JP3336485B2

JP3336485B2 - タペット

Info

Publication number: JP3336485B2
Application number: JP28729094A
Authority: JP
Inventors: 雅人谷口; 治鈴木
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 1994-10-26
Filing date: 1994-10-26
Publication date: 2002-10-21
Anticipated expiration: 2017-10-21
Also published as: JPH08119761A; US5922479A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一方の金属部材と他方
のセラミック部材とを接合する接合用ろう材により接合
された内燃機関の一部品のタペットについてである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、セラミック部材と金属部材を
接合する方法の一つとして、活性ろう材を用いた活性金
属法が採用されている。これを利用した接合体として、
セラミックターボチャージャロータ、セラミックタペッ
ト等が実用化されている。この活性金属法は、活性金属
（Ｔｉ、Ｚｒ等）を含む活性ろう材にてセラミック部材
と金属部材とを接合する方法である。この活性金属法
は、専ら、ろう材とセラミック部材との強度向上を目的
とした手段であり、ろう材とセラミック部材との間に反
応層を生成し、ろう材とセラミック部材とを強固に接着
することができ、その結果、セラミック部材と金属部材
とを強固に接合することができる。また、活性ろう材の
中でも特に低融点ろう材（固相点６００℃〜７５０℃）
としてＩｎ−Ｃｕ−Ａｇ−Ｔｉ系合金の接合用ろう材
が、セラミック部材と金属部材との熱膨張差による収縮
差（熱歪）を最小限に抑える方法として、自動車の摺動
部品等の低温で使用される部材同士の接合に使用されて
いる。タペット、ロッカーアーム、バルブブリッヂ等
を、Ｉｎ−Ｃｕ−Ａｇ−Ｔｉ系合金のろう材を用い、Ｓ
ｉ_３Ｎ_４とＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ鋼（ＳＮＣＭ６３０）を直
接ろう材することにより製作する技術が開示されてい
る。（特開平２−１９９０７３号公報）。一方、活性ろ
う材の中の高融点ろう材（固相点９００℃〜）も、実用
化されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記従来の活性ろう材
の中でも低融点ろう材を用いて接合した接合体は、引っ
張り応力、圧縮応力、ねじり応力等に対しての初期強度
は十分有している。しかし、実際の製品（接合体）の使
用時には、上記単純応力の他に温度変化によって部材同
士の熱膨張差により生ずる熱応力、長期間の使用による
疲労等の過酷な条件を伴うため、従来の活性ろう材の中
でも低融点ろう材を用いて接合した接合体は、十分対応
できない場合があった。例えばカムとの摺動面をセラミ
ックス部材により構成する内燃機関のタペットの場合、
セラミックス部材と金属部材（エンジンタペット本体）
とのろう材をも含む接合部の温度は、カムとの摺動によ
る摺動熱、エンジンオイル等により２００℃程度に上昇
する。その温度上昇が、セラミック部材（例えばＳｉ_３
Ｎ_４）と金属部材との熱膨張差による熱応力を生じさ
る。また、その温度上昇は、ろう材自体の耐力をも低下
させる。更に、長時間の使用により疲労も伴う。その結
果、使用時に金属部材とろう材との間で剥離等の劣化す
る場合があった。ここで、金属部材とろう材との接着強
度は、金属部材上の接合される面のぬれ性の程度に依存
したが、ぬれ性を向上させて金属部材とろう材との間で
の剥離を防止には限界があった。また活性ろう材高融点
のろう材を用いて接合すれば、温度上昇に対してもある
程度ろう材自体の耐力を低下させないことはできるかも
しれないが、使用時に発生する金属部材とセラミックス
部材との熱膨張の差に起因する応力による金属部材とろ
う材との剥離は、防止することできなかった。

【０００４】本願発明の目的は、接合部に部材同士の熱
膨張差による熱応力が発生しても、金属部材と接合用ろ
う材との間に剥離等を生じないタペットを提供すること
を目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】その解決手段は、本体を
構成する金属部材とカムとの摺動面を構成するセラミッ
ク部材とが、Ａｇ、Ｃｕ、Ｉｎ及びＴｉを含有し、Ｎｉ
が０．０３〜１．２重量％含有されている接合用ろう材
にて接合されたタペットである。その接合用ろう材は、
Ａｇが５０〜８０重量％、Ｉｎが５〜２０重量％、Ｔｉ
が０．５〜３重量％、Ｃｕが１５〜５０重量％の範囲で
あることが望ましい。そのセラミック部材が窒化珪素焼
結体であることが望ましい。

【０００６】また接合対象の金属部材としては、熱膨張
係数の比較的大きい（平均１２×１０^−６／℃、５００
℃まで）、例えばＪＩＳＳＮＣＭ６３０、ＳＮＣＭ６
１６、ＳＫＣ２４、ＳＮＣＭ８１５等の炭素鋼、鉄等の
金属部材である。一方、接合対象の金属部材としては、
熱膨張係数の比較的小さい（平均５×１０^−６／℃、５
００℃まで）、例えばインコロイ、Ｗ、４２アロイ、Ｍ
ｏ、コバール等である。接合対象のセラミック部材（平
均３×１０^−６／℃、５００℃まで）としては、窒化珪
素（熱膨張係数約：２×１０^−６／℃）をはじめとして
サイアロン（２×１０^−６／℃）、窒化アルミニウム
（４．５×１０^−６／℃）、炭化珪素（４．５×１０
^−６／℃）等が挙げられる。

【０００７】Ａｇの含有量としては、５０〜８０重量％
が好ましく、５５〜７５重量％が特に好ましい。Ａｇの
含有量が、５０重量％未満または８０重量％を越える
と、接合層となるろう材の構成合金の溶融状態での流動
性が低下するうえ、接合層の機械的強度が低下するので
好ましくない。Ｃｕの含有量としては、１５〜５０重量
％が好ましく、２５〜４０重量％が特に好ましい。Ｃｕ
の含有量が、２５重量％未満または４０重量％を越える
と、接合層となるろう材の構成合金の溶融状態での流動
性が低下し、部材間の接合部の隙間へ溶融合金が流れ込
みにくくなるうえ接合層となるろう材のの機械的強度も
低下するので好ましくない。Ｉｎの含有量としては、５
〜２０重量％が好ましく、１０〜１５重量％が特に好ま
しい。Ｉｎの含有量が、５重量％未満または２０重量％
を越えると、融点が上昇し、ろう材自体の粘性が低下す
るので好ましくない。Ｔｉの含有量は、０．５〜３重量
％が好ましく、１〜２重量％が特に好ましい。、Ｔｉの
含有量が、０．５重量％未満または３重量％を越える
と、接合強度が極端に低下するので好ましくない。本願
発明のＮｉの含有量は、０．０３重量％より少ないとＣ
ｕの偏析が大きく生じ、１．２重量％を越えるとろう材
の溶融状態での流動性が悪化し、接合が正常に行われな
い。

【０００８】

【作用】Ａｇ、Ｃｕ、Ｉｎ及びＴｉを含有するろう材に
所定量のＮｉを含有させると、Ａｇのマトリックス中の
Ｃｕの偏析が抑制され、接合後に極めて分散の良いろう
材の組織が得られる。その結果、そのろう材によって接
合されたタペットにおいては、タペットの接合部のろう
材自身の熱間強度が向上する。また、Ｎｉの添加により
ろう材の粘性が増す。その結果、接合時の加熱及び加重
（部材の接合面に垂直な方向）に対して、Ｎｉが所定量
添加しないろう材で接合した場合に比べ、接合後のタペ
ットのろう材の厚みが若干厚くなる。そのため、Ｎｉを
所定量添加しないろう材を用いて接合した場合に比べ、
その若干厚くなったろう材の層が、接合される部材同士
の熱膨張差による熱応力を緩和する緩衝層の役割を果た
す。よって、金属部材とセラミックス部材とをろう材を
会して接合した場合でも、金属部材とろう材との間に剥
離等生じない。

【０００９】

【実施例】この接合用ろう材（合金）は、所定の原料を
溶解し、脱脂、焼純等した後、所望の形状へ圧延、引き
抜き等の加工をして板状、棒状、ワイヤー状等に成形さ
れる。その接合用ろう材を、両部材間に配置し、それぞ
れの接合される面にほぼ垂直に荷重をかけることにより
接合用ろう材を両部材に密着させながら、両部部材を接
合する。一方、片方の部材の自重を利用すれば、重り等
による荷重はなくてもよい。

【００１０】−実験例− （基礎評価温度）セラミック部材（Ｓｉ_３Ｎ_４）である円板３（直径３５
ｍｍ，厚さ１．５ｍｍ）は、窒化珪素粉末９０％にアル
ミナイットリア系焼結助材及び成形バインダを加え、金
型プレスにより円板状の成形体をに成形し、窒化雰囲気
で焼成し端面をラップ仕上げし得た。金属部材として、
表１に示す金属部材２（直径３５ｍｍ，厚さ５０ｍｍ）
を用意した。接合用ろう材として、表１に示す組成の接
合用ろう材１を準備した。そして、セラミック部材３の
上に接合用ろう材１を置き、そのうえに金属部材２を置
き、更に、金属部材の上に重りを乗せて真空中に７９５
℃を３０分保持し、Ｎ_２ガス置換炉冷し両部材者を接合
し、接合体４を得た（図１）。

【表１】実験例、比較例のそれぞれの試料を各１０ヶ製
作し、３００℃の炉中に放置する評価を実施した。この
評価は、セラミックス部材であるＳｉ_３Ｎ_４（熱膨張係
数：約２×１０^−６／℃）と表１に示す金属部材との熱
膨張率の差に起因する金属部材と接合用ろう材との界面
からの剥離に至るまでの時間を評価する。セラミックス
部材と金属部材のそれぞれの接合面には、接合面に沿っ
て作用するせん断力を生ずる。ここで、接合用ろう材に
よるセラミック部材と金属部材との熱膨張係数の差によ
る剥離は、セラミックス部材と接合用ろう材との間よ
り、金属部材と接合用ろう材との間で起こりやすい。そ
れはセラミックス部材と接合用ろう材との間には、反応
生成物が生成されているため強固に接着しているからで
ある。よって、金属部材と接合用ろう材との剥離が、接
合面の全面積の５０％に至る時間を表１に整理した。剥
離が、接合面の全面積の何％かは、超音波により測定し
た。結果を表１に示す。本願発明のろう材を用いて接合
した本願発明の接合体は、比較例のものに比べて剥離に
至るまでの時間が長かった。それは、所定量のＮｉがろ
う材に含まれているため、ろう材と金属部材が強固に接
合され、両部材の熱膨張差に起因する熱応力に対しても
十分対応できるものであった。また、実施例Ｎｏ．１
（図２）と比較例Ｎｏ．１１（図３）の接合体の接合用
ろう材の断面組織を観察した。本願実施例では、所定量
のＮｉ含有により、Ｃｕの偏析が抑制され結晶微細化作
用が認められた。また、接合後の本願実施例のろう材の
厚みは、粘性が高いため、比較例に比べ厚かった。

【００１１】−実験例２− （実態評価温度＋負荷）セラミックス部材としてＳｉ_３Ｎ_４焼成体３（直径４０
ｍｍ、厚さ２ｍｍ）の両端面を研摩したものを、金属部
材として鍛造で製作した本体を構成する金属部材２を表
２の接合用ろう材１を介し、真空炉の中で８００℃を３
０分保持することにより接合し、カム６との摺動面を構
成するセラミック部材３で形成したセラミックタペット
４を得た（図４）。

【表２】そのタペットを図５に示すカムモータリング装
置８にセットし、図６に示す下記モードで運転した。図
６の「ＯＮ」、「ＯＦＦ」は、カムとタペットの間への
オイルの供給の有無を示す。このモードでは、カムとタ
ペットの間へのオイルの供給しない「ＯＦＦ」の場合、
カムとタペットとの間のオイル切れが発生するので摺動
温度により接合部は２００℃以上となる。結果を表２に
示す。本願発明のろう材を用いたタペットは、熱応力、
疲労等に対しても十分対応できるものであった。

【００１２】実施例では、金属部材とセラミックス部材
と接合し評価したが、両部材間に応力を緩和する中間層
を介しても良い。この場合、両部材間にろう材、中間
層、ろう材という順に配置されることとなる。中間層
は、Ｃｕ、Ｎｉ等の軟質金属がよい。

【発明の効果】本願発明のタペットは、接合部に部材同
士の熱膨張差による熱応力が発生しても、金属部材と接
合用ろう材の間に剥離等が生じない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明の接合用ろう材で接合した本願発明の
接合体を示す斜視図。

【図２】（Ａ）本願発明の接合用ろう材の断面をＥＰＭ
Ａ（電子プローブマイクロアナライザ）にて測定した金
属組織の写真と（Ｂ）その金属組織の説明図。

【図３】（Ａ）比較例の接合用ろう材の断面をＥＰＭＡ
（電子プローブマイクロアナライザ）にて測定した金属
組織の写真と（Ｂ）その金属組織の説明図。

【図４】本願発明の接合用ろう材で接合した本願発明の
接合体（タペット）を示す軸方向の断面図。

【図５】カムモータリング装置を表す正面図。

【図６】カムモータリング装置にセットし、運転する際
のモードを示す図。

【符号の説明】

１接合用ろう材２金属部材（本体を構成する金属部材）３セラミックス部材４接合体（タペット）５プシュロッド６カム７スプリング８カムモータリング装置

【表１】

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】本体を構成する金属部材とカムとの摺動
面を構成するセラミック部材とが、Ａｇ、Ｃｕ、Ｉｎ及
びＴｉを含有し、Ｎｉが０．０３〜１．２重量％含有さ
れている接合用ろう材にて接合されたことを特徴とする
タペット。
【請求項２】前記接合用ろう材のＡｇが５０〜８０重
量％、Ｉｎが５〜２０重量％、Ｔｉが０．５〜３重量
％、Ｃｕが１５〜５０重量％である請求項１記載のタペ
ット。
【請求項３】前記セラミック部材が窒化珪素焼結体で
ある請求項１または２記載のタペット。