(57)【要約】【課題】相手側部品に接触して摺動する摺動面を備えた摺動部品に対し、高速度工具綱や合金工具綱を採用した場合と同等の高い耐摩耗性を得ることができ、且つ構成材料の選択の自由度を高めることができる摺動部品及びその摺動部品の製造方法を提供する。【解決手段】摺動部品であるタペットのカム摺動面をチル鋳鉄で構成すると共に、このチル鋳鉄に対して比較的低温度のＰＶＤ処理によりＣｒＮやＴｉＮで成る硬質皮膜を成形する。これにより、タペットの構成材料を鋳鉄としながらも、従来の高速度工具綱や合金工具綱に対してＰＶＤ法やＣＶＤ法によって硬質皮膜を成形する場合と同等の高い耐摩耗性を得ることができる。【選択図】      図３
2004204762.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相手側部品に対して摺動する摺動面を備えた摺動部品であって、
少なくとも上記摺動面はチル鋳鉄で構成されていると共に、この摺動面には１００℃〜２００℃の範囲内の処理温度でのＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）処理により硬質皮膜が成形されていることを特徴とする摺動部品。
【請求項２】
請求項１記載の摺動部品において、
硬質皮膜は、ＣｒＮまたはＴｉＮであることを特徴とする摺動部品。
【請求項３】
請求項１または２記載の摺動部品において、
硬質皮膜の膜厚は１〜３０μｍに設定されていることを特徴とする摺動部品。
【請求項４】
請求項１、２または３記載の摺動部品において、
硬質皮膜が成形される前の摺動面の面粗さは１μｍＲｙ以下に設定されており、この摺動面に対して上記ＰＶＤ処理により硬質皮膜が成形されていることを特徴とする摺動部品。
【請求項５】
請求項１〜４のうち何れか一つに記載の摺動部品において、
摺動面が接触する相手側部品は、炭素鋼で構成され且つ表面が高周波焼き入れされたものであり、この相手側部品に対して摺動面が摺動するよう配設されていることを特徴とする摺動部品。
【請求項６】
請求項１〜５のうち何れか一つに記載の摺動部品を製造するための製造方法であって、
溶融金属を鋳造して所定の部品形状に成形する際に摺動部品の摺動面部分を急冷することによりこの摺動面部分をチル化するチル化処理動作と、
このチル化した摺動面に対して、１００℃〜２００℃の範囲内の処理温度でのＰＶＤ処理により硬質皮膜を成形する被膜成形動作とを備えていることを特徴とする摺動部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン動弁系の構成部品であるタペット等に代表される摺動部品及びその摺動部品の製造方法に係る。特に、本発明は、摺動面の耐摩耗性の向上を図るための対策に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ディーゼルエンジンの動弁系としては、カムシャフトとロッカアームとの間にタペット及びプッシュロッドが配設されている。つまり、カムシャフトの回転がタペット及びプッシュロッドの往復動に変換され、これによりロッカアームを揺動させてバルブの開閉動作が行われるようになっている。
【０００３】
この種の動弁系に備えられる上記タペットは、動弁系の慣性力及び弁バネによる荷重を受け、またシリンダ内圧を受ける。このため、特に、開弁リフト時には、タペットとカムシャフトとの互いの摺動面同士の間で高い面圧が発生し、タペットの摺動面が摺動摩耗してしまう可能性がある。
【０００４】
これまで、上記タペットは、摺動摩耗を抑制するべく、耐摩耗性の高いチル鋳鉄により作製されていた。つまり、タペットを鋳造する際、鋳型内の摺動面成形部分にチラーと呼ばれる金属を配設しておき、このチラーに接触する部分（タペットの摺動面部分）を急冷することによって、摺動面及びその周辺部のみをチル化して硬度を部分的に高めるといった製法が行われていた。
【０００５】
また、上記摺動面の更なる耐摩耗性の向上を図ってタペットの耐久性を向上するものとして、摺動面に硬質皮膜を付与することが提案されている。例えば、タペットの基材を工具綱とし、ＣｒＮ（窒化クロム）やＴｉＮ（窒化チタン）等の材料をＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition)法によって被覆することが提案されている。また、これに関連する技術として、下記の特許文献１には、ＰＶＤ法によってタペットの摺動面に硬質皮膜（カーボン膜）を付与することが開示されている。
【０００６】
ここでいうＰＶＤ法とは、一般に、５００℃程度の温度で基材表面に強固な膜を成形する表面処理技術であって、コーティング物質を蒸発させた後に窒素ガス等と反応させて基材表面に成膜する手法である。このＰＶＤ法は、物理的蒸着とも呼ばれ、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等が含まれる。
【０００７】
一方、ＣＶＤ法とは、気相メッキ法、化学蒸着法、化学気相析出法と呼ばれ、メッキしようとする物質が加熱気化したベーパーをキャリアガスとともに基材の周辺に送り、加熱（１０００℃程度に加熱）された基材の表面でベーパーとキャリアガスとを高温化学反応させることでメッキ物質を基材表面上に析出させる手法である。
【０００８】
更に、摺動面の耐摩耗性の向上を図るための他の手法として、図４（ａ）に示すように、タペットａとは別体で作製しておいた工具綱製のプレート材ｂの表面に上記の硬質皮膜ｃを被覆し、このプレート材ｂをタペットａの摺動部分にろう付けしたり、図４（ｂ）に示すように超硬質な焼結材ｄをタペットａの摺動部分に銀ろう付けすることも提案されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−３２７４８４号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、ディーゼルエンジンの低公害化、低燃費化、高出力化等の要求が高まっており、このような要求に応えるため、マルチバルブ化やバルブハイリフト化等の採用が進められている。それに伴いタペットの摺動面の過酷度はますます高くなってきており、上述したこれまでの対策では十分な耐摩耗性を得ることが難しく、タペットの耐久性を向上するには限界があった。
【００１１】
特に、船舶用の高出力エンジンの場合、従来の耐摩耗性向上対策ではタペットの摺動面の耐摩耗性が不足することになり、タペット調整の頻度の増大を招いたり、バルブの開閉タイミングのズレを招いてしまう可能性があった。
【００１２】
また、上記ＰＶＤ法やＣＶＤ法は、処理温度が５００℃以上の非常に高い温度で行われるため、タペットとして使用可能な材料には制約があり、具体的には、高速度工具綱（例えばＳＫＨ５１）や合金工具綱（例えばＳＫＤ１１）といった焼き戻し温度が比較的高いものに限られてしまっており、材料の選択の自由度が極めて低いものであった。
【００１３】
例えば、材料コストの低減を図るためには鋳鉄を採用することが有効であるが、これまでの手法は高温度の環境下で硬質皮膜の成形処理が行われるため、鋳鉄を採用した場合、その軟化を招いてしまい、塑性変形により皮膜の密着性が十分に得られなくなったり、タペットの形状変化を招いたりするといった不具合が生じてしまう。
【００１４】
以上の説明は、エンジン動弁系の構成部品であるタペットを例に掲げて説明したが、その他の摺動部品、例えば上記カムシャフトやコンプレッサのベーン等にあっても同様の課題を有している。
【００１５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、相手側部品に接触して摺動する摺動面を備えた摺動部品に対し、高速度工具綱や合金工具綱を採用した場合と同等の高い耐摩耗性を得ることができ、且つ構成材料の選択の自由度を高めることができる摺動部品及びその摺動部品の製造方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
−発明の概要−
上記の目的を達成するために、本発明は、摺動部品の摺動面をチル鋳鉄で構成すると共に、このチル鋳鉄に対して比較的低温度のＰＶＤ処理によりＣｒＮやＴｉＮで成る硬質皮膜を成形している。これにより、摺動部品の構成材料を鋳鉄としながらも、従来の高速度工具綱や合金工具綱に対してＰＶＤ法やＣＶＤ法によって硬質皮膜を成形する場合と同等の高い耐摩耗性を得ることができるようにしている。
【００１７】
−解決手段−
具体的には、相手側部品に対して摺動する摺動面を備えた摺動部品を前提とする。この摺動部品に対し、少なくとも上記摺動面をチル鋳鉄で構成する。そして、この摺動面に、１００℃〜２００℃の範囲内の処理温度でのＰＶＤ処理により硬質皮膜を成形している。
【００１８】
具体的に、上記硬質皮膜の成形材料としては、ＣｒＮまたはＴｉＮが採用される。
【００１９】
これら特定事項により、摺動部品の基材として安価な鋳鉄材料（チル鋳鉄）を採用しながらも、この摺動部品の摺動面に硬度の高い硬質皮膜を成形することができる。また、この硬質皮膜の成形処理は、１００℃〜２００℃といった比較的低い処理温度でのＰＶＤ処理により行われるため（従来のＰＶＤ処理は５００℃程度の高い処理温度であった）、鋳鉄材料の軟化を防止することができる。チル鋳鉄の焼き戻し温度は一般には１８０℃〜２００℃であるため、ＰＶＤ処理の処理温度が１００℃〜２００℃であれば軟化することはない。このため、軟化に伴う塑性変形による皮膜の密着性の劣化を回避することができる。また、摺動部品の形状変化を防止することもできる。尚、上記処理温度範囲の設定の根拠としては、処理温度が２００℃を越えてしまうと鋳鉄材料の軟化が促進され、処理温度が１００℃を下回ったのでは摺動面に成形された硬質皮膜の密着性が急激に劣化するからである。また、上記ＰＶＤ処理の温度としては１５０℃〜２００℃が好ましい。
【００２０】
また、本解決手段では、摺動部品の摺動面に直接的に硬質皮膜を成形することができる。このため、摺動部品とは別体で作製しておいた硬質皮膜処理したプレート材を摺動部品にろう付けする従来の手法に比べて素材コストの低減及び作製工程の簡素化を図ることができ、製造コストの削減が図れる。
【００２１】
特に、硬質皮膜の成形材料として上記の材料を採用した場合には、摺動部品の摺動面として、１８００〜２０００ＨＶ程度の非常に高い硬度を得ることができ、また、この種の材料による皮膜は滑り性が良好であるので相手攻撃性（摺接する相手側部品に対する攻撃性）を低く抑えることができ、摺動部品ばかりでなく相手側部品の耐久性の向上も図ることができる。
【００２２】
上記解決手段に加えて、硬質皮膜の膜厚を１〜３０μｍに設定している。これは、この膜厚が３０μｍを越えてしまうと硬質皮膜内の内部応力が急激に増大し安定した硬質皮膜が成形できず、膜厚が１μｍを下回ったのでは、硬質皮膜の膜厚不足により、十分な耐摩耗性が得られないからである。また、上記硬質皮膜の膜厚としては１〜１０μｍが好ましい。
【００２３】
更に、上記解決手段に加えて、硬質皮膜が成形される前の摺動面の面粗さを１μｍＲｙ以下に設定し、この摺動面に対して上記ＰＶＤ処理により硬質皮膜が成形されている。これは、摺動部品の相手攻撃性に鑑みたものである。つまり、硬質皮膜が成形される前の摺動面の面粗さが大きい場合には、硬質皮膜の表面は摺動面の面粗さがそのまま反映されてしまい、その硬質皮膜の表面の面粗さも大きくなってしまう。これでは、所謂「やすり効果」によって相手攻撃性が著しく高くなってしまって相手側部品の耐久性を大幅に低下させてしまう。このため、硬質皮膜が成形される前の摺動面の面粗さを小さくしておき、硬質皮膜の表面の面粗さを小さくすることで相手攻撃性を低く抑えるようにしている。また、摺動面の面粗さが１μｍＲｙを越えてしまうと相手攻撃性が急激に高くなってしまって相手側部品の耐久性を大幅に低下させてしまうことになるため、この面粗さを１μｍＲｙ以下に設定している。また、この面粗さはできる限り低い方が良いが、その下限値としては例えば０．１μｍＲｙが掲げられる。
【００２４】
上記摺動部品が摺動する相手側部品として具体的には以下のものが採用される。つまり、摺動部品の摺動面が接触する相手側部品として、炭素鋼で構成され且つ表面が高周波焼き入れされたものを採用し（この場合の硬度は６００ＨＶ程度）、この相手側部品に対して摺動面（硬度は１８００〜２０００ＨＶ）が摺動するよう摺動部品を配設している。
【００２５】
この解決手段は、特に、摺動部品の摺動面の摩耗を殆ど生じさせないようにするためのものである。例えば、摺動部品の摺動面の面積と相手側部品の摺動面の面積とが同等である場合、摺動面間の面圧が著しく高くなって摩耗が生じる状況では、相手側部品の摺動面が摩耗することになり、摺動部品の摺動面は殆ど摩耗することはない。つまり、摺動部品を保護するための構成として本解決手段は採用することができる。一方、摺動部品の摺動面の面積よりも相手側部品の摺動面の面積の方が大きい場合、摺動面間の面圧が著しく高くなって摩耗が生じる状況では、摺動部品の摺動面と相手側部品の摺動面との摩耗量を略均等にすることもできる。これによれば、片方の部材のみが一方的に摩耗してしまって交換頻度が高くなってしまうといった状況を回避することができるので、メンテナンス頻度を低減するための構成としても本解決手段は採用することができる。
【００２６】
尚、上記各解決手段に係る摺動部品を製造するための製造方法も本発明の技術的思想の範疇である。つまり、溶融金属を鋳造して所定の部品形状に成形する際に摺動部品の摺動面部分を急冷することによりこの摺動面部分をチル化するチル化処理動作と、このチル化した摺動面に対して、１００℃〜２００℃の範囲内の処理温度でのＰＶＤ処理により硬質皮膜を成形する被膜成形動作とを備えた製造方法である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。本形態は、ディーゼルエンジンの動弁系部品であるタペット（摺動部品）に本発明を適用した場合について説明する。
【００２８】
先ず、このタペットの構成について説明する。図１に示すように、このタペット１は、一端がカムシャフトのカム部に摺接（摺動）するカム摺動部２となっており、他端がプッシュロッドに摺接するプッシュロッド摺接部３となっている。
【００２９】
カム摺動部２は、他の部分よりも大径に形成されている。そして、このカム摺動部２の先端面（図１における下端面）が摺動面２１となっており、この摺動面２１に本発明が特徴とする硬質皮膜２２が成形されている。この硬質皮膜２２については後述する。
【００３０】
一方、プッシュロッド摺接部３の先端面（図１における上端面）にはプッシュロッドが嵌り込む凹部３１が形成されている。この凹部３１の周辺部は高周波焼き入れなどの焼き入れ処理が施されている。
【００３１】
次に、本実施形態の特徴とする部分である摺動面２１及びこの摺動面２１に成形されている硬質皮膜２２について説明する。
【００３２】
上記摺動面２１の周辺部分は、チル化処理が施されている。具体的な処理方法としては、タペット１を鋳造する際、鋳型内の摺動面成形部分にチラーと呼ばれる金属を配設しておき、このチラーに接触する部分（タペット１の摺動面部分）を急冷することによって、摺動面２１及びその周辺部のみをチル化（チル化処理動作）して硬度を部分的に高めるといった製法でタペットが作製されている。尚、この摺動面２１の形状としては、平坦面であってもよいし、クラウン形状であってもよい。
【００３３】
また、このような鋳造作業によって成形されたタペット１の摺動面２１は、硬質皮膜２２の成形処理に先立って研磨処理が行われ、面粗さが１μｍＲｙ以下に設定される。具体的に、本形態のものでは、面粗さが０．１μｍＲｙに設定される。
【００３４】
このようにして成形及び表面処理されたタペット１の摺動面２１に対して、１００℃〜２００℃の範囲内の処理温度でのＰＶＤ処理により硬質皮膜２２が成形されている。
【００３５】
この硬質皮膜２２の成形処理動作について以下に説明する。本形態では処理温度を１８０℃に設定し、硬質皮膜２２の材料としてＣｒＮを採用している。つまり、摺動面及びその周辺環境を１８０℃とした状態で、Ｃｒを蒸発させ、その蒸発物質を窒素ガスと反応させて摺動面にＣｒＮの薄膜を成膜する（被膜成形動作）。そして、ここで成膜されるＣｒＮの硬質皮膜２２の膜厚としては１〜３０μｍに設定される。具体的に、本形態のものは５μｍに設定されている。本形態ではＰＶＤ処理として、アーク式イオンプレーティング法を採用した（例えば、アーク電流１６０Ａ、窒素ガス流量１０００ｓｃｃｍ、バイアス電圧２０Ｖ、処理時間３０ｍｉｎ×４回）。これに限らず、マグネトロンスパッタ法、アンバランスマグネトロンスパッタ法などを採用することも可能である。これら手法については周知であるので、ここでの説明は省略する。また、硬質皮膜２２の材料としてはＣｒＮに限らずＴｉＮであってもよい。
【００３６】
以上の如く作製されたタペット１にあっては、基材として安価な鋳鉄材料（チル鋳鉄）を採用しながらも、このタペット１の摺動面２１に硬度の高い硬質皮膜２２が成形されている。このため、タペット調整の頻度の増大を招いたり、バルブの開閉タイミングのズレを招いてしまうといった不具合を回避することができる。また、この硬質皮膜２２の成形処理は、１００℃〜２００℃といった比較的低い処理温度でのＰＶＤ処理により行われるため、鋳鉄材料の軟化を防止することができる。その結果、軟化に伴う塑性変形による硬質皮膜２２の密着性の劣化を回避することができる。また、タペット１の形状変化を防止することもできる。
【００３７】
また、摺動面２１に対して直接的に硬質皮膜２２を成形することができるので、別体で作製しておいたプレート材を摺動面にろう付けする従来の手法に比べて素材コストの低減及び作製工程の簡素化を図ることができ、製造コストの削減が図れる。
【００３８】
また、本形態では、硬質皮膜２２が成形される前の摺動面２１の面粗さを小さくすることで硬質皮膜２２の表面の面粗さを小さくすることができ、相手攻撃性を低く抑えることが可能である。これにより、相手側部品の耐久性の向上を図ることができる。
【００３９】
更に、硬質皮膜２２の材料としてＣｒＮやＴｉＮを採用したことで、硬質皮膜２２の滑り性を良好に得ることができ、相手攻撃性を低く抑えることができるばかりでなく、摺動部分のメカニカルロスを低減することもできる。
【００４０】
−実験例−
次に、本発明に係るタペットの機械的性能を確認するために行った実験例について説明する。ここでは、以下に述べるスクラッチ試験及びすべり摩擦摩耗試験を行った。
【００４１】
スクラッチ試験では、本発明品として上述した実施形態に係るタペットと、比較品として高速度工具綱（ＳＫＨ５１）に対してＰＶＤ処理によりＣｒＮを成膜した従来構造のものとを作製し、それぞれについて剥離強度を測定した。その結果を図２に示す。
【００４２】
この図２に示す結果から明らかなように、本発明品は、比較品と同等の剥離強度（８０Ｎ以上）が確保できており、密着度の高い安定した硬質皮膜が得られていることが判る。つまり、チル鋳鉄には軟化が生じておらず、軟化に伴う塑性変形による皮膜の密着性の劣化は生じていないことが判る。
【００４３】
すべり摩擦摩耗試験（一方向すべり摩擦摩耗試験）では、以下の３タイプのタペットを作製し、それぞれについてカムシャフトに対して摺動させて、タペットの摺動面及びカムシャフトの摺動面のそれぞれについての摩耗比率を計測した。尚、この試験で採用したカムシャフトは、炭素鋼を高周波焼き入れしたものである。
【００４４】
第１タイプのタペットは、チル鋳鉄で構成され、摺動面に硬質皮膜が成形されていないものである（チル鋳鉄でタペットを作製する場合の従来品）。
【００４５】
第２タイプのタペットは、本発明に係る製法により作製されたタペットであって、摺動面の面粗さを３μｍＲｙとしたものである。
【００４６】
第３タイプのタペットも、本発明に係る製法により作製されたタペットであって、摺動面の面粗さを０．６μｍＲｙとしたものである。
【００４７】
この図３に示す結果から明らかなように、第１タイプのタペットに比べて、第２タイプのタペットでは、タペットの摺動面及びカムシャフトの摺動面のそれぞれにおいて摩耗比率が低下している。特に、タペットの摺動面の摩耗比率は大幅に低下しており、硬度の高い安定した硬質皮膜によって摺動面の耐摩耗性が大幅に向上していることが判る。また、カムシャフトの摺動面の摩耗比率が低下している要因は、硬質皮膜の滑り性が良好であって相手攻撃性が低く抑えられているからである。
【００４８】
また、第２タイプのタペットに比べて、第３タイプのタペットでは、タペットの摺動面及びカムシャフトの摺動面のそれぞれにおいて摩耗比率が低下している。特に、カムシャフトの摺動面の摩耗比率は大幅に低下しており、タペットの摺動面の面粗さを小さくしたことで相手攻撃性が大幅に低く抑えられ、カムシャフトの摺動面の摩耗が抑制されていることが判る。
【００４９】
−その他の実施形態−
上述した実施形態では、ディーゼルエンジンの動弁系部品であるタペットに本発明を適用した場合について説明した。本発明はこれに限らず、その他の摺動部品、例えば上記カムシャフトやコンプレッサのベーン等に対しても同様に適用することが可能である。
【００５０】
また、相手側部品であるカムシャフトは、高周波焼き入れしたものに限らず浸炭焼き入れしたものであってもよい。
【００５１】
【発明の効果】
以上のように、本発明では、摺動部品の摺動面をチル鋳鉄で構成すると共に、このチル鋳鉄に対して低温ＰＶＤ処理によりＣｒＮやＴｉＮで成る硬質皮膜を成形している。これにより、摺動部品の構成材料を比較的安価な鋳鉄としながらも、従来の高速度工具綱や合金工具綱に対してＰＶＤ法やＣＶＤ法によって硬質皮膜を成形する場合と同等の高い耐摩耗性を得ることができる。
【００５２】
また、硬質皮膜の成形処理を比較的低い温度で行っているので鋳鉄材料の軟化を防止することができ、軟化に伴う塑性変形による皮膜の密着性の劣化を回避することができる。また、摺動部品の形状変化を防止することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係るタペットを示す側面図である。
【図２】スクラッチ試験の結果を示す図である。
【図３】すべり摩擦摩耗試験の結果を示す図である。
【図４】従来例を示す図１相当図である。
【符号の説明】
１        タペット（摺動部品）
２１      摺動面
２２      硬質皮膜
【図１】
2004204762.tif 000003
【図２】
2004204762.tif 000004
【図３】
2004204762.tif 000005
【図４】
2004204762.tif 000006