WO2012117908A1 - 摺動部材の製造方法 - Google Patents

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WO2012117908A1
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alloy
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sliding
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石崎　義公
渡邊　健一
直哉 正橋
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株式会社タカコ
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Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a sliding member having a sliding portion.
  • JP 2005-257035A discloses that a copper base layer is plated on the surface of a steel member, and lead bronze alloy powder is sintered to the steel member through the plating.
  • the solid solubility of copper in iron is 1.9 at%
  • the solid solubility of iron in copper is 4.6 at%. Absent. Therefore, in order to firmly join the steel member and the copper alloy, it is common to use plating as a binder as in Patent Document 1.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to easily join an iron-based metal and a Cu alloy as a sliding portion with high joint strength.
  • a manufacturing method of a sliding member having a sliding portion which is a bulk material of an iron-based metal that functions as a main body portion of the sliding member and a Cu alloy that functions as the sliding portion.
  • a sliding member manufacturing method for manufacturing a sliding member by solid-phase bonding of the bulk material to the bulk material by heating and pressurizing by a discharge plasma sintering method is provided.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a piston pump to which a shoe according to an embodiment of the present invention is applied.
  • FIG. 2 is a diagram showing a shoe manufacturing method according to the embodiment of the present invention in time series.
  • FIG. 3 is a schematic view of a discharge plasma sintering apparatus.
  • FIG. 4 is a diagram showing heat treatment conditions and pressure conditions for joining the bulk material 30 and the bulk material 31.
  • FIG. 5A is a scanning electron micrograph of the bonding interface between the bulk material 30 and the bulk material 31 in the first embodiment.
  • FIG. 5B is a scanning electron micrograph of the bonding interface between the bulk material 30 and the bulk material 31 in the first embodiment, and is a mapping image of FeL ⁇ by EDX analysis.
  • FIG. 5A is a scanning electron micrograph of the bonding interface between the bulk material 30 and the bulk material 31 in the first embodiment.
  • FIG. 5B is a scanning electron micrograph of the bonding interface between the bulk material 30 and the bulk material 31 in the first
  • FIG. 5C is a scanning electron micrograph of the bonding interface between the bulk material 30 and the bulk material 31 in the first embodiment, and is a mapping image of CuL ⁇ by EDX analysis.
  • FIG. 6A is a scanning electron micrograph of the bonding interface between the bulk material 30 and the bulk material 31 in the first embodiment, and is a mapping image of SiK ⁇ by EDX analysis.
  • FIG. 6B is a scanning electron micrograph of the bonding interface between the bulk material 30 and the bulk material 31 in the first embodiment, and is a mapping image of AlK ⁇ by EDX analysis.
  • FIG. 7A is a scanning electron micrograph of the bonding interface between the bulk material 30 and the bulk material 31 in the second embodiment.
  • FIG. 7B is a scanning electron micrograph of the bonding interface between the bulk material 30 and the bulk material 31 in the second embodiment, and is a mapping image of FeL ⁇ by EDX analysis.
  • FIG. 7C is a scanning electron micrograph of the bonding interface between the bulk material 30 and the bulk material 31 in the second embodiment, and is a mapping image of CuL ⁇ by EDX analysis.
  • the piston pump 100 is mounted on a construction machine such as a hydraulic excavator or a hydraulic crane, for example, and supplies a working fluid (working oil) to a hydraulic cylinder or a hydraulic motor as an actuator.
  • a construction machine such as a hydraulic excavator or a hydraulic crane, for example, and supplies a working fluid (working oil) to a hydraulic cylinder or a hydraulic motor as an actuator.
  • the piston pump 100 includes a drive shaft 1 to which engine power is transmitted and a cylinder block 2 that rotates as the drive shaft 1 rotates.
  • a plurality of cylinder bores 3 are formed in the cylinder block 2 so as to be parallel to the drive shaft 1.
  • a piston 5 that defines a volume chamber 4 is inserted into the cylinder bore 3 so as to reciprocate.
  • a shoe 10 is rotatably connected to the tip of the piston 5 via a spherical spherical seat 11.
  • the shoe 10 includes a flat plate portion 12 formed integrally with the spherical seat 11.
  • the flat plate portion 12 is in surface contact with the swash plate 20 fixed to the case 21.
  • the cylinder block 2 rotates, the flat plate portion 12 of each shoe 10 comes into sliding contact with the swash plate 20, and each piston 5 reciprocates with a stroke amount corresponding to the tilt angle of the swash plate 20.
  • the volume of each volume chamber 4 is increased or decreased by the reciprocation of each piston 5.
  • a valve plate 23 with which the base end surface of the cylinder block 2 is in sliding contact is attached to the case 22.
  • a suction port and a discharge port are formed in the valve plate 23.
  • the shoe 10 connected to the tip of the piston 5 is in sliding contact with the swash plate 20. Therefore, it is necessary to reduce the frictional force between the flat plate portion 12 of the shoe 10 and the swash plate 20 in order to smoothly perform the reciprocating motion of the piston 5 and perform stable suction and discharge of the hydraulic oil. Further, when the discharge pressure of the piston pump 100 increases, the flat plate portion 12 of the shoe 10 is strongly pressed against the swash plate 20, so that the frictional force between the flat plate portion 12 and the swash plate 20 increases. Therefore, in order to increase the pressure of the piston pump 100, it is necessary to improve the slidability of the flat plate portion 12.
  • the shoe 10 includes the main body portion 13 including the spherical seat 11 and the flat plate portion 12, and the sliding portion 14 that is in sliding contact with the swash plate 20.
  • an iron-based metal bulk material 30 that functions as the main body portion 13 and a Cu alloy bulk material 31 that functions as the sliding portion 14 are used.
  • the bulk material 30 and the bulk material 31 are cylindrical members having the same diameter as that of the shoe 10.
  • SCM435 (JIS) of Cr—Mo steel is used as the iron-based metal of the bulk material 30.
  • a Cu—Zn alloy is used as the Cu alloy of the bulk material 31.
  • Cu alloy refers to an alloy mainly composed of copper.
  • the Cu—Zn-based alloy refers to an alloy containing copper as a main component and containing zinc. Specifically, zinc is desirably 35 wt% or less in order to suppress formation of a brittle CuZn phase.
  • Table 1 shows the composition of the bulk material 30 (SCM435) and the bulk material 31 (Cu—Zn alloy).
  • the bulk material 30 is cut to a desired thickness. Specifically, it is cut into a dimension corresponding to the axial length of the main body 13.
  • the bulk material 31 is also cut to a desired thickness. Specifically, it is cut into a dimension corresponding to the thickness of the sliding portion 14.
  • the bulk material 30 and the bulk material 31 cut to a desired thickness in the first step have their end faces formed by heating and pressing by a spark plasma sintering method (SPS (Spark Plasma Sintering) method).
  • SPS Spark Plasma Sintering
  • the discharge plasma sintering method is a sintering method in which a pulsed large current is applied to the gap between the objects to be joined and the heat and electric field diffusion are promoted by the discharge plasma generated instantaneously.
  • the discharge plasma sintering apparatus 40 in which the discharge plasma sintering method of a 2nd process is performed is demonstrated.
  • the discharge plasma sintering apparatus 40 includes a cylindrical jig 48 made of high-strength WC in which the members to be joined are accommodated, and an upper punch 41a and a lower punch 41b for holding the members to be joined and holding them in the jig 48.
  • An upper electrode 42a and a lower electrode 42b that are arranged in contact with the upper punch 41a and the lower punch 41b to apply a current to the member to be joined, and a power source 43 connected to the upper electrode 42a and the lower electrode 42b.
  • the jig 48 is disposed in the vacuum chamber 46, and the joined members are joined in a vacuum atmosphere.
  • a through hole penetrating the inner and outer peripheral surfaces is formed in the body portion of the jig 48, and a thermocouple 47 is inserted into the through hole. Since the thermocouple 47 is arranged so that the tip thereof is positioned in the vicinity of the bonding surface of the member to be bonded, the temperature of the bonding surface of the member to be bonded can be measured.
  • the measurement result by the thermocouple 47 is transmitted to the control device 45, and the control device 45 turns the power source 43 on the basis of the measurement result so that the temperature of the joining surface of the member to be joined and the rate of temperature increase become a predetermined set value. Control.
  • a method for joining the bulk material 30 and the bulk material 31 that are the members to be joined will be specifically described.
  • the bulk material 30 and the bulk material 31 are accommodated in the hollow portion of the jig 48 and are sandwiched between the upper punch 41a and the lower punch 41b. Thereby, the bulk material 30 and the bulk material 31 are accommodated in the jig 48 in a state in which the end surfaces of the bulk material 30 and the bulk material 31 are stacked.
  • a current is applied to the bulk material 30 and the bulk material 31 through a power source 43, and the temperature is raised to a predetermined temperature at a predetermined temperature increase rate.
  • the predetermined temperature that is, the bonding temperature
  • the predetermined temperature is set to be equal to or lower than the melting point of the bulk material 30 (SCM435) and the bulk material 31 (Cu—Zn alloy).
  • a predetermined pressing force is applied to the bulk material 30 and the bulk material 31 through the upper punch 41a and the lower punch 41b by the pressurizing mechanism 44, and the state is maintained for a certain period of time.
  • the bulk material 30 and the bulk material 31 are heat-pressed in a state where the end surfaces of the bulk material 30 and the bulk material 31 are in close contact with each other, and discharge plasma is generated at the bonding interface to cause a solid-phase reaction to be bonded.
  • the bulk material 30 and the bulk material 31 are compressed and deformed by being pressurized, and the thickness is reduced by about 5%.
  • the solid line indicates temperature
  • the dotted line indicates pressure.
  • the temperature was raised to 600 ° C. in 2 minutes
  • the temperature was raised from 600 ° C. to 730 ° C. in 1 minute
  • the temperature was raised from 730 ° C. to the bonding temperature of 750 ° C. in 1 minute, and held at 750 ° C. for 3 minutes, Then naturally cool.
  • pressurization starts at the same time as the temperature rise, maintains a pressure of 20 MPa, and releases at the same time as natural cooling.
  • the time required for joining is 7 minutes in total, and joining is completed in a short time.
  • FIGS. 5A to 5C scanning electron micrographs of the bonding interface between the bulk material 30 and the bulk material 31 bonded under the heat treatment conditions and pressure conditions shown in FIG. 4 are shown in FIGS. 5A to 5C.
  • 5A is a secondary electron image
  • FIG. 5B is a mapping image of FeL ⁇ by EDX analysis
  • FIG. 5C is a mapping image of CuL ⁇ by EDX analysis.
  • 5A to 5C the upper side of the photograph is SCM435, and the lower side of the photograph is a Cu—Zn alloy.
  • SCM435 diffused to the Cu—Zn alloy side, and formation of a columnar structure in which SCM435 and the Cu—Zn alloy were skewered across the initial bonding interface was confirmed.
  • This columnar structure can be said to indicate solid phase diffusion bonding between SCM435 and a Cu—Zn alloy.
  • FIG. 5B and FIG. 5C it was confirmed that atomic interdiffusion occurred mutually across the junction interface.
  • the constituent elements of SCM435 and Cu—Zn alloys and Fe or Cu which is the main element of the counterpart alloy in which the constituent elements diffuse
  • the constituent elements of SCM435 and Cu—Zn alloys are both Whether to form a concentration gradient between the alloys was examined based on the equilibrium diagram.
  • the solid solubility limit of Si, which is a constituent element of both the SCM435 and Cu—Zn alloy, in Cu is 9.95 at% at 552 ° C.
  • the solid solubility limit of Si in Fe is 1200. It is 29.8 at% at ° C. Therefore, Si can be expected to diffuse from the Cu—Zn-based alloy to SCM435, and may form a concentration gradient.
  • the solid solubility limit of Al which is a constituent element of the Cu—Zn alloy, in Fe is 55.0 at% at the eutectic temperature of 1102 ° C.
  • the solid solubility limit of Al in Cu is 567 ° C. 19.7 at%. Therefore, Al can be expected to diffuse from the Cu—Zn-based alloy into the SCM 435, and may form a concentration gradient.
  • FIG. 6A and 6B show scanning electron micrographs of the bonding interface between the bulk material 30 and the bulk material 31.
  • FIG. 6A is a mapping image of SiK ⁇ by EDX analysis
  • FIG. 6B is a mapping image of AlK ⁇ by EDX analysis.
  • the upper side of the photograph is SCM435 and the lower side of the photograph is a Cu—Zn alloy.
  • Si shows a strong concentration gradient.
  • Al shows a concentration gradient though not as much as Si. From the above, it is considered that the Cu—Zn alloy containing Si and Al promoted the diffusion of Fe atoms to the Cu—Zn alloy side. That is, it is considered that the inclusion of at least one of Al and Si as the Cu—Zn-based alloy promotes the formation of the columnar structure.
  • the bonding strength between the bulk material 30 and the bulk material 31 was evaluated by a peeling test in which the bonded bulk material 30 and the bulk material 31 were pulled in opposite directions and measured for peeling strength.
  • Table 2 shows the peel test results
  • Table 3 shows the peel test results of the comparative materials.
  • the comparative material is obtained by a conventional manufacturing method, and is obtained by joining a low carbon steel and a Cu alloy by sintering Cu alloy powder on a copper underlayer plated on the low carbon steel.
  • Table 4 shows the compositions of the low-carbon steel and Cu alloy powder as comparative materials.
  • the bonding strength between the bulk material 30 and the bulk material 31 is greater than that of the comparative material. In this way, by joining SCM435 and Cu—Zn-based alloy by the discharge plasma sintering method, both can be joined directly, and can be joined via a columnar structure. High bonding strength can be obtained as compared with the conventional bonding.
  • the bulk material 30 and the bulk material 31 are firmly joined to obtain the material 32 that is the basis of the shoe 10.
  • the material 32 is processed into a desired shape. Specifically, the bulk material 30 of the material 32 is cut into the shape of the spherical seat 11 and the flat plate portion 12. Further, the bulk material 31 is formed with a sliding portion 14 by cutting a circular groove 31 a at the end face. Finally, a through hole (not shown) that passes through the spherical seat 11, the flat plate portion 12, and the sliding portion 14 in the axial direction is cut. This through hole is for guiding the hydraulic oil inside the piston 5 to the groove 31 a and reducing the surface pressure of the sliding portion 14 and the swash plate 20.
  • the groove 31a is not an essential configuration and may be omitted.
  • the waste material in the processing of the material 32 is SCM 435 which is mainly cut into the shape of the spherical seat 11 and the flat plate portion 12, and most of the Cu—Zn-based alloy which is expensive compared to the SCM 435 is waste material.
  • SCM 435 which is mainly cut into the shape of the spherical seat 11 and the flat plate portion 12
  • most of the Cu—Zn-based alloy which is expensive compared to the SCM 435 is waste material.
  • the entire shoe 10 is manufactured from a Cu—Zn alloy, a large amount of the Cu—Zn alloy becomes a waste material when it is cut into the shape of the spherical seat 11 and the flat plate portion 12.
  • the amount of waste material of the Cu—Zn alloy can be reduced, and the manufacturing cost can be reduced. be able to.
  • nitriding is performed on the material 32 processed in the third step.
  • gas soft nitriding is performed.
  • the gas soft nitriding treatment is performed in a mixed gas atmosphere of carburizing gas (RX gas) and ammonia gas (NH 3 gas) mainly composed of carbon monoxide (CO) at a temperature of 570 ° C. for 2.5 hours.
  • RX gas carburizing gas
  • NH 3 gas ammonia gas
  • CO carbon monoxide
  • SCM435 and Cu—Zn alloy can be directly solid-phase bonded without using a binder such as plating.
  • the main body 13 that is pivotally connected to the tip of the piston 5 and that requires strength is formed of the SCM 435, and the sliding portion 14 that is in sliding contact with the swash plate 20 and requires slidability is made of a Cu—Zn alloy.
  • a highly functional bimetal shoe 10 combining the advantages of SCM435 and Cu—Zn alloy can be obtained.
  • the bulk material 30 of the SCM 435 and the bulk material 31 of the Cu—Zn alloy can be easily joined with high joint strength by using the heating and pressurization by the discharge plasma sintering method. .
  • the Cu alloy of the bulk material 31 is a Cu—Zn alloy.
  • the Cu alloy of the present invention is not limited to a Cu—Zn alloy. Therefore, in the second embodiment, a case where the Cu alloy of the bulk material 31 is a Cu—Ni alloy will be described.
  • the Cu—Ni alloy is an alloy containing copper as a main component and nickel. However, considering that the solid solution hardening becomes too large when nickel is contained in a large amount and that nickel is expensive, the nickel content is desirably 10 wt% or more and 30 wt% or less.
  • Table 5 shows the composition of the bulk material 31 (Cu—Ni alloy). Sn is added for the purpose of improving the friction resistance of the sliding portion 14.
  • the composition of the bulk material 30 (SCM435) is as shown in Table 1.
  • the manufacturing method of the shoe 10 is the same as the process shown in FIG.
  • FIGS. 7A to 7C Scanning electron micrographs of the bonding interface between the bulk material 30 and the bulk material 31 bonded under the heat treatment condition and the pressure condition shown in FIG. 4 are shown in FIGS. 7A to 7C.
  • 7A is a secondary electron image
  • FIG. 7B is a mapping image of FeL ⁇ by EDX analysis
  • FIG. 7C is a mapping image of CuL ⁇ by EDX analysis.
  • 7A to 7C the upper side of the photograph is SCM435 and the lower side of the photograph is a Cu—Ni-based alloy. Even in the combination of the bulk material 30 of SCM435 and the bulk material 31 of the Cu—Ni alloy, both are directly applied by generating a discharge plasma at the bonding interface and causing a solid phase reaction while applying pressure. Can be joined.
  • the bonding strength between the bulk material 30 and the bulk material 31 was evaluated by a peeling test in which the bonded bulk material 30 and the bulk material 31 were pulled in opposite directions and measured for peeling strength.
  • Table 6 shows the peel test results.
  • the bonding strength of the bulk material 30 and the bulk material 31 is equivalent to the bonding strength of the comparative material shown in Table 3.
  • a high joint strength equivalent to that of the conventional one can be obtained, although it is not jointed via the columnar structure.
  • SCM435 and Cu—Ni alloy can also be directly solid-phase bonded without using a binder such as plating by using heating and pressurizing by the discharge plasma sintering method. it can.
  • the bulk material of the iron-based metal and the bulk material of the Cu alloy are high in bonding strength. And it can join simply.
  • the method for manufacturing the shoe 10 of the swash plate type piston pump has been described.
  • the method can be naturally applied to the method of manufacturing the shoe of the swash plate type piston motor.
  • the sliding member of the present invention is the shoe 10 of the swash plate type piston pump motor
  • the sliding member is not limited to this, and may be a sliding bearing that supports the shaft.
  • the sliding portion that is in sliding contact with the shaft may be made of a Cu alloy, and the other main body portion may be made of an iron-based metal.
  • the sliding member manufactured by the manufacturing method of the present invention can be applied to a shoe of a piston pump motor.

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Abstract

　摺動部を有する摺動部材の製造方法であって、摺動部材の本体部として機能する鉄系金属のバルク材と摺動部として機能するＣｕ合金のバルク材とを放電プラズマ焼結法による加熱加圧によって固相接合して摺動部材を製造する。

Description

摺動部材の製造方法
　本発明は、摺動部を有する摺動部材の製造方法に関するものである。
　従来より、摺動部の摺動性を向上させるために、摺動部に銅合金を用いる摺動部材が知られている。
　ＪＰ２００５－２５７０３５Ａには、鋼製部材の表面に銅下地層がメッキされ、そのメッキを介して鉛青銅合金粉末が鋼製部材に焼結されることが開示されている。鉄と銅は、その二元状態図からわかるように、鉄への銅の固溶度は１．９ａｔ％、銅への鉄の固溶度は４．６ａｔ％であり、ほとんど固溶し合わない。そのため、鋼製部材と銅合金を強固に接合させるためには、特許文献１のようにメッキをバインダーとして用いるのが一般的である。
　しかしながら、鋼製部材と銅合金をメッキを介して接合する場合には、鋼製部材の表面にメッキを施す工程が必要となるため、製造コストの増加を招く。
　本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、鉄系金属と摺動部であるＣｕ合金とを高い接合強度で、かつ簡便に接合することを目的とする。
　本発明のある態様によれば、摺動部を有する摺動部材の製造方法であって、前記摺動部材の本体部として機能する鉄系金属のバルク材と前記摺動部として機能するＣｕ合金のバルク材とを放電プラズマ焼結法による加熱加圧によって固相接合して摺動部材を製造する摺動部材の製造方法が提供される。
　本発明の実施形態及び利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るシューが適用されるピストンポンプの断面図である。 図２は、本発明の実施形態に係るシューの製造方法を時系列に示す図である。 図３は、放電プラズマ焼結装置の模式図である。 図４は、バルク材３０とバルク材３１の接合の熱処理条件及び加圧条件を示す図である。 図５Ａは、第１実施形態におけるバルク材３０とバルク材３１の接合界面の走査型電子顕微鏡写真である。 図５Ｂは、第１実施形態におけるバルク材３０とバルク材３１の接合界面の走査型電子顕微鏡写真であり、ＥＤＸ分析によるＦｅＬαのマッピング像である。 図５Ｃは、第１実施形態におけるバルク材３０とバルク材３１の接合界面の走査型電子顕微鏡写真であり、ＥＤＸ分析によるＣｕＬαのマッピング像である。 図６Ａは、第１実施形態におけるバルク材３０とバルク材３１の接合界面の走査型電子顕微鏡写真であり、ＥＤＸ分析によるＳｉＫαのマッピング像である。 図６Ｂは、第１実施形態におけるバルク材３０とバルク材３１の接合界面の走査型電子顕微鏡写真であり、ＥＤＸ分析によるＡｌＫαのマッピング像である。 図７Ａは、第２実施形態におけるバルク材３０とバルク材３１の接合界面の走査型電子顕微鏡写真である。 図７Ｂは、第２実施形態におけるバルク材３０とバルク材３１の接合界面の走査型電子顕微鏡写真であり、ＥＤＸ分析によるＦｅＬαのマッピング像である。 図７Ｃは、第２実施形態におけるバルク材３０とバルク材３１の接合界面の走査型電子顕微鏡写真であり、ＥＤＸ分析によるＣｕＬαのマッピング像である。
　図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
　（第１実施形態）
　以下では、摺動部材が斜板型ピストンポンプのシューである場合について説明する。まず、図１を参照して、ピストンポンプ１００について説明する。
　ピストンポンプ１００は、例えば、油圧ショベルや油圧クレーン等の建設機械に搭載され、アクチュエータとしての油圧シリンダや油圧モータに作動流体（作動油）を供給するものである。
　ピストンポンプ１００は、エンジンの動力が伝達される駆動軸１と、駆動軸１の回転に伴って回転するシリンダブロック２とを備える。
　シリンダブロック２には、駆動軸１と平行に複数のシリンダボア３が開口して形成される。シリンダボア３には、容積室４を画成するピストン５が往復動自在に挿入されている。
　ピストン５の先端には、球状の球面座１１を介してシュー１０が回動自在に連結されている。シュー１０は、球面座１１と一体に形成された平板部１２を備える。平板部１２は、ケース２１に固定された斜板２０に面接触している。シリンダブロック２が回転するのに伴って、各シュー１０の平板部１２が斜板２０に摺接し、各ピストン５が斜板２０の傾転角度に応じたストローク量で往復動する。各ピストン５の往復動によって各容積室４の容積は増減する。
　ケース２２には、シリンダブロック２の基端面が摺接するバルブプレート２３が取り付けられている。バルブプレート２３には、図示しない吸込ポートと吐出ポートが形成される。シリンダブロック２の回転に伴って吸込ポートを通じて容積室４に作動油が導かれ、容積室４に導かれた作動油は吐出ポートを通じて吐出される。このように、ピストンポンプ１００は、シリンダブロック２の回転に伴ってピストン５が往復動することによって作動油の吸込みと吐出を連続的に行う。
　ピストンポンプ１００の運転中は、ピストン５の先端に連結されたシュー１０は、斜板２０に摺接する。したがって、ピストン５の往復動が円滑に行われ安定した作動油の吸込みと吐出が行われるためには、シュー１０の平板部１２と斜板２０との間の摩擦力を低減させる必要がある。また、ピストンポンプ１００の吐出圧力が大きくなれば、シュー１０の平板部１２は斜板２０に対して強く押し付けられるため、平板部１２と斜板２０との摩擦力は大きくなる。したがって、ピストンポンプ１００を高圧化させるためには、平板部１２の摺動性を向上させる必要がある。そこで、平板部１２における斜板２０と摺接する面には、摺動性に優れるＣｕ合金からなる摺動部１４が設けられる。このように、シュー１０は、球面座１１と平板部１２からなる本体部１３と、斜板２０に摺接する摺動部１４とから構成される。
　次に、図２～図６を参照して、シュー１０の製造方法について説明する。
　図２に示すように、シュー１０の製造には、本体部１３として機能する鉄系金属のバルク材３０と、摺動部１４として機能するＣｕ合金のバルク材３１とが用いられる。バルク材３０及びバルク材３１は、シュー１０の直径と同一径の円柱部材である。バルク材３０の鉄系金属としてＣｒ－Ｍｏ鋼のＳＣＭ４３５（ＪＩＳ）が用いられる。バルク材３１のＣｕ合金としてＣｕ－Ｚｎ系合金が用いられる。Ｃｕ合金とは銅を主成分とする合金をいう。Ｃｕ－Ｚｎ系合金とは銅を主成分とし亜鉛を含有する合金をいい、具体的には、亜鉛は、脆性のＣｕＺｎ相形成を抑制するために、３５ｗｔ％以下であることが望ましい。表１に、バルク材３０（ＳＣＭ４３５）とバルク材３１（Ｃｕ－Ｚｎ系合金）の組成を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　第１工程では、バルク材３０は所望の厚さに切断される。具体的には、本体部１３の軸方向長さに相当する寸法に切断される。また、バルク材３１も所望の厚さに切断される。具体的には、摺動部１４の厚さに相当する寸法に切断される。
　第２工程では、第１工程にて所望の厚さに切断されたバルク材３０とバルク材３１が、放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ（Spark Plasma Sintering）法）による加熱加圧によって互いの端面が接合される。放電プラズマ焼結法は、被接合体の間隙に低電圧でパルス状の大電流を印加し、瞬間的に発生する放電プラズマにより、熱および電界拡散を助長させる焼結法である。
　図３を参照して、第２工程の放電プラズマ焼結法が行われる放電プラズマ焼結装置４０について説明する。放電プラズマ焼結装置４０は、被接合部材が収装される高強度ＷＣ製の円筒状の冶具４８と、被接合部材を挟持して冶具４８内に保持するための上部パンチ４１ａ及び下部パンチ４１ｂと、上部パンチ４１ａ及び下部パンチ４１ｂに当接して配置され被接合部材に対して電流を印加するための上部電極４２ａ及び下部電極４２ｂと、上部電極４２ａ及び下部電極４２ｂに接続された電源４３と、上部電極４２ａ及び下部電極４２ｂを通じて上部パンチ４１ａ及び下部パンチ４１ｂを押圧し、被接合部材に加圧力を付与するための加圧機構４４と、電源４３及び加圧機構４４を制御する制御装置４５とを備える。
　冶具４８は真空チャンバ４６内に配置され、被接合部材の接合は真空雰囲気内にて行われる。冶具４８の胴部には内外周面を貫通する貫通孔が形成され、その貫通孔には熱電対４７が挿入される。熱電対４７は、その先端が被接合部材の接合面近傍に位置するように配置されるため、被接合部材の接合面の温度が計測可能となっている。熱電対４７による測定結果は制御装置４５に送信され、制御装置４５はその測定結果を基に被接合部材の接合面の温度や昇温速度が予め定められた設定値となるように電源４３を制御する。
　被接合部材であるバルク材３０とバルク材３１の接合方法について具体的に説明する。バルク材３０とバルク材３１は、冶具４８の中空部内に収装され、上部パンチ４１ａと下部パンチ４１ｂにて挟持される。これにより、バルク材３０とバルク材３１は、互いの端面が接触し積層した状態で冶具４８内に収装される。そして、バルク材３０とバルク材３１には、電源４３を通じて電流が印加され、所定の昇温速度にて所定の温度まで昇温される。ここで、所定の温度、つまり接合温度は、バルク材３０（ＳＣＭ４３５）とバルク材３１（Ｃｕ－Ｚｎ系合金）との互いの融点以下に設定される。所定の温度に到達後、バルク材３０とバルク材３１には、加圧機構４４によって上部パンチ４１ａ及び下部パンチ４１ｂを通じて所定の加圧力が付与され、その状態が一定時間保持される。これにより、バルク材３０とバルク材３１は、互いの端面が密着した状態で加熱加圧され、互いの接合界面にて放電プラズマが発生して固相反応が起こることによって接合される。なお、バルク材３０とバルク材３１は、加圧を受けることによって圧縮変形し、厚さが５％程度減少する。
　一般的に、鉄と銅は、ホットプレス等による通常の拡散接合では相互拡散を生じず、両者を直接接合することは困難であることが知られている。これは、鉄と銅の二元合金状態図からわかるように、ＢＣＣ構造の鉄へのＦＣＣ構造の銅の固溶度は最大１．９ａｔ％（８５０℃）、銅への鉄の固溶度は最大４．６ａｔ％（１０９６℃）であり、相互に連続固溶体を形成しないことからもわかる。また、鉄中の銅の拡散定数はＤ0＝３．７６×１０-12（ｍ2／ｓ），Ｑ＝１８１（ｋＪ／ｍｏｌ）、銅中の鉄の拡散定数はＤ0＝１．００×１０-5（ｍ2／ｓ），Ｑ＝１９７（ｋＪ／ｍｏｌ）と報告され、通常の拡散接合では相互拡散は期待できない。しかし、上述のように、バルク材３０とバルク材３１に加圧力を付与しながら、接合界面にて放電プラズマを発生させて固相反応を起こさせることによって、両者を直接接合させることができる。これは、放電プラズマの印加は局所的に大容量のエネルギーを集中させることが可能であるため、バルク材３０とバルク材３１の接合界面にエネルギーが集中し、両者間の原子の相互拡散が助長されたためであると考えられる。また、バルク材３０とバルク材３１の放電プラズマ焼結は、接合界面が両者の端面のみであるため、粉末同士を放電プラズマ焼結によって接合する場合と比較して、接合面積が５０００分の１程度と極めて小さい。このことから、バルク材３０とバルク材３１の放電プラズマ焼結では、単位接合面積当りの放電プラズマの印加によるエネルギーが大きく、両者が直接接合されると考えられる。
　次に、図４を参照して、バルク材３０とバルク材３１の接合の熱処理条件及び加圧条件について説明する。図４中、実線は温度、点線は圧力を示す。熱処理は、６００℃まで２分で昇温し、６００℃から７３０℃まで１分で昇温し、７３０℃から接合温度の７５０℃まで１分で昇温し、７５０℃で３分保持し、その後自然冷却する。一方、加圧は、昇温と同時に開始して２０ＭＰａの圧力に保持し、自然冷却と同時に解除する。接合に要する時間は合計７分であり、短時間にて接合が完了する。放電プラズマ焼結法によって接合を行うことによって、ホットプレス等の従来の接合方法と比較して短時間で接合を完了させることができる。
　次に、図４に示した熱処理条件及び加圧条件にて接合したバルク材３０とバルク材３１の接合界面の走査型電子顕微鏡写真を図５Ａ～図５Ｃに示す。図５Ａは二次電子像、図５ＢはＥＤＸ分析によるＦｅＬαのマッピング像、図５ＣはＥＤＸ分析によるＣｕＬαのマッピング像である。図５Ａ～図５Ｃにおいて、写真上側がＳＣＭ４３５、写真下側がＣｕ－Ｚｎ系合金である。図５Ａからかわるように、ＳＣＭ４３５がＣｕ－Ｚｎ系合金側に拡散し、接合初期界面を挟んでＳＣＭ４３５とＣｕ－Ｚｎ系合金が串状に入り組んだ柱状組織の形成が確認された。この柱状組織は、ＳＣＭ４３５とＣｕ－Ｚｎ系合金との固相拡散接合を示すものと言える。また、図５Ｂ及び図５Ｃからわかるように、原子の相互拡散が接合界面を挟んで相互に起こっていることが確認された。
　上述のように、ＦｅとＣｕは物理的に相互拡散を起こし難いが、ＳＣＭ４３５とＣｕ－Ｚｎ系合金との固相接合界面において、放電プラズマ焼結法による多大な電気エネルギーが供給されることで原子の拡散を助長し、結果的に両者は柱状組織を介して固相接合される。実用Ｃｕ－Ｚｎ系合金はＺｎを２０～４０ｗｔ%含有し加工性と強度を兼ね備えることから構造用材料として黄銅と称せられ、古くから実用に供せられた合金である。Ｃｕの融点は１０８５℃であるが、Ｚｎ量の増加により連続的に低下し、包晶組成の３６．８ｗｔ％Ｚｎでは９０２℃となる。これは融点が４１９℃のＺｎとＣｕが包晶反応組成まで幅広くＦＣＣ固溶体を形成することに関与し、Ｚｎの添加によりＣｕ合金中の構成元素の拡散は速まる。即ち、放電プラズマ焼結法による固相接合が可能となった原因として、まずＣｕ合金として拡散性に優れるＣｕ－Ｚｎ系合金を選択した点があげられる。
　また、ＳＣＭ４３５及びＣｕ－Ｚｎ系合金の構成元素とその構成元素が拡散する相手方の合金の主要元素であるＦｅ或いはＣｕとの親和性に着目し、ＳＣＭ４３５及びＣｕ－Ｚｎ系合金の構成元素が両合金間で濃度勾配を形成するかどうかを平衡状態図に基づいて検討した。その結果、ＳＣＭ４３５及びＣｕ－Ｚｎ系合金の両合金の構成元素であるＳｉのＣｕへの固溶限は５５２℃で９．９５ａｔ％であるのに対し、ＳｉのＦｅへの固溶限は１２００℃で２９．８ａｔ％である。したがって、Ｓｉは、Ｃｕ－Ｚｎ系合金からＳＣＭ４３５への拡散が期待でき、濃度勾配を形成する可能性がある。同様に、Ｃｕ－Ｚｎ系合金の構成元素であるＡｌのＦｅへの固溶限は共晶温度の１１０２℃で５５．０ａｔ％であるのに対し、ＡｌのＣｕへの固溶限は５６７℃で１９．７ａｔ％である。したがって、Ａｌは、Ｃｕ－Ｚｎ系合金からＳＣＭ４３５への拡散が期待でき、濃度勾配を形成する可能性がある。
　図６Ａ及び図６Ｂにバルク材３０とバルク材３１の接合界面の走査型電子顕微鏡写真を示す。図６ＡはＥＤＸ分析によるＳｉＫαのマッピング像、図６ＢはＥＤＸ分析によるＡｌＫαのマッピング像である。図６Ａ及び図６Ｂにおいて、写真上側がＳＣＭ４３５、写真下側がＣｕ－Ｚｎ系合金である。図６ＡからＳｉが強い濃度勾配を示すことが明らかとなった。また、図６ＢからＡｌはＳｉほどではないが濃度勾配を示すことが明らかとなった。以上のことから、Ｃｕ－Ｚｎ系合金がＳｉとＡｌを含有することがＦｅ原子のＣｕ－Ｚｎ系合金側への拡散を助長したと考えられる。つまり、Ｃｕ－Ｚｎ系合金としてＡｌ及びＳｉの少なくとも一方を含むことが、柱状組織の形成を助長すると考えられる。
　次に、バルク材３０とバルク材３１の接合強度について説明する。接合強度は、接合されたバルク材３０とバルク材３１を互いに反対方向に引っ張り、剥離した際の剥離強度を測定する剥離試験によって評価した。表２に剥離試験結果、表３に比較材の剥離試験結果を示す。比較材は、従来の製造方法によって得られたものであり、低炭素鋼にメッキされた銅下地層上にＣｕ合金粉末を焼結することによって低炭素鋼とＣｕ合金を接合したものである。表４に比較材の低炭素鋼とＣｕ合金粉末の組成を示す。表２及び表３からわかるように、バルク材３０とバルク材３１の接合強度は比較材よりも大きい。このように、放電プラズマ焼結法によってＳＣＭ４３５とＣｕ－Ｚｎ系合金の接合を行うことによって、両者を直接接合することができ、かつ柱状組織を介して接合することができるため、メッキを介して接合していた従来のものと比較して高い接合強度が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　以上のように、図２に示す第２工程では、バルク材３０とバルク材３１が強固に接合され、シュー１０の基となる素材３２が得られる。
　図２に示すように、第３工程では素材３２が所望の形状に加工される。具体的には、素材３２のうちバルク材３０の部分は、球面座１１と平板部１２の形状に切削される。また、バルク材３１の部分は、端面に円形の溝３１ａが切削されて摺動部１４となる。最後に、球面座１１、平板部１２、及び摺動部１４を軸方向に貫通する貫通孔（図示せず）が切削される。この貫通孔は、ピストン５の内部の作動油を溝３１ａに導き、摺動部１４と斜板２０の面圧を低減させるためのものである。なお、溝３１ａは必須の構成ではなく省略してもよい。
　このように、素材３２の加工にて廃材となるのは、主に球面座１１と平板部１２の形状に切削されるＳＣＭ４３５であり、ＳＣＭ４３５と比較して高価なＣｕ－Ｚｎ系合金はほとんど廃材とならない。ここで、仮に、シュー１０全体をＣｕ－Ｚｎ系合金にて製造する場合には、球面座１１と平板部１２の形状に切削する際に、Ｃｕ－Ｚｎ系合金が多く廃材となってしまう。しかし、本実施形態では、斜板２０に摺接する摺動部１４のみをＣｕ－Ｚｎ系合金にて製造するため、Ｃｕ－Ｚｎ系合金の廃材量を低減することができ、製造コストを低減することができる。
　第４工程では、第３工程にて加工された素材３２に対して窒化処理が施される。具体的には、ガス軟窒化処理が施される。ガス軟窒化処理は、一酸化炭素（ＣＯ）を主成分とする浸炭性ガス（ＲＸガス）とアンモニアガス（ＮＨ3ガス）との混合ガス雰囲気中で、５７０℃の温度にて２．５時間加熱保持することによって、ＳＣＭ４３５製の球面座１１及び平板部１２の表面を窒化させるものである。これにより、球面座１１及び平板部１２の表面の耐摩耗性、耐疲労性、及び耐焼付性等が向上する。以上の第１～第４工程にてシュー１０の製造が完了する。
　以上に示す第１実施形態によれば、以下に示す効果を奏する。
　放電プラズマ焼結法による加熱加圧を利用することによって、ＳＣＭ４３５とＣｕ－Ｚｎ系合金とをメッキ等のバインダーを介さずに直接固相接合させることができる。これにより、ピストン５の先端に回動自在に連結され強度を要する本体部１３はＳＣＭ４３５にて構成すると共に、斜板２０に摺接し摺動性を要する摺動部１４はＣｕ－Ｚｎ系合金にて構成することができ、ＳＣＭ４３５とＣｕ－Ｚｎ系合金のそれぞれの長所を組み合わせた高機能のバイメタルシュー１０が得られる。
　また、放電プラズマ焼結法によってＳＣＭ４３５のバルク材３０とＣｕ－Ｚｎ系合金のバルク材３１との固相接合を行うことによって、両者は柱状組織を介して接合されるため、高い接合強度が得られる。
　以上のように、放電プラズマ焼結法による加熱加圧を利用することによって、ＳＣＭ４３５のバルク材３０とＣｕ－Ｚｎ系合金のバルク材３１とを高い接合強度で、かつ簡便に接合させることができる。
　（第２実施形態）
　以下の第２実施形態の説明では、上記第１実施形態と異なる点を中心に説明し、上記第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
　上記第１実施形態では、バルク材３１のＣｕ合金がＣｕ－Ｚｎ系合金である場合について説明した。しかし、本発明のＣｕ合金はＣｕ－Ｚｎ系合金に限られるものではない。そこで、本第２実施形態では、バルク材３１のＣｕ合金がＣｕ－Ｎｉ系合金である場合について説明する。Ｃｕ－Ｎｉ系合金とは銅を主成分としニッケルを含有する合金をいう。ただし、ニッケルを多量に含有すると固溶硬化が大きくなり過ぎること、及びニッケルは高価であることを考慮すると、ニッケルの含有量は、１０ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下であることが望ましい。表５にバルク材３１（Ｃｕ－Ｎｉ系合金）の組成を示す。Ｓｎは摺動部１４の耐摩擦性の向上を目的として添加されるものである。バルク材３０（ＳＣＭ４３５）の組成は表１に示したとおりである。シュー１０の製造方法は、図２に示した工程と同じである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　図４に示した熱処理条件及び加圧条件にて接合したバルク材３０とバルク材３１の接合界面の走査型電子顕微鏡写真を図７Ａ～図７Ｃに示す。図７Ａは二次電子像、図７ＢはＥＤＸ分析によるＦｅＬαのマッピング像、図７ＣはＥＤＸ分析によるＣｕＬαのマッピング像である。図７Ａ～図７Ｃにおいて、写真上側がＳＣＭ４３５、写真下側がＣｕ－Ｎｉ系合金である。ＳＣＭ４３５のバルク材３０とＣｕ－Ｎｉ系合金のバルク材３１との組み合わせにおいても、加圧力を付与しながら、接合界面にて放電プラズマを発生させて固相反応を起こさせることによって、両者を直接接合させることができる。しかし、図７からわかるように、接合界面に柱状組織の形成は確認されなかった。これは、Ｃｕ中のＮｉの拡散定数はＺｎと比較して小さく、放電プラズマの印加による大エネルギーを付与しても拡散し難いためであると考えられる。
　次に、バルク材３０とバルク材３１の接合強度について説明する。接合強度は、接合されたバルク材３０とバルク材３１を互いに反対方向に引っ張り、剥離した際の剥離強度を測定する剥離試験によって評価した。表６に剥離試験結果を示す。表６からわかるように、バルク材３０とバルク材３１の接合強度は、表３に示した比較材の接合強度と同等である。このように、放電プラズマ焼結法によってＳＣＭ４３５とＣｕ－Ｎｉ系合金の接合を行うことによって、柱状組織を介しての接合とはならいものの、従来のものと同等の高い接合強度が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　以上の第２実施形態に示すように、放電プラズマ焼結法による加熱加圧を利用することによって、ＳＣＭ４３５とＣｕ－Ｎｉ系合金についてもメッキ等のバインダーを介さずに直接固相接合させることができる。
　以上の第１実施形態及び第２実施形態に示すように、放電プラズマ焼結法による加熱加圧を利用することによって、鉄系金属のバルク材とＣｕ合金のバルク材とを高い接合強度で、かつ簡便に接合させることができる。
　本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
　例えば、上記実施形態では、斜板型ピストンポンプのシュー１０の製造方法について説明したが、斜板型ピストンモータのシューの製造方法にも当然適用することができる。
　また、上記実施形態では、シュー１０が球状の球面座１１を介してピストン５の先端に回動自在に連結される構成について説明した。しかし、これに代えて、ピストン５の先端に球状部を設けると共に、シュー１０の本体部１３に凹状の球面座を設け、シュー１０が凹状の球面座を介してピストン５の先端の球状部に回動自在に連結されるように構成してもよい。
　また、上記実施形態では、本発明の摺動部材が斜板型ピストンポンプモータのシュー１０である場合について説明した。しかし、摺動部材はこれに限られるものではなく、軸を支持するすべり軸受であってもよい。その場合には、軸に摺接する摺動部はＣｕ合金にて構成し、それ以外の本体部は鉄系金属にて構成するようにすればよい。
　本願は２０１１年３月２日に日本国特許庁に出願された特願２０１１－０４５５５４に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。
　本発明の製造方法によって製造された摺動部材は、ピストンポンプモータのシューに適用することができる。

Claims (4)

  1. 　摺動部を有する摺動部材の製造方法であって、
    　前記摺動部材の本体部として機能する鉄系金属のバルク材と前記摺動部として機能するＣｕ合金のバルク材とを放電プラズマ焼結法による加熱加圧によって固相接合して摺動部材を製造する摺動部材の製造方法。
  2. 　請求項１に記載の摺動部材の製造方法であって、
    　前記Ｃｕ合金は、Ｃｕ－Ｚｎ系合金であり、
    　前記鉄系金属のバルク材と前記Ｃｕ合金のバルク材とは、柱状組織を介して接合される摺動部材の製造方法。
  3. 　請求項２に記載の摺動部材の製造方法であって、
    　前記Ｃｕ合金は、Ａｌ及びＳｉの少なくとも一方を含む摺動部材の製造方法。
  4. 　請求項１に記載の摺動部材の製造方法であって、
    　前記摺動部材は、ピストンポンプモータにおいてピストンの先端に回動自在に連結されると共に斜板に摺接するシューであり、
    　前記鉄系金属は、前記ピストンの先端に回動自在に連結される本体部として機能し、
    　前記Ｃｕ合金は、前記斜板に摺接する摺動部として機能する摺動部材の製造方法。
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