(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カム（２）の滑り面（１０）及び又はカム従動子の滑り面（３）が、ＳＫ値がマイナスである、多数の任意に配置された極小切欠きを有しており、かつ全滑り面に対する切欠きのある面の比が１０〜４０％である形式の、カム軸（５）に配置されたカム（２）と、内燃機関の弁に結合したカム従動子とから成る、内燃機関用の弁駆動装置（１）におけるカム（２）の滑り面及び又はカム従動子の滑り面を熱化学−熱処理する方法であって、滑り面領域に炭素及び窒素を添加し次いでマルテンサイト焼入れする方法において、
第１の工程で、７８０〜１０５０℃の温度でほぼ１〜４時間の保持時間に亙って０．４から１．２重量パーセントの炭素量及び０．１〜０．８重量パーセントの窒素量を滑り面領域を浸炭窒化する浸炭窒化処理を行い、次いで第２の工程で、上記浸炭窒化処理に続いて、滑り面領域のマルテンサイトスタート点より明らかに低い温度に急冷し、次いで第３の工程で、窒炭化温度より高い温度で、５０℃毎分以下の加熱速度で、１〜２時間の保持時間に亙って焼もどし処理を行い、次いで第４の工程で室温に冷却し、次いで第５の工程で工作物の切削による成形を行い、次いで該滑り面に第６の工程で任意に配置された極小切欠きを設け、さらに第７の工程で、４００〜６２０℃の温度でほぼ６０〜３００分の保持時間に亙って窒炭化処理を行い、次いで最後の工程で室温に冷却することを特徴とする、カム（２）の滑り面及び又はカム従動子の滑り面を熱化学−熱処理する方法。
【請求項２】
カム（２）の滑り面（１０）及び又はカム従動子の滑り面（３）が、ＳＫ値がマイナスである、多数の任意に配置された極小切欠きを有しており、かつ全滑り面に対する切欠きのある面の比が１０〜４０％である形式の、カム軸（５）に配置されたカム（２）と、内燃機関の弁に結合したカム従動子とから成る、内燃機関用の弁駆動装置（１）におけるカム（２）の滑り面及び又はカム従動子の滑り面を熱化学−熱処理する方法であって、滑り面領域に炭素を添加し次いでマルテンサイト焼入れする方法において、
第１の工程で、７８０〜１０５０℃の温度でほぼ１〜４時間の保持時間に亙って０．４〜１．２重量パーセントの炭素量を滑り面領域を浸炭する肌焼き処理を行い、次いで第２の工程で、滑り面領域をマルテンサイトスタート点より明らかに低い温度に急冷し、次いで第３の工程で、窒炭化温度より高い温度で、５０℃毎分以下の加熱速度で、ほぼ１〜２時間の保持時間に亙って焼もどし処理を行い、次いで第４の工程で室温に冷却し、次いで第５の工程で工作物の切削による成形を行い、次いで第６の工程で該滑り面に任意に配置された極小切欠きを設け、次いで第７の工程で、４００〜６２０℃の温度でほぼ６０〜３００分の保持時間に亙って窒炭化処理を行い、次いで最後の工程で室温に冷却することを特徴とする、カム（２）の滑り面及び又はカム従動子の滑り面を熱化学−熱処理する方法。
【請求項３】
滑り面に、窒炭化処理後、任意に配置された極小切欠きを設けることを特徴とする、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
窒炭化処理をガス、プラズマ又は塩浴中で行うことを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
ガス窒炭化処理を、アンモニア、二酸化炭素、窒素及びエンドガス又はエクソガス中で、５３０〜５７０℃の温度で行い、このさい窒化物の冷却を保護ガス中で行うことを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、カム軸に配置されたカムと、内燃機関の弁に結合したカム従動子とから成る、内燃機関用のカム駆動装置におけるカム及びカム従動子の滑り面の熱化学−熱処理法に関する。
【０００２】
このような弁駆動装置ではカムとカム従動子とは高い押圧力及び滑り速度で滑り接触する。その結果、互いに接触し合う金属表面の高い摩耗を伴う摩擦状態が生じる。
【０００３】
【従来の技術】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第４１１４５１３号明細書によれば、内燃機関用の弁駆動装置であって、それぞれ１つの弁が、カム従動子として役立つ搖れ腕及びタペットロッドを介して、カム軸に配置されたカムから作動されるものが公知になっている。上記タペットロッドはその一方の端部に、カムと転がり接触するローラを有している。そしてこの転がり接触部の潤滑状態をよくするためにローラ周面には多数の極小の切欠きが設けられており、これらの切欠きは不規則に分配されて配置されており、かつマイナスのＳＫ−値を有している。このＳＫ−値は表面粗さのパラメータであって表面粗さの分布曲線の勾配を表す。対称的な分布の場合、例えばガウス分布の場合、ＳＫ−値は０である。
【０００４】
この弁駆動装置の欠点は使用されるタペットロッドがそのカム側に設けられるローラのため高い製作費を要することにある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、転がり接触のための、潤滑状態に関する前記のような表面構造の長所が滑り接触式の弁駆動装置のためにも利用されるようにすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によればこの課題は、カムの滑り面及び又はカム従動子の滑り面が、ＳＫ値がマイナスである、多数の任意に配置された極小切欠きを有しており、かつ全滑り面に対する切欠きのある面の比が１０〜４０％である形式の、カム軸に配置されたカムと、内燃機関の弁に結合したカム従動子とから成る、内燃機関用の弁駆動装置におけるカムの滑り面及び又はカム従動子の滑り面を熱化学−熱処理する方法であって、この場合、滑り面領域に炭素及び窒素を添加し次いでマルテンサイト焼入れする方法において、第１の工程で、７８０〜１０５０℃の温度でほぼ１〜４時間の保持時間に亙って０．４から１．２重量パーセントの炭素量及び０．１〜０．８重量パーセントの窒素量を滑り面領域を浸炭窒化する浸炭窒化処理を行い、次いで第２の工程で、上記浸炭窒化処理に続いて、滑り面領域のマルテンサイトスタート点より明らかに低い温度に急冷し、次いで第３の工程で、窒炭化温度より高い温度で、５０℃毎分以下の加熱速度で、１〜２時間の保持時間に亙って焼もどし処理を行い、次いで第４の工程で室温に冷却し、次いで第５の工程で工作物の切削による成形を行い、次いで該滑り面に第６の工程で任意に配置された極小切欠きを設け、さらに第７の工程で、４００〜６２０℃の温度でほぼ６０〜３００分の保持時間に亙って窒炭化処理を行い、次いで最後の工程で室温に冷却するようにしたことによって解決された。
この課題を解決した本発明の別の方法の手段によれば、カムの滑り面及び又はカム従動子の滑り面が、ＳＫ値がマイナスである、多数の任意に配置された極小切欠きを有しており、かつ全滑り面に対する切欠きのある面の比が１０〜４０％である形式の、カム軸に配置されたカムと、内燃機関の弁に結合したカム従動子とから成る、内燃機関用の弁駆動装置におけるカムの滑り面及び又はカム従動子の滑り面を熱化学−熱処理する方法であって、この場合、滑り面領域に炭素を添加し次いでマルテンサイト焼入れする方法において、第１の工程で、７８０〜１０５０℃の温度でほぼ１〜４時間の保持時間に亙って０．４〜１．２重量パーセントの炭素量に滑り面領域を浸炭する肌焼き処理を行い、次いで第２の工程で、滑り面領域をマルテンサイトスタート点より明らかに低い温度に急冷し、次いで第３の工程で、窒炭化温度より高い温度で、５０℃毎分以下の加熱速度で、ほぼ１〜２時間の保持時間に亙って焼もどし処理を行い、次いで第４の工程で室温に冷却し、次いで第５の工程で工作物の切削による成形を行い、次いで第６の工程で該滑り面に任意に配置された極小切欠きを設け、次いで第７の工程で、４００〜６２０℃の温度でほぼ６０〜３００分の保持時間に亙って窒炭化処理を行い、次いで最後の工程で室温に冷却するようにした。
【０００７】
表面粗さのパラメータであるこのＳＫ−値は、滑り方向並びに滑り方向に対して横方向において＜０であるようにすべきである。それというのは、このようにしたときに極小切欠きの分布及び形が油膜の形成に特に効果的になるからである。
【０００８】
存在する極小切欠きは油溜め室として作用し、滑り面に十分に厚い油膜を形成させる。このような形式で金属対金属の接触が避けられ、従って、カム若しくはカム従動子の外周面の材料の摩耗若しくは除去される量が著しく減少する。
【０００９】
滑り面のミクロ単位の幾何学的構造、特に滑り面の表面あらさが、滑り特性に影響を与える最も重要なファクタの１つであることは公知である。従来は、弁駆動装置の耐用寿命は、カム若しくはカム従動子の仕上加工された滑り面が滑らかであればある程それだけ長くなるという認識から出発した。
【００１０】
しかし弁駆動装置の本発明による構成によれば、カム及びカム従動子の滑り面は従来程滑らかにする必要がなくなった。滑り面の構造が潤滑状態、即ち油膜の形成を助成するから、滑り面の加工のさい、表面あらさが従来より粗いため、製作費が低減されている。
【００１１】
本発明の実施態様によれば、全滑り面に対する切欠きの面の比は１０〜４０％であり、この場合１つの切欠きの平均面積は３５〜１５０μｍ２である。平均面積の算出においては、７μｍ２以下の面積の切欠きは除外されている。
【００１２】
上記の値が維持されれば、互いに接触し合う滑り面に、申し分のない潤滑膜の形成を可能にする表面構造が与えられる。そして上記面積比が例えば４０％を越えまた１つの切欠きの平均面積が１５０μｍ２を越えると、滑り特性の改善は行われず、弁駆動装置の耐用寿命を高める作用も認められない。それというのはカムとカム従動子との有効接触面が減少するからである。
【００１３】
この関連において、構成部分の表面硬さ及び耐摩耗性が特別の処理方法によって改善されることは周知である。このような方法は、０．０５〜０．２０％の低い炭素含有量を有し、実際には焼入れ不能である鋼（浸炭鋼）を炭素を放出する固体、液体又は気体の媒体中において８５０〜１０００℃の温度で加熱する肌焼き法である。この場合炭素は浸炭される工作物表層内に拡散される。
【００１４】
耐摩耗性を高めるための別の方法は、工作物表層に炭素及び窒素を添加する目的でオーステナイトの状態の工作物を処理する浸炭窒化処理（Ｋａｒｂｏｎｉｔｒｉｅｒｅｎ）である。この場合両原素は処理後オーステナイト中で固溶体で存在する。この処理に続いて一般的には硬化の目的で急冷が行われる（「鋼の熱処理技術」（Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅ  ｄｅｒ  Ｗａｅｒｍｅｂｅｈａｎｄｌｕｎｇ  ｖｏｎ  Ｓｔａｈｌ）ＶＥＢ  Ｄｅｕｔｓｃｈｅｒ  Ｖｅｒｌａｇ  ｆｕｅｒ  Ｇｒｕｎｄｓｔｏｆｆｉｄｕｓｔｒｉｅ，Ｌｅｉｐｚｉｇ  １９８６、１６９頁以下）。
【００１５】
耐摩耗性を高めるためのさらに別の公知の方法は窒炭化処理（Ｎｉｔｒｏｋａｒｂｕｒｉｅｒｅｎ）である。これは、化合物層を形成しながら工作物表層に窒素と炭素を添加するための熱化学的方法であって、この場合化合物層の下に特に窒素を添加された拡散層が形成される。この窒炭化処理された部分の信頼性の前提は、窒素及び炭素で富化された十分に厚い化合物層の存在の他、程度の差こそあれ脆性である化合物層の下にある拡散層の相応する支持作用である。
【００１６】
ところで、これらの全ての方法に共通することは、これらの方法がいずれも現時点まで、互いに滑り接触しかつ請求項１〜３に記載された構造の表面を有している、弁駆動装置用の接触面に使用されることがなかったということである。換言すれば、これらの方法の記録のいずれにも、これらの方法を、内燃機関用の弁駆動装置における、特定の構造を有する互いに滑り接触する接触面の摩耗挙動の改善に使用することについて如何なる示唆もない。
【００１７】
カムとカム従動子の滑り面の摩耗挙動の改善は、本発明の別の実施態様によれば、滑り面を７８０〜１０５０℃の温度で０．４〜１．２重量パーセントの炭素量に１〜４時間の保持時間に亘って滑り面領域を浸炭して肌焼き処理し、続いて、該領域のマルテンサイトスタート点より明らかに低い温度に急冷し、次いで、切削による成形加工を行い、該滑り面に任意に配置された極小切欠きを設けることによって、達成されている。
【００１８】
上記滑り面の摩耗挙動の改善は、本発明の別の実施態様によれば、滑り面に、７８０〜１０５０℃の温度で０．４〜１．２重量パーセントの炭素量及び０．１〜０．８重量パーセントの窒素量を１〜４時間の保持時間に亘って滑り面領域を浸炭窒化する浸炭窒化処理を施し、次いで該領域のマルテンサイトスタート点より明らかに低い温度に急冷し、次いでやはり切削成形加工し、最後に、任意に配置された極小切欠きを設けることによって、達成されている。
【００１９】
本発明による、カムの滑り面及び又はカム従動子の滑り面の熱化学−熱処理の方法は請求項１に記載されている。
【００２０】
第１の方法工程は、７８０〜１０５０℃の温度における浸炭窒化工程から成り、この場合滑り面領域が、０．４〜１．２重量パーセントの炭素量及び０．１〜０．８、有利には０．３〜０．７重量パーセントの窒素量に浸炭窒化される。上記の高温は、滑り面領域におけるオーステナイトが炭素並びに窒素に対して相応して高い溶解能力を有するようにするためである。拡散成分である窒素及び炭素の富化は、この場合、オーステナイトにおけるこれらの溶解能力を越えないように、換言すれば大気中における炭素ポテンシャルが鉄炭素−線図におけるＳ−Ｅ−線に相応してえられるように、行われなければならない。
【００２１】
浸炭窒化中の１〜４時間の保持時間は所望の硬化深さをうるためであり、その上限は１ｍｍであることができる。滑り面領域の化学的組成は上記温度における炭素及び窒素の拡散により、公知の形式で炭素を放出する成分並びに窒素を放出する成分を含む作業ガスを用いて達成される。
【００２２】
浸炭窒化工程に続く第２の方法工程では、適当な媒体中での急冷による焼入れ工作物の迅速な冷却が行われる。この急冷は、例えば油浴中において、滑り面領域のマルテンサイトスタート点より明らかに低い温度まで行われる。これにより鉄不純物である窒素及び炭素の拡散過程が中断され、オーステナイト粒界におけるセメンタイトの分離が抑制され、炭素及び窒素を含有するマルテンサイト及び５０％までの残りのオーステナイト分から成る組成が生じる。表面硬さはこの場合５５〜６５ロックウエル硬さである。炭素及び窒素での同時添加の目的は、この場合、肌焼きに対して浸炭鋼の焼もどし抵抗を高めることにある。
【００２３】
上記浸炭窒化処理に続いて第３の方法工程として、工作物材料を４００〜６６０℃で、即ち後続の窒炭化温度以上で焼もどしする熱処理が行われる。加熱速度はこの場合５０℃毎分以下であり、保持時間はほぼ１〜２時間である。焼もどし後続いて第４の方法工程として室温までの冷却が行われ、この場合冷却速度は、冷却により新たな歪みが工作物材料に生じないように、選ばれる。窒炭化温度以上の温度での焼もどしにより、前記浸炭窒化によって工作物の滑り面領域に与えられた組成状態は後続の窒炭化処理において温度の影響によりもはや変化しなくなる。組成状態の変化はすべて体積の増大若しくは縮小を伴なうが、このような体積変化は後続の窒炭化処理において殆んど排除されることになる。さらに、後続の冷却を含む先行の浸炭窒化処理において内部応力と共に生じた不平衡状態は窒炭化処理において平衡状態にある組成に変換される。焼もどしにおける内部応力の除去はやはり工作物の寸法及び形状の変化を伴なう。
【００２４】
先行の処理段の浸炭窒化及び焼もどしによって生じた工作物の形状及び寸法変化は、焼もどし処理後に、第５の方法工程としての切削による成形工程により修正され、その結果窒炭化処理さるべき工作物は最終寸法にされる。この場合必要に応じて、窒炭化処理のさいに窒素及び炭素の吸収によって生じる体積成長を考慮することができる。
【００２５】
切削による成形の後、本発明の方法の第６の工程として、滑り面の表面を任意に配置された極小切欠きを有するように構成する工程が行われる。
【００２６】
次いで第７の行程として窒炭化処理が行われる。その目的は、２０μｍ以下の厚さの閉じた化合物層を形成することにある。この目的で、研削された部分が４００〜６２０°Ｃの温度で６０〜３００分に亙って処理される。本発明の方法の最終工程としての窒化物の冷却は炉内の保護ガス下で若しくは油又は水性媒体内での急冷によって行うことができる。
【００２７】
独立請求項２記載の発明によれば、浸炭窒化の代わりに、７８０〜１０５０°Ｃの温度でほぼ１〜４時間の保持時間に亙って０．４〜１．２重量パーセントの炭素量に滑り面領域を浸炭する肌焼きを行うことも可能である。この場合、続いて行われる工程は請求項６の特徴部分に記載の工程と同一である。
【００２８】
請求項３から判るように、カムの滑り面及び又はカム従動子の滑り面に、窒炭化処理後に任意に配置された極小の切欠きを設けることも本発明に含まれる。
【００２９】
さらに請求項４記載の発明によれば、窒炭化処理をガス、プラズマ又は塩浴内で行うことができる。
【００３０】
請求項５記載の発明によれば、ガス窒炭化処理がアンモニア、二酸化炭素、窒素及びエンド−又はエクソガスのガス混合物中で５３０〜５７０°Ｃの温度で行われる。窒化物の冷却はこの場合保護ガス下で行われる。これらの温度は一方では共析温度以下であり、他方では、十分に高い成長速度で化合物層を形成するのに十分な高さを有している。さらにこの温度範囲では窒化された滑り面領域にいかなる付加的な組成変換も生ぜず、その結果焼入れは必要なくこれに伴う寸法変化及び形状変化は生じない。
【００３１】
請求項１〜５記載のこれらの熱化学−熱処理法によれば、材料に高い耐摩耗性及び支持能力が与えられる。それというのは、化合物層の下にあってこれを支持する拡散領域は著しく改善された支持作用をえており、その結果極めて高い摩擦学的な負荷がかかったときにも化合物層はその下にある拡散領域の塑性変形によって損傷されることがないからである。
【００３２】
構造化された表面の窒炭化処理によって、窒素及び炭素の浸透により、滑り面における十分に厚い油膜の形成に対する積極的な作用が同時に維持されると共に、該表面の機械的耐磨耗性が著しく高められる。
【００３３】
【実施例】
次に図示の実施例につき本発明を詳説する。
【００３４】
図面は制御カムと弁シャフトとの間に組付けられた状態における弁タペットを縦断面図で示すものである。
【００３５】
図面によれば、詳細には示されていない内燃機関の弁駆動装置１は、主に、タペット４の上面３に作用する制御カム２から成っている。該制御カム２は回動不能にカム軸５上に配置されている。タペット４は詳細には示されていないシリンダヘッド７の摺動案内６内において上下に運動可能でありかつ制御カム２側とは反対側において図示されていない弁の弁シャフト８に作用する。弁シャフト８には弁ばね９が所属しており、このばねはタペット４の戻しに役立つ。
【００３６】
本発明によれば、タペット４の上面３は粗い表面を有しており、該表面は任意に分配された多数のそれぞれ独立の極小切欠きによって特徴づけられている。タペット４の上面３はこの場合滑り方向でも、滑り方向に対して横方向でも−１．３のＳＫ−値を有している。
【００３７】
弁駆動装置の全滑り面に対する極小切欠きが分配されている面全体の面積比は２５％である。最高７μｍ２までの面積を除いて測定又は計算した切欠きの平均面積は７０μｍ２である。該極小切欠きの量的測定は公知の形式で、滑り面の像を市販のイメージアナライザを用いて拡大して行われる。像拡大後滑り面は、極小切欠きの大きさ及び分布を測定しかつ滑り面全体に対する極小切欠きの面全体の比を検知することによって、分析される。
【００３８】
タペット４はその上面３を、９００°Ｃの温度及び１．５時間の保持時間で肌焼き処理される。この場合タペットの周辺領域には０．８重量パーセントに炭素が浸炭された。そして周辺領域をマルテンサイトスタート点より低い温度に急冷した後、該部分は３０°Ｃ毎分の加熱速度で５５０°Ｃの温度で２時間焼きもどしされた。この焼きもどし工程後タペット４は室温に冷却され、次いでさらに切削成形加工された。さらに別の方法工程でタペット４の上面３は前記の、任意に配置された切欠きを加工され、さらに５３０°Ｃの温度で９０分、窒炭化処理された。最後の工程として、室温への冷却が行われた。
【００３９】
タペット４の上面３が前記のような表面粗さを有している、このような熱化学−熱処理をされた弁駆動装置は、従来形式の滑り接触式弁駆動装置に対して、磨耗挙動の改善と共に、著しく改善された潤滑膜形成及びより低い摩擦係数を示す。
【００４０】
【図面の簡単な説明】
【図１】  制御カムと弁シャフトとの間に組付けられた状態における弁タペットを縦断面図で示す図
【符号の説明】
１  弁駆動装置、  ２  制御カム、  ３  上面、  ４  タペット、  ５  カム軸、６  摺動案内、  ７  シリンダヘッド、  ８  弁シャフト、  ９  弁ばね、  １０  周面
【図１】
0003747075.tif 000002