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    本發明係一種具滑動部之滑動構件之製造方法，係藉由利用放電電漿燒結法對作為滑動構件本體部發揮功能之鐵系金屬塊材、與作為滑動部發揮功能之Cu合金塊材進行加熱加壓使之固相接合以製造滑動構件。
    公开号:TW201300185A
    申请号:TW101106628
    申请日:2012-03-01
    公开日:2013-01-01
    发明作者:Yoshitomo Ishizaki；Kenichi Watanabe；Naoya Masahashi
    申请人:Takako Ind Inc；
    IPC主号:B23P15-00
    专利说明:
    滑動構件之製造方法
    本發明係關於一種具有滑動部之滑動構件之製造方法。
    先前以來，眾所周知有為了提高滑動部之滑動性，而於滑動部中使用銅合金之滑動構件。
    JP2005-257035A中揭示有於鋼製構件之表面鍍敷銅底層，鉛青銅合金粉末經由該鍍敷燒結於鋼製構件。由鐵與銅之二元狀態圖可知，銅於鐵中之固溶度為1.9 at%，鐵於銅中之固溶度為4.6 at%，而幾乎不會互相固溶。因此，為使鋼製構件與銅合金牢固地接合，一般如專利文獻1般使用鍍敷作為黏合劑。
    然而，於經由鍍敷接合鋼製構件與銅合金之情形時，必需進行於鋼製構件之表面實施鍍敷之步驟，故導致製造成本增加。
    本發明係鑒於上述問題點而完成者，其目的在於以較高之接合強度且簡便地接合鐵系金屬與作為滑動部之Cu合金。
    根據本發明態樣之一係提供一種滑動構件之製造方法，該滑動構件具有滑動部，藉由利用放電電漿燒結法對作為上述滑動構件本體部發揮功能之鐵系金屬之塊材與作為上述滑動部發揮功能之Cu合金之塊材進行加熱加壓以使之固相接合，藉此製造滑動構件。
    對於本發明之實施形態及優點，一面參照附圖一面如下進行詳細說明。
    參照圖式，對本發明之實施形態進行說明。 (第1實施形態)
    以下，對滑動構件為斜板型活塞泵之滑軌之情形進行說明。首先，參照圖1對活塞泵100進行說明。
    活塞泵100係例如裝載於油壓挖土機或油壓起重機等建設機械上，向作為致動器之油壓汽缸或油壓馬達供給作動流體(作動油)者。
    活塞泵100具備傳達了引擎動力之驅動軸1、及隨著驅動軸1之旋轉而旋轉之汽缸體2。
    汽缸體2中，與驅動軸1平行地開口形成有複數個汽缸內徑3。汽缸內徑3中，往復移動自如地插入有劃分有容積室4之活塞5。
    隔著球狀之球面座11，滑軌10旋動自如地連結於活塞5之前端。滑軌10具備與球面座11形成為一體之平板部12。平板部12係與固定於盒體21之斜板20面接觸。隨著汽缸體2旋轉，各滑軌10之平板部12與斜板20滑動接觸，各活塞5係以根據斜板20之傾轉角度之衝程量往復移動。各容積室4之容積會依各活塞5之往復移動而增減。
    盒體22中安裝有汽缸體2之基端面滑動接觸之閥板23。閥板23中形成有未圖示之吸入口與吐出口。隨著汽缸體2之旋轉，作動油通過吸入口導入至容積室4，導入至容積室4之作動油係通過吐出口吐出。如此，活塞泵100係藉由活塞5隨著汽缸體2之旋轉往復移動而連續進行作動油之吸入與吐出。
    活塞泵100之運轉中，與活塞5之前端連結之滑軌10係與斜板20滑動接觸。因此，為順利進行活塞5之往復移動而進行穩定之作動油之吸入與吐出，必需減少滑軌10之平板部12與斜板20之間之摩擦力。又，若活塞泵100之吐出壓力變大，則滑軌10之平板部12係相對於斜板20強烈擠壓，故平板部12與斜板20之摩擦力變大。因此，為使活塞泵100高壓化，必需提高平板部12之滑動性。因此，於平板部12中之與斜板20滑動接觸之面上設置有滑動性優異之由Cu合金所構成之滑動部14。如此，滑軌10係由如下構件所構成：由球面座11與平板部12所構成之本體部13、及與斜板20滑動接觸之滑動部14。
    其次，參照圖2~圖6，對滑軌10之製造方法進行說明。
    如圖2所示，滑軌10之製造係使用作為本體部13發揮功能之鐵系金屬之塊材30、與作為滑動部14發揮功能之Cu合金之塊材31。塊材30及塊材31係與滑軌10之直徑相同直徑之圓柱構件。作為塊材30之鐵系金屬可使用Cr-Mo鋼之SCM435(JIS)。作為塊材31之Cu合金可使用Cu-Zn系合金。所謂Cu合金係指以銅為主成分之合金。所謂Cu-Zn系合金係指以銅為主成分且含有鋅之合金，具體而言，為抑制脆性之CuZn相形成，較理想為35 wt%以下之鋅。表1中表示塊材30(SCM435)與塊材31(Cu-Zn系合金)之組成。
    第1步驟中，將塊材30切斷為所需之厚度。具體而言，切斷為與本體部13之軸方向長度相當之尺寸。又，亦將塊材31切斷為所需之厚度。具體而言，切斷為與滑動部14之厚度相當之尺寸。
    第2步驟中，藉由利用放電電漿燒結法(SPS(Spark Plasma Sintering)法)對第1步驟中切斷為所需厚度之塊材30與塊材31進行加熱加壓而接合彼此之端面。放電電漿燒結法係以低電壓向被接合體之間隙施加脈衝狀之大電流，藉由瞬間產生之放電電漿，使熱及電場擴散助長之燒結法。
    參照圖3，對進行第2步驟之放電電漿燒結法之放電電漿燒結裝置40進行說明。放電電漿燒結裝置40包括：收裝有被接合構件之高強度WC製之圓筒狀之治具48、用以將被接合構件夾持而保持於治具48內之上部衝頭41a及下部衝頭41b、與上部衝頭41a及下部衝頭41b抵接配置且用以對被接合構件施加電流之上部電極42a及下部電極42b、與上部電極42a及下部電極42b連接之電源43、通過上部電極42a及下部電極42b擠壓上部衝頭41a及下部衝頭41b且用以對被接合構件賦予加壓力之加壓機構44、以及控制電源43及加壓機構44之控制裝置45。
    治具48係配置於真空腔室46內，於真空環境內進行被接合構件之接合。治具48之主體部中形成有貫通內外周面之貫通孔，熱電偶47插入至該貫通孔中。熱電偶47係以其前端位於被接合構件之接合面附近之方式配置，故可測量被接合構件之接合面之溫度。將利用熱電偶47之測定結果發送至控制裝置45，控制裝置45係以該測定結果為基礎並以成為預先規定有被接合構件之接合面之溫度或升溫速度之設定值之方式控制電源43。
    對作為被接合構件之塊材30與塊材31之接合方法進行具體說明。塊材30與塊材31係收裝於治具48之中空部內，由上部衝頭41a與下部衝頭41b夾持。藉此，塊材30與塊材31係於相互之端面接觸積層之狀態下收裝於治具48內。而且，通過電源43對塊材30與塊材31施加電流，以規定之升溫速度升溫至規定之溫度為止。此處，規定之溫度即接合溫度係設定於塊材30(SCM435)與塊材31(Cu-Zn系合金)之相互之熔點以下。到達至規定之溫度之後，利用加壓機構44通過上部衝頭41a及下部衝頭41b對塊材30與塊材31賦予規定之加壓力，並將該狀態保持一定時間。藉此，塊材30與塊材31係藉由於相互之端面密接之狀態下受到加熱加壓，於彼此之接合界面產生放電電漿引起固相反應而接合。再者，塊材30與塊材31係藉由受到加壓而壓縮變形，厚度減少5%左右。
    一般而言，已知鐵與銅係因熱壓等導致於通常之擴散接合中產生相互擴散，而難以直接接合兩者。亦已知其原因在於，由鐵與銅之二元合金狀態圖可知，FCC結構之銅於BCC結構之鐵中之固溶度最大為1.9 at%(850℃)，鐵於銅中之固溶度最大為4.6 at%(1096℃)，而相互不會形成連續固溶體。又，報告有鐵中之銅之擴散常數係D0=3.76×10-12(m2/s)，Q=181(kJ/mol)，銅中之鐵之擴散常數係D0=1.00×10-5(m2/s)，Q=197(kJ/mol)，而無法期待於通常之擴散接合中相互擴散。然而，如上所述，可藉由一面對塊材30與塊材31賦予加壓力一面於接合界面產生放電電漿引起固相反應，而使兩者直接接合。認為其原因在於，放電電漿之施加可局部使大容量之能量集中，故能量集中於塊材30與塊材31之接合界面，助長兩者間之原子之相互擴散。又，塊材30與塊材31之放電電漿燒結中，接合界面僅為兩者之端面，故與利用放電電漿燒結接合粉末彼此之情形相比，接合面積極小為5000分之1左右。由此認為，塊材30與塊材31之放電電漿燒結中，因平均單位接合面積之放電電漿之施加導致能量變大而使兩者直接接合。
    其次，參照圖4，對塊材30與塊材31之接合之熱處理條件及加壓條件進行說明。圖4中，實線表示溫度，虛線表示壓力。關於熱處理，以2分鐘升溫至600℃為止，以1分鐘自600℃升溫至730℃為止，以1分鐘自730℃升溫至接合溫度之750℃為止，並於750℃下保持3分鐘，其後自然冷卻。另一方面，關於加壓，與升溫同時開始保持為20 MPa之壓力，與自然冷卻同時解除。接合所需之時間合計為7分鐘，於短時間內完成接合。藉由利用放電電漿燒結法進行接合，與熱壓等先前之接合方法相比可於短時間內使接合完成。
    其次，將以圖4所示之熱處理條件及加壓條件進行接合之塊材30與塊材31之接合界面之掃描型電子顯微鏡照片示於圖5A~圖5C。圖5A係二次電子像，圖5B係利用EDX(energy dispersive X-ray，能量色散X射線)分析之FeL α之映射像，圖5C係利用EDX分析之CuL α之映射像。於圖5A~圖5C上，照片上側為SCM435，照片下側為Cu-Zn系合金。由圖5A可知，確認SCM435向Cu-Zn系合金側擴散，而形成SCM435與Cu-Zn系合金隔著接合初期界面串狀地混雜之柱狀組織。可以說該柱狀組織係表示SCM435與Cu-Zn系合金之固相擴散接合者。又，由圖5B及圖5C可知，確認原子之相互擴散係隔著接合界面相互引起。
    如上所述，Fe與Cu係難以物理性地引起相互擴散，但於SCM435與Cu-Zn系合金之固相接合界面上，藉由利用放電電漿燒結法供給巨大之電能而助長原子之擴散，結果兩者係經由柱狀組織固相接合。實用Cu-Zn系合金係由於含有20~40 wt%之Zn且兼備加工性與強度，故作為構造用材料而被稱為黃銅，且自古以來供實用之合金。Cu之熔點係1085℃，但因Zn量之增加導致連續下降，包晶組成之36.8 wt%Zn中係成為902℃。此係與熔點為419℃之Zn與Cu至包晶反應組成為止寬幅地形成FCC固溶體之情形有關，因Zn之添加導致Cu合金中之構成元素之擴散提前。即，作為可利用放電電漿燒結法進行固相接合之原因，首先可列舉作為Cu合金選擇擴散性優異之Cu-Zn系合金之方面。
    又，著眼於SCM435及Cu-Zn系合金之構成元素與該構成元素擴散之對方之合金之主要元素即Fe或Cu的親和性，基於平衡狀態圖研究SCM435及Cu-Zn系合金之構成元素是否於兩合金間形成濃度梯度。其結果為，SCM435及Cu-Zn系合金之兩合金之構成元素即Si於Cu中之固溶限係於552℃下為9.95 at%，相對於此，Si於Fe中之固溶限係於1200℃下為29.8 at%。因此，Si可期待自Cu-Zn系合金向SCM435之擴散，而存在形成濃度梯度之可能性。同樣，Cu-Zn系合金之構成元素即Al於Fe中之固溶限係於1102℃之共晶溫度下為55.0 at%，相對於此，Al於Cu中之固溶限係於567℃下為19.7 at%。因此，Al可期待自Cu-Zn系合金向SCM435之擴散，而存在形成濃度梯度之可能性。
    圖6A及圖6B中表示塊材30與塊材31之接合界面之掃描型電子顯微鏡照片。圖6A係利用EDX分析之SiK α之映射像，圖6B係利用EDX分析之AlK α之映射像。於圖6A及圖6B中，照片上側為SCM435，照片下側為Cu-Zn系合金。由圖6A可明確Si顯示較強之濃度梯度。又，由圖6B可明確Al雖不至於Si之程度但顯示濃度梯度。由以上認為，Cu-Zn系合金含有Si與Al之情形係助長Fe原子向Cu-Zn系合金側之擴散。即，認為作為Cu-Zn系合金而含有Al及Si之至少一者之情形係助長柱狀組織之形成。
    其次，對塊材30與塊材31之接合強度進行說明。將經接合之塊材30與塊材31向相互相反方向拉伸，根據測定剝離時之剝離強度之剝離試驗評價接合強度。表2中表示剝離試驗結果，表3中表示比較材之剝離試驗結果。比較材係藉由先前之製造方法而獲得者，且藉由於對低碳鋼進行鍍敷之銅底層上燒結Cu合金粉末而接合低碳鋼與Cu合金者。表4中表示比較材之低碳鋼與Cu合金粉末之組成。由表2及表3可知，塊材30與塊材31之接合強度大於比較材。如此，藉由利用放電電漿燒結法進行SCM435與Cu-Zn系合金之接合，可將兩者直接接合，且可經由柱狀組織接合，故與經由鍍敷接合之先前者相比可獲得較高之接合強度。

    如上所述，圖2所示之第2步驟中，塊材30與塊材31牢固地接合，而可獲得成為滑軌10之基礎之素材32。
    如圖2所示，第3步驟中係將素材32加工為所需之形狀。具體而言，將素材32中之塊材30之部分切削為球面座11與平板部12之形狀。又，塊材31之部分係於端面切削圓形之槽31a而成為滑動部14。最後，切削於軸方向上貫通球面座11、平板部12、及滑動部14之貫通孔(未圖示)。該貫通孔係用以將活塞5之內部之作動油導入至槽31a，以降低滑動部14與斜板20之面壓者。再者，槽31a並非必需之構成而亦可省略。
    如此，素材32之加工中成為廢料者主要為切削為球面座11與平板部12之形狀之SCM435，與SCM435相比昂貴之Cu-Zn系合金幾乎不會成為廢料。此處，假設於以Cu-Zn系合金製造整個滑軌10之情形時，於切削為球面座11與平板部12之形狀時，Cu-Zn系合金多數成為廢料。然而，於本實施形態中，由於以Cu-Zn系合金僅製造與斜板20滑動接觸之滑動部14，故可減少Cu-Zn系合金之廢料量，且可減少製造成本。
    第4步驟中，對第3步驟中經加工之素材32實施氮化處理。具體而言，實施氣體軟氮化處理。氣體軟氮化處理係藉由於以一氧化碳(CO)作為主成分之滲碳性氣體(RX氣體)與氨氣(NH3氣體)之混合氣體環境中，以570℃之溫度加熱保持2.5小時，而使SCM435製之球面座11及平板部12之表面氮化者。藉此，球面座11及平板部12之表面之耐磨損性、耐疲勞性、及耐燒附性等提高。利用以上之第1~第4步驟完成滑軌10之製造。
    根據以上所示之第1實施形態，取得以下所示之效果。
    可藉由使用利用放電電漿燒結法之加熱加壓，而使SCM435與Cu-Zn系合金不經由鍍敷等黏合劑地直接固相接合。藉此，旋動自如地連接於活塞5前端且需要強度之本體部13可由SCM435構成，並且與斜板20滑動接觸且需要滑動性之滑動部14可由Cu-Zn系合金構成，從而可獲得將SCM435與Cu-Zn系合金之各自之優點組合之高功能之雙金屬滑軌10。
    又，藉由利用放電電漿燒結法進行SCM435之塊材30與Cu-Zn系合金之塊材31之固相接合，由於兩者係經由柱狀組織而接合，故可獲得較高之接合強度。
    如上所述，可藉由使用利用放電電漿燒結法之加熱加壓而使SCM435之塊材30與Cu-Zn系合金之塊材31以較高之接合強度且簡便地接合。 (第2實施形態)
    以下之第2實施形態之說明係以與上述第1實施形態不同之方面為中心進行說明，對與上述第1實施形態相同之構成標註相同之符號並省略說明。
    上述第1實施形態係對塊材31之Cu合金為Cu-Zn系合金之情形進行說明。然而，本發明之Cu合金並未限定於Cu-Zn系合金。因此，本第2實施形態係對塊材31之Cu合金為Cu-Ni系合金之情形進行說明。所謂Cu-Ni系合金係指以銅作為主成分且含有鎳之合金。然而，如果考慮若含有大量之鎳則固溶硬化變得過大之情形、及鎳昂貴之情形，則鎳之含量較理想為10 wt%以上30 wt%以下。表5中表示塊材31(Cu-Ni系合金)之組成。Sn係以提高滑動部14之耐摩擦性為目的而添加者。塊材30(SCM435)之組成係如表1所示。滑軌10之製造方法係與圖2所示之步驟相同。
    將以圖4所示之熱處理條件及加壓條件接合之塊材30與塊材31之接合界面之掃描型電子顯微鏡照片示於圖7A~圖7C。圖7A係二次電子像，圖7B係利用EDX分析之FeL α之映射像，圖7C係利用EDX分析之CuL α之映射像。於圖7A~圖7C中，照片上側為SCM435，照片下側為Cu-Ni系合金。對於SCM435之塊材30與Cu-Ni系合金之塊材31之組合，亦可藉由一面賦予加壓力一面於接合界面產生放電電漿引起固相反應，而使兩者直接接合。然而，由圖7可知，未確認接合界面上柱狀組織之形成。認為其原因在於，Ni於Cu中之擴散常數小於Zn於Cu中之擴散常數，即便利用放電電漿之施加賦予大能量亦難以擴散。
    其次，對塊材30與塊材31之接合強度進行說明。將經接合之塊材30與塊材31向相互相反方向拉伸，根據測定剝離時之剝離強度之剝離試驗評價接合強度。表6中表示剝離試驗結果。由表6可知，塊材30與塊材31之接合強度係與表3所示之比較材之接合強度相同。如此，利用放電電漿燒結法進行SCM435與Cu-Ni系合金之接合，藉此，雖無法說是經由柱狀組織之接合，但可獲得與先前者相同之高接合強度。
    如以上之第2實施形態所示，可藉由使用利用放電電漿燒結法之加熱加壓，而亦對SCM435與Cu-Ni系合金不經由鍍敷等黏合劑地直接固相接合。
    如以上之第1實施形態及第2實施形態所示，可藉由使用利用放電電漿燒結法之加熱加壓而使鐵系金屬之塊材與Cu合金之塊材以較高之接合強度且簡便地接合。
    明確本發明並未限定於上述實施形態而可於其技術性思想之範圍內進行各種變更。
    例如，上述實施形態係對斜板型活塞泵之滑軌10之製造方法進行了說明，但當然亦可應用於斜板型活塞馬達之滑軌之製造方法。
    又，上述實施形態係對滑軌10隔著球狀之球面座11而與活塞5之前端旋動自如地連結之構成進行了說明。然而，亦可以於活塞5之前端設置球狀部，並且於滑軌10之本體部13設置凹狀之球面座，滑軌10隔著凹狀之球面座與活塞5之前端之球狀部旋動自如地連結的方式構成而代替上述構成。
    又，上述實施形態係對本發明之滑動構件為斜板型活塞泵馬達之滑軌10之情形進行了說明。然而，滑動構件並未限定於此，亦可為支撐軸之滑動軸承。於此種情形時，與軸滑動接觸之滑動部係由Cu合金構成，除其以外之本體部係由鐵系金屬構成即可。
    本申請案係基於2011年3月2日向日本國專利廳申請之日本專利特願2011-045554主張優先權，該申請案之全部內容係因參照而被引用入本說明書中。 [產業上之可利用性]
    根據本發明之製造方法製造之滑動構件係可應用於活塞泵馬達之滑軌。
    1‧‧‧驅動軸
    2‧‧‧汽缸體
    3‧‧‧汽缸內徑
    4‧‧‧容積室
    5‧‧‧活塞
    10‧‧‧滑軌
    11‧‧‧球面座
    12‧‧‧平板部
    13‧‧‧本體部
    14‧‧‧滑動部
    20‧‧‧斜板
    21‧‧‧盒體
    22‧‧‧盒體
    23‧‧‧閥板
    30‧‧‧塊材(SCM435)
    31‧‧‧塊材(Cu-Zn系合金)
    31a‧‧‧槽
    32‧‧‧素材
    40‧‧‧放電電漿燒結裝置
    41a‧‧‧上部衝頭
    41b‧‧‧下部衝頭
    42a‧‧‧上部電極
    42b‧‧‧下部電極
    43‧‧‧電源
    44‧‧‧加壓機構
    45‧‧‧控制裝置
    46‧‧‧真空腔室
    47‧‧‧熱電偶
    48‧‧‧治具
    100‧‧‧活塞泵
    圖1係應用本發明之實施形態之滑軌之活塞泵之剖面圖。
    圖2係時間序列地表示本發明之實施形態之滑軌之製造方法之圖。
    圖3係放電電漿燒結裝置之模式圖。
    圖4係表示塊材30與塊材31之接合之熱處理條件及加壓條件之圖。
    圖5A係第1實施形態之塊材30與塊材31之接合界面之掃描型電子顯微鏡照片。
    圖5B係第1實施形態之塊材30與塊材31之接合界面之掃描型電子顯微鏡照片，係利用EDX分析之FeL α之映射像。
    圖5C係第1實施形態之塊材30與塊材31之接合界面之掃描型電子顯微鏡照片，係利用EDX分析之CuL α之映射像。
    圖6A係第1實施形態之塊材30與塊材31之接合界面之掃描型電子顯微鏡照片，係利用EDX分析之SiK α之映射像。
    圖6B係第1實施形態之塊材30與塊材31之接合界面之掃描型電子顯微鏡照片，係利用EDX分析之AlK α之映射像。
    圖7A係第2實施形態之塊材30與塊材31之接合界面之掃描型電子顯微鏡照片。
    圖7B係第2實施形態之塊材30與塊材31之接合界面之掃描型電子顯微鏡照片，係利用EDX分析之FeL α之映射像。
    圖7C係第2實施形態之塊材30與塊材31之接合界面之掃描型電子顯微鏡照片，係利用EDX分析之CuL α之映射像。
    1‧‧‧驅動軸
    2‧‧‧汽缸體
    3‧‧‧汽缸內徑
    4‧‧‧容積室
    5‧‧‧活塞
    10‧‧‧滑軌
    11‧‧‧球面座
    12‧‧‧平板部
    13‧‧‧本體部
    14‧‧‧滑動部
    20‧‧‧斜板
    21‧‧‧盒體
    22‧‧‧盒體
    23‧‧‧閥板
    100‧‧‧活塞泵
    权利要求:
    Claims (4)
    [1] 一種滑動構件之製造方法，該滑動構件具有滑動部，且藉由利用放電電漿燒結法對作為該滑動構件本體部發揮功能之鐵系金屬塊材、與作為該滑動部發揮功能之Cu合金塊材進行加熱加壓使之固相接合以製造滑動構件。
    [2] 如申請專利範圍第1項之滑動構件之製造方法，其中該Cu合金係Cu-Zn系合金，該鐵系金屬之塊材與該Cu合金之塊材係經由柱狀組織而接合。
    [3] 如申請專利範圍第2項之滑動構件之製造方法，其中該Cu合金包含Al及Si之至少一者。
    [4] 如申請專利範圍第1項之滑動構件之製造方法，其中該滑動構件係於活塞泵馬達中與活塞前端旋動自如地連結並且與斜板滑動接觸之滑軌，該鐵系金屬係發揮與該活塞前端旋動自如地連結之本體部功能，該Cu合金係發揮與該斜板滑動接觸之滑動部功能。
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    法律状态:
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    JP2011045554A|JP5706193B2|2011-03-02|2011-03-02|摺動部材の製造方法|
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