(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学成分として、３．５〜４．１重量％のＣと、１．８〜２．４重量％のＳｉと、０．６〜１．０重量％のＭｎと、０．３〜０．７重量％のＰと、０．１重量％以下のＳと、０．６〜１．２重量％のＣｒと、１．０〜１．５重量％のＮｉと、０．０３〜０．１０重量％のＢと、０．３〜０．６重量％のＣｕと、残部にＦｅを含む高熱部品摺動ガイド材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンのシリンダヘッドに設けられ、高熱状態で摺動するバルブを支持するバルブガイドの材料に適する高熱部品摺動ガイド材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
４サイクルエンジンには通常バルブシステムが搭載される。バルブシステムはクランクシャフトの回転をタイミングベルト、チェーン又はギヤ等によりカムシャフトに連結させ、カムシャフトに設けられた略卵形のカムがシャフトとともに回転することによりロッカアームを介してバルブを開閉させるものである。
【０００３】
図７に示すように、バルブ１１の形状は一般的にきのこ状に形成され、コイルスプリング１２の力により閉じるようになっている。このバルブ１１がロッカアーム１３の揺動により押されて開放することにより、４サイクルの作動における吸気及び排気を行うことができ、開放されたバルブ１１から燃焼室とシリンダ内のガス交換を行うことができるようになっている。バルブ１１はシリンダヘッド１４に形成された孔に挿入され、その孔を往復運動することによりシリンダ内のガスを交換するようになっており、孔にはバルブ１１の往復運動に対する摩耗を防止すべくバルブガイド１６が設けられる。このバルブガイド１６によりバルブ１１自体の摩耗を防止し、熱によるバルブ１１の焼き付きを防止できるようになっている。なお、図中符号１７はＯＨＶ方式のバルブシステムにおけるプッシュロッドである。
【０００４】
従来、バルブガイド１６は非常に厳しい寸法精度が要求されるためにバルブ１１が挿入される孔は精密機械加工により形成され、構造材はこのような機械加工性及び耐熱性を考慮していわゆるネズミ鋳鉄をベースにしてボロンを添加した合金鋳鉄を使用している。このような合金鋳鉄を使用することにより耐熱性及び機械加工性の要求を満足させている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、近年のエンジンの高回転化及び高出力化によりバルブ自体が高温の排気ガスに曝される時間が長くなり、これに起因してバルブ自体が高温化する傾向を生じた。即ち、従来であればバルブ自体が４００℃以上になることはなかったのに対し、近年では４００℃を越える場合が生じるようになった。このバルブ自体の温度が上昇することに起因して従来の合金鋳鉄におけるバルブガイドとバルブとのいわゆる焼き付きが生じる問題点が発生した。この点を解消するために、バルブガイド及びバルブ自体を強制的に冷却すること、及びバルブガイド自体を高温に耐えられる非常に固い材料で製作することが考えられるが、バルブの強制冷却はエンジンの大幅な改良となるために非常にコストが高く、バルブガイドを固い材料にすることはバルブガイドを製作する上での加工性が低下する不具合がある。
本発明の目的は、高熱部品の摺動面に部分的に固い物質を析出させることにより、切削加工性を低下させることなく高温に耐え得る高熱部品摺動ガイド材を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、化学成分として、３．５〜４．１重量％のＣと、１．８〜２．４重量％のＳｉと、０．６〜１．０重量％のＭｎと、０．３〜０．７重量％のＰと、０．１重量％以下のＳと、０．６〜１．２重量％のＣｒと、１．０〜１．５重量％のＮｉと、０．０３〜０．１０重量％のＢと、０．３〜０．６重量％のＣｕと、残部にＦｅを含む高熱部品摺動ガイド材である。
この請求項１に係るガイド材では、従来のいわゆるネズミ鋳鉄におけるガイド材よりクロム、ボロン及びリンの含有量を増加させることにより、ガイド材に炭化ボロン（Ｂ3Ｃ）、リン化鉄（Ｆｅ3Ｐ）及び炭化クロム（Ｃｒ3Ｃ）の固い物質を部分的に析出させることができ、このガイド材を加工することにより加工された表面を摺動する高熱部品の摩耗を低減し、高熱部品との焼き付きを防止する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて詳しく説明する。
本実施の形態における高熱部品摺動ガイド材はエンジンのバルブを支持するバルブガイドに使用されるバルブガイド材である。
高熱部品であるバルブを支持するバルブガイドは機械加工することにより作製され、機械加工される高熱部品摺動ガイド材は化学成分として、従来のガイド材よりクロム、ボロン及びリンの含有量を増加させ、３．５〜４．１重量％のＣと、１．８〜２．４重量％のＳｉと、０．６〜１．０重量％のＭｎと、０．３〜０．７重量％のＰと、０．１重量％以下のＳと、０．６〜１．２重量％のＣｒと、１．０〜１．５重量％のＮｉと、０．０３〜０．１０重量％のＢと、０．３〜０．６重量％のＣｕと、残部にＦｅを含む。
【０００８】
上述した化学成分によりガイド材に炭化ボロン（Ｂ3Ｃ）、リン化鉄（Ｆｅ3Ｐ）及び炭化クロム（Ｃｒ3Ｃ）の固い物質が部分的に析出する。この場合のガイド材の炭素当量は４．１〜５．１であることが好ましい。即ち、珪素（Ｓｉ）とリン（Ｐ）を炭素量に換算して実炭素量に加えた全炭素量が４．１〜５．１の範囲内にあることが好ましい。また、このような化学成分の合金のロックウェル硬さＨＲBが９４〜１０３であって、析出黒鉛が均一又はバラ状に無方向に配列していることが好ましい。また、その黒鉛片の大きさは１００倍の倍率で長さ６．３〜２５．４ｍｍの範囲にあり、析出硬化物が５〜１０重量％含有することが更に好ましい。上記黒鉛の形状はＡＳＴＭ規格のＡ（均一分布・無方向配列）又はＢ（バラ状分布・無方向配列）に相当し、その黒鉛片の大きさはＡＳＴＭ規格のＮｏ．４（１００倍の倍率で長さ２５．４〜１２．７ｍｍ）及びＮｏ．５（１００倍の倍率で長さ１２．７〜６．３ｍｍ）に相当する。
このような化学成分を有する高熱部品摺動ガイド材を機械加工することによりバルブガイドを作成すると、作成されたバルブガイドは高熱部品の摺動面である孔の内面に部分的に固い物質が析出する。
【０００９】
【実施例】
次に本発明の実施例を図面に基づいて詳しく説明する。
＜実施例１＞
ガイド材を機械加工することによりエンジンのバルブを支持するバルブガイドを作製した。図５に示すように、バルブガイド１６は外径１７ｍｍ、長さ７０ｍｍ及び直径１０ｍｍの孔１６ａを有する管状に作製した。上記ガイド材の化学成分として、３．７重量％のＣと、２．１９重量％のＳｉと、０．７４重量％のＭｎと、０．７重量％のＰと、０．０３重量％のＳと、０．９１重量％のＣｒと、１．５重量％のＮｉと、０．０５６重量％のＢと、０．３重量％のＣｕと、残部にＦｅを含むものである。
【００１０】
機械加工には旋盤を使用し、バルブの摺動面である孔１６ａの内面は表面仕上げを行った。このバルブガイド１６のロックウェル硬さＨＲBは１０２であって、炭素当量は４．６６である。このバルブガイド１６は、図１の１００倍に拡大された写真に示すように、析出黒鉛が均一に無方向に配列され、その黒鉛片の大きさは長さ５〜４０ｍｍの範囲に形成された。
なお、本実施例１のバルブガイド１６の結晶粒界を明瞭に露出させるために、このバルブガイド１６を２％ナイタール腐食液（２％濃硝酸アルコール溶液）に浸漬してエッチングした後直ちに取り出した。そのエッチング後の表面を５５０倍に拡大した写真を図２に示す。この写真により析出硬化物が有効にその表面に出現していることがわかる。
【００１１】
＜比較例１＞
従来のガイド材を機械加工することにより実施例１と同形同大のバルブガイドを作製した。従来のバルブガイド材の化学成分として、３．３５重量％のＣと、１．８５重量％のＳｉと、０．７重量％のＭｎと、０．２５重量％のＰと、０．０３重量％のＳと、０．０５重量％のＢと、残部にＦｅを含むものである。
このバルブガイドのロックウェル硬さＨＲBは１００であって、炭素当量は４．０５である。このバルブガイドは、図３の１００倍に拡大された写真に示すように、析出黒鉛は実施例１に比較して少なく、黒鉛片の大きさも長さ５〜２０ｍｍの範囲で短く形成された。比較例１のバルブガイドを２％ナイタール腐食液に浸漬してエッチングした後直ちに取り出した。そのエッチング後の表面を５５０倍に拡大した写真を図４に示す。この写真により析出硬化物が少ないことがわかる。
【００１２】
＜比較試験と評価＞
図５に示す摩耗試験装置２０を用いて実施例１及び比較例１のバルブガイド１６を使用した場合のバルブ２６の摩耗試験を行った。
この装置２０は、机２１上の基台２２に垂直板２３を立設し、垂直板２３にバルブガイド１６を水平に装着する孔２４ａが形成された装着部材２４が設けられる。孔２４ａには被評価物であるバルブガイド１６が装着できるようになっており、バルブガイドの孔１６ａには外側からバルブ２６が挿入される。挿入されてバルブガイド１６を貫通したバルブの軸部２６ａには一端が装着部材２４に係止するバルブスプリング２７が嵌入され、軸部１６ａの先端にはバルブスプリング２７の他端が係止するリテーナ２８が固着される。リテーナ２８の背面には偏心カム２９の周面が当接し、偏心カム２９は図示しない駆動モータにより回転するように構成される。この装置２０では、バルブスプリング２７がリテーナ２８の背面を常に偏心カム２９の周面に当接するように付勢するので、偏心カム２９の実線矢印で示すような回転により、リテーナ２８介してバルブ２６がバルブガイド１６の孔１６ａを往復動するように構成される。バルブ２６には下方から５００℃に加熱された空気が図の矢印Ａで示すように吹き付けられ、バルブ２６が加熱されるように構成される。
【００１３】
試験は供試品である実施例１及び比較例１のバルブガイド１６をそれぞれ装着部材２４に装着し、バルブ２６をその孔に所定量往復動させた後のバルブ２６の軸部２６ａの摩耗量を測定することにより行う。試験に使用するバルブ２６は鉄からなる合金により作られ、その軸部の当初の直径は１０ｍｍである。偏心カム２９は直径１１９ｍｍであって、カムが１回転することによりバルブ２６は１往復してその移動距離が１３ｍｍになるように構成される。カム２９は１１００回転／分で回転し、バルブ２６の移動距離が３、５、１０×１０3ｍ摺動した時点でそれぞれの摩耗量を測定した。摩耗量は摺動後のバルブの軸部２６ａの直径と当初の直径とを比較して、その直径差を摩耗量として示した。その結果を図６に示す。
【００１４】
図６から明らかなように、実施例１のバルブガイド１６では従来品である比較例１のバルブガイドに比較してバルブ２６の摩耗量が顕著に少ないことがわかる。これはガイド材に炭化ボロン（Ｂ3Ｃ）、リン化鉄（Ｆｅ3Ｐ）及び炭化クロム（Ｃｒ3Ｃ）の固い物質が部分的に析出したことに起因する高温下における摩擦係数の減少によるものと考えられる。
【００１５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、高熱部品摺動ガイド材が化学成分として、３．５〜４．１重量％のＣと、１．８〜２．４重量％のＳｉと、０．６〜１．０重量％のＭｎと、０．３〜０．７重量％のＰと、０．１重量％以下のＳと、０．６〜１．２重量％のＣｒと、１．０〜１．５重量％のＮｉと、０．０３〜０．１０重量％のＢと、０．３〜０．６重量％のＣｕと、残部にＦｅを含むことにより、ガイド材に炭化ボロン（Ｂ3Ｃ）、リン化鉄（Ｆｅ3Ｐ）及び炭化クロム（Ｃｒ3Ｃ）の固い物質が部分的に析出させることができる。この結果、高熱部品と高熱部品摺動ガイド材との高温下における摩擦係数の上昇を防止して高温に耐え得る高熱部品摺動ガイド材を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例１のエッチング前のガイド材の表面を１００倍に拡大した金属組織を示す顕微鏡写真図。
【図２】  実施例１のエッチング後のガイド材の表面を５５０倍に拡大した金属組織を示す顕微鏡写真図。
【図３】  比較例１のエッチング前のガイド材の表面を１００倍に拡大した金属組織を示す顕微鏡写真図。
【図４】  比較例１のエッチング後のガイド材の表面を５５０倍に拡大した金属組織を示す顕微鏡写真図。
【図５】  バルブ摩耗試験装置の構成図。
【図６】  上記試験装置により実施例１のバルブガイドと比較例１のバルブガイドを試験した後のバルブのそれぞれの摩耗量を示す図。
【図７】  バルブガイドが使用されている状態を示す断面図。
【符号の説明】
１６  バルブガイド
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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