WO2013146393A1 - 摺接部材及びピストンポンプ・モータ - Google Patents

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徹弥 田村
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Abstract

　互いに摺接する摺接部材であって、一方の摺接部材の摺接部はアモルファス炭素により形成され、他方の摺接部材の摺接部は銅合金またはアルミニウム合金により形成される。

Description

摺接部材及びピストンポンプ・モータ
　本発明は、互いに摺接する摺接部材、及びそれら摺接部材を用いたピストンポンプ・モータに関する。
　特開２００５－２５７０３５号公報には、鉄鋼材料の部材に摺接する摺接部材を、鉄鋼材料に対する耐焼付き性が優れる銅合金により形成することが開示されている。銅合金としては、鉛青銅が多く用いられる。
　しかしながら、鉛青銅は人体に有害な鉛を有しているため、鉛フリーの材料により摺接部材を形成することが求められている。
　そのため、鉄鋼材料の部材に摺接する摺接部材の摺接面に、高硬度及び低摩擦性のアモルファス炭素膜（いわゆるダイヤモンドライクカーボン膜）を形成して、２つの部材間の摺動性を高めることも考えられる。しかしながら、鉄鋼材料の部材と、アモルファス炭素膜を有する部材との摺接面間に微小異物（いわゆるコンタミネーション）が侵入した場合には、微小異物によりアモルファス炭素膜が損傷して、アモルファス炭素膜が摺接部材から剥離してしまうおそれがある。
　本発明の目的は、２つの部材間の摺動性を高めつつ、アモルファス炭素膜の剥離を抑制することができる２つの摺接部材、及びそれら摺接部材を用いたピストンポンプ・モータを提供することである。
　本発明のある態様によれば、互いに摺接する摺接部材が提供される。一方の摺接部材の摺接部はアモルファス炭素により形成され、他方の摺接部材の摺接部は銅合金またはアルミニウム合金により形成される。
　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よるピストンポンプ・モータの断面図である。 図２は、一方の摺接部材を他方の摺接部材に対して摺動させた時の焼付き荷重について説明する図である。 図３は、リン青銅と各種アモルファス炭素との焼付き性を示す図である。 図４は、各種銅合金とクロムを含む水素化アモルファス炭素等との焼付き性を示す図である。 図５は、各種アルミニウム合金とクロムを含む水素化アモルファス炭素等との焼付き性を示す図である。
　図１を参照して、本発明の実施形態による斜板型のピストンポンプ・モータ１００の構成について説明する。
　ピストンポンプ・モータ１００は、外部からの動力により駆動軸１が回転してピストン５が往復動することで、作動油（作動流体）を供給可能なポンプとして機能し、また外部から供給される作動油の圧力によりピストン５が往復動して駆動軸１が回転することで、回転駆動力を出力可能なモータとして機能する。
　図１に示すピストンポンプ・モータ１００は、建設機械等の車両に搭載され、作動油を供給するポンプとして使用した場合を例示したものである。したがって、以下ではピストンポンプ１００として説明する。この場合、車両に搭載されたエンジンの動力により駆動軸１が回転駆動され、ピストンポンプ１００はアクチュエータ等に作動油を供給する。
　ピストンポンプ１００は、ケース２１，２２に回転自在に支持される駆動軸１と、ケース２１，２２によって画成される収容室２３内に収容されるシリンダブロック２と、を備える。
　駆動軸１は、棒状部材であって、エンジンの動力により回転駆動される。駆動軸１には、駆動軸１の回転に伴って回転するシリンダブロック２が取り付けられる。
　シリンダブロック２は、有底円筒状部材である。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る。
　ピストン５の先端には、シュー１０が回動自在に連結される。シュー１０は、円形の平板部１１と、これら平板部１１に一体形成された球面座１２と、から構成される。各球面座１２はそれぞれのピストン５の先端部に取り付けられており、シュー１０の平板部１１はケース２１に固定された斜板２０に面接触するように配設されている。
　エンジンの動力により駆動軸１が回転駆動され、シリンダブロック２が回転すると、各シュー１０の平板部１１が斜板２０に対して摺動し、各ピストン５が斜板２０の傾斜角度に応じたストローク量でシリンダボア３に沿って往復動する。各ピストン５の往復動により、各容積室４の容積が増減する。
　ケース２１の開口端を閉塞するケース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６が固定される。バルブプレート６には、図示しない吸込ポート及び吐出ポートが形成されている。シリンダブロック２の回転により拡大する容積室４には吸込ポートを通じて作動油が導かれ、シリンダブロック２の回転により縮小する容積室４からは排出ポートを通じて作動油が吐出される。このようにピストンポンプ１００では、シリンダブロック２の回転に伴って、作動油の吸込と吐出が連続的に行われる。
　なお、本実施形態のピストンポンプ１００では、斜板２０を、ケース２１に固定したが、傾転角度の調整ができるようにケース２１内に回動可能に配設してもよい。
　ピストンポンプ１００の運転中は、シリンダブロック２は、バルブプレート６に対して摺動している。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及び吐出が行われるためには、シリンダブロック２とバルブプレート６の摺動性を高める必要がある。そのため、本実施形態では、シリンダブロック２の摺接面を銅合金により形成し、バルブプレート６の摺接面をアモルファス炭素（いわゆるダイヤモンドライクカーボン）により形成する。
　シリンダブロック２は、ダイス鋼（ＳＫＤ１１）等の鉄鋼材料により形成された有底円筒状部材である。バルブプレート６に対して摺接するシリンダブロック２の端面には、焼結等の既知の方法により、リン青銅（ＣＡ５０２）による層（膜）が設けられる。このようにシリンダブロック２の摺接面（摺接部）は、シリンダブロック２の母材である鉄鋼材料や後述するアモルファス炭素よりも低硬度のリン青銅により形成されている。リン青銅は、鉛を含まない鉛フリーの銅合金である。
　バルブプレート６は、ダイス鋼（ＳＫＤ１１）等の鉄鋼材料により形成された円板状部材である。シリンダブロック２に対して摺接するバルブプレート６の端面には、物理蒸着法（ＰＶＤ）や化学蒸着法（ＣＶＤ）等の既知の方法により、アモルファス炭素による層（膜）が設けられる。このようにバルブプレート６の摺接面（摺接部）は、バルブプレート６の母材である鉄鋼材料やリン青銅等の銅合金よりも高硬度及び低摩擦性のアモルファス炭素により形成されている。バルブプレート６の摺接面を形成するアモルファス炭素は、クロム（Ｃｒ）等の金属がドープされた水素化アモルファス炭素（ａ－Ｃ：Ｈ（Ｃｒ））である。
　図２は、摺接面に銅合金や水素化アモルファス炭素の層を有する２つの摺接部材の焼付き性を検証したグラフである。このグラフは、一方の摺接部材を回転させ、回転側の摺接部材の摺接面の一部分に固定側の摺接部材を押し当てた場合において、両摺接部材が焼き付いた時の焼付き荷重を示している。
　図２に示すように、鉛青銅（ＣＡＣ６０３）の摺接面を有する摺接部材に鋳鉄材料（ＦＣＤ７００）で形成された摺接部材を押し当てた時の焼付き荷重は、鉛フリーのリン青銅（ＣＡＣ５０２）の摺接面を有する摺接部材に鋳鉄材料で形成された摺接部材を押し当てた時よりも高くなる。鋳鉄材料に対する耐焼付き性に関しては、リン青銅よりも鉛青銅の方が優れている。
　これに対して、リン青銅の摺接面を有する回転側の摺接部材（母材：ＳＫＤ１１）に、クロムをドープした水素化アモルファス炭素（ａ－Ｃ：Ｈ（Ｃｒ））の摺接面を有する摺接部材（母材：ＳＫＤ１１）を押し当てた場合には、今回の実験では焼付きが生じなかった。また、クロムをドープした水素化アモルファス炭素の摺接面を有する回転側の摺接部材に、リン青銅の摺接面を有する固定側の摺接部材を押し当てた場合にも、焼付きが生じなかった。
　このように、一方の摺接部材の摺接面をクロムをドープした水素化アモルファス炭素とし、他方の摺接部材の摺接面をリン青銅とすることで、両摺接部材の摺動性が大幅に向上することが確認された。
　なお、回転側をリン青銅の摺接面を有する摺接部材とした場合には、高硬度の水素化アモルファス炭素の摺接面と接するリン青銅の摺接面の位置が回転により変化するため、焼付きにくい。これに対して、回転側を水素化アモルファス炭素の摺接面を有する摺接部材とした場合には、リン青銅の摺接面全体を水素化アモルファス炭素の摺接面が部分的に摺動し続けるので、前述の場合よりは焼付きやすいと考えられる。
　上記のような知見に基づき、ピストンポンプ１００では、回転側のシリンダブロック２の摺接面をリン青銅により形成し、固定側のバルブプレート６の摺接面をクロムをドープした水素化アモルファス炭素により形成することが望ましい。ピストンポンプ１００では、シリンダブロック２及びバルブプレート６の摺接面間の面圧は吐出圧力の影響により吸込ポート側よりも吐出ポート側が高く、シリンダブロック２がバルブプレート６に対して僅かに片当りした状態で回転するため、バルブプレート６側に高硬度の水素化アモルファス炭素の摺接面を形成することで、シリンダブロック２とバルブプレート６との摺動性を向上でき、さらに両摺接面の摩耗も抑制できる。但し、耐焼付き性の観点からは、シリンダブロック２の摺接面をクロムをドープした水素化アモルファス炭素により形成し、バルブプレート６の摺接面をリン青銅により形成してもよい。
　また、図２に示すように、回転側又は固定側の摺接部材の摺接面を、金属をドープしていない水素化アモルファス炭素（ａ－Ｃ：Ｈ）により形成した場合においても、水素化アモルファス炭素（ａ－Ｃ：Ｈ）とリン青銅との焼付きは生じなかった。
　したがって、ピストンポンプ１００では、シリンダブロック２及びバルブプレート６のうち、一方の部材の摺接面を金属をドープしていない水素化アモルファス炭素により形成し、他方の部材の摺接面をリン青銅により形成してもよい。なお、水素化アモルファス炭素（ａ－Ｃ：Ｈ）の代わりに、水素を含まないテトラヘドラルアモルファス炭素（ｔａ－Ｃ）を用いてもよい。図３に示すように、シリンダブロック２及びバルブプレート６のうち、一方の部材の摺接面をテトラヘドラルアモルファス炭素（ｔａ－Ｃ）で形成し、他方の部材の摺接面をリン青銅で形成した場合であっても、クロムをドープした水素化アモルファス炭素（ａ－Ｃ：Ｈ（Ｃｒ））とリン青銅との組み合わせ等とほぼ同程度の焼付き性改善効果が得られる。
　上記した本実施形態のピストンポンプ１００によれば、以下の効果を得ることができる。
　ピストンポンプ１００では、シリンダブロック２の摺接面をリン青銅（ＣＡＣ５０２）により形成し、バルブプレート６の摺接面をクロムをドープした水素化アモルファス炭素（ａ－Ｃ：Ｈ（Ｃｒ））により形成するので、シリンダブロック２及びバルブプレート６の摺動性を高めることができる。また、シリンダブロック２が片当りした状態でバルブプレート６に摺接した場合であっても、シリンダブロック２及びバルブプレート６の両摺接面の摩耗を抑制することができる。さらに、リン青銅は鉛を含まない銅合金であるので、人や環境等に悪影響を及ぼすことがない。
　シリンダブロック２の摺接面は鉄鋼材料等の金属と比較して柔らかいリン青銅（銅合金）により形成されているので、バルブプレート６とシリンダブロック２との摺接面間に微小異物が侵入した場合、微小異物がシリンダブロック２のリン青銅の摺接面に埋没するように食い込み、微小異物によってバルブプレート６の水素化アモルファス炭素膜が傷つけられにくくなる。これにより、バルブプレート６の水素化アモルファス炭素膜の剥離が抑制される。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
　互いに摺接するシリンダブロック２及びバルブプレート６のような摺接部材において、これら摺接部材の摺接面を形成する銅合金及びアモルファス炭素の組み合わせとしては、例えば表１のような組み合わせが考えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、一方の摺接部材の摺接面をクロム等の金属がドープされた水素化アモルファス炭素（ａ－Ｃ：Ｈ（Ｃｒ））で形成した場合には、他方の摺接部材の摺接面は、リン青銅（ＣＡＣ５０２）や、ビスマス（Ｂｉ）を含む銅合金、Ｓ材、高力黄銅（ＣＡＣ３０３）、コルソン銅合金等の銅合金で形成される。これら銅合金は、鉛を含まない鉛フリーの合金である。また、銅合金とは銅（Ｃｕ）を主成分とする合金をいう。
　図４に示すように、一方の摺接部材の摺接面をクロムがドープされた水素化アモルファス炭素（ａ－Ｃ：Ｈ（Ｃｒ））で形成し、他方の部材の摺接面をリン青銅や、ビスマス含有銅合金、Ｓ材、高力黄銅、コルソン銅合金のいずれかで形成することで、従来から知られている鋳鉄材料（ＦＣＤ）とリン青銅又は鉛青銅との組み合わせよりも、両摺接部材間の焼付き性を改善することが可能となる。また、ビスマス含有銅合金や、Ｓ材、高力黄銅、コルソン銅合金を使用した場合であっても、微小異物侵入時における摺接部材の水素化アモルファス炭素膜の剥離を抑制できる。
　一方の摺接部材の摺接面を、金属がドープされていない水素化アモルファス炭素（ａ－Ｃ：Ｈ）又は水素を含まないテトラヘドラルアモルファス炭素（ｔａ－Ｃ）で形成した場合には、他方の摺接部材の摺接面はリン青銅（ＣＡＣ５０２）で形成される。この場合の焼付き性改善効果は、図３に示した通りである。
　さらに、一方の摺接部材の摺接面は、銅合金ではなく、銅合金と同様に比較的柔らかい材料であるアルミニウム合金により形成してもよい。互いに摺接する摺接部材の摺接面を形成するアルミニウム合金及びアモルファス炭素の組み合わせとしては、例えば表２のような組み合わせが考えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　一方の摺接部材の摺接面をクロム等の金属がドープされた水素化アモルファス炭素（ａ－Ｃ：Ｈ（Ｃｒ））で形成した場合には、他方の摺接部材の摺接面は、アルミダイキャスト（ＡＤＣ１２）や、アルミ鋳物（ＡＣ４Ｃ又はＮＨ４２）、アルミニウム展伸材（Ａ５０５２又はＡ６０６１）等のアルミニウム合金で形成される。これらアルミニウム合金は、鉛を含まない鉛フリーの合金である。また、アルミニウム合金とはアルミニウム（Ａｌ）を主成分とする合金をいう。
　図５に示すように、一方の摺接部材の摺接面をクロムがドープされた水素化アモルファス炭素（ａ－Ｃ：Ｈ（Ｃｒ））で形成し、他方の部材の摺接面をアルミダイキャストや、アルミ鋳物、アルミニウム展伸材のいずれかで形成することで、従来から知られている鋳鉄材料（ＦＣＤ）とアルミ鋳物（ＡＣ４Ｃ）との組み合わせや、鋳鉄材料と鉛青銅との組み合わせ（図４参照）よりも、両摺接部材間の焼付き性を改善することが可能となる。また、アルミダイキャストや、アルミ鋳物、アルミニウム展伸材を使用した場合であっても、微小異物侵入時における摺接部材の水素化アモルファス炭素膜の剥離を抑制できる。
　本願は２０１２年３月３０日に日本国特許庁に出願された特願２０１２－８１０８８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。
 

Claims (6)

  1. 　互いに摺接する摺接部材であって、
    　一方の摺接部材の摺接部は、アモルファス炭素により形成され、
    　他方の摺接部材の摺接部は、銅合金またはアルミニウム合金により形成される摺接部材。
  2. 　請求項１に記載の前記摺接部材の一方は、ケース内に固定されるバルブプレートとして使用され、
    　前記摺接部材の他方は、前記バルブプレートに対して摺接するようにケース内に配設されるシリンダブロックとして使用されるピストンポンプ・モータ。
  3. 　請求項２に記載のピストンポンプ・モータであって、
    　前記バルブプレートの摺接部は、アモルファス炭素により形成され、
    　前記シリンダブロックの摺接部は、銅合金またはアルミニウム合金により形成されるピストンポンプ・モータ。
  4. 　請求項２に記載のピストンポンプ・モータであって、
    　前記アモルファス炭素は、水素化アモルファス炭素であるピストンポンプ・モータ。
  5. 　請求項２に記載のピストンポンプ・モータであって、
    　前記アモルファス炭素は、テトラヘドラルアモルファス炭素であるピストンポンプ・モータ。
  6. 　請求項２に記載のピストンポンプ・モータであって、
    　前記銅合金及び前記アルミニウム合金は、鉛を含まない鉛フリー合金であるピストンポンプ・モータ。
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