JPS60230914A - カムシヤフトの製造方法 - 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、複合カムシャフトの製造法に関するものであ
る。

（従来技術） 機械部品等において、ある金属に別の金属を接合したい
わゆる複合部材を用いれば、両金属の長所をうまく利用
でき便利なことが多い。例えば、エンジンに使用されて
いるカムシャフトでは、靭性および強度を有し軽量の金
属の基部上に硬度の大きい金属を接合した複合カムシャ
フトを形成することにより、カムシャフトの靭性、強度
を低下させることなく耐摩耗性を向上させ、且つ軽量化
を図ることができる。

この複合部材を形成する方法としては、特開昭５２−６
５１１１号に開示されているような粉末合金シートを部
品表面に接着した後これを焼結して耐摩耗性を有する表
面層を形成する方法や、特開昭５８−１７４５０７号に
開示されているような金属粉末を金属箔でサンドインチ
状にパックしたものを母材に重ね合わせてこれを母材上
に焼結接合する方法が知られている。

複合カムシャフトを製造するにもこのような方法を用い
て例えばカム基材上の耐摩耗性が要求される表面上に耐
摩耗性を付与するための金属粉末シートを接着しこれを
加熱焼結すればよい。しかしながら、金属粉末シートは
、金属粉末を樹脂粘結剤により結合してシート状に形成
したものであり、焼結過程において樹脂は燃えて消失し
、且つ金属粒子が溶けて粒子間のすき間が埋まるため、
焼結により金属粉末シートが収縮することになる。

この収縮は、厚み方向のみでなく溶融金属の表面張力に
よりシートの長さ方向にも大きく生じる傾向があり、こ
のため加熱焼結後の焼結層の形成範囲が最初に上記シー
トを覆った範囲より小さくなるという問題があり、この
ため耐摩耗層の形成範囲や厚さにバラツキが生じ一部品
精度の低下や歩溜りの低下が生じる恐れがある。

（発明の目的） 本発明はこのような事情に鑑みたもので、焼結の際に生
じる粉末シートの長さ方向の収縮を規制して厚み方向に
収縮させ、焼結層の形成範囲の変化を抑えることができ
るカムシャフトの製造方法を提供することを目的とする
ものである。

（発明の構成） 本発明のカムシャフトの製造方法は、まず耐摩耗性金属
粉末をアクリル系樹脂粘結剤で結合しシート状に形成し
た粉末合金シートをカムシャフト基材のカム部の摺動表
面部に接着し、さらにこの接着された粉末・合金シート
の外表面に上記耐摩耗性金属より高融点材質からなる金
属箔を密着させ、これを、金属箔の融点以下である耐摩
耗性金属の焼結温度範囲に加熱して焼結し、最後に金属
箔の層を研削除去してカムシャフトを製造することを特
徴とするものである。

（発明の効果） 本発明の方法によれば、耐摩耗性焼結層を形成するため
の粉末合金シート表面を金属箔で覆っているので、焼結
時に粘結剤が燃えて消失し金属粉末が溶融することによ
り体積収縮が生じた時に、金属箔により表面張力が抑え
られて長さ方向の収縮を小さくし、代わりに厚み方向の
収縮を大ぎくしで耐摩耗性焼結層の形成範囲が小さくな
るのを防止することができる。すなわち、金属箔を用い
ない従来の方法では溶融金属の表面張力のため厚み方向
のみでなく長さ方向にも収縮が生じ、焼結層の厚みおよ
び大きさに大きなバラツキが生じたのであるが、本発明
の方法では厚み方向にのみ収縮させることができるので
耐摩耗性焼結層の厚みおよび大きさのバラツキが小さく
なり部品精度の向上や歩溜りの向上を図ることができる
。

（実施例） 以下、実施例を用いて説明する。

第１図は本発明の１例における焼結前のカムシャフトの
カムノーズ部の断面である。はぼカム外形形状を形成し
、所定の強度、靭性等を有する金属基体１のノーズ部外
表面に沿って粉末合金シート２が接着され、この上に金
属箔３が密着される。

本図では、金属箔３により全周を覆っているが、金属箔
３は少なくとも粉末合金シート２が接着されている部分
を覆えばよい。但し、本図のように全周を覆う方が作業
性は良い。

金属基体１の材質としては所定の強度等を有する金属で
あればよく、一般に鋼材が用いられる。

粉末合金シート２は耐摩耗性共晶合金粉末をアクリル系
粘結剤により結合してなるもので、例えばＰｏ、５〜２
．５重量％、Ｃ１，５〜４．５重量％、ＭＯ２，５〜１
０．５１量％、０１６１０重量％、残部Ｆｅで、粉末粒
度１５０メツシユ以下よりなる耐摩耗性共晶合金粉末８
５〜９７容量％と、溶剤で溶いたアクリル系粘着剤１５
〜３容鰺％とを混練した後、圧延したものを所定形状に
切断したものである。この粉末合金シート２が金属基体
１の表面により接着されるが、この接着は接着剤の塗布
または粉末合金シート２そのものの粘着力（粘着剤の多
いとき）によって接着するものであって、この接着剤の
樹脂と粘着剤の樹脂とは同じものを使用し、できるだけ
少量とする方が品質において好ましい。

金属箔３は上記耐摩耗性共晶合金より融点の高い材質の
箔で、鋼箔、ステンレス鋼箔等が用いられる。この厚さ
は、１０〜１００μｍ程度で、これより簿すぎると強度
不足で破れたりするため好ましくなく、厚すぎるのも剛
性が大きくなってシート２の溶融時にシート２と箔３の
間に空間が生じるため好ましくない。好ましい１例を挙
げると、粉末合金シート２の厚さが１．５＃の時では２
０〜５０μｍの箔が好ましい。なお、この金属箔３は焼
結後、研削除去されるものであり、研削が容易という点
からは薄い方が好ましい。

そして、第１図のように形成したカムシャフトを非酸化
性雰囲気（真空もしくは水素ガス雰囲気；下で、１５０
〜３８０℃の温度で５分以上加熱保持した後、さらに、
上記非酸化性雰囲気（真空もしくは水素ガス雰囲気）下
で、９５０〜１１５０℃の温度で焼結結合し、次いで外
表面の金属箔３を研削除去するとともに所定の寸法に仕
上げて複合カムシャフトが作られる。このようにすると
、金属箔３により焼結加熱されて溶融した粉末合金シー
ト２に働く表面張力を抑えることができ焼結層が長さ方
向に収縮されることがない。但し、粉末合金シート２が
あまり厚いと金属箔３により表面を拘束しても厚み方向
中央部の収縮を抑えることができないという問題がある
ため、粉末合金シート２の厚さは０．３〜５履程度にす
るのが好ましい。

ここで、上記粉末合金シート２についてさらに詳しく説
明する。上記製造法は基本的には、合金粉末と合成樹脂
粘着剤との混線物をシート状に圧延もしくは所定断面形
状に押し出しまたは打ち抜き成形し、金属基体１上で焼
結して表面に耐摩耗性合金層を形成するものである。

通常、樹脂による粘着剤は２００〜３００℃までは母材
との接着が可能であるが、温度がさらに上昇すると、粘
着剤が消失、揮散してしまい、接着剤としての機能を失
って母材との接着性が消失してしまう。従って、母材の
斜面や湾曲面さらには下向きの面等の粉末合金シートの
重量が母材との接着面に作用する場合には、粉末合金シ
ートの重量を支えることができなくなって、母材から剥
離もしくは脱落する恐れがある。特に、振動や衝撃がワ
ークに作用しない設備においては、母材との接着力はそ
れほど要求されないが、メツシュベルト式あるいはプッ
シャ一式連続焼結炉や真空焼結炉等では、搬送中の振動
や衝撃は避けがたい。

これに対し粘着剤の接着力が強い常温から２００℃の間
は問題はないが、それ以上の温度と金属粉末の焼結が始
まる７００℃付近の温度までの間に、強振動や衝撃が加
わると、粘着剤が炭化した炭素による接合力が弱い場合
には、粉末合金シートが剥離してしまうことになる。

上記点につき、前記のように耐摩耗性共晶合金粉末８５
〜９７容量％とアクリル系粘着剤１５〜３容量％とを混
練した後、圧延もしくは押出成形した焼結用成形体く粉
末合金シート）を、粘着性を持たせたアクリル系樹脂に
よって鉄系基材に接着し、非酸化性雰囲気中で１５０〜
３８０℃、好ましくは２００〜３５０℃の間の温度まで
４０℃／分以下の昇温速度で加熱し、この温度に５分以
上保持するようにしたものでは、１２０℃付近より低沸
点成分が揮発し、２００℃付近より熱分解重縮合反応が
起こり、タールピッチ状物質が生成される。このタール
ピッチ状物質は粘着性があるため３００℃以上での搬送
による振動や衝撃に耐える接着力を得ることができるも
のである。

上記現象を第２図の試験結果に沿って説明する。

この試験は、Ｍｏ１０．５重量％、Ｏｒ２．５重量％、
Ｐ２．４重量％、Ｃ３，６重量％、残部Ｆｅの化学組成
を有し、粒度１５０メツシユ以下の三元共晶合金粉末４
８．５重量％、５ＬＩＳ４１０の粒度１５０メツシユ以
下の粉末４８．５重量％とアクリル系樹脂３重量％（９
容量％）とをアセトンを加えて湿式混練し、ロール圧延
によって密度４．８ｇ／ｃＩＲ３、厚さ２ｍにシート化
し、１ｃＩＲ×１ｔ１Ｒに切断したシートを、同上のア
クリル系樹脂粘着シート（厚さ１０μ）でＩＣＩＲＸｌ
ｃｍの接着面になるように、鋼製基材の垂直面に接着し
た。

この時の、粉末合金シートの重量は約０．９６ｇである
から、接着面には０．９６ｇ／ｃｄのせん断力が作用し
ており、この値以上の接着強度があれば粉末合金シート
は脱落しない。

第２図で試料■は、無処理の試料を窒素ガス雰囲気中で
加熱し、各温度での高温せん断試験を行ったもので、常
温では約５０００　’Ｊ　／　ｃｄであったせん断強度
が、１００℃では粘着剤が軟化することによって３００
０ｇ／ｃｄ以下になる。さらに、約２００℃よりアクリ
ル系粘着剤の熱分解が始まり、分解に従って強度が低下
し、約４００℃では急激な分解によって強度が著しく低
下するため、粉末合金シートが脱落してしまう。ここで
は、粉末合金シートの重力によるせん断力に耐えられな
かったものと考えられるので、約１９　／　ｃｒｌ以下
のせん断強度になっていると推測できる。

これに対し、試料■、■、■は、予め水素ガス雰囲気中
で昇温速度１０℃／分で加熱し、それぞれ３００℃ｘ６
０分、２５０℃×６０分、３８０℃×６０分の熱処理を
行って、常温まで徐冷した試料を再度加熱し、各温度で
の高温せん断試験を行ったものであり、４００℃までは
未反応の樹脂が存在するために、徐々に強度が低下して
いる。

４００℃以上になると未反応の樹脂は揮散してしまい、
加熱とともにタールピッチ状物質の炭素化が進んで、接
着力が低下する。しかし、７００℃を越えると合金粉末
の固相焼結が進行するに従って強度が逆に上昇し、さら
に、１０００℃近くになると共晶成分により液相が晶出
して、その液相成分が基材へ拡散することによって再び
凝固するため、せん断強度が著しく上昇する。

よって、試料■のように連続的に昇温した場合には３８
０℃を越える温度で脱落する可能性があるが、試料■、
■、■のように予め熱処理を施したものは脱落せずに接
着しているものである。

さらに、上記現象を解明するために第３図に示す実験を
行った。この実験は、アクリル系粘着剤［（メタ）アク
リル酸アルキルエステル−アクリル酸共重合体］を窒素
ガス雰囲気中で加熱したときの重量減少を示す。なお、
後述する各温度までの昇温速度は１５℃／分である。ア
クリル系粘着剤は３００℃で約１０％が分解し、さらに
加熱すると約４００℃付近で急激に分解し、約９０％が
分解してしまう。

一方、窒素ガス雰囲気中で加熱特性ａに沿って３００℃
×６０分加熱した試料Ａでは、予め非酸化性雰囲気で昇
温し加熱したことによって、約４０％分解し残りの約６
０％が熱分解重縮合反応を起こして、タールピッチ状物
質に変化している。

このタールピッチ状物質によって４００〜７００℃まで
の接着力すなわち保持力を備えているものと考えられる
。

また、加熱特性すに沿って４００℃Ｘ６０分加熱した試
料Ｂでは、約９０％が分解しており、４００℃以上での
接着力を有するためのタールピッチ状物質の生成が少な
くなるために、粉末合金シートの脱落等を生じている。

さらに、加熱特性Ｃに沿って５００℃Ｘ６０分加熱した
試料Ｃの場合も、上記試料Ｂ（４００℃×６０分）と同
様のことが言える。以上のように、急激な樹脂の分解が
起こる４００℃以上の高温では、生成するタールピッチ
状物質の寄与が支配的となり、合金粉末の固相焼結が始
まる７００℃付近まで続くと考えられる。

上記タールピッチ状物質の生成を確認するため、アクリ
ル系粘着剤を窒素ガス雰囲気で３００℃×６０分保持後
、５００℃および７００℃で加熱したものについて元素
分析を行った結果につき、炭素と水素についての元素の
重量％と、Ｈ／Ｃ原子比を次に示す。試料１は５００℃
加熱物、試料２は７００℃加熱物である。

ＣＨＨ／Ｃ 試料１９１．７％　５．９％　０．７７試料２９５．２
％　１．４％　０．１８ここで、ピッチ類と総称される
ものは、Ｈ／Ｃ原子比をみると、アスファルト類の１．
０以上からコールタールピッチ類の０．５〜０．６まで
である。よって、試料１の場合、Ｈ／Ｃが０．７７であ
り、タールピッチ状物質が残存しているのが確認された
。試料２は、Ｈ／Ｃが０．１８であり、炭素化が進むこ
とにより、タールピッチ状物質が減少しているが、この
ｍ＊近辺からは金属焼結が始まり、強固な金属結合に移
行するものである。

なお、上記焼結前の焼結用成形体の加熱処理において、
その加熱雰囲気は、合金粉末およびアクリル系粘着剤の
酸化を防ぐため、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガ
ス中、水素ガス等の還元性ガス中、真空中等の非酸化性
雰囲気で行う必要がある。また、昇温速度を４０℃／分
以下とするのは、この昇温速度が４０℃／分を越えると
アクリル系粘着剤中の低沸点弁が急激に揮発するため、
粉末合金シートを破損したり、接着面に気泡が発生して
脱落するので、これを防止するためである。

そして、加熱温度を１５０〜３８０℃好ましくは２００
〜３５０℃とするのは、１５０℃未満では粘着剤の未分
解量が多くなり、４００’Ｃ以上に加熱したときに急激
な分解を起こすことと、タールピッチ状物質の生成量が
少ないため、高温における接着強度が低くなって粉末合
金シートが脱落する可能性があり、一方、３８０℃を越
えると粘着剤が急激な分解を生起し、接着に寄与するタ
ールピッチ状物質の生成量が少な（粉末合金シートが脱
落する可能性があるからである。さらに、保持時間を５
分以上とするのは、上記加熱温度によって最適な時間が
異なるが、５分未満ではタールピッチ状物質の生成量が
少なく接着が不十分になり、また、１２０分以上の加熱
は経済的でないものであり、上記各条件はかかる範囲に
設定するのが良好な処理が行える点で好ましい。

また、焼結用成形体の合金粉末は、加熱焼結したときに
耐摩耗性を有する必要があることは当然であるが、アク
リル系粘着剤の接着性には温度的に限界があるため、焼
結温度はできるだけ低いことが好ましい。

かかる観点から、耐摩耗性合金粉末としては、耐摩耗性
共晶合金粉末、特に、Ｆｅ−Ｍ−Ｃ系の三元共晶合金粉
末を用いることが好ましく、Ｍとしては、ＭＯｌＢおよ
びＰのうちいずれが一種またはそれらの複合であること
が好ましい。特に、Ｐを用いることはＣと同様に母材へ
の拡散性が強いので好ましい。

具体的には、合金粉末は、１０ｏｏ〜１１５０℃の温度
範囲で液相が１０〜５０容量％となり、しかも液相は母
材に対して濡れ性が優れていることが好ましい。液相量
が１０容聞％未満では液相不足となって母材との有効な
接合が行えなくなり、５０容量％を越えると液相が過剰
となって流動性を示し、必要な形状を保持できなくなる
。

また、Ｆｅ−Ｍ−Ｃの三元共晶合金の強度、耐摩耗性を
改善する副次的な元素としてはｃｒ、ｖ。

Ｗ、Ｎｂ５ＴａＳＴ　ｉが有効テアリ、サラニ、その他
の元素として、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｍｎも各種の性能を改善す
るのに役立つ元素であり、添加するのが好ましい。

また、粉末粒度は焼結層の気孔率に大きな影響を与える
要素であり、１５０メツシユ以下とすることが好ましい
。粒度が１５０メツシユを越えて大きくなると気孔率も
これにつれて上昇し、焼結層の耐摩耗性を阻害する。

粘着剤として用いるアクリル系樹脂と、合金粉末との配
合比は、粘着剤を３〜１５容量％とし、残部を合金粉末
とする。粘着剤が３容量％より少なくなると、粘着性が
不足して粉末合金シートが脆化し必要なシートの可撓性
を確保することができず、１５容量％を越えて粘着剤が
多くなると、樹脂分が過剰となって、気孔率等に悪影響
を与えると同時に母材との接合が不可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一例における加熱焼結前のカムシャフ
トのカムノーズ部の断面図、 第２図は粉末合金シートによる焼結用成形体の焼結前の
加熱温度に対するせん断強度と温度の関係を示す特性図
、 第３図はアクリル系粘着剤を３００〜５００’Ｃの範囲
で加熱処理した後、窒素ガス雰囲気中で加熱したときの
重量減少を示す特性図である。 １・・・金属基体　２・・・粉末合金シート３・・・金
属箔

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　カムシャフト基材のカム部の摺動表面部に耐摩
   耗性金属粉末とアクリル系粘結剤とからなる粉末合金シ
   ートを接着し、 さらに、該粉末合金シートの外表面に前記耐摩耗性合金
   粉末の融点より高融点の金属箔を密着させ、 次いで前記耐摩耗性金属の焼結温度範囲で、且つ前記金
   属箔の融点以下の温度で加熱焼結し、最後に前記金属箔
   により形成された層を研削除去することを特徴とするカ
   ムシャフトの製造方法。
2. （２）　前記加熱焼結が、非酸化雰囲気で１５０〜３８
   ０℃の温度で５分以上予備加熱した後、行なわれること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のカムシャフト
   の製造方法。