(57)【要約】  焼結処理の過程において優れた基本形状安定性が要求されるカム・ローブなどのような高温、高摩耗の条件下に置かれる用途のための鉄系焼結粉末金属物品であって、主として0.5-3.0重量%のMo、1-6.5重量%のCr、1-5重量%のV、及び残余分としてのFe及び不純物を含む鉄系粉末金属混合物から成る鉄系焼結粉末金属物品。この物品は0.7-1.2重量%のCを含む浸炭硬化層をも有する。浸炭硬化処理の後、急冷することによって分散Cr及びV網目炭化物を有するマルテンサイト地を形成する。得られた焼結物品は優れた機械的強度及び耐磨耗性を有し、機械加工性及び寸法安定性にも優れている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
主として0.5-3.0重量%のMo、1-6.5重量%のCr、1-5重量%のV、及び残余分としてのFe及び不純物を含む鉄系粉末金属混合物から製造されたFe系焼結粉末金属物品。
【請求項２】
混合物にMoを添加することによって、主として0.5-3.0重量%のMo、残余分としてのFe及び不純物を含むFe-Mo合金粉末として得られた請求項1に記載の粉末金属物品。
【請求項３】
混合物にCrを添加することによって、Fe-Cr粉末として得られた請求項1に記載の粉末金属物品。
【請求項４】
Fe-Cr粉末が高炭素Fe-Cr粉末である請求項3に記載の粉末金属物品。
【請求項５】
混合物にVを添加することによって、Fe-V粉末として得られた請求項1に記載の粉末金属物品。
【請求項６】
粉末金属混合物を約7.0-7.3 g/m3の密度に圧粉した請求項1に記載の粉末金属物品。
【請求項７】
前記粉末金属混合物を約1,121-1,260 ℃の温度で焼結された請求項1に記載の粉末金属物品。
【請求項８】
前記物品がカム・ローブである請求項1に記載の粉末金属物品。
【請求項９】
物品が外表面から内方へ広がる浸炭硬化層をも含む請求項1に記載の焼結粉末金属物品。
【請求項１０】
硬化層が0.7-1.2重量%のCを含む請求項9に記載の粉末金属物品。
【請求項１１】
硬化層が外表面から内方へ約0.5-1.0 mm広がる請求項10に記載の粉末金属物品。
【請求項１２】
主として0.5-3.0重量%のMo、1-6.5重量%のCr、1-5重量%のV、及び残余分としてのFe及び不純物を含むFe系粉末金属混合物から製造されたFe系焼結粉末金属カム・ローブであって、前記カム・ローブが0.7-1.2重量%のCを含む浸炭硬化層を有する前記Fe-系焼結粉末金属カム・ローブ。
【請求項１３】
混合物にMoを添加することによって、主として0.5-3.0重量%のMo及び残余分としてのFe-Mo合金粉末として得られた請求項12に記載の粉末金属物品。
【請求項１４】
混合物にCrを添加することによって、Fe-Cr粉末として得られた請求項12に記載の粉末金属物品。
【請求項１５】
Fe-Cr粉末が高炭素Fe-Cr粉末である請求項14に記載の粉末金属物品。
【請求項１６】
混合物にVを添加することによって、Fe-V粉末として得られた請求項12に記載の粉末金属物品。
【請求項１７】
粉末金属混合物を約7.0-7.3 g/m3の密度に圧粉した請求項12に記載の粉末金属物品。
【請求項１８】
前記粉末金属混合物を圧粉し、約1,121-1,260℃の温度で焼結した請求項12に記載の粉末金属物品。
【請求項１９】
前記物品がカム・ローブである請求項12に記載の粉末金属物品。
【請求項２０】
主として0.5-3.0重量%のMo、1-6.5重量%のCr、1-5重量%のV、及び残余分としてのFe及び不純物を含むFe系粉末金属混合物から製造された少なくとも1つのFe系焼結粉末金属カム・ローブを有するカム・シャフトであって、前記カム・ローブが0.7-1.2重量%のCを含む浸炭硬化層を有する前記カム・シャフト。
【請求項２１】
Fe-系焼結粉末金属物品の製法であって、
主として0.5-3.0重量%のMo、1-6.5重量%のCr、1-5重量%のV、及び残余分としてのFe及び不純物を含むFe系粉末金属混合物を調製し；
混合物を圧粉して物品を形成し；
物品を焼結し；
物品を浸炭処理することによって物品の外表面から内方へ広がる浸炭硬化層を形成する
ステップから成る前記製法。
【請求項２２】
混合物にMoを添加することによって、主として0.5-3.0重量%のMo、および残余分としてのFe及び不純物を含むFe-Mo合金粉末を得る請求項21に記載の方法。
【請求項２３】
混合物にCrを添加することによって、Fe-Cr粉末を得る請求項21に記載の方法。
【請求項２４】
Fe-Cr粉末が高炭素Fe-Cr粉末である請求項21に記載の方法。
【請求項２５】
混合物にVを添加することによって、Fe-V粉末を得る請求項21に記載の方法。
【請求項２６】
密度が約7.0-7.3 g/m3となるように混合物を圧粉処理する請求項21に記載の方法。
【請求項２７】
約1,121-1,260℃の温度において焼結処理を行う請求項21に記載の方法。
【請求項２８】
物品がカム・ローブである請求項21に記載の方法。
【請求項２９】
浸炭硬化層が約0.5-1.0 mmの厚さを有する請求項21に記載の方法。
【請求項３０】
浸炭硬化層が約0.7-1.2重量%のCを含む請求項21に記載の方法。
【請求項３１】
前記浸炭処理の後、物品を急冷処理するステップをも含む請求項21に記載の方法。
【請求項３２】
硬化層がマルテンサイト地ミクロ組織を含む請求項31に記載の方法。
【請求項３３】
硬化層がマルテンサイト地中にCr及びVの分散炭化物網目構造をも含む硬化層請求項32に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
【技術分野】
【０００２】
本発明は広くは粉末冶金に係わる。より具体的には、本発明は磨耗の激しい用途に使用するのに好適な焼結鉄系粉末金属合金物品に係わる。特に具体的には、例えば、カム・ローブ及びその他の弁部品を含む弁列部品のような焼結鉄系粉末金属物品に係わる。
【公知技術】
【０００３】
内燃機関の弁列は通常、1つまたは2つ以上のカムシャフトを含む。ピストン-駆動内燃機関用のシャフトは通常、プッシュ・ロッド、リフターまたはその他の可動部材を正確なパターンで動かすように作用する耳たぶ形状の外表面を有する複数のカム・ローブを含む。カムシャフトの回転に伴って、カム・ローブは適正な位置で且つ適正なタイミングで可動部材と係合しなければならない。従って、カム・ローブを、正確な相対軸方向位置及び角度方向でカムシャフトに配置しなければならない。カムシャフト及びこれと連携するカム・ローブは滑り磨耗に曝される部品の例である。これらの部品は一体的な鋳造物、鍛造物または棒材からの切断材料からの切削加工によって製造される。最近は、高摩耗面や高摩耗部品、例えば、カム・ローブ、軸受などのための材料選択に関して軽量化と設計上のフレキシビリティ確保のため組立品としてのカムシャフトを採用する傾向がある。組立品としてのカムシャフトは従来の切削加工されたカムシャフトと比較して、コスト効率が高い代案であるだけでなく、品質及び性能特性を改良された代案でもある。現在、組立品としてのカムシャフトの主な用途は転がり接触において高い疲労強度を必要とするローラー・フォロワーを有する弁列である。このような用途に使用されるカム・ローブ材料は種々のタイプの鋳造物または棒状半加工材料の鍛造、また粉末鍛造及び焼結によって製造される。組立品としてのカムシャフトは滑りフォロワーを有する弁列には使用されないのが通常である。また、組立品としてのカムシャフトは摩擦学的に見て、カム・ローブ材料とフォロワー（タペット・シム）材料との間に適合性がないため、滑り動作を伴う用途には使用されない。このような適合性の欠如から、結果として、カム・ローブ及びフォロワーにスカッフィング/ピッティングの現象が現れる。
【０００４】
滑りフォロワーを有する弁列においては、鋳造カムシャフト、特に、チル鋳鉄を使用して製造された鋳造カムシャフトが使用される。従来の弁列構造において、滑り接触条件下で使用される場合、例えば、焼入れ可能な鋼のような材料よりもチル鋳鉄(CCI)の方が優位であることが立証されている。組立品としてのカムシャフトにチル鋳鉄カム・ローブを使用することが考えられたが、鋳造カム・ローブ部品の精度に関する限界と、完成品としてのカム・ローブに必要な寸法精度を得るための比較的高コストの二次的切削加工の必要性とがその実用化を妨げている。しかし、多弁エンジンの用途が広まり、その開発が進むのに伴って、一体鋳造のカムシャフト構造よりも耐磨耗性と設計上のフレキシビリティに優れた組立品としてのカムシャフトを使用することと、例えば、カム・ローブのような精密素子を所要の形状に形成することが必要となっている。
【０００５】
これらの条件を満たすため、部分組立品カムシャフトの部分を製造するのに粉末金属技術の利用が考慮されるようになった。しかし、密度不足な粉末金属部品（即ち、圧力下に、または特殊焼結技術、例えば、液相焼結法を利用して焼結されなかった粉末金属部品）はチル鋳鉄の耐磨耗性能を達成できなかった。滑り動作部品に粉末金属を使用して成功を収めた例は米国特許第4,243,414号明細書及び英国特許第2,187,757号明細書に報告されている。これらの特許明細書は液相焼結のよってほぼ完全密度にまで焼結された高合金化金属組成物の使用を教示している。カム・ローブの製造に粉末金属技術を利用して成功したとして報告された他の例がYoshikatsu Nakamura等によるSAE Publication No. 960302に開示されており、その内容は高耐ピッティング/スカッフィング性能を得るためにFe-C-P-Ni-Cr-Mo液相焼結合金を使用するというものである。上記の例から明らかなように、公知技術は高対磨耗性を達成するために高合金材料及び特殊焼結技術を利用することを教示している。
【０００６】
鉄、鉄-クロム金属間化合物、及び炭素の混合物からクロムとの合金化を行う方法が米国特許第3,698,877号、第5,476,632号及び第5,540,883号明細書に開示されている。米国特許第3,698,877号明細書はいわゆるσ相において鉄を炭素及び脆性FeCrと混合することによって高密度部品を製造する方法を教示している。米国第5,476,632号明細書は炭素、Fe-Cr合金粉末及び滑剤を圧縮可能な基本粉末と配合し、配合された混合物をプレス加工して物品を形成し、次いで物品を還元性雰囲気または真空中で校本焼結することによって焼結部品を形成する方法を教示している。これらの特許明細書においては、基本となる鉄合金またはマスター・アロイの添加を介してCr、Mo及びMnとの合金化を行うことによって粉末混合物の突き圧縮性を損なったり、焼結されたまま部品の成形性を損なったりすることなく、高強度を達成することが強調されている。これらの特許明細書に記載されている方法は主要合金元素を真空炉で高温固体拡散させることによって均質なCr-Mn-Mo鋼を製造するように設計されている。上記特許明細書には2つのグループの合金が記述されている：１)高強度を必要とする用途のためのMn含有合金グループ（即ち、Fe-Mn-Mo-Cr-C)、及び2)高延性及び焼結後成形性を必要とする用途のためのMn非含有合金グループ（即ち、Fe-Mo-Cr-C）。いずれの場合にも、圧縮処理の前に粉末状の炭素を添加する。炭素の量は0.1-0.6重量%であり、合金元素と炭化物を形成するには不充分な量である。
【０００７】
従って、所要の形状に近い形状に形成することができ、コストのかかる二次的な研削加工などのような仕上げ加工を必要とせず、公知焼結粉末合金材料の欠点を持たない、組立品としてのカムシャフト及び磨耗の激しいその他の用途に使用されるカム・ローブを製造するのに利用できる焼結粉末金属合金材料の開発が望まれる。
【発明の概要】
【０００８】
本発明の鉄系焼結粉末金属物品は主として0.5-3.0重量%のMo、1.0-6.5重量%のCr、1.0-5.0重量%のV、及び残余分としてのFe及び不純物を含む鉄系粉末金属混合物から製造される。また、本発明の物品はMo、Cr、V、及び残余分としての鉄及び不純物から成る群から選択される合金元素総量の4重量%未満の鉄-系粉末から製造することが好ましい。Moはベース鉄粉と半合金化することが好ましく、Crは高炭素Fe-Cr粉末の形で添加することが好ましく、VはFe-V粉末の形で添加することが好ましい。物品はまた外表面と、0.7-1.2重量%の炭素を有する硬化層とから成ることが好ましい。炭素は所要の深さに達する浸炭硬化層を形成するのに充分な程度に物品を浸炭処理することでよって添加することが好ましい。また、微細に分散したクロム及びバナジウムの炭化物を有するマルテンサイト地を硬化層中に形成するように、物品を処理すること、例えば、急冷処理することが好ましい。
【０００９】
本発明は熱処理することによって、チル鋳鉄から形成された物品の耐磨耗性と等価の、またはそれ以上の耐磨耗性を有する外表面及び硬化層を形成することができる上記低合金Fe-系粉末材料から形成されるFe-系焼結粉末物品を含む。材料と製法の複合効果の結果として、外表面にも硬化層にも、硬いマルテンサイトのミクロ組織中にCr及びVの微細な炭化物が分散しているから、作業面に優れた耐磨耗性を有する物品が得られる。
【００１０】
本発明の目的は高い圧縮性を有するFe-Mo半合金化粉末ベースと高炭素Fe-Cr粉末及びFe-V粉末との混合物を圧縮成形し、この成形体を、緻密化のための液相形成を必要とすることなく還元性雰囲気中で焼結処理して固体の状態にし、焼結された部品を浸炭・急冷処理することによって、混合合金鉄から得られるクロム及びバナジウムの炭化物と、モリブデンと合金化され、浸炭処理された鉄の急冷から得られるマルテンサイトを含有する外表面及び硬化層を形成することによって、中程度密度(7.0-7.3 g/cm3)のFe−系焼結粉末金属物品を提供し、均一に分散されたクロム及びバナジウムの炭化物を有する硬いマルテンサイト地を含む二重構造を達成することにある。
【００１１】
Moを半合金化してベース鉄粉とし、高炭素Fe-Cr粉末の形態でCrを添加することによって酸化から保護し、Fe-V粉末の形態でVを添加することが好ましい。高酸素、低炭素のFe-Crを使用する場合に必要になる高温・真空条件下での焼結と比較して、上記の形態で添加された場合にはどちらの元素も通常の焼結温度で焼結処理することができる。
【００１２】
公知の合金とは異なり、本発明の物品を形成するのに使用される鉄-系粉末混合物は少なくとも1重量%のクロムと1重量%のバナジウムを含有し、焼結ステップにおいて炭素を添加するために添加される黒鉛を含まない。合金中の炭素は焼結された物品を浸炭処理することによって導入する。部品の外表面に特異的にクロムおよびバナジウムの炭化物を形成するため、高いカーボン・ポテンシャルを利用して浸炭処理を行い、硬化層中に平均0.7-1.2重量%のCを形成するのに充分な量の炭素を外表面に導入する。
【００１３】
本発明の物品は高い耐磨耗性を有し、滑り磨耗、例えば、タイプ1弁列システムにおけるフラット・タペットとカム・ローブとの間の滑り接触に対応することを問題とする従来のチル鋳鉄に代わるコスト効率の良い代案を提供する。
【００１４】
特許または出願ファイルは少なくとも1つの着色図面を含む。着色図面を含むこの特許または特許出願公開のコピーは申請書を提出し、必要な料金を支払えば特許庁から配布される。
【００１５】
本発明の上記及びその他の特徴と利点を添付の図面を参照して以下に詳述する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の物品は詳しくは後述するように鉄系焼結粉末金属合金から製造された少なくとも1つの、好ましくは複数のカム・ローブを含むカムシャフトを含むことが好ましい。内燃機関に使用される公知の構成で組み立てられたカムシャフトを図1に示す。カムシャフト10は通常、カムシャフト・チューブ12を含む。エンジンに必要な数のカム・ローブ14がカムシャフト・チューブ12の外面に固定される。その他の構成部分、例えば、歯車などがカムシャフト・チューブ12の外面に固定されることもある。ここでは「カムシャフト・チューブ」と総称しているが、この素子は多くの場合中空であるが、必ずしも円筒形である必要はなく、幾つかのカム・ローブ及びその他のカムシャフト構成部分を嵌着させ、回転させることができればどんな形状であってもよく、その断面形状が一様であってもなくてもよい。従って、ここで「カムシャフト・チューブ」という場合、カム・ローブ14が固定されるカムシャフト12の中心で回転する構成部分の総称であり、特定の円筒形または非円筒形の形状に限定されるものではない。
【００１７】
それぞれのカム・ローブ14の耳たぶ状の部位18は所定のカム形状またはカム・プロフィールを有し、係合する可動部材の運動を正確に制御するように寸法設定されている。具体的には、カム・ローブ14のプロフィール、特に耳たぶ状部位18の形状及び寸法は、カムシャフト・チューブ12の回転に伴って、カム・ローブ14の運動が、これと係合する可動部材に対して正確な揺動または往復運動を与えるように設定される。例えば、図1においてカム・ローブ14の隣りに示す可動部材はリフター22及びプッシュ・ロッド24である。カムシャフト10の回転に伴って、カムシャフト・チューブ12の全長に沿ってそれぞれのカム・ローブ14の表面形状及び寸法が種々の角度及び軸方向位置と協働してエンジンのプッシュ・ロッド22を所要のパターン及びタイミングで正しく移動させる。この同期化された運動によってすべてのエンジン・シリンダの吸気弁と排気弁を正しく動作させることが可能になる。
【００１８】
従来、カムシャフト・チューブ12及び複数のカム・ローブ14を備えたカムシャフト10は本明細書で云ういわゆる単一成分として鋳鉄または鋼から製造されている。カム・ローブ・プロフィールに必要な耐磨耗性を得るためにチル鋳鉄を使用する場合もある。このような製法は多大の時間と費用を要し、製品としてのカムシャフトの寸法精度に限界があることは周知の通りである。従って、個々のカム・ローブ及びその他のカムシャフト構成部分を整形し、個々の構成部分の表面の形状及び寸法を適正に調整するためには、多くの場合、コスト高の研削及び/または研磨が必要となる。このようなコスト高の仕上げ加工を省けば、カム・ローブは連携関係にある可動部材と正しく係合しないことになる。個々の構成部分に作用する著しく異なる機械的環境に最適条件で耐えるためにはカムシャフト・チューブとカム・ローブが本質的に異なる物理的性質を有することが要求される以上、上記の事態は明白な欠点である。
【００１９】
本発明では、カムシャフト・チューブ12及びカム・ローブ14を別々に製造し、カムシャフト・チューブ12の外面の所要部位にカム・ローブ14を組み付けることによってカムシャフト10を製造する。例えば、図1に示すカムシャフト10の場合、ほぼ図2に示すような形状を有する個々のカム・ローブ12を別個に製造し、これらをカムシャフト・チューブ12回りに配置する。それぞれのカム・ローブ14の孔20にカムシャフト・チューブ12を挿通した後、カム・ローブ14をカムシャフト・チューブ12の外面の所要の軸方向位置に且つ所要の角度方向に固定することによって構成部分を組み立てる。この製法は公知の製法よりも遥かにフレキシブルであり、カムシャフトに取付けられる材料、即ち、カムシャフト・チューブ、カム・ローブ及びその他の部分を構成する材料に差異を与えることができる。例えば、カム・ローブ14を特に滑り磨耗、熱負荷及び反復接触疲労に耐え得る材料から製造し、カムシャフト・チューブを切削加工された軟鋼のような低コストの材料から製造すればよい。
【００２０】
本発明では、内燃機関のカムシャフト10に使用されるカム・ローブ14のような物品をFe-系焼結粉末金属組成物から構成する。この組成物から製造される物品は高温、高摩耗の条件に曝される用途、例えば、上記カム・ローブ・プロフィール18に使用した場合、優れた強度と耐磨耗性を発揮し、例えば、弁列用に好適である。強度及び耐磨耗性のほかに、本発明の焼結粉末金属組成物から製造された物品は優れた寸法安定性、優れた機械加工適性を有するとともに、比較的低い焼結温度で処理することができ、生産性と性能との両面において有益である。
【００２１】
本発明の材料及び製法はカム・ローブに限らす、Fe系粉末金属材料における優れた強度、耐磨耗性、機械加工適性及び寸法安定性を必要とする他の物品にも利用できる。従って、ここではカム・ローブまたはこれと連携する他の弁列構成部品(一括して弁磨耗部品）に関連して説明するが、本発明はこれらと同じか、または類似の性能を必要とする用途にも適用される。
【００２２】
本発明の好ましい実施例として、カム・ローブ14のような焼結Fe系粉末金属弁磨耗部品から成る物品は主として0.5-3.0重量%のMo、1.0-6.5重量%のCr、1.0-5.0重量%のV、及び残余分としてのFe及び不純物を含む鉄系粉末金属混合物から製造される。表1は焼結物品の組成範囲を示すとともに、例1に関連して後述する、この範囲内からの好ましい組成選択を示す。
【００２３】
表１
合金元素              重量％
範囲            例1 
Mo          0.5 - 3.0        0.85
Cr          1.0 - 6.5        2.0 
V           1.0 - 5.0        1.0
Fe            残余            残余   
【００２４】
Fe系粉末金属混合物を約7.0-7.3 g/m3の中程度の密度に圧縮して、例えば、カム・ローブ14のような弁磨耗部品の所要の基本形状サイズとする。次いで、この物品を約1121℃(2050°F)-1260℃(2300°F)の比較的低い焼結温度において還元性雰囲気または真空中で焼結する。焼結された物品を浸炭雰囲気中で熱処理することによって、表面に約0.7-1.2重量%のCを含有する焼結合金物品を製造する。この炭素濃度は物品の表面だけでなく、約0.5-1.0 mmの硬化層深さまで達していることが好ましい。浸炭処理は適当な浸炭方法で行えばよいが、954℃(1750°F)-1037℃(1900°F)の範囲の温度において浸炭雰囲気中で行うことが好ましい。浸炭処理はまた、硬化層中の所要炭素濃度を達成するのに必要なレベルよりも高いカーボン・ポテンシャルを利用して行うことが好ましい。このアプローチは物品表面30におけるさらに高い炭化物濃度の形成を促進すると考えられる。焼結は完全に固体の状態で行われ、実施例に基づいて以下に説明するように、優れた耐磨耗性、機械加工適性及び寸法安定性を有する焼結物品中の高密度ミクロ組織を達成するために液相を発生させる必要はなく、液相の発生を伴うこともない。
【００２５】
図3及び4に示すように、本発明の物品はFe系低合金心部26と、外表面30を含む浸炭硬化層28を有する。図5及び6は浸炭硬化層28の顕微鏡写真であり、クロム及びバナジウム炭化物の分散網目組織とマルテンサイト地が記入されている。図7は心部位26の顕微鏡写真であり、ベイナイト/パーライト地とCr/Vを豊富に含む相部位が記入されている。
【００２６】
粉末混合物は主として約0.5-3.0重量%のMoと残余分としてのFe及び不純物を含む半合金鉄粉から成るFe粉末をベースとすることが好ましい。ベースとなるFe-Mo合金粉末は多数の粉末金属供給元から商業的に入手することができる。表2はベースとなるFe粉末の粒径の典型的な分布を示す。
【００２７】
表２
粒径分析  +250 μm -250~+150 μm -150~+45 μm -45 μm
重量％      僅少        9.9            65.9        24.2
【００２８】
粉末混合物は1.0-6.5重量%のクロムをも含む。クロムを添加して炭化物を形成することによって硬化層28及び物品の外表面における炭化物網目組織の発生を促進する。好ましくは高炭素Fe-Cr粉末が得られるように混合物にクロムを添加する。このようなFe-Cr粉末は市販されている。市販Fe-Cr粉末の組成を表3に例示する。
【００２９】
表３
フェロアロイ    Cr；重量％        C；重量％        粒径；μm
範囲   典型値    範囲   典型値    範囲   典型値    
FeCr          60-75    70    6.0-8.0    7.0      0-45    10
FeV           50-60    55    0-1.0      0.2      0-25    10
【００３０】
粉末混合物は1.0-5.0重量%のバナジウムをも含む。バナジウムも、これを添加することによって硬化層28中、特に物品の外表面30における分散炭化物網目組織の形成を促進する。表3には、このようなFe-V粉末は市販されている。市販のFe-V粉末の組成及び粒径分布をも示した。
【００３１】
例１
ここに述べる焼結粉末金属合金を使用して製造された本発明のカム・ローブの性能を評価するため、表１に「例1」として示した組成を有する焼結物品から多数のカム・ローブを製造した。この焼結粉末金属合金から製造されたカム・ローブを、ここに述べるようなタイプの他の幾つかの焼結粉末金属合金と同様に工業規格試験装置で試験した。これらの試験の結果を比較することによって、本発明の物品と関連する耐磨耗性の改善を評価した。
【００３２】
試験に供されたカム・ローブは以下に列記するような組成を有する合金から製造された：
Fe-Ni-Mo-C合金：低密度(~7.0 g/cm3)に焼結硬化された材料；
Fe-Mo-Cr-V-C合金：中程度密度(7.0-7.3 g/cm3)に肌焼きされた本発明の材料；
Fe-Mo-C合金：高密度(>7.25 g/cm3)に肌焼きされた材料；
Fe-Mo-C合金：超高密度(>7.4 g/cm3)に肌焼きされた硬化層；
これらの合金の組成を表4に示す。
【００３３】
表４
合金                        合金元素；wt%
Cr        V        Ni        Mo        C        Fe     
Fe-Ni-Mo-C        0        0      1.80      0.83    0.85      残余
Fe-Mo-C          0        0        0        0.87    0.85      残余
Fe-Mo-Cr-V-C    2.00      1.00      0      0.85    0.70-1.20  残余
【００３４】
試料としての粉末金属カム・ローブをFord 1.81D 排気プロフィールの形状に合わせて作成し、100Cr6標準規格リン酸塩被覆鋼から成るフラット・シムとの組み合わせで試験した。粉末金属鋼から成るフラット・シムとの組み合わせでも試験を実施した。
【００３５】
カム・ローブの耐磨耗性と耐スカッフィング性を評価するため、工業規格試験装置を使用した。この装置はMIRA（UK Motor Industry Research Association英国自動車産業研究協会）が設計し、製造した装置であり、詳細は下記文献に記載されている：
(1)Wykes, F. C., "Summary Report on the Performance of a Number of Cam and Cam Follower Material Combinations Tested in the MIRA Cam and Follower Test Machine", MIRA Report No. 3, 1970;  及び
(2)Chatterley, T.C., "Cam and Cam Follower Reliability", SAE Paper 885033, 1988.
【００３６】
MIRA装置による試験においては、モータと連動するプーリーを介してカムが駆動される。フォロワー（タペット）をカムの真上に配置し、ヘッド集合体に含まれるバネ付勢ピストンによってプッシュ・ロッドを介して可変負荷を作用させる。カムの近傍に設けたオイル・ジェットを介して加熱されたオイルを接触部位へ供給し、タンクへ還流させる。試験中の回転数をカムシャフトの端部に設けたカウンターによって記録する。それぞれの試験ヘッドにおいて、カム/フォロワー対を一定の速度、負荷、オイル温度及びオイル流量で、所定の時間に亘って動作させる。試験の終了時に、重量損失によって部品を評価し、ピッティングについては、適当な基準スケールを利用して視覚的に評価する。この試験はピッティングを誘発させるよりもむしろ部品を磨耗させるように考案されているから、流体力学的な影響をできるだけ少なくするため、添加剤を含まない低粘度鉱油Largo P1が選択され、500 rpmの低速で実施した。試験中、オイル温度を100℃に維持した。この規格試験をリン酸塩被覆100Cr6 タペットとの組み合わせで50時間に亘って実施した。
【００３７】
試験の結果は図8に示す表にまとめた通りであり、その詳細を以下に説明する。
【００３８】
Fe-Ni-Mo-C
Fe-Ni-Mo-C合金を先ずは637 MPaで50時間に亘って試験した。カム・ノーズが著しく磨耗し、カム・リフトの損耗が激しかった。負荷を500 MPaに落としたところ、材料に目立った磨耗は現れなかった。このことは2回目の試験でも確認された。従って、限界負荷は約500 MPaであった。
【００３９】
Fe-Mo-C
高密度Fe-Mo-C材料（密度が7.25 g/m3以上)もまた637 MPaにおいて著しく磨耗して機能不可能となり、これよりも低い負荷500 MPaにおいても同様であった。負荷をさらに400 MPaまで落としてようやくカムが正常に動作できるようになり、このことは2回目の試験でも確認された。従って、限界負荷は約400 MPaであることが判明した。
【００４０】
Fe-Mo-C
超高密度のFe-Mo-C材料（密度が7.4 g/m3以上)もまた637 MPaにおいて著しく磨耗して機能不可能となったが、これよりも低い負荷500 MPaにおいては磨耗が見られず、このことは2回目の試験でも確認された。従って、限界負荷は Fe-Ni-Mo-C合金と同様に約500 MPaであることが判明した。
【００４１】
Fe-Mo-Cr-V-C
本発明の焼結合金は上記した他のどの材料とも異なり、最初の負荷637 MPaにおいて全く磨耗が見られなかった。そこで100時間まで試験（試料A）を続行したが損傷も目立った磨耗も観察されなかった。600 MPaにおける2回目の試験（試料B）は、他の試験にこのローブを利用できるように中断した。第3のローブ（試料C）を粉末金属シム及び100Cr6シムとの組み合わせでそれぞれ600 MPaにおいて試験した。
【００４２】
より高い負荷下でさらに試験を実施してその限界を求めた。700 MPaでは、100Cr6タペットとの組み合わせでもPMタペットとの組み合わせでも（試料B及びD）磨耗は全く観察されなかった。この高い負荷に関しては、試料Bに新しい100Cr6シムを取付けた。
【００４３】
Largo P1鉱油ではなく標準的なエンジンオイルで本発明の材料の性能を評価するため、試験を加速した。設計上の限界値が827 MPaに設定されていることを考慮して、試料E及びFを、限界値よりもやや低い800 MPaの負荷で、Ford AL 3612エンジンオイルを使用して試験した。残念ながら試験装置が故障したため、試料Fを500 MPaで試験することが不可能になったので、サイクル数が同じになるように時間を短縮して700 MPaで試験を実施した。いずれのシムに関しても、磨耗は全く観察されなかった。
【００４４】
次いで、（同じタペットを使用して）負荷を850 MPaに増大させ、両試料をさらに50時間、700 rpmで動作させた。この場合にも磨耗は観察されなかったので、負荷をさらに900 MPaまで増大させた。従って、50時間後に目立った磨耗が観察されないという簡単な破壊基準によれば、本発明の材料は少なくとも900 MPaに耐える。
【００４５】
基準鉱油Largo P1を使用することによって、4種の粉末金属カム・ローブ材料の明確な評価を可能にした。本発明の材料だけが600 MPa以上において目立った磨耗を生ずることなく機能することができた。高密度Fe-Mo-C合金は耐磨耗性が最も低く、400 MPaが限界であるのに対して、Fe-Ni-Mo-C及び超高密度Fe-Mo-C材料は500 MPaにおいて磨耗を示した。
【００４６】
100Cr6シム及びPMシムとの試験では、本発明の材料が典型的な運転負荷をはるかに超えるレベルである少なくとも900 MPaに耐え得ることが立証された。
【００４７】
以上の説明に照らして、本発明に種々の変更を加え得ることは云うまでもない。従って、添付の請求の範囲内であれば、上記の具体例とは異なる態様で本発明を実施することも可能である。本発明は飽くまでも添付の請求項によってのみ定義される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図1は本発明のカムシャフトの斜視図である。
【図２】図1に示したカムシャフトにおけるカム・ローブの斜視図である。
【図３】図2の3-3線における断面図である。
【図４】図3の部位4の拡大図である。
【図５】図4に概略を示した本発明の焼結粉末合金の面部位5を200倍に拡大した顕微鏡写真である。
【図６】図5における部位6を1000倍に拡大した顕微鏡写真である。
【図７】図4に概略を示した本発明の焼結粉末合金における中核部位を200倍に拡大した顕微鏡写真である。
【図１】
2008517163.tif 000002
【図２】
2008517163.tif 000003
【図３】
2008517163.tif 000004
【図４】
2008517163.tif 000005
【図８】
2008517163.tif 000006
【図５】
2008517163.tif 000007
【図６】
2008517163.tif 000008
【図７】
2008517163.tif 000009
【国際調査報告】
2008517163.tif 000010
2008517163.tif 000011