JPS6164804A - 動弁系摺動部材とその製造方法 - 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 この発明は、摺動部位に耐摩耗材料を接合してなる動弁
系摺動部材に関するものである。

従来の技術 例えばパルプリフター、ロッカーアーム等のような内燃
機関の動弁系部材には極めて高い耐摩耗性が要求される
。そのため従来は熱処理によって硬度を高めた鋼材や、
鋳鉄が用いられ、要求特性が厳しくなるにつれ、動弁系
部材の摺動部位のみに焼結合金を鋳包む等によって接合
したものが用いられている。

発明が解決しようとする問題点 しかし、以上の従来の動弁系摺動部材では、未だ耐摩耗
性が十分ではなく、更に厳しい使用条件に適合し得る動
弁系摺動部材が要望されていた。

また、特に鋼材や鋳鉄を用いる場合、材料選定の自由度
が小さく、他方焼結合金を用いる場合は製造工程が複雑
化し、高コストであるという問題もあった。

この発明は以上の従来の事情に鑑みてなされたものであ
って、材料選定の自由度が高く、かつ高密度で十分な耐
摩耗性を有し、しかも製造コストの低い動弁系摺動部材
を提供することを目的とするものである。

問題点を解決するための手段 すなわちこの出願の第１発明の動弁系摺動部材は、鉄系
基材上で鉄系合金粉末の圧粉体または予備焼結体を焼結
して、鉄系マトリックスに平均粒径１〜５０μｍで硬さ
が）（ｖ６００〜１８００である硬質相が面積率５〜８
０％で均一に分散されてなる鉄系焼結合金が一体に融接
されていることを特徴とするものであり、この出願の第
２発明の動弁系摺動部材の製造方法は、鉄系合金粉末の
圧粉体または予備焼結体からなる耐摩耗部素材を鉄系基
材上に設置し、その鉄系基材上に設置された耐摩耗部素
材を液相・率が２０〜８０％となるように液相発生温度
以上まで局部加熱し、その後急冷凝固させることを特徴
とするものである。

発明の詳細な説明 以下にこの発明をさらに具体的に説明する。

この出願の第１発明の動弁系摺動部材は、鉄系マトリッ
クスに平均粒径１〜５０ＪＪで硬さがＨｖ６００〜１８
００である硬質相が面積率５〜８０％で均一に分散され
た鉄系焼結合金を、鉄系基材に一体に融接してなる。

マトリックスに硬質相が均一に分散された鉄系焼結合金
とするのは、耐スカッフィング性等の耐摩耗性を確保す
るためである。また、その硬質相の平均粒径は１〜５０
ＪＪＩとするのが好ましい。１声未満では耐摩耗性が不
足し、５０％を越えると相手攻撃性が過大となるからで
ある。しかし、更に好ましくは１０〜４５声とするのが
良く、最も望ましくは１５〜４０声とするのが良い。さ
らにそのｌｉ！質相の硬さは）−１ｖ　６００〜１８０
０とするのが好ましい。ＨＶ６００未満では耐摩耗性が
不足し、Ｈｖ１８００を越えると相手攻撃性が急増する
からである。加えて、その硬質相の分布量は面積率で５
〜８０％とするのが好ましい。面積率が５％未満では耐
摩耗性が不足し、８０％を越えると相手攻撃性が急増す
るからである。しかし、更、に望ましくは面積率で１５
〜７０％とするのが良く、最も好ましくは２５〜６０％
とするのが良い。

尚、鉄系基材としては、普通炭素鋼や高炭素特殊鋼など
を用いることができる。

さて、以上の第１発明の鉄系焼結合金は、残留気孔率が
２％以下で、見掛硬さがＨｖ４５０〜１０ｏＯであるの
が好ましい。

鉄系焼結合金の残留気孔率を２％以下とするのは、気孔
率が２％を越えると、得られる動弁系摺動部材の摺動部
が動弁系の高面圧条件下にさらされた場合、摺動部にチ
ッピングを生じやすく不都合なためである。しかし、更
に好ましくは気孔率を１．８％以下とするの−が良く、
最も望ましくは気孔率を１．５％以下とするのが良い。

また、鉄系焼結合金の見掛硬さをＨｖ４５０〜１０００
とするのは、Ｈｖ４５０未満では耐摩耗性が不足し、Ｈ
ｖｌｏｏｏを越えると相手攻撃性が増すだけでなく、被
削性が劣り、摺動部の仕上加工が困難になるからである
。しかし更に好ましくは見掛硬さをＨｖ５５０〜９５０
とするのが良く、最も望ましくはＨｖ６００〜９５０と
するのが良い。

以上の鉄系焼結合金は、その成分について第１の観点か
らは、Ｃｒ１．０〜４０％を含み、かつＭＯ０．１〜５
．０％、ＷＯ０５〜１０％、■０．１〜６．０％、Ｎｂ
　０．０５〜３．０％、Ｔａ０．０５〜１．５％のうち
の１種もしくは２種以上を含み、残部がＱ　０．３〜３
．５％、Ｆｅおよび２％以下の不純物とされることが望
ましい。以下にその鉄系焼結合金の各成分の限定理由を
記す。

Ｃ「は、鉄基地に固溶して強化する他、各種形態のＱｒ
系炭化物を形成し、焼結合金の耐摩耗性を向上すること
から　１．０〜４０％添加するのが好ましい。ＣＩ”が
１．０％未満でばＣｒ炭化物が不足し、Ｃｒが４０％を
越えると粗大なＣｒ炭化物が形成されて好ましくない。

しかし更に望ましくはＯｒを５．０〜３５％とするのが
良（、最も望ましくはＣｒを１０〜３０％とするのが良
い。

ＭＯもＱｒと同様の効果を有し、０．１〜５．０％添加
するのが好ましい。０．１％未満では添加の効果はみら
れず、逆に５．０％を越えて添加すると、Ｑｒと相乗的
に作用して炭化物の粗大化が著しく、好ましくない。し
かし、更に望ましくはＭＯを０．５〜４．５％添加する
のが良く、最も望ましくはＭＯを１．０〜４．０％添加
するのが良い。

また、ＷもＯｒヤＭｏと同様の効果を有し、０．５〜１
０％添加するのが好ましい。０．５％未満では添加の効
果はみられず、１０％を越えて添加すると粗大炭化物が
生じ好ましくない。しかし、更に好ましくはＷを１．０
〜８，０％添加するのが良く、最も望ましくは１．５〜
７．５％添加するのが良い。

ざらにＶも耐摩耗性向上に寄与し、０．１〜６．０％添
加するのが好ましい。０．１％未満では添加の効果はな
く、６，０％を越えて添加すると粗大炭化物が生じ好ま
しくない。しかし、更に好ましくは０．５〜５．０％添
加するのが良く、鰻も好ましくは１．０〜４．５％添加
するのが良い。

加えて、Ｎｂも耐摩耗性の向上に寄与し、０．０５〜３
．０％添加するのが好ましい。０．０５％未満では添加
の効果はなく、３．０％を越えると粗大炭化物が生じ好
ましくない。

ざらにまた、Ｔａも耐摩耗性の向上に寄与し、０．０５
〜１．５％添加するのが好ましい。０．０５％未満では
添加の効果はなく、１．５％を越えると粗大炭化物が生
じ好ましくない。しかし、更に好ましくは０．１〜１．
３％添加するのが良く、最も好ましくは０．２〜１．０
％添加するのが良い。

以上のＣｒ、Ｍ０．Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａはすべて同時に
添加される必要はな（、動弁系摺動部材の仕様に応じて
１種又は２８！以上添加されれば良い。

Ｃはマトリックスを強化し、また池の合金元素の炭化物
形成による耐摩耗性の向上に寄与する。

さらに、焼結前の鉄系合金粉末のａｍ、を下げて、焼結
時の低融点液相を確保するのに適当量必要とされ、以上
の理由から０．３〜３．５％添加される。

０．３％未満では添加による効果が充分得られず、３６
５％を越えると炭化物が粗大化するのみならず、焼結合
金のマトリックスに黒鉛が必要以上に残留し、その残留
した黒鉛が細長く連なり、耐チッピング性およびｉ！Ｉ
ｔ摩耗性に悪影響を及ぼし好ましくない。しかし、さら
に好ましくは０．７〜３．０％添加するのが良く、最も
望ましくは１．０〜２．５％添加するのが良い。

さらに以上の鉄系焼結合金は、その成分について第２の
観点からは、Ｑｕ　１．０〜５．０％、Ｎ１１．０〜１
０％、ＧＯ１．０〜２０％、Ｓ（０，１〜　１．５％、
Ｍｎ　Ｏｌｌ　〜１．５％、Ｐ０．１〜０．８％、Ｂ　
　０．０１〜０．５％のうち１種もしくは２ａｌｕ上を
含むのが望ましい。

以下に、以上の第２の観点から添加される成分の限定理
由を記す。

Ｃｕ、Ｎｉ１Ｃｏは各々マトリックスに固溶して、マト
リックスを強化する。また、Ｎｌ　、　Ｃ。

は特にマトリックスの靭性を高め、その一部はマトリッ
クスに分散する硬質相を形成する炭化物中にも固溶して
、炭化物のマトリックスに対する固着力を高める。その
理由から、Ｃｕは１．０〜５．０％、Ｎ　ｉ　ハ１．０
〜１０％、Ｇｏ　ハ１．０〜２０％添加される。すなわ
ち、それぞれ下限値未満では添加の効果はなく、上限値
を越えて添加すると、マトリックスの組織に残留オース
テナイトが増加して硬さが低くなり、耐摩耗性が低下す
るので好ましくない。しかし、さらに望ましくはＣＩＪ
は１．２〜４．５％、Ｎｔは２．０〜８．０％、Ｃｏは
３．０〜１８％添加されるのが良く、最も好ましくはＣ
ｕは２〜４％、Ｎｉは２．５〜７．０％、Ｃｏは４．０
〜１５％添加されるのが良い。

Ｓｉは７トリツクスに固溶させてマトリックスを強化す
るために０．１〜１．５％添加される。０．１％未満で
は添加の効果は認められず、１．５％を越えて添加する
とマトリックスにフェライトが増加して硬度を下げるの
で好ましくない。しかし、さらに好ましくは０．２〜１
．３％添加するのが良く、最も望ましくは０．５〜１．
０％添加するのが良い。

Ｍｎも同様にマトリックスに固溶してマトリックスを強
化し、その目的で０６１〜１．５％添加される。０．１
％未満では添加の効果はなく、１．５％を越えて添加す
るとマトリックスに残留オーステナイトが増加して硬度
が低下し好ましくない。しかし、さらに好ましくは０．
２〜１．３％添加するのが良く、最も好ましくは０．５
〜１．０％添加するのが良い。

尚、以上の８１および１ｙｌｎは、鉄系焼結合金の原料
となる鉄系合金粉末に含まれることにより、焼結時の液
相中の１１２ｍ効果を示し、また原料粉末の融点を下げ
て低融点の液相を形成する効果も示す。

Ｐは主として低融点液相形成効果をねらって添加され、
またマトリックスに固溶してマトリックスを強化する効
果もあり、０．１〜０．８％添加される。０．１％未満
では添加の効果がなく、０．８％を越えて添加するとマ
リドックスが脆化して好ましくない。

Ｂ：ｂＰと同様の理由で０．０１〜０．５％添加される
。　　０．０１％未満では添加の効果がなく、０．５％
を越えて添加しても効果の向上は望めない。

以上のＣｕ　、　Ｎｉ　、　Ｑｏ　、Ｓｉ　、　Ｍｎ　
、　Ｐ、　Ｂの各元素は、それぞれ単体で添加してもい
いが、１種または２種以上の合金粉末、例えば炭化物粉
末等として用いるか、あるいはその様な合金粉末と混合
して用いる方が、得られる組織の均一化に効果的であり
、また分散される硬質相の粗大化防止に効果的である。

しかし、Ｃについてはグラフ７イト等の形で別に添加す
ることによって原料粉末の加熱焼結時における還元に役
立ち、また低融点液相の形成を助長する効果も認められ
る。

次に、この出願の第２発明の動弁系層動部材の製造方法
について、さらに詳細に説明する。

先ずこの発明の製造方法では、鉄系合金粉末の圧粉体ま
たは予備焼結体からなる耐摩耗部素材を鉄系基材上に設
置する。鉄系合金粉末としてはＣｒ、〜１０　、ＷｌＶ
、Ｎｂ％Ｔａ、Ｃ１Ｃ１１゜Ｎｉ、Ｇ０．Ｓｔ、Ｍｎ、
ＰｌＢのうち１種もしくは２種以上を含む、アトマイズ
鉄粉やその他還元鉄粉、電解鉄粉を用いることができる
。また鉄系基材としては、普通炭素鋼、高ｒＡ素拐、チ
ルド鋳鉄その他を用いることができる。耐摩耗部素材を
鉄系基材上に設置するにあたっては、予め所定の形状に
成形した耐摩耗部素材を、鉄系基材の所要の位置に耐摩
耗部素材の形状に応じて形成した凹所に嵌合する等の手
段を用いることができる。

次にこの発明では、鉄系基材上に設置された耐摩耗部素
材を液相率が２０〜８０％となるように液相発生温度以
上まで局部加熱する。液相率が２０％以上となるように
するのは、液相率が２０％未満では、得られる焼結体の
残留気孔率を２％以下にするのが困難であり、製造され
た動弁系摺動部材の摺動部が動弁系の高面圧条件下にさ
らされた場合、摺動部にチッピングを生じやすく不都合
なためである。また液相率が８０％以下となるようにす
るのは、液相率が８０％を越えると、融液の巾で１折が
生じ易くなり、何等かの撹拌効果を加える必要が生じる
からである。しかし、更に好ましくは液相率を３５〜６
５９６とするのが良り、最も望ましくは４０〜５５％と
するのが良い。

以上の場合、液相発生ａｒｔは用いられる合金粉末の種
類で異なり、添加元素で適当に１整することができる。

局部加熱の手段としては、目的とする動弁系口ｆＩＪ部
材の摺動部の大きさ、その他の仕（ｙＨ等に応じて、ら
要な程度に高密度にエネルギーを集中することができる
熱源を用いることができ、例えばレーザの照射、プラズ
マアークもしくはプラズマジェットによる加熱、あるい
はＴＩＧ溶接トーチの応用その他の手段を適用すること
ができる。

最後にこの発明の方法によれば、局部加熱された耐摩耗
部素材を急冷して凝固させる。冷ｍにあたっては、耐摩
耗部の成分および目的とする勤弁系贋動部材のｆｉ′様
に応じて種々の熱処理を設計することができる。例えば
、単なる空中放冷、エアブロ−１空中放冷後油もしくは
水焼入れその他の冷却方法が可能である。また、場合・
によってはマルクエンチ、マルテンパー等の公知の熱地
理法の適用も可能であり、ざらに冷却後に必要に応じて
耐摩耗部に加えられる切削、研削その他の礪械加工を冷
却過程で行ない、いわゆる加工熱処理を施してもよい。

発明の実施例 以下にこの発明の実施例を記す。

実施例　１ 第１図に示す様に、普通炭素１８４５を切削加工してバ
ルブリフト形状基材１を得た。そのバルブリフト形状基
材１の図示しないカムと接触する摺動面部２に、第２図
に示す耐摩耗部素材３と対応する形状の凹部４を形成し
た。−力筒２図に示す形状の耐摩耗部素材３を次のよう
にして作成した。

Ｃｒ５％、ＭＯ１％、■０．１％、Ｎｂ０．５％、０１
１２％、Ｓ＋１％、Ｍｒｌ０．５％、Ｐ　０１５％、残
部Ｆｅからなる噴霧合金粉末（−１００メツシユ）に、
天然黒鉛粉末（平均粒径１０μ）を白化で２．８％加え
、さらにｎＷＪ剤としてステアリン閲亜鉛を体止で０．
８％階加混合した。その混合粉末を金型ブレスで２０φ
ｘ５＋ｕ＋の形状で、密度が６．０！＋、／ＣＩｌ＋３
となるように成形し、それによって耐摩耗部素材３を得
た。

次に、第３図に示すように、前記′＃＃摩耗部素材３を
前記バルブリフト形状基材１の凹部４に嵌合した。その
状態で、耐摩耗部素材３を、図示しないＴＩＧ溶接トー
チを用いて保護雰囲気下で局部的に加熱した。加熱温度
は用いた原料粉末の液相発生温度以上である約１１８０
℃とした。

その後加熱部をエアーブローで急冷して、第４図に示す
ように、バルブリフト形状基材１の摺動面部２に鉄系焼
結合金３ａを融接したバルブリフタ粗材５を得た。その
バルブリフタ粗材５のバルブリフト形状基材１部分に熱
処理を施し、全体を機械加工して第５図に示すバルブリ
フタ完成品５ａを得た。

以上により得られたバルブリフタ完成品５ａを２β４気
筒ＯＨＶエンジンに装着し、加速条件で１０００ｒｐ＋
ａｘ５００ｈｒの耐チツピング性評価試験を行なった。

実施例　２ 第６図および第７図に示すように、ＳＣｒ　２０鋼材を
鍛造して、ロッカーアーム形状基材６を（５た。そのロ
ッカーアーム形状基材６の図示しないカムと接触する摺
動面部７に、第８図に示す耐摩耗部素材８と対応する形
状の凹部９を形成した。

一方、第８図に示す形状の耐摩耗部素＠８を次のように
して作成した。

Ｃｒ４％、Ｍｏ５％、Ｗ１０％、■４％、Ｃｏ１０％、
Ｔａ０，３％、８０６１％、Ｃ１，５％、残部Ｆｓから
なる噴霧合金粉末（−１００メツシユ）に、潤滑剤を体
止で１．０％添加混合した。その混合粉末を実施例１と
同様にして成形し、それによって耐摩耗部素材８を作成
した。

次に、前記ｒ！＃摩耗部素材８を前記ロッカーアーム形
状基材６の凹部９に嵌合した。その状態で耐摩耗部素材
１０を、レーザービームによって保護雰囲気下で局部的
に１２００℃まで加熱した。

その後加熱部をエアーブローで急冷して、ロッカーアー
ム形状基材６の摺動面部７に耐ｒｆ！耗部素材８が焼結
してなる鉄系焼結合金を融接したロッカーアーム粗材を
得た。そのロッカーアーム粗材のロッカーアーム形状基
材６部分に必要な熱処理をｋし、全体の必要部分に機械
加工を施して第９図に示すロッカーアーム完成品１１を
得た。

以上により得られロッカーアーム完成品１１を２！４気
筒ＯＨＣエンジンに装着して加速条件で２ＱＱＱｒｐ＋
ｑ　ｘ５００Ｈｒの耐スカツフインクを生　　′評価試
験を行なった。

前述した実施例１のバルブリフタについては、耐チッピ
ング性評価試験の結果、極めて高い耐チッピング性が確
認され、また実１１２のロッカーアームについても、耐
スカッフィング性評価試絡の結果、憧めで高い耐スカッ
フィング性が確認された。

発明の効果 以上のようにこの出願の第′１発明の動弁系摺動部材に
よれば、鉄系マトリックスに平均粒径１〜５０戸で硬ｃ
ＨＶ　６００〜１８００の便Ｙｆ相が５〜８０％の面積
率で均一に分散されてなる鉄系焼結合金が鉄系基材に一
体に融接されているので、穫めて高密度で耐摩耗性の優
れた動弁系摺動部材を得ることができる。またこの出願
の第２発明の殉弁系摺２部材の製造方法によれば、第１
発明の動弁系摺動部材を効率的にかつ低コストに製造す
ることができ、特に鉄系合金５）末の圧動体または予瀦
焼結体からなるＴ！４ｇ粍部素材部素材基材上で焼結し
て鉄系Ｕｔｔに接合するので、鉄系合金粉末として用い
られる材料の選択の幅が非常に広く、材料選択の自由度
が大きいという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５図はこの出願第２発明の一実施例の工程を
示す図であり、第１図はバルブリフト形状基材の断面図
、第２図はｉ？１ｇ粍部素材部素材図、第３図は耐摩耗
部素材をバルブリフト形状Ｊｌ材に組付けた状態を示す
断面図、第４図は耐摩耗部素材をバルブリフト形状基材
上で焼結させた状態３示す断面図、第５図はバルブリフ
ト完成品の断面図である。第６図〜第９図はこの出、象
の第２晃明の他の実施間の工程を示す図であり、第６膿
はロッカーアーム形状基材の断面図、第７図は第６回Ｖ
Ｉ−ＶＩＩＩ面図、第８図は耐摩耗部素材の斜視図、第
９図はロッカーアーム完成品の斜視図であるっ１・・・
バルブリフタ形状素材、　３・・・耐摩耗部素材、３ａ
・・・鉄系焼結合金、　５ａ・・・バルブリフタ完成品
、　６・・・ロッカーアーム形状素材、　８・・・耐摩
耗部素材、　１１・・・ロッカーアーム完成品。 出願人　　トヨタ自ｅ車株式会社 代理人　　弁理士　豊　１）武　久 （ほか１名） 第１図　　　　第２図 第５図 第６図　　　　第７図 第８因　　　　　第９図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）鉄系マトリックスに平均粒径１〜５０μｍで硬さ
   がＨｖ６００〜１８００である硬質相が面積率５〜８０
   ％で均一に分散されてなる鉄系焼結合金が、鉄系基材に
   一体に融接されていることを特徴とする動弁系摺動部材
   。
2. （２）鉄系合金粉末の圧粉体または予備焼結体からなる
   耐摩耗部素材を鉄系基材上に設置し、その鉄系基材上に
   設置された耐摩耗部素材を液相率が２０〜８０％となる
   ように液相発生温度以上まで局部加熱し、その後急冷凝
   固させることを特徴とする動弁系摺動部材の製造方法。
3. （３）前記鉄系合金が、残留気孔率が２％以下で、見掛
   硬さがＨｖ４５０〜１０００とされていることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の動弁系摺動部材。
4. （４）前記鉄系焼結合金が、Ｃｒ１．０〜４０％（重量
   比、以下同様）を含み、かつＭｏ０．１〜５．０％、Ｗ
   ０．５〜１０％、Ｖ０．１〜６．０％、Ｎｂ０．０５〜
   ３．０％、Ｔａ０．０５〜１．５％のうちの１種もしく
   は２種以上を含み、残部がＣ０．３〜３．５％、Ｆｅ及
   び２％以下の不純物とされていることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項または第３項記載の動弁系摺動部材。
5. （５）前記鉄系焼結合金が、Ｃｕ１．０〜５．０％、Ｎ
   ｉ１．０〜１０％、Ｃｏ１．０〜２０％、Ｓｉ０．１〜
   １．５％、Ｍｎ０．１〜１．５％、Ｐ０．１〜０．８％
   、Ｂ０．０１〜０．５％のうち１種もしくは２種以上を
   含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項もしくは第
   ３項あるいは第４項記載の動弁系摺動部材。