JP2004183589A

JP2004183589A - Cam follower device

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Publication number: JP2004183589A
Application number: JP2002353483A
Authority: JP
Inventors: Hiroyasu Yoshioka; 宏泰吉岡; Kenji Yamamura; 賢二山村
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2002-12-05
Filing date: 2002-12-05
Publication date: 2004-07-02

Abstract

【課題】すす等の不溶解成分が混入した潤滑油による潤滑環境下でも、ローラ支持軸９の中間部外周面の摩耗を抑えて、長寿命の構造を実現する。
【解決手段】上記ローラ支持軸９を、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗを合計で１．０〜２０．０重量％、ＣとＮとを合計で０．５〜１．２重量％含有する鉄系合金で造る。そして、表面を窒化処理した後、ニードル１３、１３と転がり接触する中間部外周面に、高周波焼き入れ処理を施す。この構成により、この中間部外周面の硬度を高め、上記課題を解決する。
【選択図】図２An object of the present invention is to realize a structure having a long life by suppressing abrasion of an outer peripheral surface of an intermediate portion of a roller support shaft even in a lubricating environment by a lubricating oil mixed with an insoluble component such as soot.
An iron containing the roller support shaft 9 containing 1.0 to 20.0% by weight of Cr, Mo, V and W in total and 0.5 to 1.2% by weight of C and N in total. Made with system alloy. Then, after nitriding the surface, induction hardening is performed on the outer peripheral surface of the intermediate portion that is in rolling contact with the needles 13 and 13. With this configuration, the hardness of the outer peripheral surface of the intermediate portion is increased, and the above problem is solved.
[Selection] Fig. 2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばディーゼルエンジンの如き内燃機関等、各種エンジンの動弁機構に使用されるカムフォロア装置の改良に関し、耐久性の向上を図るものである。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンのクランクシヤフトと同期して回転するカムシャフトに固定のカムの動きをバルブに伝達する為の動弁機構に於いて、近年、運転時に於ける摩擦を滑り摩擦から転がり摩擦に変える事によって当該部分の摩擦損失を低く抑え、燃費性能の向上を図る為に、カムフォロア装置が広く用いられている。このカムフォロア装置は、特許文献１に開示される様に、カムフォロア本体に設けた１対の支持壁同士の間に配置した円筒状のローラを、これら両支持壁同士の間に掛け渡したローラ支持軸により、複数本のニードルを介して回転自在に支持して成る。このローラ支持軸は、両端面外周縁部の面取り部を除き、全長に亙って等径に形成している。この様なローラ支持軸の両端部は、上記１対の支持壁をそれぞれ貫通する状態で互いに同心に設けたローラ軸孔内に嵌合支持している。そして、上記ローラ支持軸の中間部で上記１対の支持壁の間に位置する部分に上記ローラを、複数本のニードルを介して回転自在に支持している。
【０００３】
尚、上記ローラ支持軸を上記１対の支持壁に固定する作業を容易且つ確実に行なえる様にする為の技術が、特許文献２に記載され、且つ、従来から実施されている。この従来技術の場合、上記ローラ支持軸の外周面のうちの軸方向中間部で上記各ニードルの転動面と転がり接触する部分のみを高周波焼き入れによって硬化させ、その両端部は未硬化のままにしておく。そして、上記両支持壁のローラ軸孔に挿入した、上記ローラ支持軸の端面外周寄り部分を径方向外方にかしめ広げる事により、このローラ支持軸の両端部を拡径して、上記ローラ軸孔内にかしめ固定する。
【０００４】
又、本発明の対象となるカムフォロア装置に組み込まれるローラやローラ支持軸の様に、使用時に於いて相手部品と転がり接触若しくは滑り接触する転がり摺動部品に関して、剥離寿命等の耐久性を向上させる為に、相手部品と接触する部分の表面性状の改良に関する技術が、例えば特許文献３等の記載されて、従来から各種知られている。この特許文献３に記載された従来技術の場合には、軸受転動体の転動面に、表面粗さＲｍａｘが０．３〜１．５μｍでランダム方向の擦傷を形成すると共に、表層部に５００ＭＰａ以上の残留応力層を形成する。
【０００５】
又、特許文献４〜６には、バレル加工により表面に多数の凹みをランダムに形成し、表層部の硬さを内部の硬さに比べて高くすると共に、表層部に圧縮残留応力を生じさせる発明が記載されている。
又、特許文献７には、相手部材と接触する表面部分に表面硬化処理層を設けると共に、圧縮残留応力のピーク値の深さと、剪断応力分布のピーク値の深さとを一致させた事で、軸受部品に関する発明が記載されている。
又、特許文献８には、ショット・ピーニング加工により圧縮残留応力を、表面部分で１００ｋｇｆ／ｍｍ^２（≒９８０ＭＰａ）以上とし、表面下３００μｍの部分で４０ｋｇｆ／ｍｍ^２（≒３９０ＭＰａ）以上とした軸受部品に関する発明が記載されている。
更に、特許文献９には、表面からの深さが０〜５０μｍの範囲を表層部とした場合に、この表層部の最大圧縮残留応力が５０〜１１０ｋｇｆ／ｍｍ^２（≒４９０〜１０８０ＭＰａ）であり、同じく表層部の硬さがＨｖ（ビッカース硬度）８３０〜Ｈｖ９６０であり、表面粗さの平均波長が２５μｍ以下であり、且つ上記表層部の残留オーステナイトの割合が７容量％を越えるものとした転がり摺動部品に関する発明が記載されている。
【０００６】
【特許文献１】
実開昭６０−８８０１６号公報
【特許文献２】
特開昭６２−７９０８号公報
【特許文献３】
特公平１−３０００８号公報
【特許文献４】
特開平３−１１７７２３号公報
【特許文献５】
特開平３−１１７７２４号公報
【特許文献６】
特開平３−１１７７２５号公報
【特許文献７】
特開平３−１９９７１６号公報
【特許文献８】
特開平４−５４３１２号公報
【特許文献９】
特開平５−２８８２５７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述の様な従来から知られている耐久性向上の為の技術は、それなりに効果を得られるものではあるが、条件が厳しい場合には、それだけでは必ずしも十分な効果を得られない場合がある。例えば、ディーゼルエンジンに組み込まれるカムフォロア装置の場合、このカムフォロア装置に供給される潤滑油中に、軽油の燃焼に伴って発生するすす等の不溶解成分が混入する。これらすす等の不溶解成分は、潤滑油を劣化させて潤滑不良を引き起こし、転がり面或は摺動面を損傷する原因となる。又、これらすす等の不溶解成分が転がり面或は摺動面に介在した場合、研磨剤の如き働きをする可能性があり、特に、相手面との接触面圧が高く、しかも回転する事なく、常に同じ部分で荷重を受けるローラ支持軸の外周面に、異常摩耗が発生する場合がある。
【０００８】
この様にして、カムフォロア装置を構成するローラ支持軸の外周面に発生した摩耗が進行すると、ローラを支持するラジアルニードル軸受の内輪軌道としての役目を有し、このラジアルニードル軸受を構成する複数のニードルの転動面と接触する、上記ローラ支持軸の外周面の中間部両端寄り部分に、段差が形成される。そして、この段差に基づいて、上記各ニードルの転動面の端部並びにこの端部と接触する、上記ローラ支持軸の外周面に、応力集中に基づくフレーキングが発生する。この結果、上記カムフォロア装置の回転支持部分の耐久性が損なわれる。
【０００９】
この様な、潤滑油中に混入したすす等の不溶解成分に基づく耐久性劣化に対しては、前述の特許文献１〜９に記載された従来技術では、必ずしも充分な耐久性向上効果を得られない。例えば、接触部の潤滑性を向上させる為に、表面の粗さや微細な形状を工夫しても、この接触部に、潤滑油と共にすすを取り込む事になる為、却って摩耗が進む可能性がある。又、ショット・ピーニングによって、ローラ支持軸表面の圧縮残留応力を高くしたり、或は硬さを高くすると、このローラ支持軸の端部をかしめ広げる事が困難になる。この為、組立性を考慮した場合には、適用する事が難しい。尚、かしめ広げ作業を容易にする為、ローラ支持軸にショット・ピーニングを施した後、このローラ支持軸の端部に高周波焼き鈍し処理を施す事も考えられる。但し、この様な処理を行なうと、熱影響によってショット・ピーニングの効果が失われる可能性があるだけでなく、工程が増えてコストが高くなると同時に、生産性が低下する為、大量生産には不向きである。
本発明は、上述の様な事情に鑑みて、高周波焼き入れによって必要な部分のみ十分に硬化させて、耐摩耗性及び耐久性を確保できる様にすると同時に、端部を硬化させずにかしめ加工を可能にするローラ支持軸を提供する事により、優れた耐久性を有するカムフォロア装置を低コストで実現するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のカムフォロア装置は、従来から知られているカムフォロア装置と同様に、内周面に円筒状の外輪軌道を有するローラと、外周面の軸方向中間部に円筒状の内輪軌道を有するローラ支持軸と、これら外輪軌道と内輪軌道との間に転動自在に設けられた複数本のニードルとから成る。そして、上記ローラ支持軸の中間部周囲に上記ローラを回転自在に支持する。
特に、本発明のカムフォロア装置に於いては、このローラ支持軸として、ＣｒとＭｏとＶとＷとを合計で１．０〜２０．０重量％、ＣとＮとを合計で０．５〜１．２重量％、それぞれ含有し、残りを不可避不純物とＦｅとした鉄系合金製で、表面を窒化処理後に両端部を除く外周面部分に高周波焼き入れを施したものを使用する。
【００１１】
【作用】
上述の様なローラ支持軸を組み込んだ本発明のカムフォロア装置の場合には、潤滑油中にすす等の不溶解成分が混入するディーゼルエンジンの様に、厳しい条件下で使用される場合でも、ローラ支持軸の中間部外周面の、耐摩耗性を含む耐久性を十分に確保できる。そして、このローラ支持軸を組み込んだカムフォロア装置の耐久性の向上を図れる。
以下、上記ローラ支持軸を、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｃ、Ｎの各元素を所定量含む鉄系合金により造り、表面を窒化処理後に高周波焼き入れした場合に、耐摩耗性を含む耐久性を向上させられる理由、並びに、上記各元素の充填量の規制した理由に就いて説明する。
【００１２】
先ず、上記鉄系合金中に、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗを合計で１．０重量％以上、２０．０重量％以下含有させる理由に就いて説明する。
上記Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗを添加する事により、何れも焼き入れ性を向上させる事に加えて、炭化物や窒化物を形成する事により上記ローラ支持軸の表面の硬度を上昇させ、このローラ支持軸の耐摩耗性を向上させる効果を得られる。この様な効果は、上記Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗの含有量が少な過ぎると得る事はできない。具体的には、これらＣｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗの含有量の合計が１．０重量％未満の場合にはあまり効果は得られない。又、十分な効果を得る為には、２重量％を越えて添加する事が好ましい。但し、上記Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗの添加量が過剰になると、得られた鉄系合金中に粗大な炭化物が析出し易くなるだけでなく、Ｍｓ点（マルテンサイト変態開始温度）が低下し過ぎて、サブゼロ処理を行なったとしても、焼き入れにより十分な表面硬度を得られなくなる可能性がある。この様な、過剰添加による表面硬度不足は、上記Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗの添加量が１５．０重量％を越えた場合に注意する必要が生じ、２０．０重量％を越えた場合には無視できなくなる。そこで、上記Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗの含有量の合計の下限値は、１．０重量％、好ましくは２．０重量％とし、上限値に関しては、２０．０重量％、好ましくは１５．０重量％とする。
尚、上記Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ等の窒化物生成元素が多いと、表面を窒化処理した場合に得られる窒化層の厚さが減少する。この為、特に熱処理後に行なう仕上加工の取代（窒化層の削り代）を大きくする為に、上記窒化層厚さをより必要とする場合、好ましくは、上記Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗの含有量の合計を、８．０重量％以下とする。
【００１３】
次に、上記鉄系合金中に、Ｃ及びＮを合計で０．５重量％以上、１．２重量％以下含有させる理由に就いて説明する。
Ｃ及びＮは、上記鉄系合金製のローラ支持軸を焼き入れ硬化する際に、マルテンサイト変態の為に必要な、侵入型元素である。従って、上記ローラ支持軸の表面の硬度を上昇させ、このローラ支持軸の耐摩耗性を向上させる為に添加する必要がある。この場合に、十分な焼き入れ硬度を得る為には、Ｃ及びＮの含有量を、合計で０．５重量％以上とする必要がある。
但し、Ｃの含有量が過剰になると、粒径が２０μｍを超える様な粗大な炭化物を形成し、高周波焼き入れ時にオーバーヒートと呼ばれる現象が発生して、局部的な硬度低下を招き、却って寿命特性を低下させる可能性がある。この為、Ｃの添加量の上限は、１．２重量％とする。更に好ましくは、粗大な共晶炭化物の析出を防止する為に、Ｃの添加量を０．７重量％以下とする。
又、Ｎを含有させると、その分だけＣの含有量を低く抑えて、粗大な炭化物の析出を効果的に防止できるだけでなく、窒化処理によって硬度の高い窒化物を形成する事ができる。この為、Ｎに関しては積極的に添加する事が好ましい。
但し、Ｎを０．２重量％を超えて添加しようとすると、製鋼時にブローホールと呼ばれる欠陥の発生を防止する為の加圧装置が必要となり、コストが非常に高くなる。この為、コストを抑える面からは、Ｎの添加量の上限は、０．２重量％に抑える事が好ましい。Ｎを添加する事の効果とコストを抑える事とを考慮した場合、Ｎのより好ましい添加量の範囲は、０．１〜０．１５重量％である。
【００１４】
次に、上述の様な鉄系合金により造られるローラ支持軸に施す窒化処理に就いて説明する。
鉄系合金中にＮを添加すれば、この合金中に硬度の高い窒化物を形成して、耐摩耗性や耐焼き付き性を向上させる効果を期待できる。但し、上述した様に、製鋼時にＮを添加する方法では、Ｎの添加量に限界がある（０．２重量％を超えて添加しようとするとコストが嵩む）。そこで、製鋼時に於けるＮの添加量を抑える代わりに、得られた鉄系合金製のローラ支持軸に窒化処理を施す事により、このローラ支持軸の表面に、Ｆｅ_４Ｎ（γ´）やＣｒＮの如き、硬度の高い、Ｆｅ或はＣｒ等の合金元素の窒化物を十分に形成する様にした。尚、上記窒化処理の際に、上記ローラ支持軸の両端部でかしめ広げる必要のある部分に、窒化防止処理を施しておいても良い。
尚、上記窒化処理の結果得られた窒化層の厚さに関しては、安定した耐摩耗性を得る為に、付き回り性や真円度等の品質のばらつきを考慮して、好ましくは１０μｍ以上、より好ましく２０μｍ以上とする。
【００１５】
次に、上記窒化処理後に行なう高周波焼き入れに就いて説明する。
この窒化処理のみでは、上記ローラ支持軸の表面部分に形成される硬化層の厚さ（硬化深さ）を、必ずしも十分に確保できない。この為本発明の場合には、窒化処理後に、上記ローラ支持軸の中間部外周面で、使用時に複数のニードルの転動面と接触する部分に高周波焼き入れを施す事により、この部分に、十分な厚さ（硬化深さ）を有する硬化層を形成する。
尚、窒化処理後に高周波焼き入れを行なう事に伴い、上記ローラ支持軸の表面硬度は低下するが、その反面、異物混入潤滑下に於ける長寿命化に効果的な、残留オーステナイトが形成される。この結果、使用時に、上記ローラ支持軸の表面を含む接触部に異物が混入した状態で長時間運転される様な、厳しい使用条件下でも、上記ローラ支持軸に十分な耐久性を得られる。
上述の様な高周波焼き入れに伴って上記ローラ支持軸の中間部外周面に形成される硬化層の硬度に関しては、高い程好ましい。十分な転がり疲れ寿命を得る事を考慮した場合には、上記ローラ支持軸の中間部に位置して各ニードルの転動面と接触する部分で、この中間部の表面からこれら各ニードルの外径の２％までの深さの範囲を表層部とした場合に、この表層部の硬度をＨｖ６５０以上とする。より好ましくは、この表層部の硬度をＨｖ７００以上とする。
又、転がり疲れ寿命だけでなく、十分な耐摩耗性を得る為には、完成品の最表面の硬度を好ましくはＨｖ７００以上、より好ましくはＨｖ７５０以上とする。
【００１６】
次に、上記ローラ支持軸を構成する鉄系合金中に含有する、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗ、Ｃ、Ｎ以外の元素に就いて説明する。
上記鉄系合金中には、製鋼時の脱酸剤として、ＳｉやＭｎを含有させる事ができる。
このうちのＳｉは、製鋼時の脱酸剤として必要な元素であり、更に、得られた鉄系合金の焼き戻し軟化抵抗性を向上させて、高温環境下での寿命延長に有効な元素である。この為、０．１５重量％以上含有させる事が好ましい。但し、多量に含有しても、その効果が飽和してしまうだけでなく、得られた鉄系合金製の素材の被削性を低下させて、この鉄系合金により造られる上記ローラ支持軸の製造コストの上昇を招く。この為、Ｓｉ含有量の上限は１．５重量％とする。
又、Ｍｎも、製鋼時の脱酸剤及び脱硫剤として必要な元素であり、又、焼き入れ性の向上にも有効な元素である。この為、０．１５重量％以上含有させる事が好ましい。但し、含有量を高くし過ぎると、非金属介在物が多くなる為、却って寿命特性が低下する可能性があるだけでなく、得られた鉄系合金製の素材の鍛造加工性及び被削性等の機械加工性が低下する。この為、Ｍｎ含有量の上限は１．５重量％とする。
その他、Ｐ、Ｓ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｏ等の不可避不純物元素を含有するが、転がり疲れ寿命確保の面から有害な、酸化物系の非金属介在物を低減する為に、Ｏ濃度の上限は１５ｐｐｍとする事が好ましい。更に好ましくは、Ｏ濃度の上限を１０ｐｐｍとする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１〜２は、本発明の実施の形態の１例を示している。本例は、カムフォロア装置を４サイクル内燃機関の動弁装置に組み込んだ場合を示している。カムフォロアの本体であるロッカーアーム１は、その長さ方向（図１の左右方向）中間部に形成した軸孔２に挿通したロッカー軸３により、内燃機関の機関本体（図示せず）に回転自在に支持される。又、上記ロッカーアーム１の基端部（図１の左端部）にアジャストボルト４を、この基端部に形成したねじ孔に螺合させると共にロックナット５を緊締する事によって固定している。そして、上記アジャストボルト４の先端面（図１の下端面）に、機関本体（図示せず）に往復移動可能に支持された吸気弁又は排気弁である機関弁６の基端面（図１の上端面）を当接させている。この機関弁６は、弁ばね７によって常に閉弁方向（上記アジャストボルト４との当接方向）に付勢されている。従って上記ロッカーアーム１は、図１で時計方向の弾性が付与されている。
【００１８】
一方、上記ロッカーアーム１の先端部（図１の右端部）にはローラ８を、ローラ支持軸９を介して回転自在に支持し、このローラ８の外周面を、上記弁ばね７の弾力に基づいて、カム１０の外周面に当接させている。このカム１０は、クランク軸（図示せず）に連動して回転するカム軸１１に一体に形成され、上記機関本体に回転自在に支持されている。この構成により、上記カム軸１１の回転を、上記ロッカー軸３を中心とする上記ロッカーアーム１の往復揺動運動に変換し、更にこのロッカーアーム１により上記機関弁６を、上記弁ばね７の弾力に抗し、或はこの弾力に基づいて軸方向に往復移動させる。そして、上記機関本体のシリンダ頂部に設けた吸気口或は排気口の開閉動作を行なう。
【００１９】
上述の様な動弁装置で、上記ロッカーアーム１に対して上記ローラ８を、上記ローラ支持軸９を介して回転自在に支持する部分は、図２に示す様に構成している。上記ロッカーアーム１の先端部に、互いに間隔をあけて平行に設けた１対の支持壁１２、１２同士の間に、上記ローラ支持軸９を掛け渡している。そして、このローラ支持軸９の中間部で上記両支持壁１２、１２の内側面同士の間に位置する部分の周囲に上記ローラ８を、複数のニードル１３、１３を介して、回転自在に支持している。上記ローラ支持軸９の両端部は、上記両支持壁１２、１２にそれぞれ、互いに同心に設けられた円形のローラ軸孔１４、１４に嵌合支持されている。この状態で、上記ローラ支持軸９は、その両端面外径寄り部分にパンチ等のかしめ治具の先端縁を突き当てる事により、その両端外周縁部を径方向外方に塑性変形されて、上記両ローラ軸孔１４、１４に対し強固に結合固定されている。尚、この様に上記ローラ支持軸９の両端部を上記両ローラ軸孔１４、１４内に固定した状態で、このローラ支持軸９の軸方向両端面と上記両支持壁１２、１２の外側面とは、ほぼ同一平面上に位置する。
【００２０】
特に、本例のカムフォロア装置の場合には、上記ローラ支持軸９は、窒化処理に基づいて、表面に窒化層（窒素富化層＝窒化処理によって０．２重量％を超える窒素濃度を有する合金層）が形成されている。更に、このローラ支持軸９の軸方向中間部で、上記両支持壁１２、１２の内側面同士の間に位置し、上記各ニードル１３、１３の転動面と転がり接触する部分の、外周面を含む表面層部分に、高周波焼き入れにより硬化層が形成されている。この硬化層の厚さは、上記各ニードル１３、１３の直径Ｄａの２％以上としている。そして、この硬化層の硬度を、その全範囲（少なくとも表面から上記直径Ｄａの２％の深さまでの範囲）で、Ｈｖ６５０以上にしている。本例の場合には、この様に、上記各ニードル１３、１３の転動面と転がり接触する上記ローラ支持軸９の中間部外周面で、前記ローラ８を回転自在に支持する為のラジアルニードル軸受の内輪軌道としての役目を有する部分の硬度を高くする事により、上記中間部外周面に関して、必要とされる転がり疲れ寿命の確保を図っている。尚、転がり疲れ寿命確保の面から、好ましくは、上記ローラ支持軸９の軸方向中間部で外周面から上記直径Ｄａの２％の深さ位置の硬度をＨｖ７００以上とする。この場合、外周面部分の硬度は、後から述べる表２から明らかな様に、それぞれこの直径Ｄａの２％の深さ位置よりも高く（硬く）なる。
【００２１】
本例の場合、上述の様に、上記ローラ支持軸９の表面全体に窒化層が形成されているが、この窒化層は、ＦｅやＣｒ等の合金元素の窒化物（γ´：Ｆｅ_４ＮやＣｒＮ等）を主体として形成されている。この様な窒化物は、それ自体硬度が高く、上記ローラ支持軸９の軸方向中間部外周面の耐摩耗性を向上させる他、耐焼き付き性を向上させる効果がある。しかも本例の場合には、上記ローラ支持軸９の最表面部に、Ｈｖ７００以上、より好ましくはＨｖ７５０以上の硬化層を形成している為、優れた耐摩耗性を発揮する。尚、上記窒化層の厚さは、安定した耐摩耗性を得る為に、この窒化層の付き回り性や真円度等を考慮して１０μｍ以上とする事が好ましく、より好ましくは２０μｍ以上とする。尚、窒化処理前に上記ローラ支持軸９の加工精度を高めておく（真円度を良好にしておく）と、窒化処理処理後の加工取代を少なく抑えて、完成品の窒化層の厚さを、上記ローラ支持軸９の外周面全体に亙って大きくできる。
【００２２】
尚、上記ローラ支持軸９として、図示の例では充実体のものを示したが、軽量化やかしめ加工の容易化を図る為に、ローラ支持軸として、中空管状のものを使用しても良い。又、上記ローラ支持軸９を前記各支持壁１２、１２に対し、かしめ以外の方法で固定する構造を採用した場合には、上記ローラ支持軸９の外周面に、その全長に亙って高周波焼き入れを施して良い。
又、図１〜２は、本発明の実施の形態の１例を示したものであって、本発明はこの図１〜２に示した実施の形態に限定されるものではない。例えば、図示の例では、ロッカーアーム１の先端部にローラ８が取り付けられているカムフォロア装置を示したが、他にも、中間部にローラが支持され、両端部に機関弁とラッシュアジャスタとが突き当てられている構造等、従来から知られている各種構造のカムフォロア装置にも、本発明は適用可能である。
【００２３】
【実施例】
次に、本発明の効果を確認する為に、本発明者が行なった実験に就いて説明する。
実験では、次の表１のＡ〜Ｒに示した組成を有する、１７種類の鉄系合金により、外径が８ｍｍ、長さ１９ｍｍのローラ支持軸９を造った。このうちのＲに示したものは、ガソリンエンジン車用として従来から使用されているカムフォロア装置に組み込まれるローラ支持軸用の鉄系合金である。
【００２４】
【表１】

【００２５】
上記表１に示した１７種類の鉄系合金によるローラ支持軸９の製造作業では、先ず、素材に旋削加工及び研削加工を施す事により、所定の形状及び寸法を有する中間素材を得た。そして、この中間素材に窒化処理を施した後、高周波焼き入れと焼き戻しの熱処理を施してから、仕上研削により、所定の寸法に仕上げた。
この様な加工処理により、各部の硬度が次の表２に示す様なものである、本発明の実施例に属する、試料番号１〜１３の１３種類の試料と、本発明から外れる比較例に属する、試料番号１４〜１７の４種類の試料とを得た。尚、表２に示した最表面硬さは、完成した上記各試料の表面をマイクロビッカース硬度計で測定して求めた。又、表面から各ニードル１３、１３の直径Ｄａ（本例の場合には２．５ｍｍ）の２％の深さ位置での硬さ（２％Ｄａ硬さ）は、完成した上記各試料の断面に関して、表面から上記直径Ｄａの２％の位置にあたる部分をマイクロビッカース硬度計で測定して求めた。硬さ測定の条件は、何れも、測定荷重１．９６Ｎ（２００ｇｆ）、測定回数ｎ＝５とし、平均値を表２に記載した。更に、窒化層厚さに就いては、完成した上記各試料の断面の窒素濃度を、ＥＰＭＡ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＰｒｏｂｅＭｉｃｒｏＡｎａｌｙｚｅｒ）で測定し、窒素濃度が０．２重量％を超える部分の厚さを、表面からの距離として示した。
【００２６】
【表２】

【００２７】
上記表２に示した１７種類の試料中で、実施例に属する上記１３種類の試料では、仕上研削の際の窒化層の取り代を、実施例５、８を除いて、ほぼ一定となる様にした。実施例５、８に関しては、それぞれ窒化層の厚さが、１０μｍ（実施例５）又は２０μｍ（実施例８）となる様に、仕上加工の取り代を調整した。
又、上記窒化層を形成した後に行なう熱処理として、高周波焼き入れを施した後、焼き戻しを施した。このうちの高周波焼き入れは、周波数３０ｋＨｚ、電圧１０ｋＶ、電流１０Ａの条件で行ない、焼き戻しは、３２３〜７７３Ｋ（５０〜５００℃）の温度に２時間保持する条件で行なった。
【００２８】
尚、この窒化処理は、次に示すＡ〜Ｄのうち何れかの条件で行なった。
条件Ａ
２００〜４００℃でフッ化処理後（９０％Ｎ_２ −１０％ＮＦ_３混合ガス雰囲気中）、４００〜５００℃で５〜５０時間窒化処理（５０％Ｎ_２ −５０％ＮＨ_３混合ガス雰囲気中）
条件Ｂ
５００℃〜５７０℃で１時間〜１０時間の塩浴軟窒化処理（ＫＣＮＯ又はＮａＣＮＯ等のシアン酸塩を主成分とする塩浴窒化）
条件Ｃ
５００℃〜５７０℃で１時間〜１０時間のガス軟窒化処理｛５０％ＮＨ_３ −５０％吸熱型変成ガス（ＣＯ、Ｎ_２、Ｈ_２を主成分とする）｝
条件Ｄ
５００℃〜５７０℃で１時間〜５０時間のガス窒化処理（５０％Ｎ_２ −５０％ＮＨ_３混合ガス雰囲気中）
このうち条件Ａは、前処理としてフッ化処理を施した場合の例であり、窒化反応を阻害するＣｒ酸化物を除去し、表面を活性化するフッ化層を形成する。この為、より低温でも非常に均一な窒化層を得る事ができ、窒化処理による変形を少なく抑えるだけでなく、Ｃｒ等が多量に含有されている不動態膜が形成され易い合金鋼の場合には特に有効な方法である。又、条件Ｂは塩浴軟窒化、条件Ｃはガス軟窒化、条件Ｄはガス窒化の例である。
【００２９】
上述した一連の作業により得た、図３に示す様な、表面に窒化及び高周波焼き入れに基づく硬化層１５を有するローラ支持軸９を、図４に示す様な試験装置に組み込んで、このローラ支持軸９の耐久性に関する実験を行なった。この試験装置は、モータ（図示しない）により回転する主軸１６に取り付けた駆動ローラ１７の外周面に、支持部材１８にローラ支持軸９及び複数のニードル１３、１３を介して回転自在に支持した、ローラ８の外周面を押し突ける構造となっている。上記各ニードル１３、１３は、外径が２．５ｍｍ、長さが１２ｍｍである。そして、上記支持部材１８を介して上記ローラ支持軸９にラジアル荷重を加えながら上記主軸１６と共に上記駆動ローラ１７を回転させる。この駆動ローラ１７の回転に伴って上記ローラ８が回転するので、このローラ８を支持する、試験片である上記ローラ支持軸９の耐久試験を、実際のエンジンへの組み込み状態に即して行なう事ができる。
【００３０】
試験条件は、次の通りである。
ローラ８の回転速度：６０００ｍｉｎ^−１
ラジアル荷重：１９６０Ｎ
潤滑油：すすを含む不溶解成分を混入したエンジンオイル
潤滑油温度：１００℃
潤滑油滴下量：ローラ８とローラ支持軸９との間に０．１ｃｃ／ｍｉｎ滴下
試験時間：２００時間
この様な条件で行なった試験終了後に、上記ローラ支持軸９、上記各ニードル１３、１３及びローラ８から構成されるラジアルニードル軸受のラジアル隙間を測定し、試験前の値と比較する事によって摩耗量とした。更に、上記ローラ支持軸９を金属顕微鏡で観察し、剥離等の有無に就いて観察した。
【００３１】
この様にして行なった試験の結果を、前記表２の右側部分に示した。この試験結果のうちの摩耗量は、従来例の鉄系合金Ｒにより造った、試料番号１７に関する摩耗量を１として、これに対する比で示している。又、転がり疲れ寿命に関しては、目視検査に基づき、剥離、異常摩耗等の損傷が認められたものは×で、認められなかったものは○で、僅かな損傷が認められたものは△で、それぞれ示している。
【００３２】
この様な条件で行なった実験の結果を表２に示したが、本発明の実施例である、試料１〜１３のローラ支持軸は、試験時間２００時間を経過しても摩耗は小さく、又、目視検査の結果からも何れも異常は認められなかった。特にＣｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗの含有量の合計が３〜１５重量％のものは、最表面硬さがＨｖ７５０以上となり、優れた耐摩耗性を有する結果となった。
又、比較例の鉄系合金Ｎにより造った試料番号１４は、素材のＣとＮとの含有量の合計が１．２％を超える例であるが、最表面硬さがＨｖ７００に、２％Ｄａ硬さがＨｖ６５０に、それぞれ達しなかった為、耐摩耗性が劣る結果となった。この様な試料番号１４の試験片の断面の組織観察を行なったところ、粒径が２０μｍを超える粗大炭化物が多く見られ、高周波焼き入れ時にオーバーヒートを起こした様な組織変化も観察された。
又、比較例の鉄系合金Ｏにより造った試料番号１５は、素材のＣとＮとの含有量の合計が０．５％を下回る例であるが、２％Ｄａ硬さがＨｖ６５０に達しなかった為、剥離が発生したものと考えられる。
又、比較例の鉄系合金Ｐにより造った試料番号１６は、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗの含有量の合計が不足している例であるが、窒化処理によって表面硬度は上昇するものの、窒化物や炭窒化物の析出が十分に行なわれなかった為、耐摩耗性が不足しているものと考えられる。
上述の様な耐久試験の結果から明らかな様に、本発明のカムフォロア装置を構成するローラ支持軸は、すす等の不溶解成分が混入した厳しい潤滑条件下でも、優れた耐摩耗性及び転がり疲れ寿命を始めとする寿命特性を有する。
【００３３】
【発明の効果】
以上に述べた様に本発明の場合には、内燃機関用のカムフォロア装置で、すす等の不溶解成分の混入によるローラ支持軸の摩耗や寿命低下を防止して、カムフォロア装置の長寿命化に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の１例を示す側面図。
【図２】図１の拡大Ａ−Ａ断面図。
【図３】ローラ支持軸の、軸方向に直交する平面に関する断面を、硬化層の厚さを誇張して示す図。
【図４】本発明の効果を確認する為の実験に使用した実験装置の断面図。
【符号の説明】
１ロッカーアーム
２軸孔
３ロッカー軸
４アジャストボルト
５ロックナット
６機関弁
７弁ばね
８ローラ
９ローラ支持軸
１０カム
１１カム軸
１２支持壁
１３ニードル
１４ローラ軸孔
１５硬化層
１６主軸
１７駆動ローラ
１８支持部材[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an improvement of a cam follower device used for a valve mechanism of various engines such as an internal combustion engine such as a diesel engine, for example, to improve durability.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in a valve train mechanism for transmitting the movement of a cam fixed to a camshaft that rotates in synchronization with the crankshaft of an engine to a valve, the friction during operation has been changed from sliding friction to rolling friction. A cam follower device is widely used in order to suppress the friction loss of a part low and to improve the fuel efficiency. As disclosed in Patent Document 1, this cam follower device has a roller support in which a cylindrical roller disposed between a pair of support walls provided on a cam follower body is bridged between the two support walls. It is rotatably supported by a shaft through a plurality of needles. The roller support shaft is formed to have the same diameter over the entire length except for the chamfers at the outer peripheral edges of both end surfaces. Both ends of such a roller support shaft are fitted and supported in roller shaft holes provided concentrically with each other while penetrating the pair of support walls. The roller is rotatably supported at a portion between the pair of support walls at an intermediate portion of the roller support shaft via a plurality of needles.
[0003]
A technique for easily and reliably performing the operation of fixing the roller support shaft to the pair of support walls is described in Patent Literature 2 and has been conventionally implemented. In the case of this conventional technique, only the portion that is in rolling contact with the rolling surface of each of the needles at the axially intermediate portion of the outer peripheral surface of the roller support shaft is hardened by induction hardening, and both end portions remain unhardened. Keep it. Then, by expanding the radially outward portion of the end of the roller support shaft, which is inserted into the roller shaft holes of the both support walls, outwardly in the radial direction, the diameter of both ends of the roller support shaft is increased, and the roller shaft is expanded. Secure by caulking in the hole.
[0004]
In addition, for a rolling sliding component that is in rolling contact or sliding contact with a mating component during use, such as a roller or a roller support shaft incorporated in a cam follower device that is an object of the present invention, durability such as peeling life is improved. For this purpose, various techniques for improving the surface properties of a portion that comes into contact with a mating component are described in, for example, Patent Document 3 and the like, and various techniques are conventionally known. In the case of the prior art described in Patent Document 3, the rolling surface of the bearing rolling element has a surface roughness Rmax of 0.3 to 1.5 μm and has scratches in a random direction, and the surface layer has a surface roughness of 500 MPa. The above residual stress layer is formed.
[0005]
Further, Patent Documents 4 to 6 disclose that a large number of depressions are randomly formed on the surface by barrel processing so that the hardness of the surface layer is higher than the hardness of the inside and a compressive residual stress is generated in the surface layer. The invention has been described.
Further, in Patent Document 7, a surface hardening layer is provided on a surface portion in contact with a mating member, and the depth of the peak value of the compressive residual stress and the depth of the peak value of the shear stress distribution are matched. An invention relating to a bearing component is described.
Further, Patent Document 8 discloses that a compressive residual stress due to shot peening is reduced to 100 kgf / mm at the surface portion.²  (≒ 980 MPa) or more and 40 kgf / mm at a portion 300 μm below the surface.²  (≒ 390 MPa) An invention relating to a bearing component having a pressure of at least 390 MPa is described.
Further, in Patent Document 9, when the surface layer has a depth of 0 to 50 μm from the surface, the maximum compressive residual stress of the surface layer is 50 to 110 kgf / mm.²  (≒ 490-1080 MPa), the hardness of the surface layer is Hv (Vickers hardness) 830-Hv960, the average wavelength of the surface roughness is 25 μm or less, and the ratio of the retained austenite in the surface layer is 7 An invention relating to a rolling sliding component having a capacity of more than% is described.
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Utility Model Publication No. 60-88016
[Patent Document 2]
JP-A-62-7908
[Patent Document 3]
Japanese Patent Publication No. 1-30008
[Patent Document 4]
JP-A-3-117723
[Patent Document 5]
JP-A-3-117724
[Patent Document 6]
JP-A-3-117725
[Patent Document 7]
JP-A-3-199716
[Patent Document 8]
JP-A-4-54312
[Patent Document 9]
JP-A-5-288257
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The above-described techniques for improving durability, which are conventionally known, can provide some effect, but if the conditions are severe, it may not always be possible to obtain a sufficient effect. . For example, in the case of a cam follower device incorporated in a diesel engine, insoluble components such as soot generated by the combustion of light oil are mixed in lubricating oil supplied to the cam follower device. These insoluble components such as soot degrade the lubricating oil to cause poor lubrication and cause damage to the rolling surface or the sliding surface. In addition, when such insoluble components such as soot intervene on the rolling surface or the sliding surface, they may act as an abrasive, and in particular, the contact surface pressure with the mating surface is high, and the rotating surface may be rotated. In some cases, abnormal wear may occur on the outer peripheral surface of the roller support shaft which always receives a load at the same portion.
[0008]
In this way, as the wear generated on the outer peripheral surface of the roller support shaft constituting the cam follower device progresses, the roller serves as an inner raceway of the radial needle bearing that supports the roller, and a plurality of the radial needle bearings constitute the radial needle bearing. A step is formed at a portion of the outer peripheral surface of the roller support shaft that is in contact with the rolling surface of the needle near both ends of the intermediate portion. Then, flaking based on stress concentration occurs on the end of the rolling surface of each of the needles and the outer peripheral surface of the roller support shaft that comes into contact with the end based on the step. As a result, the durability of the rotation support portion of the cam follower device is impaired.
[0009]
With respect to such deterioration of durability due to insoluble components such as soot mixed in the lubricating oil, the conventional techniques described in Patent Documents 1 to 9 described above do not necessarily provide a sufficient durability improving effect. I can't. For example, even if the surface roughness or fine shape is devised in order to improve the lubricity of the contact portion, soot may be taken into the contact portion together with the lubricating oil. . Also, if the compressive residual stress on the surface of the roller supporting shaft is increased or the hardness is increased by shot peening, it becomes difficult to caulk out the end of the roller supporting shaft. For this reason, it is difficult to apply it when considering the assemblability. It is also conceivable to perform high-frequency annealing on the end of the roller support shaft after performing shot peening on the roller support shaft in order to facilitate the caulking and spreading operation. However, if such a process is performed, not only may the effect of shot peening be lost due to thermal effects, but also the number of steps increases, the cost increases, and at the same time, the productivity decreases. Not suitable.
In view of the above-mentioned circumstances, the present invention sufficiently hardens only necessary portions by induction hardening to ensure abrasion resistance and durability, and at the same time, caulking without hardening the end portions By providing a roller support shaft that enables the following, a cam follower device having excellent durability can be realized at low cost.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The cam follower device of the present invention comprises a roller having a cylindrical outer raceway on the inner peripheral surface and a roller support having a cylindrical inner raceway at an axially intermediate portion of the outer peripheral surface, similarly to a conventionally known cam follower device. It consists of a shaft and a plurality of needles which are provided so as to roll freely between the outer raceway and the inner raceway. The roller is rotatably supported around an intermediate portion of the roller support shaft.
In particular, in the cam follower device of the present invention, Cr, Mo, V, and W are used in a total amount of 1.0 to 20.0% by weight, and C and N are used in a total amount of 0.5 to 20.0%. An iron-based alloy containing 1.2% by weight of each, the remainder being unavoidable impurities and Fe, and subjected to induction hardening on the outer peripheral surface except for both ends after nitriding the surface is used.
[0011]
[Action]
In the case of the cam follower device of the present invention incorporating the roller support shaft as described above, even when used under severe conditions, such as a diesel engine in which insoluble components such as soot are mixed in lubricating oil, the roller The durability including the wear resistance of the outer peripheral surface of the intermediate portion of the support shaft can be sufficiently ensured. Further, the durability of the cam follower device incorporating the roller support shaft can be improved.
Hereinafter, when the roller support shaft is made of an iron-based alloy containing a predetermined amount of each element of Cr, Mo, V, W, C, and N, and the surface is subjected to induction hardening after nitriding, durability including wear resistance is obtained. The reason why the property can be improved and the reason for restricting the filling amount of each of the above elements will be described.
[0012]
First, the reason why Cr, Mo, V, and W are contained in the iron-based alloy in a total amount of 1.0% by weight or more and 20.0% by weight or less will be described.
By adding Cr, Mo, V, and W, in addition to improving the hardenability, the hardness of the surface of the roller support shaft is increased by forming carbides and nitrides. The effect of improving the wear resistance of the support shaft can be obtained. Such an effect cannot be obtained if the contents of Cr, Mo, V, and W are too small. Specifically, when the total content of these Cr, Mo, V, and W is less than 1.0% by weight, little effect is obtained. In order to obtain a sufficient effect, it is preferable to add more than 2% by weight. However, when the added amounts of Cr, Mo, V, and W are excessive, not only coarse carbides are easily precipitated in the obtained iron-based alloy, but also the Ms point (martensite transformation start temperature) decreases. Too long, and even if the sub-zero treatment is performed, there is a possibility that sufficient surface hardness cannot be obtained by quenching. Such insufficient surface hardness due to excessive addition requires attention when the added amount of Cr, Mo, V, and W exceeds 15.0% by weight, and when the added amount exceeds 20.0% by weight. Can no longer be ignored. Therefore, the lower limit of the total content of Cr, Mo, V, and W is 1.0% by weight, preferably 2.0% by weight, and the upper limit is 20.0% by weight, preferably 15. 0% by weight.
When the amount of the nitride-forming elements such as Cr, Mo, V, and W is large, the thickness of the nitrided layer obtained when the surface is subjected to the nitriding treatment is reduced. For this reason, especially when the thickness of the nitride layer is required to increase the allowance for the finishing work after the heat treatment (the allowance for the removal of the nitride layer), preferably, the content of the Cr, Mo, V, and W is preferable. Is 8.0% by weight or less.
[0013]
Next, the reason why the total content of C and N is 0.5% by weight or more and 1.2% by weight or less in the iron-based alloy will be described.
C and N are interstitial elements necessary for martensitic transformation when quenching and hardening the iron-based alloy roller support shaft. Therefore, it is necessary to increase the hardness of the surface of the roller support shaft and to add the roller support shaft in order to improve the wear resistance. In this case, in order to obtain sufficient quenching hardness, the total content of C and N must be 0.5% by weight or more.
However, when the content of C is excessive, a coarse carbide having a particle size exceeding 20 μm is formed, a phenomenon called overheating occurs during induction hardening, and a local decrease in hardness is caused. May be reduced. For this reason, the upper limit of the amount of C added is set to 1.2% by weight. More preferably, the amount of C added is set to 0.7% by weight or less in order to prevent the precipitation of coarse eutectic carbides.
Further, when N is contained, the content of C can be kept low by that amount, and not only can precipitation of coarse carbides be effectively prevented, but also nitrides having high hardness can be formed by nitriding treatment. Therefore, it is preferable to add N positively.
However, if N is added in an amount exceeding 0.2% by weight, a pressurizing device for preventing the generation of a defect called a blowhole during steelmaking is required, and the cost becomes extremely high. For this reason, from the viewpoint of cost reduction, the upper limit of the amount of N added is preferably suppressed to 0.2% by weight. Considering the effect of adding N and suppressing the cost, the more preferable range of the amount of N added is 0.1 to 0.15% by weight.
[0014]
Next, the nitriding treatment performed on the roller support shaft made of the above-described iron-based alloy will be described.
When N is added to an iron-based alloy, an effect of forming a nitride having high hardness in the alloy and improving wear resistance and seizure resistance can be expected. However, as described above, in the method of adding N during steelmaking, the amount of N added is limited (adding more than 0.2% by weight increases the cost). Therefore, instead of suppressing the amount of N added during steelmaking, the obtained iron-based alloy roller support shaft is subjected to nitriding treatment, so that the surface of the roller support shaft is made of Fe.₄  A nitride having a high hardness, such as N (γ ′) or CrN, of an alloy element such as Fe or Cr was sufficiently formed. Note that, at the time of the nitriding treatment, a portion which needs to be swaged at both ends of the roller support shaft may be subjected to a nitridation preventing treatment.
In addition, regarding the thickness of the nitrided layer obtained as a result of the nitriding treatment, in order to obtain stable wear resistance, in consideration of variations in quality such as throwing power and roundness, preferably 10 μm or more, It is more preferably at least 20 μm.
[0015]
Next, induction hardening performed after the nitriding treatment will be described.
With only this nitriding treatment, the thickness (hardening depth) of the hardened layer formed on the surface portion of the roller support shaft cannot always be sufficiently ensured. For this reason, in the case of the present invention, after the nitriding treatment, by performing induction hardening on the outer peripheral surface of the intermediate portion of the roller support shaft in contact with the rolling surfaces of the plurality of needles at the time of use, A cured layer having a sufficient thickness (cured depth) is formed.
In addition, the surface hardness of the roller support shaft decreases with the induction hardening after the nitriding treatment, but on the other hand, residual austenite is formed, which is effective for prolonging the life under lubrication mixed with foreign matter. . As a result, sufficient durability can be obtained for the roller support shaft even under severe use conditions, such as when the device is operated for a long time with foreign substances mixed in the contact portion including the surface of the roller support shaft during use.
As for the hardness of the hardened layer formed on the outer peripheral surface of the intermediate portion of the roller support shaft with the induction hardening as described above, the higher the hardness, the better. In consideration of obtaining a sufficient rolling fatigue life, the outer diameter of each needle is determined from the surface of the intermediate portion at the portion which is located at the intermediate portion of the roller support shaft and is in contact with the rolling surface of each needle. When the range of the depth up to 2% of the surface layer is defined as the surface layer, the hardness of the surface layer is set to Hv650 or more. More preferably, the hardness of the surface portion is set to Hv700 or more.
To obtain not only the rolling fatigue life but also sufficient wear resistance, the hardness of the outermost surface of the finished product is preferably Hv700 or more, more preferably Hv750 or more.
[0016]
Next, elements other than Cr, Mo, V, W, C, and N contained in the iron-based alloy constituting the roller support shaft will be described.
The iron-based alloy may contain Si or Mn as a deoxidizing agent during steelmaking.
Among them, Si is an element necessary as a deoxidizing agent at the time of steel making, and is an element effective for improving the tempering softening resistance of the obtained iron-based alloy and extending the life under a high temperature environment. is there. For this reason, it is preferable to contain 0.15% by weight or more. However, even if a large amount is contained, not only the effect is saturated, but also the machinability of the obtained iron-based alloy material is reduced, and the roller support shaft made of this iron-based alloy is This leads to an increase in manufacturing costs. For this reason, the upper limit of the Si content is set to 1.5% by weight.
Mn is also an element necessary as a deoxidizing agent and a desulfurizing agent in steel making, and is also an element effective for improving hardenability. For this reason, it is preferable to contain 0.15% by weight or more. However, if the content is too high, non-metallic inclusions increase, which may not only shorten the life characteristics but also forgeability and machinability of the obtained ferrous alloy material. , Etc., the machinability is reduced. For this reason, the upper limit of the Mn content is set to 1.5% by weight.
In addition, it contains unavoidable impurity elements such as P, S, Ni, Cu, Ti, and O. However, in order to reduce oxide-based nonmetallic inclusions that are harmful from the viewpoint of ensuring the rolling fatigue life, the O concentration is reduced. The upper limit is preferably set to 15 ppm. More preferably, the upper limit of the O concentration is set to 10 ppm.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
1 and 2 show an example of an embodiment of the present invention. This example shows a case where the cam follower device is incorporated in a valve operating device of a four-cycle internal combustion engine. A rocker arm 1, which is a main body of the cam follower, is rotatable to an engine main body (not shown) of an internal combustion engine by a rocker shaft 3 inserted into a shaft hole 2 formed in an intermediate portion in a longitudinal direction (left-right direction in FIG. 1). Supported by An adjusting bolt 4 is screwed into a base end (the left end in FIG. 1) of the rocker arm 1 in a screw hole formed in the base end, and a lock nut 5 is fixed by tightening. A base end surface (see FIG. 1) of an engine valve 6 which is an intake valve or an exhaust valve supported on a distal end surface (a lower end surface of FIG. 1) of the adjusting bolt 4 so as to be able to reciprocate on an engine body (not shown). (Upper surface). The engine valve 6 is always urged by a valve spring 7 in a valve closing direction (a direction in which the engine valve 6 comes into contact with the adjustment bolt 4). Therefore, the rocker arm 1 is provided with clockwise elasticity in FIG.
[0018]
On the other hand, a roller 8 is rotatably supported at the tip end (right end in FIG. 1) of the rocker arm 1 via a roller support shaft 9, and the outer peripheral surface of the roller 8 is applied to the elasticity of the valve spring 7. Accordingly, the cam 10 is brought into contact with the outer peripheral surface of the cam 10. The cam 10 is formed integrally with a camshaft 11 that rotates in conjunction with a crankshaft (not shown), and is rotatably supported by the engine body. With this configuration, the rotation of the camshaft 11 is converted into a reciprocating swinging motion of the rocker arm 1 about the rocker shaft 3, and the rocker arm 1 also causes the engine valve 6 to rotate the valve spring 7. It reciprocates in the axial direction against or based on the elasticity. Then, an opening / closing operation of an intake port or an exhaust port provided at the top of the cylinder of the engine body is performed.
[0019]
In the valve operating device as described above, a portion that rotatably supports the roller 8 with respect to the rocker arm 1 via the roller support shaft 9 is configured as shown in FIG. The roller support shaft 9 is bridged between a pair of

support walls

12, 12 provided at an end of the rocker arm 1 in parallel at intervals. The roller 8 is rotatably supported via a plurality of needles 13 around a portion located between the inner surfaces of the support walls 12 at an intermediate portion of the roller support shaft 9. are doing. Both ends of the roller support shaft 9 are fitted and supported in circular roller shaft holes 14, 14 provided concentrically with the

support walls

12, 12. In this state, the roller support shaft 9 is plastically deformed radially outward at the outer peripheral edges of both ends by abutting the leading edge of a caulking jig such as a punch or the like against the outer diameters of both end surfaces thereof. The two roller shaft holes 14, 14 are firmly connected and fixed. In a state where both end portions of the roller support shaft 9 are fixed in the two roller shaft holes 14, the both end surfaces in the axial direction of the roller support shaft 9 and the outer surface of the two

support walls

12, 12 are provided. Are located on substantially the same plane.
[0020]
In particular, in the case of the cam follower device of the present example, the roller support shaft 9 has a nitrided layer (nitrogen-enriched layer = alloy having a nitrogen concentration exceeding 0.2% by weight by nitridation) on the surface based on the nitridation. Layer) is formed. Further, an outer peripheral surface of a portion which is located at an intermediate portion in the axial direction of the roller support shaft 9 between the inner surfaces of the

support walls

12 and 12 and in rolling contact with the rolling surfaces of the

needles

13 and 13. A hardened layer is formed by induction hardening on the surface layer portion containing. The thickness of the hardened layer is 2% or more of the diameter Da of each of the

needles

13 and 13. The hardness of the cured layer is Hv 650 or more in the entire range (at least from the surface to a depth of 2% of the diameter Da). In the case of the present example, the radial needle for rotatably supporting the roller 8 on the outer peripheral surface of the intermediate portion of the roller support shaft 9 which is in rolling contact with the rolling surface of each of the

needles

13, 13 as described above. By increasing the hardness of the portion of the bearing serving as the inner ring raceway, the required rolling fatigue life of the intermediate portion outer peripheral surface is ensured. From the viewpoint of securing the rolling fatigue life, preferably, the hardness at the depth of 2% of the diameter Da from the outer peripheral surface at the axially intermediate portion of the roller support shaft 9 is Hv700 or more. In this case, the hardness of the outer peripheral surface portion is higher (harder) than the depth position of 2% of the diameter Da, as is apparent from Table 2 described later.
[0021]
In the case of this example, as described above, a nitrided layer is formed on the entire surface of the roller support shaft 9, and this nitrided layer is formed of a nitride (γ ′: Fe) of an alloy element such as Fe or Cr.₄ N or CrN). Such a nitride has a high hardness per se, and has an effect of improving the wear resistance of the outer peripheral surface of the roller support shaft 9 at the axially intermediate portion and also improving the seizure resistance. In addition, in the case of this example, since a hardened layer of Hv 700 or more, more preferably Hv 750 or more is formed on the outermost surface portion of the roller support shaft 9, excellent wear resistance is exhibited. The thickness of the nitrided layer is preferably at least 10 μm, more preferably at least 20 μm, in consideration of the throwing power and roundness of the nitrided layer in order to obtain stable wear resistance. I do. If the processing accuracy of the roller support shaft 9 is increased (the roundness is improved) before the nitriding treatment, the machining allowance after the nitriding treatment is reduced and the thickness of the nitrided layer of the finished product is reduced. Can be increased over the entire outer peripheral surface of the roller support shaft 9.
[0022]
In addition, although a solid body is shown as the roller support shaft 9 in the illustrated example, a hollow tubular shaft may be used as the roller support shaft in order to reduce the weight and facilitate the caulking process. . When a structure other than caulking is used to fix the roller support shaft 9 to each of the

support walls

12, 12, the outer peripheral surface of the roller support shaft 9 is provided with a high frequency over its entire length. You may give quenching.
FIGS. 1 and 2 show an example of an embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to the embodiment shown in FIGS. For example, in the illustrated example, the cam follower device in which the roller 8 is attached to the tip portion of the rocker arm 1 is shown. However, a roller is supported at an intermediate portion, and an engine valve and a lash adjuster are provided at both ends. The present invention is also applicable to cam follower devices having various structures conventionally known, such as a struck structure.
[0023]
【Example】
Next, an experiment performed by the inventor to confirm the effect of the present invention will be described.
In the experiment, a roller support shaft 9 having an outer diameter of 8 mm and a length of 19 mm was made of 17 kinds of iron-based alloys having compositions shown in A to R in Table 1 below. Among them, the one denoted by R is an iron-based alloy for a roller support shaft incorporated in a cam follower device conventionally used for a gasoline engine vehicle.
[0024]
[Table 1]

[0025]
In the manufacturing operation of the roller support shaft 9 made of the 17 types of iron-based alloys shown in Table 1 above, first, an intermediate material having a predetermined shape and dimensions was obtained by subjecting the material to turning and grinding. Then, after the intermediate material was subjected to nitriding treatment, it was subjected to induction hardening and tempering heat treatments, and then finished to predetermined dimensions by finish grinding.
By such processing, the hardness of each part is as shown in the following Table 2, belonging to the examples of the present invention, 13 types of sample Nos. 1 to 13 and a comparative example deviating from the present invention Four types of samples belonging to sample numbers 14 to 17 were obtained. The outermost surface hardness shown in Table 2 was obtained by measuring the surface of each of the completed samples using a micro Vickers hardness meter. The hardness (2% Da hardness) at a depth of 2% of the diameter Da (2.5 mm in this example) of each of the needles 13 from the surface is the cross-section of the completed sample. Was determined by measuring a portion corresponding to 2% of the diameter Da from the surface with a micro-Vickers hardness tester. The conditions for the hardness measurement were as follows: the measurement load was 1.96 N (200 gf), the number of measurements was n = 5, and the average value was shown in Table 2. Further, regarding the nitrided layer thickness, the nitrogen concentration in the cross section of each of the completed samples was measured by EPMA (Electron Probe Micro Analyzer), and the thickness of the portion where the nitrogen concentration exceeded 0.2% by weight was calculated as follows. It is shown as the distance from the surface.
[0026]
[Table 2]

[0027]
Among the 17 types of samples shown in Table 2 above, in the above 13 types of samples belonging to the examples, the removal amount of the nitrided layer at the time of finish grinding was almost constant except for Examples 5 and 8. I made it. In Examples 5 and 8, the allowance for the finishing was adjusted such that the thickness of the nitrided layer became 10 μm (Example 5) or 20 μm (Example 8), respectively.
In addition, as a heat treatment performed after the formation of the nitride layer, induction hardening was performed, and then tempering was performed. Among them, induction hardening was performed under the conditions of a frequency of 30 kHz, voltage of 10 kV, and current of 10 A, and tempering was performed at a temperature of 323 to 773 K (50 to 500 ° C.) for 2 hours.
[0028]
This nitriding treatment was performed under any one of the following conditions A to D.
Condition A
After fluorination at 200 to 400 ° C (90% N₂  -10% NF₃  In a mixed gas atmosphere), nitriding at 400 to 500 ° C. for 5 to 50 hours (50% N₂  -50% NH₃  In a mixed gas atmosphere)
Condition B
Salt bath nitrocarburizing treatment at 500 ° C. to 570 ° C. for 1 hour to 10 hours (salt bath nitriding mainly composed of cyanate such as KCNO or NaCNO)
Condition C
Gas nitrocarburizing treatment at 500 ° C to 570 ° C for 1 hour to 10 hours @ 50% NH₃  -50% endothermic metamorphic gas (CO, N₂  , H₂  主成分)
Condition D
Gas nitriding at 500 ° C. to 570 ° C. for 1 hour to 50 hours (50% N₂  -50% NH₃  In a mixed gas atmosphere)
Condition A is an example in which a fluoridation treatment is performed as a pretreatment, in which a Cr oxide that inhibits a nitriding reaction is removed, and a fluorinated layer that activates the surface is formed. For this reason, a very uniform nitrided layer can be obtained even at a lower temperature, which not only suppresses the deformation due to the nitriding treatment but also makes it easy to form a passivation film containing a large amount of Cr or the like in the case of alloy steel. Is a particularly effective method. Condition B is an example of salt bath nitrocarburizing, Condition C is an example of gas nitrocarburizing, and Condition D is an example of gas nitriding.
[0029]
The roller support shaft 9 having a hardened layer 15 based on nitriding and induction hardening on the surface as shown in FIG. 3 obtained by the above-described series of operations is incorporated in a test apparatus as shown in FIG. An experiment on the durability of the support shaft 9 was performed. This test apparatus was rotatably supported on a support member 18 via a roller support shaft 9 and a plurality of needles 13 on an outer peripheral surface of a drive roller 17 attached to a main shaft 16 rotated by a motor (not shown). The outer peripheral surface of the roller 8 is pushed and pushed. Each of the needles 13 has an outer diameter of 2.5 mm and a length of 12 mm. Then, the drive roller 17 is rotated together with the main shaft 16 while applying a radial load to the roller support shaft 9 via the support member 18. Since the roller 8 rotates with the rotation of the driving roller 17, a durability test of the roller support shaft 9 which is a test piece that supports the roller 8 is performed in accordance with an actual state of being installed in an engine. Can do things.
[0030]
The test conditions are as follows.
Rotation speed of roller 8: 6000 min^-1
Radial load: 1960N
Lubricating oil: Engine oil mixed with insoluble components including soot
Lubricating oil temperature: 100 ℃
Lubricating oil dripping amount: 0.1 cc / min between roller 8 and roller support shaft 9
Test time: 200 hours
After the end of the test conducted under such conditions, the radial clearance of the radial needle bearing composed of the roller support shaft 9, the

needles

13, 13 and the roller 8 is measured and compared with the value before the test. Amount. Further, the roller support shaft 9 was observed with a metal microscope, and the presence or absence of peeling or the like was observed.
[0031]
The results of the tests thus performed are shown in the right part of Table 2 above. The wear amount in the test results is shown as a ratio to the wear amount for sample No. 17 made of the conventional iron-based alloy R, which is set to 1. Regarding the rolling fatigue life, based on visual inspection, those with damage such as peeling, abnormal wear, etc. were evaluated as x, those not recognized as ○, those with slight damage as Δ, Each is shown.
[0032]
Table 2 shows the results of the experiment performed under such conditions. The roller support shafts of the samples 1 to 13 according to the embodiment of the present invention showed little wear even after 200 hours of the test time. No abnormalities were observed in any of the visual inspection results. In particular, those having a total content of Cr, V, Mo, and W of 3 to 15% by weight had an outermost surface hardness of Hv750 or more, and resulted in excellent wear resistance.
Sample No. 14 made of the iron-based alloy N of the comparative example is an example in which the sum of the contents of C and N of the material exceeds 1.2%. Since the Da hardness did not reach Hv650, respectively, the result was inferior wear resistance. When the structure of the cross section of the test piece of sample No. 14 was observed, many coarse carbides having a particle size exceeding 20 μm were observed, and a change in the structure such as overheating during induction hardening was also observed.
Sample No. 15 made of the iron-based alloy O of the comparative example is an example in which the total content of C and N in the material is less than 0.5%, but the 2% Da hardness does not reach Hv650. Therefore, it is considered that peeling occurred.
Sample No. 16 made of the iron-based alloy P of the comparative example is an example in which the total content of Cr, V, Mo, and W is insufficient, but the surface hardness is increased by the nitriding treatment. It is considered that the abrasion resistance was insufficient due to insufficient precipitation of materials and carbonitrides.
As is clear from the results of the durability test described above, the roller support shaft constituting the cam follower device of the present invention has excellent wear resistance and rolling fatigue even under severe lubrication conditions in which insoluble components such as soot are mixed. It has life characteristics including life.
[0033]
【The invention's effect】
As described above, in the case of the present invention, the cam follower device for the internal combustion engine prevents wear and shortening of the life of the roller support shaft due to the incorporation of insoluble components such as soot, thereby extending the life of the cam follower device. Can contribute.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view showing an example of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged sectional view taken on line AA of FIG. 1;
FIG. 3 is a diagram illustrating a cross section of a roller support shaft on a plane orthogonal to the axial direction, in which the thickness of a hardened layer is exaggerated.
FIG. 4 is a cross-sectional view of an experimental device used for an experiment for confirming the effect of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Rocker arm
2 shaft hole
3 Rocker shaft
4 Adjusting bolt
5 Lock nut
6 Engine valve
7 Valve spring
8 rollers
9 Roller support shaft
10 cams
11 camshaft
12 Support wall
13 Needle
14 Roller shaft hole
15 Hardened layer
16 spindle
17 Drive roller
18 Supporting members

Claims

A roller having a cylindrical outer raceway on the inner peripheral surface, a roller support shaft having a cylindrical inner raceway at the axially intermediate portion of the outer peripheral surface, and a roller provided between these outer raceways and the inner raceway so as to be freely rotatable. In a cam follower device comprising a plurality of needles and rotatably supporting the roller around an intermediate portion of the roller support shaft, Cr, Mo, V, and W are used as the roller support shaft in a total of one. 0.020.0% by weight and a total of 0.5% to 1.2% by weight of C and N respectively, and the remainder is made of an iron-based alloy containing unavoidable impurities and Fe. A cam follower device characterized by using a material subjected to induction hardening on an outer peripheral surface portion excluding a part.

The cam follower device according to any one of claims 1 to 2, wherein the total content of Cr, Mo, V, and W is 2.0 to 15.0% by weight.

The iron-based alloy according to any one of claims 1 to 3, wherein at least one of 0.15 to 1.5% by weight of Si and 0.15 to 1.5% by weight of Mn is contained. Cam follower device.

When the surface layer is located at the middle of the roller support shaft and in contact with the rolling surface of each needle, the depth from the surface of the middle to 2% of the outer diameter of each needle is defined as the surface layer. The cam follower device according to any one of claims 1 to 4, wherein the hardness of the surface portion is Hv650 or more.