JP6383423B2 - 金属部材の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は金属部材の製造装置に関し、より特定的には、互いに異なる金属からなる部材が接合された構造を有する金属部材の製造装置に関するものである。

異なる金属からなる部材同士が互いに固定された構造を有する金属部材が、機械部品として採用される場合がある。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。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。

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

上記特許文献１に記載のピストンシューの構造では、摺動部はベース部に対して係合して固定されているに過ぎない。そのため、ピストンシューに衝撃が加わった場合、摺動部のベース部への固定状態が不安定となるおそれがある。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、異なる金属からなる部材同士が互いに直接強固に接合された構造を有する金属部材の製造装置を提供するものである。

本発明に従った金属部材の製造装置は、第１金属からなる第１部材と、第２金属からなる第２部材とを接合することにより金属部材を製造する金属部材の製造装置である。この金属部材の製造装置は、主軸と、主軸に対して軸方向に間隔を置いて配置された基台部と、主軸および基台部のうち少なくとも一方を主軸の軸方向に駆動する駆動部と、を備える。主軸および基台部のうち、一方には第１部材を保持するための第１保持部が設けられ、他方には第１保持部に対向するように第２部材を保持するための金型が配置される。金型は、底壁と、底壁から底壁に交差する方向に延在する側壁と、を含む。側壁には、主軸の軸方向に平行な面に対して底壁側を向くように傾斜した壁面である抵抗壁が形成されている。

本発明者らは、異なる金属からなる部材同士を互いに直接強固に接合する方策について検討した。その結果、以下のような知見を得て本発明に想到した。第１部材を、金型内に配置された第２部材に接触させた状態で第２部材に対する相対的な位置関係を変えることなく回転軸回りに相対的に回転させて第１部材および第２部材を加熱した後、第１部材と第２部材とが接触した状態を維持しつつこれらを冷却することにより、第１部材と第２部材とを直接接合することができる。第１部材が第２部材に対して相対的に滑ることにより発生する摩擦熱によって第１部材および第２部材が加熱され、第１部材と第２部材とが接合される。このとき、第１部材と第２部材との接合面の一部、具体的には第１部材の回転の中心を含む領域において第１部材と第２部材とが接合していない領域（未接合領域）が形成される場合がある。この未接合領域の存在は、第１部材と第２部材との接合強度を低下させる。

第１部材を、金型内に配置された第２部材に接触させた状態で回転させて第１部材および第２部材を加熱すると、加熱された状態において第１部材よりも変形抵抗の小さい第２金属からなる第２部材は変形し、その一部が第１部材と金型の側壁との隙間に侵入してバリを形成する。このバリが大きくなると、上記未接合領域が形成される場合が多くなる。これは、第１部材と第２部材との摩擦により発生した摩擦熱の一部がバリへ流出し、接合に寄与すべき摩擦熱が接合面付近において不足するためであると考えられる。

本発明の金属部材の製造装置を用いた場合、第１保持部に第１部材を保持した状態で主軸を軸周りに回転させつつ、駆動部により主軸と基台部との間隔を調整して第１部材を金型に保持された第２部材に対して押し付けることにより、第１部材および第２部材を加熱する。その後、第１部材と第２部材とが接触した状態でこれらを冷却することにより、第１部材と第２部材とが接合される。上記バリは、金型の側壁に沿って底壁から離れる向きに成長する。本発明の金属部材の製造装置では、金型の側壁に、主軸の軸方向に平行な面に対して底壁側を向くように傾斜した壁面である抵抗壁が形成される。この抵抗壁によって、上記バリの成長が抑制される。そのため、バリへ流出する摩擦熱が低減され、接合に寄与すべき摩擦熱が接合面付近に多く残存することとなる。その結果、未接合領域の形成が抑制され、第１部材と第２部材との強固な接合が達成される。このように、本発明の金属部材の製造装置によれば、異なる金属からなる部材同士が互いに直接強固に接合された構造を有する金属部材を製造することができる。

上記金属部材の製造装置において、上記抵抗壁は、上記側壁に形成された凹部または凸部を構成する壁面であってもよい。このようにすることにより、上記抵抗壁を上記側壁に容易に形成することができる。

上記金属部材の製造装置において、上記抵抗壁は、上記第１部材の回転の向きにおいて上記底壁に近づくように延在してもよい。このようにすることにより、上記バリの成長をより確実に抑制することができる。

上記金属部材の製造装置において、主軸および基台部の少なくともいずれか一方には、上記第１部材と上記第２部材との接触荷重を検知するための荷重センサが設置されてもよい。これにより、第１部材と第２部材との接触荷重を適切な範囲に調整することが容易となる。

本発明の金属部材の製造装置を用いて実施可能な金属部材の製造方法は、第１金属からなる第１部材と、第２金属からなる第２部材とを準備する工程と、底壁と、底壁から当該底壁に交差する方向に延在する側壁とを有する金型内に上記第２部材を配置する工程と、上記第１部材を、上記金型内に配置された上記第２部材に接触させた状態で上記第２部材に対する相対的な位置関係を変えることなく回転軸回りに相対的に回転させることにより、上記第１部材および上記第２部材を加熱する工程と、加熱された上記第１部材と上記第２部材とを互いに接触させた状態で冷却することにより、上記第１部材と上記第２部材とを接合する工程と、を備える。上記第２部材を配置する工程では、上記金型の上記底壁に接触し、上記側壁に取り囲まれるように上記第２部材が配置される。上記第１部材および上記第２部材を加熱する工程では、加熱された状態において上記第２金属は上記第１金属よりも変形抵抗が小さい。そして、上記側壁には、主軸の軸方向に平行な面に対して底壁側を向くように傾斜した壁面である抵抗壁が形成される。

上記金属部材の製造方法においては、金型の側壁に、主軸の軸方向に平行な面に対して底壁側を向くように傾斜した壁面である抵抗壁が形成される。上記バリは、金型の側壁に沿って底壁から離れる向きに成長する。上記抵抗壁は、このようなバリの成長を阻害する。そのため、バリへ流出する摩擦熱が低減され、接合に寄与すべき摩擦熱が接合面付近に多く残存することとなる。その結果、未接合領域の形成が抑制され、第１部材と第２部材との強固な接合が達成される。このように、上記金属部材の製造方法によれば、異なる金属からなる部材同士が互いに直接強固に接合された構造を有する金属部材を製造することができる。

上記金属部材の製造方法において、上記抵抗壁は、上記側壁に形成された凹部または凸部を構成する壁面であってもよい。このようにすることにより、上記抵抗壁を上記側壁に容易に形成することができる。

上記金属部材の製造方法において、上記抵抗壁は、上記第１部材の回転の向きにおいて上記底壁に近づくように延在してもよい。このようにすることにより、上記バリの成長をより確実に抑制することができる。

上記金属部材の製造方法において、上記第１部材および上記第２部材を加熱する工程では、上記金型内に離型剤が存在する状態で上記第１部材および上記第２部材が加熱されてもよい。

離型剤の使用により、金属部材を金型から分離することが容易となる。しかし、離型剤を使用することにより、上記バリの成長が助長される場合がある。金型の側壁に抵抗壁が形成される本発明の金属部材の製造方法を採用することにより、離型剤の存在によってバリの成長が助長されるような場合でも、バリの成長を有効に抑制することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明の金属部材の製造装置によれば、異なる金属からなる部材同士が互いに直接強固に接合された構造を有する金属部材を製造することができる。

ピストンシューの構造を示す概略断面図である。 図１の領域ＩＩを拡大して示す概略断面図である。 ピストンシューの製造方法の概略を示すフローチャートである。 ピストンシューの製造装置の構造を示す概略図である。 ピストンシューの製造装置の動作を示す概略断面図である。 金型の構造を示す概略平面図である。 金型の構造を示す概略斜視図である。 閉塞摩擦接合工程における主軸の回転数、押し付け荷重および接合部の温度の経時的変化を示す図である。 変形例１における金型の構造を示す概略斜視図である。 変形例２における金型の構造を示す概略斜視図である。 変形例３における金型の構造を示す概略斜視図である。 変形例４における金型の構造を示す概略斜視図である。 変形例５における金型の構造を示す概略斜視図である。 変形例６における金型の構造を示す概略斜視図である。 接合後の試験片の外観を示す写真である（実施例）。 図１５の一部を拡大して示す写真である。 接合後の試験片の外観を示す写真である（比較例）。 超音波探傷試験の結果を示す図である（実施例）。 超音波探傷試験の結果を示す図である（比較例）。

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、本発明の金属部材の製造装置により製造可能な金属部材（機械部品）の一例であるピストンシューの構造を示す概略断面図である。図１を参照して、ピストンシュー１は、油圧ポンプや油圧モータのピストン本体（図示しない）に接続され、斜板に対して摺動する部品である。ピストンシュー１は、鋼（第１金属）からなるベース部２（第１部材）と、摺動面３１が形成され、銅合金（第２金属）からなり、ベース部２に接合された摺動部３（第２部材）とを備えている。ベース部２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。ベース部２は、球形状を有し、ピストン本体に搖動可能に接続されるべき球状部２１と、球状部２１に接続され、段付き円盤形状を有する円盤部２２とを含んでいる。

球状部２１は、ピストン本体に形成された球面状の内壁を有する保持部（図示しない）に、搖動可能に保持される。また、球状部２１の、円盤部２２に接続される側とは反対側の端部には、平面状の平坦部２１Ａが形成されている。一方、円盤部２２の、球状部２１とは反対側の端部には、平面状のベース部接合面２３（第１部材接合面）が形成されている。

そして、ベース部接合面２３には、円盤部２２よりも厚みが小さい円盤形状を有する摺動部３が接合されている。摺動部３は、一方の主表面である摺動部接合面３２（第２部材接合面）において円盤部２２のベース部接合面２３に接合されている。また、摺動部３の他方の主表面は、摺動面３１となっている。摺動面３１は、たとえば油圧ポンプの斜板（図示しない）に対して摺動する。摺動部３が摺動特性に優れた銅合金からなっていることにより、斜板とピストンシュー１との摩擦力が抑制される。摺動部３を構成する銅合金としては、高力黄銅などの黄銅のほか、アルミ青銅などの青銅を採用することができるが、本実施の形態では摺動部３は高力黄銅からなっている。さらに、摺動面３１には、同心円状に形成された円環状の複数の溝３１Ａが形成されている。これらの溝３１Ａに油が適量保持されることにより、斜板とピストンシュー１との摩擦力が一層抑制される。

ピストンシュー１は、中心軸Ａに対して対称な形状を有している。そして、ピストンシュー１には、中心軸Ａを含む領域に、球状部２１の平坦部２１Ａから摺動部３の摺動面３１に至るようにピストンシュー１を貫通する直線状のセンター孔２９が形成されている。センター孔２９は、第１領域２９Ａと、第２領域２９Ｂと、第３領域２９Ｃと、第４領域２９Ｄとを含んでいる。第１領域２９Ａは、平坦部２１Ａから摺動面３１に向けて延在する。第２領域２９Ｂは、第１領域２９Ａに接続されており、第１領域２９Ａよりも長手方向（軸Ａ方向）に垂直な断面における断面積が小さい。第３領域２９Ｃは、第２領域２９Ｂに接続されており、摺動面３１に近づくに従って軸方向に垂直な断面の断面積が大きくなっている。第４領域は、第３領域２９Ｃに接続され、軸方向に垂直な断面の断面積が第３領域２９Ｃよりも大きい。

次に、ベース部２と摺動部３との接合部付近の構造について説明する。図２は、図１の領域ＩＩを拡大して示す概略断面図である。図２を参照して、ベース部２に、ベース部接合面２３を含むように、ベース部２の他の領域に比べて結晶粒が小さいベース部接合領域２４が形成されつつ、ベース部２と摺動部３とが直接接合されている。

本実施の形態のピストンシュー１では、ベース部２の他の領域に比べて結晶粒が小さいベース部接合領域２４が形成されたベース部２と摺動部３とが冶金的に接合されている。つまり、ピストンシュー１は、結晶粒が小さいことにより靱性に優れたベース部接合領域２４と摺動部３とが冶金的に接合された構造（ベース部接合領域２４と摺動部３とが直接接合された構造）を有している。そのため、摺動部３がベース部２に対して安定して固定されている。このように、ピストンシュー１は、摺動部３がベース部２に対して安定して固定された金属部材（摺動部品）である。

ここで、図２を参照して、ピストンシュー１の表面１Ａを含む領域におけるベース部接合領域２４の厚みｔ_２は、内部におけるベース部接合領域２４の厚みｔ_１に比べて大きくなっていてもよい。これにより、接合面近傍において、亀裂の起点となる可能性のあるベース部２の表層領域に、高い靱性をより確実に付与することができる。本実施の形態では、ベース部接合領域２４の厚みは、ピストンシュー１の表面１Ａに近づくにしたがって徐々に大きくなっている。

また、摺動部３には、ベース部２に接合される面である摺動部接合面３２を含むように、摺動部３の他の領域に比べて硬度の低い摺動部接合領域３４が形成されていてもよい。これにより、摺動部３とベース部２との接合部におけるひずみを緩和することができる。

この摺動部接合領域３４の、摺動部接合面３２に垂直な方向における厚みは０．２ｍｍ以下であることが好ましい。このように、摺動部接合領域３４の厚みを必要以上に大きくしないことにより、摺動部３に十分な強度を付与することができる。

さらに、摺動部３を構成する高力黄銅は、マトリックスに比べて高い硬度を有する析出物を含み、摺動部接合領域３４内の析出物の大きさは、摺動部３の他の領域の析出物の大きさに比べて小さくなっていてもよい。これにより、接合部近傍の摺動部の靱性を向上させることができる。

また、摺動部接合領域３４内の摺動部接合面３２に接する領域に、上記析出物が集合した析出物集合部が形成されていてもよい。摺動部接合面３２近傍に微細な析出物の集合部を形成することにより、靱性を大幅に低下させることなく、摺動部接合面３２近傍の強度を向上させることができる。

さらに、摺動部接合領域３４は、他の領域に比べてα相の割合が多くなっていてもよい。これにより、接合部近傍の摺動部３の靱性を向上させることができる。

次に、上記ピストンシュー１の製造方法について説明する。図３は、ピストンシューの製造方法の概略を示すフローチャートである。また、図４は、ピストンシューの製造装置の構造を示す概略図である。また、図５は、ピストンシューの製造装置の動作を示す概略断面図である。また、図６は、ピストンシューの製造装置に含まれる金型の構造を示す概略平面図である。また、図７は、金型の構造を示す概略斜視図である。図７において、２つに分離された金型の一方が示されている。

図３を参照して、本実施の形態におけるピストンシュー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、図５を参照して、調質処理された機械構造用合金鋼からなるベース部材４（第１部材）と、高力黄銅からなる円盤形状の摺動部材５（第２部材）とが準備される。ベース部材４は、円盤状の形状を有する円盤部４Ｂと、円盤部４Ｂに接続され、外径が円盤部よりも小さい円筒部４Ｃとを備えている。円盤部４Ｂの円筒部４Ｃとは反対側の端部には、摺動部材５に接合されるべき平坦面であるベース部材接触面４Ａ（第１部材接触面）が形成されている。また、摺動部材５の一方の主表面は、ベース部材４に接合されるべき平坦面である摺動部材接触面５Ａ（第２部材接触面）となっている。

次に、工程（Ｓ２０）として洗浄工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、工程（Ｓ１０）において準備されたベース部材４および摺動部材５が洗浄される。より具体的には、ベース部材４および摺動部材５が、メタノール、エタノール、アセトンなどの液体を用いて洗浄される。これにより、ベース部材４および摺動部材５を準備するための切断、加工などのプロセスにおいてベース部材４および摺動部材５に付着した異物等が除去される。なお、本実施の形態のピストンシュー１の製造方法では、摺動部材接触面５Ａに対する精密な仕上げ加工は省略することが可能であり、たとえば摺動部材接触面５Ａは切断ままの状態であってもよい。

次に、図３を参照して、閉塞摩擦接合工程が実施される。この閉塞摩擦接合工程は、接合準備工程、摩擦工程および冷却工程を含んでいる。ここで、閉塞摩擦接合を実施することでピストンシューを製造するピストンシュー（金属部材）の製造装置について説明する。

図４を参照して、ピストンシューの製造装置である閉塞摩擦接合装置９は、軸α周りに回転可能な主軸９５と、主軸９５に対して軸α方向に間隔を置いて配置された基台部９８と、主軸９５を軸α方向に駆動することにより主軸９５と基台部９８との間隔を調整する駆動部９７と、主軸９５および基台部９８を支持するフレーム９０とを備えている。

図４を参照して、フレーム９０内には、軸αに対して平行に延在するシャフト９０Ａが設置されている。このシャフト９０Ａは、主軸９５を支持する主軸支持部９０Ｃをシャフト９０Ａの延在方向に沿って移動可能に支持している。さらに、シャフト９０Ａには、シャフト９０Ａを駆動する主軸移動モータ９０Ｂが接続されている。シャフト９０Ａが主軸移動モータ９０Ｂによって駆動されることにより、主軸支持部９０Ｃにより支持される主軸９５が軸α方向に移動する。これにより、主軸９５と基台部９８との間隔を調整することができる。シャフト９０Ａ、主軸支持部９０Ｃおよび主軸移動モータ９０Ｂは、駆動部９７を構成する。

駆動部９７により主軸９５と基台部９８との間隔を調整してベース部材４と摺動部材５とを接触させた状態（図５の状態）において、キャビティ１０の第１側壁１２Ａが、摺動部材５においてベース部材４に接触する面である摺動部材接触面５Ａの外周を取り囲むように、チャック９４（第１保持部）および金型９３が配置されている。図５を参照して、軸α方向におけるキャビティ１０の第１側壁１２Ａの高さは、摺動部材５の厚みよりも大きい。

図４を参照して、主軸９５には、基台部９８に対向するようにベース部材４を保持する第１保持部としてのチャック９４が設けられている。また、主軸９５には、主軸９５を軸α周りに回転駆動する主軸モータ９５Ｂが接続されている。さらに、主軸９５には、ベース部材４と摺動部材５との接触荷重を検知する荷重センサ９６が設置されている。この荷重センサ９６は、チャック９４に加わるベース部材４と摺動部材５との接触の反力の大きさから、ベース部材４と摺動部材５との接触荷重を検知する。荷重センサ９６は、閉塞摩擦接合装置９において必須の構成ではないが、これを設置することにより、ベース部材４と摺動部材５との接触荷重を適切な範囲に調整することが容易となる。

基台部９８には、チャック９４に対向するように摺動部材５を保持する第２保持部としての金型９３が配置されている。より具体的には、図４および図５を参照して、基台部９８は、ベース体９１と、金型ホルダ９２と、金型９３とを含んでいる。ベース体９１は、フレーム９０上に設置されている。金型ホルダ９２は、ベース体９１上に固定されている。金型９３は、金型ホルダ９２に形成された凹部である金型保持部９２Ａに嵌め込まれて固定されている。金型９３は、図６に示すように、２つの部品９９，９９に分離することができる。

図６および図７を参照して、金型９３は、円形の平面である底壁１１と、底壁１１から底壁１１に交差する方向（垂直な方向）に延在する第１側壁１２Ａと、第１側壁１２Ａに接続され、底壁１１から離れる側に延在する第２側壁１２Ｂとを含む。底壁１１、第１側壁１２Ａおよび第２側壁１２Ｂは、キャビティ１０を規定する。第１側壁１２Ａは、円形の形状を有する底壁１１の外周に接続され、底壁１１と同じ直径を有する円筒面形状を有している。第２側壁１２Ｂは、第１側壁１２Ａに接続され、底壁１１から離れるにしたがって直径が大きくなる円錐面形状を有している。

そして、図７を参照して、第１側壁１２Ａには複数の溝１３が形成されている。溝１３は、第１側壁１２Ａの底壁１１側から第２側壁１２Ｂ側に向けて延在するように形成されている。溝１３は、主軸９５の回転の向き（矢印βの向き）において第２側壁１２Ｂ側から底壁１１側へと近づくように軸方向（軸αに沿った方向）に対して傾いて形成されている。溝１３を規定する壁面のうち、主軸９５の軸α方向に平行な面に対して底壁１１側を向くように傾斜した壁面が抵抗壁１３Ａである。抵抗壁１３Ａは、溝１３を規定する壁面のうち、軸α方向において底壁とは反対側（主軸９５の回転の向きにおいて前方側）の壁である。キャビティ１０の第１側壁１２Ａには、主軸９５の軸α方向に平行な面に対して底壁１１側を向くように傾斜した壁面である抵抗壁１３Ａが形成されている。抵抗壁１３Ａは、主軸９５の回転の向きにおいて第２側壁１２Ｂ側から底壁１１側へと近づくように傾いて形成されている。抵抗壁１３Ａは、第１側壁１２Ａに形成された凹部を構成する壁面である。

次に、閉塞摩擦接合工程の具体的な手順を説明する。図８は、閉塞摩擦接合工程における主軸９５の回転数、ベース部材４と摺動部材５との接触荷重（押し付け荷重）、およびベース部材４と摺動部材５との接合部の温度の経時的変化を示す図である。図４および図５を参照して、工程（Ｓ３０）として実施される接合準備工程では、ベース部材４が円筒部４Ｃの外周面においてチャック９４に保持されるとともに、摺動部材５が金型９３のキャビティ１０内にセットされる。このとき、ベース部材接触面４Ａと摺動部材接触面５Ａとが対向し、かつベース部材４および摺動部材５の中心軸がチャック９４の回転軸αに一致するように、ベース部材４および摺動部材５は配置される。また、キャビティ１０内に離型剤が導入される。これにより、後述の工程（Ｓ４０）においてキャビティ１０内に離型剤が存在する状態でベース部材４および摺動部材５が加熱される。この離型剤の導入は必須の手順ではないが、離型剤を導入することにより、後述の工程（Ｓ５０）においてベース部材４と摺動部材５とが接合されて構成される構造体を金型９３から取り外すことが容易となる。離型剤は、液体状であってもよいし粉体状であってもよい。

次に、工程（Ｓ４０）として摩擦工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、主軸９５が主軸モータ９５Ｂにより駆動されて軸α周りに回転するとともに、主軸移動モータ９０Ｂにより駆動されて基台部９８に近づく。これにより、チャック９４が軸α周りに回転しつつ、金型９３に近づく。このとき、図８を参照して、時刻Ｓ_０において回転を開始した主軸９５の回転数は、時刻Ｓ_１に所望の回転数に到達し、その後当該回転数が維持される。さらに、時刻Ｓ_２には図５に示すようにベース部材接触面４Ａと摺動部材接触面５Ａとが接触する。これにより、ベース部材４は、摺動部材５に対する相対的な位置を変えることなく、摺動部材５に対して荷重Ｌにて押し付けられつつ相対的に回転する。その結果、ベース部材４と摺動部材５との接触部（接合部）の温度が摩擦熱により上昇する。そして、時刻Ｓ_３には、荷重センサ９６により検知される押し付け荷重（ベース部材接触面４Ａと摺動部材接触面５Ａとの接触荷重）が所望の大きさに到達し、その後当該押し付け荷重が維持される。この間、ベース部材４と摺動部材５との接触部の温度は上昇を続ける。

そして、時刻Ｓ_４には、ベース部材４と摺動部材５との接触部の温度はＡ_１変態点以上であって固相線温度未満にまで上昇する。その結果、ベース部材４のうちベース部材接触面４Ａを含む領域はＡ_１変態点以上固相線温度未満の温度に加熱され、当該領域を構成する鋼は液相を含まないオーステナイト状態となる。

一方、加熱された摺動部材５は軟化する。その結果、ベース部材４が軸α周りに回転しても、摺動部材５はこれに従って回転しない。また、このように加熱された状態において、摺動部材５を構成する高力黄銅（銅合金）はベース部材４を構成する機械構造用合金鋼（鋼）よりも変形抵抗が小さい。そのため、軟化した摺動部材５の一部がベース部材４の円盤部４Ｂの外周面と金型９３のキャビティ１０の第１側壁１２Ａとの隙間に侵入してバリを形成する。このバリは、キャビティ１０の第１側壁１２Ａに沿って底壁１１から離れる向きに成長する。本実施の形態において採用される金型９３のキャビティ１０の第１側壁１２Ａには、上述のように、主軸９５の軸α方向に平行な面に対して底壁１１側を向くように傾斜した壁面である抵抗壁１３Ａが形成されている。抵抗壁１３Ａは、上記バリの成長を阻害する。そのため、バリへ流出する摩擦熱が低減され、ベース部材４と摺動部材５との接合に寄与すべき摩擦熱が接合面付近に多く残存することとなる。特に、本実施の形態において採用される金型９３の抵抗壁１３Ａは、ベース部材４の回転の向き、すなわち主軸９５の回転の向き（図５の矢印βの向き参照）において底壁１１に近づくように延在している。そのため、上記バリの成長が一層有効に阻害される。

次に、工程（Ｓ５０）として冷却工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、まず主軸９５の回転数を低下させ、時刻Ｓ_５にはその回転を停止する。その後、荷重センサ９６により検知される押し付け荷重を低下させる。この間、ベース部材４と摺動部材５とは互いに押し付け合う状態を維持しつつ、ベース部材４と摺動部材５との接触部は冷却される。これにより、ベース部材４と摺動部材５とが接合される。そして、時刻Ｓ_６には、押し付け荷重が０とされ、ベース部材４と摺動部材５とが接合されて構成される構造体が閉塞摩擦接合装置９から取り出される。

ここで、ベース部材４のうち、工程（Ｓ４０）においてＡ_１変態点以上の温度にまで加熱されたベース部材接触面４Ａを含む領域は、工程（Ｓ５０）においてＡ_１変態点未満の温度に冷却される。このように、一旦Ａ_１変態点以上の温度に加熱された後、Ａ_１変態点未満の温度に冷却された当該領域の結晶粒は微細化される。その結果、他の領域に比べて結晶粒が小さいベース部接合領域２４（図２参照）が形成される。以上の手順により、閉塞摩擦接合工程が完了する。

次に、工程（Ｓ６０）として、機械加工工程が実施される。この工程（Ｓ６０）では、工程（Ｓ５０）において得られた構造体に対して機械加工が実施される。具体的には、図１を参照して、摺動部材５の外周面が加工されることにより円盤状の摺動部３が形成される。また、ベース部材４の円筒部が加工されることにより、球状部２１が形成される。さらに、センター孔２９、平坦部２１Ａおよび溝３１Ａも、この工程において形成される。

次に、工程（Ｓ７０）としてガス軟窒化工程が実施される。この工程（Ｓ７０）では、図１を参照して、工程（Ｓ６０）において形成された球状部２１が、別途準備されたピストン本体に形成された球面状の内壁を有する保持部（図示しない）に嵌め込まれたうえで、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、ベース部材４（ベース部２）およびピストン本体（図示しない）の表層部に窒化層が形成される。また、このとき、ガス軟窒化処理のための加熱により、摺動部材５の摺動部材接触面５Ａに接する摺動部材５内の領域に、他の領域に比べてα相の割合が多い領域が形成される。これにより、図２を参照して、摺動部接合領域３４は、他の領域に比べてα相の割合が多くなる。

次に、工程（Ｓ８０）として仕上げ工程が実施される。この工程では、工程（Ｓ７０）においてガス軟窒化処理が実施されたベース部材４、摺動部材５およびピストン本体（図示しない）に対して、必要に応じて仕上げ処理が実施される。以上の手順により、本実施の形態におけるピストンシュー１が、ピストン本体と組み合わせられた状態で完成する。

このように、本実施の形態における閉塞摩擦接合装置９を用いたピストンシューの製造方法によれば、上記本実施の形態のピストンシュー１を製造することができる。ここで、本実施の形態において採用される金型９３のキャビティ１０の第１側壁１２Ａには、上述のように、主軸９５の軸α方向に平行な面に対して底壁１１側を向くように傾斜した壁面である抵抗壁１３Ａが形成され、上記バリの成長が阻害される。そのため、バリへ流出する摩擦熱が低減され、ベース部材４と摺動部材５との接合に寄与すべき摩擦熱が接合面付近に多く残存する。その結果、未接合領域の形成が抑制され、ベース部材４と摺動部材５との強固な接合が達成される。

このように、本実施の形態の閉塞摩擦接合装置９を用いたピストンシュー（金属部材）の製造方法によれば、異なる金属からなる部材同士が互いに直接強固に接合された構造を有するピストンシュー（金属部材）を製造することができる。

また、図５を参照して、工程（Ｓ４０）においてベース部材４が、摺動部材に対する相対的な位置を変えることなく回転することにより、ベース部材４の摺動部材５に対する周速は、軸αから離れるにしたがって速くなる。そのため、摩擦による発熱は、ベース部材４の外周側において大きくなる。その結果、ベース部材４のうち摩擦熱によりＡ_１変態点を超える領域の厚みはベース部材４の外周側において大きくなる。これにより、図２を参照して、他の領域に比べて結晶粒の大きさが小さいベース部接合領域２４の厚みを、内部に比べて外周側、すなわちピストンシュー１の表面１Ａを含む領域において大きくすることができる。さらに、図５を参照して、上記本実施の形態におけるベース部材４の円筒部４Ｃの外径は、円盤部４Ｂに比べて小さくなっている。これにより、ベース部材接触面４Ａの外周部において発生した摩擦熱は、円筒部４Ｃへと伝わりにくくなっている。その結果、ベース部材４のうち摩擦熱によりＡ_１変態点を超える領域の厚みは、ベース部材４の外周側において一層大きくなる。そのため、本実施の形態におけるピストンシュー１の製造方法によれば、ベース部接合領域２４の厚みを、内部に比べて外周側、すなわちピストンシュー１の表面１Ａを含む領域において大きくすることが容易となっている。

また、本実施の形態におけるピストンシュー１の製造方法では、図５を参照して、軸α方向における第１側壁１２Ａの高さは、摺動部材５の厚みよりも大きくなっている。その結果、工程（Ｓ４０）および（Ｓ５０）において、摺動部材接触面５Ａの外周側において摺動部材５が拘束された状態が維持される。これにより、軟化した摺動部材５の変形量を抑制することができる。より具体的には、製造されるピストンシュー１において、摺動部材５の変形によって形成される摺動部接合領域３４の、摺動部接合面３２に垂直な方向における厚みを０．２ｍｍ以下とすることができる。その結果、接合後の機械加工における加工量が低減されるため、摺動部材５の材料の歩留りが向上する。また、摺動部材５の厚みが小さい場合でも、摺動部材５において塑性変形した領域がピストンシュー１の摺動面３１に露出することが抑制され、摺動部３の摺動特性が安定する。また、硬度の低い摺動部接合領域３４の厚みを必要以上に大きくしないことにより、摺動部３に十分な強度を付与することができる。

なお、上記実施の形態においては、摺動部材が固定され、ベース部材が回転する場合について説明したが、本発明の金属部材の製造装置を用いた金属部材の製造方法はこれに限られず、ベース部材が固定されて摺動部材が回転してもよいし、両方が回転することにより一方が他方に対して相対的に滑るものであってもよい。

また、上記実施の形態においては、閉塞摩擦接合装置９（金属部材である摺動部品の製造装置）として、主軸が軸方向に移動可能な構造について説明したが、本発明の摺動部品の製造装置はこれに限られず、基台部が軸方向に移動可能なものであってもよい。

さらに、上記実施の形態においては、金型９３のキャビティ１０の形状が平面的に見て（軸αに沿った方向から見て）円形形状である場合について説明したが、採用可能な金型はこれに限られず、保持部の形状はたとえば多角形であってもよい。

また、上記実施の形態においては、ピストンシューを金属部材の一例として説明したが、本発明の金属部材の製造装置により製造される金属部材はこれに限られず、異なる金属からなる部材同士が互いに直接接合された構造を有する機械部品を含む種々の金属部材を製造することができる。より具体的には、上記実施の形態においては第１金属と第２金属との組み合わせが鋼と銅合金との組み合わせである場合について説明したが、たとえば鋳鉄と銅合金との組み合わせ、鋼とアルミニウム合金との組み合わせ、ニッケル基超合金と鋼との組み合わせ、超硬合金と鋼との組み合わせなど、種々の組み合わせを採用することができる。

次に、本実施の形態における金属部材の製造装置において採用可能な他の構造の金型について説明する。

（変形例１）
図９は、変形例１における金型の構造を示す概略斜視図である。図９を参照して、変形例１における金型９３は、基本的には上記実施の形態における金型９３と同様の構造を有し、同様の効果を奏する。しかし、変形例１の金型９３は、抵抗壁の形成態様において上記実施の形態の場合とは異なっている。

具体的には、図９を参照して、第１側壁１２Ａには溝１３が形成されている。溝１３は、第１側壁１２Ａの周方向に延在するようにらせん状に形成されている。溝１３は、主軸９５の回転の向き（矢印βの向き）において第２側壁１２Ｂ側から底壁１１側へと近づくようにらせん状に形成されている。溝１３を規定する壁面のうち、主軸９５の軸α方向に平行な面に対して底壁１１側を向くように傾斜した壁面が抵抗壁１３Ａである。抵抗壁１３Ａは、溝１３を規定する壁面のうち、軸α方向において底壁とは反対側（主軸９５の回転の向きにおいて前方側）の壁である。キャビティ１０の第１側壁１２Ａには、主軸９５の軸α方向に平行な面に対して底壁１１側を向くように傾斜した壁面である抵抗壁１３Ａが形成されている。抵抗壁１３Ａは、主軸９５の回転の向きにおいて第２側壁１２Ｂ側から底壁１１側へと近づくように、らせん状に形成されている。溝１３を規定する壁面のうち、抵抗壁１３Ａに対向する壁面は、金型９３の開口側を向いている。抵抗壁１３Ａは、第１側壁１２Ａに形成された凹部を構成する壁面である。

（変形例２）
図１０は、変形例２における金型の構造を示す概略斜視図である。図１０を参照して、変形例２における金型９３は、基本的には上記実施の形態における金型９３と同様の構造を有し、同様の効果を奏する。しかし、変形例２の金型９３は、抵抗壁の形成態様において上記実施の形態の場合とは異なっている。

具体的には、図１０を参照して、第１側壁１２Ａには溝１３が形成されている。溝１３は、底壁１１に対して平行に延在している。溝１３を規定する壁面のうち、主軸９５の軸α方向に平行な面に対して底壁１１側を向くように傾斜した壁面が抵抗壁１３Ａである。抵抗壁１３Ａは、溝１３を規定する壁面のうち、軸α方向において底壁とは反対側の壁である。キャビティ１０の第１側壁１２Ａには、主軸９５の軸α方向に平行な面に対して底壁１１側を向くように傾斜した壁面である抵抗壁１３Ａが形成されている。溝１３を規定する壁面のうち、抵抗壁１３Ａに対向する壁面は、金型９３の開口側を向いている。抵抗壁１３Ａは、第１側壁１２Ａに形成された凹部を構成する壁面である。

（変形例３）
図１１は、変形例３における金型の構造を示す概略斜視図である。図１１を参照して、変形例３における金型９３は、基本的には上記実施の形態における金型９３と同様の構造を有し、同様の効果を奏する。しかし、変形例３の金型９３は、抵抗壁の形成態様において上記実施の形態の場合とは異なっている。

具体的には、図１１を参照して、第１側壁１２Ａには複数の溝１３が形成されている。溝１３は、第１側壁１２Ａの底壁１１側から第２側壁１２Ｂ側に向けて延在するように形成されている。溝１３は、それぞれ主軸９５の回転の向き（矢印βの向き）において第２側壁１２Ｂ側から底壁１１側へと近づくように軸方向（軸αに沿った方向）に対して傾いて形成された一対の溝が、当該一対の溝とは反対側に傾いて形成された溝により接続された構造を有している。溝１３を規定する壁面のうち、主軸９５の軸α方向に平行な面に対して底壁１１側を向くように傾斜した壁面が抵抗壁１３Ａである。抵抗壁１３Ａは、溝１３を規定する壁面のうち、軸α方向において底壁１１とは反対側の壁である。キャビティ１０の第１側壁１２Ａには、主軸９５の軸α方向に平行な面に対して底壁１１側を向くように傾斜した壁面である抵抗壁１３Ａが形成されている。抵抗壁１３Ａは、第１側壁１２Ａに形成された凹部を構成する壁面である。

（変形例４）
図１２は、変形例４における金型の構造を示す概略斜視図である。図１２を参照して、変形例４における金型９３は、基本的には上記実施の形態における金型９３と同様の構造を有し、同様の効果を奏する。しかし、変形例４の金型９３は、抵抗壁の形成態様において上記実施の形態の場合とは異なっている。

具体的には、図１２を参照して、第１側壁１２Ａには、底壁１１に対して平行に延在する溝１４と、底壁１１側から第２側壁１２Ｂ側に向けて延在し、溝１４に交差する複数の溝１５とが形成されている。溝１５は、上記実施の形態の溝１３と同様の構造を有している。また、溝１４は、上記変形例２の溝１３と同様の構造を有している。変形例４においては、上記実施の形態における溝１３と、上記変形例２における溝１３とが組み合わされて形成されている。溝１４を規定する壁面のうち、主軸９５の軸α方向に平行な面に対して底壁１１側を向くように傾斜した壁面が抵抗壁１４Ａである。溝１４を規定する壁面のうち、抵抗壁１４Ａは底壁１１側を向いており、抵抗壁１４Ａに対向する壁面は金型９３の開口側を向いている。また、溝１５を規定する壁面のうち、主軸９５の軸α方向に平行な面に対して底壁１１側を向くように傾斜した壁面が抵抗壁１５Ａである。キャビティ１０の第１側壁１２Ａには、主軸９５の軸α方向に平行な面に対して底壁１１側を向くように傾斜した壁面である抵抗壁１４Ａ，１５Ａが形成されている。抵抗壁１４Ａ，１５Ａは、第１側壁１２Ａに形成された凹部を構成する壁面である。

（変形例５）
図１３は、変形例５における金型の構造を示す概略斜視図である。図１３を参照して、変形例５における金型９３は、基本的には上記実施の形態における金型９３と同様の構造を有し、同様の効果を奏する。しかし、変形例５の金型９３は、抵抗壁の形成態様において上記実施の形態の場合とは異なっている。

具体的には、図１３を参照して、第１側壁１２Ａには複数の凹部１６が形成されている。凹部１６は、円形の底壁と、当該底壁に接続された円筒面である周壁とにより規定される。凹部１６を規定する周壁のうち、主軸９５の軸α方向に平行な面に対して底壁１１側を向くように傾斜した領域が抵抗壁１６Ａである。抵抗壁１６Ａは、凹部１６を規定する周壁のうち、軸α方向において底壁とは反対側（上半分）の壁である。キャビティ１０の第１側壁１２Ａには、主軸９５の軸α方向に平行な面に対して底壁１１側を向くように傾斜した壁面である抵抗壁１６Ａが形成されている。抵抗壁１６Ａは、第１側壁１２Ａに形成された凹部を構成する壁面である。

（変形例６）
図１４は、変形例６における金型の構造を示す概略斜視図である。図１４を参照して、変形例６における金型９３は、基本的には上記実施の形態における金型９３と同様の構造を有し、同様の効果を奏する。しかし、変形例６の金型９３は、抵抗壁の形成態様において上記実施の形態の場合とは異なっている。

具体的には、図１４を参照して、第１側壁１２Ａには突条部１７が形成されている。突条部１７は、第１側壁１２Ａの周方向に延在するようにらせん状に形成されている。突条部１７は、主軸９５の回転の向き（矢印βの向き）において第２側壁１２Ｂ側から底壁１１側へと近づくようにらせん状に形成されている。突条部１７を構成する壁面のうち、主軸９５の軸α方向に平行な面に対して底壁１１側を向くように傾斜した壁面が抵抗壁１７Ａである。抵抗壁１７Ａは、突条部１７を構成する壁面のうち、軸α方向において底壁側（主軸９５の回転の向きにおいて後方側）の壁である。キャビティ１０の第１側壁１２Ａには、主軸９５の軸α方向に平行な面に対して底壁１１側を向くように傾斜した壁面である抵抗壁１７Ａが形成されている。抵抗壁１７Ａは、主軸９５の回転の向き（矢印βの向き）において第２側壁１２Ｂ側から底壁１１側へと近づくように、らせん状に形成されている。抵抗壁１７Ａは、第１側壁１２Ａに形成された凸部を構成する壁面である。

上記実施の形態の工程（Ｓ１０）〜（Ｓ５０）までの手順を実施し、ベース部材と摺動部材とが閉塞摩擦接合により接合された試験片を作製した（実施例）。また、比較のため、抵抗壁が形成されていない金型を用いて同様の手順で作製した試験片も準備した（比較例）。そして、実施例および比較例の試験片の外観を観察するとともに、ベース部材と摺動部材との接合部の超音波探傷試験を実施した。

図１５は、実施例の試験片の外観を示す写真である。図１６は、図１５の一部（図１５において領域ＸＶＩに対応する領域）を拡大して示す写真である。また、図１７は、比較例の試験片の外観を示す写真である。図１５および図１７を参照して、実施例の試験片においては、比較例の試験片に比べてバリの形成が抑制されていることが確認される。また、図１６を参照して、実施例の試験片には、金型に形成された溝（抵抗壁）に対応する凸部が形成されている。このことから、金型に溝（抵抗壁）を形成することにより、バリの形成を抑制できることが確認される。

図１８は、実施例の試験片についての超音波探傷試験の結果を示す図である。また、図１９は、比較例の試験片についての超音波探傷試験の結果を示す図である。図１９を参照して、比較例の試験片では、中心付近に未接合領域４０が形成されている。これに対し、図１８を参照して、実施例の試験片には未接合領域は確認されない。実施例の試験片では、バリへ流出する摩擦熱が低減され、接合に寄与すべき摩擦熱が接合面付近に多く残存したため、未接合領域の形成が回避されたものと考えられる。

以上の実験結果より、本発明の金属部材の製造方法および金属部材の製造装置によれば、異なる金属からなる部材同士が互いに直接強固に接合された構造を有する金属部材を製造できることが確認される。

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。

本発明の金属部材の製造方法および金属部材の製造装置は、異なる金属からなる部材同士が互いに直接に接合された構造を有する金属部材の製造に、特に有利に適用され得る。

１ ピストンシュー、１Ａ 表面、２ ベース部、３ 摺動部、４ ベース部材、４Ａ ベース部材接触面、４Ｂ 円盤部、４Ｃ 円筒部、５ 摺動部材、５Ａ 摺動部材接触面、９ 閉塞摩擦接合装置、１０ キャビティ、１１ 底壁、１２Ａ 第１側壁、１２Ｂ 第２側壁、１３ 溝、１３Ａ 抵抗壁、 １４ 溝、１４Ａ 抵抗壁、１５ 溝、１５Ａ 抵抗壁、１６ 凹部、１６Ａ 抵抗壁、１７ 突条部、１７Ａ 抵抗壁、２１ 球状部、２１Ａ 平坦部、２２ 円盤部、２３ ベース部接合面、２４ ベース部接合領域、２９ センター孔、２９Ａ 第１領域、２９Ｂ 第２領域、２９Ｃ 第３領域、２９Ｄ 第４領域、３１ 摺動面、３１Ａ 溝、３２ 摺動部接合面、３４ 摺動部接合領域、４０ 未接合領域、９０ フレーム、９０Ａ シャフト、９０Ｂ 主軸移動モータ、９０Ｃ 主軸支持部、９１ ベース体、９２ 金型ホルダ、９２Ａ 金型保持部、９３ 金型、９４ チャック、９５ 主軸、９５Ｂ 主軸モータ、９６ 荷重センサ、９７ 駆動部、９８ 基台部、９９ 部品。

Claims (4)

1. 第１金属からなる第１部材と、第２金属からなる第２部材とを閉塞摩擦接合によって接合することにより金属部材を製造する金属部材の製造装置であって、
   主軸と、
   前記主軸に対して軸方向に間隔を置いて配置された基台部と、
   前記主軸および前記基台部のうち少なくとも一方を前記主軸の軸方向に駆動する駆動部と、を備え、
   前記主軸および前記基台部のうち、一方には前記第１部材を保持するための第１保持部が設けられ、他方には前記第１保持部に対向するように前記第２部材を保持するための金型が配置され、
   前記金型は、
   底壁と、
   前記底壁から前記底壁に交差する方向に延在する側壁と、を含み、
   前記側壁には、前記主軸の軸方向に平行な面に対して前記底壁側を向くように傾斜した壁面である抵抗壁が形成されている、金属部材の製造装置。
2. 前記抵抗壁は、前記側壁に形成された凹部または凸部を構成する壁面である、請求項１に記載の金属部材の製造装置。
3. 前記抵抗壁は、前記主軸の回転の向きにおいて前記底壁に近づくように延在する、請求項１または２に記載の金属部材の製造装置。
4. 前記主軸および前記基台部の少なくともいずれか一方には、前記第１部材と前記第２部材との接触荷重を検知するための荷重センサが設置されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属部材の製造装置。