JPH0488147A - 摺動部材 - 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、耐スカッフィング性、耐ピツチング性に優れ
た摺動部材に関する。

〔従来の技術〕

カムシャフト、ピストン等の摺動部材には、その使用目
的から耐スカッフィング性や耐ピツチング性に優れてい
ることが望まれている。

ここで、スカッフィングとは高面圧で「すべり」又は「
ころがり−すべり」摩擦をうける摺動面において、局部
的に凝着、溶着し、その部分が引裂かれて生じる損傷の
ことである。また、ピッチングとはころがり接触面にお
いて、主に繰り返し接触荷重による材料の疲れのため、
接触部表面が剥離し、小さなビットが生じる損傷のこと
である。

この耐スカッフィング性には、硬度の高いセメンタイト
相を主要な相とする表面硬化組織が優れており、・一方
、耐ピツチング性には、逆にセメンタイト相は少ない方
が望ましいことが知られている。

従来、コスト、製造性の面で鋳鉄を母材とし、その摺動
面を表面硬化焼入れして硬化層を設けた摺動部材が幅広
く用いられている。

例えば、特開昭６０−１８４６９４号公報には、Ｃ：３
゜０〜３．６例ｔ％、Ｓｉ：１．５〜２，４ｗｔ％。

Ｐ：Ｏ，ｌｔｍｔ％以下、　Ｍｎ　：　０．　５〜２．
　０ｉｍｔ％Ｓ　：　０．０８〜０．２ｗｔ％、残部Ｆ
ｅの組成からなるねずみ鋳鉄を素材とするカムシャフト
の表面をプラズマアーク等により再溶融してチル硬化層
を形成したものが開示されている。

この従来技術のように鋳鉄を母材とした材料の表面をチ
ル硬化処理して、セメンタイト相を晶出させたとき、鋳
鉄中のＣ量によってセメンタイトの量が決定する。鋳鉄
はＣ含有量が多いためセメンタイトの量は４０％以上と
なる。このように、鋳鉄を母材として用いた摺動部材は
、セメンタイト相が全体に占める割合が大きいため、耐
スカッフィング性には優れるが、耐ピツチング性が十分
でないという問題がある。

〔発明が解決しようとする課題］ 本発明による摺動部材の課題は、耐スカッフィング性は
鋳鉄製摺動部材の性能を維持しつつ、耐ピツチング性を
向上させることにある。

〔課題を解決するための手段］ そこで、本発明は、黒鉛鋼を母材とし、表面にチル硬化
処理を施すことにより、セメンタイト相とマルテンサイ
ト相の混合組織とするとともに、耐ピツチング性に優れ
たマルテンサイト相の量を多くすることにより、セメン
タイト相が全体に占める割合を小さくして耐ピツチング
性を向上させたことを特徴とする。

即ち、本発明に係る摺動部材は、少なくともＣ：１．０
〜２．　０ｓｖｔ％を含む黒鉛鋼からなり、表面のうち
少なくとも摺動面が表面積にしてセメンタイト相７〜２
８％、およびマルテンサイト相７２〜９３％からなるこ
とを特徴とする。

本発明で用いた、黒鉛鋼のＣの限定理由は次の通りであ
る。

Ｃ：１．０〜２，０ｗｔ％ Ｃ量は、１．０ｅｖｔ％未満では、必要な黒鉛が析出せ
ず、被削性が悪化するとともに、表面チル処理後、セメ
ンタイト相が、耐スカッフィング性に必要な量得られな
い。２．　０ｓｖｔ％を越えると、黒鉛鋼母材の剛性が
低下するとともに、表面チル処理の後、セメンタイト相
が必要以上に多くなり、耐ピツチング性が低下する。

この黒鉛鋼は、不可避の成分として、Ｍｎ、Ｐ。

Ｓを含む。これらは靭性を低下させるため、ＭｎＳ２，
８ｗｔ％、Ｐ≦Ｑ、１ｗｔ％、Ｓ≦０．１５ｗｔ％とす
るのが望ましい。

また、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｃｅ、Ｍｇ。

Ｃａを必要に応じて添加することにより、所望の特性を
得ることが出来る。これらは、次の理由から添加量が限
定される。

Ｓｉ：１．０〜２．０−ｔ％ Ｓｉは鋳造性（湯流れ性）の向上に有用であるが、１．
Ｏｍｔ％未満ではその効果は小さい。２゜０ｗｔ％を越
えると、逆に、鋳造割れを引き起こす原因になり、被削
性も悪くなる。また、鋳造時内部にまでセメンタイトが
析出するのを防ぎ、適度に黒鉛を析出させるためにも、
Ｓｔはこの成分範囲が良い。

Ｃｒ　：　０．２〜０．７ｗｔ％ Ｃｒは、硬度の高いＣｒ系のセメンタイトを析出させ、
耐スカッフィング性を高めるが、０゜２ｗｔ％未満では
その効果はなく、０．７ｗｔ％を越えると被削性を悪化
させる。

Ｍｏ：０．１〜０．５ｗｔ％ Ｍｏは焼入性を向上させる。Ｏ，１ｗｔ％未満では、そ
の効果は少なく、０．５ｗｔ％を越えると脆化し、被削
性を悪化させる。

Ｎｉ５１ｗｔ％ Ｎｉは靭性を向上させるが、１．０ｓｍｔ％を越えると
、偏析などにより組織が不均一になる。

Ｃｅ≦０．１ｉｖｔ％ 高密度エネルギー照射による再溶融処理において、処理
部にガス巣などの欠陥が発生するのを防止することが出
来るが、０１１ｗｔ％を越えても、効果はあまり向上し
ない。

Ｍｇ≦０．０６ｗｔ％ Ｍｇは靭性を向上させるが、０．０６ｓｍｔ％を越える
と、被削性を悪化させる。

Ｃａ≦０．０９ｗｔ％ Ｃａは靭性を向上させるが、０．０９ｗｔ％を越えても
、効果はあまり向上しない。

表面硬化層の各相の成分限定理由は、次の通りである。

セメンタイト相ニア〜２８％ マルテンサイト相ニア２〜９３％ セメンタイト相７％未満、並びにマルテンサイト相９３
％以上では、必要な耐スカッフィング性を得ることが出
来ない。

セメンタイト相２８％以上、並びにマルテンサイト相７
２％以下では、逆に必要な耐ピツチング性が得られない
。

耐スカッフィング性、耐ピツチング性の両方を同時に満
足するには、各相は上記の割合としなければならない。

なお、黒鉛鋼の表面にチル硬化層をもうける方法として
は、冷し金、高密度エネルギー照射による再溶融処理な
どがある。

〔作用］ 本発明は所定のＣ量を含有した黒鉛鋼を母材として用い
ることにより、硬度が高く耐スカッフィング性に優れた
セメンタイト相と、耐ピツチング性に優れたマルテンサ
イト相が全体に占める割合を最適化することができたた
め、従来品と同等の耐スカッフィング性をもち、かつ、
耐ピツチング性を向上させることができた。

［実施例］ 次に、本発明の実施例を比較例と併せて説明する。

（第１実施例） 本発明に基づき１３００ｃｃ直列４気筒ＯＨＣガソリン
エンジン用カムシャフトを作製した。

このカムシャフトの寸法は、 カムシャフト全長　：３７０ｍｍ カム幅　　　　　　：１３ｍｍ カムの基礎円部直径：　　３０ｍｍ リフト高さ　　　　・　　５ｍｍ シャフト直径　　　７　２６ｍｍ であり、全体で１９００ｇである。

まず、組成がＣ：１．５ｗｔ％、５ｉｌｌ、３ｗｔ％、
Ｍｎ　：　０．３ｗｔ％、Ｐ：Ｑ、０２ｗｔ％、Ｓ：０
．００８ｅｖｔ％、Ｃｒ　：　０．４ｗｔ％、Ｍｏ：０
゜４ｗｔ％、Ｎｉ　：　０．２ｗｔ％、Ｃａ　：　０．
０３ｗｔ％。

残部実質的にＦｅとなるように原料を溶解し鋳造材料を
準備した。

続いてこの溶湯を、カムノーズ部形状に対応する位置に
冷し金を装着した鋳型に１５１０°Ｃで注ぎカムシャフ
トを鋳造した。このとき、冷し金は鋼製で重量１００ｇ
のものを用いた。鋳造後、通常の方法により型ばらし、
堰折り１機械加工を行い製品としてのカムシャフトを得
た。

この結果得られたカムシャフトのカムノーズ表面をＸ線
を用いて分析した結果、セメンタイト相１３％、マルテ
ンサイト相８７％であった。

また、上述のチル層と未処理層との境目は明確ではなか
ったがシャフトの部分までは達していないことを確認し
た。

（第２実施例） 鋳造材として、Ｃ：１．８ｗｔ％、Ｓｉ：１．２−ｔ％
、Ｍｎ　：　０．５ｗｔ％、Ｐ：０６０１ｗｔ％。

Ｓ：Ｏ，０１ｗｔ％、Ｃｒ　：　０．３ｗｔ％、Ｍｏｎ
ｏ。

４＠ｔ％、Ｎｉ　：　０．２ｗｔ％、Ｃａ　：　０．０
４ｗｔ％残部実質的にＦｅからなる組成のものを用いた
点を除き、他は第１実施例と実質的に同じ方法でカムシ
ャフトを作製した。

得られたカムシャフトのカムノーズ表面は、Ｘ線分析の
結果セメンタイト相２０％、マルテンサイト相８０％で
あった。

（第３実施例） 鋳造材として、Ｃ：１，７製ｔ％、Ｓｉ：１，８ｓｖｔ
％、　Ｍｎ　：　０．　４ｗｔ％、Ｐｒｏ、０１５ｗｔ
％Ｓ：０．０１ｗｔ％、残部実質的にＦｅからなる組成
のものを用いた点を除き、他は第１実施例と実質的に同
じ方法でカムシャフトを作製した。

得られたカムシャフトのカムノーズ表面は、Ｘ線分析の
結果セメンタイト相２１％、マルテンサイト相７９％で
あった。

（第４実施例） 鋳造材トシテ、Ｃ：１．４ｗｔ％、Ｓｉ：１．３−ｔ％
、Ｍｎ　：　０．３ｗｔ％、Ｐ　：Ｑ、０１５ｗｔ％Ｓ
：０．０１１ｗｔ％、Ｃｒ　：　０．５ｗｔ％、Ｍｏ：
０、　２ｗｔ％、　Ｎｉ　：　０９Ｉｓｖｔ％、Ｃａ：
０．０３ｗｔ％、　　Ｃｅ　：０．　０３ｗｔ％１Ｍｇ
　：　Ｏ，Ｏ１ｗｔ％。

残部実質的にＦｅからなる組成のものを用いた点、及び
鋳造時冷し金を用いなかった点を除き他は実質的に第１
実施例と同じ方法でカムシャフトを鋳造した。

次いでこのカムシャフトを所定形状に加工した後、ＴＩ
Ｇによりカムノーズ表面部を再溶融チル化処理を施した
。

このときのＴＩＧアーク照射条件としては、シールドガ
スＡｒ、直流電流値８０Ａ、電圧１７Ｖのもとで、ＴＩ
Ｇアーク処理における電極と被処理カム摺動面との間隔
を２ｍｍに保ち、カム部をｌ　ｒｐｍの速度で回転させ
ながら、電極（トーチ）走査スピード１４　ｍｍ／ｓｅ
ｃでカムの幅方向に往復運動させ、アーク軌跡を一部重
複させながら、カム部の表面全周にわたって再溶融させ
た。この時、カムノーズ表面から０．５ｍｍの深さまで
再溶融組織が広がった。

Ｘ線分析の結果、カムノーズ表面は、セメンタイト相１
２％、マルテンサイト相８８％であった。

（第５実施例） 鋳造材として、Ｃ：１．９ｗｔ％、Ｓｉ：１．７−ｔ％
、Ｍｎ　：　０．４ｗｔ％、Ｐ：０．０１ｉｖｔ％。

Ｓ：０．０１ｗｔ％、Ｃｒ　：　０．４ｗｔ％、Ｍｏ：
０゜５ｗｔ％、Ｎｉ：Ｑ、１ｗｔ％、　　Ｃａ　：　０
．　０３ｔｍｔ％。

Ｃｅ：０４０５−ｔ％、残部実質的にＦｅからなる組成
のものを用いた点を除き、他は第４実施例と実質的に同
し方法でカムシャフトを作製した。

得られたカムシャフトのカムノーズ表面は、Ｘ線分析の
結果セメンタイト相２３％、マルテンサイト相７７％で
あった。

（第１比較例） 鋳造材として、Ｃ：３，４匈ｔ％、Ｓｉ：２．Ｏｗｔ％
、Ｍｎ　：　０．７ｗｔ％、Ｐ　：　０．０２ｗｔ％。

Ｓ：０．０１８ｗｔ％、Ｃｒ　：　０．５ｗｔ％１Ｍ０
＝０．２ｗｔ％、　Ｎｉ　：　Ｏ，ｌｔｍｔ％、残部実
質的にＦｅからなる鋳鉄材を用いた点を除き、他は第１
実施例と実質的に同じ方法でカムシャフトを作製した。

得られたカムシャフトのカムノーズ表面は、Ｘ線分析の
結果セメンタイト相４８％、マルテンサイト相５２％で
あった。

（第２比較例） 鋳造材として、Ｃ：３．３ｗｔ％、Ｓｉ：２．３−ｔ％
　Ｍｎ　：　０，６ｗｔ％、Ｐ：０．０２ｗｔ％。

Ｓ　　二　Ｏ，０１８ｗｔ　％、　　　Ｃｒ　　：　　
０．　　４ｗｔ　％、　　Ｍ　Ｏ＝０、　２ｗｔ％、Ｎ
ｉ　　：　Ｏ，１ｗｔ％、Ｃｅ：０．　０２５％、残部
実質的にＦｅからなる鋳鉄材を用い点を除き、他は第４
実施例と実質的に同じ方法でカムシャフトを作製した。

得られたカムシャフトのカムノーズ表面は、Ｘ線分析の
結果セメンタイト相４７％、マルテンサイト相５３％で
あった。

上述の第１．第２．第３．第４．第５実施例ならびに第
１．第２比較例にて製作されたカムシャフトを、それぞ
れ本発明品１．２，３．４．５ならびに比較品１．２と
し、それぞれについて耐ピッチング性、耐スカッフィン
グ性、ヤング率、引張り強さを評価した。

ここで、耐ピッチング性、耐スカッフィング性は、１３
００ｃｃ直列４気筒ＯＨＣガソリンエンジンにおいて、
２０００ｒｐｍＸ５００ｈｒ耐久試験後、カム表面にお
いてピッチング、スカッフィングが発生した表面の外観
によって評価した。

耐スカッフィング性に関して、本発明品、比較品ともに
ほとんどスカッフィング摩耗は発生しなかった（表では
Ｏとして表した）。

耐ピツチング性に関して、本発明品はほとんどピッチン
グ摩耗は発生しなく　（表ではＯとして表した）、比較
品は表面積にして本発明品の数倍のピッチング摩耗が発
生した（表では×として表した）。これは、上記のエン
ジンとして用いた場合不十分な特性である。

これらの結果を第１表に示す。

（注） 第１表 ヤング率、 機械的特性の比較 引張り強さの単位はＫｇｆ／ｍｍ２ 第１表から分かるように、第１．第２．第３゜第４．第
５実施例は、第１．第２比較例と比べて、耐ピツチング
性に優れるとともに、耐スカッフィング性も十分満足出
来る。

さらに、ヤング率、引張り強度も共に従来品と比べて優
れている。

また、本発明は特定の実施例について述べてきたが、こ
の実施例に限定されるものではなく、耐スカッフィング
性、耐ピツチング性を要求される摺動部材に適用できる
とともに、高い剛性を要求される摺動部材にも適用でき
る。

〔発明の効果〕

耐スカッフィング性に加えて、耐ピツチング性に優れた
摺動部材を得ることが出来た。

また、更に剛性も鋳鉄と比べて非常に優れており、本発
明による摺動部材は、耐スカッフィング性、耐ピツチン
グ性に優れ、剛性も要求される用途に用いられる部材や
、剛性を維持しつつ軽量化の必要な部材に用いることが
できる。

また、摺動部材として、黒鉛を析出しない鋳鋼を母材と
して用いた場合は、Ｃの量を調整することにより、耐ス
カッフィング性及び耐ピツチング性に優れた所望の組織
からなる摺動面を得ることができるが、この時、鋳造時
に母材中心部にまでセメンタイトが析出してしまう。こ
の結果、脆化してしまい靭性が低下する。

出願人　　　トヨタ自動車株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　少なくともＣ：１．０〜２．０ｗｔ％を含む黒鉛鋼か
   らなり、表面のうち少なくとも摺動面が表面積にしてセ
   メンタイト相７〜２８％、およびマルテンサイト相７２
   〜９３％からなることを特徴とする摺動部材。