JP3749803B2 - セラミック摺動部品 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のタペット、バルブブリッジ、バルブリフター等の動弁系摺動部品等に適したセラミック摺動部品に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、上記のような摺動部品は、摺動面側をセラミック板により構成し、これをろう付け等により金属体に接合した構造のものが多く使用されている。セラミック板は、例えば製造時(あるいは製造後の取扱い時)に、欠けやチッピング等が生じやすく、これを防止するために板面縁に一定量の面取りを施すことが必要不可欠である。また、セラミック板が接合される金属体はセラミックほどには欠け等は問題にならないが、やはり角部保護のために、その接合端面周縁に同様の面取りが施されることがほとんどである。
【0003】
しかしながら、上記のような面取りは、例えば、セラミック板の摺動面及び接合面の両側に面取りを備えたセラミックの円板と接合面側に面取りを有する金属体とを、突き合わせろう付けした構造の場合、接合外周部に溝状の一種の切欠きを形成する形となる。そのため、例えばカム等の摺動に伴いセラミック板に外周部に応力が集中すると、軟質のろう材層外周部の変形等により、接合界面を起点としたクラックや剥離が生じやすくなる問題がある。
【0004】
本発明の課題は、セラミック体あるいは金属体に施す面取り部の形状あるいは大きさの制御により、セラミック体と金属体との接合部の耐久性に優れたセラミック摺動部品を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
接合型のセラミック摺動部品の場合、セラミック体の接着性の向上や、ろう付け後のセラミック体表面の振れ抑制、さらには平面度、平行度、面粗さを調整するために、焼成後のセラミック体の両面を研削加工することが非常に多い。ここで、セラミック体は、未焼成の粉末成形体の段階ではエッジ等に特に欠け等を生じやすいから、成形段階で面外縁部に面取りを施すことが一般的である。この場合、焼成時には、各セラミック円板に生ずる面取り量ががほぼ同等であったものが、研削量の相違により面取り部幅も変化して大小が生じる。例えば、セラミック体の両面に面取りを施す場合は、研削量の相違により両面の面取り幅に差が生ずることもある。これらはいずれも、最終的に得られる接合体の各面取り部の内縁位置のばらつきとなって現われる。また、接合時に生じるセラミック体と金属体とのズレ等も面取り内縁位置のばらつきに大きく影響する。
【0006】
そして、本発明者らは、上記のような状況に鑑みて鋭意検討を行った結果、面取り部による外周の切欠構造がセラミック体と金属体との接合周縁部に生ずる摺動部材の場合、セラミック体や金属体に施される面取り部の内縁の位置関係が、接合体の耐久性に大きな影響を与えることを見い出し、本発明を完成するに至ったのである。
【0007】
すなわち、本発明のセラミック部品の第一の構成は、セラミック体の裏面側を接合面として、これを金属体の端面にろう付け接合した構造を有し、そのセラミック体の表面側を摺動面としたセラミック摺動部品において、
セラミック体の摺動面と、同じくセラミック体の接合面及び金属体の端面の少なくとも一方との各外周縁に面取り部が施されるとともに、セラミック体摺動面側面取り部の内縁が、セラミック体接合面側面取り部の内縁及び/又は金属体端面側面取り部の内縁よりも内側に位置していることを特徴とする。
【0008】
セラミック体の接合面及び金属体の端面の少なくとも一方との各外周縁に面取り部が施されれば、接合周縁部に、前述したような周方向の切欠構造を生ずる。しかしながら、本発明のセラミック部品の第一の構成のように、セラミック体摺動面側面取り部の内縁を、セラミック体接合面側面取り部の内縁と金属体端面側面取り部の内縁との少なくともいずれかよりも内側に位置するよう、上記各内縁の位置を調整することにより、例えばカム等が当接して摺動した際に、ろう付け接合層外周部への応力集中ひいてはその塑性変形等を劇的に低減でき、耐久性が向上したセラミック部品を実現できる。
【0009】
上記セラミック部品の第一の構成においては、セラミック体摺動面側面取り部の幅を0.5〜1.5mmの範囲に調整することが望ましい。面取り部の幅が0.5mm未満では、ろう付け接合層外周部への応力集中ひいてはその塑性変形等を低減する効果が不十分となり、接合部の耐疲労強度等の低下につながる場合がある。一方、幅1.5mmを超える面取り部は、セラミック体の外縁部の無用な薄肉化を招き、セラミック体外縁部の強度そのものが不足して、欠け等の不具合や耐摩耗性あるいは耐疲労性の低下を招く場合がある。面取り部の幅は、より望ましくは0.5〜1.0mmの範囲にて調整することが望ましい。なお、本明細書において、面取り部の幅とは、セラミック体と金属体との接合方向と直交する基準面を考えたときに、面取り部をこの基準面に投影したときの内縁/外縁間距離として定義する(例えば、セラミック体と金属体との接合面を円形状に形成する場合、その周縁に形成される環状の面取り部の幅は、接合面半径方向の面取り部幅寸法を意味する)。
【0010】
一方、本発明のセラミック部品の第二の構成は、セラミック体の裏面側を接合面として、これを金属体の端面にろう付け接合した構造を有し、そのセラミック体の表面側を摺動面としたセラミック摺動部品において、
セラミック体の摺動面外周縁に面取り部が形成される一方、該セラミック体と金属体との外周面が、両者の間に形成されるろう付け接合層とともに略面一となるように面仕上されており、
かつ、セラミック体摺動面側面取り部の幅が0.3〜1.5mmの範囲にて調整されていることを特徴とする。
【0011】
セラミック体と金属体との外周面を、両者の間に形成されるろう付け接合層とともに略面一となるように、例えば外周研磨あるいは外周切削等にて面仕上げすることにより、第一の構成とは異なり、接合周縁部には前述したような周方向の切欠構造が実質的にほとんど生じなくなる。そして、これを前提として、セラミック体摺動面側面取り部の幅を0.3〜1.5mmの範囲にて調整することで、カム等が当接して摺動した際に、ろう付け接合層外周部への応力集中ひいてはその塑性変形等を劇的に低減でき、耐久性が向上したセラミック部品を実現できる。
【0012】
該第二の構成において、面取り部の幅が0.3mm未満では、ろう付け接合層外周部への応力集中ひいてはその塑性変形等を低減する効果が不十分となり、接合部の耐疲労強度等の低下につながる場合がある。一方、幅1.5mmを超える面取り部は、セラミック体の外縁部の無用な薄肉化を招き、セラミック体外縁部の強度そのものが不足して、欠け等の不具合や耐摩耗性あるいは耐疲労性の低下を招く場合がある。面取り部の幅は、より望ましくは0.5〜1.0mmの範囲にて調整することが望ましい。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
図1は本発明のセラミック摺動部品たるタペットが使用されたオーバーヘッドバルブ機構を示している。カム100の回転によりタペット1及びプッシュロッド103が上下運動し、ロッカアーム102を介してバルブ101を開閉させる。図2は、タペット1の拡大図である。該タペット1は、ろう付け接合層の要部をなすろう材層3を介して、金属体(以下、タペット金具ともいう)2とセラミック体(以下、セラミック板ともいう)4とが接合された構造を有している。タペット金具2は鉄系材料にて構成され、円状断面の本体部1aの一方の端部側に、軸線方向のプッシュロッド挿通孔1cを開口する一方、他方の端部側に本体部1aよりも大径の摺動基体部1bが一体形成された形状をなす。他方、セラミック板4は窒化珪素の焼結体として円板状に構成され、摺動基体部1bの平坦な端面に重ね接合されている。また、ろう材層3を構成するろう材は、Cu系あるいはAg系ろう材が使用される。そして、セラミック板4の、ろう材層3と接しているのとは反対側の端面がカム100との摺動面4aとされている。
【0014】
セラミック板4の摺動面4aには、図中やや誇張して示すように、クラウニング(中央部が突出する小さな曲率)が施されている。このクラウニングは、金属体2とセラミック板4とをろう付け接合して冷却する際に、金属体2がセラミック板4よりも大きく収縮することを利用して、セラミック板4を中央部が盛り上がるように弾性変形させることで形成されたものである。
【0015】
次に、図3(a)に示すように、セラミック板4の摺動面4aと、同じくセラミック板4の接合面4b及び金属体2の端面2aの少なくとも一方(この実施例では双方)との各外周縁に面取り部4c,4d,2cが施される。このように面取り部4c,4d,2cが施されることで、セラミック板4と金属体2との接合周縁部には、ろう材層3の外周露出面を底面とし面取り部4d,2cを内側面とする、略C字状断面の周方向の切欠1aを生ずる。そして、上記のタペット1では、セラミック体摺動面側面取り部4cの内縁が、セラミック体接合面側面取り部4dの内縁と金属体端面側面取り部2cの内縁との少なくともいずれか、夲実施例では両面取り部4d,2cの双方の内縁に対し、全周にわたってその内側に位置している(第一の構成)。
【0016】
このような構成を採用することによる作用及び効果について、以下に説明する。
タペット1の耐久性を大きく左右する因子として、カム100のタペット1の摺動面4a外周への当たり方(例えば、カム摺動範囲やカム面のタペットに対する当たり角)が挙げられる。例えば、エンジン側のブロック穴寸法精度やカム100の加工精度(例えばカムテーパやカム幅の形成精度)、あるいはタペットの組付け精度等によって、カム100が摺動面4aの最外周にエッジ当たりするようなケースでは、ろう材層3を含む接合部へのダメージが大きい。
【0017】
例えば、摺動面4aの偏摩耗防止のため摺動面4aのクラウニングを利用して、カム100の摺動に伴いタペット1を回転させることが行われる。カム100は、この目的のため、図7(a)及び(b)に示すように、タペット1の回転軸線O1に対してカム100の幅方向中心線O2を片側に寄るように偏心(オフセット)させ、また、カム100の外周面幅方向には、タペット1の摺動面4aの外縁側から回転軸線O1側に向けて下るカムテーパが付与されている(なお、図では、摺動面4aにおけるカム摺動範囲をハッチング領域にて示している)。このとき、アイドリング時などカム100の回転が低速の場合は、図7(c)に破線で示すように、カム100からセラミック板4に加わる衝撃力が、クラウニングの頂点となる摺動面4aの中央付近(すなわち、タペット1の質量中心に近いに位置)にて最大となる。しかしながら、高速回転状態においては、動弁系の慣性力や、上記カムテーパの付与形態の影響を受けて、図中実線で示すように摺動面4aの外周縁付近に非常に大きな衝撃力が加わる形となる。
【0018】
その際、図3(a)の、各面取り部4c,4d,2cの内縁位置(図中、A,B,Cにて表示)がろう材層4による接合部の耐疲労性に大きく影響する。すなわち、図3(c)に示すように、セラミック体摺動面側面取り部4cの内縁Aが、金属体端面側面取り部2cの内縁Cよりも外側にある場合は、セラミック板4を経てカム100から加わる衝撃力が大きくなり、ろう材層3に生じる塑性歪みが大きくなって耐久性が著しく低下する場合があった。
【0019】
しかしながら、上記のように、セラミック体摺動面側面取り部4cの内縁Aを、セラミック体接合面側面取り部4dの内縁Bあるいは金属体端面側面取り部2cの内縁Cよりも内側に位置するよう、上記各内縁A〜Cの位置を調整することにより、ろう付け層4の外周部への応力集中ひいてはその塑性変形等を劇的に低減でき、接合部の耐疲労性能を大幅に向上させることができる。
【0020】
セラミック板4の接合面4b及び金属体2の端面2aの双方の各外周縁に面取り部4d,2cが施される場合、図3(b)に示すように、セラミック体摺動面側面取り部4cの内縁Aが、セラミック体接合面側面取り部4dの内縁Bと金属体端面側面取り部2cの内縁Cとの一方に対してのみ(この場合、Cに対してのみ)のみ、内側に位置する形となっていてもよい。これによっても、内縁Aが内縁B,Cの双方よりも外側にある図3(c)の態様と比べれば、ろう付け層4の外周部への応力集中を減少させる効果がある。この効果を高めるには、セラミック体摺動面側面取り部4cの内縁Aが金属体端面側面取り部2cの内縁Cよりも内側に位置していることが望ましい。そして、図3(a)のように、内縁Aが内縁B,Cの双方よりも内側に存在する態様を採用すれば、さらに上記の効果は顕著なものとなる。
【0021】
接合面4b及び端面2aの双方に面取り部4d,2cを形成する場合、接合時に生じるセラミック板4と金属体2とのズレや、面取りサイズ(幅)のばらつき等を加味して、摺動面4a側の面取り部4cを接合面4b側あるいは端面2a側の面取り部2cより大きくしたセラミック板4を接合することにより、各面取り部内縁A〜Cが上記の位置関係をもつ本発明のセラミック摺動部材を作製することができる。なお、摺動面4a側の面取り部4c(カムからの荷重が集中しやすい位置)の内縁Aを、比較的接合劣化の起点となりやすい金属体2の端面2a側の面取り部2cの内縁Cよりも内側に位置させることで、カム100の当接時において面取り部に発生する剪断応力を軽減できる。
【0022】
なお、図4に示すように、セラミック体接合面側面取り部を省略し、該面の該周縁をピン角に近い形としてもよい。この場合、セラミック体摺動面側面取り部4cの内縁Aを、金属体端面側面取り部2cの内縁Bよりも、全周にわたって内側に位置させるようにすれば、ろう付け層4の外周部への応力集中ひいてはその塑性変形等を劇的に低減できる。また、セラミック体接合面側面取り部を形成しない分だけ、接合面側の研削等による加工仕上を簡略化あるいは省略することも可能となる。
【0023】
なお、上記の第一の構成では、また、セラミック体摺動面側面取り部4cの幅xは、0.5〜1.5mm、望ましくは0.5〜1.0mmの範囲にて調整される。さらに、図4のように、セラミック体接合面側面取り部と金属体端面側面取り部との一方のみが形成される場合(図では後者2cのみ)は、その面取り部の内縁を基準面取り縁(図ではC)とし、また、図3双方が形成される場合は、セラミック体摺動面側面取り部4cの内縁Aよりも外側において、その最も近くに位置するものの内縁(図では、面取り部2cの内縁C)を基準面取り縁として、セラミック体摺動面側面取り部2cの内縁Aと基準面取り縁との間の距離δが0.1mm以上確保されていることが望ましい。該距離δが0.1mm未満であると、前記したろう付け層4の外周部への応力集中ひいてはその塑性変形等を低減する効果が不十分となり、接合部の耐疲労性能の改善が望めなくなる場合がある。
【0024】
上記タペット1は、図5(a)に示すように、セラミック板4の摺動面外周縁に面取り部4cを同様に形成する一方、該セラミック板4と金属体2との外周面が、両者の間に形成されるろう材層(ろう付け接合層)3とともに略面一となるように、研磨等により面仕上げした構成とすることもできる。なお、セラミック体摺動面側面取り部4cの幅は、0.3〜1.5mm、望ましくは0.5〜1.0mmの範囲にて調整される。
【0025】
この構成によれば、図3及び図4に示すような接合周縁部の切欠1aが実質的にほとんど生じなくなる。そして、これを前提として、セラミック体摺動面側面取り部4cの幅xを0.3〜1.5mmとし、セラミック体摺動面側面取り部4cの内縁を接合劣化の起点となる接合外周から離間させることで、ろう材層4の外周部への応力集中ひいてはその塑性変形等を大幅に低減でき、接合部の耐疲労性能を大幅に向上させることができる。
【0026】
この場合、例えばセラミック板4の接合面側あるいは金属体2の端面側にも面取り部を形成した状態にて両者をろう付け接合し、例えば接合面側の面取り部が略完全に消滅するまで外周研磨を行って、セラミック板4、金属体2及びろう材層3の外周面を略面一となるように加工する。結果的に、図5(a)に示すように、セラミック板4及び金属体2の接合面側外周面は、ほぼピン角の状態となる。なお、図5(b)に示すように、セラミック板4の接合面側あるいは金属体2の端面側に、面取り部4dあるいは2cが一部残留する形で、外周面を面一仕上してもよいが、ろう材層4の外周部への応力集中抑制の観点においては、図5(a)の態様の方がより有利であるといえる。
【0027】
なお、図3〜図5において、セラミック板(セラミック体)4と金属体2との接合方向(この場合、タペット1の回転軸線O1の向き)と直交する基準面BPと、セラミック体摺動面側面取り部4cとのなす角度θは、20°〜50°の範囲にて調整するのがよい。角度θが20°未満になると、欠け防止等の効果が不足するばかりでなく、ろう材層4の外周部への応力集中抑制の効果も不十分となる場合がある。また、50°を超えると、面取り部幅xが不足しやすくなり、ろう材層4の外周部への応力集中抑制の効果が不十分となる場合がある。なお、角度θは、より望ましくは25°〜45°の範囲にて調整するのがよい。
【0028】
また、図8に示すように、カム100の周面の、回転軸線O3に関してノーズトップと反対側に位置する点をカム底点として、そのカム底点が摺動面4aに接しているときの当該カム底点における接平面APと、同じく周面におけるカムノーズ部の開始点(カムノーズ部外形線がカム基円から外れはじめる点)が摺動面4aに接しているときの当該開始点における接平面CPとのなす角度をカム当り角φと定義したときに、セラミック体と金属体との接合方向と直交する基準面と、セラミック体摺動面側面取り部とのなす角度θは、φ−10°以上、φ+10°以下に調整しておくことが、ろう材層4の外周部への応力集中抑制の効果を高める上で、より望ましい。
【0029】
金属体2を構成するFe系材料としては、各種炭素鋼、合金鋼(ステンレス鋼あるいは耐熱鋼を含む)、あるいは鋳鉄を使用できる。例えばJISに規定されたものでは、次のようなものを例示できる(組成の単位は重量%)。
(1)機械構造用Ni−Cr−Mo鋼:SNCM630(C:0.25〜0.35、Si:0.15〜0.35、Mn:0.35〜0.60、Ni:2.5〜3.5、Cr:2.5〜3.5、Mo:0.5〜0.7、残Fe(単位:重量%、以下同じ))、SNCM439(C:0.36〜0.43、Si:0.15〜0.35、Mn:0.6〜0.90、Ni:1.6〜2.0、Cr:0.6〜1.0、Mo:0.15〜0.3、残Fe)、SNCM447(C:0.44〜0.50、Si:0.15〜0.35、Mn:0.6〜0.90、Ni:1.6〜2.0、Cr:0.6〜1.0、Mo:0.15〜0.3、残Fe)等。
(2)機械構造用Cr−Mo鋼:SCM445(C:0.43〜0.48、Si:0.15〜0.35、Mn:0.6〜0.85、Cr:0.9〜1.2、Mo:0.15〜0.3、残Fe)等。
(3)機械構造用Cr鋼:SCr440(C:0.43〜0.48、Si:0.15〜0.35、Mn:0.6〜0.85、Cr:0.9〜1.2、残Fe)、SCr415(C:0.13〜0.18、Mn:0.60〜0.85、Cr:0.90〜1.20、残Fe(単位:重量%))等。
(4)機械構造用炭素鋼:S50C(C:0.47〜0.53、Mn:0.6〜0.9、残Fe)等。
【0030】
また、セラミック体4は、上記の通り窒化珪素を主体に構成することができる。窒化珪素は機械的強度、耐磨耗性及び耐食性に優れ、例えばタペットなど、高温・高負荷かつ腐食性の苛酷な環境下で使用される動弁系摺動部品においても、十分な強度及び耐久性を確保することが可能である。なお、窒化珪素以外では、サイアロン、炭化珪素、窒化アルミニウム等も使用も可能である。
【0031】
また、ろう材層3を形成するためのろう材は、Agを主成分とするAg系ろう材を使用することができる。本発明にて使用可能なAg系ろう材には、Ag−Cu−Ti系ろう材(Cu:33.0〜37.5(例えば35.25)、Ti:1.0〜2.5(例えば1.75)、残部Ag(単位:重量%、以下同じ))、Cu−Al−Si−Ti系ろう材(Al:1.0〜3.0(例えば2.0)、Si:2.0〜4.0(例えば3.0)、Ti:1.0〜3.5(例えば2.25)、残部Cu)、Ag−Cu−In−Ti系ろう材(Cu:25.0〜29.5(例えば27.25)、In:10〜15(例えば12.5)、Ti:0.5〜2.0(例えば1.25)、残部Ag)等がある。Ag系ろう材を使用した場合のろう材層の厚さは、本発明の効果を十分に達成する上で、10〜50μmの範囲にて調整するのがよい。
【0032】
一方、Cuを主成分とするCu系ろう材を使用れば、ろう材層の耐熱性、ひいては接合体の高温接合強度をさらに高めることができる。Cu系ろう材としては、Cuを80重量%以上含有するものを使用することで、接合部の耐熱性にとりわけ優れた接合体を得ることができる。Cu系ろう材としては、具体的にはCu−Al−Si−Ti系のろう材を使用することができる。Cuの含有量は前述の通り80重量%以上に設定することで、ろう材層の耐熱性が特に良好となる。Alは主にろう材の融点を調整する働きをなし、含有量が高いほどろう材の融点が低下する。一方、Siはろう材が溶融してできる液相の流れ性を高め、空隙等の欠陥が少ない接合構造を形成するのに寄与する。ただし、Si含有量が0.1重量%未満になると液相の流動性改善効果が乏しくなり、逆に8重量%を超えるとろう材層が脆弱化して接合強度の低下につながる場合がある。
【0033】
なお、活性金属成分たるTi(ZrやHf等も使用できる)が10重量%を超えるとセラミックス被接合体との界面反応生成物の量が増大して接合強度が低下するため、活性金属の含有量は10重量%以下、望ましくは5重量%以下の範囲で調整するのがよい。なお、Alの含有量は、Si及び活性金属成分の含有量と、ろう材の狙い融点(固相線温度)とを勘案して、0.1〜5重量%の範囲で適宜調整する。なお、上記以外のCu系ろう材としては、Cu−Pd−Si−Ti系、Cu−Si−Ti系、Cu−Si系等を使用できる。Cu系ろう材を使用した場合のろう材層の厚さは、本発明の効果を十分に達成する上で、30〜80μmの範囲にて調整するのがよい。
【0034】
なお、ろう材層3と金属体2あるいはセラミック体4との各隣接境界(あるいは接合界面)は、成分拡散等のため一般には不明瞭となることが多い。具体的には、各隣接境界付近に、成分の拡散ないし反応により拡散層あるいは反応層(以下、両者を総称して拡散・反応層という)が形成されることがある。本明細書においては、図6に示すように、金属体とセラミック体との接合方向において、セラミック体を構成する金属イオンあるいは珪素イオン等のカチオン成分のうち、最も含有量の高いもの(以下、主カチオン成分という)の濃度をセラミック体側からろう材層側に向けて分析した場合に、該主カチオン成分濃度の分析値レベルが、その平均濃度Cmの1/2となる位置を、セラミック体とろう材層との境界BXとして定めるものとする。また、同様に金属体を構成する金属成分のうち、最も含有量の高いもの(以下、主金属成分という)の濃度を金属体側からろう材層側に向けて分析した場合に、該主金属成分濃度の分析値レベルが、その平均濃度Mmの1/2となる位置を、金属体とろう材層との境界BYとして定めるものとする。そして、両境界間の距離をろう材層の厚さtとして定義する(ただし、ろう材層の厚さに分布を生じている場合には、その平均値にて代表させるものとする)。なお、こような分析は、電子プローブ・マイクロ・アナライザ(EPMA)、EDS(エネルギー分散型X線分光)及びWDS(波長分散型X線分光)、オージェ電子分光法(AES)等の公知の方法により実施することができる。
【0035】
なお、上記の実施例では、セラミック体4を金属体2に直接ろう付け接合していたが、接合熱処理時等における金属体2とセラミック体4との間の熱膨張差に起因した残留応力(あるいは熱応力)を緩和するために、金属体2とろう材層3との間に中間層(あるいは緩衝板)を介挿することもできる。この中間層は、例えばCuやNi等の軟質金属を主体とするもので構成でき、自身の塑性変形により上記残留応力を緩和する効果をさらに高める働きをなす。また、W合金やコバール等、セラミック体4と金属体2との中間の線膨張係数を有する材質で中間層を構成してもよい。なお、中間層は、上記材質の薄板を金属体2側にろう付け等により接合する一方、セラミック体4側には上記ろう材層3を介して同様にろう付け接合することができる。この場合、接合により一体化した金属体2と中間層との全体をあらためて金属体2とみなおせば、当該構造も本発明の請求項に記載した接合体の構成を有していると見ることができる。前記した金属体端面側面取り部は、この中間層に形成することができる。
【0036】
【実施例】
(実施例1)
本発明のタペット(接合体)1の性能を確認するために、以下の条件で試作品を製作した。まず、鋼材として、JISに規定された合金鋼SNCM630を鍛造、機械研削することにより図2に示した形状のタペット金具2を作製した。他方、Si3N4原料100重量部に対し、Al2O3−Y2O3系焼結助剤と、成形バインダとを配合して金型プレスにて成形し、脱バインダした後、N2ガス雰囲気にて1700℃で常圧予備焼結した後、N2ガス雰囲気で1700℃・100気圧にてガス圧焼成し、円板状の焼成体を得た。こうして得られた焼成体の両面を研削してセラミック板4を作成した(厚さ1.5mm)。そして、上記タペット金具2とセラミック板4との間にろう材箔を挟み込み、真空雰囲気にてろう付け接合することにより、図9に示す形状の各種タペット1を各々n=2にて得た。また、使用したろう材箔は、Ag−Cu−In−Ti系ろう材(Cu:27.25wt%、In:12.5wt%、Ti:1.25wt%、残部Ag、厚さ0.040mm)であり、ろう付け条件は真空雰囲気にて800℃×2hr、ろう付け後の冷却速度は10℃/分とした。なお、接合後の各タペットにおいて、前記したろう材層3の厚さは、断面のEPMA測定により概ね35〜38μmとなっていることがわかった。
【0037】
表1に示す得られた各タペット試料のうち、番号1〜3は、セラミック板4の摺動面4a及び接合面4bと、金属体2の端面2aの各外縁部に、各種角度及び幅にて面取り部4c,4d,2cを形成し、接合周縁部に図3等に示す切欠1aが形成されたものである(以下、切欠き構造の試験品という)。なお、面取り部形態の表示において、「C#.##」とあるのは、面取り角度θが45°であり、面取り部の幅xが#.##mmであることを示す。他方、番号4及び5は、セラミック板4の摺動面4aの外周縁に面取り部4dを形成するとともに、セラミック板4及び金属体2の接合面側の面取り部が略完全に消滅するまで外周研磨を行って、セラミック板4、金属体2及びろう材層3の外周面を略面一となるように加工したものである(以下、接合外周研磨の試験品という)。
【0038】
【表1】
【0039】
上記のタペットは、超音波探傷装置にて金属体とセラミック板とのろう付部の接着面積率を全数測定し、異常がないことを確認した。また、接合後において各面取り部4c,4d,2cの位置関係を、後述する耐久試験後の、試験品の断面観察により解析し、その解析結果からセラミック体摺動面側面取り部4cの内縁Aと基準面取り縁との間の距離δを、その周方向における最小値として測定した。その結果、試験品3は、各内縁A〜Cが、全周にわたって図3(a)に示す位置関係となっており(実施例)、他方試験品1,2は、図3(b)に示す位置関係となっている(比較例)ことがわかった。なお、試験品1,2では、内縁Aとそれより内側にある内縁B,Cのうち、Aに近いものとの距離の最小値をδとして、負値にて表示している。なお、試験品1〜3において、内縁B及びCの位置関係は、何れもCがBよりも内側に位置した。その距離(周方向における最小値にて表示)は、試験品1が0.15mm、同2が0.23mm、同3が0.4mmであった。なお、ここでは、試験品の中心軸線を含む断面を、該中心軸線周りにおいて一定の角度間隔(例えば5°間隔)にて研磨・面出ししながら、順次各面取り縁の位置を観察・測定するようにしたが、例えば中心軸線と平行な断層面をタペット直径方向にスキャンする形でX線CTを行うことにより、各面取縁の3次元的なプロファイルを非破壊にて測定する手法を用いてもよい。
【0040】
次に、これらのタペットをカムモータリング試験機に装着し、以下の条件にて耐久試験を行った。すなわち、オイル温度130℃、カム回転数を2500rpm、タペットとカムとのクリアランスを1.5mm、ノーズトップ位置におけるセット荷重を350kgfとし、最大1.0×109サイクルまで試験した。そして、途中約5×105サイクル毎に超音波探傷を行い、耐久試験前と比較してセラミック板の半径Rの80%よりも外側の領域において、30μm以上の欠陥の合計面積率が10%以上増大した時点で耐久限界と判断し、そのときのサイクル数にて耐久寿命を判定した。以上の結果を表1に示す。
【0041】
切欠き構造の試験品(番号1〜3)については、本発明の実施例品である番号3の試験品が、比較例である番号1,2の試験品よりも良好な耐久性を示していることがわかる。一方、接合外周研磨の試験品(番号4,5)については、いずれもさらに良好な耐久性を示し、特に面取り量の大きい番号5では、最大サイクルまで試験を行っても異常が見られなかった。
【0042】
(実施例2)
セラミック体接合面側面取り部4dと金属体端面側面取り部2cをそれぞれC0.3mmに固定し、セラミック体接合面側面取り部4cは角度θを25°又は30°のいずれかとし、幅xを各種値に調整した以外は、実施例1と全く同様にして、切欠き構造型の各種タペット試験品を作製した。また、実施例1と同様にして、各面取り部4c,4d,3cの位置関係解析を行い、内縁Aの位置を基準位置として、内縁B及びCまでの距離(Aよりも外側にある場合を正値、内側にある場合を負値として、周方向の最小値にて表示)、及びδの値を求めた。そして、これらタペット試験品21〜31(δが負となる30及び31は比較例)につき、実施例1と同様の耐久試験を1.0×108サイクルまで行い、寿命評価を行った。以上の結果を表2に示す。
【0043】
【表2】
【0044】
セラミック体接合面側面取り部4cの内縁Aが、接合面側の面取り部内縁BあるいはCよりも内側に位置するほど(すなわち、δが大きくなるほど)、寿命が向上していることがわかる。
【0045】
(実施例3)
セラミック体接合面側面取り部4cの角度θを20°〜50°の各種値とし、幅xを0.3〜1.5mmの各種値に調整した以外は、実施例1と全く同様にして、接合外周研磨型の各種タペット試験品を作製した。そして、これらタペット試験品51〜67につき、実施例1と同様の耐久試験を1.0×109サイクルまで行い、寿命評価を行った。以上の結果を表3に示す。
【0046】
【表3】
【0047】
面取り部の幅xが0.3mmあるいは1.5mm近づくと、面取り部4cに若干の欠け発生が見られたが、いずれも極めて良好な耐久性を示しており、特にxの値が大きくなるほど寿命が延びていることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のタペットを含むオーバーヘッドバルブ機構の正面図。
【図2】図1のタペットの拡大図。
【図3】本発明の第一の構成に係るタペットにおける、セラミック体及び金属体への面取り部の形成形態のいくつかの実施例((a),(b))を、比較例((c))とともに示す断面模式図。
【図4】第一の構成のタペットにおける、セラミック体及び金属体への面取り部の形成形態の変形例を示す断面模式図。
【図5】本発明の第二の構成に係るタペットにおける、セラミック体及び金属体への面取り部の形成形態の実施例を示す断面模式図。
【図6】ろう材層の概念を示す説明図。
【図7】カムとタペットの配置関係を、カム摺動範囲及び衝撃力分布とともに示す説明図。
【図8】カムの当り角を説明する図。
【図9】実施例で使用したタペット試験品の形状を示す縦断面図。
【符号の説明】
1 タペット(摺動部品)
2 タペット金具(金属体)
2a 端面
3 ろう材層
4 セラミック板(セラミック体)
4a 摺動面
4b 接合面
4c セラミック体摺動面側面取り部
4d セラミック体接合面側面取り部
2c 金属体端面側面取り部
Claims (7)
- セラミック体の裏面側を接合面として、これを金属体の端面にろう付け接合した構造を有し、そのセラミック体の表面側を摺動面としたセラミック摺動部品において、
前記セラミック体の摺動面と、同じく前記セラミック体の接合面及び前記金属体の端面の少なくとも一方との各外周縁に面取り部が施されるとともに、セラミック体摺動面側面取り部の内縁が、セラミック体接合面側面取り部の内縁及び/又は金属体端面側面取り部の内縁よりも、全周にわたって内側に位置していることを特徴とするセラミック摺動部品。 - 前記セラミック体の接合面及び前記金属体の端面の双方の各外周縁に面取り部が施されるとともに、セラミック体摺動面側面取り部の内縁が、セラミック体接合面側面取り部の内縁と金属体端面側面取り部の内縁とのいずれよりも、全周にわたって内側に位置している請求項1記載のセラミック摺動部品。
- 前記セラミック体の接合面の外周縁が面取り仕上されず、外周面との間に角が形成され、他方、前記金属体の端面の外周縁に面取り部が施されるとともに、前記セラミック体摺動面側面取り部の内縁が、前記金属体端面側面取り部の内縁よりも、全周にわたって内側に位置している請求項1記載のセラミック摺動部品。
- 前記セラミック体接合面側面取り部と前記金属体端面側面取り部との一方のみが形成される場合は、その面取り部の内縁を基準面取り縁とし、双方が形成される場合は、セラミック体摺動面側面取り部の内縁よりも外側において、その最も近くに位置するものの内縁を基準面取り縁として、前記セラミック体摺動面側面取り部の内縁と前記基準面取り縁との間の距離が0.1mm以上確保されている請求項2又は3に記載のセラミック摺動部品。
- 前記セラミック体摺動面側面取り部の幅が0.5〜1.5mmの範囲にて調整されている請求項1ないし4のいずれかに記載のセラミック摺動部品。
- 前記セラミック体と前記金属体との接合方向と直交する基準面と、前記セラミック体摺動面側面取り部とのなす角度θが20°〜50°の範囲にて調整されている請求項1ないし5のいずれかに記載のセラミック摺動部品。
- 前記摺動面がカム摺動面であるタペットとして構成されている請求項1ないし6のいずれかに記載のセラミック摺動部品。
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