專利名稱：滑動(dòng)部件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門閥類部件，凸輪從動(dòng)件和搖臂等滑動(dòng)構(gòu)件，特別是由將金屬母材和陶瓷滑動(dòng)構(gòu)件接合起來的結(jié)構(gòu)組成、用于挺桿時(shí)發(fā)揮其效用的滑動(dòng)部件及其制造方法。
以前是從滑動(dòng)面的耐磨損性好和滑動(dòng)阻力小的觀點(diǎn)來選擇滑動(dòng)部件，作為滑動(dòng)部件，利用特性優(yōu)良的單一材料，或者制作使用它的接合體而實(shí)用化起來。
近年，具有優(yōu)良滑動(dòng)特性的陶瓷引起重視，尤其是出現(xiàn)了使陶瓷與金屬材料接合，以便使陶瓷處于條件苛刻的滑動(dòng)部位的實(shí)用例。
例如，相應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)的高功率化和廢氣法規(guī)，發(fā)動(dòng)機(jī)用挺桿中在滑動(dòng)部位往往有將滑動(dòng)特性優(yōu)良的氮化硅陶瓷接合起來的部件。
另一方面，在這種滑動(dòng)部件中，滑動(dòng)部位中除了使用陶瓷以外的滑動(dòng)部分要求滑動(dòng)特性，或者整個(gè)部件往往也要求滑動(dòng)特性，為了提高金屬材料的滑動(dòng)特性，施以硬化處理。
因此，在先的特開平2-55809號(hào)公報(bào)和特開平2-199073號(hào)公報(bào)、特開平4-2672號(hào)公報(bào)中，公開了利用在金屬和陶瓷加熱接合時(shí)的加熱和冷卻進(jìn)行金屬部分的硬化處理。
然而，利用上述加熱接合的硬化處理中，與普通鋼的硬化處理中所用的加熱硬化處理相比其加熱溫度不同，往往得不到滑動(dòng)特性所需要的硬度，而且冷卻方法也特殊，適合進(jìn)行這種處理的金屬材料受到限制，因而存在成本高的問題。
鑒于上述先有技術(shù)的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種進(jìn)一步提高實(shí)用性的滑動(dòng)部件及其制造方法。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的滑動(dòng)部件及制造方法中，其滑動(dòng)部件的特征在于，它是基體為鋼制的，其滑動(dòng)面內(nèi)，形成至少一處滑動(dòng)面的構(gòu)件與上述基體加熱接合在一起的滑動(dòng)部件，鋼制基體在接合前施以加熱硬化處理；滑動(dòng)部件制造方法的特征在于，接合時(shí)鋼制基體的溫度比該鋼加熱硬化處理的溫度要低。
本發(fā)明滑動(dòng)部件的構(gòu)成要素是，加熱接合前進(jìn)行過加熱硬化處理的鋼制滑動(dòng)部件基體至少是一處以上的滑動(dòng)面，該滑動(dòng)面的至少一處通過加熱接合安裝在基體上。
接合前的滑動(dòng)部件基體，通過加熱硬化處理而使其表面硬化，而且，接合時(shí)鋼部分的溫度，比鋼加熱硬化處理溫度要低，因此，被接合的鋼的硬度大致保持加熱硬化處理時(shí)的硬度。因此本發(fā)明滑動(dòng)部件的滑動(dòng)特性，與上述加熱接合時(shí)進(jìn)行硬化處理的先有技術(shù)材料相比較，有大幅度的提高。
接合后的鋼基體的硬度，按HRC標(biāo)度為45以上。HRC不足45時(shí)，磨損大，耐久性差，得不到足夠的滑動(dòng)特性。接合前的鋼基體硬度，隨著加熱接合，硬度有一些降低，因此希望HRC標(biāo)度為50以上。
滑動(dòng)部件基體的材質(zhì)是鋼，只要是經(jīng)過加熱硬化處理后能達(dá)到HRC為50以上即可，對(duì)鋼的種類沒有特殊的限定，但從強(qiáng)度、材料和加工成本方面考慮，最好是作為機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼而廣泛使用的碳素鋼和添加Ni，Cr，Mo合金元素的合金鋼。
鋼基體和構(gòu)成滑動(dòng)面的構(gòu)件，其接合面積希望兩者的界面面積為50％以上，不足上述面積時(shí)，會(huì)加大對(duì)接合部分的荷重使之超過接合部分的破壞荷重，導(dǎo)致滑動(dòng)面構(gòu)件剝離的可能性增大。
與滑動(dòng)部件基體加熱接合并形成滑動(dòng)面的構(gòu)件，最好是由氮化硅類陶瓷組成，其室溫下的強(qiáng)度及夏氏沖擊值各自為130Kg/mm2以上、15KJ/m2以上。
在這種情況下，由于將陶瓷的強(qiáng)度規(guī)定在(130Kg/mm2以上，因而能耐加熱接合時(shí)因鋼和陶瓷的熱膨脹系數(shù)不同而在內(nèi)部產(chǎn)生的拉伸熱應(yīng)力，能很容易地防止裂紋產(chǎn)生。
如果考慮實(shí)際使用狀態(tài)，例如，如圖2所示，在發(fā)動(dòng)機(jī)用閥的驅(qū)動(dòng)系中，往往有來自金屬制凸輪的沖擊荷重的作用，為了防止此時(shí)陶瓷破損，希望夏氏沖擊值規(guī)定為15J/m2以上。
接合時(shí)的鋼溫度，為抑制接合時(shí)的加熱而引起的鋼的回火軟化，最好盡可能地低于鋼的加熱硬化處理溫度。例如，如果是亞共析鋼，則加熱硬化處理時(shí)的適當(dāng)加熱溫度為800℃左右，該溫度是加熱時(shí)僅呈奧氐體相的AC3或AC1變態(tài)點(diǎn)以上30～50℃，因此接合時(shí)鋼部分的溫度最好是盡可能比800℃低的低溫。作為接合方法，只要其接合溫度符合上述條件就行，可以利用釬焊或擴(kuò)散接合等公知方法。
被加熱接合的構(gòu)件是陶瓷時(shí)，用釬焊進(jìn)行接合，但釬焊材料，最好使用接合溫度比鋼的加熱硬化處理溫度低的釬焊材料。例如，如果使用Al合金釬焊，其接合溫度為580℃左右，可以進(jìn)行比加熱硬化處理溫度低得多的低溫接合。
使用Ag-Ti，Ag-Cu-Ti等接合溫度比鋼的加熱硬化處理溫度高的釬焊材料時(shí)，最好是在鋼部分的溫度比釬焊材料部分的溫度低，以使鋼部分的溫度比加熱硬化處理溫度低的低溫狀態(tài)下進(jìn)行接合。
具體說，最好是利用高頻加熱或微波加熱、激光加熱等僅對(duì)釬焊材料部分進(jìn)行加熱的方法，或利用通電加熱和放電等離子體加熱等使陶瓷部分達(dá)到高溫、使鋼部分達(dá)到低溫的傾斜溫度加熱法。此外，還希望釬焊氣氛是非氧化氣氛(真空、Ar、N2、H2等)。
以下簡(jiǎn)單說明附圖。


圖1是采用本發(fā)明的挺桿的說明圖。
圖2是挺桿使用狀態(tài)的說明圖。
圖3是將滑動(dòng)構(gòu)件與鋼制基體接合的方法的說明圖。
圖中符號(hào)說明如下。
1 滑動(dòng)面，2 滑動(dòng)面，3 挺桿基體，4 凸輪，5 推桿部件，A滑動(dòng)構(gòu)件，6 發(fā)熱用碳模，7 氮化硅，8 釬焊材料，9 鋼基體，10 熱電偶，11 熱電偶。
以下通過實(shí)施例具體說明本發(fā)明。
實(shí)施例1圖1示出按照本發(fā)明作為滑動(dòng)部件的例子而制成的挺桿。該挺桿從圖2示出的實(shí)際使用狀態(tài)可清楚地看出，滑動(dòng)面1以及推桿接觸面2的滑動(dòng)條件特別苛刻，按照本發(fā)明通過釬焊接合氮化硅制滑動(dòng)構(gòu)件A以便形成滑動(dòng)面1，推桿接觸面2部分的鋼大致保持加熱硬化處理時(shí)的硬度。圖2中的4表示凸輪，5表示推桿部件。氮化硅制滑動(dòng)部件A按下述方法制作。
在市售的氮化硅粉末中添加作為燒結(jié)助劑的5重量％的Y2O3，2重量％的Al2O3，在乙醇中用球磨機(jī)混合48小時(shí)。干燥后，將所得混合粉末進(jìn)行擠壓、CIP后，在2個(gè)大氣壓的氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行1650℃、1小時(shí)的HIP處理。
從所得燒結(jié)體上切下直徑為30mm，厚1mm的原材料，將成為滑動(dòng)面的平面部分加工成平面度為10μm，表面粗糙度為0.3μm以下(十點(diǎn)平均粗糙度)。表1示出所得燒結(jié)體的機(jī)械特性。
表 1機(jī)械特性彎曲強(qiáng)度 135(kg/mm2)夏氏沖擊值 15.2(KJ/m2)挺桿基體3使用機(jī)械合金鉻鋼SCr440(JIS G4104)，加工后，加熱到850℃，然后在油中進(jìn)行加熱硬化處理，然后通過厚度為100μm的鋁合金釬焊材料(JIS BA4145)，利用通常的電阻加熱爐在真空中570℃下保持30分鐘的方法，對(duì)滑動(dòng)構(gòu)件A和挺桿基體3進(jìn)行釬焊。
作為比較例，將不進(jìn)行加熱硬化處理的SCr 440用作基體3，按與上述同樣的方法進(jìn)行與滑動(dòng)構(gòu)件的接合。
以上制得的接合挺桿，測(cè)定滑動(dòng)面2的硬度后，組裝到市售的OHV方式的柴油機(jī)中，用劣化油按發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)數(shù)1000rpm進(jìn)行2000小時(shí)耐久試驗(yàn)，測(cè)定滑動(dòng)面2的磨損量。
表2中示出接合前后的滑動(dòng)面2的硬度以及磨損量的結(jié)果。但磨損的判定是將不足10μm的情況規(guī)定為“無磨損”，10μm以上的情況規(guī)定為“有磨損”。
如表2所示，進(jìn)行過加熱硬化處理的實(shí)施例，即NO.1～NO.3，接合前后的硬化劣化少，與作為未進(jìn)行過加熱硬化處理的比較例即NO.4～NO.6相比較，其硬度以及耐磨損性都優(yōu)良。
與NO.1同樣，選擇NO.2，3中所示的加熱硬化鋼材及釬焊材料，在各接合溫度下于真空中進(jìn)行釬焊，然后進(jìn)行評(píng)價(jià)。作為比較例，采用未進(jìn)行過加熱硬化處理的鋼材，實(shí)施NO.5和NO.6。各例都顯示出，還是實(shí)施例中的硬度和耐磨損性優(yōu)良。
表2<
注)*表示比較例實(shí)施例2將與實(shí)施例1同樣的氮化硅用于滑動(dòng)構(gòu)件A挺桿基體3采用機(jī)械合金鋼鉻鋼SCr420(JIS G4104)，加工后加熱至800℃，然后于油中進(jìn)行加熱硬化處理，其后通過厚度為100μm的鋁合金釬焊材料(JIS BA4145)將滑動(dòng)構(gòu)件和挺桿基體3接合在一起，如圖3所示，接合面位置在發(fā)熱用碳模6的內(nèi)部，滑動(dòng)面2的部分被安置成在發(fā)熱用碳模的外部露出。將這種碳模6設(shè)置在可進(jìn)行機(jī)械加壓和通過脈沖電流進(jìn)行急速加熱的爐內(nèi)，在真空度為103Torr狀態(tài)下，外加“通一斷”的比例為12∶2的脈沖電流5000A，利用放電等離子法在3分鐘內(nèi)使熱電偶10的接合面溫度升至620℃，保持5分鐘，5分鐘內(nèi)冷卻至室溫，進(jìn)行釬焊。NO.7此時(shí)的熱電偶11在滑動(dòng)面部位的溫度上升至最高為550℃。
作為NO.10，將與NO.7同樣的材料配置在普通的電阻加熱爐中，加熱至620℃進(jìn)行釬焊。此時(shí)，接合面和滑動(dòng)面2一起都加熱至620℃。
對(duì)以上制得的接合挺桿的滑動(dòng)面2進(jìn)行接合前后的硬度評(píng)價(jià)，作為實(shí)施例的NO.7，接合前后的HRC僅降低至60→55，而作為比較例的NO.11時(shí)降低至60→48，因此NO.7顯示出良好的滑動(dòng)特性。
與NO.7相同，選擇NO.8、NO.9、NO.10中所示的加熱硬化處理鋼材及釬焊材料，利用通電加熱、高頻或激光僅加熱接合面，進(jìn)行釬焊。此時(shí)的滑動(dòng)面溫度比接合面的溫度低100℃左右。作為比較例的NO.11、NO.12利用通常的電阻加熱進(jìn)行釬焊。如表3所示，作為實(shí)施例，顯示出硬度高，滑動(dòng)部件的滑動(dòng)特性良好。
表3
實(shí)施例3制作顯示下表4中特性的氮化硅滑動(dòng)構(gòu)件A，實(shí)施例和比較例都各自制作10個(gè)，每個(gè)構(gòu)件都按與實(shí)施例1相同的方法與SCr 440進(jìn)行釬焊接合。
使用實(shí)施例的氮化硅時(shí)，10個(gè)樣品都可以獲得良好的接合體；而使用比較例的氮化硅時(shí)，由于不耐因加熱接合時(shí)鋼和陶瓷的熱膨脹系數(shù)不同而導(dǎo)致在陶瓷內(nèi)部產(chǎn)生的拉伸熱應(yīng)力，在10個(gè)接合體內(nèi)有5個(gè)氮化硅部位產(chǎn)生裂紋。對(duì)制得的接合挺桿內(nèi)，用透射X射線調(diào)查氮化硅中不產(chǎn)生裂紋的物件(實(shí)施例10個(gè)，比較例5個(gè))的接合界面的結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實(shí)施例的接合體的接合面積為接合界面面積的75～100％。另一方面，比較例卻為30～48％。
然后將這些接合挺桿(實(shí)施例10個(gè)，比較例5個(gè))，組裝到市售的OHV式柴油機(jī)中，使用劣化油按發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)數(shù)1000rpn進(jìn)行2000小時(shí)耐久試驗(yàn)。其結(jié)果，實(shí)施例情況下的接合體，10個(gè)都很良好；而比較例的情況下，5個(gè)接合體內(nèi)，有2個(gè)的氮化硅部位由于金屬制凸輪的沖擊荷重而被破壞，其余3個(gè)的氮化硅也從鋼基體上剝離下來。
表4
表5
<p>以上說明可得知，本發(fā)明通過在接合滑動(dòng)部件中，使用與鋼制基體接合前進(jìn)行過加熱硬化處理的鋼這種簡(jiǎn)單構(gòu)成，而具有顯著改善滑動(dòng)特性的效果。因此，適于用作汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門閥類部件、凸輪從動(dòng)件和搖臂等的滑動(dòng)構(gòu)件以及它們的制造方法。
權(quán)利要求
1.滑動(dòng)部件，其特征在于，它是一種基體是鋼制的，在其滑動(dòng)面內(nèi)形成至少一處滑動(dòng)面的構(gòu)件，與上述基體加熱接合而成的滑動(dòng)部件，鋼制基體在加熱接合前進(jìn)行過加熱硬化處理。
2.權(quán)利要求1所述的滑動(dòng)部件，其中對(duì)鋼制基體進(jìn)行加熱硬化使其在加熱接合前的硬度HRC為50以上。
3.權(quán)利要求1或2所述的滑動(dòng)部件，其中，對(duì)鋼制基體進(jìn)行加熱硬化，使其在加熱接合后的硬度HRC為45以上。
4.權(quán)利要求1、2或3所述的滑動(dòng)部件，其中，接合面積為形成滑動(dòng)面的構(gòu)件與鋼基體之間界面面積的50％以上。
5.權(quán)利要求1～4中任何一項(xiàng)所述的滑動(dòng)部件，其中，與基體加熱接合而形成滑動(dòng)面的構(gòu)件是由氮化硅類陶瓷組成，其室溫下的強(qiáng)度及夏氏沖擊值，各自為130kg/mm2以上、15KJ/mm2以上。
6.權(quán)利要求1～5中任何一項(xiàng)所述的滑動(dòng)部件，其中，形成滑動(dòng)面的構(gòu)件和鋼基體是用Al或Al合金釬焊材料接合起來。
7.權(quán)利要求1所述滑動(dòng)部件的制造方法，其特征在于，在比鋼制基體進(jìn)行加熱硬化處理時(shí)的溫度更低的溫度下，對(duì)加熱硬化處理過的鋼制滑動(dòng)部件基體和形成滑動(dòng)面的構(gòu)件進(jìn)行加熱接合。
8.權(quán)利要求7所述的滑動(dòng)部件的制造方法，其中，加熱接合時(shí)接合部位的溫度比鋼制基體的溫度高。
9.權(quán)利要求7或8所述的滑動(dòng)部件的制造方法，其中，形成滑動(dòng)面的構(gòu)件和鋼基體是用Al或Al合金釬焊接合起來。
10.權(quán)利要求7～9中任一項(xiàng)所述的滑動(dòng)部件的制造方法，其中，加熱時(shí)使用放電等離子加熱法。
11.權(quán)利要求7～9中任一項(xiàng)所述的滑動(dòng)部件的制造方法，其中，加熱時(shí)使用通電加熱法。
12.權(quán)利要求7～9中任一項(xiàng)所述的滑動(dòng)部件的制造方法，其中，加熱時(shí)使用高頻加熱法。
13.權(quán)利要求7～9中任一項(xiàng)所述的滑動(dòng)部件的制造方法，其中，加熱時(shí)使用激光加熱法。
全文摘要
本發(fā)明提供一種滑動(dòng)部件，它具有能滿足挺桿、搖臂等發(fā)動(dòng)機(jī)部件和軸承等為首的要求耐磨損性的許多滑動(dòng)面。該滑動(dòng)部件的構(gòu)成是，基體(3)是鋼制的，其滑動(dòng)面內(nèi)，形成至少一處滑動(dòng)面(1)的構(gòu)件A，例如Si
文檔編號(hào)F01L1/18GK1136340SQ95190953
公開日1996年11月20日 申請(qǐng)日期1995年12月25日 優(yōu)先權(quán)日1994年12月28日
發(fā)明者松浦尚, 山川晃 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社