JP4269443B2 - 摺動部材の表面処理方法及び該方法を用いた摺動部材の表面平滑化方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンのバルブを駆動するカムと摺動するシム等の摺動部材の表面処理方法及び該方法を用いた摺動部材の表面平滑化方法に関する技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、エンジンの吸気バルブ又は排気バルブは、カムシャフトに設けられたカムによって駆動される。その際、このカムは、バルブの上端部に設けられたタペット若しくはそのタペットに固定されたシム又はロッカーアーム等のカムフォロワーと摺動する。このカムフォロワーとカムとの間の摺動摩擦抵抗は、エンジン出力損失の要因となるため、それらの摺動面を出来る限り平滑化（鏡面化）して摺動摩擦抵抗を低減させるようにすることが望ましい。
【０００３】
そこで、従来、例えば特開平７−１１８８３２号公報に示されているように、カムと摺動する摺動部材の摺動面をその表面粗さが０．３μｍＲｚ以下になるように仕上げると共に、その摺動面に、硬さがＨｖ１０００以上である材料（窒化チタン）をアーク式イオンプレーティング法によってコーティングするようにすることが提案されている。この方法によれば、摺動部材の摺動面に付着したチタン上に窒化チタンがコーティングされることによりドロップレットが形成され、このドロップレットにより摺動面に微少な突起が存在することとなり、この突起により、摺動部材とカムとを初期摺動させることでカムの摺動面が鏡面化されると共に、摺動部材の摺動面も微細な突起が折り取られて鏡面化される。
【０００４】
一方、例えば特開平９−３０２４５４号公報に示されているように、摺動部材にショットピーニングを施して表面粗さを６〜２５μｍＲｙに設定した後、その摺動部材に浸炭焼入れ処理を施すようにすることが提案され、この方法によれば、摺動部材が相手材と摺動する初期において、摺動部材表面の浸炭異常層が除去されると共に、馴染み効果によりその表面粗さが小さくなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記前者の提案例（特開平７−１１８８３２号公報）における摺動部材の平滑化方法では、ドロップレットの発生密度を電流密度によりある程度は制御可能であるものの、安定した制御は非常に困難であり、ドロップレットの発生密度が小さいと相手材の摺動面を十分に平滑化することができない一方、発生密度が大きいとスカッフィング（軽い焼付き）が生じ易くなるという問題がある。また、ドロップレットの大きさ、高さ、発生位置を制御することはできないため、製造上のばらつきが大きくなってしまう。しかも、アーク式イオンプレーティング法を用いるので、かなりのコストアップを招いてしまう。
【０００６】
一方、上記後者の提案例（特開平９−３０２４５４号公報）の方法では、摺動部材の摺動面の表面粗さを初期摺動によりある程度は小さくできるものの、浸炭異常層の除去が目的であるために浸炭焼入れ処理前の摺動面の表面粗さがかなり大きくて、その摺動面の平滑化には限界があり、しかも、摺動部材の摺動面の硬さが考慮されていないので、相手材の摺動面を積極的に平滑化することは困難である。
【０００７】
本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、上記カムフォロワー等の摺動部材の摺動面に対する処理方法に工夫を凝らすことによって、この摺動部材と摺動する相手材との間の摺動摩擦抵抗を低コストで安定的に低減させようとすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、この発明では、摺動部材の摺動面の表面粗さを、該摺動面と摺動する相手材の摺動面よりも小さくかつ０．２μｍＲａ以下に設定した後、ショットブラスト処理等の粒子吹付け処理により０．０１〜１．０μｍＲａに設定し、その後、上記摺動部材の摺動面に、該摺動面から元素を摺動部材内部に拡散浸透させて硬質化合物を生成する拡散浸透処理を施すことにより、上記摺動部材の摺動面部の硬さを相手材の摺動面部よりも大きく設定するようにした。
【０００９】
具体的には、請求項１の発明では、摺動部材の表面処理方法として、摺動部材の摺動面の表面粗さを、該摺動面と摺動する相手材の摺動面よりも小さくかつ０．２μｍＲａ以下に設定した後、上記摺動部材の摺動面に、該摺動面部よりも硬い粒子を流体の圧力を利用して吹き付ける粒子吹付け処理を施すことで、摺動面の表面粗さを０．０１〜１．０μｍＲａに設定し、その後、上記摺動部材の摺動面に、該摺動面から元素を摺動部材内部に拡散浸透させて硬質化合物を生成する拡散浸透処理を施すことにより、上記摺動部材の摺動面部の硬さを上記相手材の摺動面部よりも大きく設定するようにする。
【００１０】
このことにより、先ず、摺動部材の摺動面の表面粗さが研削や研磨処理等により相手材の摺動面よりも小さくされて比較的滑らかな状態となる。この摺動面に、ショットブラスト処理のように粒子を空気や水等の圧力を利用して吹き付ける粒子吹付け処理を施すと、この処理前の表面粗さが比較的小さいので、多数の互いに独立した微細な突部が摺動面全体に亘って略均一に形成される。特に、粒子吹付け処理前における摺動部材の摺動面の表面粗さを、０．２μｍＲａ以下に設定することで、粒子吹付け処理後に形成される突部をさらに均一なものにすることができる。このときの表面粗さは、０．０１μｍＲａよりも小さいと、相手材との初期摺動時に相手材の摺動面を十分に平滑化することができない一方、１．０μｍＲａよりも大きいと、初期摺動により摺動部材の摺動面が十分に平滑化されないので、０．０１〜１．０μｍＲａに設定している。そして、上記突部形成後に、摺動部材の摺動面部の硬さが大きくされる。このとき、窒化処理、浸炭処理、ホウ化処理等により容易に摺動面から元素を摺動部材内部に拡散浸透させて硬質化合物を生成することができ、この結果、摺動部材の摺動面部に硬質化合物が形成される。この結果、摺動部材の摺動面部の硬さを簡単にかつ確実に相手材の摺動面部よりも大きくすることができる。したがって、上記各突部の硬さは相手材の摺動面部よりも大きいので、摺動部材の摺動面と相手材の摺動面とを互いに初期摺動させると、その各突部が相手材の摺動面を研磨して平滑化する。一方、各突部は微細でかつ互いに独立しているため、相手材の摺動面部よりも硬いものの容易に削り取られて、摺動部材の摺動面も平滑化され、この結果、初期摺動後における両摺動面間の摺動摩擦抵抗は非常に小さくなる。しかも、上記突部は、簡単な方法で略均一に形成することが可能であるため、低コストで摺動部材及び相手材間の摺動摩擦抵抗を安定的かつ確実に低減させることができる。
【００１１】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、粒子吹付け処理後における摺動部材の摺動面の表面粗さを、０．０２〜０．７μｍＲａに設定するようにする。この発明により、摺動部材及び相手材間の摺動摩擦抵抗をさらに小さく抑えることができる。
【００１２】
請求項３の発明では、請求項１又は２の発明において、摺動部材の摺動面部の硬さをＨｖ１５００以下に設定するようにする。こうすることで、相手材の摺動面を良好に平滑化しつつ、摺動部材の摺動面が確実に平滑化される。
【００１３】
請求項４の発明では、請求項１〜３のいずれか１つの発明において、摺動部材内部に拡散浸透させる元素は、窒素、炭素及びホウ素のうちの少なくとも１つであるものとする。このことにより、摺動部材の摺動面部に窒化物、炭化物及びホウ化物のいずれかの硬質化合物を生成して、摺動面部の各突部を容易に硬くすることができる。
【００１４】
請求項５の発明では、請求項１〜４のいずれか１つの発明において、摺動部材の摺動面に、浸炭焼入れ処理を施した後に研磨処理を施すことで、該摺動面の表面粗さを相手材の摺動面よりも小さく設定するようにする。
【００１５】
こうすることで、浸炭焼入れ処理により硬質化合物層を厚くして摺動部材内部をも硬くすることができ、これにより、浸炭焼入れ処理後に研磨処理を行っても摺動部材の摺動面部の硬さは維持することができる。
【００１６】
請求項６の発明では、請求項１〜５のいずれか１つの発明において、摺動部材は、エンジンのバルブを駆動するカムと摺動するカムフォロワーであるものとする。このことにより、シム等のカムフォロワーとカムとの間の摺動摩擦抵抗を可及的に低減して、エンジン出力を向上させたり燃費を向上させたりすることができる。
【００１７】
請求項７の発明では、摺動部材の表面処理方法として、摺動部材の摺動面の表面粗さを、該摺動面と摺動する相手材の摺動面よりも小さくかつ０．２μｍＲａ以下に設定した後、上記摺動部材の摺動面に、該摺動面部よりも硬い粒子を流体の圧力を利用して吹き付ける粒子吹付け処理を施すことで摺動面の表面粗さを０．０２〜０．７μｍＲａに設定し、その後、上記摺動部材の摺動面に、該摺動面から元素を摺動部材内部に拡散浸透させて硬質化合物を生成する拡散浸透処理を施すことにより、摺動部材の摺動面部の硬さを上記相手材の摺動面部よりも大きくかつＨｖ１５００以下に設定するようにする。
【００１８】
この発明により、粒子吹付け処理によって多数の互いに独立した微細な突部が摺動面全体に亘って均一に形成され、この各突部は、拡散浸透処理によって硬化される。この拡散浸透処理の際、元素が摺動部材内部に拡散浸透するので、その摺動面には影響を与えない。この結果、摺動面の各突部の形状は殆ど変化せず、粒子吹付け処理により設定した表面粗さは維持することができる。一方、逆に、粒子吹付け処理前に拡散浸透処理を行うようにすると、拡散浸透処理により形成される硬質化合物層の厚さが薄い場合には、粒子吹付け処理によりその硬質化合物層の一部が削り取られる可能性がある。したがって、粒子吹付け処理後に拡散浸透処理を行うことにより、摺動部材の摺動面部における各突部の硬さを効果的に大きくすることができる。そして、このように表面処理した摺動部材の摺動面を相手材の摺動面と互いに初期摺動させると、各突部が相手材の摺動面を研磨して平滑化すると共に、その各突部は削り取られて摺動部材の摺動面も平滑化され、摺動部材及び相手材間の摩擦ロスを最小限に抑えることができる。
【００１９】
請求項８の発明は、摺動部材の表面平滑化方法の発明であり、この発明では、摺動部材の摺動面の表面粗さを、該摺動部材と摺動する相手材の摺動面よりも小さくかつ０．２μｍＲａ以下に設定した後、上記摺動部材の摺動面に、該摺動面部よりも硬い粒子を流体の圧力を利用して吹き付ける粒子吹付け処理を施すことで摺動面の表面粗さを０．０１〜１．０μｍＲａに設定し、その後、上記摺動部材の摺動面に、該摺動面から元素を摺動部材内部に拡散浸透させて硬質化合物を生成する拡散浸透処理を施すことにより、上記摺動部材の摺動面部の硬さを上記相手材の摺動面部よりも大きく設定し、次いで、上記摺動部材の摺動面と相手材の摺動面とを互いに初期摺動させることにより、該両摺動面を互いに平滑化するようにする。このことで、請求項１の発明と同様の作用効果を得ることができる。
【００２０】
請求項９の発明では、請求項８の発明において、初期摺動後における摺動部材及び相手材の両摺動面の合成表面粗さを、０．２μｍＲａ以下に設定するようにする。
【００２１】
こうすることで、両摺動面間の摺動摩擦抵抗を極めて小さい値に抑えることができる。ここで、合成表面粗さは、以下の式により求められるものをいう。
【００２２】
合成表面粗さ＝｛（摺動部材の摺動面の表面粗さ）２＋（相手材の摺動面の表面粗さ）２｝１／２
請求項１０の発明では、請求項８又は９の発明において、相手材は、エンジンのバルブを駆動するカムであり、摺動部材は、上記カムと摺動するカムフォロワーであるものとする。このことで、請求項６の発明と同様の作用効果が得られる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図２は、本発明の実施形態に係る摺動部材の表面処理方法及び表面平滑化方法が適用されるシム７及びカム１２を有する直打式動弁系エンジンのシリンダヘッド１を示し、このシリンダヘッド１の排気ポート２の燃焼室側開口部にはバルブシート３が接合され、このバルブシート３に、上下方向に延びる排気バルブ４の下端部がコイルバネ５の付勢力により当接するように構成されている。この排気バルブ４の上端部にはタペット６が設けられ、このタペット６の上面には、該タペット６と後述のカム１２とのクリアランスを調整するために設けられたシム７が固定されている。このシム７の上方には、図外のタイミングプーリ及びタイミングベルトを介してクランク軸により駆動されるカムシャフト１１が設けられ、このカムシャフト１１には、上記排気バルブ４を駆動するカム１２が回転一体に設けられている。そして、このカム１２がその回転により上記シム７及びタペット６を介して排気バルブ４を上記コイルバネ５の付勢力に抗して下方向に押すことで、排気ポート２が開放されるようになっており、このとき、カム１２の側周面がシム７の上面と摺動することになる。つまり、上記シム７は、カム１２（相手材）と摺動する摺動部材としてのカムフォロワーを構成し、シム７の上面及びカム１２の側周面がそれぞれシム７及びカム１２の摺動面となる。尚、吸気バルブも、上記排気バルブ４と同様の構成である。
【００２４】
上記シム７及びカム１２の両摺動面は共に平滑化されていて、その両摺動面間の摺動摩擦抵抗は極めて小さくされている。このように両摺動面を平滑化するには、最初にシム７の摺動面に対して所定の表面処理を行う必要がある。この表面処理方法を図１により説明する。尚、上記カム１２は、チルド鋳鉄からなる通常のものを使用しており、特に表面処理は行わない（初期摺動前の摺動面の表面粗さ０．５〜０．７μｍＲａ程度、摺動面部の硬さＨｖ５２０〜５６０程度）。
【００２５】
先ず、クロムモリブデン鋼を用いて製造したシム７（図１（ａ）参照）の摺動面の表面粗さは、上記カム１２の摺動面よりも大きいため、その摺動面に研削や研磨処理を施すことにより、カム１２の摺動面よりも小さくかつ０．２μｍＲａ以下に設定する（図１（ｂ）参照）。
【００２６】
続いて、上記シム７の摺動面に、該摺動面部よりも硬い粒子を流体の圧力を利用して吹き付ける粒子吹付け処理を施すことで、摺動面の表面粗さ（中心線平均粗さ）を０．０１〜１．０μｍＲａに設定する。この粒子吹付け処理としては、ショットブラスト処理が適しているが、粒子を空気や水等の流体の圧力を利用して吹き付ける方法であれば他の方法であってもよい。このように粒子吹付け処理を行うと、この処理前の表面粗さを比較的小さくしているので、図１（ｃ）に示すように、多数の互いに独立した微細な突部７ａ，７ａ，…が摺動面全体に亘って略均一に形成される（実際には、図３参照）。このときの表面粗さは、０．０１μｍＲａよりも小さいと、後述の如くカム１２と初期摺動させたときにカム１２の摺動面を十分に平滑化することができない一方、１．０μｍＲａよりも大きいと、初期摺動によりシム７の摺動面が十分に平滑化されないので、０．０１〜１．０μｍＲａに設定している。尚、粒子吹付け処理後におけるシム７の摺動面の表面粗さは、０．０２〜０．７μｍＲａに設定することがより望ましい。
【００２７】
次いで、図１（ｄ）に示すように、シム７の摺動面に、元素１５をシム７の内部に拡散浸透させて硬質化合物を生成する拡散浸透処理を施すことで、シム７の摺動面部の硬さをカム１２の摺動面部よりも大きくかつＨｖ１５００以下に設定する。上記元素１５は、窒素、炭素及びホウ素のうちの少なくとも１つであることが望ましい。具体的には、窒素元素による窒化処理（塩浴軟窒化処理やガス軟窒化処理等）、炭素元素による浸炭処理及びホウ素元素によるホウ化処理が適している。但し、元素１５をシム７の内部に拡散浸透させて硬質化合物を生成する方法であれば、窒素、炭素及びホウ素以外のものを使用する方法であってもよい。このように拡散浸透処理を行うと、図１（ｅ）に示すように、シム７の摺動面部に硬質化合物層７ｂが生じて上記各突部７ａが硬化される一方、元素１５がシム７の内部に拡散浸透するので、その摺動面の形状や表面粗さはそのまま維持される。つまり、各突部７ａは、拡散浸透処理によっては破壊されず、その形状は殆ど変化しない。
【００２８】
次に、上記表面処理を施したシム７をカム１２と共にエンジンのシリンダヘッド１に実際に組み込んで、シム７の摺動面とカム１２の摺動面とを互いに初期摺動させる（図１（ｆ）参照）。この初期摺動時において、シム７の摺動面に形成された各突部７ａの硬さがカム１２の摺動面部よりも大きいので、その各突部７ａがカム１２の摺動面を研磨して平滑化する一方、各突部７ａは微細でかつ互いに独立しており、しかも、その硬さがＨｖ１５００以下に設定されているため、カム１２の摺動面部よりも硬いものの容易に削り取られて、シム７の摺動面も平滑化される。つまり、シム７の摺動面とカム１２の摺動面とを互いに初期摺動させると、両摺動面は互いに平滑化される（図１（ｇ）参照）。この初期摺動後におけるシム７及びカム１２の両摺動面の合成表面粗さは、０．２μｍＲａ以下に設定することが望ましい。このようにすれば、両摺動面間の摺動摩擦抵抗をかなり小さい値に抑えることができる。ここで、上記合成表面粗さは、以下の式により求められるものをいう。
【００２９】
合成表面粗さ＝｛（シム７の摺動面の表面粗さ）２＋（カム１２の摺動面の表面粗さ）２｝１／２
したがって、上記実施形態では、シム７の摺動面に対して、研削や研磨処理を施した後に、ショットブラスト処理等の粒子吹付け処理により摺動面の表面粗さを０．０１〜１．０μｍＲａに設定し、その後、軟窒化処理等の拡散浸透処理によりシム７の摺動面部をカム１２の摺動面部よりも硬くするようにしたので、そのシム７の摺動面とカム１２の摺動面とを互いに初期摺動させれば、両摺動面を共に平滑化することができる。しかも、シム７の摺動面に形成された各突部７ａは、常に略均一に形成することができると共に、拡散浸透処理を行っても、メッキや溶射を施す場合とは異なり、殆どその形状が変化しないので、低コストでシム７及びカム１２間の摺動摩擦抵抗を安定的かつ確実に低減させることができる。
【００３０】
尚、上記実施形態では、カム１２と摺動するカムフォロワーがシム７となるように構成したが、タペット７自体でカム１２とのクリアランスを調整するものでは、タペット７がカムフォロワーとなり、タペット７の上面が摺動面となる。また、ロッカーアーム式動弁系の場合には、ロッカーアームがカムフォロワーとなる。したがって、これらカムフォロワー全てを摺動部材として本発明を適用することができる。そして、このようなエンジンのカム１２と摺動するカムフォロワーに限らず、他の摺動部材に対しても本発明を適用することができる。
【００３１】
【実施例】
次に、具体的に実施した実施例について説明する。
【００３２】
先ず、上記実施形態と同様のカムを製造した。このカムはチルド鋳鉄からなり、初期摺動前の摺動面の表面粗さは０．５〜０．７μｍＲａであり、摺動面部の硬さはＨｖ５２０〜５６０であった。
【００３３】
次いで、シムをクロムモリブデン鋼を用いて製造して、その摺動面に対して浸炭焼入れ処理を行った。この浸炭焼入れ処理後の硬さは、Ｈｖ７００〜７５０であった。この浸炭焼入れ処理後に、表１に示すように、１２種類の表面処理を行った（実施例Ａ〜Ｄ及び比較例１〜８）。
【００３４】
【表１】
【００３５】
すなわち、上記実施例Ａ〜Ｄ及び比較例７では、シムの摺動面の表面粗さをカムの摺動面よりも小さくした後、ショットブラスト処理を行い、さらにその後に拡散浸透処理として塩浴軟窒化処理を行った。また、比較例８では、実施例Ａ〜Ｄ及び比較例７と同様にショットブラスト処理までを行い、拡散浸透処理は行わなかった（最初の浸炭焼入れ処理でシムの摺動面部をカムの摺動面部よりも硬くしている）。
【００３６】
一方、上記比較例１，３では、シムの摺動面の表面粗さをカムの摺動面よりも小さくする研削・研磨処理又はラッピング処理を行うのみで、他の処理は行っていない（比較例１は、ガソリンエンジンで一般的に行われている処理である）。また、比較例２，４では、シムの摺動面の表面粗さをカムの摺動面よりも小さくした後、ショットブラスト処理を行わないで塩浴軟窒化処理を行った（比較例２は、ディーゼルエンジンで耐摩耗性を向上させるために一般的に行われている処理である）。さらに、比較例５では、比較例８と同様に、ショットブラスト処理までを行ったが、ショットブラスト処理前の表面粗さがカムの摺動面よりも大きく、しかも、ショットブラスト処理後は１．０μｍＲａよりも大きくした。また、比較例６では、実施例Ａ〜Ｄ及び比較例７と同様に、シムの摺動面の表面粗さをカムの摺動面よりも小さくした後、ショットブラスト処理を行い、さらにその後に塩浴軟窒化処理を行ったが、ショットブラスト処理後の表面粗さは１．０μｍＲａよりも大きくした。尚、上記実施例Ａ〜Ｄ及び比較例５〜８におけるショットブラスト処理では、ブラスト粒子はアルミナ粉砕粉（粒度は表１に記載）を使用し、空気圧は約０．２Ｍｐａとし、ノズル先端からシムの摺動面までの距離は０．２ｍとした。
【００３７】
上記実施例Ａ及び比較例７における塩浴軟窒化処理後の断面を調べると、Ｆｅ４ＮとＦｅ３Ｎとからなる１０〜１２μｍの硬質化合物層が形成されていた。また、実施例Ａの塩浴軟窒化処理後のシムの摺動面の表面プロファイルを調べた。この結果を図３に示す。このことより、シムの摺動面には、多数の互いに独立した微細な突部が摺動面全体に亘って略均一に形成されていることが判る。
【００３８】
ここで、塩浴軟窒化処理の前後においてシムの摺動面の表面粗さがどのように変化するかを、軟窒化処理前における摺動面の表面粗さを異ならせて調べたところ、図４に示すように、軟窒化処理後に処理前よりも僅かに大きくなるものの（同図の二点鎖線は、処理前後で変化しない場合を示す）、殆ど変化していないことが判る。このように軟窒化処理後に僅かに大きくなるのは、摺動面に極めて薄い酸化物層が形成されるためである。しかし、この酸化物層は軟質であるため、カムに対する研磨機能に影響を及ぼすことはない。したがって、シムの摺動面の表面プロファイルは軟窒化処理の前後において殆ど同じであると考えられる。尚、図４中、軟窒化処理前の表面粗さが最も小さいものは、ショットブラスト処理を行ったものではなく、塩浴軟窒化処理のみを行ったものであり、他のものは、ショットブラスト処理後に塩浴軟窒化処理を行ったものである。
【００３９】
次に、上記実施例Ａ及び比較例１〜５，７，８のシムとカムとを２Ｌ４気筒１６弁のガソリンエンジンのシリンダヘッドに組み込み、モータリング運転により両摺動面同士を摺動させて各摺動面の表面粗さが運転時間の経過に伴ってどのように変化するかを測定した。このとき、カムシャフトの回転数は３５０ｒｐｍであり、潤滑油は１０Ｗ３０／８０℃とした。また、モータによりカムシャフトトルクを測定した。尚、比較例５では、運転中にスカッフィングが発生したので、試験は中止した。
【００４０】
上記測定の結果を表２並びに図５（カムの摺動面の表面粗さ変化）及び図６（シムの摺動面の表面粗さ変化）に示す。この結果、シム及びカムの両摺動面の表面粗さは、共に比較例よりも大きく低下し、１０時間経過後には安定することが判る。つまり、シムの摺動面とカムの摺動面とを１０時間程度初期摺動させれば、両摺動面は共に平滑化する。
【００４１】
【表２】
【００４２】
また、実施例Ａ及び比較例１においてカムシャフトトルクが時間経過に伴ってどのように変化するかを調べたところ、図７のようになった。このことからも、実施例Ａでは、シム及びカム間の摺動摩擦抵抗が比較例１よりもかなり大きく低下することが判る。
【００４３】
次に、上記実施例Ａ〜Ｄ及び比較例４，６，７において１０時間運転後におけるシム及びカムの各摺動面の表面粗さ並びに両者の合成表面粗さを調べ、このデータを、横軸がショットブラスト後におけるシムの摺動面の表面粗さでかつ縦軸が上記シム及びカムの各摺動面の表面粗さ並びに両者の合成表面粗さであるグラフ上にプロットした。この結果を図８及び図９に示す（図９は、図８の要部を拡大したものである）。尚、図８には、比較例１の合成表面粗さのレベルを併せて示す。
【００４４】
上記合成表面粗さは、後述の如くカムシャフトトルクと１対１に対応する関係にあり、合成表面粗さが小さければ、カムシャフトトルクつまり摺動摩擦抵抗が小さいことになる。よって、図８及び図９の結果より、ショットブラスト処理によりシムの摺動面の表面粗さを１．０μｍＲａ以下に設定すれば、ガソリンエンジンで一般的に使用されているもの（比較例１）よりも合成表面粗さ（つまり摺動摩擦抵抗）を確実に低減できることが判る。また、ショットブラスト後におけるシムの摺動面の表面粗さを０．０２〜０．７μｍＲａに設定すれば、摺動摩擦抵抗をかなり低レベルに抑え得ることが判る。
【００４５】
次いで、上記実施例Ａ〜Ｄ及び比較例１，４，７において運転開始から１０時間経過時におけるカムシャフトトルクを調べ、このデータを、横軸が１０時間運転後におけるシム及びカムの両摺動面の合成表面粗さ（対数値）でかつ縦軸が上記カムシャフトトルクであるグラフ上にプロットした。この結果を図１０に示す。このことより、上記合成表面粗さが小さくなるにつれてカムシャフトトルクが小さくなることが判る。また、上記合成表面粗さが０．２μｍＲａ以下であれば、上記カムシャフトトルクをかなり低レベルに抑えることができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明では、摺動部材の表面処理方法として、摺動部材の摺動面の表面粗さを相手材の摺動面よりも小さくかつ０．２μｍＲａ以下に設定した後、その摺動部材の摺動面に粒子吹付け処理を施すことで該摺動面の表面粗さを０．０１〜１．０μｍＲａに設定し、その後、上記摺動部材の摺動面に、該摺動面から元素を摺動部材内部に拡散浸透させて硬質化合物を生成する拡散浸透処理を施すことにより、上記摺動部材の摺動面部の硬さを相手材の摺動面部よりも大きく設定するようにした。また、請求項８の発明では、このように表面処理した摺動部材の摺動面を相手材の摺動面と互いに初期摺動させることにより、該両摺動面を互いに平滑化するようにした。したがって、これらの発明によると、低コストで摺動部材と相手材との摺動摩擦抵抗を安定的かつ確実に低減させることができる。
【００４７】
請求項２の発明によると、粒子吹付け処理後における摺動部材の摺動面の表面粗さを、０．０２〜０．７μｍＲａに設定したことにより、摺動部材及び相手材間の摺動摩擦抵抗のさらなる低減化を図ることができる。
【００４８】
請求項３の発明によると、摺動部材の摺動面部の硬さをＨｖ１５００以下に設定したことにより、相手材の摺動面を良好に平滑化しつつ、摺動部材の摺動面を確実に平滑化することができる。
【００４９】
請求項４の発明によると、摺動部材内部に拡散浸透させる元素を、窒素、炭素及びホウ素のうちの少なくとも１つとしたことにより、摺動部材の摺動面部における各突部の硬さの向上化を容易に図ることができる。
【００５０】
請求項５の発明によると、摺動部材の摺動面に浸炭焼入れ処理を施した後に研磨処理を施すことで、該摺動面の表面粗さを相手材の摺動面よりも小さく設定したことにより、摺動部材の摺動面部だけでなくその内部をも硬くすることができる。
【００５１】
請求項６及び１０の発明によると、相手材を、エンジンのバルブを駆動するカムとし、摺動部材を、このカムと摺動するカムフォロワーとしたことにより、エンジン出力及び燃費の向上化を図ることができる。
【００５２】
請求項７の発明によると、摺動部材の表面処理方法として、摺動部材の摺動面の表面粗さを相手材の摺動面よりも小さくかつ０．２μｍＲａ以下に設定した後、その摺動部材の摺動面に粒子吹付け処理を施すことで該摺動面の表面粗さを０．０２〜０．７μｍＲａに設定し、その後、摺動部材の摺動面に拡散浸透処理を施すことにより、摺動部材の摺動面部の硬さを相手材の摺動面部よりも大きくかつＨｖ１５００以下に設定するようにしたことにより、摺動部材及び相手材間の摺動摩擦抵抗を最小限に抑えることができる。
【００５３】
請求項９の発明によると、初期摺動後における摺動部材及び相手材の両摺動面の合成表面粗さを、０．２μｍＲａ以下に設定したことにより、摺動部材及び相手材間の摺動摩擦抵抗を極めて小さい値に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る摺動部材の表面処理方法及び表面平滑化方法を示す説明図である。
【図２】 本発明の実施形態に係る摺動部材の表面処理方法及び表面平滑化方法が適用されるシム及びカムを有する直打式動弁系エンジンのシリンダヘッド要部を示す断面図である。
【図３】 実施例Ａにおけるシムの摺動面の表面プロファイルを示す斜視図である。
【図４】 塩浴軟窒化処理前におけるシムの摺動面の表面粗さと処理後における表面粗さとの関係を示すグラフである。
【図５】 運転時間とカムの摺動面の表面粗さとの関係を示すグラフである。
【図６】 運転時間とシムの摺動面の表面粗さとの関係を示すグラフである。
【図７】 実施例Ａ及び比較例１において運転時間とカムシャフトトルクとの関係を示すグラフである。
【図８】 ショットブラスト後におけるシムの摺動面の表面粗さと、１０時間運転後におけるシム及びカムの各摺動面の表面粗さ並びに両者の合成表面粗さとの関係を示すグラフである。
【図９】 図８の要部を拡大して示すグラフである。
【図１０】 １０時間運転後におけるシム及びカムの両摺動面の合成表面粗さと、運転開始から１０時間経過時におけるカムシャフトトルクとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ エンジンのシリンダヘッド
７ シム（カムフォロワー：摺動部材）
７ａ 突部
７ｂ 硬質化合物層
１２ カム（相手材）
１５ 元素
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンのバルブを駆動するカムと摺動するシム等の摺動部材の表面処理方法及び該方法を用いた摺動部材の表面平滑化方法に関する技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、エンジンの吸気バルブ又は排気バルブは、カムシャフトに設けられたカムによって駆動される。その際、このカムは、バルブの上端部に設けられたタペット若しくはそのタペットに固定されたシム又はロッカーアーム等のカムフォロワーと摺動する。このカムフォロワーとカムとの間の摺動摩擦抵抗は、エンジン出力損失の要因となるため、それらの摺動面を出来る限り平滑化（鏡面化）して摺動摩擦抵抗を低減させるようにすることが望ましい。
【０００３】
そこで、従来、例えば特開平７−１１８８３２号公報に示されているように、カムと摺動する摺動部材の摺動面をその表面粗さが０．３μｍＲｚ以下になるように仕上げると共に、その摺動面に、硬さがＨｖ１０００以上である材料（窒化チタン）をアーク式イオンプレーティング法によってコーティングするようにすることが提案されている。この方法によれば、摺動部材の摺動面に付着したチタン上に窒化チタンがコーティングされることによりドロップレットが形成され、このドロップレットにより摺動面に微少な突起が存在することとなり、この突起により、摺動部材とカムとを初期摺動させることでカムの摺動面が鏡面化されると共に、摺動部材の摺動面も微細な突起が折り取られて鏡面化される。
【０００４】
一方、例えば特開平９−３０２４５４号公報に示されているように、摺動部材にショットピーニングを施して表面粗さを６〜２５μｍＲｙに設定した後、その摺動部材に浸炭焼入れ処理を施すようにすることが提案され、この方法によれば、摺動部材が相手材と摺動する初期において、摺動部材表面の浸炭異常層が除去されると共に、馴染み効果によりその表面粗さが小さくなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記前者の提案例（特開平７−１１８８３２号公報）における摺動部材の平滑化方法では、ドロップレットの発生密度を電流密度によりある程度は制御可能であるものの、安定した制御は非常に困難であり、ドロップレットの発生密度が小さいと相手材の摺動面を十分に平滑化することができない一方、発生密度が大きいとスカッフィング（軽い焼付き）が生じ易くなるという問題がある。また、ドロップレットの大きさ、高さ、発生位置を制御することはできないため、製造上のばらつきが大きくなってしまう。しかも、アーク式イオンプレーティング法を用いるので、かなりのコストアップを招いてしまう。
【０００６】
一方、上記後者の提案例（特開平９−３０２４５４号公報）の方法では、摺動部材の摺動面の表面粗さを初期摺動によりある程度は小さくできるものの、浸炭異常層の除去が目的であるために浸炭焼入れ処理前の摺動面の表面粗さがかなり大きくて、その摺動面の平滑化には限界があり、しかも、摺動部材の摺動面の硬さが考慮されていないので、相手材の摺動面を積極的に平滑化することは困難である。
【０００７】
本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、上記カムフォロワー等の摺動部材の摺動面に対する処理方法に工夫を凝らすことによって、この摺動部材と摺動する相手材との間の摺動摩擦抵抗を低コストで安定的に低減させようとすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、この発明では、摺動部材の摺動面の表面粗さを、該摺動面と摺動する相手材の摺動面よりも小さくかつ０．２μｍＲａ以下に設定した後、ショットブラスト処理等の粒子吹付け処理により０．０１〜１．０μｍＲａに設定し、その後、上記摺動部材の摺動面に、該摺動面から元素を摺動部材内部に拡散浸透させて硬質化合物を生成する拡散浸透処理を施すことにより、上記摺動部材の摺動面部の硬さを相手材の摺動面部よりも大きく設定するようにした。
【０００９】
具体的には、請求項１の発明では、摺動部材の表面処理方法として、摺動部材の摺動面の表面粗さを、該摺動面と摺動する相手材の摺動面よりも小さくかつ０．２μｍＲａ以下に設定した後、上記摺動部材の摺動面に、該摺動面部よりも硬い粒子を流体の圧力を利用して吹き付ける粒子吹付け処理を施すことで、摺動面の表面粗さを０．０１〜１．０μｍＲａに設定し、その後、上記摺動部材の摺動面に、該摺動面から元素を摺動部材内部に拡散浸透させて硬質化合物を生成する拡散浸透処理を施すことにより、上記摺動部材の摺動面部の硬さを上記相手材の摺動面部よりも大きく設定するようにする。
【００１０】
このことにより、先ず、摺動部材の摺動面の表面粗さが研削や研磨処理等により相手材の摺動面よりも小さくされて比較的滑らかな状態となる。この摺動面に、ショットブラスト処理のように粒子を空気や水等の圧力を利用して吹き付ける粒子吹付け処理を施すと、この処理前の表面粗さが比較的小さいので、多数の互いに独立した微細な突部が摺動面全体に亘って略均一に形成される。特に、粒子吹付け処理前における摺動部材の摺動面の表面粗さを、０．２μｍＲａ以下に設定することで、粒子吹付け処理後に形成される突部をさらに均一なものにすることができる。このときの表面粗さは、０．０１μｍＲａよりも小さいと、相手材との初期摺動時に相手材の摺動面を十分に平滑化することができない一方、１．０μｍＲａよりも大きいと、初期摺動により摺動部材の摺動面が十分に平滑化されないので、０．０１〜１．０μｍＲａに設定している。そして、上記突部形成後に、摺動部材の摺動面部の硬さが大きくされる。このとき、窒化処理、浸炭処理、ホウ化処理等により容易に摺動面から元素を摺動部材内部に拡散浸透させて硬質化合物を生成することができ、この結果、摺動部材の摺動面部に硬質化合物が形成される。この結果、摺動部材の摺動面部の硬さを簡単にかつ確実に相手材の摺動面部よりも大きくすることができる。したがって、上記各突部の硬さは相手材の摺動面部よりも大きいので、摺動部材の摺動面と相手材の摺動面とを互いに初期摺動させると、その各突部が相手材の摺動面を研磨して平滑化する。一方、各突部は微細でかつ互いに独立しているため、相手材の摺動面部よりも硬いものの容易に削り取られて、摺動部材の摺動面も平滑化され、この結果、初期摺動後における両摺動面間の摺動摩擦抵抗は非常に小さくなる。しかも、上記突部は、簡単な方法で略均一に形成することが可能であるため、低コストで摺動部材及び相手材間の摺動摩擦抵抗を安定的かつ確実に低減させることができる。
【００１１】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、粒子吹付け処理後における摺動部材の摺動面の表面粗さを、０．０２〜０．７μｍＲａに設定するようにする。この発明により、摺動部材及び相手材間の摺動摩擦抵抗をさらに小さく抑えることができる。
【００１２】
請求項３の発明では、請求項１又は２の発明において、摺動部材の摺動面部の硬さをＨｖ１５００以下に設定するようにする。こうすることで、相手材の摺動面を良好に平滑化しつつ、摺動部材の摺動面が確実に平滑化される。
【００１３】
請求項４の発明では、請求項１〜３のいずれか１つの発明において、摺動部材内部に拡散浸透させる元素は、窒素、炭素及びホウ素のうちの少なくとも１つであるものとする。このことにより、摺動部材の摺動面部に窒化物、炭化物及びホウ化物のいずれかの硬質化合物を生成して、摺動面部の各突部を容易に硬くすることができる。
【００１４】
請求項５の発明では、請求項１〜４のいずれか１つの発明において、摺動部材の摺動面に、浸炭焼入れ処理を施した後に研磨処理を施すことで、該摺動面の表面粗さを相手材の摺動面よりも小さく設定するようにする。
【００１５】
こうすることで、浸炭焼入れ処理により硬質化合物層を厚くして摺動部材内部をも硬くすることができ、これにより、浸炭焼入れ処理後に研磨処理を行っても摺動部材の摺動面部の硬さは維持することができる。
【００１６】
請求項６の発明では、請求項１〜５のいずれか１つの発明において、摺動部材は、エンジンのバルブを駆動するカムと摺動するカムフォロワーであるものとする。このことにより、シム等のカムフォロワーとカムとの間の摺動摩擦抵抗を可及的に低減して、エンジン出力を向上させたり燃費を向上させたりすることができる。
【００１７】
請求項７の発明では、摺動部材の表面処理方法として、摺動部材の摺動面の表面粗さを、該摺動面と摺動する相手材の摺動面よりも小さくかつ０．２μｍＲａ以下に設定した後、上記摺動部材の摺動面に、該摺動面部よりも硬い粒子を流体の圧力を利用して吹き付ける粒子吹付け処理を施すことで摺動面の表面粗さを０．０２〜０．７μｍＲａに設定し、その後、上記摺動部材の摺動面に、該摺動面から元素を摺動部材内部に拡散浸透させて硬質化合物を生成する拡散浸透処理を施すことにより、摺動部材の摺動面部の硬さを上記相手材の摺動面部よりも大きくかつＨｖ１５００以下に設定するようにする。
【００１８】
この発明により、粒子吹付け処理によって多数の互いに独立した微細な突部が摺動面全体に亘って均一に形成され、この各突部は、拡散浸透処理によって硬化される。この拡散浸透処理の際、元素が摺動部材内部に拡散浸透するので、その摺動面には影響を与えない。この結果、摺動面の各突部の形状は殆ど変化せず、粒子吹付け処理により設定した表面粗さは維持することができる。一方、逆に、粒子吹付け処理前に拡散浸透処理を行うようにすると、拡散浸透処理により形成される硬質化合物層の厚さが薄い場合には、粒子吹付け処理によりその硬質化合物層の一部が削り取られる可能性がある。したがって、粒子吹付け処理後に拡散浸透処理を行うことにより、摺動部材の摺動面部における各突部の硬さを効果的に大きくすることができる。そして、このように表面処理した摺動部材の摺動面を相手材の摺動面と互いに初期摺動させると、各突部が相手材の摺動面を研磨して平滑化すると共に、その各突部は削り取られて摺動部材の摺動面も平滑化され、摺動部材及び相手材間の摩擦ロスを最小限に抑えることができる。
【００１９】
請求項８の発明は、摺動部材の表面平滑化方法の発明であり、この発明では、摺動部材の摺動面の表面粗さを、該摺動部材と摺動する相手材の摺動面よりも小さくかつ０．２μｍＲａ以下に設定した後、上記摺動部材の摺動面に、該摺動面部よりも硬い粒子を流体の圧力を利用して吹き付ける粒子吹付け処理を施すことで摺動面の表面粗さを０．０１〜１．０μｍＲａに設定し、その後、上記摺動部材の摺動面に、該摺動面から元素を摺動部材内部に拡散浸透させて硬質化合物を生成する拡散浸透処理を施すことにより、上記摺動部材の摺動面部の硬さを上記相手材の摺動面部よりも大きく設定し、次いで、上記摺動部材の摺動面と相手材の摺動面とを互いに初期摺動させることにより、該両摺動面を互いに平滑化するようにする。このことで、請求項１の発明と同様の作用効果を得ることができる。
【００２０】
請求項９の発明では、請求項８の発明において、初期摺動後における摺動部材及び相手材の両摺動面の合成表面粗さを、０．２μｍＲａ以下に設定するようにする。
【００２１】
こうすることで、両摺動面間の摺動摩擦抵抗を極めて小さい値に抑えることができる。ここで、合成表面粗さは、以下の式により求められるものをいう。
【００２２】
合成表面粗さ＝｛（摺動部材の摺動面の表面粗さ）２＋（相手材の摺動面の表面粗さ）２｝１／２
請求項１０の発明では、請求項８又は９の発明において、相手材は、エンジンのバルブを駆動するカムであり、摺動部材は、上記カムと摺動するカムフォロワーであるものとする。このことで、請求項６の発明と同様の作用効果が得られる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図２は、本発明の実施形態に係る摺動部材の表面処理方法及び表面平滑化方法が適用されるシム７及びカム１２を有する直打式動弁系エンジンのシリンダヘッド１を示し、このシリンダヘッド１の排気ポート２の燃焼室側開口部にはバルブシート３が接合され、このバルブシート３に、上下方向に延びる排気バルブ４の下端部がコイルバネ５の付勢力により当接するように構成されている。この排気バルブ４の上端部にはタペット６が設けられ、このタペット６の上面には、該タペット６と後述のカム１２とのクリアランスを調整するために設けられたシム７が固定されている。このシム７の上方には、図外のタイミングプーリ及びタイミングベルトを介してクランク軸により駆動されるカムシャフト１１が設けられ、このカムシャフト１１には、上記排気バルブ４を駆動するカム１２が回転一体に設けられている。そして、このカム１２がその回転により上記シム７及びタペット６を介して排気バルブ４を上記コイルバネ５の付勢力に抗して下方向に押すことで、排気ポート２が開放されるようになっており、このとき、カム１２の側周面がシム７の上面と摺動することになる。つまり、上記シム７は、カム１２（相手材）と摺動する摺動部材としてのカムフォロワーを構成し、シム７の上面及びカム１２の側周面がそれぞれシム７及びカム１２の摺動面となる。尚、吸気バルブも、上記排気バルブ４と同様の構成である。
【００２４】
上記シム７及びカム１２の両摺動面は共に平滑化されていて、その両摺動面間の摺動摩擦抵抗は極めて小さくされている。このように両摺動面を平滑化するには、最初にシム７の摺動面に対して所定の表面処理を行う必要がある。この表面処理方法を図１により説明する。尚、上記カム１２は、チルド鋳鉄からなる通常のものを使用しており、特に表面処理は行わない（初期摺動前の摺動面の表面粗さ０．５〜０．７μｍＲａ程度、摺動面部の硬さＨｖ５２０〜５６０程度）。
【００２５】
先ず、クロムモリブデン鋼を用いて製造したシム７（図１（ａ）参照）の摺動面の表面粗さは、上記カム１２の摺動面よりも大きいため、その摺動面に研削や研磨処理を施すことにより、カム１２の摺動面よりも小さくかつ０．２μｍＲａ以下に設定する（図１（ｂ）参照）。
【００２６】
続いて、上記シム７の摺動面に、該摺動面部よりも硬い粒子を流体の圧力を利用して吹き付ける粒子吹付け処理を施すことで、摺動面の表面粗さ（中心線平均粗さ）を０．０１〜１．０μｍＲａに設定する。この粒子吹付け処理としては、ショットブラスト処理が適しているが、粒子を空気や水等の流体の圧力を利用して吹き付ける方法であれば他の方法であってもよい。このように粒子吹付け処理を行うと、この処理前の表面粗さを比較的小さくしているので、図１（ｃ）に示すように、多数の互いに独立した微細な突部７ａ，７ａ，…が摺動面全体に亘って略均一に形成される（実際には、図３参照）。このときの表面粗さは、０．０１μｍＲａよりも小さいと、後述の如くカム１２と初期摺動させたときにカム１２の摺動面を十分に平滑化することができない一方、１．０μｍＲａよりも大きいと、初期摺動によりシム７の摺動面が十分に平滑化されないので、０．０１〜１．０μｍＲａに設定している。尚、粒子吹付け処理後におけるシム７の摺動面の表面粗さは、０．０２〜０．７μｍＲａに設定することがより望ましい。
【００２７】
次いで、図１（ｄ）に示すように、シム７の摺動面に、元素１５をシム７の内部に拡散浸透させて硬質化合物を生成する拡散浸透処理を施すことで、シム７の摺動面部の硬さをカム１２の摺動面部よりも大きくかつＨｖ１５００以下に設定する。上記元素１５は、窒素、炭素及びホウ素のうちの少なくとも１つであることが望ましい。具体的には、窒素元素による窒化処理（塩浴軟窒化処理やガス軟窒化処理等）、炭素元素による浸炭処理及びホウ素元素によるホウ化処理が適している。但し、元素１５をシム７の内部に拡散浸透させて硬質化合物を生成する方法であれば、窒素、炭素及びホウ素以外のものを使用する方法であってもよい。このように拡散浸透処理を行うと、図１（ｅ）に示すように、シム７の摺動面部に硬質化合物層７ｂが生じて上記各突部７ａが硬化される一方、元素１５がシム７の内部に拡散浸透するので、その摺動面の形状や表面粗さはそのまま維持される。つまり、各突部７ａは、拡散浸透処理によっては破壊されず、その形状は殆ど変化しない。
【００２８】
次に、上記表面処理を施したシム７をカム１２と共にエンジンのシリンダヘッド１に実際に組み込んで、シム７の摺動面とカム１２の摺動面とを互いに初期摺動させる（図１（ｆ）参照）。この初期摺動時において、シム７の摺動面に形成された各突部７ａの硬さがカム１２の摺動面部よりも大きいので、その各突部７ａがカム１２の摺動面を研磨して平滑化する一方、各突部７ａは微細でかつ互いに独立しており、しかも、その硬さがＨｖ１５００以下に設定されているため、カム１２の摺動面部よりも硬いものの容易に削り取られて、シム７の摺動面も平滑化される。つまり、シム７の摺動面とカム１２の摺動面とを互いに初期摺動させると、両摺動面は互いに平滑化される（図１（ｇ）参照）。この初期摺動後におけるシム７及びカム１２の両摺動面の合成表面粗さは、０．２μｍＲａ以下に設定することが望ましい。このようにすれば、両摺動面間の摺動摩擦抵抗をかなり小さい値に抑えることができる。ここで、上記合成表面粗さは、以下の式により求められるものをいう。
【００２９】
合成表面粗さ＝｛（シム７の摺動面の表面粗さ）２＋（カム１２の摺動面の表面粗さ）２｝１／２
したがって、上記実施形態では、シム７の摺動面に対して、研削や研磨処理を施した後に、ショットブラスト処理等の粒子吹付け処理により摺動面の表面粗さを０．０１〜１．０μｍＲａに設定し、その後、軟窒化処理等の拡散浸透処理によりシム７の摺動面部をカム１２の摺動面部よりも硬くするようにしたので、そのシム７の摺動面とカム１２の摺動面とを互いに初期摺動させれば、両摺動面を共に平滑化することができる。しかも、シム７の摺動面に形成された各突部７ａは、常に略均一に形成することができると共に、拡散浸透処理を行っても、メッキや溶射を施す場合とは異なり、殆どその形状が変化しないので、低コストでシム７及びカム１２間の摺動摩擦抵抗を安定的かつ確実に低減させることができる。
【００３０】
尚、上記実施形態では、カム１２と摺動するカムフォロワーがシム７となるように構成したが、タペット７自体でカム１２とのクリアランスを調整するものでは、タペット７がカムフォロワーとなり、タペット７の上面が摺動面となる。また、ロッカーアーム式動弁系の場合には、ロッカーアームがカムフォロワーとなる。したがって、これらカムフォロワー全てを摺動部材として本発明を適用することができる。そして、このようなエンジンのカム１２と摺動するカムフォロワーに限らず、他の摺動部材に対しても本発明を適用することができる。
【００３１】
【実施例】
次に、具体的に実施した実施例について説明する。
【００３２】
先ず、上記実施形態と同様のカムを製造した。このカムはチルド鋳鉄からなり、初期摺動前の摺動面の表面粗さは０．５〜０．７μｍＲａであり、摺動面部の硬さはＨｖ５２０〜５６０であった。
【００３３】
次いで、シムをクロムモリブデン鋼を用いて製造して、その摺動面に対して浸炭焼入れ処理を行った。この浸炭焼入れ処理後の硬さは、Ｈｖ７００〜７５０であった。この浸炭焼入れ処理後に、表１に示すように、１２種類の表面処理を行った（実施例Ａ〜Ｄ及び比較例１〜８）。
【００３４】
【表１】
すなわち、上記実施例Ａ〜Ｄ及び比較例７では、シムの摺動面の表面粗さをカムの摺動面よりも小さくした後、ショットブラスト処理を行い、さらにその後に拡散浸透処理として塩浴軟窒化処理を行った。また、比較例８では、実施例Ａ〜Ｄ及び比較例７と同様にショットブラスト処理までを行い、拡散浸透処理は行わなかった（最初の浸炭焼入れ処理でシムの摺動面部をカムの摺動面部よりも硬くしている）。
【００３６】
一方、上記比較例１，３では、シムの摺動面の表面粗さをカムの摺動面よりも小さくする研削・研磨処理又はラッピング処理を行うのみで、他の処理は行っていない（比較例１は、ガソリンエンジンで一般的に行われている処理である）。また、比較例２，４では、シムの摺動面の表面粗さをカムの摺動面よりも小さくした後、ショットブラスト処理を行わないで塩浴軟窒化処理を行った（比較例２は、ディーゼルエンジンで耐摩耗性を向上させるために一般的に行われている処理である）。さらに、比較例５では、比較例８と同様に、ショットブラスト処理までを行ったが、ショットブラスト処理前の表面粗さがカムの摺動面よりも大きく、しかも、ショットブラスト処理後は１．０μｍＲａよりも大きくした。また、比較例６では、実施例Ａ〜Ｄ及び比較例７と同様に、シムの摺動面の表面粗さをカムの摺動面よりも小さくした後、ショットブラスト処理を行い、さらにその後に塩浴軟窒化処理を行ったが、ショットブラスト処理後の表面粗さは１．０μｍＲａよりも大きくした。尚、上記実施例Ａ〜Ｄ及び比較例５〜８におけるショットブラスト処理では、ブラスト粒子はアルミナ粉砕粉（粒度は表１に記載）を使用し、空気圧は約０．２Ｍｐａとし、ノズル先端からシムの摺動面までの距離は０．２ｍとした。
【００３７】
上記実施例Ａ及び比較例７における塩浴軟窒化処理後の断面を調べると、Ｆｅ４ＮとＦｅ３Ｎとからなる１０〜１２μｍの硬質化合物層が形成されていた。また、実施例Ａの塩浴軟窒化処理後のシムの摺動面の表面プロファイルを調べた。この結果を図３に示す。このことより、シムの摺動面には、多数の互いに独立した微細な突部が摺動面全体に亘って略均一に形成されていることが判る。
【００３８】
ここで、塩浴軟窒化処理の前後においてシムの摺動面の表面粗さがどのように変化するかを、軟窒化処理前における摺動面の表面粗さを異ならせて調べたところ、図４に示すように、軟窒化処理後に処理前よりも僅かに大きくなるものの（同図の二点鎖線は、処理前後で変化しない場合を示す）、殆ど変化していないことが判る。このように軟窒化処理後に僅かに大きくなるのは、摺動面に極めて薄い酸化物層が形成されるためである。しかし、この酸化物層は軟質であるため、カムに対する研磨機能に影響を及ぼすことはない。したがって、シムの摺動面の表面プロファイルは軟窒化処理の前後において殆ど同じであると考えられる。尚、図４中、軟窒化処理前の表面粗さが最も小さいものは、ショットブラスト処理を行ったものではなく、塩浴軟窒化処理のみを行ったものであり、他のものは、ショットブラスト処理後に塩浴軟窒化処理を行ったものである。
【００３９】
次に、上記実施例Ａ及び比較例１〜５，７，８のシムとカムとを２Ｌ４気筒１６弁のガソリンエンジンのシリンダヘッドに組み込み、モータリング運転により両摺動面同士を摺動させて各摺動面の表面粗さが運転時間の経過に伴ってどのように変化するかを測定した。このとき、カムシャフトの回転数は３５０ｒｐｍであり、潤滑油は１０Ｗ３０／８０℃とした。また、モータによりカムシャフトトルクを測定した。尚、比較例５では、運転中にスカッフィングが発生したので、試験は中止した。
【００４０】
上記測定の結果を表２並びに図５（カムの摺動面の表面粗さ変化）及び図６（シムの摺動面の表面粗さ変化）に示す。この結果、シム及びカムの両摺動面の表面粗さは、共に比較例よりも大きく低下し、１０時間経過後には安定することが判る。つまり、シムの摺動面とカムの摺動面とを１０時間程度初期摺動させれば、両摺動面は共に平滑化する。
【００４１】
【表２】
また、実施例Ａ及び比較例１においてカムシャフトトルクが時間経過に伴ってどのように変化するかを調べたところ、図７のようになった。このことからも、実施例Ａでは、シム及びカム間の摺動摩擦抵抗が比較例１よりもかなり大きく低下することが判る。
【００４３】
次に、上記実施例Ａ〜Ｄ及び比較例４，６，７において１０時間運転後におけるシム及びカムの各摺動面の表面粗さ並びに両者の合成表面粗さを調べ、このデータを、横軸がショットブラスト後におけるシムの摺動面の表面粗さでかつ縦軸が上記シム及びカムの各摺動面の表面粗さ並びに両者の合成表面粗さであるグラフ上にプロットした。この結果を図８及び図９に示す（図９は、図８の要部を拡大したものである）。尚、図８には、比較例１の合成表面粗さのレベルを併せて示す。
【００４４】
上記合成表面粗さは、後述の如くカムシャフトトルクと１対１に対応する関係にあり、合成表面粗さが小さければ、カムシャフトトルクつまり摺動摩擦抵抗が小さいことになる。よって、図８及び図９の結果より、ショットブラスト処理によりシムの摺動面の表面粗さを１．０μｍＲａ以下に設定すれば、ガソリンエンジンで一般的に使用されているもの（比較例１）よりも合成表面粗さ（つまり摺動摩擦抵抗）を確実に低減できることが判る。また、ショットブラスト後におけるシムの摺動面の表面粗さを０．０２〜０．７μｍＲａに設定すれば、摺動摩擦抵抗をかなり低レベルに抑え得ることが判る。
【００４５】
次いで、上記実施例Ａ〜Ｄ及び比較例１，４，７において運転開始から１０時間経過時におけるカムシャフトトルクを調べ、このデータを、横軸が１０時間運転後におけるシム及びカムの両摺動面の合成表面粗さ（対数値）でかつ縦軸が上記カムシャフトトルクであるグラフ上にプロットした。この結果を図１０に示す。このことより、上記合成表面粗さが小さくなるにつれてカムシャフトトルクが小さくなることが判る。また、上記合成表面粗さが０．２μｍＲａ以下であれば、上記カムシャフトトルクをかなり低レベルに抑えることができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明では、摺動部材の表面処理方法として、摺動部材の摺動面の表面粗さを相手材の摺動面よりも小さくかつ０．２μｍＲａ以下に設定した後、その摺動部材の摺動面に粒子吹付け処理を施すことで該摺動面の表面粗さを０．０１〜１．０μｍＲａに設定し、その後、上記摺動部材の摺動面に、該摺動面から元素を摺動部材内部に拡散浸透させて硬質化合物を生成する拡散浸透処理を施すことにより、上記摺動部材の摺動面部の硬さを相手材の摺動面部よりも大きく設定するようにした。また、請求項８の発明では、このように表面処理した摺動部材の摺動面を相手材の摺動面と互いに初期摺動させることにより、該両摺動面を互いに平滑化するようにした。したがって、これらの発明によると、低コストで摺動部材と相手材との摺動摩擦抵抗を安定的かつ確実に低減させることができる。
【００４７】
請求項２の発明によると、粒子吹付け処理後における摺動部材の摺動面の表面粗さを、０．０２〜０．７μｍＲａに設定したことにより、摺動部材及び相手材間の摺動摩擦抵抗のさらなる低減化を図ることができる。
【００４８】
請求項３の発明によると、摺動部材の摺動面部の硬さをＨｖ１５００以下に設定したことにより、相手材の摺動面を良好に平滑化しつつ、摺動部材の摺動面を確実に平滑化することができる。
【００４９】
請求項４の発明によると、摺動部材内部に拡散浸透させる元素を、窒素、炭素及びホウ素のうちの少なくとも１つとしたことにより、摺動部材の摺動面部における各突部の硬さの向上化を容易に図ることができる。
【００５０】
請求項５の発明によると、摺動部材の摺動面に浸炭焼入れ処理を施した後に研磨処理を施すことで、該摺動面の表面粗さを相手材の摺動面よりも小さく設定したことにより、摺動部材の摺動面部だけでなくその内部をも硬くすることができる。
【００５１】
請求項６及び１０の発明によると、相手材を、エンジンのバルブを駆動するカムとし、摺動部材を、このカムと摺動するカムフォロワーとしたことにより、エンジン出力及び燃費の向上化を図ることができる。
【００５２】
請求項７の発明によると、摺動部材の表面処理方法として、摺動部材の摺動面の表面粗さを相手材の摺動面よりも小さくかつ０．２μｍＲａ以下に設定した後、その摺動部材の摺動面に粒子吹付け処理を施すことで該摺動面の表面粗さを０．０２〜０．７μｍＲａに設定し、その後、摺動部材の摺動面に拡散浸透処理を施すことにより、摺動部材の摺動面部の硬さを相手材の摺動面部よりも大きくかつＨｖ１５００以下に設定するようにしたことにより、摺動部材及び相手材間の摺動摩擦抵抗を最小限に抑えることができる。
【００５３】
請求項９の発明によると、初期摺動後における摺動部材及び相手材の両摺動面の合成表面粗さを、０．２μｍＲａ以下に設定したことにより、摺動部材及び相手材間の摺動摩擦抵抗を極めて小さい値に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る摺動部材の表面処理方法及び表面平滑化方法を示す説明図である。
【図２】 本発明の実施形態に係る摺動部材の表面処理方法及び表面平滑化方法が適用されるシム及びカムを有する直打式動弁系エンジンのシリンダヘッド要部を示す断面図である。
【図３】 実施例Ａにおけるシムの摺動面の表面プロファイルを示す斜視図である。
【図４】 塩浴軟窒化処理前におけるシムの摺動面の表面粗さと処理後における表面粗さとの関係を示すグラフである。
【図５】 運転時間とカムの摺動面の表面粗さとの関係を示すグラフである。
【図６】 運転時間とシムの摺動面の表面粗さとの関係を示すグラフである。
【図７】 実施例Ａ及び比較例１において運転時間とカムシャフトトルクとの関係を示すグラフである。
【図８】 ショットブラスト後におけるシムの摺動面の表面粗さと、１０時間運転後におけるシム及びカムの各摺動面の表面粗さ並びに両者の合成表面粗さとの関係を示すグラフである。
【図９】 図８の要部を拡大して示すグラフである。
【図１０】 １０時間運転後におけるシム及びカムの両摺動面の合成表面粗さと、運転開始から１０時間経過時におけるカムシャフトトルクとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ エンジンのシリンダヘッド
７ シム（カムフォロワー：摺動部材）
７ａ 突部
７ｂ 硬質化合物層
１２ カム（相手材）
１５ 元素
Claims (10)
- 摺動部材の摺動面の表面粗さを、該摺動面と摺動する相手材の摺動面よりも小さくかつ０．２μｍＲａ以下に設定した後、上記摺動部材の摺動面に、該摺動面部よりも硬い粒子を流体の圧力を利用して吹き付ける粒子吹付け処理を施すことで、摺動面の表面粗さを０．０１〜１．０μｍＲａに設定し、
その後、上記摺動部材の摺動面に、該摺動面から元素を摺動部材内部に拡散浸透させて硬質化合物を生成する拡散浸透処理を施すことにより、上記摺動部材の摺動面部の硬さを上記相手材の摺動面部よりも大きく設定することを特徴とする摺動部材の表面処理方法。 - 請求項１記載の摺動部材の表面処理方法において、
粒子吹付け処理後における摺動部材の摺動面の表面粗さを、０．０２〜０．７μｍＲａに設定することを特徴とする摺動部材の表面処理方法。 - 請求項１又は２に記載の摺動部材の表面処理方法において、
摺動部材の摺動面部の硬さをＨｖ１５００以下に設定することを特徴とする摺動部材の表面処理方法。 - 請求項１〜３のいずれか１つに記載の摺動部材の表面処理方法において、
摺動部材内部に拡散浸透させる元素は、窒素、炭素及びホウ素のうちの少なくとも１つであることを特徴とする摺動部材の表面処理方法。 - 請求項１〜４のいずれか１つに記載の摺動部材の表面処理方法において、
摺動部材の摺動面に、浸炭焼入れ処理を施した後に研磨処理を施すことで、該摺動面の表面粗さを相手材の摺動面よりも小さく設定することを特徴とする摺動部材の表面処理方法。 - 請求項１〜５のいずれか１つに記載の摺動部材の表面処理方法において、
摺動部材は、エンジンのバルブを駆動するカムと摺動するカムフォロワーであることを特徴とする摺動部材の表面処理方法。 - 摺動部材の摺動面の表面粗さを、該摺動面と摺動する相手材の摺動面よりも小さくかつ０．２μｍＲａ以下に設定した後、上記摺動部材の摺動面に、該摺動面部よりも硬い粒子を流体の圧力を利用して吹き付ける粒子吹付け処理を施すことで摺動面の表面粗さを０．０２〜０．７μｍＲａに設定し、
その後、上記摺動部材の摺動面に、該摺動面から元素を摺動部材内部に拡散浸透させて硬質化合物を生成する拡散浸透処理を施すことにより、摺動部材の摺動面部の硬さを上記相手材の摺動面部よりも大きくかつＨｖ１５００以下に設定することを特徴とする摺動部材の表面処理方法。 - 摺動部材の摺動面の表面粗さを、該摺動部材と摺動する相手材の摺動面よりも小さくかつ０．２μｍＲａ以下に設定した後、上記摺動部材の摺動面に、該摺動面部よりも硬い粒子を流体の圧力を利用して吹き付ける粒子吹付け処理を施すことで摺動面の表面粗さを０．０１〜１．０μｍＲａに設定し、
その後、上記摺動部材の摺動面に、該摺動面から元素を摺動部材内部に拡散浸透させて硬質化合物を生成する拡散浸透処理を施すことにより、上記摺動部材の摺動面部の硬さを上記相手材の摺動面部よりも大きく設定し、
次いで、上記摺動部材の摺動面と相手材の摺動面とを互いに初期摺動させることにより、該両摺動面を互いに平滑化することを特徴とする摺動部材の表面平滑化方法。 - 請求項８記載の摺動部材の表面平滑化方法において、
初期摺動後における摺動部材及び相手材の両摺動面の合成表面粗さを、０．２μｍＲａ以下に設定することを特徴とする摺動部材の表面平滑化方法。 - 請求項８又は９記載の摺動部材の表面平滑化方法において、
相手材は、エンジンのバルブを駆動するカムであり、
摺動部材は、上記カムと摺動するカムフォロワーであることを特徴とする摺動部材の表面平滑化方法。
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