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【発明の名称】 往復運動部材
【発明者】 【氏名】田中 浩司
【氏名】松本 伸彦
【氏名】西野 和彰
【氏名】野々山 史男
【氏名】斎藤 卓
【課題】慣性質量の低減と変形の抑制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。

【解決手段】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。
【特許請求の範囲】
【請求項１】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。
【請求項２】前記高剛性部は、比ヤング率Ｅ／ρが３０（×１０-3ＧＰａ・ｍ3／Ｋｇ）以上である請求項１記載の往復運動部材。
【請求項３】前記高剛性部は、耐力（０．２％耐力）が５１０ＭＰａ以上である請求項１記載の往復運動部材。
【請求項４】前記高剛性部は、全体を１００体積％としたときに１０〜５０体積％の前記強化相と該強化相に対して６０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。
【請求項５】前記強化相は、二ホウ化チタン（ＴｉＢ2）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。
【請求項６】前記マトリックス相は、該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請求項１記載の往復運動部材。
【請求項７】前記マトリックス相は、該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％以下含む請求項１記載の往復運動部材。
【請求項８】前記往復運動部材は、少なくとも一部が前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。
【発明の詳細な説明】【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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＝８０ｍｍ、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。
【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。
【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。
【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。
【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（ｄ04−ｄ14）／６４）、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。
【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。
【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９−２４２８７２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。
【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。
【００１５】ここで、圧縮・引張りによる伸縮は剛性ＥＡ（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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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５−２３９５０４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。
【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。
【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。
【００２４】すなわち、本発明の往復運動部材は、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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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１００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。
【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、Ｃｒ）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。
【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。４Ａ族元素のホウ化物中でも、二ホウ化チタン（ＴｉＢ2）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２０μｍ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。
【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。
【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。
【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２５．０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ＢＣＣ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。
【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。
【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。
【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（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）の１種以上を、その合計が２５．０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。
【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０．２〜１０．０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、Ｃｕ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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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（ＧＰａ）、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。
【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。
【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。
【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／Ｋｇ）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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【００５７】圧密成形工程には、例えば、金型成形、ＣＩＰ成形等を用いることができる。また、成形圧力を２００ＭＰａ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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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ＨＩＰ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。
【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。
【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５００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３００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。
【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３００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。
【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３２２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３２０はテーパー内面３２１とした。
【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４５０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２００の回転運動に変換するものである。
【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４５０とナット４６０で行った。
【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４３５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。
【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。
【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５１１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。
【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５１０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。
【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。
【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。
【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５００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。
【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。
【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。
【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。
【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７２０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。
【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７５０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。
【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２１０ｍｍ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（０．１３Ｐａ程度）封入した。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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０．４ｍｍとした。
【００８９】
【表１】

【００９０】
【表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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【出願人】 【識別番号】０００００３６０９
【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所
【出願日】 平成１２年２月２５日（２０００．２．２５）
【代理人】 【識別番号】１０００８１７７６
【弁理士】
【氏名又は名称】大川 宏
【公開番号】 特開２００１−２３４２８７（Ｐ２００１−２３４２８７Ａ）
【公開日】 平成１３年８月２８日（２００１．８．２８）
【出願番号】 特願２０００−４８６５７（Ｐ２０００−４８６５７）