钛合金制滑动轴承
阅读说明：本技术 钛合金制滑动轴承 (Sliding bearing made of titanium alloy ) 是由 坛孟 于 2020-03-10 设计创作，主要内容包括：一种钛合金制的球面滑动轴承(A),在α+β型或者α型的钛合金制的内轮(1)的外周具有凸型球面的滑动面(2),外轮(4)介由润滑性衬套(3)与该滑动面(2)滑动接触；在滑动面(2)包含初生α晶粒和次生α晶粒,滑动面(2)的氧浓度为0.8质量％以上,硬度为550Hv以上,设置有随着距滑动面(2)表面的深度、氧浓度连续地降低的氧扩散层(5)。(A spherical sliding bearing (A) made of a titanium alloy, having a sliding surface (2) of a convex spherical surface on the outer periphery of an inner ring (1) made of an alpha + beta type or an alpha type titanium alloy, wherein an outer ring (4) is in sliding contact with the sliding surface (2) via a lubricating bush (3); the sliding surface (2) contains primary alpha crystal grains and secondary alpha crystal grains, the oxygen concentration of the sliding surface (2) is more than 0.8 mass%, the hardness is more than 550Hv, and an oxygen diffusion layer (5) with the oxygen concentration continuously decreasing with the depth from the surface of the sliding surface (2) is arranged.)
技术领域
本发明涉及滑动轴承，特别涉及能够用于要求轻型化和耐久性的航空航天等
技术领域
的钛合金制的滑动轴承。背景技术
一般来说，人造卫星、火箭等中使用的机器为了减少输送中的燃料消耗量等，要求尽可能轻型化。
钛合金代替钢等一般的机械构成部件，作为有效地轻型化的机械构成部件是众所周知的。
钛合金轻型且耐腐蚀性、重量比强度优异，但由于与钢相比硬度更低，所以存在耐磨性低的缺点。
作为改善钛合金的硬度的方法，已知在氮为主体且含有微量氧的混合气氛气体中，将部件在加热温度下保持规定时间，主要使氮和氧固溶在部件的表面，从而提高装饰品中使用的钛合金的硬度的处理方法(专利文献1)。
另外，已知在使用钛合金的球面滑动轴承的内轮和外轮中的至少一方具有通过物理气相沉积法(PVD)蒸镀氮化钛(TiN)而得的硬化面的球面滑动轴承(专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第97/36018号
专利文献2：日本特开2007－255712号公报
发明内容
但是，上述使氮和微量的氧固溶的表面改性方法中，虽然硬度得到改善，但存在韧性为低的状态且无法改善的问题点。
即，在钛合金的表面固溶了0.6～8.0重量％的氮和0.5～14.0重量％的氧的硬化层因氮和氧而使硬度提高，另一方面，其为脆性，在较大的负载作用于具有这样的硬化层的钛合金制的滑动轴承的内轮、外轮等时，可能产生裂纹。另外，如果通过这样的表面改性方法使氧固溶，则钛合金的晶粒粗大化，因此也存在疲劳强度降低的问题。
另外，如果通过蒸镀形成氮化钛的硬化层，则对钛合金施加较大的负荷而以高的滑动速度滑动时，氮化钛的硬化层可能剥离。
因此，本发明的课题是解决伴随将上述的钛合金制滑动轴承的表面硬化的改性处理的问题，得到确保滑动面的韧性、实现滑动面的高硬度化、能够抑制疲劳强度降低的钛合金制滑动轴承。
为了解决上述的课题，本发明中制成如下的钛合金制滑动轴承，其为由α+β型或者α型的钛合金形成滑动面的滑动轴承，在上述滑动面包含初生α晶粒和次生α晶粒，设置有随着距上述滑动面表面的深度、氧浓度连续地降低的氧扩散层，上述表面以氧浓度0.8质量％以上固溶氧，上述表面的硬度为550Hv以上。
如上述那样构成的本发明的钛合金制滑动轴承通过设置于滑动面的表面的氧扩散层，从而具有上述表面以氧浓度0.8质量％以上固溶氧而被增强、硬化到硬度550Hv以上的滑动面。
另外，在α+β型或者α型的钛合金制的滑动面中，与初生α晶粒一起包含比初生α晶粒更微小的次生α晶粒，通过微细化的晶体粒径改善疲劳强度，可以作为滑动轴承确保充分的滑动面的韧性。
对于随着这样的晶体粒径的微细化而改善疲劳强度的钛合金制滑动轴承，设置氧扩散层，改善滑动面的硬度。
对于氧扩散层，在钛合金构成的滑动面上，氧浓度随着距表面的深度而连续地降低，因此密合性良好地与钛合金的内部一体化，设置为不易剥离的状态，另外，不会降低因晶体粒径的微细化而改善的疲劳强度。即，对于氧扩散层，提高钛合金的表面的强度、硬度、耐腐蚀性、耐磨性，而且不会降低钛合金整体的疲劳强度。
为了尽可能地提高拉伸强度、蠕变强度等，上述钛合金优选含有一定程度(7质量％以下)的属于α相的稳定化元素的铝元素(Al)，例如，优选使用含有6质量％的铝元素(Al)且含有4质量％的钒(V)的Ti－6Al－4V钛合金等。
为了提高疲劳强度，优选具有化合了氧原子的微小次生α相的所有晶粒的平均粒径为15μm以下，对于这样的平均粒径，在EBSD测定的观察图像中，将晶体取向差15°以上视为晶界，对于上述观察图像的整个区域，从晶粒面积大的聚集晶粒开始按降序将面积相加，求出到达到上述观察图像区域中的总晶粒面积的70％的晶粒为止的晶体粒径的平均值，此时可确认到，上述滑动面的表面由平均粒径为15μm以下的晶粒构成。
能够应用本发明的滑动轴承的形态例如为球面滑动轴承，可以构成为内轮与外轮介由润滑性衬套滑动接触的钛合金制的球面滑动轴承。
为了制成航空航天设备那样在低压或者真空的环境下，进而极低温的环境和温度变化大的环境下也能够使用的钛合金制滑动轴承，优选上述润滑性衬套为由树脂的成型体或者机织物形成的衬套。
上述润滑性衬套为树脂的成型体的情况下，为了得到耐受上述特定的环境下的使用的钛合金制滑动轴承，优选采用选自聚四氟乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺以及聚苯硫醚中的1种以上的树脂的成型体。
同样，上述润滑性衬套为由机织物形成的衬套的情况下，为了得到耐受上述特定的环境下的使用的钛合金制滑动轴承，优选为选自聚四氟乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维、玻璃纤维以及聚酯纤维中的1种以上的纤维制机织物。
以上的钛合金制滑动轴承可以用作航空航天设备用的钛合金制滑动轴承。
本发明的钛合金制滑动轴承具有如下优点：在滑动面包含初生α晶粒和次生α晶粒，伴随晶体粒径的微细化而提高疲劳强度，并且改善设置有氧扩散层的滑动面的硬度，因此，成为能够确保滑动面的韧性，同时实现滑动面的高硬度化和抑制疲劳强度的降低的钛合金制滑动轴承。
附图说明
图1是第1实施方式的钛合金制的球面滑动轴承的剖面图。
图2是第2实施方式的钛合金制的球面滑动轴承的剖面图。
图3是第3实施方式的钛合金制的滑动轴承的剖面图。
图4是表示距实施例的内轮材料表面的深度与硬度(Hv)的关系的图表。
图5是表示距实施例的内轮材料表面的深度与氧浓度的关系的图表。
图6是实施例的内轮材料的表面的EBSD测定中使用的图像的附图替代照片。
具体实施方式
以下基于附图对本发明的实施方式进行说明。
如图1所示，第1实施方式是无油式的钛合金制的球面滑动轴承A，在钛合金制的内轮1的外周具有凸型球面的滑动面2，是组合介由润滑性衬套3与该滑动面2滑动接触的、具有凹型球面的内周的外轮4而构成的。
在润滑性衬套3接触的内轮1的滑动面2中，包含初生α晶粒和次生α晶粒，设置有随着距滑动面2表面的深度、氧浓度连续地降低的氧扩散层5。
内轮1由α+β型或者α型的钛合金形成，滑动面(表面)2以氧浓度0.8质量％以上固溶氧，滑动面(表面)2的硬度为550Hv以上。
润滑性衬套3由具有自润滑性的树脂或纤维构成的成型体、机织物或者它们的复合材料构成，保持于外轮4而一体化。树脂制的润滑性衬套3以聚四氟乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺以及聚苯硫醚等树脂为主成分，例如利用注射成型等公知的成型方法使内·外径表面成型为球形等环状体。另外，纤维制的润滑性衬套3是通过规定的粘合剂将由聚四氟乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维、玻璃纤维或者聚酯纤维等纤维材料构成的机织物粘接于外轮4的内周面。
本发明的钛合金制滑动轴承可以用作公知形态的滑动轴承。例如，如图2所示的第2实施方式的加油式球面滑动轴承B在钛合金制的内轮6的外周具有凸型球面的滑动面2，设置在凹型球面的内周形成的钛合金制的外轮4，外轮4具有与该滑动面2对置地滑动接触的滑动面7，在这一组滑动面2、7双方包含初生α晶粒和次生α晶粒，分别形成氧扩散层5。图中的符号8为通过滑动面2的给油孔，符号9为油槽。
或者，像图3所示的第3实施方式的套筒型的滑动轴承C那样，也可以将钛合金制的圆筒形套筒10的内周面侧作为滑动面11，在滑动面11包含初生α晶粒和次生α晶粒，进一步设置氧扩散层5。
作为上述任一个实施方式中形成滑动面的钛合金，使用α+β型或者α型的钛合金。
例如，作为α+β型钛合金的例子，可以举出Ti-6Al-4V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo等，另外，作为α型钛合金的例子，可以举出Ti-5Al-2.5Sn、Ti-8Al-1Mo-1V等。
像上述那样的钛合金制滑动轴承的滑动面通过最终在浸酸工序使氧固溶于α+β型或者α型的钛合金中，从而提高表面硬度而增强，但使氧固溶的表面的钛合金包含多个α晶粒。
α晶粒是指由α相构成的晶粒。α晶粒中包含初生α晶粒和次生α晶粒。初生α晶粒是由初生α相构成的晶粒。次生α晶粒是由次生α相构成的晶粒。
初生α相是在后述的固溶化处理工序、时效处理工序以及浸酸处理工序中均未转变为β相而残留的α相。
另外，次生α相是暂时转变为β相后、在冷却时通过马氏体转变或者块状转变而形成的相。次生α相包含hcp结构的α’相和斜方晶结构的α”相。
初生α晶粒和次生α晶粒可以通过形状识别。初生α晶粒具有椭圆形状，次生α晶粒具有针状的形状。
各个α晶粒通过晶体取向识别。更具体而言，某α晶相的晶体取向与和该α晶相邻接的其它α晶相的晶体取向的偏差小于15°的情况下，这些α晶相被视为一个α晶粒。
另一方面，某α晶相的晶体取向与邻接于该α晶相的其它α晶相的晶体取向的偏差为15°以上的情况下，这些α晶相被视为单独的α晶粒。
晶体取向的测定(单独的α晶界的特定)例如使用EBSD(Electron Back ScatterDiffraction)法进行。
使用上述测定法，如果测定本发明的位于滑动面的表面的钛合金中包含的α晶粒的大小，则区分为第1组和第2组，属于第1组的α晶粒的晶体粒径的最小值大于属于第2组的α晶粒的晶体粒径的最大值。属于第1组的α晶粒的总面积除以α晶粒的总面积而得的值为0.7以上。将属于第1组的晶体粒径最小的α晶粒除外后，属于第1组的α晶粒的总面积除以α晶粒的总面积而得的值小于0.7。
从另一个角度来看，位于滑动面的表面的钛合金中包含的α晶粒按照晶体粒径大的顺序被分配为第1组。然后，在被分配到第1组的α晶粒的总面积首次超过α晶粒的总面积的0.7倍的时候，停止向第1组的分配，将残余的α晶粒分配到第2组。
应予说明，“位于表面的α晶粒”是指位于滑动面的表面与距该表面250μm的距离的位置之间的区域内包含的α晶粒。“位于表面的α晶粒”也可以是位于滑动面的表面与距该表面300μm的距离的位置之间的区域内包含的α晶粒。
属于第1组的α晶粒的平均粒径为25μm以下。属于第1组的α晶粒的平均粒径优选为15μm以下。属于第1组的α晶粒的平均粒径可以由各个晶粒的当量圆直径计算。
如上所述，根据EBSD法中的滑动面的表面的观察图像，将晶体取向差15°以上视为晶界，对于上述观察图像的整个区域，从晶粒面积大的聚集晶粒开始按降序将面积相加，求出到达到上述观察图像区域中的总晶粒面积的70％的晶粒为止的晶体粒径的平均值，此时可确认到，其由平均粒径为15μm以下的晶粒构成。
钛合金在表面含有0.8质量％以上的氧(O)。优选钛合金在表面含有1.4质量％以上的氧。进一步优选钛合金在表面含有1.8质量％以上的氧。应予说明，钛合金中的氧的浓度通过EPMA(Electron Probe Micro Analyzer)测定。
如上述那样在滑动面包含初生α晶粒和次生α晶粒的钛合金制滑动轴承的制造工序中，可如下所述地，经由准备工序、固溶化处理工序、时效处理工序，浸酸工序、后处理工序进行。
准备工序中，对具备α+β型钛合金或者α型钛合金中任一者的滑动面的内轮或者外轮进行切削加工，成为接近最终制品尺寸的尺寸和形状。
固溶化处理工序中，将通过上述准备工序加工成一定形状的内轮或者外轮等部件以规定的温度和时间在炉中加热保持。
此时，炉内在常压下导入作为非活性气体的氩气等。非活性气体也可以使用属于稀有气体的氦气、或氮气等。
固溶化处理工序中，保持工序和冷却工序为必需工序。
保持工序中，处理靶材在炉内规定的保持温度(以下称为“第1温度”)下保持规定的时间(以下，称为“第1时间”)。
固溶化处理工序中，构成靶材的钛合金中的α相的一部分转变为β相。
上述的第1温度低于构成靶材的钛合金的β单相转变点。β单相转变点是构成靶材的钛合金中的α相的全部转变为β相的温度。
冷却工序在保持工序之后进行。冷却工序中，进行经过保持工序的靶材的冷却。由此，保持工序中转变为β相的α相成为次生α相。
时效处理工序出于在进行固溶化处理工序后，使比初生α晶粒更微小的次生α晶粒析出的目的而进行。
时效处理工序中，靶材在规定的温度(以下，称为“第2温度”)保持规定的时间(以下，称为“第2时间”)后被冷却。通过时效处理工序，从冷却工序中未转变为α相的β相中析出微小的次生α晶粒。
应予说明，加热保持时，炉内在常压下导入氩气、属于稀有气体的氦气、氮气等作为非活性气体。
浸酸处理工序中，在固溶化处理工序和时效处理工序之后，为了形成具有高硬度的氧扩散层进行浸酸处理。
浸酸处理工序通过将靶材在规定的保持温度(以下，称为“第3温度”)下保持规定的时间(以下，称为“第3时间”)来进行。
浸酸处理工序在含有二氧化碳(CO2)的气氛气体中进行。该气氛气体可以进一步含有非活性气体。非活性气体例如为氩气(Ar)氦气(He)等稀有气体。非活性气体也可以为氮气(N2)。气氛气体的压力优选为常压(大气压)。
上述一系列的处理工序可以在内轮、外轮等处理靶材的整个表面进行，另外，仅滑动面进行浸酸处理时，可以对处理靶材的一部分实施掩蔽而设置氧扩散层。
浸酸工序的处理条件更详细地说明如下。
即，向常压下的炉内导入以氩气为基础的CO2气体，将钛合金制的部件在炉内加热保持后，进行冷却。如果在CO2气体气氛下加热钛合金，则在钛合金制部件的表面，CO2气体解离为O和C，这些元素从表面向内部扩散渗透。应予说明，碳在钛中的固溶极限比氧窄，因此几乎不影响靶材的固溶强化。
作为后处理工序，上述的浸酸处理工序之后，进行用于将靶材精加工到特定的尺寸精度的车削、抛光等机械加工，进一步根据需要将衬套成型和粘接，进行其他组装加工。
即，在浸酸处理后的钛合金的表层部形成有由TiC、TiO2或者TiO构成的化合物层，但该化合物层虽然硬度高但为脆性，因此在后处理工序的机械加工中除去表层。另外，浸酸处理后，为了精加工成特定的尺寸精度，实施车削、抛光等机械加工。
通过上述一系列的工序制造的内轮的滑动面表面的氧浓度为约0.8质量％以上，滑动面表面的硬度为约550Hv以上。另外，滑动面表面的EBSD观察图像中，以晶体取向差15°以上规定为晶界，在EBSD图像的整个区域，从晶粒面积大的聚集晶粒开始按降序将面积相加，求出到达到EBSD图像区域中的总晶粒面积的70％的晶粒为止的晶体粒径的平均值，此时，由平均粒径为15μm以下的晶粒构成滑动面的表面。
如上述那样制造的实施方式的高比强度的钛合金制的滑动轴承在固溶化和时效处理中进行晶粒微细化，从而成为能够确保疲劳强度、同时在其后的浸酸处理中能设置高硬度的氧扩散层，具有高硬度且疲劳强度优异的滑动轴承。
实施例
对由符合ASTM B348-13 GR.5的α+β型钛合金的Ti-6Al-4V构成的球面滑动轴承的内轮1(图1)的材料进行固溶化处理工序、时效处理工序。
从试样的表面一点点刮掉直到深度0.5mm为止，按规定深度测定此时的内轮的材料(以下，称为“试样”。)的外周面维氏硬度(Hv)，将各深度的Hv与距最初表面的深度(mm)的关系示于图4。
另外，在上述的维氏硬度(Hv)的测定的同时，通过EPMA测定氧浓度(质量％)，将与从试样表面到深度0.5mm为止的深度(mm)的关系示于图5。
这里，图4、5中示出了未进行后处理工序的试样的硬度和氧浓度分布。
作为最终制品的实施例的球面滑动轴承，内轮的外周面的表层通过后处理工序的机械加工而仅除去任意设定的余量。因此，图4、5中示出的试样的硬度和氧浓度分布中，比余量更深的位置的硬度、氧浓度与实际的滑动面(表面)的硬度和氧浓度相当。
这里，浸酸处理后的机械加工优选以尽可能不除去作为硬化层的氧扩散层的范围内的余量进行，一般余量小于0.10mm。为了参考，从图中记载的试样的表面以余量0.10mm形成轴承滑动面时的滑动面(表面)的硬度和氧浓度为547Hv和0.78质量％。
另外，将从试样的表面以余量0.10mm形成轴承滑动面时的表层的EBSD图像示于图6。
由图6的EBSD图像可知，测定的试样中的α晶粒的平均粒径为10.1μm。另外，确认了因固溶和时效而析出的次生α晶粒如EBSD图像中出现的那样，为微小的针状的次生α相。
此时的平均粒径的测定条件为：规定晶体取向差15°以上作为晶界，在EBSD图像的整个区域，从晶粒面积大的聚集晶粒开始按降序将面积相加，作为直到达到EBSD图像区域中的总晶粒面积的70％的晶粒的晶体粒径的平均值而测定。
可知，如上得到的实施例的球面滑动轴承的具有微小的次生α晶粒的α晶粒的平均粒径小至10.1μm，其后进行浸酸处理而在表面固溶充分的氧，因此，滑动面(表面)的硬度约为550Hv以及氧浓度约为0.8质量％，即便是轻型的钛合金制，也具备耐磨性和高的疲劳强度，在要求耐久性好的强度的使用条件下也能够应用。
产业上的可利用性
作为航空航天设备用的滑动轴承等，能够在要求轻型化和耐久性好的用途中作为具有通用性的滑动轴承使用，另外，也能够用于伴随滑动的摆动、单方向旋转下运转的滑动轴承等。
符号说明
1、6 内轮
2、7、11 滑动面
3 润滑性衬套
4 外轮
5 氧扩散层
8 给油孔
9 油槽
10 套筒
A、B 球面滑动轴承
C 套筒型的滑动轴承。