(57)【要約】【課題】  高負荷や潤滑油の劣化等によって生じる摺動部品同士の接触による摩耗の抑制に効果的な表面に硬化層を備え、優れた耐摩耗性を有する摺動部品と、簡便でかつ高効率な摺動部品の製造方法を提供することにある。【解決手段】  本発明は、少なくとも一方に摺動面を備えた摺動部品であって、該摺動部品の摺動面の組織粒界が一方向に傾き、該摺動面の組織粒界が一方向に傾いた層の表面の硬さが、その下の内部の層に比べて大きく、また、摺動面の表層部の組織粒界が一方向に傾いた層の表面の算術平均粗さＲａが０．５μｍ以下であることを特徴とする。さらに、摺動部品の製造方法において、該摺動部品の摺動面を切削する負のすくい角を有した刃先を工具本体に回転中心より離れた円周上に複数個配置し、摺動面を工具本体で切削加工し、工具本体を逆方向に回転し、摺動面を断続的に加熱及び冷却することを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一方に摺動面を備えた摺動部品であって、
該摺動部品の摺動面の組織粒界が一方向に傾き、
該摺動面の組織粒界が一方向に傾いた層の表面の硬さが、その下の内部の層に比べて大きいことを特徴とする摺動部品。
【請求項２】
請求項１記載の摺動部品において、
前記摺動部品の摺動面近傍の表層部の組織粒界が一方向に傾いた層の表面の算術平均粗さＲａが０．５μｍ以下であることを特徴とする摺動部品。
【請求項３】
請求項１記載の摺動部品において、
前記摺動部品の摺動面近傍の表層部の組織粒界が一方向に傾いた層の厚みは、少なくとも１０μｍ以上であることを特徴とする摺動部品。
【請求項４】
請求項１記載の摺動部品において、
前記摺動部品の摺動面の断面は、組織粒界が一方向に傾いた層形成時の工具の刃先の軌跡とほぼ平行であることを特徴とする摺動部品。
【請求項５】
請求項１記載の摺動部品において、
前記摺動部品の少なくとも一方が鋳鉄であることを特徴とする摺動部品。
【請求項６】
請求項１記載の摺動部品において、
前記摺動部品を圧縮機の一部に搭載したことを特徴とする摺動部品。
【請求項７】
少なくとも一方に摺動面を備えた摺動部品の製造方法であって、
該摺動部品の摺動面を切削する負のすくい角を有した刃先を、工具本体に回転中心より離れた円周上に複数個配置し、
前記摺動部品の摺動面を該工具本体で切削加工する切削加工工程と、
前記工具本体により前記摺動面を断続的に加熱及び冷却する工程と、
を備えたことを特徴とする摺動部品の製造方法。
【請求項８】
請求項７記載の摺動部品の製造方法において、
前記工具本体に取り付けている刃先の負のすくい角は、−４０°〜−８５°の範囲であることを特徴とする摺動部品の製造方法。
【請求項９】
請求項７記載の摺動部品の製造方法において、
前記摺動部品の摺動面を断続的に加熱及び冷却する工程は、
前記負のすくい角を有した刃先を取り付けている工具本体を切削する回転方向とは逆方向に回転して、前記摺動面を断続的に加熱及び冷却することを特徴とする摺動部品の製造方法。
【請求項１０】
請求項７記載の摺動部品の製造方法において、
前記摺動部品の摺動面に形成する硬化層は、平面、円筒形状の内側表面、円筒形状の外側表面、又は円柱状の外側表面に形成することを特徴とする摺動部品の製造方法。
【請求項１１】
請求項９記載の摺動部品の製造方法において、
前記負のすくい角を有した刃先を取り付けている工具本体を切削する回転方向とは逆方向に回転して、前記摺動面に該刃先を接触させ断続的に摩擦熱により加熱するとき、加熱温度は摺動部品の変態温度以上とすることを特徴とする摺動部品の製造方法。
【請求項１２】
請求項９記載の摺動部品の製造方法において、
前記負のすくい角を有した刃先を取り付けている工具本体を切削する回転方向とは逆方向に回転して、前記摺動面に該刃先が接触しないとき冷却し、冷却温度は摺動部品の変態温度未満とすることを特徴とする摺動部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高負荷を受けて摺動する摺動部品およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
潤滑油等を介して対面して摺動する摺動部品において、高負荷や潤滑油の劣化等によって生じる摺動部品同士の接触による摩耗に対して耐摩耗性の向上が求められている。摺動部品には鉄や鉄鋼等の金属材料が用いられ、これらの金属材料の表面硬さを増加させて耐摩耗性を向上させるために、加工時の摩擦熱や材料表面の攪拌を行う表面硬化処理技術として、特許文献１（国際公開番号ＷＯ２００７／１０２２８０号公報）がある。この特許文献1には円柱状の加圧工具を高速で回転させながらその底面を被硬化処理材表面に若干押込むように所定の圧力で押圧することにより加圧工具と被硬化処理材との間に局部的な摩擦熱を発生させることと、摩擦熱を受けた部分の被硬化処理材に変態を起こさせることと、摩擦熱によって加圧工具付近に位置する被硬化処理材の表面が軟化し始めたとき、加圧工具を移動させることの各ステップを含むと記載されている。
【０００３】
また、加工時の残留応力を付与して高い疲労強度と耐応力腐食割れ性を得るための切削工具として、特許文献２（特許第４５００９９４号公報）がある。この特許文献２には外周方向に回転する柱状部材であって柱状部材の先端部分のうち、その回転中心から所定距離だけ離れた外周部分に位置する凸状の押圧部と、押圧部よりも突出していない被切削材を切削する切削刃とを備え、押圧部材を柱状部材の先端に向けて付勢する、貫通穴に配置された弾性部材を備えたことを特徴とする切削工具が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開番号ＷＯ２００７／１０２２８０号公報
【特許文献２】特許第４５００９９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の表面処理方法にて鉄等の金属材料を処理した場合、摩擦と攪拌により被硬化処理材の表面硬度の増加は可能であるが、攪拌された被硬化処理材表面に大きな凹凸を生じる。摺動部品の摺動面に用いるには、凹凸の除去等の仕上げ加工が必要となるため、別の作業工程が必要となる。
また、特許文献２の切削工具を用いて、鉄等の金属材料を加工した場合、高効率な切削と応力付与により高い疲労強度と耐応力腐食割れ性が得られるが、切削と押圧部とを一体にした工具であり切削と押圧を良質するために加工条件の制約があり、また、押圧部の支持部の弾性体により負荷荷重が緩和されて、被硬化処理材の変態を生じるまで昇温させるのが難しい。
【０００６】
本発明の目的は、高負荷や潤滑油の劣化等によって生じる摺動部品同士の接触による摩耗の抑制に効果的な硬化層を表面に備え、優れた耐摩耗性を有する摺動部品と、簡便でかつ高効率な摺動部品の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、少なくとも一方に摺動面を備えた摺動部品であって、該摺動部品の摺動面の組織粒界が一方向に傾き、該摺動面の組織粒界が一方向に傾いた層の表面の硬さが、その下の内部の層に比べて大きいことを特徴とする。
また、上記の摺動部品において、前記摺動部品の摺動面近傍の表層部の組織粒界が一方向に傾いた層の表面の算術平均粗さＲａが０．５μｍ以下であることを特徴とする。
また、上記の摺動部品において、前記摺動部品の摺動面近傍の表層部の組織粒界が一方向に傾いた層の厚みは、少なくとも１０μｍ以上であることを特徴とする。
また、上記の摺動部品において、前記摺動部品の摺動面の断面は、組織粒界が一方向に傾いた層形成時の工具の刃先の軌跡とほぼ平行であることを特徴とする。
また、上記の摺動部品において、前記摺動部品の少なくとも一方が鋳鉄であることを特徴とする。
また、上記の摺動部品において、前記摺動部品を油圧機器の一部に搭載したことを特徴とする。
【０００８】
さらに、少なくとも一方に摺動面を備えた摺動部品の製造方法であって、該摺動部品の摺動面を切削する負のすくい角を有した刃先を、工具本体の回転中心より離れた円周上に複数個配置し、前記摺動部品の摺動面を該工具本体で切削加工する切削加工工程と、前記工具本体により前記摺動面を断続的に加熱及び冷却する工程とを備えたことを特徴とする。
また、上記の摺動部品の製造方法において、前記工具本体に取り付けている刃先の負のすくい角は、−４０°〜−８５°の範囲であることを特徴とする。
また、上記の摺動部品の製造方法において、前記摺動部品の摺動面を断続的に加熱及び冷却する工程は、前記負のすくい角を有した刃先を取り付けている工具本体を切削する回転方向とは逆方向に回転して、前記摺動面を断続的に加熱及び冷却することを特徴とする。
【０００９】
また、上記の摺動部品の製造方法において、前記摺動部品の摺動面に形成する硬化層は、平面、円筒形状の内側表面、円筒形状の外側表面、又は円柱状の外側表面に形成することを特徴とする。
また、上記の摺動部品の製造方法において、前記負のすくい角を有した刃先を取り付けている工具本体を切削する回転方向とは逆方向に回転して、前記摺動面に該刃先を接触させ断続的に摩擦熱により加熱するとき、加熱温度は摺動部品の変態温度以上とすることを特徴とする。
また、上記の摺動部品の製造方法において、前記負のすくい角を有した刃先を取り付けている工具本体を切削する回転方向とは逆方向に回転して、前記摺動面に該刃先が接触しないとき冷却し、冷却温度は摺動部品の変態温度未満とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、摺動する機械部品において、摺動面の表面が硬化されているため過負荷時や始動時の摺動部品同士の接触による摩耗抑制ができ、また、切削工具を用いて表面硬化を行なうため、簡便な方式で高効率に耐摩耗性の高い摺動部品の製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の摺動部品の構造を示す断面の模式図である。
【図２】本発明の摺動部品の断面写真を示す。
【図３】本発明の摺動部品の表面粗さの測定結果を示す図である。
【図４】本発明の摺動部品を製造する切削工具の斜視図である。
【図５】図４の切削工具を時計回りで回転させた際の刃先近傍Ａの拡大図、及び図４の切削工具を反時計回りＲ２で回転させた際の刃先近傍Ａの拡大図である。
【図６】摺動部品の切削加工工程の概略図、及び表面硬化加工工程の概略図を示す。
【図７】摺動部品の切削加工の斜視図、及び表面硬化加工の斜視図を示す。
【図８】摺動部品の表面硬化加工工程における刃先による摩擦熱と冷却を示すタイムチャートを示す。
【図９】摺動部品の表面硬化加工工程に関わる刃先のすくい角と刃先温度の関係の切削シミュレーションの結果を示す。
【図１０】摺動部品の表面硬化加工工程に関わる切削速度と刃先温度の関係の切削シミュレーションの結果を示す。
【図１１】摺動部品の切削加工工程で得られた摺動部品の断面写真を示す。
【図１２】摺動部品の切削加工工程で得られた摺動部品の加工面と表面硬化加工工程で得られた摺動部品の加工面の超微小硬さの測定結果を示す。
【図１３】摺動部品の切削加工工程で得られた加工面と表面硬化加工工程で得られた加工面の摺動試験による摩耗深さの測定結果を示す。
【図１４】本発明の摺動部品を製造する別の切削工具を示す。
【図１５】本発明の円筒形状の摺動部品の切削加工工程と表面硬化加工工程を示す断面図、同工程の平面図、及び刃先近傍を拡大した平面図を示す。
【図１６】本発明の摺動部品を構成部材として有する油圧機器の構成例を表す断面図である。
【図１７】本発明の摺動部品が摺動する様子を示す断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
（実施例１）
図１に本発明の摺動部品の断面の模式図を示す。
図１において、１は摺動部品、３は摺動部材、４は摺動面、５は硬化層である。
この硬化層５を有する摺動部品１は、鉄鋼材や鋳鉄材を用いることができ、炭素含有量が多く、変態温度が鉄鋼材に比べて低い（約７２７℃）鋳鉄が硬化層５を形成し易いため好適である。
【００１３】
また、図１において、硬化層５の断面の組織粒界（破線）は一方向に傾き、特に表面近傍の傾きが大きい形態となる。硬化層５は加工時に塑性流動だけでなく、変態温度以上の加熱と変態温度未満の冷却により硬さが増加しており、硬化層５の下部の内在部や、硬化層５のない一般的な切削加工面では得られない硬さとなる。例えば摺動部品としての球状黒鉛鋳鉄では、一般的な切削加工面に比べて表面の硬さが１．２倍以上となる。具体的な例としては、摺動部品に球状黒鉛鋳鉄のＦＣＤ６００を用いた場合、超微小硬度計（フィッシャースコープＨＭ２０００（フィッシャー・インストルメンツ社の登録商標））による押込み深さ１μｍにおけるマステンス硬さＨＭが、切削加工面では約４０００Ｎ／ｍｍ２に対して、硬化層５の表面は約５０００Ｎ／ｍｍ２と約１．２５倍となる。
【００１４】
図２は本発明の摺動部品の断面写真を示す。
図２において、３は摺動部材、５は硬化層、４は摺動面であり、摺動部材３は球状黒鉛鋳鉄である。硬化層５の形成時の加工方向と平行方向に摺動面４を切断し、表面を研磨した後、ナイタール（アルコール９９％、硝酸：１％）によりエッチングしたものである。
図２では、摺動部材３の表面には一方向（写真の右方向）に組織粒界が傾き、特に表面近傍の傾きが大きい硬化層５が形成されている。摩耗を抑制するための硬化層５の厚さとしては、稼動時の摩耗により除去されない以上の厚さが必要であり、少なくとも１０μｍ以上が好ましい。この硬化層５により摺動部材３の摺動面の表面硬度が増加しているため、摺動面の摩耗を抑制することができる。
【００１５】
図３は本発明の摺動部品の表面粗さの測定結果を示す図である。
図３は、図２の摺動部品の摺動面の表面粗さの測定結果であり、精密切削加工と同程度の表面粗さである算術平均粗さＲａ：０．２６μｍを得ている。表面凹凸除去等の仕上げ加工を行なわずに摺動部品として使用することが可能である。
以上が本発明の摺動部品についての説明である。
【００１６】
次に、本発明の摺動部品を製造する製造方法について説明する。
（実施例２）
図４は、摺動部品１の表面に硬化層５を形成する方式として、摺動部品１に鋳鉄等の材料を用いて、一般的な切削加工の後、回転中心から離れた外周部分に負のすくい角からなる刃先を有する工具を用いて、摺動部材３の表面を塑性流動させながら、工具刃先の摩擦熱が摺動部材３の変態温度以上となるように断続的に加熱した後で、工具通過後に変態温度未満まで冷却して表面を硬化する方法の切削工具の斜視図を示す。
【００１７】
本実施例２では、摺動面の表面が一方向に流動した硬化層が備えられた摺動部品の製造方法において、切削工具を用いて摺動部品の表面を加工した後、その工具を逆回転して塑性流動と摩擦熱による加熱と冷却により硬化層を形成する摺動部品の製造方法の例を説明する。
【００１８】
図４は、本発明の第二の実施形態に関わる切削工具の斜視図である。
図４において、１０は工具本体、１１は回転中心、１２は刃先である。刃先１２は回転中心１１から距離a離れた工具本体１０の端面に円周上に均等に複数備えられている。刃先１２は工具本体１０に取り付ける機構を備えており（不図示）、交換が可能である。また、刃先１２には切削加工におけるすくい面やすくい角、逃げ面や逃げ角等が異なるものを用いることができる。工具本体１０は汎用の切削装置（不図示）に着脱自在に固定することが可能であり、切削装置の主軸により回転され刃先１２を被削材に接触させて加工する。また、切削装置の主軸により上から見て時計回りＲ１および反時計回りＲ２に回転を制御可能である。刃先１２は被削材の変態温度以上にとなる加工中の摩擦熱に耐えられるものが必要であり、タングステンカーバイトやセラミックス等を用いることができる。また、表面にチタンカーナイトライド（ＴｉＮ）やアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等をコーティングしたものを用いてもよい。
【００１９】
図５は、本発明の第二の実施形態に関わる切削工具の刃先近傍の拡大図であり、図５(ａ)は図４において時計回りＲ１で回転させた際の刃先近傍Ａの拡大図、図５（ｂ）は図４において反時計回りＲ２で回転させた際の刃先近傍Ａの拡大図である。
図５（ａ）において、１３は第一平面、１４は第一平面角度、１５は第二平面である。工具本体を時計回りＲ１で回転させた場合、第一平面が切削加工におけるすくい面となり、第一平面角度１４はすくい角度、第二平面は逃げ面として作用する。第一平面角度１４は時計回りＲ１に対して逆方向に傾斜し、刃先進行と逆向き方向の傾斜を一般的に正方向（＋）ととる。第一平面角度１４が正のすくい角度であるため、すくい面となる第一平面１３に沿って被削材の切り屑が生成されて、通常の切削加工が行なわれる。
【００２０】
図５（ｂ）において、１６は第二平面角度である。工具本体を時計回りＲ２で回転させた場合、第二平面１５が切削加工におけるすくい面となり、第二平面角度１６がすくい角度となる。第二平面角度１６は反時計回りＲ２に対して同方向に傾斜し、工具進行方向と同じ方向であるため負（−）のすくい角度となる。このため、第二平面１５により被削材表面には荷重が付加されながら工具の回転方向に引き摺られて表面に塑性流動を生じさせ、かつ切り屑の生成が抑制されるため、より高い摩擦熱を発生させることができる。
【００２１】
図６は、本発明の第二の実施形態に関わる摺動部品の製造工程を説明するための工程図であり、図６（ａ）は摺動部品の切削加工工程の概略図であり、図６（ｂ）は表面硬化加工工程の概略図である。図６（ａ）および図６（ｂ）の刃先１２は円周上に配置されているため、側面図では見え方が異なるが簡略化して同じ形状で図示している。
【００２２】
図６（ａ）において、１７は摺動部材である。工具本体１０を時計回りＲ１で回転させて刃先１２の第一平面１３をすくい面として作用させて、摺動部材１７の表面に刃先１２を接触させて送り速度Ｆ１にて切削加工する。加工中は油性切削油や水溶性切削油等の切削材を加工部に供給しながら（不図示）行なってもよい。
【００２３】
図６（ｂ)において、１８は硬化層である。工具本体１０を反時計回りＲ２で回転させて刃先１２の第二平面１５をすくい面として作用させて、送り速度Ｆ２で摺動部材１７の表面を加工して硬化層１８を形成する。刃先１２は回転中心１１から距離ａ離れて工具本体１０に備えられているため、反時計回りＲ２の回転数により大きな切削速度を付与することができ、また、第二平面１５は負のすくい角となるため、切り屑の生成が抑制されて被削材の表面で高い摩擦熱を得ることができる。回転数と距離ａに基づく切削速度と、刃先の切り込み量と、第二平面１５の角度により、摩擦熱の制御が可能であり、摺動部材１７の変態温度以上まで刃先先端の温度を上昇させることができる。ただし、発熱が高すぎると被削材である摺動部材１７表面の溶融が起こって加工面の表面粗さが大きくなり、また刃先１２の摩耗も大きくなりやすいため、変態温度から少し上昇させる程度が好ましい。
【００２４】
例えば変態温度から１００℃程度までの温度上昇に抑えた加工条件および刃先形状に設定するのが好適である。刃先１２は、分割して工具本体に備えられているため、被削材の表面は断続的に加熱される（なお、断続的な加熱とは、加熱と加熱のない２つのサイクルを繰り返すことを示す）。そのため加工条件により高精度に加熱制御が可能である。また、摺動部材１７の表面が変態温度以上に上昇した後、工具通過後は急冷されるため、通常の焼入れと同様の効果が得られ、塑性流動と焼入れの効果による硬化層１８が形成される。加工中に摺動部材の変態温度以上まで上昇できれば、加工中には油性切削油や水溶性切削油等の切削材を加工部に供給しながら（不図示）行なってもよい。また、図６（ｂ）で送り速度Ｆ２の方向を図６(ａ)の送り速度Ｆ1の方向と逆向きに図示しているが、送り速度Ｆ１と送り速度Ｆ２は同じ方向でも構わない。また、ここでは切削加工と硬化層形成を一つの工具で回転を逆方向にして行なったが、切削加工と硬化層形成を別々の工具で行なってもよいし、その場合、硬化層形成工具を負のすくい角となるように作用できれば、切削加工と硬化層形成は同じ回転方向としてもよい。
【００２５】
図７において、図７（ａ）は工具本体１０の下側に刃先１２を中心線より距離ａ離れた位置に複数個円周上に配置し、時計方向に工具本体１０を回転し摺動部品を切削している図を示し、図７（ｂ）は切削加工した摺動部品の工具本体１０を反時計方向に回転させ、摺動部品に硬化層を形成している図を示す。
図７（ａ）において、工具本体１０に設置した刃先１２はすくい角度が＋になるようにとり、上から見たとき時計方向に工具本体１０を回転すると切削加工が実施され、工具本体１０を直線移動するため、図７（ａ）のように切削痕を僅か残しながら加工していく。
また、図７（ａ）には、摺動部品の部分断面を示しているが、切削加工による摺動部品の内部には変化は生じない。
【００２６】
次に、図７（ｂ）において、摺動部品の表面を切削加工した後、工具本体１０を反時計方向に回転し、刃先１２はすくい角度が−となるため摺動面表面には、荷重が付加されて工具の回転方向に引き摺られて塑性流動が生じ、かつ切り屑の生成が抑制され、より高い摩擦熱を発生する。また、刃先１２が設置されていない箇所は摩擦熱は発生せず、冷却される。すなわち、刃先の摩擦熱により摺動部材の変態温度以上まで温度上昇して塑性流動し、刃先が通過した後は急冷し焼き入れの効果を得、硬化層を形成する。
従って、図７（ｂ）には摺動部品に部分的な断面図を示しているが、摩擦熱及び急冷によって摺動部品の表面に硬化層が形成される。
【００２７】
図８は、摺動部品を切削加工した後、工具本体１０を反時計回りに回転した場合の摺動部材表面の温度のタイムチャートを示す。
図８において、横軸は時間、縦軸は温度を取ると、５０は刃先１２が摺動部材の表面に接触し摩擦熱を生じている部分で、温度は変態温度以上の値となる。また、５１は刃先と刃先の間で、冷却（急冷）している部分を示している。
上記の図８のように、摺動部品は切削工具により切削加工を施した後、工具本体１０を反時計回りに回転し、摺動部品の表面を変態温度以上に上昇し、さらに急冷し、この動作を回転により繰り返すことで硬化層を形成する。
【００２８】
次に、工具本体１０に設置、固定している刃先の特性について説明する。
先ず、図９は本発明の第二の実施形態の表面硬化加工工程に関わる刃先のすくい角と刃先温度の関係の切削シミュレーションの結果を示す。解析は切削シミュレーションソフト（ＡｄｖａｎｔＥｄｇｅＦＥＭ（ＴＨＩＲＤ  ＷＡＶＥ  ＳＹＳＴＥＭの登録商標））を用いて行なっている。
【００２９】
工具形状および加工条件は、すくい面長さ２ｍｍ、逃げ面長さ２ｍｍ、逃げ角５°、刃先丸み０．２ｍｍ、切削速度１０００ｍ／ｍｉｎ、切り込み深さ０．１ｍｍ、切削液供給無しであり、すくい角＋５°〜−８５°の範囲で刃先温度を求めた。
【００３０】
図９からすくい角がマイナス方向に大きくなるほど刃先温度が上昇されることが分かる。炭素濃度が２〜４．５％の鋳鉄の変態温度は約７２７℃（図中破線）であり、切削速度１０００ｍ／ｍｉｎで、切り込み深さ０．１ｍｍの場合、すくい角が−４０°以下で、刃先温度は鋳鉄の変態温度を超えることが推定できる。
【００３１】
次に、図１０は本発明の第二の実施形態の表面硬化加工工程に関わる刃先の切削速度と刃先温度の関係の切削シミュレーションの結果を示す。図９と同じ切削シミュレーションソフトを用いて解析を行なっている。
【００３２】
工具形状および加工条件は、すくい面長さ２ｍｍ、逃げ面長さ２ｍｍ、すくい角−４５°、刃先丸み０．２ｍｍ、切り込み深さ０．１ｍｍ、切削液供給無しであり、切削速度１００〜２０００ｍ／ｍｉｎの範囲で刃先温度を求めた。
【００３３】
図１０から切削速度が大きくなるほど刃先温度が上昇されることが分かる。炭素濃度が２〜４．５％の鋳鉄の変態温度は約７２７℃（図中破線）であり、すくい角は−４５°で、切り込み深さ０．１ｍｍの場合、切削速度が１０００ｍ／ｍｉｎ以上で刃先温度は鋳鉄の変態温度を超えることが推定できる。
【００３４】
なお、この結果は刃先が１つの場合であり、工具に複数の刃先を備える場合には、刃先通過後に加工面の温度が低下する時間が短くなって加工面に熱の蓄積されるため、同じ切削速度では、刃先温度が高くなる。
【００３５】
例えば、外径Φ１００ｍｍの工具にすくい角−８０°で１０ｍｍ×１０ｍｍ×５ｍｍｔの刃先を取り付け、この工具にて切り込み深さ０．１ｍｍで加工した場合、加工面と刃先の円周方向の接触幅は約１ｍｍ程度となる。刃先の軌跡の平均直径は約Φ９５ｍｍであり、この工具に刃先が１つの場合には、１回転当たりに工具が加工面に接触する割合は、約１：３００となる。すなわち、工具１回転当たりに加熱に作用する時間を１とした場合、加熱しない時間は約３００となる。これをオン／オフ比とすると、この場合には１／３００と表せる。刃先が複数となってこの比が大きくなると、同じ切削速度での場合に加熱温度が高温になるが、この比が１０／３００程度までは、加熱に作用しない割合の方が多くなるため、刃先が１つの場合に対して切削速度を大幅に変更するは必要がない。
この比が２０/３００程度では、刃先が１つの場合に対して切削速度を８割程度に設定すればよい。なお、表面全面が接触する工具では、常時加熱されて高温となり被削材である摺動部材表面の溶融し被削材の流動が大きくなり加工面の表面粗さが大きくなる。このため、オン／オフ比は大きくても３０／３００より小さいのが好ましい。
【００３６】
図１１は本発明の第二の実施形態の切削加工工程で得られた摺動部品の断面写真である。
図１１において、１９は摺動部材、２０は加工面である。図１１は、すくい角＋８°、逃げ角７°、大きさ約１０ｍｍ×約１０ｍｍ×約５ｍｍｔのチップ状の刃先を、外径Φ１００ｍｍの切削工具に８個取り付け、回転数３１８３ｍｉｎ−１（切削速度１０００ｍ／ｍｉｎ）、切り込み深さ０．１０ｍｍ、送り速度１２７２ｍｍ／ｍｉｎの条件で、球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ６００（パーライト率約８０％））製の摺動部材を加工したものである。断面状態は、加工面２０から深さ方向に一様であり組織粒界が傾いた層は観察されない。
【００３７】
図２は本発明の第二の実施形態の表面硬化加工工程で得られた摺動部品の断面写真である。図２は、図１０で用いた工具で、逆回転させることで、刃先のすくい角を−８３°として、回転数３１８３ｍｉｎ−１（切削速度１０００ｍ／ｍｉｎ）、切り込み深さ０．１０ｍｍ、送り速度１２７２ｍｍ／ｍｉｎの条件で、球状黒鉛鋳鉄（ＦＣＤ６００（パーライト率約８０％））製の摺動部材を加工したものである。なお、前加工面は、図９の切削加工工程と同じ条件で加工した面である。摺動部材７の表面には一方向（写真の右方向）に流動している硬化層８が約２０μｍの厚さで形成されている。なお、図９と図２は、いずれも摺動面の加工方向と平行する方向に切断した断面であり、表面を研磨した後、ナイタール（アルコール９９％、硝酸：１％）によりエッチングしたものである。
【００３８】
図３は本発明の摺動部品の表面粗さ測定結果の例である。図２と同じ条件で加工したものであり、算術平均粗さＲａ：０．２６μｍと精密切削加工と同程度の表面粗さが得られている。表面凹凸除去等の仕上げ加工無しで摺動部品として使用することが可能である。
【００３９】
図１２は本発明の第一の実施形態の切削加工工程で得られた摺動部品の加工面と表面硬化加工工程で得られた摺動部品の加工面の超微小硬さの測定結果を示す。
【００４０】
超微小硬さは超微小硬度計（フィッシャースコープＨＭ２０００（フィッシャー・インストルメンツ））を用い、マステンス硬さＨＭを測定した。測定はビッカース圧子を用い、１０００ｍＮまで３０ステップで荷重を増加させた。図１２は押込み深さ１μｍのマルテンス硬さである。切削加工工程後の加工面に比べて表面硬化加工後の加工面の表面硬さが約１．３倍程度に増加している。なお、摺動部品の内部のマルテンス硬さは、切削加工工程後の加工面と同等以下であった。
【００４１】
図１３は本発明の第二の実施形態の切削加工工程で得られた加工面と表面硬化加工工程で得られた加工面の摺動試験による摩耗深さの測定結果を示す。
摺動試験は、往復動型（ＳＲＶ（オプチモール））摩擦摩耗試験機を用い、以下に示す試験条件で行なった。
・ディスク試験片：球状黒鉛鋳鉄（２４ｍｍ径×７ｍｍ）
・シリンダー試験片：ＳＵＪ２（１５ｍｍ径×２２ｍｍ）
・温度 ：５０℃
・荷重 １０００Ｎ(４００ＭＰａ)
・振幅 ：３ｍｍ
・振動数 ：１０Ｈｚ
・予備摺動時間 ：５分間（５０Ｎ）
・摺動時間：６０分間
摩耗深さは、触針式表面形状測定機を用いて摺動痕の３箇所において摺動方向と同じ向きで測定し、測定結果の両側０．５ｍｍを除いたデータから平均値を求めて平均摩耗深さとしている。図１３から切削加工の加工面に比べて表面硬化加工の加工面の平均摩耗深さは約１／３程度まで減少しており、耐摩耗性が向上されていることが分かる。また、レーザ加熱により表面硬化させた同質のディスク試験片の摩耗深さと表面硬化加工の加工面の摩耗深さが、ほぼ同等であることも確認している。
【００４２】
また、ここでは摺動部品として球状黒鉛鋳鉄のＦＣＤ６００（パーライト率約８０％)を用いた結果を示したが、パーライト率約３５％のＦＣＤ４５０においても同様の効果が得られることも確認している。
【００４３】
以上、発明の実施形態に述べてきた例のように、本発明によれば回転中心から離れた刃先を有する切削工具を用いて切削加工を行なった後、同じ工具を逆回転させて逃げ面を負のすくい角のすくい面として作用させ、かつ高い切削速度で、すくい面の角度を制御することで、切削加工と同じ工具を用いて塑性流動と変態温度以上の加熱と変態温度以下までの急冷を行い表面を硬化させ、かつ表面粗さの小さい摺動面が得られるため、改質用の専用工具や別工程での仕上げ加工が不要となり、より簡便で、効率的な製造方法により耐摩耗性の高い摺動面を製造することが可能となる。
【００４４】
（実施例３）
次に、第２の実施の形態とは異なる、摺動部品に硬化層を形成する製造方法について説明する。
図１４は、本発明の摺動部品に硬化層を生成する第３の実施形態について説明する図を示し、図１４の構成は、図４の構成に新たに外側に刃先６０を設置し、かつ、外側の刃先６０は内側の刃先１２を反対方向に向けた状態で設置し、円周上の刃先の位置を二重に構成している。
すなわち、工具本体１０の下側の刃先取付部７０の内側の刃先１２は、すくい角が＋となるように構成し、外側の刃先６０はすくい角度が−となるように構成し、それぞれ円周上に複数個配置する。
このような構成において、工具本体１０を時計回りＲ１０に回転させ、直線的に移動すると、先ず、外側の刃先６０が摺動部材の表面に摩擦熱で温度を上昇させ、刃先６０が通過した後は急冷するため硬化層が形成される。その後、内側の刃先１２が回転しながら硬化層を切削加工する。そして、切削加工した摺動部材の表面に、再度外側に設置した刃先６０により摩擦熱と急冷を繰り返して硬化層を形成する。
図１４の構成は、工具本体１０の下側の刃先取付部７０を二重にして、内側に切削加工する刃先１２を円周上に複数個設置し、外側に表面硬化加工する刃先１２を逆向きに配置し、摩擦熱と急冷を交互に繰り返すために円周上に複数個設置した構成としているため、工具本体１０を内側の刃先１２が切削加工する方向に回転すれば、摺動部材の表面を切削加工しながら硬化層を形成していくことができる。
【００４５】
（実施例４）
次に、実施例２，３においては平板状の摺動部品の表面に硬化層を形成する製造方法について説明したが、円筒形状の摺動部品の内側に硬化層を形成する方法について説明する。
本実施例４では、摺動面の表面が一方向に流動した硬化層が備えられた円筒形状の摺動部品の製造方法において、回転中心から離れた外周部分に刃先を有する切削工具を用いて摺動部品の表面を加工した後、その工具を逆回転して塑性流動と摩擦熱による加熱と冷却により硬化層を形成する摺動部品の製造方法を説明する。
【００４６】
図１５は、本発明の第三の実施形態に関わる円筒形状の摺動部品の製造工程を説明するための工程図であり、図１５（ａ）は、本発明の第三の実施形態に関わる円筒形状の摺動部品の切削加工工程と表面硬化加工工程を示す断面図であり、図１５（ｂ）は同工程の平面図であり、図１５（ｃ）刃先近傍を拡大した平面図である。
【００４７】
図１５（ａ）において、２１は摺動部材、２２は硬化層、２３は工具本体、２４は刃先、２５は回転中心である。刃先２４は回転中心２５から距離ａ’離れた工具本体２３の外周部に均等に複数備えられている。工具本体２３には刃先２４を取り付ける機構を備えており（不図示）、交換が可能である。また、刃先２４には切削加工におけるすくい面やすくい角、逃げ面や逃げ角等が異なるものを用いることができる。工具本体２３は汎用の切削装置（不図示）に着脱自在に固定することが可能であり、切削装置の主軸により回転され刃先２４を被削材である摺動部材２１に接触させて加工する。また、切削装置の主軸により時計回りＲ１’および反時計回りＲ２’に回転を制御可能である。刃先２４は加工中の摩擦熱に耐えられるものが好ましく、図４で示した刃先１２と同様のものを用いることができる。
【００４８】
図１５（ｂ）は図１５（ａ）の破線Ｂ−Ｂ’の矢印で示す断面図であり、図１５（ｃ）は図１５（ｂ）の刃先近傍の拡大図である。図１５（ｃ）において、２６は第三平面、２７は第三平面角度、２８は第四平面、２９は第四平面角度である。時計回りＲ１’では、第三平面２７は正のすくい角となり、第三平面２６はすくい面として作用して切削加工され、反時計回りＲ２’では、第四平面角度２９は負のすくい角となり、第四平面２８がすくい面として作用して、回転数（切削速度）とすくい角の制御により、表面を塑性流動しかつ摩擦熱により変態温度以上に加熱した後、刃先通過後は加工部が変態温度以下に急冷されて表面硬化層２２が得られる。
【００４９】
なお、円筒内面の加工においては、切削加工後に刃先を切り込み深さ分だけ工具本体から突き出す必要がある。工具本体に突き出し量の調整機構が備えられているものが好ましい。また、円筒加工の場合は、切削加工と表面硬化加工用の工具を別々に備えることで、加工時間の短縮化を図ることが可能となる。
【００５０】
以上、発明の実施形態に述べてきたように、本発明によれば回転中心から離れた工具外周に刃先を有する切削工具を用いて円筒形状の切削加工を行なった後、工具からの突き出し量を調整して、同じ工具を逆回転させて逃げ面を負のすくい角のすくい面として作用させ、かつ高い切削速度で、すくい面の角度を制御することで、切削加工と同じ工具を用いて塑性流動と変態温度以上の加熱と変態温度以下までの急冷を行い表面を硬化させ、かつ表面粗さの小さい摺動面を得ることができ、改質用の専用工具や別工程での仕上げ加工が不要となり、より簡便で、効率的な製造方法により耐摩耗性の高い摺動面を製造することが可能となる。
【００５１】
また、図１５は円筒形状の内側表面に硬化層を形成する場合について説明しているが、円筒形状の外側表面や円柱状の外側表面にも硬化層を形成することも可能である。
その構成は、図示していないが、円筒形状や円柱状の直径よりも内径が大きい円筒形状の内周に刃先を取り付けた工具本体の中に、硬化層を形成する円筒形状や円柱状のものを挿入し、工具本体を回転し軸方向に移動することで、円筒形状の外側表面や円柱状の外側表面に硬化層を形成する。
【００５２】
工具本体の円筒形の内周に取り付けられた刃先は、図４に示す刃先が円筒形の取付部の外周に取り付けられた状態となり、工具本体が時計方向に回転すると切削加工となり、反時計方向に回転すると円筒形状や円柱状の外側表面が加熱及び冷却され、硬化層を形成する。
【００５３】
次に、本発明の摺動部品を適用した製品について説明する。
本発明の摺動部品は、例えば油圧ポンプや油圧モータ等に代表される油圧機器等に適用可能で、図１６に摺動部品を構成部材として有する油圧機器の断面図を示す。
図１６において、ポンプケーシング３３は本体ケーシング３３ａとフロントケーシング３３ｂとから構成され、本体ケーシング３３ａはフロントケーシング３３ｂに接合して固定されている。シリンダブロック３４の中心を貫通して連結した回転軸３５が設けられ、回転軸３５は本体ケーシング３３ａおよびフロントケーシング３３ｂに、それぞれ軸受け３６、３７により回転自在に支持されている。また、回転軸３５にはカップリング部材３８が連結されており、このカップリング部材３８には、エンジンの出力軸等が連結される。
【００５４】
斜板３９は本体ケーシング３３ａに設けた傾転角制御部材４０によって、回転軸３５に対する斜板３９の傾斜角度を制御することにより、油圧ポンプの塗出容量が決定される。斜板３９には所定数のシュー４１が装着されており、これら各シュー４１には球面継手を介してそれぞれピストン４２が連結している。ピストン４２はシリンダブロック３４に形成されたシリンダ穴４３に往復稼動できるように挿入されている。シリンダブロック３４には奇数個の例えば５個や７個のシリンダ穴４３が設けられており、各シリンダ穴４３にそれぞれピストン４２が挿入されている。４９はシュー４１の斜面に対向する面を表わす。
【００５５】
シリンダブロック３４と本体ケーシング３３ａとの間には弁板４４が介装されている。弁板４４には、本体ケーシング３３ａに設けた吸い込み流路４５および吐出流路４６に連通する吸い込みポート４７と吐出ポート４８とが設けられている。
【００５６】
駆動手段（不図示）により回転軸３５を回転駆動すると、この回転軸３５に連結したシリンダブロック３４が回転駆動される。シリンダブロック３４が回転することにより、各シリンダ穴４３に挿入したピストン４２が回転軸３５の軸回りに回転駆動されることになり、この時にピストン４２に連結したシュー４１が斜板３９の表面上を摺動する。ここで、斜板３９が回転軸３５に対して傾斜していると、この傾斜角に応じてピストン４２がシリンダ穴４３内で上下運動して、油の吸い込みと吐出が繰り返されてポンプとして作用する。
【００５７】
本体ケーシング３３ａが鋳鉄材からなり、傾転角制御部材４０が挿入されている本体ケーシング３３ａの挿入穴の内面が摺動面である。ここに本発明の実施形態に基づいて硬化層を形成することで、長期安定性を有する油圧ポンプを提供することができる。
【００５８】
次に、図１６における油圧ポンプに適用した摺動部品と別の摺動部品と摺動する状態について図１７を用いて説明する。
【００５９】
また、図１７において、１は硬化層を有する摺動部品、２は摺動部品１に対向する別の摺動部品１００の摺動面、３は硬化層を有する摺動部品１の摺動部材、４は摺動部品１の摺動面、５は摺動部品１の硬化層、６は潤滑油である。
硬化層５を有する摺動部品１には、鉄鋼材や鋳鉄材を用いることができ、炭素含有量が多く、変態温度が鉄鋼材に比べて低い（約７２７℃）鋳鉄の硬化層５が形成しやすいため好適である。
図１７において、摺動部材１００は潤滑油６を介して摺動部品１と矢印のように互いに反対方向に摺動することを繰り返す動作を行い、圧縮などの機能を遂行する。
【００６０】
また、図１７において、硬化層５を摺動部品１に有しているが、対向する摺動部材１００にも硬化層を有する構成にしても良い。
このように、鋳鉄材料などの摺動面に簡単な構成により硬化層を形成でき、摩擦による摺動面の劣化が生じ難く、寿命を向上させることができる。
【符号の説明】
【００６１】
１‥摺動部品                  ２‥摺動部品１に対向する摺動部材の摺動面
３‥摺動部材                  ４‥摺動部品１の摺動面
５‥硬化層                    ６‥潤滑油
７‥摺動部材                  ８‥硬化層
９‥摺動面                  １０‥工具本体
１１‥回転中心              １２‥刃先
１３‥第一平面              １４‥第一平面角度
１５‥第二平面              １６‥第二平面角度
１７‥摺動部材              １８‥硬化層
１９‥摺動部材              ２０‥加工面
２１‥摺動部材              ２２‥硬化層
２３‥工具本体              ２４‥刃先
２５‥回転中心              ２６‥第三平面
２７‥第三平面角度          ２８‥第四平面
２９‥第四平面角度          ３３‥ポンプケーシング
３３ａ‥本体ケーシング    ３３ｂ‥フロントケーシング
３４‥シリンダブロック      ３５‥回転軸
３６‥軸受け                ３７‥軸受け
３８‥カップリング部材      ３９‥斜板
４０‥傾転角制御部          ４１‥シュー
４２‥ピストン              ４３‥シリンダ穴
４４‥弁板                  ４５‥吸い込み流路
４６‥吐出流路              ４７‥吸い込みポート
４８‥吐出ポート            ４９‥シューの斜板に対向する面
５０‥摩擦熱発生時間          ５１‥冷却時間
６０‥刃先                    ７０‥刃先取付部
１００‥摺動部品１に対向する摺動部材
【図１】
2013212568.tif 000003
【図２】
2013212568.tif 000004
【図３】
2013212568.tif 000005
【図４】
2013212568.tif 000006
【図５】
2013212568.tif 000007
【図６】
2013212568.tif 000008
【図７】
2013212568.tif 000009
【図８】
2013212568.tif 000010
【図９】
2013212568.tif 000011
【図１０】
2013212568.tif 000012
【図１１】
2013212568.tif 000013
【図１２】
2013212568.tif 000014
【図１３】
2013212568.tif 000015
【図１４】
2013212568.tif 000016
【図１５】
2013212568.tif 000017
【図１６】
2013212568.tif 000018
【図１７】
2013212568.tif 000019