(57)【要約】【課題】表面における硬さや耐摩耗性のバラつきが抑制された機械部品を提供する。【解決手段】機械部品は、チタン合金製である。機械部品は、表面に形成されており、かつ、酸素が固溶されている表層を備えている。表面における表層中の酸素濃度は、１．０質量パーセント以上である。表層中の酸素濃度は、表面から離れるにつれて低くなっている。表面における表層中の酸素濃度と表面からの距離が２０μｍの位置における表層中の酸素濃度との差は、０．２５質量パーセント以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン合金製の機械部品であって、
前記機械部品の表面に形成されており、かつ酸素が固溶されている表層を備え、
前記表面における前記表層中の酸素濃度は、１．０質量パーセント以上であり、
前記表層中の酸素濃度は、前記表面から離れるにつれて低くなっており、
前記表面における前記表層中の酸素濃度と前記表面からの距離が２０μｍの位置における前記表層中の酸素濃度との差は、０．２５質量パーセント以下である、機械部品。
【請求項２】
前記表面における前記表層中の酸素濃度と前記表面からの距離が２０μｍの位置における前記表層中の酸素濃度との差は、０．２０質量パーセント以下である、請求項１に記載の機械部品。
【請求項３】
チタン合金製の機械部品であって、
前記機械部品の表面に形成されており、かつ酸素が固溶されている表層を備え、
前記表面における前記表層中の酸素濃度は、２．０質量パーセント以上であり、
前記表層中の酸素濃度は、前記表面から離れるにつれて低くなっており、
前記表層中の酸素濃度は、第１位置において２．０質量パーセントとなり、
前記表層中の酸素濃度は、前記第１位置よりも前記表面から離れている第２位置において１．０質量パーセントとなり、
前記第１位置と前記第２位置との距離の逆数は、１１８（単位：ｍ−１）以下である、機械部品。
【請求項４】
前記第１位置と前記第２位置との距離の逆数は、７４（単位：ｍ−１）以下である、請求項３に記載の機械部品。
【請求項５】
前記チタン合金は、６４チタン合金である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の機械部品。
【請求項６】
前記機械部品は、すべり軸受である、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の機械部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械部品に関する。より具体的には、本発明は、チタン合金製の機械部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、チタン合金は、航空機、自動車部品等の様々な分野において使用されている。機械部品の素材としてチタン合金を用いる場合、その強度を向上させるため、機械部品を構成するチタン合金に対して溶体化処理及び時効処理が行われる。
【０００３】
また、チタン合金は、硬さが相対的に低い。そのため、チタン合金を耐摩耗性が必要な機械部品に用いる場合、チタン合金に表面処理を行う必要がある。チタン合金製の機械部品に対する表面処理としては、機械部品の表面を硬質膜でコーティングすることが考えられる。しかしながら、硬質膜は、使用中に剥離してしまうおそれがある。そのため、チタン合金製の機械部品に対する表面処理としては、機械部品の表面においてチタン合金自身を硬化させることが好ましい。
【０００４】
機械部品の表面においてチタン合金自身を硬化させる表面処理としては、例えば浸酸処理がある。特許文献１（特開２０１８−１６２５０３号公報）には、機械部品が記載されている。特許文献１に記載の機械部品は、チタン合金製である。特許文献１に記載の機械部品の表面には、拡散層が形成されている。拡散層には、酸素（Ｏ）が固溶している。これにより、チタン合金製の機械部品の表面において、チタン合金自身が硬化している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１８−１６２５０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
チタン合金製の機械部品に対して浸酸処理を行うためには、チタン合金製の加工対象部材を、高温において熱処理する必要がある。この熱処理が行われた後、加工対象部材の表面には、仕上げ加工として研削等が行われる。この熱処理の際に、加工対象部材の形状が歪んでしまう。その結果、研削時の取り代が、場所により変動せざるを得ない。
【０００７】
特許文献１に記載の機械部品においては、拡散層中の酸素濃度が、加工対象部材の表面から離れるにしたがって、急に変化する。その結果、研削時の取り代が場所により変動すると、機械部品の表面における酸素濃度が場所によりバラつくことになる。酸素濃度のバラつきは、機械部品の表面における硬さや耐摩耗性のバラつきにつながるため、特許文献１に記載の機械部品においては、品質の安定確保が難しい。
【０００８】
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、表面における硬さや耐摩耗性のバラつきが抑制された機械部品を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１態様に係る機械部品は、チタン合金製である。この機械部品は、表面に形成されており、かつ、酸素が固溶されている表層を備えている。表面における表層中の酸素濃度は、１．０質量パーセント以上である。表層中の酸素濃度は、表面から離れるにつれて低くなっている。表面における表層中の酸素濃度と表面からの距離が２０μｍの位置における表層中の酸素濃度との差は、０．２５質量パーセント以下である。
【００１０】
本発明の第１態様に係る機械部品において、表面における表層中の酸素濃度と表面からの距離が２０μｍの位置における表層中の酸素濃度との差は、０．２０質量パーセント以下であってもよい。
【００１１】
本発明の第２態様に係る機械部品は、チタン合金製である。この機械部品は、表面に形成されており、かつ、酸素が固溶されている表層を備えている。表面における表層中の酸素濃度は、２．０質量パーセント以上である。表層中の酸素濃度は、表面から離れるにつれて低くなっている。表層中の酸素濃度は、第１位置において、２．０質量パーセントとなっており、第１位置よりも表面から離れている第２位置において、１．０質量パーセントとなっている。第１位置と第２位置との距離の逆数は、１１８（単位：ｍ−１）以下である。
【００１２】
本発明の第２態様に係る機械部品において、第１位置と第２位置との距離の逆数は、７４（単位：ｍ−１）以下であってもよい。
【００１３】
本発明の第１態様及び第２態様に係る機械部品において、チタン合金は、６４チタン合金であってもよい。本発明の第１態様及び第２態様に係る機械部品において、機械部品はすべり軸受であってもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の第１態様及び第２態様に係る機械部品によると、表面における硬さや耐摩耗性のバラつきを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】すべり軸受１０の平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩにおける断面図である。
【図３】図２のＩＩＩにおける拡大図である。
【図４】表層１１中の酸素濃度と表層１１の硬さとの関係を示すグラフである。
【図５】摩耗試験結果を示すグラフである。
【図６】すべり軸受１０の製造方法を示す工程図である。
【図７】第１実施例における表層１１の酸素濃度分布を示すグラフである。
【図８】第２実施例における表層１１の酸素濃度分布を示すグラフである。
【図９】比較例における表層１１中の酸素濃度分布を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施形態の詳細を、図面を参酌しながら説明する。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し、重複する説明は繰り返さない。
【００１７】
以下においては、実施形態に係る機械部品を、すべり軸受１０を例として説明しているが、実施形態に係る機械部品は、すべり軸受１０に限られない。実施形態に係る機械部品は、表面に耐摩耗性、硬さが要求される機械部品であればよい。
【００１８】
（すべり軸受１０の構成）
以下に、すべり軸受１０の構成を説明する。
【００１９】
図１は、すべり軸受１０の平面図である。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、すべり軸受１０は、リング状（環状）の形状を有している。すべり軸受１０は、中心軸１０ａを有している。すべり軸受１０には、中心軸１０ａに沿って、回転軸（図示せず）が挿入される。
【００２０】
すべり軸受１０は、上面１０ｂと、底面１０ｃと、内周面１０ｄと、外周面１０ｅとを有している。上面１０ｂ及び底面１０ｃは、中心軸１０ａに沿う方向における端面になっている。底面１０ｃは、上面１０ｂの反対面である。内周面１０ｄは、上面１０ｂ及び底面１０ｃに連なっており、外周面１０ｅは、上面１０ｂ及び底面１０ｃに連なっている。外周面１０ｅは、すべり軸受１０のすべり面を構成している。上面１０ｂ、底面１０ｃ、内周面１０ｄ及び外周面１０ｅは、すべり軸受１０の表面である。
【００２１】
すべり軸受１０は、チタン合金製である。すべり軸受１０を構成するチタン合金は、例えば、ＡＳＴＭ規格Ｂ３４８−１３ＧＲ．５に規定されているチタン（Ｔｉ）−６アルミニウム（Ａｌ）−４バナジウム（Ｖ）合金（以下「６４チタン合金」という）である。なお、すべり軸受１０を構成するチタン合金は、６４チタン合金に限られない。表１には、６４チタン合金の化学組成を示されている。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
表１に示されるように、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、３．５０質量パーセント以上４．５０質量パーセント以上のバナジウム、０．４０質量パーセント以下の鉄（Ｆｅ）、０．０８質量パーセント以下の炭素（Ｃ）、０．０５質量パーセント以下の窒素（Ｎ）、０．０１５質量パーセント以下の水素（Ｈ）、０．２質量パーセント以下の酸素、及び残部を構成するチタンを含有している。
【００２４】
すべり軸受１０を構成するチタン合金は、プライマリα結晶粒と、セカンダリα結晶粒とを含んでいる。プライマリα結晶粒は、後述する溶体化処理工程Ｓ２においてβ相に変態することなく残留したα相の結晶粒である。プライマリα結晶粒は、等軸状の組織を呈していることが好ましい。セカンダリα結晶粒は、溶体化処理工程Ｓ２において生成されたβ相から変態したα’相及びα’’相の結晶粒である。
【００２５】
α相とは、ｈｃｐ（hexagonal  closed  pack）構造のチタンの低温相である。β相とは、ｂｃｃ（body  centered  cubic）構造のチタンの高温相である。α’相及びα’’相とは、β相が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。α’相及びα’’相は、それぞれ、ｈｃｐ構造及び斜方晶構造を有している。
【００２６】
図３は、図２のＩＩＩにおける拡大図である。図３に示されるように、すべり軸受１０の表面には、表層１１が形成されている。表層１１は、酸素（Ｏ）を含有している。酸素は、表層１１中に固溶している。
【００２７】
すべり軸受１０の表面における表層１１中の酸素濃度は、１．０質量パーセント以上である。すべり軸受１０の表面における表層１１中の酸素濃度は、２．０質量パーセント以上であることが好ましい。表層１１中における酸素濃度は、すべり軸受１０の表面から離れるほど、低くなっている。表層１１中の酸素濃度は、例えば、ＥＰＭＡ（Electron  Probe  Micro  Analyzer）で測定される。
【００２８】
表層１１中において酸素濃度が２．０質量パーセントとなる位置を、第１位置Ｐ１という。表層１１中において酸素濃度が１．０質量パーセントとなる位置を、第２位置Ｐ２という。表層１１中における酸素濃度は、すべり軸受１０の表面から離れるほど低くなっているため、第２位置Ｐ２は、第１位置Ｐ１よりもすべり軸受１０の表面から離れた位置にある。第１位置Ｐ１及び第２位置Ｐ２は、すべり軸受１０の表面に直交する仮想線上に配置されている。
【００２９】
第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との間の距離を、距離Ｌとする。距離Ｌの逆数（１を距離Ｌで除した値、単位：ｍ−１）は、１１８以下である。距離Ｌの逆数は、７４以下であることが好ましい。
【００３０】
すべり軸受１０の表面における表層１１中の酸素濃度とすべり軸受１０の表面から２０μｍの位置にある表層１１中の酸素濃度との差は、０．２５質量パーセント以下である。すべり軸受１０の表面における表層１１中の酸素濃度とすべり軸受１０の表面から２０μｍの位置にある表層１１中の酸素濃度との差は、０．２０質量パーセント以下であることが好ましい。
【００３１】
すべり軸受１０の表面における表層１１の硬さは、５５０Ｈｖ以上である。表層１１の硬さは、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ  Ｚ  ２２４４：２００９）に定められるビッカース硬さ試験法により測定される。
【００３２】
図４は、表層１１中の酸素濃度と表層１１の硬さとの関係を示すグラフである。図４中において、横軸は、表層１１中の酸素濃度（単位：質量パーセント）であり、縦軸は、硬さ（単位：Ｈｖ）である。
【００３３】
図４に示されるように、表層１１中の酸素濃度が高くなるほど、表層１１の硬さが高くなっている。より具体的には、表層１１中の酸素濃度を１．０質量パーセント以上とすることにより、表層１１の硬さを５５０Ｈｖ以上とすることが可能となる。
【００３４】
図５は、摩耗試験結果を示すグラフである。図５中において、横軸は、すべり軸受１０の表面における表層１１の硬さ（単位：Ｈｖ）である。また、図５中において、縦軸は、比摩耗量（単位：１０−１０ｍｍ３／Ｎ・ｍ）である。
【００３５】
表２には、摩耗試験の試験条件が示されている。表２に示されるように、摩耗試験における相手材には、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ  Ｇ  ４８０５：２００８）に規定されている高炭素クロム軸受鋼であるＳＵＪ２の焼き入れ・焼き戻し品が用いられた。相手材の表面における算術平均粗さは、０．０１μｍとされた。摩耗試験における荷重、回転速度及び運転時間は、それぞれ、５０Ｎ、２４．５ｒｐｍ及び６０分とされた。相手材との潤滑油及び潤滑方法は、それぞれ、タービン油ＶＧ２及びフェルトパッド給油とされ、油膜パラメータΛは、０．０３とされた。
【００３６】
【表２】
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【００３７】
図５に示されるように、すべり軸受１０の表面における表層１１の硬さが高くなるほど比摩耗量が減少していた。より具体的には、すべり軸受１０の表面における表層１１の硬さを５５０Ｈｖ以上とすることにより、比摩耗量が著しく減少していた。このように、すべり軸受１０の表面における表層１１の硬さを５５０Ｈｖ以上とすることにより（このことを別の観点からいえば、すべり軸受１０の表面における表層１１中の酸素濃度を１．０質量パーセント以上とすることにより）、すべり軸受１０の耐摩耗性を改善することができる。
【００３８】
（すべり軸受１０の製造方法）
以下に、すべり軸受１０の製造方法を説明する。
【００３９】
図６は、すべり軸受１０の製造方法を示す工程図である。図６に示されるように、すべり軸受１０の製造方法は、加工対象部材準備工程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。
【００４０】
加工対象部材準備工程Ｓ１においては、加工対象部材の準備が行われる。加工対象部材は、溶体化処理工程Ｓ２、時効処理工程Ｓ３、浸酸処理工程Ｓ４及び後処理工程Ｓ５を経ることによりすべり軸受１０となるリング状の部材である。加工対象部材は、チタン合金製である。加工対象部材は、例えば６４チタン合金で構成されている。
【００４１】
溶体化処理工程Ｓ２では、加工対象部材に対して、溶体化処理が行われる。溶体化処理は、加工対象部材を、チタン合金のβ変態開始点（チタン合金中のα相がβ相への変態を開始する温度）以上において所定の時間だけ保持した後に冷却することにより行われる。これにより、加工対象部材中に、セカンダリα結晶粒が形成される。
【００４２】
時効処理工程Ｓ３は、溶体化処理工程Ｓ２の後に行われる。時効処理工程Ｓ３では、加工対象部材に対して、時効処理が行われる。時効処理は、加工対象部材をチタン合金のβ変態開始点よりも低い温度において所定の時間だけ保持することにより行われる。
【００４３】
浸酸処理工程Ｓ４は、時効処理工程Ｓ３の後に行われる。浸酸処理工程Ｓ４では、加工対象部材に対して、浸酸処理が行われる。浸酸処理は、微量の酸素（Ｏ２）又は二酸化炭素（ＣＯ２）を含む雰囲気中で、加工対象部材を所定の時間だけ高温保持することにより行われる。これにより、加工対象部材の表面に、酸素が導入されて表層１１が形成されるとともに、チタン酸化物（ＴｉＯ２、ＴｉＯ）が形成される。
【００４４】
チタンは酸素との反応性が高いため、常圧では酸素の浸透拡散が避けられないが、真空中又は減圧雰囲気下では酸素の侵入を抑制することが可能である。そのため、表層１１中の酸素濃度の勾配を、緩やかにすることができる。
【００４５】
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では、加工対象部材の表面に研削加工が行われる。この研削加工により、加工対象部材の形状がすべり軸受１０の形状に整えられるとともに、加工対象部材の表面に形成されたチタン酸化物が除去される。後処理工程Ｓ５では、加工対象部材の洗浄等も行われる。以上により、図１〜図３に示される構造のすべり軸受１０が製造される。
【００４６】
（すべり軸受１０の効果）
以下に、すべり軸受１０の効果を説明する。
【００４７】
すべり軸受１０において、すべり軸受１０の表面における表層１１中の酸素濃度とすべり軸受１０の表面からの距離が２０μｍの位置における表層１１中の酸素濃度との差が、０．２５質量パーセント以下となっている。すなわち、すべり軸受１０においては、表層１１中の酸素濃度の勾配が、緩やかになっている。
【００４８】
そのため、後処理工程Ｓ５における研削加工における取り代が２０μｍ変動したとしても、すべり軸受１０の表面における表層１１中の酸素濃度には、０．２５質量パーセント以下の変動しか生じない。そのため、すべり軸受１０によると、すべり軸受１０の表面における硬さや耐摩耗性のバラつきを抑制することができる。
【００４９】
すべり軸受１０の表面における表層１１中の酸素濃度とすべり軸受１０の表面からの距離が２０μｍの位置における表層１１中の酸素濃度との差が０．２０質量パーセント以下である場合には、すべり軸受１０の表面における硬さや耐摩耗性のバラつきをさらに抑制することができる。
【００５０】
すべり軸受１０においては、第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との距離Ｌの逆数は、１１８（単位：ｍ−１）以下になっているため、表層１１中の酸素濃度の勾配が緩やかである。そのため、すべり軸受１０によると、すべり軸受１０の表面における硬さや耐摩耗性のバラつきを抑制することができる。第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との距離Ｌの逆数が７４以下の場合には、すべり軸受１０の表面における硬さや耐摩耗性のバラつきをさらに抑制することができる。
【００５１】
（実施例）
比較例は、従来公知の浸酸処理が行われたチタン合金製のすべり軸受である。第１実施例及び第２実施例は、上記のすべり軸受１０であるが、表層１１における酸素濃度分布が異なるように浸酸処理を行っている。
【００５２】
図７は、第１実施例における表層１１の酸素濃度分布を示すグラフである。図８は、第２実施例における表層１１の酸素濃度分布を示すグラフである。図９は、比較例における表層１１中の酸素濃度分布を示すグラフである。図７〜図９中において、横軸は表面からの距離（単位：ｍｍ）であり、縦軸は表層１１中の酸素濃度（単位：質量パーセント）である。比較例においては、第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との距離Ｌの逆数が、１９７（単位：ｍ−１）となっていた。そのため、比較例においては、研削加工における取り代が２０μｍ程度変動すれば、表面における表層１１中の酸素濃度が、０．５質量パーセント程度変動することになる。
【００５３】
第１実施例においては、第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との距離Ｌの逆数が、１１８（単位：ｍ−１）となっていた。そのため、第１実施例においては、研削加工における取り代が２０μｍ程度変動しても、表面における表層１１中の酸素濃度が、０．２５質量パーセント程度しか変動しない。
【００５４】
第２実施例においては、第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との距離Ｌの逆数が、７４（単位：ｍ−１）となっていた。そのため、第２実施例においては、研削加工における取り代が２０μｍ程度変動しても、表面における表層１１中の酸素濃度が、０．２０質量パーセント程度しか変動しない。
【００５５】
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。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
上記の実施形態は、チタン合金製の機械部品、より特定的には、チタン合金製のすべり軸受に特に有利に適用される。
【符号の説明】
【００５７】
１０  すべり軸受、１０ａ  中心軸、１０ｂ  上面、１０ｃ  底面、１０ｄ  内周面、１０ｅ  外周面、１１  表層、Ｌ  距離、Ｐ１  第１位置、Ｐ２  第２位置、Ｓ１  加工対象部材準備工程、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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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