JPS6274065A - チタン摺動材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は摺動材料に関するものであり、さらに詳しく述
べるならばチタン（Ｔｉ）を摺動材料として使用する際
に充たすべき材質的要件を提案するものである。

〔従来の技術〕

チタンはその比強度が高い特性を利用して各種構造用材
料、特に航空機の構造材料として用いられている。チタ
ン材料の用途、性質を概観した文献としては日本金属学
会報第１９巻、第７号、第２２０頁−第２２８頁、同第
１６．ｐ、第１２号、第８２９頁−第８３４頁がある。

構造用材料以外としてチタンがＴ業的に使用されている
分野として、ＴｉＣ、ＴｉＮ等を超硬材料もしくは高速
度鋼へのコーティング材料として用いる技術がある。こ
の技術では超硬材料の靭性をｔ員なうことな（ＴｉＣ等
をＣＶＤ法でコーティングし、形成されたＴｉＣ皮膜の
耐摩耗性により工具寿命を延長することが主として狙わ
れている。この分野における技術の改良はめざましく　
、ＴｉＮ　、　Ｔｉ（ＣＮ）を用いる方法、圀着、ｐｖ
ｏ　、イオンブレーティング法などが次々と工業化され
ている。

上述の従来技術の進展とは相反して、チタンを摺動材料
として使用することは殆んど実現化されていない。この
点は、アＪレミニウム、Ｓ同、屹１なと′の工業材料が
組成の調節により相手材に適合した耐摩耗性および焼付
性等を具備し、広く摺動材料として使用されているのと
対照的である。

特公昭５０−１６８６号公報には、約５３ａｔ％Ｔｉ、
残部ＮｉなるＴ　ｉ　−Ｎ　ｉ合金のＮｉの一部をＦｅ
、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｗの１種以上で置換
した合金をクランクシャフト、コンロッド、シリンダ、
ライナ、クラッチ仮、バルブ、シールリング、ポンプの
スリーブ等に使用すると、耐焼付性、耐摩耗性、なじみ
性および相手材への非攻撃性にすくれた性能が得られる
ことが述べられている。この公報にはチタンは酸化摩耗
から溶融摩耗に移行し易いが上述のごと（Ｆｅ等を添加
することによりすぐれた摺動特性力、く得られるとの知
見が認められる。上記分轄より公知となる合金はＴ１に
多量の合金元素を添加することにより摺動特性を向上す
る技術に基づいて成立したものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

摺動材料に要求される基本的特性に、耐摩耗性、耐焼付
性および低摩擦性がある。これらの性質は相手材および
使用部材により大いに影響されるために、相手材および
使用部材を特定して以下具体的に説明する。

内燃機関のビス１−ンリング摺動祠料の相手材は鋳鉄も
しくはアルミニウム合金製シリンダである。

周知の如くピストンリングにはクロムメッキした鋳鉄が
主に使用されている。この技術分野においてもエンジン
の高速回転および高負荷の趨勢にともなってピストンリ
ングの摺動性能の向上が強く要求され、それにも増して
エンジンの軽ｆｆｉ化のためにシリンダのＡｔ化が検討
され、アルミニウムを相手材とした摺動材料の開発が重
大な課題となっている。

ロータリーコンプレッサのベーン用摺動材料の相手材は
シリンダ側の鋼またはアルミニウム合金である。鋼製シ
リンダを相手材として摺動するベーンには高Ｓｉ−アル
ミニウム合金が現在のところ最良の摺動特性を発現する
。一方、アルミニウム合金製シリンダを相手材として摺
動するベーン（二ついては焼入炭素鋼もしくは合金鋼が
現在のところ最良の摺動特性を発現する。なお、近年ロ
ータリーコンプレッサのシリンダに八１２（ｈ　ｍ組入
リアルミニウム複合材料が使用されているが、摺動材料
の耐摩耗性不足の問題が起こりつつある。

上記した摺動材料と相手材の組み合わせは永年の技術経
験により得られた最良のものであるが、相手材をアルミ
ニウム合金としさらに摺動材料をチタンとすることがで
きれば、チタンの高比強度特性を活かした軽量機器が実
現されることとなる。

また、摺動材料軽量化に伴なって摺動中の振動、打音、
異音発生の抑制効果も期待できる。さらに相手材を鋼も
しくは鋳鉄とする従来のアルミニウム摺動材料をチタン
に代替できると、アルミニウムよりチタンが高比強度で
あるために同様に軽量化が可能になる。

ところが、純チタンおよびチタン合金は摩耗量が多（か
つ相手材に対して短時間でかつ低荷重下で焼付いてしま
うので従来の摺動ｔ（料を代替することができない。

〔問題点を解決するための手段〕

而して、本発明は次の構成要件の組み合わせより成立す
るものである。

材↓ｕｌ収 窒化表面処理されたチタン材料。窒化表面処理とはチタ
ン材料の表面を窒素含有媒体中で加熱処理することを指
す。か′かる処理によってチタン材料の表面に窒素が侵
入し、該表面が硬さの高い含窒素物質に転換される。チ
タン材料とは主成分もしくは不純物を除く全成分がチタ
ンである圧延材、鍛造材、鋳造材、押出材、焼結材、ク
ラット材、その他のソリッド材を指す。

上記のように材料構成を限定したのは、チタン材料の主
成分もしくは全成分をＴｉとすることによって軽ヱ、比
強度大とのＴ　ｉの利点を活かし、かつソリッド材の表
面を含窒素領域に転換して強固な硬質層とし、すくれた
摺動表面とするためである。

窒化表面処理法としては９００〜１０００℃の温度で大
気圧のＮ２ガス中でチタン材料を３０分以上、好ましく
は１０時間以下、加熱する方法を採用することができる
。かかる温度、圧力および雰囲気ガスは適宜変化させて
もよく、特に雰囲気ガスは所望の硬質表面層形成を妨げ
ない範囲でＮ２以外のガスを含有してもよい。硬質層の
厚さは１０〜１００μｍ、特に４０〜７０μｍであるこ
とが好ましい。なお、上記温度でのＴｉ加熱により強度
の低下は認められなかった。

■王礼揺戊 Ａｌ−Ｓｉ合金、繊維強化Ａｌ合金および鋳鉄。

Ａｌ−Ｓｉ合金は多量にＳｉを含有する耐摩耗性Ａｌ合
金であって、−Ｃ的Ｓｉ含有量は１３％以上、典型的Ｓ
ｉ含有量は１５〜２０％である。このＡｌ合金は第二、
第三の添加元素を含んでもよい。繊維強化Ａｌ合金はＡ
ｌｚ０３．５ｉ０２．　ＳｔＣ等の繊維（ヤーン形態、
チョップ形態、ウィスカ形態により強化されたＡｌ合金
である。マトリノクソとなるＡｌ合金は月Ｓ−Ｈ４００
０、＋１５２０２．１１５３０２等に記載されろ公知の
ものである。繊維の一般的含有量は３〜３０ｖｏｌ％、
典型的含有量は５〜１５ｖｏｌ　％である。相手材の構
造形状等は従来技術で説明したとうりであるが、必ずし
もこれに限定されない。摺動構造をどのように構成する
かは本発明の対象ではないためより詳細な説明はしない
。

鋳鉄はねずみ鋳鉄、白鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄、合金鋳鉄、
可鍛鋳鉄等を指す。

上述のように相手材構成を限定したのは、およそ摺動特
性は相手材を特定しなければ無意味であり、本発明者等
の実験によりすぐれた摺動特性が得られた相手材以外は
発明外とすべきと考えたからである。

性石」牒 一高耐摩耗性および低摩擦性（以下、総称して「摺動性
」という）。チタン材料はかなりの合金元素を添加して
も摺動性がずくれないとの宿命があった。尤もＴｉがチ
タン材料の主成分とは言えないほど多量の合金元素を添
加ずればある程度良好な摺動性が得られるであろうが、
Ｔｉのもっている利点が活用できなくなる。本発明はＴ
ｉの利点を活かしつつ摺動性を改良することを意図する
ものであるから、摺動性を発明の構成として限定した。

摺動性を定量的かつ一般的に表現することはできないの
で、この表現の代りに各種摺動材と対比して一般的に表
現する方法により摺動性を述べるならば本発明の摺動性
は焼入軸受鋼と同等以上のものである。特記すべき点は
本発明の摺動性はオイルが少なく境界潤滑となる摺動条
件下で一段とすくれた性能を発揮するという点である。

これはカークーラー用コンプレッサ、ピストンリング等
のオイル消費が厳しく制限されつつある摺動部材におい
て特に有利な結果をもたらす。

〔作　用〕

上記構成を組み合わせることによる作用は次のとうりで
ある。

チタン材料をＡｌ−Ｓｉ合金またはＦＩ？Ｍ−Ａｌ合金
と組み合わせることによりロータリーコンプレッサ等を
装置の軽量化が図られ、さらに窒化表面処理されたチタ
ン材料を用いることによって焼入軸受鋼製摺動材料より
すぐれた摺動性も実現される。

鋳鉄の相手材として従来一般に用いられていた合金鋳鉄
摺動材料をチタン材料に代替することによっても同様に
軽量化が達成され、またずくれた摺動性も実現される。

〔実施例〕

本発明が本発明完成に至るまでに行なった実験の概要を
説明する。各挿摺動材料の特性測定は以下の条件で行な
った。

（１１試験機−ビンディスクタイプ試験機（２）荷重−
１５ｋｇｆ（一定） （３）潤滑法−冷凍機油（１容積部）対軽油（９容積部
）の混合油：バッド給油 （４）相手材−Ａ　Ｉ　−１７％Ｓｉ５％Ｃｕ−０．５
％Ｍ　ｇ　（Ｔ　ｂ処理材）；ねずみ鋳鉄（Ｈｖ２３０
）；　　Ａ　ｌ系ＰＲ旧ＡＩｚＯｚ−５ｉＯｚ系繊維１
５容早％および残 部Ａｌ−３％Ｃｕ　−０，５％Ｍｇの Ａｌ合金） （５）試験時間−６０分 供試十Ａおよび測定特性は以下の第１表−第３表のとう
りであった。

（以下余白） 第１表（柑Ｔ材Ａｌ−５ｉｈ金） ＊１−表面層（皮膜）の硬さ ＊２−全体の硬さ チタン（表面処理なし）はＳｉ含有Ａｌ合金に対する摩
耗係数が高くかつ耐摩耗性が低い。この原因はＳｉ含有
Ａｌ合金中の初晶Ｓｉ粒子が硬くかつチタンを削りとる
ためであると考えられる。

窒化鋼および焼入軸受鋼の特性はチタン（表面処理なし
）よりすぐれている。換言するとチタンは窒化鋼または
焼入軸受鋼を代替するほどすぐれた性能を備えておらな
い。これら鋼材のすぐれた特性は初晶Ｓｉ粒子が鋼材を
削り取る傾向がその硬さにより抑制されていることによ
ると考えられる。

窒化鋼と焼入軸受鋼を比較すると、後者の特性が明らか
にすぐれており、この原因は摺動材料の硬さの値のみで
なく硬い部分がどのように摺動部材に存在しているかに
あると考えられる。

ＴｉＣ（ＣＶＤ）被覆鋼は表中で最高の硬さを有する材
料であり、またＴｉＣ（ＣＶＤ）被覆潟の耐摩耗性は表
中最高のものの一つとなってりる。　ＴｉＣ（ＣＶＤ）
被覆鋼の摩擦係数は窒化鋼と焼入軸受鋼の中間となって
いる。かかるＴｉＣ（ＣＶＤ）被覆鋼の特性については
、上述のように摺動材料表面が初晶Ｓｉ粒子により削ら
れる傾向の大小により耐摩耗性に限っては推論すること
ができる。ところが摩擦係数については摺動表面硬度が
窒化鋼および焼入軸受鋼よりはるかに高いにもかかわら
ず、これらより劣る結果がＴｉＣ（ＣＶＤ）被覆鋼で得
られている。よって、摩擦特性の良否は摺動材料表面組
成により影うされていると考えられる。上記特性を総合
的に評価するとＣＶＤ−ＴｉＣは焼入軸受鋼に代えて工
業的に採用Ｌ２うる魅力に乏しいと言うべきである。

次に、ＴｉＮ（ＰＶＤ）被覆鋼は、摩擦係数が最低のも
のの−２になっているが、耐摩耗性は窒化鋼と焼入軸受
鋼の中間となっている。この原因は上記考察により自ず
から明らかとなり、１Ｎ動材料表面がＴｉＮであること
が低ｌ？擦係数を実現している原因であり、また硬度が
２３００　（Ｈｖ　）とＴｉＣ（ＣＶＤ）より低いため
に相応の耐摩耗性となっている原因であると考えられる
。

最後に窒化表面処理チタンは低摩擦性と低ｌ？耗呈がバ
ランスしており、これらがバランスした現用材料である
焼入軸受鋼をしのく性能を有している。この原因も上記
考察より自ずから明らかとなる。唯、ＴｉＮ（ＰＶＤ）
およびＴｉＣ（ＣＶＤ）被覆鋼と窒化表面処理チタンを
比較して特性の異同を考える場合、表面層（皮膜）の特
性に特に着目する必要がある。

すなわち窒化処理はＣＶＤ−ＴｉＣより硬さがかなり低
いにもかかわらず耐摩耗性が同等であるのは、基材の上
に硬質層（皮膜）が形成されている場合よりも基材自体
の表面が硬質に変化している場合の方が耐摩耗性が良好
となるとの理由により説明される。また、ＴｉＮが表面
に存在する場合であっても基材の上にＴｉＮが存在して
いるＰＶＤ−ＴｉＮよりも基材自体の表面がＴｉＮに変
化している窒化の方が耐摩耗性が良好になるとの説明が
できる。さらに、窒化処理はＰＶＤ−ＴｉＮとＣＶＤ−
ＴｉＣの利点のみを選択できる方法であるとも言える。

以下余白 第２表（相手材ねずみ鋳鉄） 璃２表は第１表と同じ供試材を用い相手材をねずみ鋳鉄
とした場合の測定特性を示す。

第２表の測定特性は第１表のものと絶対値の差があるも
のの供試材の種類によって第１表出はぼ同様の傾向の特
性変化を示している。但シ２．相手打がねずみ鋳鉄であ
ることによる特有の回向としては、窒化表面処理チタン
の耐摩耗性が供試材中最大となっている点が注［１され
る。

相手材であるねずみ鋳鉄のＩＪＪ　１９は片状グラファ
イトがパーライトおよびフェライヒト１１ノクス中に分
散しており、少量の遊離セメンタイトがマトリックス中
に分散したＭｉ織であった。かかる組織は、多量の初晶
Ｓ１がマトリックス中に分散しており、硬質粒子（初晶
Ｓｉ）の占める割合が多いＡｌ−５ｉ合金と比較すると
、硬質粒子の存在割合が比較的少ないという特色を有し
ている。

また相手材の硬さくＨｖ２３０）はチタン（表面処理な
し）の硬さくＨｖ２００）と大差はない。

になる。

チタンは比較的軟質であるねずみ鋳鉄に対して摺動特性
的に相性が悪い金属である。すなわち、ねずみ鋳鉄の硬
さはマクロ的には軟いためにチタンを削りとりうる硬質
相の星は少ないにもかかわらず硬質相によりチタンが摩
耗させられている。

以下余白 第３表（相手材Ａｌ系ＦＲＭ） 第３表は第１表と同し供試材を用い相手材をＡｌ系Ｆｌ
？−とした場合の測定特性を示す。

第３表の測定特性は第１表のものと絶対値の差があるも
のの供試材の種類によって第１表とほぼ同様の傾向の特
性変化を示している。但し、１・ｕ手打がＡＩ系ＦＲＭ
であることによる特有の影響としては摩擦係数および摩
耗星が供ム（材中最低になっていることにン宇目される
。

相手材であるＡｔ系ＦＲ旧よ硬質の繊維を多量に含有し
ているから、硬質相が多い相手材に対し７て窒化表面処
理チタンがすぐれた摺動特性を示し、また硬質相が多い
ほど他の材料との摺動特性の差異が大きくなることが明
らかである。

本発明者はＰＶＤ法またはＣＶＤ法によってはチタンは
摺動材料として実用化できないことを上記以外にも多く
の実験により確認し、チタンの窒化法をその他の可能性
ある手段の中から選択したものである。検討した手段の
中にはＴｉＮ　、　ＴｉＮ−ＴｉＣ等の焼結材料がある
。これらの材料はおそらく強度が低いという原因による
ものと思われるが摺動材料として使用した時に、耐摩耗
性が不良となる結果が得られた。その他の手段としては
合金元素のでいる。しかしこのような抗張力増大に伴な
う高強度化によっては特性は全く改良されなかった。

さらにピンディスクタイプ試験機を使用し、下記試験条
件で焼付荷重の測定を行なった。

試験条件 周速−１５ｍ／ｓｉｅ 荷重−４０ｋｇｆから２０分毎＆：　４０　ｋｇｆ　＋
ｈ増潤滑−軽油１容星部対冷凍機油９容量部相手材−Ａ
Ｉ−５ｉ合金（１８％５ｉ−４，５％Ｃｕ　−０，５％
Ｍｇ） 結果を次表に示す。

第　　４　　表 〔発明の効果〕 本発明はチタンを摺動材料として使用できるようにする
材質的要件を見出したものであるので、チタンの用途を
拡大するとともに、従来の摺動材料以上の摺動性を実現
するために、産業の発展に貢献するところが大である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、相手材をＡｌ−Ｓｉ合金、繊維強化Ａｌ合金または
   鋳鉄とし、該相手材に対して摺動するチタン材料の表面
   が窒化処理されていることを特徴とする高耐摩耗性、低
   摩擦性チタン摺動材料。 ２、窒化表面処理された深さが１０〜１００μｍである
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のチタン摺
   動材料。 ３、窒化表面処理層の硬さがＨｖ１３００〜２５００で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２
   項記載のチタン摺動材料。