】
時効処理工程は、溶体化処理工程が行われた後に、チタン合金中のセカンダリα相を分解し、プライマリα結晶粒より微細なセカンダリα結晶粒を析出させることを目的として行われる。
【００４７】
時効処理工程おいては、対象材が、所定の温度において所定の時間保持される。
前記所定の温度は、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。
【００４８】
このような時効処理工程により、冷却工程において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。
【００４９】
なお、加熱保持する際に、炉内は、常圧下で不活性ガスとしてアルゴン、希ガスであるヘリウムや窒素ガス等を導入する。
【００５０】
後処理工程として、対象材を特定の寸法精度に仕上げるための旋削や研磨等の機械加工を行ない、さらにライナーを成形および接着し、その他の組立加工を行なう。
【００５１】
すなわち、無給式の球面滑り軸受の場合、自己潤滑性を有するライナー材の接着、成形を行う。ライナー材は、四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）などの成形樹脂及びアラミド繊維、PTFE繊維などを編んだ繊維で形成される。
【００５２】
上記のように製造される実施形態のチタン合金製の滑り軸受は、溶体化及び時効処理において結晶粒微細化を行うことで、高硬度を有して耐摩耗性が向上し、耐久性に優れた滑り軸受になる。
【実施例】
【００５３】
ＡＳＴＭ Ｂ３４８-１３ ＧＲ.５準拠のα+β型チタン合金であるＴｉ-６Ａｌ-４Ｖからなる球面滑り軸受の内輪１（図１）の素材を準備工程で作製し、上記製造工程に従って、溶体化処理工程、冷却工程、時効処理工程を行なった。
【００５４】
得られた球面滑り軸受の内輪の外周面を摺動面とし、そのＥＢＳＤ画像で観察すると、プライマリα結晶粒とセカンダリα結晶粒が含まれた再結晶組織であり、前記画像から測定したセカンダリα結晶粒の平均粒径は、１０μm以下であった。また溶体化および時効処理により析出したセカンダリα結晶粒は、微細な針状の二次α相であり、プライマリα結晶粒は面積率１％以上１０％未満の範囲であることが確認された。
【００５５】
このように軽量なチタン合金製の滑り軸受は、摺動面がセカンダリα相によって緻密化され、高硬度化されているものと認められた。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
航空宇宙機器用の滑り軸受などとして、軽量化および耐久性のよい強度が求められる用途に汎用性のある転がり軸受として利用でき、またそのような優れた特性を有する高頻度の起動と停止を繰り返す使用状態の滑り軸受などにも利用できる。
【符号の説明】
【００５７】
１、５  内輪
２、６、１０  摺動面
３  潤滑性ライナー
４  外輪
７  給油孔
８  油溝
９  スリーブ
Ａ、Ｂ  球面滑り軸受
Ｃ  スリーブ型の滑り軸受
【図１】
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【図２】
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【図３】
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