JP2008019923A

JP2008019923A - 自動車エンジン用チェーン

Info

Publication number: JP2008019923A
Application number: JP2006190917A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Nagao; 憲一永尾; Takashi Tohara; 隆戸原; Toshihiko Miyazawa; 敏彦宮澤
Original assignee: Tsubakimoto Chain Co
Current assignee: Tsubakimoto Chain Co
Priority date: 2006-07-11
Filing date: 2006-07-11
Publication date: 2008-01-31
Also published as: EP1878943A3; CN101105207A; EP1878943A2; US20080015072A1

Abstract

【課題】極端に劣化した酸化度の高い潤滑油と共に使用された場合にあっても、“異常摩耗伸び”が発生することなく、ブシュとピンとの“凝着に起因する摩耗”が抑制され、 “アブレシブ摩耗”によるピン及びブシュの間の摺接面における“異常摩耗伸び”が抑制され、ブシュとピンの“凝着に起因する摩耗”が抑制された自動車エンジン用チェーンを提供することにある。
【解決手段】ピンの表面が、拡散浸透処理によって、Ｃｒ炭化物層を施されており、ピンの母材となる鋼の最外層におけるＣｒ炭化物層が、Ｃｒ₇Ｃ₃を含み、ピンのＣｒ炭化物層の最外層が、Ｃｒ₂₃Ｃ₆を含んでいることにより、上記の課題を解決するものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車エンジン用の動力伝達用チェーンやカムシャフト駆動用チェーンに関するものであって、特に好ましくは、自動車エンジン用タイミングチェーンに関する。

近年、自動車用エンジンのカムシャフト駆動機構等に用いられる動力伝達媒体には、高荷重、高速化、レイアウトの自由度の向上及びメンテナンスフリー化の要請から、従来、多用されていた歯付ベルトやＶベルトに代わり、耐久性に優れた金属製ローラチェーンや金属製ブシュチェーンの採用が増加している。

一般に、自動車エンジン用金属製チェーンは、円筒状のブシュの両端部が各々一対の内プレートのブシュ孔に圧入され、ブシュ内に遊貫されたピンの両端が、一対の内プレートの両外側に配置された一対の外プレートのピン孔に圧入された構成をしている。

このような構成をした従来のチェーンにおいては、硬度向上、摩耗伸び性能の向上を目的として、（１）ピンに焼入(Quench hardening)・焼戻(Tempering)処理や浸炭(Carburizing)・窒化(Nitriding)処理等の熱処理加工を施したり、（２）ピン表面にボロナイジング処理やクロマイジング処理等の表面硬化処理を施したり、（３）ニッケル等のめっき処理を施したり、（４）焼結合金等の合金鋼で形成したブシュに浸炭処理や窒化処理を施したりしていた（例えば、特許文献１参照）。

また、本願発明の発明者らは、従来の自動車エンジン用タイミングチェーンが抱えていた、エンジンルーム内の極端に劣化した酸化度の高い潤滑油と共に使用された場合に酸化や腐食の影響を受けやすく、ピンとブシュとの凝着(Adhension)に起因して摩耗しやすく、寿命が短いという課題を解決するために、ブシュの材質を浸炭処理を施すと共に、ピンの表面に炭化バナジウム（ＶＣ）層を形成した自動車用チェーンを既に開発し、市場で高い評価を得ている（例えば、特許文献２参照）。

さらに、サイレントチェーンのピンに対して炭化バナジウム（ＶＣ）処理を行った後、母材の最表層をバレル研磨処理によって完全に除去することにより、Ｖ₈Ｃ₇以外のバナジウム炭化物を多く含み不純物が除去された炭化バナジウム（ＶＣ）層を母材の最外層に形成したものも提案されている（例えば、特許文献３参照）。
実開平１−１４９０４８号公報特許第３６５９９６３号公報特開２００５−２９０４３５号公報

ところが、上述した特許文献１に開示された自動二輪車用並びに一般機器用の伝動用小型チェーンにおいては、ピン表面にボロナイジング処理やクロマイジング処理等の表面硬化処理を施したり、ニッケル等のめっき処理を施したり、焼結合金等の合金鋼で形成したブシュに浸炭処理や窒化処理を施したりしているにもかかわらず、自動車用エンジンのタイミングチェーン等に使用した際に、期待した耐久性が発揮されずに異常摩耗(Abnormal wear)伸びを生じるチェーンが、ごくわずかであるが存在することが報告された。

また、上述した特許文献２に開示された自動車エンジン用チェーンにおいては、ブシュの材質に浸炭処理を施すと共に、ピンの表面に炭化バナジウム層（ＶＣ）を形成したことによって、ブシュとピンとの凝着に起因する摩耗が抑制されるが、ブシュとピンの両方に熱処理加工や炭化バナジウム（ＶＣ）層の形成処理が必要であり、“製造原価が上昇”するとともに、金属製チェーンの宿命とも言うべき“潤滑油の給油”が必要であり、“メンテナンス負担の増加”が懸念されていた。

さらに、上述した特許文献３に開示されたサイレントチェーンの表面処理方法を自動車エンジン用チェーンとして使用される、ローラチェーンやブシュチェーンに適用した場合、その摩耗メカニズムは定かではないが、ローラチェーンやブシュチェーンでは、ブシュ内表面が酸化度の高い潤滑油により腐食され、さらに、高負荷下において面圧が高いブシュとピンの摺接により、摺接面の摩耗が促進されるものと推察され、サイレントチェーンに適用したときほどの効果は、得られなかった。

しかも、ピンの最表層をバレル研磨処理によって、完全に除去しているため、ブシュ内表面とピン外表面が面接触をするローラチェーン又はブシュチェーンに適用した場合、摩耗により生じた摩耗粉がピンとブシュの間に夾雑物として存在することにより、摩耗が一層促進する、いわゆる“アブレシブ摩耗(Abrasive wear)”が、ピン及びブシュの間の摺接面の異常摩耗の原因となり、ピンの耐摩耗性を向上させるという効果が、サイレントチェーンに適用した時ほど、発揮できなかった。

さらに、ピンとブシュが親和性の高い材質、例えば、同種元素で構成されている場合には、両者が“凝着”しやすく、自動車エンジン用チェーンの円滑な屈曲摺動を阻害する原因となっていることも明らかになった。

そこで、本発明の第１の目的は、前述したような従来の自動車エンジン用チェーンが抱えていた問題点を解消し、極端に劣化した酸化度の高い潤滑油と共に使用された場合にあっても“アブレシブ摩耗”によるピン及びブシュの間の摺接面における“異常摩耗伸び”が発生することなく、さらに、ピンとブシュが親和性の高い材質、例えば、同種元素で構成されている場合においても、両者が“凝着”し難く、“凝着”に起因する摩耗が抑制され、長期に亘って円滑に屈曲摺動する自動車エンジン用チェーンを提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、良好な潤滑性を長期に亘って持続させる自動車エンジン用チェーンを提供することである。

さらに、本発明の第３の目的は、相手材であるブシュへの“攻撃性”を減少させ、“耐衝撃性(Shock resistance)”が向上した自動車エンジン用チェーンを提供することである。

そこで、請求項１に係る自動車エンジン用チェーンは、ブシュの両端がそれぞれ一対の内プレートのブシュ孔に圧入され、ブシュ内に遊貫されたピンの両端が一対の内プレートの両外側に配置された一対の外プレートのピン孔に圧入されている自動車エンジン用チェーンであって、ピンの表面が、拡散浸透処理によって、Ｃｒ炭化物層が施されており、そのピンの母材となる鋼の最外層におけるＣｒ炭化物層が、Ｃｒ₇Ｃ₃を含み、さらに、ピンのＣｒ炭化物層の最外層が、Ｃｒ₂₃Ｃ₆を含んでいることによって、上記の課題を解決するものである。

また、請求項２に係る自動車エンジン用チェーンは、請求項１に係る自動車エンジン用チェーンの構成に加えて、Ｃｒ₂₃Ｃ₆が含まれたピンの最外層に、表面粗さをより小さくする処理を施したことによって、上記の課題をさらに解決するものである。
なお、表面粗さをより小さくするということは、表面をよりきめ細かくすることを意味しており、例えば、表面粗さの測定方法を定めた、ＪＩＳ０６０１−１９７６における十点平均粗さ（Ｒｚ）の値が小さくなることを意味している。

さらに、請求項３に係る自動車エンジン用チェーンは、請求項２に係る自動車エンジン用チェーンの構成に加えて、表面粗さを小さくする処理が、バレル研磨処理であることによって、上記の課題を一層、解決するものである。

請求項４に係る自動車エンジン用チェーンは、請求項１乃至請求項３に係る自動車エンジン用チェーンの構成に加えて、ピンの母材側に形成されたＣｒ₇Ｃ₃を含んだ内側Ｃｒ炭化物層が、ピンの最表側に形成されたＣｒ₂₃Ｃ₆を含んだ外側Ｃｒ炭化物層より厚いことによって、上記の課題をより一層、解決するものである。

請求項１に係る自動車エンジン用チェーンは、ブシュの両端がそれぞれ一対の内プレートのブシュ孔に圧入され、ブシュ内に遊貫されたピンの両端が一対の内プレートの両外側に配置された一対の外プレートのピン孔に圧入されている自動車エンジン用チェーンであって、ピンの表面が、拡散浸透処理によって、Ｃｒ炭化物層が施されており、そのピンの母材となる鋼の最外層におけるＣｒ炭化物層が、Ｃｒ₇Ｃ₃を含み、さらに、ピンのＣｒ炭化物層の最外層が、Ｃｒ₂₃Ｃ₆を含んでいることによって、ピンの母材上に高硬度の主としてＣｒ₇Ｃ₃からなる第１層とその上に、耐摩耗性に優れ、多孔質であって耐熱性及び潤滑性にも優れた主としてＣｒ₂₃Ｃ₆からなる第２層からなる性質の異なる２層が形成されているので、極端に劣化した酸化度の高い潤滑油の中で使用された場合にも、“異常摩耗伸び”が抑制されると共に、“耐摩耗性”、“耐熱性”、“潤滑性”に優れた自動車エンジン用チェーンが得られる。

また、請求項２に係る自動車エンジン用チェーンは、請求項１に係る自動車エンジン用チェーンが奏する効果に加えて、Ｃｒ₂₃Ｃ₆が含まれたピンの最外層に、表面粗さをより小さくする処理を施したことによって、ブシュへの攻撃性およびピン自身の初期なじみによる摩耗が減少することによって初期摩耗および定常摩耗がともに低減される。また、ピンの最外層が、適度な硬度、すなわちビッカース硬度で約１８００ＨＶ以上を有していることに加えて、ポーラス（多孔質）であるので、“耐摩耗性”が向上する。

さらに、請求項３に係る自動車エンジン用チェーンは、請求項２に係る自動車エンジン用チェーンが奏する効果に加えて、表面粗さをより小さくする処理がバレル研磨処理であることによって、例えば、
（１）“超仕上げ”（円筒の内外面や平面、球面などワークを鏡面に仕上げることが目的の加工方法で、回転するワークに広い面で接触する砥石をばねで押し付け、且つ、回転軸方向に微小な低周波振動を与える加工方法）、
（２）“化学研磨”（加工したいワークを加工液中に浸して化学反応により平滑にし、光沢を与えることを目的とした加工方法）、及び、
（３）“電解研磨”（加工したいワークを電解液中に浸して、ワークを陽極（＋）、加工電極を陰極（−）に繋ぐことによって、陽極のワークの表面を電解液中に溶出される加工方法）などに比べて、被加工物であるピンと研磨材とが、バレル槽内で相対摩擦が起こるので、ピンのような小物部品の研磨を効率よく行うことができる。

請求項４に係る自動車エンジン用チェーンは、請求項１乃至請求項３の構成に加えて、ピンの母材側に形成されたＣｒ₇Ｃ₃を含んだ内側Ｃｒ炭化物層が、ピンの最外側に形成されたＣｒ₂₃Ｃ₆を含んだ外側Ｃｒ炭化物層より厚いことによって、相手材であるブシュへの“攻撃性”が減少するので、チェーンの耐衝撃性が向上し、ブシュの摩耗量を抑制することができる。

これらの効果により、“耐久性”に優れ、“凝着”に起因する摩耗が抑制され、“耐摩耗性”及び“耐衝撃性”に優れ、長期に亘って円滑に屈曲摺動する自動車エンジン用チェーンが提供される。しかも、自動車エンジン用チェーンと共に使用する潤滑油の耐用期間の長期化も図られ、“環境負荷低減”にも寄与する。

本発明の実施の形態を実施例１に基づき、図１を参照して説明する。なお、上述の説明で明らかなように、本発明は、ブシュ内面とピンの外表面の摺接に起因する特性劣化を改善することを目的とした発明であるので、ローラチェーンであってもブシュチェーンであっても効果は、基本的に同じ傾向を示す。したがって、以下の実施例の説明においては、ローラチェーンについてのみ説明する。

図１は、本発明の一実施例であるローラチェーンの一部を示す斜視図である。この図１では、ローラチェーンの内部構造が分かるように、その一部を切り欠いた状態で図示している。

ローラチェーン１０は、ブシュ１２の両端が、それぞれ一対の内プレート１１のブシュ孔１１ａに圧入され、ブシュ１２内に遊貫されたピン１５の両端が一対の内プレート１１の両外側に配置された一対の外プレート１４のピン孔１４ａに圧入されている。そして、ブシュ１２にローラ１３を回転自在に外挿している。

本発明のローラチェーン１０は、ブシュ１２が、合金鋼により構成されていると共に、ピン１５の母材となる鋼または低炭素鋼の表面１５ａに高炭素表面層が形成される。この高炭素表面層の形成方法は、特に限定されるものではないが、浸炭剤中で９００〜９５０℃くらいに加熱し、炭素を拡散させてピン１５の表層の炭素量を増加させる、いわゆる “浸炭処理”によって行われる。言うまでもないが、ピン１５の母材として高炭素鋼を使用する場合には、この“浸炭処理”を施す必要はない。

次に、このピン１５の周辺にクロム粉末又はクロム合金粉末を充填して、９００〜１２００℃の高温下で５〜２５時間加熱処理する拡散浸透処理の一種である“粉末パック法”により、ピン１５の表面にクロマイジング層（クロムの拡散層）を形成する。この“粉末パック法”を行うに際して、適宜、アルミナ等の焼結防止剤や塩化アンモニウム等の反応促進剤を添加する。

この実施例１においては、拡散浸透処理の具体的な方法としては、“粉末パック法”により、ピン１５の表面にクロマイジング層を形成しているが、この方法以外にも、溶融塩中で処理する“溶融塩法（通称、Toyota Diffusion）”や、クロム粉末と沈殿防止剤を添加した塗料などを塗布して乾燥させ、不活性ガスまたは真空中で加熱する“塗布法”等が知られている。しかしながら、実施例１に於いては、製造原価が安く、ピン１５のような小物の処理に適している“粉末パック法”を採用している。

上記のように、高炭素表面層の上に拡散浸透処理によりクロマイジング層を形成させ、処理温度を１０００℃程度とすることによって、クロム（Ｃｒ）は、強力な炭化物形成元素であるので、ピン１５の最外層に形成された高炭素表面層及び母材そのものに含まれる炭素が、ピン１５の表面に形成されたクロマイジング層に拡散浸透していき、クロマイジング層に含まれるクロム（Ｃｒ）と結合し、図３に示した電子顕微鏡で撮影したピン１５表面の断面組織写真から分かるようにピン１５の母材となる鋼の最外層におけるＣｒ炭化物層がＣｒ₇Ｃ₃を含む層となり、ピンの最外層におけるＣｒ炭化物層がＣｒ₂₃Ｃ₆を含む層となる。
本実施例の場合、図３に示した断面組織写真から計測すると、母材側のＣｒ₇Ｃ₃を含むＣｒ炭化物層の厚みが８〜２０μｍであり、最外層のＣｒ₂₃Ｃ₆を含むＣｒ炭化物層の厚みが１〜６μｍである。このように、表面のクロマイジング層が何故に２層に分かれるかについては、今のところ詳細なメカニズムは定かではないが、処理粉末として外部から供給されるクロム（Ｃｒ）とピン１５の母材および母材表面に形成された高炭素表面層から供給される炭素が結びついて、Ｃｒ−Ｃ（Ｃｒ炭化物層）が形成され、その際に、より母材に近いところでは、より炭素の割合の高いＣｒ₇Ｃ₃層が形成され、母材から遠い表面側には、炭素の割合が低いＣｒ₂₃Ｃ₆層が形成される。そして、その形成過程における両者の固相と固相のバランスにより２層に分かれるものと推察される。

次に、実施例１による自動車エンジン用チェーンのピンの特性を図るため下記に示す試験条件で、摩耗伸び試験を行い、その結果を図２に示した。
＜摩耗伸び試験条件＞
・チェーン：ピッチ８ｍｍのローラチェーン
・スプロケット歯数：１８枚×３６枚
・回転速度：６５００ｒ／ｍｉｎ
・潤滑油：劣化したエンジンオイル
・油量：１Ｌ／ｍｉｎ
なお、図２に示した実施例１及び実施例２並びに比較のために示した従来例のチェーン伸び試験の結果は、上記の条件で通常のモータリング試験機を用いてチェーン伸び試験を行った結果にのみ基づいている。しかしながら、上記の試験方法は、当業界で通常用いられている試験方法であるので、他の試験方法を行ったとしても、同じ傾向が示されると推認される。
ここで、比較のために示した従来例は、実施例１と同様の方法で製造したピンに対し、バレル研磨処理を徹底的に行い、ピンの表面に形成された２層のＣｒ炭化物層から、最外層のＣｒ₂₃Ｃ₆層を完全に除去したものを示している。そのため、従来例のピンの表面粗さは、向上し、実施例２と同程度の表面粗さを有している。

図２に示したチェーン伸び試験の結果から、実施例１のローラチェーンと、従来例のローラチェーンとを試験時間が５０時間経過したところで比較すると、チェーン伸びが略６０％に減少している。なお、図２から明らかなように、試験開始後１０時間後に、実施例１、実施例２及び従来例ともにチェーン伸びを示す線が屈曲している。これは、初期摩耗（Initial wear）と呼ばれるもので、従来例に比べて、実施例では、小さくなっているが、これは、実施例１では、ピン表面に２層のＣｒ炭化物層が形成されたことによって、１層のＣｒ炭化物層しか有しない従来例に比べて初期摩耗が減少したものである。また、実施例２では、実施例１のピンにピン表面粗さを小さくする処理を施したことによって、ブシュへの攻撃性およびピン自身の初期なじみによる摩耗が減少したものである。

実施例２による自動車エンジン用ローラチェーンは、実施例１のローラチェーンの構成に加えて、Ｃｒ₂₃Ｃ₆が含まれたピン１５の最外層の表面粗さをバレル研磨処理を用いてより小さくし、Ｃｒ₂₃Ｃ₆が含まれた最外層は多孔質（ポーラス状）であり、ポーラス部が表出している部分は窪みとなり、そこが湯溜まりとなって機能するので、“良好な潤滑性”が長期に亘って持続され、自動車エンジン用ローラチェーンの“耐久性”が向上するものと推察される。このように表面粗さをより小さくするために、バレル研磨処理を用いることによって、被加工物であるピンと研磨材とが、バレル槽内で相対摩擦が起こるので、ピンのような小物部品の研磨を効率よく行うことができる。

図２に示したチェーン伸び試験の結果から、表面粗さをより小さくした実施例２のローラチェーンと、従来例のローラチェーンとを試験時間が５０時間経過したところで比較すると、従来例のチェーン伸びを１００とすると実施例２のチェーン伸びは、約４０であり、チェーン伸びが、明らかに向上している。実施例２のピン表面処理後の最外層厚の目安としては、１〜６μｍである。表面粗さを小さくするためにバレル研磨処理を徹底的に行ってしまうと、最外層が完全に無くなってしまい最外層の機能が失われるので、従来例と同一のものになってしまい、ピン摩耗およびブシュ摩耗ともに大きくなる。

ちなみに、表面粗さをより小さくする処理を施していない実施例１の自動車エンジン用チェーンのピンの表面粗さは、十点平均粗さ（Ｒｚ）の値が、０．４〜０．８μｍであるのに対して、実施例２では、０．２〜０．３μｍであり、ピンの表面粗さが、小さくなっている。

また、実施例２による自動車エンジン用ローラチェーンでは、最外層（Ｃｒ₂₃Ｃ₆）を確保した状態で、さらに表面粗さを小さくする処理を施すことによって、相手材のブシュへの“攻撃性”が減少し、“ブシュ摩耗量”を抑制することができる。

ちなみに、実施例１、実施例２、従来例の自動車エンジン用ローラチェーンについて、上記の試験を５０時間行った後のピン及びブシュの摩耗量を従来例を基準として示すと、実施例１及び実施例２の自動車エンジン用ローラチェーンのピンは、従来例の自動車エンジン用ローラチェーンのピンと比較して摩耗量が１５分の１に改善されている。さらに、ブシュの摩耗量については、従来例の自動車エンジン用ローラチェーンのピンと比較して、実施例１では約９０％、実施例２では約６５％に改善されている。

本発明は、自動車エンジン用チェーンの異常摩耗伸びが潤滑油の酸化劣化に起因することを解明し、その異常摩耗伸びのメカニズムを踏まえて、ピンの表面に施す表面処理の最適化を図ったことにより、特殊な製造設備や高価な材料を用いることなく、きわめて再現性良く異常摩耗伸びの発生を回避することができる点で、産業上の利用可能性は、きわめて大きい。

本発明のローラチェーンの一部を示す斜視図。本発明のローラチェーンの劣化潤滑油中におけるチェーン伸び試験結果。本発明のローラチェーンのピンの断面組織写真。

符号の説明

１０・・・ローラチェーン
１１・・・内プレート
１１ａ・・・ブシュ孔
１２・・・ブシュ
１３・・・ローラ
１４・・・外プレート
１４ａ・・・ピン孔
１５・・・ピン
１５ａ・・・ピンの表面

Claims

ブシュの両端がそれぞれ一対の内プレートのブシュ孔に圧入され、前記ブシュ内に遊貫されたピンの両端が前記一対の内プレートの両外側に配置された一対の外プレートのピン孔に圧入されている自動車エンジン用チェーンであって、
前記ピンの表面が、拡散浸透処理によって、Ｃｒ炭化物層が施されており、
前記ピンの母材となる鋼の最外層における前記Ｃｒ炭化物層が、Ｃｒ₇Ｃ₃を含み、
前記ピンの前記Ｃｒ炭化物層の最外層が、Ｃｒ₂₃Ｃ₆を含んでいること
を特徴とする自動車エンジン用チェーン。
前記Ｃｒ₂₃Ｃ₆が含まれた前記ピンの最外層に、表面粗さをより小さくする処理を施したこと
を特徴とする請求項１に記載の自動車エンジン用チェーン。
前記表面粗さをより小さくする処理が、バレル研磨処理であること
を特徴とする請求項２に記載の自動車エンジン用チェーン。
前記ピンの母材側に形成されたＣｒ₇Ｃ₃を含んだ内側Ｃｒ炭化物層が、
前記ピンの最外側に形成されたＣｒ₂₃Ｃ₆を含んだ外側Ｃｒ炭化物層より厚いこと
を特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の自動車エンジン用チェーン。