JPS637249B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は内燃機関のカム軸に追従する動弁用タ
ペツトに関するものであり、数種の材料を複合し
た複合タペツト、中でも焼結合金を複合したタペ
ツトに関する。 タペツトには従来からチル鋳物、合金鋼、浸炭
窒化鋼が用いられ、さらにCrメツキ、溶射等の
表面被覆や、焼入れ、窒化の熱処理が施されて用
いられていたものであつたが、近年の内燃機関の
高出力化に伴い焼結合金製のタペツト、又は焼結
合金と鋳鉄、鋼との複合材料タペツトが注目され
ている。その理由として焼結合金が成形性に優れ
るばかりか空孔が存在することによる潤滑性向上
と硬質微細粒子の存在による耐摩耗性向上があ
る。 しかしながら焼結合金は通常の鉄系合金粉末を
固相焼結したものでは空孔量が多く、この空孔が
構造的に切欠きとして作用し、摺動面面圧の高い
タペツトや他のカムフオロワ、及びカムでは摺動
面の疲労によるクラツク及び割れや欠けを発生し
ピツチングと称される摩耗を発生し易い。 かかるピツチングに対しては焼結合金の空孔量
を減らし焼結合金強度を向上させることが有効で
あるため、例えば本出願人の先に提案した特開昭
56−60811号の如く液相焼結によつて複合化と高
強度化を達成したタペツトや、あるいは実開昭54
−169607号や実開昭56−83607号の如く固相焼結
合金表面を緻密化して空孔量を調整したタペツト
が提案されている。 この液相焼結による複合タペツトは母材との結
合度及び焼結合金自体の強度においては優れるも
のの摺動する相手材料であるカムがチル鋳物や浸
炭焼入鋼である場合に潤滑条件が悪く高負荷であ
る機関ではスカツフイングと称される金属間融着
摩耗を発生し易いために、表面に軟窒化処理が施
される。一般的に軟窒化処理層を設けた摺動部材
では比較的低面圧のもの（例えばピストンリング
など）では充分な効果を発揮するが、高面圧で使
用されるタペツトにおいては軟窒化に伴う軟化が
窒化拡散層下部に発生しピツチングが発生し易く
なる。即ち摺動面表面には硬質の窒化化合物層が
生じ、その下に拡散層が形成され摺動面から0.5
mm程度までは硬化されるが、逆にそれより下の層
は焼戻された状態となり軟化する。特に高合金で
あり、かつ密度の高いタペツト用液相焼結合金で
は軟窒化層を必要深さ（通常0.2mm）設けようと
したら長時間の処理時間を要するため軟化傾向が
著しい。このことは固相焼結合金を緻密化したタ
ペツトでも全く同一の欠点としてあげられ単に焼
結合金の表面空孔量を調整したり、熱処理するこ
とによつてのみでは耐スカツフイング性と耐ピツ
チング性を共に満足するタペツトは得られない。 本発明は上記の耐スカツフイング性と耐ピツチ
ング性の双方に優れると共に生産性にも優れたタ
ペツトを目的とするものであり、以下詳細に説明
する。 まず本発明の要旨とするところは下記３つの構
成要件によるタペツトにある。 (1) 鋳鉄又は鋼によるタペツト本体のカムとの摺
動部にカム当接部を設ける。 (2) カム当接部の表面に炭化物を15〜40重量％含
むCo基焼結合金による摺動部材を配する。 (3) カム当接部の摺動部材とタペツト本体との間
にFe基焼結合金を配する。 かかる本発明タペツトの一実施例を第１図に示
と共に第１図に従つて説明する。 タペツトはカム５との摺動面３５を形成するカ
ム当接部２とタペツト本体１とによりなり、さら
にカム当接部２が摺動面３５を形成する摺動部材
３と中間部材４とによつて形成される。タペツト
本体１はタペツトガイド６を摺動する胴部１６と
プツシユロツド７と摺動する座部１７とが形成さ
れる。この胴部１６及び座部１７はカム当接部２
と比較した場合に特別の面圧及び衝撃がなく、耐
摩耗性の要求が厳しいものでないためタペツト本
体１への焼入れによつて充分な耐摩耗性が得られ
る。 一方カム５と摺動する摺動部材３に耐スカツフ
イング性と耐ピツチング性に著しく優れる炭化物
を含んだCo基焼結合金を用い、タペツト本体１
と摺動部材３とを結合しかつ摺動部材３を支承す
るものとして中間部材４を配することにより、タ
ペツト本体１、中間部材４、摺動部材３とが強固
に結合しタペツトとしての強度が充分に得られ
る。 この摺動面３５を形成する摺動部材３にCo基
焼結合金を用いる理由として次の事項があげられ
る。 まず耐スカツフイング性については、本発明の
Co基焼結合金が炭化物粒子とCo基合金基地の相
乗効果を有することにより達成される。即ちＷ、
Cr、Ti、Nbの炭化物は硬度HV1500以上と著し
く高いものであり、かつ基地中に分散しているこ
とにより摺動面間でベアリング効果をなし潤滑性
及び耐摩耗性に寄与する。ただし15重量％未満で
あると炭化物粒子量が過少であり上記の効果がな
く、40重量％を超えた場合には炭化物粒子に比べ
これを支承する基地量が過少となつて焼結合金の
強度が脆くなりピツチングを発生し易いばかり
か、相手材であるカムに対して硬度が高すぎ、こ
れを著しく摩耗させるため15〜40重量％の範囲で
選択せねばならない。一方摺動部材の基地はCo
基合金によつて形成されるため一般的には鋳鉄又
は鋼、又は鉄系焼結合金であるカムに対して全く
異種材料であり、かつCo基合金硬度が高いため
金属間融着を起こし難く、スカツフイングが発生
する可能性は極めて低い。さらにCo基合金はFe
基合金に比し溶融点が低く後記する中間部材であ
るFe基焼結合金の液相温度にて液相を多く発生
し、焼結合金密度が向上し、空孔がほとんど消滅
されるため焼結完了後の強度は高いものとなり耐
ピツチング性においても優れたものである。 かかる摺動部材に用いる焼結合金は炭化物とし
てはＷ、Cr、Ti、Nbが摺動条件に優れる理由と
して選ばれるが、実用的には耐摩耗性と強度を満
たすものとして25〜35重量％の範囲で選択される
ことが望ましい。又焼結合金にはこれら炭化物の
他に重量％にてC1.0〜4.0％、Cr6〜18％、W2〜
10％、残実質的にCoの成分組成であることが望
ましい。Cr、Ｗについては基地組織の強化と共
にCo−Cr−Ｗ−Ｃの微細な炭化物を上記した
（Ｗ、Cr、Ti、Nb）炭化物間に介在させること
によつてより耐摩耗性の向上が画られるものであ
るが、Cr6％未満、W2％未満ではその効果が少
なく、Cr18％、W10％を超えた場合に基地が脆
化するそれぞれCr6〜18％、W2〜10％で選択さ
れることが望ましい。又ＣについてはCo基合金
の溶融温度を下げると共に炭化物形成元素として
作用するが、C1.0％未満ではその効果がなく、
4.0％を超えた場合に炭化物量が多大となつて脆
くなるため1.0〜4.0％で選択されることが好まし
い。 次に本発明における中間部材であるFe系焼結
合金は液相焼結されることによつてタペツト本体
である鋳鉄又は鋼に拡散結合すると同時に、摺動
部材であるCo基焼結合金とも一体的に焼結され
るものであるが、さらに焼結以前及び焼結以後も
摺動部材であるCo基焼結合金を支承する効果を
も有する。即ち上記した如きCo基焼結合金は原
料が極めて高価であるため非実用的なものである
が、これを肉盛、あるいは溶射しようとした場合
には肉盛にも多量の材料を要し、溶射は剥離し易
い欠点があり実現不可能なものである。これに対
して本発明では摺動部材を構成するCo基焼結合
金と、それを支承するFe基焼結合金とを焼結す
る以前に粉末を積層した複合圧粉体より焼結する
ことによつてCo基焼結合金量を著しく低減する
ことが可能となる。即ち第２図イ〜ニに示す粉末
圧粉体が形成されることによる。 第２図イは、ダイＤを上げてFe基焼結合金の
粉末Ｆを充填したところを示し従来と変わらない
が、第２図ロに示すようにダイＤを止めたまま上
パンチＵにより粉末Ｆの上方部のみを圧粉し、次
いでダイＤを圧粉された高さまでおろし、Co基
焼結合金の粉末ＣのフイーダＡをセツトし、次い
でダイＤを上げ粉末Ｃを充填する。（第２図ハの
状態）従つて粉末Ｃは高さ方向がうすくとも均一
な厚さで充填されることとなる。後の工程は従来
と同じく第２図ニに示す如く上パンチＵを下げる
と同時にダイＤを下げ、上下パンチＵ，Ｌから同
量圧粉した後にダイＤを下げて圧粉体をとり出
す。 このようにして成形された圧粉体は粉末Ｃと粉
末Ｆとが強く圧接されるために相対的に粉末Ｆ厚
さを大きくとることで粉末Ｃ厚さが薄くとも圧粉
体が取り出し時のスプリングバツグ力や後工程で
の取扱いに際して破損することがない。 この圧粉体は別に用意されたタペツト本体と組
付けられてFe基焼結合金が液相を生ずる温度に
て焼結される。この液相焼結によつてFe基焼結
合金に存在する空孔は量が減少せられ高密度の焼
結合金が得られると共に、液相発生と同時に焼結
合金中の元素のタペツト本体への拡散が進行し、
タペツト本体とFe基焼結合金は治金学的な拡散
結合が達成される。それと同時にFe基焼結合金
より液相発生温度の低いCo基焼結合金ではFe基
焼結合金への治金学的拡散結合が達成されてお
り、焼結完了後はこれら３つの部材が治金学的に
完全に結合される。 かかるFe基焼結合金は焼結完了後もCo基焼結
合金を支承する必要があるため強度及び剛性に優
れなくてはならない。そのため重量％にてC1.5〜
4.0％、（Ｐ、Ｂ、Si）のうち一種又は二種以上を
0.2〜5.0％、Cu1.0〜5.0％を含む合金であること
が望ましい。Ｐ、Ｂ、Siは少量で液相温度を低下
させるために添加されるが0.2％末満では効果が
なく、5.0％を超えた場合に基地の脆化が著しい
ため0.2〜5.0％で選択される。Ｃは基地組織の調
整及び液相発生温度低化のため添加されるが、
1.5％末満では基地のフユライト量が多く剛性が
低くなり、4.0％超ではセメントタイトが過大と
なつて脆化するため1.5〜4.0％で選択される。又
Cuは基地の強化のため添加されるが、1.0％末満
では効果がなく、5.0％超では脆化が著しい。 さらに本発明における摺動部材であるCo基焼
結合金についてはその厚さが0.1〜1.0mmの範囲で
あることが好ましい。その理由として通常の機関
では面圧圧力を受けてかつすべり接触するタペツ
トでは表面の0.1〜0.6mm付近に最も応力が集中
し、この部分の強度が低いとピツチング発生の原
因となるものであるが、本発明においてはCo基
焼結合金とFe基焼結合金とが治金学的に拡散結
合しているため、この結合部が最も強度に優れた
層となる。即ちCo基焼結合金中の炭化物粒子が
存在せず、かつFe基焼結合金中にCo、Cr、Ｗ等
が拡散してなる結合層はFe基焼結合金以上の基
地強度が達成される。従つてCo基焼結合金の厚
さは摺動面表面より0.1〜1.0mmの範囲で選択する
ことにより耐ピツチング性の効果をより向上しう
る。尚かかる薄い焼結合金層を得ようとした場合
に、みかけ上の粉末量を増すためCo基焼結合金
粉末に気化性の粉末又は液体を混ぜてFe基焼結
合金粉末上へ充填するか、又は塗布するかによつ
て２層の圧粉体を形成することも場合によつてな
される。又ピツチングに対して特別苛酷でない通
常の機関にあつてはCo基焼結合金は0.5〜1.5mm程
度の比較的に肉厚の厚いものであつても充分に耐
えうる。 又焼結炉中での位置ずれ等を防止するために第
３図に示す如くFe基焼結合金４にフランジ部４
１を設けたり、タペツト本体に焼結合金の掛止突
起又は溝を設けることも可能である。 以上記した如く本発明タペツトは耐スカツフイ
ング性及び耐ピツチング性に優れるのみならず、
製造も容易なものであるが、以下の如く製造した
タペツトの試験結果を示す。 Co基焼結合金として、WC粉、CrC粉及びCo−
Ｃ−Ｗ合金粉末とＣ粉を混合し、Fe基焼結合金
として、Fe−Ｐ−Ｃ粉とＣ粉、Cu紛を混合しそ
れぞれ２層に充填後6t／cm²でプレス成形し、
SCM種の鋼によるタペツト本体と組合せ環元性
雰囲気中で1240℃にて焼結した後、焼入焼戻を行
い最終寸法加工し、次のタペツトを得た。 （Co基焼結合金）−摺動部材 成分重量％、WC8.1％、CrC20.3％、 Cr12.2％、W5.5％、C3.0％、残残Co 肉厚0.26mm、表面硬度HV650 密度8.2ｇ （Fe基焼結合金）−中間部材 成分重量％、C3.4％、P0.6％、Si1.1％、 Cu3.2％、残Fe 肉厚2.6mm、中間部硬度HV200 密度7.5ｇ （寸法） 摺動部外径Ｏ／30、重量150ｇ （試験装置） 上記タペツトをカムシヤフトと組付け、回転数
を電動機直結の変速機にて変え、荷重をタペツト
に加えるバネ力で変える。 （比較タペツト） 成分重量％、C2.8％、Si0.67％、P0.45％、 Ni1.1％、Cr12.8％、Mo1.2％、残Feの液 相焼結合金複合タペツト 表面硬度HV600 密度7.5ｇ （相手材カムシヤフト） 成分重量％、TC3.2％、Si2.2％、Mn0.8％、 Ni0.3％、Cr1.2％、Mo0.4％、残Feの鋳鉄に焼
入れし表面硬度HR C54 （試験１ スカツフイング試験） 回転数を2000rpmとし荷重を５分毎に10Kgづつ
上げてスカツフイング発生荷重とする。 （試験２、ピツチング試験） 回転数を1000rpmとし荷重を25Kgづつ上げて
10⁷サイクルでピツチング限界荷重とする。

【表】 この実験結果によつても明らかな如く本発明タ
ペツトは耐ピツチング性と耐スカツフイングの双
方に同時に優れるものであり高負荷高速の機関で
あり、かつ潤滑条件の劣る苛酷な機関にも充分に
耐えうるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図；本発明タペツト実施例断面図。第２
図；本発明タペツトの製造を示す断面図。第３
図；本発明の他の実施例断面図。 符号の説明、１：タペツト本体、２：カム当接
部、３：摺動部材、４：中間部材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 鋳鉄又は鋼によるタペツト本体１のカムとの
   摺接部に異種材料によるカム当接部２を配してな
   るタペツトにおいて、 前記カム当接部の表面に、炭化物を重量％にし
   て15〜40％含むCo基焼結合金による摺動部材３
   を配し、該摺動部材３と前記タペツト本体１間に
   液相焼結されたFe基焼結合金による中間部材４
   を配したことを特徴とするタペツト。 ２ 前記摺動部材３が、（Ｗ、Cr、Ti、Nb）炭
   化物のうち一種又は二種以上を合計で20〜35重量
   ％含むCo基焼結合金であり、かつ厚さが0.1〜1.0
   mmであることを特徴とする前記特許請求の範囲第
   １項記載のタペツト。 ３ 前記摺動部材３が、（Ｗ、Cr、Ti、Nb）炭
   化物のうち一種又は二種以上を合計で20〜30％、
   C1.0〜4.0％、Cr6〜18％、W2〜10％、残実質的
   にCoによりなることを特徴とする前記特許請求
   の範囲第１項記載のタペツト。 ４ 前記中間部材４が重量％にて、C1.0〜4.0％、
   （Ｐ、Ｂ、Si）のうち一種又は二種以上を0.2〜5.0
   ％、Cu1.0〜5.0％、残実質的にFeよりなることを
   特徴とする前記特許請求の範囲第１項記載のタペ
   ツト。 ５ 前記摺動部材３と中間部材４とがそれぞれの
   粉末を積層した複合圧粉体より焼結されてなるこ
   とを特徴とする前記特許請求の範囲第１項記載の
   タペツト。 ６ 前記タペツト本体１と中間部材４とが中間部
   材４中の元素の拡散により治金学的に結合されて
   なることを特徴とする前記特許請求の範囲第１項
   記載のタペツト。