JP2008020003A - 軌道部材の製造方法、動弁装置の製造方法および軌道部材 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストの上昇を抑制しつつ、転走面を含む領域の硬度を十分に高くして十分な転動疲労寿命を確保するとともに、塑性変形する領域の硬度を安定して制御可能な軌道部材の製造方法を提供する。
【解決手段】軌道部材の製造方法は、鋼製部材準備工程と、熱処理工程と、仕上げ加工工程とを備えている。熱処理工程は、鋼製部材が、Ａ_１点以上の温度である浸炭窒化温度に加熱されて浸炭窒化される浸炭窒化工程と、鋼製部材が、浸炭窒化温度から、Ａ_１点よりも１００℃低い温度以上Ａ_１点未満の温度域に冷却されて当該温度域に６０分間以上１８０分間以下の時間保持される温度保持工程と、鋼製部材において、軌道部材の転走面となるべき領域を含む高硬度領域以外の領域である低硬度領域が焼入硬化されることなく、高硬度領域が高周波焼入される高周波焼入工程とを含んでいる。
【選択図】図４

Description

本発明は軌道部材の製造方法、動弁装置の製造方法および軌道部材に関し、より特定的には、その一部が塑性変形することにより隣接する部材に対して固定される軌道部材とその製造方法、および当該軌道部材を有するカムフォロアを備えた動弁装置の製造方法に関するものである。

一般に、転がり軸受は、外輪、内輪などの軌道部材と、当該軌道部材に接触して配置される玉、ころなどの転動体とを備えている。そして、転がり軸受は、軌道部材である内輪および外輪の少なくともいずれか一方が、当該軌道部材に隣接する他の部材に対して固定されて使用される。ここで、軌道部材の固定は、当該軌道部材を隣接する他の部材に対して嵌め込むことにより行なわれるほか、たとえばかしめ加工のように当該軌道部材の一部の領域を塑性変形させることにより行なわれる場合もある。

このような塑性変形を利用した軌道部材の固定は、嵌め込みによる固定に比べて、固定のための新たな部材を必要としないため、低コスト化およびコンパクト化が可能であることなどの利点を有している。一方、塑性変形を利用した軌道部材の固定を行なうためには、軌道部材における硬度分布に十分留意する必要がある。すなわち、塑性変形を利用した固定を行なう場合、軌道部材において塑性変形される領域は、塑性変形時の割れの発生を抑制する観点から、比較的低硬度、たとえば３００ＨＶ以下の硬度を有する必要がある。これに対し、軌道部材において、転動体と接触する表面である転走面は、十分な転動疲労寿命を確保する観点から、高硬度、たとえは６５３ＨＶ（５８ＨＲＣ）以上の硬度を有する必要がある。

塑性変形を利用した軌道部材の固定は、上述のような利点を有していることから、近年広く採用されている。たとえば、転がり軸受の一種である総ころタイプ（保持器を有さないタイプ）のラジアルころ軸受が、エンジンの給排気弁を動作させる動弁装置のローラ付きカムフォロアとして採用される場合がある。このローラ付きカムフォロアの取り付けにおいても、当該カムフォロアを構成する軌道部材の一部の領域を塑性変形させて保持部材に対して固定することにより、カムフォロアを保持部材に取り付けることができる。そのため、ローラ付きカムフォロアとして使用可能な転がり軸受に関しては、寿命向上等に関する多くの検討がなされると同時に（たとえば特許文献１〜９参照）、寿命向上と塑性変形を利用した固定とを両立することに関する提案がなされている（たとえば特許文献１０〜１２参照）。
特開２０００−３８９０７号公報 特開平１０−４７３３４号公報 特開平１０−１０３３３９号公報 特開平１０−１１０７２０号公報 特開２０００−３８９０６号公報 特開２０００−２０５２８４号公報 特開２００２−３１２１２号公報 実開昭６３−１８５９１７号公報 特開２００２−１９４４３８号公報 特開平５−３２１６１６号公報 特開昭６２−７９０８号公報 特開２００５−２９９９１４号公報

上述のように、一部の領域が塑性変形することにより、他の部材に対して固定される軌道部材においては、転走面を含む領域が十分な硬度を有していると同時に、塑性変形する領域が割れ等を発生することなく塑性変形可能な硬度を有していることが要求される。しかしながら、上述の特許文献１０〜１２に記載されているように、単に塑性変形する領域が焼入硬化されていないのみでは、塑性変形する領域の硬度が十分に制御されない。そのため、軌道部材の形状や同時に熱処理される数量などによって塑性変形する領域の硬度がばらつき、当該領域の硬度を安定して好ましい範囲とすることができない。その結果、実際の量産工程において、塑性変形を利用した固定が困難となる場合がある。一方、特許文献１２に記載されているように、軌道部材全体を焼入硬化下後、高温焼戻を実施すれば、塑性変形する領域の硬度を十分に制御することができる。しかし、この場合、熱処理の工程数が増加し、軌道部材の製造コストが上昇するという問題がある。

そこで、本発明の目的は、製造コストの上昇を抑制しつつ、転走面を含む領域の硬度を十分に高くして十分な転動疲労寿命を確保するとともに、塑性変形する領域の硬度を安定して制御可能な軌道部材の製造方法を提供することである。また、本発明の他の目的は、製造コストの上昇を抑制しつつ、十分な耐久性を有しているとともに、塑性変形を利用したカムフォロアの取り付けが容易な動弁装置の製造方法を提供することである。また、本発明のさらに他の目的は、製造コストの上昇が抑制されつつ、転走面を含む領域の硬度が十分に高く、十分な転動疲労寿命が確保されているとともに、塑性変形する領域の硬度が安定して制御された軌道部材を提供することである。

本発明に従った軌道部材の製造方法は、鋼からなり、軌道部材の概略形状に成形された部材である鋼製部材が準備される鋼製部材準備工程と、鋼製部材が熱処理される熱処理工程と、熱処理工程において熱処理された鋼製部材が、仕上げ加工される仕上げ加工工程とを備えている。熱処理工程は、浸炭窒化工程と、温度保持工程と、高周波焼入工程とを含んでいる。浸炭窒化工程では、鋼製部材が、Ａ_１点以上の温度である浸炭窒化温度に加熱されて浸炭窒化される。温度保持工程では、浸炭窒化工程において浸炭窒化された鋼製部材が、浸炭窒化温度から、Ａ_１点よりも１００℃低い温度以上Ａ_１点未満の温度域に冷却されて、当該温度域に６０分間以上１８０分間以下の時間保持される。高周波焼入工程では、温度保持工程よりも後で、鋼製部材において、軌道部材の転走面となるべき領域を含む高硬度領域以外の領域である低硬度領域が焼入硬化されることなく、高硬度領域が高周波焼入される。

浸炭窒化された鋼製部材が直ちに焼入硬化されない場合、鋼製部材は連続的に冷却されるのが一般的である。しかし、その場合、同じ熱処理設備を使用した場合でも、鋼製部材の形状、大きさ、同時に処理される鋼製部材の量などに依存して、鋼製部材の冷却速度は変化する。また、鋼製部材の形状によっては、鋼製部材の部位によって冷却速度が異なる場合もある。

Ａ_１点以上の温度に加熱された鋼製部材が焼入硬化されずに冷却される場合、鋼製部材を構成する鋼の組織は、基本的にはパーライト変態する。このとき、パーライト組織（α鉄であるフェライト相と鉄の炭化物とからなる鋼組織）を構成する鉄の炭化物（セメンタイト；Ｆｅ_３Ｃ；以下、炭化物という）を粗大化、凝集化させることにより、鋼製部材の硬度を抑制する、たとえば３００ＨＶ以下の硬度とすることができる。ここで、炭化物を粗大化、凝集化させるためには、鋼製部材が冷却される際の冷却速度（単位時間あたりの温度低下）を小さくすることが有効である。

しかし、上述のように、鋼製部材の形状等に起因した冷却速度の変化や、鋼製部材内の部位による冷却速度の相違を考慮すると、鋼製部材の形状等によって必要な冷却条件が変化するため、軌道部材において塑性変形する領域の硬度を安定して制御することは容易ではない。また、冷却速度を無制限に小さくすれば、塑性変形する領域の硬度を安定して抑制することができるが、熱処理に要する時間が長くなるため生産効率が低下し、製造コストが上昇するという問題がある。

これに対し、本発明者は浸炭窒化後の鋼製部材の硬度を、鋼製部材の形状、大きさ、同時に処理される鋼製部材の量などによらず安定させるための熱処理履歴に関して詳細に検討した。その結果、以下の知見を得た。

すなわち、浸炭窒化された鋼製部材をＡ_１点未満の温度に冷却する際、Ａ_１点よりも１００℃低い温度よりも低い温度域に鋼製部材が短時間で冷却されると、炭化物の粗大化、凝集化が不十分となり、鋼製部材の形状等によっては割れを発生させること無く塑性変形させることが困難となる場合がある。また、Ａ_１点よりも１００℃低い温度以上Ａ_１点未満の温度域に保持される時間が６０分間未満では、鋼のパーライト変態が完了せず、その後の冷却速度によっては微細な炭化物や層状の炭化物が鋼中に析出して硬度が上昇し、割れを発生させること無く塑性変形させることが困難となる。一方、当該温度域においては、１８０分間以内には鋼のパーライト変態はほぼ完了し、その後の冷却速度によらず割れを発生させること無く塑性変形させることが可能となる。そのため、１８０分間を超えて当該温度域に保持する利点は小さく、むしろ軌道部材の生産効率を低下させる結果となる。

以上より、本発明の軌道部材の製造方法によれば、熱処理工程の浸炭窒化工程において浸炭窒化された鋼製部材が、温度保持工程においてＡ_１点よりも１００℃低い温度以上Ａ_１点未満の温度域に冷却されて、当該温度域に６０分間以上１８０分間以下の時間保持される。そのため、鋼製部材が適切な温度域に必要かつ十分な時間保持され、鋼製部材を構成する鋼が恒温変態、あるいは冷却速度が非常に小さい状態でパーライト変態し、当該変態がほぼ完了するとともに炭化物が粗大化、凝集化する。その結果、鋼製部材は、安定して、割れを発生させることなく塑性変形させることが可能な硬度を有する。そして、高周波焼入工程において、軌道部材の転走面となる領域を含む領域である高硬度領域を高周波焼入して部分的に硬化することにより、焼入硬化されない領域の塑性加工の容易性と軌道部材の転走面における転動疲労寿命とを両立することができる。その結果、本発明の軌道部材の製造方法によれば、製造コストの上昇を抑制しつつ、転走面を含む領域の硬度を十分に高くして十分な転動疲労寿命を確保するとともに、塑性変形する領域の硬度を安定して制御することができる。

本発明に従った動弁装置の製造方法は、カムフォロアと、カムフォロアを保持する保持部材とを有し、エンジンの給気弁および排気弁の少なくともいずれか一方を動作させる動弁装置の製造方法である。この動弁装置の製造方法は、カムフォロアを製造するカムフォロア製造工程と、保持部材を準備する保持部材製造工程と、カムフォロアを、保持部材に取り付ける取り付け工程とを備えている。そして、カムフォロア製造工程においては、カムフォロアを構成する軌道部材が、上述の軌道部材の製造方法により製造される。また、取り付け工程においては、低硬度領域が塑性加工されることにより、軌道部材が保持部材に対して固定されて、カムフォロアが保持部材に取り付けられる。

本発明の動弁装置の製造方法によれば、カムフォロアを構成する軌道部材が、上述の軌道部材の製造方法により製造されるため、当該軌道部材の製造コストの上昇を抑制しつつ、転走面を含む領域の硬度を十分に高くして十分な転動疲労寿命を確保するとともに、塑性変形する領域の硬度を安定して制御することができる。そして、硬度が安定して制御された軌道部材の低硬度領域が塑性加工されることにより、軌道部材が保持部材に対して固定され、カムフォロアが保持部材に取り付けられる。そのため、製造コストの上昇を抑制しつつ、軌道部材が十分な転動疲労寿命を有していることにより十分な耐久性を有しているとともに、塑性変形を利用したカムフォロアの取り付けが容易な動弁装置の製造方法を提供することができる。

本発明に従った軌道部材は、上述の軌道部材の製造方法により製造されている。本発明の軌道部材によれば、上述の本発明の軌道部材の製造方法により製造されていることにより、製造コストの上昇が抑制されつつ、転走面を含む領域の硬度が高く、十分な転動疲労寿命を確保されているとともに、塑性変形する領域の硬度が安定して制御された軌道部材を提供することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明の軌道部材の製造方法によれば、製造コストの上昇を抑制しつつ、転走面を含む領域の硬度を十分に高くして十分な転動疲労寿命を確保するとともに、塑性変形する領域の硬度を安定して制御可能な軌道部材の製造方法を提供することができる。また、本発明の動弁装置の製造方法によれば、製造コストの上昇を抑制しつつ、十分な耐久性を有しているとともに、塑性変形を利用したカムフォロアの取り付けが容易な動弁装置の製造方法を提供することができる。また、本発明の軌道部材によれば、製造コストの上昇を抑制されつつ、転走面を含む領域の硬度が十分に高く、十分な転動疲労寿命を確保されているとともに、塑性変形する領域の硬度が安定して制御された軌道部材を提供することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態である実施の形態１における軌道部材を含むカムフォロアを備えた動弁装置の構成を示す概略図である。また、図２は、図１の線分ＩＩ−ＩＩに沿う概略断面図である。また、図３は、図２のカムフォロア付近を拡大して示した概略部分断面図である。図１〜図３を参照して、実施の形態１における軌道部材を含むカムフォロアを備えた動弁装置について説明する。

図１および図２を参照して、動弁装置１０は、総ころタイプのラジアルころ軸受であるカムフォロア１と、カムフォロア１を一方の端部２Ｂにおいて保持する保持部材としてのロッカーアーム２と、カムフォロア１の外輪としてのローラ１１の外周面に、外周面５Ｂにおいて接触するように配置されたカム５と、ロッカーアーム２の他方の端部２Ｃに形成された貫通穴２Ｄに挿入され、ロックナット８によりロッカーアーム２に固定されたアジャストねじ９と、アジャストねじ９の一方の端部に、一方の端部において連結されたエンジンの給気または排気用の弁であるバルブ６とを備えている。

カムフォロア１は、外輪としての円環状のローラ１１と、ローラ１１を貫通する中空円筒状の軸１２と、ローラ１１および軸１２の間に配置される複数のころ１３を含んでいる。ロッカーアーム２は、中央部において軸受メタル４などを介してロッカーアーム軸３に保持されており、ロッカーアーム軸３を支点として回動自在となっている。バルブ６は、ばね７の弾性力により矢印７Ａの向きに付勢されている。そのため、カムフォロア１はアジャストねじ９、ロッカーアーム２を介してばね７の弾性力により、常にカム５の外周面５Ｂに押し付けられている。カム５は、カムフォロア１の内輪である軸１２の軸方向に垂直な断面において、卵形の断面形状を有している。そして、カム５はカムシャフト５Ａと一体に形成されており、カムシャフト５Ａを軸として回転可能に構成されている。

図２を参照して、ロッカーアーム２の一方の端部２Ｂ側は、１対の側壁２１が形成された二股状の形状を有している。１対の側壁２１のそれぞれには同軸の円柱状の貫通穴２１Ａが形成されている。そして、１対の側壁２１の両方の貫通穴２１Ａを貫通するようにカムフォロア１の軸１２が嵌め込まれている。軸１２の外周面には軸転走面１２Ａが形成されており、軸転走面１２Ａに外周面であるころ転走面１３Ａにおいて接触するように、複数のころ１３が配置されている。さらに、ローラ１１は、１対の側壁２１の間に配置され、かつローラ１１の内周面には、軸転走面１２Ａに対向するようにローラ転走面１１Ａが形成されている。そして、ころ１３は、ころ転走面１３Ａにおいて、ローラ転走面１１Ａと接触するように配置されている。これにより、ローラ１１は軸１２に対して回転自在に保持されている。

さらに、図３を参照して、貫通穴２１Ａのそれぞれの外壁側開口付近には、軸１２の軸方向に垂直な断面における直径が徐々に大きくなるテーパー部２１Ｂが形成されている。そして、軸１２の両端部は、３００ＨＶ以下の硬度を有する低硬度領域１２Ｃとなっており、塑性加工であるかしめ加工されることによりテーパー部２１Ｂに沿うように変形されている。これにより、軌道部材としての軸１２は、保持部材としてのロッカーアーム２に対して固定されている。一方、軸１２の軸転走面１２Ａを含む環状の領域は、高周波焼入され、６５３ＨＶ以上の硬度を有する高硬度領域１２Ｂとなっている。

なお、図１〜図３においては、軽量化のため中空状の軸１２が採用された場合を示しているが、強度および剛性などを重視して中実の軸１２を採用してもよい。

次に、実施の形態１における動弁装置１０の動作について説明する。図１を参照して、カム５がカムシャフト５Ａとともにカムシャフト５Ａを軸として回転すると、カムシャフト５Ａからカム５とカムフォロア１との接触部までの距離が周期的に変化する。そのため、ロッカーアーム２はロッカーアーム軸３を支点として揺動する。その結果、アジャストねじ９を介してバルブ６が往復運動する。これにより、エンジンの吸気弁または排気弁が開閉する。

次に、実施の形態１における軌道部材としてのカムフォロア１の軸１２および動弁装置１０の製造方法について説明する。図４は、実施の形態１におけるカムフォロアの軸の製造方法の概略を示す図である。

図４を参照して、実施の形態１におけるカムフォロアの軸の製造方法においては、まず鋼からなり、軌道部材としての軸１２の概略形状に成形された部材である鋼製部材が準備される鋼製部材準備工程が実施される。具体的には、たとえばＪＩＳ規格ＳＵＪ２などの軸受鋼、ＳＣＭ４２０などのクロムモリブデン鋼、ＳＣｒ４２０などのクロム鋼などからなる鋼材が鍛造、切削等により加工されて、鋼製部材が作製される。

次に、鋼製部材準備工程において準備された鋼製部材が熱処理される熱処理工程が実施される。熱処理工程は、浸炭窒化工程と、温度保持工程と、高周波焼入工程と、焼戻工程とを含んでいる。この熱処理工程の詳細については、後述する。

そして、熱処理工程において熱処理された鋼製部材が、仕上げ加工される仕上げ加工工程が実施される。具体的には、熱処理が完了した鋼製部材に対して研削加工、超仕上げ加工などの仕上げ加工が施されることにより、カムフォロア１の軸１２が完成する。

次に、実施の形態１におけるカムフォロアの軸の製造方法に含まれる熱処理工程の詳細について説明する。図５は、実施の形態１におけるカムフォロアの軸の製造方法に含まれる熱処理工程を示す図である。図５において、横方向は時間を示しており右に行くほど時間が経過していることを示している。また、図５において、縦方向は温度を示しており上に行くほど温度が高いことを示している。

図５を参照して、熱処理工程においては、まず、鋼製部材が、Ａ_１点以上の温度である浸炭窒化温度に加熱されて浸炭窒化される浸炭窒化工程が実施される。具体的には、鋼製部材準備工程において準備された鋼製部材は、Ａ_１点以上の温度である８００℃以上１０００℃以下の温度、たとえば８５０℃に加熱され、６０分間以上３００分間以下の時間、たとえば１５０分間保持される。このとき、ＲＸガスにアンモニア（ＮＨ_３）を添加した雰囲気において加熱されることにより、鋼製部材の表層部の炭素濃度および窒素濃度が所望の濃度に調整される。

次に、浸炭窒化工程において浸炭窒化された鋼製部材が、浸炭窒化温度から、Ａ_１点よりも１００℃低い温度以上Ａ_１点未満の温度域に冷却されて当該温度域に６０分間以上１８０分間以下の時間保持される温度保持工程が実施される。

このとき、鋼製部材を構成する鋼は、Ａ_１変態点未満の温度に冷却されることによりパーライト変態を開始する。パーライト変態は、時間が経過すれば、温度を下げなくても進行する。そのため上述のように６０分間以上１８０分間以下の時間、上記温度域で保持されることにより、鋼製部材を構成する鋼の変態は、恒温変態の状態あるいは冷却速度が非常に小さい状態が確保されつつ、ほぼ完了する。その結果、当該鋼中の炭化物が十分に粗大化、凝集化して硬度が抑制される。

また、パーライト変態が進行する期間において、鋼製部材の温度が上記温度範囲に保持されるため、鋼製部材の形状、大きさ、同時に処理される鋼製部材の量などに関わらず、一定の状態に炭化物を粗大化、凝集化させることができる。さらに、鋼製部材の部位によって冷却速度が大きく異なることもないため、部位によらず、一定の状態に炭化物を粗大化、凝集化させることができる。その結果、軸１２における低硬度領域１２Ｃの硬度を安定して制御することが可能となり、割れを発生させることなく塑性加工することが可能な低硬度領域１２Ｃを有する軸１２を安定して製造することができる。また、浸炭窒化を実施した後、焼入を実施し、さらに高温焼戻を実施する従来の工程に比べて、熱処理工程を簡略化できるため、製造コストの上昇を抑制することができる。

ここで、温度保持工程において、鋼製部材が保持されるべき温度は、炭化物の粗大化、凝集化を十分に進行させる観点から、具体的には、６５０℃以上７２０℃以下とされることが好ましい。また、より詳細には、鋼製部材が保持されることが好ましい温度は、鋼製部材を構成する鋼の種類によっても多少異なり、たとえばＪＩＳ ＳＵＪ２の場合６５０℃以上７００℃以下、ＳＣＭ４２０の場合６７０℃以上７００℃以下であることが好ましい。さらに、温度保持工程において、鋼製部材が上述の温度域に保持される時間は、生産効率の向上とパーライト変態の十分な進行および冷却速度のばらつき抑制とを両立させる観点から、６０分間以上１２０分間以下とされることが好ましい。

次に、図５を参照して、温度保持工程が実施された鋼製部材は、取り扱いが容易な温度、たとえば室温まで冷却される。このとき、前述のように温度保持工程において、鋼製部材を構成する鋼のパーライト変態はほぼ完了しているため、冷却速度は鋼製部材の硬度にほとんど影響を与えない。したがって、生産効率を向上させるため、油冷、水冷などを実施して、鋼製部材を急冷することができる。

次に、鋼製部材において、軌道部材としての軸１２の軸転走面１２Ａとなるべき領域を含む高硬度領域１２Ｂ以外の領域である低硬度領域１２Ｃ（両端部）が焼入硬化されることなく、高硬度領域１２Ｂが高周波焼入される高周波焼入工程が実施される。具体的には、高硬度領域１２Ｂの表面が誘導コイルに対向するように鋼製部材が高周波焼入装置にセットされ、当該誘導コイルに高周波電流が流されることにより高硬度領域１２ＢがＡ_１点以上の温度である８００℃以上１０００℃以下の温度、たとえば９００℃に誘導加熱される。その後、Ａ_１点以上の温度域からＭ_Ｓ点未満の温度まで、たとえば油冷または水冷されることにより急冷される。これにより、低硬度領域１２Ｃが焼入硬化されることなく、高硬度領域１２Ｂが焼入硬化される。ここで、高硬度領域１２Ｂを含む鋼製部材の表層部は浸炭窒化工程において浸炭窒化されている。そのため、高周波焼入工程において高硬度領域１２Ｂが高周波焼入れされることにより、軸転走面１２Ａは転動疲労に対する抵抗性の高い領域となり、軸１２に優れた転動疲労寿命特性を付与することができる。

また、軸転走面１２Ａ直下の表層部は、浸炭窒化された後、高周波焼入れされることにより、１０体積％以上５０体積％以下、あるいはより好ましい範囲である１５体積％以上３５体積％以下の残留オーステナイト量を含むとともに、オーステナイト結晶粒度が１１番以上（旧オーステナイト結晶粒の粒度番号；ＪＩＳ Ｇ ０５５１）の鋼組織とされる。そのため、軸１２の転動疲労寿命特性は、一層向上する。なお、表層部とは、転走面からの距離が０．２ｍｍ以内の領域をいう。

ここで、高周波焼入工程における上記誘導加熱は、被処理物である軸１２の内部に発生するうず電流によるジュール熱とヒステリシス損失による仕事量に相当する熱の発生により実現されるため、誘導コイルに流される高周波電流の周波数、電源の出力、加熱時間などを制御することにより、軸１２のうち所望部分のみを局所的に加熱することができる。そのため、容易に、低硬度領域１２Ｃを焼入硬化することなく、高硬度領域１２Ｂを焼入硬化することができる。

次に、図５を参照して、焼戻工程が実施される。具体的には、高周波焼入工程が実施された鋼製部材が、Ａ_１点未満の温度である１５０℃以上３５０℃以下の温度、たとえば１８０℃に加熱され、３０分間以上２４０分間以下の時間、たとえば１２０分間保持されて、その後室温の空気中で冷却される（空冷）。以上の手順により、実施の形態１における軌道部材の製造工程に含まれる熱処理工程は完了する。

上記実施の形態１における軌道部材としての軸１２の製造方法によれば、製造コストの上昇を抑制しつつ、浸炭窒化された転走面１２Ａを含む高硬度領域１２Ｂの硬度を十分に高くして、転走面１２Ａに優れた転動疲労寿命特性を付与するとともに、軸１２の両端部である低硬度領域１２Ｃの硬度を安定して制御して抑制することにより、軸１２の両端部（低硬度領域１２Ｃ）を割れの発生を回避しながら塑性変形可能とし、塑性変形による固定が容易な軸１２を製造することができる。

そして、上記実施の形態１における軌道部材の製造方法により製造された本発明に実施の形態１における軌道部材としての軸１２は、製造コストの上昇が抑制されつつ、転走面を含む領域の硬度が高く、十分な転動疲労寿命を確保されているとともに、塑性変形する領域の硬度が安定して制御された軌道部材となっている。

ここで、Ａ_１点とは鋼を加熱した場合に、鋼の組織がフェライトからオーステナイトに変態を開始する温度に相当する点をいう。また、Ｍ_Ｓ点とはオーステナイト化した鋼が冷却される際に、マルテンサイト化を開始する温度に相当する点をいう。

次に、実施の形態１における動弁装置１０の製造方法について説明する。図６は、実施の形態１における動弁装置１０の製造方法の概略を示す図である。

図１および図６を参照して、実施の形態１における動弁装置１０の製造方法は、カムフォロア１と、カムフォロア１を保持する保持部材としてのロッカーアーム２とを有し、エンジン（図示しない）の給気弁または排気弁であるバルブ６を動作させる動弁装置の製造方法である。当該動弁装置１０の製造方法は、カムフォロア１を製造するカムフォロア製造工程と、保持部材としてのロッカーアーム２を製造する保持部材製造工程と、カムフォロア１を、保持部材としてのロッカーアーム２に取り付ける取り付け工程と、カムフォロアが取り付けられたロッカーアーム２と、別途準備されたカム５、バルブ６、ばね７などとを組み合わせて動弁装置１０を組立てる組立て工程とを備えている。

ここで、カムフォロア製造工程においては、カムフォロア１を構成する軌道部材としての軸１２が、上述の実施の形態１における軌道部材の製造方法により製造される。

また、取り付け工程においては、図３を参照して、軸１２の両端部である低硬度領域１２Ｃが塑性加工されることにより、軸１２がロッカーアーム２に対して固定されて、カムフォロア１がロッカーアーム２に取り付けられる。より詳細に説明すると、ローラ１１とローラ１１のローラ転走面１１Ａに接触するように配置された複数のころ１３がロッカーアーム２の一方の端部２Ｂ側に形成された１対の側壁２１の間に挿入される。その後、１対の側壁２１のそれぞれに形成された貫通穴２１Ａを同時に貫通し、かつ軸転走面１２Ａが複数のころ１３に接触するように、軸１２が挿入される。そして、軸１２の両端部である低硬度領域１２Ｃが塑性加工であるかしめ加工されることにより、軸１２がロッカーアーム２に対して固定され、カムフォロア１がロッカーアーム２に取り付けられる。

実施の形態１における動弁装置１０の製造方法においては、軸１２が、上述の実施の形態１における軌道部材の製造方法により製造され、当該軸１２がかしめ加工されることにより軸１２がロッカーアーム２に対して固定され、カムフォロア１がロッカーアーム２に取り付けられる。そのため、実施の形態１における動弁装置１０の製造方法によれは、製造コストの上昇を抑制しつつ、軌道部材としての軸１２が十分な転動疲労寿命を有していることにより十分な耐久性を有しているとともに、塑性変形を利用したカムフォロアの取り付けを容易に実施することができる動弁装置１０の製造方法を提供することができる。

（実施の形態２）
図７は、本発明の一実施の形態である実施の形態２における軌道部材を含むカムフォロアを備えた動弁装置の構成を示す概略図である。図７を参照して、実施の形態２における軌道部材を含むカムフォロアを備えた動弁装置およびその製造方法について説明する。

図７を参照して、実施の形態２における動弁装置１０は、上述の実施の形態１における動弁装置１０と基本的には同様の構成を有している。しかし、実施の形態２における動弁装置１０は、ロッカーアーム２の回動の支点がロッカーアーム２の一方の端部２Ｂとなる点において、実施の形態１の動弁装置１０とは異なっている。

すなわち、実施の形態２における動弁装置１０においては、ロッカーアーム２の一方の端部２Ｂ側に図示しないピボットが当接するピボット当接部２２が形成されている。そして、ロッカーアーム２は、ピボット当接部２２を支点として回動自在に保持されている。

カム５がカムシャフト５Ａとともにカムシャフト５Ａを軸として回転すると、カムシャフト５Ａからカム５とカムフォロア１との接触部までの距離が周期的に変化する。そのため、ロッカーアーム２はピボット当接部２２を支点として揺動する。その結果、バルブ６が往復運動して、エンジンの吸気弁または排気弁が開閉する。

なお、実施の形態２における軌道部材としての軸１２および動弁装置１０は、上述のように実施の形態１における軸１２および動弁装置１０と基本的には同様の構成を有しており、同様の製造方法により製造することができる。

（実施の形態３）
図８は、本発明の一実施の形態である実施の形態３における軌道部材を含むカムフォロアを備えた動弁装置の構成を示す概略図である。また、図９は、図８のカムフォロア周辺を拡大して示した概略図である。図８および図９を参照して、実施の形態３における軌道部材を含むカムフォロアを備えた動弁装置およびその製造方法について説明する。

図８および図９を参照して、実施の形態３における動弁装置１０は、上述の実施の形態１における動弁装置１０と基本的には同様の構成を有している。しかし、実施の形態３における動弁装置１０は、ロッカーアーム２に直接カムフォロア１が取り付けられるのではなく、ロッカーアーム２とカムフォロア１との間にプッシュロッド９０が介在し、カムフォロア１がプッシュロッド９０に取り付けられている点において、実施の形態１の動弁装置１０とは異なっている。

すなわち、ロッカーアーム２の一方の端部２Ｂには、ロックナット８２によりロッカーアーム２に対して固定されたアジャストねじ８０および連結部材８１を介して、棒状の形状を有するプッシュロッド９０が連結されている。保持部材としてのプッシュロッド９０において、ロッカーアーム２と連結されている側とは反対側の端部には、カムフォロア１が取り付けられている。そして、カム５は、外周面５Ｂにおいてカムフォロア１のローラ１１の外周面と接触するように配置されている。

カム５がカムシャフト５Ａとともにカムシャフト５Ａを軸として回転すると、カムシャフト５Ａからカム５とカムフォロア１との接触部までの距離が周期的に変化する。そのため、ロッカーアーム２はプッシュロッド９０により一方の端部２Ｂが押されることにより、ロッカーアーム軸３を支点として揺動する。その結果、バルブ６が往復運動して、エンジンの吸気弁または排気弁が開閉する。

なお、実施の形態３における軌道部材としての軸１２および動弁装置１０は、上述のように実施の形態１における軸１２および動弁装置１０と基本的には同様の構成を有しており、同様の製造方法により製造することができる。

以下、本発明の実施例１について説明する。本発明の軌道部材の製造方法により製造した軌道部材の特性を評価する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。

まず、試験の対象となる試験片の作製方法について説明する。本発明の実施例として、素材として軸受鋼であるＪＩＳ ＳＵＪ２を採用し、図４および図５に基づいて説明した実施の形態１における軌道部材としての軸１２の製造方法と同様の製造方法により、外径１４．６ｍｍ、長さ１７．３ｍｍの中実円柱状の試験片（カムフォロアの軸）を作製した。熱処理工程においては、図５を参照して、Ａ_１点以上の温度である８５０℃に加熱して浸炭窒化した後（浸炭窒化工程）、Ａ_１点よりも１００℃低い温度以上Ａ_１点未満の温度である６５０℃まで冷却し、１２０分間６５０℃に保持した（温度保持工程）。その後、油中に浸漬することにより冷却（油冷）した。さらに、転走面となるべき領域を含む領域を焼入硬化する高周波焼入を実施した後（高周波焼入工程）、１８０℃に加熱して１２０分間保持することにより焼戻を行ない（焼戻工程）、熱処理工程を終了した（実施例Ａ、Ｂ）。

一方、本発明の範囲外の比較例として、上記試験片と同様の工程において、熱処理工程の浸炭窒化工程および温度保持工程を省略し、高周波焼入工程および焼戻工程のみを行なった試験片も作製した（比較例Ａ、Ｂ）。

次に、特性評価の方法について説明する。上記試験片の外周面の硬度、転走面における残留オーステナイト量およびオーステナイト結晶粒度番号を調査した。図１０は、試験片の硬度の測定位置を示す図である。図１０を参照して、試験片としてのカムフォロアの軸３０の外周面の硬度は、外周面の端部から長手方向にそれぞれ８．６５ｍｍ、５．０ｍｍ、２．０ｍｍおよび１．０ｍｍ離れた位置である測定位置Ａ、Ｂ、ＣおよびＤを、ビッカース硬度計により測定した。ここで、測定位置ＡおよびＢは高硬度領域３２の表面である転走面３１に含まれる位置、測定位置ＣおよびＤは転走面３１以外の領域に含まれる位置である。

転走面３１における残留オーステナイト量は、Ｘ線回折計（ＸＲＤ）を用いて、当該部位のマルテンサイトα（２１１）面とオーステナイトγ（２２０）面との回折強度とを測定することにより、算出した。また、オーステナイト結晶粒度番号は、ＪＩＳ Ｇ ０５５１に記載された旧オーステナイト結晶粒の粒度番号の測定方法により測定した。

表１に、特性評価の結果を示す。表１を参照して、本発明の実施例の製造方法により作製された実施例Ａおよび実施例Ｂは、転走面３１に含まれる測定位置ＡおよびＢにおける硬度が７９０〜８０５ＨＶとなっており、転動疲労寿命の向上が期待できる硬度となっている。また、転走面３１以外の領域である測定位置ＣおよびＤにおける硬度は、２２０〜２３５ＨＶとなっており、かしめ加工などの塑性加工を、割れを発生させることなく実施できる硬度範囲である３００ＨＶ以下となっている。

一方、本発明の範囲外である従来の製造方法により作製された比較例ＡおよびＢは、転走面３１に含まれる測定位置ＡおよびＢにおける硬度が７３５〜７８０ＨＶとなっている。実施例ＡおよびＢに比べて硬度が低くなっているのは、比較例ＡおよびＢの試験片が浸炭窒化されていないことに起因していると考えられる。また、転走面３１以外の領域である測定位置ＣおよびＤにおける硬度は、２００〜２２０ＨＶとなっている。

また、実施例Ａおよび実施例Ｂは、転走面３１における残留オーステナイト量が３１．５〜３２．５体積％となっている。これは、転動疲労寿命、特に硬質の異物が潤滑剤に混入する異物混入環境等における転動疲労寿命の向上と、寸法安定性とを両立するために好ましい範囲である１０体積％以上５０体積％以下、特に好ましい範囲である１５体積％以上３５体積％以下に含まれる。

一方、比較例Ａおよび比較例Ｂは、転走面３１における残留オーステナイト量が７．５〜８．５体積％となっている。実施例ＡおよびＢに比べて残留オーステナイト量が少なくなっているのは、比較例ＡおよびＢの試験片が浸炭窒化されていないことに起因していると考えられる。その結果、比較例ＡおよびＢの残留オーステナイト量は、転動疲労寿命、特に異物混入環境等における転動疲労寿命の向上と、寸法安定性とを両立するために好ましい範囲である１０体積％以上５０体積％以下の範囲外となっている。

また、実施例Ａおよび実施例Ｂは、転走面３１におけるオーステナイト結晶粒の粒度番号が１２となっており、転動疲労寿命、靭性等を向上させるために好ましい範囲である１１以上となっている。

一方、比較例Ａおよび比較例Ｂは、転走面３１におけるオーステナイト結晶粒の粒度番号が１０．５〜１１となっている。実施例ＡおよびＢに比べて粒度番号が小さく（旧オーステナイト結晶粒が大きく）なっているのは、比較例ＡおよびＢの試験片が浸炭窒化されていないため、高周波焼入の際にオーステナイト結晶粒の生成サイトとなる炭化物の数密度が実施例ＡおよびＢに比べて少なくなっていることに起因していると考えられる。

以上より、本発明の軌道部材の製造方法により作製された軌道部材は、従来の軌道部材に比べて転走面の硬度およびオーステナイト結晶粒度番号が大きく、残留オーステナイト量が好ましい範囲となっているとともに、塑性加工が容易な領域が形成されている。そのため、本発明の軌道部材の製造方法により作製された軌道部材は、転走面の転動疲労寿命が優れているとともに、かしめ加工などの塑性加工を利用した軌道部材の固定が容易となっていることが確認された。

以下、本発明の実施例２について説明する。本発明の軌道部材の製造方法により製造した軌道部材の転動疲労寿命を調査する試験を行なった。試験の手順は以下のとおりである。

上述の実施例１において作製された図１０に示す試験片であるカムフォロアの軸を内輪として、外輪回転型転動疲労寿命試験を実施した。図１１は、実施例２の試験に用いられた転動疲労寿命試験機の主要部を示す概略図である。図１１を参照して、実施例２の転動疲労寿命試験の試験方法について説明する。

図１１を参照して、転動疲労寿命試験機４０は、図示しない動力源に接続された回転軸４１と、中心を含む領域を回転軸４１が貫通し、回転軸４１と一体に回転可能に構成された円盤状の駆動ローラ４２と、回転軸４１を軸周りに回転自在に支持する１対の軸受４５とを備えている。

そして、駆動ローラの外周面４２Ａに対して外周面において接触するように円環状の外輪４３が配置され、外輪４３の内周面に対して外周面において接触するように複数のころ４４が配置される。さらに、図１０および図１１を参照して、外輪４３を貫通し、転走面３１においてころ４４に接触するように、試験片としてのカムフォロアの軸３０が固定されて配置される。

図示しない動力源により回転軸４１が軸周りに回転すると、回転軸４１と一体に駆動ローラ４２が回転する。そして、駆動ローラ４２により駆動されて、外輪４３が回転する。その結果、固定されたカムフォロアの軸３０の転走面３１をころ４４が転走する。ここで、カムフォロアの軸３０に負荷される荷重は２２００Ｎ、外輪４３の回転速度は７０００回転／分、潤滑油はエンジンオイル（ＳＡＥ粘度規格：１０Ｗ−３０）、油温は１００℃の条件の下で、試験を実施した。この条件によれば、試験中に表面損傷または内部起点剥離のいずれかが発生する。したがって、本試験により、表面損傷および内部起点剥離の両方の寿命を確認することができる。そして、カムフォロアの軸３０に剥離が発生するまでの時間（転動疲労寿命）を調査した。さらに、実験の結果得られた転動疲労寿命を統計的に解析し、１０％の試験片が剥離するまでの時間（Ｌ１０寿命）を算出した。表２に試験結果を示す。

表２においては、比較例ＡのＬ１０寿命を１とした場合の、各試験片の寿命比が示されている。表２を参照して、本発明の実施例である実施例ＡおよびＢのカムフォロアの軸は、従来のカムフォロアの軸である比較例ＡおよびＢに対して３倍程度の転動疲労寿命を有している。これは、実施例ＡおよびＢにおいては、浸炭窒化処理が実施されることにより、前述のように、オーステナイト結晶粒度が小さく、かつ残留オーステナイト量が好ましい範囲とされていることに起因していると考えられる。

以上の実施例１および２の結果より、本発明の軌道部材の製造方法によれば、熱処理工程の工程数を増加させないことにより製造コストの上昇を抑制しつつ、浸炭窒化および高周波焼入により転走面を含む領域を硬度が十分に高く、かつ転動疲労に対する抵抗の大きい材質にするとともに、転走面以外の領域の硬度を安定して制御して抑制し、当該領域の塑性変形を利用した軌道部材の固定が容易な軌道部材を製造することができることが確認された。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の軌道部材および軌道部材の製造方法は、その一部が塑性変形することにより隣接する部材に対して固定される軌道部材およびその製造方法に、特に有利に適用され得る。また、本発明の動弁装置の製造方法は、その一部が塑性変形することにより隣接する部材に対して固定される軌道部材を有するカムフォロアを備えた動弁装置の製造方法に、特に有利に適用され得る。

実施の形態１における軌道部材を含むカムフォロアを備えた動弁装置の構成を示す概略図である。 図１の線分ＩＩ−ＩＩに沿う概略断面図である。 図２のカムフォロア付近を拡大して示した概略部分断面図である。 実施の形態１におけるカムフォロアの軸の製造方法の概略を示す図である。 実施の形態１におけるカムフォロアの軸の製造方法に含まれる熱処理工程を示す図である。 実施の形態１における動弁装置１０の製造方法の概略を示す図である。 実施の形態２における軌道部材を含むカムフォロアを備えた動弁装置の構成を示す概略図である。 実施の形態３における軌道部材を含むカムフォロアを備えた動弁装置の構成を示す概略図である。 図８のカムフォロア周辺を拡大して示した概略図である。 試験片の硬度の測定位置を示す図である。 実施例２の試験に用いられた転動疲労寿命試験機の主要部を示す概略図である。

符号の説明

１ カムフォロア、２ ロッカーアーム、２Ｂ 一方の端部、２Ｃ 他方の端部、２Ｄ 貫通穴、３ ロッカーアーム軸、４ 軸受メタル、５ カム、５Ａ カムシャフト、５Ｂ 外周面、６ バルブ、７ ばね、８ ロックナット、９ アジャストねじ、１０ 動弁装置、１１ ローラ、１１Ａ ローラ転走面、１２ 軸、１２Ａ 軸転走面、１２Ｂ 高硬度領域、１２Ｃ 低硬度領域、１３ ころ、１３Ａ ころ転走面、２１ 側壁、２１Ａ 貫通穴、２１Ｂ テーパー部、２２ ピボット当接部、３０ カムフォロアの軸、３１ 転走面、３２ 高硬度領域、４０ 転動疲労寿命試験機、４１ 回転軸、４２ 駆動ローラ、４２Ａ 外周面、４３ 外輪、４４ ころ、４５ 軸受、８０ アジャストねじ、８１ 連結部材、８２ ロックナット、９０ プッシュロッド。

Claims (3)

1. 鋼からなり、軌道部材の概略形状に成形された部材である鋼製部材が準備される鋼製部材準備工程と、
   前記鋼製部材が熱処理される熱処理工程と、
   前記熱処理工程において熱処理された前記鋼製部材が、仕上げ加工される仕上げ加工工程とを備え、
   前記熱処理工程は、
   前記鋼製部材が、Ａ_１点以上の温度である浸炭窒化温度に加熱されて浸炭窒化される浸炭窒化工程と、
   前記浸炭窒化工程において浸炭窒化された前記鋼製部材が、前記浸炭窒化温度から、Ａ_１点よりも１００℃低い温度以上Ａ_１点未満の温度域に冷却されて前記温度域に６０分間以上１８０分間以下の時間保持される温度保持工程と、
   前記温度保持工程よりも後で、前記鋼製部材において、前記軌道部材の転走面となるべき領域を含む高硬度領域以外の領域である低硬度領域が焼入硬化されることなく、前記高硬度領域が高周波焼入される高周波焼入工程とを含む、軌道部材の製造方法。
2. カムフォロアと、前記カムフォロアを保持する保持部材とを有し、エンジンの給気弁および排気弁の少なくともいずれか一方を動作させる動弁装置の製造方法であって、
   前記カムフォロアを製造するカムフォロア製造工程と、
   前記保持部材を製造する保持部材製造工程と、
   前記カムフォロアを、前記保持部材に取り付ける取り付け工程とを備え、
   前記カムフォロア製造工程においては、前記カムフォロアを構成する軌道部材が、請求項１に記載の軌道部材の製造方法により製造され、
   前記取り付け工程においては、前記低硬度領域が塑性加工されることにより、前記軌道部材が前記保持部材に対して固定されて、前記カムフォロアが前記保持部材に取り付けられる、動弁装置の製造方法。
3. 請求項１に記載の軌道部材の製造方法により製造された、軌道部材。
   

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