JP2008133906A

JP2008133906A - 自動車エンジン用チェーン

Info

Publication number: JP2008133906A
Application number: JP2006320802A
Authority: JP
Inventors: Shota Miyanaga; 正太宮永
Original assignee: Tsubakimoto Chain Co
Current assignee: Tsubakimoto Chain Co
Priority date: 2006-11-28
Filing date: 2006-11-28
Publication date: 2008-06-12
Also published as: CN101191526A; GB2444353A; GB0716801D0; DE102007050445A1; KR20080048392A; US20080125262A1

Abstract

【課題】夾雑物が含まれるような極端に劣化した酸化度の高い潤滑油と共に使用された場合にあってもアブレシブ摩耗によるピン及びブシュの間の摺接面における異常摩耗伸びの発生を抑え、さらに、ピンとブシュが親和性の高い材質で構成されている場合においても、両者が凝着し難く、凝着に起因する摩耗が抑制され、長期に亘って円滑に屈曲摺動する自動車エンジン用チェーンを提供すること。
【解決手段】ピンの表面に拡散浸透処理によるＣｒ炭化物層が施されており、ピンの母材となる鋼の最外側におけるＣｒ炭化物層が、主としてＣｒ₇Ｃ₃によって形成され、ピンのＣｒ炭化物層の最外層が、主としてＣｒ₂₃Ｃ₆によって形成されていると共に、最外層を残した状態で、潤滑油中のスーツ等の夾雑物が落ち込む大きさで面圧の小さな表面凹部が形成されていることにより、上記の課題を解決するものである。
【選択図】図４

Description

本発明は、自動車エンジン用の動力伝達用チェーンやカムシャフト駆動用チェーンに関するものであって、特に好ましくは、自動車エンジン用タイミングチェーンに関する。

近年、自動車用エンジンのカムシャフト駆動機構等に用いられる動力伝達媒体には、高荷重、高速化、レイアウトの自由度の向上及びメンテナンスフリー化の要請から、従来、多用されていた歯付ベルトやＶベルトに代わり、耐久性に優れた金属製ブシュチェーンや金属製ローラチェーンの採用が増加している。

一般に、自動車エンジン用の金属製ブシュチェーンは、円筒状のブシュの両端部が各々一対の内プレートのブシュ孔に圧入され、ブシュ内に遊貫された鋼製のピンの両端が、一対の内プレートの両外側に配置された一対の外プレートのピン孔に圧入された構成をしており、金属製ローラチェーンは、金属製ブシュチェーンのブシュにローラが外挿された鋼製をしている。

このような構成をした従来のチェーンにおいては、硬度向上、摩耗伸び性能の向上を目的として、（１）ピンに焼入(Quench hardening)・焼戻(Tempering)処理や浸炭(Carburizing)・窒化(Nitriding)処理等の熱処理加工を施したり、（２）ピン表面にボロナイジング処理やクロマイジング処理等の表面硬化処理を施したり、（３）ピン表面にニッケル等のめっき処理を施したりしていた（例えば、特許文献１参照）。

また、本願発明の発明者らは、従来の自動車エンジン用タイミングチェーンが抱えていた、エンジンルーム内の極端に劣化した酸化度の高い潤滑油と共に使用された場合に酸化や腐食の影響を受けやすく、ピンとブシュとの凝着(Adhension)に起因して摩耗しやすく、寿命が短いという課題を解決するために、ブシュの材質に浸炭処理を施すと共に、ピンの表面に炭化バナジウム（ＶＣ）層を形成した自動車エンジン用チェーンを既に開発し、市場で高い評価を得ている（例えば、特許文献２参照）。

さらに、サイレントチェーンのピンに対して炭化バナジウム（ＶＣ）処理を行った後、母材の最外層をバレル研磨処理によって完全に除去することにより、Ｖ₈Ｃ₇以外のバナジウム炭化物を多く含む不純物層が除去された炭化バナジウム（Ｖ₈Ｃ₇）層を母材の最外層に形成したものも提案されている（例えば、特許文献３参照）。
実開平１−１４９０４８号公報特許第３６５９９６３号公報特開２００５−２９０４３５号公報

ところが、上述した特許文献１に開示された自動二輪車用並びに一般機器用の伝動用小型チェーンにおいては、ピン表面にボロナイジング処理やクロマイジング処理等の表面硬化処理を施したり、ニッケル等のめっき処理を施したりしているにもかかわらず、自動車用エンジンのタイミングチェーン等に使用した際に、期待した耐久性が発揮されずに異常摩耗(Abnormal wear)伸びを生じるチェーンが、ごくわずかであるが存在することが報告された。

また、上述した特許文献２に開示された自動車エンジン用チェーンにおいては、ブシュの材質に浸炭処理を施すと共に、ピンの表面に炭化バナジウム層（ＶＣ）を形成したことによって、ブシュとピンとの凝着に起因する摩耗が抑制されるが、ブシュとピンの両方に熱処理加工や炭化バナジウム（ＶＣ）層の形成処理が必要であり、“製造原価が上昇”する。

さらに、上述した特許文献３に開示されたサイレントチェーンの表面処理方法を自動車エンジン用チェーンとして使用されるローラチェーンやブシュチェーンに適用した場合、その摩耗メカニズムは定かではないが、ローラチェーンやブシュチェーンでは、ブシュ内表面が酸化度の高い潤滑油により腐食され、さらに、高負荷下において面圧が高いピンとブシュの摺接により、摺接面の摩耗が促進されるものと推察され、サイレントチェーンに適用したときほどの効果は、得られなかった。

しかも、ピンの最外層をバレル研磨処理によって、完全に除去しているため、ブシュ内表面とピン外表面が面接触をするローラチェーン又はブシュチェーンに適用した場合、摩耗により生じた摩耗粉がピンとブシュの間に夾雑物として存在することにより、摩耗が一層促進する、いわゆる“アブレシブ摩耗(Abrasive wear)”が、ピン及びブシュの間の摺接面の異常摩耗の原因となり、ピンの耐摩耗性を向上させるという効果が、サイレントチェーンに適用した時ほど、発揮できなかった。

さらに、ピンとブシュが親和性の高い材質、例えば、同種元素で構成されている場合には、両者が“凝着”しやすく、自動車エンジン用チェーンの円滑な屈曲摺動を阻害する原因となっていることも明らかになった。

そこで、本発明の第１の目的は、前述したような従来の自動車エンジン用チェーンが抱えていた問題点を解消し、夾雑物が含まれるような極端に劣化した酸化度の高い潤滑油と共に使用された場合にあっても“アブレシブ摩耗”によるピン及びブシュの間の摺接面における“異常摩耗伸び”が発生することなく、さらに、ピンとブシュが親和性の高い材質、例えば、同種元素で構成されている場合においても、両者が“凝着”し難く、“凝着”に起因する摩耗が抑制され、長期に亘って円滑に屈曲摺動する自動車エンジン用チェーンを提供することである。

また、本発明の第２の目的は、良好な潤滑性を長期に亘って持続させる自動車エンジン用チェーンを提供することである。

さらに、本発明の第３の目的は、相手材であるブシュへの“攻撃性”を減少させ、“耐衝撃性(Shock resistance)”を向上させ自動車エンジン用チェーンを提供することである。

そこで、請求項１に係る自動車エンジン用チェーンは、ブシュの両端がそれぞれ一対の内プレートのブシュ孔に圧入され、前記ブシュ内に遊貫された鋼製のピンの両端が前記一対の内プレートの両外側に配置された一対の外プレートのピン孔に圧入されている自動車エンジン用チェーンであって、前記ピンの表面に拡散浸透処理によるＣｒ炭化物層が形成されており、前記Ｃｒ炭化物層の前記ピンの母材側に主としてＣｒ₇Ｃ₃からなる層が形成され、前記Ｃｒ炭化物層の最外側に主としてＣｒ₂₃Ｃ₆からなる最外層が形成されていると共に、前記最外層を残した状態で前記最外層にオイル中のスーツ等の夾雑物が落ち込む大きさであって面圧が小さい表面凹部が形成されていることによって、上記の課題を解決するものである。

また、請求項２に係る自動車エンジン用チェーンは、請求項１に係る自動車エンジン用チェーンの構成に加えて、前記表面凹部を形成する処理が、バレル研磨処理であることによって、上記の課題をさらに解決するものである。

さらに、請求項３に係る自動車エンジン用チェーンは、請求項１又は請求項２に係る自動車エンジン用チェーンの構成に加えて、ピンの母材側に形成された主としてＣｒ₇Ｃ₃からなる内側Ｃｒ炭化物層が、ピンの最外側に形成された主としてＣｒ₂₃Ｃ₆からなる外側Ｃｒ炭化物層より厚いことによって、上記の課題をより一層、解決するものである。

請求項１に係る自動車エンジン用チェーンは、ブシュの両端がそれぞれ一対の内プレートのブシュ孔に圧入され、前記ブシュ内に遊貫された鋼製のピンの両端が前記一対の内プレートの両外側に配置された一対の外プレートのピン孔に圧入されている自動車エンジン用チェーンであって、前記ピンの表面に拡散浸透処理によるＣｒ炭化物層が形成されており、前記Ｃｒ炭化物層の前記ピンの母材側に主としてＣｒ₇Ｃ₃からなる層が形成され、前記Ｃｒ炭化物層の最外側に主としてＣｒ₂₃Ｃ₆からなる最外層が形成されていることによって、ピンの母材上に高硬度の主としてＣｒ₇Ｃ₃からなる第１層とその上に、耐摩耗性に優れ、多孔質（ポーラス）であって耐熱性及び潤滑性にも優れた主としてＣｒ₂₃Ｃ₆からなる第２層からなる性質の異なる２層が形成されているので、極端に劣化した酸化度の高い潤滑油の中で使用された場合にも、“異常摩耗伸び”が抑制されると共に、“耐摩耗性”、“耐熱性”、“潤滑性”に優れた自動車エンジン用チェーンが得られる。

さらに、耐摩耗性に優れ、多孔質（ポーラス）であって耐熱性及び潤滑性にも優れた主としてＣｒ₂₃Ｃ₆からなる最外層を残した状態で前記最外層に潤滑油中のスーツ等の夾雑物が落ち込む大きさであって面圧が小さい表面凹部が形成されていることによって、この表面凹部が湯溜まりとなり、良好な“潤滑性”を発揮すると共に、直噴型エンジンやディーゼルエンジンなどにおいて発生しやすいスーツ等の夾雑物が前記表面凹部に落ち込み、ピンの表面に形成される油膜の形成が妨げられないと共に、ピン表面とブシュ内表面の摺接面上に夾雑物が存在しなくなり、アブレシブ摩耗の発生が抑制されるため、チェーンの摩耗伸びを小さくすることができる。この効果について、図２を用いて詳述する。

図２（ａ）は、本発明の主要部であるピン表面に形成したＣｒ炭化物層の最外層２０の断面を模式的に示した図である。主としてＣｒ₂₃Ｃ₆からなる最外層２０は、何ら表面粗さ処理を行わない場合、表面凸部２４と表面凹部２２を有しており、表面凸部２４の面圧が高い、すなわち、表面凸部２４の先端部の面積が小さいためブシュへの攻撃性が高い。

図２（ｂ）は、図２（ａ）に示した点線Ｂの位置まで、例えば、バレル研磨処理のような表面粗さ処理を施したときの状態を模式的に示している。この場合、図２（ａ）に示した表面凸部２４は、ほとんど磨かれているため、ブシュへの攻撃性は、低減している。しかしながら、表面凸部２４を磨きすぎたため表面凹部２２の大きさが小さくなり、潤滑油中のスーツ等の夾雑物２６は、表面凹部２２に落ち込まずピン表面に存在する。そのため、油膜２８の形成を妨げていると共に、夾雑物２６によるブシュへの攻撃性が懸念される。

図２（ｃ）は、図２（ａ）に示した点線Ｃの位置まで、表面粗さ処理を施したときの状態を模式的に示している。この場合、図２（ａ）に示した表面凸部２４は、略中腹部まで磨かれているため、ちょうど潤滑油中のスーツ等の夾雑物２６が落ち込むことができる大きさの表面凹部２２が形成される。そのため、油膜２８も形成されており、また、表面凸部２４も大部分磨かれており、面圧は低下しているので、ブシュへの攻撃性は、かなり低下している。請求項１における「潤滑油中のスーツ等の夾雑物が落ち込む大きさであって面圧が小さい表面凹部」とは、図２（ｃ）に示した状態を意味している。

図２（ｄ）は、図２（ａ）に示した点線Ｄの位置まで、表面粗さ処理を施したときの状態を模式的に示している。この場合、図２（ａ）に示した表面凸部２４は、先端部分が磨かれているだけであり、潤滑油中のスーツ等の夾雑物２６が落ち込むことができる大きさの表面凹部２２が形成される。そして、油膜２８も形成されているが、表面凸部２４の先端部の面積が小さく面圧が大きくなるため、ブシュへの攻撃性が高い。

従来よりチェーンの摩耗伸びを低減するために、ピンの表面粗さを良くしていた。これまで、ピンの表面粗さが良ければよい程、耐摩耗性が向上すると考えられていた。ところが、前記の説明から分かるように潤滑油中にスーツ等の夾雑物が存在する環境下では、ピンの表面粗さが良すぎるとかえってピン摩耗が促進されることが確認された。

さらに、請求項２に係る自動車エンジン用チェーンは、請求項１に係る自動車エンジン用チェーンが奏する効果に加えて、表面凹部をより形成する処理がバレル研磨処理であることによって、例えば、
（１）“超仕上げ”（円筒の内外面や平面、球面などワークを鏡面に仕上げることが目的の加工方法で、回転するワークに広い面で接触する砥石をばねで押し付け、且つ、回転軸方向に微小な低周波振動を与える加工方法）、
（２）“化学研磨”（加工したいワークを加工液中に浸して化学反応により平滑にし、光沢を与えることを目的とした加工方法）、及び、
（３）“電解研磨”（加工したいワークを電解液中に浸して、ワークを陽極（＋）、加工電極を陰極（−）に繋ぐことによって、陽極のワークの表面を電解液中に溶出される加工方法）などに比べて、被加工物であるピンと研磨材とが、バレル槽内で相対摩擦が起こるので、ピンのような小物部品の研磨を効率よく行うことができる。

請求項３に係る自動車エンジン用チェーンは、請求項１又は請求項２の構成に加えて、ピンの母材側に形成された主としてＣｒ₇Ｃ₃からなる内側Ｃｒ炭化物層が、ピンの最外側に形成された主としてＣｒ₂₃Ｃ₆からなる外側Ｃｒ炭化物層より厚いことによって、相手材であるブシュへの“攻撃性”が減少するので、チェーンの耐衝撃性が向上し、ブシュの摩耗量を抑制することができる。

これらの効果により、“耐久性”に優れ、“凝着”に起因する摩耗が抑制され、“耐摩耗性”及び“耐衝撃性”に優れ、長期に亘って円滑に屈曲摺動する自動車エンジン用チェーンが提供される。しかも、自動車エンジン用チェーンと共に使用する潤滑油の耐用期間の長期化も図られ、“環境負荷低減”にも寄与する。

本発明の実施の形態を実施例に基づき、図１乃至図５を参照して説明する。なお、前記の説明で明らかなように、本発明は、ブシュの内面とピンの外表面の摺接に起因する特性劣化を改善することを目的とした発明であるので、ローラチェーンであってもブシュチェーンであっても効果は、基本的に同じ傾向を示す。したがって、以下の実施例の説明においては、ローラチェーンについてのみ説明する。

図１は、本発明の一実施例であるローラチェーンの一部を示す斜視図である。この図１では、ローラチェーンの内部構造が分かるように、その一部を切り欠いた状態で図示している。

ローラチェーン１０は、ブシュ１２の両端が、それぞれ一対の内プレート１１のブシュ孔１１ａに圧入され、ブシュ１２内に遊貫されたピン１５の両端が一対の内プレート１１の両外側に配置された一対の外プレート１４のピン孔１４ａに圧入されている。そして、ブシュ１２にローラ１３を回転自在に外挿している。

本発明のローラチェーン１０は、ブシュ１２が、合金鋼により構成されていると共に、ピン１５の母材となる鋼または低炭素鋼の表面１５ａに高炭素表面層が形成される。この高炭素表面層の形成方法は、特に限定されるものではないが、浸炭剤中で９００〜９５０℃くらいに加熱し、炭素を拡散させてピン１５の表層の炭素量を増加させる、いわゆる“浸炭処理”によって行われる。言うまでもないが、ピン１５の母材として高炭素鋼を使用する場合には、この“浸炭処理”を施す必要はない。

次に、このピン１５の周辺にクロム粉末又はクロム合金粉末を充填して、９００〜１２００℃の高温下で５〜２５時間加熱処理する拡散浸透処理の一種である“粉末パック法”により、ピン１５の表面にクロマイジング層（クロムの拡散層）を形成する。この“粉末パック法”を行うに際して、適宜、アルミナ等の焼結防止剤や塩化アンモニウム等の反応促進剤を添加する。

この実施例においては、拡散浸透処理の具体的な方法としては、“粉末パック法”により、ピン１５の表面にクロマイジング層を形成しているが、この方法以外にも、溶融塩中で処理する“溶融塩法（通称、Toyota Diffusion）”や、クロム粉末と沈殿防止剤を添加した塗料などを塗布して乾燥させ、不活性ガスまたは真空中で加熱する“塗布法”等が知られている。しかしながら、実施例に於いては、製造原価が安く、ピン１５のような小物の処理に適している“粉末パック法”を採用している。

上記のように、高炭素表面層の上に拡散浸透処理によりクロマイジング層を形成させ、処理温度を１０００℃程度とすることによって、クロム（Ｃｒ）は、強力な炭化物形成元素であるので、ピン１５の最外層に形成された高炭素表面層及び母材そのものに含まれる炭素が、ピン１５の表面に形成されたクロマイジング層に拡散浸透していき、クロマイジング層に含まれるクロム（Ｃｒ）と結合し、図３に示した電子顕微鏡で撮影したピン１５表面の断面組織写真から分かるようにピン１５の母材となる鋼に接する層におけるＣｒ炭化物層が主としてＣｒ₇Ｃ₃からなる層となり、ピンの最外層におけるＣｒ炭化物層が主としてＣｒ₂₃Ｃ₆からなる層となる。

本実施例の場合、図３に示した断面組織写真から計測すると、母材側の主としてＣｒ₇Ｃ₃からなる内側Ｃｒ炭化物層の厚みが８〜２０μｍであり、最外層の主としてＣｒ₂₃Ｃ₆からなる外側Ｃｒ炭化物層の厚みが１〜６μｍである。このように、表面のクロマイジング層が何故に２層に分かれるかについては、今のところ詳細なメカニズムは定かではないが、処理粉末として外部から供給されるクロム（Ｃｒ）とピン１５の母材および母材表面に形成された高炭素表面層から供給される炭素が結びついて、Ｃｒ−Ｃ（Ｃｒ炭化物層）が形成され、その際に、より母材に近いところでは、より炭素の割合の高い主としてＣｒ₇Ｃ₃からなる層が形成され、母材から遠い表面側には、炭素の割合が低い主としてＣｒ₂₃Ｃ₆からなる層が形成される。そして、その形成過程における両者の固相と固相のバランスにより２層に分かれるものと推察される。

次に、ピンの表面をバレル研磨処理をして、耐摩耗性に優れた主としてＣｒ₂₃Ｃ₆からなる最外層を残存させつつ、最外層に潤滑油中のスーツ等の夾雑物が落ち込む大きさであって面圧が小さい表面凹部を形成する。表面凹部を潤滑油中のスーツ等の夾雑物が落ち込む大きさであって面圧が小さい前述した図２（ｃ）に示した状態に形成するためには、最初にバレル研磨処理時間を変化させて、その都度、電子顕微鏡による断面撮像を行い表面凹部の大きさを確認する。その結果、最外層を残存させつつ、潤滑油中のスーツ等の夾雑物が落ち込む大きさであって面圧が小さい表面凹部が形成されるまでのバレル研磨処理時間を求める。以降は、この時間を用いてバレル研磨処理を行うことにより、再現性よく適当な大きさの表面凹部を形成することが可能になる。このようにして形成されたピン表面被覆層の断面図の模式図を図４に示す。

実施例による自動車エンジン用チェーンのピンの特性を図るため下記に示す試験条件で、摩耗伸び試験を行い、その結果を図５に示した。
＜摩耗伸び試験条件＞
・チェーン：ピッチ８ｍｍのローラチェーン
・スプロケット歯数：１８枚×３６枚
・回転速度：６５００ｒ／ｍｉｎ
・潤滑油：劣化したエンジンオイル
・油量：１Ｌ／ｍｉｎ
なお、図５に示した実施例及び比較のために示した従来例１、従来例２のチェーン伸び試験の結果は、上記の条件で通常のモータリング試験機を用いてチェーン伸び試験を行った結果にのみ基づいている。しかしながら、上記の試験方法は、当業界で通常用いられている再現性の高い試験方法であるので、他の試験方法を行ったとしても、同じ傾向が示されると推認される。

ここで、比較のために示した従来例１は、実施例と同様の方法で製造したピンに対し、バレル研磨処理を徹底的に行い、ピンの表面に形成された２層のＣｒ炭化物層から、最外層のＣｒ₂₃Ｃ₆層を完全に除去し表面凹部が形成されたものである。また、従来例２は、最外層のＣｒ₂₃Ｃ₆層は残存させつつ、より細かな研磨処理を行い、表面から凹部を取り除き表面を滑らかに仕上げたものである。

図５に示したチェーン伸び試験の結果から、実施例のローラチェーンと、従来例１及び従来例２のローラチェーンとを試験時間が５０時間経過したところで比較すると、実施例のチェーン伸び率は、０．０８％であり、従来例１の０．２０％に対して略４０％に、従来例２の０．１２％に対して略６７％に減少している。この結果から分かるように、最外層（Ｃｒ₂₃Ｃ₆）を確保しつつ、その最外層に潤滑油中のスーツ等の夾雑物が落ち込む大きさであって面圧が小さい表面凹部を形成することによって、最外層（Ｃｒ₂₃Ｃ₆）の効果と表面凹部の効果の相乗効果が生じ、チェーン伸び率の著しい改善が奏される。

これまで自動車エンジン用チェーンは、ピンの表面粗さが良ければ良い程、チェーンの摩耗伸びが改善されると認識されていた。ところが、本発明の発明者らが鋭意研究したところ、自動車用チェーンが潤滑油中にスーツ等の夾雑物が存在するような環境下で使用される場合、ピンの表面粗さが良すぎるとかえってピン摩耗が促進されるという新しい知見に基づき本発明の自動車エンジン用チェーンは完成したものであって、特殊な製造設備や高価な材料を用いることなく、きわめて再現性良くチェーン摩耗伸びを改善することができる点で、産業上の利用可能性は、きわめて大きい。

本発明のローラチェーンの一部を示す斜視図。本発明のメカニズムを説明する概念図。本発明のローラチェーンのピンの断面組織写真。本発明のピン表面の断面の概略を説明する図。本発明のローラチェーンの劣化潤滑油中におけるチェーン伸び試験結果。

符号の説明

１０・・・ローラチェーン
１１・・・内プレート
１１ａ・・・ブシュ孔
１２・・・ブシュ
１３・・・ローラ
１４・・・外プレート
１４ａ・・・ピン孔
１５・・・ピン
１５ａ・・・ピンの表面
２０・・・ピン表面に形成したＣｒ炭化物層の最外層
２２・・・表面凹部
２４・・・表面凸部
２６・・・夾雑物
２８・・・油膜

Claims

ブシュの両端がそれぞれ一対の内プレートのブシュ孔に圧入され、前記ブシュ内に遊貫された鋼製のピンの両端が前記一対の内プレートの両外側に配置された一対の外プレートのピン孔に圧入されている自動車エンジン用チェーンであって、
前記ピンの表面に拡散浸透処理によるＣｒ炭化物層が形成されており、
前記Ｃｒ炭化物層の前記ピンの母材側に主としてＣｒ₇Ｃ₃からなる層が形成され、
前記Ｃｒ炭化物層の最外側に主としてＣｒ₂₃Ｃ₆からなる最外層が形成されていると共に、
前記最外層を残した状態で前記最外層に潤滑油中のスーツ等の夾雑物が落ち込む大きさであって面圧が小さい表面凹部が形成されていることを特徴とする自動車エンジン用チェーン。
前記表面凹部を形成する処理が、バレル研磨処理であることを特徴とする請求項１に記載の自動車エンジン用チェーン。
前記ピンの母材側に形成された主としてＣｒ₇Ｃ₃からなる内側Ｃｒ炭化物層が、前記ピンの最外側に形成された主としてＣｒ₂₃Ｃ₆からなる外側Ｃｒ炭化物層より厚いことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の自動車エンジン用チェーン。