本発明は、機械部品に関する。より特定的には、本発明は、チタン合金製の機械部品に関する。

耐摩耗性が要求される機械部品の表面に対しては、表面粗さを低減することを目的として、砥粒を用いた研削が行われる。チタン合金は、鋼と比較して熱伝導率が低い。そのため、非特許文献1(宮川修、チタンの砥粒反応性と研磨、日本補綴歯科学会雜誌、42巻4号、1998年)及び非特許文献2(熊谷信男、精密工学会誌、58巻4号、1992年)に記載されているように、チタン合金製の機械部品の表面に対して砥粒を用いた研削を行う場合、砥粒が機械部品の表面(研削面)に溶着しやすい。この溶着物は、研削面を擦過しやすい。そのため、砥粒を用いた研削により、チタン合金製の機械部品の表面において0.1μm未満の表面粗さ(算術平均粗さ)を達成することは困難である。

非特許文献3(山本章裕ら、遠心バレル研磨に関する基礎的研究(第2報)、精密工学会誌、64巻12号、1998年)に記載されているように、350Hv程度の硬度を有するチタン合金製の機械部品の表面において、研磨メディアを用いた乾式バレル研磨を行うことにより、0.1μm程度の表面粗さ(算術平均粗さ)が得られている。

しかしながら、チタン合金製の機械部品を耐摩耗性が要求される用途に適用する場合、表面に炭素、窒素、酸素等を固溶させる等の表面処理を行うことにより、表面における硬度が350Hv以上とされる。表面処理により形成された硬化層は、相対的に脆い。そのため、非特許文献3に記載の方法で350Hv以上の硬度を有するチタン合金製の機械部品の表面を研磨した場合、表面にむしれや疵が生じてしまい、0.1μm未満の表面粗さを得ることは困難である。

表面処理によって形成された相対的に脆い層に対する研磨時のむしれや疵を防止する研磨方法として、メカノケミカル研磨加工(すなわち、機械的作用と化学的作用を複合させた研磨加工)を行う方法が知られている。例えば、特許文献1(特開2007−222961号公報)には、研磨液を塗布した研磨パットを用いて材料表面のメカノケミカル研磨加工を行う方法が記載されている。

特開2007−222961号公報

宮川修、チタンの砥粒反応性と研磨、日本補綴歯科学会雜誌、42巻4号、1998年

熊谷信男、精密工学会誌、58巻4号、1992年

山本章裕ら、遠心バレル研磨に関する基礎的研究(第2報)、精密工学会誌、64巻12号、1998年

しかしながら、特許文献1に記載されているような従来のメカノケミカル研磨は、シリコンウェハ等の平坦な表面を有する部材を研磨するためのものであった。すなわち、特許文献1に記載されているような従来のメカノケミカル研磨は、球面すべり軸受の内輪等の外周面等の曲面を有する部材の研磨に適用することが困難であった。

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、低い表面粗さの曲面部を含み、かつ相対的に硬度が高い表面を有するチタン合金製の機械部品を提供するものである。

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、曲面部を含む表面を有している。表面における算術平均粗さは、0.1μm未満である。表面における硬度は、350Hv以上である。

上記の機械部品において、表面における二乗平均平方根傾斜は、0.04以下であってもよい。上記の機械部品において、表面における硬度は、650Hv以上700Hv以下であってもよい。

上記の機械部品において、表面には、酸素が固溶する浸酸層が設けられていてもよい。上記の機械部品において、チタン合金は、ASTM規格に定めるTi−6Al−4V合金(以下においては、Ti−6Al−4V合金を「64チタン合金」という)であってもよい。

本発明の一態様に係る機械部品及びその製造方法によると、相対的に硬度が高く、かつ曲面部を含む表面において、表面粗さを低減することができる。

実施形態に係る機械部品の上面図である。

図1のII−IIにおける断面図である。

図2の領域IIIにおける拡大図である。

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。

加工対象部材20の上面図である。

図5のVI−VIにおける断面図である。

バレル研磨装置30の模式図である。

バレル研磨装置30の動作を示す模式図である。

研磨工程S2を行う前の加工対象部材20の外周面20dにおける断面曲線である。

研磨工程S2を行った後の加工対象部材20の外周面20dにおける断面曲線である。

本発明の実施形態の詳細を、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符号を付すものとし、重複する説明は繰り返さないものとする。

(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、例えば球面すべり軸受の内輪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。例えば、実施形態に係る機械部品は、球面すべり軸受の外輪であってもよい。以下においては、内輪10を実施形態に係る機械部品の例として、実施形態の説明を行う。

内輪10は、チタン合金製である。内輪10に用いられるチタン合金は、64チタン合金である。表1に、64チタン合金の化学組成を示す。

64チタン合金は、5.50質量パーセント以上6.75質量パーセント以下のアルミニウム(Al)と、3.50質量パーセント以上4.50質量パーセント以下のバナジウム(V)と、0.40質量パーセント以下の鉄(Fe)と、0.08質量パーセント以下の炭素(C)と、0.050質量パーセント以下の窒素(N)と、0.015質量パーセント以下の水素と、0.20質量パーセント以下の酸素(O)と、残部を構成するチタン(Ti)とを含んでいる。なお、内輪10に用いられるチタン合金は、これに限られるものではない。

内輪10は、リング状の形状を有している。内輪10は、表面を有している。内輪10の表面は、曲面部を含んでいる。曲面部は、曲面により構成されている部分である。

より具体的には、内輪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。上面10a及び底面10bは、内輪10の中心軸10eに沿う方向における端面を構成している。底面10bは、上面10aの反対面である。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10eとの距離は、外周面10dと中心軸10eとの距離よりも小さい。

外周面10dは、曲面により構成されているため、内輪10の表面の曲面部となる。上面10a及び底面10bは、平面により構成されているため、内輪10の表面の曲面部ではない。すなわち、内輪10の表面は、曲面部を含んでいればよく、内輪10の表面の全てが、曲面により構成されている必要はない。

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、内輪10は、表面において、浸酸層11を有している。浸酸層11は、浸酸層11以外の内輪10の部分よりも酸素が多く固溶している層である。表面にある浸酸層11における酸素濃度は、例えば、1質量パーセント以上であり、1.3質量パーセント以上であることが好ましく、1.6質量パーセント以上であることがさらに好ましい。

内輪10の表面における硬度は、350Hv以上である。内輪10の表面における硬度は、好ましくは650Hv以上700Hv以下である。内輪10の表面における硬度は、JIS規格(JIS Z2244:2009)に定めるビッカース試験法にしたがって測定される。

内輪10の表面における算術平均粗さは、0.1μm未満である。より具体的には、内輪10の曲面部(例えば、外周面10d)における算術平均粗さは、0.1μm未満である。算術平均粗さは、JIS規格(JIS B 0601−2001)にしたがって測定される。

内輪10の表面における二乗平均平方根傾斜は、0.04以下であることが好ましい。より具体的には、内輪10の曲面部(例えば、外周面10d)における二乗平均平方根傾斜は、0.04以下であることが好ましい。二乗平均平方根傾斜は、JIS規格(JIS B 0601−2001)にしたがって測定される。

(実施形態に係る機械部品の製造方法) 以下に、実施形態に係る機械部品の製造方法を説明する。なお、実施形態に係る機械部品の製造方法は、内輪10の製造方法を例として説明する。

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、研磨工程S2とを有している。準備工程S1においては、加工対象部材20が準備される。加工対象部材20は、研磨工程S2を経ることにより内輪10となる部材である。

加工対象部材20は、チタン合金製である。加工対象部材20に用いられるチタン合金は、例えば64チタン合金である。図5は、加工対象部材20の上面図である。図6は、図5のVI−VIにおける断面図である。図5及び図6に示すように、加工対象部材20は、リング状の形状を有している。加工対象部材20は、表面を有している。加工対象部材20の表面は、曲面部を含んでいる。

加工対象部材20は、上面20aと、底面20bと、内周面20cと、外周面20dとを有している。上面20a及び底面20bは、加工対象部材20の中心軸20eに沿う方向における端面を構成している。底面20bは、上面20aの反対面である。内周面20c及び外周面20dは、上面20a及び底面20bに連なっている。内周面20cと中心軸20eとの距離は、外周面20dと中心軸20eとの距離よりも小さい。なお、上面20a、底面20b、内周面20c及び外周面20dは、研磨工程S2を経ることにより上面10a、底面10b、内周面10c及び外周面10dとなる面である。

外周面20dは、曲面により構成されているため、加工対象部材20の表面の曲面部となる。上面20a及び底面20bは、平面により構成されているため、加工対象部材20の表面の曲面部ではない。すなわち、加工対象部材20の表面は、曲面部を含んでいればよく、加工対象部材20の表面の全てが、曲面により構成されている必要はない。

外周面20dは、副曲率半径Rを有している。副曲率半径Rは、中心軸20eを通り、かつ中心軸20eに平行な断面における外周面20dの曲率半径である。

加工対象部材20の表面における硬度は、350Hv以上である。加工対象部材20の表面における硬度は、好ましくは650Hv以上700Hv以下である。加工対象部材20の表面における硬度は、加工対象部材20の表面に対して浸酸処理を行うことにより改善することができる。浸酸処理は、加工対象部材20を、酸素を含む雰囲気ガス中で保持することにより行われる。また、加工対象部材20の表面における硬度は、加工対象部材20に対して溶体化処理及び時効処理を行うことによっても改善することができる。溶体化処理は、例えば加工対象部材20を構成するチタン合金のβ変態開始温度(チタン合金中のα相がβ相への変態を開始する温度)以上β単相変態温度(チタン合金がβ単相になる温度)以下の温度に保持した後に冷却することにより行われる。時効処理は、例えば加工対象部材20を構成するチタン合金のβ変態開始温度以下の温度において保持した後に冷却することにより行われる。

研磨工程S2においては、加工対象部材20の表面に対する研磨が行われる。研磨工程S2は、バレル研磨により行われる。このバレル研磨は、例えば遠心バレル研磨である。但し、研磨工程S2において行われるバレル研磨は、これに限られるものではない。例えば、研磨工程S2において行われるバレル研磨は、回転バレル研磨であってもよく、振動バレル研磨であってもよい。

図7は、バレル研磨装置30の模式図である。図7に示すように、バレル研磨装置30は、回転部31と複数のバレル32とを有している。回転部31は、平面視において円盤形状を有している。バレル32は、筒状形状を有している。バレル32は、例えば多角形筒形状を有している。バレル32は、回転部31に取り付けられている。バレル32は、回転部31の中心軸を中心とする円に沿って、等間隔に配置されている。バレル32内には、複数のセラミック球と研磨液と加工対象部材20とが投入されている。研磨液は、砥粒を含有している。

セラミック球は、セラミックにより構成される球状の研磨メディアである。セラミック球は、真球形状でなくてもよい。セラミック球は、例えば楕円球形状であってもよい。

複数のセラミック球は、第1種類のセラミック球と、第2種類のセラミック球とが混在していてもよい。第1種類のセラミック球は、第1直径を有している。第2種類セラミック球は、第2直径を有している。第1直径は、第2直径よりも大きい。なお、セラミック球が真球形状ではない場合、第1直径及び第2直径は、セラミック球の体積から球相当径を計算することにより決定される。また、第1種類のセラミック球(第2種類のセラミック球)は、全ての第1種類のセラミック球(第2種類のセラミック球)の直径が第1直径(第2直径)の±3パーセントの範囲にあれば、全ての第1種類のセラミック球(第2種類のセラミック球)は、第1直径(第2直径)を有しているものとする。第1直径は、副曲率半径Rよりも大きいことが好ましい。第2直径は、副曲率半径Rよりも小さいことが好ましい。このことを別の観点からいえば、第1直径を副曲率半径Rで除した値は1以上であることが好ましく、第2直径を副曲率半径Rで除した値が1未満であることが好ましい。

上記の例においては、複数のセラミック球として、2種類の異なる径のものを混在させて用いる例を示したが、複数のセラミック球は、3種類以上の異なる径のものを混在させて用いてもよい。

図8は、バレル研磨装置30の動作を示す模式図である。図8に示すように、研磨工程S2におけるバレル研磨は、回転部31が複数のバレル32に対して遊星動作を行わせることにより実施される。すなわち、回転部31は、回転部31の中心軸周りにバレル32を旋回させる(公転させる)とともに、バレル32をバレル32の中心軸周りに回転させる(自転させる)。バレル32の自転方向は、バレル32の公転方向とは逆方向である。この遊星運動に伴い、バレル32の内容物(すなわち、加工対象部材20、研磨液及びセラミック球)に遠心力による圧力及び強制流動作用が生じる。その結果、加工対象部材20と研磨液中の砥粒及びセラミック球との間に相対運動差及びそれに起因したメカノケミカル研磨作用が生じる。

(実施形態に係る機械部品及び実施形態に係る機械部品の製造方法の効果) 以下に、実施形態に係る機械部品の効果及び実施形態に係る機械部品の製造方法の効果を説明する。

実施形態に係る機械部品は熱伝導率が相対的に低いチタン合金製であり、表面における硬度は350Hv以上であり、表面が曲面部を含んでいるが、曲面部における算術平均粗さが乾式バレル研磨によって達成可能であった0.1μmよりも小さくなっている。このように、実施形態に係る機械部品及び実施形態に係る機械部品の製造方法によると、曲面部における表面粗さを改善することが可能となる。

曲面部における二乗平均平方根傾斜が小さくなるにしたがい、表面摩擦時の応力集中が緩和される。そのため、実施形態に係る機械部品において、曲面部における二乗平均平方根傾斜が0.04以下である場合、表面摩擦時の応力集中を緩和することができる。

相対的に径が大きいセラミックス球は、相対的に大きな運動エネルギーにより、加工対象部材20の表面における研磨を促進する役割を担う。他方、相対的に径の小さいセラミック球は、相対的に小さな運動エネルギーにより、加工対象部材20の表面をより均一に研磨する役割を担う。そのため、実施形態に係る機械部品の製造方法において、複数のセラミック球として、第1種類のセラミック球と第2種類のセラミック球とが混在している場合、曲面部における表面粗さをさらに改善することができる。

以下に、実施形態に係る機械部品及び実施形態に係る機械部品の効果を確認するために行った表面性状測定試験の結果を説明する。

<試料準備> 上記の表面性状測定試験に供した試料は、表2に示す加工対象部材20を用いて準備された。表2に示すように、加工対象部材20を構成するチタン合金として、64チタン合金が用いられた。加工対象部材20は、幅(上面20aと底面20bとの間の距離)が14.5mm、副曲率半径Rが11.3mmの球面すべり軸受の内輪形状とされた。加工対象部材20に対しては、表面における硬度を650Hv以上750Hv以下の範囲とするために、浸酸処理が行われた。浸酸処理が行われた後には、加工対象部材20の表面に対して、砥石による粗研磨が行われた。この粗研磨後においては、外周面20dの副曲率方向(加工対象部材の周方向に交差する方向)に沿って測定された算術平均粗さは0.15μmであり、最大断面高さは3.0μmであった。

<表面性状測定結果> 図9は、研磨工程S2を行う前の加工対象部材20の外周面20dにおける断面曲線である。図10は、研磨工程S2を行った後の加工対象部材20の外周面20dにおける断面曲線である。図9及び図10において、横軸は副曲率方向における距離(単位:mm)であり、縦軸は高さ(単位:μm)である。

図9に示すように、研磨工程S2を行う前においては、加工対象部材20の外周面20dの高さの平均振幅は、±0.5μm程度であった。研磨工程S2を行う前においては、加工対象部材20の外周面20dには、局所的に疵が存在していた。このような疵の最大深さは、2.5μm程度であった。

図10に示すように、研磨工程S2を行った後においては、加工対象部材20の外周面20d(すなわち、内輪10の外周面10d)の高さの平均振幅は、±0.25μm程度であった。研磨工程S2を行った後においては、加工対象部材20の外周面20dにおける局所的な疵の最大深さは、0.4μm程度であった。

表3に示すように、研磨工程S2を行う前においては、加工対象部材20の外周面20dにおける算術平均粗さは0.14μm程度であった。また、研磨工程S2を行う前においては、加工対象部材20の外周面20dにおける二乗平均平方根傾斜は0.05であった。他方、研磨工程S2を行った後においては、加工対象部材20の外周面20d(内輪10の外周面10d)における算術平均粗さは、0.06μmであり、加工対象部材20の外周面20dにおける二乗平均平方根傾斜は0.03であった。その他の表面性状を表す測定値に関しても、研磨工程S2が行われた後においては、研磨工程S2が行われる前と比較して、改善していた。

以上の試験結果から、実施形態に係る機械部品及び機械部品の製造方法によると、曲面部を有する表面における表面粗さの改善が可能であることが、実験的に確認された。

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全ての変更を含むことが意図される。

上記の実施形態は、チタン合金製の機械部品及びチタン合金製の機械部品の製造方法に特に有利に適用される。

10 内輪、10a 上面、10b 底面、10c 内周面、10d 外周面、10e 中心軸、11 浸酸層、20 加工対象部材、20a 上面、20b 底面、20c 内周面、20d 外周面、20e 中心軸、30 バレル研磨装置、31 回転部、32 バレル、R 副曲率半径、S1 準備工程、S2 研磨工程。