JP4293370B2 - バルブリフター - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の動弁機構に使用される硬質皮膜を被覆したバルブリフターに関する。

内燃機関の低燃費化及び高出力化への対応として、動弁系機構の摺動部におけるフリクション（摩擦）低減は有効な手段の一つである。このため、バルブリフターとカムとの摺動部のフリクション低減を目的として、摺動面に窒化チタン系皮膜（例えばＴｉＮ）、窒化クロム系皮膜（例えばＣｒ_２Ｎ、ＣｒＮ）、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）皮膜などの硬質皮膜を被覆することが行われている。

例えば、フリクション低減を図るために、バルブリフター頂面（冠面）に配されカムと摺動するシムの表面粗さをカムとシムとの間の油膜厚さと同じ程度に小さくする必要から十点平均粗さＲｚ０.１μm（Ｒａで０.０２５μm相当）以下とし、そのシム基材表面にＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＣｒＮ、ＤＬＣなどの薄膜を被覆し、初期摺り合わせ運転中にシムと接するカム側の接触面を鏡面化するカム接触部構造が特許文献１（特開平５−１６３９０９号）に示されている。また、ＤＬＣ薄膜などの硬質炭素皮膜成膜前の基材表面粗さをＲａ０.０３μm以下とし、その上に硬度及び膜厚から表面粗さを規定した皮膜を被覆することで、延性の少ない硬質薄膜の割れや剥離などを抑え、耐久信頼性且つ低摩擦係数を実現し、摩擦特性及び耐久性に優れたシム、リフター及びカムシャフトの組合せとすることが特許文献２（特開２００２−３０９９１２号）に開示されている。

これら摺動部表面に被覆される硬質皮膜の中で、ＤＬＣ皮膜は高硬度かつ低摩擦係数という特徴などから、直打式動弁系において耐摩耗性やフリクション低減効果が期待され実用化が検討されている。ＤＬＣ皮膜にはダイヤモンド構造とグラファイト構造の構成比、水素や金属の含有などにより複数の種類があるが、一般的に非晶質硬質炭素皮膜のことを意味する。このような非晶質硬質炭素皮膜の成膜方法としては、メタンやアセチレンなどの炭化水素系ガスを用いたＣＶＤ法と、グラファイトなどをターゲットに用いたＰＶＤ法が知られている。

ＣＶＤ法により形成される非晶質硬質炭素皮膜は、ＰＶＤ法に比べて水素を多く含有し、内部残留圧縮応力により鉄系基材に対して十分な密着性を確保することは困難であり、よって基材との密着性確保のため、金属や金属と炭化物からなる中間層を用いた構造とすることや非晶質硬質炭素皮膜中へ金属添加することで内部応力を緩和する方法が用いられている。

一方、真空アークイオンプレーティング法などのＰＶＤ法により形成される非晶質硬質炭素皮膜は、一般に不可避的に含有される水素（数原子％程度）を除いて実質的に水素フリーという特徴を有し、ＣＶＤ法による非晶質硬質炭素皮膜に比べて高硬度で耐摩耗性が優位であると考えられている。特許文献２や特許文献３（特開２００４−１３７５３５号）によれば、水素フリー非晶質硬質炭素皮膜の具体的な特性としては、膜厚０．３３〜１．９０μm、表面ヌープ硬度１９５６〜４０５０、水素原子含有量０．５原子％以下であり、その時の基材硬度がＨＲＣ５３〜６０、基材の表面粗さはＲａ０．０１〜０．０３であった。また、基材の表面粗さは小さいほど好ましいがＲａ０．０１μm程度にまで平滑にすれば、成膜後の皮膜の表面粗さが仕上げ加工なしでＲａ０．０３μm程度になることも開示されている。

特開平５−１６３９０９号 特開２００２−３０９９１２号 特開２００４−１３７５３５号

しかしながら、上記の特許文献１による摺動部構造は、硬質皮膜被覆前の基材表面をＲｚ０.１μm以下とし、その上に薄い硬質皮膜を被覆しているが、摺動によって相手材が鏡面化される頃に硬質皮膜が削り落とされてしまう構造であり、硬質皮膜が削り落とされた後の基材摺動面に摩耗が発生する問題がある。

特許文献２は、硬質炭素皮膜成膜前の基材表面粗さをＲa０.０３μm以下とし、その上に硬度と膜厚から表面粗さＲyを規定した硬質薄膜をアークイオンプレーティング法により被覆し、割れや剥離などを抑える硬質皮膜としているが、硬質皮膜成膜前の基材表面を一般的な砥石を用いた研削や遊離砥粒を用いたラップ仕上げ又はバフ仕上げを施すと、基材表面に研磨材の硬質粒子による長く連続的に伸びた不可避な多数のキズが残存してしまうため、このような基材表面上に非晶質硬質炭素皮膜を被覆したものはメタルイオンボンバード法によりある程度の密着性を確保した場合においても、硬質皮膜被覆前の表面のキズを起点とした剥離が発生及び剥離が進行するという問題があった。

本発明はこれらの課題を解決するためになされたものであり、非晶質硬質炭素皮膜を摺動部に被覆したバルブリフターにおいて、基材と非晶質硬質炭素皮膜の密着性に優れ、フリクションを低減するバルブリフターを提供することを目的とする。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、本発明者等は非晶質硬質炭素皮膜を摺動面に形成したバルブリフターの皮膜の密着性について鋭意研究の結果、摺動部となる基材表面に存在する連続するキズの最大長さを規定することにより、キズを起点とした剥離発生を防止するとともに剥離が発生した場合の進展の抑制ができることを見出し本発明を完成した。
すなわち、本発明によるバルブリフターは、少なくともカムと摺動する面に非晶質硬質炭素皮膜を被覆したバルブリフターにおいて、基材表面（下地）の算術平均粗さＲａが０．０１〜０．０３μmであって、前記基材表面におけるキズの最大長さを２５０μm以下としたことを特徴とする。

カムとバルブリフター間の高面圧摺動条件では、剥離を引き起こす臨界の欠陥サイズは直接的にはキズの幅や深さに関係すると考えられるが、バルブリフター冠面におけるキズを起点とする非晶質硬質炭素皮膜の剥離のメカニズムは未だ明らかではない。しかし、キズの長さに注目して整理すると、キズの長さが２５０μm以下であればキズに内在する欠陥サイズが剥離を引き起こす臨界値以下であり、２５０μmを超えるとキズに内在する欠陥サイズが剥離を引き起こす臨界値を超えることが明らかになった。

前記バルブリフターの構成は、少なくともカムと摺動する面に好ましく適用することができる。尚、本発明に適用するバルブリフターは、カムとバルブリフター本体が直接摺動する仕様及びカムとバルブリフター本体の間にシムを用いた仕様の両方を含めたものである。また、本発明に係る基材表面のキズは、硬質皮膜被覆前の基材表面を光学顕微鏡（倍率２００倍）で観察して確認できる略直線的に伸びたスジ状のものであり、連続したキズとは前記の観察により明確につながった状態のものをいう。

本発明によるバルブリフターは、非晶質硬質炭素皮膜を被覆する前の基材表面の面粗度を算術平均粗さＲａ０.０１〜０.０３μmとする。更に、ショットブラスト処理等によって摺動部の基材表面に存在する連続するキズの最大長さを２５０μm以下とすることにより、キズを起点とした剥離発生を防止するとともに剥離発生の場合における進展を抑制でき、基材表面と非晶質硬質炭素皮膜の密着性を大幅に向上することが可能となる。
ここで、非晶質硬質炭素皮膜は、基材表面に直接形成することが効果的であるが、中間層を介して形成することもキズの影響をさらに排除する意味では有効である。非晶質硬質炭素皮膜はＰＶＤ法、特にアークイオンプレーティング法により形成された水素含有量が０.５原子％以下であるものが、硬度及び耐摩耗性の観点で好ましい。硬度はヌープ硬度（超硬基材上に成膜して荷重５０ｇｆで測定）でＨｋ２５００kg/mm^２以上、より好ましくはＨｋ３０００kg/mm^２以上の皮膜とする。

なお、皮膜の膜厚は、動弁部品のバルブリフターに適用する場合には、０．３〜１．５μmとし、好ましくは１．０μm以下とする。また、皮膜の表面粗さはカムへの攻撃性の観点でＲａ０．０１〜０．０３が好適である。上記における非晶質硬質炭素皮膜を形成する基材には、ＳＣＭ４１５材などの鋼材や鉄系合金或いは前記鋼材や鉄系合金に浸炭処理や焼入処理等の硬化熱処理を施し、表面硬度をＨＲＣ５３以上としたものを用いることが好ましい。ＨＲＣ５３未満では、基材の変形に起因する非晶質硬質炭素膜の剥離が発生する可能性がある。

本発明により、基材表面のキズを起点とした非晶質硬質炭素皮膜の剥離の発生を防止するとともに剥離の進展を抑制することができ、信頼性の高い密着性を有するバルブリフターを得ることができ、その製造が可能となる。

以下に、本発明に係るバルブリフターの実施態様の一例を説明する。
図１及び図２は本発明に関わるバルブリフターの断面図の例を示したもので、カムと摺動するバルブリフター１の冠面に非晶質硬質炭素皮膜２を形成している。前記のバルブリフターは、例えばＳＣＭ４１５材などの鋼材をバルブリフター基材とし、鍛造により成形した後に浸炭焼き入れを行い、その後の工程で冠面の超仕上げ等がなされる。
図４は、一般的な砥石により超仕上げを施した冠面部の表面を光学顕微鏡（倍率２００倍）で観察したものである。触針式の粗さ計により測定した面粗度はＲａ０.０２５μmであり、砥石による長く連続し且つ交差したキズが多数残っていることが確認できる。
図５は、超仕上げ後にアルミナ、酸化クロムを研磨材として使用したバフ仕上げを一定時間行った表面について示したものである。前記と同様に測定した面粗度はＲａ０.０１５μmであり、キズ密度は前記の超仕上げのみ（図４）に比べて大幅に低くなっているが、連続した長いキズがまだ少し残っている。
図３は、超仕上げ後に弾性砥粒を用いたショットブラスト処理を一定時間行うことにより仕上げた表面を光学顕微鏡で観察したものである。面粗度はＲａ０.０１５μmであり、確認できる最大キズの長さは約２００μmである。

このような基材表面を持つバルブリフターを洗浄し、真空アークイオンプレーティング法により水素フリーの非晶質硬質炭素皮膜を形成し、実施例１〜３及び比較例１〜４を作成した。尚、真空アークイオンプレーティング法による非晶質硬質炭素皮膜を膜厚１.５μm以上の厚さとすると被覆後の面粗さが増大する傾向があった。真空アークイオンプレーティング法で成膜した非晶質硬質炭素皮膜表面の面粗度は、算術平均粗さＲａ０.０８μm程度まで粗くなっているので研磨材を用いたラップ仕上げなど後処理により面粗度をＲａ０.０１〜０.０３μmに調整した。

ここで実施例及び比較例に非晶質硬質炭素膜を成膜する際に超硬基材上に形成させた非晶質硬質炭素皮膜は、ヌープ硬度（測定荷重５０ｇｆ）でＨｋ３０００ｋｇ/mm^２であった。
上記により作成した実施例１〜３及び比較例１〜４について、ピッチング耐久試験により基材と皮膜の密着性を評価した。ピッチング試験は、実機エンジンを模した構造の装置を使用し、カム回転数を２０００ｒｐｍ、ヘルツ応力を５６０ＭＰａ、試験時間を約９０時間として評価を行った。

表１にピッチング耐久試験結果を示す。非晶質硬質炭素皮膜被覆前の基材表面を、ショットブラスト処理によりキズ最大長さを２５０μm以下とした実施例１〜３は剥離が発生せず、特に弾性砥粒を用いた実施例１及び２は良好な密着性を有していることが確認された。

一方、非晶質硬質炭素皮膜被覆前の基材表面を、超仕上げのみを施した基材表面に非晶質硬質炭素皮膜を被覆した比較例１はキズを起点とすると考えられる剥離が多数発生し且つ剥離の進展が認められた。また、超仕上げ後に遊離砥粒を使用したバフ仕上げを行った比較例２も比較例１と同様にキズを起点とした剥離が発生し且つ一部が進展し、密着性および剥離の進展抑制性が悪いことが確認された。更に、弾性砥粒等を使用したショットブラスト処理を行ったものにおいて、キズ最大長さを３００μm以上とした比較例３及び４についても一部に剥離が見られた。

本発明によるバルブリフターの断面図の一例である。 本発明によるシムを用いた仕様のバルブリフターの断面図の一例である。 実施例の光学顕微鏡による皮膜被覆前の基材の表面観察写真（２００倍）である。 比較例１の光学顕微鏡による皮膜被覆前の基材の表面観察写真（２００倍）である。 比較例２の光学顕微鏡による皮膜被覆前の基材の表面観察写真（２００倍）である。

符号の説明

１ バルブリフター
２ 非晶質硬質炭素皮膜
３ シム

Claims (4)

1. 少なくともカムと摺動する面に非晶質硬質炭素被膜を被覆したバルブリフターにおいて、
   基材表面を仕上げ研磨した後のショットブラスト処理により、前記非晶質硬質炭素被膜の被覆前の基材表面（下地）の算術平均粗さＲａを０．０１〜０．０３μm、かつ研磨キズの最大長さを２５０μm以下としたことを特徴とするバルブリフター。
2. 前記バルブリフターにおいて、非晶質硬質炭素皮膜表面の算術平均粗さがＲａ０.０１〜０.０３μmである請求項１記載のバルブリフター。
3. 前記非晶質硬質炭素皮膜において、水素含有量が０.５原子％以下、ヌープ硬度（Ｈｋ）が２５００kg/mm２以上、膜厚が０.３〜１.５μmであることを特徴とする請求項１又は２記載のバルブリフター。
4. 前記バルブリフターにおいて、非晶質硬質炭素皮膜を被覆する基材の硬度がＨＲＣ５３以上であることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載のバルブリフター。