(57)【要約】【課題】従来の硬質皮膜形成方法により硬質皮膜が形成された動弁装置の摺動部品に対して、耐焼付性、耐摩耗性を向上させた硬質皮膜を有する動弁装置の摺動部品を提供する。【解決手段】内燃機関の動弁装置を構成するカムシャフトのカム面、あるいはその相手材となるスリッの摺接面に硬質皮膜が形成された動弁装置の摺動部品、即ち、カムシャフト、スリッパ等において、硬質皮膜を、窒化処理により形成された窒化鉄がクロムを含有した塩浴に浸漬されて窒化鉄中の鉄原子がクロム原子に置換されることにより形成された窒化クロム皮膜とした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の動弁装置を構成するカムシャフトのカム面、あるいはその相手材となる摺接面に硬質皮膜が形成された動弁装置の摺動部品において、
前記硬質皮膜は、窒化処理により形成された窒化鉄が、クロムを含有した塩浴に浸漬されて前記窒化鉄中の鉄原子がクロム原子に置換されることにより形成された窒化クロム皮膜であることを特徴とする動弁装置の摺動部品。
【請求項２】
前記硬質皮膜の少なくとも表面は、前記窒化クロムのみで構成されていることを特徴とする請求項１記載の動弁装置の摺動部品。
【請求項３】
前記窒化クロムは、前記硬質皮膜の表面から母材内部に向けてその含有量が連続的に減少していることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の動弁装置の摺動部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動弁装置の摺動部品の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の高出力化、高回転化に伴い、動弁装置を構成する吸排気バルブを駆動するカムシャフトのカム面や、カムシャフトの相手材となる従動部品（例えば、直動式に用いられるタペット、ロッカアームのスリッパ）の摺接面は、これまで以上の摺動速度、従動面圧で摺動するため、耐焼付き性、耐摩耗性を向上させる種々の硬質皮膜を形成する技術が提案されている。
【０００３】
このような従来の動弁装置の摺動部品の硬質皮膜を形成する技術として、ＰＶＤ法（特許文献１参照。）、イオンプレーティング法（特許文献２参照。）、ＣＶＤ法（特許文献３参照。）が知られている。
【特許文献１】特開平９−１１２２１９号公報
【特許文献２】特開平９−１２５９１６号公報
【特許文献３】特開２００１−２８０４９４号公報
【０００４】
特許文献１では、高速用ロッカアームが高速用カムと摺接するカムスリップ面に、硬度がＨＲＣ５５以上で炭化物が析出分散した組織を有する合金工具鋼基材の上にＰＶＤ（物理蒸着：Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）による硬質被膜を形成している。
【０００５】
特許文献２では、カムの摺接面と、カムに摺接するロッカアームの摺接面との少なくとも一方に、厚さ１〜２００μｍの窒化クロム等の金属窒化物の表面層を反応性イオンプレーティング法によって形成している。
【０００６】
特許文献３では、エンジン摺動部品としてのシフトフォークの摺動面を、うねりとマイクロディンプル形状を持たせた基材面に形成し、この基材面の上にＰＶＤ法又はＣＶＤ（化学蒸着：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により窒化クロム等の硬質薄膜を形成している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記した特許文献１〜特許文献３に示されたＰＶＤ法、イオンプレーティング法及びＣＶＤ法は、どれも材料を気相状態として摺動部品表面に付着・堆積させて硬質皮膜を形成するため、硬質被膜と摺動部品母材との密着力が不十分となり、硬質皮膜の剥離が生じやすく、カムシャフトの高回転化、高面圧化による過酷な条件下では、耐焼付性や耐摩耗性に限界がある。
【０００８】
本発明の目的は、従来の硬質皮膜形成方法により硬質皮膜が形成された動弁装置の摺動部品に対して、耐焼付性、耐摩耗性を向上させた硬質皮膜を有する動弁装置の摺動部品を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に係る発明は、内燃機関の動弁装置を構成するカムシャフトのカム面、あるいはその相手材となる摺接面に硬質皮膜が形成された動弁装置の摺動部品において、硬質皮膜を、窒化処理により形成された窒化鉄がクロムを含有した塩浴に浸漬されて窒化鉄中の鉄原子がクロム原子に置換されることにより形成された窒化クロム皮膜としたことを特徴とする。
【００１０】
作用として、窒化処理により、カムシャフトのカム面、あるいはその相手材となる摺接面の表層部に窒化鉄層を形成する。次に、窒化鉄層が形成されたカムシャフトあるいはその相手材を、クロムを含有する塩浴に浸漬することで、窒化鉄中にクロム原子を拡散浸透させて鉄原子と置換することにより窒化クロム皮膜を形成する。
【００１１】
上記の窒化クロム皮膜は、拡散浸透処理により形成されたものであり、従来のＰＶＤ法、ＣＶＤ法、イオンプレーティング法によって形成された硬質皮膜に比べて、母材との結合力がより強固になり、剥離が生じない。
【００１２】
請求項２に係る発明は、硬質皮膜の少なくとも表面が、窒化クロムのみで構成されていることを特徴とする。
窒化鉄は窒化クロムよりも硬度が低いために、硬質皮膜の表面に窒化鉄が存在すると、焼き付きが発生したり、摩耗量が大きくなる。硬質皮膜の少なくとも表面が、窒化クロムのみで構成されていれば、硬質皮膜の表面の硬度が高くなり、窒化鉄が存在する場合よりも耐焼付性、耐摩耗性が向上する。
【００１３】
請求項３に係る発明は、窒化クロムを、硬質皮膜の表面から母材内部に向けてその含有量が連続的に減少するようにしたことを特徴とする。
作用として、従来のＰＶＤ法、ＣＶＤ法、イオンプレーティング法等の硬質皮膜形成方法では、硬質皮膜を構成する組成の含有量が硬質皮膜の表面から母材内部に向けて不連続に変化するために硬質皮膜の剥離が発生しやすくなり、硬質皮膜と母材との密着力が不十分となるが、本発明では、窒化クロムの含有量が硬質皮膜の表面から母材内部に向けて連続的に変化するため、硬質皮膜と母材との密着力が大きくなる。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に係る発明では、硬質皮膜を、窒化処理により形成された窒化鉄が、クロムを含有した塩浴に浸漬されて窒化鉄中の鉄原子がクロム原子に置換されることにより形成された窒化クロム皮膜としたので、従来の硬質皮膜形成方法に比べて、硬質皮膜である窒化クロム皮膜と母材との結合力がより強固になり、窒化クロム皮膜の剥離が生じないので、動弁装置の摺動部品の耐焼付性、耐摩耗性を向上させることができる。
【００１５】
請求項２に係る発明では、硬質皮膜の少なくとも表面が、窒化クロムのみで構成されているので、硬質皮膜の表面に窒化鉄が存在する場合に対して硬度の高い窒化クロムによって動弁装置の摺動部品の耐焼付性及び耐摩耗性をより一層向上させることができる。
【００１６】
請求項３に係る発明では、窒化クロムを、硬質皮膜の表面から母材内部に向けてその含有量が連続的に減少するようにしたので、従来の硬質皮膜形成方法に比べて、硬質皮膜と母材との密着力を大きくすることができ、硬質皮膜の剥離が発生しなくなるため、動弁装置の摺動部品の耐焼付性及び耐摩耗性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係る摺動部品を備えた動弁装置の説明図であり、内燃機関１０は、シリンダヘッド１１を備え、このシリンダヘッド１１は、吸気バルブ１２及び排気バルブ（不図示）を備え、これらの吸気バルブ１２及び排気バルブを強制的に駆動して開閉するバルブ強制開閉型の動弁装置１５を設けたものである。
【００１８】
動弁装置１５は、シリンダヘッド本体１１ａに回転自在に取付けられたカムシャフト１７と、シリンダヘッド本体１１ａに取付けられたロッカシャフト２１，２２と、これらのロッカシャフト２１，２２にスイング自在に取付けられるとともにカムシャフト１７で駆動される開弁用ロッカアーム２３及び閉弁用ロッカアーム２４と、これらの開弁用ロッカアーム２３及び閉弁用ロッカアーム２４で駆動されて吸気ポート２６を開閉する吸気バルブ１２とを備える。なお、２８は吸気バルブ１２が開いたときに吸気ポート２６に連通する燃焼室である。
【００１９】
カムシャフト１７は、開弁用ロッカアーム２３を駆動する開弁用カム３１と、閉弁用ロッカアーム２４を駆動する閉弁用カム３２とを備える。なお、３１ａは開弁用ロッカアーム２３と摺動するカム面、３２ａは閉弁用ロッカアーム２４と摺動するカム面である。
【００２０】
開弁用ロッカアーム２３は、開弁用カム３１と摺動するスリッパ３４（３４ａはスリッパ３４の摺動面）が取付られ、吸気バルブ１２の端部１２Ａと摺動するバルブ側摺動面２３ａが形成されている。
【００２１】
閉弁用ロッカアーム２４は、閉弁用カム３２と摺動するスリッパ３６（３６ａはスリッパ３６の摺動面）が取付けられ、吸気バルブ１２の端部１２Ａと摺動するバルブ側摺動面２４ａが形成されている。
【００２２】
吸気バルブ１２の端部１２Ａは、開弁用ロッカアーム２３のバルブ側摺動面２３ａと摺動する開弁側摺動面１２ａと、閉弁用ロッカアーム２４のバルブ側摺動面２４ａと摺動する閉弁側摺動面１２ｂとを備える。
【００２３】
上記した開弁用カム３１のカム面３１ａ及び閉弁用カム３２のカム面３２ａと、スリッパ３４の摺動面３４ａ及びスリッパ３６の摺動面３６ａとの少なくとも一方は、その表面に後述する硬質皮膜である窒化クロム皮膜が形成されて耐焼付性及び耐摩耗性の向上が図られている。
【００２４】
図２は本発明に係る摺動部品への硬質皮膜形成要領を示す作用図である。
ステップ１として、図１に示された摺動部品（カムシャフト及びこのカムシャフトの相手材となるスリッパ）である鉄系材料に窒化処理を施し、鉄系材料の表層部に鉄窒化物としての窒化鉄（ＦｅＮ）層を形成する。
窒化処理法としては、ガス窒化法、ガス軟窒化法、塩浴窒化法、塩浴軟窒化法が好適である。
【００２５】
ステップ２として、ステップ１で窒化鉄層が形成された鉄系材料を、塩浴中に浸漬して塩浴処理を行い、塩浴中のクロム原子を拡散浸透させて鉄原子と置換し、窒化鉄から硬質皮膜である窒化クロム（ＣｒＮ）皮膜を形成する。塩浴処理は、表面の窒化鉄が全て窒化クロムに置き換わるまで行う。即ち、最終的には、鉄系材料の表面には窒化クロム皮膜のみが存在する。
また、窒化クロムの含有量は、硬質皮膜の表面から母材内部に向けて傾斜して減少、即ち連続的に減少している。
上記の窒化クロム皮膜の膜厚はＣｒＮのみ（表面）で１〜５μｍ、ＣｒＮ、ＦｅＮが混在する部分（Ｃｒ拡散部分）で２〜２０μｍ、表面硬度はＨＶ１８００以上であり、鉄系材料としては、ＳＡＣＭ６４５［ＪＩＳ  Ｇ  ４２０２］が好適である。
【００２６】
塩浴処理の条件としては、塩浴処理剤の組成が、アルカリ金属塩化物とアルカリ土類金属塩化物とクロムと他の微量成分とで構成され、鉄系材料の浸漬時間が１〜３Ｈｏｕｒ、浸漬温度が５００〜７００℃である。
【００２７】
図３は本発明に係る摺動部品の耐久性を評価する試験装置及び試験方法を説明する説明図である。
試験装置４０は、動弁装置の摺動部品の耐久性、特に耐焼付き性を評価するためのものであり、前述の窒化クロム皮膜がカム面４１ａに形成された摺動部品の評価用試料としてのカムシャフト４１の耐焼付性を評価するものであり、ベース部４３に鉛直に固定された計測アーム４４と、この計測アーム４４の中間部に取付けられて計測アーム４４の歪みを検出する歪みゲージからなる歪みセンサ４６と、計測アーム４４の上部に支軸４７を介して上下スイング自在に取付けられた剛性アーム４８と、この剛性アーム４８の下面に着脱自在に取付けられてカムシャフト４１のカム面４１ａと摺動する摺動プレート５１と、この摺動プレート５１の摺動面５１ａの裏面５１ｂに設けられて摺動部であるカム面４１ａの温度と同等な摺動プレート５１の温度を検出する熱電対からなる温度センサ５２と、摺動プレート５１をカム面４１ａに押し付けるために剛性アーム４８を押し下げるエアシリンダ５３とからなる。
【００２８】
試験方法としては、図示せぬ受け部でカムシャフト４１を回転自在に支持し、カムシャフト４１を所定回転数で回転させ、エアシリンダ５２を作動させてカムシャフト４１のカム面４１ａに摺動プレート５１を所定荷重で押し付け、そのときに剛性アーム４８に白抜き矢印Ａの向きに発生するフリクション荷重を歪みセンサ４６で計測するとともに、カム面４１ａの温度を温度センサ５２で計測し、また、カム面４１ａの焼付き発生の有無も観察する。このとき、白抜き矢印Ｂで示すように、カム面４１ａと摺動プレート５１との摺動部に一定流量のエンジンオイルを供給し続ける。
【００２９】
次に、カム面４１ａに摺動プレート５１を押し付ける荷重を増加させて所定荷重とし、フリクション荷重及びカム面温度の計測と焼付きの観察とを行う。これを繰り返して得られた結果を図４で説明する。
この試験での試験条件は以下の通りである。
【００３０】
［焼付き試験条件］
カムシャフト回転数  ：６０００ｒｐｍ
エンジンオイル供給量：４５０ｃｃ／ｍｉｎ
エンジンオイル仕様  ：ＡＰＩ  ＳＭ／ＣＦグレード  １５Ｗ−５０
エンジンオイル温度  ：６０〜８０℃
摺動プレート材質    ：ＳＮＣＭ４２０［ＪＩＳ  Ｇ  ４１０３］（浸炭処理実施）
摺動プレート硬度    ：母材ＨＶ３００〜３７５、表面ＨＶ７００以上
【００３１】
試料は表１に示す実施例、比較例１及び比較例２である。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
実施例：
材質はＳＡＣＭ６４５［ＪＩＳ  Ｇ  ４２０２］、熱処理はガス窒化、表面処理は本発明の拡散置換窒化クロム皮膜（図２に示した窒化処理及び塩浴処理により形成）、母材硬度はＨＶ３２０〜３５０、表面硬度はＨＶ１８００以上である。
【００３４】
比較例１：
材質はＳＡＣＭ６４５［ＪＩＳ  Ｇ  ４２０２］、熱処理はガス窒化、表面処理は未実施、母材硬度はＨＶ３２０〜３５０、表面硬度はＨＶ９００以上である。
このように、ガス窒化のみで表面処理を行わないと、表面硬度は上記の実施例よりも低くなる。
【００３５】
比較例２：
材質はＳＡＣＭ６４５［ＪＩＳ  Ｇ  ４２０２］、熱処理はガス窒化、表面処理はＣＶＤ法により窒化クロム皮膜を形成、母材硬度はＨＶ３２０〜３５０、表面硬度はＨＶ１８００以上である。
【００３６】
図４は本発明に係る摺動部品の耐焼付き性評価の結果を示すグラフであり、図３に示した試験装置４０による試験結果を示す。横軸はフリクション荷重（単位はＮ）、縦軸は図３に示されたカムシャフト４１のカム面４１ａの温度、即ち供試体温度（単位は℃）を表す。ここでのカム面４１ａの温度は、摺動プレート５１（図３参照）の温度と同等であり、温度センサ５２（図３参照）で検出された温度である。
【００３７】
表１に示された比較例１では、フリクション荷重が１０Ｎ近くまでは大きな傾きで供試体温度が上昇し、そこを超えるとやや上昇の傾きは小さくなり、フリクション荷重が１９Ｎ近くでカム面に焼付きが発生した。このときの供試体温度は１０８．７℃である。
【００３８】
表１に示された比較例２では、フリクション荷重が１０Ｎ近くまでは比較例１と同様に供試体温度が上昇し、そこを超えてフリクション荷重が１９Ｎを超えたところでカム面に焼付きが発生した。このときの供試体温度は９６．３℃である。
【００３９】
表１に示された本実施例では、フリクション荷重が１０Ｎの手前までは比較例１及び比較例２よりも供試体温度の上昇の傾きは小さく、そこを超えてからは上昇の傾きも緩やかになり、比較例１及び比較例２に焼付きが発生した１９Ｎ付近では供試体温度は約８０℃と低く、焼付きは発生しなかった。更に荷重を増やし、フリクション荷重が３２．１Ｎ（１９Ｎの約１．７倍）になっても供試体温度は９３．７℃までしか上がらず、焼付きは発生していない。
【００４０】
このように、本実施例では、カム面に拡散置換窒化クロム皮膜を施すことで、比較例１（表面処理未実施）及び比較例２（表面処理はＣＶＤによる窒化クロム皮膜）に対して大幅に耐焼付き性を向上させることが確認できた。
【００４１】
図５は本発明に係る摺動部品の耐摩耗性評価の結果を示すグラフであり、縦軸は試料であるカムシャフトのカム面の表面粗さ、即ち、平均粗さＲａ（単位はμｍ）、横軸はテスト前及びテスト後の試料を表す。
ここでのテストとは、図３に示した試験装置４０を使用して行う摩耗試験であり、摩耗試験の条件は以下の通りである。
【００４２】
［摩耗試験条件］
カムシャフト回転数    ：６０００ｒｐｍ
摺動プレート押付け荷重：１００〜１２５０Ｎ（グラフ中のデータは１２５０Ｎ）
試験時間              ：０．５Ｈｏｕｒ（比較例１及び比較例２は２ｍｉｎ以内で焼き付き発生）
エンジンオイル供給量  ：４５０ｃｃ／ｍｉｎ
エンジンオイル仕様    ：ＡＰＩ  ＳＭ／ＣＦグレード  １５Ｗ−５０
エンジンオイル温度    ：６０〜８０℃（グラフ中のデータは６０℃）
摺動プレート材質      ：ＳＮＣＭ４２０［ＪＩＳ  Ｇ  ４１０３］（浸炭処理実施）
摺動プレート硬度      ：母材ＨＶ３００〜３７５、表面ＨＶ７００〜
【００４３】
テスト前の実施例、比較例１及び比較例２の平均粗さはどれも０．０９μｍであり、テスト後には、実施例ではテスト前よりも平均粗さがわずかに増えて０．１３μｍとなったが、比較例１及び比較例２では実施例に比べて平均粗さが大幅に悪化し、共に０．７μｍを超えている。
【００４４】
このような結果となったのは、比較例１では、表面処理が未実施であるために表面にＦｅが存在し、摺動発熱で高温となり、硬度低下を引き起こし、且つ相手材との間で凝着が生じ、焼き付きに至ったこと、比較例２では、比較例１の対応として、高温硬度低下耐性があるＣｒＮ皮膜を施したが、ＣＶＤ法による処理であったため、母材への窒化クロム皮膜の密着性が不十分であり、窒化クロム皮膜の剥離が発生したことによると考えられる。
【００４５】
これに対して本実施例では、拡散置換による窒化クロム皮膜の形成によって、母材と窒化クロム皮膜との密着性が強固となり、窒化クロム皮膜の剥離が発生しなかったことにより摩耗量が小さかったと考えられる。
【００４６】
以上の図１及び図２に示したように、本発明は第１に、内燃機関１０の動弁装置１５を構成するカムシャフト１７のカム面３１ａ，３２ａ、あるいはその相手材となるスリッパ３４，３６の摺接面３４ａ，３６ａに硬質皮膜が形成された動弁装置１５の摺動部品（即ち、カムシャフト１７（カムシャフト１７と開弁用カム３１及び閉弁用カム３２とが別体の場合はカムシャフト１７、開弁用カム３１及び閉弁用カム３２）、スリッパ３４，３６）において、硬質皮膜を、窒化処理により形成された窒化鉄がクロムを含有した塩浴に浸漬されて窒化鉄中の鉄原子がクロム原子に置換されることにより形成された窒化クロム皮膜としたことを特徴とする。
【００４７】
これにより、従来の硬質皮膜形成方法に比べて、硬質皮膜である窒化クロム皮膜と母材との結合力がより強固になり、窒化クロム皮膜の剥離が生じないので、動弁装置１５の摺動部品の耐焼付性、耐摩耗性を向上させることができる。
【００４８】
本発明は第２に、硬質皮膜の少なくとも表面が、窒化クロムのみで構成されていることを特徴とする。
これにより、硬質皮膜の表面に窒化鉄が存在する場合に対して硬度の高い窒化クロムによって動弁装置１５の摺動部品の耐焼付性及び耐摩耗性をより一層向上させることができる。
【００４９】
本発明は第３に、窒化クロムを、硬質皮膜の表面から母材内部に向けてその含有量が連続的に減少するようにしたことを特徴とする。
これにより、従来の硬質皮膜形成方法に比べて、硬質皮膜と母材との密着力を大きくすることができ、硬質皮膜の剥離が発生しなくなるため、動弁装置１５の摺動部品の耐焼付性及び耐摩耗性を向上させることができる。
【００５０】
尚、鉄系材料としては、本実施の形態で示したものの他にＳＫＤ６１［ＪＩＳ  Ｇ  ４４０４］等の窒化が可能なものでもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の摺動部品は、動弁装置に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に係る摺動部品を備えた動弁装置の説明図である。
【図２】本発明に係る摺動部品への硬質皮膜形成要領を示す作用図である。
【図３】本発明に係る摺動部品の耐久性を評価する試験装置及び試験方法を説明する説明図である。
【図４】本発明に係る摺動部品の耐焼付き性評価の結果を示すグラフである。
【図５】本発明に係る摺動部品の耐摩耗性評価の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５３】
１０…内燃機関、１５…動弁装置、１７，４１…カムシャフト、３１，３２，３４，３６…摺動部品（開弁用カム、閉弁用カム、スリッパ、スリッパ）、３１ａ，３２ａ，４１ａ…カム面、３４ａ，３６ａ…摺接面（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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