JPH02204604A - 摺動部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ９発明の目的 （１）産業上の利用分野 本発明は摺動部材およびその製造方法に関する。

（２）従来の技術 従来、二〇種摺動部材として、内燃機関用動弁機構のカ
ムシャフトが知られており、そのカムシャフトは鋳鉄よ
り構成され、またカム、したがってその摺動面形成領域
は、例えばチル化されている。

（３）発明が解決しようとする課題 前記のようにチル化を行う理由は、前記領域の摺動特性
を向上させてピッティングおよびスカフィングの発生を
回避するためであるが、現在の動向である機関の高速回
転化および高出力化に十分に対処するためには、なお−
層の摺動特性の向上が要求されている。

本発明は、前記要求に応することのできる、優れた摺動
特性を備えた前記摺動部材およびその製造方法を提供す
ることを目的とする。

Ｂ０発明の構成 （１）課題を解決するための手段 本発明に係る摺動部材は、 ０、８重量％≦Ｃ≦２．０重量％、 ０、４重量％≦ＳＬ≦２．０重量％、 ０．３重量％≦Ｍｎ≦１．５重量％、 ６．０重量％≦Ｃｒ≦２０．０重量％、０、３重量％≦
Ｍｏ≦５．０重量％、 ０．０５重重量≦Ｓ≦０．５重量％、 残部　Ｆｅおよび不可避不純物 の組成を有する合金鋼を構成材料とし、摺動部が、化学
的表面硬化処理により得られた表層と、該表層の内側に
在って、焼入れおよび焼戻し処理により得られた内層と
を有し、表面硬さがＨえＣ５５以上であることを特徴と
する。

本発明は摺動部材を製造するに当り、摺動部材の摺動部
に対応する部位を備えた摺動部材用素材を、二次硬化特
性を有する合金鋼を用いて製造する工程と、前記部位に
焼入れ処理を施す工程と、前記部位に、それが二次硬化
現象を生起する焼戻し温度にて焼戻し処理を施す工程と
、前記部位に、前記焼戻し温度よりも低い温度にて化学
的表面硬化処理を施す工程とを順次行うことを特徴とす
る。

（２）作　用 前記摺動部材を構成する合金鋼は二次硬化特性を有し、
また強固な網目状炭化物を生成するので、その摺動部は
、外層および内層の協働によって特定の表面硬さ、優れ
た疲労強度および自己潤滑能を備え、これにより摺動部
の耐ピツテイング性および耐ピツテイング性が向上し、
また耐久性も良好となる。

前記合金鋼において各化学成分を用いる理由およびその
含有量限定理由は以下の通りである。

（ａ）　　Ｃについて Ｃは、マルテンサイト組織に網目状炭化物を分散させる
ために用いられる。た−゛し、Ｃの含有量が０．８重量
％を下回ると、網目状炭化物を得ることができず、一方
、２．０重量％を上回ると、網目状炭化物量が過剰とな
って機械加工性が低下する。

（ロ）　Ｓｌについて Ｓｉは、鋳造性を改善するために用いられる。

たＸし、Ｓｉの含有量が０．４重量％を下回ると、前記
改善効果が得られず、一方、２．０重量％を上回ると、
摺動部材が脆化する。

（ｃ）Ｍｎについて Ｍｎは、マトリックスを強化するために用いられる。た
！゛シ、Ｍｎの含有量が０．３重量％を下回ると、前記
強化作用が得られず、一方、１．５重量％を上回ると、
残留オーステナイトが増加して、硬さおよび寸法安定性
が低下する。

（ｄ）Ｃｒについて Ｃｒは、二次硬化現象生起要素であり、強固な網目状炭
化物を生成して摺動部の硬さ、耐摩耗性および耐熱性を
増大させるために用いられる。ただし、Ｃｒの含有量が
６，０重量％を下回ると、強固な網目状炭化物が生成せ
ず、一方、２０重量％を上回ると、機械加工性が低下す
る。

（ｅ）Ｍｏについて Ｍｏは、マトリックスを強化して焼戻し軟化現象の発生
を抑制するために用いられる。たりし、Ｍｏの含有量が
０．３重世％を下回ると、前記抑制効果が得られず、一
方、５．０重量％を上回っても前記抑制効果の向上が認
められない。

（ｆ）　　Ｓについて Ｓは、被削性を向上させるために用いられ、この作用は
、ＳをＭｎに化合させてＭｎＳを生成させることにより
得られる。たりし、Ｓの含有量が０．０５重重量を下回
ると、ＭｎＳが殆ど生成せず、一方、０．５重量％を上
回ると被削性向上効果が減退し、また靭性が低下する。

前記製造方法によれば、摺動部対応部位において、綱目
状炭化物が分散したマルテンサイト組織が得られる。ま
た焼戻し処理により摺動部対応部位の硬さおよび疲労強
度が最高値に到達する。そして前記部位に、焼戻し温度
よりも低い温度にて化学的表面硬化処理を施すので、前
記部位に、前記熱処理により得られた物性を損うことな
く、また曲り等の変形の発生を極力抑制して、前記硬化
処理を施すことが可能である。

（３）実施例 第１〜第４図において、摺動部材としての内燃機関用動
弁機構のカムシャフト１は、合金鋼である下記組成の鋳
鋼より構成される。

即ち、Ｃ１，５５重量％、Ｓ１１．２重量％、Ｍｎ０．
８重量％、Ｃｒ　　１５重重量、Ｍｏｏ、９重量％、３
０．１５重量％、残部がＦｅおよび不可避不純物。

摺動部に対応する各カム２、したがってその摺動面形成
領域Ｒ（以下、単にカムと称す）は第３図に明示するよ
うに、化学的表面硬化処理により得られた表Ｎ３と、そ
の表層３の内側に在って、焼入れおよび焼戻し処理によ
り得られた内Ｎ４とを有する。

前記鋳鋼は二次硬化特性を有するので、内層４は硬さを
向上されており、表層３との協働によって、各カム２は
ＨＲＣ５５以上の表面硬さを有する。

また前記鋳鋼は、強固な網目状炭化物を生成するので、
各カム２は、第４図に明示するように前記網目状炭化物
５を分散させたマルテンサイト組織を有する。

このように各カム２は、表層３および内層４の協働によ
って特定の表面硬さ、優れた疲労強度および自己潤滑能
を備えているので、機関運転に伴うロッカアームとの摺
動において、優秀な耐スカフィング性および耐ピツテイ
ング性を呈し、また耐久性も良好となる。

網目状炭化物は、粒状炭化物に比べ、同一面積率におい
て炭化物間距離が短いので、耐スカフィング性を向上さ
せる上に有効である。

次に、前記カムシャフト１の製造方法の一実施例につい
て説明する。

前記製造方法は、カムシャフト素材の鋳造工程、焼鈍処
理工程、・機械加工工程、焼入れ処理工程、焼戻し処理
工程、仕上げ研削加工工程および化学的表面硬化処理工
程を順次行うことにより実施される。

以下、各工程について詳述する。

（ｉ）鋳造工程 前記鋳鋼組成を有する溶湯を調製し、湯温１３８０〜１
５５０℃にて鋳込み作業を行い、複数のカム対応部を備
えたカムシャフト用素材を鋳造する。

（ｉｉ）焼鈍処理工程 素材を炉中にて、８６０℃まで加熱し、次いで７４０℃
まで炉冷し、その後空冷する。

（ｉｉｉ　）機械加工工程 素材にレース加工を施し、次いで各カム対応部に粗研削
加工を施す。

（ｉｖ）焼入れ処理工程 この工程では衝風焼入れ処理が適用される。この処理は
、高周波加熱装置内にて、素材を、それの軸線回りに回
転させながら素材の各カム対応部を、その周囲に配設さ
れた加熱コイルにより加熱する加熱段階と、衝風冷却装
置内にて、素材を前記同様に回転させながら各カム対応
部を、その周囲に配設されたノズルより冷却ガスを吹付
けて冷却する冷却段階とを含む。

第５図において、加熱段階では、各カム対応部を予熱し
く線ａ、）、次いで空冷し、さらに焼入れ温度まで昇温
してその状態に保持しく線ａＺ）、その後空冷する。

前記組成の鋳鋼は、網目状炭化物とマトリックスである
パーライトとの熱膨張差および変態膨張差に起因して、
焼入れ温度にて各カム対応部に加熱割れを発生し易いが
、前記のように予熱および空冷を行うと、各カム対応部
における各部位の温度差を小さくして前記加熱割れを防
止することができる。

また素材を回転させることにより複数のカム対応部の温
度を均一化して硬さむらの発生を回避することができる
。

前記冷却段階では、冷却ガスとして空気、または不活性
ガス等の非酸化性ガスが用いられる。

焼入れ処理における冷却速度は、焼入れ強烈度Ｈ＝　ｃ
　／　ｋ　［：ｃｍ−’　）、（Ｃ：熱伝達率、ｋ：熱
伝導度）で表わされる。したがって、Ｈの値が大きけれ
ば大きい程冷却度合が急激であることになる。

前記Ｈの値は、空冷の場合はＯ，ＯＯ８、また水冷の場
合は０．３５４〜０．３９４であるが、衝風冷却の場合
は０．０５程度であり、空冷と水冷の中間値となる。

前記鋳鋼は、急激な冷却を行うと、前記熱膨張差等に起
因して各カム対応部に冷却割れを発生し易いが、前記の
ように衝風冷却手段を採用すると、前記冷却割れを回避
することができる。

衝風焼入れの具体的実施例は次の通りである。

加熱段階では、第５図線ａｌ　で示すように、先ず、出
力３ｋｖにて１０秒間予熱して各カム対応部を３（１０
℃に昇温し、次いで１０秒間空冷し、さらに第５図線ａ
２で示すように、出力８ｋｖにて１０秒間加熱して各カ
ム対応部を焼入れ温度である１　０７０　’Ｃに昇温し
、その後１０秒間空冷する。

冷却段階では、第５図線ａ、で示すように、各カム対応
部に、圧力４ｋｇ／ｃｄ、噴出量５１．／ｓｅｃの条件
下で空気を吹付ける。

これにより、各カム対応部において、網目状炭化物が分
散したマルテンサイト組織が得られる。

なお、焼入れ処理作業中は、素材における所定のジャー
ナル対応部に曲り矯正手段が適用される。

（ｖ）焼戻し処理工程 この処理は、前記鋳鋼が二次硬化現象を生起する焼戻し
温度、したがって５８０℃以下、好ましくは５６０〜５
７０℃にて行われる。

具体的には、第５図線すで示すように各カム対応部を５
７０℃にて３０分間加熱し、その後空冷する。

これにより、各カム対応部において二次硬化効果、した
がって硬さおよび疲労強度が最高値に到達する。

第６図は各カム対応部における二次硬化現象を示し、焼
戻し温度５７０℃にて、各カム対応部の表面硬さＨＲＣ
は点Ｃで示すように５８．３となる。

この焼戻し処理工程後の金属組織は前記内層４のそれに
対応する。

（ｖｉ）仕上げ研削加工工程 この加工は、焼入れ処理および焼戻し処理に伴い素材に
発生した曲りを除去するために、各カム対応部および各
ジャーナル対応部に施される。加工順は各カム対応部が
先に行われる。

（ｖｉ）化学的表面硬化処理工程 この処理としてはホモ処理が適用される。ホモ処理は、
焼戻し温度が５６０〜５７０℃のとき、素材をホモ炉内
にて５４０〜５５０℃に加熱して水蒸気を３Ｊ！ｉじる
ことにより行われる。即ち、ホモ処理温度は焼戻し温度
よりも２０℃低く設定される。

具体的には、第５図線ｄで示すように各カム対応部を５
５０　’Ｃにて４５分間加熱し、その状態で水蒸気を作
用させ、その後空冷する。

これにより前記熱処理により得られた物性を川うことな
く、また曲り等の変形の発生を極力抑制してホモ処理を
施すことができ、前記内層４の上にＦｅ、０４よりなる
表層３を有するカムシャフト１が得られる。

表Ｉは、カムシャフト（または素材）Ｎｔｌｌ　−ＮＩ
ＬＶについて焼戻し処理後およびホモ処理後における曲
り量を比較したものである。

曲り量の測定は、第１図に示すように、第１および第５
ジヤーナル６、．６．（または素材の第１、第５ジャー
ナル対応部）を保持し、第２〜第４ジヤーナル６□〜６
４　（または素材の第２〜第４ジヤーナル対応部）にお
ける軸心のずれを測定したものである。表中、Ａは焼戻
し処理後の曲りｆｔ（＋＋＋＋ｎ）を、またＢはホモ処
理後の曲りｆｆｉ（ｍｍ）をそれぞれ示す。

表　　　　　１ ホモ処理後、素材に仕上げ研削加工を施すと、表面硬化
効果が減退するので、ホモ処理前に仕上げ研削加工を行
うことが必要であり、したがってホモ処理においては素
材に再び前記加工を行わなければならないような曲りが
発生してはならない。

本発明によれば、表Ｉから明らかなように、ホモ処理に
おいて、焼戻し処理のときよりも温度を２０℃低（設定
することによってカムシャフトの曲り量を極力抑制する
ことができるので、ホモ処理前に前記加工を行っても同
等支障はない。

表■は、焼戻し処理後およびホモ処理後におけるカムの
ノーズ（またはカム対応部のノーズ）の表面硬さ測定結
果を示す。

表 ■ 表■から明らかなように、ホモ処理後において表面硬さ
が若干低下するが、カムとしては表面硬さがＨＲＣ５５
以上であれば所期の目的が達成し得るので同等問題はな
い。

第７図はホモ処理後のカムにおいて、焼戻し温度の違い
による表面硬さの正規分布を示し、線ｅ１は焼戻し温度
が５７０℃の場゛合に、また線ｅ２は焼戻し温度が５８
０℃の場合にそれぞれ該当する。

線ｅ２から明らかなように、焼戻し温度を５８０℃に設
定しても、略５０％の確率で表面硬さＨ３Ｏ５５以上の
要件を満たすことができる。

なお、前記衝風焼入れ処理における冷却段階を途中で止
め、次いで各カム対応部を水冷または油冷してもよい。

冷却段階の中止時期は、例えば各カム対応部全体の温度
が均一で、且つ３（１０℃に下ったときである。

このような手段を採用すると、焼入れ処理時間を短縮す
ることができ、特に、カムシャフトの軸方自生分宛を焼
入れ処理する、即ち１本のカムシャフトについて２回の
焼入れ処理を施す場合に有効である。

また前記化学的表面硬化処理としては、軟窒化処理を通
用することも可能である。

本発明はカムシャフトに限らず、他の摺動部材にも適用
される。

Ｃ１発明の効果 第（１）項記載の発明によれば、摺動部の物性を前記の
ように特定することによって、優れた耐ピツテイング性
、耐ピツテイング性および耐久性を有する摺動部を備え
た摺動部材を提供することができる。

第（３）項記載の発明によれば、前記特定の処理を行う
ことによって前記摺動部材を安定して、且つ確実に得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１〜第４図は本発明の一実施例を示し、第１図はカム
シャフトの正面図、第２図は第１図Ｈ−■線断面図、第
３図は第２図■矢示部の拡大図、第４図はカムの金属組
織を示す顕微鏡写真、第５図は各種処理工程における時
間と温度との関係を示すグラフ、第６図は焼戻し温度と
表面硬さとの関係を示すグラフ、第７図は焼戻し温度の
違いによる表面硬さの正規分布を示すグラフである。 １・・・カムシャフト（摺動部材）、２・・・カム（摺
動部）、３・・・表層、４・・・内層、５・・・網目状
炭化物第２図 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）０．８重量％≦Ｃ≦２．０重量％、 ０．４重量％≦Ｓｉ≦２．０重量％、 ０．３重量％≦Ｍｎ≦１．５重量％、 ６．０重量％≦Ｃｒ≦２０．０重量％、 ０．３重量％≦Ｍｏ≦５．０重量％、 ０．０５重量％≦Ｓ≦０．５重量％、 残部Ｆｅおよび不可避不純物 の組成を有する合金鋼を構成材料とし、摺動部が、化学
   的表面硬化処理により得られた表層と、該表層の内側に
   在って、焼入れおよび焼戻し処理により得られた内層と
   を有し、表面硬さがＨ＿ＲＣ５５以上であることを特徴
   とする摺動部材。 （２）前記外層はＦｅ＿３Ｏ＿４よりなる、第（１）項
   記載の摺動部材。 （３）摺動部材の摺動部に対応する部位を備えた摺動部
   材用素材を、二次硬化特性を有する合金鋼を用いて製造
   する工程と、前記部位に焼入れ処理を施す工程と、前記
   部位に、それが二次硬化現象を生起する焼戻し温度にて
   焼戻し処理を施す工程と、前記部位に、前記焼戻し温度
   よりも低い温度にて化学的表面硬化処理を施す工程とを
   順次行うことを特徴とする摺動部材の製造方法。 （４）前記合金鋼として、 ０．８重量％≦Ｃ≦２．０重量％、 ０．４重量％≦Ｓｉ≦２．０重量％、 ０．３重量％≦Ｍｎ≦１．５重量％、 ６．０重量％≦Ｃｒ≦２０．０重量％、 ０．３重量％≦Ｍｏ≦５．０重量％、 残部Ｆｅおよび不可避不純物 の組成を有するものを用いる、第（３）項記載の摺動部
   材の製造方法。 （５）前記合金鋼として、０．０５重量％≦Ｓ≦０．５
   重量％含有するものを用いる、第（４）項記載の摺動部
   材の製造方法。 （６）前記焼入れ処理として衝風焼入れ処理を適用し、
   冷却ガスとして、空気および非酸化性ガスの少なくとも
   一方を用いる、第（３）、第（４）または第（５）項記
   載の摺動部材の製造方法。 （７）前記衝風焼入れ処理における冷却段階を途中で止
   め、次いで前記部位に水冷および油冷の少なくとも一方
   を施す、第（６）項記載の摺動部材の製造方法。 （８）焼入れ処理後の前記部位は、網目状炭化物を分散
   させたマルテンサイト組織を有する、第（３）、第（４
   ）、第（５）、第（６）または第（７）項記載の摺動部
   材の製造方法。 （９）前記化学的表面硬化処理としてホモ処理を適用し
   、前記焼戻し温度が５６０〜５７０℃のとき、前記ホモ
   処理温度を５４０〜５５０℃に設定した、第（３）、第
   （４）、第（５）、第（６）、第（７）または第（８）
   項記載の摺動部材の製造方法。 （１０）前記摺動部材は内燃機関用動弁機構のカムシャ
   フトであり、また前記摺動部がカムである、第（３）、
   第（４）、第（５）、第（６）、第（７）、第（８）ま
   たは第（９）項記載の摺動部材の製造方法。 （１１）前記衝風焼入れ処理は、高周波加熱装置内にて
   、カムシャフト用素材を、それの軸線回りに回転させな
   がら該素材のカム対応部を、加熱する加熱段階と、衝風
   冷却装置内にて、前記素材を前記同様に回転させながら
   前記カム対応部を、それに冷却ガスを吹付けて冷却する
   冷却段階とを含み、前記加熱段階では、前記カム対応部
   を予熱し、次いで空冷し、その後焼入れ温度まで昇温す
   る、第（１０）項記載の摺動部材の製造方法。 （１２）前記焼戻し処理後、前記素材に仕上げ研削加工
   を施す、第（１０）または第（１１）項記載の摺動部材
   の製造方法。