JP2709097B2

JP2709097B2 - スプリングリテーナ

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Publication number: JP2709097B2
Application number: JP63254284A
Authority: JP
Inventors: 満矢田部; 忠男平野; 治男椎名; 雅巳星
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Showa Denko KK
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Showa Denko KK
Priority date: 1988-10-08
Filing date: 1988-10-08
Publication date: 1998-02-04
Anticipated expiration: 2013-02-04
Also published as: JPH02102306A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明ほエンジン機関に係り、さらに詳しくはエンジ
ン機関の動弁系に組込まれるスプリングリテーナに関す
るものである。

〔従来の技術および課題〕

従来のエンジン機関のバルブ機構は例えば第３図のよ
うになっている。すなわちシリンダヘッド６にはバルブ
ガイド２が設けられ、バルブガイド２にはバルブステム
３が上下方向に摺動可能に支持されている。バルブステ
ム３の下端にはバルブフェース４が備えなられ、バルブ
フェース４は吸・排気ポートのバルブシート５と接離さ
れて吸・排気ポートを開閉するようになっている。

バルブステム３の上端にはコッター７を介してスプリ
ングリテーナ１が固定されている。スプリングリテーナ
１とシリンダヘッド６の上面との間にはバルブスプリン
グ８が介装され、バルブスプリング８はバルブフェース
４をバルブシート５に着座させる方向に付勢している。

またシリンダヘッド６の上方には潤滑油が送油される
中空軸状のロッカーシャフト10が設けられ、ロッカーシ
ャフト10にはロッカーアーム11が摺動可能に取付けられ
ている。ロッカーアーム11の一端部はバルブステム３の
上端部に当接し、ロッカーアームの他端部はバルブリフ
タ（図示せず）の動きを伝達するプッシュロッド12に当
接されている。すなわちプッシュロッド12によってロッ
カーアーム11の他端部を突き上げるとバルブステム３は
押し下げられ、バルブフェース４はバルブシート５から
離間され吸・排気ポートが開かれる。プッシュロッド12
の下降時には、バルブスプリング８の作用でスプリング
リテーナ１を押し上げると、コッター７を介して接続さ
れているバルブステム３が上昇し、吸・排気ポートは閉
じられる。

さてこのようなスプリングリテーナ１は従来はJISA G
4105に規定されているクロムモリブデン鋼などの強靱鋼
が使用されてきた。ところが上述したスプリングリテー
ナ１の機能からも分かるようにバルブリテーナはバルブ
−スプリング系統から発生する熱を速やかに放散させる
ための熱伝導率の大きいこと、およびバルブ、スプリン
グの負担を軽くするための慣性質量の小さいものが望ま
れていた。

〔課題を解決するための手段〕

そこで上述の課題を解決するためにアルミニウム合金
（熱伝導率は鋼の薬４倍、質量は鋼の薬1/3）が考えら
れる。このため本件発明者は細菌開発されたFe、Mnを含
む高Siアルミニウム合金粉末に角のない球状セラミック
粒子あるいはセラミック粒子のうちでも比較的軟かいも
のを上記アルミニウム合金に配合すると耐摩耗性も向上
し相手材も摩耗することなく、優れたスプリングリテー
ナになることを確認し、提案した（特願昭63−8684
2）．本願発明は先の発明の改良にかかわり、耐久性と
潤滑性を一層向上させたものである。

すなわち本件発明の要旨は、第１は重量比でSil0.0〜
30.0％と、Fe0.5〜7.0％とMn0.5〜4.0％とを含有し、残
部が不可避的不純物を含むAl合金から成るマトリックス
中に、平均粒子２〜30μｍのAl₂O₃−ZrO₂−SiO₂系セラ
ミック粒子を、重量比で１〜10％分散させてなるスプリ
ングリテーナであり、第２は重量比でSil0.0〜30.0％
と、Fe0.5〜7.0％とMn0.5〜4.0％とを含有し、さらにCu
0.5〜5.5％およびMg0.2〜3.0％を含み、残部が不可避的
不純物を含むAl合金から成るマトリックス中に、平均粒
子２〜30μｍのAl₂O₃−ZrO₂−SiO₂系セラミックス粒子
を、重量比で１〜10％分散させてなるスプリングリテー
ナにある。

〔発明の構成〕

以下本発明を詳しく述べる。

本発明では高温においても耐摩耗性および強靱性のあ
る、特開昭61−295301号公報記載のアルミニウム合金粉
末を母材として使用する。

本発明における成分限定理由は、下記の通りである。

Siは10重量％以下では分散量が少なく、耐熱性や耐摩
耗性に及ぼす効果が不十分である。Si10重量％程度の亜
共晶領域では、初晶Siは晶出せず、微細な共晶組織を呈
するものとなる。Si量が増すにしたがってSi初晶が晶出
するようになり、耐熱性、耐摩耗性が向上する。しかし
ながら、Siが30重量％を越えるといかなる急冷凝固法を
採用して粉末化しても、粗大なSi初晶が消失しなくな
る。急冷速度10³℃／秒程度でも、初晶Siを微細化させ
るには、Si量を25重量％以下にする必要がある。

粗大なSi初晶組織を有するAl合金粉末の押出成形加工
を行うに当っては、粉末の圧縮性が著しく悪いため、圧
粉体の成形が困難であり、熱間押出加工においても変形
抵抗が大きく、大きな押出力を必要とするほか、押出ダ
イスの寿命を著しく短縮する結果をもたらす。

従って、Si含有量は10.0〜30重量％、好ましくはSi 1
3.0〜25重量％とするのが良い。

FeおよびMnは、本発明においては重要な成分である。
FeおよびMnは、Al中への溶解度が低く、かつ拡散速度が
遅いため、微細な金属間化合物として分散晶出し、材料
の高温強度を向上せしめる。さらに、FeおよびMnの重要
な役割は、耐応力腐食割れ性を向上させる点にある。本
発明者らが、耐応力腐食割れ性について詳細に検討した
結果、公知のAl合金におけるが如く、FeまたはMnを単独
に添加したのでは、耐応力腐蝕割れ性に対しては効果が
無く、FeおよびMnを一定範囲で共存させると著しい効果
があることを見出し、本発明に至ったものである。

通常、Al地金中に存在するFeおよびMnは、それぞれ、
せいぜい、0.8重量％、0.03重量％程度であり、この程
度では、高温強度、耐応力腐食割れ性に対して不十分で
ある。また、添加量が多過ぎると熱間加工性および靱性
が低下するので好ましくない。

FeおよびMnを固溶限界を越えて添加すると、Al−Fe−
Mn−Si系の金属間化合物として析出し、その形状は、添
加量が多いほど、また冷却速度が遅いほど、粗大化す
る。この金属間化合物は、分散急冷凝固法による合金粉
末においては、棒状組織として存在し、後続の熱間押出
工程において分断され、マトリックス中に微細に分散す
る。この化合物は、高温においても安定で、粗大化成長
することもなく、長時間高温保持しても強度の低下は生
じない。

また、この金属間化合物は、Al−Fe系、あるいはAl−
Mn系金属間化合物に比して耐応力腐食割れ性に対して著
しい効果を有するものである。

従って、シリンダーライナー、ピストン、コンロッ
ド、ロッカーアーム、コンプレッサー用翼体等の高温に
さらされ、しかも強度を要求される機械部品用材料とし
て好適なものとなる。特に応力腐食が問題とされるよう
な長寿命、高信頼性を要求される機械部品に最適な材料
となり得る。FeおよびMnの添加量は、Fe:0.5〜７重量
％、Mn:0.5〜４重量％が適当である。Feが７重量％を越
え、またはMnが、４重量％を越えた場合には、硬さや耐
摩耗性がかえって低くなり、成形体を作った場合には材
質が脆くなる傾向がある。

Feに比較してMn含有量を少なくする理由は、熱間加工
性の改善、押出歩留りの向上、応力腐食割の改善、靱性
の改善を計るためである。

また、FeとMnは単独添加では耐応力腐食割れ性が認め
られず、両者を同時添加する必要がある。

本発明におけるAl合金粉末では、必要に応じてCu、あ
るいはMgを添加しても良い。Cu、Mgは、Al合金におい
て、時効硬化性を付与して材質を強化する成分として広
く使用されており、好適な添加量は、Cuは0.5〜5.0重量
％、Mgは0.2〜3.重量％の範囲である。本発明において
も、溶体化処理温度での固溶限度内の範囲で、Cu、Mgを
添加することは、材質を強化するために有効である。本
発明の合金粉末においては、高温強度を改善する目的
で、さらにTi、Zr、Mo、Ｖ、Co、Zn、Li等を少量添加す
ることは何ら支障はない。しかし、添加量が多過ぎる
と、成分管理、溶解温度の上昇等、製造上の問題が生じ
てくる。

Al合金粉末中のSi結晶粒の大きさは15μｍ以下が好ま
しく、主として、初晶Siの大きさが15μｍ以上になると
後続の合金粉末の成形加工性が悪くなり、材料特性が悪
化するからである。

本発明のAl合金粉末は、前記目標組成を有する合金溶
湯をアトマイズ法、遠心力による微粉末製造法をもって
0.5mm以下の粒子サイズに急速分散凝固させることによ
り得られるものである。粉末化の際における冷却速度
は、10³℃／秒程度以上であれば十分であり、合金成分
量が多くなるほど冷却速度を早くしないと、微細組織は
得られない。かくして得られたAl合金粉末は、大きさが
15μｍ以下のSi結晶と、成長を抑制された金属間化合物
晶を有しており、このような組織の合成を鋳造法で得る
ことは困難である。

セラミック粒子としてはアルミナ（Al₂O₃）−ジルコ
ニア（ZrO₂）−シリカ（SiO₂）系のものを使用する。Al
₂O₃−ZrO₂−SiO₂系セラミックはAl₂O₃単独粒子よりは軟
かくて相手材を傷付ける程度が小さく、しかも耐摩耗性
を向上させるのに充分な硬さを備えている。セラミック
の組成範囲はAl₂O₃:45〜55wt％、ZrO₂:25〜35wt％、SiO
₂:15〜25wt％が適当である。Al₂O₃が45wt％以下で耐摩
耗性が改善されず、55wt％以上では硬すぎて相手材を傷
付けるZrO₂は硬さをやわらげる働きをし、SiO₂は潤滑性
を向上させる働きをする。Al₂O₃の機能を補足する目的
でZrO₂とSiO₂はセラミック中でおのおの25〜35wt％、15
〜25wt％含まれていることが必要である。このようなセ
ラミック粒子としては昭和電工（株）製モランダムAZが
利用できる。もちろん球状であればなお好ましい。セラ
ミックの平均粒子径は２〜30μｍのものが好ましい。平
均粒子径が２μｍ未満では細かすぎて耐摩耗性の効果が
余り得られないし、30μｍ以上では熱間加工が困難にな
るとともに強度の低下をまねく。

セラミック粒子の添加量は１〜10wt％とする必要があ
る。1wt％以下では添加効果が発揮されず、10wt％を越
えると添加効果は飽和し、かえって材質強度の低下を招
くからである。

セラミック粒子の分散のための手段としてはアルミニ
ウム合金溶湯に分散させる方法、アルミニウム合金粉末
に混合し押出す方法のいずれでもよいが合金粉末に混合
して用いる方が好ましい。その理由はセラミック粒子を
多量に均一分散させるのはアルミニウム合金溶湯ではか
なり困難であるからである。セラミック粒子とアルミニ
ウム合金とからなる成形体を得る方法は例えば次のよう
にする。

アルミニウム合金溶湯をアトマイズ法や遠心微粉化法
など既知の方法によってアルミニウム粉末合金を得る。
このアルミニウム粉末合金に所定量のセラミックス粒子
を配合し、Ｖ型コーンミキサー等によって均一に混合す
る。そして得られた混合粉を200〜350℃に加熱して圧縮
成形する。成形圧力は0.5〜3ton/cm²程度でよい。そし
てつぎに350℃以上の温度、好ましくは400〜500℃の温
度で熱間押出しを行なえばよい。又この成形品は必要に
応じて焼なまし、焼入れ、焼きもどしなどの熱処理を行
って合金の強度を改善してもよい。最後に熱間鍛造など
のわずかな操作で最終製品でだるスプリングリテーナを
得る。

次に、本発明の実施例を挙げて説明する。

（実施例１） Si 14.5％、Cu 2.5％、Mg 0.5％、Fe 4.5％、Mn 2.0
％、残部がAlである合金組成を有する高Siアルミニウム
合金溶湯を空気アトマイズして冷却速度10³〜10⁴℃/sec
で急冷して急冷凝固粉末として、得られた粉末を−60me
shとなるようにフルイ分けを行った。

このアルミニウム合金粉末に表１に示す硬質セラミッ
ク粒子を3wt％添加し、Ｖ型混合器を使用して混合した
後、サンプルa,bについてはプレス成形法（CIP法）によ
り密度比75％の圧粉体を得た。冷間静水圧プレス成形法
においてはゴム製チューブ内に混合粉末を入れ、圧力1.
5〜3.0ton/cm²程度の静水圧下で成形した。サンプル
ｃ、ｄについては金型圧縮成形法にて密度比75％の圧粉
体を得た。金型圧縮成形法では金型内に混合粉末を入
れ、常温大気中で1.5〜3.0ton/cm²程度の圧力で成形し
た。

このようにして得られた圧粉体を炉内温度400℃の均
熱炉内に４時間保持し、次いでこの圧粉体で熱間押出加
工を施し、直径20.5mm,長さ400mmの丸棒状の押出棒を得
た。

この押出棒に表２に示す熱処理を施した後、引張試験
片SCCテスト用試験片を切出し、引張試験、SCCテスト、
150℃×2000時間大気中に暴露後の引張試験を行った。
これらの試験結果を表３に示す。

また比較のため、特開昭61−295301号公報の実施例中
に供試材No.3として示されている、17.5Si−2.9Cu−1.0
Mg−4.2Fe−2.1Mn−残Alの組成を有し、硬質セラミック
粒子を添加しない従来のアルミニウム合金を用い、最大
強度が要求される場合に適用されるT6処理を施した場
合、及び熱処理なしの場合について同様のテストを行な
った。これらのテスト結果を表３に合わせて示した。

（実施例２） Si 14.5％、Cu 2.2％、Mg 0.4％、Fe 4.5％、Mn 2.0
％、残部がAlである合金組成を有する高Siアルミニウム
合金溶湯を空気アトマイズして急冷凝固粉末として、得
られた粉末を−60meshとなるようにフルイ分けを行っ
た。次いで平均粒子10μｍ組成Al₂O₃:50.6％、ZrO₂:31.
1％、SiO₂:16.8％、Fe₂O₃:0.1％：TiO₂1.1％の組成を有
する昭和電工（株）製のモランダムAZ粒子を５重量％に
なるように前記急冷凝固粉末に配合し、Ｖ型コーンミキ
サーを使用して窒素ガス封入下で均一に混合した。これ
らの混合粉を250℃に１時間加熱した後、同温度に加熱
された金型中に充填し上下パンチにて圧縮成形してビレ
ットとした。次に該ビレットをArガス中で450℃で30分
間加熱した後熱間押出しによって丸棒を得た。その後、
約430℃に加熱されたスプリングリテーナ成形用金型に
鍛造用ブランクを配置し、上下より加圧することにより
熱間鍛造にてスプリングリテーナ素材を形成した。この
素材をT6処理したのち、材料試験を行ったところ、引張
強さ44.2kgf/mm²、0.2％耐力38f/mm²、伸び0.6％、硬さ
（HRB）93、シャルビー衝撃値0.50kgf/mm²であつた。

（摩耗試験）このようにして作ったアルミニウム合金−セラミック
ス複合材の摩耗試験を行った。

試験は第２図で示す方法で実施した。試験片13を試験
片ホルダ14で保持し、相手方回転円板15の外周面に一定
圧力で圧接させ、潤滑油供給管16から潤滑油を供給しな
がら摺動させる。試験片は５×５×20mmの角柱状を呈
し、先端摺動面には半径6mmの丸みが付せられ、研磨仕
上げが施されている。相手円板15はAA規格390番のアル
ミニウム合金（Si17％、Cu4.5％、Mn0.55％残部がAl）
のT6処理（480℃焼入れ後120℃×24時間焼もどし）した
ものでHRB 80の硬さを有し、外径44.2mmで、摺動外周面
は表面粗さ約1.5μｍに研磨仕上げが施されている。こ
のような装置によって相手円板15を3m/秒の周速で回転
させ、80±１℃に加熱されたコンプレッーサオイル（ス
ニソ5GSを500ml/minの割合で供給管から給油しながら試
験片13を相手円板15の外周面に3kg/mm²の押圧力で押付
け、摩擦距離を150kmとして試験片13と相手円板15とを
摺動させた。

この摩耗特性試験の結果を第４表に示す。

第４表より明らかなように本発明品はスプリングリテ
ーナとしての現用材であるクロモリ鋼に近い特性を有す
る。

このスプリングリテーナ素材に対して研削などの機械
加工を行って第１図に示されているスプリングリテーナ
１を製作した。このスプリングリテーナ１は長さ9mm、
外形32mm、筒状部17の外径15mm、円錐面18の大径端部の
直径11mm、円錐面18の傾斜角15°、フランジ部19の厚さ
4mmである。このスプリングリテーナについての性能を
評価すべく、実際のガソリンエンジンに組込む試験を行
ったところ十分な耐久性を有するものであることが確認
された。又スプリングリテーナおよびバルブスプリング
にも実質的な摩耗は生じなかった。さらにこのスプリン
グリテーナの重量は10.1gであり、従来のクロムモリブ
デン鋼製のスプリングリテーナは約20〜30gであるのに
対して1/2〜1/3への軽量化がはかられた。

（実施例３）アルミニウム合金としてSi 16.5％、Fe 5.5％、Mn 2.
5％を含む合金を使用し、Ｏ（オー）処理をした以外は
実施例２と同様の方法でスプリングリテーナを作製し
た。この素材の機械的性質は引張強さ40.1kgf/mm²、0.2
％耐力35.2kgf/mm²、伸び0.45％、硬さ（HRB）91、シャ
ルピー衝撃値0.41kgf/mm²であった。

これらの結果より、本発明によれば従来のアルミニウ
ム合金では得られなかった耐熱強度、高剛性、高耐摩耗
性を備え、耐SCC性も兼ね備えたアルミニウム合金を提
供することができることが明かとなった。

〔発明の効果〕

本発明に係るスプリングリテーナは（イ）従来の1/2
〜1/3と軽量になること，（ロ）熱伝導率が大きくバル
ブ−スプリング系統より発生する熱の放散が容易である
こと，（ハ）スプリングリテーナの摩耗がないこと，
（ニ）相手材であるバルブスプリングを摩耗させないこ
と，などの効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す概略図。第２図は摩耗
試験機を示す概略図、第３図はスプリングリテーナの作
用を示す概略図。１……スプリングリテーナ、２……バルブガイド、３…
…バルブステム、４……バルブフェース、５……バルブ
シート、11……ロッカーアーム、13……試験片、14……
試験片ホルダ 15……回転円板、17……筒状部、18……円錐面、19……
フランジ部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者椎名治男埼玉県和光市中央１―４―１株式会社本田技術研究所内 (72)発明者星雅巳埼玉県和光市中央１―４―１株式会社本田技術研究所内 (56)参考文献特開昭61−295301（ＪＰ，Ａ) 実開昭63−24311（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量比でSil0.0〜30.0％と、Fe0.5〜7.0％
とMn0.5〜4.0％とを含有し、残部が不可避的不純物を含
むAl合金から成るマトリックス中に、平均粒径２〜30μ
ｍで、Al₂O₃:45〜55wt％、ZrO₂:25〜35wt％、SiO₂15〜2
5wt％の組成を有するセラミック粒子を、重量比で１〜1
0％分散させてなることを特徴とするスプリングリテー
ナ。
【請求項２】重量比でSil0.0〜30.0％と、Fe0.5〜7.0％
とMn0.5〜4.0％とを含有し、さらにCu0.5〜5.0％および
Mg0.2〜3.0％を含み、残部が不可避的不純物を含むAl合
金から成るマトリックス中に、平均粒径２〜30μｍで、
Al₂O₃:45〜55wt％、ZrO₂:25〜35wt％、SiO₂15〜25wt％
の組成を有するセラミック粒子を、重量比で１〜10％分
散させてなることを特徴とするスプリングリテーナ。
【請求項３】Al合金マトリックスがアルミニウム合金粉
末成形体であることを特徴とする請求項１又は請求項２
記載のスプリングリテーナ。
【請求項４】Al合金マトリックス中のSi結晶粒の大きさ
が15μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は請求
項２記載のスプリングリテーナ。