JPWO2015056315A1 - 摺動部品、摺動部品の製造方法および摺動部品の製造装置 - Google Patents

Abstract

摺動部品であるピストンシュー（１）は、鋼からなるベース部（２）と、摺動面（３１）が形成され、銅合金からなり、ベース部（２）に接合された摺動部（３）とを備える。そして、ベース部（２）に、摺動部（３）に接合される面であるベース部接合面（２３）を含むように、ベース部（２）の他の領域に比べて結晶粒が小さいベース部接合領域（２４）が形成されつつ、ベース部（２）と摺動部（３）とが接合されている。

Description

本発明は摺動部品、摺動部品の製造方法および摺動部品の製造装置に関し、より特定的には、銅合金からなる摺動部と、摺動部に接合された鋼または鋳鉄からなるベース部とを備えた摺動部品、摺動部品の製造方法および摺動部品の製造装置に関するものである。

他の部品に対して摺動する摺動部品として、摺動面が形成された銅合金からなる摺動部を、鋼または鋳鉄からなるベース部に固定した構造を有するものが用いられる場合がある。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。そして、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。

しかし、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

しかしながら、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、たとえば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、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、摺動部がベース部に対して安定して固定された摺動部品を提供することである。

本発明に従った摺動部品は、摺動面を有する摺動部品である。この摺動部品は、鋼または鋳鉄からなるベース部と、摺動面が形成され、銅合金からなり、ベース部に接合された摺動部とを備えている。そして、ベース部に、摺動部に接合される面であるベース部接合面を含むように、ベース部の他の領域に比べて結晶粒が小さいベース部接合領域が形成されつつ、ベース部と摺動部とが接合されている。

本発明の摺動部品では、ベース部と摺動部とが接合されるとともに、ベース部接合面を含むように、ベース部の他の領域に比べて結晶粒が小さいベース部接合領域が形成されている。すなわち、本発明の摺動部品は、結晶粒が小さいことにより靱性に優れたベース部接合領域と摺動部とが接合された構造を有する。その結果、たとえば摺動部品に衝撃が加わった場合でも、摺動部がベース部に対して安定して固定される。このように、本発明の摺動部品によれば、摺動部がベース部に対して安定して固定された摺動部品を提供することができる。

上記摺動部品においては、ベース部接合領域の、ベース部接合面に垂直な方向における厚みは、摺動部品の内部に比べて表面を含む領域において大きくなっていてもよい。このようにすることにより、接合面近傍において、亀裂の起点となる可能性のあるベース部の表層領域に、高い靱性をより確実に付与することができる。

上記摺動部品においては、摺動部には、ベース部に接合される面である摺動部接合面を含むように、摺動部の他の領域に比べて硬度の低い摺動部接合領域が形成されていてもよい。これにより、摺動部とベース部との接合部におけるひずみを緩和することができる。

上記摺動部品においては、摺動部接合領域の、摺動部接合面に垂直な方向における厚みは０．２ｍｍ以下であってもよい。このように、摺動部接合領域の厚みを必要以上に大きくしないことにより、摺動部に十分な強度を付与することができる。

上記摺動部品において、上記銅合金は高力黄銅であってもよい。高力黄銅は、高い強度と優れた摺動特性とを併せ持つ材料であり、摺動部を構成する材料として好適である。

上記摺動部品においては、上記摺動部を構成する高力黄銅は、マトリックスに比べて高い硬度を有する析出物を含み、摺動部接合領域内の析出物の大きさは、摺動部の他の領域の析出物の大きさに比べて小さくなっていてもよい。このようにすることにより、接合部近傍の摺動部の靱性を向上させることができる。

上記摺動部品においては、摺動部接合領域内の摺動部接合面に接する領域に、上記析出物が集合した析出物集合部が形成されていてもよい。摺動部接合面近傍に微細な析出物の集合部を形成することにより、靱性を大幅に低下させることなく、摺動部接合面近傍の強度を向上させることができる。

上記摺動部品においては、上記摺動部接合領域は、摺動部の他の領域に比べてα相の割合が多くなっていてもよい。このようにすることにより、接合部近傍の摺動部の靱性を向上させることができる。

本発明に従った摺動部品の製造方法は、鋼または鋳鉄からなるベース部材と、銅合金からなる摺動部材とを準備する工程と、ベース部材を、摺動部材に接触させつつ相対的に滑らせることにより摩擦熱を発生させ、ベース部材において摺動部材に接触する面であるベース部材接触面を含む領域をＡ_１変態点以上の温度に加熱する工程と、加熱されたベース部材と、摺動部材とを接触させた状態で保持することにより上記ベース部材接触面を含む領域をＡ_１変態点未満の温度に冷却して、ベース部材と摺動部材とを接合する工程とを備えている。

本発明の摺動部品の製造方法では、ベース部材を、摺動部材に接触させつつ相対的に滑らせることにより摩擦熱を発生させ、ベース部材接触面を含む領域をＡ_１変態点以上の温度に加熱する。その後、ベース部材と摺動部材とを接触させた状態で保持して冷却することにより、ベース部材接触面を含む領域の結晶粒が微細化されつつベース部材と摺動部材とが接合される。このようにすることにより、摺動部がベース部に対して安定して固定された上記本発明の摺動部品を容易に製造することができる。

上記摺動部品の製造方法において、ベース部材接触面を含む領域をＡ_１変態点以上の温度に加熱する工程では、ベース部材が、摺動部材に対する相対的な位置を変えることなく、摺動部材に対して押し付けられつつ相対的に回転してもよい。

このようにすることにより、摺動部材とベース部材との位置関係を変えることなく摩擦熱を発生させることができるため、摺動部材とベース部材とを所望の位置関係で接合することが容易となる。

上記摺動部品の製造方法において、ベース部材接触面を含む領域をＡ_１変態点以上の温度に加熱する工程、およびベース部材と摺動部材とを接合する工程では、摺動部材においてベース部材に接触する面である摺動部材接触面の外周側において摺動部材が拘束されてもよい。

このようにすることにより、軟化した摺動部材の変形量が抑制される。その結果、接合後の機械加工における加工量が低減され、摺動部材の材料の歩留りが向上する。また、摺動部材の厚みが小さい場合でも、摺動部材において塑性変形した領域が摺動部品の摺動面に露出することが抑制され、摺動部品の摺動特性が安定する。

上記摺動部品の製造方法において、上記銅合金は高力黄銅であってもよい。高力黄銅は、高い強度と優れた摺動特性とを併せ持つ材料であるため、摺動部材を構成する材料として好適である。

上記摺動部品の製造方法は、ベース部材と摺動部材とが接合された状態で、摺動部材を加熱することにより、摺動部材の摺動部材接触面に接する摺動部材内の領域に他の領域に比べてα相の割合が多い領域を形成する工程をさらに備えていてもよい。これにより、接合部近傍の靱性を向上させることができる。

本発明に従った摺動部品の製造装置は、鋼または鋳鉄からなるベース部材と、銅合金からなる摺動部材とを接合することにより摺動部品を製造する摺動部品の製造装置である。この摺動部品の製造装置は、軸周りに回転可能な主軸と、主軸に対して軸方向に間隔を置いて配置された基台部と、主軸と基台部との間隔を調整する間隔調整部とを備えている。主軸には、基台部に対向するようにベース部材または摺動部材の一方を保持する第１保持部が設けられている。基台部には、第１保持部に対向するようにベース部材または摺動部材の他方を保持する第２保持部が設けられている。そして、間隔調整部により主軸と基台部との間隔を調整してベース部材と摺動部材とを接触させた状態において、摺動部材を保持する第１保持部または第２保持部が、摺動部材のベース部材に接触する面である摺動部材接触面の外周を取り囲むように、第１保持部材および第２保持部材が配置されている。

本発明の摺動部品の製造装置を用いて上記摺動部品の製造方法を実施することにより、本発明の摺動部品を容易に製造することができる。より具体的には、第１保持部および第２保持部の一方にベース部材を、他方に摺動部材を保持した状態で主軸を軸周りに回転させつつ、間隔調整部により主軸と基台部との間隔を調整してベース部材を摺動部材に対して押し付けることにより、ベース部材および摺動部材を加熱する。その後、ベース部材と摺動部材とが接触した状態で冷却することにより、ベース部材と摺動部材とが接合される。

ここで、本発明の摺動部品の製造装置では、ベース部材と摺動部材とが接触した状態において、摺動部材接触面の外周が第１保持部または第２保持部により取り囲まれる。そのため、ベース部材と摺動部材とを接合する際に、軟化した摺動部材が外周側において拘束される。その結果、軟化した摺動部材の変形量が抑制され、接合後の機械加工における加工量が低減されるため、摺動部材の材料の歩留りが向上する。また、摺動部材の厚みが小さい場合でも、摺動部材において塑性変形した領域が摺動部品の摺動面に露出することが抑制され、摺動部品の摺動特性が安定する。このように、本発明の摺動部品の製造装置によれば、摺動部材の材料の歩留りの向上および摺動部品の摺動特性の安定を達成しつつ、本発明の摺動部品を製造することができる。

上記摺動部品の製造方法において、主軸および基台部の少なくともいずれか一方には、ベース部材と摺動部材との接触荷重を検知する荷重センサが設置されていてもよい。これにより、ベース部材と摺動部材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。

以上の説明から明らかなように、本発明の摺動部品および摺動部品の製造方法によれば、摺動部がベース部に対して安定して固定された摺動部品を提供することができる。また、本発明の摺動部品の製造装置によれば、本発明の摺動部品を容易に製造することができる。

ピストンシューの構造を示す概略断面図である。 図１の領域ＩＩを拡大して示す概略断面図である。 ピストンシューの製造方法の概略を示すフローチャートである。 ピストンシューの製造装置の構造を示す概略図である。 ピストンシューの製造装置の動作を示す概略断面図である。 拘束治具の構造を示す概略平面図である。 閉塞摩擦接合工程における主軸の回転数、押し付け荷重および接合部の温度の経時的変化を示す図である。 高力黄銅と鋼との接合部付近の金属組織を示す写真である。 図８の領域Ａ−１〜４、Ｂ−１〜４、Ｃ−１〜４およびＤ−１〜４を拡大して示す光学顕微鏡写真である。 試験片内の硬度分布を示す図である。 接合面近傍の銅合金の硬度分布を示す図である。 銅合金の組織を説明するための光学顕微鏡写真である。 図８の領域Ａ−１〜２、Ｂ−１〜２、Ｃ−１〜２およびＤ−１〜２を拡大して示す光学顕微鏡写真である。 ピストンシューの摺動部内における析出物の分布状態を示す模式図である。 せん断強度試験の試験方法を説明するための概略断面図である。 せん断強度試験の試験結果を示す図である。

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、本発明の一実施の形態である摺動部品としてのピストンシューの構造を示す概略断面図である。図１を参照して、ピストンシュー１は、油圧ポンプや油圧モータのピストン本体（図示しない）に接続され、斜板に対して摺動する部品である。ピストンシュー１は、鋼からなるベース部２と、摺動面３１が形成され、銅合金からなり、ベース部２に接合された摺動部３とを備えている。ベース部２を構成する鋼としては、たとえば調質処理、すなわち焼入処理および焼戻処理された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を採用することができる。ベース部２は、球形状を有し、ピストン本体に搖動可能に接続されるべき球状部２１と、球状部２１に接続され、段付き円盤形状を有する円盤部２２とを含んでいる。

球状部２１は、ピストン本体に形成された球面状の内壁を有する保持部（図示しない）に、搖動可能に保持される。また、球状部２１の、円盤部２２に接続される側とは反対側の端部には、平面状の平坦部２１Ａが形成されている。一方、円盤部２２の、球状部２１とは反対側の端部には、平面状のベース部接合面２３が形成されている。

そして、ベース部接合面２３には、円盤部２２よりも厚みが小さい円盤形状を有する摺動部３が接合されている。摺動部３は、一方の主表面である摺動部接合面３２において円盤部２２のベース部接合面２３に接合されている。また、摺動部３の他方の主表面は、摺動面３１となっている。この摺動面３１は、たとえば油圧ポンプの斜板（図示しない）に対して摺動する。摺動部３が摺動特性に優れた銅合金からなっていることにより、斜板とピストンシュー１との摩擦力が抑制される。摺動部３を構成する銅合金としては、高力黄銅などの黄銅のほか、アルミ青銅などの青銅を採用することができるが、本実施の形態では摺動部３は高力黄銅からなっている。さらに、摺動面３１には、同心円状に形成された円環状の複数の溝３１Ａが形成されている。これらの溝３１Ａに油が適量保持されることにより、斜板とピストンシュー１との摩擦力が一層抑制される。

ピストンシュー１は、中心軸Ａに対して対称な形状を有している。そして、ピストンシュー１には、中心軸Ａを含む領域に、球状部２１の平坦部２１Ａから摺動部３の摺動面３１に至るようにピストンシュー１を貫通する直線状のセンター孔２９が形成されている。センター孔２９は、第１領域２９Ａと、第２領域２９Ｂと、第３領域２９Ｃと、第４領域２９Ｄとを含んでいる。第１領域２９Ａは、平坦部２１Ａから摺動面３１に向けて延在する。第２領域２９Ｂは、第１領域２９Ａに接続されており、第１領域２９Ａよりも長手方向（軸Ａ方向）に垂直な断面における断面積が小さい。第３領域２９Ｃは、第２領域２９Ｂに接続されており、摺動面３１に近づくに従って軸方向に垂直な断面の断面積が大きくなっている。第４領域は、第３領域２９Ｃに接続され、軸方向に垂直な断面の断面積が第３領域２９Ｃよりも大きい。

次に、ベース部２と摺動部３との接合部付近の構造について説明する。図２は、図１の領域ＩＩを拡大して示す概略断面図である。図２を参照して、ベース部２に、ベース部接合面２３を含むように、ベース部２の他の領域に比べて結晶粒が小さいベース部接合領域２４が形成されつつ、ベース部２と摺動部３とが直接接合されている。

本実施の形態のピストンシュー１では、ベース部２の他の領域に比べて結晶粒が小さいベース部接合領域２４が形成されたベース部２と摺動部３とが直接接合されている。つまり、ピストンシュー１は、結晶粒が小さいことにより靱性に優れたベース部接合領域２４と摺動部３とが直接接合された構造を有している。そのため、摺動部３がベース部２に対して安定して固定されている。このように、ピストンシュー１は、摺動部３がベース部２に対して安定して固定された摺動部品である。

ここで、図２を参照して、ピストンシュー１の表面１Ａを含む領域におけるベース部接合領域２４の厚みｔ_２は、内部におけるベース部接合領域２４の厚みｔ_１に比べて大きくなっていてもよい。これにより、接合面近傍において、亀裂の起点となる可能性のあるベース部２の表層領域に、高い靱性をより確実に付与することができる。本実施の形態では、ベース部接合領域２４の厚みは、ピストンシュー１の表面１Ａに近づくにしたがって徐々に大きくなっている。

また、摺動部３には、ベース部２に接合される面である摺動部接合面３２を含むように、摺動部３の他の領域に比べて硬度の低い摺動部接合領域３４が形成されていてもよい。これにより、摺動部３とベース部２との接合部におけるひずみを緩和することができる。

この摺動部接合領域３４の、摺動部接合面３２に垂直な方向における厚みは０．２ｍｍ以下であることが好ましい。このように、摺動部接合領域３４の厚みを必要以上に大きくしないことにより、摺動部３に十分な強度を付与することができる。

さらに、摺動部３を構成する高力黄銅は、マトリックスに比べて高い硬度を有する析出物を含み、摺動部接合領域３４内の析出物の大きさは、摺動部３の他の領域の析出物の大きさに比べて小さくなっていてもよい。これにより、接合部近傍の摺動部の靱性を向上させることができる。

また、摺動部接合領域３４内の摺動部接合面３２に接する領域に、上記析出物が集合した析出物集合部が形成されていてもよい。摺動部接合面３２近傍に微細な析出物の集合部を形成することにより、靱性を大幅に低下させることなく、摺動部接合面３２近傍の強度を向上させることができる。

さらに、摺動部接合領域３４は、他の領域に比べてα相の割合が多くなっていてもよい。これにより、接合部近傍の摺動部３の靱性を向上させることができる。

次に、上記ピストンシュー１の製造方法について説明する。図３は、ピストンシューの製造方法の概略を示すフローチャートである。また、図４は、ピストンシューの製造装置の構造を示す概略図である。また、図５は、ピストンシューの製造装置の動作を示す概略断面図である。また、図６は、ピストンシューの製造装置に含まれる拘束治具の構造を示す概略平面図である。

図３を参照して、本実施の形態におけるピストンシュー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５を参照して、調質処理された機械構造用合金鋼からなるベース部材４と、高力黄銅からなる円盤形状の摺動部材５とが準備される。ベース部材４は、円盤状の形状を有する円盤部４Ｂと、円盤部４Ｂに接続され、外径が円盤部よりも小さい円筒部４Ｃとを備えている。円盤部４Ｂの円筒部４Ｃとは反対側の端部には、摺動部材５に接合されるべき平坦面であるベース部材接触面４Ａが形成されている。また、摺動部材５の一方の主表面は、ベース部材４に接合されるべき平坦面である摺動部材接触面５Ａ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ベース部材４および摺動部材５が洗浄される。より具体的には、ベース部材４および摺動部材５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、ベース部材４および摺動部材５を準備するための切断、加工などのプロセスにおいてベース部材４および摺動部材５に付着した異物等が除去される。なお、本実施の形態のピストンシュー１の製造方法では、摺動部材接触面５Ａに対する精密な仕上げ加工は省略することが可能であり、たとえば摺動部材接触面５Ａは切断ままの状態であってもよい。

次に、図３を参照して、閉塞摩擦接合工程が実施される。この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ピストンシューを製造するピストンシュー（摺動部品）の製造装置について説明する。

図４を参照して、ピストンシュー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と基台部９８との間隔を調整する間隔調整部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。

主軸９５には、基台部９８に対向するようにベース部材４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、ベース部材４と摺動部材５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に加わるベース部材４と摺動部材５との接触の反力の大きさから、ベース部材４と摺動部材５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、ベース部材４と摺動部材５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。

一方、基台部９８には、チャック９４に対向するように摺動部材５を保持する第２保持部としての拘束治具９３が設けられている。より具体的には、図４および図５を参照して、基台部９８は、ベース体９１と、治具ホルダ９２と、拘束治具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。治具ホルダ９２は、ベース体９１上に固定されている。拘束治具９３は、治具ホルダ９２に形成された凹部である治具保持部９２Ａに嵌め込まれて固定されている。拘束治具９３は、図６に示すように、２つの部品９９，９９に分離することができる。また、拘束治具９３の摺動部材５を保持する領域である保持部９３Ａは、平面的に見て（軸αに沿った方向から見て）、円盤形状を有する摺動部材５の外周面に外接する多角形形状、具体的には六角形形状を有している。

図４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、間隔調整部９７を構成する。

そして、間隔調整部９７により主軸９５と基台部９８との間隔を調整してベース部材４と摺動部材５とを接触させた状態（図５の状態）において、第２保持部としての拘束治具９３が、摺動部材５のベース部材４に接触する面である摺動部材接触面５Ａの外周を取り囲むように、チャック９４および拘束治具９３が配置されている。別の観点から説明すると、図５を参照して、軸α方向における拘束治具９３の保持部９３Ａの高さは、摺動部材５の厚みよりも大きい。

次に、閉塞摩擦接合工程の具体的な手順を説明する。図７は、閉塞摩擦接合工程における主軸９５の回転数、ベース部材４と摺動部材５との接触荷重（押し付け荷重）、およびベース部材４と摺動部材５との接合部の温度の経時的変化を示す図である。図４および図５を参照して、工程（Ｓ３０）として実施される接合準備工程では、ベース部材４が円筒部４Ｃの外周面においてチャック９４に保持されるとともに、摺動部材５が拘束治具９３の保持部９３Ａにセットされる。このとき、ベース部材接触面４Ａと摺動部材接触面５Ａとが対向し、かつベース部材４および摺動部材５の中心軸がチャック９４の回転軸αに一致するように、ベース部材４および摺動部材５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、チャック９４が軸α周りに回転しつつ、拘束治具９３に近づく。このとき、図７を参照して、時刻Ｓ_０において回転を開始した主軸９５の回転数は、時刻Ｓ_１に所望の回転数に到達し、その後当該回転数が維持される。さらに、時刻Ｓ_２には図５に示すようにベース部材接触面４Ａと摺動部材接触面５Ａとが接触する。これにより、ベース部材４は、摺動部材５に対する相対的な位置を変えることなく、摺動部材５に対して荷重Ｌにて押し付けられつつ相対的に回転する。その結果、図７に示すように、ベース部材４と摺動部材５との接触部（接合部）の温度が摩擦熱により上昇する。そして、時刻Ｓ_３には、荷重センサ９６により検知される押し付け荷重（ベース部材接触面４Ａと摺動部材接触面５Ａとの接触荷重）が所望の大きさに到達し、その後当該押し付け荷重が維持される。この間、ベース部材４と摺動部材５との接触部の温度は上昇を続ける。

そして、時刻Ｓ_４には、ベース部材４と摺動部材５との接触部の温度はＡ_１変態点以上であって固相線温度未満にまで上昇する。その結果、ベース部材４のうちベース部材接触面４Ａを含む領域はＡ_１変態点以上固相線温度未満の温度に加熱され、当該領域を構成する鋼は液相を含まないオーステナイト状態となる。

一方、加熱された摺動部材５は軟化し、摺動部材５と拘束治具９３との隙間９３Ｂを充填するように変形する（図６参照）。その結果、ベース部材４が軸α周りに回転しても、摺動部材５はこれに従って回転しない。

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、時刻Ｓ_５にはその回転を停止する。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、ベース部材４と摺動部材５とは互いに押し付け合う状態を維持しつつ、ベース部材４と摺動部材５との接触部は冷却される。これにより、ベース部材４と摺動部材５とが接合される。そして、時刻Ｓ_６には、押し付け荷重が０とされ、ベース部材４と摺動部材５とが接合されて構成される構造体が閉塞摩擦接合装置９から取り出される。

ここで、ベース部材４のうち、工程（Ｓ４０）においてＡ_１変態点以上の温度にまで加熱されたベース部材接触面４Ａを含む領域は、工程（Ｓ５０）においてＡ_１変態点未満の温度に冷却される。このように、一旦Ａ_１変態点以上の温度に加熱された後、Ａ_１変態点未満の温度に冷却された当該領域の結晶粒は微細化される。その結果、他の領域に比べて結晶粒が小さいベース部接合領域２４（図２参照）が形成される。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）において得られた構造体に対して機械加工が実施される。具体的には、図１を参照して、摺動部材５の外周面が加工されることにより円盤状の摺動部３が形成される。また、ベース部材４の円筒部が加工されることにより、球状部２１が形成される。さらに、センター孔２９、平坦部２１Ａおよび溝３１Ａも、この工程において形成される。

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、図１を参照して、工程（Ｓ６０）において形成された球状部２１が、別途準備されたピストン本体に形成された球面状の内壁を有する保持部（図示しない）に嵌め込まれたうえで、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Ａ_１変態点未満の温度に加熱されることにより、ベース部材４（ベース部２）およびピストン本体（図示しない）の表層部に窒化層が形成される。また、このとき、ガス軟窒化処理のための加熱により、摺動部材５の摺動部材接触面５Ａに接する摺動部材５内の領域に、他の領域に比べてα相の割合が多い領域が形成される。これにより、図２を参照して、摺動部接合領域３４は、他の領域に比べてα相の割合が多くなる。

次に、工程（Ｓ８０）として仕上げ工程が実施される。この工程では、工程（Ｓ７０）においてガス軟窒化処理が実施されたベース部材４、摺動部材５およびピストン本体（図示しない）に対して、必要に応じて仕上げ処理が実施される。以上の手順により、本実施の形態におけるピストンシュー１が、ピストン本体と組み合わせられた状態で完成する。

このように、本実施の形態におけるピストンシューの製造方法によれば、上記本実施の形態のピストンシュー１を製造することができる。ここで、工程（Ｓ４０）として実施される摩擦工程は、たとえばベース部材４を摺動部材５に対して相対的に往復させることにより実施することもできるが、ベース部材４が、摺動部材５に対する相対的な位置を変えることなく回転することにより、摺動部材５とベース部材４とを所望の位置関係で接合することが容易となる。

また、図６を参照して、工程（Ｓ４０）においてベース部材４が、摺動部材に対する相対的な位置を変えることなく回転することにより、ベース部材４の摺動部材５に対する周速は、軸αから離れるにしたがって速くなる。そのため、摩擦による発熱は、ベース部材４の外周側において大きくなる。その結果、ベース部材４のうち摩擦熱によりＡ_１変態点を超える領域の厚みはベース部材４の外周側において大きくなる。これにより、図２を参照して、他の領域に比べて結晶粒の大きさが小さいベース部接合領域２４の厚みを、内部に比べて外周側、すなわちピストンシュー１の表面１Ａを含む領域において大きくすることができる。さらに、図６を参照して、上記本実施の形態におけるベース部材４の円筒部４Ｃの外径は、円盤部４Ｂに比べて小さくなっている。これにより、ベース部材接触面４Ａの外周部において発生した摩擦熱は、円筒部４Ｃへと伝わりにくくなっている。その結果、ベース部材４のうち摩擦熱によりＡ_１変態点を超える領域の厚みは、ベース部材４の外周側において一層大きくなる。そのため、本実施の形態におけるピストンシュー１の製造方法によれば、ベース部接合領域２４の厚みを、内部に比べて外周側、すなわちピストンシュー１の表面１Ａを含む領域において大きくすることが容易となっている。

また、本実施の形態におけるピストンシュー１の製造方法では、図５を参照して、軸α方向における保持部９３Ａの高さは、摺動部材５の厚みよりも大きくなっている。その結果、工程（Ｓ４０）および（Ｓ５０）において、摺動部材接触面５Ａの外周側において摺動部材５が拘束された状態が維持される。これにより、軟化した摺動部材５の変形量を抑制することができる。より具体的には、製造されるピストンシュー１において、摺動部材５の変形によって形成される摺動部接合領域３４の、摺動部接合面３２に垂直な方向における厚みを０．２ｍｍ以下とすることができる。その結果、接合後の機械加工における加工量が低減されるため、摺動部材５の材料の歩留りが向上する。また、摺動部材５の厚みが小さい場合でも、摺動部材５において塑性変形した領域がピストンシュー１の摺動面３１に露出することが抑制され、摺動部３の摺動特性が安定する。また、硬度の低い摺動部接合領域３４の厚みを必要以上に大きくしないことにより、摺動部３に十分な強度を付与することができる。

ここで、図６を参照して、軟化した摺動部材５は、摺動部材５と拘束治具９３との隙間９３Ｂを充填するように変形する。そのため、隙間９３Ｂを適切な大きさに調整し、摺動部材５の変形量を抑制することができる。

なお、上記実施の形態においては、摺動部材が固定され、ベース部材が運動（回転）する場合について説明したが、本発明の摺動部品の製造方法はこれに限られず、ベース部材が固定されて摺動部材が運動（回転）してもよいし、両方が運動（回転）することにより一方が他方に対して相対的に滑るものであってもよい。

また、上記実施の形態においては、閉塞摩擦接合装置９（摺動部品の製造装置）として、主軸が軸方向に移動可能な構造について説明したが、本発明の摺動部品の製造装置はこれに限られず、基台部が軸方向に移動可能なものであってもよい。

さらに、上記実施の形態においては、拘束治具９３の保持部９３Ａの形状が平面的に見て（軸αに沿った方向から見て）六角形形状である場合について説明したが、採用可能な拘束治具はこれに限られず、保持部の形状は他の多角形（たとえば八角形など）であってもよいし、摺動部材５よりもわずかに大きな直径を有する円形であってもよい。

また、上記実施の形態においては、ピストンシューを摺動部品の一例として説明したが、本発明の摺動部品はこれに限られず、鋼または鋳鉄からなるベース部と銅合金からなる摺動部とが接合されて構成される種々の摺動部品に適用することができる。また、上記実施の形態では、ベース部材（ベース部）が鋼からなる場合について説明したが、ベース部材（ベース部）は鋳鉄からなるものであってもよい。

（実施例１）
上記実施の形態と同様の形状を有するベース部材および摺動部材を準備し（図５参照）、上記実施の形態においてピストン本体との結合を省略した手順を実施し、ベース部材と摺動部材とが閉塞摩擦接合により接合された試験片（ピストンシュー）を作製した。そして、当該試験片の組織および硬度を測定する実験を行った。実験結果は以下の通りである。

図８は、ベース部２（鋼）と摺動部３（高力黄銅）との接合部付近の金属組織を示す写真である。より具体的には、図８は、得られた試験片を接合面に垂直な断面で切断し、塩化第二鉄溶液にてエッチングした状態を示している。また、図９は、図８のＡ−１〜４、Ｂ−１〜４、Ｃ−１〜４およびＤ−１〜４を拡大して示す光学顕微鏡写真である。図９の各写真の右上部の数値は、各写真内の結晶粒径（単位：μｍ）を示している。

図８を参照して、ベース部２と摺動部３とは全域にわたって良好に接合されていることが確認される。また、ベース部２の、接合界面に沿った領域には、濃くエッチングされた濃色領域が存在している。

図９を参照して、この濃色領域に対応するＡ−３、Ｂ−３、Ｃ−３およびＤ−３の各領域の結晶粒径は、濃色領域外に対応するＡ−４、Ｂ−４、Ｃ−４およびＤ−４に比べて結晶粒径が小さくなっている。

このことから、上記実施の形態と同様の方法で製造されたピストンシューには、ベース部接合面を含むように、ベース部の他の領域に比べて結晶粒が小さいベース部接合領域が形成されることが確認される。また、当該ベース部接合領域（濃色領域）の接合面に垂直な方向における厚みは、摺動部品であるピストンシューの内部に比べて表面を含む領域において大きくなっていることが確認される（図８上部の写真参照）。

また、図８のＡ、Ｂ、ＣおよびＤの各領域の硬度を、接合界面に垂直な方向に測定した。測定結果を図１０に示す。図１０において、横軸は接合界面からの距離を示しており、横軸の値が０である点が接合界面である。また、図１０において横軸の値が負の領域はベース部２（鋼）、正の領域は摺動部３（高力黄銅）に対応する。図１０を参照して、硬度は接合界面を境界として不連続となっている。このことから、ベース部２を構成する鋼と摺動部３を構成する高力黄銅とは、他の物質が介在することなく、直接良好に接合されていることが確認される。

また、図１１は、摺動部３の接合界面近傍の硬度分布を示している。図１１を参照して、接合界面からの距離が１００μｍ以内の領域では、接合界面に近づくにしたがって硬度が低下している。すなわち、図１１の測定結果から、摺動部には、摺動部接合面を含むように、摺動部の他の領域に比べて硬度の低い摺動部接合領域が形成されていることが確認される。この低硬度領域である摺動部接合領域と金属組織との対応については、以下に説明する。

図１２は、銅合金の組織を説明するための光学顕微鏡写真である。また、図１３は、図８の領域Ａ−１〜２、Ｂ−１〜２、Ｃ−１〜２およびＤ−１〜２、すなわち摺動部を構成する高力黄銅の金属組織を示す光学顕微鏡写真である。図１２を参照して、摺動部を構成する高力黄銅は、マトリックスを構成するα相７１およびβ相７２と、マトリックスよりも高い硬度を有する析出物７３とを含んでいる。そして、図１３を参照して、摺動部接合領域内（Ａ−２、Ｂ−２、Ｃ−２およびＤ−２の接合界面近傍）の析出物の大きさは、摺動部の他の領域（たとえばＡ−１、Ｂ−１、Ｃ−１およびＤ−１）の析出物の大きさに比べて小さくなっていることが分かる。すなわち、低硬度領域である摺動部接合領域は、析出物の大きさの小さい領域に対応する。また、図１３から明らかなように、摺動部接合領域の厚みは０．２ｍｍ以下となっている。

さらに、図１３を参照して、摺動部接合領域内の摺動部接合面に接する領域に、析出物が集合した析出物集合部７３Ａが形成されていることが確認される。また、図１３を参照して、摺動部接合領域（Ａ−２、Ｂ−２、Ｃ−２およびＤ−２の接合界面近傍）にはβ相がほとんど見られず、当該領域は他の領域に比べてα相の割合が多くなっていることが確認される。このような摺動部の組織は、以下のように形成されるものと考えられる。

図１４は、ピストンシューの摺動部内における析出物の分布状態を示す模式図である。上記実施の形態において説明した閉塞摩擦接合の摩擦工程では、ベース部材４が摺動部材５に対して押し付けられつつ回転する。図１４を参照して、高力黄銅からなる摺動部材５の内部には、大型析出物７３Ｂと小型析出物７３Ｃとが存在している。摩擦工程開始前においては、大型析出物７３Ｂと小型析出物７３Ｃとは混在して一様に分布している。そして、摩擦工程の初期においては、摩擦熱により接触面近傍が加熱される。

その後、時間の経過とともに摺動部接合領域に対応する摺動部材５の接触面近傍領域８２は、摩擦熱により軟化する。その結果、ベース部材４と摺動部材５との接触荷重により接触面近傍領域８２が変形し始める。そして、変形が進行する過程において、大型析出物７３Ｂが砕かれて、小型析出物７３Ｃとなる。これにより、接触面近傍領域８２内の大型析出物７３Ｂが減少し、小型析出物７３Ｃの割合が多くなる。このとき、変形した摺動部材５の一部は、少量のバリ５９としてベース部材４の外周面に付着する。

そして、さらに時間が経過すると、摩擦熱により軟化した接触面近傍領域８２が完全に変形し、図１４に示すように、変形した接触面近傍領域８２内に小型析出物７３Ｃが密集する。その結果、摺動部接合領域内の摺動部接合面に接する領域（Ａ−２、Ｂ−２、Ｃ−２およびＤ−２の接合界面近傍）に、微細な析出物が集合した析出物集合部７３Ａが形成されるものと考えられる。また、このように塑性変形した接触面近傍領域８２が軟窒化工程において再加熱されることにより、他の領域に比べてα相の割合が多い摺動部接合領域が形成されるものと考えられる。

（実施例２）
本実施の形態と同様の手順により、鋼（ＪＩＳ規格ＳＣＭ４４０Ｈ）からなるベース部材と高力黄銅からなる摺動部材とを閉塞摩擦接合により接合した試験片を準備し、せん断試験を実施することにより接合部の強度を確認する実験を行った。試験の手順は以下の通りである。

図１５は、せん断強度試験の試験方法を説明するための概略断面図である。図１５を参照して、試験片５０は、鋼製のベース部材５１と高力黄銅製の摺動部材５２とが上記実施の形態と同様の閉塞摩擦接合により接合された構造を有している。せん断試験装置６０は、試験片を保持する凹部である試験片保持部６１Ａを有する本体部６１と、試験片５０に対して荷重を付加する荷重付与部６２とを備えている。試験片保持部６１Ａは、ベース部材５１を挿入することにより、摺動部材５２のみが試験片保持部６１Ａから突出する形状を有している。そして、荷重付与部６２を矢印γの向きに降下させることにより、ベース部材５１と摺動部材５２との接合界面に沿った方向に荷重をかけることが可能となっている。試験片は２個準備し、試験片が破断した時点の応力（せん断応力）を算出した（実施例ＡおよびＢ）。また、比較のため、ベース部材５１と摺動部材５２との間に圧粉体を挟んで焼結接合して得られた試験片も準備し、同様に試験に供した（比較例ＡおよびＢ）。

図１６は、せん断強度試験の試験結果を示す図である。図１６を参照して、従来のピストンシューと同様の構造を有する比較例のせん断強度が２５．２ｋｇｆ／ｍｍ^２であったのに対し、閉塞摩擦接合により作製した実施例のせん断強度は、２９．２〜３４．４ｋｇｆ／ｍｍ^２となっていた。この強度は、従来品を大きく上回り、母材強度に比べて遜色ないものである。以上の実験結果から、本発明の摺動部材の製造方法によれば、摺動部がベース部に対して強固に固定された摺動部品を提供できることが確認された。

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。

本発明の摺動部品、摺動部品の製造方法および摺動部品の製造装置は、鋼または鋳鉄からなるベース部と銅合金からなる摺動部とを備えた摺動部品およびその製造に、特に有利に適用され得る。

１ ピストンシュー、１Ａ 表面、２ ベース部、３ 摺動部、４ ベース部材、４Ａ ベース部材接触面、４Ｂ 円盤部、４Ｃ 円筒部、５ 摺動部材、５Ａ 摺動部材接触面、９ 閉塞摩擦接合装置、２１ 球状部、２１Ａ 平坦部、２２ 円盤部、２３ ベース部接合面、２４ ベース部接合領域、２９ センター孔、２９Ａ 第１領域、２９Ｂ 第２領域、２９Ｃ 第３領域、２９Ｄ 第４領域、３１ 摺動面、３１Ａ 溝、３２ 摺動部接合面、３４ 摺動部接合領域、５０ 試験片、５１ ベース部材、５２ 摺動部材、５９ バリ、６０ せん断試験装置、６１ 本体部、６１Ａ 試験片保持部、６２ 荷重付与部、７１ α相、７２ β相、７３ 析出物、７３Ａ 析出物集合部、７３Ｂ 大型析出物、７３Ｃ 小型析出物、８２ 接触面近傍領域、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 治具ホルダ、９２Ａ 治具保持部、９３ 拘束治具、９３Ａ 保持部、９３Ｂ 隙間、９４ チャック、９５ 主軸、９５Ｂ 主軸モータ、９６ 荷重センサ、９７ 間隔調整部、９８ 基台部、９９ 部品。

Claims (15)

1. 摺動面を有する摺動部品であって、
   鋼または鋳鉄からなるベース部と、
   前記摺動面が形成され、銅合金からなり、前記ベース部に接合された摺動部とを備え、
   前記ベース部に、前記摺動部に接合される面であるベース部接合面を含むように、前記ベース部の他の領域に比べて結晶粒が小さいベース部接合領域が形成されつつ、前記ベース部と前記摺動部とが接合されている、摺動部品。
2. 前記ベース部接合領域の、前記ベース部接合面に垂直な方向における厚みは、前記摺動部品の内部に比べて表面を含む領域において大きくなっている、請求項１に記載の摺動部品。
3. 前記摺動部には、前記ベース部に接合される面である摺動部接合面を含むように、前記摺動部の他の領域に比べて硬度の低い摺動部接合領域が形成されている、請求項１または２に記載の摺動部品。
4. 前記摺動部接合領域の、前記摺動部接合面に垂直な方向における厚みは０．２ｍｍ以下である、請求項３に記載の摺動部品。
5. 前記銅合金は高力黄銅である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の摺動部品。
6. 前記摺動部を構成する高力黄銅は、マトリックスに比べて高い硬度を有する析出物を含み、
   前記摺動部接合領域内の前記析出物の大きさは、前記摺動部の他の領域の前記析出物の大きさに比べて小さくなっている、請求項５に記載の摺動部品。
7. 前記摺動部接合領域内の前記摺動部接合面に接する領域に、前記析出物が集合した析出物集合部が形成されている、請求項６に記載の摺動部品。
8. 前記摺動部接合領域は、前記摺動部の他の領域に比べてα相の割合が多くなっている、請求項５〜７のいずれか１項に記載の摺動部品。
9. 鋼または鋳鉄からなるベース部材と、銅合金からなる摺動部材とを準備する工程と、
   前記ベース部材を、前記摺動部材に接触させつつ相対的に滑らせることにより摩擦熱を発生させ、前記ベース部材において前記摺動部材に接触する面であるベース部材接触面を含む領域をＡ_１変態点以上の温度に加熱する工程と、
   加熱された前記ベース部材と、前記摺動部材とを接触させた状態で保持することにより前記ベース部材接触面を含む領域をＡ_１変態点未満の温度に冷却して、前記ベース部材と前記摺動部材とを接合する工程とを備えた、摺動部品の製造方法。
10. 前記ベース部材接触面を含む領域をＡ_１変態点以上の温度に加熱する工程では、前記ベース部材が、前記摺動部材に対する相対的な位置を変えることなく、前記摺動部材に対して押し付けられつつ相対的に回転する、請求項９に記載の摺動部品の製造方法。
11. 前記ベース部材接触面を含む領域をＡ_１変態点以上の温度に加熱する工程、および前記ベース部材と前記摺動部材とを接合する工程では、前記摺動部材において前記ベース部材に接触する面である摺動部材接触面の外周側において前記摺動部材が拘束される、請求項９または１０に記載の摺動部品の製造方法。
12. 前記銅合金は高力黄銅である、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の摺動部品の製造方法。
13. 前記ベース部材と前記摺動部材とが接合された状態で、前記摺動部材を加熱することにより、前記摺動部材の前記摺動部材接触面に接する前記摺動部材内の領域に他の領域に比べてα相の割合が多い領域を形成する工程をさらに備えた、請求項１２に記載の摺動部品の製造方法。
14. 鋼または鋳鉄からなるベース部材と、銅合金からなる摺動部材とを接合することにより摺動部品を製造する摺動部品の製造装置であって、
    軸周りに回転可能な主軸と、
    前記主軸に対して軸方向に間隔を置いて配置された基台部と、
    前記主軸と前記基台部との間隔を調整する間隔調整部とを備え、
    前記主軸には、前記基台部に対向するように前記ベース部材または前記摺動部材の一方を保持する第１保持部が設けられており、
    前記基台部には、前記第１保持部に対向するように前記ベース部材または前記摺動部材の他方を保持する第２保持部が設けられており、
    前記間隔調整部により前記主軸と前記基台部との間隔を調整して前記ベース部材と前記摺動部材とを接触させた状態において、前記摺動部材を保持する前記第１保持部または前記第２保持部が、前記摺動部材の前記ベース部材に接触する面である摺動部材接触面の外周を取り囲むように、前記第１保持部および前記第２保持部が配置される、摺動部品の製造装置。
15. 前記主軸および前記基台部の少なくともいずれか一方には、前記ベース部材と前記摺動部材との接触荷重を検知する荷重センサが設置されている、請求項１４に記載の摺動部品の製造装置。