JPS62111106A - 内燃機関動弁装置の製造方法 - 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】

〔発明の利用分野〕 本発明は内燃機関動弁装置に係り、特にカム等の接触面
を高耐摩材から成る複合構造にした内燃機関動弁装置。 〔発明の背景〕 内燃機関動弁装置の相対する摺動面は従来、合金鋼、あ
るいは肌焼鋼で製造し熱処理によって表面硬化して用い
られていた。この場合、カムシャフトのカムコマと接触
する部分は極めて高い耐摩耗性が要求されるので深い硬
化層あるいは硬質な焼結材の埋込み等がされている１例
えば特開昭５８−５３６１２号ではカムと当接部の表面
に炭化物を含むＧｏ基焼結合金を鋳鉄又は鋼本体に液相
されたＦｅ基焼結合金による中間層で接合した構造が記
載されている。このバルブリフタ（本文中ではタペット
と表現）は耐スカツフイング性等耐摩耗性は優れている
が、製造の際、表面層となるＣＯ基合金粉末を圧粉して
、その上に液相焼結になるＦｅ基合金粉を圧粉後１本体
と組付けられたＦａ基焼結合金か液相となる温度まで加
熱しており、生産性あるいは高温加熱による変形、ｃｏ
のような高価材を使うことなどによる価格の点に関し、
十分に配慮されているとはいえない。 次に１２５０℃以下で液相焼結できる耐摩耗性焼結合金
をバルブリフタ胴体のカム側に嵌合させる方法が特開昭
５６−６０８１１号に記載されている。 このバルブリフζは焼結部に焼結空孔を残すなどによっ
て、耐摩耗性の関しては検討されているが。 胴体表面に凹部を加工して、その内部に焼結し、た部品
を嵌合させるので、バルブリフタが大形となりまた成分
調整焼結機械加工等生産工程も複雑になる等、小形軽量
化あるいは生産性、価格の点で十分配慮されているとは
いえない。 一方、軽量化を考慮したバルブリフタとして特開昭５８
−２１４６０９号が開示されている。これは本体をアル
ミニウム、マグネシウムなどの軽合金の鋳造品を作製し
、その表面のカムコマとの摺動面にセラミック、炭化タ
ングステン等を溶射している。 従って軽量化に関しては検討されているが表面の耐摩耗
性、耐久性に関しては十分に配慮されていない。すなわ
ち、溶射法は数μｍから数１００μｍの溶射粒子を基材
に吹付けて被膜を形成させる。 従って基材との結合強度は機械的となり数ｋｇ／ａｍ”
程度にすぎない。また、被膜内は気孔を含んだ積層構造
を呈し、個々の積層粒子間の結合も弱く、高負荷での摩
擦条件ではピッチング等が生じる。 また胴体は軽合金の特進による成形品であるので強靭性
に関しても配慮が十分とはいえない。 ここで、動弁用バルブリフタはカムの回転につれ、下端
から押上げられ、その復往運動をバルブに伝える円筒形
部品である。往復運動に伴なう摺動面はカム側の表面１
円筒の外周面およびバルブ側の内面があるが円筒の外周
面と内面は摩擦条件から見るとあまり問題はなく、一般
鉄鋼材であれば浸炭あるいは窒化による表面硬化で十分
であることが知られている。しかし、カムコマと接触す
る表面側は高血圧の繰返し変動荷重下で動作するので、
一般鋼材の浸炭程度の表面硬さではスカッフィング現象
等が発生し、耐久性の上で問題になることがある。一方
耐摩耗遇の改善法として焼結材の接合あるいは硬質材の
溶射がある。前者では液相焼結に近い材料でないと焼結
粒子間の結合が弱く、変動応力による疲労現象でチッピ
ングを発生する場合がある。その対策として液相焼結材
を用いるか高温加熱になる直接本体と同時に焼結、接合
をすることは困難であるので、焼結材を作製後、ろう付
けあるいは嵌合法によっており、小形軽量化の黒点にな
っている。一方、溶射法であるが、一般の酸化物以外の
溶射では溶射の際の個々の粒子間に酸化ｉこよる酸化物
および凝固の際の収縮孔を多数含むことになる。この状
態では基材との密着力、粒子間の結合力が十分ではなく
、高荷重の変動応力下ではチッピング等により耐摩耗性
が低下する。また、酸化物の溶射ではさらに個々の粒子
間の結合強度が低下するとともに気孔が多くなるので耐
摩耗性が低下する。一方、溶射材の一種に自溶性合金が
ある。この材料はＮｉあるいはＧｏ基合金中にＢおよび
Ｓｉを１〜４％添加して材料で、一般の溶射法で基材面
に被覆した後、被膜を溶融温度以上に加熱して溶融（再
溶融処理と呼ぶ）させて、被膜内の酸化物、気孔を減少
させて結合強さを向上させて使用するものである。 しかし、ＢおよびＳｉ量が極めて高いので、被膜が極め
て脆いこと、溶融温度が低いこと等によって、高荷重の
変動応力下ではチッピング現象等により異状摩耗をする
ことがある。 以上のようにバルブリフタは強靭性と高荷重による変動
応力下での耐摩耗性を要する。従来、−殻構造用鋼であ
るＳＣＭ４２０で製作し、浸炭焼入れ処理を行ない、カ
ム側の表面に５ＫＤＩＩの焼入れ品を嵌合していた。昨
今の機器の効率向上の上からみるとバルブリフタの小形
、軽量化が重要な技術課題になった。バルブリフタのよ
うな量産部品での生産性は強靭化の上で鉄鋼材の冷間鍛
造による製造が望ましい、従って、素材は炭素量の０．
１〜０．４％の鉄鋼が望ましい、炭素量が０．１％以下
では冷間鍛造後の熱処理でも内部が強化されず、使用中
変形することがある。炭素が０．４％以上になると冷間
鍛造が困難になり、成形の際割れを発生すると共に型材
の消耗が大きくなる。小形、軽量化の点からはその表面
は強靭・高耐摩材のコーティングあるいはろう付けが考
えられるが後者の場合、寸法精度の安定性２作業性。 生産性の上で多くの因子があり、これら等を制御するの
が困難である。 〔発明の目的〕 本発明の目的は、小形強靭で、耐ピツチング。 耐スカッフィング性、耐摩耗性に優れる複合構造の内燃
機関動弁装置を提供するにある。 〔発明の概要〕 本発明は、相対して摺動する各々部品の摺動面の少なく
とも一方の面に、炭素を０．５〜１０ｗｔ％、クロムを
５〜７０％を含み、残部が鉄からなり、炭素量の８０％
以上が炭化物を形成している高質被膜層を拡散層を形成
して結合させているにある。これによって小形強靭で、
耐ピツチング。 耐スカッフィング性、耐摩耗性に優れる複合構造の内燃
機関動弁装置が提供される。 〔発明の実施例〕 第１図は内燃機関動弁用バルブリフタの要部断面を示す
もので、筒状に形成された動弁用バルブリフタ１はシリ
ンダヘッド２の一部に形成されたバルブリフタ案内孔３
に挿入配置されている。該案内孔３の中心にはシリンダ
ヘッド２を貫通する弁杆４が弁ガイド５を介して保持さ
れ、該弁杆４は、弁杆一端にコツタ５を介して固設され
たリテーナ６と前記案内孔３の底面間に配置されたコイ
ル弁バネ７により移動力が常時カム軸方向に働らいて弁
８を閉弁するようにしている。一方カム軸９に固設され
るカム１０は前記バルブリフタ１のヘッド１１の中心に
接触圧をもって接触している。 前記ヘッド１１部は厚さ０．１ｍ以上の拡散層１１ａ形
を形成している。 上記構成においてバルブリフタの表面が受ける稼働条件
下で高い信頼性を得る材料に関して検討した結果、材料
は硬質な炭化物、窒化物、金属間化合物を一定量以上含
み、さらに強靭化の上では内部にこれらの微細に折、出
させるとともに酸化物。 気孔がなく、さらに基体に対して、拡散層を形成して結
合していることが重要である。その表面層の厚さも０．
１ｍｍ以上が必要である０個々の制限理由について述べ
ると次のようである。主要成分は炭素、クロム系の鉄鋼
材で必要に応じタングステン、モリブデン、バナジウム
、ニオブ、タンタル、ジルコニウムを添加してもよい、
炭素はクロム、その他の元素と単独あるいは複合炭化物
を形成し、耐摩耗性を改善する主要成分である。この量
は炭化物形成元素の総合添加量によって異なるが、バル
ブリフターの場合重量で０．５％以上でないと十分な硬
さが得られなく耐摩耗の上で耐久性に問題がある。望ま
しくは０．８％以上である。 上限は炭化物形成元素の量で大きく変化するが。 あまり多くなると遊離炭素が現われ靭性を低下させるの
で、その上限は約１０％である。クロムは比較的安価、
比重も小さく、軽量で耐摩耗性を向上するのに適した成
分であり、他の炭化物形成元素にもよるが５％以上で耐
摩耗性が得られる。。 クロム量を増やすとともに炭素量も増やすことができ、
それによって、クロム炭化物が多くなり、耐摩耗性が改
善される。しかし、７０％以上になると溶融温度が高く
なり、均一層を形成するのが困難になる。タングステン
、モリブデンおよびバナジウムは複合炭化物を形成し、
耐摩耗性および耐熱性をよくする。クロムとの共存状態
では０．１％程度から効果がみられる。特に耐摩耗体に
顕著な効果が得られるのは１％以上である。これらの成
分を単独あるいは複合で添加すると各種の硬質な炭化物
が形成し、その存在量は炭素量とともに多くなるが３０
％以上になると溶融温度が急激に上昇し、気孔が形成さ
れ易くなり脆化する。その他の炭化物形成元素としてニ
オブ、タンタル、ジルコニウムがあり、この元素も耐摩
耗性を改善する。その効果は０．１％以上で現われるが
単独あるいは複合の合計で１０％以上になると多孔質と
なり均質で強靭な膜が得られなくなる。 次に以上の成分の効果であるが、添加した合計の炭素量
の８０％以上が炭化物を形成する必要がある。炭素が固
溶状態あるいはグラファイトとして存在すると耐摩耗性
の低下、膜の脆性が著しく大きくなる６次に膜中の酸素
量も膜の靭性の上で重要な因子となる。酸素量が多くな
ると酸化物となって析出し、膜脆性させる。その限界値
は約１５００ｐｐｍで、これ以上では靭性が著しく低下
し、ピッチング現象が生ずる６次にこれ等の膜と基材と
の結合状態であるが、十分なる耐久性の上からは基材成
分との間で拡散層を形成して結合されていることが望ま
しい、膜の厚さも耐久性および信頼性の上で重要である
。膜厚が０．２＋ｍ未満では高荷重での摩擦の際基材の
影響を受けて耐摩耗性が低下するとともに被膜が消耗後
の摩耗が多くなる。また、膜の構造であるが、炭化物は
微細均一に分散した状態が靭性をよくする。その炭素量
も表面程多くなり、炭化物も多く分布している構造がよ
い。 〔発明の実施例〕 実施例Ｉ Ｓ０Ｍ４１５の素材を用いて、第１図に示す形状のバル
ブリフタ基体を冷間鍛造法により製作した。その表面１
をグリッドブラスティング後、プラズマ溶射法で硬質材
被膜を形成後表面の耐久性を比較した。プラズマ溶射法
は一般の大気中溶射法と減圧雰囲気中溶射法である。後
者は特別の溶射チャンバを作製し、排気等によって０　
、　Ｉ　Ｔｏｒｒ以下に減圧後、アルゴンガスを導入し
５０　Ｔｏｒｒの圧力を保持した状態で行った。溶射は
アルゴンと水素ガスでプラズマを形成させた。電流は約
６０ＯＡである。溶射用粉末は１０〜４４μｍの粒度の
もので成分は（１）２％炭素−２０％クロム鋼、（２）
５％炭素−２５％クロム−５％バナジウム鋼、（３）４
．２％炭素−２０クロム−３％バナジウム−２％タング
ステン鋼、（４）５％炭素−２０％クロム−２％バナジ
ウム−１％ニオブ鋼、（５）３．５％炭素−３０クロム
−３％バナジウム−０，５モリブデン−０，５％ニオブ
鋼である。いずれの粉末も真空アトマイズ法で作製した
１以上の粉末を第１図のように厚さ０．５ｍプラズマ溶
射した。一部はそのままの状態で耐久性を比較した０次
に、溶射したバルブリフタに次の熱処理をした。（１）
１０００℃１５ｍ１ｎの高温浸炭焼入れ、（２）１００
０℃１５ａ＋ｉｎ真空熱処理である。被膜内の酸素量は
溶射法および熱処理によって変化していた。すなわち、
従来の大気中溶射はいずれも５０００ｐｐｍ以上であり
、その後の熱処理によって多少減少する傾向はあるがあ
まり顕著ではない１次に減圧雰囲気中溶射は溶射のまま
で１０００〜４０００ｐｐｍで、その後、浸炭焼入れで
１０００ｐｐｓ＋以下に真空熱処理で１５００Ｐρｍ以
下になっていた０次に表面硬さは大気中溶射のものは溶
射のままで４００〜７５０　Ｈｏであり、ばらつきが極
めて大きい、このばらつきは熱処理であまり均一化され
ない１次に減圧雰囲気中溶射のものは溶射のままで５０
０〜９７０　Ｈｏでばらつきが多い、その後浸炭焼入れ
すると８００〜１０００Ｈｏになってばらつきがなくな
った。第２図は（２）の浸炭焼入後の硬さ分布を第３図
は被膜と基体との境界部の顕微鏡組織を示したものであ
る。第３図は比較のため大気中溶射のままの組織を示し
たものである。大気中溶射は第３図の減圧中溶射に比較
して被膜内には酸化物気孔が多数存在している。これが
その後の熱処理によってほとんど変化せず脆化の原因に
なっている。これらの製品の耐久性を比較した結果、減
圧雰囲気中溶射機浸炭処理したものが最も耐久性が優れ
ていた。大気中溶射では溶射のままおよび熱処理状態で
いずれも短時間でピッチング現象がみられ摩耗し、最も
耐久性のあるものの約１７３の耐久性であった０次に減
圧雰囲気中溶射は溶射のままでの耐久性は溶射機浸炭の
１７２〜４１５であった。 この場合、長時間の繰返しで基材から剥離するものがあ
る１次に減圧雰囲気中溶射後真空熱処理したものの耐久
性は減圧雰囲気中溶射機浸炭したものの３７４〜１．０
である。このものは表面に摩耗が生じたもので剥離等は
みられない。この製品の断面を顕微鏡観察すると基体と
の間に拡散層が形成されている。この拡散層は大気中溶
射の場合その後の熱処理であまり明瞭でない。 実施例２ 実施例１と同様減圧雰囲気中でプラズマ溶射後１０００
℃１５ｍ１ｎの浸炭処理を行った。被膜成分は（１）０
．３％炭素−４％クロム−０，５％バナジウム鋼、（２
）０．４％炭素−４％クロム−１％タングステン鋼、（
３）１．５％炭素−２０クロム−８％バナジウム、（４
）１２％炭素−３０％クロム鋼であ・る、粉末はいずれ
も真空アトマイザ法で製造後１０〜４４μｍの粒度を肩
側した。ここで、（１）は溶射用粉末が作製できなかっ
た。溶射膜の厚さは０．５ｍである。耐久性を比較した
結果（１）および（２）は（３）の３／４程度であった
。 尚、上記実施例ではバルブリフタ１のヘッド１１に溶射
により高質被膜１１ａを形成している　　゛が、第１図
の如くカム１０の面圧が一番高くなる摺接部分１０ａあ
るいは全周に設けてもよい、そしてこの被膜層は必要に
応じて摺動面の両方もしくはいずれか一方に形成すれば
足りることは言うまでもない。 第５図は他の実施例を示すもので、ロッカアーム２０の
弁杆４と対接する面２０ｂとカム１０と対接する背面２
０ｃにそれぞれ高質被膜２０ａを形成したものでカムの
摺接部分１０ａと併せて耐摩耗性を向上させている。 第６図は弁杆４をロッカアーム２０の一端に固設した構
造のものにおいて、ロッカアームの摺接部分２１ｂとカ
ムの摺接部分１０ａにそれぞれ高質被膜１１ａ、２１ａ
を設けている。この被膜は前記したとおり必要に応じて
、相対する面の一方もしくは両面に形成される。 〔発明の効果〕 以上本発明によれば、小形強靭で、極めて耐ピツチング
、耐スカッフィング性、耐摩耗性に優れた複合構造の内
燃機関動弁装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示すもので、第１図は内燃機関
の一部を含むバルブリフタの要部断面図。 第２図は減圧雰囲気中溶射の要部拡大写真、第３図は大
気中溶射の要部拡大写真、第４図は減圧雰囲気中溶射と
大気中溶射の性質の比較図、第５図、−第６図はそれぞ
れ他の実施例における動弁装置の一部断面正面図である
。 １・・・バルブリフター、１１・・・ヘッド。 代理人　弁理士　小川勝馬ｆ″′ □＼・ ＄　１　図 イ２　囚 （濾圧雪囲へ？＠判り 茅３　固 （友大中名計） 茅４　固 （境界） 肴面か初瓜！（帽械） 竿５　目 ｌθ １匹　　６　　　戸］ ０ａ 手続補装置（方式） ％式％ 発明の　名　称　内燃機関動弁装置 補正をする者 １１′−件との関係　　特許出願人 ｈ　称（５１０）株式会社　日　立　製　作　所名　称
　　株式会社　エムエイチセンター代　　　理　　　人 居　　帽〒ＩｔＸｌｌ東京都千代田区丸の内−丁目５番
１号株式会社　日立製ｆｌ’所内　、ｔ、ｌ／ｌ東１ハ
２１２−１１１０人代入）

【図面の簡単な説明】

補正の内容 「第２図は減圧雰囲気中溶射した溶射層の金属組織を示
す顕微鏡写真、第３図は大気中で溶射した溶射層の金属
組織を示す顕微鏡写真、」〉ゾヒ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、カム軸の回転に応じて、弁杆に推力を作用させて往
   復動させる内燃機関動弁装置において、前記動弁装置は
   、相対して摺動する部品の少なくとも一方の摺動面に炭
   素を０．５〜１０ｗｔ％、クロムを５〜７０％を含み、
   残部が鉄で炭素量の８０％以上が炭化物を形成している
   高質被膜層から成り、その層が基体に拡散層を形成して
   結合していることを特徴とする内燃機関動弁装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載において、前記高質被膜
   層はその厚さが０．１ｍｍ以上０．７５ｍｍ以下である
   ことを特徴とする内燃機関動弁装置。 ３、特許請求の範囲第１項記載において、表面層中の酸
   素量が１５００ｐｐｍ以下であることを特徴とする内燃
   機関動弁装置。 ４、特許請求の範囲第１項記載において、バルブリフタ
   本体の炭素量が０．１〜０．４％の鋼であることを特徴
   とする内燃機関動弁装置。 ５、特許請求の範囲第１項記載において、表面層の炭素
   濃度がカムコマと接触する表面側が基体側よりも炭素濃
   度が高くなつていることを特徴とする内燃機関動弁装置
   。 ６、内燃機関動弁装置において、カムとの接触する摺動
   面に炭素を０．５〜１２ｗｔ％、クロムを５〜７０％、
   タングステンを０．１〜３０％、モリブデンを０．１〜
   ３０％、バナジウムを０．１〜３０％、ニオブを０．１
   〜１０％、タンタルを０．１〜１０％、ジルコニウムを
   ０．１〜１０％を含み、残部が鉄から成り、炭素量の８
   ０％以上が炭化物を形成している高質被膜層で、この層
   バルブリフタ本体と拡散層によつて結合していることを
   特徴とする内燃機関動弁装置。 ７、特許請求の範囲第６項記載において、前記高質被膜
   層はその厚さが０．１ｍｍ以上で０．７５ｍｍ以下であ
   ることを特徴とする内燃機関動弁装置。 ８、特許請求の範囲第６項記載において、表面層中の酸
   素量が１５００ｐｐｍ以下であることを特徴とする内燃
   機関動弁装置。 ９、特許請求の範囲第６項記載において、バルブリフタ
   本体が炭素量が０．１〜０．４％の鋼であることを特徴
   とする内燃機関動弁装置。 １０、特許請求の範囲第６項記載において、表面層の炭
   素濃度がカムコマと接触する表面側が基体側よりも炭素
   濃度が高くなつていることを特徴とする内燃機関動弁装
   置。