JP3409301B2 - Reciprocating member - Google Patents
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- Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、往復運動部材に関
するものである。さらに詳しくは、高剛性の鉄基複合材
料を用いた設計自由度の大きな往復運動部材に関するも
のである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a reciprocating member. More specifically, the present invention relates to a reciprocating member that uses a highly rigid iron-based composite material and has a high degree of freedom in design.
【0002】[0002]
【従来の技術】多種多様な機械が存在するが、往復運動
を利用する機械は多い。例えば、レシプロケーティング
・エンジン(以降では単に「エンジン」と呼称す
る。)、工作機械の平削り盤、織機(例えば、綜絖、筬
部分)、ミシン(例えば、ニードル、テーブル部分)、
自動車等の空調用コンプレッサ(例えば、ピストン部
分)、プリンター(例えば、ヘッド部分)等がある。BACKGROUND OF THE INVENTION There are a wide variety of machines, but many utilize reciprocating motion. For example, a reciprocating engine (hereinafter simply referred to as "engine"), a machine tool planing machine, a loom (for example, a heddle, a reed portion), a sewing machine (for example, a needle, a table portion),
There are air-conditioning compressors (for example, piston parts) and printers (for example, head parts) for automobiles and the like.
【0003】これら往復運動装置はその種類により様々
な往復運動部材を備えるが、いずれの往復運動部材であ
っても往復運動する限り、それには慣性力が作用する。
この慣性力Fは、往復運動部材の慣性質量m、その加速
度aとするとF=−maとなり、往復運動部材の慣性質
量mとその加速度aとにより決る。この慣性力Fが小さ
い程、往復運動部材の小型化や高速化、さらには往復運
動装置のコンパクト化、高速化、応答性や性能の向上等
を図り易い。いうまでもなく、加速度aまたは慣性質量
mを小さくできれば、その慣性力Fを小さくすることが
できる。そこで、先ず、これらについて検討する。These reciprocating motion devices are provided with various reciprocating motion members depending on their types, but any reciprocating motion member is subjected to inertial force as long as it reciprocates.
This inertial force F is given by F = -ma, where m is the inertial mass of the reciprocating member and its acceleration is a, and is determined by the inertial mass m of the reciprocating member and its acceleration a. The smaller the inertial force F, the smaller and faster the reciprocating member, and the more compact and faster the reciprocating device, the easier it is to improve responsiveness and performance. Needless to say, if the acceleration a or the inertial mass m can be reduced, the inertial force F can be reduced. Therefore, first, these will be examined.
【0004】加速度a
加速度aは、往復運動部材である限り多かれ少なかれ生
じる。往復運動部材の加速度aが大きくなると、作用す
る慣性力Fも大きくなり、強度等を確保するために往復
運動部材は自ずと大型化してしまう。しかもそれに伴い
慣性質量まで増加してしまい、慣性力Fがさらに大きく
なるといった悪循環が起り得る。そこで、通常の往復運
動装置では緩衝(ランプ)域等を設けて、加速度aが著
しく大きくならないように、往復運動を制御している。
しかし、加速度aの低減を図れば、往復運動部材の動き
は鈍くなり、往復運動装置の性能低下を招くから加速度
aの低減にも限界がある。また、エンジンのピストン等
のように、機構学上、それに作用する加速度aの制御が
困難な往復運動部材もある。さらに、ピストン等の場
合、クランク半径r、角速度ωとすると、作用する加速
度aはr・ω2 に比例する。エンジンの性能向上を図
ろうとして高回転化すれば、加速度aの急激な増加を招
いてしまう。このように、加速度の低減を図ることは必
ずしも容易ではなく、特に、往復運動装置の性能を維持
・向上させつつ加速度の低減を図ることは難しい。Acceleration a The acceleration a occurs more or less as long as it is a reciprocating member. When the acceleration a of the reciprocating member increases, the acting inertial force F also increases, and the reciprocating member naturally increases in size in order to secure strength and the like. Moreover, the inertial mass is increased accordingly, and a vicious cycle in which the inertial force F is further increased may occur. Therefore, in a normal reciprocating device, a reciprocating motion is controlled by providing a buffer (ramp) region or the like so that the acceleration a does not become extremely large.
However, if the acceleration a is reduced, the movement of the reciprocating member becomes sluggish and the performance of the reciprocating device is deteriorated. Therefore, there is a limit to the reduction of the acceleration a. There are also reciprocating members, such as engine pistons, for which it is difficult to control the acceleration a acting on them mechanically. Further, in the case of a piston or the like, when the crank radius is r and the angular velocity is ω, the acting acceleration a is proportional to r · ω 2 . If the engine speed is increased in order to improve the performance of the engine, the acceleration a will be rapidly increased. As described above, it is not always easy to reduce the acceleration, and in particular, it is difficult to reduce the acceleration while maintaining and improving the performance of the reciprocating device.
【0005】慣性質量m
前述したように、慣性質量mの低減により、加速度aの
低減を図ることができる。そして、慣性質量mの低減
は、往復運動部材や往復運動装置の軽量コンパクト化、
駆動損失低減、性能向上、応答性向上等を図ることが可
能となる。従って、その慣性質量mの低減(軽量化)が
非常に望まれるところである。ところで、往復運動部材
には、他部材との干渉防止や性能向上を図る上で、その
変形量が厳しく制限されることがある。例えば、往復運
動部材の変形量が大きくなると、往復運動中の位置精度
(作動タイミング等)が悪化して、往復運動装置の性能
低下を招き得る。また、往復運動部材の変形量が大きく
なり、その支持部材に大きな2次応力が作用すれば、支
持部材の補強が必要となり得る。そこで、往復運動部材
には、軽量化と共に変形量の抑制・低減が求められるこ
とが多い。Inertia mass m As described above, the acceleration a can be reduced by reducing the inertia mass m. The reduction of the inertial mass m is achieved by making the reciprocating member and the reciprocating device light and compact.
It is possible to reduce drive loss, improve performance, improve responsiveness, and the like. Therefore, reduction (weight reduction) of the inertial mass m is highly desired. By the way, the amount of deformation of the reciprocating member may be severely limited in order to prevent interference with other members and improve performance. For example, when the amount of deformation of the reciprocating member increases, the positional accuracy (operation timing, etc.) during the reciprocating motion deteriorates, and the performance of the reciprocating device may deteriorate. Further, if the amount of deformation of the reciprocating member increases and a large secondary stress acts on the supporting member, it may be necessary to reinforce the supporting member. Therefore, the reciprocating member is often required to be lightweight and to suppress / reduce the amount of deformation.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
軽量化と変形量の抑制・低減化とを両立させることは、
従来困難であった。例えば、往復運動部材の軽量化を図
るために、その材質を鉄鋼製から軽合金製(アルミニウ
ム合金製、チタン合金製等)に変更することが考えられ
る。しかし、そのような材質変更では、剛性(ヤング
率)が半分以下に著しく低下し、往復運動部材の形状を
大幅に変更しない限り、その変形量は著しく増えてしま
う。一方、変形量を抑制・低減しようとしてその形状を
大幅に変更すると、概して往復運動部材が大型化し、往
復運動装置のコンパクト化が妨げられる。そこで、本発
明者は、この往復運動部材の軽量化と変形量の抑制・低
減に着眼した。つまり、そのような軽量化と変形量の抑
制・低減との両立という大きな設計自由度を与える往復
運動部材を提供し、往復運動装置の性能を一層向上させ
ることを考えた。そこで、そのような往復運動部材を提
供するに先立ち、先ず、次のような検討を行った。However, achieving both such a reduction in weight and suppression / reduction of the amount of deformation is
It used to be difficult. For example, in order to reduce the weight of the reciprocating member, it is conceivable to change the material thereof from steel to light alloy (such as aluminum alloy and titanium alloy). However, such a material change significantly reduces the rigidity (Young's modulus) to less than half, and unless the shape of the reciprocating member is significantly changed, the amount of deformation increases significantly. On the other hand, if the shape is drastically changed in order to suppress or reduce the amount of deformation, the reciprocating member generally increases in size, which hinders downsizing of the reciprocating device. Therefore, the present inventor has focused on reducing the weight of the reciprocating member and suppressing / reducing the amount of deformation. In other words, it was considered to provide a reciprocating member that provides a great degree of freedom in designing both weight reduction and suppression / reduction of the amount of deformation, and further improve the performance of the reciprocating device. Therefore, before providing such a reciprocating member, first, the following study was conducted.
【0007】(1)軽量化
前述したように、往復運動部材には大きな慣性力が作
用するため、その軽量化が望まれるところである。例え
ば、エンジンを例に取ると、ピストン(ピストン・リン
グ含む)とピストン・ピンとの往復慣性質量(合計)
m、ピストンのストローク2r、コネクティング・ロッ
ドの中心間距離lとすると、コネクティング・ロッドの
小端部に掛る慣性力Fの最大値は、mrω2(1+r/
l)となる。より具体的には、m=300g、r=80
mm、ω=733rad/s(7000rpm)、r/
l=0.25とすると、約F=16000Nとなる。仮
に、ピストン・ピンの慣性質量を1g軽量化できると、
約54Nもの慣性力の軽減となる。これは、コネクティ
ング・ロッドやクランク・シャフトに作用する力を軽減
でき、それらの軽量コンパクト化、さらには、エンジン
自体の軽量コンパクト化を図れることになる。しかも、
自動車や二輪車のようにエンジンの応答性(レスポン
ス)が重要視される場合、往復慣性質量の低減はそのレ
スポンスを一層向上させることができるので、燃費面や
感性面でもエンジンの性能向上となる。(1) Weight Reduction As described above, since a large inertial force acts on the reciprocating member, weight reduction is desired. For example, taking an engine as an example, the reciprocating inertia mass between the piston (including the piston ring) and the piston pin (total)
Assuming that m is m, the stroke of the piston is 2r, and the distance between the centers of the connecting rods is 1, the maximum value of the inertial force F applied to the small end of the connecting rod is mrω 2 (1 + r /
l). More specifically, m = 300 g, r = 80
mm, ω = 733 rad / s (7000 rpm), r /
When 1 = 0.25, approximately F = 16000N. If the inertia mass of the piston / pin could be reduced by 1g,
The inertial force is reduced by about 54N. This can reduce the force acting on the connecting rod and the crank shaft, and make them lighter and more compact, and further, the engine itself can be made lighter and more compact. Moreover,
When the response of the engine is important like in automobiles and motorcycles, the reduction of the reciprocating inertial mass can further improve the response, so that the performance of the engine is also improved in terms of fuel consumption and sensitivity.
【0008】ところが、前述したように、変形を考慮
すると往復運動部材の軽量コンパクト化を図ることは、
従来困難であった。これは、往復運動部材の軽量化には
低密度の材料を利用することが有効であるが、従来の材
料を用いる限り、密度ρの低下は、ヤング率Eの低下も
意味していたからである。具体的には、図1に示すよう
に、密度ρの低下とヤング率Eとの低下は略比例関係に
あり、従来の金属材料では比ヤング率E/ρに殆ど差が
なかったからである。従って、この密度ρとヤング率E
との関係を破る新規な材料が得られれば、往復運動部材
の軽量化と変形量の抑制・低減との両立を図ることも可
能となり、また、設計自由度の大きな往復運動部材を提
供できることになる。例えば、ヤング率Eが大きけれ
ば、密度ρが従来と同程度であっても、変形を考慮しつ
つ往復運動部材の軽量コンパクト化を図ることができ
る。However, as described above, in consideration of the deformation, it is possible to reduce the weight and size of the reciprocating member.
It used to be difficult. This is because it is effective to use a low-density material for reducing the weight of the reciprocating member, but as long as a conventional material is used, a decrease in the density ρ also means a decrease in the Young's modulus E. Specifically, as shown in FIG. 1, the decrease in the density ρ and the decrease in the Young's modulus E are in a substantially proportional relationship, and there is almost no difference in the specific Young's modulus E / ρ in the conventional metal material. Therefore, this density ρ and Young's modulus E
If a new material that breaks the relationship with is obtained, it is possible to achieve both weight reduction of the reciprocating member and suppression / reduction of the amount of deformation, and to provide a reciprocating member having a large degree of design freedom. Become. For example, if the Young's modulus E is large, even if the density ρ is about the same as the conventional one, it is possible to reduce the weight and size of the reciprocating member while considering the deformation.
【0009】(2)変形
往復運動部材には、前述の慣性力以外にも種々の力が
作用するから、その変形も多様である。例えば、伸縮、
撓み、捻り、座屈等の変形がある。そして、運動精度の
確保や他部材との干渉防止等の観点から、往復運動部材
の変形量が規制されることが多い。ここでは、エンジン
の往復運動部材であるピストン・ピン、コネクティング
・ロッド、ロッカー・アームを一例として取上げ、これ
らの変形について具体的に説明する。(2) Deformation Since various forces act on the reciprocating member in addition to the inertial force described above, its deformation is also diverse. For example, stretch,
There are deformations such as bending, twisting and buckling. The amount of deformation of the reciprocating member is often regulated from the viewpoint of ensuring the motion accuracy and preventing interference with other members. Here, a piston pin, a connecting rod, and a rocker arm, which are reciprocating members of the engine, are taken as an example, and their modifications will be specifically described.
【0010】(a)ピストン・ピン
ピストン・ピンは、ピストンとコネクティング・ロッド
の小端部とを連結する部材であり、一般的には円筒状の
部材である。そして、ピストン・ピンもピストンと共
に、エンジン回転数に応じて高速で往復運動する往復運
動部材である。ピストン・ピンの変形として、例えば、
図8(イメージ図)のような撓みを考えることができ
る。図8のような変形をする場合として、ピストン頂面
が上死点付近で大きな爆発力を受けたときや逆に下死点
付近でピストンに下向きの慣性力が作用しているときが
考えられる。勿論、排気行程から吸入工程に変る上死点
付近では、ピストン・ピンが逆向きに撓むことも考えら
れる。いずれにしろ、上・下死点付近でピストン・ピン
に大きな曲げモーメントが作用し、ピストン・ピンには
撓みを生じると考えられる。この撓みがあまり大きくな
りすぎると、ピストンのピンボス内周面とピストン・ピ
ン外周面との間で、接触や面圧分布が不均一になり早期
摩耗やスカッフを起す。また、ピストンのピンボスに大
きな2次応力が及ぶため、そのピンボス部の補強が必要
になり、ピストンの重量増加を招いてしまう。(A) Piston Pin The piston pin is a member that connects the piston and the small end of the connecting rod, and is generally a cylindrical member. The piston pin and the piston are reciprocating members that reciprocate at high speed according to the engine speed. As the deformation of the piston pin, for example,
Deflection as shown in FIG. 8 (image diagram) can be considered. As a case of deformation as shown in FIG. 8, it is considered that the piston top surface receives a large explosive force near the top dead center or, conversely, a downward inertial force acts on the piston near the bottom dead center. . Of course, in the vicinity of the top dead center where the exhaust stroke changes to the intake stroke, the piston pin may bend in the opposite direction. In any case, it is considered that a large bending moment acts on the piston pin near the top and bottom dead centers and the piston pin is bent. If this deflection becomes too large, the contact and surface pressure distribution between the inner peripheral surface of the pin boss of the piston and the outer peripheral surface of the piston / pin become non-uniform, causing early wear and scuffing. Further, since a large secondary stress is applied to the pin boss of the piston, it is necessary to reinforce the pin boss portion, resulting in an increase in weight of the piston.
【0011】次に、このピストン・ピンの撓み量δにつ
いて材料力学的に検討してみる。ピストン・ピンの撓み
量δは曲げ剛性EI(E:縦弾性係数(ヤング率)、
I:断面2次モーメント(=π(d0 4−d1 4)/6
4)、d0:ピストン・ピンの外径、d1:ピストン・ピ
ンの内径)に反比例するから、曲げ剛性EIを増大させ
ることにより撓み量δを低減できる。つまり、断面2次
モーメントI若しくはヤング率Eを増大させれば良い。Next, the amount of flexure δ of the piston pin will be examined in terms of material dynamics. The flexure amount δ of the piston / pin is the flexural rigidity EI (E: longitudinal elastic modulus (Young's modulus),
I: Second moment of area (= π (d 0 4 −d 1 4 ) / 6
4), d 0 : outer diameter of piston pin, d 1 : inversely proportional to inner diameter of piston pin), so that bending amount EI can be reduced by increasing bending rigidity EI. That is, the second moment of area I or the Young's modulus E may be increased.
【0012】ここで、ピストン・ピンの断面2次モーメ
ントIを増大させることは、その外径d0を増大させる
ことを意味し、結果的にピストン・ピンの慣性質量の増
加を招く。その慣性質量が増加すると、ピストン・ピン
やコネクティング・ロッドに作用する慣性力も増加し、
その分、コネクティング・ロッドの補強が新たに必要と
なり、さらにコネクティング・ロッド等の重量増加も招
く。このように、形状面から曲げ剛性EIの増大を図る
ことは、一つの往復運動部材の重量(慣性質量)増加に
留まらず、それに関連する部材の重量増加まで招くの
で、好ましくない。Here, increasing the second moment of inertia I of the piston pin means increasing its outer diameter d 0 , resulting in an increase in the inertial mass of the piston pin. As its inertial mass increases, so does the inertial force acting on the piston pin and connecting rod.
As a result, it is necessary to reinforce the connecting rod and the weight of the connecting rod is increased. As described above, it is not preferable to increase the bending rigidity EI from the viewpoint of shape, because not only the weight (inertial mass) of one reciprocating member increases but also the weight of the member related thereto increases.
【0013】一方、ヤング率Eを増大させることも考え
られるが、ヤング率Eは原子間の結合力に関与した物質
固有の値である。このため、従来の鉄鋼材料である限
り、従来の合金化や熱処理等によりヤング率Eを実質的
に変化させることは困難である。従って、従来は、材料
面から曲げ剛性EIを増大させることも困難であった。
そこで、従来にない高ヤング率の材料を新たに開発し、
その材料をピストン・ピンに用いてその変形量を抑制・
低減することが望まれる。なお、特開平9−24287
2号公報等には、軽量高剛性のセラミック・ピストン・
ピンに関する記載がある。しかし、セラミック・ピスト
ン・ピンは、加工性、破壊靱性、熱伝達性等の点で金属
製ピストン・ピンに及ばず、信頼性の要求されるエンジ
ン部材として未だ実用的でない。On the other hand, although the Young's modulus E may be increased, the Young's modulus E is a value peculiar to the substance involved in the interatomic bonding force. For this reason, it is difficult to substantially change the Young's modulus E by conventional alloying, heat treatment, etc. as long as it is a conventional steel material. Therefore, conventionally, it was also difficult to increase the bending rigidity EI from the viewpoint of the material.
Therefore, we have newly developed a material with a high Young's modulus that has never existed before,
The material is used for the piston pin to suppress the amount of deformation.
It is desired to reduce. Incidentally, JP-A-9-24287
No. 2, etc., mentions a lightweight, high-rigidity ceramic piston
There is a description about pins. However, the ceramic piston pin is not as practical as an engine member requiring reliability because it is inferior to the metal piston pin in terms of workability, fracture toughness, heat transferability and the like.
【0014】(b)コネクティング・ロッド
コネクティング・ロッドは、ピストン(ピストン・ピ
ン)とクランク・シャフト(クランク・ピン)とを連結
する部材であり、ピストンが受けた爆発力をクランク・
シャフトに伝えて、往復運動を回転運動に変換する。そ
して、コネクティング・ロッドもエンジンの回転数に応
じて高速で往復運動するものである。コネクティング・
ロッドの変形として、爆発力・慣性力等の圧縮力・引張
力による伸縮を考えることができる。また、傾斜した状
態のコネクティング・ロッドにそれらの力が作用し、曲
げモーメントとなって撓みを生じることも考えられる。
さらに、比較的長いロッド部をもつため、変形の安定
性、つまり座屈(変形)も考慮しなければならないこと
がある。(B) Connecting Rod The connecting rod is a member that connects the piston (piston pin) and the crank shaft (crank pin), and the explosive force received by the piston
By transmitting to the shaft, reciprocating motion is converted into rotary motion. The connecting rod also reciprocates at high speed according to the engine speed. Connecting ·
As deformation of the rod, expansion and contraction due to compressive force and tensile force such as explosive force and inertial force can be considered. It is also conceivable that those forces act on the connecting rod in a tilted state, resulting in a bending moment and bending.
Furthermore, since the rod portion has a relatively long length, it is sometimes necessary to consider the stability of deformation, that is, buckling (deformation).
【0015】ここで、圧縮・引張りによる伸縮は剛性E
A(E:ヤング率、A:断面積)に反比例し、曲げモー
メントによる撓みは曲げ剛性EIに反比例する。さら
に、座屈も曲げ剛性EIが大きいほど座屈加重が増大
し、座屈に対して安定で座屈変形を起し難くなる。ま
た、剛性EA及び曲げ剛性EIを増大させれば、コネク
ティング・ロッドの変形を抑制・低減できるが、前述の
ピストン・ピンと同様に、形状面からそれらの増大を図
れば、コネクティング・ロッドの重量増加を招き、好ま
しくない。従って、材料面からそれらの剛性を増大させ
ることが望まれる。つまり、従来にない高ヤング率の材
料を新たに開発し、その材料をコネクティング・ロッド
に用いて、その変形量を抑制・低減することが望まれ
る。Here, the expansion and contraction due to compression and tension is the rigidity E
It is inversely proportional to A (E: Young's modulus, A: cross-sectional area), and bending due to a bending moment is inversely proportional to bending rigidity EI. Further, as for the buckling, the larger the bending rigidity EI, the more the buckling load increases, and the buckling becomes stable with respect to the buckling and the buckling deformation is less likely to occur. Further, if the rigidity EA and the bending rigidity EI are increased, the deformation of the connecting rod can be suppressed / reduced. However, similar to the piston pin described above, if they are increased from the aspect of shape, the weight of the connecting rod increases. Is not preferred. Therefore, it is desirable to increase their rigidity in terms of materials. In other words, it is desired to newly develop a material having a high Young's modulus that has never existed before and use the material for the connecting rod to suppress or reduce the amount of deformation.
【0016】(c)ロッカー・アーム
ロッカー・アームは、バルブと共にエンジンの回転数に
応じて高速で往復運動する往復運動部材である。そして
ロッカー・アームは、カムの動き(プロフィール)をバ
ルブ(バルブ・ステム・エンド)に伝達して、バルブの
開閉を行う。このバルブは、カムシャフトの回転角θに
対してその移動量(リフト量)hがμm単位で制御され
ものである。そして、その運動(移動量、移動速度、加
速度等)がエンジン性能に直接影響するため、非常に高
精度な運動が要求される。仮に、ロッカー・アームの撓
み量が増えて、バルブのリフト量制御が不正確になる
と、エンジンの性能低下等を招く。さらに、バルブ・ジ
ャンプやバウンシング等を起し、バルブの耐久性等の低
下も招きかねない。従って、ロッカー・アームは、バル
ブに正確な運動を伝達することが求められ、ロッカー・
アームの変形量は厳しく制限される。ロッカー・アーム
は、シーソ式であれ、スイング・アーム式であれ、主に
曲げモーメントが作用するので、曲げ剛性EIを増大さ
せて、その撓み量を低減させる必要がある。(C) Rocker Arm The rocker arm is a reciprocating member that reciprocates at high speed in accordance with the engine speed with the valve. Then, the rocker arm transmits the movement (profile) of the cam to the valve (valve stem end) to open and close the valve. In this valve, the movement amount (lift amount) h is controlled in μm units with respect to the rotation angle θ of the cam shaft. Then, since the motion (movement amount, moving speed, acceleration, etc.) directly affects the engine performance, very accurate motion is required. If the amount of flexure of the rocker arm increases and the valve lift amount control becomes inaccurate, the performance of the engine may be degraded. Further, valve jump or bouncing may occur, which may lead to deterioration of valve durability. Therefore, the rocker arm is required to transmit accurate movement to the valve,
The amount of arm deformation is severely limited. Whether the rocker arm is a seesaw type or a swing arm type, since a bending moment mainly acts, it is necessary to increase the bending rigidity EI and reduce the amount of bending.
【0017】ところが、形状面から曲げ剛性EIの増大
を図れば、前述したようにロッカー・アームの重量増加
となり、ロッカー・アームにさらに大きな慣性力が作用
することになるから好ましくない。従って、材料面から
それらの曲げ剛性EIを増大させることが望まれる。つ
まり、従来にない高ヤング率の材料を新たに開発し、そ
の材料をロッカー・アームに用いて曲げ剛性EIを高
め、その変形量を低減することが望まれる。However, if the bending rigidity EI is increased from the viewpoint of the shape, the weight of the rocker arm increases as described above, and a larger inertial force acts on the rocker arm, which is not preferable. Therefore, it is desirable to increase their flexural rigidity EI from the material standpoint. That is, it is desired to newly develop a material having a high Young's modulus which has never been obtained, and use the material for a rocker arm to increase the bending rigidity EI and reduce the amount of deformation thereof.
【0018】ここでは、曲げ剛性EIを中心に説明し
たが、ヤング率Eを増大させると横弾性係数G(G=E
/2(1+ν)、ν:ポアソン比)を増大させることに
なり、捻り剛性GIP(G:横弾性係数、IP:断面2次
極モーメント)を増大させることにもなる。従って、往
復運動部材に、さらに捻りモーメントが作用する場合で
も、往復運動部材の重量増加を招くことなく、その変形
量(捻れ角ψ)の低減を図れる。Although the bending rigidity EI has been mainly described here, when the Young's modulus E is increased, the lateral elastic modulus G (G = E) is obtained.
/ 2 (1 + ν), ν: Poisson's ratio) is increased, and the torsional rigidity GI P (G: lateral elastic modulus, I P : sectional second polar moment) is also increased. Therefore, even when a torsion moment is further applied to the reciprocating member, the amount of deformation (twist angle ψ) can be reduced without increasing the weight of the reciprocating member.
【0019】(3)強度
前述した剛性(ヤング率E)の他に、往復運動部材の
強度が問題となることもある。往復運動部材に作用する
応力(最大値)は、通常、ヤング率等には関係なく形状
のみによって決まるが、形状変更により作用応力の軽減
を図ろうとすると、往復運動部材の大型化や慣性質量の
増加等を招くことになり、好ましくない。従って、材料
面から許容応力(耐力)の増大を図ることが望まれる場
合がある。つまり、軽量、高ヤング率であると共に、耐
力の大きな材料、つまり比ヤング率や比強度の大きな材
料を新たに開発し、それを往復運動部材に用いて往復運
動部材の設計自由度を一層拡大させることが望まれる。(3) Strength In addition to the rigidity (Young's modulus E) described above, the strength of the reciprocating member may be a problem. The stress (maximum value) acting on the reciprocating member is usually determined only by the shape, regardless of Young's modulus, etc. However, if an attempt is made to reduce the acting stress by changing the shape, the reciprocating member becomes larger and the inertial mass It is not preferable because it causes an increase. Therefore, it may be desired to increase the allowable stress (proof stress) from the viewpoint of the material. In other words, in addition to being lightweight and having a high Young's modulus, a material with a large proof stress, that is, a material with a large specific Young's modulus and specific strength was newly developed and used as the reciprocating member to further expand the degree of freedom in designing the reciprocating member. It is desired to let
【0020】そこで、本発明者は、往復運動部材に最適
な材料、特に高剛性な材料を全く新規に開発すること
が、往復運動部材の設計自由度を拡大し、往復運動装置
の高性能化や軽量コンパクト化を図る上で不可欠である
と考えた。そして、一般的な金属材料中でヤング率Eの
最も大きい鉄系材料をベース材料に使用することが好適
であると考え、さらに検討および研究開発を行うことと
した。Therefore, the inventor of the present invention can develop a new optimum material for the reciprocating member, especially a highly rigid material, to expand the design freedom of the reciprocating member and improve the performance of the reciprocating member. I thought that it was indispensable for achieving light weight and compactness. Then, it was considered suitable to use an iron-based material having the largest Young's modulus E as a base material among general metal materials, and further investigation and research and development were conducted.
【0021】この研究開発に先立ち、本発明者は鉄系材
料をベースにした高剛性材料について調査を行ったとこ
ろ、数件の出願がされており、例えば、特開平5−23
9504号公報、特開平7−188874号公報等に関
連する開示がされていた。前者の公報には、炭化物や窒
化物等の強化粒子を鉄系マトリックス中に分散させて高
ヤング率化を図った鉄基複合材料が開示されている。し
かし、その鉄基複合材料は熱力学的安定性に欠ける強化
粒子(Ti(C、N)等)を用いているため、十分な高
ヤング率を得るまでには至っていない。また、シャルピ
ー衝撃値の記載はあるが、密度、強度等の記載はなく、
往復運動部材として実用的な材料であるか否かは不明で
ある。後者の公報には、熱的安定性に優れる二ホウ化チ
タン(TiB2)を強化粒子として高ヤング率化を図っ
た鉄基複合材料が開示されている。しかし、その公報に
は、ヤング率に関する記載しかなく、密度、強度等につ
いては何ら触れられていない。本発明者がこの公報に記
載の材料についてさらに調査したところ、軟質なフェラ
イト相をマトリックスとした場合には、耐力が十分でな
いことがあり弾性限度内では高ヤング率であっても、高
負荷を受ける往復運動部材では塑性変形を起こすことが
あることが解った。Prior to this research and development, the present inventor investigated a high-rigidity material based on an iron-based material, and found several applications. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 5-23
The disclosure related to Japanese Patent No. 9504, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-188874, etc. has been made. The former publication discloses an iron-based composite material in which reinforcing particles such as carbides and nitrides are dispersed in an iron-based matrix to achieve a high Young's modulus. However, since the iron-based composite material uses reinforcing particles (Ti (C, N) etc.) lacking thermodynamic stability, a sufficiently high Young's modulus has not been obtained. Also, although there is a description of Charpy impact value, there is no description of density, strength, etc.
It is unknown whether the material is a practical material for a reciprocating member. The latter publication discloses an iron-based composite material that has a high Young's modulus using titanium diboride (TiB2), which has excellent thermal stability, as reinforcing particles. However, the publication only mentions Young's modulus and does not mention density, strength or the like. The inventors further investigated the material described in this publication and found that when a soft ferrite phase was used as a matrix, the yield strength was not sufficient, and even if the Young's modulus was high within the elastic limit, a high load was applied. It was found that the reciprocating member that receives it may undergo plastic deformation.
【0022】本発明は、このような事情に鑑みて為され
たものある。つまり、往復運動部材(または、往復運動
部)として最適な高剛性(高ヤング率)の鉄基複合材料
を用いることにより往復運動部材の設計自由度の拡大、
往復運動装置の軽量コンパクト化、高性能化等を図るこ
とができる往復運動部材を提供することを目的とする。The present invention has been made in view of such circumstances. That is, by using an iron-based composite material having high rigidity (high Young's modulus) that is optimal as the reciprocating member (or reciprocating member), the degree of freedom in designing the reciprocating member can be increased.
An object of the present invention is to provide a reciprocating member capable of reducing the weight and size of the reciprocating device and improving its performance.
【0023】[0023]
【課題を解決するための手段】そこで本発明者は、この
課題を解決すべく鋭意研究し、各種系統的実験を重ねた
結果、往復運動部材に最適な高剛性の鉄基複合材料を新
たに開発・発見した。そして、この鉄基複合材料を用い
て、往復運動部材の設計自由度の拡大し、往復運動装置
の軽量コンパクト化、性能向上等を図れる往復運動部材
を開発するに至ったものである。Therefore, the present inventor has diligently studied to solve this problem, and as a result of repeating various systematic experiments, a new highly rigid iron-based composite material optimal for a reciprocating member has been newly developed. Developed and discovered. Using this iron-based composite material, a reciprocating member has been developed which can expand the design freedom of the reciprocating member, reduce the weight and size of the reciprocating device, and improve the performance.
【0024】すなわち、本発明の往復運動部材は、鉄を
主成分とし1〜5重量%の銅(Cu)を含むマトリック
ス相中に、4A族(チタン族)元素のホウ化物を主成分
とする強化相が全体を100体積%としたときに10〜
50体積%分散しており、ヤング率(縦弾性係数)Eが
230GPa以上で密度ρが7.5(103×Kg/
m3)以下である鉄基複合材料からなる高剛性部をもつ
ことを特徴とする。[0024] That is, the reciprocating member of the present invention, iron matrix <br/> scan phase containing copper (Cu) of 1 to 5 wt% as a main component, 4A group (titanium group) elements Hou of 10 to 10 when the total volume of the strengthening phase mainly containing a compound is 100% by volume.
50% by volume is dispersed , Young's modulus (longitudinal elastic modulus) E is 230 GPa or more, and density ρ is 7.5 (10 3 × Kg /
It is characterized by having a high-rigidity part made of an iron-based composite material having m 3 ) or less.
【0025】本発明の往復運動部材は、密度ρが7.5
(103×Kg/m3)以下という低密度でありながら、
ヤング率が230GPa以上という高剛性である高剛性
部を備えるため、往復運動部材の設計自由度が著しく拡
大し、その往復運動部材を用いた往復運動装置の軽量コ
ンパクト化、性能向上を図ることが著しく容易になっ
た。例えば、高剛性部のヤング率が高いことにより、往
復運動部材の重量増加や大型化を招くことなく、その変
形を低減でき、往復運動部材の運動精度等を向上させる
ことができる。しかも、高剛性部は低密度であるので、
往復運動部材の慣性質量の低減を図れ、しかも、慣性質
量の低減は慣性力の低減に繋がるので、往復運動部材の
一層の軽量コンパクト化も可能となる。The reciprocating member of the present invention has a density ρ of 7.5.
While having a low density of (10 3 × Kg / m 3 ) or less,
Since the high-rigidity portion having a high Young's modulus of 230 GPa or more is provided, the degree of freedom in designing the reciprocating member is remarkably increased, and the reciprocating device using the reciprocating member can be made lighter and more compact, and its performance can be improved. It's significantly easier. For example, since the high-rigidity portion has a high Young's modulus, the deformation of the reciprocating member can be reduced without increasing the weight and the size of the reciprocating member, and the motion accuracy of the reciprocating member can be improved. Moreover, since the high-rigidity part has a low density,
Since the inertial mass of the reciprocating member can be reduced, and the reduction of the inertial mass leads to a reduction in inertial force, the reciprocating member can be made even lighter and more compact.
【0026】ここで、ヤング率は縦弾性係数を指し、こ
れが230GPa未満では、材料面から往復運動装置の
高剛性化を図る上で不十分であり、往復運動部材の設計
自由度等が制限されるので好ましくない。さらに、鉄基
複合材料のヤング率が250GPa以上であると、往復
運動部材の軽量化等を図るうえでより好適である。これ
により、鉄基複合材料のヤング率が普通鋼のヤング率に
対して約2割以上増加したことになる。しかも、この鉄
基複合材料に一般的な鉄系部材の製造方法や条件等を用
いることにより、本発明に係る往復運動部材を製造し得
る。従って、ヤング率と製造性とのバランスに優れた往
復運動部材が得られることとなり、非常に好ましい。特
に、ヤング率が280GPa以上となると、一層好適で
ある。これにより、鉄基複合材料のヤング率が普通鋼の
ヤング率に対して約4割以上増加したことになる。しか
も、この鉄基複合材料に、一般的な鉄系部材と大差のな
い製造方法を用いて、その製造条件や製造設備等を多少
変更すれば、本発明に係る往復運動部材を製造し得る。
従って、ヤング率と製造性とのバランスに優れると共に
性能等をより重視した往復運動部材が得られ、格別に好
ましい。Here, the Young's modulus refers to the longitudinal elastic coefficient, and if it is less than 230 GPa, it is not sufficient to increase the rigidity of the reciprocating device from the material surface, and the degree of freedom in designing the reciprocating member is limited. It is not preferable because Further, when the Young's modulus of the iron-based composite material is 250 GPa or more, it is more suitable for reducing the weight of the reciprocating member. As a result, the Young's modulus of the iron-based composite material increased by about 20% or more with respect to the Young's modulus of ordinary steel. Moreover, the reciprocating member according to the present invention can be manufactured by using a general iron-based member manufacturing method, conditions and the like for this iron-based composite material. Therefore, a reciprocating member having an excellent balance between Young's modulus and manufacturability can be obtained, which is very preferable. Particularly, Young's modulus of 280 GPa or more is more preferable. As a result, the Young's modulus of the iron-based composite material increased by about 40% or more with respect to the Young's modulus of ordinary steel. Moreover, the reciprocating member according to the present invention can be manufactured by using a manufacturing method that is not largely different from that of a general iron-based member for this iron-based composite material and slightly changing the manufacturing conditions, manufacturing equipment, and the like.
Therefore, a reciprocating member having an excellent balance between Young's modulus and manufacturability and having more emphasis on performance and the like can be obtained, which is particularly preferable.
【0027】また、密度ρが7.5(103×Kg/
m3)を越えると、往復運動部材の慣性質量やそれに作
用する慣性力に関して従来の鉄鋼材料との差が実質的に
なくなり、往復運動部材および往復運動装置の軽量コン
パクト化を十分に図れず、また、往復運動部材の設計自
由度が制限されるので好ましくない。Further, the density ρ is 7.5 (10 3 × Kg /
m 3 ), the difference between the inertial mass of the reciprocating member and the inertial force acting on the reciprocating member substantially disappears, and the reciprocating member and the reciprocating device cannot be sufficiently reduced in weight and size, Further, the degree of freedom in designing the reciprocating member is limited, which is not preferable.
【0028】[0028]
【発明の実施の形態】以下に、往復運動部材および往復
運動装置の実施形態を挙げて、本発明を詳しく説明す
る。
(鉄基複合材料)
(1)強化相
本発明の往復運動部材の高剛性部は、鉄を主成分とする
マトリックス相中に、4A族(チタン族)元素のホウ化
物を主成分とする強化相を分散させた鉄基複合材料から
なる。これにより、高ヤング率と、低密度、さらには高
強度を得ている。強化相の主成分である4A族元素のホ
ウ化物は、4A族元素とホウ素が規則的に配置された結
晶構造を有し、共有性結合によって構成原子が強固に結
合しているものである。この構成原子の強固な結合力に
影響によって、そのホウ化物のヤング率は非常に大きく
なっている。しかも、4A族元素のホウ化物は、鉄合金
中で熱力学的に極めて安定であるため、異種元素の侵入
・置換、あるいは他の複合化合物の形成など、マトリッ
クス相の構成元素と反応して、結晶学的および冶金学的
な変化を生じることが殆どない。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be described in detail below with reference to embodiments of a reciprocating member and a reciprocating device. (Iron-based composite material) (1) Reinforcing phase The high-rigidity portion of the reciprocating member of the present invention comprises a matrix phase containing iron as a main component and a reinforcing phase containing a boride of a 4A group (titanium group) element as a main component. It is composed of an iron-based composite material in which is dispersed. As a result, high Young's modulus, low density, and high strength are obtained. The boride of the 4A group element, which is the main component of the strengthening phase, has a crystal structure in which the 4A group element and boron are regularly arranged, and the constituent atoms are firmly bonded by a covalent bond. The Young's modulus of the boride becomes very large due to the influence of the strong bonding force of the constituent atoms. Moreover, since the boride of the 4A group element is extremely thermodynamically stable in the iron alloy, it reacts with the constituent elements of the matrix phase, such as the invasion and substitution of different elements or the formation of other complex compounds, It produces few crystallographic and metallurgical changes.
【0029】従って、特殊な製法を用いなくとも、非常
に高ヤング率な鉄基複合材料が得られ、往復運動部材の
高剛性化を材料面から図ることができたと考えられる。
さらに、本発明の往復運動部材の高剛性部は、全体を1
00体積%としたときに10〜50体積%の強化相とこ
の強化相に対して60体積%以下の非マトリックス相相
とからなると好適である。4A族元素のホウ化物からな
る強化相に対して非マトリックス相(マトリックス相、
強化相以外)を一定割合以下とすることにより、鉄基複
合材料の靱性や延性を低下させることなく、より高ヤン
グ率の高い鉄基複合材料が得られたものである。そし
て、靱性、延性、ヤング率に優れた鉄基複合材料から高
剛性部が構成されることにより、往復運動部材の設計自
由度が一層拡大させることができた。Therefore, it is considered that an iron-based composite material having a very high Young's modulus was obtained without using a special manufacturing method, and the rigidity of the reciprocating member could be increased from the viewpoint of the material.
Further, the high-rigidity portion of the reciprocating member of the present invention has a total of 1
It is preferable that when it is set to 00% by volume, it is composed of 10 to 50% by volume of a strengthening phase and 60% by volume or less of a non-matrix phase phase with respect to this strengthening phase. The non-matrix phase (matrix phase,
By setting the content (other than the strengthening phase) to a certain ratio or less, an iron-based composite material having a higher Young's modulus can be obtained without lowering the toughness and ductility of the iron-based composite material. Further, since the high-rigidity portion is made of the iron-based composite material having excellent toughness, ductility, and Young's modulus, the degree of freedom in designing the reciprocating member can be further expanded.
【0030】非マトリックス相は、具体的には、4A族
元素のホウ化物以外のホウ化物(例えば、(Fe、C
r)2B)や4A族元素を含む金属間化合物(例えば、
(Fe、Cr)2Ti等のラーベス相)からなる。ここ
で、強化相が、10体積%未満では高剛性化の効果が得
られず、50体積%を超えるとホウ化物どうしの凝集
や、合体が生じ、鉄基複合材料の機械的特性が低下する
ので好ましくない。なお、強化相が全体を100体積%
としたときに強化相が20〜35体積%であると、得ら
れるヤング率と機械的特性のバランスがよく、また既存
設備で対応可能な実用的な製造性を有するため、より好
ましい。また、非マトリックス相が強化相に対して60
体積%を越えると、鉄基複合材料中での4A族元素のホ
ウ化物を主成分とする強化相が相対的に減少し、鉄基複
合材料のヤング率が低下するとともに、マトリックス相
が硬化若しくは脆化して好ましくない。The non-matrix phase is specifically a boride other than a boride of a Group 4A element (eg (Fe, C
r) 2 B) or an intermetallic compound containing a Group 4A element (for example,
(Fe, Cr) 2 Ti or other Laves phase). Here, if the reinforcing phase is less than 10% by volume, the effect of increasing the rigidity cannot be obtained, and if it exceeds 50% by volume, the boride aggregates or coalesces to reduce the mechanical properties of the iron-based composite material. It is not preferable. The strengthening phase is 100% by volume
When the reinforcing phase is 20 to 35% by volume, the obtained Young's modulus and mechanical properties are well-balanced, and practical manufacturability that can be accommodated by existing equipment is obtained, which is more preferable. In addition, the non-matrix phase is 60 times stronger than the strengthening phase.
When the content exceeds the volume%, the strengthening phase containing a boride of a Group 4A element as a main component in the iron-based composite material decreases relatively, the Young's modulus of the iron-based composite material decreases, and the matrix phase hardens or Embrittlement is not preferable.
【0031】一方、非マトリックス相が強化相に対して
40体積%以下であると、熱間加工性が大きく向上し、
より好ましい。強化相の主成分である4A族元素のホウ
化物には、4A族元素である、チタン(Ti)、ジルコ
ニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)のホウ化物の一種
以上が用いられる。ホウ化物は、単体としてのヤング率
が少なくとも250GPa以上であれば、強化相の分散
により十分に高ヤング率な鉄基複合材料が得られる。4
A族元素のホウ化物中でも、二ホウ化チタン(Ti
B2)は高ヤング率で熱的安定性に優れるので、強化相
の主成分として好適である。つまり、強化相が二ホウ化
チタン(TiB2)を主成分とし、非マトリックス相は
この二ホウ化チタン(TiB2)以外のホウ化物および
/またはチタン化合物を主成分とするものであると、好
適である。さらに、強化相を主に構成する4A族元素の
ホウ化物の粒径は、100μm以下、より好ましくは2
0μm以下であると、好適である。高ヤング率と共に、
靱性、延性等にも優れた鉄基複合材料が得られるからで
ある。On the other hand, when the non-matrix phase is 40% by volume or less with respect to the strengthening phase, the hot workability is greatly improved,
More preferable. As the boride of the 4A group element that is the main component of the strengthening phase, one or more boride of the 4A group element, titanium (Ti), zirconium (Zr), or hafnium (Hf), is used. If the Young's modulus of the boride as a simple substance is at least 250 GPa or more, an iron-based composite material having a sufficiently high Young's modulus can be obtained by dispersing the reinforcing phase. Four
Among the borides of Group A elements, titanium diboride (Ti
B 2 ) is suitable as the main component of the reinforcing phase because it has a high Young's modulus and excellent thermal stability. That is, when the strengthening phase contains titanium diboride (TiB 2 ) as the main component, and the non-matrix phase contains boride and / or titanium compound other than this titanium diboride (TiB 2 ) as the main component, It is suitable. Furthermore, the particle size of the boride of the Group 4A element mainly constituting the strengthening phase is 100 μm or less, and more preferably 2
It is suitable that it is 0 μm or less. With a high Young's modulus,
This is because an iron-based composite material having excellent toughness and ductility can be obtained.
【0032】(2)マトリックス相
本発明の往復運動部材を構成する鉄基複合材料は、鉄を
主成分とするマトリックス相中に4A族(チタン族)元
素のホウ化物を主成分とする強化相が分散したものであ
る。このマトリックス相は、純鉄あるいは鉄合金をマト
リックス(母材)とする。鉄合金には、フェライト系、
オーステナイト系、あるいはマルテンサイト系などがあ
る。(2) Matrix phase In the iron-based composite material constituting the reciprocating member of the present invention, the matrix phase containing iron as the main component contains the reinforcing phase containing the boride of Group 4A (titanium group) element as the main component. It is dispersed. This matrix phase uses pure iron or iron alloy as a matrix (base material). Ferrous alloys for iron alloys,
There are austenite type and martensite type.
【0033】マトリックス相は、マトリックス相全体
を100重量%としたときに炭素(C)の含有量が0.
5重量%以下であると、好適である。Cを0.5重量%
以下にすると、マトリックス相に分散される4A族元素
のホウ化物の熱力学的安定性がより保たれるようにな
る。すなわち、高温域でも、ホウ化物の4A族元素とC
とから炭化物や炭ホウ化物が形成されることが抑制さ
れ、4A族元素のホウ化物による高ヤング率化の効果を
最大限に引き出すことができるので、好ましい。逆に、
0.5重量%を越えると炭化物や炭ホウ化物の量が増
え、高剛性部が脆化して好ましくない。また、Cの含有
量を0.2重量%以下とするとより好ましく、さらにC
を実質的に含まないようにすると、一層好ましい。な
お、「実質的に」含まないとしたのは、不可避的な不純
物としてある程度含まれる場合もあるからである。The matrix phase has a carbon (C) content of 0.
It is preferably 5% by weight or less. 0.5% by weight of C
In the following case, the thermodynamic stability of the boride of Group 4A element dispersed in the matrix phase can be further maintained. That is, even in a high temperature range, the group 4A element of boride and C
The formation of carbides and carbon borides from these is suppressed, and the effect of increasing the Young's modulus by the boride of the 4A group element can be maximized, which is preferable. vice versa,
If it exceeds 0.5% by weight, the amount of carbides and carbon borides increases, and the high rigidity portion becomes brittle, which is not preferable. Further, it is more preferable that the content of C is 0.2% by weight or less, and further C
It is even more preferable that it is substantially free of. The reason why “substantially” is not included is that it may be included as an unavoidable impurity to some extent.
【0034】さらに、マトリックス相は、マトリック
ス相全体を100重量%としたとき、バナジウム
(V)、クロム(Cr)の1種以上を、その合計が2
5.0重量%以下含むと、好適である。これらの元素を
含むと、マトリックス相中においてより高ヤング率なB
CC構造のフェライトが安定化し、一層高ヤング率の鉄
基複合材料が得られ、往復運動部材の高剛性化を促進で
きるので、好ましい。但し、それらの元素が25.0重
量%を超えると、鉄との脆性化合物(シグマ相)が析出
してマトリックス相を脆化させるので、好ましくない。Further, the matrix phase contains one or more kinds of vanadium (V) and chromium (Cr) when the total amount of the matrix phase is 100% by weight.
It is suitable to contain 5.0% by weight or less. When these elements are included, B having a higher Young's modulus in the matrix phase is obtained.
Ferrite having a CC structure is stabilized, an iron-based composite material having a higher Young's modulus can be obtained, and high rigidity of the reciprocating member can be promoted, which is preferable. However, if the content of these elements exceeds 25.0% by weight, a brittle compound with iron (sigma phase) precipitates and embrittles the matrix phase, which is not preferable.
【0035】また、マトリックス相がV、Crを含むこ
とにより、窒化処理(例えば、タフトライド)等の表面
処理性が向上する。従って、高剛性部に表面処理を行う
ことにより、高剛性部の耐摩耗性も向上させることがで
き、フレッティング摩耗等を抑制・防止することができ
る。また、各種コーティング(TiN等)を施しても良
い。マトリックス相全体を100重量%としたとき、V
が0.1〜3重量%および/またはCrが0.5〜20
重量%であると、より好ましい。さらに、0.1〜3重
量%のVおよび/または0.5〜4重量%のCrを含有
すると、一層好ましい。特に、0.1〜3重量%のVと
0.5〜8重量%のCrとを同時に含有すると、格別に
好ましい。Further, since the matrix phase contains V and Cr, the surface treatment property such as nitriding treatment (eg, tufftride) is improved. Therefore, by subjecting the high-rigidity portion to the surface treatment, the wear resistance of the high-rigidity portion can be improved, and fretting wear or the like can be suppressed or prevented. Also, various coatings (TiN, etc.) may be applied. When the total matrix phase is 100% by weight, V
0.1 to 3 wt% and / or Cr 0.5 to 20
It is more preferable that the content is wt%. Further, it is more preferable to contain 0.1 to 3% by weight of V and / or 0.5 to 4% by weight of Cr. In particular, it is particularly preferable to contain 0.1 to 3% by weight of V and 0.5 to 8% by weight of Cr at the same time.
【0036】σ相やバナジウムと鉄との化合物相の生成
が抑制され、熱間加工時の割れや脆化を抑制・防止でき
る。さらに、表面硬度を安価な窒化処理等によって確保
し、耐摩耗性を向上させられる。窒化処理には、タフト
ライド等がある。窒化処理等により表面硬度を向上させ
ることにより、回転軸部材のフレティング摩耗等も防止
できる。Generation of the σ phase and the compound phase of vanadium and iron is suppressed, and cracking and embrittlement during hot working can be suppressed or prevented. Further, the surface hardness can be secured by an inexpensive nitriding treatment or the like, and the wear resistance can be improved. The nitriding treatment includes tuftride and the like. By improving the surface hardness by nitriding or the like, fretting wear of the rotary shaft member can be prevented.
【0037】また、マトリックス相は、マトリックス
相全体を100重量%としたときに、ニッケル(N
i)、コバルト(Co)の1種以上を、その合計が2
5.0重量%以下含むと、好適である。これらの元素を
含むと、マトリックス相にFCC構造のオーステナイト
を得ることができ、フェライトのみのマトリックス相に
比べ、靱性の向上が図れるので好ましい。但し、それら
の元素が25.0重量%を超えると、オーステナイト主
体のマトリックス相となり、フェライト主体のマトリッ
クス相に対しヤング率が低下するため、好ましくない。
なお、その合計を15重量%以下とすると、ヤング率を
大きく低下させることなく高靱性化を図れるため、より
好ましい。The matrix phase contains nickel (N) when the total amount of the matrix phase is 100% by weight.
i), one or more of cobalt (Co), the total of which is 2
It is suitable to contain 5.0% by weight or less. The inclusion of these elements is preferable because austenite with an FCC structure can be obtained in the matrix phase, and toughness can be improved as compared with the matrix phase containing only ferrite. However, if those elements exceed 25.0% by weight, a matrix phase mainly composed of austenite and a Young's modulus lower than that of the matrix phase mainly composed of ferrite are not preferable.
It is more preferable that the total amount be 15% by weight or less, because the toughness can be increased without significantly reducing the Young's modulus.
【0038】マトリックス相は、マトリックス相全体
を100重量%としたとき、銅(Cu)を0.2〜1
0.0重量%以下含むと、好適である。マトリックス相
がCuを含むと、マトリックス相の強度が向上するので
好ましい。特に、Cuが超微細整合析出すると、強度が
一層向上する。但し、Cuが0.2重量%未満だと、C
uの析出量が少なく、十分な強度の向上が望めないため
好ましくない。また、Cuが10.0重量%を超える
と、マトリックス相のヤング率の低下を招き、熱間加工
時に液相割れなどを起こし易くなり、好ましくない。こ
こで、Cuの含有量を5重量%以下とすると、ヤング率
の低下を抑制しつつ大幅な強度向上を図れ、より好まし
い。The matrix phase contains 0.2 to 1 of copper (Cu) when the entire matrix phase is 100% by weight.
It is suitable to contain 0.0% by weight or less. When the matrix phase contains Cu, the strength of the matrix phase is improved, which is preferable. In particular, if Cu is ultrafinely matched and precipitated, the strength is further improved. However, if Cu is less than 0.2% by weight, C
It is not preferable because the amount of precipitation of u is small and a sufficient improvement in strength cannot be expected. On the other hand, when the Cu content exceeds 10.0% by weight, the Young's modulus of the matrix phase is lowered, and liquid phase cracking is likely to occur during hot working, which is not preferable. Here, if the content of Cu is 5% by weight or less, it is more preferable that the Young's modulus is suppressed from being lowered and the strength is significantly improved.
【0039】さらに、Cuの含有量を1〜5重量%とす
ると、強度の向上とヤング率の低下の抑制との両立が図
れ、一層好ましい。なお、マトリックス相がCuを含む
状態には、Cuの固溶状態とε−Cu相の析出状態の両
方がある。Further, if the Cu content is 1 to 5% by weight, both improvement of strength and suppression of decrease in Young's modulus can be achieved at the same time, which is more preferable. The matrix phase containing Cu includes both a solid solution state of Cu and a precipitation state of ε-Cu phase.
【0040】マトリックス相は、マトリックス相全体
を100重量%としたときに、モリブデン(Mo)、ニ
オブ(Nb)、タンタル(Ta)、タングステン
(W)、ハフニウム(Hf)の1種以上の元素を、その
合計が10.0重量%以下含むことが好ましい。これら
の元素は、マトリックス相中で固溶、析出することによ
り、マトリックス相の強度を向上させるものであり、マ
トリックス相がそれらの元素を含むことにより、往復運
動部材の高剛性部の強度向上が図れるので好ましい。但
し、それらの元素量が10.0重量%を超えると多量の
析出物が生じてフェライト相が硬化し、マトリックス相
を脆化させるため好ましくない。なお、その合計を5重
量%以下とすると、生成する析出物が適量かつ微細とな
るため、マトリックス相を脆化させることなく高強度化
できるため、より好ましい。The matrix phase contains one or more elements of molybdenum (Mo), niobium (Nb), tantalum (Ta), tungsten (W), and hafnium (Hf) when the entire matrix phase is 100% by weight. It is preferable that the total content is 10.0 wt% or less. These elements improve the strength of the matrix phase by forming a solid solution and precipitation in the matrix phase, and the inclusion of these elements in the matrix phase improves the strength of the high rigidity portion of the reciprocating member. It is preferable because it can be achieved. However, if the amount of these elements exceeds 10.0% by weight, a large amount of precipitates are generated, the ferrite phase is hardened, and the matrix phase is embrittled, which is not preferable. It is more preferable that the total amount be 5% by weight or less, because the generated precipitates have an appropriate amount and become fine, and the strength can be increased without embrittlement of the matrix phase.
【0041】上述したように、マトリックス相は多種
多様な組成から構成することができるが、例えば、次の
ような組成からなるマトリックス相であると、往復運動
部材として特に好適である。つまり、マトリックス相
が、マトリックス相全体を100重量%としたときに、
0.5重量%以下の炭素(C)と、0.2〜10重量%
の銅(Cu)と、モリブデン(Mo)とニオブ(Nb)
とタングステン(W)とタンタル(Ta)とからなる金
属群から合計で10重量%以下の1種類以上の金属元素
と、バナジウム(V)とクロム(Cr)とからなる金属
群から合計で25重量%以下の1種類以上の金属元素
と、からなる元素群より選択された少なくとも1種類以
上の元素を含むと好適である。As described above, the matrix phase can be composed of a wide variety of compositions. For example, the matrix phase having the following composition is particularly suitable as the reciprocating member. That is, when the matrix phase is 100% by weight of the whole matrix phase,
0.5% by weight or less of carbon (C) and 0.2 to 10% by weight
Copper (Cu), molybdenum (Mo) and niobium (Nb)
25 weights in total from the metal group consisting of vanadium (V) and chromium (Cr), and one or more metal elements of 10 weight% or less in total from the metal group consisting of tungsten, tungsten (W) and tantalum (Ta) It is preferable to contain at least one element selected from the element group consisting of 1 or more kinds of metal elements of 1% or less.
【0042】また、マトリックス相が、マトリックス相
全体を100重量%としたときに、1〜5重量%の銅
(Cu)と、0.1〜3重量%のバナジウム(V)およ
び/または0.5〜4重量%のクロム(Cr)とを含
み、炭素を実質的に含まないか若しくは0.5重量%以
下含むと好適である。When the matrix phase is 100% by weight, the matrix phase is 1 to 5% by weight of copper (Cu), 0.1 to 3% by weight of vanadium (V) and / or 0.1% by weight. It is preferable that it contains 5 to 4% by weight of chromium (Cr) and contains substantially no carbon or contains 0.5% by weight or less.
【0043】(往復運動部材)
(1)比ヤング率E/ρ
本発明の往復運動部材の高剛性部は、ヤング率をE(G
Pa)、密度をρ(103×Kg/m3)としたときに比
ヤング率E/ρが30(×10-3GPa・m3/Kg)
以上であると、好適である。前述したように、低密度で
高ヤング率であると、慣性質量の低減により作用する慣
性力の低減を図れ、また往復運動部材の変形量の低減も
図れる。ここで、ヤング率Eと密度ρとを関連付けた比
ヤング率E/ρが高いと、次の点で好ましい。(Reciprocating member) (1) Specific Young's modulus E / ρ The high rigidity portion of the reciprocating member of the present invention has a Young's modulus of E (G
Pa) and the density is ρ (10 3 × Kg / m 3 ), the specific Young's modulus E / ρ is 30 (× 10 −3 GPa · m 3 / Kg)
The above is preferable. As described above, when the density is low and the Young's modulus is high, the inertial force acting can be reduced by reducing the inertial mass, and the deformation amount of the reciprocating member can be reduced. Here, a high specific Young's modulus E / ρ in which the Young's modulus E and the density ρ are related is preferable in the following point.
【0044】往復運動部材は、それ自身の慣性質量m
に比例する慣性力Fを受ける。この自己の慣性力Fによ
る変形量δ、その曲げ剛性EIとすると、変形量δはF
/EI、さらにはm/EIに比例する。往復運動部材の
体積をVとすると、δはρV/EI=(ρ/E)・(V
/I)に比例することになる。結局、往復運動部材自身
の慣性力による変形量δを低減するためには、形状面か
らはI/Vを、材料面からはE/ρを増大させれば良い
ことになる。従って、比ヤング率E/ρが高いと、材料
面から往復運動部材の軽量コンパクト化を図りつつその
変形量δを低減することができるので、非常に好まし
い。The reciprocating member has its own inertial mass m.
Receives an inertial force F proportional to. Assuming that the amount of deformation δ due to the inertial force F of the self and its bending rigidity EI, the amount of deformation δ is F
It is proportional to / EI, and further to m / EI. If the volume of the reciprocating member is V, δ is ρV / EI = (ρ / E) · (V
/ I). After all, in order to reduce the deformation amount δ due to the inertial force of the reciprocating member itself, it is sufficient to increase I / V from the shape surface and E / ρ from the material surface. Therefore, if the specific Young's modulus E / ρ is high, it is possible to reduce the amount of deformation δ of the reciprocating member while reducing the weight and size of the reciprocating member, which is very preferable.
【0045】また、往復運動部材の中には、高速で往
復運動する部材が多数あり、このような往復運動部材の
場合には、その固有振動数が問題となることがある。例
えば、エンジンなら、前述のロッカー・アーム、バル
ブ、バルブ・スプリング等の動弁系部材である。特に、
バルブ・スプリングなどでは高速時のサージングを防止
する必要がある。サージングが発生すると、バルブ・ジ
ャンプやバルブ・バウンス等を起し、バルブ・タイミン
グの乱調やバルブ・スプリングの折損等を招き兼ねな
い。そこで、通常、そのような動弁系の固有振動数は、
エンジンの最高回転数よりも十分な余裕をもった高い値
に設定されることが望まれる。In addition, among the reciprocating members, there are many members that reciprocate at high speed, and in the case of such reciprocating members, the natural frequency of them may be a problem. For example, in the case of an engine, the above-mentioned rocker arm, valve, valve spring, and other valve operating system members. In particular,
Valves and springs need to prevent surging at high speed. When surging occurs, valve jumps, valve bounces, etc. may occur, which may lead to valve timing irregularities and valve spring breakage. Therefore, normally, the natural frequency of such a valve train is
It is desirable to set it to a high value with a sufficient margin above the maximum engine speed.
【0046】一般に部材の固有振動数は、材料と形状と
により決定されるが、材料面からは比ヤング率E/ρの
平方根(E/ρ)1/2 に比例することが知られている。
ところが、図1からも解るように、従来の材料では比ヤ
ング率E/ρを変化させることが殆どできなかったため
に、材料面から往復運動部材の固有振動数を調整・向上
させることは困難であった。ところが、本発明の往復運
動部材は比ヤング率E/ρの高い高剛性部を備えるため
に、その固有振動数を材料面から調整・向上させること
が容易となり、一層設計自由度の拡大した往復運動部材
を提供でき、格別に好ましい。なお、本発明の高剛性部
の比ヤング率E/ρが38(×10-3GPa・m3/K
g)以上であると、往復運動部材の設計自由度が一層拡
大して好ましい。Generally, the natural frequency of a member is determined by the material and the shape, but it is known from the material standpoint that it is proportional to the square root (E / ρ) 1/2 of the specific Young's modulus E / ρ. .
However, as can be seen from FIG. 1, it is difficult to adjust and improve the natural frequency of the reciprocating member from the material surface, because the specific Young's modulus E / ρ could hardly be changed with the conventional material. there were. However, since the reciprocating member of the present invention is provided with the high-rigidity portion having a high specific Young's modulus E / ρ, the natural frequency thereof can be easily adjusted and improved from the material side, and the reciprocating member having a greater degree of design freedom can be obtained. An exercise member can be provided, which is particularly preferable. The specific Young's modulus E / ρ of the high rigidity portion of the present invention is 38 (× 10 −3 GPa · m 3 / K).
When it is g) or more, the degree of freedom in designing the reciprocating member is further expanded, which is preferable.
【0047】(2)耐力
本発明の往復運動部材の高剛性部は、耐力(0.2%耐
力)が510MPa以上であると、好適である。本発明
の往復運動部材は、前述したように高ヤング率、低密度
であるので、従来になくその設計自由度の拡大等を図れ
たものである。これに加えて、高耐力であると、往復運
動部材の設計自由度がより拡大し、往復運動部材や往復
運動装置の軽量コンパクト化や往復運動装置の性能向上
をより一層図り易くなる。ここで、耐力は、「永久歪み
が0.2%となる応力」である0.2%耐力を指す。こ
れが510MPa未満だと、往復運動部材の設計自由度
が強度面から制限を受け、好ましくない。逆に、耐力が
600MPa以上であると、往復運動部材の設計自由度
がさらに拡大し、一層好ましい。(2) Proof Strength The high-rigidity portion of the reciprocating member of the present invention preferably has a proof stress (0.2% proof stress) of 510 MPa or more. Since the reciprocating member of the present invention has a high Young's modulus and a low density as described above, it is possible to expand the degree of freedom in design as never before. In addition to this, if the proof stress is high, the degree of freedom in designing the reciprocating member is further expanded, and the reciprocating member and the reciprocating device can be made lighter and more compact, and the performance of the reciprocating device can be further improved. Here, the proof stress refers to 0.2% proof stress, which is “stress at which permanent set becomes 0.2%”. If it is less than 510 MPa, the degree of freedom in designing the reciprocating member is limited in terms of strength, which is not preferable. On the contrary, when the proof stress is 600 MPa or more, the degree of freedom in designing the reciprocating member is further expanded, which is more preferable.
【0048】(3)往復運動部材
本発明の往復運動部材は、少なくとも一部が高剛性部
で構成されているピストン・ピンである、と好適であ
る。前述しように、ピストン・ピンは、ピストンとコネ
クティング・ロッドの小端部とを連結する部材である。
ピストンには、非常に大きな爆発力が作用し、さらに、
ピストンには大きな慣性力が作用する。特に、最近のエ
ンジンは燃焼効率改善による爆発圧力の上昇や高速回転
化が著しいので、ピストンに作用する力はより一層大き
くなっている。ところが、このピストンに作用する大き
な力は、通常、図8に示すような状態でピストン・ピン
からコネクティング・ロッドの小端部に伝達される。こ
のため、ピストン・ピンには非常に大きな曲げモーメン
トが作用することになる。この曲げモーメントによる撓
み量が大きくなると、ピストンのピンボス部等に大きな
2次応力を生じさせ得る。また、ピストンのピン穴内周
面とピストン・ピン外周面と摺動性が悪化し、早期摩耗
やスカッフ等の原因となりかねない。(3) Reciprocating member The reciprocating member of the present invention is preferably a piston pin at least a part of which is a high-rigidity portion. As mentioned above, the piston pin is a member that connects the piston and the small end of the connecting rod.
A very large explosive force acts on the piston, and further,
A large inertial force acts on the piston. Particularly, in recent engines, since the explosion pressure is increased and the rotation speed is increased due to the improvement of combustion efficiency, the force acting on the piston is further increased. However, the large force acting on the piston is normally transmitted from the piston pin to the small end of the connecting rod in the state shown in FIG. Therefore, a very large bending moment acts on the piston pin. If the amount of bending due to this bending moment increases, a large secondary stress may be generated in the pin boss portion of the piston or the like. Further, the slidability between the inner peripheral surface of the pin hole of the piston and the outer peripheral surface of the piston / pin may deteriorate, which may cause premature wear or scuffing.
【0049】しかし、ピストン・ピンが本発明の高剛性
部を備えると、ピストン・ピンの撓み量δを著しく低減
でき、ピストンとピストン・ピンとの間で、2次応力の
発生の抑制・低減や摺動性の改善を図れ得る。しかも、
高剛性部は低密度であるためにピストン・ピンの軽量化
も図れ、ピストン・ピン自体やピストン等を含めた慣性
質量の低減も図ることができる。これにより、往復運動
装置として、さらなる軽量化も図り得る。このように、
ピストン・ピンは本発明の往復運動部材として最適な実
施形態の一つである。However, if the piston pin is provided with the high-rigidity portion of the present invention, the flexure amount δ of the piston pin can be remarkably reduced, and the generation of secondary stress between the piston and the piston pin can be suppressed or reduced. The slidability can be improved. Moreover,
Since the high-rigidity portion has a low density, the weight of the piston pin can be reduced, and the inertial mass of the piston pin itself and the piston can be reduced. As a result, the weight of the reciprocating device can be further reduced. in this way,
The piston pin is one of the best embodiments as the reciprocating member of the present invention.
【0050】さらには、前述したように、本発明の高剛
性部は、鉄を主成分とするマトリックス相と4A族(チ
タン族)元素のホウ化物を主成分とする強化相とからな
り、高剛性、低密度に留まらず、強度、靱性に優れる。
さらには、セラミック・ピストン・ピンと異なり、本発
明の高剛性部を備えたピストン・ピンは生産性も良いか
ら量産化が容易である。従って、このような観点から
も、強度、信頼性、生産性等の向上が要求されるピスト
ン・ピンが本発明の高剛性部を備えると、好ましい。Further, as described above, the high rigidity portion of the present invention comprises a matrix phase containing iron as a main component and a reinforcing phase containing a boride of Group 4A (titanium group) element as a main component. Not only rigidity and low density, but also excellent strength and toughness.
Further, unlike the ceramic piston pin, the piston pin provided with the high-rigidity portion of the present invention has good productivity and can be easily mass-produced. Therefore, also from this point of view, it is preferable that the piston pin, which is required to have improved strength, reliability, and productivity, is provided with the high-rigidity portion of the present invention.
【0051】その他の具体的な往復運動部材
本発明の往復運動部材の一実施形態として、ピストン・
ピンを例示したが、本発明は、非常に多種多様な往復運
動部材に適用できる。例えば、エンジン系であれば、ロ
ッカー・アーム、バルブ、リテーナ(アッパ・スプリン
グ・シート)、コッタ(分割コレット)、バルブ・スプ
リング、バルブ・リフター、シム、ピストン(ロータリ
・エンジン用ロータを含む)、ピストン・ピン、ピスト
ン・リング、コネクティング・ロッド、プッシュ・ロッ
ド(OHV・エンジン等)、オイル・レギュレータのリ
リーフ・バルブ(調圧ピストン)等の往復運動部材があ
る。また、コンプレッサ・ピストン(例えば、自動車の
エアコン用)、燃料噴射ポンプ用プランジャ(ディーゼ
ル・エンジン等)、燃料噴射ノズル用ニードル・バルブ
(ディーゼル・エンジン等)、サスペンションのインナ
・シリンダー等の往復運動部材がある。Other Specific Reciprocating Member As one embodiment of the reciprocating member of the present invention, a piston
Although a pin is illustrated, the present invention is applicable to a wide variety of reciprocating members. For example, if it is an engine system, rocker arm, valve, retainer (upper spring seat), cotter (split collet), valve spring, valve lifter, shim, piston (including rotor for rotary engine), There are reciprocating members such as piston pin, piston ring, connecting rod, push rod (OHV, engine, etc.), oil regulator relief valve (pressure adjusting piston), etc. In addition, reciprocating members such as compressor pistons (for automobile air conditioners), fuel injection pump plungers (diesel engines, etc.), fuel injection nozzle needle valves (diesel engines, etc.), suspension inner cylinders, etc. There is.
【0052】さらには、工作機械の平削り盤、織機(特
に、綜絖、筬部分)、ミシン(特に、ニードル、テーブ
ル部分)、自動車等の空調用コンプレッサ(特に、ピス
トン部分)、プリンター(特に、ヘッド部分)等の往復
運動部材がある。いずれにしろ、高剛性化と軽量化との
向上が望まれるあらゆる往復運動部材に本発明を適用で
きる。Furthermore, planing machines for machine tools, looms (particularly, heddle and reed parts), sewing machines (particularly needles and table parts), air conditioning compressors (particularly piston parts) for automobiles, printers (particularly, There is a reciprocating member such as a head portion). In any case, the present invention can be applied to any reciprocating member for which high rigidity and lightweight improvement are desired.
【0053】(4)鉄基複合材料の製造方法
本発明の往復運動部材の高剛性部を形成する鉄基複合材
料は、次のように製造すると、好適である。
すなわち、鉄基複合材料の製造方法は、4A族元素の
ホウ化物粉末、4A族元素粉末およびホウ素粉末から原
料粉末を選択して4A族元素とボロンとの配合比率が原
子比で0.45〜0.80となるように調整された強化
相原料粉末と鉄を主成分とするマトリックス相原料粉末
とを混合する原料粉末混合工程と、この原料粉末混合工
程により混合された原料粉末から圧密成形体を得る圧密
成形工程と、この成形工程により得られた成形体を焼結
して焼結体を得る焼結工程とからなると、好適である。(4) Iron-based composite material manufacturing method The iron-based composite material forming the high-rigidity portion of the reciprocating member of the present invention is preferably manufactured as follows. That is, in the method for manufacturing an iron-based composite material, a raw material powder is selected from a boride powder of a 4A group element, a 4A group element powder, and a boron powder, and the compounding ratio of the 4A group element and boron is 0.45 in atomic ratio. A raw material powder mixing step of mixing a strengthening phase raw material powder adjusted to be 0.80 and a matrix phase raw material powder containing iron as a main component, and a compact compact from the raw material powder mixed in this raw material powder mixing step It is preferable that the method includes a consolidation molding step for obtaining the above and a sintering step for sintering the molded body obtained by this molding step to obtain a sintered body.
【0054】強化相は、強化相原料粉末に予め含まれる
4A族元素のホウ化物粉末により形成されても良いが、
混合された4A族元素粉末とホウ素原料粉末とが焼結工
程で反応し、そこで生成される4A族元素のホウ化物に
より形成されても良い。4A族元素とボロンとの配合比
率が原子比で0.45〜0.80に調整されることによ
り、ホウ化鉄や4A族元素の金属間化合物からなる非マ
トリックス相の形成が抑制され、鉄基複合材料の高ヤン
グ率を図り易い。強化相原料粉末は、市販の粉末を用い
ることができるが、4A族元素のホウ化物粉末はその平
均粒径が数μm以下の粉末であると、好ましい。その粒
径が大きいときは、ボールミル、振動ミル、アトライタ
等の装置により粉砕しておくと良い。The strengthening phase may be formed by a boride powder of a Group 4A element contained in advance in the strengthening phase raw material powder,
The mixed 4A group element powder and the boron raw material powder may react with each other in the sintering step, and may be formed by a boride of the 4A group element generated therein. By adjusting the compounding ratio of the 4A group element and boron to an atomic ratio of 0.45 to 0.80, formation of a non-matrix phase composed of iron boride or an intermetallic compound of the 4A group element is suppressed, and iron It is easy to achieve a high Young's modulus of the base composite material. A commercially available powder can be used as the reinforcing phase raw material powder, but the boride powder of the 4A group element is preferably a powder having an average particle size of several μm or less. When the particle size is large, it may be crushed by a device such as a ball mill, a vibration mill, or an attritor.
【0055】マトリックス相原料粉末は、純鉄や鉄合金
の粉末であり、市販の粉末を用いることができる。例え
ば、アトマイズ法により作製された純鉄粉、ステンレス
粉末等を用いることができる。マトリックス相原料粉末
の平均粒径は、180μm以下、さらには45μm以下
であると、より好ましい。平均粒径を45μm以下とす
ると、焼結体の緻密化が一層促進される。The matrix phase raw material powder is powder of pure iron or iron alloy, and commercially available powder can be used. For example, pure iron powder, stainless powder, or the like produced by the atomizing method can be used. The average particle size of the matrix phase raw material powder is more preferably 180 μm or less, further preferably 45 μm or less. When the average particle size is 45 μm or less, densification of the sintered body is further promoted.
【0056】原料粉末混合工程は、マトリックス相原料
粉末と強化相原料粉末とを均一に混合する工程である
が、特殊な混合方法や前処理を行う必要はなく、通常の
粉末混粉装置を利用できる。例えば、V型、ダブルコー
ン型等の混粉機、ボールミル、あるいは振動ミルを利用
するば良い。なお、強化相原料粉末として、4A族元素
のホウ化物粉末を用いる場合に、その粉末が二次粒子等
を形成するときは、不活性ガス雰囲気中でアトライタ等
の高エネルギーミルを用いて粉砕処理すると良い。The raw material powder mixing step is a step of uniformly mixing the matrix phase raw material powder and the reinforcing phase raw material powder, but it is not necessary to perform a special mixing method or pretreatment, and a normal powder mixing apparatus is used. it can. For example, a powder mill such as a V type or a double cone type, a ball mill, or a vibration mill may be used. When a boride powder of a Group 4A element is used as the strengthening phase raw material powder and the powder forms secondary particles or the like, it is pulverized using a high energy mill such as an attritor in an inert gas atmosphere. Good to do.
【0057】圧密成形工程には、例えば、金型成形、C
IP成形等を用いることができる。また、成形圧力を2
00MPa以上とすると、圧密成形体およびその焼結体
の緻密化が十分に行われるので、好ましい。In the consolidation forming step, for example, die forming, C
IP molding or the like can be used. In addition, the molding pressure is 2
When the pressure is 00 MPa or more, the compacted body and the sintered body thereof are sufficiently densified, which is preferable.
【0058】焼結工程は、真空中若しくは不活性ガスや
還元性ガス雰囲気中でなされると、好ましい。マトリッ
クス相中の鉄の酸化を防止若しくは抑制できるからであ
る。焼結工程は、1100〜1300℃の加熱温度で行
うと、好ましい。1100℃未満では十分な密度の焼結
体が得られず、また、1300℃を超えると形成される
ホウ化物の種類によって多量の液相を生じ、焼結体の形
状を維持できない場合があるからである。加熱時間は、
0.5〜4時間であると、好ましい。0.5時間未満で
は焼結体の密度が十分に向上せず、4時間を超えるとエ
ネルギー効率が良くないからである。The sintering step is preferably performed in vacuum or in an atmosphere of inert gas or reducing gas. This is because the oxidation of iron in the matrix phase can be prevented or suppressed. The sintering step is preferably performed at a heating temperature of 1100 to 1300 ° C. If the temperature is lower than 1100 ° C, a sintered body having a sufficient density cannot be obtained, and if the temperature is higher than 1300 ° C, a large amount of liquid phase is generated depending on the type of boride formed, and the shape of the sintered body may not be maintained. Is. The heating time is
It is preferably 0.5 to 4 hours. This is because if the time is less than 0.5 hours, the density of the sintered body is not sufficiently improved, and if the time exceeds 4 hours, the energy efficiency is not good.
【0059】また、鉄基複合材料の製造方法は、鉄を
主成分とするマトリックス相原料と4A族元素とボロン
との配合比率が原子比で0.45〜0.80となる強化
相原料とを溶解させる溶解工程と、この溶解工程により
溶解した原料を鋳型に注湯して鋳塊を成形する鋳造工程
とからなると、好適である。強化相原料には、例えば、
フェロチタン、フェロジルコニウム、フェロボロン等が
ある。Further, the method for producing an iron-based composite material comprises: a matrix phase raw material containing iron as a main component; and a strengthening phase raw material having an atomic ratio of the group 4A element and boron of 0.45 to 0.80. It is preferable to have a melting step of melting the molten steel and a casting step of pouring the raw material melted by the melting step into a mold to form an ingot. For the strengthening phase raw material, for example,
Examples include ferro titanium, ferro zirconium, and ferro boron.
【0060】溶解工程は、例えば、セラミックス製るつ
ぼを用いた高周波誘導真空溶解炉、アルゴンアーク溶解
炉、プラズマ溶解炉、水冷銅るつぼを用いた高周波誘導
真空溶解炉あるいは高周波誘導浮遊溶解炉等の従来から
ある溶融設備を用いることができる。For the melting step, for example, a high frequency induction vacuum melting furnace using a ceramic crucible, an argon arc melting furnace, a plasma melting furnace, a high frequency induction vacuum melting furnace using a water-cooled copper crucible, or a high frequency induction floating melting furnace is used. Melt equipment can be used.
【0061】さらに、前記の焼結工程や鋳造工程後
に、焼結体や鋳塊に熱間加工を施す熱間加工工程を行う
と、それらを略真密度まで緻密化することができるの
で、好適である。例えば、鋼塊の場合、この熱間加工に
より内部に生成したポロシティを低減でき、さらには強
化相のホウ化物(二ホウ化チタン(TiB2)等)を微
細化することができる。これにより、鉄基複合材料の強
度、靱性、延性等の向上を図ることができる。Furthermore, if a hot working step of hot working the sintered body or ingot is performed after the above-mentioned sintering step or casting step, it is possible to densify them to a substantially true density, which is preferable. Is. For example, in the case of a steel ingot, the porosity generated inside by this hot working can be reduced, and further, the boride (titanium diboride (TiB2), etc.) in the strengthening phase can be miniaturized. Thereby, the strength, toughness, ductility, etc. of the iron-based composite material can be improved.
【0062】熱間加工工程として、例えば、熱間鍛造、
熱間圧延、熱間押出し、熱間スェージング加工等があ
る。また、この熱間加工は、900〜1200℃の範囲
で行われると、好ましい。900℃未満では加工時の変
形抵抗が大きく、1200℃を超えると液相化を生じる
おそれがあるからである。また、焼結体を緻密化する場
合には、熱間加工工程に代り、焼結工程後にHIP(熱
間静水圧プレス)処理を施しても良い。例えば、このH
IP処理は、900〜1200℃、500〜2000気
圧、1〜10時間の条件で行うと、好ましい。このよう
に、本発明で用いた鉄基複合材料は、通常の粉末冶金、
溶融、鋳造方法を利用して製作することができ、また、
従来の設備を利用して製作できる。従って、生産性の向
上やコスト低減を図り易い材料でもある。As the hot working step, for example, hot forging,
There are hot rolling, hot extrusion, hot swaging, etc. In addition, this hot working is preferably performed in the range of 900 to 1200 ° C. This is because if it is lower than 900 ° C, the deformation resistance at the time of processing is large, and if it exceeds 1200 ° C, liquid phase may occur. In the case of densifying the sintered body, HIP (hot isostatic pressing) treatment may be performed after the sintering step instead of the hot working step. For example, this H
The IP treatment is preferably performed under the conditions of 900 to 1200 ° C., 500 to 2000 atmospheric pressure, and 1 to 10 hours. As described above, the iron-based composite material used in the present invention is a conventional powder metallurgy,
It can be manufactured using the melting and casting methods.
It can be manufactured using conventional equipment. Therefore, it is also a material that is easy to improve productivity and reduce cost.
【0063】[0063]
【実施例】本発明の往復運動部材の実施例として、次の
ような往復運動部材を取上げて具体的に説明する。
(往復運動部材)
(1)ピストン・ピン、コネクティング・ロッド、ピス
トン
先ず、エンジンのシリンダー内に配設される往復運動部
材として、図2に示すピストン・ピン300、コネクテ
ィング・ロッド400、ピストン500について説明す
る。EXAMPLE The following reciprocating member will be specifically described as an example of the reciprocating member of the present invention. (Reciprocating member) (1) Piston pin, connecting rod, piston First, as the reciprocating member disposed in the cylinder of the engine, the piston pin 300, the connecting rod 400, and the piston 500 shown in FIG. explain.
【0064】ピストン・ピン
ピストン・ピン300は、図2および図3に示すよう
に、ピストン500とコネクティング・ロッド400の
小端部410を連結する中空円筒状部材である。そし
て、このピストン・ピン300を介して、ピストン50
0に作用する爆発力や慣性力がコネクティング・ロッド
400に伝えられる。前述したように、ピストン・ピン
300には、ピストン500の受ける燃焼圧力と慣性力
とによる大きな曲げモーメントが作用するが、ピストン
・ピン300が本発明の高剛性部からなると、変形の低
減を図れるので、好ましい。また、ピストン・ピン30
0が軽量化でき、それ自身による慣性力の低減も図れ、
好ましい。Piston Pin The piston pin 300 is a hollow cylindrical member that connects the piston 500 and the small end portion 410 of the connecting rod 400, as shown in FIGS. 2 and 3. Then, through the piston pin 300, the piston 50
The explosive force and inertial force acting on 0 are transmitted to the connecting rod 400. As described above, a large bending moment acts on the piston pin 300 due to the combustion pressure and inertial force received by the piston 500. However, when the piston pin 300 is made of the high rigidity portion of the present invention, the deformation can be reduced. Therefore, it is preferable. Also, the piston pin 30
0 can be made lighter, and its own inertial force can be reduced.
preferable.
【0065】さらに、本発明の高剛性部が、強度、靱
性、耐疲労性等に優れると、繰返し応力を受けるピスト
ン・ピン300の寿命、信頼性が増し一層好ましい。例
えば、本発明の高剛性部は450〜750MPaの疲労
強さをもつため、ピストン・ピン300として十分に使
用できる。なお、ピストン500のピン穴511とピス
トン・ピン300の外周部310との摺動性、耐摩耗性
等を向上させるために、その外周部310の表面は研磨
又はラップ仕上を施すと良い。また、ピストン・ピン3
00は、コネクティング・ロッド400の小端部410
に圧入し、半浮動式(セミ・フロー式)とした。部品点
数が少なく、コスト面、騒音面で優位だからである。勿
論、全浮動式、固定式としても良い。Furthermore, if the high-rigidity portion of the present invention is excellent in strength, toughness, fatigue resistance, etc., the life and reliability of the piston pin 300 that is subjected to repeated stress will increase, which is more preferable. For example, since the high rigidity portion of the present invention has a fatigue strength of 450 to 750 MPa, it can be sufficiently used as the piston pin 300. In addition, in order to improve slidability, wear resistance, etc. between the pin hole 511 of the piston 500 and the outer peripheral portion 310 of the piston pin 300, the surface of the outer peripheral portion 310 may be polished or lapped. Also, piston pin 3
00 is the small end 410 of the connecting rod 400.
Pressed into to make it a semi-floating type (semi-flow type). This is because it has a small number of parts and is superior in terms of cost and noise. Of course, the floating type or the fixed type may be used.
【0066】ピストン・ピン300は軽量化を図るため
に中空円筒状としたが、その内周部320の中央部32
2は、肉厚とした。小端部410の取付けによる変形抑
制と中央部で曲げモーメントが最大となるからである。
逆に、曲げモーメントが比較的小さい、両端部内周部3
20はテーパー内面321とした。The piston pin 300 has a hollow cylindrical shape in order to reduce the weight, but the central portion 32 of the inner peripheral portion 320 thereof.
2 was the wall thickness. This is because deformation is suppressed by attaching the small end portion 410 and the bending moment is maximized in the central portion.
On the contrary, the inner peripheral portion 3 at both ends, which has a relatively small bending moment
20 is a tapered inner surface 321.
【0067】コネクティング・ロッド
コネクティング・ロッド400は、図2および図4に示
すように、円環状の小端部410、I型断面のロッド部
420、円環状の大端部430、キャップ・ボルト45
0およびナット460とからなる。コネクティング・ロ
ッド400は、ピストン500に作用する爆発力をクラ
ンク・シャフト200のクランク・ピン230に伝達
し、ピストン500の往復運動をクランク・シャフト2
00の回転運動に変換するものである。As shown in FIGS. 2 and 4, the connecting rod 400 includes an annular small end portion 410, an I-shaped cross-section rod portion 420, an annular large end portion 430, and a cap bolt 45.
0 and nut 460. The connecting rod 400 transmits the explosive force acting on the piston 500 to the crank pin 230 of the crank shaft 200, and the reciprocating motion of the piston 500 is transmitted to the crank shaft 2.
It is converted into a rotary motion of 00.
【0068】そして、ピストン500はピストン・ピン
300を介して小端部410に連結され、小端部410
はロッド部420を介して大端部430に連結され、さ
らにその大端部430はクランク・ピン230に連結さ
れている。小端部410とピストン・ピン300との間
はセミ・フロー式であるため、小端部410の内周面に
は軸受(ブッシュ)を設けなかったが、大端部430の
内周面には半割型インサート式のコンロッド・ベアリン
グ431を設けた。また、一体鍛造成形のクランク・シ
ャフト200を用いたので、組付け性を確保するために
大端部430は水平分割式とした。そして、それらの連
結を高強度リーマ・ボルトであるキャップ・ボルト45
0とナット460で行った。The piston 500 is connected to the small end portion 410 via the piston pin 300, and the small end portion 410
Is connected to a large end 430 via a rod portion 420, and the large end 430 is further connected to a crank pin 230. Since a semi-flow type is used between the small end portion 410 and the piston pin 300, a bearing (bush) is not provided on the inner peripheral surface of the small end portion 410, but it is formed on the inner peripheral surface of the large end portion 430. Provided a half insert type connecting rod bearing 431. Further, since the integrally forged crank shaft 200 is used, the large end portion 430 is of a horizontal split type in order to secure the assembling property. Then, connect them with a cap bolt 45 which is a high strength reamer bolt.
0 and nut 460.
【0069】なお、組付型クランク・シャフトを用いた
場合には、いわゆる眼鏡型コネクティング・ロッドとす
ることができる。また、ロッド部の形状はより曲げ剛性
の大きなH型でも良い。さらに、大端部430の肩部4
35に、適宜、ピストン500冷却用オイル・ジェット
穴を設けると良い。このようなコネクティング・ロッド
400も、高速で往復運動を行うものである。そして、
通常、ピストン等よりも慣性質量が大きく、コネクティ
ング・ロッド400(特に、小端部410側)自身に作
用する慣性力も大きい。そこで、このコネクティング・
ロッド400が本発明の高剛性部からなると、慣性質量
の低減を図れて、コネクティング・ロッド400の軽量
コンパクト化のみならず、エンジンのレスポンスも良好
になる。When an assembled crank shaft is used, a so-called eyeglass-type connecting rod can be used. Further, the shape of the rod portion may be an H shape having a larger bending rigidity. Further, the shoulder 4 of the large end 430
35, an oil jet hole for cooling the piston 500 may be appropriately provided. Such a connecting rod 400 also reciprocates at high speed. And
In general, the inertial mass is larger than that of a piston or the like, and the inertial force acting on the connecting rod 400 (particularly on the small end portion 410 side) itself is also large. So, this connecting
When the rod 400 is made of the high-rigidity portion of the present invention, the inertial mass can be reduced, and not only the connecting rod 400 can be made lightweight and compact, but also the engine response can be improved.
【0070】さらに、本発明の高剛性部からなるコネク
ティング・ロッド400は、軽量であると共に高剛性で
あるため、軽量コンパクト化を図りつつその変形や座屈
を抑制できる。従って、非常に設計自由度の大きなコネ
クティング・ロッドが得られる。さらに、本発明の高剛
性部が、強度、靱性、耐疲労性等に優れると、繰返し応
力を受けるコネクティング・ロッド400の寿命、信頼
性が増し一層好ましい。また、本発明の高剛性部の鉄基
複合材料が鍛造性にも優れると、生産性の低下を招かず
好ましい。例えば、本発明の鉄基複合材料は変形抵抗が
中炭素鋼の1.1〜1.5倍であり、従来の鍛造設備で
良好な製品成形ができる。Further, since the connecting rod 400 of the present invention having a high rigidity portion is lightweight and has high rigidity, deformation and buckling of the connecting rod 400 can be suppressed while achieving weight reduction and compactness. Therefore, a connecting rod having a great degree of freedom in design can be obtained. Furthermore, if the high-rigidity portion of the present invention is excellent in strength, toughness, fatigue resistance, etc., the life and reliability of the connecting rod 400 that is subjected to repeated stress are increased, which is more preferable. Further, when the iron-based composite material of the high rigidity portion of the present invention is excellent in forgeability, it is preferable because productivity is not lowered. For example, the iron-based composite material of the present invention has a deformation resistance of 1.1 to 1.5 times that of medium carbon steel, and good product molding can be performed with conventional forging equipment.
【0071】ピストン
ピストン500は、気密性を保持しつつシリンダー内を
高速で往復運動し、爆発力をクランク・シャフト200
に伝えるものであり、図2および図5に示すように、略
有底筒状部材であり、ピン・ボス部510、スカート部
520、リング溝部530、ヘッド部540と、ストラ
ット580とからなる。ピン・ボス部510は、ピスト
ン・ピン300を支持するための軸受部であり、内側に
滑らかなピン穴511が搾設されている。そのピン穴5
11に前述のピストン・ピン300が挿通され、ピスト
ン500は回動自在に支持される。Piston The piston 500 reciprocates at high speed in the cylinder while maintaining airtightness, and the explosive force is applied to the crankshaft 200.
2 and 5, as shown in FIGS. 2 and 5, it is a substantially bottomed tubular member, and is composed of a pin / boss portion 510, a skirt portion 520, a ring groove portion 530, a head portion 540, and a strut 580. The pin boss portion 510 is a bearing portion for supporting the piston pin 300, and a smooth pin hole 511 is squeezed inside. The pin hole 5
The above-mentioned piston pin 300 is inserted through 11, and the piston 500 is rotatably supported.
【0072】スカート部520は、ピン・ボス部510
に対して直角方向下方に延び、ピストン500の首振り
を抑制し往復運動を安定化させるためのものである。こ
こでは、軽量性と騒音の低減を考慮してピン・ボス部5
10の方向を切り欠いたスリッパ・スカートとした。リ
ング溝部530は、スカート部520の上方の全周に位
置し、トップ・リング、セカンド・リング、オイル・リ
ングを填め込むための溝である。ヘッド部540は、リ
ング溝部530のさらに上方に位置する円盤状であり、
空気(混合気)の圧縮等を行い、また燃焼圧力を受ける
部分である。頂面には、バルブとの干渉を避けるため
に、三日月型のバルブ・リセスを形成してある。The skirt portion 520 has a pin / boss portion 510.
It extends downward in a direction perpendicular to, and serves to suppress the swing of the piston 500 and stabilize the reciprocating motion. Here, in consideration of lightness and reduction of noise, the pin / boss 5
A slipper skirt cut out in the 10 direction. The ring groove portion 530 is a groove that is located on the entire circumference above the skirt portion 520 and is used to fit the top ring, the second ring, and the oil ring. The head portion 540 is a disc-shaped member located above the ring groove portion 530,
This is the part that compresses air (air mixture) and receives combustion pressure. A crescent-shaped valve recess is formed on the top surface to avoid interference with the valve.
【0073】ストラット580は、ピストン500の熱
変形を抑制するために、ピストン500に取付けた(鋳
込んだ)補強部材である。これを設けることにより、ピ
ストン・クリアランスを小さくでき、ピストン寿命やエ
ンジンの静粛性、さらにはエンジンの出力性能の向上を
図れる。このようなピストン500は、高速で往復運動
するためピストン・ピン300等と同様に軽量であるこ
とが求められるが、その他にその変形が小さいことも求
められる。The strut 580 is a reinforcing member attached (cast) to the piston 500 in order to suppress thermal deformation of the piston 500. By providing this, the piston clearance can be reduced, and the life of the piston, the quietness of the engine, and the output performance of the engine can be improved. Since such a piston 500 reciprocates at high speed, it is required to be lightweight like the piston pin 300 and the like, but it is also required that its deformation is small.
【0074】ピストン500の変形には、熱膨張による
変形と慣性力や爆発力による変形とが主に考えられる。
前者の変形は、材質面の改良によっても抑制され得る
が、前述したストラット580等の補強部材によっても
その変形を抑制できる。後者の変形を抑制するために
は、形状面若しくは材料面から剛性を向上させることに
よって抑制できる。As the deformation of the piston 500, deformation due to thermal expansion and deformation due to inertial force or explosive force are mainly considered.
The former deformation can be suppressed by improving the material surface, but the deformation can also be suppressed by the reinforcing member such as the strut 580 described above. In order to suppress the latter deformation, it is possible to suppress it by improving the rigidity from the shape surface or the material surface.
【0075】ピストン500が本発明の高剛性部からな
ると、材料面から軽量コンパクト化と変形の低減を図れ
るので好ましい。特に、ストラット580が本発明の高
剛性部からなると、高剛性であるため、ピストン500
の変形を格別に抑制し易い。しかも、軽量であり好都合
である。なお、ピストン500を通常のアルミニウム合
金製とし、ストラット580のみを本発明の高剛性部か
らなるようにしても良い。これにより、一層軽量で変形
の少ないピストン・クリアランスの安定したピストン5
00が得られる。この場合は、ストラット580が、本
発明の往復運動部材に相当する。いずれにしろ、ストラ
ット580等が本発明の高剛性部を備えることにより、
それらの設計自由度を一層拡大させることができる。It is preferable that the piston 500 is composed of the high-rigidity portion of the present invention because it is possible to reduce the weight and size of the material and reduce the deformation. In particular, when the strut 580 is made of the high-rigidity portion of the present invention, the strut 580 has high rigidity, so that the piston 500
It is especially easy to suppress the deformation of. Moreover, it is lightweight and convenient. The piston 500 may be made of a normal aluminum alloy, and only the strut 580 may be made of the high rigidity portion of the present invention. As a result, the piston 5 is lighter and has less deformation and stable piston clearance.
00 is obtained. In this case, the strut 580 corresponds to the reciprocating member of the present invention. In any case, since the strut 580 and the like are provided with the high rigidity portion of the present invention,
The degree of freedom in designing them can be further expanded.
【0076】(2)動弁系部材
次に、動弁系の往復運動部材を一例に取上げ、本発明に
ついて具体的に説明する。動弁機構は、クランク・シャ
フトの回転をカム・シャフトに伝えてカム・シャフトを
駆動、回転させることにより、各シリンダのインテーク
・バルブとエキゾースト・バルブとを設計された適切な
時期に、点火順序に従って開閉させる機構である。図6
に示すようなロッカー・アーム710、コッタ720、
リテーナ730、バルブ750等により構成され、燃焼
室への混合気の導入と密閉、及び燃焼室から燃焼ガスの
排出を行なっている。(2) Valve Operating System Member Next, the present invention will be described in detail by taking a reciprocating member of the valve operating system as an example. The valve operating mechanism transmits the rotation of the crank shaft to the cam shaft to drive and rotate the cam shaft, so that the intake valve and the exhaust valve of each cylinder are designed at appropriate timings for ignition sequence. It is a mechanism that opens and closes according to. Figure 6
Rocker arm 710, cotter 720,
The retainer 730, the valve 750, etc. are used to introduce and seal the air-fuel mixture into the combustion chamber and to discharge the combustion gas from the combustion chamber.
【0077】ロッカー・アーム
ロッカー・アーム710は、カム600の動きをバルブ
・ステム・エンド751に伝えてバルブを開閉するもの
である。図6には、ロッカー・シャフト711に枢支さ
れ揺動するシーソ式を示した。勿論、一端がシリンダ・
ヘッドに支えられて揺動するスイング・アーム式であっ
ても良い。ロッカー・アーム710は、カム600のカ
ム面に摺接する摺接部712を一端に有し、他端にはバ
ルブ・ステム・エンド751を押圧すると共にタペット
・クリアランスを調整するためのアジャスト・スクリュ
713を有する。なお、摺接部712にニードル・ロー
ラ等を設けて、摩擦損失の低減をより図ることもでき
る。また、バルブ・ステム・エンド751に当接するア
ジャスト・スクリュ713の端面は表面硬化処理等によ
り耐摩耗性を向上させておくと良い。この略弓形をした
ロッカー・アーム710は、略中央のロッカー・シャフ
ト711を中心に高速で往復運動する。そして、慣性力
の低減や応答性の向上を図るために、慣性質量の低減が
要求される。さらに、正確なバルブ・タイミングを確保
するために、その変形が厳しく制限され、高剛性である
ことが望まれる。従って、ロッカー・アーム710が本
発明の高剛性部からなると、これらの要求を満たすこと
ができ、ロッカー・アーム710の設計自由度が一層拡
大するので非常に好ましい。Rocker Arm The rocker arm 710 transmits the movement of the cam 600 to the valve stem end 751 to open and close the valve. FIG. 6 shows a seesaw type pivotally supported by a rocker shaft 711 and swinging. Of course, one end is a cylinder
It may be a swing arm type which is supported by the head and swings. The rocker arm 710 has a sliding contact portion 712 that slidably contacts the cam surface of the cam 600 at one end, and presses the valve stem end 751 at the other end and adjust screw 713 for adjusting tappet clearance. Have. It is also possible to further reduce friction loss by providing a needle roller or the like in the sliding contact portion 712. Further, it is preferable that the end surface of the adjusting screw 713 that comes into contact with the valve stem end 751 has improved wear resistance by surface hardening treatment or the like. The substantially bow-shaped rocker arm 710 reciprocates at a high speed around a rocker shaft 711 in the substantially center. Then, in order to reduce the inertial force and improve the responsiveness, reduction of the inertial mass is required. Further, in order to ensure accurate valve timing, it is desired that its deformation is strictly limited and that it has high rigidity. Therefore, if the rocker arm 710 is made of the high rigidity portion of the present invention, these requirements can be satisfied, and the degree of freedom in designing the rocker arm 710 is further expanded, which is very preferable.
【0078】コッタおよびリテーナ
図6からコッタ720とリテーナ730とを取出し、そ
れらの全体を図7に示した。リテーナ730は、バルブ
・スプリング740のスプリング・アッパー・シートで
ある。リテーナ730は中央下方に膨らんだ円筒状部材
であり、中央にはコッタ720を配設するためのテーパ
ー状穴が設けられており、外周部でバルブ・スプリング
740の上端面と当接し、その中央部でバルブ・スプリ
ング740を内側から支持する。コッタ720は、2分
割された留金であり、その内側にはバルブ・ステム・エ
ンド751外周付近にある溝752に係止される突起が
設けられており、また、コッタ720の外側にはテーパ
ー面が形成されている。コッタ720は、バルブ・ステ
ム・エンド751の外周面とリテーナ730の内周面と
の間に配設され、バルブ750(バルブ・ステム・エン
ド751付近)とリテーナ730とを連結している。こ
れにより、リテーナ730を介してバルブ750は閉じ
る側に付勢されることになる。Cotter and Retainer The cotter 720 and the retainer 730 are taken out from FIG. 6, and the whole thereof is shown in FIG. The retainer 730 is a spring upper seat of the valve spring 740. The retainer 730 is a cylindrical member that bulges downward in the center, and a tapered hole for disposing the cotter 720 is provided in the center, and the retainer 730 abuts the upper end surface of the valve spring 740 at the outer peripheral portion and Part supports the valve spring 740 from the inside. The cotter 720 is a retainer that is divided into two parts, and a protrusion is provided inside the cotter 720 that engages with a groove 752 in the vicinity of the outer circumference of the valve stem end 751, and the outside of the cotter 720 is tapered. The surface is formed. The cotter 720 is disposed between the outer peripheral surface of the valve stem end 751 and the inner peripheral surface of the retainer 730, and connects the valve 750 (near the valve stem end 751) and the retainer 730. As a result, the valve 750 is biased to the closing side via the retainer 730.
【0079】これらコッタ720およびリテーナ730
も、高速で往復運動する部材であり、慣性質量の低減が
求められると共に剛性が要求される。従って、コッタ7
20および/またはリテーナ730が本発明の高剛性部
からなると、慣性力の低減、応答性の向上、変形の低減
が図れて好ましい。These cotter 720 and retainer 730
Is a member that reciprocates at high speed, and it is required to reduce inertial mass and rigidity. Therefore, cotter 7
It is preferable that the 20 and / or the retainer 730 are made of the high-rigidity portion of the present invention because the inertial force can be reduced, the responsiveness can be improved, and the deformation can be reduced.
【0080】バルブ
バルブは燃焼室を開閉するものであり、混合気を燃焼室
に導入するインテーク・バルブと燃焼ガスを燃焼室から
排出するエキゾースト・バルブとがある。いずれかに限
定されるものではないが、図6にはインテーク・バルブ
を示した。このバルブ750は、バルブ・ヘッド755
と、バルブ・ステム753と、バルブ・ステム・エンド
751とからなる。バルブ・ヘッド755は、ガスの流
動抵抗を小さくし、より軽量化を図るためにいわゆるチ
ューリップ型(燃焼室側が窪んだ形)をしている。シー
ト面756には、耐摩耗性を向上させるためにステライ
ド盛りがしてある。このバルブ・ヘッド755から上側
には、細長い柱状のバルブ・ステム753が延び、さら
にその先端が前述のバルブ・ステム・エンド751とな
る。バルブ750も高速で往復運動する部材であり、慣
性力の低減、応答性の向上等を図るために軽量であるこ
とが求められる。さらに、バルブ・ステム755は、細
長い柱状部材でもあるので、座屈荷重を高めること、つ
まり高剛性であることが求められる。そこで、バルブ7
50が本発明の高剛性部からなると、慣性質量の低減と
高剛性化を図ることができるので、好都合である。な
お、このバルブ750は、バルブ・ヘッド755とバル
ブ・ステム753とを一体的に製造し、全体を本発明の
高剛性部とした。しかし、これには限られず、いずれか
一方を本発明の高剛性部を備えた往復運動部材として製
作し、他方を別の耐熱合金等で製作しておき、両者を溶
接して一つのバルブとしても良い。以上、エンジンの往
復運動部材について、軽量化と高剛性化との観点から説
明したが、さらに次のことも言える。往復運動部材が本
発明の高剛性部をもつと、その高剛性部は熱的安定性の
高い強化相を備えた鉄基複合材料からなるため、高温下
においてもヤング率の低下が少なく、耐熱性にも優れる
ものとなる。つまり、高温特性の良好な往復運動部材が
得られる。The valve valve opens and closes the combustion chamber, and includes an intake valve for introducing the air-fuel mixture into the combustion chamber and an exhaust valve for discharging the combustion gas from the combustion chamber. Although not limited to any one, FIG. 6 shows an intake valve. This valve 750 is a valve head 755
And a valve stem 753 and a valve stem end 751. The valve head 755 has a so-called tulip shape (a shape in which the combustion chamber side is recessed) in order to reduce the flow resistance of gas and further reduce the weight. The seat surface 756 is provided with a steride deposit to improve wear resistance. An elongated columnar valve stem 753 extends from the valve head 755 to the upper side, and the tip thereof serves as the above-mentioned valve stem end 751. The valve 750 is also a member that reciprocates at high speed, and is required to be lightweight in order to reduce inertial force and improve responsiveness. Furthermore, since the valve stem 755 is also an elongated columnar member, it is required to increase the buckling load, that is, have high rigidity. So valve 7
It is advantageous that 50 is made of the high-rigidity portion of the present invention, because the inertial mass can be reduced and the rigidity can be increased. In this valve 750, the valve head 755 and the valve stem 753 were integrally manufactured, and the whole was made into the high rigidity portion of the present invention. However, the invention is not limited to this, and one of them is manufactured as a reciprocating member having the high-rigidity portion of the present invention, the other is manufactured with another heat-resistant alloy, etc., and both are welded to form one valve. Is also good. Although the reciprocating member of the engine has been described above from the viewpoints of weight reduction and high rigidity, the following can be said. When the reciprocating member has the high-rigidity part of the present invention, the high-rigidity part is made of an iron-based composite material having a reinforced phase with high thermal stability, so that the Young's modulus does not decrease even at high temperatures and heat resistance is high. It is also excellent in sex. That is, a reciprocating member having good high temperature characteristics can be obtained.
【0081】(ピストン・ピン)次に示す中空円筒状の
ピストン・ピンを本発明の鉄基複合材料(第1〜3実施
例)と従来の鉄鋼材料(比較例)とを用いて製造すると
共に、そのヤング率等を測定した。
(1)製造
第1実施例
ステンレス鋼粉末(SUS430:#330)、チタン
ホウ化物粉末(平均粒径4μm)、フェロチタン粉末
(#330)、フェロボロン粉末(#250)を、表1
に示す重量割合で配合すると共に均一に混合した(原料
粉末混合工程)。本実施例ではFe−Cr合金マトリッ
クス相中に20体積%(全体を100体積%として)の
チタンホウ化物粒子を主成分とする強化相を分散させて
鉄基複合材料を形成することを意図した。原料粉末混合
工程後、均一に混合した原料粉末を用いて冷間静水圧プ
レス(343MPa)により直径70mm、高さ210
mmの圧密成形体を得た(圧密成形工程)。この圧密成
形体を厚さ4mmのステンレス管中に脱気(0.13P
a程度)封入した。(Piston Pin) A hollow cylindrical piston pin shown below is manufactured using the iron-based composite material of the present invention (first to third embodiments) and a conventional steel material (comparative example). The Young's modulus and the like were measured. (1) Production First Example Stainless steel powder (SUS430: # 330), titanium boride powder (average particle size 4 μm), ferrotitanium powder (# 330), ferroboron powder (# 250) are shown in Table 1.
The ingredients were blended in a weight ratio shown in 1 and mixed uniformly (raw material powder mixing step). In the present example, it was intended to form an iron-based composite material by dispersing 20% by volume (based on 100% by volume) of the titanium boride particles as a main component in the Fe-Cr alloy matrix phase. After the raw material powder mixing step, the uniformly mixed raw material powder is used to perform cold isostatic pressing (343 MPa) to obtain a diameter of 70 mm and a height of 210.
A consolidation molded body of mm was obtained (consolidation molding process). The compacted body was degassed (0.13 P
About a)
【0082】この封入体を電気炉で加熱して焼結を行い
(1150℃×2時間)、それから高温のまま直ちに押
出して焼結体を得た(焼結工程)。この焼結体を油圧式
横型400tプレス機により、熱間押出しを行い、直径
25mm×1000mmの押出材を成形した(熱間加工
工程)。さらに、この押出材に切削、研削、研磨等の機
械加工を施して、外径φ21mm×長さ47.5mmの
ピストン・ピンを得た。なお、ピストンの内径は表2に
示すように、第1〜3実施例と比較例とは同一とし、第
4〜6実施例ではそれらの曲げ剛性が略等しくなるよう
に調整した。The enclosed body was heated in an electric furnace for sintering (1150 ° C. × 2 hours), and then immediately extruded at a high temperature to obtain a sintered body (sintering step). This sintered body was hot extruded by a hydraulic horizontal 400t press to form an extruded material having a diameter of 25 mm x 1000 mm (hot working step). Further, this extruded material was subjected to machining such as cutting, grinding and polishing to obtain a piston pin having an outer diameter of 21 mm and a length of 47.5 mm. As shown in Table 2, the inner diameter of the piston was the same in the first to third examples and the comparative example, and in the fourth to sixth examples, the bending rigidity thereof was adjusted to be substantially equal.
【0083】第2実施例
Fe−Cr合金マトリックス相中に30体積%(全体を
100体積%として)のチタンホウ化物粒子を主成分と
する強化相を分散させて鉄基複合材料を形成することを
意図した以外は、第1実施例と基本的に同様である。Second Example An iron-based composite material was formed by dispersing 30% by volume (100% by volume in total) of a reinforcing phase containing titanium boride particles as a main component in an Fe-Cr alloy matrix phase. Except as intended, it is basically the same as the first embodiment.
【0084】第3実施例
Fe−Cr合金マトリックス相中に46体積%(全体を
100体積%として)のチタンホウ化物粒子を主成分と
する強化相を分散させて鉄基複合材料を形成することを
意図した以外は、第1実施例と基本的に同様である。Third Example An iron-based composite material was formed by dispersing 46% by volume (total 100% by volume) of a strengthening phase containing titanium boride particles as a main component in an Fe-Cr alloy matrix phase. Except as intended, it is basically the same as the first embodiment.
【0085】第4実施例
第1実施例に対して表2に示すように内径のみ変化させ
たピストン・ピンである。Fourth Embodiment As shown in Table 2 with respect to the first embodiment, this is a piston pin in which only the inner diameter is changed.
【0086】第5実施例
第2実施例に対して表2に示すように内径のみ変化させ
たピストン・ピンである。Fifth Embodiment As shown in Table 2 in comparison with the second embodiment, this is a piston pin in which only the inner diameter is changed.
【0087】第6実施例
第3実施例に対して表2に示すように内径のみ変化させ
たピストン・ピンである。Sixth Embodiment As shown in Table 2 with respect to the third embodiment, this is a piston pin in which only the inner diameter is changed.
【0088】比較例
市販の高強度構造用鋼材(SNCM420:浸炭焼入れ
材)を素材として用いて、上述の実施例と同様に機械加
工を施し、表2に示す内径のピストン・ピンを得た。な
お、機械加工後、熱処理(浸炭焼入れ・焼戻し)を行い
表面ビッカース硬度を800HV、硬化深さを0.4m
mとした。Comparative Example A commercially available high-strength structural steel material (SNCM420: carburized and hardened material) was used as a raw material and machined in the same manner as in the above-mentioned Examples to obtain piston pins having inner diameters shown in Table 2. After machining, heat treatment (carburizing quenching / tempering) is performed to obtain a surface Vickers hardness of 800 HV and a hardening depth of 0.4 m.
m.
【0089】[0089]
【表1】 [Table 1]
【0090】[0090]
【表2】 [Table 2]
【0091】(2)材料特性の測定
上述の第1〜6実施例で製作した押出材と比較例で使用
した高強度構造用鋼(SNCM420)について、ヤン
グ率、密度、耐力、伸びの測定結果を表2に合わせて示
した。また、これらから求めた比ヤング率と比較例を基
準とした重量減少割合とを合わせて表2に示した。な
お、各実施例のヤング率、密度、耐力、伸びは次のよう
にして求めた。(2) Measurement of material properties Measurement results of Young's modulus, density, proof stress and elongation of the extruded materials produced in the first to sixth examples and the high strength structural steel (SNCM420) used in the comparative example Are also shown in Table 2. Table 2 also shows the specific Young's modulus obtained from these and the weight reduction rate based on the comparative example. The Young's modulus, density, proof stress, and elongation of each example were determined as follows.
【0092】(a)ヤング率
ヤング率を複合振動子法を用いて測定した。複合振動子
法とは、試験片(第1〜4実施例と比較例との高剛性
部)に水晶振動子を接着した複合振動子を製作し、この
複合振動子と水晶振動子との共振周波数の差から試験片
の固有振動数を求めて、ヤング率を評価する方法であ
る。(A) Young's modulus Young's modulus was measured by the composite oscillator method. The composite oscillator method is to manufacture a composite oscillator in which a crystal oscillator is bonded to a test piece (high rigidity portion of the first to fourth examples and the comparative example), and the resonance between the composite oscillator and the crystal oscillator is produced. This method evaluates Young's modulus by obtaining the natural frequency of the test piece from the difference in frequency.
【0093】(b)耐力
インストロン試験機を用いて測定した荷重−伸び線図か
ら0.2%耐力を求めた。インストロン試験機とは、イ
ンストロン(メーカ名)製の万能引張試験機であり、駆
動方式は電気モータ制御である。(B) Proof strength 0.2% yield strength was determined from the load-elongation diagram measured using an Instron tester. The Instron tester is a universal tensile tester manufactured by Instron (manufacturer name), and the drive system is electric motor control.
【0094】(c)密度
密度は、乾燥重量と水中重量との差から体積を求めて密
度を計算する水浸法(アルキメデス法)により求めた。(C) Density The density was determined by the water immersion method (Archimedes method) in which the volume is calculated from the difference between the dry weight and the weight in water to calculate the density.
【0095】(d)伸び
ここで「伸び」とは、破断伸びのことであり、破断時の
標点距離Lf と試験前の標点距離L0 とを用いて、破断
伸び=(Lf−L0)/L0 ×100(%)で表され
る。ここでは予め試験片にケガキを付して標点を定めて
おき、試験前後で標点間距離を測定して、L0とLfとを
求めた。(D) Elongation Here, "elongation" means elongation at break, and elongation at break = (L f using the gauge length L f at break and the gauge length L 0 before test. It is represented by −L 0 ) / L 0 × 100 (%). Here, the test piece was marked in advance to determine the reference points, the distance between the reference points was measured before and after the test, and L 0 and L f were obtained.
【0096】(3)圧環試験
上述の各実施例と比較例とについて圧環試験を行い、曲
げ荷重と歪みとの関係を測定した。第1〜3実施例と比
較例との測定結果を図10に、第4〜6実施例と比較例
との測定結果を図11に示す。なお、圧環試験は、図9
に示すようにして、各ピストン・ピンの上下から耐圧板
を介して油圧式10t万能試験機で圧縮して行った。こ
のときの曲げ荷重はその試験機のロードセルにより測定
し、また、歪みは各ピストン・ピンの内周面に貼付した
歪みゲージで測定した。(3) radial crushing test A radial crushing test was carried out on each of the above-mentioned examples and comparative examples to measure the relationship between bending load and strain. FIG. 10 shows the measurement results of the first to third examples and the comparative example, and FIG. 11 shows the measurement results of the fourth to sixth examples and the comparative example. The radial crush test is shown in FIG.
As shown in (1), compression was performed from above and below each piston pin through a pressure plate with a hydraulic 10t universal testing machine. The bending load at this time was measured by the load cell of the tester, and the strain was measured by the strain gauge attached to the inner peripheral surface of each piston pin.
【0097】(4)評価
ヤング率および比ヤング率
表2から解るように、本発明の実施例では、比較例に対
してヤング率が約10〜65%大きくなっている。そし
て、強化相が密度の小さな二ホウ化チタン(TiB2)
からなるので、二ホウ化チタン(TiB2)の体積率に
応じて、全体の密度が約10〜20%小さくなってい
る。その結果、比ヤング率E/ρで対比すると、実施例
は比較例に対して比ヤング率E/ρが約1.4〜2.0
倍と格別に向上している。(4) Evaluation Young's Modulus and Specific Young's Modulus As can be seen from Table 2, the Young's modulus of the example of the present invention is about 10 to 65% higher than that of the comparative example. Then, the strengthening phase is titanium diboride (TiB2) with a low density.
Therefore, the overall density is reduced by about 10 to 20% depending on the volume ratio of titanium diboride (TiB2). As a result, when compared with the specific Young's modulus E / ρ, the specific Young's modulus E / ρ is about 1.4 to 2.0 in the example.
It has doubled and improved.
【0098】変形
表1、表2からから解るように強化相の割合が増加する
程高ヤング率となっている。そして、図10から解るよ
うに、同形状である場合には、本発明の高剛性部を備え
たピストン・ピンはその撓み(歪み)が大きく減少し、
材料面からピストン・ピンの曲げ剛性を向上させること
ができたことが解る。しかも、表1から明らかなよう
に、曲げ剛性の向上と同時に軽量化も達成された。これ
から、往復運動部材の設計自由度が著しく拡大し、往復
運動装置の更なる性能向上と軽量コンパクト化とを図り
得る。As can be seen from the deformation tables 1 and 2, the Young's modulus becomes higher as the ratio of the strengthening phase increases. As can be seen from FIG. 10, in the case of the same shape, the piston pin provided with the high-rigidity portion of the present invention greatly reduces its deflection (distortion),
It can be seen from the material side that the bending rigidity of the piston / pin could be improved. Moreover, as is clear from Table 1, the bending rigidity was improved and at the same time the weight was reduced. From this, the degree of freedom in designing the reciprocating member can be remarkably expanded, and the reciprocating device can be further improved in performance and reduced in weight and size.
【0099】また、図11から解るように、従来と同等
の曲げ剛性とするのであれば、本発明の高剛性部を備え
たピストン・ピンは著しい軽量化(約35%の軽量化)
を達成している。さらに、この軽量化により慣性力の低
減を図れるから、それと連動する他部材の軽量コンパク
ト化も図れ、ひいては、往復運動装置全体の軽量コンパ
クト化も図り得る。Further, as can be seen from FIG. 11, if the bending rigidity is the same as the conventional one, the piston pin having the high rigidity portion of the present invention is remarkably lightweight (about 35% weight reduction).
Has been achieved. Further, since the inertial force can be reduced by this weight reduction, it is possible to reduce the weight and the size of other members that interlock with the inertial force, and further reduce the weight of the reciprocating device as a whole.
【0100】いずれにしても、本発明の高剛性部を備え
ると、高剛性であると共に軽量であるために、往復運動
部材の設計自由度が格別に拡大し、往復運動装置の軽量
コンパクト化、性能向上、設計自由度の拡大等を図り易
い。In any case, when the high-rigidity portion of the present invention is provided, since it has high rigidity and is lightweight, the degree of freedom in designing the reciprocating member is significantly increased, and the reciprocating device is made lightweight and compact. It is easy to improve performance and expand design flexibility.
【0101】[0101]
【発明の効果】本発明の往復運動部材は、高ヤング率で
あると共に低密度である鉄基複合材料からなるため、往
復運動部材の変形低減や慣性質量の低減が容易となる。
従って、往復運動部材の設計自由度が著しく拡大し、従
来になく多様な要求性能に応えられる往復運動部材や往
復運動装置を提供することが可能となった。Since the reciprocating member of the present invention is made of an iron-based composite material having a high Young's modulus and a low density, it is easy to reduce the deformation of the reciprocating member and the inertial mass.
Therefore, the degree of freedom in designing the reciprocating member has been remarkably expanded, and it has become possible to provide a reciprocating member and a reciprocating device capable of meeting various required performances that have not been available in the past.
【図1】各種金属材料の比ヤング率(E/ρ) を比較
した図である。FIG. 1 is a diagram comparing specific Young's moduli (E / ρ) of various metal materials.
【図2】本発明の実施例であるピストン・ピン、コネク
ティング・ロッド、ピストンを示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a piston pin, a connecting rod, and a piston that are embodiments of the present invention.
【図3】本発明の実施例であるピストン・ピンを示す断
面図である。FIG. 3 is a sectional view showing a piston pin according to an embodiment of the present invention.
【図4】本発明の実施例であるコネクティング・ロッド
を示す正面図である。FIG. 4 is a front view showing a connecting rod that is an embodiment of the present invention.
【図5】本発明の実施例であるピストンを示した図であ
り、同図(a)はそのピストンの底面図であり、同図
(b)は同図(a)に示したA−A断面図である。5 is a diagram showing a piston which is an embodiment of the present invention, FIG. 5 (a) is a bottom view of the piston, and FIG. 5 (b) is a line A-A shown in FIG. 5 (a). FIG.
【図6】本発明の実施例である動弁系の往復運動部材を
示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a reciprocating member of a valve train that is an embodiment of the present invention.
【図7】本発明の実施例であるコッタとリテーナとを示
す全体図である。FIG. 7 is an overall view showing a cotter and a retainer according to an embodiment of the present invention.
【図8】予想されるピストン・ピンの変形を示したイメ
ージ図である。FIG. 8 is an image diagram showing expected deformation of a piston pin.
【図9】ピストン・ピンの圧環試験を示した概略図であ
る。FIG. 9 is a schematic diagram showing a radial crush test of a piston pin.
【図10】本発明の第1〜3実施例と比較例との曲げ荷
重と歪みとの関係を表したグラフである。FIG. 10 is a graph showing the relationship between bending load and strain between the first to third examples of the present invention and the comparative example.
【図11】本発明の第4〜6実施例と比較例との曲げ荷
重と歪みとの関係を表したグラフである。FIG. 11 is a graph showing the relationship between bending load and strain between the fourth to sixth examples of the present invention and the comparative example.
300 ピストン・ピン 400 コネクティング・ロッド 500 ピストン 710 ロッカー・アーム 720 コッタ 730 リテーナ 750 バルブ 300 piston pins 400 connecting rod 500 pistons 710 rocker arm 720 cotter 730 retainer 750 valve
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI F16J 10/00 F16J 10/00 A (72)発明者 野々山 史男 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の1株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 斎藤 卓 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の1株式会社豊田中央研究所内 (56)参考文献 特開 平7−188874(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C22C 38/00 - 38/16 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI F16J 10/00 F16J 10/00 A (72) Inventor Fumio Nonoyama, Nagakute-cho, Aichi-gun, Aichi Nagakage-cho, Yokochi 41 1 share Company Toyota Central Research Laboratories (72) Inventor Taku Saito Aichi Prefecture Nagachite Town, Aichi-gun, Nagakage 1 41, Yokomichi Toyota Central Research Laboratories, Ltd. (56) Reference JP-A-7-188874 (JP, A) (58) ) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) C22C 38/00-38/16
Claims (8)
を含むマトリックス相中に、4A族(チタン族)元素の
ホウ化物を主成分とする強化相が全体を100体積%と
したときに10〜50体積%分散しており、ヤング率
(縦弾性係数)Eが230GPa以上で密度ρが7.5
(103×Kg/m3)以下である鉄基複合材料からなる
高剛性部をもつことを特徴とする往復運動部材。1. A main component of iron is 1 to 5% by weight of copper (Cu).
In the matrix phase containing , 4 % group (titanium group) boride as a main component of the strengthening phase is 100% by volume as a whole.
When dispersed , the Young's modulus (longitudinal elastic modulus) E is 230 GPa or more and the density ρ is 7.5.
A reciprocating member having a high-rigidity portion made of an iron-based composite material of (10 3 × Kg / m 3 ) or less.
(×10-3GPa・m3/Kg)以上である請求項1記
載の往復運動部材。2. The high rigidity portion has a specific Young's modulus E / ρ of 30.
The reciprocating member according to claim 1, wherein the reciprocating member is (× 10 −3 GPa · m 3 / Kg) or more.
510MPa以上である請求項1記載の往復運動部材。3. The reciprocating member according to claim 1, wherein the high-rigidity portion has a yield strength (0.2% yield strength) of 510 MPa or more.
体積%以下の非マトリックス相とからなる請求項1記載
の往復運動部材。Wherein said high-rigidity section, with respect to the reinforcing phase 60
The reciprocating member according to claim 1, wherein the reciprocating member is composed of a non-matrix phase of not more than volume%.
B2)を主成分とし、前記非マトリックス相は該二ホウ
化チタン(TiB2)以外のホウ化物および/またはチ
タン化合物を主成分とする請求項4記載の往復運動部
材。5. The strengthening phase is titanium diboride (Ti).
The reciprocating member according to claim 4, wherein B 2 ) is a main component, and the non-matrix phase is a boride other than the titanium diboride (TiB 2 ) and / or a titanium compound as a main component.
全体を100重量%としたときに、0.5重量%以下の
炭素(C)と、モリブデン(Mo)とニオブ(Nb)と
タングステン(W)とタンタル(Ta)とからなる金属
群から合計で10重量%以下の1種類以上の金属元素
と、バナジウム(V)とクロム(Cr)とからなる金属
群から合計で25重量%以下の1種類以上の金属元素
と、からなる元素群より選択された少なくとも1種類以
上の元素を含む請求項1記載の往復運動部材。6. The matrix phase contains 0.5% by weight or less of carbon (C), molybdenum (Mo), niobium (Nb), and tungsten (W) when the entire matrix phase is 100% by weight. One or more kinds of metal elements in total of 10% by weight or less from the metal group consisting of and tantalum (Ta) and one kind of metal elements in total of 25% by weight or less from the metal group consisting of vanadium (V) and chromium (Cr) The reciprocating member according to claim 1, comprising at least one kind of element selected from the element group consisting of the above metal elements.
全体を100重量%としたときに、0.1〜3重量%の
バナジウム(V)および/または0.5〜4重量%のク
ロム(Cr)とを含み、炭素を実質的に含まないか若し
くは0.5重量%以下含む請求項1記載の往復運動部
材。7. The matrix phase contains 0.1 to 3% by weight of vanadium (V) and / or 0.5 to 4% by weight of chromium (Cr), based on 100% by weight of the whole matrix phase. The reciprocating member according to claim 1, wherein the reciprocating member includes: and substantially no carbon or 0.5 wt% or less.
記高剛性部で構成されているピストン・ピンである請求
項1記載の往復運動部材。8. The reciprocating member according to claim 1, wherein the reciprocating member is a piston pin at least a part of which is composed of the high rigidity portion.
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