(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カムロブ部の摺動面にチル炭化物を含有する鋳鉄製のカムシャフトにおいて、Ｂｉ、Ｔｅ、ＳｅおよびＡｓよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素を０．０００１〜０．１重量％割合で鋳鉄中に含有し、チル炭化物の平均粒径が１５μｍ以下の微細チル炭化物が、面積率で４０％以上あり、カムロブ部における摺動面の硬さがＨＲＣ５３以上であることを特徴とするカムシャフト。
【請求項２】
前記鋳鉄中に、さらにＮｉ、ＣｕおよびＣｏよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素を０．２〜５．０重量％の割合で含有する請求項１記載のカムシャフト。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はカムシャフトおよびその製造方法に関し、特に微細炭化物組織を有していて耐摩耗性および耐スカッフ性に優れ、高面圧エンジンに好適に使用可能な鋳鉄カムシャフトと、そのような利点を有する鋳鉄カムシャフトを安価に効率良く得ることのできる製造方法とに関する。なお、ここで言う鋳鉄カムシャフトとは、鋳鉄の５元素（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ）及びこれにＣｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｂ、Ｖ等の元素を少なくとも１種以上添加した鋳鉄からなるカムシャフトのことである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、エンジン用カムシャフトとしては、カム部を冷し金にて急冷することによりカム部の摺動面にチル炭化物を生成せしめたいわゆる鋳鉄チルカムシャフトが広く用いられている。
【０００３】
一方、近年のエンジンの高性能化に伴い、高面圧エンジン用のカムシャフトにおいては、高い耐摩耗性および耐スカッフ性が要求されることから、上記の鋳鉄チルカムシャフトではその性能が充分ではなく、例えば一旦チル化したカム部にレーザ照射等を行なった後、再度チル化を行なういわゆる再溶融チルカムシャフト、あるいは鋳鋼や焼結材を形成材料とするカムシャフトが用いられるに至っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のいわゆる鋳鉄チルカムシャフトにおいては、チル炭化物の微細化、炭化物面積率および硬さ等に限界があり、耐摩耗性および耐スカッフ性の向上はもはや望み得ない。
【０００５】
また、上記の再溶融チルカムシャフトにおいては、例えばレーザ照射を行なうための新たな製造設備が必要であり、かつ高コストであるという問題がある。
また、上記の鋳鋼や焼結材を用いてなるカムシャフトは、従来のいわゆる鋳鉄チルカムシャフトに比較してコストが高いという問題がある。
【０００６】
したがって、新たな製造設備を必要とせず、安価で、しかも高面圧エンジンに好適に使用可能な十分な耐摩耗性および耐スカッフ性を有するカムシャフトが望まれている。
【０００７】
本発明は、かかる事情に基づいてなされたものであり、本発明の目的は、十分な耐摩耗性および耐スカッフ性を有していて高面圧エンジンに好適に使用可能な微細炭化物組織を有するカムシャフトと、このような利点を有するカムシャフトを、製造設備の複雑化を招くことなく安価に効率良く得ることのできるカムシャフトの製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の構成は、カムロブ部の摺動面にチル炭化物を含有する鋳鉄製のカムシャフトにおいて、Ｂｉ、Ｔｅ、ＳｅおよびＡｓよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素を０．０００１〜０．１重量％の割合で鋳鉄中に含有し、チル炭化物の平均粒径が１５μｍ以下の微細チル炭化物が、面積率で４０％以上あり、カムロブ部における摺動面の硬さがＨＲＣ５３以上であることを特徴とするカムシャフトである。
【０００９】
【作用】
本発明のカムシャフトは、鋳鉄中に、Ｂｉ、Ｔｅ、ＳｅおよびＡｓよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素を０．０００１〜０．１重量％の割合で含有するものである。ここで、Ｂｉ、Ｔｅ、ＳｅおよびＡｓよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素はいずれも白銑化とその微細化を促進する作用を有するので、鋳鉄中にこのような元素を含有させると、一般の冷し金冷却よりもさらに凝固速度が増し、結果的にカムロブ部の摺動面に微細なチル炭化物が生成する。これにより、耐摩耗性および耐スカッフ性が飛躍的に向上する。したがって、鋳鉄中に、Ｂｉ、Ｔｅ、ＳｅおよびＡｓよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素を０．０００１〜０．１重量％の割合で含有する形成材料からなるカムシャフトは、十分な耐摩耗性および耐スカッフ性を有することになる。
【００１０】
一方、このようなカムシャフトは、熔湯の注湯時に、Ｂｉ、Ｔｅ、ＳｅおよびＡｓよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素を０．０００５〜０．５重量％の割合で添加し、これをカムロブ部の摺動面に対応するキャビティ面が冷し金により形成された鋳型に鋳込み、チル化することにより製造することができる。
【００１１】
したがって、本発明の製造方法では、微細な炭化物組織を有していて耐摩耗性および耐スカッフ性が飛躍的に向上したカムシャフトを、新たな製造設備を必要とすることなく、安価に効率よく製造可能である。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
図１に示すカムシャフト１は、Ｂｉ、Ｔｅ、ＳｅおよびＡｓよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素を０．０００１〜０．１重量％の割合で含有する鋳鉄で形成されている。
【００１３】
ここで、鋳鉄中に含有される上記の少なくとも１種類の元素の含有割合の限定理由について説明する。すなわち、Ｂｉ、Ｔｅ、ＳｅおよびＡｓよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素の含有割合が０．０００１重量％未満であると、炭化物を微細化する作用が十分ではなく、したがって耐摩耗性および耐スカッフ性の向上が十分ではないことがある。一方、Ｂｉ、Ｔｅ、ＳｅおよびＡｓよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素の含有割合が０．１重量％を超えると、チル深さが過剰になったり、非チル部（ジャーナル部）にもチル炭化物が生成してしまう等の不都合を招くことがある。
【００１４】
Ｂｉ、Ｔｅ、ＳｅおよびＡｓよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素を０．０００１〜０．１重量％の割合で鋳鉄中に含有するカムシャフトにおけるカムロブ部摺動面について画像解析を行なった場合の炭化物が占める割合、すなわち炭化物面積率は４０％以上、好ましくは４５％以上である。
【００１５】
この炭化物面積率が４０％未満であると、カムシャフトの耐摩耗性および耐スカッフ性の向上が十分ではないことがある。
また、その炭化物の平均粒径は通常１５μｍ以下である。この平均粒径が１５μｍを超えると、カムシャフトの耐摩耗性および耐スカッフ性の向上が十分ではないことがある。
【００１６】
このカムシャフト１のカムロブ部２における摺動面２ａの硬さは、通常、ＨＲＣ５３以上、好ましくは５５以上である。
このカムシャフト１を形成する鋳鉄の組成の一例を挙げれば、前記のＢｉ、Ｔｅ、ＳｅおよびＡｓよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素の他に、通常は、炭素（Ｃ）、けい素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）および残部鉄（Ｆｅ）を含有するものである。また、カムシャフトの形状によっては、Ｂｉ、Ｔｅ、ＳｅおよびＡｓよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素の他に、さらに鋳鉄中に、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）およびコバルト（Ｃｏ）よりなる群から選択される少なくとも１種類の元素を含有していてもよい。これらの元素を含有することにより、ジャーナル部等の加工を必要とする部位がチル化されたり、多量の炭化物が析出したりするのを防止することができる。
【００１７】
鋳鉄中に含有されることのあるニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）およびコバルト（Ｃｏ）よりなる群から選択される少なくとも１種類の元素の含有割合は、０．２〜５．０重量％である。この割合が０．２重量％未満であると、ジャーナル部等の加工を必要とする部位がチル化されたり、多量の炭化物が析出したりするのを防止する作用乃至効果が十分に奏されないことがある。一方、この割合が５．０重量％を超えてもそれに相当する効果は奏されず、経済的に不利になるとともに、かえってカムロブ部の摺動面における微細な炭化物の生成を妨げることがある。
【００１８】
このような構造のカムシャフトは、次のようにして効率良く製造することができる。
先ず、カムロブ部２の摺動面２ａに対応するキャビティ面が冷し金からなる鋳型を作製する。
【００１９】
次に、この鋳型に、鋳鉄の熔湯にＢｉ、Ｔｅ、ＳｅおよびＡｓよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素を０．０００５〜０．５重量％の割合で添加したものを注湯する。この添加割合が上記の範囲を外れると、鋳鉄中の上記元素の含有割合が０．０００１〜０．１重量％の範囲を外れることがある。なお、これらの元素の添加割合が含有割合よりも高いのは、添加した元素のうちの一部が蒸発するためであると考えられる。
【００２０】
ここで、このときの鋳込温度は、通常、１３５０℃〜１４００℃である。この鋳込温度が１３５０℃よりも低いと、健全な鋳造品が形成されないことがある。一方、１４００℃よりも高いと、カムロブ部のチル炭化物が少なくチル深さが浅くなることがある。
【００２１】
その後、この鋳型から鋳造体を取出し、仕上げ加工を行なってカムシャフト１とする。
以上より、この製造方法によれば、たとえば再溶融チルを行なう場合のような新たな設備は不要である。
【００２２】
また、製造すべきカムシャフトの形状によっては、ジャーナル部等の加工を必要とする部位がチル化されたり、多量の炭化物が析出したりするのを防止するために、Ｎｉ、ＣｕおよびＣｏよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素を０．２〜５．０重量％の割合で含有する鋳鉄の熔湯にＢｉ、Ｔｅ、ＳｅおよびＡｓよりなる群から選択される少なくとも１種類の元素を０．０００５〜０．５重量％の割合で添加するようにしてもよい。
【００２３】
次に、実験例および比較例を示し、本発明のカムシャフトについてさらに具体的に説明する。
実験例１
鋳鉄の熔湯に、ビスマス（Ｂｉ）を所定の割合で添加し、これを、カムロブ部の摺動面に対応するキャビティ面が冷し金からなる鋳型に、鋳込温度１３８０℃で鋳込み、カムロブ部の摺動面に微細な炭化物組織が分散した組織からなるカムシャフト（ガソリンエンジン４気筒ＯＨＣ型）を作製した。
【００２４】
得られたカムシャフトの組成およびカム硬度（ＨＲＣ）を表１および表２に示す。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
【表２】
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このカムシャフトについて、次の条件のリグ摩耗試験を行ない、カム摩耗量および相手ロッカーアームチップの摩耗量を測定した。
【００２７】
結果を図２にＡで示す。
リグ摩耗試験条件
カム回転数：１０００ｒｐｍ
潤滑油：ＳＡＥ１０Ｗ−３０
油温：８０℃
スプリング荷重：２００ｋｇｆ
時間：２００ｈ
相手ロッカーアームチップ：焼結材
実験例２〜１２
前記実験例１において、熔湯の組成および添加元素の種類あるいは添加割合を変えたほかは、前記実験例１と同様にしてカムシャフトを作製した。
【００２８】
得られたカムシャフトの組成およびカム硬度（ＨＲＣ）を表１および表２に示す。
また、これらのカムシャフトについて、前記実験例１と同様にしてリグ摩耗試験を行なった。
【００２９】
それぞれの結果を図２にＢ〜Ｌで示す。
また、実験例２、実験例５、実験例６、実験例１１および実験例１２のカムシャフトについて、それぞれ金属組織を電子顕微鏡で観察し、写真撮影を行った。それぞれの金属組織の顕微鏡組織写真（ナイタール液腐食、撮影倍率２００倍、以下同様）を図４〜図８に示す。これらの顕微鏡組織写真から、パーライト基地（黒色部）中に微細炭化物（白色部）が分散している様子がわかる。
比較例１〜比較例５
常法に従って表１および表２に示す組成の従来のいわゆる鋳鉄チルカムシャフトを作製した。
【００３０】
組成およびカム硬度（ＨＲＣ）を表１および表２に示す。
得られたカムシャフトについて、前記実験例１と同様にしてリグ摩耗試験を行ない、カム摩耗量および相手ロッカーアームチップ摩耗量を測定した。
【００３１】
それぞれの結果を図３にＭ〜Ｑで示す。
また、比較例１のカムシャフトについて、その金属組織を電子顕微鏡で観察し、前記実験例におけるのと同様の条件で写真撮影を行った。その顕微鏡組織写真を図９に示す。
結果の検討
図２および図３から明らかなように、特定の元素を特定の割合で含有する鋳鉄をチル化してなる実験例のカムシャフトは、比較例の従来の鋳鉄カムシャフトに比べてカム摩耗量および相手ロッカーアームチップ摩耗量が低減しており、耐摩耗性が大幅に向上していることが確認された。また、焼付きが見られなかったことから、耐スカッフ性も優れていることが確認された。
【００３２】
さらに、図４〜図８と図９との比較から、本発明品のカムシャフトの金属組織（図４〜図８）においては、従来品のカムシャフトの金属組織（図９）に比較して微細な炭化物組織が分散していることが確認された。
【００３３】
さらにまた、Ｂｉの含有割合が０．１重量％を超えた０．２重量％である比較例３の鋳鉄チルカムシャフトは、ジャーナル部の加工性が良好ではなかった。また、図３からＮｉの含有割合が５．０重量％を超えた６．０重量％である比較例４の鋳鉄チルカムシャフトは、摩耗量が図２に示す実験例（本発明品）の摩耗量と同等であることからＮｉの含有割合を５．０重量％より多くしてもそれに相当する効果は奏されず、コスト面で不利であることがわかる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、以上の構成としたので、カムロブ部摺動面に微細な炭化物組織が分散していて耐摩耗性および耐スカッフ性に優れ、高面圧エンジンに好適に使用可能なカムシャフト、およびそのような利点を有するカムシャフトを新たな設備を必要とすることなく安価に効率良く得ることができる製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のカムシャフトの一例を部分的に示す斜視図である。
【図２】実験例の各カムシャフトについてのリグ摩耗試験結果を示すグラフである。
【図３】比較例の各カムシャフトについてのリグ摩耗試験結果を示すグラフである。
【図４】実験例２のカムシャフトの金属組織の顕微鏡組織写真である。
【図５】実験例５のカムシャフトの金属組織の顕微鏡組織写真である。
【図６】実験例６のカムシャフトの金属組織の顕微鏡組織写真である。
【図７】実験例１１のカムシャフトの金属組織の顕微鏡組織写真である。
【図８】実験例１２のカムシャフトの金属組織の顕微鏡組織写真である。
【図９】比較例１のカムシャフトの金属組織の顕微鏡組織写真である。
【符号の説明】
１…カムシャフト
２…カムロブ部
２ａ…摺動面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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