JP6385747B2

JP6385747B2 - 摺動構造の製造方法

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Publication number: JP6385747B2
Application number: JP2014150182A
Authority: JP
Inventors: 凡輝孟; 小林　修一; 修一小林; 章岩月
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2014-07-23
Filing date: 2014-07-23
Publication date: 2018-09-05
Anticipated expiration: 2034-07-23
Also published as: JP2016023353A

Description

本発明は、鉄系材料から成る一対の摺動部材の母材に対して、窒化処理を施すことにより形成された摺動構造及びその製造方法に関する。

一般的に、油圧ポンプや油圧モータに代表される斜板式液圧回転機等の油圧駆動機器は、多くの摺動部材から構成されており、その摺動面は高い摺動面圧による潤滑油膜切れ、及び制御油圧の変動による摺接状態の不安定化等の影響により、摺動面同士の焼付きや局部的な異常摩耗等の発生リスクを有していることから、これらの摺動部材の素材となる母材として、主に鉄鋼材等の鉄系材料が使用されている。

従って、斜板式液圧回転機等の油圧駆動機器の代表的な構成部品であるシリンダブロックのシリンダとピストンは鉄系材料で形成されているが、特にシリンダブロックのシリンダは摺動相手であるピストンとの摺動によって摩耗や焼付き現象が発生し易いので、これらの摩耗や焼付き現象の発生を抑えるために、シリンダとピストンの摺動面には様々な表面改質や表面加工が行われている。

以下、油圧駆動機器の従来技術の一例として可変容量型斜板式アキシャルピストンポンプを挙げ、シリンダブロックのシリンダ内におけるピストンの運動を図５及び図６に基づいて詳細に説明する。

可変容量型斜板式アキシャルピストンポンプは、例えば、図５に示すように、中心軸Ａの周りに回転するシリンダブロック３１と、このシリンダブロック３１のシリンダ３２に収容されるピストン３３と、シリンダ３２の両端のうちピストン３３の出入口側と反対側の一端、すなわち奥側の一端に設けられ、シリンダ３２内への作動油の流通経路となるシリンダポート３１Ａと、シリンダブロック３１の両端部のうちシリンダポート３１Ａが形成される側の端部に摺接する弁板３４と、この弁板３４に設けられ、シリンダポート３１Ａに連通する給排ポート３４Ａと、ピストン３３の端部に摺動可能に保持されたシュー３５とを備えている。

そして、可変容量型斜板式アキシャルピストンポンプが動作すると、シリンダブロック３１は弁板３４に摺動しながら中心軸Ａの周りに回転し、ピストン３３がシリンダ３２内で中心軸Ａ方向に沿って往復摺動変位を繰返すことにより、給排ポート３４Ａ及びシリンダポート３１Ａを経由して作動油の吸入及び吐出が行われる。その際、シリンダ３２内には、ピストン３３が上死点から下死点までストロークして作動油の吸入を行うことによる負圧、及び下死点から上死点までストロークして作動油を押し退けることによる正圧が繰返し作用する。

また、図６に示すように、シリンダブロック３１が回転すると、ピストン３３がシリンダブロック３１の中心軸Ａの周りに回転するので、ピストン３３にはシリンダブロック３１の中心軸Ａから遠心方向側（半径方向外側）へ向かう遠心力Ｆが作用する。これにより、ピストン３３はシリンダ３２内で偏荷重を受けてシリンダブロック３１の中心軸Ａに対して傾くので、ピストン３３はシリンダ３２内側の円筒面で片当りしながら摺動する。そのため、この接触部位Ｂにおいて非常に高い摺動面圧が作用することになるので、シリンダ３２の摺動面は摩耗や焼付き現象が発生し易くなっている。

従って、このような現象は、可変容量型斜板式アキシャルピストンポンプ等の油圧駆動機器において、シリンダブロック３１及びシリンダ３２以外のシュー３５や斜板（図示せず）等の摺動部材にも生じるものであり、これらの摺動部材を使用する前に、耐摩耗性及び耐焼付き性等の摺動特性を向上させる必要がある。そこで、例えば、互いに摺動する一対の摺動部材の各母材に対して窒化処理を行った後、これらの母材のうち一方の表面を研磨又は研削等の加工を行うことにより、摺動面として仕上げる処理を施した摺動構造が従来より提案されている。

図７は従来技術の摺動構造における一対の摺動部材４１，４２の表面に形成された各層を示す図である。

図７に示すように、一対の摺動部材４１，４２の素材となる各母材４１Ａ，４２Ａに対して窒化処理を行うことにより、最表面に窒素と鉄との化合物から成る化合物層４１Ｂ，４２Ｂ、及びこの化合物層４１Ｂ，４２Ｂよりも内側に、母材４１Ａ，４２Ａに窒素が拡散して固溶した拡散層４１ａ，４２ａが形成される。そして、一方の母材４１Ａの表面を研磨又は研削等の加工を実施して化合物層４１Ｂを除去することにより、化合物層４１Ｂの内側の拡散層４１ａが表面に露出する。従って、最終的に、一方の摺動部材４１の最表面には拡散層４１ａが摺動面として形成され、他方の摺動部材４２の最表面には化合物層４２Ｂが摺動面として形成される。

このようにして製造された摺動部材４１，４２が互いに摺動すると、摺動過程の初期の段階では摺動部材４１，４２の摺動面圧の分布の相違から、摺動部材４１の拡散層４１ａと摺動部材４２の化合物層４２Ｂとの間に作用する摩擦力が大きくなるが、化合物層４２Ｂよりも拡散層４１ａの方が軟らかいので、時間が経過するにつれて拡散層４１ａが摩耗することにより、摺動部材４１，４２の摺動面圧の分布が徐々に均一化されて摺動部材４１，４２の摺動状態が改善される。これにより、拡散層４１ａと化合物層４２Ｂとの摩擦係数が減少することにより、摺動部材４１，４２の摺動面に対して優れた馴染み性を確保できるので、摺動部材４１，４２の摺動特性を向上させることができる。

この種の従来技術の摺動構造が適用された具体例の１つとして、ピストンの先端側に取付けられたシューの相手部材である斜板の母材に対して、焼き入れ焼き戻し処理を施した後、熱処理された母材の一側面を平滑面として研削加工することにより、シューに対する摺動面を形成した斜板を備えた斜板式液圧回転機が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−２０１０１６号公報

上述した特許文献１に開示された斜板式液圧回転機の斜板を含む従来技術の摺動構造は、図７に示すように、摺動部材４１の拡散層４１ａを研磨又は研削等の加工を行うことで摺動部材４２の化合物層４２Ｂとのクリアランスを適正に設定することができるが、摺動部材４１，４２が長期間に渡って使用されると、馴染み層として機能する摺動部材４１の拡散層４１ａの摩耗が進行し、摺動部材４１の拡散層４１ａと摺動部材４２の化合物層４２Ｂとのクリアランスが増大する。

そのため、例えば、摺動部材４１，４２が図５に示すシリンダブロック３１のシリンダ３２とピストン３３に用いられれば、シリンダブロック３１のシリンダ３２の摺動面とピストン３３の摺動面との間からシリンダ３２内の作動油が外部へ漏れることにより、可変容量型斜板式アキシャルピストンポンプの動作効率が低下したり、あるいは上述の特許文献１のように、摺動部材４１，４２が図５に示すシュー３５と斜板（図示せず）に用いられれば、斜板に対してシュー３５の姿勢が不安定となり、シュー３５と斜板の摺動面圧が高くなって騒音等が発生する可能性がある。

このように、従来技術の摺動構造は、摺動部材４１，４２の摺動面に対して馴染み性を確保した代わりに、耐摩耗性が低下することにより、摺動部材４１，４２の使用状態が悪化することが問題になっている。

本発明は、このような従来技術の実情からなされたもので、その目的は、摺動部材の摺動面に対して馴染み性を確保しつつ、耐摩耗性を向上させることができる摺動構造及びその製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の摺動構造は、鉄系材料から成る一対の摺動部材の母材に対して窒化処理を施すことにより、窒素が拡散して形成された拡散層、及び前記拡散層よりも表面側に形成された化合物層を設けた摺動構造において、前記一対の摺動部材の母材は、０．３５重量％以上の炭素を含有し、前記一対の摺動部材のうち一方の前記化合物層は、前記窒化処理における窒化ポテンシャルの範囲を０．３以上１．０未満に設定して形成されたγ’−Ｆｅ_４Ｎ層を含み、前記一対の摺動部材のうち他方の前記化合物層は、前記窒化処理における窒化ポテンシャルの範囲を１．０以上４．０未満に設定して形成され、それぞれ異なる構造を有する複数の窒化層から成り、前記複数の窒化層は、前記一対の摺動部材のうち他方の前記拡散層側に形成されたγ’−Ｆｅ_４Ｎ層と、最表面に形成された多孔質構造を有する第１のε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層と、これらのγ’−Ｆｅ_４Ｎ層とε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層と間に形成され、前記第１のε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層よりも緻密な構造を有する第２のε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層とを含むことを特徴としている。

このように構成した本発明では、０．３５重量％以上の炭素を含有する一対の摺動部材の母材に対して、窒化ポテンシャルの範囲が０．３以上１．０未満、及び窒化ポテンシャルの範囲が１．０以上４．０未満の条件下で窒化処理をそれぞれ施すことにより、一方の摺動部材の表面に緻密な構造を有するγ’−Ｆｅ_４Ｎ層から成る強靭性層を形成すると共に、他方の摺動部材の表面に多孔質構造を有する第１のε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層から成る馴染み層、及び緻密な構造を有する第２のε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層から成る強靭性層を形成することができる。

そのため、一対の摺動部材が摺動すると、多孔質構造を有する第１のε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層が摩耗することにより、一対の摺動部材の摺動面に作用する摺動面圧が均一化されるので、摺動部材の摺動状態を改善することができる。そして、多孔質構造を有する第１のε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層の摩耗が進行し、緻密な構造を有する第２のε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層が表面に現れることにより、窒素の含有率が異なる緻密な構造を有する各層同士が摺動し、摺動部材の摺動面の硬度を高めることができるので、摺動部材の摩耗量を減少させることができる。これにより、摺動部材が長期に渡って使用されても、各摺動部材の摺動面のクリアランスを維持できるので、摺動部材の使用状態を良好に保つことができる。このように、摺動部材の摺動面に対して馴染み性を確保しつつ、耐摩耗性を向上させることができる。

また、本発明に係る摺動構造は、前記発明において、回転軸の周りに回転するシリンダブロックと、前記シリンダブロックのシリンダに収容されるピストンとを備えた液圧回転機に適用されることを特徴としている。

このように構成した本発明は、シリンダブロックが回転軸と共に回転することにより、ピストンがシリンダブロックのシリンダ内で回転軸に沿って往復移動を繰返すので、ピストンがシリンダに摺動し、ピストンとシリンダの摺動面に高負荷がかかった状態となる。このような状態であっても、ピストン及びシリンダが互いに摺動する部分には、緻密な構造を有する強靭性層が形成されているので、これらの強靭性層が緩衝材として機能することにより、ピストンがシリンダ内で偏荷重を受けてシリンダ内側の円筒面で片当りしながら摺動しても、ピストン及びシリンダに作用する力の影響を低減することができる。これにより、ピストン及びシリンダの摺動面を適切に保護することができる。

また、本発明の摺動構造の製造方法は、鉄系材料から成る一対の摺動部材の母材に対して窒化処理が施された摺動構造を製造する摺動構造の製造方法において、０．３５重量％以上の炭素を含有する前記一対の摺動部材の母材のうち一方に対して、窒化ポテンシャルの範囲を０．３以上１．０未満に設定して前記窒化処理を行い、表面側からγ’−Ｆｅ_４Ｎ層から成る化合物層及び窒素が拡散した拡散層を形成する低窒化処理工程と、０．３５重量％以上の炭素を含有する前記一対の摺動部材の母材のうち他方に対して、窒化ポテンシャルの範囲を１．０以上４．０未満に設定して前記窒化処理を行い、表面側から多孔質構造を有する第１のε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層、前記第１のε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層よりも緻密な構造を有する第２のε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層、及びγ’−Ｆｅ_４Ｎ層から成る化合物層並びに窒素が拡散した拡散層を形成する高窒化処理工程とを備えたことを特徴としている。

このように構成した本発明では、低窒化処理工程及び高窒化処理工程を実施することにより、一方の摺動部材の表面に緻密な構造を有するγ’−Ｆｅ_４Ｎ層から成る強靭性層を形成すると共に、他方の摺動部材の表面に多孔質構造を有する第１のε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層から成る馴染み層、及び緻密な構造を有する第２のε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層から成る強靭性層を形成することができる。

さらに、上述したように、多孔質構造を有する第１のε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層は、摺動部材の摺動過程の初期の段階において摩耗して摺動面から取り除かれるので、表面研磨又は研削等の加工を実施する必要がなく、当該第１のε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層を除去する工程を省くことができる。しかも、摺動部材の摺動面は、摺動後にγ’−Ｆｅ_４Ｎ層と緻密な構造を有する第２のε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層とから成り、各層のひずみ量を特定し易いので、各摺動部材の摺動面のクリアランスの管理を容易に行うことができる。

本発明の摺動構造及びその製造方法によれば、摺動部材の摺動面に対して馴染み性を確保しつつ、耐摩耗性を向上させることができる。

本発明に係る摺動構造の一実施形態が適用される可変容量型斜板式アキシャルピストンポンプの構成を示す図である。本実施形態に係る摺動構造におけるシリンダ及びピストンの表面に形成された各層の構成を示す図である。本実施形態に係る摺動構造の製造方法の流れを示すフローチャートであり、左図はシリンダの摺動面の形成過程を示す図、右図はピストンの摺動面の形成過程を示す図である。本実施形態に係る摺動構造の摩耗量と、従来技術の摺動構造の摩耗量とを比較した図である。従来技術の可変容量型斜板式アキシャルピストンポンプに備えられたシリンダブロック、ピストン、及び弁板の作用関係を説明する図である。図５に示すシリンダとピストンの摺動状態を説明する図である。従来技術の摺動構造における一対の摺動部材の表面に形成された各層の構成を示す図である。従来技術の摺動構造の製造方法の流れを示すフローチャートであり、左図は強靭性層を形成する摺動部材の摺動面の形成過程を示す図、右図は馴染み層を形成する摺動部材の摺動面の形成過程を示す図である。

以下、本発明に係る摺動構造及びその製造方法を実施するための形態を図に基づいて説明する。

本発明に係る摺動構造の一実施形態は、例えば、図１に示すように、油圧ショベル等の建設機械に備えられる油圧ポンプ及び油圧モータ等の液圧回転機１に適用される。この液圧回転機１は、例えば、可変容量型斜板式アキシャルピストンポンプ（以下、便宜的に斜板式ポンプと称する）から成っている。

この斜板式ポンプ１は、例えば、外殻を形成するケーシング２と、このケーシング２の中央部において軸線周りに回転可能に設けられた回転軸３と、この回転軸３の回転に伴って回転するシリンダブロック４と、このシリンダブロック４のシリンダ５に収容されるピストン６と、このピストン６の端部に摺動可能に保持され、シリンダブロック４と共に回転するシュー７と、このシュー７が摺接する斜板８と、この斜板８を揺動可能に支持するクレードル９とを備えている。

ケーシング２は、回転軸３及びシリンダブロック４等の各部材を覆う筒状のケーシング本体２Ａと、このケーシング本体２Ａの両端側を閉塞するフロントケーシング２Ｂ及びリヤケーシング２Ｃとから成っている。さらに、リヤケーシング２Ｃは、シリンダブロック４内に作動油を供給あるいは排出する一対の給排通路１５Ａ，１５Ｂを有している。これらの給排通路１５Ａ，１５Ｂは、作動油の吸込側及び吐出側に設けられた配管等（図示せず）に接続されている。そして、リヤケーシング２Ｃとシリンダブロック４との間には、作動油の出入りを規制する弁板１０が介装されている。

また、斜板式ポンプ１は、シュー７とピストン６のフロントケーシング２Ｂ側の端部との間に位置して回転軸３に挿通され、シュー７を挿通して斜板８の摺動面に押圧する挿通穴を有する環状平板のリテーナ１１と、このリテーナ１１とシリンダブロック４との間に位置して回転軸３に挿嵌され、外周面によってリテーナ１１を斜板８に向けて押圧するリテーナガイド（図示せず）とを備えている。なお、上述したシリンダブロック４、ピストン５、シュー７、斜板８、クレードル９、弁板１０、リテーナ１１、及びリテーナガイドは、例えば、鉄鋼材等の鉄系材料で形成されている。

回転軸３は、フロントケーシング２Ｂとリヤケーシング２Ｃとの間に軸受１６Ａ，１６Ｂ等を介して回転可能に支持されている。また、回転軸３は、フロントケーシング２Ｂから軸線方向に突出する突出端３Ａが形成されており、この突出端３Ａ側が、例えばエンジン等の原動機（図示せず）によって回転駆動されるようになっている。

シリンダブロック４は、回転軸３の外周側にスプライン結合されると共に、両端面のうちフロントケーシング２Ｂ側の一端が斜板８に対向して配置され、両端面のうちリヤケーシング２Ｃ側の他端は弁板１０に摺接するようになっている。これにより、シリンダブロック４は、回転軸３の軸線方向に対して位置が固定され、回転軸３の軸線周りに回転可能になっている。

そして、斜板式ポンプ１は、エンジン等の原動機が駆動することで回転軸３がシリンダブロック４と共に一体に回転することにより、リテーナガイド及びリテーナ１１によってシュー７が斜板８側へ押し付けられた状態で斜板８上を回転軸３の軸線周りに摺動しながら、ピストン６がシリンダ５内で回転軸３の軸線方向に沿って往復移動を繰返し、吸込側の給排通路１５Ｂから弁板１０を介してシリンダブロック４内へ流入した作動油を高圧の圧油として吐出側の給排通路１５Ａへ吐出するようにしている。

一方、ピストン６がシリンダ５内で往復移動する間、ピストン６には回転軸から遠心方向側（半径方向外側）へ向かう遠心力が作用することにより、ピストン６がシリンダ５内側の円筒面に方当りしながら摺動するので、シリンダ５とピストン６の摺動面に対して高負荷がかかった状態となっている。

そこで、本実施形態に係る摺動構造は、斜板式ポンプ１が建設機械に組み込まれる前に、一対の摺動部材としてのシリンダ５及びピストン６の母材５Ａ，６Ａ（図２参照）に対して窒化処理を施すことにより、窒素が拡散して形成された拡散層５ａ，６ａ（図２参照）、及びこれらの拡散層５ａ，６ａよりも表面側に形成された化合物層５Ｂ，６Ｂを設けている。

以下、本実施形態に係る摺動構造におけるシリンダ５及びピストン６の母材５Ａ，６Ａの成分組成、これらの各母材５Ａ，６Ａに対して施す窒化処理、及び窒化処理後のシリンダ５及びピストン６の各構成について、図２を参照しながら詳細に説明する。

本実施形態に係る摺動構造において、窒化処理が施されるシリンダ５及びピストン６の母材は、０．３５重量（ｗｔ）％以上の炭素（Ｃ）を含有し、残部が鉄（Ｆｅ）及び不可避不純物元素を含有している。また、上述した窒化処理は、シリンダ５及びピストン６の母材が異なる炉内にそれぞれ配置された後、各炉内の温度範囲、炉内の窒化ポテンシャルＫｎ、及び処理時間が定められた窒化条件の下、実施される。なお、処理時間は目標有効硬化深さに応じて適宜に設定される。

そして、このように設定された窒化条件の下で製造された摺動構造におけるシリンダ５及びピストン６のうち一方、例えば、図２に示すように、シリンダ５の化合物層５Ｂは、窒化処理における窒化ポテンシャルＫｎの範囲を０．３以上１．０未満に設定して形成されたγ’−Ｆｅ_４Ｎ層５ｂから構成されている。

シリンダ５及びピストン６のうち他方、すなわち、ピストン６の化合物層６Ｂは、窒化処理における窒化ポテンシャルＫｎの範囲を１．０以上４．０未満に設定して形成され、それぞれ異なる構造を有する複数の窒化層６ｂ１〜６ｂ３（本実施例では３層）から成っている。これらの窒化層６ｂ１〜６ｂ３は、ピストン６の拡散層６ａ側に形成されたγ’−Ｆｅ_４Ｎ層６ｂ１と、最表面に形成された多孔質構造を有する第１のε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層６ｂ２と、これらのγ’−Ｆｅ_４Ｎ層６ｂ１とε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層６ｂ２と間に形成され、このε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層６ｂ２よりも緻密な構造を有する第２のε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層６ｂ３とから構成されている。

従って、本実施形態に係るシリンダ５には、表面側からγ’−Ｆｅ_４Ｎ層５ｂ、拡散層５ａの順に処理時間に応じた厚さで各層が形成されており、ピストン６には、表面側から多孔質構造を有するε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層６ｂ２、緻密な構造を有するε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層６ｂ３、γ’−Ｆｅ_４Ｎ層６ｂ１、拡散層６ａの順に処理時間に応じた厚さで各層が形成されている。これにより、シリンダ５のγ’−Ｆｅ_４Ｎ層５ｂが強靭性層として機能し、ピストン６のε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層６ｂ２が馴染み層として機能する。

次に、このように構成される本実施形態に係る摺動構造の製造方法について、従来技術の摺動構造の製造方法と比較しながら詳細に説明する。

図８は本実施形態に係る摺動構造の比較例として挙げた従来技術の摺動構造の製造方法を示す図である。図３は本実施形態に係る摺動構造の製造方法を示す図である。

図８に示すように、従来技術の摺動構造の製造方法は、一対の摺動部材の母材に対して鍛造及び機械加工を行った後（（ステップ（以下、Ｓと記す）８０１ａ，Ｓ８０１ｂ）、窒化処理を施す前に各摺動部材の母材を洗浄及び酸化する等の工程を経て（Ｓ８０２ａ，Ｓ８０２ｂ）、各摺動部材の母材を炉内に設置して窒化処理の工程をそれぞれ実施する（Ｓ８０３ａ，Ｓ８０３ｂ）。

このＳ８０３ａ，Ｓ８０３ｂにおける窒化処理の工程では、炉内の窒素の雰囲気が管理されることなく、通常、炉の容積に対して、その２倍程度の流量のアンモニアガスが流され、必要に応じて数ｖｏｌ％のＲＸガス等の窒素を含むガスが炉内に添加される。そして、炉内において、各摺動部材の母材は所定の温度条件下で窒化された後に冷却され、窒化処理が終了する。

その後、図８の左図に示すように、一対の摺動部材のうち一方、すなわち最表面に強靭性層を形成する摺動部材に対して表面研磨を行うことにより、当該摺動部材の表面の粗い層を削り落とす（Ｓ８０４ａ）。一方、図８の右図に示すように、一対の摺動部材のうち他方、すなわち最表面に馴染み層を形成する摺動部材に対して表面研磨を行った後（Ｓ８０４ｂ）、さらにこの摺動部材に対して比較的低温で浸硫処理を施すことにより、当該摺動部材の表面に軟質な硫化鉄層を形成し（Ｓ８０５ｂ）、従来技術の摺動構造が製造される。

これに対し、本実施形態に係る摺動構造の製造方法は、図３に示すように、上述の従来技術の摺動構造の製造方法と同じように、シリンダ５及びピストン６の母材に対して鍛造及び機械加工を行った後（Ｓ３０１ａ，Ｓ３０１ｂ）、窒化処理を施す前に各シリンダ５及びピストン６の母材を洗浄及び酸化する等の工程を経て（Ｓ３０２ａ，Ｓ３０２ｂ）、各シリンダ５及びピストン６を炉内に設置して窒化処理の工程をそれぞれ実施する（Ｓ３０３ａ，Ｓ３０３ｂ）。

このＳ３０３ａ、Ｓ３０３ｂにおける窒化処理の工程では、炉内の温度を所定の温度に設定し、窒素を含む所定のガスが炉内に投入される。このとき、シリンダ５及びピストン６の所望の窒化組織に応じて、炉内の窒化ポテンシャルＫｎの範囲を制御する。本実施形態では、図３の左図に示すように、シリンダ５及びピストン６のうち一方、すなわち最表面に強靭性層を形成するシリンダ５側の炉内の窒化ポテンシャルＫｎを０．３以上１．０未満に設定し、表面側から緻密な構造を有するγ’−Ｆｅ_４Ｎ層５ｂ及び拡散層５ａを形成する（低窒化処理工程）。

一方、図３の右図に示すように、シリンダ５及びピストン６のうち他方、すなわち最表面に馴染み層を形成するピストン６側の炉内の窒化ポテンシャルＫｎの範囲を１．０以上４．０未満に設定し、表面側から多孔質構造を有するε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層６ｂ２、このε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層６ｂ２よりも緻密な構造を有するε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層６ｂ３、及びγ’−Ｆｅ_４Ｎ層６ｂ１並びに拡散層６ａを形成する（高窒化処理工程）。そして、炉内において、各シリンダ５及びピストン６の母材５Ａ，６Ａは所定の時間窒化された後に冷却され、窒化処理が終了する。

図４はこのようにして製造された従来技術の摺動構造の摩耗量と、本実施形態に係る摺動構造の摩耗量とを比較した図を示している。

図４に示すように、本実施形態に係る摺動構造の摩耗量は、従来技術の摺動構造の摩耗量に比べて低くなっているので、本実施形態に係るシリンダ５及びピストン６は、従来技術の摺動構造において窒化処理後に一対の摺動部材のうち一方に対して表面研磨、及び他方に対して表面研磨と浸硫処理を行ったものと同等以上の耐摩耗性が得られていることが把握される。

次に、上述したように本実施形態に係るシリンダ５及びピストン６の母材５Ａ，６Ａの成分組成である炭素（Ｃ）の含有量の範囲を規定した理由、窒化条件における炉の環境、及び窒化ポテンシャルＫｎの範囲を設定した理由について詳細に説明する。

［Ｃ：０．３５重量％以上］
炭素は母材５Ａ，６Ａの拡散層５ａ，６ａ及び芯部の硬度を確保するために必要な元素であり、この観点から母材５Ａ，６Ａの炭素の含有量を０．３５重量％以上に設定するのが望ましい。母材５Ａ，６Ａの炭素の含有量が０．３５重量％未満では、芯部の硬度を十分に確保できない場合がある。なお、母材５Ａ，６Ａの材質については、特に限定されていない。

［窒化条件における炉の環境］
本実施形態では、炉の様式として、例えば、バッチ型、ピット型、及び連続型のいずれかを用いているが、この場合に限らず、他の様式を用いても良い。一方、窒化ポテンシャルＫｎを制御するために、炉内には、投入するガスの流量を精密に計測することが可能な流量計、ガスの成分（アンモニア及び水素等）の分圧を計測することが可能なアンモニアセンサと水素センサを装備することが必要となる。

［０．３≦Ｋｎ＜１．０］
窒化ポテンシャルＫｎの範囲が０．３以上１．０未満である設定条件は、シリンダ５の表面に、強靭性層としてのγ’−Ｆｅ_４Ｎ層５ｂから成る化合物層５Ｂを形成するのに必要である。仮に、窒化ポテンシャルＫｎの範囲を０．３未満に設定すると、シリンダ５の表面に化合物層５Ｂが形成されず、窒化ポテンシャルＫｎの範囲を１．０以上に設定すると、シリンダ５の表面に粗い層が形成されるので、シリンダ５の強靭性が損なわれる。

［１．０≦Ｋｎ＜４．０］
窒化ポテンシャルＫｎの範囲が１．０以上４．０未満である設定条件は、ピストン６の表面に、馴染み層としての多孔質構造を有するε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層６ｂ２から成る化合物層６Ｂを形成するのに必要である。仮に、窒化ポテンシャルＫｎの範囲を１．０未満に設定すると、ピストン６の表面に化合物層６Ｂが形成されず、窒化ポテンシャルＫｎの範囲を４．０以上に設定すると、ピストン６の表面にポーラス層が形成され易くなり、ピストン６の化合物層６Ｂにおけるポーラス面積率が急激に上昇するので、形成された化合物層６Ｂがピストン６の表面から脱落し易くなる。

このように構成した本実施形態に係る摺動構造及びその製造方法によれば、シリンダブロック４のシリンダ５の母材５Ａに対して、窒化ポテンシャルＫｎの範囲を０．３以上１．０未満に設定すると共に、シリンダ５の摺動相手であるピストン６の母材６Ａに対して、窒化ポテンシャルＫｎの範囲を１．０以上４．０未満に設定して窒化処理をそれぞれ施すことにより、シリンダ５の表面に緻密な構造を有するγ’−Ｆｅ_４Ｎ層５ｂから成る強靭性層を形成すると共に、ピストン６の表面に多孔質構造を有するε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層６ｂ２から成る馴染み層、及び緻密な構造を有するε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層６ｂ３から成る強靭性層を形成することができる。

そのため、斜板式ポンプ１のシリンダブロック４が回転し、シリンダ５とピストン６が互いに摺動すると、摺動過程の初期の段階において、ピストン６の最表面に形成されたε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層６ｂ２が摩耗することにより、シリンダ５とピストン６の摺動面に作用する摺動面圧が均一化されるので、シリンダ５とピストン６の摺動状態を改善することができる。

そして、ピストン６の最表面のε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層６ｂ２の摩耗が進行し、比較的安定したε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層６ｂ３が表面に現れることにより、窒素の含有率が異なる緻密な構造を有する各層５ｂ，６ｂ３同士が摺動する組み合わせとなり、シリンダ５及びピストン６の摺動面における異質材質の摺動構造として、優れた硬度を得ることができるので、シリンダ５及びピストン６の摩耗量を十分に減少させることができる。

これにより、斜板式ポンプ１が長期に渡って使用されても、シリンダ５及びピストン６の摺動面のクリアランスを維持できるので、シリンダ５及びピストン６の使用状態を良好に保つことができる。このように、シリンダ５及びピストン６の摺動面に対して馴染み性を確保しつつ、耐摩耗性を向上させることができる。

また、本実施形態に係る摺動構造では、シリンダブロック４が回転し、ピストン６がシリンダ５内で往復移動する間、遠心力によって回転軸３の軸線方向から傾いたピストン６がシリンダ５内側の円筒面に方当りしながら摺動しても、シリンダ５及びピストン６が互いに摺動する部分に形成されたγ’−Ｆｅ_４Ｎ層５ｂ及びε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層６ｂ３が緩衝材として機能するので、シリンダ５及びピストン６に作用する力の影響を低減することができる。これにより、シリンダ５及びピストン６の摺動面を適切に保護できるので、シリンダ５及びピストン６の摩耗や焼付き現象の発生を抑制することができ、シリンダ５及びピストン６の長寿命化を図ることができる。

さらに、本実施形態に係る摺動構造の製造方法では、ピストン６の最表面に形成される多孔質構造のε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層６ｂ２は、摺動相手のシリンダ５のγ’−Ｆｅ_４Ｎ層５ｂよりも硬度が低いので、シリンダ５及びピストン６の摺動過程の初期の段階で摩耗して摺動面から取り除かれる。これにより、窒化処理後にε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層６ｂ２を除去する工程を省くことができるので、図８に示す従来技術の摺動構造の製造方法よりも少ない工程で済み、摺動構造の製造効率を高めることができる。

特に、本実施形態に係る摺動構造の製造方法は、窒化処理における窒化ポテンシャルＫｎを管理するだけで母材５Ａ，６Ａの材質に高価な材料を用いたり、あるいは図８に示す従来技術の摺動構造の製造方法のように浸硫処理を施したりしなくても、シリンダ５及びピストン６の表面に所望の化合物層５Ｂ，６Ｂを形成できるので、摺動特性に優れたシリンダ５及びピストン６を安価かつ効率的に作製することができる。

しかも、シリンダ５及びピストン６の摺動面が、摺動後にγ’−Ｆｅ_４Ｎ層５ｂと緻密な構造を有するε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層６ｂ３とから成り、各層５ｂ，６ｂ３のひずみ量を特定し易く各層５ｂ，６ｂ３が安定しているので、シリンダ５及びピストン６の摺動面のクリアランスの管理を容易に行うことができ、高い寸法精度を得ることができる。従って、図８に示す従来技術の摺動構造の製造方法のように、シリンダ５及びピストン６に対して表面研磨を行う必要がなく、シリンダ５及びピストン６に対して施す処理時間を短縮できるので、摺動構造の迅速な製造を実現することができる。

また、本実施形態に係る摺動構造の製造方法は、シリンダ５及びピストン６のうち、ピストン６側の炉内の窒化ポテンシャルＫｎの範囲を１．０以上４．０未満に設定することにより、ピストン６の表面に馴染み層として機能するε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層６ｂ２を形成している。そのため、シリンダ５とピストン６の摺動に伴ってε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層６ｂ２が摩耗してピストン６の表面から取り除かれた後に、経年劣化等でシリンダ５とピストン６の摺動性能が低下した場合に、斜板式ポンプ１からピストン６を単体で容易に交換できるので、斜板式ポンプ１のメンテナンス作業に要する作業者の労力を軽減することができる。

なお、上述した本実施形態は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。

また、本実施形態では、液圧回転機が斜板式ポンプ１から成る場合について説明したが、この場合に限らず、液圧回転機は、例えば、可変容量型斜板式アキシャルピストンモータ、又は可変容量型斜軸式アキシャルピストンポンプ・モータから成っていてもよい。さらに、液圧回転機は、上述した可変容量型に限定されるものではなく、固定容量型であってもよい。

また、本実施形態では、一対の摺動部材として、シリンダ５及びピストン６の母材に対して窒化処理を施した場合について説明したが、この場合に限らず、シリンダ５とピストン６の代わりに、シリンダブロック４と弁板１０、シュー７と斜板８、斜板８とクレードル９、リテーナ１１とリテーナガイド、及びシュー７とリテーナ１１の母材に対して窒化処理を施すことにより、これらの摺動部材の表面にシリンダ５及びピストン６と同様の拡散層及び化合物層を設けてもよい。

さらに、本実施形態では、シリンダ５及びピストン６のうちシリンダ５側の炉内の窒化ポテンシャルＫｎを０．３以上１．０未満に設定し、シリンダ５の表面側から緻密な構造を有するγ’−Ｆｅ_４Ｎ層５ｂ及び拡散層５ａを形成すると共に、ピストン６側の炉内の窒化ポテンシャルＫｎの範囲を１．０以上４．０未満に設定し、ピストン６の表面側から多孔質構造を有するε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層６ｂ２、このε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層６ｂ２よりも緻密な構造を有するε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層６ｂ３、及びγ’−Ｆｅ_４Ｎ層６ｂ１並びに拡散層６ａを形成した場合について説明したが、この場合に限るものではない。

すなわち、シリンダ５及びピストン６のうちピストン６側の炉内の窒化ポテンシャルＫｎを０．３以上１．０未満に設定し、ピストン６の表面側から緻密な構造を有するγ’−Ｆｅ_４Ｎ層及び拡散層を形成すると共に、シリンダ５側の炉内の窒化ポテンシャルＫｎの範囲を１．０以上４．０未満に設定し、シリンダ５の表面側から多孔質構造を有するε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層、このε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層よりも緻密な構造を有するε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層、及びγ’−Ｆｅ_４Ｎ層並びに拡散層を形成してもよい。

１斜板式ポンプ（液圧回転機）
３回転軸
４シリンダブロック
５シリンダ
５Ａ母材
５ａ拡散層
５Ｂ化合物層
５ｂ γ’−Ｆｅ_４Ｎ層（緻密構造）
６ピストン
６Ａ母材
６ａ拡散層
６Ｂ化合物層
６ｂ１ γ’−Ｆｅ_４Ｎ層（緻密構造）
６ｂ２第１のε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層（多孔質構造）
６ｂ３第２のε−Ｆｅ_２〜３Ｎ層（緻密構造）
７シュー
８斜板
９クレードル
１０弁板
１１リテーナ

Claims

鉄系材料から成る一対の摺動部材の母材に対して窒化処理が施された摺動構造を製造する摺動構造の製造方法において、
０．３５重量％以上の炭素を含有する前記一対の摺動部材の母材のうち一方に対して、窒化ポテンシャルの範囲を０．３以上１．０未満に設定して前記窒化処理を行い、表面側からγ’−Ｆｅ４Ｎ層から成る化合物層及び窒素が拡散した拡散層を形成する低窒化処理工程と、
０．３５重量％以上の炭素を含有する前記一対の摺動部材の母材のうち他方に対して、窒化ポテンシャルの範囲を１．０以上４．０未満に設定して前記窒化処理を行い、表面側から多孔質構造を有する第１のε−Ｆｅ２〜３Ｎ層、前記第１のε−Ｆｅ２〜３Ｎ層よりも緻密な構造を有する第２のε−Ｆｅ２〜３Ｎ層、及びγ’−Ｆｅ４Ｎ層から成る化合物層並びに窒素が拡散した拡散層を形成する高窒化処理工程と、を備えた
ことを特徴とする摺動構造の製造方法。