JP2006283576A

JP2006283576A - 内燃機関の動弁装置

Info

Publication number: JP2006283576A
Application number: JP2005100929A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Takamura; 浩行高村; Eiji Ogawa; 永司小川
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2006-10-19

Abstract

【課題】内燃機関に使用されるローラタイプの動弁装置において、ローラフォロアと組み合わされる鉄系焼結カムロブの耐ピッチング性を向上させる。
【解決手段】本発明により提供される内燃機関のローラタイプの動弁装置は、
カムシャフトに固定されたカムロブ及び当該カムロブと回転接触するローラを設けたローラフォロアを備え、前記カムロブが鉄系焼結材からなり、密度７．４ｇ／ｃｍ^３以上、及びカム外周硬さＨＲＣ４５以上であり、基地が、ベイナイト組織５〜３５容量％、残留オーステナイト組織５〜３０容量％、及びマルテンサイト組織５０〜９０容量％の混在組織からなることを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、ローラタイプのカムフォロア（ローラフォロア）を備える内燃機関用動弁装置に関し、特に、ローラフォロアのローラと回転接触するカムロブの耐摩耗性、耐ピッチング性、及び、耐スカッフィング性に優れる動弁装置に関する。

内燃機関において、カムシャフトやロッカーアーム等の部品は運転中、高速で摺動接触、回転接触をすることから、耐摩耗性、耐スカッフィング性、耐ピッチング性等の摺動特性が要求される。特に、ローラタイプのカムフォロアを備える動弁装置において、ローラフォロアのローラとカムロブの接触圧が大きい場合には、より優れた耐ピッチング性が求められる。このため、従来からこれらの接触特性を向上させることを目的として、様々な方法が提案されている。
例えば、鋳造時にカムノーズの部分を冷やし金を用いて急速凝固させ、カムノーズ表面に硬い白鋳鉄組織を形成したチルカムシャフトが用いられている。しかしながら、チルカムシャフトは外周表面に硬いチル組織を有するため、優れた耐摩耗性を示すが、耐ピッチング性に劣り、高負荷のエンジンには使用が難しい。

特許文献１には、カムシャフトのカム面にロッカーアームのローラが転動摺接するローラタイプの動弁装置において、重量比で、２．０〜４．０％Ｃ、１．５〜３．５％Ｓｉ、０．１〜１．０％Ｍｎ、０．００５〜０．０８％Ｍｇ、０．１５％以下Ｐ、０．１５％以下Ｓ、０．３〜１．０％Ｃｕ、０．０３〜０．０９％Ｍｏ、及び残部Ｆｅからなる組成を有し、基地が残留オーステナイト組織３５〜５０容量％とベイナイト組織との混在組織からなる球状黒鉛鋳鉄であるカムを用いることが記載されている。このカムは、ローラの接触圧力により残留オーステナイト組織から加工誘起マルテンサイトが生成することによって、転動疲労強度が向上するものであり、基地中の残留オーステナイト組織の割合を３５〜５０容量％とするために、上記組成の材料を鋳造後、フェライト化焼鈍、非酸化性雰囲気下での加熱、及びオーステンパー処理の各工程が順次行われている。

また、特許文献２には、滑りタイプの焼結カムロブを考慮し、スカッフの発生要因となる残留オーステナイト量を調節するために、Ｃ：１．５〜３．０重量％、Ｃｒ：２．０〜１２．０重量％、Ｍｏ：０．５〜３．０重量％、Ｎｉ：１．４重量％以下、Ｓｉ：０．２〜１．０重量％、Ｐ：０．２〜１．０重量％、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなり、基地組織がマルテンサイト、ベイナイト及び残留オーステナイトの混在組織からなる、耐スカッフィング性及び耐ピッチング性に優れた焼結カムシャフト用カムロブが記載されている。

特公平５−７９７４２号公報特開２０００−１４４３４１号公報

本発明は、内燃機関に使用されるローラタイプの動弁装置において、ローラフォロアと組み合わされる鉄系焼結カムロブの耐ピッチング性を向上させることを目的とする。

本発明により提供される内燃機関の動弁装置は、
カムシャフトに固定されたカムロブ及び当該カムロブと回転接触するローラを設けたローラフォロアを備え、前記カムロブが鉄系焼結材からなり、密度７．４ｇ／ｃｍ^３以上、及びカム外周硬さＨＲＣ４５以上であり、基地が、ベイナイト組織５〜３５容量％、残留オーステナイト組織５〜３０容量％、及びマルテンサイト組織５０〜９０容量％の混在組織からなることを特徴とする。

本発明の動弁装置に使用される鉄系焼結カムロブは、基地がベイナイト組織、残留オーステナイト組織、及びマルテンサイト組織の混在組織であるため、高い靭性及び硬度を有し、耐ピッチング性、耐摩耗性、耐スカッフィング性に優れ、特に耐ピッチング性に優れるものである。

本発明の動弁装置に使用される鉄系焼結カムロブは、基地がベイナイト、残留オーステナイト及びマルテンサイトの混在組織であるため、高い靭性及び硬度を示し、優れた繰り返し接触疲労強度を有するものであり、耐ピッチング性、耐摩耗性、耐スカッフィング性に優れ、特に耐ピッチング性に優れている。

本発明の動弁装置は、エンジンのクランクシャフトと同期して回転するカムシャフトに固定されたカムロブと、当該カムロブと回転接触するローラを設けたローラフォロアを備える。ローラフォロアは、カムロブとの当接部に、カムロブと回転接触するローラを設け、カムシャフトの回転運動をバルブの往復運動に変換する部材であり、動弁装置の構造に応じて適した形態とすることができる。ローラフォロアとしては、例えば、カムロブとの当接部にローラを設けたタペット（ローラタペット）又はロッカーアーム（ローラロッカーアーム）、バルブの基部側先端にカムロブと回転接触するローラを直接設けたものなどがある。

図１に、本発明に係る動弁装置の一態様を示す。動弁装置は、カムシャフト１に固定されたカムロブ２と、このカムロブと回転接触するローラ４を設けたロッカーアーム３とで構成される。ロッカーアーム３は、ロッカーアーム本体５の一端部にローラ４をピン６により回転自在に支持し、その本体中間部においてロッカーシャフト７により揺動自在に支持され、さらに、その他端部に螺着したアジャストねじ８の先端部を弁体９の基端面に突き当てている。なお、この弁体９には圧縮ばね１０により吸気口又は排気口を閉鎖する方向の弾力を付与している。

図２は、カムロブ２の形状の一例を示す正面図（２Ａ）及び側面図（２Ｂ）である。図３は、ロッカーアーム３のカムロブ２に対する当接部の一例を拡大して示す正面図である。
ロッカーアーム３は、ロッカーアーム本体５のカムロブ２と当接する側の端部に、軸受孔５ｂを各々有する一対の支持壁部５ａを間隔を開けて形成し、一対の支持壁部の間に軸受孔４ａを有するローラ４を配置し、ピン６を支持壁部の一方の軸受孔５ｂ、ローラ４の軸受孔４ａ、及び支持壁部のもう一方の軸受孔５ｂに貫通させることにより、ローラ４を回転自在に支持する。また、ピン６と軸受孔４ａ及び／又は軸受孔５ｂとの間には、フリクションロスを軽減するためにベアリングを介在させることが好ましい。ローラ４の材質は特に限定されず、例えば、軸受鋼ＳＵＪ２等が好ましい。

本発明においては、カムシャフトのカムロブ２は、鉄系焼結材で形成されており、密度７．４ｇ／ｃｍ^３以上、及びカム外周硬さＨＲＣ４５以上であり、基地が、ベイナイト組織５〜３５容量％、残留オーステナイト組織５〜３０容量％、及びマルテンサイト組織５０〜９０容量％の混在組織からなる。
本発明においては、鉄系焼結カムロブの基地をベイナイト、残留オーステナイト、及びマルテンサイトの混在組織とすることで、靭性及び硬度を向上させて、耐ピッチング性に優れた鉄系焼結カムが得られる。

基地組織中のベイナイト量は、高い靭性を得るため５〜３５容量％とし、好ましくは１０〜３０容量％とする。ベイナイト量が５容量％以上の場合、カムロブの靭性が向上し耐ピッチング性が良好となる。一方、ベイナイト量を多くすると強度が低下し、耐摩耗性に影響するために、ベイナイト量は３５容量％以下とする。

基地組織中の残留オーステナイト量は、優れた耐ピッチング性を得るために５〜３０容量％とし、好ましくは１５〜２５容量％とする。残留オーステナイト量が５容量％以上の場合、加工誘起マルテンサイト変態による耐ピッチング性向上の効果が十分に得られる。一方、加工誘起マルテンサイト変態を起さない安定なオーステナイトの量を制御し優れた耐ピッチング性を得るために、残留オーステナイト量は３０容量％以下とする。

基地組織中のマルテンサイト量は、カムロブの耐摩耗性確保のために５０〜９０容量％とする。マルテンサイト量が５０容量％以上の場合、十分な硬度を得られ、耐摩耗性の確保が可能となる。一方、カムロブの強度靭性の最適化のために、マルテンサイト量は、９０容量％以下とする。
上記の所望の混在組織からなる基地を得る方法は、特に限定されるものではなく、オーステンパー処理によりベイナイトを生成させることが好ましい。

この鉄系焼結カムロブは、ローラフォロアのローラと回転接触する時の耐摩耗性、耐ピッチング性及び耐スカッフィング性に優れているので、ローラタイプの動弁装置に適している。
ローラタペットやローラロッカーアームのようなローラフォロアとカムロブの回転接触においては、耐ピッチング特性に代表される繰返し接触疲労強度が重要であり、特に耐ピッチング特性が重要である。カムロブの回転接触部を構成する組織にベイナイト組織が存在し、ベイナイト組織、残留オーステナイト組織、及びマルテンサイト組織の混在組織であると、高い靭性及び硬度が得られるため、耐ピッチング性を高めることができる。

ローラフォロアのローラと回転接触をするカムロブの強度を上げて耐ピッチング性を向上させるために、カムロブの密度は７．４ｇ／ｃｍ^３以上とし、好ましくは７．５〜７．６ｇ／ｃｍ^３とする。
また、優れた耐摩耗性を得るために、カム外周硬さを、ＨＲＣ４５以上とし、好ましくは５０〜５５とする。

本発明においては、鉄系焼結カムロブの成分組成を、Ｎｉ：０．３〜５．０重量％、Ｃ：０．５〜１．２重量％、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる組成、又は、Ｎｉ：０．３〜５．０重量％、Ｍｏ：０．１〜２．５重量％、Ｃ：０．５〜１．２重量％、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる組成とすることが好ましい。
鉄系焼結カムロブの成分組成を上記範囲とすることによって、ローラタイプに適した耐ピッチング性、耐摩耗性、及び耐スカッフィング性を有し、特に、基地をベイナイト、残留オーステナイト、及びマルテンサイトの混在組織とすることで、靭性及び硬度を向上させて、耐ピッチング性に優れた鉄系焼結カムが得られる。

以下に、Ｎｉ、Ｃ及びＭｏの配合目的を説明する。
Ｎｉは、強度及び靭性を高める効果がある。カムロブ材のＮｉ含有量は、０．３〜５．０重量％とし、好ましくは２〜３重量％とする。Ｎｉが０．３重量％未満では、十分な強度及び靭性を得ることができず、５．０重量％を超える場合では、焼結時の寸法変化量が大きくなるため、精度が悪くなってしまう。

Ｃは、耐摩耗性が得られる外周硬さを得るために必要である。カムロブ材のＣ含有量は、０．５〜１．２重量％とし、好ましくは０．８〜１．０重量％とする。Ｃの含有量が０．５重量％未満の場合、所望のカム外周硬さが得られにくく、耐摩耗性に劣ってしまう。一方、１．２重量％を超える場合、圧縮性が著しく低下し、密度が上がらない。

また、Ｍｏは、焼入れ性を高めると同時に、基地に固溶して硬度を高め、耐摩耗性を向上させる効果がある。カムロブ材のＭｏ含有量は、０．１〜２．５重量％、好ましくは０．５〜１．５重量％とする。Ｍｏが０．１重量％未満では、十分に硬化せず、一方、Ｍｏが２．５重量％を超えると圧縮性が著しく低下する。

本発明で使用されるカムロブ材は、焼結用粉末を焼結後に上記組成となるように調製し、プレス成形及び焼結を行った後、オーステンパー処理により基地組織を調質することにより得られる。焼結用粉末には、成形時の型抜け性をよくするために、例えば、ステアリン酸亜鉛等の潤滑剤を添加してもよい。プレス成形及び焼結のいずれか又は両方を、２回プレス・２回焼結（２Ｐ２Ｓ）のように２回以上行ってもよい。２回プレス・２回焼結（２Ｐ２Ｓ）によって製造されたカムロブ材は高精度であるため、さらに研削加工を施す必要がない、或いはほとんど施さなくてよい。そのため、切削加工に掛かる経費の削減、及び作業時間の短縮が可能な点から、本発明で使用されるカムロブ材は、２回プレス・２回焼結（２Ｐ２Ｓ）によって製造することが好ましい。

オーステンパー処理は、通常、上記の焼結工程の後に、オーステナイト化温度８２０〜９５０℃の温度範囲で、０．５〜２．５時間、熱処理を行い、基地組織を調質する。特に、基地組織を前記割合に調整することができるため、オーステンパー処理は、ベイナイト化温度３５０〜４２０℃で、１．０〜４．０時間行うことが好ましい。また、処理時間が１．０時間未満ではベイナイト量が十分でなく、４．０時間以上ではベイナイト量が多すぎて硬度低下となる。
本発明で使用されるカムロブ材は、必要に応じてさらにショットブラスト等の後加工を行っても良い。

以下、実施例及び比較例によって、本発明をさらに具体的に説明する。
（実施例１〜２３及び比較例１〜１５）
二次焼結後に第１表（１／２、２／２）に示す成分組成となるように、焼結用粉末を調製し、さらに、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を加えて混合した。

次に、調製した焼結用粉末を用いて面圧５〜７ｔｏｎ／ｃｍ^２で１回目のプレス成形（１次成形）を行い、圧粉体を形成した後、真空焼結炉内で、６００〜９００℃で仮焼結（１次焼結）をし、仮焼結体を得た。次いで、この仮焼結体を面圧７〜１２ｔｏｎ／ｃｍ^２で２回目のプレス成形（２次成形）を行い、その２次成形体を真空焼結炉中、１１００〜１２００℃で本焼結（２次焼結）を行い、２次焼結体を得た。この２次焼結体に第１表（１／２、２／２）に示すオーステンパー処理を行い、実施例１〜２３及び比較例２〜１５の焼結カムロブ材を得た。

また、最終の成分組成が、第１表（１／２）に示す成分組成（トータルカーボン（Ｔ．Ｃ）：３．４重量％、Ｓｉ：２．０重量％、Ｍｎ：０．７重量％、Ｃｒ：０．８重量％、Ｍｏ：２．０重量％、Ｎｉ＋Ｃｕ：２．０重量％）となるように各元素を溶かして、冷やし金を有する鋳型に流し込み、急冷凝固してチル鋳鉄を得た。得られたチル鋳鉄を研磨し、比較例１のカムロブ材を得た。

＜試験＞
（１）密度
各実施例・比較例で得られたカムロブ材の試験片をパラフィンで封孔処理し、アルキメデス法によって密度を測定した。測定結果を第２表（１／２、２／２）に示す。
（２）カム外周硬さ
ロックウエル硬度計により、Ｃスケールにて、各実施例・比較例で得られた試験片のカムノーズの外周を５点計測し、その平均値を算出した。測定結果を第２表（１／２、２／２）に示す。

（３）オーステナイト量の測定
各試験片の基地中のオーステナイト量をＸ線により測定した。結果を第１表（１／２、２／２）及び図６に示す。
（測定条件）
試験装置：Ｘ線応力測定装置（（株）リガク製）
試験箇所：試験片外周部

（４）マルテンサイト量の測定
各試験片をナイタル３％液を用いて腐食させ、金属顕微鏡により腐食されていない部分の面積割合（％）を、オーステナイトとマルテンサイトの合計量とした。この、組織検査による（オーステナイト＋マルテンサイト）の測定値（ｖ／ｖ％）から、Ｘ線によるオーステナイト量の測定値（ｖ／ｖ％）を差し引いた値をマルテンサイト量（ｖ／ｖ％）として決定した。結果を、第１表（１／２、２／２）及び図５に示す。
（測定条件）
試験装置：金属顕微鏡（オリンパス（株））
試験箇所：試験片組織
腐食液：ナイタル３％

（５）ベイナイト量の測定
基地組織の全体量から、上記試験（３）のＸ線によるオーステナイト量の測定値（ｖ／ｖ％）を差し引き、更に上記試験（４）の組織検査により決定されたマルテンサイト量（ｖ／ｖ％）の決定値（測定値）を差し引いた値をベイナイト量（ｖ／ｖ％）と決定した。結果を第１表（１／２、２／２）に示す。
（計算式）
１００− オーステナイト量（ｖ／ｖ％）− マルテンサイト量（ｖ／ｖ％）＝ベイナイト量（ｖ／ｖ％）
（測定条件）
試験箇所：試験片外周部

（６）耐ピッチング試験及び耐摩耗性試験
図４に示す二円筒接触試験機により、一定速度に回転する各試験片１１と相手材円筒試験片１２の回転面を接触させ、両試験片の接触面に潤滑油１３を滴下しながら所定の荷重１４をかけて回転させ、一定回転回数（１×１０^５回）に到達した時点でピッチング発生の有無を判定した。また、一定回転回数（１×１０^５回）に到達した時点での摩耗沈み量（μｍ）も測定した。測定結果を第２表（１／２、２／２）に示す。
（測定条件）
測定装置：二円筒接触試験機
回転回数：１５００ｒｐｍ
潤滑油：エンジンオイル１０Ｗ３０
油温：１００℃
油量：２×１０^−４ｍ^３／ｍｉｎ
荷重：３０００Ｎ
スベリ率：０％
相手材：ＳＵＪ２
判定方法：一定回転回数（１×１０^５回）に到達した時点で亀裂の有無について試験片外周部を観察し、亀裂があった場合を「ピッチング発生有り」とし、亀裂が無かった場合を「ピッチング発生無し」とした。

＜試験結果＞
実施例１〜２３のうち、実施例１〜１４はＭｏを含まない元素組成、一方、実施例１５〜２３はＭｏを含まむ元素組成に大別される。また、比較例１〜１５のうち、比較例１は、鋳鉄材料であり、比較例２〜８はＭｏを含まない元素組成を有する鉄系焼結材料であり、比較例９〜１５はＭｏを含む元素組成を有する鉄系焼結材料である。
耐ピッチング性に関しては、試験結果によると、各実施例はピッチング発生が「無し」、各比較例のほとんどが、ピッチング発生が「有り」となっており、各実施例は、各比較例よりも耐ピッチング性に優れていること明らかとなった。

マルテンサイト量、残留オーステナイト量は範囲内であるが、ベイナイト量が下限値より少量で範囲外の比較例２、９は、靭性向上効果が得られず、ピッチング発生「有り」で、実施例より劣るものである。
ベイナイト量、残留オーステナイト量は範囲内であるが、マルテンサイト量が下限値より少量で範囲外の比較例３、１０については、耐ピッチング性は実施例と同程度であるが、硬さが低いために耐摩耗効果が得られず、実施例より劣るものであり、実施例の摩耗量約０．１０μｍ〜０．２５μｍに対して比較例３、１０の摩耗量は約１．２２μｍ〜１．３５μｍであり、約５倍〜１３倍の摩耗量である。
ベイナイト量、マルテンサイト量は範囲内であるが、残留オーステナイト量が上限値より多量で範囲外の比較例４、１１は、残留オーステナイトが多量であり、加工誘起マルテンサイトに変態するのに時間がかかるため、耐摩耗性が劣る。また、ピッチング発生「有り」であり、実施例より劣るものである。

ベイナイト量が下限値より少量で範囲外であり、かつマルテンサイト量が上限値より多量で範囲外の比較例５、１２は、靭性に関して安定して維持出来ず、耐摩耗性は実施例と同程度であるが、ピッチング発生「有り」で、実施例より劣るものである。
マルテンサイト量が下限値より少量で範囲外であり、かつ残留オーステナイト量が上限値より多量で範囲外の比較例６、１３は、マルテサイト量が少量のため強度不足でり、また、残留オーステナイトが多量であり、加工誘起マルテンサイトに変態するのに時間がかかるため、耐摩耗効果が得られず、今回の試験では最も悪い摩耗量となった。実施例の摩耗量約０．１０μｍ〜０．２５μｍに対して比較例６，１３の摩耗量は約１．３４μｍ〜１．４３μｍであり、約５．４倍〜１４倍の摩耗量である。また、ピッチング発生「有り」で、実施例より劣るものである。

ベイナイト量が下限値より少量で範囲外であり、かつ残留オーステナイト量が多量で範囲外の比較例７、１４は、靭性向上効果が得られず、耐ピッチング性が劣るものである。更に耐摩耗性については、比較例４、６、１１、１３に比較して良好ではあるが結果的には、実施例より劣るものである。
ベイナイト量が下限値より少量で範囲外であり、マルテンサイト量が上限値より多量で範囲外であり、更に残留オーステナイト量が下限値より少量で範囲外の比較例８、１５は、やはり靭性に関して安定して維持出来ず、耐摩耗性は実施例と同程度であるが、耐ピッチング性向上効果が得られないので、実施例より劣るものである。

本発明に係る動弁装置の一構成例を示す図である。カムロブの一例を示す図である。ロッカーアームの一例を拡大して示す部分拡大図である。実施例に用いた二円筒接触試験機の概略図である。実施例でのピッチング試験前後のマルテンサイト量をまとめたグラフである。実施例でのピッチング試験前後の残留オーステナイト量をまとめたグラフである。

符号の説明

１…カムシャフト
２…カムロブ
３…ローラロッカーアーム
４…ローラ
５…ロッカーアーム本体
６…ピン
７…ロッカーシャフト
８…アジャストねじ
９…弁体
１０…圧縮ばね
１１…試験片
１２…相手材
１３…潤滑油
１４…荷重

Claims

カムシャフトに固定されたカムロブ及び当該カムロブと回転接触するローラを設けたローラフォロアを備える内燃機関の動弁装置であって、前記カムロブが鉄系焼結材からなり、密度７．４ｇ／ｃｍ^３以上、及びカム外周硬さＨＲＣ４５以上であり、基地が、ベイナイト組織５〜３５容量％、残留オーステナイト組織５〜３０容量％、及びマルテンサイト組織５０〜９０容量％の混在組織からなる、動弁装置。
前記鉄系焼結材が、Ｎｉ：０．３〜５．０重量％、Ｃ：０．５〜１．２重量％、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる組成を有する、請求項１に記載の動弁装置。
前記鉄系焼結材が、Ｎｉ：０．３〜５．０重量％、Ｍｏ：０．１〜２．５重量％、Ｃ：０．５〜１．２重量％、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる組成を有する、請求項１に記載の動弁装置。
前記鉄系焼結材が、２回圧縮・２回焼結によって製造された、請求項１乃至３いずれかに記載の動弁装置
前記混在組織が、オーステンパー処理によって形成されたものである、請求項１乃至４いずれかに記載の動弁装置。