(57)【要約】【課題】耐摩耗性及び耐ピッチング性に優れた耐摩耗性チタン部材を提供する。【解決手段】合金組成が、Ｆｅ:０．５〜１．５ｗｔ％、Ｏ:０．２〜０．５ｗｔ％、残部Ｔｉと不可避不純物からなるチタン合金から形成したバルブスプリングリテーナ１２及びバルブリフタ１５に酸化処理を行い表面硬さＨｍｖ（荷重０．１ｋｇ）を５５０以上８００未満とした後に、少なくともバルブスプリング１４との座面１９及び動弁カム１８との摺動面２３にショットピーニングを行い、表面硬さＨｍｖ（荷重０．１ｋｇ）を８００以上１０００以下とする。【選択図】図１
2007262535.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも他部材との当接面は、酸化処理を行い表面硬さＨｍｖ（荷重０．１ｋｇ）を５５０以上８００未満とした後に、ショットピーニングを行い表面硬さＨｍｖ（荷重０．１ｋｇ）を８００以上１０００以下としたことを特徴とする耐摩耗性チタン部材。
【請求項２】
前記ショットピーニングは、粒径０．０３ｍｍ以上０．１ｍｍ以下のメディアを用いて行われることを特徴とする請求項１に記載の耐摩耗性チタン部材。
【請求項３】
前記酸化処理によって厚さ５μｍ以上２０μｍ以下のαケース層が形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の耐摩耗性チタン部材。
【請求項４】
前記ショットピーニングは、１００〜５００％のカバレージで行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の耐摩耗性チタン部材。
【請求項５】
合金組成が、Ｆｅ:０．５〜１．５ｗｔ％、Ｏ:０．２〜０．５ｗｔ％、残部Ｔｉと不可避不純物からなるチタン合金から形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の耐摩耗性チタン部材。
【請求項６】
前記チタン部材は、バルブスプリングが当接する前記当接面を有するチタン製バルブスプリングリテーナであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の耐摩耗性チタン部材。
【請求項７】
前記チタン部材は、カムが摺動する前記当接面を有するチタン製バルブリフタであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の耐摩耗性チタン部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐摩耗性チタン部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車や二輪車に代表される内燃機関において、性能向上と環境負荷低減の観点から、限界回転数の向上とフリクションの低減による効率のアップのために、部品の軽量化が常に求められている。従来スチール製である部品を比強度に優れるチタン材に置換するとその効果は大きい。
【０００３】
ところが、チタン材は、それ自身および他の元素との親和性が強いため、摺動により容易に焼き付きが発生する。このため、チタン材に良好な摺動性を付与する表面処理が求められる。
【０００４】
チタン材の表面処理としては、イオンプレーティングによってＴｉＮやＣｒＮなどを表面にコーティングする技術が知られており、このコーティングにより非金属質の表面が得られるため、耐摩耗性を付与して焼付き性を改善することができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、金属材料の表面にショットピーニングを施した後、充填材を充填することにより、圧縮残留応力を付与して金属材料の耐ピッチング性を高めると共に表面の平滑化を図った技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平４−１７１２０６号公報
【特許文献２】特公平７−８８０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記特許文献１の技術は、その膜厚が３〜５μｍ程度であり、それ以上の厚さでは、密着性が低下する。このような３〜５μｍのコーティングは比較的柔らかいチタン材の表面に形成されているため、高面圧の摺動時にチタン材が変形することがあり、その適用部位には制約がある。
ここで、同様な耐摩耗性表面処理として、Ｎｉの複合めっきが知られているが、２０μｍ以上と十分なめっき厚を確保することができるものの、チタン材とめっき相との界面での密着強度が低いために、厳しい摺動でめっき層の剥離が発生する場合があり、やはりその適用部位には制約がある。
【０００７】
また、これらのコーティングと異なる表面処理として、拡散処理である酸化処理がある。この酸化処理は、チタン材に対しては基本的に大気中で加熱するだけであるためコスト面で有利である。また、拡散処理であるため密着性も良好であり、しかも、処理条件を選ぶことで硬化層の厚さを設定できる。
ところが、この酸化処理は、処理温度を高く、処理時間を長くするほど硬化層を厚くすることができるが、同時にその表面層が脆くなり、特に耐ピッチング性が低下してしまう。
【０００８】
一方、特許文献２の技術では、ショットピーニングにより金属材料の耐ピッチング性を向上させることができるが、表面には凹凸が形成され、この表面に形成された凹凸を平滑にするための充填材が必要となり、生産性の向上が困難である。
【０００９】
本発明は上述した課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、耐摩耗性及び耐ピッチング性に優れた耐摩耗性チタン部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の耐摩耗性チタン部材は、少なくとも他部材との当接面が、酸化処理を行い表面硬さＨｍｖ（荷重０．１ｋｇ）を５５０以上８００未満とした後に、ショットピーニングを行い表面硬さＨｍｖ（荷重０．１ｋｇ）を８００以上１０００以下としたことを特徴とする。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１の構成に加えて、前記ショットピーニングは、粒径０．０３ｍｍ以上０．１ｍｍ以下のメディアを用いて行われることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項１または２の構成に加えて、前記酸化処理によって厚さ５μｍ以上２０μｍ以下のαケース層が形成されることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれかの構成に加えて、前記ショットピーニングは、１００〜５００％のカバレージで行われることを特徴とする。
【００１４】
請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれかの構成に加えて、合金組成が、Ｆｅ:０．５〜１．５ｗｔ％、Ｏ:０．２〜０．５ｗｔ％、残部Ｔｉと不可避不純物からなるチタン合金から形成されることを特徴とする。
【００１５】
請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれかの構成に加えて、チタン部材は、バルブスプリングが当接する当接面を有するチタン製バルブスプリングリテーナであることを特徴とする。
【００１６】
請求項７に係る発明は、請求項１〜５のいずれかの構成に加えて、チタン部材は、カムが摺動する当接面を有するチタン製バルブリフタであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に係る発明によれば、耐摩耗性チタン部材は、少なくとも他部材との当接面が、酸化処理を行い表面硬さＨｍｖ（荷重０．１ｋｇ）を５５０以上８００未満とした後に、ショットピーニングを行い表面硬さＨｍｖ（荷重０．１ｋｇ）を８００以上１０００以下とした。これにより、他部材との当接面は、低コストで良好な密着性を有する酸化処理により十分な厚さの硬化層を得て耐摩耗性を向上することができると共に、ショットピーニング処理により残留応力を与えることで耐ピッチング性を改善することができ、過酷な摺動条件においても良好な摺動性を有する耐摩耗性チタン部材とすることができる。
【００１８】
請求項２に係る発明によれば、粒径０．０３ｍｍ以上０．１ｍｍ以下のメディアを用いてショットピーニングを行うことにより、ショットピーニングを施した処理面における凹凸を極力抑えることができ、耐摩耗性をより向上させることができる。
【００１９】
請求項３に係る発明によれば、酸化処理によって厚さ５μｍ以上２０μｍ以下のαケース層が形成されることにより、ショットピーニングの効果を最大限に活かし、耐摩耗性および耐ピッチング性を良好なバランスにて向上させることができる。
【００２０】
請求項４に係る発明によれば、ショットピーニングは１００〜５００％のカバレージで行われるので、ショットピーニングによって耐ピッチング性及び付随して付与される圧縮残留応力による疲労強度を向上することができるとともに、αケース層の厚さを確保して耐摩耗性を維持することができる。
【００２１】
請求項５に係る発明によれば、合金組成を、Ｆｅ:０．５〜１．５ｗｔ％、Ｏ:０．２〜０．５ｗｔ％、残部Ｔｉと不可避不純物からなるチタン合金とすることにより、強度と加工性のバランスを良好にすることができるとともに、他の合金と比較して酸化処理により形成されるαケース層を、十分な厚さにて短時間に確保することができ、ショットピーニングによる耐摩耗性および耐ピッチング性の向上効果を得やすくすることができる。
【００２２】
請求項６に係る発明によれば、チタン部材は、バルブスプリングが当接する当接面を有するチタン製バルブスプリングリテーナであるので、耐摩耗性および耐ピッチング性を向上したバルブスプリングリテーナは、過酷な摺動条件においても良好な摺動性を与えることができる。
【００２３】
請求項７に係る発明によれば、チタン部材は、カムが摺動する当接面を有するチタン製バルブリフタであるので、耐摩耗性及び耐ピッチング性を向上したバルブリフタは、過酷な摺動条件においても良好な摺動性を与えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態に係る耐摩耗性チタン部材について、図面を参照して説明する。
【００２５】
図１に示すように、例えば、ＤＯＨＣ型内燃機関のエンジン本体１は、シリンダボア４を有するシリンダブロック２と、このシリンダブロック２に結合されるシリンダヘッド３とを備え、シリンダボア４に摺動可能に嵌合されるピストン５の頂部を臨ませる燃焼室６がシリンダブロック２とシリンダヘッド３との間に形成される。
【００２６】
シリンダヘッド３には、燃焼室６の天井面に開口する排気弁口７と、その排気弁口７に通じる排気ポート８とが設けられ、排気弁口７を開閉する排気弁９のステム９ａは、シリンダヘッド３に設けられたガイド筒１０に摺動可能に嵌合される。
【００２７】
ガイド筒１０から突出したステム９ａの端部には、二つ割りのコッタ１１を介してバルブスプリングリテーナ１２が固定されており、このバルブスプリングリテーナ１２と、シリンダヘッド３に支持されたばね受け部材１３との間に、前記ステム９ａを囲繞するコイル状のバルブスプリング１４が縮設され、このバルブスプリング１４が発揮するばね力によって排気弁９は閉弁方向に付勢される。
【００２８】
ステム９ａの上部、バルブスプリング１４の上部およびバルブスプリングリテーナ１２は、有底円筒状に形成されたバルブリフタ１５で覆われており、このバルブリフタ１５の閉塞端部内面に、ステム９ａの上端がインナーシム２５を介して同軸に当接される。このバルブリフタ１５は、シリンダヘッド３に設けられたガイド孔１６に摺動可能に嵌合されている。
【００２９】
バルブリフタ１５の閉塞端部外面は、カムシャフト１７に設けられた動弁カム（カム）１８が摺接され、カムシャフト１７が回転するのに応じて動弁カム１８が摺接しながらバルブリフタ１５を介してバルブスプリング１４のばね力に抗してステム９ａを押し下げ、それにより排気弁９が開弁作動する。
【００３０】
図２（ａ）に示すように、バルブスプリングリテーナ１２は、円板状の大径部１２ａと、大径部１２ａよりも軸方向厚みを大として大径部１２ａの一端に同軸に連なる小径部１２ｂと、小径部１２ｂから離反するにつれて小径となるようにして小径部１２ｂの一端に同軸に連なるテーパ部１２ｃとを一体に有し、大径部１２ａと小径部１２ｂとの間には、バルブスプリング１４の上端を受けるための環状の座面（当接面）１９が形成されている。
【００３１】
また、バルブスプリングリテーナ１２には、ステム固着用のテーパ孔２０が軸方向に貫通するようにして設けられており、テーパ孔２０に挿通されるステム９ａとバルブスプリングリテーナ１２との間に介装されるようにして二つ割りのコッタ１１がテーパ孔２０に嵌合される。
【００３２】
一方、図２（ｂ）に示すように、バルブリフタ１５は、シリンダヘッド３のガイド孔１６に挿入される筒状部２１およびその筒状部２１の一端を閉鎖する閉塞端部２２を有し、閉塞端部２２の外面を動弁カムが摺動する摺動面（当接面）２３とし、閉塞端部２２の内面にインナーシム２５が当接される中央突起２４が形成される。
【００３３】
耐摩耗性チタン部材である上記のバルブスプリングリテーナ１２及びバルブリフタ１５は、冷間鍛造によって成形されたチタン合金からなるもので、このチタン合金の組成としては、Ｆｅ：０．５〜１．５ｗｔ％、Ｏ：０．２〜０．５ｗｔ％、残部Ｔｉと不可避不純物から構成されている。
【００３４】
また、これらバルブスプリングリテーナ１２及びバルブリフタ１５は、大気中にて加熱することにより、その表面全面に酸化処理が施される。これにより、この酸化処理が施されたバルブスプリングリテーナ１２及びバルブリフタ１５では、その表面硬さＨｍｖ（荷重０．１ｋｇ）が５５０以上８００未満とされている。
【００３５】
さらに、バルブスプリングリテーナ１２及びバルブリフタ１５は、少なくとも他部材との摺動箇所に、ショットピーニングが施されている。ここで、バルブスプリングリテーナ１２にショットピーニングを施す摺動箇所としては、バルブスプリング１４が当接される座面１９からなる摺動面であり、バルブリフタ１５にショットピーニングを施す摺動箇所としては、動弁カム１８が摺接される摺動面２３である。
【００３６】
そして、これらバルブスプリングリテーナ１２及びバルブリフタ１５は、酸化処理により厚さ５μｍ以上２０μｍ以下のαケース層が表面に形成され、その座面１９及び摺動面２３にショットピーニングを施すことにより、その表面硬さＨｍｖ（荷重０．１ｋｇ）が８００以上１０００以下に高められている。
なお、吸気弁口（図示せず）を開閉する吸気弁（図示せず）に使用されるバルブスプリングリテーナ１２及びバルブリフタ１５も同様の構成を有する。
【００３７】
次に、上記バルブスプリングリテーナ１２及びバルブリフタ１５への表面処理の仕方について説明する。なお、ここでは、バルブスプリングリテーナ１２を例にとって説明する。
【００３８】
まず、Ｆｅ：０．５〜１．５ｗｔ％、Ｏ：０．２〜０．５ｗｔ％、残部Ｔｉと不可避不純物を組成としたチタン合金から冷間鍛造によって成形したバルブスプリングリテーナ１２の表面に酸化処理を施す。酸化処理は、雰囲気に酸素を有する、例えば、大気炉内に、バルブスプリングリテーナ１２を入れ、約６００〜８００℃で数分から数時間の加熱を行う。
【００３９】
このようにすると、図３に示すように、バルブスプリングリテーナ１２の母材の表面に酸素が拡散し、外面側から順に、酸化スケール層３１、αケース層３２及び酸素拡散層３３が形成される。ここで、酸素拡散層３３は、組織上は変化がなく、酸素の拡散により処理前の母材よりも硬度が高められている。また、αケース層３２は、５μｍ以上２０μｍ以下の厚さを有し、酸素の拡散量が多く、チタンの組織がα相に変化して処理前の母材よりも硬度が大幅に高められて耐摩耗性に優れた性質を有する。つまり、チタン合金からなるバルブスプリングリテーナ１２に酸化処理を施すことにより、このバルブスプリングリテーナ１２には、αケース層３２及び酸素拡散層３３からなる硬化層が形成され、その表面硬さＨｍｖ（荷重０．１ｋｇ）が５５０以上８００未満となる。
【００４０】
次に、上記のように酸化処理を施して表面硬さＨｍｖ（荷重０．１ｋｇ）を５５０以上８００未満としたバルブスプリングリテーナ１２の座面１９に、ショットピーニング処理を行う。ショットピーニング処理は、例えば、エアノズル式のショットピーニング装置を用い、バルブスプリングリテーナ１２の座面１９に向けて微粒子からなるメディアを投射する。
【００４１】
ショットピーニング処理の処理条件としては、投射圧、投射距離、メディアの種類（形状、材質）、ノズル速度、ワーク回転数、パス数等が挙げられるが、これらの条件を管理することによりアークハイト（ショットピーニング強度）とカバレージ（メディアの打痕率）が決定される。また、このショットピーニング処理に用いる微粒子からなるメディアは、処理面の凹凸を考慮して、粒径０．０３ｍｍ以上で０．１ｍｍ以下あることが好ましい。
【００４２】
図４は、バルブスプリングリテーナ１２の製造工程におけるショットピーニング処理の一例を示すものである。バルブスプリングリテーナ１２にショットピーニング処理を行うには、まず、鉛直に立設させた支持棒４１に、座面１９を上向きにして複数のバルブスプリングリテーナ１２のテーパ孔２０を通して積層させる。
【００４３】
この状態にて、支持棒４１とともにバルブスプリングリテーナ１２を回転させながら、約４５度斜め下方へ向けたショットピーニング装置のノズル４２からメディアを撃ち出し、最上部のバルブスプリングリテーナ１２の座面１９へ投射する。
【００４４】
最上部のバルブスプリングリテーナ１２へのショットピーニングが終了したら、支持棒４１とノズル４２とを相対移動させ、積層されたバルブスプリングリテーナ１２へ、その上方側のものから順にショットピーニングを行う。
【００４５】
このようにバルブスプリングリテーナ１２にショットピーニング処理を行うと、処理面におけるスケールである酸化スケール層３１が除去される。また、αケース層３２は、その硬度が投射される微粒子によって高められ、表面硬さＨｍｖ（荷重０．１ｋｇ）を８００以上１０００以下とされるとともに、圧縮残留応力が付与され、これにより、疲労強度が高められて耐ピッチング性が向上される。
【００４６】
また、上記のように、斜め方向からバルブスプリングリテーナ１２の座面１９へメディアを投射すると、このメディアが、座面１９とこの座面１９に隣接する壁部との隅部１９ａにも投射されることにより、この隅部１９ａにおける疲労強度も大幅に高められる。
【００４７】
ここで、図５は、ショットピーニング処理前におけるαケース層３２の厚さに対する耐摩耗性及び耐ピッチング性の関係を示すグラフ図である。図５に示すように、チタン合金からなるバルブスプリングリテーナ１２は、αケース層３２の厚さが薄くなるに従って耐ピッチング性は向上するが、耐摩耗性は低下する。これとは逆に、αケース層３２の厚さが厚くなるに従って耐摩耗性は向上するが、耐ピッチング性は低下する。これは、αケース層３２が厚くなると表面が脆くなり、微小な亀裂からピッチングが生じるためと考えられる。
【００４８】
しかし、酸化処理後にショットピーニング処理を行うと、αケース層３２は、残留応力が付与されて耐ピッチング性が大幅に改善されることにより、厚さが厚くなっても耐ピッチング性の低下が抑えられる。これにより、ショットピーニング処理後では、例えば、αケース層３２の厚さが２０μｍであっても５μｍ以下の厚さの場合と略同等の耐ピッチング性が得られる。しかも、ショットピーニング処理による表面硬さの増加に伴って、耐摩耗性も大幅に向上する。
【００４９】
なお、αケース層３２の厚さが２０μｍを越える場合には、再結晶した結晶粒の粒界が割れやすくピッチングが発生し、ショットピーニング処理を施しても耐ピッチング性を十分に改善することができない。このため、αケース層３２の厚さは、耐摩耗性と耐ピッチング性を考慮して５μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。
【００５０】
また、図６は、ショットピーニング処理におけるカバレージに対する母材の表面硬さ及びαケース層３２の厚さの関係を示すグラフ図である。カバレージが１００％よりも小さいと、耐ピッチング性及び付随して付与される圧縮残留応力による疲労強度の改善度が小さく十分な表面硬さを得ることが難しく、また、カバレージが５００％よりも大きいと、αケース層３２が削られて厚さが薄くなり、耐摩耗性が低下してしまう。このことから、ショットピーニング処理におけるカバレージとしては、１００〜５００％の範囲とするのが好ましい。
【００５１】
なお、バルブリフタ１５への表面処理を行う場合も、上記のバルブスプリングリテーナ１２への表面処理と同様の処理を行う。これにより、バルブリフタ１５の場合も、酸化処理後におけるショットピーニング処理によって、摺動面２３における表面硬さＨｍｖ（荷重０．１ｋｇ）が８００以上１０００以下に高められ、耐摩耗性とともに耐ピッチング性が向上される。
【００５２】
また、合金組成は、Ｆｅ:０．５〜１．５ｗｔ％、Ｏ:０．２〜０．５ｗｔ％、残部Ｔｉと不可避不純物からなるチタン合金である。この組成範囲であれば強度と加工性のバランスが良好であるとともに、他の合金と比較して酸化処理により形成されるαケース層３２を、短時間で十分な厚さに確保することができ、ショットピーニングによる耐摩耗性および耐ピッチング性の向上効果が得られやすい。
【００５３】
以上説明したように、本実施形態に係るチタン製バルブスプリングリテーナ１２及びバルブリフタ１５によれば、バルブスプリング１４との座面１９及び動弁カム１８との摺動面２３は、酸化処理を行い表面硬さＨｍｖ（荷重０．１ｋｇ）を５５０以上８００未満とした後に、ショットピーニングを行い表面硬さＨｍｖ（荷重０．１ｋｇ）を８００以上１０００以下とした。これにより、低コストで良好な密着性を有する酸化処理により十分な厚さのαケース層３２及び酸素拡散層３３からなる硬化層を得て耐摩耗性の向上することができると共に、ショットピーニング処理により残留応力を与えることにより耐ピッチング性を改善することができ、過酷な摺動条件においても良好な摺動性を有するチタン製バルブスプリングリテーナ１２及びバルブリフタ１５とすることができる。
【００５４】
また、粒径０．０３ｍｍ以上０．１ｍｍ以下のメディアを用いてショットピーニングを行うことにより、ショットピーニングを施した処理面における凹凸を極力抑えることができ、耐摩耗性をより向上させることができる。
【００５５】
さらに、酸化処理によって厚さ５μｍ以上２０μｍ以下のαケース層３２が形成されることにより、ショットピーニングの効果を最大限に活かし、耐摩耗性および耐ピッチング性を良好なバランスにて向上させることができる。
【００５６】
また、ショットピーニングは１００〜５００％のカバレージで行われるので、ショットピーニングによって耐ピッチング性及び付随して付与される圧縮残留応力による疲労強度を向上することができるとともに、αケース層３２の厚さを確保して耐摩耗性を維持することができる。
【００５７】
さらには、合金組成を、Ｆｅ：０．５〜１．５ｗｔ％、Ｏ：０．２〜０．５ｗｔ％、残部Ｔｉと不可避不純物からなるチタン合金とすることにより、強度と加工性のバランスを良好にすることができるとともに、他の合金と比較して酸化処理により形成されるαケース層３２を、十分な厚さにて短時間に確保することができ、ショットピーニングによる耐摩耗性および耐ピッチング性の向上効果を得やすくすることができる。
【００５８】
なお、本発明は、上記実施形態のものに限定されるものでなく、適宜、変更または改良等が可能である。
本実施形態では、耐摩耗性チタン部材としてバルブスプリングリテーナ及びバルブリフタを示したが、本発明はこれらに限定されるものでなく、クランクシャフトやロッカーシャフト等のエンジン部品の他、種々の製品に対して適用可能である。
【００５９】
また、本実施形態のバルブリフタでは、カムとの摺動面にショットピーニングが施されているが、この摺動面に加えてシリンダヘッドのガイド孔との摺動面にもショットピーニングが施されてもよい。
さらに、本発明のチタン部材の組成は、上述したものに限定されるものでなく、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金、ＪＩＳ２種純チタン等であってもよい。
【実施例】
【００６０】
（試験１）
まず、酸化処理の処理条件とショットピーニングの有無によるバルブスプリングリテーナの耐摩耗性及び耐ピッチング性について試験を行った。試料は、Ｔｉ−１Ｆｅ−０．３Ｏ（ｗｔ％）合金からなる直径１０ｍｍの棒材から冷間鍛造にてバルブスプリングリテーナを作製し、これに処理条件を５００℃×５時間、６００℃×５時間、７００℃×５時間、８００℃×５時間、９００℃×５時間と変えて酸化処理を行った。さらにバルブスプリングとの当接面にショットピーニングを行ったバルブスプリングリテーナを準備した。ショットピーニングは、メディアに＃４００のハイス、距離２００ｍｍ、投射圧０．５ＭＰａ、カバレージ３００％の条件で行った。
【００６１】
表面硬さは、０．３μｍのアルミナ研磨粒子を用いたバフ研磨により軽く表面の凹凸を除去した後にマイクロビッカース硬度計にて荷重１００ｇで１０点測定し、上下２点を省いた８点の平均値を用いた。また、耐摩耗性と耐ピッチング性は、端末近傍にバリのでたバルブスプリングを用意し、モータリング耐久テストにて評価した。モータリング耐久テストの結果を表１に示す。
【００６２】
【表１】
2007262535.tif 000003
【００６３】
表１中の×は、激しく摩耗またはピッチングが発生したことを示し、△は摩耗またはピッチングが認められたもの、○は摩耗またはピッチングの発生が見られず、良好な摺動性を示したものである。この結果、耐摩耗性と耐ピッチング性が両立するのは、酸化処理が６００℃×５時間から８００℃×５時間で、ショットピーニング処理を行ったものであった。そして、これらのバルブスプリングリテーナの表面硬さＨｍｖ（荷重０．１ｋｇ）は、８００以上１０００以下であった。
なお、９００℃×５時間の酸化処理を行ったバルブスプリングリテーナは、酸化処理後に表面の酸化スケールが多量に発生し、表面が著しく粗れたために評価を行わなかった。
【００６４】
（試験２）
次に、ショットピーニング処理に用いられるメディアの径を変えて、バルブスプリングリテーナの耐摩耗性及び耐ピッチング性について試験を行った。試料は、試験１と同様にＴｉ−１Ｆｅ−０．３Ｏ（ｗｔ％）合金からなる直径１０ｍｍの棒材から冷間鍛造にてバルブスプリングリテーナを作製した。これに７００℃×５時間の酸化処理を行い、続いてメディアの径を変化させてショットピーニングを行って、試験１と同様にモータリング耐久テストにて評価した。メディアの径を変えた以外は、実施例１と同様の条件である。モータリング耐久テストの結果を表２に示す。
【００６５】
【表２】
2007262535.tif 000004
【００６６】
この結果、粒径０．０３ｍｍ以上で０．１ｍｍ以下のメディアでは耐摩耗性、耐ピッチング性ともに良好な結果であったが、０．３ｍｍ以上では酸化処理によるαケース層及び酸素拡散層からなる硬化層そのものがダメージを受け、良い結果が得られないことがわかる。
【００６７】
（試験３）
次に、酸化処理の処理条件により変化するαケース層の厚さによるバルブスプリングリテーナの耐摩耗性及び耐ピッチング性について試験を行った。試料は、試験１と同様にＴｉ−１Ｆｅ−０．３Ｏ（ｗｔ％）合金からなる直径１０ｍｍの棒材から冷間鍛造にてバルブスプリングリテーナを作製した。バルブスプリングリテーナにさまざまな条件で酸化処理を行い、その後、試験１と同様の条件でショットピーニング処理を施した。このようにして作製されたバルブスプリングリテーナに試験１と同様にモータリング耐久テストを行った後、各バルブスプリングリテーナを切断して、研磨用の樹脂に埋め込み研磨して表面のαケース層の厚さを調べた。αケース層とは表面から侵入拡散した酸素によりチタンの組織がα相に変化し、硬い層となった部分であり、エッチングにより顕微鏡では白く見える。なお、このαケース層よりも内部の領域にも組織に変化は見られないが、酸素の拡散により硬さが上がっているいわゆる酸素拡散層が存在する。モータリング耐久テストの結果を表３に示す。
【００６８】
【表３】
2007262535.tif 000005
【００６９】
この結果、αケース層の厚さが２μｍでは、耐摩耗性自体が劣り、２４μｍでは再結晶した結晶粒の粒界が割れやすく、ピッチングが発生した。一方、αケース層の厚さが５μｍ以上で２０μｍ以下である場合には良好な結果が得られた。
【００７０】
（試験４）
次に、酸化処理の処理条件とショットピーニングの有無によるバルブリフタの耐摩耗性及び耐ピッチング性について試験を行った。試料は、Ｔｉ−１Ｆｅ−０．３Ｏ（ｗｔ％）合金からなる直径３０ｍｍの棒材から鍛造および機械加工にてバルブリフタを作製した。これに処理条件を５００℃×５時間、６００℃×５時間、７００℃×５時間、８００℃×５時間と変えて酸化処理を行った。なお、９００℃×５時間については、すでに試験１で評価に値しないことがわかっているので、実施しなかった。さらにカムとの摺動面にショットピーニングを行ったバルブリフタを準備した。表面硬さの測定法、ショットピーニング条件は試験１と同様である。
【００７１】
バルブリフタの耐摩耗性と耐ピッチング性の評価は、カム幅を２５％減らしたカムシャフトを用意し、モータリング耐久テストにて行った。モータリング耐久テストの結果を表４に示す。
【００７２】
【表４】
2007262535.tif 000006
【００７３】
表４中の×は、激しく摩耗またはピッチングが発生したことを示し、△は摩耗またはピッチングが認められたもの、○は摩耗またはピッチングの発生が見られず、良好な摺動性を示したものである。耐摩耗性と耐ピッチング性が両立するのは、酸化処理が６００℃×５時間から８００℃×５時間で、ショットピーニング処理を行ったものであった。そして、それらのバルブリフタの表面硬さＨｍｖ（荷重０．１ｋｇ）は、８００以上１０００以下であった。このように、バルブリフタの場合も、バルブスプリングリテーナと同様な結果が得られた。
【００７４】
（試験５）
次に、ショットピーニング処理に用いられるメディアの径を変えて、バルブリフタの耐摩耗性及び耐ピッチング性について試験を行った。試料は、試験４と同様にＴｉ−１Ｆｅ−０．３Ｏ（ｗｔ％）合金からなる直径１０ｍｍの棒材から鍛造および機械加工にてバルブリフタを作製した。これに７００℃×５時間の酸化処理を行い、続いてメディアの径を変化させてショットピーニングを行って、試験４と同様にモータリング耐久テストにて評価した。メディアの径を変えた以外は、実施例４と同様の条件である。モータリング耐久テストの結果を表５に示す。
【００７５】
【表５】
2007262535.tif 000007
【００７６】
この結果、粒径０．０３ｍｍ以上で０．１ｍｍ以下のメディアでは耐摩耗性、耐ピッチング性ともに良好な結果であったが、０．３ｍｍ以上では酸化処理によるαケース層及び酸素核酸層からなる硬化層そのものがダメージを受け、良い結果が得られないことがわかる。このように、バルブリフタの場合も、バルブスプリングリテーナと同様な結果が得られた。
【００７７】
（試験６）
次に、酸化処理の処理条件により変化するαケース層の厚さによるバルブリフタの耐摩耗性及び耐ピッチング性について試験を行った。試料は、試験１と同様にＴｉ−１Ｆｅ−０．３Ｏ（ｗｔ％）合金からなる直径１０ｍｍの棒材から冷間鍛造にてバルブスプリングリテーナを作製した。バルブスプリングリテーナにさまざまな条件で酸化処理を行い、その後、試験１と同様の条件でショットピーニング処理を施した。このようにして作製されたバルブスプリングリテーナに試験１と同様にモータリング耐久テストを行った後、各バルブスプリングリテーナを切断して、研磨用の樹脂に埋め込み研磨して表面のαケース層の厚さを調べた。モータリング耐久テストの結果を表６に示す。
【００７８】
【表６】
2007262535.tif 000008
【００７９】
この結果、αケース層の厚さが２μｍでは耐摩耗性自体が劣り、２４μｍでは再結晶した結晶粒の粒界が割れやすく、ピッチングが発生した。一方、αケース層の厚さが５μｍ以上で２０μｍ以下である場合には良好な結果が得られた。このように、バルブリフタの場合も、やはりバルブスプリングリテーナと同様な結果が得られた。
【００８０】
（試験７）
次に、バルブスプリングリテーナ或いはバルブリフタの合金組成を変化させて試験を行った。合金組成を、Ｆｅ:０．５〜１．５ｗｔ％、Ｏ:０．２〜０．５ｗｔ％、残部Ｔｉと不可避不純物からなるものとし、Ｆｅ、Ｏが共にこの組成範囲であれば、その添加量と引張り強度はほぼ比例することがわかった。しかしながら、この組成範囲では、疲労強度は引張り強度ほどの違いは無く、量産管理上非常に有利である。また、この組成は他の合金に比べてαケース層が厚く出来るため、本発明の効果をより活かしやすいことがわかった。
【００８１】
（試験８）
次に、酸化処理の処理条件およびショットピーニングの有無による耐摩耗性および耐ピッチング性についてファビリー摩耗試験機を用いて試験を行った。まず、Ｔｉ−１Ｆｅ−０．３Ｏ（ｗｔ％）合金からなる直径１０ｍｍの棒材から機械加工にてファビリー摩耗試験片を作製した。試験片に処理条件を５００℃×５時間、６００℃×５時間、７００℃×５時間、８００℃×５時間、９００℃×５時間と変えて酸化処理を行った。さらにショットピーニングを追加した試料を準備した。摩耗試験では、供試材をブロック側に使った場合に耐摩耗性を評価し、供試材をピン側に使った場合に耐ピッチング性を評価した。相手材は、ＳＣＭ浸炭材で表面硬さＨｍｖ（荷重０．１ｋｇ）約７５０であった。試験片の表面硬さの測定法、ショットピーニング条件は試験１と同様である。試験結果を表７に示す。
【００８２】
【表７】
2007262535.tif 000009
【００８３】
表７中の×は、激しく摩耗またはピッチングが発生したことを示し、△は摩耗またはピッチングが認められたもの、○は摩耗またはピッチングの発生が見られず、良好な摺動性を示したものである。耐摩耗性と耐ピッチング性が両立するものは、酸化処理が６００℃×５時聞から８００℃×５時間で、ショットピーニング処理を行ったものであった。そして、それらの供試材の表面硬さＨｍｖ（荷重０．１ｋｇ）は、８００以上１０００以下であった。なお、９００℃×５時間の供試材は、酸化処理後に表面の酸化スケールが多量に発生し、表面が著しく粗れたために評価不能であった。
【００８４】
（試験９）
次に、ショットピーニング処理に用いられるメディアの径を変えて、バルブリフタの耐摩耗性及び耐ピッチング性について試験を行った。試験８と同様に、Ｔｉ−１Ｆｅ−０．３Ｏ（ｗｔ％）合金からなる直径１０ｍｍの棒材から機械加工にてファビリー摩耗試験片を作製した。試験片に７００℃×５時間の酸化処理を行い、続いてメディアの径を変化させてショットピーニングを行って、その影響を摩耗試験で評価した。ショットピーニングは、メディアの径を変えた以外は、実施例１と同様の条件である。試験結果を表８に示す。
【００８５】
【表８】
2007262535.tif 000010
【００８６】
この試験結果から、粒径０．０３ｍｍ以上で０．１ｍｍ以下のメディアでは耐摩耗性、耐ピッチング性ともに良好な結果であったが、０．３ｍｍ以上では酸化処理による硬化層そのものがダメージを受け、良い結果が得られないことがわかる。
【００８７】
（試験１０）
次に、酸化処理の処理条件により変化するαケース層の厚さによる耐摩耗性及び耐ピッチング性についてファビリー摩耗試験機を用いて試験を行った。試験８と同様にＴｉ−１Ｆｅ−０．３０（ｗｔ％）合金からなる直径１０ｍｍの棒材から機械加工にてファビリー摩耗試験片を作製した。試験片にさまざまな条件で酸化処理を行い、その後、試験８と同様の条件でショットピーニング処理を施した。摩耗試験を行った後に各供試材を切断し、研磨用の樹脂に埋め込み研磨して表面のαケース層の厚さを調べた。試験結果を表９に示す。
【００８８】
【表９】
2007262535.tif 000011
【００８９】
αケース層の厚さが２μmでは、耐摩耗性自体が劣り、２４μmでは再結晶した結晶粒の粒界が割れやすく、ピッチングが発生した。良好な結果を示したのは、αケース層の厚さが５μｍ以上で２０μｍ以下のものであった。
【００９０】
（試験１１）
次に、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ合金、ＪＩＳ２種純チタンを用いて、酸化処理条件を７００℃×５時間とし、他の条件を実施例８と同様として試験を行った。この結果、どのチタン材もショットピーニングありでは良好な耐摩耗性と耐ピッチング性を示した。なお、ショットピーニング後の表面硬さＨｍｖ（荷重０．１ｋｇ）は、それぞれ９１０、８８４、８１８であった。
【００９１】
（試験１２）
次に、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金製で酸化処理して使用しているロッカーシャフトに実施例４の条件でショットピーニングを行い、ベンチ耐久テストを行った。なお、従来の酸化処理条件は６００℃×６時間である。本発明のロッカーシャフトは、極限耐久テストにおいて従来仕様の１０倍以上の耐久性を示し、実際の部品においても本発明の効果が大きいことが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】内燃機関の要部縦断面図である。
【図２】（ａ）はバルブスプリングリテーナの拡大縦断面図であり、（ｂ）はバルブリフタの拡大縦断面図である。
【図３】酸化処理を施したチタン合金の母材表面の組成を示す断面図である。
【図４】バルブスプリングリテーナへのショットピーニング処理の仕方を示す概略側面図である。
【図５】ショットピーニング処理前におけるαケース層の厚さに対する耐摩耗性及び耐ピッチング性の関係を示すグラフ図である。
【図６】ショットピーニング処理におけるカバレージに対する母材の表面硬さ及びαケース層の厚さの関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００９３】
１４  バルブスプリング
１２  バルブスプリングリテーナ
１５  バルブリフタ
１８  動弁カム（カム）
１９  座面（当接面）
２３  摺動面（当接面）
３２  αケース層
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図３】
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