JP2006300053A - バルブリフタ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐磨耗性および耐ピッチング性に優れた摺動面を有するバルブリフタを提供する。
【解決手段】バルブリフタ２０は、動弁カム１３が摺動する摺動面２１ａ１が形成された天井部２１ａを有する。摺動面２１ａ１は、最大凹み量ｄが２０μｍ≦ｄ＜０μｍの凹曲面Ｃ１、最大突出量ｈが０μｍ＜ｈ≦１０μｍの凸曲面Ｃ３、または天井部２１ａの中心軸線Ｌに直交する平面Ｃ２からなる。摺動面２１ａ１の表面硬度は５００〜７５０Ｈｍｖである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、カムが摺動する摺動面が形成されたバルブリフタと、その製造方法に関し、該バルブリフタは、例えば内燃機関の動弁装置に備えられる。

内燃機関の動弁装置におけるバルブリフタとカムとの摺動面は、過酷な摺動条件下に晒されることから、該摺動面におけるカム摺動性向上のための対策は常に研究されてきたところであり、とりわけ、摺動面における潤滑性向上のための効果的な対策が求められてきた。このような中で、摺動面における潤滑性の改良に視点をおいたカム摺動性の向上対策として、例えば、バルブリフタ上面にカムとの摺動面を形成するシムを配設し、該シムの上面が凹状部として形成され、バルブリフタの中心から偏心した個所にて直線状の断面を有するカム面を持つカムをシムに摺接させて、これにより、シムの回転を速めて、潤滑油の油膜形成能力を向上させる対策を講じたバルブリフタが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−１９５７２３号公報（第３頁−第４頁、図１）

前記特許文献１に記載されたバルブリフタは、図７に図示されるように、該バルブリフタ０１の上面０２に、カムとの摺動面０５を有する円盤状のシム０４を備えており、該シム０４は、バルブリフタ上面０２に対して回転可能に遊嵌され、シム０４はバルブリフタ上面０２外周周縁に設けられた環状の突出壁０３により該リフタ０１からの脱落が防止されるように保持されている。円盤状シム０４の上面は凹状に彎曲した摺動面０５とされ、該摺動面０５に摺動接触するカム０６は、そのカム面０７が直線状の断面とされ、しかも該カム０６はシム０４とリフタ０１の中心軸線０Ｘ−０Ｘに対してその軸方向で偏心（０Ｙ−０Ｙ線参照）して設けられている。

したがって、カム０６は、シム０４の中心位置、すなわち実質的に凹状彎曲する摺動面０５の最も凹んだ位置から、外側に外れた位置で摺接するが、さらにカム０６は直線状の断面からなるカム面０７を備えるから、摺動面０５の外周寄りの位置０８において摺接することになり、これにより、カム０６の回転に伴うシム０４の回転を速めて、カム面０７とシム０４との摺接部である摺動面０５に引き込まれる潤滑油の速度を増大させて、該潤滑油による油膜形成能力を向上されるようにしている。

しかしながら、バルブリフタの上面に上述したシムを配設することは、バルブリフタの重量増加を招き、また、バルブリフタの重量増加はバルブリフタの慣性質量を増大させるので、高速運転時におけるバルブ開閉における追従性を悪化させることになる。さらに、特殊な形状のシムをバルブリフタ本体とは別体に形成するから、構造の複雑化を来たし、また、バルブリフタの製造のための工数を増加させ、その分製造コストの上昇を来たすことになる。

上述したように凹状摺動面は、摺動面の潤滑油確保も容易にするが、一方、外周寄りのカムとの接触部での面圧が上がるために、内燃機関の始動時などで摺動面に油膜を形成するための潤滑油量が少ない運転状態があることを考慮して、摺動面の耐磨耗性対策を講じる必要がある。その一方、摺動面における表面硬度を大きくすると、耐磨耗性は高まるものの、脆性も同時に大きくなってしまうために耐ピッチング性が低下する。また、摺動面が凸曲面から構成されて、その突出量を大きくすると、カムからの押圧により摺動面に高い面圧が発生するため耐ピッチング性が低下してしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、請求項１〜９記載の発明は、耐磨耗性および耐ピッチング性に優れた摺動面を有するバルブリフタを提供することを目的とする。そして、請求項６〜９記載の発明は、摺動面が凹曲面からなるバルブリフタの製造工程および製造コストの低減が可能な製造方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、カムが摺動する摺動面が形成された天井部を有するバルブリフタにおいて、前記摺動面は、最大凹み量ｄが２０μｍ≦ｄ＜０μｍの凹曲面、最大突出量ｈが０μｍ＜ｈ≦１０μｍの凸曲面、または前記天井部の中心軸線に直交する平面からなり、前記摺動面の表面硬度は５００〜７５０Ｈｍｖであるバルブリフタである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のバルブリフタにおいて、前記摺動面は、最大突出量ｈが０μｍ＜ｈ≦１０μｍの凸曲面または平面からなり、表面硬度は６５０〜７５０Ｈｍｖであり、表面硬度の上限値は、前記摺動面が平面であるときの７５０Ｈｍｖから最大突出量ｈが１０μｍのときの６５０Ｈｍｖまで、増加する最大突出量ｈに比例して減少するものである。
請求項３記載の発明は、請求項１記載のバルブリフタにおいて、前記摺動面は最大凹み量ｄが０μｍ＜ｄ≦２０μｍの凹曲面からなり、表面硬度が７５０Ｈｍｖ以下であるものである。
請求項４記載の発明は、請求項１記載のバルブリフタにおいて、前記凹曲面からなる前記摺動面は、前記天井部の鉛直方向での上面により構成されるものである。
請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項記載のバルブリフタにおいて、前記天井部はチタン合金により形成されるものである。
請求項６記載の発明は、請求項３記載のバルブリフタの製造方法であって、前記天井部の素材を、前記摺動面となる摺動面形成面が鉛直方向で上方を向くように設置した後、前記素材に熱処理を施し、前記熱処理中に前記素材の自重により前記摺動面形成面を凹曲面に形成するバルブリフタの製造方法である。
請求項７記載の発明は、請求項６記載のバルブリフタの製造方法において、前記素材は、前記天井部の下面となる下面形成面の中心部に、内燃機関の機関バルブを直接またはインナーシムを介して押圧する突出部となる突出部形成部を有するものである。
請求項８記載の発明は、請求項６又は７記載のバルブリフタの製造方法において、前記熱処理を施す前の前記摺動面形成面を凸状に形成したものである。
請求項９記載の発明は、請求項６〜８のいずれか１項記載のバルブリフタの製造方法において、前記天井部はチタン合金により形成され、前記熱処理は素材の表面を酸化する酸化処理であるものである。

摺動面の表面硬度が５００Ｈｍｖ以上７５０Ｈｍｖ以下であるので、摺動面の磨耗が許容値内に収まり、しかも摺動面の最大凹み量が２０μｍ以下であるので、カムのエッジによる摺動面の偏磨耗の発生が抑制されるので、耐磨耗性に優れた摺動面を有するバルブリフタが得られる。また、摺動面の最大突出量が１０μｍ以下であるので、耐ピッチング性に優れた摺動面を有するバルブリフタが得られる。
請求項２記載の事項によれば、摺動面の表面硬度の上限値が増加する最大突出量に比例して減少することにより、表面硬度の上限値が高くなるほど最大突出量が小さくなるので、摺動面の表面硬度が高い領域で、摺動面の所要の耐ピッチング性を確保できる。
請求項３記載の事項によれば、表面硬度が５００Ｈｍｖ以上７５０Ｈｍｖ以下でカムのエッジによる摺動面の偏磨耗の発生が抑制されるので、表面硬度が５００Ｈｍｖ以上７５０Ｈｍｖ以下の全領域に渡って偏磨耗に対する耐磨耗性に優れた摺動面を有するバルブリフタが得られる。
請求項４記載の事項によれば、鉛直方向で上方を指向する摺動面が天井部に一体に形成されるので、摺動面に潤滑油を滞留保持させてカムとの潤滑性を向上させることができ、また、別体とされる特別の構造部品が必要でないので、バルブリフタの構造が単純化され、バルブリフタの軽量化及び製造コストの削減を図ることができる。
請求項５記載の事項によれば、天井部がチタン合金製であるから、硬質金属よりなるバルブリフタに比べて、ヤング率が低い特徴を活かしてカムのエッジ当たりを抑制して、偏磨耗を低減することができる。
チタンはスチールと比べてヤング率が低いので、カムとの摺動面の面圧が上がると弾性変形し、カムとの接触面が増加するので、荷重を広い面で受けることになり、結果として面圧の上昇が抑制され、チタン合金製リフタの凹状摺動面はリフタの回転の安定化と潤滑油の摺動面への確保を図り、また、該摺動面外周部の磨耗に対する強度が保持される。
請求項６記載の発明によれば、素材において、完成品としてのバルブリフタの天井部となる天井部形成部の熱処理中に、天井部形成部は重力の作用下でその自重により、その中央部がやや落ち込みむように下垂して自ら凹曲面を形成する。よって、摺動面は、特別な加工を施すことなく、単に天井部形成部の自重を利用して容易に形成できるので、その製造工数と製造コストを低減することができる。
請求項７記載の事項によれば、天井部に形成されて機関バルブを押圧する突出部を利用して、突出部形成部により素材の中心位置が最も重くなることから、摺動面の凹曲面の中心位置を天井部の中心位置に略一致させることができ、成形精度が向上する。さらに、突出部形成部の形状を変えることで、摺動面の凹曲面の形状を変化させて、形状の調整を図ることができる。また、運転時の摺動面の剛性を調整することができる。
請求項８記載の事項によれば、前記熱処理を施す前の摺動面形成面を凸状に形成することで、凸状の突出量を調整することにより、熱処理を施した後の摺動面形成面の凹曲面の最大凹み量を調整することができる。
請求項９記載の事項によれば、チタン合金からなる素材の、高温下での酸化処理中に、天井部形成部の自重を利用することにより、摺動面形成面を凹曲面に形成することができることから、該凹曲面を形成するための単独の工程を別途設ける必要がなく、製造工数および製造コストの低減に寄与する。

以下、本発明の実施形態を図１，図２を参照して説明する。
図１を参照すると、本発明が適用されたバルブリフタ２０は、機械としての内燃機関の動弁装置に備えられる。動弁装置は、内燃機関のクランク軸により回転駆動されるカム軸に設けられた動弁カム１３と、該動弁カム１３により押圧駆動されるバルブリフタ２０とを備える。動弁カム１３は、バルブリフタ２０を介してバルブとしての機関バルブである吸気バルブまたは排気バルブを開弁駆動する。
上端が閉鎖された円筒状の筒状部材であるバルブリフタ２０は、内燃機関のシリンダヘッドに摺動可能に案内される円筒状の筒状部２２と、該筒状部２２の上端を閉鎖する天井部２１とを備え、筒状部２２および天井部２１がチタン合金により一体成形された部材である。天井部２１の上面２１ａは、動弁カム１３が摺動する摺動面２１ａ１を構成することから、該摺動面２１ａ１はバルブリフタ２０に一体に形成される。
なお、明細書または特許請求の範囲において、バルブリフタ２０に関する上下方向は、特に断らない限り、図１に示されるバルブリフタ２０の位置での上下方向、すなわちバルブリフタ２０の中心軸線Ｌに平行な方向であるとする。

図２を併せて参照すると、摺動面２１ａ１に耐磨耗性および耐ピッチング性を付与するために、摺動面２１ａ１は、最大凹み量ｄが０μｍ＜ｄ≦２０μｍの凹曲面Ｃ１、最大突出量ｈが０μｍ＜ｈ≦１０μｍの凸曲面Ｃ３、またはバルブリフタ２０の中心軸線Ｌでもある天井部２１の中心軸線に直交する平面Ｃ２からなり、摺動面２１ａ１の表面硬度は、マイクロビッカース硬度で５００〜７５０Ｈｍｖである。ここで、凹曲面Ｃ１および凸曲面Ｃ３は、ほぼ球面から構成される。
表面硬度が５００Ｈｍｖ未満では摺動面２１ａ１の磨耗が許容値を越えて大きくなり、表面硬度を表面処理により７５０Ｈｍｖを越える硬度に上げると、天井部２１や筒状部２２に変形が発生することがある。
また、摺動面２１ａ１の最大凹み量ｄが２０μｍを越えて大きくなると、動弁カム１３のエッジ１３ａによる偏磨耗が発生し、摺動面２１ａ１の最大突出量ｈが１０μｍを越えて大きくなると、耐ピッチング性が許容値を越えて低下する。
そして、摺動面２１ａ１が凸曲面Ｃ３により構成される場合の耐ピッチング性に関して、最大突出量ｈが本発明の範囲から外れているために耐ピッチング性が本発明に比べて劣る比較例１〜４がプロットされた図２を参照すると、表面硬度が５００〜６５０Ｈｍｖのときは、最大突出量ｈと表面硬度のうちで、最大突出量ｈが主に耐ピッチング性を支配する要素であり、表面硬度の大きさに関わらず最大突出量ｈが１０μｍ以下であることが必要である。また、表面硬度が６５０〜７５０Ｈｍｖのときは、最大突出量ｈおよび表面硬度の両者が耐ピッチング性を支配する要素となるため、表面硬度の増加につれて最大突出量ｈを小さくする必要がある。
これに基づいて、摺動面３１ａ１が凸曲面から構成されるとき、表面硬度が５００〜６５０Ｈｍｖのとき、最大突出量ｈは０μｍ＜ｈ≦１０μｍであり、表面硬度が６５０〜７５０Ｈｍｖのとき、最大突出量ｈは、表面硬度が６５０Ｈｍｖのときの１０μｍから、表面硬度が７５０Ｈｍｖのときの０（すなわち、摺動面３１ａ１が平面から構成されるときである。）近傍まで、増加する表面硬度に比例して最大突出量ｈが小さくされる。
また、筒状部２２の外周面により構成される摺動面２２ａ１に耐摩耗性を付与するため、摺動面２２ａ１の表面硬度も５００〜７５０Ｈｍｖである。
ここで、最大凹み量ｄおよび最大突出量ｈは、それぞれ、図１（Ａ），（Ｂ）に示されるように、摺動面２１ａ１の外周部からの凹み量の最大値および突出量の最大値である。

各摺動面２１ａ１での表面硬度５００〜７５０Ｈｍｖを得るために、バルブリフタ２０の素材には、各摺動面形成面（素材において、完成品としてのバルブリフタ２０の各摺動面２１ａ１となる部分）を含む該素材の表面全体に、表面処理により硬化層が形成される。該表面処理は、チタン合金からなるバルブリフタ２０に施される高温下での酸化処理であり、硬化層は、この酸化処理により両摺動面２１ａ１，２２ａ１を含む表面全体に形成された酸素拡散層２０Ｂにより構成される。
図１（Ａ）に示されるように、摺動面２１ａ１が凹曲面Ｃ１により構成されるバルブリフタ２０においては、素材の天井部形成部（素材において、完成品としてのバルブリフタ２０の天井部２１となる部分）を、前記摺動面形成面が鉛直方向で上方を向くように設置した後、該素材に熱処理である前記酸化処理を施し、該酸化処理中に前記天井部形成部の自重により前記摺動面形成面を凹曲面Ｃ１に形成する。さらに、好ましくは、素材には、下面形成面（素材において、完成品としてのバルブリフタ２０の天井部２１の下面２１ｂとなる部分）の中心部に、内燃機関の機関バルブを直接またはインナーシムを介して押圧する突出部２１ｂ１となる突出部形成部を有する。これにより、前記天井部形成部の自重を利用して、凹曲面Ｃ１からなる摺動面２１ａ１を容易に形成でき、さらに、機関バルブを押圧する突出部２１ｂを利用することにより、前記天井部形成部の中心位置が最も重くなることから、摺動面２１ａ１の凹曲面Ｃ１の中心位置を天井部２１の中心位置に略一致させることができる。
また、前記酸化処理を施す前の前記摺動面形成面を凸曲面からなる凸状に形成することにより、凸状の突出量を調整することにより、摺動面２１ａ１の凹曲面Ｃ１の最大凹み量ｄを調整することができる。

図３〜図６を参照して本発明の実施例として、凹曲面からなる摺動面２１ａ１が形成されたバルブリフタ２０について説明する。
図３には、本発明のバルブリフタ２０が使用される動弁装置を備える、ＤＯＨＣ型内燃機関Ｅのシリンダヘッド１の周辺構造が図示されている。
シリンダヘッド１は、シリンダブロック２の上部に接続固定され、さらにシリンダブロック２はその下部において図示されないクランクケース上部に接続固定され、これら３者が互いにボルトで締め付けられることで一体化され、さらにシリンダヘッド１の上部開放部がヘッドカバー３により覆われることで内燃機関Ｅの主要部が形成される。

図示されないクランクケース内には、クランク軸が回転可能に軸受支持され、クランク軸のクランクピンにはその上方の一部のみが図示されるコンロッド４を介してピストン５が連接されており、また、シリンダブロック２にはその略中央部を上下に貫通するシリンダボア２ａが形成され、該シリンダボア２ａ内をコンロッド４連接の前記ピストン５が往復摺動可能に嵌合されている。

そして、ピストン５の受けた燃焼圧力による運動エネルギが該ピストン５からコンロッド４を介してクランク軸に該軸のクランクピンを介して伝達されて、クランク軸が回転されるようになされ、前記燃焼圧力生成のための燃焼室６は、ピストン５の上部とシリンダヘッド１の下部との間に形成される。

シリンダヘッド１には、その下部の燃焼室６や、該燃焼室６の上壁面に開口する吸・排気弁口７，８と、該吸・排気弁口７，８に通じてシリンダヘッド１内を貫通する吸・排気ポート９，１０が形成され、また吸・排気弁口７，８には、該弁口７，８を開閉するための吸・排気バルブ１１，１２が設けられ、この吸・排気バルブ１１，１２による弁口７，８の開閉作動をなすための該吸・排気バルブ１１，１２の作動機構であるカム１３，１３やカム軸１４，１４等からなる動弁装置がシリンダヘッド１上部に設けられている。

吸・排気バルブ１１，１２による吸・排気弁口７，８の開閉作動は、吸・排気バルブ１１，１２のステム１１ａ，１２ａの上端１１ｂ，１２ｂが、前記動弁装置のカム軸１４，１４のカム１３，１３によりバルブリフタ２０，２０を介して押動されることでなされ、このために吸・排気バルブ１１，１２の長いステム１１ａ，１２ａは、シリンダヘッド１の構造部の開孔１ａ，１ａに嵌合されたステムガイド筒１ｂ，１ｂ内を上方に向かって延び、その上端１１ｂ，１２ｂを該ステムガイド筒１ｂ，１ｂ内から上方に突出させて、該ガイド筒１ｂ，１ｂ内に摺動自在に嵌合されている。

ステムガイド筒１ｂ，１ｂ内から上方に突出したステム１１ａ，１２ａの上端１１ｂ，１２ｂには、二つ割りのコッタ１５，１５を介してスプリングリテーナ１６，１６が固定されており、このスプリングリテーナ１６，１６と、それと対向するようにシリンダヘッド１に支持されたバネ受部材１７，１７との間に、ステム１１ａ，１２ａの周りを囲むコイル状の弁バネ１８，１８が圧縮状態で設けられており、該コイル状の弁バネ１８，１８の作用力は吸・排気バルブ１１，１２を常時前記吸・排気弁口７，８が閉じるように閉弁方向に付勢作用する。

ステム１１ａ，１２ａの上端１１ｂ，１２ｂは、直接もしくはインナーシム１９，１９を介してバルブリフタ２０，２０を押圧している。図４を併せて参照すると、バルブリフタ２０，２０は、筒状部２２，２２と該筒状部２２，２２の一方端部開口を閉鎖する端部壁を形成する天井部２１，２１とからなる一端閉鎖の略円筒形状を呈している。

バルブリフタ２０，２０によるステム１１ａ，１２ａ上端１１ｂ，１２ｂに対する直接もしくはインナーシム１９，１９を介した前記押圧は、天井部２１，２１の下面２１ｂ，２１ｂでなされており、したがって、上端１１ｂ，１２ｂはバルブリフタ２０，２０により覆われ、天井部２１，２１の凹曲面からなると共に鉛直方向での上方を指向する上面２１ａ，２１ａは、動弁カム１３，１３が摺動するカム摺動面２１ａ１，２１ａ１とされている。

そして、筒状部２２，２２は、その外周がシリンダヘッド１の構造部に開孔されたリフタガイド孔１ｃ，１ｃ内に摺動可能に嵌合され、筒状部２２，２２の内周面２２ｂ，２２ｂ（図４参照）は、上端１１ｂ，１２ｂに固定されたスプリングリテーナ１６，１６と、該リテーナ１６，１６にその一端が支持されるコイル状弁バネ１８，１８の上方部外周を覆うようになされている。

凹状の摺動面２１ａ１，２１ａ１には、既述のように動弁カム１３，１３が摺動し、動弁カム１３，１３の回転作動とコイル状弁バネ１８，１８の働きによりバルブリフタ２０，２０は、シリンダヘッド１のリフタガイド孔１ｃ，１ｃ内でその筒状部２２，２２の外周面２２ａ，２２ａが摺動ガイドされ、天井部２１，２１の下面２１ｂ，２１ｂと上端１１ｂ，１２ｂの当接を介して吸・排気バルブ１１，１２を吸・排気弁口７，８の開閉のために往復作動させる。それゆえ、外周面２２ａ，２２ａはシリンダヘッド１に対する摺動面２２ａ１，２２ａ１とされている。

バルブリフタ２０，２０は、吸・排気バルブ１１，１２による弁口７，８の開閉のための作動において、天井部２１，２１の凹状の摺動面２１ａ１，２１ａ１で動弁カム１３，１３と接触し、またシリンダヘッド１のリフタガイド孔１ｃ，１ｃ内にてその摺動面２２ａ１，２２ａ１で筒状部２２，２２が摺動する構造とされている。

上述の吸・排気構造部の動弁装置に用いられた本実施例のバルブリフタ２０，２０について図４を参照してさらに説明する。そして、吸・排気構造部のそれぞれの動弁装置において用いられるバルブリフタ２０，２０は、その構造において差異がないから、以下の説明は原則その一方のバルブリフタ２０についてなされる。

摺動面２１ａ１が凹曲面とされたバルブリフタ２０は、既述のように、また該図４に拡大図示されるように、所定の長さを備え、所定径の真っ直ぐな筒状部２２と、該筒状部２２の一端開口を閉鎖する端部壁を形成する天井部２１とを備えた一端閉鎖の略円筒形状を呈している。
そして、バルブリフタ２０の筒状部２２は、その外径に対して長さのやや短い、しかも筒状部２２の肉厚は略一定であり、天井部２１の肉厚に比して薄めに形成されている。

バルブリフタ２０の摺動面２１ａ１は、図４に図示されるように、その横断面において中央部、すなわちバルブリフタ２０の中心軸線Ｌとの交差部が最も下方に下がり両外周部が最も高くなる凹状彎曲を描く形状を呈しており、したがって、摺動面２１ａ１は中央部が最も凹んだ凹曲面から構成される。しかしながら、摺動面２１ａ１に対して動弁カム１３の摺動が偏心した位置で開始されることが重要であるので、全体として凹曲面になっていればよく、部分的な形状にとらわれない。また、内周面２１ｂは、逆に、中心軸線Ｌと交差する中央部が最も膨らんだ凸曲面として形成され、該中央部の最も膨らんだ部分にさらに高く突出する突出部２１ｂ１が形成され、この突出部２１ｂ１は、既述の直接もしくはインナーシム１９を介したステム上端１１ｂ（もしくは１２ｂ）を押圧するための構造部とされる（図３参照）。

バルブリフタ２０は、その軽量化と強度的な要求を満たすべくチタン合金製とされ、好適には、０.３ｗｔ％≦Ｆｅ≦１.５０ｗｔ％、０.２０ｗｔ％≦Ｏ≦０.７０ｗｔ％および不可避不純物を含む残部Ｔｉであるチタン合金が用いられる。

バルブリフタ２０は、その作動において、既述のように前記天井部２１の凹状の摺動面２１ａ１で動弁カム１３と接触し、また、筒状部２２の摺動面２２ａ１でシリンダヘッド１のリフタガイド孔１ｃ内で接触するため、これらの摺動面２１ａ１，２２ａ１はとりわけ過酷な摺動摩擦の条件下に晒されることから、高い耐磨耗性と優れた摺動性が要求される。したがって、チタン合金製のバルブリフタ２０には、このために後述される高温下での酸化処理が施され、該バルブリフタ２０の表面２０Ａ（外側の表面２０Ａ１，内側の表面２０Ａ２）には酸素拡散層２０Ｂである硬化層が形成されている。

高温下での酸化処理によりバルブリフタ２０の表面２０Ａに形成される酸素拡散層２０Ｂは、適宜必要とされる表面部が表面処理されている。例えば、バルブリフタ２０の外側表面２０Ａ１の一部は摺動面２１ａ１を形成するから、精度の高い摺動性の良好な面として仕上げられるように、摺動面２１ａ１は必要に応じて適宜表面研磨処理され、また、筒状部２２の摺動面２２ａ１も、精度の高い摺動性の良好な面として仕上げられるように、摺動面２２ａ１も必要に応じて適宜表面研磨処理されている。

そして、鉛直方向で上方を向いた凹状の摺動面２１ａ１は、該凹みが潤滑油の滞留保持能力の向上に寄与するから、摺動面２１ａ１における動弁カム１３との摺動接触における潤滑油の供給と油膜形成能力を増大させており、したがって、摺動面２１ａ１における動弁カム１３の摺動性の大幅な向上が図られるとともに、摺動面２１ａ１における異常磨耗の防止が図られている。

次に、上述の構造を備え、かつその外側および内側の表面２０Ａ１，２０Ａ２において全面もしくは略全面に形成される上述の酸素拡散層２０Ｂを備えるバルブリフタ２０の製造について以下に説明する。
なお、以下の説明において、「Ｐ部形成部」または「Ｐ面形成面」（ここで、「Ｐ」は、完成品としてのバルブリフタ２０の特定の部分または部位を意味する。）とは、バルブリフタ２０の素材において、製造後に、完成品としてのバルブリフタ２０のＰ部またはＰ面となる部分を意味する。

第１工程
図５（ａ）に示すように、先ず、バルブリフタ２０の形成材として、チタン合金の棒材、例えば、０．９６ｗｔ％Ｆｅ、０．２８ｗｔ％Ｏおよび不可避不純物を含む残部Ｔｉよりなるチタン合金の丸棒が用意され、該丸棒から円盤型のビレット２０１を切出し、次いで該ビレット２０１に潤滑処理を施す。

第２工程
ビレット２０１を鍛造温度Ｔｆに加熱し、次いで、そのビレット２０１に温間鍛造を施して、図５（ｂ）に示すリフタ用一次素材２０２、例えば、外径が２６ｍｍ、高さが２１ｍｍの一次素材２０２を製作する。
この一次素材２０２は、シリンダヘッド１のリフタガイド孔１ｃ内に挿入される筒部として形成された筒状部形成部２２２と、該筒状部形成部２２２の一端を閉鎖して動弁カム１３と対向する端部壁を形成する天井部形成部２１２を持つ一端閉鎖の略円筒形状をなす。そして、該天井部形成部２１２の下面（下面形成面）２１２ｂの中央部には突出部形成部２１２ｂ１が形成される。

上述の鍛造は、鍛造温度Ｔｆが、２００°Ｃ≦Ｔｆ≦６００°Ｃに設定される。鍛造温度ＴｆがＴｆ＜２００°Ｃでは軟化不足のため鍛造による変形抵抗が高く、金型の負荷が大きい。一方、Ｔｆ＞６００°Ｃでは加熱中に表面に酸化膜が生じ、鍛造時にこの酸化膜に発生する亀裂を起点に割れが生じやすくなる。

第３工程
一次素材２０２の筒状部形成部２２２の外周面、端部壁として形成された天井部形成部２１２の摺動面形成面２１２ａおよび筒状部形成部２２２の摺動面形成面２２２ａに機械加工を施して、図５（ｃ）に図示される所定寸法に仕上げられたリフタ用二次素材２０３を製作する。二次素材２０３の製作は、該二次素材２０３の摺動面形成面２１２ａが、後述される酸化処理中の重力下垂現象で最大凹み量ｄ（図１（Ａ）参照）が２０μｍ以下の凹曲面となるように行われる。
次いで、その二次素材２０３に洗浄処理を施す。

第４工程
二次素材２０３を大気雰囲気下の加熱炉内に設置して、二次素材２０３に、大気中にて加熱温度Ｔ１を、Ｔ１≧６００°Ｃに設定した酸化処理を施し、図６（ｄ）に示すように、二次素材２０３の全表面形成面２０３Ａに酸化処理後の酸素拡散層２０４Ｂが形成された中間体であるリフタ用三次素材２０４を得る。

硬化層である酸素拡散層２０４Ｂの厚さは、三次素材２０４の外側表面形成面２０４Ａ１で厚く、とりわけ、摺動面形成面２１４ａ１が形成される部分は厚く、内側表面形成面２０４Ａ２でやや薄くされる。そして、酸化処理後の酸素拡散層２０４Ｂは、三次素材２０４の外側および内側表面形成面２０４Ａ１，２０４Ａ２全面に形成されるが、図６（ｄ）に図示のように酸素拡散層２０４Ｂの表面には酸化物層２０４Ｂ０が形成され、とりわけ、該酸素拡散層２０４Ｂが厚く深く形成される部分は、つまり、三次素材２０４の外側表面形成面２０４Ａ１である酸素拡散層２０４Ｂの表面等には酸化物層２０４Ｂ０が形成される。

大気雰囲気中の加熱炉内でＴ１≧６００°Ｃに加熱され、酸化処理が施された二次素材２０３は、その表面形成面２０３Ａ全面に酸化処理による酸素拡散層２０４Ｂが形成されて三次素材２０４とされるが、三次素材２０４は、該炉内において酸化処理中、図６（ｅ）図示の工程において、その略円筒状の三次素材２０４の端部壁として形成される天井部形成部２１４（または摺動面形成面２１４ａ１）が水平面に対して略平行となるように、摺動面２１４ａ１を鉛直方向で上方に向けて、この実施例では鉛直方向でほぼ真上に向けて設置されるのが望ましい。

加熱された酸化処理中の三次素材２０４は、高温加熱による軟化状態であるため、天井部形成部２１４（または摺動面形成面２１４ａ１）を水平面に対して略平行となるように上方に向けて設置することは、換言すれば摺動面形成面２１４ａ１を鉛直方向で上方に向けて設置することは、天井部形成部２１４を、重力の作用下でその自重により、とりわけ、下面形成面２１４ｂの中央の突出部形成部２１４ｂ１の厚みによる重量の寄与により、図６（ｅ）の仮想線Ｈ図示のように下垂させ、該天井部形成部２１４および摺動面形成面２１４ａ１をその断面において凹状彎曲するように変形させる。

その後、三次素材２０４の変形が収束し、天井部形成部２１４は、図６（ｆ）に図示されるように、その断面形状が凹状彎曲形状を呈し、摺動面形成面２１４ａ１が凹んだ凹曲面を形成する。なお、実施例では中央部が最も凹んだ凹曲面が形成される場合を示しているが、この形状のみに限定されず、動弁カム１３が摺動する個所を最も凹んだ形状とするものであってもよい。

また、表面硬度を大きくするには酸素拡散層２０４Ｂを厚くすればよいのであるが、厚い酸素拡散層２０４Ｂを形成するために、二次素材２０３の天井部形成部２１３や筒状部形成部２２３（図５（ｃ）参照）が酸化されると、三次素材２０４の天井部形成部２１４や筒状部形成部２２４、ひいては天井部２１や筒状部２２が変形してしまう場合があるので、表面硬度が７５０Ｈｍｖを越えないように、酸素拡散層２０４Ｂが形成される。

第５工程
酸化処理終了後の三次素材２０４は、図６（ｆ）に図示されるように、天井部形成部２１４が断面形状で凹状に彎曲する。
酸化処理後の三次素材２０４は、その後、冷却され、適宜必要とされる表面仕上げや必要とされる個所における研磨機等の機械による加工処理が施され、完成品としてのバルブリフタ２０とされる。

すなわち、三次素材２０４は、上述の高温下での酸化処理によりその酸素拡散層２０４Ｂの表面が酸化物層２０４Ｂ０による面とされるから、該表面の酸化物層２０４Ｂ０の除去等による平滑化のための処理がなされる。とりわけ、三次素材２０４の上面形成面２１４ａである摺動面形成面２１４ａ１、および筒状部形成部２２２の摺動面形成面２２４ａ１等における摺動性の維持のための酸素拡散層表面平滑化のための精度の高い研磨処理がなされて、バルブリフタ２０が完成する。

本発明のバルブリフタ２０は、上述の形状構造を備え、上述の製造工程を経て製造されるから、以下のような作用効果を奏するものである。
摺動面２１ａ１は、最大凹み量ｄが２０μｍ≦ｄ＜０μｍの凹曲面Ｃ１、最大突出量ｈが０μｍ＜ｈ≦１０μｍの凸曲面Ｃ３、または天井部２１の中心軸線Ｌに直交する平面からなり、摺動面２１ａ１の表面硬度は５００〜７５０Ｈｍｖであることにより、摺動面２１ａ１の表面硬度が５００Ｈｍｖ以上７５０Ｈｍｖ以下であるので、二次素材２０３の全表面形成面２０３Ａに施される酸化処理に起因して天井部２１や筒状部２２に変形が発生することなく摺動面２１ａ１の磨耗が許容値内に収まり、しかも摺動面２１ａ１の最大凹み量ｄが２０μｍ以下であるので、動弁カム１３のエッジによる摺動面２１ａ１の偏磨耗の発生が抑制されるので、耐磨耗性に優れた摺動面２１ａ１を有するバルブリフタ２０が得られる。また、摺動面２１ａ１の最大突出量ｈが１０μｍ以下であるので、耐ピッチング性に優れた摺動面２１ａ１を有するバルブリフタ２０が得られる。

摺動面２１ａ１は、最大突出量ｈが０μｍ＜ｈ≦１０μｍの凸曲面Ｃ３または平面からなり、表面硬度は６５０〜７５０Ｈｍｖであり、表面硬度の上限値は、摺動面２１ａ１が平面であるときの７５０Ｈｍｖから最大突出量ｈが１０μｍのときの６５０Ｈｍｖまで、増加する最大突出量ｈに比例して減少することにより、摺動面２１ａ１の表面硬度の上限値が増加する最大突出量ｈに比例して減少することで、表面硬度の上限値が高くなるほど最大突出量ｈが小さくなるので、摺動面２１ａ１の表面硬度が高い領域で、摺動面２１ａ１の所要の耐ピッチング性が確保される。
換言すれば、摺動面３１ａ１が凸曲面Ｃ３から構成されるとき、表面硬度が５００〜６５０Ｈｍｖのとき、最大突出量ｈは０μｍ＜ｈ≦１０μｍであり、表面硬度が６５０〜７５０Ｈｍｖのとき、最大突出量ｈは、表面硬度が６５０Ｈｍｖのときの１０μｍから、表面硬度が７５０Ｈｍｖのときの０（すなわち、摺動面３１ａ１が平面から構成されるときである。）近傍まで、増加する表面硬度に比例して最大突出量ｈが小さくされることにより、摺動面２１ａ１の所要の耐ピッチング性が確保される。

摺動面２１ａ１は最大凹み量ｄが０μｍ＜ｄ≦２０μｍの凹曲面Ｃ１からなり、表面硬度が７５０Ｈｍｖ以下であることにより、表面硬度が５００Ｈｍｖ以上７５０Ｈｍｖ以下で動弁カム１３のエッジによる摺動面２１ａ１の偏磨耗の発生が抑制されるので、表面硬度が５００Ｈｍｖ以上７５０Ｈｍｖ以下の全領域に渡って偏磨耗に対する耐磨耗性に優れた摺動面２１ａ１を有するバルブリフタ２０が得られる。

凹曲面Ｃ１からなる摺動面２１ａ１は、天井部２１の鉛直方向での上面２１ａにより構成されることにより、鉛直方向で上方を指向する摺動面２１ａ１が天井部２１に一体に形成されるので、摺動面２１ａ１は潤滑油を滞留保持させる機能を備え、これにより摺動面２１ａ１における動弁カム１３との摺動における潤滑性を向上させることができる。また、バルブリフタ２０の天井部２１に凹状の摺動面２１ａ１が一体形成されるから、バルブリフタ２０の構造の単純化と軽量化が図られ、さらにはその製造コストの低減が図られる。
熱処理は三次素材２０４の表面形成面２０４Ａ１，２０４Ａ２を酸化する酸化処理であることにより、チタン合金からなる三次素材２０４の、高温下での酸化処理中に、天井部形成部２１４の自重を利用することにより、摺動面形成面２１４ａ１を凹曲面に形成することができることから、該凹曲面を形成するための単独の工程を別途設ける必要がなく、製造工数および製造コストの低減に寄与する。

天井部２１を含むバルブリフタ２０は、チタン合金製とされるから、硬質金属製のバルブリフタに比べて、ヤング率が低い特徴を活かして動弁カム１３エッジとの当たりが抑制されて摺動面２１ａ１の偏磨耗を低減することができる。

天井部２１の素材でもある三次素材２０４を、摺動面２１ａ１となる摺動面形成面２１４ａ１が鉛直方向で上方を向くように設置した後、三次素材２０４に熱処理である酸化処理を施し、酸化処理中に三次素材２０４の自重により摺動面形成面２１４ａ１を凹曲面に形成することにより、三次素材２０４を、高温加熱の酸化処理中にその摺動面２１ａ１（２１４ａ１）を水平面に対して略平行となるように、鉛直方向で上方、好ましくはほぼ真上に向けて設置することで、摺動面形成面２１４ａ１が重力の作用下で、自重による下垂作用を利用して、摺動面形成面２１４ａ１を凹曲面として形成するから、凹曲面から構成される摺動面２１ａ１のための特別な加工の必要性が排除され、その分製造工数の削減が図られ、製造コストの低減がなされる。

三次素材２０４は、天井部２１の下面２１ｂとなる下面形成面２１４ｂの中心部に、内燃機関Ｅの吸・排気バルブ１１，１２を直接またはインナーシム１９、１９を介して押圧する突出部２１ｂ１となる突出部形成部２１４ｂ１を有することにより、三次素材２０４の下面形成面２１４ｂの中央部に突出部形成部２１４ｂ１が形成されるから、この部分は肉厚であるから重いので、自重により形成される凹状の摺動面２１ａ１の形成は、突出部形成部２１４ｂ１の存在により容易化されるとともに、凹状の摺動面２１ａ１の中心が天井部２１の中心位置と略一致するから、摺動面２１ａ１の成形精度が高められる。

酸化処理を施す前の摺動面形成面２１４ａ１を凸曲面で凸状に形成したことにより、突出部形成部２１４ｂ１の形状を適宜変えることで、形成される摺動面形成部２１４ａ１の形状を変形させることができ、摺動面２１ａ１の形状の調整が可能となる。

前記酸化処理を施す前のバルブリフタの摺動面をほぼ球面である凸曲面にて凸状に形成することで、酸化処理を施した後の摺動面の凹状の深さを調整することができる。例えば、Ｆｅが０．９６質量％、Ｏが０．２８質量％、残部がチタン及び不可避的不純物からなるチタン合金製バルブリフタを７５０°Ｃで６時間処理する場合には、酸化処理前の摺動面を摺動面の外周からの最大突出量が２０μｍのほぼ球面からなる凸曲面に形成することで、酸化処理後の摺動面が最大凹み量１０μｍの凹状のバルブリフタを得ることができた。
以下、前述した実施形態の一部の構成を変更した実施形態について、変更した構成に関して説明する。
天井部と、該天井部とは別個の部材である筒状部とが一体に結合されて構成されてもよい。この場合、天井部のみがチタン合金により形成されてもよい。
バルブリフタは、チタン合金以外の金属から形成されてもよい。また、熱処理は、酸化処理である必要はなく、酸化処理以外の熱処理であってもよい。
凹曲面および凸曲面は、ほぼ球面から構成されたが、球面以外の曲面により構成されてもよい。

本発明のバルブリフタの側断面図であり、（Ａ）は、摺動面が凹曲面からなるバルブリフタを示し、（Ｂ）は、摺動面が平面からなるバルブリフタを示し、（Ｃ）は、摺動面が凸曲面からなるバルブリフタを示す。 図１のバルブリフタにおいて、摺動面の表面硬度と、凹曲面の最大凹み量および凸曲面の最大突出量との関係を示すグラフである。 本発明のバルブリフタが使用された内燃機関の主要構造部を示す縦断面図である。 本発明のバルブリフタの側断面図である。 本発明のバルブリフタの製造工程を示す図である。 本発明のバルブリフタの製造工程を示す図である。 従来のバルブリフタの一例を示す図である。

符号の説明

１１，１２…吸・排気バルブ、１３…動弁カム、２０…バルブリフタ、２０Ｂ…酸素拡散層、２１…天井部、２１ａ１…摺動面、２１ｂ１…突出部、２２…筒状部、２０２，２０３，２０４…素材、ｄ…最大凹み量、ｈ…最大突出量。

Claims (9)

1. カムが摺動する摺動面が形成された天井部を有するバルブリフタにおいて、
   前記摺動面は、最大凹み量ｄが２０μｍ≦ｄ＜０μｍの凹曲面、最大突出量ｈが０μｍ＜ｈ≦１０μｍの凸曲面、または前記天井部の中心軸線に直交する平面からなり、前記摺動面の表面硬度は５００〜７５０Ｈｍｖであることを特徴とするバルブリフタ。
2. 前記摺動面は、最大突出量ｈが０μｍ＜ｈ≦１０μｍの凸曲面または平面からなり、表面硬度は６５０〜７５０Ｈｍｖであり、表面硬度の上限値は、前記摺動面が平面であるときの７５０Ｈｍｖから最大突出量ｈが１０μｍのときの６５０Ｈｍｖまで、増加する最大突出量ｈに比例して減少することを特徴とする請求項１記載のバルブリフタ。
3. 前記摺動面は最大凹み量ｄが０μｍ＜ｄ≦２０μｍの凹曲面からなり、表面硬度が７５０Ｈｍｖ以下であることを特徴とする請求項１記載のバルブリフタ。
4. 前記凹曲面からなる前記摺動面は、前記天井部の鉛直方向での上面により構成されることを特徴とする請求項１記載のバルブリフタ。
5. 前記天井部はチタン合金により形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載のバルブリフタ。
6. 請求項３記載のバルブリフタの製造方法であって、
   前記天井部の素材を、前記摺動面となる摺動面形成面が鉛直方向で上方を向くように設置した後、前記素材に熱処理を施し、前記熱処理中に前記素材の自重により前記摺動面形成面を凹曲面に形成することを特徴とするバルブリフタの製造方法。
7. 前記素材は、前記天井部の下面となる下面形成面の中心部に、内燃機関の機関バルブを直接またはインナーシムを介して押圧する突出部となる突出部形成部を有することを特徴とする請求項６記載のバルブリフタの製造方法。
8. 前記熱処理を施す前の前記摺動面形成面を凸状に形成したことを特徴とする請求項６又は７記載のバルブリフタの製造方法。
9. 前記天井部はチタン合金により形成され、前記熱処理は素材の表面を酸化する酸化処理であることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項記載のバルブリフタの製造方法。
   
   

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