(57)【要約】【課題】　強度や精度、摺動性等の要求特性を同時に満足するスプロケット一体型ハウジングを提供する。【解決手段】　外周側面１１ｂに歯面１１ａが設けられたスプロケット部１１と、内周側面１２ａに凹部１３が設けられたハウジング部１２とが、Ｆｅ系粉末材料で一体に形成された、焼結体からなるスプロケット一体型ハウジング１０を、その表面全体に、スチーム処理により形成されたスチーム酸化被膜層と、スチーム処理後に施されたガス軟窒化処理により形成された窒化被膜層とを有する構成とする。【選択図】　　図１
2004132370.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　可変バルブタイミング機構に用いられ、略円環状に形成されかつ外周部に歯面が設けられたスプロケット部と、該スプロケット部の内側に配置され内周部から延在する複数の凹部が設けられたハウジング部とを有し、Ｆｅ系粉末材料で一体に形成された焼結体からなるスプロケット一体型ハウジングであって、
　前記スプロケット部及び前記ハウジング部の表面全体は、スチーム処理により形成されたスチーム酸化被膜層と、前記スチーム処理後に施されたガス軟窒化処理により形成された窒化被膜層とにより覆われていることを特徴とするスプロケット一体型ハウジング。
【請求項２】
　前記スプロケット部の前記歯面に、前記Ｆｅ系粉末材料の変態点を越える温度の高周波焼き入れによる焼き入れ硬化層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のスプロケット一体型ハウジング。
【請求項３】
　前記スチーム酸化被膜層は、前記窒化被膜層により覆われていることを特徴とする請求項１または２に記載のスプロケット一体型ハウジング。
【請求項４】
　前記スチーム酸化被膜層の厚さは、３〜８μｍであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のスプロケット一体型ハウジング。
【請求項５】
　前記窒化被膜層の厚さは、２〜５μｍであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のスプロケット一体型ハウジング。
【請求項６】
　前記窒化被膜層は、前記スチーム酸化被膜層より薄く形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のスプロケット一体型ハウジング。
【請求項７】
　略円環状に形成されかつ外周部に歯面が設けられたスプロケット部と、該スプロケット部の内側に配置され内周部から延在する複数の凹部が設けられたハウジング部とを有し、Ｆｅ系粉末材料で一体に形成された焼結体からなるスプロケット一体型ハウジングであって、
　前記複数の凹部の各々は、前記歯面の裏側に配置されて他部材の摺動を許容する円弧状摺動面を備え、
　前記スプロケット部及び前記ハウジング部の表面全体は、スチーム処理により形成されたスチーム酸化被膜層と、前記スチーム処理後に施されたガス軟窒化処理により形成された窒化被膜層とにより覆われていることを特徴とするスプロケット一体型ハウジング。
【請求項８】
　スプロケット一体型ハウジングを製造する方法であって、
　外周部に歯面が設けられたスプロケット部と、該スプロケット部の内側に配置され内周部から延在する凹部を有するハウジング部とを有しＦｅ系粉末材料からなる圧粉体を形成する段階と；
　前記圧粉体を焼結して焼結体を得る段階と；
　前記焼結体に、過熱水蒸気を用いたスチーム処理を施す段階と；
　前記焼結体に、アンモニウムガスを用いたガス軟窒化処理を施す段階と；
　前記歯面に、高周波焼き入れを施す段階と；を含む。
【請求項９】
　請求項８に記載の方法であって、前記高周波焼き入れの条件は、前記歯面が、前記Ｆｅ系粉末材料の変態点を越える温度となるように設定されている。
【請求項１０】
　請求項８または９に記載の方法であって、前記過熱水蒸気の温度は５５０〜６００℃に設定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、可変バルブタイミング機構に用いられ、略円環状に形成されかつ外周側面に歯面が設けられたスプロケット部と、該スプロケット部の内側に配置されかつ内周部から延在する複数の凹部が設けられたハウジング部とを有するスプロケット一体型ハウジングに関する。本発明はまた、スプロケット一体型ハウジングの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
　従来、自動車の内燃機関等において、低速域および高速域での燃焼効率向上や排ガスの減少を目的として、バルブの開閉タイミング（バルブタイミング）を変化させる可変バルブタイミング機構が利用されている。
【０００３】
　可変バルブタイミング機構には、カムシャフトに連結されて回転する第１の回転体（内部ロータ）と、クランクシャフトに連結されてスプロケット（ドリブンギア）と一体に回転する第２の回転体（ハウジング）とを同軸に配置し、両回転体を相対回転させることにより、回転位相を変化させてバルブタイミングを変更するようにしているものがある（たとえば特許文献１参照）。
【０００４】
　第１及び第２の回転体（すなわち、内部ロータとハウジング）を相対回転させるための具体的な構成は、内部ロータの外周側面から径方向に突出した２つのベーンと、ハウジングの内周側面に形成された凹部とによって、ベーンの両側に圧力室を形成し、この２つの圧力室内に圧力差を生じさせると、ベーンがハウジングの内周側面上を摺動して凹部内を移動して、内部ロータをハウジングに対して相対回転させるものである。これにより、カムシャフトとクランクシャフトとの間に回転位相差が生じ、バルブタイミングを変更することができる。
【０００５】
　この可変バルブタイミング機構では、チェーン駆動されるスプロケットには摺動性に加えて面圧強度・靭性・硬度が高いことが要求される一方、内周側面がベーンの摺動面となるハウジングには、より良好な形状精度と耐摩耗性、摺動性が求められる。
【０００６】
　従来、これらスプロケットおよびハウジングは、一体に回転する部材でありながら、要求される性質が異なるため、それぞれが異なる材料、表面処理方法等で別々に製造された後で一体に組み付けられるのが一般である。
【０００７】
　ところで、耐摩耗性を要求される部品として、焼き入れ硬化性の鉄系粉末材料を成形および焼結した後に各種処理を順に施した、ロータリ圧縮機のベーンが提案されている（たとえば特許文献２参照）。
【０００８】
　このベーンは、焼結後焼き入れ焼き戻し処理により強度を向上させた後、水蒸気処理により気密性を向上させ、さらに窒化処理（ガス軟窒化処理）により耐摩耗性を向上させて製造される。また、水蒸気処理および窒化処理の後には研削加工による仕上げ処理が施され、これにより表面粗さや形状精度が向上されている。
【特許文献１】特開平１１−９３６２８号公報（段落００１７〜００２６、図１）
【特許文献２】特開２００１−３４２９８１号公報（段落００４９〜００５０、図８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
　このような可変バルブタイミング機構では、組立工程の削減による製造時間の短縮や製造コストの削減等が求められており、ハウジングとスプロケットとを粉末材料の成形・焼結により一体に製造することが検討されている。
【００１０】
　しかしながら、従来のような焼結体に各種処理を施して製造される部品では寸法管理が困難であり、精密な形状を要求されるハウジングには不向きであるという問題がある。
【００１１】
　また、上述したように、ベーンの摺動面を有するハウジングには摺動性および耐摩耗性に優れ高精度であることが要求される一方で、チェーン駆動されるスプロケットにはさらに強度が要求されている。つまり、各部位に対して異なる要求があるため、従来それぞれに適した方法で製造されていたスプロケットとハウジングとを一体に製造すると、いずれかが犠牲となって強度や精度・摺動性等を同時に満足することができないという問題があった。
【００１２】
　本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、強度や精度、摺動性等の要求特性を同時に満足するスプロケット一体型ハウジングを提供することを目的とする。本発明の他の目的は、スプロケット一体型ハウジングの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
　以上の課題を解決するために、本発明の請求項１に係るスプロケット一体型ハウジングは、可変バルブタイミング機構に用いられ、略円環状に形成されかつ外周部に歯面が設けられたスプロケット部と、該スプロケット部の内側に配置され内周部から延在する複数の凹部が設けられたハウジング部とを有し、Ｆｅ系粉末材料で一体に形成された焼結体からなるスプロケット一体型ハウジングであって、前記スプロケット部及び前記ハウジング部の表面全体は、スチーム処理により形成されたスチーム酸化被膜層と、前記スチーム処理後に施されたガス軟窒化処理により形成された窒化被膜層とにより覆われていることを特徴としている。
【００１４】
　請求項２に係る発明は、上記スプロケット一体型ハウジングにおいて、スプロケット部の歯面に、Ｆｅ系粉末の変態点を越える温度の高周波焼き入れによる焼き入れ硬化層が形成されてことを特徴としている。
【００１５】
　請求項３に係る発明は、上記スプロケット一体型ハウジングにおいて、スチーム酸化被膜層は、窒化被膜層により覆われていることを特徴としている。
【００１６】
　請求項４に係る発明は、上記スプロケット一体型ハウジングにおいて、スチーム酸化被膜層の厚さは、３〜８μｍであることを特徴としている。
【００１７】
　請求項５に係る発明は、上記スプロケット一体型ハウジングにおいて、窒化被膜層の厚さは、２〜５μｍであることを特徴としている。
【００１８】
　請求項６に係る発明は、上記スプロケット一体型ハウジングにおいて、窒化被膜層は、スチーム酸化被膜層より薄く形成されていることを特徴としている。
【００１９】
　さらに、本発明の請求項７に係るスプロケット一体型ハウジングは、略円環状に形成されかつ外周部に歯面が設けられたスプロケット部と、該スプロケット部の内側に配置され内周部から延在する複数の凹部が設けられたハウジング部とを有し、Ｆｅ系粉末材料で一体に形成された焼結体からなるスプロケット一体型ハウジングであって、前記複数の凹部の各々は、前記歯面の裏側に配置されて他部材の摺動を許容する円弧状摺動面を備え、前記スプロケット部及び前記ハウジング部の表面全体は、スチーム処理により形成されたスチーム酸化被膜層と、前記スチーム処理後に施されたガス軟窒化処理により形成された窒化被膜層とにより覆われていることを特徴としている。
【００２０】
　本発明はまた、スプロケット一体型ハウジングの製造方法を提供する。請求項８に係る製造方法は、外周部に歯面が設けられたスプロケット部と、該スプロケット部の内側に配置され内周部から延在する凹部を有するハウジング部とを有しＦｅ系粉末材料からなる圧粉体を形成する段階と；前記圧粉体を焼結して焼結体を得る段階と；前記焼結体に、過熱水蒸気を用いたスチーム処理を施す段階と；前記焼結体に、アンモニウムガスを用いたガス軟窒化処理を施す段階と；前記歯面に、高周波焼き入れを施す段階と；を含む。
【００２１】
　請求項９に係る発明は、上記製造方法において、高周波焼き入れの条件は、歯面が、Ｆｅ系粉末材料の変態点を越える温度となるように設定されていることを特徴としている。
【００２２】
　請求項１０に係る発明は、上記製造方法において、過熱水蒸気の温度は５５０〜６００℃に設定されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２３】
　本発明によれば、スプロケット部とハウジング部とが一体に形成されているので、部品を組み立てる工程をなくすことができ、製造コストを削減することができる。また、スチーム酸化被膜層によって封孔されてから形成された窒化被膜層は、その厚さがスチーム酸化被膜層の厚さ以下となるので、適度な厚さの窒化被膜層により良好な摺動性および強度を有するスプロケット一体型ハウジングが実現される。
【００２４】
　また、本発明によれば、高周波焼き入れにより、歯面のみに焼き入れ硬化層が形成されているので、精度の高い形状を要求される摺動面が変形されずに、歯面がより高強度であるスプロケット一体型ハウジングの実現が可能となる。また、Ｆｅ系粉末の変態点を越える焼き入れ温度で焼き入れされているのが歯面のみであることにより、変形が小さく精密に形成されたスプロケット一体型ハウジングの実現が可能となる。
【００２５】
　さらに、本発明のスプロケット一体型ハウジングの製造方法によれば、歯面のみに焼き入れ硬化層が形成されるので、精度の高い形状を要求される摺動面が変形されずに、歯面がより高強度であるスプロケット一体型ハウジングの実現が可能となる。また、歯面のみが、Ｆｅ系粉末の変態点を越える焼き入れ温度で焼き入れされているので、変形が小さく精密に形成されたスプロケット一体型ハウジングの実現が可能となる。また、ガス軟窒化処理後に高周波焼き入れを施すことにより、高周波焼き入れのみの場合と比較して歯面の硬さ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】
【００２６】
　以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
　図１に、本発明に係るスプロケット一体型ハウジング１０の形状を示す。このスプロケット一体型ハウジング１０は、自動車のエンジン等の内燃機関における可変バルブタイミング機構に用いられる部品であって、Ｆｅ系粉末材料で一体に形成された焼結体からなり、外周側に設けられたスプロケット部１１と、内周側に設けられたハウジング部１２とを有する略円筒形に形成されている。
【００２７】
　スプロケット部１１は、ローラチェーンによる動力伝達部であり、使用時には、外周側面１１ｂに形成された歯面１１ａに対して、面圧と摩擦が加えられる。
【００２８】
　ハウジング部１２は、内周側面１２ａから径方向外方に向かい、凹部１３が複数個（本実施形態では４個）形成されている。内周側面１２ａには、図１に２点鎖線で示すロータ２０が、相対回転可能に嵌合される。
【００２９】
　ロータ２０は、円筒状の外周側面２０ａに、径方向外方へ突出するベーン２１が複数枚（本実施形態では４枚）設けられている。各ベーン２１は、各凹部１３内に入り込んで、その先端面２１ａを凹部１３の円筒内周面１３ａに当接させ、凹部１３内部を周方向に区画している。このベーン２１の両側に、スプロケット一体型ハウジング１０とロータ２０との間で閉じられる圧力室１３Ａ，１３Ｂが形成される。
【００３０】
　そして、この圧力室１３Ａ，１３Ｂ内の圧力が保持されることにより、スプロケット一体型ハウジング１０とロータ２０とが一体に回転可能となる。また、圧力室１３Ａ，１３Ｂ間に圧力差を生じさせることにより、ベーン２１を凹部１３内で移動させて、スプロケット一体型ハウジング１０とロータ２０とを相対的に回転させ、スプロケット一体型ハウジング１０とロータ２０との位相を変更することができる。
【００３１】
　このスプロケット一体型ハウジング１０では、チェーンにより動力伝達を行うスプロケット部１１には耐摩耗性および耐高負荷強度が必要である一方、圧力室１３Ａ，１３Ｂを有しロータ２０のベーン２１が摺動されるハウジング部１２には耐摩耗性、摺動性および良好な形状精度が必要となる。
【００３２】
　スプロケット一体型ハウジング１０は、Ｆｅ系粉末材料（たとえばＦｅ−１〜４Ｃｕ−０．２〜０．９Ｃや、Ｆｅ−０．６〜１．６Ｍｏ−０．２〜０．７Ｃ））をプレス成形して圧粉体を形成し、この圧粉体を通常の温度で焼結して得られた焼結体に対して、各種処理を施して製造される。ここで、Ｆｅ−１〜４Ｃｕ−０．２〜０．９Ｃなる表記は、１〜４重量％の銅及び０．２〜０．９重量％の黒鉛を含むＦｅ系粉末材料を意味する。
【００３３】
　この各種処理について、図２に示すスプロケット一体型ハウジング１０の表面近傍の拡大図を参照して以下に説明する。
【００３４】
　まず、焼結体には、過熱水蒸気を用いたスチーム処理が施される。過熱水蒸気の温度は、５５０〜６００℃に設定される。スチーム処理を施されることにより、焼結体全体の素地Ｍ表面に、四三酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）からなるスチーム酸化被膜層Ｓが形成される。このスチーム酸化被膜層Ｓは、素地Ｍの最表面だけでなくオープンポアＰの表面（すなわち、各オープンポアＰの内側表面）にも形成され、焼結体はある程度封孔される。なお、このスチーム酸化被膜層Ｓの厚さは、ここでは３〜８μｍとしているが、必要に応じて処理時間等の設定により任意に変更可能である。なお、通常の処理時間（入炉から出炉）は、９０〜１５０分に設定される。
【００３５】
　次に、焼結体には、アンモニウムガスを用いたガス軟窒化処理が施される。ガス軟窒化処理を施されることにより、スチーム酸化被膜層Ｓのうち素地Ｍに近い部分のＦｅ３Ｏ４の酸素が励起されてアンモニアガス雰囲気中の窒素に置換され、素地Ｍ上に鉄の窒化物からなる窒化被膜層Ｎが形成される。ガス軟窒化処理によって形成された窒化被膜層Ｎは、処理温度が低いので焼結体には変形をほとんど生じず、スプロケット一体型ハウジング１０の表面をベーン２１よりも高硬度とすることができ、スプロケット一体型ハウジング１０の耐摩耗性を確保することができる。
【００３６】
　窒化被膜層Ｎの厚さは、耐摩耗性、摺動性を十分に向上させることができる程度の下限値と、スプロケット一体型ハウジング１０の靭性低下を招かない程度の上限値との間で設定され、必要に応じて処理時間等の設定によりスチーム酸化被膜層Ｓの厚さよりも小さい値で任意に変更可能であり、ここでは２〜５μｍとされている。このスチーム酸化被膜層Ｓの厚さを適度にすることにより、窒化被膜層Ｎが過度に厚く形成されてスプロケット一体型ハウジング１０の靭性が低下することを防ぐことができる。
【００３７】
　以上のスチーム処理およびガス軟窒化処理によって、焼結体の表面にはスチーム酸化被膜層Ｓおよび窒化被膜層Ｎが形成されて硬度が向上し、ほとんど寸法変化がないまま耐摩耗性、摺動性が良好となっている。
【００３８】
　さらに、外周側面１１ｂに形成された歯面１１ａに対して、チェーンにより加えられる高負荷に耐える硬度を与えるため、高周波焼き入れが施される。高周波焼き入れは、局部的な硬化層を形成するのに適しており、加工による寸法変化も小さい処理方法である。この高周波焼き入れにより、歯面１１ａ（図１）にのみ焼き入れ硬化層Ｈが形成され、歯面１１ａに十分な面強度（硬度）が与えられる。
【００３９】
　上記のように、ガス軟窒化処理後に、歯面１１ａに高周波焼き入れを施した場合、ガス軟窒化処理を行わずに歯面１１ａに高周波焼き入れを施した場合と比較して、歯面１１ａの硬さを向上させることができる。具体的には、Ｆｅ系粉末材料としてＦｅ−２．０Ｃｕ−０．６Ｃを用い、焼結後の密度が６．８ｇ／ｃｍ３である場合、高周波焼き入れのみの場合の硬さは７００〜７５０（ＭＨｖ（２５ｇ））であるのに対し、ガス軟窒化処理後に高周波焼き入れを施した場合の硬さは７７０〜８２０（ＭＨｖ）となる。なお、ガス軟窒化処理後の硬さは４５０〜５００（ＭＨｖ）である。
【００４０】
　以上の処理の前後に、焼結体のサイジングや切削、研削といった加工が施されて、スプロケット一体型ハウジング１０が完成する。
【００４１】
　以上のようにして得られたスプロケット一体型ハウジング１０は、全体の平均密度が６．６〜７．２ｇ／ｃｍ３、歯面１１ａ近傍の密度が６．８〜７．３ｇ／ｃｍ３となっており、表面全体にスチーム酸化被膜層Ｓおよび窒化被膜層Ｎが形成されて摺動性および耐摩耗性に優れ、さらに、歯面１１ａには焼き入れ硬化層Ｈが形成されて硬度および耐高負荷性が優れている。このように、特にチェーンを介して直接荷重伝達をするスプロケット部については、過酷な使用状況を鑑み、ハウジング部と比較して密度を高めるだけでなく、表面処理によって硬さも向上させている。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明のスプロケット一体型ハウジングを示す平面図である。
【図２】本発明の一実施形態によるスプロケット一体型ハウジングにおいて、被膜層が形成された表面近傍を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
　１０　スプロケット一体型ハウジング
　１１　スプロケット部
　１１ａ　歯面
　１１ｂ　外周側面
　１２　ハウジング部
　１２ａ　内周側面
　１３　凹部
　Ｎ　窒化被膜層
　Ｓ　スチーム酸化被膜層
　Ｈ　焼き入れ硬化層
【図１】
2004132370.tif 000003
【図２】
2004132370.tif 000004