WO1996020333A1 - Piece coulissante et son procede de fabrication - Google Patents

Description

明 糸田 害 摺動部品およびその製造方法 技術分野 本発明は自動車エンジンの動弁糸部品、 カムフォ ロ ウ一やロ ッカーアーム等の 摺動部材、 特に金属母材とセラミ ックス摺動部材を接合した構造よ りなり、 タぺ ッ トに用いた場合にその効用を奏する摺動部品およびその製造方法に閱するもの である。 背景技術 従来よ り摺動部品は摺動面の耐摩耗性が良いことゃ摺動抵抗が小さいという観 点から選択され、 摺動部品と しては特性の優れた単一材を利用したり、 又はそれ を用いた接合体を作製することで実用化されてきた。

近年、 優れた摺動特性を有するセラ ミ ッ クスが注目され、 特に条件が厳しい摺 動部にセラ ミ ッ クスが位置するよう金属材料と接合された実用例が見られる。 例えばエンジンの高出力化ゃ排ガス規制対応にあるようにエンジン用タペッ ト においてカム摺動部に摺動特性の優れた窒化珪素セラ ミ ッ クスを接合したものが ある。

一方、 このような摺動部品においては、 セラミ ッ クスを用いた部分以外の摺動 部、 も し く は部品全体にも摺動特性が要求される場合もあ り、 金属材料の摺動特 性を向上させるため硬化処理が施される。

そのため先の特開平 2 — 5 5 8 0 9 号公報ゃ特開平 2 — 1 9 0 7 3号公報、 特開平 4一 2 6 7 2号公報では、 セラ ミ ッ クスとの金属の加熱接合時の加熱と冷 却を利用 して金属部分の硬化処理を行っている。

しかしながら、 上記加熱接合を利用 した硬化処理では、 通常鋼の硬化処理に用 いられる加熱硬化処理とは加熱温度が異なり、 摺動特性に必要な硬度を得られな い場合もあり、 さ らには冷却方法が特殊であり、 またそれに適した金属材料が限 定されるため、 コス 卜が高くなるといった問題があった。

本発明はかかる従来の事情に鑑み、 よ り実用性を高めた摺動部品およびその製 造法を提供することを目的とする。 発明の開示 上記目的を達成するため、 本発明が提供する摺動部品および製造法は、 本体が 鋼製であり、 その摺動面の内、 少なく とも 1 ケ所の摺動面を形成する部材が上記 本体に加熱接合されている摺動部品であって、 鋼製の本体は接合前に加熱硬化処 理が施されたものであることを特徴とする摺動部品並びに接合時の鋼製本体の温 度がその鍋の加熱硬化処理温度よ り低温であることを特徴とする摺動部品の製造 方法である。

本発明の摺動部品の構成要素は、 加熱接合前に加熱硬化処理した網製の摺動部 品本体、 1 ケ所またはそれ以上の摺動面であり， 当該摺動面の少なく とも 1 ケ所 は加熱接合によ り本体に取り付けられている。

接合前の摺動部品本体は、 加熱硬化処理によ り表面が硬化され、 また、 接合時 の辆部分の温度は、 鋼の加熱硬化処理温度よ り低温であるため、 接合された鋼の 硬度は加熱硬化処理時の硬度をほぼ維持している。 従って本発明の摺動部品の摺 動特性は、 上記の加熱接合時に硬化処理を行う従来材料と比較し、 大幅に向上し ている。

接合後の銅 *体の硬度は、 H _{R C}スケールで 4 5以上である。 ！^ ^が ら未満で は摩耗が大き く なリ耐久性がなく、 充分な揩動特性が得られない。 接合前の網本 体の硬度は、 加熱接合に伴う若干の硬度低下を伴う ことから、 H _{R C}スケールで 5 0以上が望ま しい。

摺動部品本体の材質は鋼であ り、 加熱硬化処理によ り H _{R C}で 5 0以上を示せば, 種類は特には問われないが、 強度、 材料や加工のコス ト面から機械構造用網と し て広く用いられている炭素鋼や N i ， C r , M o を合金元素と して添加されてい る合金網などが好ま しい。 鋼本体と摺動面を構成する部材の接合面積は、 両者の界面面積の 5 0 %以上で あることが望ま しい。 それ以下の面積では接合部分の破壊荷重に比べ接合部分に 加わる荷重が大き く なり、 摺動面の部材が剥離する可能性が高く なる。

摺動部品本体に加熱接合され摺動面を形成する部材は、 好ま しく は窒化珪素系 セラ ミ ックスからなり、 その室温での強度、 シャルビー衝撃値がそれぞれ 1 3 0 k g Zmm¹以上、 1 5 k J /m¹以上である。

この場合セラミ ッ クスの強度を 1 3 0 k g Zmm'以上とすることによ り、 加 熱接合時の網とセラ ミ ッ クスの熱膨張係数の差からセラ ミ ッ クス内部に発生する 引っ張りの熱応力に耐え、 割れの発生を容易に防ぐことができる。

また、 実際の使用状態を考えると例えば図 2に示すようにエンジン用バルブの 駆動糸において金属製カムから衝撃荷重が作用する場合があり、 その際のセラミ ックスの破損を防止するにはシャルピー衝 *値を 1 5 k J /m²以上とするのが 望ま しい。

また接合時の鋼の温度は、 接合時の加熱による鋼の焼き戻し軟化を抑制するた め、 網の加熱硬化処理温度よ りできるだけ低いことが好ま しい。 例えば亜共折網 ならば加熱時オーステナイ 卜相のみとなる A C 3 または A C 1変態点以上 3 0 - 5 0 である 8 0 0 程度が加熱硬化処理時の適当な加熱温度とされるので、 接 合時の解部分の温度が 8 0 0てよ りできるだけ低温であることが好ま しい。 接合 方法と しては接合温度が上記条件を満た していれば良く、 ロウ付けや拡散接合な ど公知の方法を利用できる。

加熱接合される部材がセラミ ックスの場合には、 ロ ウ付けによる接合を行うが, ロ ウ材は、 接合温度が網の加熱硬化処理温度よ り低温であるロウ材を用いること が好ま しい。 例えば A 1 合金ロ ウを用いれば接合温度が 5 8 0 程度であり、 加 熱硬化処理温度よ り非常に低温の接合が可能となる。

また、 A g— T i , A g— C u — T i 等の接合温度が鋼の加熱硬化処理温度よ リ髙温のロウ材を用いる場合は、 ロ ウ材部分の温度よ り網部分の温度を低温化さ せ、 鋼部分の温度を加熱硬化処理温度よ り低温に した状態で接合を行う ことが好 ま しい。

具体的には高周波加熱やマイク ロ波加熱、 レーザー加熱等によ り ロ ウ材部分の みを加熱する方法ゃ通電加熱や放 «プラズマ加熱等によ りセラ ミ ックス部分を高 温に鋼部分を低温に した傾斜温度で加熱する方法が好ま しい。 また、 ロ ウ付け雰 囲気は非酸化雰囲気 （真空、 A r， Ν ₂ , Η ₂等） が望ま しい。 図面の簡単な説明 図 1 は、 本発明を適用したタペッ トの説明図である。

図 2 は、 タぺッ 卜の使用状態の説明図である。

図 3 は、 摺動部材を鋼製本体に接合する方法の説明図である。 符号の説明

1 招動面

2 摺動面

3 タペッ ト本体

4 カム

5 ブッ シュロ ッ ド部品

Α 摺動部材

6 発熱用カーボン型

7 窒化珪素

8 ロー材

9 網本体

1 0 熱電対

1 1 熱電対 発明を実施するための最良の形態 以下、 実施例によって本発明を具体的に説明する。

実施例 1 図 1 に本発明に基づく摺動部品の例と して作製したタぺッ ト を示す。 本タぺッ トは図 2 に示 実際の使用状態からもわかるように摺動面 1 およびブッ シュロ ッ ド当たり面 2の摺動条件が特に厳しく、 本発明に基づき窒化珪素製摺動部材 Aを 摺動面 1 を形成するためにロウ付けによ り接合し、 プッ シュロ ッ ド当たり面 2部 分の fflは加熱硬化処理時の硬度をほぼ保っている。 なお、 図 2 中 4 はカム、 5 は ブッ シュロ ッ ド部品を示す。 窒化珪素製摺動部材 Aは以下に示すように作製した, 市販の窒化珪素粉末に焼結助剤と して 5重量％の Y ₂ O _s、 2重量％の A 1 ₂0₃ を加え、 エタ ノ ール中でボールミルによる混合を 4 8時間行った。 乾燥後、 得ら れた混合粉末をブレス、 C I Pを行った後、 2気圧の窒素ガス雰囲気中で 1 6 5 0て、 1 時間の H I P処理を行った。

得られた焼結体よ り直径 3 0 m m、 厚さ 1 m mの素材を切り出し、 摺動面とな る平面部を平面度 1 0 _tf m、 表面粗さ 0 . 3 μ πι以下 （十点平均粗さ） に加工し た。 得られた焼結体の機械的特性を表 1 に示す。 表 1

タベッ ト本体 3 は機械合金解クロム網 S C r 4 4 0 ( J I S G 4 1 0 4 ) を 用い、 加工後、 8 5 0てに加熱後、 油中で加熱硬化処理を施した。 その後摺動部 材 Aとタペッ ト本体 3 を厚み 1 Ο Ο μ πιのアルミ合金ロウ材 （ J I S - B A 4 1 4 5 ) を介して、 通常の抵抗加熱炉を用い真空中で 5 7 0 、 3 0分保持する方 法でロ ウ付けを行った。

比較例と して加熱硬化処理を施さない S C r 4 4 0 を本体 3 と して用い、 上記 と同様な方法で摺動部材 Aと接合を行った。

以上作製した接合タべッ トは摺動面 2の硬度を測定した後、 市販の O H V方式 のディ ーゼルエンジンに組み込み、 劣化オイルを用いて機関回転数 1 0 0 0 r p mにて 2 0 0 0時間耐久試黢を行い、 摺動面 2の摩耗量を測定した。

接合前後の摺動面 2の硬度および、 摩耗量の結果を表 2 に示す。 但し摩耗の判 定は摩耗量が 1 0 w m未満の場合は r摩耗無」 、 l O m以上の場合は 「摩耗有 り」 と した。

表 2に示すように、 加熱硬化処理を施した実施例である No. 1 No. 3 は接合 前後の硬度劣化が少なく、 また加熱硬化処理を施していない比較例である No.4 No. 6 よ り硬度および耐摩耗性が優れている。

No. 1 と同様に、 No. 2 , 3 に示すような加熱硬化網材及びロウ材を ¾び、 各 接合温度で真空中でロ ウ付けを行い、 評価を行った。 また比較例と して、 加熱硬 化処理を施さない網材を用い、 No. 5 , 6 を実施した。 各例とも実施例の方が、 硬度および酎摩耗性が優れている。 表 2

(注） *は比蛟例を示す 実施例 2

実施例 1 と同様な窒化珪素を摺動部材 Aに用い、 タペッ ト本体 3は、 機械合金 網クロム鋼 S C r 4 2 0 ( J I S G 4 1 0 4 ) を用い、 加工後 8 0 0 に加熱 後、 油中で加熱硬化処理を施した。 その後摺動部材 Aとタペッ ト本体 3 を厚み 1 O O ii mのアルミ合金ロ ウ材 （ J I S— B A 4 1 4 5 ) を介して図 3に示すよう に、 接合面は発熱用カーボン型 6の内部に位置し、 摺動面 2の部分が発熱用カー ボン製の外部に露出するようにセッ 卜 した。 このカーボン製の型 6を機械的な加 圧とパルス状の電流による急速加熱が可能な炉内に設置し、 真空度を 1 O ' t o r rの状想で、 O N— O F Fの割合が、 1 2 : 2のパルス鼋流を 5 0 0 0人印加 し、 放電プラズマ法によ り熱電対 1 0の接合面の温度を 6 2 0てまで 3分間で昇 温後、 5分間保持し、 5分間で室温まで冷却し、 ロー付けを実施した。 No. 7そ の時の熱鼋対 1 1 の摺動面部の温度は最高 5 5 0てまで上昇した。

No. 1 0 と して No. 7 と同様な材料を、 通常の抵抗加熱炉に配置し、 6 2 0 まで加熱しロ ー付けを実施した。 この場合は接合部、 摺動面 2は共に 6 2 0 'Cま で加熱された。

以上作製した接合タぺッ トの摺動面 2の接合前後の硬度を評価したところ、 実 施例である No.7の場合、 接合前後で H R Cが 6 0— 5 5 まで しか低下しなかつ たが、 比較例である No. 1 1 の場合 6 0— 4 8 まで低下し、 また No. 7の方が良 好な摺動特性を示した。

No.7 と同様に、 No. 8、 No.9、 N o . 1 0に示すような加熱硬化処理鋼材及 びロ ウ材を選び、 通電加熱、 高周波又はレーザーによ り接合面のみを加熱し、 口 ゥ付けを行った。 その時の摺動面の温度は接合面の温度よ り 1 0 0 前後低かつ た。 また比較例と して、 通常の抵抗加熱によるロー付けを No. 1 1 , No. 1 2 と して実施した。 表 3に示すように各例とも実施例の方が、 硬度が高く、 摺動部品 と して良好な摺動特性を示している。 表 3

(注） *は比較例を示す 実施例 3

下記表 4 の特性を示す窒化珪素摺動部品 Aを実施例、 比較例ともそれぞれ 1 0 ケずつ作製し、 各々 S C r 4 4 0 と実施例 1 と同様な手法によ り ロウ付け接合を 行った。 .

実施例の窒化珪素を使用した場合は、 1 0ケとも総て良好な接合体が得られた が、 比較例の窒化珪素を使用した場合、 加熱接合時の飼とセラミ ッ クスの熱膨張 係数の差からセラ ミ ックス内部に発生する引っ張りの熱応力に耐えられず、 1 0 ケの接合体の内 5ケの窒化珪素部に割れが発生した。 作製した接合タぺッ 卜の内, 窒化珪素の割れが発生しなかった物 （実施例 ： 1 0ケ、 比較例 ： 5ケ） の接合界 面構造を、 透過 X線により調べたところ、 実施例の接合体の接合面積は接合界面 面積の 7 5 〜 1 0 0 °/₀であった。 一方比較例は、 3 0 ~ 4 8 %であった。

次にこれらの接合タペッ ト （実施例 ： 1 0ケ、 比較例 ： 5 ) を、 市販の O H V 方式のディ ーゼルエンジンに組み込み、 劣化オイルを用いて機関回転数 1 0 0 0 r p mにて 2 0 0 0時間耐久試験を行った。 その結果、 実施例の場合の接合体は 1 0ケとも総て良好であつたが、 比較例の場合は、 5ケの接合体の内、 2ケの窒 化珪素部が金属製カムからの衝撃荷重によ り破壊し、 残り 3 ケも窒化珪素が綱本 体から剥離した。 表 4

産業上の利用可能性 以上説明したように、 この発明は接合摺動部品において、 鋼製本体に接合前に 加熱硬化処理を行った網を用いるという簡単な構成によ り、 摺動特性を格段に改 善させる効果がある。 したがって、 自動車エンジンの動弁系部品、 カムフォ ロワ —やロ ッカーアーム等の摺動部材およびそれ等の製造方法と して適している。

Claims

I . 本体が網製であり、 その摺動面の内、 少なく とも 1 箇所の摺動面を形成する 部材が、 上記本体に加熱接合されている摺 fli! (部品であって、 網製の本体は加熱 接合前に加熱硬化処理されたものであること を特徴とする摺動部品。

2 . 加熱接合前の辆製本体の硬度が H _{R C}で 5 0以上に加熱硬化されている請求の 範西第 1 項記載の摺動部品。

3 . 加熟接合後の網製本体の硬度が H _{R C}で 4 5以上に硬化されている請求の範 ffl 第 1 又は 2項に記截の摺動部品。

4 . 接合面稜が摺動面を形成する部材と鋼ひ本休との界面の而稜の 5 0 %以上であ る請求の範 ffl第 1 , 2 又は 3項記黻の摺動部品。

5 . 本休に加熱接合され ffil動.而を形成する郜材が窒化珪素系セラ ミ ックスからな り、 その室温での強度およびシャルビ—衝 IS値が、 それぞれ 1 3 0 k g / m m '以上、 1 5 k J Z m m '以上である！！求の範 ffl第 1 ないし 4項の何れかに 記戰の摺動部品。

6 . 摺！ ¾面を形成する部材と綱本休が Λ 1 または A 1 合金ロ ウ材によ り接合して いる請求の範 EB第 1 ないし 5項の何れかに記救の摺動部品。

7 . 加熱硬化処理した鋼製の摺動部品木休と擂動而を形成する邡材との加熱接合 を、 鋼製本休を加熱硬化処理した温度よ り低温で行う こと を特徴とする請求の 範 ffl第 1 項記救の摺動部品の製造方法。

8 . 加熱接合時の抆合 β|5の温度が綱製木休の温 Kよ り if5温である *1求の範 ffl 7 項記載の摺動部品の製造方法。

. 摺動而を形成する部材と鋼本休を A 1 または A 1 合金で口 一付け接合する請 求の範西第 7 または 8項 2載の摺 ffi!l部品の製造方法。

1 0 . 加熱に放 ¾プラズマ加熱法を爪いる ¾求の範 03第 7ないし 9项の何れかに 記截の摺動部品の製造方法。

I I . 加熱に通 ¾加熱法を用いる請求の範 M第 7 ないし 9項の何れかに記載の摺 動部品の製造方法。 2 . 加熱に高周彼加熱法を用いる請求の範囲第 7ないし 9項の何れかに記載の 摺動部品の製造方法。

3 . 加熱に レーザ—加熱法を用いる IS求の範西第 7ないし 9項の何れかに記躯 の摺動部品の製造方法。