WO2015046355A1 - 摺動部材及び摺動部材の製造方法 - Google Patents

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layer
sliding member
support layer
metal material
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増田　聡
隆 赤川
佐藤　直樹
良一 倉田
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千住金属工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a sliding member that slidably supports an object to be slid and a manufacturing method of the sliding member.
  • the thermal spraying method involves melting a metal different from the base metal having the desired characteristics with combustion gas, plasma, arc, etc., and ejecting the molten metal from the nozzle together with compressed air to hit the surface of the base metal. It is made to adhere by.
  • the metal is sprayed and adhered to the support layer, so that the sliding surface along the shape of the surface of the support layer can be used regardless of whether the support layer is a flat surface or an arbitrary non-planar surface such as a spherical surface. Can be formed (see, for example, Patent Document 1).
  • the first metal adhered by the thermal spraying method and the base metal that is the base material forcibly remove the dirt adhered to the metal surface in order to obtain a strong joint strength by metal joining.
  • a cleaning process for peeling and removing is performed.
  • the surface of the base metal is soiled with an oxide or oil, even if the first metal is attached to the soiled base metal surface and then heat-treated in an active atmosphere, the soil is And interspersed between the first metal and the solid diffusion between the two metals is hindered, making the metallic connection impossible.
  • An object of the present invention is to provide a sliding member having a bonding strength suitable for an environment in which a high load is applied, and a method for manufacturing the sliding member.
  • the present inventors have roughened one surface of the support layer to which the support layer and the sliding layer are joined, so that the sliding layer can be formed on one surface of the support layer by thermal spraying. It has been found that the bonding strength between the support layer and the sliding layer is improved by the surface anchor effect.
  • the present invention comprises a support layer made of a first metal material and a second metal material having a composition different from that of the first metal material adhered to one surface of the roughened support layer by thermal spraying.
  • the arithmetic average roughness (Ra) is more than 0 ⁇ m and not more than 2.0 ⁇ m and the ten-point average roughness (Rz) is 0 ⁇ m on the surface of the sliding layer subjected to the shot blasting treatment.
  • the sliding member has a concavo-convex shape with a surface hardness (Hv) of 150 to 250 and a sliding surface that slidably supports the object to be slid.
  • the support layer is preferably roughened by a striking treatment in which a powder composed of an acute ridge corner is made to collide with one surface. Moreover, it is preferable that a sliding layer is densified by the impact process which makes spherical powder collide with one surface. Further, it is preferable that the support layer is made of a first metal material made of an iron-based material, and the sliding layer is made of a second metal material made of a copper-based material. Furthermore, the surface roughness Ra of one surface of the roughened support layer is preferably 2 ⁇ m or more. Moreover, it is preferable that the thickness of a sliding layer is more than 0 mm and 1.5 mm or less.
  • the present invention also includes a step of roughening one surface of the support layer made of the first metal material, and a second metal material attached to the one surface of the roughened support layer by thermal spraying.
  • the arithmetic average roughness (Ra) exceeds 0 ⁇ m and is 2 Sliding that has a concavo-convex shape of 10 ⁇ m or less, 10-point average roughness (Rz) exceeding 0 ⁇ m to 7.5 ⁇ m or less, and surface hardness (Hv) of 150 to 250, and slidably supports the object to be slid.
  • a step of forming a surface After forming a sliding layer along one surface of the support layer and subjecting the surface of the sliding layer to shot blasting, the arithmetic average roughness (Ra) exceeds 0 ⁇ m and is 2 Sliding that has a concavo-convex shape of 10 ⁇ m or less, 10-point average roughness (Rz) exceeding 0 ⁇ m to 7.5 ⁇ m or less
  • the shot blasting is performed, so that the sliding layer is densified and a predetermined surface hardness can be obtained.
  • a sliding process between a sliding member and a pair of sliding objects is performed. A pair of the sliding member and the object to be slid after the alignment treatment is used.
  • a metal material is sprayed on one surface of the support layer by the anchor effect of the roughened surface.
  • the bonding strength between the support layer and the sliding layer can be improved by sintering the metal material adhered by spraying.
  • the sliding layer can form not only a flat surface but also a non-planar sliding member.
  • the two-layer structure has a support layer mainly having a function of receiving a load and a sliding layer mainly having a function of improving slidability.
  • a non-planar sliding member can be formed.
  • FIG. 1 is a plan sectional view showing an example of the sliding member of the present embodiment
  • FIGS. 2A, 2B, 2C, 2D, and 2E are examples of the manufacturing method of the sliding member of the present embodiment. It is explanatory drawing shown.
  • the sliding member 1 of the present embodiment includes a supporting layer 2 composed of a first metal material and a sliding layer composed of a second metal material different from the support layer 2 for the purpose of improving slidability and the like.
  • the sliding surface 3a that includes the dynamic layer 3 and is formed on one surface of the sliding layer 3 is configured as a convex spherical surface that is not a flat surface.
  • the support layer 2 is made of iron (Fe) or an iron (Fe) alloy with iron as a main component and an additive as a first metal material.
  • the sliding surface 3 a of the sliding layer 3 is configured as a convex spherical surface in this example, the surface 2 a that is one surface is configured as a convex spherical surface.
  • the surface 2a of the supporting layer 2 is roughened in order to improve the bonding strength between the supporting layer 2 and the sliding layer 3.
  • the sliding member 1 first collides with the surface 2 a of the support layer 2 with metal powder having a predetermined particle size and particle shape.
  • the surface 2a of the support layer 2 is roughened by performing, for example, the first blasting process, which is the hitting process.
  • the sliding layer 3 is made of copper (Cu) or a copper (Cu) alloy to which an additive containing copper as a main component is added as a second metal material having a predetermined composition for the purpose of improving slidability. Composed.
  • As the copper (Cu) alloy a Cu—Sn—Bi alloy, a Cu—Sn alloy, a Cu—Zn alloy, and the like are assumed.
  • the sliding layer 3 is formed by depositing copper or a copper-based alloy by thermal spraying on the surface 2a of the support layer 2 on which the anchor effect is exhibited by roughening, and the copper or copper-based alloy deposited by thermal spraying, and the support layer 2 is sintered.
  • the sliding member 1 has the sliding layer 3 formed on the surface 2a of the support layer 2 with a predetermined thickness along the shape of the surface 2a of the support layer 2, and the surface of the sliding layer 3 is convex.
  • a sliding surface 3a composed of a spherical surface is formed.
  • the sliding layer 3 is densified in order to improve the wear resistance.
  • the sliding member 1 is made of a metal having a predetermined particle size and particle shape different from the surface roughening treatment on the sliding surface 3a of the sliding layer 3 as a densification treatment for densifying the sliding layer 3.
  • the sliding layer 3 is densified by performing, for example, a second blasting process, which is a second hitting process in which the powder collides.
  • the sliding member 1 when the sliding layer is made of iron or an iron-based alloy, seizure may occur when the object to be slid in contact with the sliding member is iron, and the sliding property is poor. Therefore, the sliding member 1 is provided with a sliding layer 3 made of copper or a copper-based alloy on the surface 2a of the support layer 2 made of iron or an iron-based alloy. Can be improved.
  • the sliding layer 3 is constituted by adhering copper or a copper-based alloy to the surface 2a of the supporting layer 2 by thermal spraying and sintering the supporting layer 2 and the sliding layer 3. Thereby, the sliding layer 3 can be formed with a predetermined thickness on the surface 2a of the support layer 2 constituted by a non-planar shape, for example, a convex spherical surface.
  • the bonding strength may be insufficient depending on the state of the surface 2 a of the support layer 2. Therefore, the support layer required as the slide member 1 is formed by spraying copper or a copper-based alloy on the surface 2a of the support layer 2 roughened by the first blasting process to form the slide layer 3. The bonding strength between 2 and the sliding layer 3 can be ensured.
  • the sliding member 1 is improved in the hardness of the sliding layer 3 by densifying the sliding layer 3 by the second blast treatment, and has a desired hardness required in an environment where a high load is applied.
  • the sliding layer 3 can be formed.
  • the sliding member 1 is formed to have a desired thickness by densifying the sliding layer 3 by the second blasting process.
  • the sliding member 1 is improved in the bonding strength by roughening the surface 2a of the support layer 2 by densifying the sliding layer 3 by the second blasting process and improving the hardness. The bonding strength between the support layer 2 and the sliding layer 3 can be further improved.
  • the sliding member 1 is subjected to a sliding process with a pair of sliding objects (not shown).
  • the surface of the sliding layer 3 has an arithmetic average roughness (Ra) of more than 0 ⁇ m to 2.0 ⁇ m or less, a ten-point average roughness (Rz) of more than 0 ⁇ m to 7.5 ⁇ m or less, surface A sliding surface 3a having a concavo-convex shape having a hardness (Hv) of 150 to 250 is formed.
  • the blasting process for densification may be given or it may not be given.
  • a plating step called overlay can be added after the rubbing step.
  • the sliding member 1 and the object to be slid after the rubbing process are paired and used, for example, as a bearing for a cylinder block in a piston pump described later.
  • the friction coefficient between the sliding surface 3a of the sliding layer 3 of the sliding member 1 and the sliding surface of the sliding object (not shown) is lowered, so that it is incorporated as a bearing in the cylinder block in the piston pump.
  • friction when the piston pump is started is reduced.
  • the thickness of the sliding layer 3 is too thick, it is easily cracked, and if it is too thin, it is difficult to crack and the thermal conductivity is improved, so that it exceeds 0 mm to 1.5 mm or less, preferably more than 0 mm to 0.1 mm. It is formed in the following thickness. Since the thickness of the sliding layer 3 is thin, in addition to improving the thermal conductivity, the fatigue strength can be improved in order to approach the strength of the iron (Fe) -based alloy that becomes the support layer 2.
  • the support layer 2 is made of iron or an iron-based alloy, and the surface 2a of the support layer 2 is molded according to the shape of the sliding member 1 as a finished product, as shown in FIG. 2A.
  • the support layer 2 is a disk, and the surface 2a of the support layer 2 is formed into a convex spherical surface having a predetermined radius.
  • the support layer 2 causes a metal powder having a predetermined particle size and particle shape to collide with the surface 2a of the support layer 2 as a surface roughening treatment for roughening the surface 2a.
  • the surface 2a of the support layer 2 is roughened.
  • FIG. 3A and 3B are photographs showing an example of a metal powder used in the blasting process
  • FIG. 3A shows a metal powder called a steel grid
  • FIG. 3B is called a steel shot.
  • Metal powder is shown.
  • the first blasting process supports an iron (Fe) powder (see FIG. 3A) having an acute ridge with a grain size of 425 to 1180 ⁇ m and a hardness of 400 to 500 Hv, called steel grit.
  • it is performed by spraying on the surface 2a of the layer 2 at 0.2 to 0.7 MPa.
  • the surface roughness Ra (arithmetic mean roughness defined in JIS B0601-1994) of the surface 2a of the support layer 2 is set to 2 ⁇ m or more.
  • the anchor effect was not obtained, and as a result after thermal spraying, partial peeling or entire peeling occurred, and the sliding layer 3 was not formed.
  • copper or a copper-based alloy powder is adhered to the roughened surface 2a of the support layer 2 by thermal spraying, and the copper or The copper-based alloy and the support layer 2 are sintered.
  • the copper powder having a particle size of 45 ⁇ m or less is melted and sprayed onto the roughened surface 2 a of the support layer 2.
  • a Cu—Sn—Bi based Cu alloy was used as the copper powder.
  • a metal powder having a predetermined particle size and particle shape is applied to the sliding surface 3a of the sliding layer 3.
  • a second blast process for collision is performed.
  • the second blast treatment is performed by using spherical iron powder (refer to FIG. 3B) having a particle size of 1000 to 1700 ⁇ m and a hardness of 400 to 500 Hv, called steel shot, and the sliding surface of the sliding layer 3. It is performed by spraying on 3a at, for example, 0.2 to 0.7 MPa.
  • FIG. 4A shows a state after the sintering and before the second blasting process
  • FIG. 4B shows the second blasting process. The state after is shown.
  • the voids are reduced after the second blasting process as compared to before the second blasting process.
  • the hardness of the sliding surface 3a of the sliding layer 3 is about Hv30 after sintering and before the second blasting process, but is about Hv160 to 175 after the second blasting process.
  • the sliding surface 3a after the second blast treatment has an arithmetic average roughness (Ra) of more than 0 ⁇ m to 2.5 ⁇ m or less, and a ten-point average roughness (Rz) of more than 0 ⁇ m to 10.0 ⁇ m or less.
  • Ra arithmetic average roughness
  • Rz ten-point average roughness
  • the sliding member 1 has a sliding layer 3 formed on the surface 2 a of the support layer 2 with a predetermined thickness along the shape of the surface 2 a of the support layer 2.
  • a sliding surface 3a having a predetermined hardness and made of a convex spherical surface is formed.
  • the shape of the non-planar sliding surface 3a has been described as an example of the disk-shaped sliding member 1 in which the sliding surface 3a is a convex spherical surface. However, it may be a concave spherical surface or a flat sliding surface. Further, the sliding member 1 is not limited to a circular shape, and the sliding surface may be formed of, for example, a square shape, a convex shape, or a curved surface curved in a concave shape.
  • the 1st blasting process was illustrated as a 1st striking process, this 1st striking process aims at roughening the surface 2a of the support layer 2, and obtaining the anchor effect at the time of thermal spraying. Therefore, the material is not limited to iron powder as long as it has a sharp ridge, and for example, glass beads, cut wires, silica sand, alumina, zirconia, silicon carbide, and the like can be used.
  • the second blast treatment may be performed with copper powder.
  • the copper powder has a particle size of about 350 ⁇ m and a hardness of 80 to 120 Hv, which is relatively soft, so that the surface of the sliding layer 3 can be prevented from being scratched.
  • the process of forming the sliding surface 3a having a predetermined surface roughness on the surface of the sliding layer 3 by the sliding process of the sliding member 1 and the object to be slid performed after the second blasting process is quick. To be done.
  • the surface of the sliding layer 3 has an irregular shape having an arithmetic average roughness (Ra) of more than 0 ⁇ m and not more than 2.0 ⁇ m and a ten-point average roughness (Rz) of more than 0 ⁇ m and not more than 7.5 ⁇ m. Is formed.
  • the sliding surface 3a having an arithmetic average roughness (Ra) of 0.173 ⁇ m and a ten-point average roughness (Rz) of 1.041 ⁇ m was formed.
  • the surface hardness (Hv) of the sliding surface 3a is about 160 to 175, which is compared with that after the second blast treatment before the rubbing treatment. There was no decline in
  • the sliding member 1 of the present embodiment has a two-layer structure having a support layer 2 mainly having a function of receiving a load and a sliding layer 3 having a function of mainly improving the slidability.
  • the surface 3a can be configured in an arbitrary shape such as a spherical surface.
  • FIG. 5 is a schematic side sectional view showing an example of a piston pump to which the sliding member of the present embodiment is applied as an example of a hydraulic device.
  • the cylinder block 20 is supported by the input shaft 21 and attached to the case 30, and the cylinder block 20 is rotated by the driving force transmitted to the input shaft 21.
  • a plurality of cylinders 22 are formed in the cylinder block 20 along the rotation direction, and a piston 40 is attached to each cylinder 22 so as to be able to be put in and out.
  • the piston pump 10 is provided with a spherical bearing 50 that rotatably supports the cylinder block 20.
  • the sliding member 1 of the present embodiment is applied to the spherical bearing 50, and the sliding surface with the cylinder block 20 is formed of a convex spherical surface having a predetermined radius.
  • the cylinder block 20 which is a to-be-slidable object is configured such that the sliding surface with the spherical bearing 50 is a concave spherical surface.
  • the spherical bearing 50 includes a suction port 51 and a discharge port 52 that open along the rotation direction of the cylinder block 20.
  • the spherical port 50 communicates the suction port 31 and the suction port 51 provided in the case 30 with the discharge port 32 of the case 30.
  • the discharge port 52 is communicated with each other and is attached between the cylinder block 20 and the case 30.
  • the spherical bearing 50 rotates with the cylinder block 20 pressed in the axial direction, so that the cylinder block 20 and the spherical bearing 50 slide relative to each other. Further, when a radial force is applied to the cylinder block 20, the spherical bearing 50 maintains a state where the spherical bearing 50 and the sliding surface of the cylinder block 20 are in contact with each other, and the cylinder block 20 is inclined with respect to the axial direction. To do.
  • the piston pump 10 includes a swash plate 60 that moves the piston 40 in and out of the cylinder 22 of the cylinder block 20 as the cylinder block 20 rotates, a yoke 61 that switches the angle of the swash plate 60, and the swash plate 60 and the yoke 61.
  • An operating piston 70 and a return spring 80 are provided.
  • the piston pump 10 As the cylinder block 20 rotates, oil is sucked from the cylinder 22 on the side where the piston 40 protrudes from the cylinder block 20, and oil is discharged from the cylinder 22 on the side where the piston 40 enters.
  • the piston pump 10 is configured to change the stroke of the piston 40 and adjust the oil discharge amount by changing the angles of the swash plate 60 and the yoke 61.
  • the piston pump 10 is provided with a half bearing 90 in the case 30 that supports the swash plate 60 and the yoke 61 in a swingable manner.
  • the half bearing 90 swings in a state in which the shaft portion 62 of the yoke 61 becomes a sliding object and is pressed in the circumferential direction, so that the shaft portion 62 and the half bearing 90 slide relative to each other.
  • the piston pump 10 has a configuration in which the oil suction side and the discharge side are fixed in the configuration in which the cylinder block 20 rotates in one direction, and the oil suction side and the discharge side in the configuration in which the cylinder block 20 rotates in both forward and reverse directions. It is the structure which can be switched.
  • the spherical bearing 50 slides in one direction or both forward and reverse directions along the circumferential direction in a state where a high load is applied when the cylinder block 20 is pressed in the axial direction. Thereby, the cylinder block 20 and the spherical bearing 50 slide in a circular direction in a state where a high load is applied.
  • the cylinder block 20 and the spherical bearing 50 have a self-aligning function because the sliding surface is a spherical surface.
  • the cylinder block 20 is inclined with respect to the axial direction while maintaining the state where the sliding surface is in contact.
  • the oil discharge amount is variable by swinging the swash plate 60 and the yoke 61 in both forward and reverse directions
  • the half bearing 90 has a shaft portion 62 of the yoke 61 that is circular.
  • the shaft portion 62 slides in both forward and reverse directions along the circumferential direction in a state where a high load is applied by being pressed in the circumferential direction.
  • the shaft part 62 and the half bearing 90 slide in a linear direction in a state where a high load is applied.
  • the sliding member 1 of the present embodiment is applied to the spherical bearing 50 in the piston pump 10 of the present embodiment.
  • the shape is not limited, and the present embodiment is also applied to the half bearing 90 and the like. It is possible to apply the sliding member 1 of the form.
  • the sliding member of the present invention is suitable for application to a bearing of a hydraulic device where a high load is applied.

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Abstract

　高荷重が掛かる環境下に適した接合強度を持ち耐磨耗性に優れた摺動部材を提供する。　摺動部材１は、鉄系の金属材料で構成された支持層２と、支持層２の表面２ａに、銅系の金属材料で構成された摺動層３とを備える。支持層２の表面２ａと摺動層３は、非平面で構成され、摺動層３の表面に形成される摺動面３ａが非平面で構成される。摺動層３は、粗化された支持層２の表面２ａに、溶射によって形成される。摺動層３の表面は、ショットブラスト処理が施された後、算術平均粗さ（Ｒａ）が０μｍを超えて２．０μｍ以下、十点平均粗さ（Ｒｚ）が０μｍを超えて７．５μｍ以下、表面硬度（Ｈｖ）が、１５０～２５０の凹凸形状を持ち、被摺動物を摺動可能に支持する摺動面３ａが形成される。

Description

摺動部材及び摺動部材の製造方法
　本発明は、被摺動物を摺動可能に支持する摺動部材及び摺動部材の製造方法に関する。
　従来、基材金属上に摺動層を形成した摺動部材が多く使用されてきた。例えば、自動車や建設機械に使用される摺動部材では、機械的強度に強い鋼鈑で高荷重を支え、機械的強度に弱いが潤滑性のある銅系合金からなる摺動層で被摺動物を円滑に摺動させるようになっている。このような摺動部材では、鋼板を支持層として、支持層の表面に摺動層を形成する方法として、溶射法が提案されている。溶射法とは、所望の特性を持つ基材金属とは異種の金属を燃焼ガス、プラズマ、アーク等で溶融させ、溶融した金属を圧縮空気とともにノズルから噴出させて基材金属の表面に当てることにより付着させるものである。
　この溶射法では、金属を溶射して支持層に付着させるため、支持層が平面であっても、球面等の任意の非平面であっても、支持層の表面の形状に沿った摺動面を有した摺動層を形成することができる（例えば、特許文献１参照）。
特許第３４２５４９６号公報
　特許文献１に示される溶射法では、溶射法で付着させた第一金属と母材である基材金属が、金属接合によって強い接合強度を得るために、金属表面に付着した汚れを強制的に剥離除去する清浄処理を施すようにしたものである。
　すなわち、基材金属の表面が酸化物や油等で汚れていると、汚れた基材金属表面に第一金属を付着させてから活性雰囲気中で熱処理しても、これらの汚れが基材金属と第一金属間に介在して両金属間の固体拡散を妨げ、金属的接合を不可能にしてしまう。
　そこで、基材金属表面はできるだけ清浄状態にしておかねければならないという着想に基づき、金属表面に付着した汚れを強制的に剥離除去する清浄処理を施すようにしたものである。
　基材金属に施す清浄処理としては、サンドブラストやワイヤーブラシでの研磨等が適しているとしている。しかし、溶射法で接合された支持層と摺動層からなる摺動部材は、より高負荷がかかる油圧ポンプ等に使用する場合、支持層と摺動層の接合強度がさらに要求されるようになってきた。
　本発明は、高荷重が掛かる環境下に適した接合強度を持つ摺動部材、及び摺動部材の製造方法を提供することを目的とする。
　本発明者らは、支持層と摺動層が接合される支持層の一の面を粗化することで、支持層の一の面に、溶射によって摺動層が形成でき、粗化された面のアンカー効果により、支持層と摺動層との接合強度が向上することを見出した。
　本発明は、第１の金属材料で構成された支持層と、粗化された支持層の一の面に、第１の金属材料と異なる組成の第２の金属材料を溶射により付着させて構成された摺動層とを備え、ショットブラスト処理が施された摺動層の表面に、算術平均粗さ（Ｒａ）が０μｍを超えて２．０μｍ以下、十点平均粗さ（Ｒｚ）が０μｍを超えて７．５μｍ以下、表面硬度（Ｈｖ）が、１５０～２５０の凹凸形状を持ち、被摺動物を摺動可能に支持する摺動面が形成された摺動部材である。
　支持層は、一の面に対して鋭角な稜角部からなる粉体を衝突させる打撃処理で粗化されることが好ましい。また、摺動層は、一の面に対して球状の粉体を衝突させる打撃処理で緻密化されることが好ましい。更に、支持層は、第１の金属材料が鉄系の材料で構成され、摺動層は、第２の金属材料が銅系の材料で構成されることが好ましい。更に、粗化された支持層の一の面の表面粗度Ｒａは、２μｍ以上であることが好ましい。また、摺動層の厚さは、０ｍｍを超えて１．５ｍｍ以下であることが好ましい。
　また、本発明は、第１の金属材料で構成された支持層の一の面を粗化する工程と、粗化された支持層の一の面に、第２の金属材料を溶射により付着させて焼結して、支持層の一の面に沿った摺動層を形成するとともに、摺動層の表面にショットブラスト処理を施した後、算術平均粗さ（Ｒａ）が０μｍを超えて２．０μｍ以下、十点平均粗さ（Ｒｚ）が０μｍを超えて７．５μｍ以下、表面硬度（Ｈｖ）が、１５０～２５０の凹凸形状を持ち、被摺動物を摺動可能に支持する摺動面を形成する工程とを含む摺動部材の製造方法である。上述した摺動層を形成する工程で、ショットブラスト処理が施されることで、摺動層が緻密化されて、所定の表面硬度が得らえる。また、ショットブラスト処理の後、所定の表面粗さの凹凸形状を持つ摺動面を形成する工程では、例えば、摺動部材と、対となる被摺動物との摺り合わせ処理が行われ、摺り合わせ処理後の摺動部材と被摺動物とが一対となって使用される。
　本発明では、支持層と摺動層が接合される支持層の一の面を粗化することで、粗化された面のアンカー効果により、支持層の一の面に、金属材料を溶射によって付着させ、溶射によって付着させた金属材料を焼結させることで、支持層と摺動層の接合強度を向上させることができる。これにより、摺動層が平面のみならず、非平面の摺動部材を形成することができる。
　これにより、主に荷重を受ける機能を持たせた支持層と、主に摺動性を向上させる機能を持たせた摺動層とを有した２層構造で、摺動面が平面のみならず、非平面の摺動部材を形成することができる。
本実施の形態の摺動部材の一例を示す平面断面図である。 本実施の形態の摺動部材の製造工程の一例を示す説明図である。 本実施の形態の摺動部材の製造工程の一例を示す説明図である。 本実施の形態の摺動部材の製造工程の一例を示す説明図である。 本実施の形態の摺動部材の製造工程の一例を示す説明図である。 本実施の形態の摺動部材の製造工程の一例を示す説明図である。 ブラスト処理で使用される金属粉体の一例を示す写真である。 ブラスト処理で使用される金属粉体の一例を示す写真である。 本実施の形態の摺動部材の顕微鏡写真である。 本実施の形態の摺動部材の顕微鏡写真である。 本実施の形態の摺動部材が適用されるピストンポンプの一例を示す構成図である。
　以下、図面を参照して、本発明の摺動部材及び摺動部材の製造方法の実施の形態について説明する。
　＜本実施の形態の摺動部材の構成例＞
　図１は、本実施の形態の摺動部材の一例を示す平面断面図、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄ及び図２Ｅは、本実施の形態の摺動部材の製造方法の一例を示す説明図である。
　本実施の形態の摺動部材１は、第１の金属材料により構成される支持層２と、摺動性等の向上を目的として、支持層２と異なる第２の金属材料により構成される摺動層３を備え、摺動層３の一の面に形成される摺動面３ａが、本例の場合、平面ではない例えば凸状の球面で構成される。
　支持層２は、第１の金属材料として、鉄(Fe)、あるいは鉄を主成分として添加物が加えられた鉄（Fe）系合金により構成される。支持層２は、摺動層３の摺動面３ａを本例では凸状の球面で構成するため、一の面である表面２ａが凸状の球面で構成される。
　摺動部材１は、支持層２と摺動層３との接合強度を向上させるため、支持層２の表面２ａが粗化される。摺動部材１は、支持層２の表面２ａを粗化させる表面粗化処理として、支持層２の表面２ａに対して、所定の粒度及び粒形を有した金属の粉体を衝突させる第１の打撃処理である例えば第１のブラスト処理を行うことにより、支持層２の表面２ａが粗化される。
　摺動層３は、摺動性の向上を目的とした所定の組成の第２の金属材料として、銅(Cu)、あるいは銅を主成分として添加物が加えられた銅（Cu）系合金により構成される。銅（Cu）系合金としては、Cu-Sn-Bi合金、Cu-Sn合金、Cu-Zn合金などが想定される。摺動層３は、粗化によってアンカー効果が発揮された支持層２の表面２ａに、銅あるいは銅系の合金を溶射により付着させ、溶射により付着された銅あるいは銅系の合金と、支持層２とを焼結することにより構成される。
　これにより、摺動部材１は、支持層２の表面２ａに、支持層２の表面２ａの形状に沿って所定の厚さで摺動層３が形成され、摺動層３の表面に、凸状の球面で構成された摺動面３ａが形成される。
　また、摺動部材１は、耐摩耗性を向上させるため、摺動層３が緻密化される。摺動部材１は、摺動層３を緻密化させる緻密化処理として、摺動層３の摺動面３ａに対して、表面粗化処理とは異なる所定の粒度及び粒形を有した金属の粉体を衝突させる第２の打撃処理である例えば第２のブラスト処理を行うことにより、摺動層３が緻密化される。
　摺動部材では、鉄あるいは鉄系の合金で摺動層を構成した場合、摺動部材と接する被摺動物が鉄である場合等に焼き付きが起こる可能性があり、摺動性が悪い。そこで、摺動部材１では、鉄、あるいは鉄系の合金で構成された支持層２の表面２ａに、銅、あるいは銅系の合金で構成された摺動層３を設けることで、摺動性を向上させることができる。
　摺動層３は、支持層２の表面２ａに、銅あるいは銅系の合金を溶射により付着させ、支持層２と摺動層３とを焼結することにより構成される。これにより、平面ではない形状、例えば凸状の球面で構成される支持層２の表面２ａに、所定の厚さで摺動層３を形成することができる。
　摺動層３を溶射により形成する場合、支持層２の表面２ａの状態によっては、接合強度が不足する可能性がある。そこで、第１のブラスト処理で粗化された支持層２の表面２ａに、銅あるいは銅系の合金を溶射して摺動層３を形成することで、摺動部材１として要求される支持層２と摺動層３との接合強度を確保することができる。
　更に、摺動部材１は、第２のブラスト処理で摺動層３が緻密化されることで、摺動層３の硬度を向上させ、高荷重が掛かる環境下で要求される所望の硬度を持つ摺動層３を形成することができる。また、摺動部材１は、第２のブラスト処理で摺動層３が緻密化されることで、摺動層３が所望の厚さに形成される。更に、摺動部材１は、第２のブラスト処理で摺動層３が緻密化されて硬度が向上することで、支持層２の表面２ａを粗化することによる接合強度の向上に加えて、支持層２と摺動層３との接合強度を更に向上させることができる。
　摺動部材１は、第２のブラスト処理で摺動層３が緻密化された後、対となる図示しない被摺動物との摺り合わせ処理が行われる。摺り合わせ処理の結果、摺動層３の表面に、算術平均粗さ（Ｒａ）が０μｍを超えて２．０μｍ以下、十点平均粗さ（Ｒｚ）が０μｍを超えて７．５μｍ以下、表面硬度（Ｈｖ）が、１５０～２５０の凹凸形状を持つ摺動面３ａが形成される。また、被摺動物の被摺動面の処理として、緻密化のためのブラスト処理が施されても良いし、施さなくても良い。更に、摺り合せ工程の後に、オーバーレイと称するメッキ工程を追加することもできる。摺り合わせ処理後の摺動部材１と被摺動物とが一対となって、例えば、後述するピストンポンプ内のシンリンダブロックの軸受として使用される。
　この摺り合わせ処理によって、摺動部材１の摺動層３の摺動面３ａと、図示しない被摺動物の被摺動面との摩擦係数が下がるので、ピストンポンプ内のシリンダブロックに軸受として組み込まれた例では、ピストンポンプの起動時の摩擦が軽減される。更に、摺動層３の厚さは、厚すぎると割れやすくなり、薄いと割れにくくなるとともに熱伝導率が良くなるため、０ｍｍを超えて１．５ｍｍ以下、好ましくは０ｍｍを超えて０．１ｍｍ以下の厚みに形成される。摺動層３の厚さが薄いために、熱伝導率の向上に加えて、支持層２となる鉄（Fe）系合金の強度に近づくために、疲労強度向上を図ることができる。
　＜本実施の形態の摺動部材の製造方法例＞
　次に、各図を参照して、本実施の形態の摺動部材の製造方法について説明する。
　支持層２は、鉄あるいは鉄系の合金で構成され、図２Ａに示すように、支持層２の表面２ａが完成品としての摺動部材１の形状に合わせて成型される。支持層２は、本例では円板上で、かつ、支持層２の表面２ａが、所定の半径を有した凸状の球面に形成される。
　支持層２は、表面２ａを粗化させる表面粗化処理として、図２Ｂに示すように、支持層２の表面２ａに対して、所定の粒度及び粒形を有した金属の粉体を衝突させる第１のブラスト処理を行うことにより、支持層２の表面２ａが粗化される。
　図３Ａ及び図３Ｂは、ブラスト処理で使用される金属粉体の一例を示す写真であり、図３Ａは、スチールグリッドと称される金属粉体を示し、図３Ｂは、スチールショットと称される金属粉体を示す。第１のブラスト処理は、本例では、スチールグリットと称される粒度が４２５～１１８０μｍ、硬度が４００～５００Ｈｖの鋭角な稜角部を有する鉄（Ｆｅ）の粉体（図３Ａ参照）を、支持層２の表面２ａに、例えば０．２～０．７ＭＰａで、吹き付けることにより行われる。この第１のブラスト処理によって、支持層２の表面２ａの表面粗度Ｒａ（ＪＩＳ Ｂ０６０１－１９９４で規定される算術平均粗さ）を２μｍ以上とする。２μｍ以下であると、アンカー効果が得られずに、溶射後の結果として、部分剥離となったり、全面剥離したりして、摺動層３が形成されなかった。
　次に、粗化された支持層２の表面２ａに、図２Ｃに示すように、銅あるいは銅系の合金の粉末を溶射により付着させ、支持層２の表面２ａに溶射により付着させた銅あるいは銅系の合金と支持層２とを焼結させる。本例では、粒度が４５μｍ以下の銅粉を溶融させて、粗化された支持層２の表面２ａに吹き付けることにより行われる。本例の場合、銅粉としてCu-Sn-Bi系のCu合金を用いた。
　次に、摺動層３を緻密化させる緻密化処理として、図２Ｄに示すように、摺動層３の摺動面３ａに対して、所定の粒度及び粒形を有した金属の粉体を衝突させる第２のブラスト処理を行う。第２のブラスト処理は、本例では、スチールショットと称される粒度が１０００～１７００μｍ、硬度が４００～５００Ｈｖの球状の鉄の粉体（図３Ｂ参照）を、摺動層３の摺動面３ａに、例えば０．２～０．７ＭＰａで、吹き付けることにより行われる。
　第２のブラスト処理では、摺動層３の空隙部を押し潰すような圧力が加えられ、空隙部を減少させて摺動層３が緻密化される。図４Ａ及び図４Ｂは、本実施の形態の摺動部材の顕微鏡写真であり、図４Ａは、焼結後で第２のブラスト処理の前の状態を示し、図４Ｂは、第２のブラスト処理の後の状態を示す。
　図４Ａ及び図４Ｂに示すように、第２のブラスト処理の前と比較して、第２のブラスト処理の後の方が空隙部が減少していることがわかる。本例では、摺動層３の摺動面３ａの硬度が、焼結後で第２のブラスト処理の前ではＨｖ３０程度であったものが、第２のブラスト処理の後ではＨｖ１６０～１７５程度に向上した。なお、第２のブラスト処理後の摺動面３ａには、算術平均粗さ（Ｒａ）が０μｍを超えて２．５μｍ以下、十点平均粗さ（Ｒｚ）が０μｍを超えて１０．０μｍ以下の凹凸形状が形成され、本例では、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．３４５μｍ、十点平均粗さ（Ｒｚ）が１．１６６μｍの凹凸形状が形成された。
　これにより、摺動部材１は、図２Ｅに示すように、支持層２の表面２ａに、支持層２の表面２ａの形状に沿って所定の厚さで摺動層３が形成され、摺動層３の表面に、所定の硬度を有し、凸状の球面で構成された摺動面３ａが形成される。
　なお、本実施の形態の摺動部材１では、平面ではない摺動面３ａの形状として、円板状の摺動部材１で摺動面３ａが凸状の球面である形状を例に説明したが、凹状の球面でもよいし、平面状の摺動面でも良い。また、摺動部材１は、円形に限るものではなく、例えば四角状で、凸状、あるいは凹状に湾曲した曲面で摺動面が形成されていても良い。
　また、第１の打撃処理として第１のブラスト処理を例示したが、この第１の打撃処理は、支持層２の表面２ａを粗化させて、溶射時のアンカー効果を得ることが目的であるため、鋭角な稜角部を有する材料であれば、鉄の粉体には限定されず、例えば、ガラスビーズ、カットワイヤ、けい砂、アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素等を用いることができる。
　また、銅の粉体によって第２のブラスト処理を行っても良い。この銅の粉体によるブラスト処理では、銅の粉体は、粒径が３５０μｍ程度で、硬度は８０～１２０Hvと比較的軟らかいために、摺動層３の表面への擦過傷防止が可能となる。これにより、第２のブラスト処理後に行われる摺動部材１と被摺動物との摺り合わせ処理により、摺動層３の表面に所定の表面粗さを持つ摺動面３ａを形成する工程が速やかに行われる。
上述した第２のブラスト処理後に、摺動部材１と、対となる図示しない被摺動物との摺り合わせ処理が行われる。摺り合わせの結果、摺動層３の表面に、算術平均粗さ（Ｒａ）が０μｍを超えて２．０μｍ以下、十点平均粗さ（Ｒｚ）が０μｍを超えて７．５μｍ以下の凹凸形状を持つ摺動面３ａが形成される。本例では、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．１７３μｍ、十点平均粗さ（Ｒｚ）が１．０４１μｍの摺動面３ａが形成された。一方、摺り合せ処理を行った後でも、摺動面３ａの表面硬度（Ｈｖ）は１６０～１７５程度であり、摺り合せ処理前の第２のブラスト処理後と比較して、表面硬度（Ｈｖ）の低下は見られなかった。
　＜本実施の形態の摺動部材の適用例＞
　本実施の形態の摺動部材１は、主に荷重を受ける機能を持つ支持層２と、主に摺動性を向上させる機能を持つ摺動層３とを有した２層構造で、摺動面３ａを球面等の任意の形状に構成することができる。
　このため、本実施の形態の摺動部材１は、自動調心機能を有した特に油圧ポンプ等の油圧機器に適用して好適である。図５は、油圧機器の一例として、本実施の形態の摺動部材が適用されるピストンポンプの一例を示す構成図で、模式的な側断面図である。
　ピストンポンプ１０は、シリンダブロック２０が入力軸２１に支持されてケース３０に取り付けられ、入力軸２１に伝達された駆動力でシリンダブロック２０が回転する。シリンダブロック２０には、回転方向に沿って複数のシリンダ２２が形成され、各シリンダ２２にピストン４０が出し入れ可能に取り付けられる。
　ピストンポンプ１０は、シリンダブロック２０を回転可能に支持する球面軸受５０が設けられる。球面軸受５０は、本実施の形態の摺動部材１が適用され、シリンダブロック２０との摺動面が、所定の半径を有した凸状の球面で構成される。また、被摺動物であるシリンダブロック２０は、球面軸受５０との摺動面が、凹状の球面で構成される。
　球面軸受５０は、シリンダブロック２０の回転方向に沿って開口した吸入ポート５１と吐出ポート５２を備え、ケース３０に設けられた吸入口３１と吸入ポート５１を連通させ、ケース３０の吐出口３２と吐出ポート５２を連通させて、シリンダブロック２０とケース３０の間に取り付けられる。
　球面軸受５０は、シリンダブロック２０が軸方向に押圧された状態で回転することで、シリンダブロック２０と球面軸受５０が相対的に摺動する。また、球面軸受５０は、シリンダブロック２０にラジアル方向の力が加わった場合、球面軸受５０とシリンダブロック２０の摺動面が接した状態を保持して、シリンダブロック２０が軸方向に対して傾斜する。
　ピストンポンプ１０は、シリンダブロック２０の回転に伴って、ピストン４０をシリンダブロック２０のシリンダ２２に対して出し入れさせる斜板６０と、斜板６０の角度を切り替えるヨーク６１と、斜板６０及びヨーク６１を作動させる操作ピストン７０及びリターンバネ８０が設けられる。
　ピストンポンプ１０は、シリンダブロック２０の回転に伴って、シリンダブロック２０からピストン４０が突出する側のシリンダ２２で油が吸入され、ピストン４０が突入する側のシリンダ２２で油が吐出される。ピストンポンプ１０は、斜板６０及びヨーク６１の角度を変えることで、ピストン４０のストロークが変動し、油の吐出量が調整可能に構成される。
　ピストンポンプ１０は、斜板６０及びヨーク６１を揺動可能に支持する半割軸受９０がケース３０に設けられる。半割軸受９０は、ヨーク６１の軸部６２が被摺動物となって円周方向に押圧された状態で揺動することで、軸部６２と半割軸受９０が相対的に摺動する。
　ピストンポンプ１０は、シリンダブロック２０が１方向に回転する構成では、油の吸入側と吐出側が固定された構成で、シリンダブロック２０が正逆両方向に回転する構成では、油の吸入側と吐出側が切り替えられる構成である。球面軸受５０は、シリンダブロック２０が軸方向に押圧されることにより高荷重が掛かる状態で、シリンダブロック２０が円周方向に沿った１方向あるいは正逆両方向に摺動する。これにより、シリンダブロック２０と球面軸受５０は、高荷重が掛かった状態で円方向に摺動する。
　ここで、シリンダブロック２０と球面軸受５０は、シリンダブロック２０にラジアル方向の力が加わった場合に、摺動面が球面であることから自動調心機能が働き、球面軸受５０とシリンダブロック２０の摺動面が接した状態を保持して、シリンダブロック２０が軸方向に対して傾斜する。
　これにより、シリンダブロック２０にラジアル方向の力が加わった場合でも、シリンダブロック２０に設けられたシリンダ２２と、球面軸受５０に設けられた吸入ポート５１及び吐出ポート５２との間に隙間が生じることが抑えられ、油の漏れを抑えることができる。
　また、ピストンポンプ１０では、斜板６０及びヨーク６１が正逆両方向に揺動することで、油の吐出量が可変となる構成であり、半割軸受９０は、ヨーク６１の軸部６２が円周方向に押圧されることにより高荷重が掛かる状態で、軸部６２が円周方向に沿った正逆両方向に摺動する。これにより、軸部６２と半割軸受９０は、高荷重が掛かった状態で直線方向に摺動する。
　なお、本実施の形態のピストンポンプ１０では、球面軸受５０に本実施の形態の摺動部材１を適用した例で説明したが、形状は限定されず、半割軸受け９０等にも本実施の形態の摺動部材１を適用することが可能である。
　本発明の摺動部材は、高荷重が掛かる油圧機器の軸受に適用して好適である。

Claims (7)

  1. 　第１の金属材料で構成された支持層と、
    　粗化された前記支持層の一の面に、前記第１の金属材料と異なる組成の第２の金属材料を溶射により付着させて構成された摺動層とを備え、
    　ショットブラスト処理が施された前記摺動層の表面に、算術平均粗さ（Ｒａ）が０μｍを超えて２．０μｍ以下、十点平均粗さ（Ｒｚ）が０μｍを超えて７．５μｍ以下、表面硬度（Ｈｖ）が、１５０～２５０の凹凸形状を持ち、被摺動物を摺動可能に支持する摺動面が形成された
    　ことを特徴とする摺動部材。
  2. 　前記支持層は、一の面に対して鋭角な稜角部からなる粉体を衝突させる打撃処理で粗化される
    　ことを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
  3. 　前記摺動層は、一の面に対して球状の粉体を衝突させる打撃処理で緻密化される
    　ことを特徴とする請求項１または２に記載の摺動部材。
  4. 　前記支持層が鉄系の材料で構成され、前記摺動層が銅系の材料で構成される
    　ことを特徴とする請求項１～請求項３の何れか１項に記載の摺動部材。
  5. 　粗化された前記支持層の一の面の表面粗度Ｒａは、２μｍ以上である
    　ことを特徴とする請求項１～請求項４の何れか１項に記載の摺動部材。
  6. 　前記摺動層の厚さは、０ｍｍを超えて１．５ｍｍ以下である
    　ことを特徴とする請求項１～請求項５の何れか１項に記載の摺動部材。
  7. 　第１の金属材料で構成された支持層の一の面を粗化する工程と、
    　粗化された前記支持層の一の面に、第２の金属材料を溶射により付着させて焼結して、前記支持層の一の面に沿った摺動層を形成するとともに、
    　前記摺動層の表面にショットブラスト処理を施した後、算術平均粗さ（Ｒａ）が０μｍを超えて２．０μｍ以下、十点平均粗さ（Ｒｚ）が０μｍを超えて７．５μｍ以下、表面硬度（Ｈｖ）が、１５０～２５０の凹凸形状を持ち、被摺動物を摺動可能に支持する摺動面を形成する工程と
    　を含むことを特徴とする摺動部材の製造方法。
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