WO2016166839A1

WO2016166839A1 - 摺動部品およびその製造方法

Info

Publication number: WO2016166839A1
Application number: PCT/JP2015/061589
Authority: WO
Inventors: 松山　敏和; 天野　昌春; 良貴柴田
Original assignee: 株式会社小松製作所
Priority date: 2015-04-15
Filing date: 2015-04-15
Publication date: 2016-10-20
Also published as: DE112015006451T5; US10436192B2; KR101909171B1; US20180051693A1; JP6367476B2; CN107532648A; CN107532648B; JPWO2016166839A1; KR20170127012A

Abstract

本発明は、鋼または鋳鉄からなるベース部（１０）と、摺動面（２０Ａ）を有し、硬質粒子を含む銅合金からなり、ベース部（１０）に接合された摺動部（２０）とを備え、摺動部（２０）のベース部（１０）との界面の外周（２２）を含む領域に存在する硬質粒子は、内周側に比べて外周（２２）に沿った方向に長手方向が一致するように配列された摺動部品（１）、及び、その製造方法に関する。本発明は、これにより、摺動部のベース部との界面の外周を含む領域の耐久性を向上させることを可能とする。

Description

摺動部品およびその製造方法

　本発明は摺動部品およびその製造方法に関し、より特定的には、鋼または鋳鉄からなるベース部と、ベース部に接合され、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方法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、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

　上記従来の摺動部品の構造では、摺動部のベース部との界面の外周を含む領域に対して他の部品等が接触した場合、当該領域の摩耗が早期に進行するおそれがある。

　本発明の目的は、摺動部のベース部との界面の外周を含む領域の耐久性を向上させることが可能な摺動部品およびその製造方法を提供することである。

　本発明に従った摺動部品は、鋼または鋳鉄からなるベース部と、摺動面を有し、硬質粒子を含む銅合金からなり、ベース部に接合された摺動部と、を備える。摺動部のベース部との界面の外周を含む領域に存在する硬質粒子は、内周側に比べて上記外周に沿った方向に長手方向が一致するように配列している。

　本発明の摺動部品においては、硬質粒子を含む銅合金が摺動部を構成する素材として採用される。この硬質粒子が、摺動部のベース部との界面の外周を含む領域において、内周側に比べて上記外周に沿った方向に長手方向が一致するように配列している。硬質粒子がこのように配列することにより、摺動部のベース部との界面の外周を含む領域における耐久性が向上する。このように、本発明の摺動部品によれば、摺動部のベース部との界面の外周を含む領域の耐久性を向上させることが可能な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、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、上記硬質粒子は、たとえば金属間化合物であってもよい。具体的には、たとえばＦｅ（鉄）－Ｎｉ（ニッケル）系金属間化合物、Ａｌ（アルミニウム）－Ｓｉ（珪素）系金属間化合物、Ｍｎ（マンガン）－Ｓｉ系金属間化合物などが上記硬質粒子であってもよい。上記硬質粒子は、たとえば摺動部を構成する銅合金内に析出したもの、または晶出したものであってもよい。

　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り、凹部が形成されたベース部材と、硬質粒子を含む銅合金からなる摺動部材と、を準備する工程と、ベース部材と摺動部材とを接合する工程と、を備える。ベース部材と摺動部材とを接合する工程は、摺動部材を、少なくとも一部が上記凹部に進入する状態でベース部材に相対的に押し付けつつ回転させることによりベース部材および摺動部材の温度を上昇させる工程と、摺動部材のベース部材に対する相対的な回転を停止してベース部材と摺動部材とを互いに押し付けた状態で冷却する工程と、を含む。

　本発明の摺動部品の製造方法では、摺動部材をベース部材に相対的に押し付けつつ回転させることで、ベース部材および摺動部材が加熱される。銅合金からなる摺動部材は、鋼または鋳鉄からなるベース部材に比べて変形抵抗が小さい。そのため、加熱時において摺動部材を構成する銅合金が塑性流動する。塑性流動は回転の外周側、すなわちベース部材と摺動部材との接触面の外周側において大きくなる。その結果、回転が停止されて両者が冷却され、接合されると、上記本発明の摺動部品のように硬質粒子が配列した摺動部品が得られる。

　このように、本発明の摺動部品の製造方法によれば、摺動部のベース部との界面の外周を含む領域の耐久性を向上させることが可能な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、ベース部材は、上記凹部を規定する凹部底面と、上記凹部を規定し、上記凹部底面に交差する方向に延びる凹部側面と、を含んでいてもよい。ベース部材および摺動部材の温度を上昇させる工程では、ベース部材の凹部底面に対して摺動部材が相対的に押し付けられつつ回転してもよい。このようにすることにより、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、ベース部材および摺動部材の温度を上昇させる工程では、摺動部材が変形することにより凹部側面に接触してもよい。このようにすることにより、ベース部材と摺動部材との接触面の外周側において塑性流動が一層大きくなる。そのため、上記本発明の摺動部品を一層容易に製造することができる。

　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した状態で凹部側面が除去されるように上記ベース部材が加工される工程をさらに備えていてもよい。このようにすることにより、ベース部材が凹部底面において摺動部材と接合されて形成される摺動部品を得ることができる。

　上記摺動部品の製造方法において、ベース部材および摺動部材の温度を上昇させる工程では、ベース部材を固定し、摺動部材を回転させてもよい。このようにすることにより、上記摺動部品の製造方法を容易に実施することができる。

　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した状態で、ベース部材および摺動部材の温度を上昇させる工程において摺動部材が変形して形成されたバリを除去する工程をさらに備えていてもよい。このようにすることにより、ベース部材と摺動部材との接合に際して形成されるバリが除去された摺動部品を得ることができる。

　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その製造方法によれば、摺動部のベース部との界面の外周を含む領域の耐久性を向上させることができる。

シリンダブロックの構造を示す概略断面図である。図１の線分ＩＩ－ＩＩに沿う断面における金属組織を示す概略図である。シリンダブロックの製造方法の概略を示すフローチャートである。シリンダブロックの製造方法を説明するための概略図である。シリンダブロックの製造方法を説明するための概略図である。シリンダブロックの製造方法を説明するための概略図である。シリンダブロックの製造方法を説明するための概略図である。シリンダブロックの製造方法を説明するための概略図である。摺動部のベース部との界面の外周付近における硬質粒子の配列状態を示す光学顕微鏡写真である。摺動部のベース部との界面の中央部付近における硬質粒子の配列状態を示す光学顕微鏡写真である。

　以下、本発明の一実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

　図１は、本発明の摺動部品の一例であるシリンダブロックの構造を示す概略断面図である。図１を参照して、シリンダブロック１は、油圧ポンプや油圧モータを構成する摺動部品である。シリンダブロック１は、ベース部１０と、摺動部２０とを備える。ベース部１０は鋼または鋳鉄からなっている。本実施の形態において、ベース部１０は鋼からなっている。ベース部１０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。

　摺動部２０は、硬質粒子を含む銅合金からなっている。摺動部２０は、摺動面２０Ａを有している。摺動部２０は、ベース部１０に対して接合されている。

　ベース部１０は、円筒状の外形形状を有する本体部１１と、本体部１１の一方の端面の中央部から軸方向に沿って突出する突出部１２とを含んでいる。ベース部１０の突出部１２が形成される側とは反対側の端面である第１端面１１Ａを覆うように、摺動部２０が接合されている。摺動部２０は円盤状の形状を有している。摺動部２０の摺動面２０Ａは、油圧ポンプや油圧モータのバルブプレートに対して摺動すべき面である。

　突出部１２を含む領域を軸方向に貫通するように、センター穴１３が形成されている。センター穴１３は、ベース部１０および摺動部２０を貫通する。センター穴１３は、油圧ポンプや油圧モータのセンターシャフトが挿入されるべき穴である。

　ベース部１０の本体部１１には、突出部１２が形成される側の端面である第２端面１１Ｂにおいて開口し、軸方向に沿って延在する円筒状のボア部１４が複数形成されている。ボア部１４は、本体部１１の周方向に沿って複数並べて形成されている。ボア部１４は、油圧ポンプや油圧モータのピストンが挿入されるべき空間である。

　ボア部１４の底と摺動面２０Ａとを繋ぐように油路１５が形成されている。油路１５は、油圧ポンプや油圧モータの油の通路となるべき空間である。

　図２は、図１の線分ＩＩ－ＩＩに沿う断面における金属組織を示す概略図である。図２は、摺動部２０のベース部１０との界面の外周２２付近における金属組織を表している。図２に示すように、摺動部２０のベース部１０との界面の外周２２を含む領域に存在する硬質粒子９２は、内周側（たとえばセンター穴１３付近）に比べて外周２２に沿った方向に長手方向が一致するように配列している。

　図２を参照して、摺動部２０を構成する銅合金は、母相９１と、母相９１内に分散する硬質粒子９２とを含んでいる。摺動部２０のベース部１０との界面を含む領域であって、摺動部２０の外周面２１を含む領域において、硬質粒子９２は内周側（たとえばセンター穴１３付近）に比べて外周面２１に沿った方向、すなわち周方向に長手方向が一致するように配列している。摺動部２０のベース部１０との界面を含む領域に存在する硬質粒子９２は、外周２２に近づくにしたがって（外周面２１に近づくにしたがって）、外周２２に沿った方向（外周面２１に沿った方向）に長手方向が一致するように配列している。

　硬質粒子９２の、摺動部２０の周方向（接線方向）への投影面積に対する径方向への投影面積の比は、内周側に比べて外周２２を含む領域において大きくなっている。摺動部２０のベース部１０との界面を含む領域において、内周側（たとえばセンター穴１３付近）に存在する硬質粒子９２の長手方向はランダムな向きとなっている。摺動部２０のベース部１０との界面を含む領域において、外周２２を含む領域に存在する硬質粒子９２の長手方向は、周方向に沿う傾向にある。

　本実施の形態の摺動部品であるシリンダブロック１においては、硬質粒子９２を含む銅合金が摺動部２０を構成する素材として採用される。この硬質粒子９２が、摺動部２０のベース部１０との界面の外周２２を含む領域において、内周側に比べて外周２２に沿った方向に長手方向が一致するように配列している。硬質粒子９２がこのように配列することにより、摺動部２０のベース部１０との界面の外周２２を含む領域における耐久性が向上する。その結果、シリンダブロック１は、摺動部２０のベース部１０との界面の外周２２を含む領域の耐久性が向上した摺動部品となっている。

　本実施の形態において、摺動部２０を構成する銅合金は高力黄銅であることが好ましい。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２０を構成する材料として好適である。

　硬質粒子９２はたとえば金属間化合物であってもよい。具体的には、たとえばＦｅ－Ｎｉ系金属間化合物、Ａｌ－Ｓｉ系金属間化合物、Ｍｎ－Ｓｉ系金属間化合物などが硬質粒子９２であってもよい。硬質粒子９２は、たとえば摺動部２０を構成する銅合金（高力黄銅）内に析出したもの、または晶出したものであってもよい。

　次に、シリンダブロック１の製造方法について説明する。図３は、シリンダブロックの製造方法の概略を示すフローチャートである。図４～図８は、シリンダブロックの製造方法を説明するための概略図である。

　図３を参照して、本実施の形態におけるシリンダブロック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、鋼または鋳鉄からなり、凹部が形成されたベース部材が準備される。

　図４を参照して、工程（Ｓ１０）においては、まず、たとえばＪＩＳ規格ＳＣＭ４４０からなる円筒状のベース部材３０が準備される。このベース部材３０に対して熱間鍛造が実施されることにより、図５に示すようにベース部材３０がベース部１０の概略形状に成形される。

　熱間鍛造後において、ベース部材３０は、本体部１１に対応する円筒状の本体部３１と、突出部１２に対応する突出部３２とを含んでいる。ベース部材３０には、センター穴１３に対応するセンター凹部３３と、ボア部１４に対応するボア部３４とが形成されている。

　ベース部材３０の突出部３２とは反対側の端面には、外周部を取り囲むように外周壁部３６が形成されている。外周壁部３６により取り囲まれる領域は、凹部３９である。ベース部材３０には凹部３９が形成されている。ベース部材３０は、凹部３９を規定する凹部底面３７と、凹部３９を規定し、凹部底面３７に交差する方向に延びる凹部側面３８とを含む。凹部３９は、円筒状（円盤状）の空間である。

　このように成形されたベース部材３０に対して調質処理が実施される。以上のように工程（Ｓ１０）が実施されることにより、凹部３９が形成されたベース部材３０が準備される。

　次に、工程（Ｓ２０）として摩擦工程が実施される。工程（Ｓ２０）では、図６を参照して、別途準備された硬質粒子を含む銅合金からなる摺動部材４０を、その一部が凹部３９に進入する状態でベース部材３０に相対的に押し付けつつ回転させることによりベース部材３０および摺動部材４０の温度を上昇させる。

　摺動部材４０は、円筒状の形状を有する。ベース部材３０の中心軸と摺動部材４０の中心軸とが一致する状態で、ベース部材３０の凹部底面３７に対して摺動部材４０の端面４１が相対的に押し付けられつつ回転軸α周りに回転する。端面４１は、たとえば切断のままの状態であってもよい。本実施の形態においては、ベース部材３０が固定された状態で摺動部材４０が回転する。

　回転の開始時点において、摺動部材４０の外周面４２とベース部材３０の凹部側面３８との間には隙間が形成される。回転の開始時点において、摺動部材４０の外周面４２とベース部材３０の凹部側面３８とは接触しない。摺動部材４０とベース部材３０との接触面（端面４１および凹部底面３７）は、ベース部材３０の外周壁部３６に取り囲まれる。

　図６および図７を参照して、摺動部材４０とベース部材３０との摩擦により摺動部材４０およびベース部材３０の温度が上昇すると、ベース部材３０に比べて変形抵抗の小さい摺動部材４０が変形する。その結果、摺動部材４０がベース部材３０の凹部側面３８に接触する。また、摺動部材４０が変形することによりバリ４５が形成される。摺動部材４０の温度は、たとえば摺動部材４０を構成する高力黄銅の軟化点以上の温度であって融点未満の温度にまで上昇する。

　次に、工程（Ｓ３０）として冷却工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、摺動部材４０のベース部材３０に対する相対的な回転を停止してベース部材３０と摺動部材４０とを接合する。図７を参照して、工程（Ｓ２０）において加熱された摺動部材４０とベース部材３０とが接触する状態を維持されつつ冷却される。これにより、摺動部材４０の端面４１とベース部材３０の凹部底面３７とが接合される。工程（Ｓ２０）および（Ｓ３０）は、閉塞摩擦接合工程を構成する。

　次に、工程（Ｓ４０）として機械加工工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、接合された摺動部材４０およびベース部材３０に対して切削等の機械加工が実施される。図７を参照して、工程（Ｓ４０）では、ベース部材３０と摺動部材４０とが接合された状態で工程（Ｓ２０）において摺動部材４０が変形して形成されたバリ４５が除去される。破線Ａに沿って摺動部材４０が切断されることにより、バリ４５が除去される。摺動部材４０が端面４１に平行な面で切断される。切断が実施された後においてもベース部材３０に接合された摺動部材４０にバリが残存している場合、切削、研削等の機械加工によりこれを除去してもよい。

　図７を参照して、工程（Ｓ４０）では、さらにベース部材３０と摺動部材４０とが接合された状態で凹部側面３８が除去されるようにベース部材３０が加工される。破線Ｂに沿ってベース部材３０が切削加工されることにより、外周壁部３６を含む外周領域が除去される。以上の手順により、図８に示すベース部材３０と摺動部材４０との接合体が得られる。

　その後、図８および図１を参照して、さらに機械加工が実施されることにより、油路１５、センター穴１３、ボア部１４等を有するシリンダブロック１が得られる。

　次に、工程（Ｓ５０）としてガス軟窒化工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、工程（Ｓ４０）において機械加工が実施されて得られたシリンダブロック１に対して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ベース部１０を構成する鋼の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１０の表層部に窒化層が形成される。その後、必要に応じて仕上げ処理が実施され、本実施の形態のシリンダブロック１が完成する。

　本実施の形態の摺動部品であるシリンダブロック１の製造方法では、摺動部材４０をベース部材３０に相対的に押し付けつつ回転させることで、ベース部材３０および摺動部材４０が加熱される。銅合金からなる摺動部材４０は、鋼からなるベース部材３０に比べて変形抵抗が小さい。そのため、加熱時において摺動部材４０を構成する銅合金が塑性流動する。塑性流動は回転の外周側、すなわちベース部材３０と摺動部材４０との接触面の外周側において大きくなる。その結果、回転が停止されて両者が接合されると、上記本実施の形態のシリンダブロック１のように硬質粒子９２が配列する。

　このように、本実施の形態のシリンダブロック１の製造方法によれば、摺動部２０のベース部１０との界面の外周２２を含む領域の耐久性を向上させることが可能なシリンダブロック１を製造することができる。

　また、工程（Ｓ２０）において摺動部材４０が変形することにより凹部側面３８に接触することで、ベース部材３０と摺動部材４０との接触面の外周側において塑性流動が一層大きくなる。そのため、上記本実施の形態のシリンダブロック１のように硬質粒子９２を配列させることが容易となっている。

　上記実施の形態と同様の手順でベース部材と摺動部材とを接合し、摺動部材内のベース部材近傍における硬質粒子の配列状態を確認する実験を行った。図９は、摺動部（摺動部材）のベース部（ベース部材）との界面の外周付近における硬質粒子の配列状態を示す光学顕微鏡写真である。図１０は、摺動部（摺動部材）のベース部（ベース部材）との界面の中央部付近における硬質粒子の配列状態を示す光学顕微鏡写真である。

　図９において、外周面２１に沿う方向（摺動部のベース部との界面の外周に沿う方向）が破線βで示されている。図９を参照して、外周付近においては、硬質粒子が外周に沿う方向βに長手方向が一致する傾向をもっていることが分かる。図１０を参照して、中央部付近においては、硬質粒子の長手方向に関して明確な傾向は見られない。外周に沿う方向βに硬質粒子の長手方向が一致する傾向は、内周側に比べて外周側において強くなっている。

　図９においては、外周に沿う方向βに沿った塑性流動の痕跡（破線β付近）も観察される。このことから、上記硬質粒子の配列の傾向は、塑性流動に起因するものであると考えられる。このような塑性流動を利用することにより、上記硬質粒子の配列を達成することができる。

　以上の実験結果から、本発明の摺動部品の製造方法により、本発明の摺動部品を製造可能であることが確認される。

　なお、上記実施の形態においては、本発明の摺動部品の一例としてシリンダブロックを例示したが、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、摺動面を有し、硬質粒子を含む銅合金からなり、ベース部に接合された摺動部と、を含む種々の摺動部品に、適用することができる。

　今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、請求の範囲によって示された範囲、ならびに請求の範囲と均等な意味および範囲内でのすべての変更、改良が含まれることが意図される。

　本発明の摺動部品およびその製造方法は、鋼または鋳鉄からなるベース部と、硬質粒子を含む銅合金からなり、ベース部に接合された摺動部とを含む摺動部品に、特に有利に適用され得る。

　１　シリンダブロック、１０　ベース部、１１　本体部、１１Ａ　第１端面、１１Ｂ　第２端面、１２　突出部、１３　センター穴、１４　ボア部、１５　油路、２０　摺動部、２０Ａ　摺動面、２１　外周面、２２　外周、３０　ベース部材、３１　本体部、３２　突出部、３３　センター凹部、３４　ボア部、３６　外周壁部、３７　凹部底面、３８　凹部側面、３９　凹部、４０　摺動部材、４１　端面、４２　外周面、４５　バリ、９１　母相、９２　硬質粒子。

Claims

　鋼または鋳鉄からなるベース部と、
　摺動面を有し、硬質粒子を含む銅合金からなり、前記ベース部に接合された摺動部と、を備え、
　前記摺動部の前記ベース部との界面の外周を含む領域に存在する前記硬質粒子は、内周側に比べて前記外周に沿った方向に長手方向が一致するように配列している、摺動部品。
　前記銅合金は高力黄銅である、請求項１に記載の摺動部品。
　鋼または鋳鉄からなり、凹部が形成されたベース部材と、硬質粒子を含む銅合金からなる摺動部材と、を準備する工程と、
　前記ベース部材と前記摺動部材とを接合する工程と、を備え、
　前記ベース部材と前記摺動部材とを接合する工程は、
　前記摺動部材を、少なくとも一部が前記凹部に進入する状態で前記ベース部材に相対的に押し付けつつ回転させることにより前記ベース部材および前記摺動部材の温度を上昇させる工程と、
　前記摺動部材の前記ベース部材に対する相対的な回転を停止して前記ベース部材と前記摺動部材とを互いに押し付けた状態で冷却する工程と、を含む、摺動部品の製造方法。
　前記ベース部材は、
　前記凹部を規定する凹部底面と、
　前記凹部を規定し、前記凹部底面に交差する方向に延びる凹部側面と、を含み、
　前記ベース部材および前記摺動部材の温度を上昇させる工程では、前記ベース部材の前記凹部底面に対して前記摺動部材が相対的に押し付けられつつ回転する、請求項３に記載の摺動部品の製造方法。
　前記ベース部材および前記摺動部材の温度を上昇させる工程では、前記摺動部材が変形することにより前記凹部側面に接触する、請求項４に記載の摺動部品の製造方法。
　前記ベース部材と前記摺動部材とが接合した状態で前記凹部側面が除去されるように上記ベース部材が加工される工程をさらに備える、請求項４または５に記載の摺動部品の製造方法。
　前記ベース部材および前記摺動部材の温度を上昇させる工程では、前記ベース部材を固定し、前記摺動部材を回転させる、請求項３～６のいずれか１項に記載の摺動部品の製造方法。
　前記ベース部材と前記摺動部材とが接合した状態で、前記ベース部材および前記摺動部材の温度を上昇させる工程において前記摺動部材が変形して形成されたバリを除去する工程をさらに備える、請求項３～７のいずれか１項に記載の摺動部品の製造方法。