(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
しゅう動部位の摩擦及び摩耗を低減させるための潤滑方法であって、SiCを10〜40wt％含有するSiC-Ti焼結複合材料からなるしゅう動部位に、アルコールを存在させることを特徴とする潤滑方法。
【請求項２】
しゅう動部位が、チタンまたはチタン合金基盤上にSiC-Ti焼結分複合材料層を積層させた金属-チタン基複合材料である請求項１に記載した潤滑方法。
【請求項３】
SiC-Ti焼結複合材料層がチタンの組成比に傾斜をつけて積層させたセラミックス-チタン傾斜機能材料である請求項２に記載した潤滑方法。
【請求項４】
SiC-Ti焼結複合材料層のチタンの組成比の傾斜が、チタンまたはチタン合金基盤側が、チタンの組成比が高い請求項３に記載した潤滑方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
アルコール貯蔵タンク、輸送用パイプライン、アルコール燃料発電機器、アルコール燃料エンジン等のアルコールに対する耐食性及び耐摩耗性を必要とするしゅう動部の材料及びアルコールに対する耐侵食性を必要とする構造材料に用いることができるアルコールによる潤滑方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルコールは金属に対する反応性の強い液体である。しゅう動や衝撃等の物理的な刺激により、アルコールは金属Tiと化学反応を起こしてTi成分を溶出させる。Ti成分の溶出により摩耗が進行するが、この溶出物には潤滑作用があるため摩擦を低減する。
しかし、材料表面が軟質であると凝着摩耗が優先的に進行するため、溶出物の潤滑作用を発現できず高摩擦・高摩耗となる。凝着摩耗を低減するには材料表面の硬化が効果的であり、チタン及びチタン合金の耐摩耗性を向上させるために、チタン及びチタン合金上にメッキ、コーティング、溶射、溶接などにより表面硬化膜を形成する表面処理法及びチタン基盤中にセラミックスを分散させたセラミックスーチタン複合材料とする手法がとられている。（非特許文献１〜３参照）
【０００３】
【非特許文献１】
中山武典、加藤淳、漆原亘、寺田好則、”チタンの耐摩耗改善表面処理技術”、金属  66  11  （1996）  986-989。
【非特許文献２】
D. E. Alman, J. A. Hawk, "The abrasive wear of sintered titanium matrix-ceramic particle reinforced composite", Wear 225-229 (1999) 629-639.
【非特許文献３】
S. Ranganath, " A review on particulate-reinforced titanium matrix composite", J. Mater. Sci. 32 (1997) 1-16.
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
衝撃やしゅう動などによりチタンはアルコールと化学反応を起こしてアルコール中に溶出するため、単にチタン材料の表面を硬化させるだけでは溶出による摩耗が進行するためしゅう動材料の損失を招く。
本発明は、上記の如き事情に鑑みてなされたものであり、その技術的課題はアルコール-チタン系材料のしゅう動面において、チタンの凝着を防ぎ、かつ、チタンとアルコールとの反応を制御することにより、低摩擦で耐摩耗性に優れた潤滑方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によるアルコール潤滑方法では、しゅう動材にアルコールに対する反応性が低いセラミックスをチタン材料中に含有させてチタン材料表面を硬化して凝着による高摩擦・高摩耗を防ぎ、アルコールとチタンとの化学反応を抑制することにより溶出による摩耗を低減することに成功した。
すなわち本発明は、しゅう動部位の摩擦及び摩耗を低減させるための潤滑方法であって、SiCを10〜40wt％含有するチタン基複合材料からなるしゅう動部位に、アルコールを存在させることを特徴とする潤滑方法である。
さらに、しゅう動部位が、チタンまたはチタン合金基盤上にSiC-チタン複合材料層を積層させた金属-チタン基複合材料とすることができる。
このとき、SiC-チタン複合材料層がチタンの組成比に傾斜をつけて積層させたSiC-チタン傾斜機能材料を用いることが望ましい。
このときさらに、SiC -チタン複合材料層のチタンの組成比の傾斜が、チタンまたはチタン合金基盤側が、チタンの組成比を高くし、SiC-チタン複合材料層の表面側をチタンの組成比を低くすることがより望ましい。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明で用いることができるアルコールとしては、メタノール、エタノール、ｎプロパノール、イソプロパノール、ブタノール等が挙げられる。
本発明において用いるSiCを10〜40wt％含有するチタン基複合材料としては、チタン基金属にチタンのほかにCu, Pd, Sn, Al, V, Mn, Zr, Mo, Cr, Si, Feのうちの１〜６元素をそれぞれ0.1〜20%の範囲で含有する場合、及びセラミックス成分としてSiCの他にAl2O3, ZrO2, TiN, TiC, WC, B4Cを少量含有することができる。
また、SiC -チタン複合材料層のチタンの組成比の傾斜が、チタンまたはチタン合金基盤側が、チタンの組成比を高くし、SiC -チタン複合材料層の表面側をチタンの組成比を低くするとき、チタンの組成比は、高いところで７０〜９５モル％、低いところで５〜２０モル％、が望ましい。
【０００７】
【実施例】
製造例１
（しゅう動材の原料粉末の作成）
SiC粉末を10〜40 wt.%の割合でTi粉末とともに、n- ヘキサンを分散媒として窒化ケイ素製ボールとともに窒化ケイ素製ポットに入れ、遊星型ボールミルにて３０分間撹拌した。撹拌後、n-ヘキサンを揮発させて種々の組成の原料粉末を得た。
（しゅう動材であるセラミックス-チタン傾斜機能材料、チタン基複合材料、金属-チタン基複合材料の作成）
セラミックス-チタン傾斜機能材料においては、グラファイト製の型の最下部に金属チタン粉末またはチタン合金粉末を詰め、金属チタン粉層またはチタン合金粉層の上に種々の組成の原料粉末をSiCの組成が少ない順に１から４層を積層させた。
この積層混合粉末を図1に示すように、SPS（放電プラズマ焼結法）にて真空中で圧力650Kg/cm2（64MPa)、温度1300℃または1400℃の条件で焼結し、直径20mmのディスクを作製した。
図２は本発明に係わる耐摩耗性セラミックス-チタン傾斜機能材料の断面の概念図である。図２において、基盤は靭性に優れたチタンまたはチタン合金であり、最表面は耐摩耗性に優れたセラミックスに富んだセラミックス-チタン複合材料であり、基盤と耐摩耗性表面層の間に、組成比の異なるセラミックス-チタン複合材料層が基盤から表面に向けてセラミックス分が多くなるように積層した構造である。
チタン基複合材料においては均一の組成で焼結し、金属-チタン基複合材料においてはチタンまたはチタン合金基盤用粉末上に１層のチタン基複合材料の原料粉末を積層させて焼結した。得られたディスク焼結体は平面研削盤にて平行にした後、400番、1000番の研磨盤で順に研磨した。表１に本発明で作製したチタン基複合材料の組成及びビッカース硬さを示した。
【０００８】
【表１】
0003968423.tif 000002
ここで、耐摩耗性の評価である摩擦・摩耗特性評価試験はピンオンディスク型の回転型摩擦試験機(ISC-200PC摩擦計)を用いた。
ディスク最表面の組成と同種組成の半球ピン（半径2mm）をメタノールからn-ノナノールまでの直鎖アルコール中で摩擦速度が40mm/s、荷重が50g (0.49N)という条件で1時間または２時間摩擦し、摩擦係数及び比摩耗量を測定した。
図３は本摩擦・摩耗特性評価試験の説明図である。この実験において、ピン及びディスクの比摩耗量を次式から求めた。
［比摩耗量、mm3/Nm］=[摩耗体積、mm3]/｛[摩擦距離、m]×[荷重、N]｝
ただし、ピン摩耗体積は図４の摩耗部分１の体積であって、V=(1/3)πh2(3r-h)で与えられる。また、ディスク摩耗体積は図５の摩耗部分２の体積であってV=2πｒ'Aで与えられる。
【０００９】
実施例１
試料１のしゅう動材を用いて、メタノールの存在下で、図３に示すピンオンディスク型の回転型摩擦試験機(ISC-200PC 摩擦計)を用いた。
ディスク最表面の組成と同種組成の半球ピン（半径2mm）をメタノール中で摩擦速度が40mm/s、荷重が50g(0.49N)という条件で1時間摩擦し、摩擦係数及び比摩耗量を測定した。摩擦係数０．２１、ピンの比摩耗量（ｍｍ３／Ｎｍ）１．０５×１０−５、ディスクの比摩耗量（ｍｍ３／Ｎｍ）は、測定ができないほど極微量であった。
実施例２〜１４
表２に本発明におけるチタン基複合材料を用いた結果を示す。
【００１０】
【表２】
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比較例として99.7Ti金属及びTi-6Al-4V合金について、実施例１から１４と同様の試験をし、摩擦係数及び比摩耗量を測定した。結果を表３に示す。
【００１１】
【表３】
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表２および表３より、本発明のチタン基複合材料を用いたアルコール潤滑方法は、チタン及びチタン合金を用いたアルコール潤滑方法に比べて摩擦が低く、ピン及びディスク材料の摩耗が著しく低減することもわかった。
図６に比較例１と実施例９のピン摩耗痕の光学顕微鏡写真を示す。比較例１では摩耗痕全体に摩擦方向に沿った条痕があり非常に荒れた面となっていたが、実施例９では摩耗痕は平滑であり、摩耗損傷が著しく低減していることがわかった。
【００１２】
【発明の効果】
上記の実施例と比較例の結果から、アルコールを潤滑剤とし、しゅう動部材表面にSiCを10〜40wt%含有するチタン基複合材料を用いることにより、摩擦係数を低減し、耐摩耗性を著しく向上させることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係るセラミックス-チタン傾斜機能材料の焼結方法を説明する図
【図２】  本発明に係るセラミックス-チタン傾斜機能材料の断面の概念図
【図３】  摩擦・摩耗特性評価試験の説明図
【図４】  ピンの摩耗体積の測定方法の説明図
【図５】  ディスクの摩耗体積の測定方法の説明図
【図６】  比較例１と実施例９のピン摩耗痕の光学顕微鏡写真
【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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