JP6553715B2 - 金属部材の製造方法 - Google Patents

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互いに直接強固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部材と、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部材と、を準備する工程と、底壁と、底壁から底壁に交差する方向に延在する側壁とにより規定されるキャビティが形成された金型のキャビティ内に第２部材を配置する工程と、第１部材を、キャビティ内に配置された第２部材に押し付け、第２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部材および第２部材を加熱する工程と、加熱された第１部材と第２部材とを互いに接触させた状態で冷却することにより、第１部材と第２部材とを接合する工程と、を備える。第２部材を配置する工程では、第２部材において第１部材に接触する面である第２部材接触面が、キャビティを規定する側壁に取り囲まれるように第２部材が配置される。

本発明の金属部材の製造方法においては、第１部材を、金型内に配置された第２部材に接触させた状態で第２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部材および第２部材を加熱する。このとき、第２部材の変形抵抗が第１部材に比べて小さいため、第２部材が変形して金型のキャビティを規定する側壁に接触する。これにより、第２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２部材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内から放出されることが抑制される。このようにして加熱された第１部材と第２部材とを接触した状態で維持しつつこれらを冷却することにより、第１部材と第２部材とが直接接合される。

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互いに直接強固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は、第１部材および第２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る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では、前記第１部材および前記第２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％以上小さくてもよい。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互いに直接強固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。

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。 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。 鋼からなる第１部材と黄銅からなる第２部材とが接合された金属部材の一例を示す写真である。 鋼からなる第１部材と黄銅からなる第２部材とが接合された金属部材の一例を示す写真である。 鋼からなる第１部材とアルミニウム合金からなる第２部材とが接合された金属部材の一例を示す写真である。 鋼からなる第１部材とアルミニウム合金からなる第２部材とが接合された金属部材の一例を示す写真である。 鋼からなる第１部材とアルミニウム合金からなる第２部材との界面付近の状態を示すＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）写真である。 黄銅からなる第１部材と鋼からなる第２部材との接合を試みたサンプルの状態を示す写真である。 黄銅からなる第１部材と鋼からなる第２部材との接合を試みたサンプルの状態を示す写真である。

以下、本発明の一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。

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２と第２金属からなる第２部材３とが接合された構造を有している。

第１部材２は、円筒状の形状を有している。第１部材２の一方の端面２Ａが第２部材３との接合面となっている。第２部材３は円盤状の形状を有している。第２部材３の一方の端面３Ａが第１部材２との接合面となっている。第２部材３を構成する第２金属は、第１部材２を構成する第１金属に比べて変形抵抗が小さい。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２と、高力黄銅からなる円盤形状の第２部材３とが準備される。第１部材２の一方の端面２Ａは、第２部材３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３の一方の端面３Ａは、第１部材２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）では、工程（Ｓ１０）において準備された第１部材２および第２部材３が洗浄される。第１部材２および第２部材３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２および第２部材３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２および第２部材３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３の一方の端面３Ａ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３の一方の端面３Ａ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。このシャフト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２と第２部材３とを接触させた状態（図４の状態）において、キャビティ１０を規定する側壁１２が、第２部材３において第１部材２に接触する面である一方の端面３Ａの外周を取り囲むように、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方向における側壁１２の高さは、第２部材３の厚みよりも大きい。

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２を保持する第１保持部としてのチャック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２と第２部材３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、チャック９４に加わる第１部材２と第２部材３との接触の反力の大きさから、第１部材２と第２部材３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２と第２部材３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、チャック９４に対向するように第２部材３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９２Ａに嵌め込まれて固定されている。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、円形の平面である底壁１１と、底壁１１から底壁１１に交差する方向（垂直な方向）に延在する側壁１２とを含む。底壁１１および側壁１２は、キャビティ１０を規定する。側壁１２は、円形の形状を有する底壁１１の外周に接続され、底壁１１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２が外周面においてチャック９４に保持されるとともに、第２部材３が金型９３のキャビティ１０内にセットされる。このとき、第１部材２の一方の端面２Ａと第２部材３の一方の端面３Ａとが対向し、かつ第１部材２および第２部材３の中心軸がチャック９４の回転軸αに一致するように、第１部材２および第２部材３は配置される。

キャビティ１０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１０内に離型剤が存在する状態で第１部材２および第２部材３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２と第２部材３とが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、チャック９４が軸α周りに回転しつつ、金型９３に近づく。

そして、第１部材２は、第２部材３に対する相対的な位置を変えることなく、第２部材３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１部材２と第２部材３との接触部（接合部）の温度が摩擦熱により上昇する。第２部材３の温度は、たとえば第２部材３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。

上述のように、第２部材３の変形抵抗は第１部材２の変形抵抗に比べて小さい。加熱された第２部材３は軟化して変形し、金型９３の側壁１２に接触する。これにより、第２部材３が第１部材２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２と第２部材３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１０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２と第２部材３とは互いに押し付け合う状態を維持しつつ、第１部材２と第２部材３との接触部は冷却される。これにより、第１部材２と第２部材３とが接合される。押し付け荷重が０とされた後、第１部材２と第２部材３とが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３が変形して形成されるバリが除去される。その後、必要に応じて熱処理、仕上げ加工等が実施されて金属部材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２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３とが直接強固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。異なる金属からなる部材同士が互いに直接強固に接合された構造を有する金属部材１が製造される。

なお、工程（Ｓ４０）において、温度が上昇した状態における第２部材３（第２金属）の変形抵抗は第１部材２（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い。上述のように、第１部材２（第１金属）に比べて第２部材３（第２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２と第２部材３とを接合することができる。しかし、第１部材２の変形抵抗と第２部材３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３だけでなく第１部材２も変形して金型９３の側壁１２に接触するおそれがある。

このような場合、第１部材２と第２部材３とを良好に接合することが難しくなる。そのため、工程（Ｓ４０）において第１部材２および第２部材３の温度を厳密に管理する必要が生じる。温度が上昇した状態における第２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る。温度が上昇した状態における第２金属の変形抵抗を第１金属の変形抵抗に比べて５０％以上小さく、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。

上記実施の形態と同様の手順により第１部材２と第２部材３とを接合して金属部材１のサンプルを作製する実験を行った。第１部材２を構成する金属（第１金属）としては、鋼（機械構造用合金鋼）を採用した。第２部材を構成する金属（第２金属）としては、高力黄銅（実施例Ａ）および６０００系アルミニウム合金（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金）（実施例Ｂ）を採用した。また、比較のため、第１部材２を構成する金属として高力黄銅を採用し、第２部材３を構成する金属として鋼を採用した場合についても同様の手順で金属部材のサンプルの作製を試みた。実験に供した金属の組み合わせを表１に示す。また、得られたサンプルの写真を図６〜図１２に示す。

表１を参照して、実施例Ａおよび実施例Ｂの金属の組み合わせにおいて、第２部材３の変形抵抗は、第１部材２の変形抵抗よりも小さい。比較例Ａの金属の組み合わせにおいて、第２部材３の変形抵抗は、第１部材２の変形抵抗よりも大きい。

図６および図７は、実施例Ａの金属の組み合わせにより得られたサンプルの写真である。図６および図７を参照して、実施例Ａの組み合わせであれば、第１部材２と第２部材３とが良好に接合された金属部材が作製されている。

図８および図９は、実施例Ｂの金属の組み合わせにより得られたサンプルの写真である。図８および図９を参照して、実施例Ｂの組み合わせでも、第１部材２と第２部材３とが良好に接合された金属部材が作製されている。

図１０は、実施例Ｂにおいて得られた金属部材の第１部材２と第２部材３との界面付近を示すＳＥＭ写真である。図１０を参照して、第１部材２と第２部材３との界面には、反応層８が形成されていることが分かる。分析の結果、反応層８は鉄とアルミニウムとの金属間化合物であることが分かった。このような反応層８が形成されつつ、第１部材２と第２部材３とは直接強固に接合されている。

図１１および図１２は、比較例Ａの金属の組み合わせにより得られたサンプルの写真である。図１１および図１２を参照して、比較例Ａの組み合わせの場合、第１部材２と第２部材３との良好な接合は達成されなかった。

これは、摩擦工程である工程（Ｓ４０）において高力黄銅からなる第１部材２の変形が大きくなり、第１部材２が金型９３の側壁１２に接触しつつ回転したためであると考えられる。第１部材２が変形して形成されたバリが大きくなっている。また、第２部材３と接合されるべき第１部材２の領域が大きくえぐり取られたむしれ部２Ｄが形成されている。

以上の実験結果から、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互いに直接強固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）として黄銅およびアルミニウム合金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２に示す。

表２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部材と、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部材との種々の組み合わせを採用可能である。

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互いに直接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、２ 第１部材、２Ａ 端面、２Ｄ むしれ部、３ 第２部材、３Ａ 端面、８ 反応層、９ 閉塞摩擦接合装置、１０ キャビティ、１１ 底壁、１２ 側壁、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、９２Ａ 金型保持部、９３ 金型、９４ 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 (3)

1. 第１金属からなる第１部材と、前記第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部材と、を準備する工程と、
   前記第１部材と前記第２部材とを接合する工程と、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、
   底壁と、前記底壁から前記底壁に交差する方向に延在する側壁とにより規定されるキャビティが形成された金型の前記キャビティ内に前記第２部材を配置する工程と、
   前記第１部材を、前記キャビティ内に配置された前記第２部材に押し付け、前記第２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部材および前記第２部材を加熱する工程と、
   加熱された前記第１部材と前記第２部材とを互いに接触させた状態で冷却する工程と、を含み、
   前記第２部材を配置する工程では、前記第２部材において前記第１部材に接触する面である第２部材接触面が、前記キャビティの前記側壁に取り囲まれ、かつ前記第２部材と前記側壁との間に間隔が形成されるように前記第２部材が配置される、金属部材の製造方法。
2. 前記第１部材および前記第２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るバリを除去する工程をさらに備える、請求項１に記載の金属部材の製造方法。
3. 前記第１部材および前記第２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または２に記載の金属部材の製造方法。