JP2006009080A - 摺動部材及び該摺動部材の表面処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 駆動カムのカム面とバルブリフタの冠面との間の摩擦抵抗を低減すると共に、十分な油膜によって耐摩耗性の向上が図ることのできる発明を提供する。
【解決手段】 滑らかな表面の駆動カム５のカム面５ａとの間に潤滑油が供給された状態で摺動するバルブリフタ７の冠面１４ａを、ダイヤモンドライクカーボン処理を施して高硬度な表面処理層１７を形成すると共に、該高硬度の表面処理層１７にブラシラップ処理を行って、該表面処理層の表面に、表面処理層全体の面積に対して凹率が約５〜３０％でかつ最大長さが０．１〜５μｍの微小凹部１８を形成した。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えば、内燃機関のカムシャフトに設けられた駆動カムのカム面が回転摺動して機関弁に往復運動として伝達するバルブリフタやロッカアームなどの摺動部材及び該摺動部材の表面処理方法に関する。

周知のように、内燃機関の吸気弁や排気弁は、カムシャフトに設けられた駆動カムの回転力が直動型のバルブリフタやロッカアームなどを介して伝達されて開閉駆動されるようになっているが、このとき前記駆動カムは、その外周のカム面がバルブリフタの冠面やロッカアームの一端部の上面などに激しく摺動して回転力を往復運動として前記吸気弁あるいは排気弁に伝達するようになっている。

したがって、かかる駆動カムとバルブリフタの冠面またはロッカアームの一端部上面などとの間に大きな摩擦損失が発生する。

このため、かかる摩擦損失の低減を図り、効率的な動力伝達により、内燃機関の低燃費や排出エミッションの抑制を図ることを目的として、例えば以下の特許文献１に記載された技術のように、バルブリフタなどの摺動部材の摺動面をコーティング処理を施したものがある。

この従来技術は、互いに摺動する金属部材同士の少なくとも一方の摺動面にディンプルを設けると共に、他方の摺動面にダイヤモンドライクカーボン処理（ＤＬＣ処理）を行って硬度Ｈｖ１０００以上のコーティング処理を行い、両金属部材同士が初期摺動することによってディンプル以外の摺動表面を研磨して平滑化すると同時に、ディンプルを設ける加工時に生じたディンプル周辺の盛り上がりを除去する。これによって、平滑な平面にディンプルが存在する表面となり、このディンプルがあることで表面の粗さ突起同士の接触が減少し、かつオイルの剪断抵抗が減少して摺動抵抗が低減されるようになっている。
特開２００３−１３７１０号公報

しかしながら、この従来の摺動部材の表面処理にあっては、前述のように、両金属部材同士を初期摺動させることによってディンプル以外の摺動表面を研磨して、平滑化すると同時に、ディンプル周辺の盛り上がりを除去するようになっているため、研磨される際に、ディンプル周囲の盛り上がりがディンプルの内部側に塑性変形して、前記各ディンプルが小さくなってしまう。

この結果、各ディンプルによる摺動摩擦を低減できなくなると共に、各ディンプル内へ潤滑油を十分に滞留させることができず金属部材同士間に油膜を十分に形成することができずに、摩耗の発生を効果的に防止できないおそれがある。

本発明は、前記従来の技術的課題に鑑みて案出されたもので、請求項１に記載の発明は、摺動する相手部材との間に潤滑油が供給された状態で摺動する摺動面に、ダイヤモンドライクカーボン処理を施すと共に、複数の微小凹部を形成したことを特徴としている。

この発明によれば、摺動部材のダイヤモンドライクカーボン処理された摺動面は、高硬度化されて容易に変形しないことから微小凹部によって相手部材との摺動抵抗を低減できると共に、該微小凹部に潤滑油が滞留されて摺動面と相手部材との間に常時十分な油膜を形成することができため、耐摩耗性の向上が図れる。

したがって、前記摺動面が摺動する相手部材の表面に従来のようなディンプルが形成されていても、あるいは形成されていなくとも、摺動面側に微小凹部が形成されていることから、本願発明は常に前述した優れた作用効果を得ることができる。

請求項２に記載の発明は、滑らかな表面の相手部材との間に潤滑油が供給された状態で摺動する摺動面に、ダイヤモンドライクカーボン処理を施すと共に、複数の微小凹部を形成したことを特徴としている。

この発明によれば、相手部材の表面は、例えばディンプルや盛り上がりのない滑らかな表面になっているため、摺動部材との初期摺動時における面圧の上昇に起因して発生する表面摩耗による摩耗粉などのコンタミの発生を防止できる。

請求項３に記載の発明は、摺動部材の表面処理方法に関し、まず、摺動部材の摺動面にダイヤモンドライクカーボン処理を施す工程と、前記ダイヤモンドライクカーボン処理された摺動面から所定量のマイクロパーティクルを取り除いて該摺動面に微小凹部を形成する工程とを有している。

この発明によれば、先の工程でダイヤモンドライクカーボン処理されて高硬度化した摺動面から後工程でマイクロパーティクル（分子）を取り除くことにより、該摺動面に微小凹部を容易に形成することが可能になり、この微小凹部により相手部材との摺動抵抗を低減できると共に、該微小凹部に潤滑油が滞留されて摺動面と相手部材との間に常時十分に油膜を形成することができため、耐摩耗性の向上が図れる。

以下、本発明にかかる摺動部材及び該摺動部材の表面処理方法の実施形態を図面に基づいて詳述する。この実施形態では摺動部材として内燃機関のバルブリフタに適用したものを示している。

すなわち、図２は本発明にかかる内燃機関の動弁機構を示すものであり、シリンダヘッド１の内部に形成された吸気ポート１ａと排気ポート１ｂの燃焼室側の開口端を開閉する吸気弁２及び排気弁３と、シリンダヘッド１の上端部に軸受を介して回転自在に支持された吸入側及び排気側カムシャフト４、４と、該各カムシャフト４、４の外周に一体に設けられた相手部材である駆動カム５、６と、シリンダヘッド１に形成された小径ボア１ｃ、１ｄにそれぞれ摺動自在に保持されて、前記駆動カム５，６の回転力を往復運動に変換して前記吸気弁２と排気弁３に伝達する摺動部材であるバルブリフタ７，８とを備えている。

前記吸気弁２と排気弁３は、シリンダヘッド１に固定された円筒状のバルブガイド９，１０を介して摺動自在に支持されていると共に、各バルブステムの上端部に設けられたスプリングリテーナ１１、１１と前記ボア１ｃ、１ｄの底面との間に弾装されたバルブスプリング１２，１３によって閉方向に付勢されている。

前記カムシャフト４，４は、図外のクランクシャフトから駆動スプロケット及び従動スプロケットを介してタイミングチェーンにより回転駆動力が伝達され、これによって前記各駆動カム５，６により吸気弁２と排気弁３とを開方向に作動させるようになっている。

前記各駆動カム５，６は、例えばチルド鋳鉄などによって雨滴状に形成され、外周面に前記各バルブリフタ７，８の上面（冠面）にそれぞれ摺動するカム面５ａ、６ａが形成されている。このカム面５ａ、６ａは、表面が例えば研磨加工によって超仕上げ加工され、その後、ショットブラスト処理によって所定の滑らかな表面に加工されている。

前記各バルブリフタ７，８は、便宜上、吸気側について説明すれば、図１Ａ、Ｂにも示すように、鉄系金属材によって一体に形成され、円形状の上壁部である冠部１４と、該冠部１４の外周縁に一体に有する円筒状のスカート部１５とから主として構成されている。

前記冠部１４は、上面が僅かに球面状に形成された冠面１４ａと、該冠面１４ａの下面中央に一体に形成されて、前記吸気弁２のステムエンドと当接するほぼ円柱状のボス部１４ｂとを有している。また、冠部１４の円周方向の外周側所定位置には、駆動カム５のカム面５ａなどを伝って冠面１４ａ上に付着した潤滑油をバルブリフタ７の内部に導く油孔１６が貫通形成されている。

また、前記冠面１４ａの表面全体には、ダイヤモンドライクカーボン処理が施されて高硬度の表面処理層１７が形成されていると共に、該表面処理層１７の表面にラップ処理が施されている。

即ち、バルブリフタ７全体の成形工程を説明すれば、まず、鉄系金属の母材を冷間鍛造によって有底円筒状のバルブリフタ７の基本形状に成形する。

次に、冠部１４やスカート部１５の内外周面の表面加工を行うと共に、冠部１４の外周側の所定位置に前記潤滑油供給孔１６を孔開け加工する。なお、この潤滑油供給孔１６は、前記冷間鍛造時に同時に形成することも可能である。

続いて、バルブリフタ７を、浸炭や浸炭窒化あるいは窒化などによる熱処理を行い、その後、ボス部１４ｂやスカート部１５の外周面を、吸気弁２のステムエンドの外径やボア１ｃの内周面との摺動精度を確保するために表面の研磨加工を行う。

続いて、前記冠面１４ａの表面を、約０．１μｍの超仕上げ加工を行うと共に、該冠面１４ａの表面外周側をラップ砥粒加工やバレル加工、ショットブラスト加工などによって０．０２μｍ程度のＲ加工を行う。

その後、バルブリフタ７を、炉内に配置して洗浄した後、冠面１４ａの表面にダイヤモンドライクカーボン処理を行い、該冠面１４ａ上に高硬度な表面処理層１７を形成する（第１工程）。

続いて、高硬度な表面処理層１７にダイヤモンド砥粒を用いたブラシラップを行い、このかかるブラシラップによって、該表面処理層１７の表面から所定量のマイクロパーティクル（分子）を取り除く作業を行う（第２工程）。

マイクロパーティクル（分子）を取り除くことによって、前記表面処理層１７に、図３及び図４に示すように、冠面１４ａ（表面処理層１７）全体の面積に対して凹率が約５〜３０％となるような複数の微小凹部１８を形成する。なお、このマイクロパーティクル（分子）を取り除く表面加工方法としては、バレルやショットブラストなどであっても良い。

本願の発明者は、前記ブラシラップ処理によって表面処理層１７の表面からマイクロパーティクルを取り除いて複数の微小凹部１８を形成するに際して、この凹部１８の凹率と前記カム面５ａとの摩擦抵抗の大きさとの関係を実験によって検討した。

この実験では、ラップなしの場合と、前記微小凹部１８の凹率を約５％に形成した場合（図３）、約２０〜３０％に形成した場合（図４，図５）、約６０％に形成した場合（図６）とにそれぞれ分けて行った。

この結果、図７に示すように、ラップなしの場合、つまり微小凹部１８を全く形成しない場合は、カム面５ａとの摩擦抵抗Ｗ（ｒａｄ）が１であるのに対して、図４及び図５に示す凹率を約５％にした場合及び２０〜３０％にした場合では、摩擦抵抗が０．８付近まで下降する。また、６０％にすると、摩擦抵抗が逆に１以上になってしまうことが判った。

したがって、表面処理層１７全体の面積に対する微小凹部１８の凹率を約５〜３０％になるように形成した。特に２０〜３０％の範囲では、最も摩擦抵抗が小さくなることから、この範囲が望ましい。

また、前記各微小凹部１８は、実験の結果、その長さを最大０．１〜５μｍに形成すると、摩擦抵抗が小さく、かつ凹部１８内への潤滑油の滞留性が最も向上することが判った。したがって、この実施形態では、各微小凹部１８の最大長さを０．１〜５μｍに形成した。

このように、本実施形態では、冠面１４ａの表面にダイヤモンドライクカーボン処理を行って高硬度な表面処理層１７を形成した後、ラップによって表面の凹率が約５〜３０％の微小凹部１８を形成したため、該各微小凹部１８によってカム面５ａとの摩擦抵抗の低減化が図れる。

しかも、該複数の微小凹部１８に潤滑油が常時十分に滞留して摺動時におけるカム面５ａとの間に油膜を形成することができることから、カム面５ａとの摩擦抵抗がさらに低減されると共に、耐摩耗性が向上する。

したがって、前記冠面１４ａが摺動するカム面５ａに従来のようなディンプルによる効果が得られなくとも、あるいはディンプル自体が形成されていてもいなくても、優れた作用効果を得ることができる。

また、微小凹部１８は、最大長さが０．１〜５μｍに形成されていることから、冠面１４ａとカム面５ａとの摩擦抵抗の低減が図れると共に、該微小凹部１８内へ潤滑油を十分に滞留させることが可能になる。

さらに、カム面５ａは、例えばディンプルや盛り上がりのない滑らかな表面になっているため、バルブリフタ７の冠面１４ａとの初期摺動時における面圧の上昇に起因して発生する表面摩耗による摩耗粉などのコンタミの発生を防止できる。

また、前記バルブリフタ７の成形加工において、冠面１４ａからマイクロパーティクル（分子）を取り除くことによって、該冠面１４ａに微小凹部１８を容易に形成することが可能になる。

この実施形態では、マイクロパーティクルをいわゆるブラシラップによって取り除くようにしたため、微小凹部１８を確実に形成することができると共に、かかる取り除き作業が容易になる。なお、このラップ加工は、エアロラップで行ってもよく、この場合でも同じ作用効果が得られる。

前記実施形態から把握される前記請求項に記載した発明以外の技術的思想について以下に説明する。

請求項（１） 前記内燃機関の機関弁を開閉作動させるカムとの間に潤滑油が供給された状態で摺動する摺動面に、ダイヤモンドライクカーボン処理を施した際に、微小凹部を形成したことを特徴とする摺動部材。

この発明によれば、内燃機関のカムシャフトに設けられたカムは回動あるいは揺動するため、表面から潤滑油が飛ばされてしまい摩耗する可能性があるが、ダイヤモンドライクカーボン処理が施された摺動部材の摺動面には微小凹部が形成されていることから、カムとの摩擦抵抗が低減すると共に、この微小凹部に潤滑油が滞留してカムとの間に油膜が形成されるため、摩耗の発生を防止できる。

請求項（２） 前記摺動部材を内燃機関のバルブリフタによって構成すると共に、前記摺動面をバルブリフタの冠面としたことを特徴とする請求項１、２または（１）に記載の摺動部材。

請求項（３） 前記摺動面全体の面積に対する微小凹部の凹率を約５〜３０％に設定したことを特徴とする請求項１、２または（１）（２）に記載の摺動部材。

本願発明の発明者による実験結果によれば、微小凹部の凹率を前述の範囲よりも少ない場合と多い場合では、相手部材との摩擦抵抗が大きくなる傾向となり、前記範囲内で最も小さくなることがわかった。

請求項（４） 前記微小凹部は、最大長さが０．１〜５μｍに形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の摺動部材。

最大長さを前記のように形成することによって摺動面と相手部材との摩擦抵抗の低減が図れると共に、凹部内へ潤滑油を十分に滞留させることが可能になる。

請求項（５） 前記マイクロパーティクルを取り除く工程は、ブラシラップであることを特徴とする請求項３に記載の摺動部材の表面処理方法。

この発明によれば、マイクロパーティクルをいわゆるブラシラップによって取り除くようにしたため、凹部を確実に形成することができると共に、かかる取り除き作業が容易になる。

請求項（６） 前記前記マイクロパーティクルを取り除く工程は、エアロラップであることを特徴とする請求項３に記載の摺動部材の表面処理方法。

この発明によれば、マイクロパーティクルをいわゆるエアロラップ作業によって取り除くようにしたため、凹部を確実に形成することができると共に、かかる取り除き作業が容易になる。

請求項（７） 前記マイクロパーティクルを取り除く工程によって、摺動面に最大長さが０．１〜５μｍの微小凹部を形成したことを特徴とする請求項３に記載の摺動部材の表面処理方法。

この発明によれば、微小凹部の最大長さを前述の大きさとすることにより、相手部材との摩擦低減効果と潤滑油の滞留効果を得ることが可能になる。

本発明は、前記実施形態の態様に限定されるものではなく、排気側のバルブリフタ８にも適用することができ、また、バルブリフタ以外にもロッカアームやその他の金属材の摺動部材に適用することも可能である。

Ａは本発明の実施形態に供されるバルブリフタの縦断面図、Ｂは同バルブリフタの平面図である。 同実施形態が適用された内燃機関の動弁装置を示す断面図である。 実験によりバルブリフタの冠面をブラシラップして凹率が約５％の微小凹部を形成した状態を顕微鏡で見た写真である。 実験によりバルブリフタの冠面をブラシラップして凹率が約２０〜３０％の微小凹部を形成した状態を顕微鏡で見た写真である。 実験によりバルブリフタの冠面をブラシラップして凹率が約２０〜３０％の微小凹部を形成した状態を顕微鏡で見た写真である。 実験によりバルブリフタの冠面をブラシラップして凹率が約６０％の微小凹部を形成した状態を顕微鏡で見た写真である。 摩擦抵抗とラップ凹率との関係を示す特性図である。

符号の説明

１…シリンダヘッド
４…カムシャフト
５・６…駆動カム（相手部材）
５ａ・６ａ…カム面
７・８…バルブリフタ（摺動部材）
１４…冠部
１４ａ…冠面
１５…スカート部
１７…表面処理層
１８…微小凹部

Claims (3)

1. 摺動する相手部材との間に潤滑油が供給された状態で摺動する摺動面に、ダイヤモンドライクカーボン処理を施すと共に、複数の微小凹部を形成したことを特徴とする摺動部材。
2. 滑らかな表面の相手部材との間に潤滑油が供給された状態で摺動する摺動面に、ダイヤモンドライクカーボン処理を施すと共に、複数の微小凹部を形成したことを特徴とする摺動部材。
3. 摺動部材の摺動面にダイヤモンドライクカーボン処理を施す工程と、
   前記ダイヤモンドライクカーボン処理された摺動面から所定量のマイクロパーティクルを取り除いて該摺動面に微小凹部を形成する工程と、
   を有する摺動部材の表面処理方法。