JP2001234244A - ディーゼルエンジン用摺動部材 - Google Patents

ディーゼルエンジン用摺動部材

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JP2001234244A
JP2001234244A JP2000051950A JP2000051950A JP2001234244A JP 2001234244 A JP2001234244 A JP 2001234244A JP 2000051950 A JP2000051950 A JP 2000051950A JP 2000051950 A JP2000051950 A JP 2000051950A JP 2001234244 A JP2001234244 A JP 2001234244A
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diesel engine
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push rod
area ratio
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Tomoyoshi Uesawa
知義 上澤
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Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】歪みによる変形が少なく、また耐摩耗性に優
れ、不良率を大幅に低減することが可能なディーゼルエ
ンジン用摺動部材を提供する。 【解決手段】摺動部材本体1aの少なくとも摺動部2,
3に高周波焼入れ法によって表面硬化層4,5を形成し
たことを特徴とするディーゼルエンジン用摺動部材1で
ある。また、摺動部2,3の表面硬化層4,5における
マルテンサイト組織の面積率が85%以上、より好まし
くは95%以上であることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はディーゼルエンジン
用摺動部材に係り、特に歪みによる変形が少なく、また
耐摩耗性に優れ、不良数を大幅に低減することが可能な
ディーゼルエンジン用摺動部材に関する。
【0002】
【従来の技術】耐熱性および耐摩耗性に優れた金属材や
セラミックスから成る摺動部材が自動車エンジン用部品
として広く利用されている。図2は、ディーゼルエンジ
ンの要部の構成を模式的に示す断面図である。
【0003】図2に示すディーゼルエンジン10におい
て、エンジンハウジング11は、分割形成されたクラン
クケース12とシリンダブロック13とを接合して形成
される。シリンダブロック13には上方に向ってクラン
クシャフト14と直交する方向に延びる筒状のシリンダ
ー15が一体に形成され、このシリンダ15の上端にシ
リンダヘッド16が設けられる。
【0004】シリンダ15の内側には、シリンダボア1
5aが形成される一方、シリンダヘッド16には、上記
シリンダボア15aに整合する燃焼室17が形成され
る。また、シリンダボア15a内にはピストン18が摺
動自在に挿入されている。このピストン18のピストン
ピン19と、クランクシャフト14のクランクピン20
とはコンロッド21によって連結され、これによりシリ
ンダボア15a内におけるピストン18の往復運動がク
ランクシャフト14の回転運動に変換される。
【0005】シリンダヘッド16内には燃焼室17に繋
がる吸排気ポート22が形成される。また、シリンダヘ
ッド16内には吸排気ポート22を開閉する吸排気バル
ブ23が配置される。一方、クランクシャフト14の側
方にはカムシャフト24がクランクシャフト14と平行
に配置される。また、クランクシャフト14にはタイミ
ングドライブギヤ25が一体的に設けられる一方、カム
シャフト24にはタイミングドリブンギヤ26が一体的
に設けられ、両タイミングギヤ25,26が噛合って連
結されることによりクランクシャフト14の回転力がカ
ムシャフト24に伝達される。
【0006】カムシャフト24上にはカム27が設けら
れ、カムシャフト24が回転することによりカム27の
プロフィールがタペット28を介してプッシュロッド2
9をその軸方向に進退させ、シリンダヘッド16内に設
けられるロッカーアーム30を揺動運動させる。そし
て、このロッカーアーム30の揺動運動によってシリン
ダヘッド16内の吸排気バルブ23が開閉操作される。
【0007】上記プッシュロッド29の上端はロッカー
アーム30に摺接する一方、下端はタペット28の上端
に摺接して往復動する構造であるため、上記プッシュロ
ッド29は耐熱性および耐摩耗性に優れた摺動部材で構
成されている。上記プッシュロッド29などの摺動部材
は、SUJ−2などの軸受鋼やS45Cなどの機械構造
用炭素鋼などの合金素材を所定形状に成形加工した後、
材料固有の強度を高めたり、表面硬度を高めて耐摩耗性
を改善するために成形体全体について高温度の焼入れ処
理を実施して製造されていた。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように鋼材を所定形状に成形加工した後に、全体を焼入
れ処理して製造した従来の摺動部材においては、成形体
全体を焼入れ処理しているため、部材の歪みによる変形
量が大きくなる問題点があった。特にディーゼルエンジ
ン用のプッシュロッドのように長尺な部材では中間のシ
ャフト部分での変形量(曲がり)が大きくなり、エンジ
ンの動弁精度が低下したり、摺動部材自体の曲がりによ
る不良率が大きくなり、部品としての製造歩留りが低下
してしまう問題点があった。
【0009】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたものであり、特に歪みによる変形が少なく、また
耐摩耗性に優れ、不良率を大幅に低減することが可能な
ディーゼルエンジン用摺動部材を提供することを目的と
する。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明者は種々の材料および表面硬化処理方法を使
用して摺動部材を製造し、それらの製造条件の相違が摺
動部材の変形量,耐摩耗性および強度特性に及ぼす影響
を実験により比較検討した。その結果、特に軸受鋼等に
より摺動部材本体を形成し、その摺動部のみに限定し
て、高周波焼入れ法によって表面硬化層を一体に形成し
たときに、変形量が少なく、耐摩耗性および強度特性に
優れた摺動部材が初めて得られるという知見を得た。
【0011】本発明は、上記知見に基づいて完成された
ものである。すなわち、本発明に係るディーゼルエンジ
ン用摺動部材は、摺動部材本体の少なくとも摺動部に、
高周波焼入れ法によって表面硬化層を形成したことを特
徴とする。
【0012】また、摺動部の表面硬化層におけるマルテ
ンサイト組織の面積率が85%以上、好ましくは95%
以上であることを特徴とする。
【0013】さらに、摺動部の表面硬化層における残留
オーステナイト組織の面積率が5〜10%であることが
望ましい。
【0014】また、本発明に係るディーゼルエンジン用
摺動部材が、ロッカーアームを介して吸気バルブおよび
排気バルブを開閉操作するプッシュロッドである場合
に、特に変形量が少なく、歪みによる不良率を低減する
顕著な効果が得られる。
【0015】本発明に係るディーゼルエンジン用摺動部
材を構成する材料としては、特に限定されるものではな
く、素材のままで焼入硬化する鋼が広く用いられる。例
えばSUJ−2,SUJ−3,SCM440などの軸受
鋼,S45Cなどの機械構造用炭素鋼,炭素(C)含有
量が0.3〜0.8%程度の炭素鋼が用いられる。
【0016】本発明では、特に摺動部材本体の摺動部等
に限定して高周波焼入れ処理を実施し、局部的な加熱処
理により表面硬化層を形成することを特徴とする。
【0017】高周波焼入れ処理においては、部材本体の
摺動部となる表面および外周部分に、Cuのコイル(誘
導子)を配置し、このコイルに1kHz〜500kHz
の高周波電流を流すと、鋼材表面層に誘導渦電流が集中
して発生し、表面層のみが極めて短時間(数秒〜数10
秒)に加熱される。そして、焼入れ温度に達した後に、
油冷などの急冷法によって焼入れされた表面硬化層が形
成される。
【0018】なお、誘導電流は周波数が高いほど表面層
に集中し易い。したがって、小型の部材に対して厚さが
薄い表面硬化層を形成する場合には、高い周波数の電流
を用いる方が有利である。
【0019】上記高周波焼入れ処理によれば、一般の焼
入れ法と比較して熱効率が高く、浸炭焼入れや窒化など
の表面硬化法と比較して処理時間が著しく短く、また、
処理温度も800〜900℃程度と低いため、部材本体
に対する熱影響も少なく、歪みによる変形が少ない。
【0020】また、局部加熱が可能であり、表面硬化層
の厚さ(深さ)の制御も容易である。さらに、熱処理に
伴う酸化や脱炭も少なく、特に変形が小さいので、後加
工が容易になり、特に長尺物の変形による不良率を大幅
に低減することができる。
【0021】さらに、電気エネルギを用いるため、熱処
理作業の再現性が高く、品質の確保、生産性の向上と自
動化が容易であり、摺動部材の大量生産や流れ作業に適
しているなどの利点がある。
【0022】表面硬化層の厚さは要求される耐摩耗特性
に応じて適宜調整されるが1〜8mm程度で、できるだ
け内部まで硬化させることが望ましい。上記表面硬化層
の厚さ(深さ)は高周波焼入れ条件(電流周波数,処理
時間)によって制御できる。
【0023】炭素鋼から成る部材本体に上記厚さの表面
硬化層を形成した場合には、HRC55〜65程度の表
面硬さが容易に得られる。この表面硬さは炭素含有量が
約0.7%において最大となり、炭素量がこれ以上にな
ると残留オーステナイト量が増加するため、表面硬さは
却って低下してしまう。
【0024】本発明において、摺動部の表面硬化層にお
けるマルテンサイト組織の面積率は、85%以上にする
ことが好ましい。炭素含有量が高いマルテンサイト組織
は摺動部に高い焼入れ硬さおよび圧縮残留応力を付与
し、摺動部の耐摩耗性および疲労強度を高める作用を発
揮する。このマルテンサイト組織の面積率が85%未満
の場合には、軟質な残留オーステイト組織の割合が相対
的に上昇し、摺動部の耐摩耗性および疲労強度が低下し
てしまう。そのため、マルテンサイト組織の面積率は8
5%以上とされるが、95%以上がより好ましい。
【0025】上記マルテンサイト組織の面積率とも関係
して、本発明において、摺動部の表面硬化層における残
留オーステナイト組織の面積率は5〜10%の範囲に制
御することが好ましい。
【0026】前記の通り、残留オーステナイト組織は軟
質であり、摺動部の耐摩耗性を低下させる原因となるた
め、残留オーステナイト組織の面積率は上記5〜10%
の範囲に調整することが好ましい。
【0027】上記構成に係るディーゼルエンジン用摺動
部材によれば、摺動部材本体全体を熱処理して表面硬化
層を形成しているのではなく、摺動部材本体の摺動部の
みに限定して高周波焼入れ法によって表面硬化層を局部
的に形成しているため、部材本体に対する熱影響が少な
く、歪みによる変形が少なく、摺動部材の不良率を大幅
に低減することができる。
【0028】
【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態について添
付図面を参照して以下の実施例に基づき、具体的に説明
する。図1は本発明に係るディーゼルエンジン用摺動部
材の一実施例を示す部分断面図であり、図2に示すディ
ーゼルエンジン10においてタペット28とロッカーア
ーム30とを摺動自在に連結するプッシュロッド29を
例にとって示したものである。
【0029】実施例1〜10 表1に示すようにSUJ−2(軸受鋼)およびS45C
(機械構造用鋼)から成る炭素鋼素材を成形加工するこ
とにより、図1に示すように直径16mm×長さ170
mmの摺動部材本体としてのプッシュロッド本体1aを
多数調製した。各プッシュロッド本体の一方の端部には
摺動部としてのボール部2が形成される一方、他方の端
部には他の摺動部としてのソケット部3が形成されてい
る。
【0030】一方、上記ボール部2の外面形状およびソ
ケット部3の内面形状と外径からも合致するように、そ
れぞれ銅製コイル(誘導子)を調製した。そして各誘導
コイルをボール部2の外面およびソケット部3の内面に
装着配置し、表1に示す高周波焼入れ条件で表面硬化処
理を実施して、それぞれ図1に示すようなディーゼルエ
ンジン用摺動部材としての実施例1〜5に係るプッシュ
ロッド1を製造した。
【0031】各プッシュロッド1のボール部2の外表面
およびソケット部3の内表面には、表1に示す厚さを有
する表面硬化層4,5がそれぞれ形成された。
【0032】比較例1〜4 一方、比較例1〜4として、実施例1(SUJ−2製)
および実施例8(S45C製)において調製したプッシ
ュロッド本体に、部分的な高周波焼入れ処理を実施せず
に、プッシュロッド本体全体を表1に示すように750
℃または800℃に加熱した後に、油冷により急冷して
プッシュロッド本体全面に表面硬化層を形成することに
より、それぞれ比較例1〜4に係るプッシュロッドをそ
れぞれ調製した。
【0033】こうして調製した各実施例および比較例に
係るプッシュロッド1の摺動部としてのボール部2およ
びソケット部3に形成された表面硬化層4,5の厚さ,
硬度,マルテンサイト組織および残留オーステナイト組
織の面積率の平均値を測定した。さらに、各プッシュロ
ッドの曲がり,歪み,変形に起因する不良率を測定し
た。
【0034】さらに各実施例および比較例に係るプッシ
ュロッド1を図2に示すようなディーゼルエンジン10
のプッシュロッド29として装着し、エンジン10を延
べ1000時間運転するという条件と同一の使用状態と
なる摩擦摩耗試験を実施した後における各表面硬化層の
平均摩耗量を測定して下記表1に示す結果を得た。
【0035】
【表1】
【0036】上記表1に示す結果から明らかなように、
プッシュロッド本体の摺動部であるボール部およびソケ
ット部のみに限定して高周波焼入れ法によって表面硬化
層を局部的に形成した各実施例に係るプッシュロッド
は、ロッド本体全体を熱処理して表面硬化層を形成した
各比較例のプッシュロッドと比較して熱影響が少ないた
め、歪みによる変形が少なく、摺動部材としてのプッシ
ュロッドの不良率を大幅に低減できることが判明した。
【0037】
【発明の効果】以上説明の通り、本発明に係るディーゼ
ルエンジン用摺動部材によれば、摺動部材本体全体を熱
処理して表面硬化層を形成しているのではなく、摺動部
材本体の摺動部のみに限定して高周波焼入れ法によって
表面硬化層を局部的に形成しているため、部材本体に対
する熱影響が少なく、歪みによる変形が少なく、摺動部
材の不良率を大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るディーゼルエンジン用摺動部材と
してのプッシュロッドの一実施例を示す部分断面図。
【図2】ディーゼルエンジン要部の構成を模式的に示す
断面図。
【符号の説明】
1 ディーゼルエンジン用摺動部材(プッシュロッド) 1a 摺動部材本体(プッシュロッド本体) 2 摺動部(ボール部) 3 摺動部(ソケット部) 4 表面硬化層 5 表面硬化層 10 ディーゼルエンジン 11 エンジンハウジング 12 クランクケース 13 シリンダブロック 14 クランクシャフト 15 シリンダ 15a シリンダボア 16 シリンダヘッド 17 燃焼室 18 ピストン 19 ピストンピン 20 クランクピン 21 コンロッド 22 吸排気ポート 23 吸排気バルブ 24 カムシャフト 25 タイミングドライブギア 26 タイミングドリブンギア 27 カム 28 タペット 29 プッシュロッド 30 ロッカーアーム

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 摺動部材本体の少なくとも摺動部に、高
    周波焼入れ法によって表面硬化層を形成したことを特徴
    とするディーゼルエンジン用摺動部材。
  2. 【請求項2】 摺動部の表面硬化層におけるマルテンサ
    イト組織の面積率が85%以上であることを特徴とする
    請求項1記載のディーゼルエンジン用摺動部材。
  3. 【請求項3】 摺動部の表面硬化層におけるマルテンサ
    イト組織の面積率が95%以上であることを特徴とする
    請求項1記載のディーゼルエンジン用摺動部材。
  4. 【請求項4】 摺動部の表面硬化層における残留オース
    テナイト組織の面積率が5〜10%であることを特徴と
    する請求項1ないし3のいずれかに記載のディーゼルエ
    ンジン用摺動部材。
  5. 【請求項5】 ディーゼルエンジン用摺動部材は、ロッ
    カーアームを介して吸気バルブおよび排気バルブを開閉
    操作するプッシュロッドであることを特徴とする請求項
    1ないし4のいずれかに記載のディーゼルエンジン用摺
    動部材。
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