(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタンあるいはチタン合金の粉末と、ＷまたはＶの炭化物とを混合した粉末を、炭化物の融点以下であってチタンあるいはチタン合金の融点以上に加熱して、面積比で１５％以上の前記炭化物を分散させた硬化層を、チタンあるいはチタン合金からなる母材の表面に形成した摺動部材であって、
前記炭化物は、粒径が５０〜１００μｍでほぼ球状であることを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
チタンあるいはチタン合金の粉末と、粒径が５０〜１００μｍのほぼ球状のＷまたはＶの炭化物とを混合した粉末を、プラズマトランスファーイナートガスアーク溶接法により炭化物の融点以下であってチタンあるいはチタン合金の融点以上に加熱して、面積比で１５％以上の前記炭化物を分散させた硬化層を、チタンあるいはチタン合金からなる母材の表面に形成することを特徴とする摺動部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、スラリー中で回転するシャフトの軸受のような高度の耐摩耗性が要求される部位に用いられる摺動部材及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スラリーポンプの一例として、上下方向に配置したポンプ配管の下部に羽根車が設けられ、ポンプ配管には羽根車と上部の駆動モータを連結するシャフトが中央を挿通して設けられているものがある。このような構成のポンプでは、シャフトを支持する軸受が移送流体中に配されており、特別な潤滑は行っていない。従って、起動時は通常無潤滑であり、起動後は摩耗性の強いスラリーにさらされる。
【０００３】
このような軸受部に用いる摺動材料として、Ｔｉ及びＴｉ合金からなる母材に高いエネルギーを照射して形成した溶融池の中に、金属炭化物や金属窒化物等の硬質材粉末を噴射混入し、表面に炭化物を分散させて表面を硬化させるようにしたものがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように高エネルギービームを使用して硬質材粉末を溶融させると、炭化物の溶融又は分解が進行し、基地の溶融金属中に炭素が拡散するなどにより、必要な硬度が得られなくなる。その結果、無潤滑の起動時に摩擦係数が大きくなったり、ポンプ動作後のスラリー中での滅耗が大きくなる不具合があった。
【０００５】
この発明は、上記課題に鑑み、金属基地との融合性を確保しつつ、充分な耐摩耗性を得ることができるような摺動部材及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、チタンあるいはチタン合金の粉末と、ＷまたはＶの炭化物とを混合した粉末を、炭化物の融点以下であってチタンあるいはチタン合金の融点以上に加熱して、面積比で１５％以上の前記炭化物を分散させた硬化層を、チタンあるいはチタン合金からなる母材の表面に形成した摺動部材であって、前記炭化物は、粒径が５０〜１００μｍでほぼ球状であることを特徴とする摺動部材である。このような構成により、母材の機械的な特性を劣化させることなく、摺動部材として用いるのに必要な硬度、低摩擦性等の特性を得ることができる。
【０００７】
分散させる炭化物をほぼ球状とすることにより、母材中により高い密度で分散させることができるとともに、炭化物どうしの接点がピンポイントでなく球面どうしの面接触に近い状態になるので、炭化物が不定形の塊状である場合に比べてより高い硬度、低摩擦性等の特性を得ることができる。
【０００８】
また、塊状の炭化物では、作製時にその尖った部分が熱により溶融しやすく、基地との境界部に基地と炭化物のマトリクスが生成されるが、これは炭化物よりも硬度が低く、摺動性及び耐摩耗性も悪くなる。一方、球状の炭化物の場合は尖った部分が無いのでマトリクス生成が少なく、より高い上記特性を得ることができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、チタンあるいはチタン合金の粉末と、粒径が５０〜１００μｍのほぼ球状のＷまたはＶの炭化物とを混合した粉末を、プラズマトランスファーイナートガスアーク溶接法により炭化物の融点以下であってチタンあるいはチタン合金の融点以上に加熱して、面積比で１５％以上の前記炭化物を分散させた硬化層を、チタンあるいはチタン合金からなる母材の表面に形成することを特徴とする摺動部材の製造方法である。
【００１３】
【実施例】
以下に述べる実施例は、チタン基合金を滑り軸受の摺動面の硬化層として形成するものである。すなわち、外径６５mm、内径５５mm、長さ６０mmのＴｉ合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）製の円筒状のスリーブ（母材）の外周面に、球状の炭化物を含む金属粉末を素材として以下の条件で溶接を行って肉盛を行い、厚さ２mmの硬化層を形成した。炭化物の粒度を３段階に分けて実験した、なお、比較例として、不定形の塊状の炭化物を用いたものを用意した。そして、作製した軸受素材の基地に微細炭化物を析出させるために、下記の条件で熱処理を行った。
【００１４】
金属粉末組成：Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ  ＋  Ｗ２Ｃ（４０ｖｏｌ％）
溶接方法：ＰＴＡ法（プラズマトランスファーイナートガスアーク溶接法）
溶接電流：１７０Ａ
溶接速度：１００ｍｍ／ｍｉｎ
ウィーピング幅：１０ｍｍ
パウダー供給速度：８ｃｃ／ｍｉｎ
溶接トーチ：ミニトーチ
炭化物粒度：２５〜５０，５０〜１０，１００〜１５０μｍ
熱処理：８００℃、２４０分
【００１５】
このＰＴＡ法によると、粉末状態で供給した炭化物を含む溶接材料粉末がパウダー中に形成されたプラズマ中で加熱されるので、炭化物、媒体となるチタンおよびチタン合金がそれぞれ分離した状態で加熱がなされ、母材に順次付着する。さらにミニトーチによって溶接を行うとプラズマの温度を低くすることができて、炭化物の分解及び母材の溶融が抑えられる。従って、高エネルギービームに比較して、母材中に炭化物がより高い割合で保持される。
【００１６】
さらに、このようにして形成した表面硬化層を有する摺動部材を、８００℃で熱処理することにより、マトリクスに微細な炭化物が析出して硬度が上昇した。
【００１７】
このようにして形成した摺動部材の表面を研磨した後、半導体検出素子付き電子顕微鏡を用い、組成分布像にて成分の濃度表示により、炭化物と基地を識別した。撮影したポジフィルム上で重元素が明るく、軽元素が濃く表示できる。この画像を１００倍のポジ写真とした後、炭化物部分を切り抜いて重量を計測する重量法で炭化物面積を求めた。計測値は任意の１０視野平均とした。
【００１８】
図１は比較例であって、不定形の炭化物が面積比において２０％で分散しており、図２は実施例であって、それぞれ球状の炭化物が、平均粒度７０μｍ、面積比３０％で分散している。
【００１９】
製造したそれぞれの軸受素材を研磨等により、通常のスラリーポンプに用いる軸受部分のスリーブとして加工し、各部の硬度を測定するとともに、軸受試験機を用いて無潤滑状態でのドライ摩耗試験を行った。ここでは、摩耗試験の対象の素材としては、軸受材料であるＳｉＣを用い、周速を５ｍ／ｓｅｃ、軸受面圧を０〜０．２０Ｍｐａの間で変化させ、１５分の試験後の摩耗深さを測定した。これらの試験は、比較例及び実施例の炭化物の粒度を変化させたものについて行った。表１に結果を示す。
【００２０】
【表１】
0004757374.tif 000002
【００２１】
この結果より、球状炭化物を用いたものは、粒度が２５〜５０μｍ又は１００〜１５０μｍのものは塊状炭化物の場合に比べて良い結果が得られていないが、粒度が５０〜１００μｍである場合にドライ試験での耐摩耗性が得られるとの知見を得た。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、金属基地との融合性を確保しつつ、かつ基地の金属の機械的な特性を劣化させることなく、充分な耐摩耗性を得ることができ、高硬度、低摩擦性等の摺動部材としての高い特性を有する摺動部材を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】比較例の素材の画像処理の結果を示す顕微鏡写真である。
【図２】実施例の素材の画像処理の結果を示す顕微鏡写真である。
【図１】
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【図２】
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