JP4541941B2 - チタン合金製タペット等の部品とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車 (自動二輪車を含む) 等のバルブ開閉機構に使用されるチタン合金製タペット等の機械装置の部品として使用されるチタン合金製の部材と、その製造方法に関する。

四輪自動車および二輪自動車等は、排気ガスや騒音の低減等を図ると共に、高出力化と低燃費化が図られている。

そして、前記高出力化と低燃費化のためには、部品の軽量化を避けて通ることができない。具体的には、エンジン等の部品、例えば、バルブの開閉機構に使用されているタペット等の部品の、軽量化が進められている。本出願人も、既にこの種の発明（以下、先願発明という）をおこない、その発明については既に出願している (特許文献１参照）。

しかしながら、従来の鋼を素材とした場合には、強度の点からこれ以上の薄肉化をおこなうことは困難となっている。

そこで、軽量で強度の高い材料として、チタン合金が考えられるが、チタン合金の場合には、摺動性能が低く、つまり摩擦係数が高く且つ凝着しやすく、前述したような高速（例えば、エンジン回転数にして、１５，０００ｒｐｍ〜１８，０００ｒｐｍ）で摺動するような箇所に使用すると焼付きをおこす恐れがあるため、単に鋼をチタン合金に置き換えることはでき難い。

また、前述した本出願人の発明にかかる、鋼表面にＤＬＣ（ダイヤモンドライク・カーボン：本明細書において「ＤＬＣ」という）膜を形成するという、摩擦抵抗を小さくするという手法を、このチタン合金に応用することを試みたが、チタン合金とＤＬＣ膜加工との相性が悪く、つまり、鋼等の場合に比べて、チタン合金の表面へのＤＬＣ膜の密着強度が小さく、短時間の運転で、ＤＬＣ膜がチタン合金表面から剥離し易い。この結果、チタン合金の摺動部分にＤＬＣ膜を施すことには改良が望まれる。
特開２０００−３２７４８４公報。

本発明は、このような状況に鑑みて行われたもので、軽量で強度の高いチタン合金に着目するとともに、このチタン合金の有する欠点を補完することによって、高速で摺動可能なチタン合金製タペット等の機械装置の部品として使用されるチタン合金製の部材を提供するとともに、その製造方法を提供することを目的とする。

本発明の前記課題は、以下の構成からなるチタン合金製タペット等の機械装置の部品として使用されるチタン合金製の部材と、その製造方法によって解決することができる。

本第１の発明にかかるチタン合金製タペットは、バルブ開閉機構に使用するチタン合金製タペットであって、
このタペットの少なくとも摺動する部分の表面に、表面硬化処理を施してあることを特徴とする。

前述のように構成された本第１の発明にかかるチタン合金製タペットによれば、表面に表面硬化処理を施すことによって、表面硬度が増加するため、耐凝着性が向上するとともに、耐久性が向上する。
例えば、前記表面硬化処理が、浸炭処理である場合には、表面に炭化層が形成される結果、表面硬度が増加して、耐凝着性が向上するとともに、耐久性が飛躍的に向上する。この浸炭処理の場合には、表面に白層が形成されないため、ＤＬＣ膜の形成が容易に行えるという利点を有する。
また、前記表面硬化処理が、窒化処理である場合には、表面に窒化層が形成される結果、表面硬度が増加して、耐凝着性が向上するとともに、耐久性が向上する。この窒化処理である場合には、浸炭処理に比べて処理温度が低いという利点を有する。

また、本第２の発明にかかるチタン合金製タペットは、バルブ開閉機構に使用するチタン合金製タペットであって、
このタペットの少なくとも摺動する部分の表面に、表面硬化処理が施され、しかる後に、ダイヤモンドライク・カーボン膜（ＤＬＣ膜ともいう）が形成されていることを特徴とする。

また、本第３の発明にかかるチタン合金製タペットは、バルブ開閉機構に使用するチタン合金製タペットであって、
このタペットの少なくとも摺動する部分の表面に、炭化層又は窒化層が形成され、その層の上にダイヤモンドライク・カーボン膜が形成されていることを特徴とする。

前述のように構成された本第２又は第３の発明にかかるチタン合金製タペットによれば、摺動する部分の表面に表面硬化処理、例えば、浸炭処理又は窒化処理を施すことによって、表面に炭化層又は窒化層が形成されて表面硬度が増加し、次にその炭化層又は窒化層の表面にＤＬＣ膜を形成することによって、摩擦抵抗が低減されるとともに耐磨耗性も向上し、しかも、ＤＬＣ膜がチタン合金表面から短時間で剥離し難い。

そして、前記チタン合金製タペットにおいて、前記浸炭処理が施された後で且つ前記ダイヤモンドライク・カーボン膜が形成される前に、前記摺動する部分の表面に酸化被膜除去処理が施されていると、チタン合金とＤＬＣ膜との密着性が飛躍的に向上する。

そして、前記チタン合金製タペットにおいて、前記タペットに使用されるチタン合金が、Ti-6AL-4V であると、好ましい構成となる。

また、本第４の発明にかかるチタン合金製の部材は、機械装置の部品として使用するチタン合金製の部材であって、
このチタン合金製の部材の少なくとも摺動する部分の表面に、浸炭処理が施され、しかる後に、ダイヤモンドライク・カーボン膜が形成されていることを特徴とする。

前述のように構成された本第４の発明にかかるチタン合金製の部材によれば、摺動する部分の表面に、炭化層又は窒化層が形成されて表面硬度が増加し、次にその炭化層又は窒化層の表面にＤＬＣ膜を形成することによって、摩擦抵抗が低減されるとともに耐磨耗性も向上し、しかも、ＤＬＣ膜がチタン合金表面から短時間で剥離し難い。

また、本第５の発明にかかるチタン合金製タペットの製造方法は、バルブ開閉機構に使用するチタン合金製タペットの製造方法であって、
このタペットの少なくとも摺動する部分の表面に、表面硬化処理を施したことを特徴とする。

前述のように構成された本第５の発明にかかるチタン合金製タペットの製造方法によれば、前記第１の発明にかかるチタン合金製タペットを製造することができる。

そして、前記第５の発明にかかるチタン合金製タペットの製造方法において、前記表面硬化処理の後に、
前記少なくとも摺動する部分にダイヤモンドライク・カーボン膜を形成すると、前記本第２の発明にかかるチタン合金製タペットを提供することができる。

そして、前記第５の発明にかかるチタン合金製タペットの製造方法において、前記ダイヤモンドライク・カーボン膜を形成する前に、少なくとも該ダイヤモンドライク・カーボン膜を形成する箇所に酸化被膜除去処理を施すと、つまり、前記浸炭処理又は窒化処理の後に、当該タペットの少なくとも摺動する部分に、酸化被膜除去を施し、しかる後に、ＤＬＣ膜を形成すると、チタン合金とＤＬＣ膜との密着性が飛躍的に向上する。

また、前記第５の発明にかかるチタン合金製タペットの製造方法において、前記酸化被膜除去処理が、研磨、エッチング、ショットブラスト、ショットピーニング、又はスパッタリングのいずれかの処理であると、既存の工具あるいは装置を用いて酸化被膜の除去がおこなえる点で、好ましい構成となる。

また、前記第５の発明にかかるチタン合金製タペットの製造方法において、前記ダイヤモンドライク・カーボン膜の形成を、物理的蒸着法又は化学的蒸着法によっておこなうことができる。

また、前記第５の発明にかかるチタン合金製タペットの製造方法において、前記タペットを有底筒状の形態に形成するとともに、
該タペットの内壁面に、その角部と上端内面中央部を除いて当接する治具を配置した状態で、前記表面硬化の一種である浸炭処理又は窒化処理を施すようにすると、浸炭処理又は窒化処理によって、摺動部分となる、タペットの外表面および内壁面の上端内面に炭化層又は窒化層を形成することができるとともに、該浸炭処理又は窒化処理の際の熱（前記形態の治具によるタペットの所望部分の熱だれ）を利用して、タペットの上端面を、バルブ開閉機構のカム面と点接触（あるいは点接触に可及的に近い状態で接触）させるための、中央側で上方に凸状になったクラウニング形状に形成することができる。つまり、従来のタペットでは、熱処理等が終了した状態で、該タペットの上端面を、研磨装置等で、中央側で上方に凸状になったラウンド面状に加工形成していたものが、浸炭処理の熱（所謂「熱だれ」と治具による下方からの支え）を利用して、前記ラウンド面に形成することが可能となる。

また、前記第５の発明にかかるチタン合金製タペットの製造方法において、前記浸炭処理として、プラズマ浸炭処理を、チタン合金の表面層の温度が５００℃〜８５０℃の温度下で実施すると、表面層の温度が５００℃以上であることから炭素「Ｃ」と窒素「Ｎ」が該表面層に好ましい状態で拡散するとともに、同じく表面層の温度が８５０℃以下であることから、熱処理による歪みが実質上問題の無い範囲に収めることができる。

そして、前記第５の発明にかかるチタン合金製タペットの製造方法において、前記タペットに使用されるチタン合金が、Ti-6AL-4V であると、好ましい構成となる。

前記チタン合金製タペットの製造方法において使用される治具としては、前記タペットが、有底筒状の形態を有するときに、前記治具が、前記タペットの内壁面に角部と上端内面中央部を除いて当接するような形態を有するものが使用される。

前述のように構成された本治具によれば、浸炭処理の熱によってタペットが熱変形をおこす際に、タペットの上端面を、バルブ開閉機構のカム面と点接触（あるいは点接触に可及的に近い状態で接触）させるための、中央側で上方に凸状になったクラウニング形状の面に形成することができる。また、タペットの上端部の内壁面のバルブ端面（あるいはシム端面）と当接する部分をも十分に硬化させることができる。従って、このような治具によって、タペットは大きな負荷を受けて高速で摺動しても、十分に耐え得ることは勿論のこと、低い摩擦力で作動することができる。

前述のように構成された本第１〜第４の発明にかかるチタン合金製の部材あるいはタペットによれば、軽量で強度の高いチタン合金の有する欠点を表面処理することによって補完し、高速で摺動可能なチタン合金製の部材あるいはタペットを提供することができる。

また、前述のように構成された本第５の発明にかかるチタン合金製の部材あるいはタペットの製造方法によれば、前記第１〜第４の発明にかかるチタン合金製の部材あるいはタペットの好適な製造方法を提供することができる。

［実施例１］
以下、本発明の実施例について、自動二輪車のエンジンのタペットの場合を例に挙げて、図面を参照しながら具体的に説明する。

図１は自動二輪車のエンジンのシリンダヘッドの動弁機構の要部のみを一部断面して示した図、図２は図１に示すタペット部分の中央で縦断面した図である。

図１において、１０はカムシャフト１１に配設されているカムで、１はこのカム１０の周面１０Ａに上面（頂面）１Ａが当接するタペット（リフターとも呼ばれる）、２はタペット１によって図１において上下に移動するバルブ、３はこのバルブ２のステム部分２Ｓをシリンダヘッド基部に摺動自在に保持するバルブガイド、４は前記タペット１を図１に図示する位置に弾性保持するバルブスプリングで、この実施例の場合、径の小さいインナースプリング４Ａと径の大きいアウタースプリング４Ｂとによって構成されている。また、５は前記バルスプリング４の上端とシム９との間に配設され、該バルブスプリング４の上端を保持するバルブスプリングシートアッパー（リテーナとも呼ばれる）、６は前記バルスプリング４の下端とシリンダヘッドの基部との間に配設され該バルブスプリング４の下端を保持するバルブスプリングシートロア（スプリングシートとも呼ばれる）である。なお、図１において、１７はバルブコッタを示す。

そして、このように構成された自動二輪車のエンジンの動弁機構は、以下のように作動する。つまり、前記カムシャフト１１に配設されたカム１０が図１において矢印Ｒで示す方向（図１において時計方向）Ｒに回転すると、このカム１０の周面１０Ａが、前記タペット１の上面１Ａに当接して、タペット１を下方に押圧する。このため、上記バルブスプリング４によって図１に図示する上位位置に弾性保持されているタペット１は、このバルブスプリング４の弾性力に抗して下方に押圧され、この結果、タペット１と前記シム９を介して上端が当接するバルブステム２Ｓが、つまり前記バルブ２が下方に降下して、通路（吸気通路あるいは排気通路）１２が燃料室１３に連通する。この結果、前記通路１２が吸気通路である場合には、燃料を含んだフレッシュエアが通路１２から燃焼室１３内へ供給され、一方、前記通路１２が排気通路である場合には燃焼ガスが燃焼室１３から通路１２へ排出される。

ところで、本実施例にかかる前記タペット１は、材質的には、「Ti-6AL-4V 」のチタン合金が使用されている。そして、図２に拡大して示すタペット１の形状、つまり、上端が閉塞された円筒状の形状を有し、また円筒状の筒部の肉厚はこの実施例では１ｍｍ〜２ｍｍ程度の厚さを有し、また、上端は１．５ｍｍ〜３ｍｍ程度の厚さを有し、さらに上端の内面に前記シム９（図１参照）と当接する肉厚部分（この実施例では前記上端の約２倍の厚さ）１Ｄを有する。前記厚みと形態を有するタペット１は、自動二輪車のエンジンのバルブ機構のタペット１としては、必要且つ十分な剛性を備え、且つ鋼製のものに比べて軽量化（約４０％程度の軽量化）が図られている。しかしながら、タペット１は、前記形態（寸法）のものに限定されるものでなく、他の形態や寸法であっても、勿論よい。

そして、前述のような形状に加工されたタペット１の中間物（中間製品）に、以下に述べるような処理を施すことによって、軽量で、高負荷で且つ高速回転下での使用において高い耐久性を有するとともに、低摩擦抵抗の、タペット１を実現することができる。

図２に示すような上端が閉塞された円筒状の形状に成形加工（鍛造加工、プレス加工や切削加工も含む）された中間物に対して、まず浸炭処理又は窒化処理を施す。この処理としては、種々考えられるが、例えば、プラズマ浸炭処理あるいはプラズマ窒化処理を、チタン合金の表面層の温度が５００℃〜８５０℃の温度下で実施する（図２において浸炭加工を施した浸炭加工層１４を太い黒線で示す）のが好ましい。前記温度が５００℃以上であると炭素「Ｃ」又は窒素「Ｎ」が好ましい状態で拡散するとともに、８５０℃以下であると、熱処理による歪みが実質上問題の無い範囲に収めることができるからである。さらに言えば、歪みを可及的に小さくし且つ炭素「Ｃ」又は窒素「Ｎ」の拡散を担保しようとすると、温度条件としては、７００℃〜８００℃の温度下において処理することがより望ましい。
そして、このように浸炭加工又は窒化処理が施されることによって、耐磨耗性と耐焼付き性が付与される。

また、前記浸炭処理として、プラズマ浸炭処理をおこなう場合には、図３に図示するような肉厚円筒状（パイプ状）の形態の治具２０、つまり、図３に図示するような、前記シム９（図１参照）との接触面（前記肉厚部１Ｄの下面）１Ｂとなる部分（タペット１の上端内面の中央部分）と上端内面の角部１Ｒは本治具２０によって閉塞されず、且つ、十分に下方からタペット１の上端を熱負荷に対して支持できるような支持面２０Ａを具備した形態の治具２０が好ましい。つまり、このような形態の治具２０を用いると、タペット１の外壁面（前記上面１Ａと外周面１Ｃ）と該タペット１の上端の内面中央に位置する前記接触１Ｂが開放されているために、これらの箇所を浸炭処理によって硬化させることができる（図３の浸炭加工層１４参照）とともに、上端内面の角部１Ｒが下方から支持されていないことから、その浸炭処理に際して、前記上面１Ａのクラウニング形状（図３の中央部で上方にやや突出するような湾曲した太線および平行な二点鎖線で示す形状参照；図３の中太線は浸炭処理前の状態を示す：図１〜図２では、略図的に直線で表示している）に形成することが可能となる。

次に、前記浸炭処理を施した前記円筒状のタペット１の中間物に対して、その外壁面の表面に形成されている酸化被膜を除去する。この酸化被膜除去処理として、例えば、研磨、エッチング、ショットブラスト、ショットピーニング、あるいはスパッタリングのいずれかの処理手法等によって、実施することが好ましい。いずれの処理方法を採用するかは、既存の設備としていずれの処理が適当か等の判断によって選択すればよい。また、前記酸化被膜除去処理として、前記処理に代えて、他の処理であってもよい。
酸化被膜除去処理の信頼性から言えば、前記スパッタリング処理によることが望ましい。また、生産効率の点からは、前記研磨処理によることが望ましい。また、生産コストを重視する場合には、前記ショットブラスト処理によることが望ましい。 また、前記酸化被膜の除去処理およびそれに続く下記のＤＬＣ膜の形成に際しては、除去した後に酸化被膜が形成されないように、真空雰囲気あるいは窒素雰囲気、水素雰囲気等の雰囲気中で処理される。

次に、表面の酸化被膜除去がおこなわれたタペット１の中間物の外壁面に、ＤＬＣ膜１５（図２参照）を形成する。このＤＬＣ膜の形成は、大別して、物理的蒸着法と化学的蒸着法との二つの手法があるが、いずれの手法でおこなってもよい。
しかし、物理的蒸着法の場合には、処理温度の低温化の点において好ましく、化学的蒸着法の場合には、三次元形状への所謂「つきまわり性（複雑な形状でも全面にムラ無く付くことをいう）」の点において優れている。

そして、上述のように処理された本実施例にかかるタペット１は、前記浸炭処理（プラズマ浸炭処理）によって、硬度が５５０ＨＶ以上となり、その有効硬化深さ（浸炭処理層の厚さ）が０．０２ｍｍ〜０．０４ｍｍであり、浸炭処理された表面の硬度は７５０ＨＶ〜１０５０ＨＶになる。
そして、ＤＬＣ膜形成後には、ＤＬＣ膜の厚みが１μｍ〜３μｍで、その表面硬さは１０００ＨＶ〜１５００ＨＶになっている。そして、この実施例では、タペット１の表面粗度は、Ｒｙ１．６μｍとなっている。

そして、このように構成された本実施例にかかるタペット１は、シリンダヘッド３０のタペット孔３１と接触するタペット１の外周面１Ｃが前述のように表面にＤＬＣ膜１５が形成されるとともに、その下層部分に浸炭処理が施されており、また、前記前記カム１０と接触するタペット１の上面１Ａにも前記ＤＬＣ膜１５の形成と浸炭処理が施されており、さらに前記タペット１のシム９との接触面１Ｂには浸炭処理が施されているため、また、前記ＤＬＣ膜１５の形成の前に、浸炭処理層１４表面の酸化被膜の除去がなされた状態で、該ＤＬＣ膜１５の形成が、おこなわれているため、高負荷で高速回転下においても、極めて高い耐久性を有するとともに、摩擦抵抗も極めて小さく、しかも全体の重量が従来のものに比べて６０パーセント程度となるため、高速回転仕様のエンジンにとって、さらなる高速化に寄与する、好ましいタペット１となる。

ところで、前記実施例は、自動二輪車のエンジンのタペットについて本発明を適用した場合を例に挙げて説明したが、自動二輪車以外のエンジンであってもよく、また、エンジンの他の部材、例えば、前記バルブ、バルブスプリングシート、バルブガイドや、図示しないエンジンのコンロッドやその他のエンジンの構造物、あるいは自動二輪車のフロントフォーク等にも広く適用することができる。また、エンジン以外の部材、例えば、排気タービンやその他の軸、特に高速回転するような軸、あるいは一般の機械装置の部材にも適用することができ、前述したのと同様の作用効果を奏することができる。

本願発明は、自動二輪車等のエンジンやその他一般の機械装置等に広く利用することができる。

自動二輪車のエンジンのシリンダヘッドの動弁機構の要部を一部断面して示した図である。 図１に示すタペットを中央で縦断面して示した図である。 図１，図２に示すタペットの略左半分と該タペットを浸炭処理する際に使用する治具の一部を示す部分断面図である。

符号の説明

１…タペット（チタン合金からなる部材）
１Ａ…上面（摺動する表面）
２…バルブ
１０…カム

Claims (2)

1. 機械装置の部品として使用され、摩擦する表面にダイヤモンドライク・カーボン膜が形成されているチタン合金製の部材であり、前記ダイヤモンドライク・カーボン膜が形成される前処理として、該ダイヤモンドライク・カーボン膜が形成される部位に、表面硬化処理が施されているチタン合金製の部材の、製造方法であって、
   前記チタン合金製の部材がタペットであり、該タペットを有底筒状の形態に形成するとともに、
   該タペットの内壁面に、その角部と上端内面中央部を除いて当接する治具を配置した状態で、
   このタペットの少なくとも摺動する部分の表面に、前記表面硬化処理の一種である浸炭処理又は窒化処理を施し、しかる後に前記ダイヤモンドライク・カーボン膜を形成したことを特徴とするチタン合金製の部材の製造方法。
2. 前記タペットに使用されるチタン合金が、Ti-6AL-4V であることを特徴とする請求項１記載のチタン合金製の部材の製造方法。

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