JP3120298B2 - 内燃機関用タペット - Google Patents

内燃機関用タペット

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JP3120298B2 JP04072119A JP7211992A JP3120298B2 JP 3120298 B2 JP3120298 B2 JP 3120298B2 JP 04072119 A JP04072119 A JP 04072119A JP 7211992 A JP7211992 A JP 7211992A JP 3120298 B2 JP3120298 B2 JP 3120298B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、往復動式内燃機関に用
いられるタペット(バルブリフタ)に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の内燃機関用タペットとしては、例
えば本体を鋼又は鋳鉄とし浸炭焼入れなどを施したもの
が知られている。また近年においては、実開昭63-17450
8号公報に開示されているように、軽合金に被覆したも
の、実開昭62-138803号公報に開示されているように、
NiP合金メッキを施したもの、特開平1-315607号公報に
開示されているように、Fe-Cを溶射したものなどがあ
る。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の鋼又は鋳鉄製のものや表面処理を施した軽合
金製タペットにあっては、質量の増加を招くもの(鋼、
鋳鉄製など)や、コストの上昇を招くもの(実開昭63-174
508号公報、及び実開昭62-138803号公報に開示されてい
るもの)、形成された溶射層の靭性低下を招くもの(特開
平1-315607号公報に開示されているもの)などの何らか
の問題点があり、それらの問題点をすべて解決したもの
はなかったのが現状である。
【0004】本発明は、このような従来の問題点に着目
してなされたもので、低コストで、溶射層が耐摩耗性が
あり、かつ靭性の高い軽量の内燃機関用タペットを提供
することを目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、往復動式内燃機関に用いられるタペット
であって、母材がアルミニウムを基材とする軽合金であ
るものにおいて、少なくともシリンダヘッドと摺動する
面に、重量比で炭素0%を含まず0.1%以下、マンガン0.
6〜2.0%を有し、残部が鉄よりなる溶射層を有すること
を特徴としている。
【0006】
【作用】本発明は、上記特開平1-315607号公報に開示さ
れているものと関連が強いので、これと対比して、本発
明の作用を説明する。
【0007】上記公報に開示されている溶射層は、その
特許請求の範囲の記載では、「炭素含有量が0.1%以上
であってかつ硬度がHv300以上であるFe−C溶射層」
とされている。しかし、鉄と炭素のみからなる溶射層
で、炭素含有量が0.1%(重量比、以下同様)程度で、Hv
300以上の硬度を得ることはきわめてまれであり、実際
には、Hv300以上の硬度を得るには、少なくとも0.2%
程度以上の炭素含有量が必要であると考えられる。
【0008】このように炭素含有量を増加させること
は、硬度を高めるためには有効であるが、反面、割れの
危険性を有するものである。
【0009】一般に内燃機関用のタペットは140℃程度
までの高温にさらされ、かつ衝撃的な荷重を長時間にわ
たって受けつづける。一方、材料の割れ感受性は炭素の
含有量増加とともに増大する。(「溶接便覧」第889頁、昭
和52年3月31日丸善株式会社発行)
【0010】さらに、アルミニウムを基材として用い、
その表面に溶射層を形成した場合、前述したようにタペ
ットは約140℃まで昇温した状態で使用されるため、母
材部と外周部はともに熱により膨張する。この時母材は
アルミニウムを基材としているため、外周の溶射層より
も大きく膨張する。結果として溶射層は大きな円周方向
の引張力を受けることなる。
【0011】このようなことからアルミ合金を母材とし
た溶射層をその外周に形成したタペットの溶射層は、耐
摩耗性を有するように高硬度でなければならず、また前
述の引張力に耐えるため高い引張強度を有し、さらに衝
撃的な荷重に耐えるため高い靭性を持たなければならな
い。
【0012】前記公報に開示されている発明は、これを
炭素の添加によってのみ達成しようとしている。しかし
ながら、前述のように炭素と鉄のみの合金では硬さ、す
なわち強度と靭性を両立させることはできない。
【0013】そこで、炭素の一部を他の元素に置き換え
ることが考えられる。一般に鉄合金においては、他の合
金元素を添加することにより、硬さや強度を同一にしつ
つ炭素の含有量を低減することができる。表1には、そ
の例として合金元素0.1%増加当りの降伏点変化を示す
(出典:「溶接便覧」第884頁、昭和52年3月31日丸善株式
会社発行)。
【0014】
【表1】
【0015】これによれば、Nbが最も炭素代替元素と
しては有効であり、次にVやMoが有効であることが理
解できる。
【0016】しかしながらNbはきわめて高価な元素で
あり、これの添加はコスト上昇に直接つながる。またV
やMoは後述するように靭性を悪化させる。従ってMnの
添加はコスト的にも有効であり、その添加量は炭素低減
量の3倍で略同等の強度となる。
【0017】次に、靭性は割れ感受性としてとらえるこ
とができる。溶接材の割れ感受性指数をPwとするとP
wは次式で与えられる(「溶接便覧」第889頁、昭和52年3
月31日丸善株式会社発行)。
【0018】
【式1】Pw(%)=Pcm+1/60〔H〕+1/40000K Pcm(%)=C+1/30Si+1/20Mn+1/20Cu+1/60Ni+
1/20Cr+1/15Mo+1/10V+5B
【0019】これは、割れ感受性に与える影響はMnは
Cの1/20であることを示している。これに対しMoやV
はMnよりかなり大きい。
【0020】これらにより、強度を維持しつつ靭性を向
上させるためには、炭素量を低減させると同時にマンガ
ン(Mn)をその量に見合う量だけ添加するのがよいこと
がわかる。またその量は炭素低減量の略3倍とするのが
よい。この量は、炭素の減少量による効果の3/20しか靭
性を悪化させない。
【0021】これからも明らかなように、炭素(C)を低
減しMnを添加すれば強度と靭性を両立できるのであ
る。
【0022】本発明においては、溶射層の中の炭素含有
率を0.1%以下(0%を含まない)に抑えて、マンガンを0.
6%以上含有させたことにより、硬度に関しては、炭素
を0.2%以上付加したのと同等の硬度を維持することが
でき、しかも靭性に与える悪影響を、炭素を0.2%以上
付加した場合のものより3/20まで低減することができ
る。さらに高価な材料を一切用いないので、コスト的に
も有利である。なお、マンガンを最大でどの程度まで含
有させるか、すなわちマンガンの含有量の上限は、上記
のように、炭素を0.2%以上付加したのと同等の硬度を
得るためにどの程度必要かによって導き出されるもので
あり、後述する実験例からも2.0%程度とするのが好ま
しい。
【0023】溶射層を形成するにあたっては、シリコン
(Si)を添加するのがよい。シリコン(Si)を添加すると、
溶融金属の流動性を増加させ緻密な溶射層を容易に形成
でき、しかも前に示したように悪影響はきわめて少な
い。その量は前に説明した表や、式及び溶融金属の流動
性を考慮してほぼ0.5%とするのが望ましい。
【0024】このように本発明は、特開平1-315607号公
報に開示された技術とは異なり前記技術の欠点を補い一
層の技術的進歩を実現させるものである。
【0025】
【実施例】次に、本発明の一実施例を、添付図面を参照
して説明する。
【0026】図1は、本発明をDOHC式エンジンに用
いられる直動型の動弁機構に適用した実施例を略示する
もので、(1)はエンジンバルブ、(2)は、エンジンバル
ブ(1)の軸端部に形成した環状溝に嵌着された1対のコ
ッタ、(3)は、コッタ(2)に外嵌されたスプリングリテ
ーナ、(4)は、シリンダヘッド(5)の下方部分(図示せ
ず)とスプリングリテーナ(3)との間に縮設されたバル
ブスプリングである。
【0027】エンジンバルブ(1)の上方には、本発明の
タペット(6)が配設されている。このタペット(6)は、
上面が閉塞された円筒形のタペット本体(7)を備え、そ
の頂部(7a)の下面中央に設けた耐摩耗性金属材料よりな
るチップ(8)がエンジンバルブ(1)の軸端と当接するよ
うにして、エンジンバルブ(1)の上端部に上方より外嵌
されている。
【0028】タペット本体(7)は、例えば上記特開平1-
315607号公報に開示されているものと同様の母材がアル
ミニウムを基材とするAl−Si系アルミニュウム合金に
より形成する。
【0029】シリンダヘッド(5)に穿設された案内孔
(9)の内面に沿って摺動するタペット本体(7)の外側面
には、炭素0.1%以下(0%を含まない)、マンガン0.6%
以上を有し、残部が鉄よりなる所要厚さ(例えば0.1〜0.
3mm)の溶射層(10)を形成してある。この溶射層(10)を形
成するのにあたっては、例えば0.5%以上、好ましくは
0.5〜1.0%のシリコン(Si)を添加するのがよい。このよ
うにシリコン(Si)を添加すると、溶融金属の表面張力が
小となり、流動性を増加させ、緻密な溶射層(10)を容易
に形成することができる。
【0030】タペット本体(7)の頂部(7a)の上面に形成
された有底の円皿状の凹所(11)には、耐摩耗性金属材料
よりなるバルブクリアランス調整用のシム(12)が着脱可
能に嵌合されている。
【0031】このシム(12)の上面に回転カム(13)が当接
することにより、タペット本体(7)が押し下げられ、か
つタペット本体(7)及びチップ(8)を介して、エンジン
バルブ(1)が押し下げられることにより、開弁させられ
る。
【0032】上記のような構造のタペット(6)は、特開
平1-315607号公報に開示されているのと同様にして製造
することができる。
【0033】すなわち、Al−Si系アルミニュウム合
金(Si:11.6%、Cu:4.1%、Mg:0.8
%、残部がAlと不可避的不純物)から冷間鍛造により
タペット本体(7)を成形し、所定寸法に機械加工し、
熱処理を施し、炭素鋼製の耐摩耗性チップ(8)をタペ
ット本体(7)の頂部の下面に押圧して、その周囲のタ
ペット本体(7)部分をかしめ、その後、タペット本体
(7)の外周面に、溶射によって、厚さ100〜200
μmのFe系溶射層(10)を形成する。その溶射層
(10)を研磨加工した後、別途作成しておいたシム
(12)を、タペット本体(7)の凹所(11)内に嵌
合する。
【0034】実験例1 上記のような構造のものにおいて、溶射層(10)の成分を
次のように異ならせたサンプルを作成し、そのそれぞれ
について、硬度と摩耗量とを測定したところ、次のよう
な結果を得た。
【0035】
【表2】
【0036】炭素含有量及びマンガン含有量と硬度及び
摩耗量との関係を図2に示す。なお、図2に示す摩耗量
は、各サンプルを実際のエンジンに組込んで、回転数64
00rpmで200時間作動させた後の摩耗量を測定したもので
ある。
【0037】図2から、硬度に関しては、マンガン含有
量が0.3%増加するのと炭素含有量が0.1%増加するのと
がほぼ同等であること、マンガン含有量が0.6%以上に
なると硬度がHv300以上となること、及び硬度が増すと
摩耗量が減ることがわかる。
【0038】また、マンガン含有量が0.6%以上になる
と、摩耗量はほとんど一定となり、安定すること、及び
炭素が0.3%以上になった場合にも、ほぼ同様の値で安
定することがわかる。
【0039】上記各サンプルについて、靭性に関する実
験は行なっていないが、例えば、図3、図4及び図5に
示す公知のデータから、溶射層の炭素含有量を0.1%以
下に抑え、その代りにマンガン含有量を0.6%以上とす
ることにより、炭素含有量を0.2%以上に増加させた場
合より靭性が向上することがわかる。
【0040】すなわち、図3及び図4は、「新版鉄鋼便
覧」第87頁(昭和37年4月5日、日本鉄鋼協会編、丸善株式
会社発行)に記載されているものと同一のものであり、
図3からは、炭素を増加するとシャルピー値が下がるこ
とが、また図4からは、炭素をマンガンで置き換えるこ
とにより、等強度(引張強さ)が得られることがわかる。
【0041】また、図5は、「電気製鋼」Vol.63(1992)N
o.1第19頁(平成4年1月15日、電気製鋼研究会編、竹田印
刷株式会社発行)に記載されているものと同一のもので
あり、この図からは、炭素量が同一ならば、マンガンを
増加するとシャルピー値が上がることがわかる。
【0042】
【発明の効果】
(a) 溶射層の炭素含有量を0.1%以下に抑えても、マ
ンガン含有量を0.6%以上とすることにより、硬度に関
しては、炭素含有量を0.2%以上とした場合と同様の硬
度を得ることができる。
【0043】(b) 溶射層の炭素含有量を0.1%以下に
抑え、その代りにマンガン含有量を0.6%以上としたこ
とにより、靭性に与える悪影響を、炭素を0.2%以上付
加した場合のものより3/20まで低減することができる。
【0044】(c) 高価な材料を一切用いないので、コ
スト的にも有利である。
【0045】(d) 上記(a)〜(c)の効果により、低コ
スト、高硬度、高靭性という3つの効果をすべて兼ね備
えた内燃機関用タペットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用したタペットを備える内燃機関の
動弁機構を示す縦断正面図である。
【図2】炭素含有量及びマンガン含有量と硬度及び摩耗
量との関係を示す図である。
【図3】炭素含有量とシャルピー値等との関係を示す図
である。
【図4】引張強さに及ぼす炭素及びマンガンの影響を示
す図である。
【図5】マンガン含有量と温度とシャルピー値との関係
を示す図である。
【符号の説明】 (1)エンジンバルブ (2)コッタ (3)スプリングリテーナ (4)バルブスプリング (5)シリンダヘッド (6)タペット (7)タペット本体 (8)チップ (9)案内孔 (10)溶射層 (11)凹所 (12)シム (13)回転カム

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 往復動式内燃機関に用いられるタペット
    であって、母材がアルミニウムを基材とする軽合金であ
    るものにおいて、少なくともシリンダヘッドと摺動する
    面に、重量比で炭素0%を含まず0.1%以下、マンガン0.
    6〜2.0%を有し、残部が鉄よりなる溶射層を有すること
    を特徴とする内燃機関用タペット。
  2. 【請求項2】 溶射層を形成する材料中に0.5%以上の
    シリコンを含有することを特徴とする請求項1記載の内
    燃機関用タペット。
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