JP2000246460A - セラミック摺動部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 クラウニング量を適切な条件にて制御するこ
とにより、苛酷な使用条件下でもクラウニング付与によ
る十分な片当り防止効果が達成され、また、セラミック
体の耐疲労性能に優れたセラミック摺動部品を提供す
る。 【解決手段】 タペット１のセラミック板４の摺動端面
４ａに、クラウニングを施す。室温にて測定したクラウ
ニング高さＨ（μｍ）が、摺動側端面の外径をＤ（ｍ
ｍ）として、Ｈ＋０．２Ｄ＜３Ｄの関係を満足するよう
に調整される。また、中心軸線方向において金属体側か
らセラミック体側に向かう方向を前方側とし、摺動側端
面外縁の最も前方側に位置する点をＡ、同じく最も後方
側に位置する点をＢとして、中心軸線と直交して点Ａを
通る平面と、同じく点Ｂを通る平面との間の距離Ｆ（μ
ｍ）により、摺動側端面の直角度を定義したときに、Ｈ
−０．５Ｄ＞０．５Ｆとなるように、クラウニング高さ
Ｈが調整される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関のタペッ
ト、ロッカーアーム、バルブブリッジ等の動弁系摺動部
品や、エンジン駆動系を利用して作動する油圧回路のピ
ストン等に適したセラミック摺動部品に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車用エンジン部品に代表される機械
摺動部品は、片当たりによる偏磨耗等の防止を目的とし
て摺動時に部品に回転を生じさせるために、摺動面に凸
形のクラウニングを形成することが多い。本発明者ら
も、例えば特開昭６３−２２５７２８号公報等におい
て、摺動面に接合母材（具体的には、鋼等の金属体であ
る）よりも熱膨張率の小さい耐摩耗部品（具体的には窒
化珪素等のセラミック体である）を加熱接合し、熱膨張
差により摺動面にクラウニング形状を形成する方法を開
示している。この方法によれば、研磨等の機械加工を用
いることなくクラウニング形状を形成することができ、
ひいては、摺動時の片当たりを防止できる摺動部品を低
コストで提供できる利点を有する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】近年、エンジンの高性
能化、高速化が進むにつれ、上記接合体にて構成される
タペット等の摺動部品の使用環境はますます厳しくなっ
てきており、より耐久性に優れた接合体が求められてい
る。そして、本発明者らの検討によると、金属体とセラ
ミック体との接合時の熱膨張差によりクラウニングを施
した摺動部品の場合、上記のような非常に過酷な条件下
での使用が前提になると、製品ロット中のクラウニング
プロファイルのばらつき等に起因して、必ずしも十分な
片当り防止効果が発揮されなかったり、あるいはセラミ
ック体の耐久性能が損なわれるなどの不具合が発生しや
すいことが判明した。

【０００４】本発明の課題は、クラウニング量を適切な
条件にて制御することにより、苛酷な使用条件下でもク
ラウニング付与による十分な片当り防止効果が達成さ
れ、また、セラミック体の耐疲労性能に優れたセラミッ
ク摺動部品を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】本発明
は、２つのセラミック摺動部品の態様を含むが、それら
は以下のような共通の構成要件を有する。すなわち、金
属体とセラミック体とが、中心軸線同士がほぼ一致する
形態で接合された構造を有し、そのセラミック体の前記
金属体に接合されているのとは反対側の端面を摺動端面
としている。セラミック体の摺動端面には、その外縁を
包含する平面を端面基準面として、中心側が該端面基準
面から突出する曲面状のクラウニングが形成される。

【０００６】そして、上記の課題を解決するために、そ
の第一の構成（請求項１）は、室温にて測定したクラウ
ニング高さＨ（μｍ）を、摺動端面の端面基準面からの
最大突出高さにて定義し、かつ摺動端面の外径をＤ（ｍ
ｍ）として、 Ｈ＋０．２Ｄ＜３Ｄ ‥‥ の関係を満足するように、クラウニング高さＨが調整さ
れていることを特徴とする。

【０００７】セラミック体と金属体との接合により構成
される摺動部品は、セラミック及び金属という熱膨張率
の異なる部材を接合しているため、使用温度によりクラ
ウニング量が変化する。例えば、タペット等のように使
用温度が上がりやすい摺動部材では、高温使用時を想定
したクラウニング量が、常温近傍では金属体の収縮によ
り過度に大きくなってしまうことがある。このような状
況になると、セラミック体に付加される応力が大きくな
り過ぎ、例えば高温と常温（あるいはそれ以下の低温）
との間での冷熱サイクルが頻繁に繰り返し付与される環
境下では、セラミック体の疲労による寿命低下が避けが
たくなる。また、カム等の相手材をアタックし、摩耗が
増大する恐れもある。

【０００８】しかしながら、本発明者らが鋭意検討した
結果、室温（２０℃）でのクラウニング高さＨ（μｍ）
を、セラミック体の摺動端面の外径Ｄ（ｍｍ）に応じ
て、上記の関係を満足するように設定することで、低
温時にクラウニングが過剰となることが効果的に抑制さ
れ、ひいては冷熱サイクル付加時のセラミック体の耐疲
労性能が飛躍的に向上することがわかり、本発明を完成
するに至ったのである。

【０００９】一方、本発明の第二の構成（請求項３）
は、例えば図４に幾分誇張して示すように、中心軸線方
向において金属体側からセラミック体側に向かう方向を
前方側とし、摺動端面外縁の最も前方側に位置する点を
Ａ（以下、最高点Ａという）、同じく最も後方側に位置
する点をＢ（以下、最低点Ｂという）として、中心軸線
と直交して点Ａを通る平面Ｐ１と、同じく点Ｂを通る平
面Ｐ２との間の距離Ｆ（単位：μｍ）により、摺動端面
の直角度を定義したときに、 Ｈ−０．５Ｄ＞０．５Ｆ ‥‥ となるように、クラウニング高さＨが調整されているこ
とを特徴とする。

【００１０】金属体にセラミック体を接合した摺動部品
では、部品の使用温度（例えばタペットの場合、最大で
１７０℃程度）が上昇すると、金属体がセラミック体よ
りも大きく膨張するため、セラミック体が径方向外向き
に引っ張られてクラウニングが減少する。また、摺動端
面が、例えば製造上の要因により部品の中心軸線に対し
て傾斜していると、その傾斜の影響で有効に寄与するク
ラウニング量が目減りする（上記定義した直角度Ｆは、
この傾斜の度合いを定量的に示すパラメータである）。
その結果として、有効クラウニング量が高温にて十分に
確保されなかった場合、摺動面に対する相手材の片当り
が発生しやすくなり、偏摩耗等により部品の寿命が低下
する問題がある。

【００１１】しかしながら、本発明者らが鋭意検討した
結果、セラミック体の摺動端面の外径Ｄ（ｍｍ）に応じ
て、室温（２０℃）でのクラウニング高さＨ（μｍ）
を、直角度Ｆを含めて上記の関係を満足するように設
定することで、例えば２００℃程度までの温度範囲であ
れば、そのような昇温された環境下でも上記片当り等の
問題が極めて生じにくく、ひいては部品寿命を大幅に向
上できることがわかり、本発明を完成するに至ったので
ある。

【００１２】なお、請求項２のように、及びの関係
を同時に満たすようにクラウニング量の設定を行うこと
で、低温下ではクラウニングが過剰とならず冷熱サイク
ル等に対する耐疲労性能が向上し、かつ高温下ではクラ
ウニング不足による偏摩耗発生といった問題を防止でき
るので、熱サイクルを受けやすい環境で使用される部
品、例えばタペットをはじめとする自動車用摺動部品の
耐久性を一層良好なものとすることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しつつ説明する。図１は本発明のセラミ
ック摺動部品たるタペットが使用されたオーバーヘッド
バルブ機構を示している。カム１００の回転によりタペ
ット１及びプッシュロッド１０３が上下運動し、ロッカ
アーム１０２を介してバルブ１０１を開閉させる。図２
は、タペット１の拡大図である。該タペット１は、ろう
材層３を介して、金属体（以下、タペット金具ともい
う）２とセラミック体（以下、セラミック板ともいう）
４とが接合された構造を有している。タペット金具２は
鉄系材料にて構成され、円状断面の本体部１ａの一方の
端部側に、軸線方向のプッシュロッド挿通孔１ｃを開口
する一方、他方の端部側に本体部１ａよりも大径の摺動
基体部１ｂが一体形成された形状をなす。他方、セラミ
ック板４は窒化珪素の焼結体として円板状に構成され、
摺動基体部１ｂの平坦な先端面に重ね接合されている。
また、ろう材層３を構成するろう材は、Ｃｕ系あるいは
Ａｇ系ろう材が使用される。そして、セラミック板４
の、ろう材層３と接しているのとは反対側の端面がカム
１００との摺動端面４ａとされている。

【００１４】セラミック板４の摺動端面４ａには、図中
やや誇張して示すように、クラウニング（中央部が突出
する小さな曲率）が施されている。このクラウニング
は、金属体２とセラミック板４とをろう付け接合して冷
却する際に、金属体２がセラミック板４よりも大きく収
縮することを利用して、セラミック板４を中央部が盛り
上がるように弾性変形させることで形成されたものであ
る。図４を援用して示すように、セラミック体４の摺動
端面４ａには、その外縁を包含する平面を端面基準面と
して、中心側が該端面基準面から突出する曲面状のクラ
ウニングが形成されている。

【００１５】そして、室温にて測定したクラウニング高
さＨ（μｍ）を、摺動端面４ａの端面基準面からの最大
突出高さにて定義し、かつ摺動端面４ａの外径をＤ（ｍ
ｍ）として、 Ｈ＋０．２Ｄ＜３Ｄ ‥‥ の関係を満足するように、クラウニング高さＨが調整さ
れている。また、中心軸線方向において金属体２側から
セラミック体４側に向かう方向を前方側とし、摺動端面
４ａ外縁の最も前方側に位置する点を最高点Ａ、同じく
最も後方側に位置する点を最低点Ｂとして、中心軸線と
直交して点Ａを通る平面と、同じく点Ｂを通る平面との
間の距離Ｆ（μｍ）により、摺動端面の直角度を定義し
たときに、 Ｈ−０．５Ｄ＞０．５Ｆ ‥‥ となるように、クラウニング高さＨが調整されている。

【００１６】例えば、常温においては必要十分なクラウ
ニング量が確保されていても、温度が上がりやすい使用
環境や、頻繁な冷熱サイクルにさらされる環境下では、
有効なクラウニング量が確保できず片当りを生じたり、
逆にクラウニングが過剰となってセラミック体４に過度
の応力が作用し、寿命を縮めてしまうケースが存在す
る。しかしながら、上記のようにクラウニング高さＨを
調整することで、苛酷な使用条件下でもクラウニング付
与による十分な片当り防止効果が達成され、また、セラ
ミック体の耐疲労性能も格段に改善される。

【００１７】以下、上記関係及びを採用することに
より、上記の効果が達成される理由について、主に図４
を参照しながら、さらに詳しく説明する。タペット等の
摺動部品においては、セラミック体に相手材の片当たり
が生じると極端に耐久性が低下し、セラミック体の偏磨
耗や応力集中による剥がれといった不具合を生じやすく
なる。従って、摺動面への相手材の片当たりの生じない
適切なクラウニング量が存在する。

【００１８】ここで、例えば上記のタペットは、金属体
及びセラミック体という、熱膨張の異なる部材をろう材
層を介して接合する形で構成されているため、製品温度
によりクラウニング量が変化する特徴がある。具体的に
は、温度が上昇すればクラウニングが減少し、下降すれ
ばクラウニングは増加するのであるが、本発明者らが検
討した結果によると、クラウニング量Ｈをタペット径Ｄ
を基準に標準化した場合、その標準化したクラウニング
量の温度依存性が、タペット形状や寸法に関係なく、ほ
ぼ同じ傾向を示すことが判明した。以下に、その根拠と
なる実験結果について示す。

【００１９】鋼材として、ＪＩＳに規定された合金鋼Ｓ
ＮＣＭ４３９を鍛造、機械研削することにより図２に示
した形状のタペット金具２を作製した。他方、Ｓｉ_３Ｎ
_４原料１００重量部に対し、Ａｌ_２Ｏ_３−Ｙ_２Ｏ_３系焼
結助剤を１０重量部と、成形バインダ５量部とを配合し
て金型プレスにて成形し、さらに脱バインダした後、Ｎ
_２ガス雰囲気で１７００℃にて２時間焼成して、円板状
の焼成体を得た。そして、得られた焼成体の両面を研削
してセラミック板４を作成した。一方、ろう材箔とし
て、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ系ろう材（Ｃｕ：２３重量
％、Ｉｎ：１５重量％、Ｔｉ：２重量％、残部Ａｇ、厚
さ０．０５ｍｍ）を用意し、これを上記タペット金具２
とセラミック板４との間に挟み込み、真空雰囲気にて８
００℃にて３０分加熱した後、炉内をＮ_２ガス置換する
ことにより冷却してろう付け接合することにより、図２
に示す形状の各種寸法のタペット１の試験品を得た。な
お、タペット試験品は、表１の（I）〜（III）の３種類
の寸法のものを、それぞれ５個ずつ作成している。

【００２０】

【表１】

【００２１】得られたタペットについて、まず常温（２
０℃）でクラウニング量Ｈを測定した。図８に示すよう
に、セラミック板４の摺動端面１ａ表面に対し、その中
心を通る基準線上にて表面粗さ測定装置により形状プロ
ファイルを測定し、その形状プロファイル上に表れた外
縁位置Ｍ，Ｎを結んで端面基準面に相当する基準線を描
き、その基準線からのプロファイル曲線のふくらみ高さ
をクラウニング量Ｈとして求めた。

【００２２】次いで、タペットの接合部近傍に熱電対を
さし込み、フロン系液体中で昇温ないし冷却するととも
に、−５０℃、０℃、５０℃、１００℃、１５０℃、２
００℃の各温度となったときのクラウニング量Ｈを、上
記と同様の方法により測定した。そして、２０℃のクラ
ウニング量を基準値として、各温度で測定された該基準
値からのクラウニング変化量の平均値ΔＨを各タペット
の摺動面外径Ｄにて標準化した値を縦軸にとり、横軸に
測定温度をとって測定結果をプロットしたグラフを図７
に示す。これを見てもわかる通り、クラウニング変化量
の温度依存性は、タペット径Ｄにて標準化することで、
タペット形状によらずほぼ一定の傾向を示すことがわか
る。

【００２３】まず、の関係式から考察する。図７の測
定結果から、実際のエンジンでのタペットの使用温度範
囲を、余裕を見て−５０〜２００℃と考えたとき、まず
低温側限界温度である−５０℃にてクラウニング変化量
は、タペット形状によらず＋０．２Ｄ（μｍ）程度とな
ることがわかる。すなわち、前述の式の左辺であるＨ
＋０．２Ｄは、エンジン始動時等において予想される余
裕を見込んだ使用最低温度を−５０℃として、その時に
見込まれるクラウニング量を表す値ということになる。
そして、後述する実験結果からも明らかな通り、このＨ
＋０．２Ｄ（μｍ）を、３Ｄ（μｍ）未満に設定するこ
とで、実使用時のほとんどの使用最低温度にてクラウニ
ングが過剰となる不具合が効果的に回避され、ひいては
冷熱サイクル付加時のセラミック体の耐疲労性能が飛躍
的に向上する効果を達成できるのである。また、タペッ
トの製造工程において、Ｈを上記の範囲にて管理するこ
とで、セラミック体の耐疲労性能に関する不良発生頻度
を大幅に減少させることができる。なお、Ｈ＋０．２Ｄ
は、望ましくは２．５Ｄ（μｍ）未満とするのがよい。

【００２４】次に、の関係式は次のように考察され
る。前述の通り、図４において、クラウニング量Ｈは、
セラミック体の摺動端面の外縁が作る端面基準面から
の、摺動端面の突出高さにより定量化することができ
る。摺動端面が金属体あるいはセラミック体の中心軸線
と直交している場合は、突出高さＨの実質的に全てが、
相手材から受ける摺動力を摺動部品の軸線周り回転力に
変換する有効クラウニング量として寄与する形となる。
しかしながら、セラミック体と金属体との接合面の傾斜
や粗さ、あるいはろう材層厚さの分布等により、端面基
準面が部品の中心軸線に対して傾いていると、突出高さ
Ｈのすべてが必ずしも有効クラウニング量として寄与し
なくなる。前述の通り、直角度Ｆは、この傾斜の度合い
を規定するパラメータである。

【００２５】クラウニングを施した摺動端面の最大高さ
を与える位置は、該端面の概ね中央付近、すなわち端面
基準面と中心軸線との交点を基準位置Ｇとすれば、その
Ｇの近傍に表れる。しかしながら、端面基準面が傾斜し
ている場合は、最低点Ｂ側において、上記定義した直角
度Ｆの１／２だけ摺動端面が中心軸線後方側にに沈み込
む形となる。換言すれば、この位置ではクラウニング量
Ｈが０．５Ｆだけ目減りする形になるわけである。従っ
て、全クラウニング量Ｈのうち、有効に機能するのはＨ
−０．５Ｆ（＝Ｈef：有効クラウニング量という）のみ
ということになる。なお、図４では直角度Ｆやクラウニ
ング量Ｈを誇張して表しており、全クラウニング量は基
準位置Ｇからの中心軸線方向の突出高さＨ’を用いるの
がより正確であるようにも見えるが、実際には、ＦやＨ
の値は端面径Ｄと比較してはるかに小さいことから、
Ｈ’をＨにより代用しても実質的な差異はほとんど生じ
ない。

【００２６】さて、図７において、高温側限界温度であ
る２００℃でのクラウニング変化量は、タペット形状に
よらず−０．５Ｄ（μｍ）程度となることがわかる。す
なわち、前述の式の左辺であるＨ−０．５Ｄは、エン
ジン始動時等において予想される、余裕を見込んだ使用
最高温度を２００℃として、その時の減少分を見込んだ
クラウニング量を表す値ということになる。そして、後
述する実験結果からも明らかな通り、このＨ−０．５Ｄ
（μｍ）の値を、端面基準面の傾斜による目減り分０．
５Ｆよりも大きく設定することで、実使用時のほとんど
の使用最高温度にて、クラウニングが不足する不具合が
解消され、ひいては高温使用時の片当り現象を極めて効
果的に防止することができる。また、タペットの製造工
程において、Ｈを上記の範囲にて管理することで、片当
り不良の発生頻度を大幅に減少させることができる。な
お、Ｈ−０．５Ｄの値は、望ましくは０．７Ｆ（μｍ）
以上とするのがよい。

【００２７】なお、上記及びの関係式にてクラウニ
ング量Ｈを設定することによる、前記した効果をより高
めるためには、セラミック体４は、厚さを０．５〜２．
５ｍｍ程度に設定しておくことが望ましい。セラミック
体４の厚さが０．５ｍｍ未満では、耐疲労特性が十分に
確保できない場合がある。また、セラミック体４の厚さ
が２．５ｍｍを超えると、セラミック体４の剛性が高く
なり所定のクラウニングが得られなくなる。

【００２８】次に、金属体を構成するＦｅ系材料として
は、各種炭素鋼、合金鋼（ステンレス鋼あるいは耐熱鋼
を含む）、あるいは鋳鉄を使用できる。例えばＪＩＳに
規定されたものでは、次のようなものを例示できる（組
成の単位は重量％）。 (1)機械構造用Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ鋼：ＳＮＣＭ６３０
（Ｃ：０．２５〜０．３５、Ｓｉ：０．１５〜０．３
５、Ｍｎ：０．３５〜０．６０、Ｎｉ：２．５〜３．
５、Ｃｒ：２．５〜３．５、Ｍｏ：０．５〜０．７、残
Ｆｅ（単位：重量％、以下同じ））、ＳＮＣＭ４３９
（Ｃ：０．３６〜０．４３、Ｓｉ：０．１５〜０．３
５、Ｍｎ：０．６〜０．９０、Ｎｉ：１．６〜２．０、
Ｃｒ：０．６〜１．０、Ｍｏ：０．１５〜０．３、残Ｆ
ｅ）、ＳＮＣＭ４４７（Ｃ：０．４４〜０．５０、Ｓ
ｉ：０．１５〜０．３５、Ｍｎ：０．６〜０．９０、Ｎ
ｉ：１．６〜２．０、Ｃｒ：０．６〜１．０、Ｍｏ：
０．１５〜０．３、残Ｆｅ）等。 (2)機械構造用Ｃｒ−Ｍｏ鋼：ＳＣＭ４４５（Ｃ：０．
４３〜０．４８、Ｓｉ：０．１５〜０．３５、Ｍｎ：
０．６〜０．８５、Ｃｒ：０．９〜１．２、Ｍｏ：０．
１５〜０．３、残Ｆｅ）等。 (3)機械構造用Ｃｒ鋼：ＳＣｒ４４０（Ｃ：０．４３〜
０．４８、Ｓｉ：０．１５〜０．３５、Ｍｎ：０．６〜
０．８５、Ｃｒ：０．９〜１．２、残Ｆｅ）、ＳＣｒ４
１５（Ｃ：０．１３〜０．１８、Ｍｎ：０．６０〜０．
８５、Ｃｒ：０．９０〜１．２０、残Ｆｅ（単位：重量
％））等。 (4)機械構造用炭素鋼：Ｓ５０Ｃ（Ｃ：０．４７〜０．
５３、Ｍｎ：０．６〜０．９、残Ｆｅ）等。

【００２９】また、セラミック体は、上記の通り窒化珪
素を主体に構成することができる。窒化珪素は機械的強
度、耐磨耗性及び耐食性に優れ、例えばタペットなど、
高温・高負荷かつ腐食性の苛酷な環境下で使用される動
弁系摺動部品においても、十分な強度及び耐久性を確保
することが可能である。なお、窒化珪素以外では、サイ
アロン、炭化珪素、窒化アルミニウム等も使用も可能で
ある。

【００３０】また、ろう材層を形成するためのろう材
は、Ａｇを主成分とするＡｇ系ろう材を使用することが
できる。本発明にて使用可能なＡｇ系ろう材には、Ａｇ
−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材（Ｃｕ：２０〜４０、Ｔｉ：０．
５〜４、残部Ａｇ（単位：重量％、以下同じ））、Ａｇ
−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ系ろう材（Ｃｕ：１５〜３０、Ｉ
ｎ：８〜１５、Ｔｉ：０．５〜４、残部Ａｇ）等があ
る。Ａｇ系ろう材を使用した場合のろう材層の厚さは、
５〜６０μｍの範囲にて調整するのがよい。厚さが６０
μｍを超えると、接合強度の低下を招く場合がある。一
方、厚さが５μｍ未満では接合不良（接合面積率の不足
等）につながる場合がある。

【００３１】一方、Ｃｕを主成分とするＣｕ系ろう材を
使用れば、ろう材層の耐熱性、ひいては接合体の高温接
合強度をさらに高めることができる。Ｃｕ系ろう材とし
ては、Ｃｕを８０重量％以上含有するものを使用するこ
とで、接合部の耐熱性にとりわけ優れた接合体を得るこ
とができる。Ｃｕ系ろう材としては、具体的にはＣｕ−
Ａｌ−Ｓｉ−Ｔｉ系のろう材を使用することができる。
Ｃｕの含有量は前述の通り８０重量％以上に設定するこ
とで、ろう材層の耐熱性が特に良好となる。Ａｌは主に
ろう材の融点を調整する働きをなし、含有量が高いほど
ろう材の融点が低下する。一方、Ｓｉはろう材が溶融し
てできる液相の流れ性を高め、空隙等の欠陥が少ない接
合構造を形成するのに寄与する。ただし、Ｓｉ含有量が
０．１重量％未満になると液相の流動性改善効果が乏し
くなり、逆に８重量％を超えるとろう材層が脆弱化して
接合強度の低下につながる場合がある。

【００３２】なお、活性金属成分たるＴｉ（ＺｒやＨｆ
等も使用できる）が１０重量％を超えるとセラミックス
被接合体との界面反応生成物の量が増大して接合強度が
低下するため、活性金属の含有量は１０重量％以下、望
ましくは５重量％以下の範囲で調整するのがよい。な
お、Ａｌの含有量は、Ｓｉ及び活性金属成分の含有量
と、ろう材の狙い融点（固相線温度）とを勘案して、
０．１〜５重量％の範囲で適宜調整する。なお、上記以
外のＣｕ系ろう材としては、Ｃｕ−Ｐｄ−Ｓｉ−Ｔｉ
系、Ｃｕ−Ｓｉ−Ｔｉ系、Ｃｕ−Ｓｉ系等を使用でき
る。

【００３３】Ｃｕ系ろう材を使用した場合のろう材層の
厚さは、３０〜１００μｍの範囲にて調整するのがよ
い。厚さが１００μｍを超えると、接合強度の低下を招
く場合がある。一方、厚さが３０μｍ未満では接合不良
（接合面積率の不足等）につながる場合がある。

【００３４】なお、ろう材層と金属体あるいはセラミッ
ク体との各隣接境界（あるいは接合界面）は、成分拡散
等のため一般には不明瞭となることが多い。具体的に
は、各隣接境界付近に、成分の拡散ないし反応により拡
散層あるいは反応層（以下、両者を総称して拡散・反応
層という）が形成されることがある。本明細書において
は、図３に示すように、金属体とセラミック体との接合
方向において、セラミック体を構成する金属イオンある
いは珪素イオン等のカチオン成分のうち、最も含有量の
高いもの（以下、主カチオン成分という）の濃度をセラ
ミック体側からろう材層側に向けて分析した場合に、該
主カチオン成分濃度の分析値レベルが、その平均濃度Ｃ
mの１／２となる位置を、セラミック体とろう材層との
境界ＢXとして定めるものとする。また、同様に金属体
を構成する金属成分のうち、最も含有量の高いもの（以
下、主金属成分という）の濃度を金属体側からろう材層
側に向けて分析した場合に、該主金属成分濃度の分析値
レベルが、その平均濃度Ｍmの１／２となる位置を、金
属体とろう材層との境界ＢYとして定めるものとする。
そして、両境界間の距離をろう材層の厚さｔとして定義
する（ただし、ろう材層の厚さに分布を生じている場合
には、その平均値にて代表させるものとする）。なお、
こような分析は、電子プローブ・マイクロ・アナライザ
（ＥＰＭＡ）、ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光）及
びＷＤＳ（波長分散型Ｘ線分光）、オージェ電子分光法
（ＡＥＳ）等の公知の方法により実施することができ
る。

【００３５】なお、上記の実施例では、図５（ａ）に示
すように、セラミック体を金属体に直接ろう付け接合し
ていたが、同図（ｂ）に示すように、セラミック体を接
合熱処理時等における金属体とセラミック体との間の熱
膨張差に起因した残留応力（あるいは熱応力）を緩和す
るために、金属体とろう材層との間に中間層（あるいは
緩衝板）を介挿することもできる。この中間層は、例え
ばＣｕやＮｉ等の軟質金属を主体とするもので構成で
き、自身の塑性変形により上記残留応力を緩和する効果
をさらに高める働きをなす。また、Ｗ合金やコバール
等、セラミック部と金属本体部との中間の線膨張係数を
有する材質で中間層を構成してもよい。なお、中間層
は、上記材質の薄板を金属体側にろう付け等により接合
する一方、セラミック部側には上記ろう材層を介して同
様にろう付け接合することができる。この場合、接合に
より一体化した金属体と中間層との全体をあらためて金
属体とみなおせば、当該構造も本発明の請求項に記載し
た接合体の構成を有していると見ることができる。

【００３６】なお、本発明において、タペットの形状は
図２に示すものに限定されない。例えば、図６（ａ）に
示すように、プッシュロッド挿通孔１ｃを摺動基体部２
ｂ内に入り込む位置まで延長してもよいし、同図（ｂ）
に示すように、本体部２ａと摺動基体部２ｂをほぼ同一
径とし、全体をカップ状に構成してもよい。

【００３７】

【実施例】（実施例１）本発明のタペット（接合体）１
の性能を確認するために、以下の条件で試作品を製作し
た。まず、鋼材として、ＪＩＳに規定された合金鋼ＳＮ
ＣＭ４３９を鍛造、機械研削することにより図２に示し
た形状のタペット金具２を作製した。他方、Ｓｉ_３Ｎ_４
原料１００重量部に対し、Ａｌ_２Ｏ_３−Ｙ_２Ｏ_３系焼結
助剤を１０重量部と、成形バインダ５重量部とを配合し
て金型プレスにて成形し、さらに脱バインダした後、Ｎ
_２ガス雰囲気で１７００℃にて２時間焼成して、円板状
の焼成体を得た。こうして得られた焼成体の両面を研削
してセラミック板４を作成した。そして、上記タペット
金具２とセラミック板４との間にろう材箔を挟み込み、
真空雰囲気にてろう付け接合することにより、図２に示
す形状の各種寸法のタペット１を得た。なお、タペット
試験品は、表１の（I）〜（III）の３種類の寸法のもの
を、それぞれ５個ずつ作成している。

【００３８】また、使用したろう材箔と、ろう付け条件
は以下の通りである（組成の単位は重量％）。 Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ系ろう材（Ｃｕ：２３、Ｉ
ｎ：２５、Ｔｉ：２．０、残部Ａｇ、厚さ０．０５ｍ
ｍ）：８００℃×３０分；Ｎ_２ガス置換冷却 Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材（Ｃｕ：２８、Ｔｉ：２．
０、残部Ａｇ、厚さ０．０５ｍｍ）：８５０℃×３０
分；Ｎ_２ガス置換冷却 Ｃｕ−Ｓｉ−Ｔｉ系ろう材（Ｓｉ：３．０、Ｔｉ：
３．０、残部Ｃｕ、厚さ０．０５ｍｍ）：１０５０℃×
３０分；Ｎ_２ガス置換冷却

【００３９】（I）〜（III）のタペットを（I）、（I
I）はエンジン２台分（各２４個）、（III）はエンジン
１台分（２０個）製作し、実機モータリング耐久試験及
び冷熱サイクル試験に供試した。まず、試験に先立ち、
以下のデータを収集した。 (1)クラウニング量Ｈ ２０℃での値。測定方法は、図８によりすでに説明済
み。 (2)直角度Ｆ ２０℃での値。図９に示すように、タペット金具２の本
体部２ａをＶブロックにて支持し、これを回転させなが
ら、摺動端面４ａの外縁部の中心軸線方向の振れ量をダ
イヤルゲージにて測定するとともに、このときの全振れ
幅を直角度Ｆとした。 (3)接合部の状態 超音波探傷装置にて、タペット金具２とセラミック板４
とのろう付部の接着面積率を全数測定した。

【００４０】次に、表１の（I）〜（III）のタペットを
カムモータリング試験機に装着し、以下の条件にて実機
モータリング耐久試験を行った。使用したエンジンを表
１に、試験条件を表２に示している。これら条件は、い
ずれも実車１００万ｋｍ走行相当の衝撃を想定した過酷
なものであり、エンジンオイルも５万キロ走行相当の劣
化品を使用して、エンジン温度が比較的上昇しやすい環
境を作為的に形成している。なお、耐久性評価は、耐久
前後で超音波探傷法による接合面積率が１％以上変化し
たもの（剥離発生に相当）をＮＧとした。次に、この実
機モータリング耐久試験後に剥離未発生のものを、気相
の冷熱サイクル試験装置に組み込み、−５０℃×１ｈｒ
及び２００℃×１ｈｒのサイクルを５０００サイクル繰
り返して、耐久前後で接合面積率が１％以上変化したも
のをＮＧと判定した。以上の結果を表３〜５に示す。

【００４１】

【表２】

【００４２】

【表３】

【００４３】

【表４】

【００４４】

【表５】

【００４５】この結果から明らかなように、タペットの
寸法やろう材の材質によらず、前記したの関係式を満
足しているものは実機モータリング耐久試験に合格し、
さらにの関係式を満足しているものは冷熱サイクル試
験においても良好な結果を示していることがわかる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のタペットを含むオーバーヘッドバルブ
機構の正面図。

【図２】図１のタペットの拡大図。

【図３】ろう材層の概念を示す説明図。

【図４】クラウニングと直角度との関係を誇張して示す
模式図。

【図５】セラミック体と金属体との接合形態をいくつか
例示して示す模式図。

【図６】タペットのいくつかの変形例を示す縦断面図。

【図７】クラウニング量変化の温度依存性を示すグラ
フ。

【図８】摺動面の形状プロファイルからクラウニング量
を求める原理を示す説明図。

【図９】直角度の測定方法の説明図。

【符号の説明】

１ タペット（摺動部品） ２ タペット金具（金属体） ３ ろう材層 ４ セラミック板（セラミック体）

フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G016 AA05 AA19 BB02 BB09 CA08 CA13 CA14 CA41 CA46 EA00 EA03 EA14 EA24 FA33 GA00 4E067 AA01 AA02 AA18 AB06 BM00 DA13 DA17 DB01 DB03 DC04 EA07 EB00

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属体とセラミック体とが、中心軸線同
   士がほぼ一致する形態で接合された構造を有し、そのセ
   ラミック体の前記金属体に接合されているのとは反対側
   の端面を摺動端面としたセラミック摺動部品において、 前記セラミック体の前記摺動端面には、その外縁を包含
   する平面を端面基準面として、中心側が該端面基準面か
   ら突出する曲面状のクラウニングが形成されるととも
   に、 室温にて測定したクラウニング高さＨ（μｍ）を、前記
   摺動端面の前記端面基準面からの最大突出高さにて定義
   し、かつ前記摺動端面の外径をＤ（ｍｍ）として、 Ｈ＋０．２Ｄ＜３Ｄ の関係を満足するように、前記クラウニング高さＨが調
   整されていることを特徴とするセラミック摺動部品。
2. 【請求項２】 前記中心軸線方向において前記金属体側
   から前記セラミック体側に向かう方向を前方側とし、前
   記摺動端面外縁の最も前方側に位置する点をＡ、同じく
   最も後方側に位置する点をＢとして、前記中心軸線と直
   交して点Ａを通る平面と、同じく点Ｂを通る平面との間
   の距離Ｆ（単位：μｍ）により、前記摺動端面の直角度
   を定義したときに、 Ｈ−０．５Ｄ＞０．５Ｆ となるように、前記クラウニング高さＨが調整されてい
   る請求項１記載のセラミック摺動部品。
3. 【請求項３】 金属体とセラミック体とが、中心軸線同
   士がほぼ一致する形態で接合された構造を有し、そのセ
   ラミック体の前記金属体に接合されているのとは反対側
   の端面を摺動端面としたセラミック摺動部品において、 前記セラミック体の前記摺動端面には、その外縁を包含
   する平面を端面基準面として、中心側が該端面基準面か
   ら突出する曲面状のクラウニングが形成されるととも
   に、 室温にて測定したクラウニング高さＨ（単位：μｍ）
   を、前記摺動端面の前記端面基準面からの最大突出高さ
   にて定義し、かつ前記摺動端面の外径をＤ（単位：ｍ
   ｍ）とする一方、 前記中心軸線方向において前記金属体側から前記セラミ
   ック体側に向かう方向を前方側とし、前記摺動端面外縁
   の最も前方側に位置する点をＡ、同じく最も後方側に位
   置する点をＢとして、前記中心軸線と直交して点Ａを通
   る平面と、同じく点Ｂを通る平面との間の距離Ｆ（単
   位：μｍ）により、前記摺動端面の直角度を定義したと
   きに、 Ｈ−０．５Ｄ＞０．５Ｆ となるように、前記クラウニング高さＨが調整されてい
   ることを特徴とするセラミック摺動部品。
4. 【請求項４】 前記セラミック体は、厚さが０．５〜
   ２．５ｍｍの板状に形成されている請求項１ないし４の
   いずれかに記載のセラミック摺動部品。
5. 【請求項５】 前記セラミック体は窒化珪素を主体に構
   成され、前記金属体はＦｅを主体に構成される請求項１
   ないし５のいずれかに記載のセラミック摺動部品。
6. 【請求項６】 前記摺動端面がカム摺動面であるタペッ
   トとして構成されている請求項１ないし６のいずれかに
   記載のセラミック摺動部品。