JP5623917B2

JP5623917B2 - 耐フレッティング摩耗性チタン部材

Info

Publication number: JP5623917B2
Application number: JP2011003953A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　栄一; 栄一佐藤; 恭 ▲高▼橋; 晋司笠鳥
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-01-12
Filing date: 2011-01-12
Publication date: 2014-11-12
Anticipated expiration: 2031-01-12
Also published as: JP2012144775A

Description

本発明は、耐フレッティング摩耗性および耐疲労強度に優れた耐フレッティング摩耗性チタン部材に関する。

内燃機関の性能向上の観点から、内燃機関の高速回転化を図るために、動弁系部材の慣性力を低減させることを目的として、動弁系のうち慣性力を発生する主要部材である吸気用又は排気用の弁を鉄合金部材からチタン部材へと置き換えることにより軽量化が図られてきた。

しかし内燃機関の吸気・排気用の弁は、弁の軸部がコッタにより保持されており、内燃機関の燃焼に伴う弁の上下動により、弁の軸部とコッタとの間でフレッティングという微小振幅の振動が発生する。このフレッティングにより、またチタン材は耐摩耗性が劣るので、弁の軸部とコッタとの当接面にフレッティング摩耗が発生して摩耗粉が生じ、これにより弁の軸部のコッタとの当接面に表面損傷が発生して損傷部に応力が集中し、損傷部を起点とした疲労破壊が起こり、弁の疲労強度が大幅に低下していた。

このようなフレッティング摩耗を低減し、チタン部材の疲労強度を向上させるために、内燃機関の吸気・排気用の弁の軸部のコッタとの当接面、すなわちフレッティングが発生する当接面に、ショットピーニングを施したチタン合金製弁が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−１９５７３０号公報。

前記特許文献１に記載されたチタン材を用いた内燃機関の吸気・排気用の弁は、フレッティングが発生する当接面にショットピーニングを施し、ショットピーニングによる加工硬化によって耐摩耗性を向上させ、フレッティング摩耗を低減させているものの、フレッティング摩耗の低減化は充分でなく、チタン製部材のさらなる耐フレッティング摩耗性および疲労強度の向上が求められていた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、フレッティングの発生によるフレッティング疲労、フレッティング摩耗に耐え、疲労強度の向上した耐フレッティング摩耗性チタン部材を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決したものであって、請求項１に記載の発明は、少なくとも、他部材と接しフレッティングが発生する当接面に、酸化処理を行い表面硬さＨｍｖ（荷重０．１ｋｇ）を５５０以上８００未満とした後に、ショットピーニングを行い表面硬さＨｍｖ（荷重０．１ｋｇ）を６００以上１０００以下とし、酸素拡散層の厚さを１０μｍから３０μｍとする耐フレッティング摩耗性チタン部材であって、
前記耐フレッティング摩耗性チタン部材は、内燃機関（１）の吸気弁（20）または排気弁（20）であり、
前記当接面は、バルブスプリングリテーナ取付け用のコッタ（22）との当接面（20ｅ）であることを特徴とする耐フレッティング摩耗性チタン部材に関するものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の耐フレッティング摩耗性チタン部材において、前記ショットピーニングは、粒径３００♯から４００♯の金属微粒粉からなるメディアを用いて行われることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の耐フレッティング摩耗性チタン部材において、前記ショットピーニングは、粒径１００♯から２００♯のガラスビーズからなるメディアを用いて行われることを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明は、請求項２または請求項３に記載の耐フレッティング摩耗性チタン部材において、前記ショットピーニングは投射圧０．５ＭＰaおよび投射距離１００ｍｍで行われることを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の耐フレッティング摩耗性チタン部材において、前記耐フレッティング摩耗性チタン部材はTi-6Al-4V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、IMI834の何れかのチタン合金からなることを特徴とするものである。

請求項６に記載の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の耐フレッティング摩耗性チタン部材において、前記ショットピーニングは、１００％から３００％のショットピーニングガバレージで行われることを特徴とするものである。

請求項１記載の本発明の耐フレッティング摩耗性チタン部材によれば、チタン部材の少なくとも他部材と接しフレッティングが発生する当接面に、酸化処理を施すことによって耐摩耗性を向上させると共に、ショットピーニングにより残留応力を与えることで、フレッティング摩耗を低減させ、疲労強度を向上させることができ、チタン部材の耐摩耗性、耐フレッティング摩耗性および耐疲労強度の向上を図ることができる。さらに、内燃機関に用いられる吸気・排気用の弁の耐フレッティング摩耗性および耐疲労強度を向上することができる。

請求項２記載の本発明の耐フレッティング摩耗性チタン部材によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、粒径の小さいメディアを用いてショットピーニングを行うことにより、ショットピーニング処理後の表面粗さを小さいものとし、より耐フレッティング摩耗性の向上を図ることが可能となる。

請求項３の発明によって、請求項１記載の発明の効果に加えて、粒径の小さいメディアを用いてショットピーニングを行うことにより、ショットピーニング処理後の表面粗さを小さいものとし、より耐フレッティング摩耗性の向上を図ることが可能となる。

請求項４の発明によって、請求項２または請求項３に記載の発明の効果に加えて、ショットピーニングの処理を最適な条件で行うことにより、より耐フレッティング摩耗性および耐疲労強度を向上することができる。

請求項５の発明によって、請求項１ないし請求項４に記載の発明の効果に加えて、チタン部材がTi-6Al-4V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、IMI834の何れかのチタン合金からなることにより、加工性、機械的性質のバランスが良好な部材となり、耐フレッティング摩耗性および耐疲労強度を向上することが容易になる。

請求項６の発明によって、請求項１ないし請求項５に記載の発明の効果に加えて、ショットピーニングの効果をより適切にチタン部材に与えることができ、より一層耐フレッティング摩耗性および耐疲労強度を向上することができる。

本発明の耐フレッティング摩耗性チタン部材による吸気・排気用弁が使用された内燃機関の主要構造を示す縦断面図である。前記内燃機関１の要部縦断面図である。内燃機関の弁の室温単体疲労試験の試験装置を示す縦断面図である。内燃機関の弁の室温単体疲労試験の試験結果を示すグラフである。室温単体疲労試験において破断した弁の要部拡大図である。室温単体疲労試験において破断した弁の要部拡大図である。残留応力試験の試験結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図１、図２を参照して説明する。

図１は、本発明の耐フレッティング摩耗性チタン部材が適用されたバルブ20が使用される動弁装置11を備えた内燃機関１の、動弁装置周辺構造が図示されたものである。

内燃機関１では、図示されないクランクケースの上にシリンダブロック２が重ねられ、さらにシリンダブロック２の上にシリンダヘッド３が重ねられて、図示されないボルトによりクランクケース、シリンダブロック２およびシリンダヘッド３が一体に締結されている。シリンダヘッド３の上方はヘッドカバー４に覆われている。

クランクケース内には、図示されないクランク軸が回転自在に軸受けにより支持されており、シリンダブロック２には上下に貫通するシリンダボア２ａが形成され、シリンダボア２ａ内にピストン６が上下方向に摺動可能に嵌合されており、クランク軸のクランクピンはコンロッド５を介してピストン６と連結されている。シリンダヘッド３には燃焼室７が設けられ、内燃機関１の燃焼室７における燃焼エネルギーは、ピストン６の運動エネルギーへ変換され、これによりピストン６が上下動されて、コンロッド５を介してクランク軸が回転駆動されるようになっている。

さらに、シリンダヘッド３には、前記燃焼室７の上壁面に開口する吸・排気弁口８、９、および吸・排気弁口８、９に通じてシリンダヘッド３内を貫通する吸・排気ポート10、11が設けられ、また吸・排気弁口８、９には、吸・排気弁口８、９を開閉するための吸・排気用の弁20が設けられており、この弁20による弁口８、９の開閉作動をなすための作動機構である動弁装置12がシリンダヘッド３上部に設けられている。動弁装置12は、カム軸14と、カム軸14に支持された動弁カム13と、動弁カム13のカム面13ａにより揺動されるロッカーアーム15と、ロッカーアーム15を揺動自在に支持しているロッカーアーム軸16を備えており、ロッカーアーム15の押圧部15ａによる押動によりシム25を介して弁20が開口されるようになっている。

吸・排気用の弁20は傘部20ａと軸部20ｂとよりなっており、傘部20ａはバルブシート21が圧入された弁口８、９を開閉する弁体であって、軸部20ａはシリンダヘッド３に嵌合されたステムガイド筒22に摺動自在に嵌装されている。

弁20の軸端部20ｃはステムガイド筒22の上方に突出されており、この軸部20ｂの端部寄りには環状溝部20ｄが設けられ、軸部20ｂの端部周辺の外周は、前記環状溝部20ｄと嵌合する凹部23ａが設けられた２つ割の鉄製のコッタ23により挟み込まれ、弁の軸部の端部周辺の外周面とコッタ23の内周面とが当接された状態で、スプリングリテーナ24のテーパ状の孔に嵌合されて、弁の軸端部はスプリングリテーナ24に保持される。このときの弁20の軸部20ｂがコッタ23に接している面をコッタ当接面20ｅといい、コッタ23が弁20の軸部20ｂに接している面を軸部当接面23ｂという。

前記スプリングリテーナ24と、これと対向するようにシリンダヘッド３に支持されたバネ受け部材26との間に、弁20の軸部20ｂ周りを囲むようにコイル状弁バネ27が圧縮状態で取り付けられており、当該コイル状弁バネ27により弁20は常に閉じられる方向に付勢されており、前記動弁カム13の回転に応じてロッカーアーム15が揺動し、ロッカーアーム15の押圧部15ａにより弁20の軸端部20ｃが押圧されると、コイル状弁バネ27の付勢力に反して弁20が開き、ロッカーアーム15の押圧部20ａの押圧が解除されるとコイル状弁バネ27の付勢力により弁20が閉じるようになっている。

前述の弁20についてさらに以下詳細に説明する。

弁20は、軽量化と強度的な要求を満たすためにチタンあるいはチタン合金が用いられ、好適にはTi-6Al-4V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、IMI834のいずれかのチタン合金が用いられる。

弁20の少なくともコッタ当接面20ｅには酸化処理が施され、酸化処理により、弁20の表面に酸化層および酸素拡散層が形成され、この酸素拡散層の形成により弁20の表面硬さが向上する。好適には、コッタ当接面20ｅの表面硬さが、試験荷重０．１ｋｇのマイクロビッカース試験において、５５０Ｈｍｖ以上８００Ｈｍｖ未満であり、酸素拡散層の厚さが１０μmから３０μm以下となるように酸化処理が施される。表面硬さを５００Ｈｍｖ以上８００Ｈｍｖ未満とし、酸素拡散層の厚さを１０μmから３０μm以下とすることで、弁20のコッタ当接面20ｅの耐フレッティング摩耗性および耐疲労強度を向上させることが可能となる。この酸化処理は、チタン製あるいはチタン合金製の弁20が、大気雰囲気の高温で、例えば６００℃以上、８００℃以下の炉内温度に設定された加熱炉内に搬入され、所定時間、例えば１時間〜２４時間加熱されて酸化される、あるいは弁20の少なくともコッタ当接面20ｅが大気雰囲気中にて過熱されることにより酸化されるものである。

その後、酸化処理を施した弁20に、少なくとも弁20のコッタ当接面20ｅ周辺付近に、あるいは弁20の全体に、例えば乾式の空気式加速装置あるいは機械式加速装置によりショット加速がされるピーニング機械を用いて、微粒子からなるメディアを投射してショットピーニングを行う。弁20にショットピーニングを行うことにより、酸化処理によって弁20の表面に形成された酸化層を除去することができる。また、ショットピーニングが施された加工面には、ショットピーニングによって残留応力が与えられて耐疲労強度が向上し、また耐フレッティング摩耗性が向上する。

ショットピーニングは、好適には、ショットピーニング後の表面硬さが、試験荷重０．１ｋｇのマイクロビッカース試験において、６００Ｈｍｖ以上１０００Ｈｍｖ以下であり、酸素拡散層の厚さが１０μｍから３０μｍとなるように行われる。

ショットピーニングの投射材としてのメディアは、好ましくは粒径が３００＃から４００＃の金属微粒粉、または粒径が１００＃から２００＃のガラスビーズが用いられ、投射して破砕されたメディアは自動風力分級にて集塵し、不足した分は、新品のメディアが継ぎ足され、メディアの劣化状態は常に一定に保たれるようになっている。メディアとして、粒径が３００＃から４００＃の金属微粒粉、または粒径が１００＃から２００＃のガラスビーズを用いることにより、ショットピーニング後の表面の凹凸が小さく、より耐フレッティング性を向上することが可能となる。

また、ショットピーニングは、弁20の全体、あるいはマスキングにより弁20のコッタ当接面20ｅ周辺付近に行われるが、その投射距離は、専用の治具を用いることにより、好ましくは８０ｍｍ以上から１００ｍｍ以下で、より好ましくは９０ｍｍの距離で行われる。

さらに、ショットピーニングは、例えば０．４０ＭＰａから０．５５ＭＰａの投射圧で、好ましくは０．５０ＭＰａの投射圧でもって行われ、投射開始時にアナログメータにて０．０５Ｍｐａ程度の精度で投射圧の調整を行う。

また、好ましくは１００％から３００％のショットピーニングカバレージになるような処理条件において行われる。

このようにして酸化処理を行った後にショットピーニング処理を行ったチタン合金製の吸気・排気用の弁20は、酸化処理により耐摩耗性が向上されると共に、ショットピーニングにより残留応力を与えることで摩耗を低減し、疲労強度を向上させることができる。

酸化処理を施した弁に、投射圧、投射距離をパラメータとして変化させたショットピーニングを行い、耐フレッティング摩耗性および疲労強度の向上を図ることができた上限品、センター品および下限品の、ショットピーニング条件を、以下の表１に示している。このことから、ショットピーニングは、好適には０．４０ＭＰａから０．５５ＭＰａにおいて、最適には０．５０ＭＰａの投射圧において行われると、耐フレッティング摩耗性および疲労強度の向上を図ることができるといえる。

さらに、酸化処理後ショットピーニングを施した吸気・排気用の弁において、耐フレッティング摩耗性および疲労強度の向上を図ることができた上限品および下限品の断面を観察したところ、表２に示したような酸素拡散硬化層厚さ、径変化、表面硬度および内部硬度についての結果が得られた。このことから、酸化処理後にショットピーニングを行って、表面硬さＨｍｖ（荷重０．１ｋｇ）を６００以上１０００以下とし、酸素拡散層の厚さが１０μｍから３０μｍとなるよう処理することにより、耐フレッティング摩耗性および疲労強度の向上を図ることができるといえる。

以下、実施例により本発明を詳細に説明する。

（試験１）吸気・排気用の弁の室温単体疲労試験
内燃機関の吸気・排気用であってTi-6Al-4Vチタン合金を用いた弁20の、未処理品、ショットピーニング処理品、酸化処理後ショットピーニング処理品のそれぞれについて、図３に示すような５ｔＳＵＭの油圧疲労試験機30によって、室温単体疲労試験を行った。油圧疲労試験機30は、コッタ23およびリテーナ24がセットされる上部治具31と、バルブシート21が圧入される弁口33、およびステムガイド筒22の内径に相当する孔34が設けられた下部治具32を具備している。弁20は、弁傘部20ａがバルブシート21が圧入された弁口33に配設され、軸部20ｂが下部治具32の孔34に摺動可能に嵌装され，弁20の軸端部20ｃがコッタ23およびリテーナ24を介して上部治具31に保持されて、引張試験機30にセットされている。この引張試験機30により、弁20にあらかじめ設定された引張り応力荷重を３０Ｈｚの周波数で繰り返し与えて、弁20に破断が生じるまでのサイクル回数を測定したものである。

図４は、上記試験の結果を示すグラフであり、△は無処理品、□はショットピーニング処理品、○は酸化処理後ショットピーニング処理品の試験結果であって、これらの試験結果を曲線で結んだものを表している。これらの結果を比較すると、熱処理後ショットピーニング処理品は、ショットピーニング処理品に比べ、各引張り応力荷重条件下の疲労試験において、いずれも耐疲労強度が向上していることがわかる。

また、未処理品およびショットピーニング処理品の各条件下において破断した弁は、図５に示すように、軸端部20ｃ近傍であってコッタにより抱持されている部分に破断面29が発生しており、この破断の起点部にはフレッティングと思われる凹みが認められ、さらに軸部20ｂのコッタ当接面20ｅ周辺部分には、鉄製コッタ23のフレッティング摩耗と思われる鉄粉28の付着が認められており、弁20はフレッティング摩耗により軸20ｂに傷が生じて応力が集中し、疲労破壊したものと考えられる。

一方、酸化処理後ショットピーニング処理品の各条件下において破断した弁、例えば、は、図６に示すように、弁20の傘部20ａと軸部20ｂとのつなぎ部分であるＲ部分20ｆに破断面29が発生しており、軸部20ｂのコッタに抱持されている部分周辺には破断面は生じていない。これは、コッタ当接面20ｅに酸化処理およびショットピーニングを施したことにより、フィレッティングが発生する当接面の耐フレッティング摩耗性が向上して破断部位が他に移動し、傘部20ａと軸部20ｂとのつなぎ部分であるＲ部分20ｆに応力が集中し、通常の疲労破壊により破断したものと考えられる。

以上より、熱処理後ショットピーニングを施すことにより、チタン部材のフレッティングが発生する当接面での耐フィレッティング摩耗性および耐疲労強度が向上する効果を確認することができた。

（試験２）残留応力試験
Ti-6Al-4V材の、無処理品、酸化処理品、ショットピーニング処理品、酸化処理後ショットピーニング処理品のそれぞれについて、表面からの距離における残留応力分布を測定した。図７は、上記試験の結果を示すグラフであり、○は酸化処理品、●は無処理品、△はショットピーニング処理品、□は酸化処理後ショットピーニング処理品の試験結果であって、これらの試験結果を曲線で結んだものを表している。

これによると、酸化処理後ショットピーニング処理品は、無処理品および酸化処理品に比べて、表面からの距離の全てにおいてより高い残留圧縮応力値を示しているので、酸化処理後ショットピーニング処理品の耐疲労強度が増していることがわかる。

さらに、酸化処理後ショットピーニング処理品とショットピーニング処理品を比較してみると、表面からの距離が10μｍ相当までは略同等の値を示し、10μｍ以上の距離になると酸化処理後ショットピーニング処理品は、ショットピーニング処理品に比べてより高い残留応力値を示しているので、酸化処理後ショットピーニングを施したチタン部材は、ショットピーニングのみを施したチタン部材に比べて、耐疲労強度が向上していることが確認できた。

１…内燃機関、２…クランクケース、３…シリンダブロック、４…シリンダヘッド、５…ヘッドカバー、６…ピストン、７…燃焼室、８…吸気弁口、９…排気弁口、10…吸気ポート、11…排気ポート、12…動弁カム、13…動弁カム室、14…ロッカーアーム、15…ロッカーアーム軸、
20…バルブ、20ａ…傘部、20ｂ…軸部、20ｃ…軸端部、20ｄ…環状溝部、20ｅ…コッタ当接面、20ｆ…Ｒ部、21…バルブシート、22…ステムガイド筒、23…コッタ、24…スプリングリテーナ、25…シム、26…バネ受け部材、27…コイル状バネ、28…鉄粉、29…破断面。

Claims

少なくとも、他部材と接しフレッティングが発生する当接面に、酸化処理を行い表面硬さＨｍｖ（荷重０．１ｋｇ）を５５０以上８００未満とした後に、ショットピーニングを行い表面硬さＨｍｖ（荷重０．１ｋｇ）を６００以上１０００以下とし、酸素拡散層の厚さを１０μｍから３０μｍとする耐フレッティング摩耗性チタン部材であって、
前記耐フレッティング摩耗性チタン部材は、内燃機関（１）の吸気弁（20）または排気弁（20）であり、
前記当接面は、バルブスプリングリテーナ取付け用のコッタ（22）との当接面（20ｅ）であることを特徴とする耐フレッティング摩耗性チタン部材（20）。
前記ショットピーニングは、粒径３００♯から４００♯の金属微粒粉からなるメディアを用いて行われることを特徴とする請求項１に記載の耐フレッティング摩耗性チタン部材（20）。
前記ショットピーニングは、粒径１００♯から２００♯のガラスビーズからなるメディアを用いて行われることを特徴とする請求項１に記載の耐フレッティング摩耗性チタン部材（20）。
前記ショットピーニングは、投射圧０．５ＭＰaおよび投射距離１００ｍｍで行われることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の耐フレッティング摩耗性チタン部材（20）。
前記耐フレッティング摩耗性チタン部材はTi-6Al-4V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、IMI834の何れかのチタン合金製からなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の耐フレッティング摩耗性チタン部材（20）。
前記ショットピーニングは、１００％から３００％のショットピーニングカバレージで行われることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の耐フレッティング摩耗性チタン部材（20）。