JP4452364B2

JP4452364B2 - Assembled camshaft

Info

Publication number: JP4452364B2
Application number: JP2000046761A
Authority: JP
Inventors: 永司小川
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2000-02-18
Filing date: 2000-02-18
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2020-02-18
Also published as: JP2001227619A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等に使用される内燃機関の部品の１つである、組立式カムシャフトに関する。
【０００２】
【従来の技術】
４サイクルの往復動作型内燃機関において、クランクシャフトの回転に同期して吸排気弁を開閉させるカムシャフトが設けられている。カムシャフトは、開閉させる吸排気弁に対応した数のカム部を有し、クランクシャフトから取り出された動力により、チェーンやタイミングベルト等を介して回転駆動されるようになっている。
【０００３】
ところで、従来、安価に製造できる等の理由により、カムシャフトは、一体鋳造により形成され、その後焼き入れ等の加工がなされていた。しかるに、近年においては、内燃機関の高性能化、小型軽量化の要求が高まり、カムシャフトも従来の一体鋳造品から、シャフト部としての中空の鋼管（以下中空シャフトとする。）に、合金鋼材や焼結材のカムロブを組み合わせた、いわゆる組立式カムシャフトが採用されるに至った。
【０００４】
このような組立式カムシャフトの例として、拡管タイプのカムシャフトがある（特開平１−１２５５０６号公報参照）。
【０００５】
また、特公昭５８−１３６０３号公報は、組立式カムシャフトを形成する方法として、焼結カムロブとシャフトとを焼結により拡散接合する方法が開示させている。なお、焼結カムロブとは、焼結体により形成されたカムロブをいう。
【０００６】
ここで、上記開示されている方法も含め、従来から使用されている中空シャフト部分の材質は、比較的安価であり、入手が容易な炭素鋼鋼管の一種であるＳＴＫＭ１３〜ＳＴＫＭ１５又は、Ｓ４５Ｃ（ＪＩＳ規格）等が用いられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、中空シャフトがこれらの材質であると、１１００〜１２００℃の焼結炉に入れて、中空シャフトと、焼結カムロブとを拡散接合により一体化する場合に、中空シャフトが高温に耐えられずに軟化することにより、シャフトの形が変形したり、出来上がり寸法がくるうという問題が生じる。また、高温に曝されることによりシャフトが軟化し、強度・硬さが低下するという問題もあった。
【０００８】
また、シャフト部分を中空ではなく、中実とすることにより強度を持たせることも可能であるが、中実シャフトを使用したカムシャフトは、中空シャフトを使用したカムシャフトに比べて、重量が増してしまい好ましくない。
【０００９】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、中空でありながら、高温に強く、焼結カムロブとの拡散接合時において、軟化や強度・硬さの低下を生じることのない中空カムシャフトを使用し、前記中空シャフトを有する組立式カムシャフトを提供することを主目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、請求項１において、中空シャフトと、焼結カムロブとを、拡散接合によって一体化させることにより形成される組立式カムシャフトにおいて、前記中空シャフトが、非調質鋼であることを特徴とする組立式カムシャフトを提供する。中空シャフトの材質に、非調質鋼を使用することにより、拡散接合時に生じる中空シャフトの軟化や強度・硬さの低下を防ぐことができるため、シャフトの変形や中空シャフトの破損、といった問題を解決することができ、さらに、中空構造であるため、重量の問題も生じることはないからである。
【００１１】
また、請求項２に示すように、前記非調質鋼が、少なくとも、炭素（Ｃ）０．３０〜０．５０重量％、ケイ素（Ｓｉ）０．３５重量％以下、マンガン（Ｍｎ）０．７０〜１．５０重量％、クロム（Ｃｒ）０．５０重量％以下、バナジウム（Ｖ）０．０５〜０．３０重量％を含有し、残部が鉄（Ｆｅ）および、不純物元素からなることが好ましい。
【００１２】
請求項３に記載するように、非調質鋼が、前記成分の他に、更に、鉛（Ｐｂ）０．１０重量％以下を含むことことがさらに好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を図を用いて具体的に説明する。
【００１４】
図１は、本発明に係る組立式カムシャフト３の一部切り欠き図である。本発明の組立式カムシャフト３は、中空シャフト１と、焼結カムロブ２とから形成されており、上記中空シャフト１に非調質鋼を用いたところに大きな特徴を有するものである。
【００１５】
前記中空シャフト１について説明する。上述したように本発明においては、中空シャフト１の材質を、非調質鋼としたところに特徴を有するものである。ここで、非調質鋼とは、シリコン（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）を主成分とし、必要に応じてクロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、あるいは銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）ホウ素（Ｂ）などを添加した鋼材を圧延のまま、又は焼ならしをして強さと高切欠靱性を得た高張力鋼である。本発明に係る非調質鋼は、特に限定されるものではなく、いかなる非調質鋼であってもよい。
【００１６】
中でも、少なくとも、炭素（Ｃ）０．３０〜０．５０重量％、ケイ素（Ｓｉ）０．３５重量％以下、マンガン（Ｍｎ）０．７０〜１．５０重量％、クロム（Ｃｒ）０．５０重量％以下、バナジウム（Ｖ）０．０５〜０．３０重量％を含有し、残部が鉄（Ｆｅ）および、不純物元素からなる非調質鋼が好ましい。
【００１７】
各構成元素及びその含有量を限定した理由は以下の通りである。
【００１８】
（炭素（Ｃ）０．３０〜０．５０重量％）
炭素（Ｃ）は、引張り強度を確保するのに有効な元素であり、そのためには、０．３０重量％以上の含有量が必要である。しかし、０．５０重量％を超える過大な含有量になると、粒内からフェライトが発生しにくくなり、非調質鋼の組成を調質鋼のそれに近づけることができなり、その結果、曲げ矯正性が低下するので、上限は０．５０重量％とした。
【００１９】
（ケイ素（Ｓｉ）０．３５重量％以下）
ケイ素（Ｓｉ）は、溶製時の脱酸剤として必要である。しかし、Ｓｉ含有量が過剰になると塑性加工時の脱炭を促すので含有量の上限は０．３５重量％とした。
【００２０】
（マンガン（Ｍｎ）０．７０〜１．５０重量％）
マンガン（Ｍｎ）は、疲労限度向上のために効果的な元素である。その効果を確実になし得るためには、下限を０．７０重量％としなければならない。しかし、過剰な添加はパーライト体積率を増加させるため曲げ矯正性が低下する。従って、Ｍｎ含有量の最適範囲は、０．７０〜１．５０重量％である。
【００２１】
（クロム（Ｃｒ）０．５０重量％以下）
クロム（Ｃｒ）は、疲労限界の向上には効果があるが、曲げ矯正性を劣化させる。従ってその上限を０．５０重量％とした。
【００２２】
（バナジウム（Ｖ）０．０５〜０．３０重量％）
バナジウム（Ｖ）は、パーライト中のフェライトを析出強化し、さらに炭化物を形成する元素である。従って、０．０５重量％以上のバナジウム（Ｖ）が必要である。しかし、過剰に添加すると切削性、強度ともに低下するので上限を０．３０重量％とした。
【００２３】
上記に挙げる各元素をそれぞれの最適範囲内で含有させることにより、熱に強くまた、引張り強度、疲労限度、表面硬さ等に優れた非調質鋼を形成することができ、組立式シャフトに用いる中空シャフトに好適である。
【００２４】
また、さらに前記非調質鋼が、前記成分の他に、鉛（Ｐｂ）０．１０重量％以下を含むことことがさらに好ましい。その理由を以下に示す。
【００２５】
（鉛（Ｐｂ）０．１０重量％以下）
鉛（Ｐｂ）は、非削性を向上する効果を有している。このため、鉛（Ｐｂ）を含有させることは好ましいが、鉛（Ｐｂ）の含有量が過剰になると鋼中の介在物が多くなり疲労限度が著しく低下する。従って、その含有量は、０．１０重量％以下であることが好ましい。
【００２６】
また、本発明の非調質鋼を製造する方法は、特に限定されるものではなく、いかなる方法であってもよく、例えば特開平７−１０２３４０号公報に開示されている方法がある。
【００２７】
【実施例】
以下の表１に本発明に係る非調質鋼の化学成分と従来の化学成分との比較を示す。
【００２８】
表１中の参考例１は、特開平７−１０２３４０号公報に開示されている「疲労特性に優れる非調質鋼」の化学成分であり、また参考例２は、特開平１１−６２９４３号公報に開示されている「軟窒化非調質クランク軸」の化学成分である。ここでは、用いることが可能である非調質鋼の例として表中に加えた。
【００２９】
【表１】

【００３０】
上記実施例１、２と比較例１（現行材）との焼結前後における硬さ（ＨＲＢ）、および組成を調査した。
【００３１】

【００３２】
（調査結果）
１、硬さ（ＨＲＢ）
炉通過後の硬さ（ＨＲＢ）を比較すると、比較例１に比べて、実施例１、２はそれぞれ１２．４ポイント、２０．１ポイント向上した。また、何れの材料も炉通過前後において硬さの変化は見られなかった。以下の表２に具体的数値をまとめる。
【００３３】
【表２】

【００３４】
２、組織
何れの材料とも、パーライト基地中にフェライトが析出した組織を呈した。比較例１は、炉通過前はフェライトがランダムに分散していたが、通過後はネットワーク状に析出し、炉通過前後で組織の変化が見らた。これに対し、実施例２は、炉通過前後で組織の変化はほとんど見られなかった。
【００３５】
以上の調査より、本発明の非調質鋼は、その硬さにおいて現行材より優れていることが分かり、またその組織は焼結炉を通過する前後においてほとんど変化が無く、組立式カムシャフトの中空シャフトとして好適であることが分かった。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は、中空シャフトと焼結カムロブとを、拡散接合によって一体化させることにより形成される組立式カムシャフトにおいて、前記中空シャフトが、非調質鋼であることを特徴とする組立式カムシャフトを提供するものである。したがって、中空シャフトの材質に非調質鋼を使用することにより、拡散接合時に生じる中空シャフトの軟化を防ぐことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る組立式カムシャフトの一部切欠図である。
【図２】本発明に係る組立式カムシャフトの断面図である。
【符号の説明】
１…中空シャフト、
２…焼結カムロブ、
３…組立式カムシャフト。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an assembled camshaft, which is one of the components of an internal combustion engine used in automobiles and the like.
[0002]
[Prior art]
A four-cycle reciprocating internal combustion engine is provided with a camshaft that opens and closes an intake / exhaust valve in synchronization with the rotation of the crankshaft. The camshaft has a number of cam portions corresponding to the intake / exhaust valves to be opened and closed, and is rotationally driven via a chain, a timing belt, and the like by power extracted from the crankshaft.
[0003]
By the way, conventionally, the camshaft has been formed by integral casting and then subjected to processing such as quenching for reasons that it can be manufactured at low cost. However, in recent years, the demand for higher performance and smaller size and weight of an internal combustion engine has increased, and the camshaft has been changed from a conventional integrally cast product to a hollow steel pipe (hereinafter referred to as a hollow shaft) as a shaft portion, and an alloy steel material. And so-called assembling camshafts, combined with sintered cam lobes, have come to be adopted.
[0004]
As an example of such an assembly type camshaft, there is a tube expansion type camshaft (see Japanese Patent Laid-Open No. 1-125506).
[0005]
Japanese Examined Patent Publication No. 58-13603 discloses a method of diffusion bonding a sintered cam lobe and a shaft by sintering as a method of forming an assembly type camshaft. The sintered cam lobe means a cam lobe formed of a sintered body.
[0006]
Here, the material of the hollow shaft part conventionally used including the method disclosed above is a relatively inexpensive and easily available type of carbon steel pipes STKM13 to STKM15 or S45C (JIS). Standard) is used.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the hollow shaft is made of these materials, when the hollow shaft and the sintered cam lobe are integrated by diffusion bonding in a sintering furnace at 1100 to 1200 ° C., the hollow shaft cannot withstand high temperatures. As a result of the softening, there arises a problem that the shape of the shaft is deformed or the finished dimensions are reduced. Further, there has been a problem that the shaft is softened by being exposed to a high temperature, and the strength and hardness are lowered.
[0008]
It is also possible to increase the strength by making the shaft part solid instead of hollow, but the camshaft using the solid shaft increases in weight compared to the camshaft using the hollow shaft. This is not preferable.
[0009]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and is a hollow that is strong against high temperatures and does not cause softening or decrease in strength and hardness during diffusion bonding with a sintered cam lobe. The main object of the present invention is to provide a camshaft using a camshaft and having the hollow shaft.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made to achieve the above object, and in claim 1, in the assembly type camshaft formed by integrating a hollow shaft and a sintered cam lobe by diffusion bonding, An assembly type camshaft is provided in which the hollow shaft is non-tempered steel. By using non-heat treated steel for the material of the hollow shaft, it is possible to prevent the hollow shaft from being softened and the strength and hardness from being lowered during diffusion bonding. This is because it can be solved, and furthermore, since it has a hollow structure, there is no problem of weight.
[0011]
Moreover, as shown in claim 2, the non-tempered steel contains at least carbon (C) 0.30 to 0.50% by weight, silicon (Si) 0.35% by weight or less, manganese (Mn) 0. 70 to 1.50% by weight, chromium (Cr) 0.50% by weight or less, vanadium (V) 0.05 to 0.30% by weight, the balance being made of iron (Fe) and impurity elements preferable.
[0012]
As described in claim 3, it is further preferable that the non-heat treated steel further contains 0.10% by weight or less of lead (Pb) in addition to the above components.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
[0014]
FIG. 1 is a partially cutaway view of an assembled camshaft 3 according to the present invention. The assembly type camshaft 3 of the present invention is formed of a hollow shaft 1 and a sintered cam lobe 2, and has a great feature in that non-heat treated steel is used for the hollow shaft 1.
[0015]
The hollow shaft 1 will be described. As described above, the present invention is characterized in that the material of the hollow shaft 1 is non-tempered steel. Here, the non-tempered steel is mainly composed of silicon (Si) and manganese (Mn), and if necessary, chromium (Cr), molybdenum (Mo), vanadium (V), copper (Cu), nickel (Ni) A high strength steel obtained by rolling or normalizing a steel material added with boron (B) or the like to obtain strength and high notch toughness. The non-heat treated steel according to the present invention is not particularly limited and may be any non-heat treated steel.
[0016]
Among them, at least carbon (C) 0.30 to 0.50 wt%, silicon (Si) 0.35 wt% or less, manganese (Mn) 0.70 to 1.50 wt%, chromium (Cr) 0.50 Non-tempered steel containing not more than% by weight and 0.05 to 0.30% by weight of vanadium (V), with the balance being iron (Fe) and an impurity element is preferable.
[0017]
The reasons for limiting each constituent element and its content are as follows.
[0018]
(Carbon (C) 0.30 to 0.50 wt%)
Carbon (C) is an element effective for securing tensile strength, and for that purpose, a content of 0.30% by weight or more is necessary. However, if the excessive content exceeds 0.50% by weight, it is difficult for ferrite to be generated from within the grains, and the composition of the non-heat treated steel can be brought close to that of the heat treated steel. Therefore, the upper limit was made 0.50% by weight.
[0019]
(Silicon (Si) 0.35 wt% or less)
Silicon (Si) is necessary as a deoxidizer during melting. However, if the Si content is excessive, decarburization during plastic working is promoted, so the upper limit of the content was set to 0.35% by weight.
[0020]
(Manganese (Mn) 0.70 to 1.50 wt%)
Manganese (Mn) is an effective element for improving the fatigue limit. In order to ensure the effect, the lower limit must be 0.70% by weight. However, excessive addition increases the pearlite volume ratio, so that the bend straightening property is lowered. Therefore, the optimum range of the Mn content is 0.70 to 1.50% by weight.
[0021]
(Chromium (Cr) 0.50 wt% or less)
Chromium (Cr) is effective in improving the fatigue limit, but deteriorates the bending straightness. Therefore, the upper limit was made 0.50% by weight.
[0022]
(Vanadium (V) 0.05 to 0.30 wt%)
Vanadium (V) is an element that precipitates and strengthens ferrite in pearlite and further forms carbides. Therefore, 0.05% by weight or more of vanadium (V) is necessary. However, if added excessively, both the machinability and strength decrease, so the upper limit was made 0.30% by weight.
[0023]
By including each of the elements listed above within their respective optimum ranges, it is possible to form a non-heat treated steel that is strong against heat and excellent in tensile strength, fatigue limit, surface hardness, etc. Suitable for the hollow shaft used.
[0024]
Further, it is further preferable that the non-tempered steel contains 0.10% by weight or less of lead (Pb) in addition to the above components. The reason is as follows.
[0025]
(Lead (Pb) 0.10 wt% or less)
Lead (Pb) has the effect of improving non-machinability. For this reason, it is preferable to contain lead (Pb), but if the content of lead (Pb) is excessive, inclusions in the steel increase and the fatigue limit is remarkably lowered. Therefore, the content is preferably 0.10% by weight or less.
[0026]
Further, the method for producing the non-tempered steel of the present invention is not particularly limited, and any method may be used, for example, a method disclosed in JP-A-7-102340.
[0027]
【Example】
Table 1 below shows a comparison between chemical components of the non-heat treated steel according to the present invention and conventional chemical components.
[0028]
Reference Example 1 in Table 1 is a chemical component of “non-heat treated steel excellent in fatigue characteristics” disclosed in JP-A-7-102340, and Reference Example 2 is JP-A-11-62943. Is a chemical component of “soft-nitrided non-tempered crankshaft” disclosed in Japanese. Here, it added to the table | surface as an example of the non-tempered steel which can be used.
[0029]
[Table 1]

[0030]
The hardness (HRB) before and after sintering of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 (current material) and the composition were investigated.
[0031]

[0032]
(Investigation result)
1. Hardness (HRB)
When comparing the hardness (HRB) after passing through the furnace, Examples 1 and 2 were improved by 12.4 points and 20.1 points, respectively, as compared with Comparative Example 1. Also, no change in hardness was observed before and after passing through any furnace. Table 2 below summarizes specific numerical values.
[0033]
[Table 2]

[0034]
2. Both materials exhibited a structure in which ferrite was precipitated in the pearlite matrix. In Comparative Example 1, the ferrite was randomly dispersed before passing through the furnace, but after passing through, it precipitated in a network shape, and a change in structure was observed before and after passing through the furnace. On the other hand, in Example 2, there was almost no change in the structure before and after passing through the furnace.
[0035]
From the above investigation, it can be seen that the non-heat treated steel of the present invention is superior to the current material in its hardness, and the structure is almost unchanged before and after passing through the sintering furnace. It has been found that it is suitable as a hollow shaft.
[0036]
【The invention's effect】
The present invention relates to an assembled camshaft formed by integrating a hollow shaft and a sintered cam lobe by diffusion bonding, wherein the hollow shaft is non-heat treated steel. Is to provide. Therefore, by using non-heat treated steel as the material of the hollow shaft, it is possible to prevent the hollow shaft from being softened during diffusion bonding.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partially cutaway view of an assembled camshaft according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of an assembled camshaft according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... hollow shaft,
2 ... Sintered cam lobe,
3 ... Assembled camshaft.

Claims

In the assembly type camshaft formed by integrating the hollow shaft and the sintered cam lobe by diffusion bonding, the hollow shaft comprises at least carbon (C) 0.30 to 0.50 wt%, silicon ( Si) 0.35 wt% or less, manganese (Mn) 0.70 to 1.50 wt%, chromium (Cr) 0.50 wt% or less, vanadium (V) 0.05 to 0.30 wt%. The balance is composed of iron (Fe) and an impurity element, and is a non-tempered steel that does not change the structure of the hollow shaft and does not soften before and after the sintered cam lobe is diffusion bonded. Assembled camshaft.

2. The assembled camshaft according to claim 1, wherein the non-heat treated steel according to claim 1 further contains 0.10% by weight or less of lead (Pb) in addition to the above components .