JPS613649A - ロッカーアームの製造方法 - 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） この発明は、耐摩耗性が要求される部材、例えば自動車
用エンジンの動弁機構部品であるロッカーアームとして
使用するのに好適な複合部材の製造方法に関するもので
ある。

（従来技術） 従来、耐摩耗性が要求される複合部材、例えばロッカー
アームとしては第１図に示すような構造のものがある。

。図に示すロッカーアーム１は、ロッカーアーム本体２
のカムとの当り面部にパッド３を設けたものであり、カ
ムとの当り面部においてより優れた耐摩耗性が要求され
るため、別部材より形成したパッド３を用いたものであ
る。このようなロッカーアーム１を製造するに際しては
、硬質金属を用いて焼結、鋳造等によって第２図に示す
ようなロッカーアームパッド３を作製した後、前記パッ
ド３を第３図に示すように鋳型４の所定位置に配設し、
ダイカスト法を用いて鋳型４の湯道５よりアルミニウム
合金溶湯を加圧供給して前記パッド３を鋳包むことによ
ってロッカーアーム１を形成するようにしていた。

しかしながら、このような従来の場合にあっては、ロッ
カーアーム１を使用している間においてパッド３との鋳
包み界面で剥離が生じやすいため、その対策として、第
２図に示すようにパッド３の鋳包み部分に逆テーパ部３
ａを設けるようにしていたが、このような逆テーパ部３
ａを設けてもなおゆるみが生じやすく、振動・摩耗が増
加するとともに、高価なパラ。ド３に逆テーバ部３ａを
設けることから材料使用量が多くなり、コストアップの
要因ともなるという問題点があった。

一方、近年においては繊維強化金属の開発が進み、耐摩
耗部材への適用が進んでいる（例えば。

特公昭５８−９３９４８号）。この繊維強化金属の製造
方法としては例えば第４図に示す製造方法がある。この
方法は、吸引容器６の底部に通水性フィルター７を設置
したものを使用し、まず、有機・無機バインダーを含む
短繊維分散スラリー８を作製した後、このスラリー８を
吸引容器６内に入れ、真空吸引法により前記スラリー８
を吸引して液体のみをフィルター７に通過させ、このフ
ィルター７上でｔａ維成形体２を作製するものである。

そして、さらに前記繊維成形体２を乾燥した後所定寸法
に加工し、有機／ヘイングーの除去を目的として熱処理
を行い、その後第３図に示したように前記繊維成形体２
の整形物を鋳型４に配設し、溶湯鍛造等の高圧凝固法を
用いてアルミニウム合金溶湯を供給することにより複合
材料を製造する方法があった。

しかしながら、このような従来の方法においては、＃！
維成形体２を製作するに際して真空成形法を用いている
ため、真空成形の際の吸引力の点から体積率が１０％以
・上の繊維成形体を得ることが困難であった。また、体
積率を高めるためにプレス成形法を用いることもあるが
、この場合には繊維の切断およびスプリングバック等の
問題があり、成形が困難であった。このような繊維体積
率の低い繊維強化金属を使用したときでも耐摩耗性は一
応向−ヒするが、摩耗条件のきびしい部品については適
合しえない。例えば、ロッカーアームパッドとカムシャ
フトの摩耗に関しては、その面圧が現状の材質でヘルツ
の面圧式から計算すると最大的６０　ｋｇｆ／ｃｍ２と
なり、周速もエンジンの回転数によって異なるがＯ〜７
５ｍ／ｓｅｃ（５０００ＲＰＭの場合）の範囲の周速で
、面圧２周速とも連続的に変化する複雑な厳しい摩耗条
件となる。

そのため、上記したような厳しい摩耗条件下で使用され
る耐摩耗部材としては、従来の短繊維強化金属等の複合
部材では適合できず、新しい耐摩耗特性をもつ複合部材
が要求されることとなる。

また、従来の繊維成形体を用いた高圧鋳造法においては
、繊維成形体の圧縮強度が不足し、高圧鋳造時に合金溶
湯の浸透抵抗によって繊維成形体の変形、クラックが発
生し、所定の繊維体積率および繊維の均一分散が得られ
ないという問題点があった。

（発明の目的） この発明は、上記したような従来の種々の問題点に着目
してなされたもので、耐摩耗性に優れており、特に厳し
い摩耗条件下での使用にも十分に耐えることが可能であ
り、耐摩耗複合部分の変形や割れなどのおそれが著しく
小さく、とくに口・ンカーアームのパッド部等１局部的
に高い耐摩耗性が要求される部材として好適な複合部材
を提供することを目的としている。

（発明の構成） この発明は、耐摩耗性が要求される複合部材を製造する
に際し、鋳型内における前記複合部材の耐摩耗性が要求
される部位に、平均粒径２０ｐＬｍ以下の粒子を主体と
しかつ３０〜６０％の体積率を有する多孔質セラミック
スからなる焼結体を配設したのち、前記鋳型内にアルミ
ニウム合金等の軽合金溶湯を高圧鋳造し、前記焼結体の
粒子またはｍ維間隙に前記合金溶湯を浸透凝固させ、鋳
包み界面をなくすことにより前記焼結体と軽合金母材と
の間の密着性に著しくすぐれた耐摩耗性のある複合部材
を得るようにしたことを特徴としている。

次に、この発明の詳細な説明する。

まず、この発明において用いる多孔質セラミックスから
なる焼結体は、そのセラミックス材料として、窒化けい
素、炭化けい素等の非酸化物系のものや、ジルコニア、
アルミナ等の酸化物系のものがあり、仕様等に応じて例
えば硬質でかつ安価な材料としてアルミナが優れている
。また、アルミナの中では、特に硬質であるα−アルミ
ナが良い。また、原料粉末の特性として、粒形状は表面
積を小さくし、アルミニウム合金等の軽合金溶湯とのぬ
れ特性を向上させ、焼結体内で均一な接触結合点をもた
せるため、球形に近いものが良い。

そして、アルミナ等のセラミックスの粒径は耐摩耗性の
観点から微細なほど良い。しかし、セラミックスの平均
粒径が小さくなると、それだけセラミックスの表面積が
増大し、鋳造時に軽合金溶湯の焼結体に対しての浸透抵
抗が増加し、軽合金溶湯が焼結体中に浸透しに〈〈なり
、セラミックスと軽合金との界面での接合強度が弱くな
る傾向にあるが、これは鋳造の際における合金溶湯に対
する加圧力の増大や、焼結体の予熱温度および軽合金溶
湯の予熱温度を高くすることで対応できる。

一方、セラミックス粒径の上限は、耐摩耗特性や機械加
工性などで決定されるが１粒径が大きくなると焼結性が
悪化し、粒子間の結合状態が悪くなり、摩耗時に粒子が
脱落し易くかじり摩耗が発生し易い。また、粒径が大き
くなると機械加工時にバイト歯先またはグライダ−の加
工ショックによりクラックが発生し易く、さらにセラミ
ックス粒子と軽合金基地との間で段差が発生し、パッド
等の摺動面に必要な表面あらさが十分良好なものにでき
ない、そこで、一般的にはセラミックスの平均粒子径は
直径２０　ｇｒｓ以下が望ましく、５ｐＬＩｌ以下であ
ることがさらに望ましいことが種々の実験かられかった
。そして、セラミックスからなる焼結体を製造する際に
、前記セラミックスの粒子含有率を調整するために、セ
ラミックス短繊維あるいはウィスカー等のｍ雄状セラミ
ックスを適量加えることも必要に応じて好ましいことが
わかった。

次にセラミックスからなる焼結体を製造する方法の実施
態様について説明する。

アルミナ等の粒子を主体とする多孔質セラミックスから
なる焼結体の製造方法としてはいくつかのものがあり、
例えば、ドクターブレード法、射出成形法、プレス成形
法等がある。

そのうちの−例をあげると、有機バインダとしてスター
チを１重量％、コロイダルシリカを０．５重量％、残り
をアルミナセラミックスとして、これらをスラリー状水
溶液として攪拌したものを、フィルタを通して吸引成形
することによって成形体を製造する。このとき、粒子体
積率の調整は、成形体を加圧圧縮して任意の体積率にす
ることにより行うことができる。この後１例えば１２０
℃程度で十分に乾燥させた後、例えば１５００　’Ｃ、
大気中で焼成焼結して焼結体を得る。ここで粒子体積率
は、ロッカーアームパッドのような耐摩耗性が要求され
る部分での高耐摩耗性を確保するために、例えば、α−
アルミナ焼結体の場合には、平均粒子径が２０１ＬＩ以
下の中で、さらに粒子体積率が３０％〜６０％の範囲と
するのが良いことが種々の実験から明らかになった。こ
の場合、粒子体積率が３０％よりも小さいと上記ロッカ
ーアームパッドの場合に相手材であるカムシャフトのカ
ム部（現行はチル鋳鉄）により前記バッド部の摩耗がは
げしくなり、６０％よりも大きくなると相手材への攻撃
性が高くなり、カムシャフトのカム部の摩耗が著しくな
るので好ましくない。さらに、繊維体積率が６０％より
も大きくなると、鋳造時において軽合金溶湯の浸透抵抗
が大きくなると共に、その後のＴτ６処理時の溶体化処
理（５００℃→水冷）によってα−アルミナ結合部にク
ラックが多数発生するようになるので好ましくない。

他方、セラミックスからなる焼結体の他の製造例として
は前述したようにドクターブレード法がある。この場合
には、有機バインダ等を添加したセラミックス粉末をス
ラリー状水溶液として攪拌したものを用い、ドクターブ
レード法によるグリーンシート製造装置に前記セラミッ
クススラリーを供給し、ドクターブレードのすきまより
前記スラリーを連続的に流出させて、溶剤を蒸発させる
ことにより固化させてセラミックスグリーンシートを得
る０次に、前記グリーンシートを鋳型にセットできる大
きさでかつ焼結時の収縮を考慮した寸法に加工した後、
炉中で徐々に昇温し、例えば１５００℃で焼結する。こ
のようにして得るセラミックス焼結体の体積率は要求さ
れる耐摩耗性の条件等により異なるが、例えばα−アル
ミナ焼結体であってこれをロッカーアームパッドに適用
する場合には、高耐摩耗性を確保するために耐摩耗の条
件より２０〜６０体積％の範囲とするのが良いことが種
々の実験から明らかとなった。すなわち、体積率が２０
％よりも小さいと相手材であるカムシャフトのカム部（
現行はチル鋳鉄であδ）によりパッド部の摩耗がはげし
くなり、６０％よりも大きいと逆にカムシャフトのカム
部の摩耗が著しくなるので好ましくない。また６０％よ
りも大きくなるとその後のＴ−６処理時にα−アルミナ
焼結体の結合部にクラックが多数発生するおそれがある
ので好ましくない。

次に、上述のようにして焼結したセラミックス焼結体を
第５図に示す溶湯鍛造装置の鋳型１１内に設置する。こ
こで、第５図に示す溶湯装置は。

鋳型１１が上金型１２と下金型１３とより構成され、両
金型１２．１３によってキャビティ１４および湯道１５
が形成されると共に、下金型１３にはプランジャ１６を
備えたものである。そこで、製造しようとする複合部材
の耐摩耗性が要求される部位に相当する前記キャビティ
１４内に前記セラミックス焼結体１７を配置し、次いで
、スリーブ内にアルミニウム等の軽合金溶湯を供給した
のち図示しない加圧装置によって、プランジャ１６を作
動させ、軽合金溶湯を湯道１５を通して鋳型キャビティ
１４内に充填し、凝固終了まで溶湯加圧力を保持させて
、セラミックス焼結体１７の内部に合金溶湯を浸透凝固
させ、その後上金型１２と下金型１３とを離すことによ
り、部分的に耐摩耗性を著しく高めた複合部材を取り出
す。

なお、鋳造条件としては、溶湯温度を７５０〜８００°
Ｃ、プランジャ加圧力を５００〜１２００Ｋｇｆ／ｃｍ
２セラミックス焼結体の予熱温度を２００〜３００℃と
することが、セラミックス焼結体内に軽合金溶湯を完全
に浸透させるために好ましい。

このようにすることによって　次に示すような優れた特
徴を有する複合部材が得られる。

■多孔質セラミックスからなる焼結体を用いることによ
って、従来の短繊維成形体を用いた場合に比べ、鋳造時
にはすでに粒子間で焼結しているため圧縮強度が高く、
合金溶湯の浸透抵抗による前記焼結体の圧縮破壊、クラ
ック発生がなくなること。

■とくに、この発明による複合部材をロッカーアームの
パッドとして用いる場合に、第２図に示したセラミック
ス酸のパッド材と比べて、空孔率の高い多孔質焼結体を
用いるため熱衝撃に強く。

軽合金溶湯の鋳造時にパッドの割れがないこと。

■空孔率の高い多孔質焼結体も用いることができるため
、その場合には軽合金基地からセラミックス焼結体の内
部に浸透した軽合金までが連続的に存在し、界面が存在
しないため、複合化した焼結体部分のはがれや剥離が生
じないこと。

■第４図に示した真空成形法による短繊維成形体を用い
た場合に比べ、セラミックス体積率をあげることが可能
となり、厳しい耐摩耗性が要求される部材への適用が可
能となること。

■セラミックス粒子間で焼結によって結合しているため
、使用時にセラミックス粒子の欠落がなく、耐摩耗性が
著しく向上すること。

■第２図に示したパッド３を用いる場合に比べ、鋳包み
用の逆テーパ部３ａを必要とせず、かつ半製品であるセ
ラミックス焼結体を用いることで複雑な工程を必要とせ
ず、安価に製造できること。

■ロッカーアームパッド部に関して言えば、粒子分散複
谷材料部分とその他の部分を同時に高圧鋳造することに
よって、その他の部分の巣、ピンホール等の鋳造欠陥が
減少し、ダイカスト法に比べ熱処理が可能となるため強
度が向上し、一層の゛軽量化が図れること。

■ロッカーアームに関して言えば、従来の形状および材
質で高圧鋳造すると、パッド部の周囲に鋳バリが発生し
、このパリ取り作業に大幅な工数を要するが、この発明
によるとパリ部分もロッカーアーム部分と連続的につな
がるため、パッド部の周囲のパリ取り作業が不要になる
こと。

等である。

（実施例１） ここではα−アルミナ（ＡＪＬ２０３）粉末を使用し、
平均粒子径０．０８，４，５，１０゜２０．５０．１０
０ＩＬｍのものを各々用意し、粒子体積率が１５．２０
，４０，６０．７０％となるように各々調合して、前述
のドクターブレード法により厚さ３ｍｍのアルミナグリ
ーンシートをそれぞれ作製した。次に、各グリーンシー
トを鋳型内に設置できる大きさに切断したのちそれぞれ
１５００℃の炉内で大気中焼成してα−アルミナ焼結体
を製造した。次いで、各焼結体を３００℃に予熱して、
それぞれ個別に第５図に示す溶湯鍛造鋳型１１内に配設
したのち、鋳造用アルミニウム合金（Ａ　Ｃ４Ｂ）の溶
湯を注入し、プランジャ１６を押出すことにより７００
　ｋｇｆ　／　ｃｍ２の加圧力で凝固完了まで保持した
。

次に、このようにして得た各鋳造体に対してＴ６処理を
施した後、５Ｘ５Ｘ１０謄履のピン形状に加工し、この
際、端面に前記焼結体が位置するように加工して試験片
としたのち、各試験片を用いて摩耗試酬−を行った。以
下に摩耗試験方法について述べる・ まず′：試験に用いた装置の構成を説明する。第６図に
おいて、２１は上記試験片２２を保持するための回転可
能なホルダ、２３は相手材となるディスク２４を保持す
るためのホルダ、２５は潤滑油供給路、２６はロードセ
ルである。また、試験片２２は第７図に示すようにＷ＝
５Ｘ５ｍｍ、Ｌ＝１０ｍ＋ａに加工しであるが、ロッカ
ーアームパッド材に相当するものとして前記複合化させ
た焼結体の端面をＲ＝７ｒａｒｓとした。

そこで、試験に際しては、一方のホルダ２１にピン形状
の試験片２２を固定すると共に、他方のホルダ２３には
相手材としてのディスク２４を固定する。そして、この
評価においては、前記ディスク２４の材質として、カム
シャフトのカム部において通常使用される材質の１つで
あるチル鋳鉄を用いた。次に、ホルダ２１を図示しない
モータで回転させると同時にホルダ２３を矢印で示す右
方向に押しつける。その際、潤滑油供給路２５からモー
タオイル（油温１５０℃）を約３００〜４００ｃｃ／分
の割合でホルダ２３およびディスク２４の中心部分に供
給し、この中心部分から外方に向けて試験片２２の方に
吹きつけ供給する。

このような耐摩耗性の評価において、通常の場合でのカ
ムシャフトとロッカーアームとの間の摩耗は、エンジン
の低速運転時においてとくにはげしいため、エンジン回
転数：１０００回転に相当するすべり速度１　、０ｍ／
ｓｅｃとし、面圧を１５０ｋｇｆとした。そして、摩耗
量の測定は゛、ピン形状の試験片２２では摩耗幅、ディ
スク２４では摩耗量とした。このとき、各試験片２２と
も１０分間の試験を行った。

また、参考例として、同時に現行のパッド材料（鉄系焼
結体：Ｆｅ−１６％Ｃｒ−４％Ｍ　ｏ　−２，２％Ｃ：
商品名ＭＸ−３００）およびアルミニウム合金、α−ア
ルミナ焼結体、窒化けい素焼結体１部分安定化ジルコニ
ア焼結体（セラミ−・クス試験片はいずれも理論密度に
対して９８％以上）を用いてこれらの材料において、も
ピン形状の試験片に加工して試験に供した。これらの試
験結果を第１表および第２表に示す。

第１表および第２表に示す結果から、α−アルミナを用
いた多孔質セラミックスからなる焼結体をロッカーアー
ムパッド部に複合化させた場合のα−アルミナの体積率
および粒径の好ましい範囲が明らかとなった。まず、α
−アルミナの体積率については、３０〜６０％の範囲と
するのが好ましく、３０％よりも低いと粒子間の焼結結
合強度が弱くなって試験中に粒子が脱落するため試験片
側の摩耗が大きくなる。また、６０％を越えると第２表
に示す９９％以上のα−アルミナ焼結体の比較例でも明
らかなように、ディスク側の摩耗が著しくなることがわ
かる。

一方、粒子径から見れば、粒径が小さくなっても体積率
が大きくなると、高圧鋳造時に表面積が大きくなること
がら溶湯浸透抵抗が増大し、溶湯がアルミナ粒子中に浸
透せず、粒子が脱落してその粒子が研摩材となり、ディ
スク側の摩耗量も大きくなる。また、粒子径が４０ｐ、
ｍ以上の場合には前述のごとく加工時に段差が合金基地
との間に発生し、粒子内にクラック等が発生しやすく、
それが脱落の原因となって、同様に摩耗量を増大させる
。そして、第１表に示す結果から、粒子径のより好まし
い範囲は１０４ｍ以下である。

（実施例２） 実施例１の結果をさらに確認するために、エンジン実機
耐久評価を行った。すなわち、実施例１で作製したα−
アルミナ焼結体（粒径１０　ｇｍ　。

体積率４０％）を所定の寸法に加工した後、３００℃に
予熱して第５図に示した溶湯鍛造装置の鋳型１１内の所
定位置すなわちロッカーアームのパッド位置に配設し、
７５０℃に保持したアルミニウム合金（ＡＣ４Ｂ）をス
リーブ内に供給し、８００　ｋｇｆ　／　ｃｍ２の加圧
力でプランジャ１６を上昇させて鋳型１１内にアルミニ
ウム合金溶湯を充填させ、凝固するまで前記アルミニウ
ム合金溶湯に前記と同じ圧力を加え、その後鋳型１１よ
リアルミニウム合金製の複合ロッカーアームを取り出し
た。

次に比較例として、ロッカーアームパッド部の一般的な
材料である鉄系焼結体（Ｆｅ−１６％Ｃｒ−４％Ｍ　ｏ
　−２、２％Ｃ；商品名ＭＸ−３００）および９８．０
％の体積率を示すα−アルミナ焼結体を第２図に示す形
状に加工した後、上述の鋳造方法によってロッカーアー
ムを作製した。

続いて、これらのロッカーアームの重量測定し　　　゛
たところ、本発明のロッカーアームは比較例のロッカー
アームより５ｇ軽量化されていた。

次に、エンジンオイル（１０Ｗ−３０）を用いて実車ア
イドル耐久（エンジン回転数：　６００ｒμｍ　、　１
０００Ｈｒ）試験を行った。耐摩耗性の評価は、ロッカ
ーアームパッド部については摩耗重量、カムシャフトカ
ム部については、カムノーズ部摩耗量（ＪＬｍ）とした
。この結果を第３表に示す。なお、相手材としてのカム
ノーズ部材質は現第３表に示す結果から明らかなように
、本発明焼結体を用いたものは実機テストにおいても現
行材と同等であるかそれ以上の良好な耐摩耗性を示し、
その上複合界面でのはぐり防止、軽量化、低価格化を実
現することができた。

（発明の効果） ＼　　以上説明してきたように、この発明によれば、耐
摩耗性が要求される複合部材を製造するに際し、鋳型内
における前記複合部材の耐摩耗性が要求される部位に、
粒子を主体とする多孔質セラミックスからなる焼結体を
配設したのち、前記鋳型内に軽合金溶湯を高圧鋳造する
ようにしたから、多孔質セラミックスからなる焼結体に
軽合金溶湯な十分に浸透させた複合部材を得ることが可
能であり、複合化させた焼結体の部分と軽合金マトリッ
クスとの間での界面が明瞭にあられれずほぼ連続したも
のとなるため、従来のように複合化部分の界面できれつ
やはくりを生じるようなことは全くなく、特に厳しい摩
耗条件下での使用にも十分に耐えることが可能である複
合部材を提供することができ、とくに自動車用エンジン
の動弁機構部品であるロッカーアームのカムとの当り面
部であるパッド部のような、局部的に高い耐摩耗性が要
求される部材として好適に使用される複合部材を得るこ
とができるという著大なる効果をもたらすものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のロッカーアームの説明図、第２図は第１
図のロッカーアームのパッド部の斜視図、第３図は第１
図のロッカーアームを鋳造する鋳型の部分説明図、第４
図は従来における繊維成形体製造装置の断面説明図、第
５図はこの発明において使用されうる溶湯鍛造装置の縦
断面図、第６図（ａ）（ｂ）は耐摩耗試験機の断面説明
図および側面説明図、第７図は摩耗試験に使゛用したピ
ン形状の試験片の説明図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）耐摩耗性が要求される複合部材を製造するに際し
   、鋳型内における前記複合部材の耐摩耗性が要求される
   部位に、平均粒径２０μｍ以下の粒子を主体としかつ３
   ０〜６０％の体積率を有する多孔質セラミックスからな
   る焼結体を配設したのち、前記鋳型内に軽合金溶湯を高
   圧鋳造することを特徴とする耐摩耗性が要求される複合
   部材の製造方法。