JP2022149496A - 摺動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】部位に応じた適切な硬さに設定することにより、摩耗の偏りを低減し、耐摩耗性のさらなる向上が図られる摺動部材を提供する。【解決手段】本実施形態の摺動部材３０は、支持層３２と、摺動層３１とを備える。摺動層３１は、相手部材と摺動する支持層３２の一方の端面側に設けられている。摺動層３１は、軸方向の中心から外周側へ硬さの勾配を有しており、中心よりも外側の硬度が大きく設定されている。【選択図】図２

Description

本実施形態は、摺動部材に関し、特にピストンポンプのピストンに用いられる摺動部材に関する。

従来、油圧ポンプや油圧モータとして、斜板式ピストンポンプが広く用いられている。斜板式ピストンポンプは、斜板及びピストンを備えており、回転する斜板によってピストンが軸方向へ往復駆動される（特許文献１）。
この場合、ピストンは、斜板側の端部が回転する斜板と摺動する。つまり、ピストンは、斜板側の端部において、回転する斜板と接することによって、斜板と摺動する。そのため、ピストンは、斜板側の端部に摺動部材を備えている。この摺動部材は、上記のように回転する斜板と摺動するとともに、斜板及びピストンで加圧する流体からピストンの軸方向へ力を受ける。そのため、摺動部材は、ピストンの軸を中心に径方向に摩耗の偏りが生じやすいという問題がある。

特開２０２０－１６１５０号公報

そこで、部位に応じた適切な硬さに設定することにより、摩耗の偏りを低減し、耐摩耗性のさらなる向上が図られる摺動部材を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本実施形態の摺動部材は、支持層と、相手部材と摺動する前記支持層の一方の端面側に設けられ、軸方向の中心よりも外側の硬度が大きく設定されている摺動層と、を備える。

摺動層は、軸を中心として、中心側よりも外側の硬度が大きく設定されている。つまり、摺動層は、径方向へ硬さの勾配を有しており、中心側よりも外側が硬くなっている。そのため、例えば斜板と摺動するとき、斜板の回転によって中心側から外側に力を受けても、摺動層は硬い外周側で耐摩耗性の向上が図られる。また、例えば中心側で圧縮の対象となる流体から大きな力を受けても、その力は中心の柔らかい部分で受け止められるとともに、その力を外側へ伝え、外側の硬い部分で形状を維持する。すなわち、本実施形態の摺動層の構造は、例えば日本刀のように、硬い刃金を、比較的柔らかい軟鉄で挟み込むことにより、全体としての強度を高める構成に近似している。これにより、例えばさらなる高圧化など厳しい条件であっても、部位に応じた適切な硬さによって摩耗の偏りが低減される。したがって、全体としての耐摩耗性のさらなる向上を図ることができる。

また、本実施形態の摺動部材は、前記摺動層は、複数の空孔を有する多孔性であり、前記摺動層の空孔率は、０．１％以上、かつ３．２％以下である。
このように空孔率が大きくなると、摺動層は内部に保持する潤滑油の油量が増加する。すなわち、潤滑油は、摺動層に形成されている空孔に保持される。そのため、空孔率を大きくすることにより、摺動層と相手部材との摩擦の軽減が図られる。したがって、耐摩耗性のさらなる向上を図ることができる。

一実施形態による摺動部材を適用したピストンポンプを示す模式的な断面図 一実施形態による摺動部材を適用したピストンポンプのピストンシューを示す模式的な正面図 一実施形態による摺動部材の製造に用いる治具を示す模式的な平面図 一実施形態による摺動部材の製造方法を説明するための模式的な正面図 摺動部材を図２の矢印Ｖ方向から見た図であって、摺動部材の測定位置を説明するための概略図 一実施形態の実施例による摺動部材の測定位置と硬さとの関係を示す概略図 比較例による摺動部材の測定位置と硬さとの関係を示す概略図 実施例及び比較例の摺動方向と静摩擦係数及び動摩擦係数との関係を示す概略図 実施例及び比較例の摺動位置及び摺動回数と静摩擦係数及び動摩擦係数との関係を示す概略図 摺動方向を説明するための概略図 実施例及び比較例の潤滑油とオイル保持力との関係を示す概略図 実施例の摺動位置、摺動回数及び潤滑油の有無と静摩擦係数及び動摩擦係数との関係を示す概略図 比較例の摺動位置、摺動回数及び潤滑油の有無と静摩擦係数及び動摩擦係数との関係を示す概略図

以下、実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、一実施形態による摺動部材を適用したピストンポンプ１０を示している。ピストンポンプ１０は、回転軸部材１１、シリンダブロック１２、ピストン１３、及び斜板１４を備えている。なお、本実施形態は、ピストンポンプ１０について説明しているが、油圧回路を逆にすることにより、ピストンモータとしても適用可能である。回転軸部材１１は、斜板１４が取り付けられている。回転軸部材１１は、図示しない軸受部材によって支持され、斜板１４とともに回転する。シリンダブロック１２は、複数のシリンダ１５を形成している。具体的には、シリンダブロック１２は、回転軸部材１１を中心とする周方向へ複数のシリンダ１５を有している。ピストン１３は、シリンダブロック１２が形成するシリンダ１５にそれぞれ設けられている。ピストン１３の外径は、シリンダ１５の内径よりもわずかに小さく形成されている。これにより、ピストン１３は、シリンダ１５を形成するシリンダブロック１２の内壁と摺動しながら、シリンダ１５の内側を軸方向へ往復移動する。シリンダブロック１２とピストン１３とは、軸方向において斜板１４と反対側の端部に流体室１６を形成している。

ピストン１３は、ピストン本体２１及びピストンシュー２２を有している。ピストン本体２１とピストンシュー２２とは、軸方向へ一体に移動可能である。ピストンシュー２２は、図２に示すように頭部２３及び台部２４を有している。頭部２３は、球体状に形成されている。ピストン本体２１は、図１に示すようにピストンシュー２２側の端部に球面状の内壁２５を有している。ピストンシュー２２の頭部２３は、ピストン本体２１の端部に嵌め込まれている。頭部２３の外径は、内壁２５の内径よりもわずかに小さく形成されている。そのため、頭部２３とピストン本体２１の内壁２５とは、三次元の方向へ移動が許容される。これにより、ピストン本体２１とピストンシュー２２とは、関節状に接続し、所定の範囲で自由な角度の姿勢を取ることができる。

斜板１４は、回転軸部材１１の中心軸Ｃに対して傾いている。すなわち、回転軸部材１１の中心軸Ｃと斜板１４とは、直角に交わることなく、所定の角度を形成している。ピストン１３は、軸方向の端部、つまり流体室１６と反対側の端部が斜板１４に接している。中心軸Ｃに対して傾いている斜板１４が回転軸部材１１とともに回転することにより、斜板１４に接する複数のピストン１３は、回転軸部材１１の周方向へ斜板１４と摺動しながら、回転軸部材１１の軸方向へ駆動される。これにより、ピストン１３は、流体室１６の流体から受ける力と、斜板１４の回転によって中心軸Ｃの軸方向へ受ける力によって、シリンダ１５の内側を軸方向へ往復移動する。ピストン本体２１とピストンシュー２２とは関節状に接続していることから、ピストン１３は安定した姿勢でシリンダ１５の内側を移動する。

ピストン１３が傾斜した斜板１４の回転によって流体室１６側へ移動すると、流体室１６の流体は加圧される。加圧された流体は、シリンダブロック１２に形成されている図示しない吐出通路から吐出される。一方、ピストン１３が斜板１４側へ移動すると、図示しない吸入通路を経由して流体室１６へ流体が吸入される。斜板１４の回転によってピストン１３がシリンダ１５の内側を往復することにより、流体室１６への流体の吸入と加圧とが繰り返される。

なお、本実施形態は、ピストンポンプ１０について説明しているが、油圧回路を逆にすることにより、この構成のピストンポンプ１０はピストンモータとしても適用可能である。すなわち、上述の実施形態と逆に流体室１６へ加圧した流体を順に導入することによって、回転軸部材１１の回転力が取り出される。これにより、本実施形態は、流体の圧力を用いて回転力を取り出すピストンモータとしても適用可能である。流体は、例えば水、油などの液体や、気体、あるいは超臨界流体など、任意に用いることができる。

本実施形態の摺動部材３０は、ピストン１３の端部に設けられている。具体的には、摺動部材３０は、図２に示すようにピストンシュー２２の斜板１４側の端部に設けられている。摺動部材３０は、摺動層３１及び支持層３２を備えている。本実施形態の場合、支持層３２は、ピストンシュー２２に相当する。摺動層３１は、この支持層であるピストンシュー２２の端面側、すなわち頭部２３と反対側に位置する台部２４の端部に設けられている。摺動層３１は、Ｃｕを主成分とするＣｕ基の合金で形成されている。摺動層３１は、Ｃｕを主成分として、添加元素としてＳｎ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｆｅなどを含んでいてもよい。摺動部材３０は、斜板１４の回転によって、斜板１４と摺動する。

本実施形態の場合、摺動層３１は、ピストンシュー２２の台部２４の先端における形状にあわせて軸に垂直な断面が円形である。なお、摺動層３１は、軸に垂直な断面の形状を、台部２４の形状にあわせて任意に設定することができる。摺動層３１は、軸方向の中心と外側とで硬度が異なっている。具体的には、摺動層３１は、軸方向の中心よりも外側つまり外周側の硬度が大きく設定されている。換言すると、摺動層３１は、軸方向の中心ほど相対的に柔らかく、外周側ほど相対的に硬く設定されている。

摺動層３１は、多孔性であり、内部に複数の空孔を有する。すなわち、摺動層３１は、全体が均一な合金で形成されているのではなく、多数の空孔を形成している。本実施形態の場合、摺動層３１の空孔率は、体積で０．１％以上、かつ３．２％以下に設定されている。摺動層３１の空孔率は、０．６％以上かつ２．６％以下であることが好ましく、１．２％以上かつ２．０％以下であることがより好ましい。

（摺動部材の製造方法）
次に、一実施形態による摺動部材３０の製造方法について説明する。
摺動部材３０は、焼結を用いて製造される。
摺動部材３０を構成する材料は、粉末状で図３に示す治具４１の凹部４２に投入され、焼結によって成形される。凹部４２に投入される粉末は、形成する摺動層３１の組成に応じた合金の粉末である。このように焼結によって成形するとき、凹部４２に投入された合金の粉末は、図４に示すように支持部材４３を載置することにより加圧される。本実施形態の場合、支持部材４３は、例えば支持層となるピストンシュー２２を用いてもよい。これにより、凹部４２に投入された粉末４４は、支持部材４３の自重によって加圧された状態で焼結される。この焼結工程では、凹部４２に充填された粉末４４は、治具４１とともに７５０℃から９５０℃程度に加熱される。

このように、凹部４２に充填した状態の粉末４４を支持部材４３の自重で加圧しつつ加熱することにより、焼結によって形成される摺動層３１は軸方向の中心に比較して外周側が硬くなる。これは、焼結時の加熱によって、凹部４２に充填された粉末４４は軟化し、軟化した粉末４４が凹部４２において支持部材４３の自重で加圧されることにより、外周側へ移動する傾向となるからである。軟化して移動する粉末４４は、凹部４２を形成する治具４１の内壁４５によってさらなる移動が制限される。そのため、粉末４４の焼結によって形成される摺動層３１は、内壁４５に近い外周側ほど密度が大きくなり硬度も大きくなるのに対し、中心ほど密度が小さくなり硬度も小さくなる。その結果、粉末４４の焼結によって形成される摺動層３１は、軸方向の中心と外周側とで硬度に勾配が生じ、外周側ほど硬度が大きくなる。摺動層３１は、支持部材４３による加圧をともなう粉末４４の焼結によって、径方向へ硬度の勾配が形成されるとともに、内部に微細な空孔が形成される。

次に、上記の実施形態による摺動部材３０の性能の評価について説明する。
摺動部材３０は、摩擦係数、オイル保持力、及び潤滑油含浸状態での摩擦係数により性能を評価している。
（実施例及び比較例の試料）
本実施形態の摺動部材３０の実施例は、直径を２８ｍｍとする円板状とした。摺動部材３０の実施例は、Ｃｕ－１１Ｓｎ－０．３ＰとするＣｕ基合金を用いた。このＣｕ基合金からなる材料の粉末４４は、８００℃～９００℃で焼結し、摺動部材３０とした。得られた実施例の試料は、加圧をともなう焼結によって体積が約２０％収縮した。また、摺動部材３０の実施例の試料は、空孔率が１．５％程度であった。空孔率は、試料の任意の断面における拡大画像を可視的に撮影し、撮影した画像を２値化して空孔を特定した。そして、画像の観察視野における面積割合を測定し、観察視野に占める空孔の割合を空孔率として算出した。本実施形態では、試料において複数の観察視野を観察し、各観察視野における空孔率を平均した値を空孔率としている。下記の比較例についても同様に空孔率を算出している。

この実施例と比較する比較例を用意した。比較例は、実施例と同一の材料で同一の円板状に形成した試料とした。比較例は、合金の材料の焼結及び圧延を繰り返して板状の均一な部材を形成した後、プレスにより円板状に打ち抜いたものである。この比較例は、ピストンシュー２２の摺動部材として一般的に用いられる構成である。比較例の試料は、焼結によって体積が約２０％程度収縮するとともに、圧延によって体積が２０％以上収縮する。そのため、比較例は、全体として均一であり、空隙が含まれにくい構造となっている。その結果、比較例は、空孔率が０．０１２％と非常に密な構造であった。すなわち、比較例は、本実施形態の実施例と比較して、空孔率が１／１００以下であった。

摺動部材３０の実施例及び比較例の試料は、図５に示すように測定位置を設定し、測定位置のそれぞれにおいて硬さ（Ｈｖ）を測定した。具体的には、測定位置ｒ１～ｒ１２は、径方向の中心Ｏからの距離に応じて設定した。本実施形態の場合、各測定位置ｒ１～ｒ１２において、周方向へ８等分に分割した位置Ｐ１～Ｐ８でそれぞれ硬さを測定して平均することにより、各測定位置ｒ１～ｒ１２における硬さとした。本実施形態では、測定位置ｒ１～ｒ１２は、中心Ｏから径方向へ等間隔に設定した。図６に示すように、実施例では、測定した硬さは、中心Ｏに近い測定位置ｒ１から測定位置ｒ１２にかけて大きくなっていることがわかる。このように、本実施形態の実施例は、中心Ｏに近い測定位置ｒ１ほど相対的に柔らかく、中心Ｏから遠い測定位置ｒ１２では硬くなっている。

これに対し、比較例の場合、全体が均一の板状に形成されている。そのため、比較例は、部位による硬さの差がほとんどない。具体的には、図７に示すように比較例では、測定した硬さは、中心Ｏに近い測定位置ｒ１から測定位置ｒ１２までほぼ同一となっていることがわかる。このように、比較例は、中心Ｏに近い測定位置ｒ１から中心Ｏから遠い測定位置ｒ１２まで硬さの差が小さい。

（摩擦係数）
摩擦係数は、摺動部材３０の実施例及び比較例について、静止した状態の静摩擦係数μｓ及び摺動している状態の動摩擦係数μｋの双方を測定した。これらの摩擦係数は、バウデン試験による往復摺動試験によって測定した。試験条件は、垂直荷重を１ｋｇに設定し、往復する移動距離を１２ｍｍ、移動速度を１２ｍｍ／ｓｅｃにそれぞれ設定し、往復摺動回数１回及び１００回でそれぞれ静摩擦係数μｓ及び動摩擦係数μｋを計測した。図８に示す例の場合、往復摺動方向は、径方向すなわち摺動部材の中心Ｏと外周側との間に設定した。

図８に示すように、実施例は、往復摺動回数が同一であるとき、比較例に比べて静摩擦係数μｓ及び動摩擦係数μｋのいずれも低下していることがわかる。一方、実施例は、摺動方向が中心Ｏから外側へ向かうときと、外側から中心Ｏへ向かうときとで静摩擦係数μｓ及び動摩擦係数μｋが異なっている。具体的には、実施例の場合、静摩擦係数μｓは、中心Ｏから外側へ向かうとき大きくなり、外側から中心Ｏに向かうときに小さくなっている。また、動摩擦係数μｋは、中心Ｏから外側へ向かうとき小さくなり、外側から中心Ｏに向かうときに大きくなっている。これは、実施例の場合、中心Ｏから外周側へ硬くなっているためである。すなわち、中心Ｏに比較して外周側が硬い実施例は、中心Ｏから外側へ向かうとき、摺動にともなう摩耗粉が生じにくく、逆に外側から中心Ｏに向かうとき、摺動にともなう摩耗分が生じやすくなるためであると考えられる。これに対し、比較例は、全体に硬さが均一であることから、摺動方向と摩擦係数との間に関係性が見られない。

図９は、往復摺動方向を、中心Ｏに近い部分と外側の部分とで平行に設定した例である。すなわち、図１０に示すように試料と試験機との摺動方向は、中心Ｏに近い部分と外側の部分とで平行に設定した。図９に示すように、実施例は、中心Ｏに近い位置において、外側よりも摩擦係数が大きくなる傾向にある。これは、実施例の場合、中心Ｏに近い位置が外側に比較して硬度が小さく、摩擦が生じやすいからと考えられる。これに対し、比較例は、全体に硬さが均一であることから、摺動位置と摩擦係数との間に関係性が見られない。

（オイル保持力）
摺動部材３０の実施例及び比較例は、潤滑油を保持する能力をオイル保持力として確認した。オイル保持力は、試料の質量の変化に基づいて測定した。具体的には、実施例及び比較例の試料は、洗浄及び乾燥した後に乾燥質量を測定する。このとき、乾燥質量が２回連続して変化しなければ、測定した質量を当該試料の乾燥質量と設定した。乾燥質量を計測した試料は、２４時間、潤滑油に浸し、潤滑油を含浸させた。潤滑油を含浸した試料は、表面の潤滑油を拭き取った後、湿潤質量を計測した。そして、試料を試験に用いることにより、増加した質量の割合をオイル保持力とした。すなわち、オイル保持力は、オイル保持力＝（湿潤質量－乾燥質量）／（湿潤質量）×１００として算出した。また、潤滑油は、粘度の異なる２種類を用いた。具体的には、潤滑油は、粘度の小さいＶＧ－２２と、粘度の大きいＶＧ－６８を用いた。比較例は、上記の実施例と同様の条件でオイル保持力を測定した。

図１１に示すように、実施例は、粘度の異なるいずれの潤滑油においても、比較例に比較してオイル保持力が向上している。これは、上述のように、実施例は、空孔率が高いことから、ほとんど空孔が形成されない比較例よりも、オイルを含みやすいためと考えられる。このように、空孔を有する実施例は、比較例よりもオイル保持力が向上することがわかる。図１１に示す「向上率」は、比較例を基準として実施例のオイル保持力が向上した割合を示している。すなわち、向上率＝実施例のオイル保持力／比較例のオイル保持力×１００として算出している。

（潤滑油含浸状態での摩擦係数）
実施例及び比較例は、潤滑油を含浸した状態で静摩擦係数μｓ及び動摩擦係数μｋを測定した。これらの摩擦係数は、上記したバウデン試験による往復摺動試験によって測定し、図８に示す例と測定条件が共通である。但し、往復摺動回数は、１回及び１０００回とした。

図１２に示すように、実施例は、潤滑油を含浸することにより、往復摺動回数が１回及び１０００回の双方でいずれも低下していることがわかる。これは、潤滑油による摩擦の軽減によるものである。特に、実施例では、潤滑油を含浸することにより、中心Ｏに近い位置及び遠い位置の双方で往復摺動回数が増加しても摩擦係数が低下している。このように、実施例は、空孔による潤滑油の保持によって、摩擦係数の軽減に寄与していることがわかる。これに対し、図１３に示すように比較例は、全体に硬さが均一であり、かつ空孔がほとんどないことから、潤滑油の保持力が小さい。そのため、比較例では、潤滑油を用いても、往復摺動回数の増加にともなって摩擦係数が増大していることがわかる。

以上説明したように本実施形態では、摺動層３１は、中心Ｏ側よりも外側の硬度が大きく設定されている。そのため、ピストンポンプ１０の斜板１４と摺動するとき、斜板１４の回転及び流体の加圧にともなって力を受けても、摺動層３１は硬い外周側で耐摩耗性の向上が図られる。また、流体室１６の流体の加圧によって摺動層３１に大きな力が加わっても、その力は、摺動層３１の中心Ｏに近い柔らかい部分で受け止められるとともに、外側へ伝えられ、より硬い外側の部分で摺動層３１の形状が維持される。これにより、例えばさらなる高圧化など厳しい条件であっても、部位に応じた適切な硬さによって摩耗の偏りが低減される。したがって、全体としての耐摩耗性のさらなる向上を図ることができる。

また、本実施形態では、摺動層３１は空孔を有する多孔性である。摺動層３１の空孔の割合である空孔率が大きくなると、摺動層３１は内部に保持する潤滑油の油量が増加する。すなわち、潤滑油は、摺動層３１に形成されている空孔に保持される。そのため、空孔率を大きくすることにより、摺動層３１と相手部材との摩擦の軽減が図られる。したがって、耐摩耗性のさらなる向上を図ることができる。

また、本実施形態による摺動部材３０の製造方法では、摺動層３１を形成する材料の粉末４４は、治具４１の凹部４２に充填された後、支持部材４３が載置されて焼結される。そのため、凹部４２に充填された粉末４４は、支持部材４３で軸方向へ加圧された状態で焼結される。これにより、摺動層３１を形成する粉末４４は、焼結による加熱で軟化する際、中心Ｏから外周へ向けて力を受けて移動するとともに、治具４１の内壁４５によって移動が制限される。そのため、形成された摺動層３１は、中心Ｏ側において密度が低下して比較的柔らかくなるのに対し、外周側において密度が向上して比較的硬くなる。その結果、形成される摺動層３１は、中心Ｏと外周側との間に硬度の勾配が形成される。また、摺動層３１は、粉末４４の焼結によって形成されることから、内部に空隙が形成される。したがって、形成される摺動部材３０の内部に空隙を形成することができるとともに、径方向へ硬さの勾配を形成することができる。

以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

図面中、３０は摺動部材、３１は摺動層、３２は支持層、４１は治具、４２は凹部、４３は支持部材、４４は粉末を示す。

Claims (3)

1. 支持層と、
   相手部材と摺動する前記支持層の一方の端面側に設けられ、軸方向の中心よりも外側の硬度が大きく設定されている摺動層と、
   を備える摺動部材。
2. 前記摺動層は、軸に垂直な断面が円形である請求項１記載の摺動部材。
3. 前記摺動層は、複数の空孔を有する多孔性であり、
   前記摺動層の空孔率は、０．１％以上、かつ３．２％以下である請求項１又は２記載の摺動部材。

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