JPH06323110A - 摺動面構成体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 耐焼付き性の優れた摺動面構成体を提供す
る。 【構成】 摺動面構成体８は、カムシャフト１のカム３
外周面に設けられてロッカアームスリッパ６との摺動面
７を持ち、その摺動面７にはノーズ部４側の高面圧領域
Ａとベース円部５側の低面圧領域Ｂとが存する。高面圧
領域Ａおよび低面圧領域Ｂは、特定の結晶面を摺動面７
側に向けるといった配向性を持つ多数の角錐状金属結晶
９，１０を有する金属結晶集合体により形成される。前
記配向性を変えることによって、高面圧領域Ａにおける
硬さは、低面圧領域Ｂにおける硬さよりも高く設定され
る。これにより両領域Ａ，Ｂの保油性および初期なじみ
性を向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、相手部材との摺動面を
持ち、その摺動面には摺動条件を異にする複数の領域が
存する摺動面構成体に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種摺動面構成体としては、例
えば内燃機関用鋳鉄製カムシャフトにおいて、そのカム
外周面に、耐焼付き性の向上を狙って設けられる窒化層
が知られている。この場合、ノーズ部側に高面圧領域
が、またベース円部側に低面圧領域がそれぞれ存する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、内燃機
関が高速、且つ高出力化の傾向にある現在の状況下で
は、従来の摺動面構成体はオイル保持性、つまり保油性
が十分でなく、また初期なじみ性も悪いため、特に、ノ
ーズ部側の高面圧領域において耐焼付き性が乏しいとい
う問題がある。

【０００４】本発明は前記に鑑み、摺動条件を異にする
各領域に十分な保油性と良好な初期なじみ性を持たせ、
これにより耐焼付き性を向上させることができるように
した前記摺動面構成体を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、相手部材との
摺動面を持ち、その摺動面には摺動条件を異にする複数
の領域が存する摺動面構成体において、各領域を、特定
の結晶面を摺動面側に向けるといった配向性を持つ多数
の角錐状金属結晶および多数の角錐台状金属結晶の少な
くとも一方を有する金属結晶集合体により形成し、各領
域に含まれる前記金属結晶の前記配向性を、その領域の
摺動条件に応じて変えることにより、前記複数の領域が
それぞれ異なる硬さを有することを特徴とする。

【０００６】

【作用】各領域は、例えば多数の角錐状金属結晶を有す
る金属結晶集合体により形成されているので、各領域に
は、相隣る両角錐状金属結晶間の谷部による油溜りが存
し、したがって各領域の保油性が良好となる。また、例
えば高面圧領域側の硬さを高く、一方、低面圧領域側の
硬さを低く設定すると、摺動開始初期においては、角錐
状金属結晶の先端部側が面圧に応じて優先的に摩耗する
ので、各領域の初期なじみ性が良好となる。初期摩耗後
は、両領域の良好な保油性によりそれらの摩耗が抑制さ
れ、その結果、十分な保油性が維持されるので、摺動面
構成体の耐焼付き性が向上する。

【０００７】例えば、高面圧領域における硬さを低くす
ると、初期摩耗の段階で、高面圧であることに起因して
金属結晶の摩耗量が増し、その結果、谷部が浅くなって
油溜りの容量が極めて小さくなるため、高面圧下での摺
動に対処し得るだけの保油性を確保することができな
い。一方、低面圧領域における硬さを高くすると、低面
圧であることに起因して金属結晶の摩耗量が少なく、そ
の結果、低面圧領域の初期なじみ性が低下する。

【０００８】

【実施例】図１において、内燃機関用カムシャフト１は
鋳鉄製母材２を有し、その母材２のカム３、したがって
ノーズ部４およびベース円部５外周面に、相手部材であ
るロッカアームスリッパ６との摺動面７を持つ層状摺動
面構成体８がメッキ処理により形成される。摺動面構成
体８の摺動面７には摺動条件を異にする複数の領域、図
示例ではノーズ部４側の高面圧領域Ａとベース円部５側
の低面圧領域Ｂとが存する。その高面圧領域Ａおよび低
面圧領域Ｂは、図２，図３に示すように、多数の角錐状
金属結晶および多数の角錐台状金属結晶の少なくとも一
方、図示例では多数の角錐状金属結晶９，１０を有する
金属結晶集合体により形成される。高面圧領域Ａにおけ
る硬さＨｖは、低面圧領域Ｂにおける硬さＨｖよりも高
く設定される。例えば、高面圧領域Ａでは、面圧Ｐ₁ が
Ｐ₁ ≧４００ＭＰａになるので、その硬さＨｖはＨｖ≧
４００であることが望ましく、一方、低面圧領域Ｂで
は、面圧Ｐ₂ がＰ₂ ＜４００ＭＰａになるので、その硬
さＨｖはＨｖ＜４００であることが望ましい。

【０００９】前記のように両領域Ａ，Ｂは多数の角錐状
金属結晶９，１０を有する金属結晶集合体により形成さ
れているので、両領域Ａ，Ｂには、相隣る両角錐状金属
結晶９、または１０間の谷部１１による油溜りが存し、
したがって両領域Ａ，Ｂの保油性が良好となる。摺動開
始初期においては、角錐状金属結晶９，１０の先端部側
が面圧に応じて優先的に摩耗するので、各領域Ａ，Ｂの
初期なじみ性が良好となる。初期摩耗後は、両領域Ａ，
Ｂの良好な保油性により、それらの摩耗が抑制され、そ
の結果、十分な保油性が維持されるので、摺動面構成体
８の耐焼付き性が向上する。

【００１０】角錐状金属結晶９，１０は柱状晶の先端部
を構成し、その傾きは摺動面構成体８の保油性に影響を
与える。そこで、図４に示すように、角錐状金属結晶
９，１０の底面側に、摺動面７に沿う仮想面１３を規定
し、また角錐状金属結晶９，１０の頂点ａと底面中央部
ｂを通る直線ｃが、底面中央部ｂを通り仮想面１３に垂
直な基準線Ｄに対してなす傾き角をθと規定すると、そ
の傾き角θは０°≦θ≦３０°に設定される。傾き角θ
がθ＞３０°では、摺動面構成体８の保油性が低下す
る。

【００１１】図５に示すように、両角錐状金属結晶９，
１０が体心立方構造（ｂｃｃ構造）を持つ場合には、高
面圧領域Ａにおける角錐状金属結晶９はミラー指数で
（２ｈｈｈ）面を摺動面７側に向けた（２ｈｈｈ）配向
性金属結晶であり、その存在率ＳはＳ≧４０％（Ｓ≒１
００％を含む。以下同じ）である。また低面圧領域Ｂに
おける角錐状金属結晶１０は、前記角錐状金属結晶９と
は配向性を異にし、ミラー指数で（ｈｈｈ）面を摺動面
７側に向けた（ｈｈｈ）配向性金属結晶であって、その
存在率ＳはＳ≧４０％である。この場合、（２ｈｈｈ）
面が２次すべり面であることから（２ｈｈｈ）配向性金
属結晶は（ｈｈｈ）配向性金属結晶よりも高い硬さを有
し、これにより高、低面圧領域Ａ，Ｂの硬さに差をつけ
ることができる。

【００１２】また図６に示すように、両角錐状金属結晶
９，１０が面心立方構造（ｆｃｃ構造）を持つ場合に
は、高面圧領域Ａにおける角錐状金属結晶９，１０は、
ミラー指数で（ｈ００）を摺動面７側に向けた（ｈ０
０）配向性金属結晶であり、その存在率ＳはＳ≧４０％
である。また低面圧領域Ｂにおける角錐状金属結晶は、
前記同様角錐状金属結晶９とは配向性を異にし、ミラー
指数で（３ｈｈｈ）面を摺動面７側に向けた（３ｈｈ
ｈ）配向性金属結晶であって、その存在率ＳはＳ≧４０
％である。この場合、（ｈ００）面が原子密度の高い結
晶面であることから（ｈ００）配向性金属結晶は（３ｈ
ｈｈ）配向性金属結晶よりも高い硬さを有し、これによ
り、高、低面圧領域Ａ，Ｂの硬さに差をつけることがで
きる。

【００１３】ｂｃｃ構造を持つ金属結晶としては、Ｆ
ｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｖ等の単体ま
たは合金の結晶を挙げることができる。またｆｃｃ構造
を持つ金属結晶としては、Ｐｂ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａ
ｌ、Ａｇ、Ａｕ等の単体または合金の結晶を挙げること
ができる。

【００１４】摺動面構成体８を形成する場合のメッキ処
理において、電気Ｆｅメッキ処理を行う場合の基本的条
件は、表１，表２の通りである。

【００１５】

【表１】 有機系添加剤としては、尿素、サッカリン等が用いられ
る。

【００１６】

【表２】 表３，表４は電気Ｎｉメッキ処理の場合を示す。

【００１７】

【表３】

【００１８】

【表４】 前記条件下で行われる電気Ｆｅ、Ｎｉメッキ処理におい
て、陰極電流密度、メッキ浴ｐＨ、有機系添加剤の配合
量等によって（ｈｈｈ）配向性Ｆｅ結晶および（２ｈｈ
ｈ）配向性Ｆｅ結晶、または（ｈ００）配向性Ｎｉ結晶
および（３ｈｈｈ）配向性Ｎｉ結晶の析出、その存在量
等を制御して、両領域Ａ，Ｂの硬さを決定する。

【００１９】メッキ処理としては、電気メッキ処理の外
に、真空メッキ処理、例えば気相メッキ法、ＰＶＤ法、
ＣＶＤ法、スパッタ法、イオンプレーティング等を挙げ
ることができる。スパッタ法によりＷ、Ｍｏメッキを行
う場合の条件は、例えばＡｒ圧力 ０．２〜１．０Ｐ
ａ、Ａｒ加速電力 直流 ０．５〜１．５ｋＷ、母材温
度 ８０〜３００℃である。またスパッタ法によりＰ
ｔ、Ａｌメッキを行う場合の条件は、例えばＡｒ圧力
０．８〜１．０Ｐａ、Ａｒ加速電力 直流 ２００〜１
０００Ｗ、母材温度 ８０〜３００℃である。ＣＶＤ法
によりＷメッキを行う場合の条件は、例えば原材料 Ｗ
Ｆ₆ 、ガス流量 ２〜１５ｃｃ／min 、チャンバ内圧力
５０〜３００Ｐａ、母材温度 ３００〜６００℃であ
る。またＣＶＤ法によりＡｌメッキを行う場合の条件
は、例えば原材料 Ａｌ（ＣＨ₃ ）₃ 、ガス流量 １．
０〜１０ｃｃ／min 、チャンバ内圧力 ５０〜３００Ｐ
ａ、母材温度 ３００〜６００℃である。

【００２０】以下、具体例について説明する。

【００２１】ＪＩＳ ＦＣ２５よりなる鋳鉄製母材２に
おいて、チル層を有するカム３のノーズ部４およびベー
ス円部５外周面に、電気Ｆｅメッキ処理を施すことによ
り、Ｆｅ結晶の集合体より構成され、且つノーズ部４側
の高面圧領域Ａとベース円部５側の低面圧領域Ｂとを有
する摺動面７を備えた摺動面構成体８を形成して複数の
内燃機関用カムシャフト１を製造した。

【００２２】表５〜表８は摺動面構成体８の例１〜１２
における電気Ｆｅメッキ処理条件を示す。

【００２３】

【表５】

【００２４】

【表６】

【００２５】

【表７】

【００２６】

【表８】 表９，表１０は、例１〜１２における摺動面７の結晶形
態、各配向性Ｆｅ結晶の存在率Ｓおよび各領域Ａ，Ｂの
硬さをそれぞれ示す。

【００２７】

【表９】

【００２８】

【表１０】 存在率Ｓは、例１〜１２のＸ線回折図（Ｘ線照射方向は
摺動面７に対して直角方向）に基づいて次のような方法
で求められたものである。一例として、例１について説
明すると、図７は例１における高面圧領域ＡのＸ線回折
図、また図８は例１における低面圧領域ＢのＸ線回折図
であり、各配向性Ｆｅ結晶の存在率Ｓは、次式から求め
られた。なお、例えば、｛１１０｝配向性Ｆｅ結晶と
は、｛１１０｝面を摺動面４ａ側に向けた配向性Ｆｅ結
晶を意味する。 ｛１１０｝配向性Ｆｅ結晶：Ｓ₁₁₀ ＝｛（Ｉ₁₁₀ ／ＩＡ
₁₁₀ ）／Ｔ｝×１００、 ｛２００｝配向性Ｆｅ結晶：Ｓ₂₀₀ ＝｛（Ｉ₂₀₀ ／ＩＡ
₂₀₀ ）／Ｔ｝×１００、 ｛２１１｝配向性Ｆｅ結晶：Ｓ₂₁₁ ＝｛（Ｉ₂₁₁ ／ＩＡ
₂₁₁ ）／Ｔ｝×１００、 ｛３１０｝配向性Ｆｅ結晶：Ｓ₃₁₀ ＝｛（Ｉ₃₁₀ ／ＩＡ
₃₁₀ ）／Ｔ｝×１００、 ｛２２２｝配向性Ｆｅ結晶：Ｓ₂₂₂ ＝｛（Ｉ₂₂₂ ／ＩＡ
₂₂₂ ）／Ｔ｝×１００ ここで、Ｉ₁₁₀ 、Ｉ₂₀₀ 、Ｉ₂₁₁ 、Ｉ₃₁₀ 、Ｉ₂₂₂ は各
結晶面のＸ線反射強度の測定値（ｃｐｓ）であり、また
ＩＡ₁₁₀ 、ＩＡ₂₀₀ 、ＩＡ₂₁₁ 、ＩＡ₃₁₀ 、ＩＡ₂₂₂ は
ＡＳＴＭカードにおける各結晶面のＸ線反射強度比で、
ＩＡ₁₁₀ ＝１００、ＩＡ₂₀₀ ＝２０、ＩＡ₂₁₁ ＝３０、
ＩＡ₃₁₀ ＝１２、ＩＡ₂₂₂ ＝６である。さらにＴは、Ｔ
＝（Ｉ₁₁₀ ／ＩＡ₁₁₀ ）＋（Ｉ₂₀₀ ／ＩＡ₂₀₀ ）＋（Ｉ
₂₁₁ ／ＩＡ₂₁₁ ）＋（Ｉ₃₁₀ ／ＩＡ₃₁₀ ）＋（Ｉ₂₂₂ ／
ＩＡ₂₂₂ ）である。

【００２９】図９は、例１の高面圧領域Ａにおける結晶
構造を示す顕微鏡写真（５０００倍）、また図１０は、
例１の低面圧領域Ｂにおける結晶構造を示す顕微鏡写真
（５０００倍）である。図９に示す高面圧領域Ａにおい
て、多数の角錐状（２ｈｈｈ）配向性Ｆｅ結晶が観察さ
れる。この角錐状（２ｈｈｈ）配向性Ｆｅ結晶は｛２１
１｝配向性Ｆｅ結晶であり、その｛２１１｝配向性Ｆｅ
結晶の存在率Ｓは、図７、表１３に示すように８４．３
％である。図１０に示す低面圧領域Ｂにおいて、多数の
比較的小さな角錐状（ｈｈｈ）配向性Ｆｅ結晶が観察さ
れる。この角錐状（ｈｈｈ）配向性Ｆｅ結晶は、｛２２
２｝配向性Ｆｅ結晶であり、その｛２２２｝配向性Ｆｅ
結晶の存在率Ｓは、図８、表１３に示すように６９．５
％である。

【００３０】次に、例１〜１２のカムシャフトを機関に
組込んで焼付きテストを行い、高面圧領域Ａおよび低面
圧領域Ｂにおける硬さと焼付き発生面圧との関係を求め
たところ、図１１の結果を得た。テスト条件は次の通り
である。カムシャフトの回転数 ２０００rpm 、給油量
１０ml／min 、油温 １００℃、ロッカアームのスリ
ッパの材質 Ｆｅ系焼結材。図中、点（１）〜（１２）
は例１〜１２にそれぞれ該当する。また各線は、それぞ
れ低面圧領域Ｂにおける硬さが異なる場合である。点
（１３）はカム３外周面に窒化処理を施した場合を示
し、したがってノーズ部４およびベース円部５には電気
Ｆｅメッキ処理は施されていない。

【００３１】図１１から、例１，２のように、高、低面
圧領域Ａ，Ｂを角錐状Ｆｅ結晶を有するＦｅ結晶集合体
により形成すると共に、ノーズ部４側の高面圧領域Ａに
おける硬さを高く（Ｈｖ＝６００、または４００）設定
し、またベース円部５側の低面圧領域Ｂにおける硬さを
低く（Ｈｖ＝３００）設定すると、焼付き発生面圧が向
上することが判る。

【００３２】摺動面構成体８を、電気Ｎｉメッキ処理に
より前記条件下で形成した場合において、（３ｈｈ
ｈ）、したがって｛３１１｝配向性Ｎｉ結晶、（ｈ０
０）、したがって｛２００｝配向性Ｎｉ結晶等の存在率
Ｓは前記同様にＸ線回折図に基づいて次式から求められ
る。なお、例えば｛１１１｝配向性Ｎｉ結晶とは、｛１
１１｝面を摺動面７側に向けた配向性Ｎｉ結晶を意味す
る。 ｛１１１｝配向性Ｎｉ結晶：Ｓ₁₁₁ ＝｛（Ｉ₁₁₁ ／ＩＡ
₁₁₁ ）／Ｔ｝×１００、 ｛２００｝配向性Ｎｉ結晶：Ｓ₂₀₀ ＝｛（Ｉ₂₀₀ ／ＩＡ
₂₀₀ ）／Ｔ｝×１００、 ｛２２０｝配向性Ｎｉ結晶：Ｓ₂₂₀ ＝｛（Ｉ₂₂₀ ／ＩＡ
₂₂₀ ）／Ｔ｝×１００、 ｛３１１｝配向性Ｎｉ結晶：Ｓ₃₁₁ ＝｛（Ｉ₃₁₁ ／ＩＡ
₃₁₁ ）／Ｔ｝×１００ ここで、Ｉ₁₁₁ 、Ｉ₂₀₀ 、Ｉ₂₂₀ 、Ｉ₃₁₁ は各結晶面の
Ｘ線反射強度の測定値（ｃｐｓ）であり、またＩ
Ａ₁₁₁ 、ＩＡ₂₀₀ 、ＩＡ₂₂₀ 、ＩＡ₃₁₁ はＡＳＴＭカー
ドにおける各結晶面のＸ線反射強度比で、ＩＡ₁₁₁ ＝１
００、ＩＡ₂₀₀ ＝４２、ＩＡ₂₂₀ ＝２１、ＩＡ₃₁₁ ＝２
０である。さらにＴは、Ｔ＝（Ｉ₁₁₁ ／ＩＡ₁₁₁ ）＋
（Ｉ₂₀₀ ／ＩＡ₂₀₀ ）＋（Ｉ₂₂₀ ／ＩＡ₂₂₀ ）＋（Ｉ
₃₁₁ ／ＩＡ₃₁₁ ）である。

【００３３】図１２に示すように、金属結晶集合体は多
数の角錐台状金属結晶９，１０を有することがあり、こ
の場合の傾き角θは、上底面中央部ｅおよび下底面中央
部ｆを通る直線ｇと、下底面中央部ｆを通り仮想面１３
に垂直な基準線ｄとがなす角度として規定される。傾き
角θの範囲は前記同様に０°≦θ≦３０°である。また
金属結晶集合体は、多数の角錐状および多数の角錐台状
金属結晶を有するものでもよい。

【００３４】なお、本発明は、摺動条件を異にする領域
が二領域である場合に限らず、三領域以上ある場合にも
適用される。また本発明は、カムシャフトの外に、ピス
トンピン、ギヤ、クランク軸、ディファレンシャルピニ
オンシャフト、コンロッド、ピストン（スカート部、ラ
ンド部、リング溝）、ロッカアーム、バルブリフタ、軸
受メタル、ベアリングインナケース、ベアリングアウタ
ケース、金属ベルト、プーリ等にも適用される。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、摺動条件を異にする各
領域に十分な保油性と良好な初期なじみ性を持たせるこ
とによって、耐焼付き性の優れた摺動面構成体を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】カムシャフトの断面図である。

【図２】図１の２矢示部の拡大図である。

【図３】図１の３矢示部の拡大図である。

【図４】角錐状金属結晶の傾きを示す説明図である。

【図５】体心立方構造およびその（ｈｈｈ）面、（２ｈ
ｈｈ）面を示す斜視図である。

【図６】面心立方構造およびその（ｈ００）面、（３ｈ
ｈｈ）面を示す説明図である。

【図７】高面圧領域の一例におけるＸ線回折図である。

【図８】低面圧領域の一例におけるＸ線回折図である。

【図９】高面圧領域の一例における結晶構造を示す顕微
鏡写真である。

【図１０】低面圧領域の一例における結晶構造を示す顕
微鏡写真である。

【図１１】焼付きテスト結果を示すグラフである。

【図１２】角錐台状金属結晶の傾きを示す説明図であ
る。

【符号の説明】

６ ロッカアームスリッパ（相手部材） ７ 摺動面 ８ 摺動面構成体 ９，１０ 角錐状、角錐台状金属結晶 Ａ 高面圧領域 Ｂ 低面圧領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 広瀬 謙治 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 相手部材との摺動面を持ち、その摺動面
   には摺動条件を異にする複数の領域が存する摺動面構成
   体において、各領域を、特定の結晶面を摺動面側に向け
   るといった配向性を持つ多数の角錐状金属結晶および多
   数の角錐台状金属結晶の少なくとも一方を有する金属結
   晶集合体により形成し、各領域に含まれる前記金属結晶
   の前記配向性を、その領域の摺動条件に応じて変えるこ
   とにより、前記複数の領域がそれぞれ異なる硬さを有す
   ることを特徴とする摺動面構成体。