(57)【要約】【課題】表面の靱性を維持しつつ、表面の硬さを改善することができるチタン合金製の機械部品を提供する。【解決手段】本発明の一態様に係るチタン合金製の機械部品は、表面に酸素拡散層を備える。酸素拡散層中における窒素濃度は、０．５質量パーセント以下である。酸素拡散層中における酸素濃度は、表面において、１．０質量パーセント以上６．０質量パーセント以下である。酸素拡散層中における酸素濃度は、表面からの距離が０．０５ｍｍとなる位置において、０．６質量パーセント以上４．０質量パーセント以下である。【選択図】図３
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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、
前記機械部品は、表面に酸素拡散層を備え、
前記酸素拡散層中における窒素濃度は、０．５質量パーセント以下であり、
前記酸素拡散層中における酸素濃度は、前記表面において１．０質量パーセント以上６．０質量パーセント以下であり、かつ前記表面からの距離が０．０５ｍｍとなる位置において０．６質量パーセント以上４．０質量パーセント以下である、機械部品。
【請求項２】
前記酸素拡散層の硬さは、前記表面において６００Ｈｖ以上１５００Ｈｖ以下であり、前記表面からの距離が０．０５ｍｍとなる位置において５００Ｈｖ以上１２５０Ｈｖ以下である、請求項１に記載の機械部品。
【請求項３】
前記チタン合金は、６４チタン合金である、請求項１又は請求項２に記載の機械部品。
【請求項４】
チタン合金製のすべり軸受であって、
前記すべり軸受は、摺動面に酸素拡散層を備え、
前記酸素拡散層中における窒素濃度は、０．５質量パーセント以下であり、
前記酸素拡散層中における酸素濃度は、前記摺動面において１．０質量パーセント以上６．０質量パーセント以下であり、かつ前記摺動面からの距離が０．０５ｍｍとなる位置において０．６質量パーセント以上４．０質量パーセント以下である、すべり軸受。
【請求項５】
前記チタン合金は、６４チタン合金である、請求項４に記載のすべり軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械部品及びすべり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
チタン合金は、鋼と比較して硬さが低いため、耐摩耗性が低い。そのため、表面処理を行うことなくチタン合金を耐摩耗性が要求される機械部品に適用することは、困難である。従来から、国際公開第９７／３６０１８号（特許文献１）に記載のチタン合金部材が知られている。特許文献１に記載のチタン合金部材は、表面に、表面硬化層を有している。
【０００３】
表面硬化層は、チタン合金部材の表面にある第１の硬化層と、第１の硬化層よりもチタン合金部材の内部側にある第２の硬化層とを有している。第１の硬化層中には、０．６重量パーセント以上８．０重量パーセント以下の窒素が固溶している。第１の硬化層中には、１．０重量パーセント以上１４．０重量パーセント以下の酸素が固溶している。第２の硬化層中には、０．５重量パーセント以上１４．０重量パーセント以下の酸素が固溶している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第９７／３６０１８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のとおり、特許文献１に記載のチタン合金部材においては、窒素を固溶させることにより、表面硬化層の硬さを改善している。しかしながら、窒素を固溶させることにより、表面硬化層の硬さは上昇するものの、表面硬化層が脆性的となる。
【０００６】
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、表面の靱性を維持しつつ、表面の硬さを改善することができるチタン合金製の機械部品及びすべり軸受を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、表面に酸素拡散層を備える。酸素拡散層中における窒素濃度は、０．５質量パーセント以下である。酸素拡散層中における酸素濃度は、表面において１．０質量パーセント以上６．０質量パーセント以下であり、かつ表面からの距離が０．０５ｍｍとなる位置において０．６質量パーセント以上４．０質量パーセント以下である。
【０００８】
本発明の一態様に係る機械部品によると、機械部品の表面における靱性を維持しつつ、機械部品の表面における硬さを改善することができる。
【０００９】
上記の機械部品において、酸素拡散層の硬さは、表面において６００Ｈｖ以上１５００Ｈｖ以下であってもよく、表面からの距離が０．０５ｍｍとなる位置において５００Ｈｖ以上１２５０Ｈｖ以下であってもよい。この場合には、機械部品の表面における靱性を維持しつつ、機械部品の表面における硬さを改善することができる。
【００１０】
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。この場合には、機械部品の表面における靱性を維持しつつ、機械部品の表面における硬さを改善することができる。
【００１１】
本発明の一態様に係るすべり軸受は、チタン合金製である。本発明の一態様に係るすべり軸受は、摺動面に酸素拡散層を備える。酸素拡散層中における窒素濃度は、０．５質量パーセント以下である。酸素拡散層中における酸素濃度は、摺動面において１．０質量パーセント以上６．０質量パーセント以下であり、かつ摺動面からの距離が０．０５ｍｍとなる位置において０．６質量パーセント以上４．０質量パーセント以下である。
【００１２】
本発明の一態様に係るすべり軸受によると、すべり軸受の摺動面における靱性を維持しつつ、すべり軸受の摺動面における硬さを改善することができる。
【００１３】
上記のすべり軸受において、チタン合金は、６４チタン合金であってもよい。この場合には、すべり軸受の摺動面における靱性を維持しつつ、すべり軸受の摺動面における硬さを改善することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の一態様に係る機械部品によると、機械部品の表面における靱性を維持しつつ、機械部品の表面における硬さを改善することができる。本発明の一態様に係るすべり軸受によると、すべり軸受の摺動面における靱性を維持しつつ、すべり軸受の摺動面における硬さを改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態に係る機械部品の上面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩにおける断面図である。
【図３】図２の領域ＩＩＩにおける拡大図である。
【図４】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】試験片１及び試験片２の硬さと表面からの距離との関係を示す模式的なグラフである。
【図６】試験片１中における酸素濃度と表面からの距離との関係を示す模式的なグラフである。
【図７】試験片２中における酸素濃度と表面からの距離との関係を示す模式的なグラフである。
【図８】試験片１及び試験片２の拡散層１０ｅ中における酸素濃度と硬さとの関係を示す模式的なグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、実施形態について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参照番号を付し、その説明は繰り返さないものとする。
【００１７】
（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、図１〜図３を参照して説明する。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、すべり軸受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。
【００１８】
すべり軸受１０は、チタン（Ｔｉ）合金により構成されている。すべり軸受１０を構成するチタン合金は、ＡＳＴＭ規格Ｂ３４８−１３ＧＲ．５に規定されているＴｉ−６Ａｌ（アルミニウム）−４Ｖ（バナジウム）合金であることが好ましい。なお、以下においては、このＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を、６４チタン合金という。
【００１９】
すべり軸受１０は、リング状部材により構成されている。すべり軸受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。底面１０ｂは、上面１０ａの反対側の面である。外周面１０ｄは、内周面１０ｃの反対側の面である。上面１０ａ及び底面１０ｂは、すべり軸受１０の中心軸に直交するすべり軸受１０の面である。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と中心軸との距離は、外周面１０ｄと中心軸との距離よりも大きくなっている。内周面１０ｃは、すべり軸受１０の摺動面（軸と接する側の面）を構成している。
【００２０】
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、すべり軸受１０は、拡散層１０ｅ（酸素拡散層）を有している。拡散層１０ｅは、内周面１０ｃに設けられている。拡散層１０ｅは深さＤを有している。深さＤは、内周面１０ｃに直交する方向における内周面１０ｃからの距離である。深さＤは、０．０５ｍｍ以上である。好ましくは、深さＤは、０．２ｍｍ以上である。特に好ましくは、深さＤは、０．２５ｍｍ以上である。
【００２１】
拡散層１０ｅ中において、窒素濃度は、０．５質量パーセント以下となっている。すなわち、拡散層１０ｅ中においては、窒素濃度が０．５質量パーセント以下であればよく、拡散層１０ｅ中に窒素が含まれていなくてもよい。拡散層１０ｅ中において、窒素は、チタン合金中に固溶している。
【００２２】
内周面１０ｃにある拡散層１０ｅ中において、酸素濃度は、１．０質量パーセント以上６．０質量パーセント以下である。なお、内周面１０ｃにある拡散層１０ｅ中において酸素濃度が６．０質量パーセント以下とされているのは、チタン合金製の軸受において必要とされる硬さを考慮したものである。また、内周面１０ｃからの距離が０．０５ｍｍとなる位置の拡散層１０ｅ中において、酸素濃度は、０．６質量パーセント以上４．０質量パーセント以下である。拡散層１０ｅ中における酸素濃度は、内周面１０ｃからの距離が大きくなるにつれて、小さくなっている。拡散層１０ｅ中において、酸素は、チタン合金中に固溶している。
【００２３】
拡散層１０ｅ中における窒素濃度及び酸素濃度は、例えばＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）により測定される。
【００２４】
内周面１０ｃにおいて、拡散層１０ｅの硬さは、６００Ｈｖ以上１５００Ｈｖ以下であることが好ましい。内周面１０ｃからの距離が０．０５ｍｍとなる位置において、拡散層１０ｅの硬さは、５００Ｈｖ以上１２５０Ｈｖ以下であることが好ましい。
【００２５】
拡散層１０ｅの硬さは、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４４：２００９に規定されているビッカース硬さ試験法にしたがって測定される。
【００２６】
拡散層１０ｅにおいて、すべり軸受１０を構成するチタン合金は、α相で構成される結晶粒を含んでいる。このα相で構成される結晶粒は、拡散層１０ｅにおいて、等軸状に配列されていることが好ましい。
【００２７】
以下に、実施形態に係る機械部品の製造方法を、図４を参照して説明する。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、浸酸工程Ｓ２と、冷却工程Ｓ３と、後処理工程Ｓ４とを有している。
【００２８】
準備工程Ｓ１においては、加工対象物の準備が行われる。この加工対象物は、実施形態に係る機械部品がすべり軸受１０である場合、チタン合金製のリング状の部材である。加工対象物は、内周面を有している。加工対象物の内周面は、最終的にはすべり軸受１０の内周面１０ｃとなる面である。
【００２９】
浸酸工程Ｓ２においては、加工対象物の表面に、浸酸処理が行われる。より具体的には、加工対象物の内周面に浸酸処理が行われる。浸酸処理に際しては、酸素を含有する雰囲気下において、熱処理炉を用いて加熱処理が行われる。酸素を含有する雰囲気ガスは、例えば吸熱型変成ガスである。加熱処理における加熱温度は、９００℃以上１０００℃以下であることが好ましい。熱処理における加熱温度は、９２０℃以上９５０℃以下であることが特に好ましい。熱処理における保持時間は、５時間以上２０時間以下であることが好ましい。熱処理における保持時間は、６時間以上１５時間以下であることが好ましい。
【００３０】
浸酸工程Ｓ２においては、雰囲気中の酸素が加工対象物の表面から加工対象物の内部に侵入、拡散し、拡散層１０ｅが形成される。なお、浸酸工程Ｓ２においては、加工対象物の表面に、チタンの酸化物（ＴｉＯ２、ＴｉＯ等）膜が形成される。このチタン酸化物膜は、例えば後処理工程Ｓ４において除去される。
【００３１】
冷却工程Ｓ３においては、加工対象物は、熱処理炉から取り出され、冷却される。加工対象物の冷却は、熱処理炉から取り出された加工対象物を、例えばセミホット油中で保持することにより行われる。
【００３２】
後処理工程Ｓ４においては、加工対象物に対する後処理が行われる。後処理工程Ｓ４においては、例えば加工対象物の洗浄、加工対象物に対する研削、研磨等の機械加工等が行われる。これにより、加工対象物からすべり軸受１０が製造される。
【００３３】
（拡散層の硬度と拡散層中における酸素濃度との関係）
以下に、拡散層１０ｅの硬度と拡散層１０ｅ中における酸素濃度との関係についての評価試験及びその結果を説明する。
【００３４】
＜試験片＞
まず、上記の試験に用いた試験片について説明する。表１には、各試験片に用いられたチタン合金の組成が示されている。表１に示すように、試験片に用いられたチタン合金は、６４チタン合金である。また、試験片に用いられたチタン合金中の酸素濃度は、０．２質量パーセント以下であり、試験片に用いられたチタン合金中の窒素濃度は、０．０５質量パーセント以下である。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
＜熱処理条件＞
試験片に対しては、上記の浸酸工程Ｓ２及び冷却工程Ｓ３が行われた。表２には、浸酸工程Ｓ２における加熱温度、保持時間及び雰囲気ガスが示されている。表２に示すように、試験片１においては、加熱温度は９５０℃であり、保持時間が６．７５時間であった。試験片２においては、加熱時間は９２０℃であり、保持時間は１４．４時間であった。なお、試験片１及び試験片２の双方において、熱処理は、吸熱型変成ガス中で行われた。また、冷却工程Ｓ３は、１００℃のセミホット油中で保持することにより行われた。
【００３７】
【表２】
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【００３８】
＜硬さ評価試験＞
図５は、試験片１及び試験片２の硬さと表面からの距離との関係を示す模式的なグラフである。図５に示すように、試験片１及び試験片２の硬さは、表面からの距離が大きくなるにつれて、小さくなっている。試験片１及び試験片２においては、表面と表面からの距離が０．２５ｍｍとなる位置までの間の領域で、硬さが４００Ｈｖ以上であった。試験片１及び試験片２の表面に形成されるチタンの酸化物膜（スケール）の厚さが０．０１ｍｍ程度であるため、試験片１及び試験片２においては、深さＤが０．２ｍｍ程度の拡散層１０ｅが形成されていた。
【００３９】
試験片１及び試験片２においては、表面と表面からの距離が０．１４ｍｍとなる位置までの間の領域で、硬さが５００Ｈｖ以上となっていた。試験片１及び試験片２において、表面と表面からの距離が０．０７ｍｍとなる位置までの間の領域で、硬さが６００Ｈｖ以上の硬さを有していた。すなわち、試験片１及び試験片２においては、拡散層１０ｅは、表面において６００Ｈｖ以上の硬さを有しており、表面からの距離が０．０５ｍｍとなる位置において、５００Ｈｖ以上の硬さを有していた。
【００４０】
図６は、試験片１中における酸素濃度と表面からの距離との関係を示す模式的なグラフである。図６に示すように、試験片１中における酸素濃度は、表面からの距離が大きくなるにつれて、小さくなっている。試験片１においては、表面と表面からの距離が０．２５ｍｍとなる位置との間の領域で、酸素濃度が０．２質量パーセント以上となっていた。この結果からも、試験片１においては、深さＤが０．２ｍｍ程度の拡散層１０ｅが形成されていることが示されている。
【００４１】
試験片１中においては、表面と表面からの距離が０．１４ｍｍとなる位置との間の領域で、酸素濃度が０．６質量パーセント以上となっていた。試験片１中においては、表面と表面からの距離が０．０７ｍｍとなる位置との間の領域で、酸素濃度が１．０質量パーセント以上となっていた。このことを別の観点からいえば、試験片１においては、拡散層１０ｅ中の酸素濃度は、スケールが除去された後の表面で１．０質量パーセント以上となっており、スケールが除去された後の表面からの距離が０．０５ｍｍとなる位置において０．６質量パーセント以上となっていた。
【００４２】
図７は、試験片２中における酸素濃度と表面からの距離との関係を示す模式的なグラフである。図７に示すように、試験片２中における酸素濃度は、表面からの距離が大きくなるにつれて、小さくなっている。試験片２においては、表面と表面からの距離が０．２５ｍｍとなる位置との間の領域で、酸素濃度が０．２質量パーセント以上となっていた。この結果からも、試験片２においては、深さＤが０．２ｍｍ程度の拡散層１０ｅが形成されていることが示されている。
【００４３】
試験片２中においては、表面と表面からの距離が０．１４ｍｍとなる位置との間の領域で、酸素濃度が０．６質量パーセント以上となっていた。試験片２中においては、表面と表面からの距離が０．０７ｍｍとなる位置との間の領域で、酸素濃度が１．０質量パーセント以上となっていた。このことを別の観点からいえば、試験片２においては、拡散層１０ｅ中の酸素濃度は、スケールが除去された後の表面において１．０質量パーセント以上となっており、スケールが除去された後の表面からの距離が０．０５ｍｍとなる位置において０．６質量パーセント以上となっていた。
【００４４】
なお、図６及び図７中に図示されていないが、試験片１及び試験片２中における窒素濃度は、いずれの場所においても０．０５質量パーセント以下であった。
【００４５】
図８は、試験片１及び試験片２の拡散層１０ｅ中における酸素濃度と硬さとの関係を示す模式的なグラフである。図８に示すように、試験片１において、各々の位置における酸素濃度と硬さとをプロットするとともに、酸素濃度と硬さとの関係を直線近似したところ、酸素濃度をＸ（単位：質量パーセント）、硬さをＹ（単位：Ｈｖ）とすると、Ｘ及びＹには、Ｙ＝１９１．２７×Ｘ＋３９９．４３（以下において、式１という）との関係があることが明らかとなった。
【００４６】
同様の処理を試験片２に対して行ったところ、Ｘ及びＹには、Ｙ＝２８３．４×Ｘ＋３１２．７３（以下において、式２という）との関係があることが明らかとなった。すなわち、試験片１及び試験片２においては、酸素濃度が高くなるほど、硬さが高くなることが示された。また、式１及び式２の対比から、拡散層１０ｅ中の酸素濃度が同一であっても、加熱温度が低く保持時間が長い方が、結晶粒の成長が抑制されることによって拡散層１０ｅの硬度がより上昇することが明らかとされた。
【００４７】
式１及び式２のＸに０．６を代入すると、Ｙ＞５００となる。また、式１及び式２のＸに１．０を代入すると、Ｙ＞６００となる。なお、式１及び式２のＸに６．０を代入するとＹ＞１５００となり、式１及び式２のＸに４．０を代入するとＹ＞１２５０となる。
【００４８】
以上から、実施形態に係る機械部品としてのすべり軸受１０において、内周面１０ｃにある拡散層１０ｅ中における酸素濃度が１．０質量パーセント以上であり、かつ内周面１０ｃからの距離が０．０５ｍｍとなる位置にある拡散層１０ｅ中における酸素濃度が０．６質量パーセント以上である場合、拡散層１０ｅの硬さは、内周面１０ｃにおいて６００Ｈｖ以上となり、内周面１０ｃからの距離が０．０５ｍｍとなる位置において５００Ｈｖ以上となることが明らかにされた。
【００４９】
以下に、実施形態に係る機械部品の効果について説明する。実施形態に係る機械部品においては、拡散層１０ｅ中における窒素濃度が低い。そのため、実施形態に係る機械部品においては、拡散層１０ｅの靱性が低下しにくい。
【００５０】
また、実施形態に係る機械部品においては、表面に位置する拡散層１０ｅ中における酸素濃度が１．０質量パーセント以上となっており、かつ表面からの距離が０．０５ｍｍとなる位置にある拡散層１０ｅ中において０．６質量パーセント以上となっている。その結果として、実施形態に係る機械部品においては、拡散層１０ｅは、高い硬度（具体的には、表面において６００Ｈｖ以上、表面からの距離が０．０５ｍｍとなる位置において５００Ｈｖ以上）を得ることができる。そのため、実施形態に係る機械部品においては、機械部品の表面における靱性を維持しつつ、機械部品の表面における硬さを改善することができる。
【００５１】
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すべての変更を含むことが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
上記の実施形態は、チタン合金製の機械部品に有利に適用され、より特定的には、チタン合金製の軸受部品及びそれにより構成されるすべり軸受に特に有利に適用される。
【符号の説明】
【００５３】
１０  すべり軸受、１０ａ  上面、１０ｂ  底面、１０ｃ  内周面、１０ｄ  外周面、１０ｅ  拡散層、Ｄ  深さ、Ｓ１  準備工程、Ｓ２  浸酸工程、Ｓ３  冷却工程、Ｓ４  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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