JPH02277905A - カムシャフト及びその製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、内燃機関用の焼結カムシャフト及びその製造
方法に関する。

〔従来の技術〕

高い耐摩耗性を備え、高面圧、高負荷に耐えられる軽量
のカムシャフトとして、焼結材のカムピースなどをスチ
ールパイプに接合した焼結カムシャフトがある。

その場合、カム部分の初期なじみ性や耐摩耗性をさらに
向上させるために、比較的低温の燐酸塩皮膜処理や、よ
り高温の窒化処理あるいは水蒸気処理が行われる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、焼結カムシャフトにおいて耐摩耗性向上の為に
、Ｃｒ等の合金成分を多量に含有させている場合は、燐
酸塩皮膜処理を行うと、それら合金成分によって皮膜形
成が阻害されて十分な効果が期待できない。

一方、窒化処理や水蒸気処理を行った場合は、製造工程
で２度の曲り修正を行う必要が生じる。

すなわち、焼結カムシャフトはスチールパイプに鉄系焼
結材のカムピースを組み付けた後、焼結炉に通して焼結
材の焼結、及びバイブとピースの拡散接合を同時に行い
カムシャフト素材を形成する。

この際に、高温の焼結炉に通すためにバイブに変豚　す
なわち曲りが生じる。従って焼結炉を通過した後、カム
シャフト素材、特にバイブに対して曲り修正を行う必要
がある。しかしながら曲り修正によってカムシャフト素
材に内部応力が残るので、カムを研摩した後、高温の窒
化処理や水蒸気処理を行うと、再び曲りが発生する。よ
って再度の曲り修正が必要となる。加工完成後の曲り修
正は高精度を要し、また修正が不可能であった場合、工
数をかけた完成カムシャフトが不良となり、生産効率を
著しく低下させることとなる。

カムシャフトの加工応力を除去するため歪取り焼鈍を施
し、その後窒化処理する方法が、特開昭６３−１６２８
５２号に開示されている。しかし、焼結カムシャフトの
場合は窒化処理を行うと、高負荷運転時にカム表面の剥
離が生じることが多い。

一方、Ｃｒｓ　Ｃｕを比較的多量に含有する鉄系合金粉
末を用いて、四三酸化鉄（Ｆｅ３ｓ４）の皮膜をカムシ
ャフトに形成する方法が、特開昭５８−３９０１号に開
示されている。その場合、焼結体の表面および内部気孔
の周囲の壁面に、減圧条件下で四三酸化鉄の薄膜を十分
に形成させるが、しかし必要以上に四三酸化鉄を形成す
ると、カムが摩耗し易くなることがわかった。

以上のことから、本発明の課題は、初期なじみ性と耐摩
耗性が良好な焼結カムシャフト、及び該焼結カムシャフ
トを高い生産効率で製造する方法を提供することにある
。

〔問題点を解決する為の手段〕

前記課題を解決するため、第１の発明によれば、成分組
成が重量％で、Ｃ：　１．５〜３．０　％、Ｓｉ：０゜
５〜１．２％、Ｍｎ：１．Ｏ以下、ＮｉとＭｏ：　１種
又は２種で５．０以下、Ｃｒ：２０．０％以下、Ｗ、　
　Ｎｂ及び■：１種又は２種以上で１０％以下、Ｐ：０
．２〜１゜０％、Ｓ：０．１％以下、Ｆｅ：残畝　から
なり、表層部に四三酸化鉄の皮膜を形成した焼結合金製
のカムピースが、スチールパイプに接合されたカムシャ
フトが提供される。この場合、四三酸化鉄の皮膜は、カ
ムピース表面における面積率で６０〜８０％の範囲で形
成することが望ましい。

更に本発明によれば、　原料粉末を圧縮してカムピース
用の圧粉体を形成し、該圧粉体をスチールパイプに組み
付けて該スチールパイプに対して該圧粉体を焼結接合し
てカムシャフト素材を形成し、該カムシャフト素材に対
して曲り修正を行い、曲り修正によって該カムシャフト
素材内に発生した内部応力を除去するため歪取り焼鈍を
行い、該カムシャフト素材のカム部に対して研磨加工を
行い、該歪取り焼鈍より低い温度にて水蒸気処理を行う
ことを特徴とするカムシャフトの製造方法が提供される
。

さらに本発明によれば、焼結後の成分組成が重量％で、
　Ｃ：１．５〜３．０％、　Ｓｉ：０．５〜１．２％、
Ｍｎ：１．０以下、旧とＮｏ：　１種又は２種で５．０
以下、Ｃｒ：２０．０％以下、Ｗ、　　Ｎｂ及び■：１
種又は２種以上で１０％以下、Ｐ：　０．２〜１．０％
、Ｓ：０．１％以下、Ｆｅ：残部、となる圧粉体のカム
ピースを、スチールパイプに組み付けて焼結結合を行っ
たカムシャフト素材を曲り修正し、次に曲り修正による
内部応力を除去するため歪取り焼鈍を行い、さらにカム
部の研摩加工を行った後、前記歪取り焼鈍より低い温度
にて水蒸気処理を行うことを特徴とするカムシャフトの
製造、が提供される。

〔作用〕

カムピース中に、Ｃｒ、　Ｗ、　　Ｎｂ１Ｖなどの炭化
物が多量に形成されて耐摩耗性が良好となり、さらに水
蒸気処理によって四三酸化鉄の皮膜も形成されるので、
初期なじみ性にも優れている。

また、炭化物の析出量をコントロールすることによって
、四三酸化鉄皮膜の形成量を一定の範囲にすれば、カム
シャフト自身と相手材双方の摩耗量を少なくすることが
できる。

さらに、焼結によるシャフトの曲りを修正した後、それ
によって生じた内部応力を歪取り焼鈍によって除去すれ
ば、その後、水蒸気処理による高温にさらしても、それ
が歪取り焼鈍温度以下であれば曲りは発生しないので、
高精度の焼結カムシャフトを製造することができる。

［実施例］ 以下カムピースの成分組成の範囲を限定した理由を説明
する。

Ｃは、焼結合金製カムピースにおいて重量比で１．５〜
３．０％含まれる。この範囲で一部が基地に固溶して基
地を強化し、その他が炭化物を成形するが、１．５％未
満ではその効果が得られず耐摩耗性、自己潤滑性が低下
する。また３、０％を越えると炭化物が必要以上に増大
し、さらにＰと作用して過剰な液相を生じて組付ピース
としての形状が保てない。

Ｓｉは、該カムピースにおいて重量比で０．５〜１．２
％含まれる。　　Ｓｌは基地の強化に寄与するが、０．
５％未満ではその効果が得られず、１．２％を超えると
粉末の圧粉成形性が低下し、焼結時の変形が大きくなる
。また、炭化物の形成を阻害し黒鉛が析出するので、耐
摩耗性も低下する。

Ｍｎは、該カムピースにおいて重量比で１．０％以下で
ある。Ｍｎは原料鉄粉中にＭｎＳの形で不可避的に含ま
札　焼結後にも必須成分として含有されるが、基地中に
固溶して基地組織のパーライト化を促進する。しかし、
０．３％を超えると、焼結の進行が抑制さ札　粗大な空
孔が残り、また、圧粉成形性も低下する傾向にある。但
し、パーライト化の促進又は焼入性の向上の効果を増す
必要のある場合は、上記傾向が急激に上昇する１、０％
を添加の上限とする。

ＮｉとＭＯは該焼結合金製カムピースにおいて１種又は
２種で重量比で５、Ｏ％以下含まれる。これらは共に、
主として基地を強化する作用があるが、炭化物の形成に
よる耐摩耗性の改善にも寄与する。

これらのうち１種又は２種で５．０％以下で効果が期待
され、これを超えると硬度が高くなり、被削性が低下す
る。これらも共に必須成分として含有される。

Ｃｒは、重量比で、２０．Ｏ％以下含まり、　　Ｗ、　
　Ｎｂ。

■は１種または２種以上で重量比で１０％以下含まれる
。これらＣｒ、　Ｗ、　　Ｎｂ、■は炭化物形成元素で
あり、本発明ではこれらの元素を比較的多量に含有させ
て、カムの耐摩耗性を高める。このうち、Ｃｒが最も効
果的であり、必須的に用いるが、その他のＷ、　　Ｎｂ
、　　Ｖは選択的に含有させる。

一方、本発明においては、カムの表層に四三酸化鉄の皮
膜を形成して初期なじみ性を改善するが、表面における
面積率で６０〜８０％の範囲で形成すれば、カムシャフ
ト自身と相手材（ロッカアーム又はタペット）双方の摩
耗量を少なくできることか、実験によって明らかとなっ
へ　四三酸化鉄の皮膜は基地の上に形成されるのであり
、炭化物には鉄が含有されない故に、該皮膜が形成され
ない。従って、上記炭化物形成元素とＣの添加量を調整
して炭化物の析出量を制御することにより、四三酸化鉄
の皮膜を適量に形成することができる。

そのためには、Ｃｒを２０，０％以下、Ｗ％Ｎｂ１Ｖを
１種又は２種以上で１０％以下の範囲で調整するのが良
い。これら炭化物形成元素の合計の下限は３．０％であ
り、それより少なくなると、四三酸化鉄の面積率が８０
％を超えて、カムの摩耗量が多くなる。一方、上限は２
３％であり、それより多くなると、炭化物量が過大とな
り、該面積率は６０％未満になるので、相手材の摩耗量
が多くなる。

Ｐば重量比で０．２〜１，０％含まれる。ＰはＦｅ　−
Ｃ−Ｐ共晶のステダイトを生じさせ耐摩耗性の向上に寄
与するが、０．２％未満では添加効果がなく、１．０％
を超えると、析出するステダイト量も過多となって被削
性が悪くなり、また脆化も進む。

Ｓは重量比で０．１％以下含まれる。Ｓは原料鉄粉中に
単体及びＭｎＳの形で不可避的に含まれるが、０．１％
以下に抑えて脆化を防ぐ。

つぎに、本発明によるカムシャフトの製造方法について
述べる。まず、焼結合金製のカムピースの原料粉末を用
意する。　　ここでは炭化物形成元素であるＣｒ、　Ｗ
、　　Ｎｂ１Ｖの添加型を調節することで焼結後に形成
される炭化物の析出量を調節し、四三酸化鉄の皮膜量が
所定の量となるように各原料粉末の割合を調節する。　
　つぎにこの原料粉末を所望のカムピース形状となるよ
うに原料粉末を圧縮成形し、カムピース用圧粉体を形成
する。つぎに、このカムピース用圧粉体をスチールパイ
プに組み付けて焼結炉内で焼結接合を行い両者が一体と
なるカムピース素材を形成する。

この焼結工程によって、焼結合金製カムピースが提供さ
札　その成分組成は重量比でＣ：１．５〜３．０％、Ｓ
ｉ：　０．５〜１．２％、Ｍｎ：１．Ｏ以下、ＮｉとＭ
ｏ：　１種又は２種で５．０以下、Ｃｒ：２０．０％以
下、Ｗ、　　Ｎｂ及びＶ：１種又は２種以上で１０％以
下、Ｐ：　０．２〜１．０％、Ｓ：０．１％以下、Ｆｅ
：残部となる。

又、この焼結工程における高温下において、カムシャフ
ト素材、特にスチールパイプは変形（曲り、たわみ）が
生じる。したがって、その曲りを修正するため機械的な
曲り修正を行う。　　しかしながら、曲り修正によりカ
ムシャフト素材には新たに内部応力が発生することとな
る。しかる後に、カムシャフト素材に対して焼鈍が行わ
れ内部応力が除去される。即ち内部歪が除去される。次
にカムシャフト素材のカム部に対して研磨加工が行わ札
　次に、水蒸気処理がなされる。ここで、水蒸気処理は
歪取りのための焼鈍温度以下でなされるので、水蒸気処
理において新たなカムシャフトの曲がりが発生すること
はない。

次に本発明におけるカムシャフトの製造方法について具
体的に説明する。

鉄系合金粉末の圧粉体からなるカムピースと、それより
も低級の鉄系合金粉末の圧粉体又はスチールからなるジ
ャーナルピースをスチールパイプに組み付け、１１００
〜１２００℃、　１〜２時間の加熱で焼結接合を行った
後、冷却する。これによってスチールパイプは湾曲する
ので曲り修正を行う。

曲り修正のための加圧によって内部応力が生じるので、
これを除去するため歪取り焼鈍を行う。

鉄系焼結材のオーステナイト変態温度が７００°Ｃ近辺
にあり、かつ、その後の水蒸気処理が５８０℃前後で行
われるので、６００〜６５０℃で１〜２時間保持し、炉
中冷却を行う。

その後、研摩加工仕上げを行い、次いで前記歪取り焼鈍
より低温で１〜３時間、水蒸気処理を行う。水蒸気処理
によってカムの表層には四三酸化鉄の処理層が形成さ札
　耐摩耗性が向上する。特に、初期なじみが良好となる
。

上記の工程に従って、別表に示すように、本発明のカム
シャフト（Ｎｏ、１〜１０）と比較用カムシャフト（Ｎ
α１１〜１８）を製造し總　各々、表面硬さと四三酸化
鉄の面積率を測定した後、エンジンに装着して摩耗試験
を行った。

すなわち、１．８リツター　直列４気筒ＯＨＣエンジン
を使用し、モータリング運転で、カムシャフトをロッカ
ーアームと摺動させて、２０００回転で２００時間運転
後、カムとロッカアーム（表ではＲＡと表示）の摩耗量
、及びカムにおけるスカッフィングの有無を調べへ ロッカアームは、窒化処理を施した高Ｃｒ系の鋳鉄チッ
プを摺動部に配して、アルミ母材で鋳包んだものを使用
した。

表に示す結果かられかるように、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂ、■な
どの炭化物形成元素の量が本発明の成分範囲からはずれ
ると、カム又はロッカーアーム、あるいは双方の摩耗量
が多くなった。また、スカッフィングの発生も多くなつ
β また、比較材よりは結果は良いが、試料Ｎα９．１０の
ように、四三酸化鉄の面積率が６０〜８０％の範囲から
はずれると、やはりカム又はロッカアームの摩耗量が増
えた。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、初期なじみの良い、耐摩
耗性の高い焼結カムシャフトが提供さ札またそのような
カムシャフトを、研摩加工後の曲り修正を行うことなく
、効率良く生産することができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）成分組成が重量％で、Ｃ：１．５〜３．０％、Ｓｉ
   ：０．５〜１．２％、Ｍｎ：１．０％以下、ＮｉとＭｏ
   ：１種又は２種で５．０％以下、Ｃｒ：２０．０％以下
   、Ｗ、Ｎｂ及びＶ：１種又は２種以上で１０％以下、Ｐ
   ：０．２〜１．０％、Ｓ：０．１％以下、Ｆｅ：残部、
   からなり、表層部に四三酸化鉄の皮膜を形成した焼結合
   金製のカムピースが、スチールパイプに接合されたカム
   シャフト。 ２）前記四三酸化鉄の皮膜は、カムピース表面において
   、面積率で６０〜８０％の範囲に形成されていることを
   特徴とする請求項１）に記載のカムシャフト。 ３）前記カムピースの成分組成のうちＣｒ、Ｗ、Ｎｂ、
   Ｖの総重量比が３．０〜２３％であることを特徴とする
   請求項１）記載のカムシャフト。 ４）原料粉末を圧縮してカムピース用の圧粉体を形成し
   、 該圧粉体をスチールパイプに組み付けて該スチールパイ
   プに対して該圧粉体を焼結接合してカムシャフト素材を
   形成し、 該カムシャフト素材に対して曲り修正を行い、 曲り修正によって該カムシャフト素材内に発生した内部
   応力を除去するため歪取り焼鈍を行い、 該カムシャフト素材のカム部に対して研磨加工を行い、 該歪取り焼鈍より低い温度にて水蒸気処理を行うことを
   特徴とするカムシャフトの製造方法５）焼結後の成分組
   成が重量％で、Ｃ：１．５〜３．０％、Ｓｉ：０．５〜
   １．２％、Ｍｎ：１．０％以下、ＮｉとＭｏ：１種又は
   ２種で５．０以下、Ｃｒ：２０．０％以下、Ｗ、Ｎｂ及
   びＶ：１種又は２種以上で１０％以下、Ｐ：０．２〜１
   ．０％、Ｓ：０．１％以下、Ｆｅ：残部、となる圧粉体
   のカムピースをスチールパイプに組み付けて焼結接合を
   行ったカムシャフト素材を曲り修正し、次に曲り修正に
   よる内部応力を除去するため歪取り焼鈍を行い、さらに
   カム部の研摩加工を行った後、前記歪取り焼鈍より低い
   温度にて水蒸気処理を行うことを特徴とするカムシャフ
   トの製造方法。