JPH1162517A

JPH1162517A - 内燃機関用摺動部品

Info

Publication number: JPH1162517A
Application number: JP22788397A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Matsuda; 龍一松田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-08-25
Filing date: 1997-08-25
Publication date: 1999-03-05

Abstract

(57)【要約】【課題】近年の内燃機関に要求される過酷な使用条件下
にあっても、内燃機関用の摺動部品として金属部材との
接合強度が充分高く、かつ摺動相手材を一方的に摩耗さ
せたりしないＴｉＣ系サーメット部材と金属部材の接合
体より成る優れた接続信頼性と耐摩耗性を兼ね備えた内
燃機関用摺動部品を提供する。【解決手段】少なくともニッケル（Ｎｉ）を５〜４０重
量％、より望ましくは１５〜３０重量％含有したＴｉＣ
系サーメットより成る摺動部を構成するサーメット部材
と本体の金属部材とを接合一体化した内燃機関用摺動部
品であって、特に、内燃機関用摺動部品としてロッカー
アームあるいはタペット等に最適なものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関用摺動部
品に関し、特にロッカーアーム、タペットとしてその摺
動部に金属部材と高い接合強度を有するＴｉＣ系サーメ
ットを用いた内燃機関用摺動部品に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、耐摩耗性を必要とする部材に
は、耐摩耗性、耐熱性あるいは耐食性等の諸特性に優れ
た超硬合金やセラミックス、サーメット等が多用されて
きたが、これらはいずれも脆性材料であることから、通
常、単体で使用されることは少なく、耐摩耗性を必要と
する面にのみ適用し、それらと高い靱性を有する金属部
材を接合一体化した複合材として使用されていた。

【０００３】一方、近年の内燃機関の高出力化及び高性
能化には目ざましいものがあり、それに伴って内燃機関
用の摺動部品はより一段と過酷な条件下での稼働を余儀
なくされており、そのために、例えば、内燃機関のロッ
カーアームやタペット、バルブ用シム等の摺動部品で
は、その摺動面を前記耐摩耗性部材で構成することが種
々検討されている。

【０００４】そこでは、前記超硬合金やセラミックス等
の耐摩耗性部材と金属部材との接合に際して、一般的に
は焼き嵌め法やロウ付け法、拡散接合法等が採用されて
おり、かかる接合法等では６００℃以上の高温に加熱す
る必要があるため、前記耐摩耗性部材と金属部材との熱
膨張率の差から大きな熱歪みを生じ、それにより接合部
が破壊したり、接合体が変形したりし易い等の問題があ
った。

【０００５】そのため、熱膨張差による残留応力を低減
するために、前記耐摩耗性部材と金属部材の中間の熱膨
張率を有する中間層を介して両者を接合したり、弾性変
形や塑性変形により前記応力を緩和する軟質材料を介し
て両者を接合する等、種々の接合法が提案されている。

【０００６】しかし、前述のような近年の内燃機関に要
求される過酷な使用条件下では、耐摩耗性部材として前
記超硬合金は耐摩耗性が不足気味であり、一方、機械的
強度に優れた窒化珪素系や炭化珪素系、あるいはアルミ
ナ系等のセラミックスも、金属部材との接合強度が満足
すべきものではなく、該両部材間において剥離が発生し
易く、接合部の信頼性に欠けるものであった。

【０００７】そこで、超硬合金よりは耐摩耗性が優れ、
セラミックスよりも金属部材との接合強度が高いと考え
られる、例えば、切削工具用材料として一般的に知られ
ているＴｉＣ基等のサーメットと、廉価な鉄系の金属部
材とを接合して複合化することが検討されており、例え
ば、接合強度を阻害する熱歪みや接合界面の化合物層等
の形成を少なくして、接合部の変形や破壊のない金属部
材とサーメット部材の接合体を得ることが提案されてい
る（特許第２５１９５７８号公報参照）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記Ｔ
ｉＣ基サーメットを内燃機関用摺動部品の摺動部に適用
した場合、稼働時の潤滑条件と摺動部の加工面を考慮す
ることにより、耐焼き付き性や耐摩耗性を改善すること
は可能とはなるものの、通常、前記切削工具用のＴｉＣ
基サーメットは内燃機関のような過酷な使用条件下に曝
されると、金属部材との接合時の熱応力による強度不足
から剥離し易いことの他に、摺動相手材に一方的なダメ
ージを与え易く、短時間で該摺動相手材を著しく摩耗損
傷させるという課題があった。

【０００９】

【発明の目的】本発明は前記課題に鑑みなされたもの
で、その目的は、近年の内燃機関に要求される過酷な使
用条件下にあっても、内燃機関用の摺動部品として金属
部材との接合強度が充分高く、かつ摺動相手材を一方的
に摩耗させたりしないＴｉＣ系サーメット部材と金属部
材の接合体より成る優れた接続信頼性と耐摩耗性を兼ね
備えた内燃機関用摺動部品を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は前記課題に鑑
み、種々検討した結果、前記ＴｉＣ基サーメットにＮｉ
を適量含有させることにより、金属部材との接合時に該
サーメット部材に発生する熱応力を低減する方向に、そ
の熱膨張率とヤング率を制御することができると共に、
金属部材と十分な接合信頼性が得られ、かつ摺動相手材
へのダメージを低減できることを見いだし、本発明に至
ったものである。

【００１１】即ち、本発明の内燃機関用摺動部品は、少
なくともニッケル（Ｎｉ）を５〜４０重量％含有したＴ
ｉＣ系サーメットより成るサーメット部材を靱性に優れ
た廉価な金属部材に接合一体化した摺動部品であること
を特徴とするものである。

【００１２】特に、前記ニッケル（Ｎｉ）の含有量が１
５〜３０重量％であることがより望ましく、とりわけ前
記ＴｉＣ系サーメットより成るサーメット部材を摺動部
に用いた内燃機関用摺動部品としては、ロッカーアーム
あるいはタペットの摺動部に前記ＴｉＣ系サーメットを
適用したものが最も好適である。

【００１３】

【作用】本発明の内燃機関用摺動部品は、少なくともニ
ッケル（Ｎｉ）を５〜４０重量％含有したＴｉＣ系サー
メットより成るサーメット部材を金属部材に接合一体化
したものであることから、該ＴｉＣ系サーメットはＮｉ
含有量の増加に伴って一般の切削工具材料用のＴｉＣ基
サーメットの熱膨張率である７〜７．８×１０^-6／℃程
度より熱膨張率が増大傾向を示す結果、接合一体化する
金属部材との熱膨張差が小さくなると共に、前記ＴｉＣ
基サーメットの４．２〜４．５×１０⁴ｋｇ／ｍｍ²程
度のヤング率も減少傾向を示し、その結果、接合時に発
生する熱応力が緩和されることになる。

【００１４】一方、前記Ｎｉを含有させることにより切
削工具用としてはそれ自体の耐摩耗性は低下するもの
の、内燃機関用摺動部品として適用した場合には、摺動
相手材を摩耗させる恐れが少なくなってより好ましくな
ると共に、それ自体の耐摩耗性も内燃機関用摺動部品と
しては十分、使用に耐え得るものとなっている。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の内燃機関用摺動部
品について詳細に説明する。

【００１６】本発明のサーメット部材は、少なくともニ
ッケル（Ｎｉ）を５〜４０重量％含有したＴｉＣ系サー
メットより成るものであり、該ＴｉＣ系サーメットには
他の成分としてＷＣやＭｏ₂Ｃを５〜２０重量％の範囲
で含有しても良く、特に焼結促進のための助剤として、
また靱性及び強度向上の点からは、Ｃｏを１〜７重量％
の範囲で含有するものが望ましい。

【００１７】また、前記Ｎｉの含有量が５重量％未満の
場合には、含有するＣｏ成分との共存による強度低下が
発生して内燃機関用摺動部品としては強度不足となり、
４０重量％を越えると摺動相手材との耐摩耗性が低下す
ると共に、摺動部材としての靱性の低下が起こり、いず
れも適当でない。

【００１８】従って、前記Ｎｉの含有量は５〜４０重量
％に特定されるが、熱膨張率の整合性と耐摩耗性を維持
するという点からは１５〜３０重量％がより望ましい。

【００１９】その結果、熱膨張率が７．５×１０^-6／℃
以上で、ヤング率が４．５×１０⁴ｋｇ／ｍｍ²以下の
ＴｉＣ系サーメットより成るサーメット部材を得ること
ができる。

【００２０】また、前記サーメット部材を接合一体化す
る金属部材としては、鉄系やアルミ系の廉価な金属材料
が適用可能であるが、例えば、ロッカーアーム本体用と
してはバルブ当接部の耐摩耗性を確保するという点から
は、Ｈｖが７５０以上の高硬度のクロムモリブデン系の
炭素鋼が望ましく、ロッカーアームの製造工程において
バルブ当接面に熱処理を施してその硬度を確保すること
が可能ならば、一般的な炭素鋼を用いた冷間鍛造品が、
材料コスト及び量産コストの点からも好適である。

【００２１】従って、本発明の内燃機関用摺動部品を構
成するサーメット部材と接合一体化する金属部材は、具
体的にはＳＣＭ４１５等の冷間鍛造品や部分的な熱処理
を考慮したＳ５０ＣからＳ５５Ｃの炭素鋼が最適であ
る。

【００２２】また、内燃機関用の摺動部品として適用可
能なものは、前記ロッカーアーム、タペットの他にピス
トンヘッドやピストンリング、シリンダー、各種バル
ブ、シム等が挙げられるが、例えば、拡散接合法で必要
最小限の摺動部にサーメットを接合して摺動部品を構成
するという量産性及び低コスト化からは、前記ロッカー
アームやタペット、シム等の摺動部をサーメット部材と
し、金属部材と接合一体化して適用するのが最も効果的
である。

【００２３】次に、本発明の内燃機関用摺動部品の製造
方法についてその実施例を具体的に説明する。

【００２４】先ず、少なくともニッケル（Ｎｉ）を５〜
４０重量％含有したＴｉＣ系サーメットより成るサーメ
ット部材と金属部材の接合面をそれぞれ有機溶剤等の洗
浄剤で油脂分等の接合を阻害する成分を除去すると共
に、清浄にして乾燥する。

【００２５】その後、前記接合面にＡｇ−Ｃｕ系の線材
から成るロウ材を、前記サーメット部材及び金属部材の
接合面同様に洗浄した後、該ロウ材をサーメット部材と
金属部材で挟持する。

【００２６】そして、前記ロウ材を挟持した両部材の接
合部を局部的に加熱して該ロウ材を溶融させてロウ接す
る。

【００２７】尚、前記加熱に際して、サーメット部材と
金属部材は一般的なロウ付け接合では両部材で構成され
る摺動部品全体を加熱するために、該摺動部品の本体を
成す金属部材自体の硬度が低下するという問題の他に、
還元炉や高周波誘導加熱装置等、大がかりな設備、装置
が必要となり製造コストが増大するという欠点があり、
その上、かかる全体を加熱して接合した場合には、接合
後に摺動部品本体の耐摩耗性を確保するために、必要な
部分に対して高周波加熱等の熱処理を施し、所定の硬度
を確保せねばならないことから、局部的に加熱するのが
最も好都合である。

【００２８】また、前記局部的に加熱する方法として
は、特に限定するものではなく、従来より良く知られて
いるトーチ加熱法や、高周波誘導加熱法あるいはレーザ
ー照射法等が採用し得るが、加熱の影響を極力接合部に
止めるという点ではレーザー照射法が優れている。

【００２９】かくして本発明のサーメット部材と金属部
材を接合一体化した内燃機関用摺動部品が得られる。

【００３０】

【実施例】次に、本発明の内燃機関用摺動部品を以下の
ようにして評価した。

【００３１】（実施例１）先ず、本発明の内燃機関用摺
動部品として、ロッカーアームに適用した一実施例に基
づき詳述する。図１は本発明の内燃機関用摺動部品をロ
ッカーアームに適用した例を示す側面図である。図にお
いて、１は金属部材２から成るロッカーアーム４の本体
と、サーメット部材３から成るロッカーアームチップ６
とを接合一体化した内燃機関用摺動部品である。

【００３２】本発明の内燃機関用摺動部品としてのロッ
カーアームを評価するにあたり、図に示すような形状の
Ｓ５０Ｃの構造用炭素鋼から成るロッカーアーム本体
と、該ロッカーアームの摺動部に接合する下記サーメッ
ト部材より成るロッカーアームチップを準備した。

【００３３】前記ロッカーアームチップはＴｉＣを主成
分とし、表１に示す組成を成し、Ｎｉ量を種々設定して
焼結したサーメット部材であり、表中の量比は焼結体の
成分比を示す。

【００３４】尚、ロッカーアームチップの表面は、摺動
相手材への摩耗を低減するために研磨加工して表面粗さ
をＲａ０．３以下とした。

【００３５】

【表１】

【００３６】かくして得られた評価用のＴｉＣ系サーメ
ット部材であるロッカーアームチップを用いて石英ガラ
スを標準試料とする押棒式示差法により熱膨張率を、ま
た、前記ロッカーアームチップを加工した直径４ｍｍ、
長さ１０ｍｍの試料を用いて超音波パルス法によりヤン
グ率を計測した。

【００３７】以上の結果を、Ｎｉ含有量を横軸に、熱膨
張率とヤング率をそれぞれ縦軸に取って図２に示す。

【００３８】次いで、前記ロッカーアームチップとロッ
カーアーム本体の各接合面にＣ１の面取りを施し、直径
１．２ｍｍのＡｇ−Ｃｕ系の線状のロウ材を挟持し、高
周波誘導加熱装置に装着して１０ｋｇｆの荷重を加え、
加熱接合した。

【００３９】尚、窒化珪素質焼結体製のチップに、Ｔｉ
−Ａｇ−Ｃｕ系のメタライズ層を被覆した後、前記同様
のロウ材を用いて真空炉中で前記同様の金属部材から成
るロッカーアーム本体に接合したものを比較例とした。

【００４０】かくして得られた評価用の内燃機関用摺動
部品であるロッカーアームについて、その本体を成す金
属部材部分を把持し、接合したロッカーアームチップ部
を側面から加圧して剥離した時の荷重を接合強度として
評価した。

【００４１】更に、前記同一条件で作製した評価用の各
ロッカーアームをディーゼルエンジンのヘッドに組み込
み、エンジンオイルはＥＧＲを想定して煤を混入させ８
０℃に加熱したＳＡＥ３０オイルを使用して駆動回転数
を１０００〜３０００ｒｐｍとするサイクルモードで１
００時間のモータリングテストを実施し、テスト後の接
合部の状態について異常の有無を検査すると共に、摺動
相手材の摺動面の摩耗状態を目視検査により、摩耗痕及
びロッカーアームチップ材との凝着の有無について調査
した。

【００４２】また、摺動相手材であるカムノーズの高さ
について、前記モータリングテスト前後にダイヤルゲー
ジにより計測し、その高さの差をもって摺動相手材の摩
耗量と評価した。

【００４３】又、本発明に係る評価用の内燃機関用摺動
部品の代表例である試料番号５のロッカーアームを用い
た場合のロッカーアームチップ材の摺動面の状態を、前
記モータリングテスト前後で摺動面の要部について表面
粗さ計で表面プロファイルを測定し、その結果を同一記
録図上に併記したものを図３に示す。

【００４４】

【表２】

【００４５】表から明らかなように、窒化珪素質焼結体
製のチップを接合した比較例の試料番号１０では、モー
タリングテストにより接合部で一部剥離してしまい、ま
た、本発明の請求範囲外の試料番号１ではモータリング
テストにより接合部からの剥離と共に、摺動相手材の摺
動面に大きな摩耗痕が認められ、摩耗量も１１０μｍと
極めて大であり、同じく試料番号９では接合部の剥離は
発生しないものの、摺動相手材の摺動面に凝着が認めら
れる。

【００４６】それらに対して、本発明ではいずれも接合
部に異常は認められず、摺動相手材の摺動面にも摩耗痕
や凝着は全く認められなかった。

【００４７】（実施例２）また、本発明の内燃機関用摺
動部品として、タペットに適用した一実施例を説明す
る。図４は本発明の内燃機関用摺動部品をタペットに適
用した例を示す断面図である。図において、１は金属部
材２から成るタペット５の本体と、タペットチップを成
すサーメット部材３とを接合一体化した内燃機関用摺動
部品である。

【００４８】本発明の内燃機関用摺動部品としてのタペ
ットを評価するにあたり、図に示すような形状のＳ５０
Ｃの構造用炭素鋼から成るタペット本体と、該タペット
の摺動部に接合するＴｉＣを主成分とし、Ｎｉを１５重
量％、ＷＣを１０重量％、Ｍｏ₂Ｃを１０重量％にＣｏ
を２重量％含有した組成から成るタペットチップを準備
した。

【００４９】次いで、前記タペット本体とタペットチッ
プの各接合面にＣ１の面取りを施した後、直径１．２ｍ
ｍのＡｇ−Ｃｕロウ材の線材を挟持し、Ｎ₂ガスを使用
してレーザー照射法にて加熱接合した。

【００５０】尚、実施例１と同様にして窒化珪素質焼結
体製のタペットチップを前記同様の金属部材から成るタ
ペット本体に接合したものを比較例とした。

【００５１】かくして得られた評価用の内燃機関用摺動
部品であるタペット本体の金属部材部分を把持し、タペ
ットチップ部を側面から加圧して剥離した時の荷重を求
めたところ、比較例では１５０ＭＰａであるのに対し
て、本発明では２８０ＭＰａと高い接合強度が得られ
た。

【００５２】更に、前記同一条件で作製した評価用のタ
ペットをディーゼルエンジンのボディーに組み込み、煤
を混入させたＳＡＥ３０オイルを使用して駆動回転数を
１２００ｒｐｍで３００時間の連続耐久試験を実施し
た。

【００５３】その結果、前記連続耐久試験後の比較例で
は接合強度不足によるタペットチップの剥離が認められ
たのに対して、本発明では接合部に何ら異常は認められ
ず、その上、摺動相手材であるチル鋳鉄製のカム材の摩
耗量は１０μｍ以下と異常摩耗は認められず、摺動相手
材へのダメージは極めて低いことが確認できた。

【００５４】尚、本発明の内燃機関用摺動部品は、前記
実施例に限定されるものではなく、本発明の主旨に沿う
ものであればいかなる内燃機関用の摺動部品にも適用可
能であることは言うまでもない。

【００５５】

【発明の効果】本発明の内燃機関用摺動部品は、少なく
ともニッケル（Ｎｉ）を５〜４０重量％含有したＴｉＣ
系サーメットより成るサーメット部材を金属部材に接合
一体化したものであることから、サーメット部材と金属
部材の接合時に発生する熱応力が有効に緩和されて両部
材の接着強度が向上すると共に、内燃機関用の摺動部品
としての耐摩耗性を維持しながら、摺動相手材の異常摩
耗を抑制することが可能となり、高い接合信頼性を有す
る摺動部材として寿命の長い内燃機関用摺動部品を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の内燃機関用摺動部品をロッカーアーム
チップをサーメット部材とし、本体を構造用炭素鋼から
成る金属部材として接合一体化したロッカーアームに適
用した一実施例を示す側面図である。

【図２】本発明の内燃機関用摺動部品をロッカーアーム
に適用したサーメット部材の熱膨張率とヤング率をそれ
ぞれＮｉ含有量との関係で図示したものである。

【図３】本発明の内燃機関用摺動部品をロッカーアーム
に適用した場合のモータリングテスト前後のロッカーア
ームチップの摺動面要部の表面プロファイルを同一記録
図上に併記した図である。

【図４】本発明の内燃機関用摺動部品をタペットチップ
をサーメット部材とし、本体を構造用炭素鋼から成る金
属部材として接合一体化したタペットに適用した一実施
例を示す断面図である。

【符号の説明】

１内燃機関用摺動部品２金属部材３サーメット部材４ロッカーアーム５タペット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】サーメット部材と金属部材を接合一体化し
た摺動部品であって、前記サーメット部材が少なくとも
ニッケル（Ｎｉ）を５〜４０重量％含有したＴｉＣ系サ
ーメットより成ることを特徴とする内燃機関用摺動部
品。
【請求項２】前記サーメット部材が少なくともニッケル
（Ｎｉ）を１５〜３０重量％含有したＴｉＣ系サーメッ
トより成ることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関
用摺動部品。
【請求項３】前記摺動部品がロッカーアームあるいはタ
ペットのいずれかであることを特徴とする請求項１又は
請求項２のいずれかに記載の内燃機関用摺動部品。