(57)【要約】【課題】  人体への影響が少なく、軽量であり、かつ耐剥離性及び耐衝撃性等の機械的性質が優れ、特に水圧機器など水環境中で使用される摺動部材料としても適用できる耐摩耗性に優れたチタン又はチタン合金とダイヤモンドとの複合材料及びその製造方法を提供する。【解決手段】  ダイヤモンド粉末とチタン又はチタン合金粉末の焼結体からなることを特徴とする複合材料。平均粒径１２μｍ以下のダイヤモンド粉末と平均粒径１００μｍ以下のチタン又はチタン合金粉末である同複合材料。平均粒径１２μｍ以下のダイヤモンド粉末と平均粒径１００μｍ以下のチタン又はチタン合金粉末をボールミル等で混合し、放電プラズマ焼結により作製することを特徴とする同複合材料の製造方法。【選択図】    図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンド粉末とチタン又はチタン合金粉末を主成分とする焼結体からなることを特徴とする複合材料。
【請求項２】
平均粒径１２μｍ以下のダイヤモンド粉末と平均粒径１００μｍ以下のチタン又はチタン合金粉末であることを特徴とする請求項１記載の複合材料。
【請求項３】
ダイヤモンド粉末を５〜５０ｖｏｌ％含有することを特徴とする請求項１又は２記載の複合材料。
【請求項４】
摺動用複合材料であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の複合材料。
【請求項５】
水環境下で使用する摺動用複合材料であることを特徴とする請求項４記載の複合材料。
【請求項６】
研磨体として使用することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の複合材料。
【請求項７】
平均粒径１２μｍ以下のダイヤモンド粉末と平均粒径１００μｍ以下のチタン又はチタン合金粉末をボールミル等で混合し、放電プラズマ焼結により作製することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の複合材料の製造方法。
【請求項８】
ボールミルによる混合時間を６０〜１２０分とすることを特徴とする請求項７記載の複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チタン又はチタン合金とダイヤモンドを主成分とする複合材料及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の油圧機器は作動媒体が油であるために、エネルギー伝達効率が悪く、また油漏れ等の汚染の問題有しており、特に近年の地球環境保全の流れに伴い、「省エネルギー」、「環境にやさしい」といった環境適合性に反するものである。
これに対し、水圧機器は作動媒体が水であるため、漏れが生じた場合でも地球環境や作業環境を汚染する心配がなく、また火災の危険性がない点において優れているという特徴を有している。
水圧機器は油圧機器と基本的な構造は同じであるが、作動媒体である水による腐食性の問題、低粘度による潤滑不能などの点で大きく異なる。
【０００３】
水圧機器では、特に潤滑性に乏しいため、高摩擦、異常摩耗、焼き付きが生じやすいという問題がある。これらの問題は材料や設計法に解決策を求めることが必要となる。
油による潤滑が期待できない水圧機器などの水環境下で使用する機械部品等は、水が油より低粘度で潤滑性に乏しいため、それ自身で摩擦摩耗に優れる材料を使用することが必要となる。
例えば、樹脂ではポリエーテルエーテルケトン（PEEK）が良いことが知られており、荷重がさほど大きくない場合には四弗化エチレン（PTFE）も使用することが出来る（非特許文献１参照）。
セラミックスでは珪素系セラミックス（SiCとSi3N4）が優れていることが知られている。
【０００４】
また、水潤滑軸受又は水潤滑シールとして、一方の摺動面に窒化チタン（TiN）膜を形成し、他方の摺動面にダイヤモンドライクカーボン（DLC）膜又は窒化クロム(CrN)膜又は炭素繊維含有PEEK又はPTFEとする方法（特許文献１参照）や超硬合金と熱可塑性樹脂との組み合わせがある（特許文献２参照）。
しかし、セラミックスは脆性材料であるため耐衝撃性等の機械的性質が劣る欠点を有している。また、摺動面にDLC膜、TiN膜、CrN膜等を付けた場合には、基板との剥離が問題となる場合がある。
【非特許文献１】浦田瑛三、宮川新平著「水圧駆動技術入門」、日刊工業新聞社発行、（2002.7.25）頁３４−３５
【特許文献１】特開平１０−１８４６９２号公報
【特許文献２】特開２００１−１２４０７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記の従来の問題点に鑑み、人体への影響が少なく、軽量であり、かつ耐剥離性及び耐衝撃性等の機械的性質が優れ、特に水圧機器など水環境中で使用される摺動部材料としても適用できる耐摩耗性に優れたチタン又はチタン合金とダイヤモンドとの複合材料及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、１）ダイヤモンド粉末とチタン又はチタン合金粉末を主成分とする焼結体からなることを特徴とする複合材料、２）  平均粒径１２μｍ以下のダイヤモンド粉末と平均粒径１００μｍ以下のチタン又はチタン合金粉末であることを特徴とする１記載の複合材料、３）ダイヤモンド粉末を５〜５０ｖｏｌ％含有することを特徴とする１又は２記載の複合材料、４）摺動用複合材料であることを特徴とする１〜３のいずれかに記載の複合材料、５）水環境下で使用する摺動用複合材料であることを特徴とする４記載の複合材料、６）研磨体として使用することを特徴とする１〜３のいずれかに記載の複合材料を提供する。
【０００７】
また、本発明は、７）平均粒径１２μｍ以下のダイヤモンド粉末と平均粒径１００μｍ以下のチタン又はチタン合金粉末をボールミル等で混合し、放電プラズマ焼結により作製することを特徴とする１〜６のいずれかに記載の複合材料の製造方法、８）ボールミルによる混合時間を６０〜１２０分とすることを特徴とする７記載の複合材料の製造方法を提供するものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、従来の油圧機器において発生するエネルギーロスや環境問題を発生することなく、軽量であり、かつ耐剥離性及び耐衝撃性等の機械的性質が優れ、特に水圧機器など水環境中で使用される摺動用材料あるいは研磨用材料として優れた効果を有する複合材料を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、ダイヤモンド粉末とチタン又はチタン合金粉末を主成分とする焼結体からなる複合材料であり、特に平均粒径１２μｍ以下のダイヤモンド粉末と平均粒径１００μｍ以下のチタン又はチタン合金粉末を用いて焼結した複合材料である。
平均粒径１２μｍ以下のダイヤモンド粉末を使用する理由は、焼結後表面を仕上げた際、硬いダイヤモンド粒子がチタン相より突起する場合があり、相手材の摩耗を増加させる傾向がある。
特に、平均粒径１２μｍを超えると、相手材を攻撃し、摩耗を増大させるので、平均粒径１２μｍ以下とするのが望ましい。ただし、ダイヤモンド粒子の突起がない研磨が可能である場合又は相手材の攻撃を無視できる場合には粒径の影響はなくなる。
【００１０】
したがって、これらの場合にはダイヤモンドの粒径に上限を設ける必要はなく、平均粒径１２μｍを超える粒径のダイヤモンドを使用することができる。一方、ダイヤモンド粉末の平均粒径の下限値は、特に制限がなく、平均粒径１μｍ以下のダイヤモンド粉末も使用できる。平均粒径１μｍ以下のダイヤモンド粉末は相手材への攻撃性が少なくなるので有効であるが、摩擦係数がやや大きくなる傾向がある。
チタン又はチタン合金粉末は平均粒径１００μｍ以下の粉末を使用する。下限値は特に制限はないが、ダイヤモンドと同等の粒径の粉末を使用することができる。均一な混合の観点から、均一な粉末を使用することが望ましい。通常、製造コストの観点から粒径を選択する。
【００１１】
ダイヤモンド粉末は５〜５０ｖｏｌ％とする。このダイヤモンド粉末は５〜５０ｖｏｌ％とする理由は、ダイヤモンドの量が５ｖｏｌ％以上であれば摩擦中の真実接触部では複合材料中のダイヤモンドと相手材との接触が可能となりダイヤモンドの摩擦摩耗低減効果が発揮されるからであり、摺動用複合材料としての強度を保つためには、上限を５０ｖｏｌ％とすることが好ましい。
必要に応じて、水環境下で優れた潤滑性を示すＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３等のセラミックスをさらに添加することができる。これらの第三成分は、１〜２５ｖｏｌ％の範囲の量で添加する。下限値は添加による効果を上げる最少量であり、上限の量については、ダイヤモンドの添加効果を減少させない範囲とし、上記の範囲の量とする。
【００１２】
これらの粉末を、ボールミル等で十分に混合し、放電プラズマ焼結して製造する。ボールミルによる混合時間は、６０〜１２０分とすることが望ましい。後述するように、混合時間６０〜１２０分で非摩耗量は著しく低減する。
本発明の、チタン系材料とダイヤモンドの複合材料は、摺動用複合材料として、極めて優れたものであり、特に水環境下で使用する摺動用複合材料として好適である。
上記の通り、油圧機器において発生するエネルギーロスや環境問題を発生することない。また、マトリックスとなるチタン自体が軽量であり、また耐剥離性及び耐衝撃性等の機械的性質が優れているという特徴を有する。また、本複合材料は、研磨体としても使用するができる。
【００１３】
チタン合金の具体例としては、蒸気タービンブレードに使用されている耐水耐摩耗性Ｔｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ合金、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ５Ａｌ−２Ｆｅ合金、Ｔｉ−Ｎｉ合金等が挙げられる。また、純チタンも使用することができる。チタン材は生体毒性がなく、また体液に対する長期の耐腐食性があり、かつ軽量化できるので、人体各部の骨の補修や矯正用具として、又は義歯用金属床と使用することができる利点があり、本発明はこれらの全てに適用できる。
【００１４】
次に、本発明の具体例を説明する。なお、この具体例はあくまで本発明の理解を容易にするためのものであり、この例に制限されるものではない。すなわち、本発明の技術思想に基づく変形、他の態様又は例は、当然本発明に包含されるものである。
（試験片の製作）
１．原料粉末の混合
材料として、純度９９％、平均粒度４５μｍのチタン粉末と、粒度が１μｍ以下、３−６μｍ、６−１２μｍの３種類の高圧合成ダイヤ粉末を用いた。
原料粉末の混合は乳鉢を用いた方法とメカニカルアロイングを目的としてボールミルを用いた方法の２つの混合方法で行った。
乳鉢による混合の方法は、試験片原料粉末をそれぞれ軽く混ぜ合わせた後、エタノールを溶媒として用いての混合を２回繰り返す方法で行った。
【００１５】
ボールミルによる混合の方法は、秤量後の原料粉末を瑪瑙乳鉢に入れさじを用いて軽く混ぜ合わせて予備混合を行い、その後、粉末をアセトン１５ｍｌと混合しＳＵＳ製のポットに入れ、ＷＣのφ４ボールを約１００ｇとともに混合した。
本例で用いたボールミルは台板回転数が６００ｒｐｍの遊星型ボールミルである。回転運動を図１に示す。混合時間は３０分から１２０分の間で行い、それぞれ１０分混合した後、熱を取り除くために５分間の放熱を挟んで混合を行った。
【００１６】
２．混合粉末の焼結
原料粉末は混合後、エタノールもしくはアセトンを気化させた後放電プラズマ焼結装置（ＳＰＳ）を用いて焼結した。ＳＰＳとはSpark Plasma Sinteringの略称で、黒鉛モールドに詰めた原料粉末を、加圧した状態でパルス電流により通電加熱して焼結する焼結法である。
パルス状の大電流を印加することで粉体間にプラズマが発生するとされ、極めて短時間で試料を加熱することが出来るため、従来の焼結法では難しかった材料でも容易に焼結すること等がＳＰＳの特徴として挙げられている。図２にＳＰＳの概略図を示す。
【００１７】
焼結時の負荷は６０ＭＰａで、真空状態で０〜７５０°Ｃまで１０分で上昇させた後、７５０〜８５０°Ｃまで２分、８５０〜９００°Ｃまで２分で上昇させて最後に９００°Ｃで５分間保持し、その後自然冷却により室温まで下げた。ＳＰＳの昇温プログラムを表１及び図３に示す。
ここに示す昇温プログラムは好適な条件を示すが、本発明は上記条件に制限されるものではない。特に注意すべき点は、高温で長時間保持するとダイヤモンドはグラファイトに変態する可能性があるということである。それ以外については、特に問題となることはない。
材料選択とそれらの混合条件によって、昇温プログラムを任意に変更することができる。本発明はこれらを包含する。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
３．表面仕上げ
ＳＰＳで焼結した試験片は、平面研削盤で＃２００のダイヤ砥石で粗研削し、試料上下面の平行度を向上させた。試験面については、その後＃１０００のダイヤ砥石で研削した。
研削後、研磨盤で＃１０００のダイヤカップ砥石を用いて粗研磨し、最後に３μｍ、１μｍのダイヤペーストを用いてバフ研磨で仕上げた。
試験片を表２に示す。なお、同表において、Ti-20D(3-6)-90Mについては試験の都合で２個用意した。
【００２０】
【表２】
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【００２１】
（試験装置）
本試験では、ボールオンディスク型の往復動摩擦試験機を用いて摩擦試験を行った。また、低荷重での摩擦試験機と、より高荷重での摩擦試験機の２つの摩擦試験機を用いた。低荷重用試験機はカムにより駆動し、高荷重用試験機は油圧によって駆動する。
これらの試験機はボールホルダーを取り付けているアームもしくは板ばねに貼付したロードセルによりボールと試験片との摩擦力を測定し、それをパソコンで摩擦係数に換算するものである。試験部の拡大図を図４に示す。
【００２２】
（試験方法）
製作した試験片とボールを、アセトンとベンジンを１：１で混合した溶剤で５分×２回の計１０分間超音波洗浄した後、ボールオンディスク型の往復動摩擦試験機を用いて摩擦試験を行った。
低荷重用の試験機では、測定に用いたボールはアルミナ製のφ３／１６、負荷荷重は４Ｎ、摩擦速度０．０１８７ｍ／ｓ、摩擦距離は１３４．４ｍとした。
また高荷重用の試験機ではボールはアルミナ製のφ３／８、負荷荷重は１０Ｎ〜３０Ｎ、摩擦速度０．０２ｍ／ｓ、摩擦距離は１４４ｍ、２８８ｍで実験を行った。本研究で水中実験の際使用した水にはイオン交換水を用いた。
摩擦試験後、ボールの摩耗量は摩耗痕の直径から算出し、試験片の摩耗量は触針式表面粗さ計から摩耗痕断面積を求めることにより算出した。（数１）〜（数３）に、算出に用いた式を示す。
【００２３】
【数１】
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【００２４】
【数２】
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【００２５】
【数３】
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【００２６】
（試験結果）
水中および大気中における摩擦回数と摩擦係数との関係を図５に示す。水中、大気中ともに摩擦初期は摩擦回数の増加とともに摩擦係数は急激に減少する。
その後、水中では摩擦回数の増加とともに摩擦係数は低下し続けるのに対し、大気中では逆に上昇する傾向を示しており、水中において優れた潤滑性を示す材料であることが分かった。
【００２７】
チタン-ダイヤモンド複合材料について、混合割合及び混合するダイヤモンドの粒度の相違による摩擦摩耗特性への影響について調べた。その結果を図６及び図７に示す。相手材には、φ３／１６のアルミナボール、荷重４Ｎ、摩擦速度０．０１８７ｍ／ｓ、摩擦距離１３４．４ｍ、雰囲気は水中である。
図６より、チタン単独に比べダイヤモンドを混合したものの方が、摩擦係数と比摩耗量が大きく改善されていることが分かった。複合材料について比較すると、粒度の小さなダイヤモンドを混合したTi-30D(0-1)より大きなダイヤモンドを混合したTi-30D(6-12)の方が、より低い摩擦係数を示した。
【００２８】
しかし、図７から明らかなように、比摩耗量についてはTi-30D(0-1)よりTi-30D(6-12)を用いた方が、摩擦相手であるボールの摩耗が非常に大きいことが分かった。ダイヤモンドは研磨剤として用いられることもあり、ダイヤの大きさや表面の粗さが原因となりボールの摩耗を促進したのではないかと考えられる。
相手材が軟質な材料の場合は、ダイヤモンドの平均粒径の小さいものを使用するのが適当であることが分かる。
【００２９】
複合材料Ti−20D（3−6）について、ボールミルでの混合時間と摩擦係数の関係を調べた。その結果を図８及び図９に示す。
混合時間は長いほど摩擦係数は増加の傾向を示した。また、複合材料試験片の比摩耗量は測定不可なほど小さく、相手ボールの比摩耗量は混合時間６０分から９０分の間で極少となった。
摺動材料としては相手材料への攻撃性は極力避けるべきであり、そのような観点からすると、本条件の場合には、ボールミルでの混合時間は９０分程度を推奨すべきであることが分かる。ボールミルでの混合は、攪拌機の種類及び使用条件によって多少変動はあるが、作業効率からみて、６０〜１２０分程度とするのが望ましい。
【００３０】
水中および大気中における試験荷重と摩擦摩耗との関係を図１０及び１１に示す。
実用においては比摩耗量が重視されることが多いため、最も少ない相手ボールの比摩耗量で且つ最も低摩擦係数を示したTi-20D(3-6)でボールミルによる混合時間が90分のものを使用して、試験荷重による影響を水中と大気中で調べた。
水中の摩擦係数はどの荷重においても大気中に比べ低く、１／２以下の値を示した。比摩耗量についても大気中に比べ水中の方が優れておいた。試験荷重と摩擦摩耗との関係では、荷重の増加につれ何れも僅かに上昇する傾向があった。
【００３１】
なお、Ti-D(3-6)系ダイヤモンド添加量と摩擦係数及び相手材（アルミナボール）の比摩耗量との関係を図１２に示す。この図から明らかなように、摩擦係数はダイヤモンド２０％で最小となり、相手材の比摩耗量は２０％と３０％で変化なかった。
因みに、ダイヤモンド０％（Ｔｉのみ）では、それ自身の比摩耗量は２．２×１０−４ｍｍ３／Ｎｍとなり、ダイヤモンド２０％と３０％では、Ｔｉ−Ｄ複合材料自身は、測定限界以下で殆ど摩耗は見られなかった。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、従来の油圧機器において発生するエネルギーロスや環境問題を発生することなく、軽量であり、かつ耐剥離性及び耐衝撃性等の機械的性質が優れ、特に水圧機器など水環境中で使用される摺動用材料あるいは研磨用材料として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明で使用したボールミルの回転運動を示す説明図である。
【図２】本発明で使用したＳＰＳチャンバーの部分拡大説明図である。
【図３】昇温プログラムを示す図である。
【図４】摩擦試験部の拡大説明図である。
【図５】水中及び大気中における摩擦回数と摩擦係数との関係を示す図である。
【図６】水中におけるダイヤモンドの粒度と摩擦係数との関係を示す図である。
【図７】ダイヤモンドの粒度と相手ボールの比摩耗量との関係を示す図である。
【図８】ボールミル混合時間と摩擦係数との関係を示す図である。
【図９】ボールミル混合時間と相手ボールの比摩耗量との関係を示す図である。
【図１０】水中及び大気中における試験荷重と摩擦係数との関係を示す図である。
【図１１】水中及び大気中における試験荷重と相手ボールの比摩耗量との関係を示す図である。
【図１２】Ti-D(3-6)系ダイヤモンド添加量と摩擦係数及び相手材（アルミナボール）の比摩耗量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
１  真空
２  原料粉末
３  モールド
４  ボール
５  試験片
【図１】
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【図２】
2005187862.tif 000009
【図３】
2005187862.tif 000010
【図４】
2005187862.tif 000011
【図５】
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【図６】
2005187862.tif 000013
【図７】
2005187862.tif 000014
【図８】
2005187862.tif 000015
【図９】
2005187862.tif 000016
【図１０】
2005187862.tif 000017
【図１１】
2005187862.tif 000018
【図１２】
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