JP6449444B2

JP6449444B2 - 金属部材の製造方法

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Publication number: JP6449444B2
Application number: JP2017512126A
Authority: JP
Inventors: 松山　敏和; 敏和松山; 天野　昌春; 昌春天野; 良貴柴田
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2015-04-15
Filing date: 2015-04-15
Publication date: 2019-01-09
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Description

本発明は金属部材の製造方法に関し、より特定的には、互いに異なる金属からなる部材が接合された構造を有する金属部材の製造方法に関するものである。

異なる金属からなる部材同士が互いに固定された構造を有する金属部材が、機械部品として採用される場合がある。たとえば、油圧ポンプや油圧モータのピストンシューとして、鋼からなるベース部に、銅合金からなる摺動部を固定したものが知られている。この種のピストンシューでは、摺動部をベース部に対してかしめ固定したものが用いられる場合がある。

摺動部をベース部に対してかしめ固定するためには、摺動部をベース部に取り付ける前に、摺動部を予めかしめ固定可能な形状に加工しておく必要がある。そのため、摺動部の加工費用に起因して摺動部品の製造コストが高くなるという問題がある。これに対し、摺動部をベース部に押し付けて変形させ、摺動部をベース部に係合させることにより、摺動部をベース部に固定したピストンシューが提案されている（たとえば、特開平１０−８９２４１号公報（特許文献１）参照）。

特開平１０−８９２４１号公報

上記特許文献１に記載のピストンシューの構造では、摺動部はベース部に対して係合して固定されているに過ぎない。そのため、ピストンシューに衝撃が加わった場合、摺動部のベース部への固定状態が不安定となるおそれがある。

本発明は、異なる金属からなる部材同士が接合層を介して互いに接合された構造を有する金属部材の製造方法を提供するものである。

本発明に従った金属部材の製造方法は、第１金属からなる第１部材、第２金属からなる第２部材および第３金属からなる第３部材を準備する工程と、第１部材と第２部材とを第３部材を介して接合する工程と、を備える。第１部材と第２部材とを接合する工程は、第１部材、第３部材および第２部材をこの順で積み重ね、第１部材を第３部材に押し付け、第２部材および第３部材に対する相対的な位置関係を変えることなく回転軸周りに相対的に回転させることにより、第１部材、第２部材および第３部材を加熱する工程と、加熱された第１部材、第２部材および第３部材を積み重ねた状態で冷却する工程と、を含む。

本発明の金属部材の製造方法においては、第１部材、第３部材および第２部材をこの順で積み重ね、第１部材を第３部材に押し付け、第２部材および第３部材に対する相対的な位置関係を変えることなく回転軸周りに相対的に回転させて第１部材、第２部材および第３部材を加熱する。そして、加熱された第１部材、第２部材および第３部材を積み重ねた状態で冷却することにより、第１部材と第２部材とが第３部材を介して接合される。

このように、本発明の金属部材の製造方法によれば、異なる金属からなる部材同士が接合層（中間層）である第３部材を介して互いに接合された構造を有する金属部材を製造することができる。

上記金属部材の製造方法において、第２金属および第３金属は第１金属よりも変形抵抗が小さくてもよい。第１部材、第２部材および第３部材を加熱する工程では、金型のキャビティ内に第２部材および第３部材が配置されてもよい。

第２金属および第３金属の変形抵抗を第１金属の変形抵抗よりも小さく設定することで、金型のキャビティ内において第２部材および第３部材が変形してキャビティを規定する壁面と接触する。これにより、第２部材および第３部材が第１部材とともに回転することが抑制されるとともに、さらなる変形も抑制される。そのため、第１部材と第３部材との摩擦によって発生した熱がキャビティ内から放出されることが抑制される。その結果、第１部材、第２部材および第３部材を加熱する工程を効率よく実施することができる。

上記金属部材の製造方法において、金型は、キャビティを規定するキャビティ底壁と、キャビティを規定し、キャビティ底壁に交差する方向に延在するキャビティ側壁と、を含んでいてもよい。このようにすることにより、上記金属部材の製造方法を容易に実施することができる。

上記金属部材の製造方法において、第１部材、第２部材および第３部材を加熱する工程では、第３部材において第１部材に接触する面である第３接触面が、キャビティ側壁に取り囲まれてもよい。このようにすることにより、第２部材および第３部材の変形をキャビティ側壁により制限することができる。

上記金属部材の製造方法において、第１部材、第２部材および第３部材を加熱する工程では、金型を固定し、第１部材を回転させてもよい。このようにすることにより、上記金属部材の製造方法を容易に実施することができる。

上記金属部材の製造方法において、第２金属および第３金属は第１金属よりも変形抵抗が小さくてもよい。第１部材には凹部が形成されていてもよい。第１部材、第２部材および第３部材を加熱する工程では、凹部内に第３部材を配置し、第２部材を、少なくとも一部が凹部に進入する状態で第３部材に相対的に押し付けつつ回転させることにより、第１部材、第２部材および第３部材を加熱してもよい。

第２金属および第３金属の変形抵抗を第１金属の変形抵抗よりも小さく設定することで、第１部材の凹部内において第２部材および第３部材が変形して凹部を規定する壁面と接触する。第２部材および第３部材の変形は第１部材の凹部を規定する壁面により制限される。そのため、第１部材と第３部材との摩擦によって発生した熱が凹部内から放出されることが抑制される。その結果、第１部材、第２部材および第３部材を加熱する工程を効率よく実施することができる。

上記金属部材の製造方法において、第１部材は、凹部を規定する凹部底面と、凹部を規定し、凹部底面に交差する方向に延びる凹部側面と、を含んでいてもよい。第１部材、第２部材および第３部材を加熱する工程では、第１部材の凹部底面に接触して配置された第３部材に第２部材が相対的に押し付けられつつ回転してもよい。このようにすることにより、上記金属部材の製造方法を容易に実施することができる。

上記金属部材の製造方法において、第１部材、第２部材および第３部材を加熱する工程では、第２部材が変形することにより凹部側面に接触してもよい。このように凹部側面が第２部材の変形を制限することにより、上記金属部材の製造方法を容易に実施することができる。

上記金属部材の製造方法は、第１部材と第２部材とが接合した状態で凹部側面が除去されるように第１部材が加工される工程をさらに備えていてもよい。このようにすることにより、第１部材が凹部底面において第３部材を介して第２部材と接合されて形成される金属部材を得ることができる。

上記金属部材の製造方法において、第１部材、第２部材および第３部材を加熱する工程では、第１部材を固定し、第２部材を回転させてもよい。このようにすることにより、上記金属部材の製造方法を容易に実施することができる。

上記金属部材の製造方法は、第１部材と第２部材とが接合した状態で、第１部材、第２部材および第３部材を加熱する工程において第２部材が変形して形成されたバリを除去する工程をさらに備えていてもよい。このようにすることにより、第１部材と第２部材との接合に際して形成されるバリが除去された金属部材を得ることができる。

上記金属部材の製造方法において、第３部材は、第１部材と第２部材とが接合された状態において第１部材と第２部材との間に生じる応力を緩和するものであってもよい。このようにすることにより、第１部材と第２部材との間に生じる応力に起因する亀裂の発生等を抑制することができる。

上記金属部材の製造方法において、第１部材、第２部材および第３部材を加熱する工程において、温度が上昇した状態における第２金属および第３金属の変形抵抗は第１金属の変形抵抗に比べて１０％以上小さくてもよい。このようにすることにより、第３部材を介した第１部材と第２部材との接合が容易となる。

以上の説明から明らかなように、本発明の金属部材の製造方法によれば、異なる金属からなる部材同士が接合層を介して互いに接合された構造を有する金属部材を製造することができる。

実施の形態１の金属部材の構造を示す概略断面図である。金属部材の製造方法の概略を示すフローチャートである。金属部材の製造装置の構造を示す概略図である。実施の形態１の金属部材の製造装置の動作を示す概略断面図である。金型の構造を示す概略平面図である。実施の形態２の金属部材の構造を示す概略断面図である。実施の形態２の金属部材の製造装置の動作を示す概略断面図である。実施の形態３の金属部材の構造を示す概略断面図である。実施の形態３の金属部材の製造装置の構造を示す概略図である。実施の形態３の金属部材の製造装置の動作を示す概略断面図である。実施の形態３の金属部材の製造方法を説明するための概略断面図である。実施の形態３の金属部材の製造方法を説明するための概略断面図である。接合部付近の状態を示す光学顕微鏡写真である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態の金属部材の製造方法により製造可能な金属部材（機械部品）の構造を示す概略断面図である。図１を参照して、金属部材１は、第１金属からなる第１部材１０と第２金属からなる第２部材２０とが第３金属からなる第３部材３０を介して接合された構造を有している。

第１部材１０は、円筒状の形状を有している。第１部材１０の一方の端面１１が接合面となっている。第２部材２０は円筒状（円盤状）の形状を有している。第２部材２０の一方の端面２１が接合面となっている。第３部材３０は円盤状の形状を有している。第３部材３０は、第１部材１０と第２部材２０との間に介在する接合層（中間層）である。

第２部材２０の一方の端面２１上に端面３０Ｂにおいて接触するように第３部材３０が配置されている。第３部材３０の端面３０Ａ上に一方の端面１１において接触するように第１部材１０が配置されている。

第２部材２０を構成する第２金属および第３部材３０を構成する第３金属は、第１部材１０を構成する第１金属に比べて変形抵抗が小さい。本実施の形態において、第１金属としては、たとえば調質された（焼入処理および焼戻処理された）鋼（たとえばＪＩＳ規格ＳＣＭ４４０などの機械構造用合金鋼または機械構造用炭素鋼）が採用される。第２金属としては、銅合金（たとえば高力黄銅）が採用される。第３金属としては、銅が採用される。第３部材３０は、第１部材１０と第２部材２０とが接合された状態において第１部材１０と第２部材２０との間に生じる応力を緩和する。

このような金属部材１は、以下のような本実施の形態における金属部材の製造方法により製造することができる。

図２は、金属部材の製造方法の概略を示すフローチャートである。図３は、金属部材の製造装置の構造を示す概略図である。図４は、金属部材の製造装置の動作を示す概略断面図である。図５は、金属部材の製造装置に含まれる金型の構造を示す概略平面図である。

図２を参照して、本実施の形態における金属部材１の製造方法では、まず工程（Ｓ１０）として成形部材準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、図１を参照して、たとえば調質処理された機械構造用合金鋼からなる円筒形状の第１部材１０と、高力黄銅からなる円盤形状の第２部材２０と、銅からなる円盤形状または箔状の第３部材３０とが準備される。第１部材１０の一方の端面１１は、接合面となるべき平坦面である第１部材接触面となっている。第２部材２０の一方の端面２１は、接合面となるべき平坦面である第２部材接触面となっている。

次に、工程（Ｓ２０）として洗浄工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、工程（Ｓ１０）において準備された第１部材１０、第２部材２０および第３部材３０が洗浄される。第１部材１０、第２部材２０および第３部材３０が、メタノール、エタノール、アセトンなどの液体を用いて洗浄される。これにより、第１部材１０、第２部材２０および第３部材３０を準備するための切断、加工などのプロセスにおいて第１部材１０、第２部材２０および第３部材３０に付着した異物等が除去される。なお、本実施の形態の金属部材１の製造方法では、第２部材２０および第３部材３０の端面に対する精密な仕上げ加工は省略することが可能である。第２部材２０および第３部材３０の端面は切断のままの状態であってもよい。

次に、図２を参照して、閉塞摩擦接合工程が実施される。閉塞摩擦接合工程は、接合準備工程、摩擦工程および冷却工程を含んでいる。ここで、閉塞摩擦接合を実施することで金属部材１を製造する金属部材の製造装置について説明する。

図３を参照して、金属部材の製造装置である閉塞摩擦接合装置９は、軸α周りに回転可能な主軸９５と、主軸９５に対して軸α方向に間隔を置いて配置された基台部９８と、主軸９５を軸α方向に駆動することにより主軸９５と基台部９８との間隔を調整する駆動部９７と、主軸９５および基台部９８を支持するフレーム９０とを備えている。

図３を参照して、フレーム９０内には、軸αに対して平行に延在するシャフト９０Ａが設置されている。シャフト９０Ａは、主軸９５を支持する主軸支持部９０Ｃをシャフト９０Ａの延在方向に沿って移動可能に支持している。さらに、シャフト９０Ａには、シャフト９０Ａを駆動する主軸移動モータ９０Ｂが接続されている。シャフト９０Ａが主軸移動モータ９０Ｂによって駆動されることにより、主軸支持部９０Ｃにより支持される主軸９５が軸α方向に移動する。これにより、主軸９５と基台部９８との間隔を調整することができる。シャフト９０Ａ、主軸支持部９０Ｃおよび主軸移動モータ９０Ｂは、駆動部９７を構成する。

駆動部９７により主軸９５と基台部９８との間隔を調整して第１部材１０と第３部材３０とを接触させた状態（図４の状態）において、キャビティ９３Ａを規定するキャビティ側壁９３Ｃが、第３部材３０において第１部材１０に接触する面である第３接触面としての一方の端面３０Ａの外周を取り囲むように、回転側チャック９４および金型９３が配置されている。図４を参照して、軸α方向におけるキャビティ側壁９３Ｃの高さは、第２部材２０と第３部材３０の厚みの合計値よりも大きい。

図３を参照して、主軸９５には、基台部９８に対向するように第１部材１０を保持する第１保持部としての回転側チャック９４が設けられている。また、主軸９５には、主軸９５を軸α周りに回転駆動する主軸モータ９５Ｂが接続されている。さらに、主軸９５には、第１部材１０と第３部材３０との接触荷重を検知する荷重センサ９６が設置されている。この荷重センサ９６は、回転側チャック９４に加わる第１部材１０と第３部材３０との接触の反力の大きさから、第１部材１０と第３部材３０との接触荷重を検知する。荷重センサ９６は、閉塞摩擦接合装置９において必須の構成ではないが、これを設置することにより、第１部材１０と第３部材３０との接触荷重を適切な範囲に調整することが容易となる。

基台部９８には、回転側チャックに対向するように第２部材２０を保持する第２保持部としての金型９３が配置されている。図３および図４を参照して、基台部９８は、ベース体９１と、金型ホルダ９２と、金型９３とを含んでいる。ベース体９１は、フレーム９０上に設置されている。金型ホルダ９２は、ベース体９１上に固定されている。金型９３は、金型ホルダ９２に形成された凹部である金型保持部に嵌め込まれ、径方向チャック面９２Ｂにより固定されている。金型９３は、図５に示すように、２つの部品９９，９９に分離することができる。

図４および図５を参照して、金型９３は、円形の平面であるキャビティ底壁９３Ｂと、キャビティ底壁９３Ｂからキャビティ底壁９３Ｂに交差する方向（垂直な方向）に延在するキャビティ側壁９３Ｃとを含む。キャビティ底壁９３Ｂおよびキャビティ側壁９３Ｃは、キャビティ９３Ａを規定する。キャビティ側壁９３Ｃは、円形の形状を有するキャビティ底壁９３Ｂの外周に接続され、キャビティ底壁９３Ｂと同じ直径を有する円筒面形状を有している。

次に、閉塞摩擦接合工程の具体的な手順を説明する。図３および図４を参照して、工程（Ｓ３０）として実施される接合準備工程では、第１部材１０が外周面において回転側チャック９４に保持される。第２部材２０および第３部材３０が金型９３のキャビティ９３Ａ内にセットされる。

キャビティ９３Ａを規定するキャビティ底壁９３Ｂに端面において接触するように第２部材２０が配置される。第２部材２０の一方の端面２１に一方の端面において接触するように第３部材３０が積み重ねられて配置される。第１部材１０の一方の端面１１と第３部材３０の一方の端面３０Ａとが対向し、かつ第１部材１０、第２部材２０および第３部材３０の中心軸が回転側チャックの回転軸αに一致するように、第１部材１０、第２部材２０および第３部材３０は配置される。

キャビティ９３Ａ内には、離型剤が導入される。これにより、後述の工程（Ｓ４０）においてキャビティ９３Ａ内に離型剤が存在する状態で第１部材１０、第２部材２０および第３部材３０が加熱される。この離型剤の導入は必須の手順ではないが、離型剤を導入することにより、後述の工程（Ｓ５０）において第１部材１０と第２部材２０とが第３部材３０を介して接合されて構成される構造体を金型９３から取り外すことが容易となる。離型剤は、液体状であってもよいし粉体状であってもよい。

次に、工程（Ｓ４０）として摩擦工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、主軸９５が主軸モータ９５Ｂにより駆動されて軸α周りに回転するとともに、主軸移動モータ９０Ｂにより駆動されて基台部９８に近づく。これにより、回転側チャック９４が軸α周りに回転しつつ、金型９３に近づく。

第１部材１０が第３部材３０に接触すると、第１部材１０、第３部材３０および第２部材２０がこの順で積み重ねられた状態となる。そして、第１部材１０は、第３部材３０に押し付けられつつ、第２部材２０および第３部材３０に対する相対的な位置関係を変えることなく回転軸周りに相対的に回転する。第１部材１０と第３部材３０との接触部の温度が摩擦熱により上昇する。この摩擦熱により、第１部材１０、第２部材２０および第３部材３０が加熱される。第２部材２０の温度は、たとえば第２部材２０を構成する第２金属の軟化点以上の温度であって融点未満の温度にまで上昇する。第３部材３０の温度は、たとえば第３部材３０を構成する第３金属の軟化点以上の温度であって融点未満の温度にまで上昇する。

上述のように、第２部材２０および第３部材３０の変形抵抗は第１部材１０の変形抵抗に比べて小さい。加熱された第２部材２０および第３部材３０は軟化して変形し、金型９３のキャビティ側壁９３Ｃに接触する。これにより、第２部材２０および第３部材３０が第１部材１０とともに回転することが抑制されるとともに、さらなる変形も抑制される。そのため、第１部材１０と第３部材３０との摩擦によってさらなる熱が発生し、発生した熱がキャビティ９３Ａ内から放出されることが抑制される。

次に、工程（Ｓ５０）として冷却工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、まず主軸９５の回転数を低下させ、停止させる。その後、荷重センサ９６により検知される押し付け荷重を低下させる。この間、第１部材１０と第２部材２０とは第３部材３０を挟んで互いに押し付け合う状態を維持しつつ、第１部材１０、第２部材２０および第３部材３０は冷却される。第１部材１０、第２部材２０および第３部材３０は積み重ねられた状態で冷却される。これにより、第１部材１０と第２部材２０とが第３部材３０を介して接合される。

押し付け荷重が０とされた後、第１部材１０と第２部材２０とが第３部材３０を介して接合されて構成される構造体である金属部材１が閉塞摩擦接合装置９から取り出される。以上の手順により、閉塞摩擦接合工程が完了する。

次に、工程（Ｓ６０）として、機械加工工程が実施される。この工程（Ｓ６０）では、工程（Ｓ５０）において得られた金属部材１に対して機械加工が実施される。工程（Ｓ６０）では、たとえば工程（Ｓ４０）において第２部材２０が変形して形成されるバリが除去される。

次に、工程（Ｓ７０）としてガス軟窒化工程が実施される。この工程（Ｓ７０）では、工程（Ｓ６０）において機械加工が実施されて得られた金属部材１に対してガス軟窒化処理が実施される。具体的には、アンモニアガスを含む雰囲気中で第１部材１０を構成する鋼のＡ_１変態点未満の温度に加熱されることにより、第１部材１０の表層部に窒化層が形成される。その後、必要に応じて仕上げ処理が実施され、本実施の形態の金属部材１が完成する。

このように、本実施の形態における閉塞摩擦接合装置９を用いた金属部材１の製造方法によれば、第１金属からなる第１部材１０と、第１金属よりも変形抵抗が小さい第２金属からなる第２部材２０とが第１金属よりも変形抵抗が小さい第３金属からなる第３部材３０を介して接合された構造を有する金属部材１を製造することができる。異なる金属からなる第１部材１０と第２部材２０とが接合層である第３部材３０を介して互いに接合された構造を有する金属部材１を製造することができる。第１部材１０、第２部材２０および第３部材３０を同時に接合することができる。

また、第３部材３０を構成する第３金属である銅の熱膨張係数は、第１部材１０を構成する第１金属である鋼の熱膨張係数よりも大きく、第２部材２０を構成する第２金属である黄銅の熱膨張係数よりも小さい。そのため、第３部材３０は、工程（Ｓ７０）において実施される熱処理によって熱膨張係数の違いに起因して発生する第１部材１０と第２部材２０との間の応力を緩和することができる。第３部材３０を第１部材１０と第２部材２０との間に介在させることにより、熱膨張係数の違いに起因して発生する上記応力によって亀裂が発生することを抑制することができる。

（実施の形態２）
次に、本発明の他の実施の形態である実施の形態２について説明する。実施の形態２において製造される金属部材は、基本的には実施の形態１の場合と同様の構造を有する。しかし、実施の形態２の金属部材１は、第３部材３０が環状の形状を有している点において実施の形態１の場合とは異なっている。

図６を参照して、実施の形態２における第３部材３０は環状の形状を有する。第３部材３０は、中心軸を含む領域に貫通穴が形成された円環状の形状を有している。第３部材３０の貫通穴に対応する領域において、第１部材１０と第２部材２０とは直接接合されている。

このような金属部材１は、以下のような実施の形態２における金属部材の製造方法により製造することができる。実施の形態２における金属部材の製造方法は、基本的には実施の形態１の場合と同様に実施され、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態２における金属部材の製造方法では、円環状の第３部材３０が用いられる点において実施の形態１の場合とは異なっている。

図２および図７を参照して、実施の形態２の工程（Ｓ１０）（成形部材準備工程）においては、円環状の第３部材３０が準備される。そして、円環状の第３部材３０を用いて閉塞摩擦接合工程が実施されることにより、軟化した第２部材２０が第３部材３０の貫通穴内に侵入し、本実施の形態の金属部材１が得られる。

熱膨張係数の違いに起因して発生する応力は、金属部材１の外周面に近づくにしたがって大きくなる。金属部材１の外周面を含む領域において第１部材１０と第２部材２０との間に第３部材３０が介在することにより、応力の大きい領域において当該応力を有効に緩和することができる。

（実施の形態３）
次に、本発明のさらに他の実施の形態である実施の形態３について説明する。図８は、実施の形態３の金属部材の製造方法により製造可能な金属部材（機械部品）の構造を示す概略断面図である。図８を参照して、金属部材１は、第１金属からなる第１部材１０と第２金属からなる第２部材２０とが第３金属からなる第３部材３０を介して接合された構造を有している。

第１部材１０は、円筒状（円盤状）の形状を有している。第１部材１０の一方の端面１１が接合面となっている。第２部材２０は円筒状の形状を有している。第２部材２０の一方の端面２１が接合面となっている。第３部材３０は円盤状の形状を有している。第３部材３０は、第１部材１０と第２部材２０との間に介在する接合層（中間層）である。第１金属、第２金属および第３金属としては、実施の形態１の場合と同様の金属が採用される。

第２部材２０の一方の端面２１上に一方の端面３０Ａにおいて接触するように第３部材３０が配置されている。第３部材３０の他方の端面３０Ｂ上に一方の端面１１において接触するように第１部材１０が配置されている。第３部材３０は、第１部材１０と第２部材２０とが接合された状態において第１部材１０と第２部材２０との間に生じる応力を緩和する。

図２は、金属部材の製造方法の概略を示すフローチャートである。図９は、金属部材の製造装置の構造を示す概略図である。図１０は、金属部材の製造装置の動作を示す概略断面図である。図１１および図１２は、金属部材の製造方法を説明するための概略断面図である。

図２を参照して、本実施の形態における金属部材１の製造方法では、まず工程（Ｓ１０）として成形部材準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、図１０を参照して、たとえば調質処理された機械構造用合金鋼からなる第１部材１０と、高力黄銅からなる第２部材２０と、銅からなる第３部材３０が準備される。第２部材２０は、円筒状の形状を有している。第３部材３０は円盤状の形状または箔状の形状を有している。

第１部材１０は円筒形状（円盤形状）を有している。第１部材１０は、凹部１０Ａを有している。凹部１０Ａは、第１部材１０の中心軸を含むように形成される。凹部１０Ａは、円筒状の形状を有している。第１部材１０の中心軸と凹部１０Ａの中心軸とは一致する。第１部材１０は、凹部１０Ａを規定する凹部底面１１と、凹部１０Ａを規定し、凹部底面１１に交差する方向に延びる凹部側面１２とを含む。

第１部材１０の凹部底面１１は、第３部材３０を介して第２部材２０に接合されるべき平坦面である第１部材接触面となっている。第２部材２０の一方の端面２１は、第３部材３０を介して第１部材１０に接合されるべき平坦面である第２部材接触面となっている。

次に、工程（Ｓ２０）として洗浄工程が実施される。この工程（Ｓ２０）は、上記実施の形態１と同様に実施される。なお、本実施の形態の金属部材１の製造方法では、第２部材２０の一方の端面２１に対する精密な仕上げ加工は省略することが可能である。第２部材２０の一方の端面２１は切断のままの状態であってもよい。

図９を参照して、実施の形態３における金属部材の製造装置である閉塞摩擦接合装置９は、基本的には実施の形態１の場合と同様の構造を有し、同様に動作する。以下、実施の形態１の場合と異なる点について説明する。

主軸９５には、基台部９８に対向するように第２部材２０を保持する回転側チャック９４が設けられている。基台部９８には、回転側チャック９４に対向するように第１部材１０を保持する固定側チャック９２が配置されている。図９および図１０を参照して、基台部９８は、ベース体９１と、固定側チャック９２とを含んでいる。固定側チャック９２は、ベース体９１上に固定されている。固定側チャック９２は、第１部材１０を軸方向に保持する底面９２Ａと、第１部材１０を径方向に保持する径方向チャック面９２Ｂとを含んでいる。

次に、閉塞摩擦接合工程の具体的な手順を説明する。図９を参照して、工程（Ｓ３０）として実施される接合準備工程では、第２部材２０が外周面において回転側チャック９４に保持される。また、第１部材１０が外周面において固定側チャック９２に保持される。第３部材３０は、第１部材１０の凹部１０Ａ内に配置される。凹部底面１１と第３部材３０の端面とが接触する。

第１部材１０の凹部底面１１上に配置された第３部材３０の一方の端面３０Ａと第２部材２０の一方の端面２１とが対向し、かつ第１部材１０、第２部材２０および第３部材３０の中心軸が回転側チャック９４の回転軸αに一致するように、第１部材１０、第２部材２０および第３部材３０は配置される。

次に、工程（Ｓ４０）として摩擦工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、主軸９５が主軸モータ９５Ｂにより駆動されて軸α周りに回転するとともに、主軸移動モータ９０Ｂにより駆動されて基台部９８に近づく。これにより、回転側チャック９４が軸α周りに回転しつつ、固定側チャック９２に近づく。

そして、図１０に示すように、第２部材２０は、少なくとも一部（一方の端面２１を含む領域）が凹部１０Ａに進入する状態で第１部材１０および第３部材３０に対する相対的な位置を変えることなく、第３部材３０に対して所定の荷重にて押し付けられつつ相対的に回転する。第３部材３０の一方の端面３０Ａに対して第２部材２０が相対的に押し付けられつつ回転する。これにより、第１部材１０、第２部材２０および第３部材３０の温度が摩擦熱により上昇する。

回転の開始時点において、第２部材２０の外周面２２と第１部材１０の凹部側面１２との間には隙間が形成される。回転の開始時点において、第２部材２０の外周面２２と第１部材１０の凹部側面１２とは接触しない。

上述のように、第２部材２０の変形抵抗は第１部材１０の変形抵抗に比べて小さい。図１１を参照して、加熱された第２部材２０は軟化して変形し、凹部側面１２に接触する。第２部材２０の変形は第１部材１０の凹部１０Ａを規定する壁面（凹部底面１１および凹部側面１２）により制限される。そのため、摩擦によって発生した熱が凹部１０Ａ内から放出されることが抑制される。凹部１０Ａは、軟化した第２部材２０および第３部材３０により充填される。第２部材２０が変形することにより、バリ２９が形成される。第２部材２０の温度は、たとえば第２部材２０を構成する第２金属の軟化点以上の温度であって融点未満の温度にまで上昇する。第３部材３０の温度は、たとえば第３部材３０を構成する第３金属の軟化点以上の温度であって融点未満の温度にまで上昇する。

押し付け荷重が０とされた後、第１部材１０と第２部材２０とが第３部材３０を介して接合されて構成される構造体である金属部材１が閉塞摩擦接合装置９から取り出される（図１２参照）。以上の手順により、閉塞摩擦接合工程が完了する。

次に、工程（Ｓ６０）として、機械加工工程が実施される。この工程（Ｓ６０）では、工程（Ｓ５０）において得られた金属部材１に対して切削等の機械加工が実施される。図１２を参照して、工程（Ｓ６０）では、第１部材１０と第２部材２０とが接合された状態で工程（Ｓ４０）において第２部材２０が変形して形成されたバリ２９が除去される。

図１２を参照して、工程（Ｓ６０）では、さらに第１部材１０と第２部材２０とが第３部材３０を介して接合された状態で凹部側面１２が除去されるように第１部材１０が加工される。破線Ａに沿って第１部材１０および第２部材２０が切削加工されることにより、凹部側面１２を含む外周領域およびバリ２９が除去される。以上の手順により、図８に示す第１部材１０と第２部材２０との接合体である金属部材１が得られる。凹部側面１２を含む外周領域の除去とバリ２９の除去とは連続的に一工程として実施されてもよいし、別工程として時間をおいて実施されてもよい。その後、実施の形態１の場合と同様に工程（Ｓ７０）としてガス軟窒化工程が実施される。さらに、必要に応じて仕上げ加工等が実施されて金属部材１が完成する。

なお、上記実施の形態１〜３の工程（Ｓ４０）において、温度が上昇した状態における第２部材２０（第２金属）および第３部材３０（第３金属）の変形抵抗は第１部材１０（第１金属）の変形抵抗に比べて１０％以上小さいことが好ましく、５０％以上小さいことがより好ましく、８０％以上小さいことがさらに好ましい。上述のように、第１部材１０（第１金属）に比べて第２部材２０（第２金属）および第３部材３０（第３金属）の変形抵抗が小さい場合、本実施の形態のように第１部材１０と第２部材２０とを第３部材３０を介して接合することができる。しかし、第１部材１０の変形抵抗と第２部材２０および第３部材３０の変形抵抗との差が小さい場合、工程（Ｓ４０）において第２部材２０および第３部材３０だけでなく第１部材１０も変形するおそれがある。

このような場合、第１部材１０と第２部材２０とを、第３部材３０を介して良好に接合することが難しくなる。工程（Ｓ４０）において第１部材１０、第２部材２０および第３部材３０の温度を厳密に管理する必要が生じる。工程（Ｓ４０）において、温度が上昇した状態における第２金属および第３金属の変形抵抗を第１金属の変形抵抗に比べて１０％以上小さく設定することにより、良好な接合を達成することが容易となり、５０％以上小さく設定すること、さらには８０％以上小さく設定することにより、良好な接合を達成することが一層容易となる。

上記実施の形態１と同様の手順により第１部材１０と第２部材２０とを第３部材３０を介して接合して金属部材１のサンプルを作製する実験を行った。第１部材１０を構成する金属（第１金属）としては、鋼（機械構造用合金鋼）であるＪＩＳ規格ＳＣＭ４４０（焼入および焼戻処理済み）を採用した。第２部材２０を構成する金属（第２金属）としては、高力黄銅を採用した。第３部材３０を構成する金属（第３金属）としては、銅を採用した。得られたサンプルを接合面に垂直な断面で切断した断面の写真を図１３に示す。

図１３を参照して、第１部材１０と第２部材２０とが第３部材３０を介して良好に接合されていることが分かる。この実験結果から、本発明の金属部材の製造方法によれば、異なる金属からなる部材同士が接合層を介して互いに接合された構造を有する金属部材を製造できることが確認される。

なお、上記実施の形態および実施例においては、第１部材を構成する金属（第１金属）として鋼を採用し、第２部材を構成する金属（第２金属）として黄銅を採用し、第３部材を構成する金属（第３金属）として銅を採用する場合について例示したが、本発明において採用可能な金属はこれらに限られない。採用可能な金属の組み合わせの一例を表１に示す。

表１に示すように、本発明の金属部材の製造方法においては、第１金属からなる第１部材、第１金属に比べて変形抵抗の小さい第２金属からなる第２部材、および第１金属に比べて変形抵抗の小さい第３金属からなる第３部材の種々の組み合わせを採用可能である。

また、上記実施の形態においては、第３金属の熱膨張係数が、第１金属の熱膨張係数よりも大きく、第２金属である黄銅の熱膨張係数よりも小さいことにより、第１部材１０と第２部材２０との間の応力を緩和する場合について説明したが、たとえば第３金属のヤング率が小さいことにより上記応力が緩和されてもよい。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、請求の範囲によって示された範囲、ならびに請求の範囲と均等な意味および範囲内でのすべての変更、改良が含まれることが意図される。

本発明の金属部材の製造方法は、異なる金属からなる部材同士が接合層を介して互いに接合された構造を有する金属部材の製造に、特に有利に適用され得る。

１金属部材、９閉塞摩擦接合装置、１０第１部材、１０Ａ凹部、１１端面（凹部底面）、１２凹部側面、２０第２部材、２１端面、２２外周面、２９バリ、３０第３部材、３０Ａ端面、９０フレーム、９０Ａシャフト、９０Ｂ主軸移動モータ、９０Ｃ主軸支持部、９１ベース体、９２金型ホルダ（固定側チャック）、９２Ａ底面、９２Ｂ径方向チャック面、９３金型、９３Ａキャビティ、９３Ｂ
キャビティ底壁、９３Ｃキャビティ側壁、９４回転側チャック、９５主軸、９５Ｂ主軸モータ、９６荷重センサ、９７駆動部、９８基台部、９９部品。

Claims

第１金属からなる第１部材、第２金属からなる第２部材および第３金属からなる第３部材を準備する工程と、
前記第１部材と前記第２部材とを前記第３部材を介して接合する工程と、を備え、
前記第１部材と前記第２部材とを接合する工程は、
前記第１部材、前記第３部材および前記第２部材をこの順で積み重ね、前記第１部材を前記第３部材に押し付け、前記第２部材および前記第３部材に対する相対的な位置関係を変えることなく回転軸周りに相対的に回転させることにより、前記第１部材、前記第２部材および前記第３部材を加熱する工程と、
加熱された前記第１部材、前記第２部材および前記第３部材を積み重ねた状態で冷却する工程と、を含む、金属部材の製造方法。
前記第２金属および前記第３金属は前記第１金属よりも変形抵抗が小さく、
前記第１部材、前記第２部材および前記第３部材を加熱する工程では、金型のキャビティ内に前記第２部材および前記第３部材が配置される、請求項１に記載の金属部材の製造方法。
前記金型は、
前記キャビティを規定するキャビティ底壁と、
前記キャビティを規定し、前記キャビティ底壁に交差する方向に延在するキャビティ側壁と、を含む、請求項２に記載の金属部材の製造方法。
前記第１部材、前記第２部材および前記第３部材を加熱する工程では、前記第３部材において前記第１部材に接触する面である第３接触面が、前記キャビティ側壁に取り囲まれる、請求項３に記載の金属部材の製造方法。
前記第１部材、前記第２部材および前記第３部材を加熱する工程では、前記金型を固定し、前記第１部材を回転させる、請求項２〜４のいずれか１項に記載の金属部材の製造方法。
前記第２金属および前記第３金属は前記第１金属よりも変形抵抗が小さく、
前記第１部材には凹部が形成されており、
前記第１部材、前記第２部材および前記第３部材を加熱する工程では、前記凹部内に前記第３部材を配置し、前記第２部材を、少なくとも一部が前記凹部に進入する状態で前記第３部材に相対的に押し付けつつ回転させることにより、前記第１部材、前記第２部材および前記第３部材を加熱する、請求項１に記載の金属部材の製造方法。
前記第１部材は、
前記凹部を規定する凹部底面と、
前記凹部を規定し、前記凹部底面に交差する方向に延びる凹部側面と、を含み、
前記第１部材、前記第２部材および前記第３部材を加熱する工程では、前記第１部材の前記凹部底面に接触して配置された前記第３部材に前記第２部材が相対的に押し付けられつつ回転する、請求項６に記載の金属部材の製造方法。
前記第１部材、前記第２部材および前記第３部材を加熱する工程では、前記第２部材が変形することにより前記凹部側面に接触する、請求項６または７に記載の金属部材の製造方法。
前記第１部材と前記第２部材とが接合した状態で前記凹部側面が除去されるように前記第１部材が加工される工程をさらに備える、請求項６〜８のいずれか１項に記載の金属部材の製造方法。
前記第１部材、前記第２部材および前記第３部材を加熱する工程では、前記第１部材を固定し、前記第２部材を回転させる、請求項６〜９のいずれか１項に記載の金属部材の製造方法。
前記第１部材と前記第２部材とが接合した状態で、前記第１部材、前記第２部材および前記第３部材を加熱する工程において前記第２部材が変形して形成されたバリを除去する工程をさらに備える、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の金属部材の製造方法。
前記第３部材は、前記第１部材と前記第２部材とが接合された状態において前記第１部材と前記第２部材との間に生じる応力を緩和する、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の金属部材の製造方法。
前記第１部材、前記第２部材および前記第３部材を加熱する工程において、温度が上昇した状態における前記第２金属および前記第３金属の変形抵抗は前記第１金属の変形抵抗に比べて１０％以上小さい、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の金属部材の製造方法。