JP3869192B2

JP3869192B2 - 転がり摺動部品

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Publication number: JP3869192B2
Application number: JP2000216603A
Authority: JP
Inventors: 康夫浅井; 秀明石井
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2000-07-17
Filing date: 2000-07-17
Publication date: 2007-01-17
Anticipated expiration: 2020-07-17
Also published as: JP2002031212A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、転がり摺動部品に関する。この転がり摺動部品としては、例えばエンジンの動弁機構用のロッカーアームやバルブリフターなどのカムフォロワのローラまたは支軸や、ころ軸受および円錐ころ軸受の転動体または軌道輪などが挙げられる。
【０００２】
【従来の技術】
例えばエンジンの動弁機構において、耐久性の向上とメインテナンスフリー化を達成させるには、特にカム軸におけるカムおよびこれに接触するカムフォロワのローラの潤滑性が問題となる。
【０００３】
近年では、カムフォロワのローラを支軸に対して転がり支持させる構造が採用されている。一般的に、カムフォロワのローラは、理論的にはカムに対して転がり接触となるはずであるが、カム形状からくるローラの回転速度変化や軸受作用荷重の急激な変動など、純転がり運動は不可能で、滑りを伴う転がり接触となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、カムフォロワでは、そのローラ外周面とカムとの当接圧力が例えば１５０Ｋｇｆ／ｍｍ²と非常に高くなるような厳しい使用条件となる。また、潤滑油の供給不良などにより潤滑油が希薄で潤滑条件が厳しくなる。
【０００５】
このようなことから、カムフォロワのローラとカムとが、油膜を介さずに金属母材どうしの接触になりやすいために、この金属接触を起こした部分が発熱して特にピーリング、スメアリング、焼き付きなどの損傷が発生しやすくなるなど、耐久性つまり寿命が低下しやすくなる。
【０００６】
特に、ディーゼルエンジンなどでは、ブローバイガスによりエンジンオイルが劣化しやすくて、煤などの燃焼生成物が発生するために、ローラとカムとの接触部位の潤滑条件がさらに厳しくなりやすいと言え、上述したような損傷がさらに早期段階で発生しやすくなる。
【０００７】
このような事情に鑑み、本発明は、転がり摺動部品において、転がり接触あるいはすべり接触となる部位の損傷を長期にわたって抑制できるようにすることを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る転がり摺動部品は、相手部材との間で相対的に転がり接触またはすべり接触が生ずる鉄系金属からなる転がり摺動部品であって、その転がり摺動面に、結晶粒径３μｍ以下としたリン酸塩皮膜が膜厚１〜４μｍに設定されて形成されているとともに、このリン酸塩皮膜の形成前に前記転がり摺動面の表面に表面残留応力が５００ＭＰａ以上とされる加工処理を予め施してあり、前記リン酸塩皮膜の形成過程で生じる侵食作用によって、前記転がり摺動面に、粗さ中心線を基準とした深さを０．５〜５μｍかつ開口の平均直径を５〜３０μｍとしたくぼみが、１ｍｍ幅当たり１５個以上互いに独立して形成され、前記くぼみ内をリン酸塩の結晶粒で埋めたうえで前記薄膜のリン酸塩皮膜が形成されている。
【００１０】
以上、本発明では、転がり摺動面に対して形成するリン酸塩皮膜のリン酸塩の結晶粒径を特定しているとともに、このリン酸塩皮膜の形成過程で侵食される転がり摺動面の面性状を特定するようにしている。これにより、リン酸塩皮膜の摩耗が進行しても転がり摺動面に侵食形成されるくぼみ内にリン酸塩の結晶粒が残留しやすくなり、潤滑作用が長期継続されることになる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の詳細を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
【００１３】
図１ないし図３に本発明の一実施形態を示している。図１は、カムフォロワの縦断面図、図２は、支軸およびローラの表面を模式的に示す断面図、図３は、試験装置の縦断面図である。
【００１４】
この実施形態では、転がり摺動部品を、カムフォロワの支軸およびローラとした例を挙げており、まず、カムフォロワの利用形態について、図４および図５を参照して説明する。
【００１５】
図４には、ＯＨＶ型式エンジンの動弁機構を示しており、カム軸１のカム１ａによりプッシュロッド２を上下動させることによりその上端と連動するロッカアーム４を揺動させて、このロッカアーム４の揺動でバルブ５を開閉動作させるようになっており、ロッカアーム４の下端のバルブリフター６の下部にカムフォロワ７が設けられている。
【００１６】
図５には、ＯＨＣ型式エンジンの動弁機構を示しており、カム軸１のカム１ａにより直接的にロッカアーム４を揺動させて、このロッカアーム４の揺動でバルブ５を開閉動作させるようになっており、このロッカアーム４の端部にカムフォロワ７が設けられている。
【００１７】
いずれのカムフォロワ７も、図１に示すように、ロッカーアーム４やバルブリフター６の遊端部に一体的に形成される二股のアーム８，８と、アーム８，８間に架設される支軸９と、支軸９に対して複数の針状ころ１１を介して回動自在に転がり支持されるローラ１０とを含む。
【００１８】
支軸９は、その両端がアーム８，８の軸挿入孔に対して挿入されていて、支軸９の両端面を打刻して塑性変形させるかしめにより抜け出し不可能なように固定される。この支軸９は、カム軸１からローラ１０を介して繰り返し受ける荷重により変形しにくくなるように、例えばＪＩＳ規格ＳＵＪ−２により形成される。但し、この支軸９は、その両端部分を除いて高周波焼き入れなどの硬化処理を施してもよい。
【００１９】
ローラ１０は、例えばＪＩＳ規格でのＳＵＪ−２、ＳＣｒ４２０Ｈ、ＳＣＭ４２０Ｈ、ＳＮＣＭ２２０Ｈ、ＳＮＣＭ４２０Ｈ、ＳＮＣＭ８１５や、ＳＡＥ規格での４３２０、５１２０などにより形成される。
【００２０】
そして、上述した支軸９の外周面およびローラ１０の内外周面には、リン酸塩皮膜処理と呼ばれる化学的加工が施される。このリン酸塩皮膜処理とは、リン酸マンガン皮膜処理、リン酸亜鉛皮膜処理、リン酸亜鉛鉄皮膜処理、リン酸亜鉛カルシウム皮膜処理、リン酸鉄皮膜処理、リン酸すず皮膜処理などを含む広義の表現であり、これらいずれを採用してもよい。
【００２１】
この実施形態では、リン酸マンガン皮膜処理を施す例を挙げる。このリン酸マンガン皮膜処理の内容は、後で詳細に説明するが、このリン酸マンガン皮膜処理を施すと、処理対象としての支軸９の外周面およびローラ１０の内外周面には、例えば図２に誇張して示すように、互いに独立したくぼみ２０が侵食により形成されるとともに、この表面全体にリン酸マンガン皮膜２１が形成される。このリン酸マンガン皮膜２１は、化学式で（Ｍｎ_1-XＦｅｘ）_5H2（ＰＯ₄）₄・４Ｈ₂Ｏと表され、結晶構造が単斜晶系である。
【００２２】
そして、処理対象となる金属母材の表面状態やリン酸マンガン皮膜２１の膜厚や表面状態は、以下に示す５つの項目を満たすものとされる。
【００２３】
▲１▼ リン酸マンガン皮膜２１の結晶粒径を３μｍ以下にする。
【００２４】
▲２▼ 処理対象の表面に、粗さ中心線を基準（＝０）とする深さが０．５〜５μｍかつ開口の平均直径が５〜３０μｍのくぼみ２０を１ｍｍ幅当たり１５個以上互いに独立して設ける。
【００２５】
▲３▼ 処理対象の表面における面粗さのパラメータＳＫ値をマイナス値でかつパラメータＲｑ値を０．１以上とする。ＳＫとは、周知のように表面粗さ分布の偏りを見るのに用いるもので、このＳＫ値がマイナス値とは、凹凸分布が凹側に偏った非対称な分布になるような表面状態を示す。Ｒｑとは、周知のように自乗平均平方根粗さのことである。
【００２６】
▲４▼ リン酸マンガン皮膜２１の膜厚を、１〜４μｍとする。
【００２７】
▲５▼ リン酸マンガン皮膜２１の表面の面粗さのパラメータＲｑを１．５以下、好ましくは０．３〜０．７、さらに好ましくは０．５５〜０．６５とする。このＲｑの代わりに中心線平均粗さＲａで表現してもよく、そのときは周知の計算により換算することができる。
【００２８】
次に、上記リン酸マンガン皮膜２１を得るための処理内容について詳細に説明する。
【００２９】
つまり、処理対象を水洗する第一水洗工程と、処理対象の表面を脱脂する脱脂工程と、脱脂した処理対象を水洗する第二水洗工程と、処理対象の表面を調整する表面調整工程と、処理対象の表面にリン酸マンガン皮膜処理を施す化成工程と、処理対象の表面を水洗する第三水洗工程と、処理対象の表面に水溶性防錆油を塗布する防錆工程と、処理対象の表面を乾燥する乾燥工程とを順次行う。
【００３０】
なお、上記表面調整工程では、表面調整剤として日本パーカライジング株式会社製の商品名ＰＬ５５を用い、また、上記化成工程では、リン酸マンガン化合物の水溶液として日本パーカライジング株式会社製の商品名パルホスＭ１Ａを用いる。
【００３１】
ところで、上記表面調整工程では、処理対象の表面に、表面調整剤に含まれるコロイド状の微小粒子が付着される。また、上記化成工程では、リン酸マンガン化合物の水溶液が処理対象と反応することにより、処理対象の表面を侵食しながら、上記微小粒子を核としてリン酸マンガンの結晶粒が成長し、図２に示すようなリン酸マンガン皮膜２１が形成される。
【００３２】
この化成工程での反応メカニズムとしては、処理開始段階において、処理対象の表面を侵食してその表面の局部からＦｅ²⁺イオンを溶解させながら、前記Ｆｅ²⁺イオンがリン酸マンガン化合物の水溶液中のＨ⁺イオン、Ｍｎ²⁺イオンやＨ₂ＰＯ₄ ^-イオンと結合して、処理対象の表面に結晶成長することにより、（Ｍｎ_1-XＦｅｘ）_5H2（ＰＯ₄）₄・４Ｈ₂Ｏで表されるリン酸マンガン皮膜２１が形成されるのである。
【００３３】
次に、図３に示す試験装置５０を用いて、種々な条件での性能を評価しているので、説明する。
【００３４】
図３において、５１は図示しないモータなどにより回転駆動される駆動軸、５２は駆動軸５１により回転される従動軸、５３は駆動軸５１の支持台、５４は従動軸５２の支持枠、５５，５６は駆動軸５１のサポート軸受、５７，５８は従動軸５２のサポート軸受、６０は駆動軸５１に固定される駆動試料、６１は従動軸５２に固定される従動試料である。
【００３５】
試験では、駆動軸５１の回転数を１０００ｒｐｍとし、駆動試料６０と従動試料６１とに対して付加するラジアル荷重を最大接触面圧で換算して２．２５ＧＰａとし、運転時間を２０時間（ｈｒ）とする。使用する潤滑油は、タービン油ＶＧ３２とし、駆動試料６０と従動試料６１との間の潤滑油の最小膜厚を、０．２８４μｍとなるように管理する。この潤滑油の最小膜厚（μｍ）と、下記する駆動試料６０の表面粗さ（Ｒｑ）とで求められる油膜係数Λ（μｍ／Ｒｑ）については、０．４８〜０．６の範囲に管理される。この油膜係数は、潤滑状態を示す指標であり、上述した具体数値は、カムフォロワ装置７の一般的な潤滑状態に近似させるように考慮している。
【００３６】
駆動試料６０は、上記動弁機構のカム１ａに相当するものであり、例えば表面硬度がＨＲＣ６１〜６２に設定された一般的なＪＩＳ規格ＳＵＪ−２で形成し、その表面粗さを自乗平均平方根粗さ（Ｒｑ）で０．５２８〜０．５９４に設定している。
【００３７】
従動試料６１は、上記カムフォロワ装置７の支軸９およびローラ１０に相当するものであり、例えば表面硬度がＨＲＣ６１〜６２に設定された一般的なＪＩＳ規格ＳＵＪ−２で形成し、その表面に種々な処理条件でリン酸マンガン皮膜２１を形成している。このリン酸マンガン皮膜処理の条件は、下記表１に示すような８つ（実施形態１〜５、比較例６〜８）とする。
【００３８】
なお、実施形態１〜５と比較例１は、従動試料６１表面に互いに独立したくぼみ２０が存在する形態になっており、比較例２，３は、従動試料６１表面にのごぎり歯状あるいはサインカーブ状などのような連続する凹凸が存在する形態になっている。
【００３９】
つまり、比較例２，３は、実施形態１〜５における試料表面粗さや粗さの形態の優位性を証明するためのものであり、また、比較例１は、実施形態１〜５における試料表面のくぼみ２０の密度や深さを特定することの優位性を示すためのものである。
【００４０】
【表１】

上記表１において、ｎは１ｍｍ幅当たりのくぼみ２０の個数、ｈはくぼみ２０の平均深さを表す。
【００４１】
上記表１の評価欄の○、×は、特にピーリングの発生度合いに基づいて決定している。このピーリングとは、一般的に、微視的には表面亀裂を伴った深さ数ミクロン、大きさ数十ミクロンの微小はくりが発生する現象のことであり、巨視的には、表面の薄皮がはがれたようになる現象のことである。
【００４２】
つまり、試験終了後に従動試料６１の表面状態を観察すると、実施形態１〜５ではピーリングがほとんど発生しなかったが、比較例１ではピーリングの発生が多く見られ、比較例２，３では、リン酸マンガン皮膜２１が摩耗した状態での表面の凹凸状態とピーリングとの識別が困難であるものの、亀裂の発生が見られたので、ピーリングが発生しているものと判断した。
【００４３】
なお、実施形態１〜５や比較例１〜３のいずれでも、経時的にリン酸マンガン皮膜２１が全体的に摩耗するのであるが、実施形態１〜５の場合では、くぼみ２０内にリン酸マンガン皮膜２１の結晶粒が残留した状態になるのに対し、比較例１〜３の場合では、凹み内にリン酸マンガン皮膜２１の結晶粒があまり残留していない状態になる。このくぼみ２０内に残留する結晶粒には、潤滑油が浸透して保持されるので、この潤滑油の染みだしにより、表面に油膜が途切れることなく形成されることになり、上述したような結果につながったと言える。
【００４４】
このような結果により、カムフォロワ７の支軸９やローラ１０などの転がり摺動部品について、その表面粗さを上述したような条件に特定したうえで、この表面にリン酸マンガン皮膜２１を形成すれば、耐久性が向上して長寿命化に貢献できると言える。
【００４５】
以上説明した実施形態でのカムフォロワ７では、潤滑油の希薄な環境であっても、支軸９の外周面およびローラ１０の内外周面に、潤滑油の油膜が途切れることなく形成されることになって、ローラ１０とカム１ａとの直接的な金属接触や、ローラ１０および支軸９と針状ころ１１との直接的な金属接触を防止できるようになるので、支軸９およびローラ１０の表面にピーリング損傷が発生することを長期にわたって抑制できるようになる。ところで、ディーゼルエンジンなどでは、潤滑油の劣化が早い上に、潤滑油に煤などの燃焼生成物が多いなど、潤滑条件が厳しいが、本発明を適用すれば潤滑性の改善に有効となる。
【００４６】
また、上記実施形態のようにカムフォロワ７の支軸９やローラ１０の外周面に膜厚や表面粗さを特定したリン酸マンガン皮膜２１を形成していれば、カムフォロワ装置７の組み立て時や、カム１ａとの接触圧調整などが簡単かつ適正に行いやすくなるなど、使い勝手が向上する。つまり、カムフォロワ７の組み立て時には、アーム８，８間に支軸９を架設するときの支軸９の挿入が比較的容易となり、また、支軸９に対して複数の針状ころ１１を介してローラ１０を外嵌装着するときの三者のはめ合いが比較的容易になる。さらに、ローラ１０とカム１ａとの接触圧調整時には、それらを接触させた状態でのリン酸マンガン皮膜２１の膜厚変化が少なくなるので、接触圧調整作業が簡単にして高精度に行えるようになる。
【００４７】
なお、本発明は上記実施形態のみに限定されるものではなく、種々な応用や変形が考えられる。
【００４８】
（１）上記実施形態では、支軸９とローラ１０の両方にリン酸マンガン皮膜処理を施すとしているが、いずれか一方のみに施した形態とすることができる。なお、リン酸マンガン皮膜処理は、少なくとも、ローラ１０に対してはその外周面に、また、支軸９に対してはその外周面においてアーム８，８への固定部位を除く領域に、施せばよい。
【００４９】
（２）上記実施形態では、支軸９にローラ１０を転がり軸受（針状ころ１１）を介して支持させたカムフォロワ７を例示しているが、転がり軸受を用いずにすべり支持させるようにしたカムフォロワについても本発明の適用対象となる。
【００５０】
（３）上記実施形態では、転がり摺動部品をカムフォロワ７の支軸９やローラ１０とした例を挙げているが、ころ軸受や円錐ころ軸受の転動体や軌道輪の少なくともいずれか一つとしたり、自動車エンジンのピストンやその周辺部材としたり、さらに、コンロッドとクランクシャフトとそれらの間に介装されるケージアンドローラなどとすることができる。但し、円錐ころ軸受の場合では、円錐ころの端面や軌道輪の鍔部の少なくともいずれか一方にも、上記実施形態で説明した条件のリン酸マンガン皮膜処理を施すようにしてもよい。この場合、円錐ころの端面と軌道輪の鍔部との間の焼き付き抑制に効果がある。
【００５１】
（４）上記実施形態において、リン酸マンガン皮膜２１を形成する対象の金属を、上記実施形態での試験で例示した金属の表面硬度よりも高め、例えば表面硬度をＨＲＣで６４以上に設定してもよい。この場合、より苛酷な潤滑環境であっても、耐久性がさらに向上する。しかも、この場合では、転がり摺動部品が接触相手部材に対して損傷を与える度合い（攻撃性）を低く抑制できるようになる。この攻撃性のみについて言えば、上記実施形態での試験で例示した場合が最も少ないと言える。
【００５２】
（５）上記各実施形態では、転がり摺動部品の表面にリン酸マンガン皮膜処理を施す例を挙げたが、その他にも、広義の表現であるリン酸塩皮膜処理に含まれるリン酸亜鉛皮膜処理、リン酸亜鉛鉄皮膜処理、リン酸亜鉛カルシウム皮膜処理、リン酸鉄皮膜処理、リン酸すず皮膜処理などとすることができる。
【００５３】
（６）上記実施形態において、リン酸マンガン皮膜処理の前に、処理対象の表面に対して例えばショットブラストやバレル研磨などの機械加工を施すようにして、表面性状を管理するようにしてもよい。この機械加工の後で、リン酸マンガン皮膜処理を施せば、上述したような侵食作用がより好適に発生することになる。しかも、機械加工によって、処理対象の表面に残留応力が付与されるので、この残留応力を例えば５００ＭＰａ以上となるように管理すれば、より過酷な潤滑条件であっても、ピーリングだけでなく疲労剥離も抑制できるようになるなど、耐久性がさらに向上する。
【００５４】
【発明の効果】
請求項１の発明では、転がり摺動部品の表面に適度な深さかつ個数のくぼみを互いに独立して形成するとともに当該くぼみ内をリン酸塩の結晶粒で埋めたうえで所要膜厚のリン酸塩皮膜を形成するように工夫しているから、潤滑油の希薄な環境においても、転がり摺動部品と相手部材とが金属母材どうしの接触ではなく油膜を介する接触となるとともに、リン酸塩皮膜の摩耗が進行しても転がり摺動面に侵食形成されるくぼみ内にリン酸塩の結晶粒が残留しやすくなって潤滑作用が長期継続されることになる。したがって、転がり摺動部品表面におけるピーリングなどの損傷を長期にわたって抑制できるようになるなど、耐久性を向上できて長寿命化に貢献できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るカムフォロワの縦断面図
【図２】カムフォロワの支軸およびローラの表面を模式的に示す断面図
【図３】性能評価試験に用いる試験装置の縦断面図
【図４】本発明のカムフォロワの利用形態１を示す説明図
【図５】本発明のカムフォロワの利用形態２を示す説明図
【符号の説明】
１ａカム
７カムフォロワ
９支軸
１０ローラ
２０くぼみ
２１リン酸マンガン皮膜

Claims

相手部材との間で相対的に転がり接触またはすべり接触が生ずる鉄系金属からなる転がり摺動部品であって、その転がり摺動面に、結晶粒径３μｍ以下としたリン酸塩皮膜が膜厚１〜４μｍに設定されて形成されているとともに、このリン酸塩皮膜の形成前に前記転がり摺動面の表面に表面残留応力が５００ＭＰａ以上とされる加工処理を予め施してあり、前記リン酸塩皮膜の形成過程で生じる侵食作用によって、前記転がり摺動面に、粗さ中心線を基準とした深さを０．５〜５μｍかつ開口の平均直径を５〜３０μｍとしたくぼみが、１ｍｍ幅当たり１５個以上互いに独立して形成され、前記くぼみ内をリン酸塩の結晶粒で埋めたうえで前記薄膜のリン酸塩皮膜が形成されている、ことを特徴とする転がり摺動部品。