CN100510323C - 阀挺杆 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种解决如下问题的阀挺杆：即，虽然在阀挺杆的滑动面实施了非晶态硬质材料薄膜，但还是存在阀挺杆的基材滑动面的磨耗、覆盖膜的剥离、相对攻击性、凸轮的磨耗大的问题。本发明的阀挺杆，对于阀挺杆(1)在进行覆盖膜(2)处理之前的阀挺杆(1)的滑动面，使表面粗糙度以算术平均粗糙度计为Ra 0.01～0.03μm，并且使基材表面的伤痕的最大长度为小于等于250μm。

Description

阀挺杆
技术领域
本发明涉及用于内燃机的滑阀机构所使用的覆盖了硬质薄膜的阀挺杆。
背景技术
为了适应降低内燃机燃料消耗和提高输出的要求，降低滑阀机构的滑动部的摩擦是有效的措施之一。因此，以降低阀挺杆和凸轮的滑动部的摩擦为目的，在滑动面上覆盖了氮化钛系薄膜(例如TiN)、氮化铬系薄膜(例如Cr2N、CrN)、类金刚石碳(DLC)薄膜等硬质材料薄膜。
例如，为了降低摩擦，由于需要使配置在阀挺杆顶面(冠面)并且与凸轮滑动的垫片的表面粗糙度降低至与凸轮与垫片之间的油膜厚度相同的程度，因此将十点平均粗糙度Rz做成0.1μm(以Ra计则相当于0.025μm)或其以下，在所述垫片基材表面覆盖TiN、TiC、TiCN、CrN、DLC等薄膜，对初期研磨运转中与垫片接触的凸轮侧的接触面进行镜面化处理的凸轮接触部结构公开在专利文献1(日本特开平5-163909号)中。另外，在专利文献2(日本特开2002-309912号)中公开了，通过使DLC薄膜等硬质碳薄膜在成膜前的基材表面粗糙度Ra小于等于0.03μm，并且在其上面覆盖根据硬度和膜厚规定了表面粗糙度的薄膜，从而抑制了延展性小的硬质材料薄膜的破裂和剥离，可实现耐久可靠性和低摩擦系数，制成了摩擦特性和耐久性优异的垫片、挺杆和凸轮轴的组合。
在覆盖在这些滑动部表面的硬质材料薄膜中，DLC薄膜由于具有高硬度且低摩擦系数的特征，可预期在直击式滑阀系中具有耐磨耗性和降低摩擦的效果，并对其实用化进行了研究。DLC薄膜根据金刚石结构与石墨结构的构成比、含有氢和金属的情况等虽有多种，但通常指的是非晶态硬质碳薄膜。作为这种非晶态硬质碳薄膜的成膜方法，公知的有使用甲烷或乙炔等烃系气体的CVD法、将石墨等用于靶的PVD法。
利用CVD法形成的非晶态硬质碳薄膜，与PVD法相比含有更多的氢，由于内部残余压缩应力而难以确保对铁系基材有充分的密合性，因而，为了确保与基材的密合性，采用的方法是，通过做成使用了由金属或金属与碳化物构成的中间层的结构，或者在非晶态硬质碳薄膜中添加金属来缓和内部应力。
另一方面，利用真空弧光离子镀法等PVD法形成的非晶态硬质碳薄膜，除了一般不可避免含有的氢(数原子％左右)以外，具有实质上无氢的特征，与采用CVD法的非晶态硬质碳薄膜相比，可认为是硬度高且耐磨耗性优异的。根据专利文献2或专利文献3(日本特开2004-137535号公报)，作为无氢的非晶态硬质碳薄膜的具体特性，可列举入下：膜厚0.33～1.90μm、表面努普硬度1956～4050、氢原子含量小于等于0.5原子％，此时的基材硬度为HRC53～60、基材的表面粗糙度Ra为0.01～0.03。另外还公开了，基材的表面粗糙度虽越小越好，但是如果平滑到Ra0.01μm左右，则成膜后的薄膜的表面粗糙度在没有进行精加工的条件下则为Ra0.03μm左右。
但是，上述专利文献1中的滑动部结构，虽然将覆盖硬质材料薄膜之前的基材表面粗糙度做成Rz小于等于0.1μm，并在其上面覆盖有薄的硬质材料薄膜，但这种结构存在的问题是，相对滑动的对方材料做成镜面时，硬质材料薄膜会因滑动而被磨削掉，在硬质材料薄膜被磨削掉后的基材滑动面产生磨耗。
专利文献2的硬质材料薄膜虽然为，将硬质碳薄膜成膜前的基材表面粗糙度做成Ra小于等于0.03μm，并在其上面采用弧光离子镀法覆盖根据硬度和膜厚规定了表面粗糙度为Ry的硬质材料薄膜，以抑制破裂或剥离等，但是如果对硬质材料薄膜成膜前的基材表面使用普通的磨具进行研磨或者使用游离磨料进行研磨加工或抛光加工，由于基材表面会残存研磨材料的硬粒子引起的长且连续地延伸的不可避免的许多伤痕，因此在这种基材表面上覆盖了非晶态硬质碳薄膜的材料，即使是利用金属离子轰击法确保了某种程度密合性的情况下，也会存在以覆盖硬质材料薄膜之前的表面伤痕为起点发生剥离和剥离被扩展的问题。
发明内容
本发明就是为了解决这些问题而提出的，其目的是提供一种阀挺杆，在滑动部覆盖了非晶态硬质碳薄膜的阀挺杆中，基材与非晶态硬质碳薄膜的密合性优异，并可以减小摩擦。
本发明就是为了解决上述问题而提出的，本发明人等对于在滑动面上形成了非晶态硬质碳薄膜的阀挺杆的薄膜的密合性进行深入研究的结果，发现通过规定存在于成为滑动部的基材表面的连续伤痕的最大长度，能够防止以伤痕为起点发生剥离，同时当产生剥离的情况下可以抑制其扩展，以至完成了本发明。
即，本发明的阀挺杆至少在与凸轮滑动的面覆盖了非晶态硬质碳薄膜，其特征为，在基材表面(底部)的算术平均粗糙度Ra为0.01～0.03μm，所述基材表面的伤痕的最大长度为小于等于250μm。
在凸轮与阀挺杆之间的高表面压力的滑动条件，虽然可以认为引起剥离的临界缺陷尺寸与伤痕的宽度和深度有直接的关系，但是尚未明确的是，在阀挺杆顶面的以伤痕为起点的非晶态硬质碳薄膜的剥离机理。但是，如果着眼于伤痕的长度并进行整理，则可以知道，若伤痕的长度小于等于250μm，则伤痕内在的缺陷尺寸小于等于引起剥离的临界值，若伤痕的长度超过250
μm时，则伤痕内在的缺陷尺寸便超过引起剥离的临界值。
所述阀挺杆的结构，至少可以很好地适用于与凸轮滑动的面。此外，本发明适用的阀挺杆包括，凸轮与阀挺杆主体直接滑动的方式、以及在凸轮与阀挺杆主体之间使用垫片的方式两者。另外，本发明中所说的基材表面的伤痕，是可以用光学显微镜(放大倍数200倍)观察覆盖硬质材料薄膜之前的基材表面并能确认的大致直线性地延伸的线状伤痕，所谓连续的伤痕是指通过上述观察明确地处于连接状态的伤痕。
本发明的阀挺杆，覆盖非晶态硬质碳薄膜之前的基材表面的表面粗糙度以算术平均粗糙度Ra计为0.01～0.03μm。进而，通过喷丸处理等使滑动部的基材表面存在的连续伤痕的最大长度小于等于250μm，就能够防止以伤痕为起点发生剥离，同时当产生剥离的情况下可以抑制其扩展，可大幅度地提高基材表面与非晶态硬质碳薄膜的密合性。
这里，非晶态硬质碳薄膜，直接形成于基材表面虽然有效，但是从能够进一步排除伤痕影响的角度考虑，隔着中间层形成也是有效的。非晶态硬质碳薄膜从硬度和耐磨耗性的角度考虑，优选利用PVD法，尤其是利用弧光离子镀法形成的含氢量小于等于0.5原子％的薄膜。薄膜的硬度以努普硬度(在超硬基材上成膜，在50gf负载条件下测定)计Hk值大于等于2500kg/mm2，更优选Hk大于等于3000kg/mm2。
此外，当应用于滑阀部件的阀挺杆时，薄膜的膜厚规定为0.3～1.5μm，优选小于等于1.0μm。另外，从对凸轮的强击性的角度考虑，薄膜的表面粗糙度Ra以0.01～0.03μm为宜。形成上述非晶态硬质碳薄膜的基材，优选使用SCM415材料等钢材或铁基合金或者对所述钢材或铁基合金实施渗碳处理或淬火处理等硬化热处理，使表面硬度达到大于等于HRC53的材料。如果表面硬度不足HRC53，则有可能发生源于基材的变形的非晶态硬质碳薄膜的剥离。
根据本发明，能够防止基材表面以伤痕为起点发生非晶态硬质碳薄膜的剥离，并且在产生剥离的情况下可以抑制其扩展，可以得到具有可靠性高的密合性的阀挺杆，能够制造出这种阀挺杆。
附图说明
图1是本发明的阀挺杆的剖面图的一个例子；
图2是本发明的使用垫片的方式的阀挺杆的剖面图的一个例子；
图3是使用光学显微镜观察实施例的覆盖薄膜之前的基材表面的照片(200倍)；
图4是使用光学显微镜观察比较例1的覆盖薄膜之前的基材表面的照片(200倍)；
图5是使用光学显微镜观察比较例2的覆盖薄膜之前的基材表面的照片(200倍)。
图中，1是阀挺杆，2是非晶态硬质碳薄膜，3是垫片。
具体实施方式
下面，说明本发明的阀挺杆的实施方式的一个例子。
图1和图2表示本发明的阀挺杆的剖面图的例子，在与凸轮滑动的阀挺杆1的顶面上形成非晶态硬质碳薄膜2。所述阀挺杆，以例如SCM415材料等钢材作为阀挺杆的基材，经锻造成型后进行渗碳淬火，在后续工序中进行顶面的超精加工。
图4是用光学显微镜(放大倍数200倍)观察用普通磨具实施超精加工的顶面部的表面的照片。用触针式粗糙度仪测定的表面粗糙度Ra为0.025μm，可以确认因磨具而残留了许多长而连续并相互交错的伤痕。
图5表示进行超精加工后以氧化铝、氧化铬作为研磨材料进行一定时间抛光加工后的表面。与上述同样地测定的表面粗糙度Ra为0.015μm，伤痕密度与所述的只进行超精加工(图4)的情况相比，虽大幅度下降，但仍残留了少量的连续且长的伤痕。
图3是用光学显微镜观察进行超精加工后使用弹性磨料进行一定时间喷丸处理的表面的照片。表面粗糙度Ra为0.015μm，能够确认的最大伤痕长度为约200μm。
清洗具有这种基材表面的阀挺杆，利用真空弧光离子镀法形成无氢的非晶态硬质碳薄膜，完成实施例1～3及比较例1～4。这里，如果将用真空弧光离子镀法形成的非晶态硬质碳薄膜做成膜厚大于等于1.5μm的厚度，则存在覆盖后的表面粗糙度增大的倾向。用真空弧光离子镀法成膜的非晶态硬质碳薄膜的表面粗糙度，以算术平均粗糙度计粗糙到Ra0.08μm左右，因此使用研磨材料进行研磨加工等后处理，将表面粗糙度调整到Ra0.01～0.03μm。
这里，在实施例和比较例中形成非晶态硬质碳薄膜时，形成于超硬基材上的非晶态硬质碳薄膜，以努普硬度(测定负载50gf)计Hk为3000kg/mm2。
对于如上所述完成的实施例1～3及比较例1～4，根据点蚀耐久试验评价基材与薄膜的密合性。点蚀试验，使用模拟了实际机器引擎构造的装置，在凸轮转速为2000rpm、赫兹应力为560MPa、试验时间约90小时的条件下，进行评价。
表1表示点蚀耐久试验的结果。可以确认，对于覆盖非晶态硬质碳薄膜之前的基材表面，采用喷丸处理使伤痕最大长度小于等于250μm的实施例1～3中，没有发生剥离，尤其是使用了弹性磨料的实施例1和2具有良好的密合性。
另一方面，在对于覆盖非晶态硬质碳薄膜之前的基材表面仅实施超精加工的在基材表面上覆盖了非晶态硬质碳薄膜的比较例1，可以确认发生了许多被认为是以伤痕为起点的剥离，并且剥离得到扩展。另外，超精加工后使用游离磨料的进行了抛光加工的比较例2，与比较例1同样也发生了以伤痕为起点的剥离，并且其中一部分得到扩展，确认了密合性和剥离扩展抑制性差。进而，在使用弹性磨料等进行喷丸处理的情况中，伤痕最大长度大于等于300μm的比较例3和4也可以看到一部分剥离。
表1
 
覆盖前底部精加工方法 覆盖前表面粗糙度Ra(μm) 伤痕最大长度(μm) 膜厚(μm) 密合性
实施例1 超精加工后进行弹性磨料喷丸处理 0.010 50 0.7 ◎
实施例2 超精加工后进行弹性磨料喷丸处理 0.015 200 0.8 ◎
实施例3 超精加工后进行喷丸处理 0.025 250 0.9 ○
比较例1 只进行超精加工 0.025 数mm以上 1.0 ×
比较例2 超精加工后进行抛光处理 0.010 数mm以上 0.5 △
比较例3 超精加工后进行弹性磨料喷丸处理 0.025 300 0.6 △
比较例4 超精加工后进行喷丸处理 0.025 450 0.7 △

Claims (4)

1.一种阀挺杆，至少在与凸轮滑动的面上覆盖了非晶态硬质碳薄膜，其特征在于，基材表面(底部)的算术平均粗糙度Ra为0.01～0.03μm，所述基材表面的伤痕的最大长度为小于等于250μm。
2.根据权利要求1所述的阀挺杆，其特征在于，所述阀挺杆的非晶态硬质碳薄膜表面的算术平均粗糙度Ra为0.01～0.03μm。
3.根据权利要求1或2所述的阀挺杆，其特征在于，所述非晶态硬质碳薄膜为，含氢量小于等于0.5原子％、努普硬度(Hk)大于等于2500kg/mm2、膜厚0.3～1.5μm。
4.根据权利要求1所述的阀挺杆，其特征在于，对于所述阀挺杆来说，覆盖有非晶态硬质碳薄膜的基材的硬度大于等于HRC53。
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