(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相手部材との接触形態が異なる複数のカムを備え、対応する相手部材にすべり接触する第一のカムと転がり接触する第二のカムが拡散接合法によってシャフトに接合されたカムシャフトにおいて、
前記第一のカムは、パーライト基地組織中に炭化物が析出し、Ｃ：１．５〜４．２質量％、Ｃｒ：２．０〜２４．０質量％、Ｍｏ：０．５〜３．０質量％、Ｓｉ：０．２〜１．０質量％、Ｐ：０．２〜１．０質量％、Ｎｉ：０〜１．０質量％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物を有する耐摩耗性焼結合金からなり、
前記第二のカムは、マルテンサイトとベイナイトの基地組織中に炭化物が析出し、Ｃ：１．５〜４．２質量％、Ｃｒ：２．０〜２４．０質量％、Ｍｏ：０．５〜３．０質量％、Ｓｉ：０．２〜１．０質量％、Ｐ：０．２〜１．０質量％、Ｎｉ：１．０〜２．５質量％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物を有する耐ピッチング性焼結合金からなることを特徴とするカムシャフト。
【請求項２】
相手部材との接触形態が異なる複数のカムを備え、対応する相手部材にすべり接触する第一のカムと転がり接触する第二のカムが圧入嵌合法によってシャフトに接合されたカムシャフトにおいて、前記第一のカムは、パーライト基地組織中に炭化物が析出し、Ｃ：１．５〜４．２質量％、Ｃｒ：２．０〜２４．０質量％、Ｍｏ：０．５〜３．０質量％、Ｓｉ：０．２〜１．０質量％、Ｐ：０．２〜１．０質量％、Ｎｉ：０〜１．０質量％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物を有する耐摩耗性焼結合金からなり、
前記第二のカムは、焼き入れ焼き戻し処理されたＳ５０Ｃ（炭素鋼鋼材）からなることを特徴とするカムシャフト。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関に採用されるカムシャフトに関し、更に詳しくは、スリッパフォロワとローラーフォロワとを相手部材とするカムシャフトのように、相手部材との接触態様が異なる複数のカムを、その接触態様に応じた特性を有する焼結合金で形成すると共に、それらのカムを一度に焼結し且つカム軸に拡散焼結することができるカムシャフトに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の内燃機関用のカムシャフトとしては、チル鋳鉄製のカムシャフト、鍛造加工もしくは総切削加工によって形成された鋼製のカムシャフト、または焼結合金製のカムをカム軸に接合した組立型のカムシャフト等がある。さらに、製造されたカムシャフトには、必要に応じ、耐摩耗性の向上や強度の向上を目的とした表面処理や熱処理が施され、全体として特定の性質が付与されている。こうしたカムシャフトは、通常、同一種類の動作態様からなるカムフォロワを相手部材としたものであり、例えばすべり接触タイプのロッカーアームやタペット、または、転がり接触タイプのロッカーアームやタペット、を対象としたものである。
【０００３】
このような従来のカムシャフトが、図２に示すような異なる種類の動作態様からなるカムフォロワ（例えばすべり接触タイプのスリッパフォロワ５や転がり接触タイプのローラーフォロワ６）を有するロッカーアームを相手部材として使用される場合には、相手部材とカムシャフト１に装着されたカム３、４との接触態様がそれぞれ異なるので、カムシャフト１の耐久性や信頼性の維持が図れないおそれがある。
【０００４】
すなわち、スリッパフォロワ５を相手部材とするカム３は、相手部材との摺動により接触表面が高温でのすべり摺動となることから、すべり接触に耐えることができる耐スカッフィング性（すべり摩擦による焼付摩耗が起こりにくい性質）が要求される。一方、ローラーフォロワ６を相手部材とするカム４は、相手部材に接触する面の曲率が小さく、その接触面は高面圧下で転がり摺動することから、転がり接触に耐えることができる耐ピッチング性（転がり疲労に基づく表面損傷が起こりにくい性質）が要求される。しかしながら、従来型のカムシャフトでは、そうした要求を同時に満足させることができなかった。
【０００５】
こうした問題に対して、相手部材との接触形態が異なる複数のカムを備える組立式焼結カムシャフトがある。このカムシャフトは、相手部材に転がり接触する焼結合金製のカムと、相手部材にすべり接触する焼結合金製のカムとを備えるものである。具体的には、相手部材に転がり接触するカムは、多量の析出炭化物を有し、基地をマルテンサイト組織によって強化した焼結合金で形成され、高い疲労強度を有するものであり、相手部材にすべり接触するカムは、前記と同じ材料からなる焼結合金の接触部分に、運転時の初期なじみ性を持たせる目的で水蒸気処理を施して形成され、初期スカッフィングの抑制と耐摩耗性を持たせたものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の組立式焼結カムシャフトは、相手部材にすべり接触および転がり接触する両方のカムに、同じ焼結合金を使用しているのでその点では効率的な生産とコストダウンを図れるものの、拡散接合法または機械的な圧入嵌合法によって各々のカムをカム軸に接合した後に水蒸気処理工程を経て製造されるため、各々のカムが接合された長いカムシャフトを水蒸気処理炉に投入しなければならない。そのため、一回の処理に投入できるカムシャフトの本数が制限され、コストアップの原因になるという問題がある。しかも、投入されるカムシャフトは、既に所定の寸法に研削されたものであるため、水蒸気処理後に曲がり（歪み）が発生しやすく、その曲がりを修正する後工程がさらに必要になるといった問題もある。さらに、相手部材に転がり接触するカムの表面に水蒸気処理膜が形成されると、耐ピッチング性に悪影響を及ぼすため、上記の水蒸気処理前にマスキングする工程や、水蒸気処理後にラッピングや研削加工によって水蒸気処理膜を削り落とす工程を加える必要がある。
【０００７】
本発明は、上記問題を解決すべくなされたものであって、内燃機関に採用されるカムシャフトにおいて、相手部材との接触態様が異なる複数のカムを、その接触態様に応じた特性を有する焼結合金で形成すると共に、極めて効率的に製造することができるカムシャフトに関するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１のカムシャフトは、相手部材との接触形態が異なる複数のカムを備え、対応する相手部材にすべり接触する第一のカムと転がり接触する第二のカムが拡散接合法によってシャフトに接合されたカムシャフトにおいて、前記第一のカムは、パーライト基地組織中に炭化物が析出し、Ｃ：１．５〜４．２質量％、Ｃｒ：２．０〜２４．０質量％、Ｍｏ：０．５〜３．０質量％、Ｓｉ：０．２〜１．０質量％、Ｐ：０．２〜１．０質量％、Ｎｉ：０〜１．０質量％、必要に応じてＢ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗ、Ｃａの中の一種類以上、残部：Ｆｅおよび不可避不純物を有する耐摩耗性焼結合金からなり、前記第二のカムは、マルテンサイトとベイナイトの基地組織中に炭化物が析出し、Ｃ：１．５〜４．２質量％、Ｃｒ：２．０〜２４．０質量％、Ｍｏ：０．５〜３．０質量％、Ｓｉ：０．２〜１．０質量％、Ｐ：０．２〜１．０質量％、Ｎｉ：１．０〜２．５質量％、必要に応じてＢ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗ、Ｃａの中の一種類以上、残部：Ｆｅおよび不可避不純物を有する耐ピッチング性焼結合金からなることに特徴を有する。
【０００９】
この発明によれば、対応する相手部材にすべり接触する第一のカムが、パーライトを主体とした基地組織の焼結合金から形成されるので、相手部材との間で初期なじみとすべり性がよく、耐スカッフィング性に優れている。しかも、その焼結合金の基地組織中には微細な炭化物が析出しているので、相手攻撃性を抑えつつ、優れた耐摩耗性を発揮する。また、対応する相手部材に転がり接触する第二のカムが、マルテンサイトとベイナイトを主体とした基地組織の焼結合金から形成され、しかも、その焼結合金の基地組織中には微細な炭化物が析出しているので、優れた耐摩耗性と耐ピッチング性を発揮し、転がり疲労に基づく表面損傷が極めて起こり難い。従って、本発明のカムシャフトは、相手部材との接触態様に応じた特性を有する焼結合金によって各々のカムが形成されているので、その耐久性と信頼性をより一層向上させるとができる。さらに、すべり接触する第一のカムには、従来のような水蒸気処理が不要となるので、効率的に製造することができると共に、曲がりの発生等の問題も生じない。
【００１１】
この発明によれば、上記範囲内の成分組成を有する各焼結合金は、同じ温度で焼結することができるので、各カムを同一工程で同時に焼結できる。その結果、カムシャフトを極めて効率的に製造することができる。また、基地組織に影響するＮｉ含有量が、第一のカム用の耐摩耗性焼結合金では０〜１．０質量％であり、第二のカム用の耐ピッチング性焼結合金では１．０〜２．５質量％であるので、各カムに必要とされる特性を発揮する基地組織を発現させることができる。さらに、本発明においては、対応する相手部材にすべり接触する第一のカムと転がり接触する第二のカムを、拡散接合法によって同時に接合するので、カム軸に強固に且つ製造効率よく接合することができる。しかも、上述の各カムは、同じ温度で同時に焼結できることから、焼結と拡散接合とを同じ温度で同時に行うことができる。その結果、カムシャフトをより一層効率的に製造することができる。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１に記載のカムシャフトにおいて、前記第一のカムの前記耐摩耗性焼結合金におけるＣの含有量を、前記第二のカムの前記耐ピッチング性焼結合金におけるＣの含有量よりも０．１〜０．３質量％低くし、前記第一のカムの前記耐摩耗性焼結合金におけるＰの含有量を、前記第二のカムの前記耐ピッチング性焼結合金におけるＰの含有量よりも０．１〜０．３質量％低くすることに特徴を有する。
請求項３のカムシャフトは、相手部材との接触形態が異なる複数のカムを備え、対応する相手部材にすべり接触する第一のカムと転がり接触する第二のカムが圧入嵌合法によってシャフトに接合されたカムシャフトにおいて、前記第一のカムは、パーライト基地組織中に炭化物が析出し、Ｃ：１．５〜４．２質量％、Ｃｒ：２．０〜２４．０質量％、Ｍｏ：０．５〜３．０質量％、Ｓｉ：０．２〜１．０質量％、Ｐ：０．２〜１．０質量％、Ｎｉ：０〜１．０質量％、必要に応じてＢ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗ、Ｃａの中の一種類以上、残部：Ｆｅおよび不可避不純物を有する耐摩耗性焼結合金からなり、前記第二のカムは、焼き入れ焼き戻し処理された耐ピッチング性鋼からなることに特徴を有する。
【００１３】
この発明によれば、パーライトを主体とする基地組織中に微細な炭化物が析出した耐摩耗性焼結合金からなる第一のカムと、焼き入れ焼き戻し処理された耐ピッチング性鋼からなる第二のカムは、相手部材との接触態様に応じた特性を有する焼結合金と鋼とによってそれぞれ形成されているので、その耐久性と信頼性をより一層向上させるとができる。さらに、すべり接触する第一のカムには、従来のような水蒸気処理が不要となるので、効率的に製造することができると共に、曲がりの発生等の問題も生じない。
【００１５】
この発明によれば、何れのカムも引張り強度等の機械的特性に優れているので、それらのカムをシャフト（カム軸）に強固に機械的接合（圧入嵌合）したカムシャフトを製造することができる。そのため、従来の機械的強度が比較的小さいチル鋳鉄製カムを用いた場合に、そのカムをカム軸に強固に機械的接合することができないという問題を起こすことがなく、運転中のカムのずれや割れのおそれがない。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明のカムシャフトを図面を参照しつつ説明する。
【００１７】
図１は、本発明のカムシャフト１の全体図の一例であり、図２は、本発明のカムシャフト１が備えるカム３、４が相手部材に接触する態様を示す斜視図であり、図３は、第一のカム用焼結合金の基地組織の一例を示す顕微鏡写真（２００倍）であり、図４は、焼結合金中のＮｉ含有量（％）と基地組織中の残留オーステナイト量（％）との関係を示すグラフであり、図５は、第二のカム用焼結合金の基地組織の一例を示す顕微鏡写真（２００倍）である。
【００１８】
本発明のカムシャフト１は、図１と図２に示すように、相手部材５、６との接触形態が異なる複数のカム３、４をカム軸２に備えるものであり、対応する相手部材５にすべり接触する第一のカム３と、対応する相手部材６に転がり接触する第二のカム４とを有している。第一のカム３と第二のカム４は、カム軸２に拡散接合法または機械的な圧入嵌合法によって接合される。さらに、必要に応じてエンドピースやジャーナルピースが設けられる。カムは、相手部材との接触態様毎に、その接触態様に応じた特性を有する材料によって形成され、相手部材のリフト量や作用角が異なるように適宜設計されてカムシャフト１に装着される。接触態様としては、図２に示すように、スリッパフォロワ５へのすべり接触と、ローラーフォロワ６への転がり接触がある。
【００１９】
本発明の第一の特徴は、第一のカム３を、パーライトを主体とする基地組織中に微細な炭化物が析出した耐摩耗性焼結合金で形成し、第二のカム４を、マルテンサイトとベイナイトを主体とする基地組織中に微細な炭化物が析出した耐ピッチング性焼結合金で形成したことにある。本発明においては、焼結合金の基地組織がＮｉ含有量に大きく影響されることに着目し、そのＮｉ含有量を変化させて焼結後の基地組織をパーライト主体の基地組織やマルテンサイトとベイナイト主体の基地組織に変化させている。そして、得られる焼結合金の特性を、すべり接触する第一のカムに好ましい特性にしたり、転がり接触する第二のカムに好ましい特性にしたことに特徴がある。その結果、接触態様に応じた特性を有するカム３、４を備えることによって、耐久性と信頼性がより一層向上したカムシャフト１とすることができ、さらに、すべり接触する第一のカム３には、従来のような水蒸気処理が不要となるので、曲がりの発生等の問題もなく、効率的にカムシャフトを製造することができるという効果を発揮する。
【００２０】
本発明の第二の特徴は、第一のカム３と第二のカム４の焼結と、カム軸２への拡散焼結に基づく接合とを、同じ温度で同時に行うことができることにある。その結果、カム軸に強固に且つ極めて製造効率よくカムシャフトを製造することができるという効果を発揮する。
【００２１】
（１）第一のカム
第一のカム３は、すべり接触する相手部材との間で、良好な初期なじみとすべり性を有し、優れた耐スカッフィング性（対応するスリッパフォロワ５にすべり接触しても、すべり摩擦による焼付摩耗が極めて起こり難い特性）を発揮るように、パーライトを主体とした基地組織中に微細な析出炭化物を含有する耐摩耗性焼結合金からなるものである。
【００２２】
耐摩耗性焼結合金の成分組成は、Ｃ（炭素）：１．５〜４．２質量％、Ｃｒ（クロム）：２．０〜２４．０質量％、Ｍｏ（モリブデン）：０．５〜３．０質量％、Ｓｉ（ケイ素）：０．２〜１．０質量％、Ｐ（リン）：０．２〜１．０質量％、Ｎｉ（ニッケル）：０〜１．０質量％、残部：Ｆｅ（鉄）および不可避不純物である。
【００２３】
耐摩耗性焼結合金の基地組織は、図３に示すように、すべり性のよいパーライトを主体とする基地組織３１に、Ｃｒ炭化物やＣｒ−Ｆｅ−Ｍｏ−Ｐ複合炭化物等の炭化物３２が析出した態様である。さらに、その基地組織３１の有する残留オーステナイトの割合（残留オーステナイト量）は１０％以下である。こうした耐摩耗性焼結合金は、相手部材とすべり接触する際に、初期スカッフの抑制と優れた初期なじみ性を発揮すると共に、相手攻撃性の抑制と優れた耐摩耗性を発揮することができる。また、その基地組織３１には、熱伝導性の悪い残留オーステナイトがあまり残存しないので、残留オーステナイトを要因とした耐スカッフィング性の低下が抑制される。
【００２４】
第一のカム３においては、焼結合金中のＮｉ含有量を０〜１．０質量％とすることによって、基地組織３１中の残留オーステナイト量を抑制している。図４は、焼結合金中のＮｉ含有量（質量％）と基地組織中の残留オーステナイト量（％）との関係を示すグラフである。図４に示すように、Ｎｉ含有量が１．０質量％を超えると、基地組織中の残留オーステナイト量が急激に増加する。こうした残留オーステナイトは、耐摩耗性を向上させるには好ましい場合もあるが、耐スカッフィング性に対してはあまり好ましくない。例えば、残留オーステナイト量が１０％を超えた焼結合金は、鋼材からなる相手部材に対してスカッフの発生が起こり易くなる。Ｎｉを添加しない場合であっても、残留オーステナイトの生成を抑制し、優れた耐摩耗性と耐ピッチング性を発揮させることができるので、第一のカム３においては、Ｎｉ含有量を０〜１．０質量％に限定する。
【００２５】
次に、耐摩耗性焼結合金が含有するＮｉ以外の各成分元素を上記範囲に限定した理由を以下に説明する。
【００２６】
Ｃは、高硬度の微細炭化物を形成して十分な摩耗特性と耐スカッフィング性を発揮させるために１．５質量％含有することが好ましい。しかし、Ｃ含有量が４．２質量％を超えると、粗大な炭化物（主にＣｒ炭化物）が焼結合金中で形成され、その粗大な炭化物が液相焼結中に粗大な空孔を生じさせて基地組織を脆化させる。このため、Ｃ含有量を１．５〜４．２質量％に限定する。また、耐摩耗性焼結合金を、高負荷・高面圧下で使用する場合には、Ｃ含有量を２．０〜４．２質量％と高めに設定すると同時に、Ｃｒ含有量を１２．０〜２４．０質量％と高めに設定することが好ましい。
【００２７】
Ｃｒは、相手部材の機械的特性等に合わせ、２．０〜２４．０質量％の範囲で調整される。しかし、Ｃｒ含有量が２４．０質量％を超えると、Ｃｒ炭化物を微細化させる度合いが小さくなり、硬さも過大になる。Ｃｒ含有量が２．０質量％未満では、Ｃｒ炭化物がやや粗大になってくるので、高硬度の微細炭化物を十分に析出させることができず、十分な耐摩耗性および耐スカッフィング性を有さない。このため、Ｃｒ含有量を２．０〜２４．０質量％に限定する。また、高負荷・高面圧下で使用する場合には、Ｃ含有量との関係において、上述の範囲とすることが好ましい。
【００２８】
Ｍｏは、基地に固溶して硬度を高め、耐摩耗性を向上させる目的で添加される。しかし、この効果は、Ｍｏ含有量が３．０質量％を超えてもほとんど変化しない。Ｍｏ含有量が０．５質量％未満では、こうした効果を十分に発揮できない。このため、Ｍｏ含有量を０．５〜３．０質量％に限定する。なお、この範囲内のＭｏは、残留オーステナイト量に影響を及ぼさない。
【００２９】
Ｓｉは、ＣおよびＰ含有量を低くした際に液相の生成を促進させる成分であるが、Ｓｉ含有量が０．２質量％未満では液相促進の効果が得られない。また、Ｓｉは、粉末製造時の脱酸素剤として添加するため、多少残存する。管理可能範囲として、０．２質量％を下限値とした。一方、Ｓｉ含有量が１．０質量％を超えると、基地が脆化するほか、粉末の圧粉成形性が低下し、焼結後の焼結合金の変形が大きくなる。このため、Ｓｉ含有量を０．２〜１．０質量％に限定する。
【００３０】
Ｐは、Ｆｅ−Ｃ−Ｐ共晶のステダイトを生じさせる。ステダイトは硬度が非常に高く、凝固点が９５０℃前後と低いため液相焼結を促進させる。しかし、Ｐ含有量が１．０質量％を超えると、ステダイトが過多に生じ、被削性が悪くなる。また、０．２質量％未満では、ステダイトの析出量が少なくなって、高い耐摩耗性が得られず、また、液相も生じにくくなる。このため、Ｐ含有量を０．２〜１．０質量％に限定する。
【００３２】
次に、耐摩耗性焼結合金からなる第一のカムの製造方法について説明する。
【００３３】
第一のカム３は、主要成分となる鉄粉または所定の元素を含んだ鉄系合金粉末中に、最終的な成分組成が上記範囲内となるように所定量の各種金属粉末を添加して耐摩耗性焼結合金用粉末を調整し、次いで通常の焼結方法により、先ず、その焼結合金用粉末をプレス成形して所定形状からなる圧粉体を形成し、その後、その圧粉体を液相焼結法によって焼結処理することにより製造される。焼結合金用の粉末には、金型成型時の圧粉性と型抜け性を良くするために、ステアリン酸亜鉛等の潤滑剤を添加することが好ましい。液相焼結処理の好ましい処理温度は１１００〜１２００℃であり、更に好ましくは１１１０〜１１６０℃である。また、この時の焼結時間は６０〜９０分間程度が好ましい。また、必要に応じて焼き戻し処理等を行い、得られる第一のカムの特性を調整することができる。
【００３４】
第一のカム３の製造に際し、第一のカムの圧粉体を液相焼結する際の収縮と拡散現象によって、第一のカム３とカム軸２とを強固に拡散接合させることができる。具体的には、カム軸と、焼結合金からなるカムとを組み付けるカムシャフトの場合、液相焼結時に、第一のカム３の高密度焼結処理と、第一のカム３をカム軸２に拡散接合させる接合処理とを同時に行って、強固にカムシャフトに接合させることができる。
【００３５】
（２）第二のカム
第二のカム４は、転がり接触する相手部材との間で、転がり疲労に基づく表面損傷が極めて起こり難い性質（優れた耐ピッチング性）と、優れた耐摩耗性とを発揮する材料で形成される。本発明においては、耐ピッチング性焼結合金、または焼き入れ焼き戻し処理された耐ピッチング性鋼を好ましく用いることができる。
【００３６】
先ず、耐ピッチング性焼結合金製の第二のカムについて説明する。
【００３７】
第二のカム４を形成するための耐ピッチング性焼結合金は、マルテンサイトとベイナイトを主体とした基地組織中に微細な析出炭化物を含有する耐ピッチング性焼結合金からなるものである。その成分組成は、Ｃ：１．５〜４．２質量％、Ｃｒ：２．０〜２４．０質量％、Ｍｏ：０．５〜３．０質量％、Ｓｉ：０．２〜１．０質量％、Ｐ：０．２〜１．０質量％、Ｎｉ：１．０〜２．５質量％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物である。
【００３８】
耐ピッチング性焼結合金の基地組織は、図５に示すように、その基地組織４１中に多くのＣｒ炭化物４２やＣｒ−Ｆｅ−Ｍｏ−Ｐ複合炭化物４３等の析出炭化物を有し、基地組織４１も、マルテンサイト−ベイナイト−残留オーステナイトからなる基地組織によって強化されているので、高強度・高靱性で高い耐摩耗性を有し、優れた耐ピッチング性を有している。なお、基地組織がパーライト−ベイナイト−残留オーステナイトからなる焼結合金も同様の特性を有し、第二のカムとして好ましく用いることができる。
【００３９】
焼結合金製の第二のカム４は、Ｎｉ含有量が１．０〜２．５質量％である点のみが第一のカムと異なるだけである。この範囲のＮｉ含有量を有する焼結合金は、図５に示すような基地組織に変化させると共に、図４に示すように、基地組織中に多くの残留オーステナイトを有している。そのため、高い靱性と、優れた耐疲労特性・耐摩耗性を発揮することができる。しかし、Ｎｉ含有量が２．５質量％を超えてもその効果は変わらない。Ｎｉ含有量が１．０質量％未満では、残留オーステナイト量が１０％以下となり、転がり接触する第二のカム４に要求される優れた耐疲労特性と耐摩耗特性を十分に満たすことができない。さらに、基地組織もパーライトを主体の組織となるので、転がり接触する第二のカム４に要求される耐ピッチング性を十分に満たすことができない。このため、Ｎｉ含有量を１．０〜２．５質量％に限定している。
【００４０】
なお、転がり接触する第二のカム４であっても、耐スカッフィング性が全く必要ないというわけではないので、耐スカッフィング性をやや向上させたい場合には、Ｎｉ含有量をやや低めにして、基地組織のパーライト率の向上と、スカッフの発生要因となる基地組織中の残留オーステナイト量の低減を図ることができる。また、耐ピッチング性をより重視する場合には、Ｎｉ含有量をやや高めにして、マルテンサイトとベイナイト主体の基地組織とし、高い耐ピッチング性を付与することができる。
【００４１】
耐ピッチング性焼結合金が含有するＮｉ以外の各成分元素の作用、およびその各成分元素を上記範囲内に限定した理由は、上述した第一のカム用の耐摩耗性焼結合金の場合と同じである。さらに、耐ピッチング性焼結合金からなる第二のカムの製造方法についても、上述の焼結合金製の第一のカム３の場合と同じである。
【００４２】
次に、焼き入れ焼き戻し処理された耐ピッチング性鋼製の第二のカムについて説明する。
【００４３】
第二のカム４は、Ｓ５０Ｃ（炭素鋼鋼材）、ＳＣｒ（クロム鋼鋼材）、ＳＣＭ（クロムモリブデン鋼鋼材）等の焼き入れ焼き戻し処理によって機械的特性、特に耐疲労特性を向上させた鋼で製造することができる。焼き入れ焼き戻し処理の条件は、通常の方法により、得られるカムの特性を考慮しながら適宜条件設定される。得られた第二のカムは、優れた耐ピッチング性を示し、転がり接触タイプのカムとして好ましく使用できる。
【００４４】
（３）カムシャフトの製造
本発明のカムシャフト１は、図１に示すように、鋼管製のカム軸２に、上述した第一のカム３と第二のカム４が、接触形態が異なる相手部材に応じて所定の位置に所定の作用角となるように接合されてなるものである。カムとカム軸の接合方法は、拡散接合による方法と、機械的な圧入嵌合による方法を好ましく適用できる。
【００４５】
拡散接合法は、カム軸に、焼結前の圧粉状態の第一のカム用の耐摩耗性焼結合金と、第二のカム用の耐ピッチング性焼結合金とを、所定の位置および角度で装着し、液相焼結法によって各カムを液相焼結しつつ、カム軸に拡散接合する方法である。
【００４６】
本発明においては、異なる成分組成を有する第一のカム用の耐摩耗性焼結合金と第二のカム用の耐ピッチング性焼結合金とを、同じ温度で焼結でき且つ同じ温度で拡散接合できる点に特徴がある。そのため、各カム自体の焼結とカム軸との間の拡散接合とを同じ温度で同時に行うことができるので、極めて効率的にカムシャフトを製造することができる。
【００４７】
このとき、各々のカムを優れた特性に維持しつつ、同一の温度で焼結・拡散接合させるための最適な条件は、各々のカムの焼結材料の成分組成のうち、ＣとＰとによって調整することができる。具体的には、第一のカム用の耐摩耗性焼結合金成分のＣとＰの含有量を、第二のカム用の耐ピッチング性焼結合金成分のＣとＰとの含有量よりも、それぞれ０．１〜０．３質量％低くすることによって、焼結・拡散接合を安定且つ品質再現性よく行うことができる。このように、ＣとＰの含有量を調整するのは、それぞれの焼結合金に含有するＮｉ含有量の相違に基づくものである。すなわち、第一のカム用の耐摩耗性焼結合金ではＮｉ含有量が少ないのに対し、第二のカム用の耐ピッチング性焼結合金ではＮｉ含有量が多くしかも炭化物析出量が多いことから、第二のカム用の耐ピッチング性焼結合金の最適な特性を維持するための焼結温度は若干高くなる傾向にある。そうした各々のカムの最適な特性をできるだけ維持させつつ、焼結温度のずれを一致させるため、本発明においては、ＣとＰの含有量を調整することによって焼結・拡散接合条件の最適化を図っている。例えば、第一のカム用の耐摩耗性焼結合金の成分を、Ｃ：２．２質量％、Ｃｒ：８．０質量％、Ｍｏ：１．０質量％、Ｓｉ：０．８質量％、Ｎｉ：０．３質量％、Ｐ：０．３質量％、Ｆｅ：残り、とし、第二のカム用の耐ピッチング性焼結合金の成分組成をＣ：２．４質量％、Ｃｒ：１２．０質量％、Ｍｏ：１．０質量％、Ｓｉ：０．８質量％、Ｎｉ：１．５質量％、Ｐ：０．５質量％、Ｆｅ：残り、として焼結と拡散接合を同じ温度で行うことができる。
【００４８】
なお、本発明においては、拡散接合処理した後に水蒸気処理等の耐スカッフィング性を付与する表面処理を施す必要がないので、従来よりも効率的且つ低コストでカムシャフトを製造することができる。
【００４９】
圧入嵌合法は、特開平５−１０３４０号公報に示すような方法でカム軸にカムを接合する方法である。すなわち、転造によって所定の位置に隆起部が形成された鋼管製のカム軸２に、耐摩耗性焼結合金からなる第一のカム３と、耐ピッチング性焼結合金または焼き入れ焼き戻し処理された耐ピッチング性鋼からなる第二のカム４とを、順次、所定の位置に所定の角度で圧入して接合する方法によって、カムシャフトが製造される。耐摩耗性焼結合金からなる第一のカム、耐ピッチング性焼結合金からなる第二のカム、および焼き入れ焼き戻し処理された耐ピッチング性鋼からなる第二のカムは、何れも強化されており、引張り強度や疲労強度に優れるので、より強固に圧入嵌合させることができ、従来のようなカムのずれやカムの割れ等のおそれなく、それらのカムをカム軸に強固に接合できる。
【００５０】
以上のように、本発明のカムシャフト１は、スリッパフォロワ５とローラーフォロワ６とを相手部材とするカムシャフトのように、相手部材との接触態様が異なる複数のカム３、４を、その接触態様に応じた特性を有する焼結合金ないし鋼によって形成したので、カムシャフト１の耐久性と信頼性をより一層向上させることができると共に、加工性とコスト面においても優れている。
【００５１】
【実施例】
以下、本発明のカムシャフトを更に具体的に説明する。
【００５２】
（実施例１）
焼結後の成分組成が、Ｃ：２．４質量％、Ｃｒ：１２．０質量％、Ｍｏ：１．０質量％、Ｓｉ：０．８質量％、Ｎｉ：１．９質量％、Ｐ：０．５質量％、Ｆｅ：残り、となるように各元素を鉄粉中に添加して焼結用粉末を調整した。更に、潤滑剤としてステアリンサン亜鉛を加えて混合した。次いで、５〜７ｔ／ｃｍ2 の面圧でプレス成形して圧粉体を成形した後、鋼管製のカム軸に組み付け、真空炉中で１１００〜１２００℃（平均１１６０℃）の温度で焼結した後、カム研削盤で仕上げ加工し、実施例１の焼結合金製のカムシャフトを得た。
【００５３】
（実施例２）
焼結後の成分組成が、Ｃ：２．６質量％、Ｃｒ：８．０質量％、Ｍｏ：２．０質量％、Ｓｉ：０．８質量％、Ｎｉ：１．９質量％、Ｐ：０．５質量％、Ｆｅ：残り、となるように各元素を鉄粉中に添加して焼結用粉末を調整した。その他は、実施例１と同様として実施例２の焼結合金製のカムシャフトを得た。
【００５４】
（実施例３）
焼結後の成分組成が、Ｃ：２．０質量％、Ｃｒ：４．０質量％、Ｍｏ：２．０質量％、Ｓｉ：０．８質量％、Ｎｉ：１．９質量％、Ｐ：０．５質量％、Ｆｅ：残り、となるように各元素を鉄粉中に添加して焼結用粉末を調整した。その他は、実施例１と同様として実施例３の焼結合金製のカムシャフトを得た。
【００５５】
（実施例４）
焼結後の成分組成が、Ｃ：２．４質量％、Ｃｒ：１２．０質量％、Ｍｏ：１．０質量％、Ｓｉ：０．８質量％、Ｐ：０．５質量％、Ｆｅ：残り、となるように各元素を鉄粉中に添加して焼結用粉末を調整した。その他は、実施例１と同様として実施例４の焼結合金製のカムシャフトを得た。
【００５６】
（実施例５）
焼結後の成分組成が、Ｃ：２．２質量％、Ｃｒ：８．０質量％、Ｍｏ：２．０質量％、Ｓｉ：０．８質量％、Ｎｉ：０．３質量％、Ｐ：０．３質量％、Ｆｅ：残り、となるように各元素を鉄粉中に添加して焼結用粉末を調整した。その他は、実施例１と同様として実施例５の焼結合金製のカムシャフトを得た。
【００５７】
（実施例６）
焼結後の成分組成が、Ｃ：２．０質量％、Ｃｒ：４．０質量％、Ｍｏ：１．０質量％、Ｓｉ：０．８質量％、Ｎｉ：１．０質量％、Ｐ：０．５質量％、Ｆｅ：残り、となるように各元素を鉄粉中に添加して焼結用粉末を調整した。その他は、実施例１と同様として実施例６の焼結合金製のカムシャフトを得た。
【００５８】
（実施例７）
機械的な圧入嵌合法で用いる転がり接触タイプのカムとして、Ｓ５０Ｃ材を高周波焼き入れ焼き戻し処理した後、鋼管製のカム軸に圧入嵌合法で接合し、さらにカム研削盤で仕上げ加工し、表面硬さＨｖ７２０程度の実施例７の焼き入れ焼き戻し鋼製のカムシャフトを得た。
【００５９】
（比較例１）
成分組成が、Ｃ：３．４質量％、Ｃｒ：０．８質量％、Ｍｏ：２．０質量％、Ｎｉ＋Ｃｕ：２．０質量％、Ｓｉ：２．０質量％、Ｂ：０．４質量％、Ｍｎ：０．７質量％、Ｆｅ：残り、となるように各元素を溶解し、冷やし金を設けた鋳型に流し込んで冷却した後、カム研削盤で仕上げ加工し、比較例１のチル鋳鉄製のカムシャフトを得た。
【００６０】
（比較例２）
実施例１の焼結合金製のカムに、水蒸気処理炉で５５０〜６００℃の温度で９０分間処理し、比較例２の焼結合金製のカムを得た。
【００６１】
（評価方法）
実施例１〜７および比較例１〜２で得られたカムシャフトと、各カムの相手部材として、すべり接触型のスリッパフォロワと、転がり接触型のローラーフォロワとをそれぞれ用いた。試験は、ばねの圧縮量を変更することによりカムにかかる負荷（面圧）を自由に調節できるモータリング試験装置を使用した。
【００６２】
耐スカッフィング性は、１０００ｒ．ｐ．ｍ．の低速で回転させ、負荷（面圧）を変化させてスカッフィングが発生したときの負荷（面圧）を限界面圧として評価した。耐ピッチング性は、３０００ｒ．ｐ．ｍ．の高速で回転させ、負荷（面圧）を変化させてピッチングが発生したときの負荷（面圧）を限界面圧として評価した。なお、ピッチングの発生の判断は、ピッチングの発生時に起こる異音のモニタリングおよび摺動表面の観察によった。
【００６３】
（評価結果）
図６は、実施例１〜７および比較例２で得られたカムの耐スカッフィング性と耐ピッチング性を、比較例１の限界面圧との比較において評価した結果を示すグラフである。なお、図中には、すべり接触する第一のカムに要求される耐スカッフィング性と耐ピッチング性の基準、および転がり接触する第二のカムに要求される耐スカッフィング性と耐ピッチング性の基準をそれぞれ示した。
【００６４】
実施例１〜３の焼結合金製のカムおよび実施例７の鋼製のカムは、耐スカッフィング性と耐ピッチング性に関し、転がり接触する第二のカムに要求される基準を何れも超えていた。特に、耐ピッチング性においては、比較例１に示す従来のカムよりも著しく優れていた。
【００６５】
実施例４〜６の焼結合金製のカムは、耐スカッフィング性と耐ピッチング性に関し、すべり接触する第一のカムに要求される基準および比較例１に示す従来のカムの値を何れも超えていた。また、比較例２に示す水蒸気処理されたカムと同程度の特性を示していた。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第一のカムを、パーライトを主体とする基地組織中に微細な炭化物が析出した耐摩耗性焼結合金で形成し、第二のカムを、マルテンサイトとベイナイトを主体とする基地組織中に微細な炭化物が析出した耐ピッチング性焼結合金で形成したので、接触態様に応じた特性を有するカムを備えることによって、耐久性と信頼性がより一層向上したカムシャフトとすることができ、さらに、すべり接触する第一のカムには、従来のような水蒸気処理が不要となるので、曲がりの発生等の問題もなく、効率的にカムシャフトを製造することができるという効果を発揮する。
【００６７】
さらに、第一のカムと第二のカムの焼結と、カム軸への拡散焼結に基づく接合とを、同じ温度で同時に行うことができるので、カム軸に強固に且つ極めて製造効率よくカムシャフトを製造することができるという効果を発揮する。
【００６８】
また、本発明によれば、パーライトを主体とする基地組織中に微細な炭化物が析出した耐摩耗性焼結合金からなる第一のカムと、焼き入れ焼き戻し処理された耐ピッチング性鋼からなる第二のカムは、何れも引張り強度等の機械的特性に優れているので、それらのカムをカム軸に強固に機械的接合（圧入嵌合）したカムシャフトを製造することができる。そのため、従来の機械的強度が比較的小さいチル鋳鉄製カムを用いた場合に、そのカムをカム軸に強固に機械的接合することができないという問題を起こすことがなく、運転中のカムのずれや割れのおそれがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のカムシャフトの全体図の一例である。
【図２】本発明のカムシャフトが備えるカムが相手部材に接触する態様を示す斜視図である。
【図３】第一のカム用焼結合金の基地組織の一例を示す顕微鏡写真である。
【図４】焼結合金中のＮｉ含有量（％）と基地組織中の残留オーステナイト量（％）との関係を示すグラフである。
【図５】第二のカム用焼結合金の基地組織の一例を示す顕微鏡写真である。
【図６】実施例１〜７および比較例２で得られたカムの耐スカッフィング性と耐ピッチング性を、比較例１の限界面圧との比較において評価した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１  カムシャフト
２  カム軸
３  第一のカム
４  第二のカム
５  スリッパフォロワ
６  ローラーフォロワ
３１、４１  基地組織
３２  炭化物
４２  Ｃｒ炭化物
４３  Ｃｒ−Ｆｅ−Ｍｏ−Ｐ複合炭化物
【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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【図６】
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