JP3001166B2

JP3001166B2 - カム又はその摺動部材及びその製造方法

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Publication number: JP3001166B2
Application number: JP31295490A
Authority: JP
Inventors: 正文角川; 修史横関
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1990-11-20
Filing date: 1990-11-20
Publication date: 2000-01-24
Anticipated expiration: 2015-01-24
Also published as: JPH04185697A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、摺動部材に関するものであり、さらに詳
しく述べるならば苛酷な摺動条件の下での使用に適する
摺動面構造を有する摺動部材、ならびにその製法に関す
る。

〔従来の技術〕

従来、内燃機関のカム軸のカム駒部やそれに摺接する
ロッカーアーム等の摺動部材として、摺動面部分の多量
の炭化物により高い耐摩耗性をもたさせた鋳鋼材、チル
鋳鉄材あるいは焼結合金材等が多用されている。これら
の摺動部材は、摺動面部分に高硬度の炭化物が多量に分
布しているためにその耐摩耗性は良好であるが、なじみ
性、潤滑性が乏しく、また相手材と摺動する基地（α−
Fe,マルテンサイトなどの相）は相手材に削り取られや
すく、焼付きが起こりやすいので、厳しい摺動条件の下
で使用すると、炭化物の欠点であるなじみ性、潤滑不足
や、基地の欠点である耐焼付性不足が問題となり、摺動
初期に焼付が起こりやすい。

この種の摺動部材の耐焼付性改善を目的として、例え
ばカム軸等においては、水蒸気を含む雰囲気中で加熱処
理を行うことにより摺動面、特に基地面に耐焼付性、潤
滑性にすぐれたFe₃O₄等の酸化皮膜を形成させる所謂ホ
モ処理が施されているが、Fe₃O₄を厚く形成することは
出来ないので、内燃機関が高性能化、高出力化され高速
・高接触面圧の下での厳しい摺動条件の下での摺動に際
しての耐焼付性はまだ充分ではない。

また、ホモ処理は540℃程度の高温で施されるのでホ
モ処理により材料の硬度低下は避けられない。したがっ
て、ホモ処理による硬度低下を見越して過度に急冷焼入
れを行う等の手段によりホモ処理前の材料の硬度を充分
に高硬度にしておく必要があるが、過度の急冷焼入れ処
理はこれによる材料変形の発生を大にし、カム軸などの
長尺材は曲りを生じ、最終表面処理であるホモ処理前の
研磨加工の工数を増大させ、製造コストを増大させる等
の難があり、なお改善が望まれている。

〔発明が解決しようとする課題〕

この発明は、上記に鑑み、優れた耐摩耗特性を有する
が耐焼付特性に難がある従来の鉄系摺動部材の摺動面構
造に改良を加えることにより耐焼付性を改善し、内燃機
関の高性能化・高出力化等に要請される高速・高接触面
圧の下での厳しい使用に耐える摺動部材を提供せんとす
るものである。

更に、この発明は、ホモ処理等の高温処理を必要とし
ない耐焼付性表面処理を施すことを可能にし、したがっ
て、過度の急冷焼入処理による材料変形の発生を低減さ
せ、製造コストの低減を可能にする摺動部材の製造方法
を提供せんとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は、基地中に面積比にして15〜25％の炭化物
が分布している鉄系合金材からなる摺動部材であって、
該摺動部材の摺動面部の炭化物を15μｍの高さ以下に基
地から突出させることにより炭化物間に形成される凹部
にMoS₂が接着されている摺動面構造を有する摺動部材を
提供することによって前記問題を解決する。

この発明に係る摺動部材の基材としては、基地中に面
積比で15〜25％の炭化物が分布している鉄系合金材であ
り、高合金鋼材、合金鋳鉄材、鋳鋼材、合金鋳鉄、焼結
合金等が採用される。これらの材料では、初晶炭化物、
共晶炭化物、二次炭化物を生成させることができ、焼結
材にあっては炭化物自体を粉末として分散させることが
できる。

母材の炭化物の分布量が15％以下では耐摩耗性が不足
し、また25％を超えて多量に分布させると材料の強度が
低下し且つ脆化する。したがって、本発明では炭化物の
分布量を15〜25％の範囲とする。

本発明においては、上記炭化物を15μｍ以下突出させ
た凹部をMoS₂を接着させる場所として利用する。炭化物
の突出量を15μｍを超えて大きくすると、高接触面圧の
下での摺動に際して炭化物が欠け落ちてこれが研磨剤と
して作用し、耐摩耗性を劣化させる危険がある。一方、
炭化物は突出高さが５μｍ以下になる場合MoS₂の保持効
果が少なくなる。したがって突出炭化物の高さがほとん
ど又は全部５μｍ以下であると、MoS₂の性能が十分に期
待されないので、かかる摺動部材は比較的摺動条件が緩
やかな用途にのみ使用される。さらに、炭化物の突出高
さが５μｍ以上のものと５μｍ以下のものに分散してい
る時は、両者により形成される凹部によるMoS₂の保持効
果が発揮される。

溶製により作られる多くの鉄鋼材料では初晶炭化物が
大きく、基地に生成するその他の炭化物は微細粒子にな
るので、前者の炭化物が５μｍ以上突出することにより
作られる凹部にMoS₂が保持される。この場合摺動面の炭
化物の突出量を５μｍ以下にすると、目的とする耐焼付
性の向上効果が充分に得られないので、炭化物の突出量
を５〜15μｍの範囲とすることが好ましい。

突出炭化物の形状としては、炭化物が網状に形成され
る鋳造材を採用することが好ましい。網状炭化物１（第
１図）は摺動面側の先端が突出していても、突出部と同
等以上の長さの部分が基地中に保持されているので、摺
動中に炭化物の脱落等が生ぜず、また、突出炭化物によ
り囲まれた摺動面が断面視では凹部を形成し、平面視で
は網に取り囲まれた閉空間あるいは一部開放空間とな
る。MoS₂はかかる凹部空間に良好に保持され、相手材と
の摺動に際しても塊になって脱落することはなく、なじ
み性や潤滑性を安定して発揮する。

上記した、基地中に面積比にして15〜25％の炭化物が
分布している鉄系合金材からなる摺動部材であって、該
摺動部材の摺動面の炭化物が基地から高さ５μｍ〜15μ
ｍの範囲で突出していて該炭化物間に形成される凹部に
MoS₂が固着されて埋め込まれている摺動面構造を有する
摺動部材を製造する方法の例を説明する。

炭素を1.55〜1.85％、少なくともCr14.4〜20.0％、Mo
0.5〜1.5％よりなる群より選択される特殊炭化物形成元
素を含有し、残部実質的にFeからなる合金を鋳造し、得
られた鋳鉄の摺動面となる面をを電解腐食することによ
り、鋳鉄の基地を深さ５〜15μｍだけ溶解させ、続いて
前記面にMoS₂微粒子と有機接着剤の混合物の層を形成
し、前記有機接着剤の硬化温度で加熱を行う。

本発明においては、面積比で15〜25％の炭化物を形成
させるが、溶製法で鋳鋼を採用する場合には、炭化物形
成元素としては、少なくとも1.55〜1.85％のＣと、14.4
〜20.0％のCr及び0.5〜1.0％のMoを含む鋳鋼とすること
が望ましい。炭素含有量が1.55％未満であると、炭化物
形成量が少なく、さらにフェライトが現れやすくなりま
た鋳造が困難になるなどの欠点がある。一方、炭素含有
量が1.85％を超えると、強度が低下する。

Cr含有量が14.4％未満であると、炭化物形成量が少な
くなり、MoS₂の保持作用が弱くなりまた母材の耐摩耗性
が不足する。また、Cr含有量が20.0％を超えると、硬く
なり過ぎて加工性が悪くなる。また、Mo含有量が0.5％
未満であると焼入性及び基地強度の低下により対摩耗性
が悪くなり、Mo含有量が1.0％を超えると、コストが高
くなる。

以下、上記した鋳鋼材で形成される初晶の網状炭化物
を突出させることにより、その間に形成された凹部をMo
S₂を埋め込む場所として使用する具体例につき本発明を
更に説明する。

有機バインダーを含んだ有機溶剤中にMoS₂微粉末を懸
濁し、これをスプレー等により表面に塗布し、乾燥後焼
成することにより可能である。樹脂としてはポリイミド
などを使用することができる。これらの樹脂は220℃程
度の比較的低温度で焼成することによって容易に硬化
し、MoS₂層が前記凹部に接着される。

焼成後のMoS₂層の厚みは突出炭化物とほぼ同等以上で
あることが好ましい。焼成後のMoS₂層の厚みが突出炭化
物よりはるかに少ないと、接触面圧を突出炭化物だけで
受ける状態になり、焼付きが起こりやすくなる。MoS₂層
が相手材との摺動により相手材となじんだ後に、突出炭
化物が摺動面に現れるように、MoS₂層３を突出炭化物２
よりある程度厚くしてもよい（第１図参照）。

摺動部材の製造するには下記工程〜を行うことが
好ましい。

少なくとも、1.55〜1.85％のＣと14.4〜20.0％のCrと
0.5〜1.0％のMoを含有し、基地中に面積比にして15〜25
％の炭化物が分布している鉄系合金部材を準備し、該鉄
系合金部材の摺動面部位を研削または研磨する加工工程前記合金部材を、陰極を備えた浴温30〜45℃の酸浴中
に浸漬し、該合金部材を陽極として両極間に通電するこ
とにより前記摺動面部位の炭化物間を選択的に電解腐食
させて該炭化物間に５〜15μｍの深さの凹部を形成させ
る工程前記凹部を形成した合金部材を洗浄し次いで乾燥させ
た後、熱硬化性の有機化合物でなるバインダーを含む有
機溶剤中にMoS₂微粉末を懸濁させた塗布材を前記摺動面
部位に塗布する工程前記塗布材を塗布した前記合金部材を乾燥した後に焼
成し、摺動面部位表面の炭化物間の凹部にMoS₂を接着す
る工程［作用］本発明の摺動部材は、摺動面に硬質で耐摩耗性の良好
な炭化物が面積比で15〜25％分布しかつ突出していて炭
化物間に15μｍ以下の深さで形成される凹部には固体潤
滑剤であるMoS₂が接着され、埋め込まれている。

したがって、摺動に際して突出した炭化物が優先的に
相手摺動部材から圧力を受け、これと対接摺動し部材に
耐摩耗性を付与するとともに、炭化物間の凹部に埋め込
まれたMoS₂の潤滑作用によって焼き付きの発生が防止さ
れる。

また、本発明では炭化物間の凹部へのMoS₂の接着処理
は接着剤の硬化温度でなされるために、母材の焼入れ硬
度をほとんど低下させることがなく、Moなどの二次硬化
元素を含有する材料では若干の硬化も期待できるので、
カム軸などに必要限度の硬度に焼入れを施しておけばよ
く、過度の焼入れによる材料変形の発生が防止でき、加
工工数を低減させることができる。

以下実施例により本発明を説明する。

〔実施例１〕 C:1.65％、Si:1.2％、Mn:0.8％、Cr:15％、Mo:0.85
％、鉄：残部よりなる組成の鋳鋼製カム軸を鋳造した。
鋳造組織を第２図（倍率100倍）に示す。図中、腐食に
より黒く見える部分が鉄基地である。

鉄基地を取り囲む白色の部分が網状の炭化物である。

鋳造カム軸を粗加工した後に高周波焼入処理を施し、
カム軸の摺動部即ちカム部の表面硬度がHRC62で炭化物
の面積比20％のカム軸素材を得た。次いでこのカム軸素
材に仕上げ研磨加工を施した後洗浄し、陰極を有する10
％濃度の硫酸浴中に浸漬し、カム軸を陽極として下記の
条件で電解腐食を行った。

浴温 :35℃ 電流密度:25A/dm² 通電時間:40sec 上記の電解腐食処理により、炭化物以外の基地部分が
選択的に腐食除去され、カム部外周面の炭化物が８μｍ
程度の高さに突出し、その間に凹部を有する表面構造を
なすカム外周面とされた。電解腐食後のカム部外周面の
SEM像を第３図（倍率1000倍）に示す。図中全体が黒く
見える部分が炭化物であり、細かい黒色の点が無数に分
散して見える部分が電解腐食により溶解した鉄基地であ
る。

ポリイミド樹脂（ダウコーニング社商品名（モリコー
ト）に対してMoS₂微粒子を撹拌懸濁させた塗布剤を前記
カム軸のカム外周にスプレーにより塗布した後充分に乾
燥し、ついで220℃で１時間の焼成即硬化処理を施し
た。

上記により面積比で20％の炭化物が分布し、且つ突出
していてその間に深さ８μｍの凹部が形成され、該凹部
と突出炭化物の上面にMoS₂が厚み10μｍで接着されてい
る摺動面構造を有するカム軸が得られた。摺動面構造を
第４図（倍率1000倍）に示す。図中、MoS₂からなるコー
ティング層中に突出した炭化物は網状あるいは棒状であ
り、母材の炭化物が断面でも網状になっていることが分
かる。

得られたカム軸を内燃機関に組込み、カム面と相手ロ
ッカアームとの接触面圧が90Kg/mm²になるようにバルブ
スプリングを調整し、回転速度5000rpmでモータリング
テストにより耐焼付性テスト（耐スカッフテスト）を行
った。

なお、潤滑条件は、潤滑油：クェーカーステート油温:90℃ とした。

テスト結果、カム面には焼付発生の痕跡も認められな
かった。

〔実施例２〕前記実施例１の場合と同一組成を有する鋳鋼カム軸を
鋳造し、粗加工次いで高周波焼入れ処理を施した後、仕
上げ研磨加工を施しカム軸素材とした。得られたカム軸
素材に前記と同様な方法で、但し処理時間を変化させて
電解腐食処理を施して炭化物の突出量の異なる試料を得
て、それぞれの試料の炭化物間に形成された凹部にMoS₂
の埋込処理を施した。

得られた各カム軸試料を内燃機関に組込み、カム面と
相手ロッカアームとの接触面圧を切り替えながら段階的
に上昇させる方法で、モータリングテストにより耐焼付
性の評価テストを行った。

ここで、接触面圧以外の条件（回転速度、潤滑条件
等）は前記実施例１におけると同一とした。

なお、本テストには比較のために電解腐食処理を施さ
ず、したがって、炭化物間に凹部を形成していない試料
（試料−６）、及び該試料に従来のホモ処理を施した試
料（試料−７）についても同様な評価テストを行った。
試供品を第１表に示す。

耐焼付性の評価は、カム摺動面に発生したスカッフィ
ング傷の幅（スカッフ幅）の程度でおこなった。

得られた結果を第５図に示す（図中１〜７は試料番号
を示す）。

本テスト結果は、摺動部材の摺動面に炭化物を突出さ
せ、これにより該炭化物間に形成される凹部にMoS₂を接
着させて埋め込んだ本発明の摺動面構造とすることによ
り、スカッフ幅が小さく摺動部材の耐焼付性が改善され
ることを示している。

なお、前記した通りでホモ処理は高温（540℃）でな
されるために、高周波焼入れ処理で折角付与された高硬
度がホモ処理をすることにより低下してしまう。したが
って、カム軸として要求される硬度がHRC55以上である
場合は、これを確保するためには、ホモ処理過程での硬
度低下（HRc5）を見越して高周波焼入れ処理を過剰に行
うことが必要である。

上記の比較テストにおいて採用した試料−７は、従来
のホモ処理をほどこしたものであるが、上記の理由から
高周波焼入れ処理を充分に行い他の試料の焼き入れ硬度
よりも高硬度にし、ホモ処理過程での硬度低下した後の
硬度が他の試料のそれと同等程度になるように高周波焼
入れ条件を調整して作成したものである。

〔発明の効果〕

本発明（請求項１）は前記する如く良好な耐摩耗特性
を示すとともに耐焼付性に優れた摺動部材を提供するも
のであって、この摺動部材は過酷な摺動条件の下で使用
される摺動部材として利用価値が高い。

また、本発明（請求項５）においては、耐焼付性改善
の表面処理が低温度でなされるので、従来のホモ処理を
施す場合のように部材の硬度低下を生じることもなく、
また加熱処理に伴う材料変形の発生が防止できる。

したがって、焼入れ硬化処理の後の研磨加工工数を大
幅に低減させることができるので、カム軸等の長尺の摺
動部材に適用する場合、この効果は顕著である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の摺動部材の断面組織の模式図であ
り、第２図は本発明の好ましい母材の金属組織を示す金属顕
微鏡写真（倍率100）で示したものであり、第３図は、第２図の母材を電解腐食した後の母材表面の
金属組織写真（SEM像倍率1000倍）、第４図はMoS₂粒子構造及び母材の金属組織を示す写真で
あり、第５図は耐焼付性テストの結果を示すグラフである。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＦ１６Ｈ 53/02 Ｆ１６Ｈ 53/02 Ｂ // Ｃ１０Ｎ 10:12 40:02 50:08 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C10M 103/02 - 103/06 C10N 40:02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基地中に面積比にして15〜25％の炭化物が
分布している鉄系合金材からなるカム又はその摺動部材
であって、該カム又はその摺動部材の摺動面の炭化物の
みが高さ５〜15μｍ基地から突出しており、該炭化物間
に形成される凹部にMoS₂が接着されている摺動面構造を
有することを特徴とするカム又はその摺動部材。
【請求項２】1.55〜1.85％のＣ、14.4〜20.0％のCr及び
0.5〜1.0％のMoを含有し、残部実質的にFeからなる合金
の摺動面となる面を電解腐食することにより、基地を深
さ５〜15μｍだけ溶解させることにより、炭化物のみを
高さ５〜15μｍ前記基地から突出させた前記面に、続い
てMoS₂微粒子と有機接着剤の混合物の層を形成し、前記
有機接着剤の硬化温度で加熱を行うことを特徴とするカ
ム又はその摺動部材の製造方法。