CN104006159A - 组合控油环 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够防止侧轨的单独旋转、且耐磨损性及耐油泥性优良的组合控油环。组合控油环包括：具有开口的一对圆环状的侧轨；及间隔外胀环，夹设在上述一对圆环状的侧轨之间并在内周部具有对侧轨的内周面进行按压的耳部，在上述耳部的侧轨按压面上形成沿着大致轴向延长的一条或多条槽、进而在包括上述槽在内的上述侧轨按压面上形成氮化层时，将上述槽的深度d(μm)、上述氮化层的表面硬度h(显微维氏硬度、HV0.1)、硬度为700(显微维氏硬度、HV0.1)以上的氮化层的厚度t(μm)调整为满足0.05≤1000×d/(h×t)≤0.45的关系。

Description

组合控油环
技术领域
本发明涉及安装于发动机的活塞、进行机油控制且包括一对圆环状的侧轨和间隔外胀环的组合控油环(以下也称为组合油环)，特别是涉及耐磨损性优良、能够防止侧轨的单独旋转的组合控油环。
背景技术
近年来，从防止地球变暖的观点出发要求减少CO2的排放，在汽车发动机中，以提高燃油经济性、提高燃烧效率为目标，正在积极推进各种措施。特别是，通过燃烧温度的上升或直喷化来提高燃烧效率时，存在因发动机润滑油变质而产生的油泥导致侧轨或间隔外胀环固着或胶着的问题、或者使间隔外胀环的耳部磨损的问题等。
关于油泥产生的固着问题，提出了在油环的表面形成含氟被膜等的疏油性被膜的方法；关于间隔外胀环的耳部的磨损的问题，提出了在耳部实施氮化处理的方法。例如，在专利文献1中公开了如下一种方法：通过溶胶-凝胶法由氟烷基置换金属醇盐形成疏液膜的方法，该氟烷基置换金属醇盐是金属醇盐的一部分烷氧基被氟烷基置换而成的。另外，专利文献2公开了对耳部进行软氮化处理的内容，专利文献3公开了如下内容，形成了包含在Cu-KαX射线衍射中2θ＝40°和2θ＝46°时具有峰值的特殊S相的气体氮化层。
但是，在间隔外胀环的耳部形成氮化层来提高耐磨损性时，产生上下配置的两片侧轨分别容易进行圆周方向上的旋转运动、上下侧轨的开口部在上下方向上重叠的现象，与此同时，还会产生开口部的刮剩的润滑油被运入发动机的燃烧室、润滑油的供给变得过剩、机油消耗增加的问题。
作为防止侧轨单独旋转的对策，提出了提高间隔外胀环耳部的侧轨按压面的摩擦阻力的方法，即调整表面粗糙度以提高滑动阻力、形成突起等以提高每单位面积的按压力的方法。例如，专利文献4公开了在耳部表面形成细小的凹凸(例如间距为25～250μm、高度为15～180μm)的锯齿状凹凸，增大摩擦阻力来阻止旋转运动，专利文献5公开了在耳部中央部设置突起，使突起的厚度为0.07～0.2mm，减小接触面积，从而提高接触面压力来阻止旋转。此外，专利文献6公开了考虑由活塞的摆头现象引起的微动疲劳的问题，在间隔外胀环耳部的侧轨按压面上具有沿着大致轴向延长的凹凸部，该凹凸部的剖面大致呈梯形波形的形状。
但是，实际情况是，关于在间隔外胀环的耳部形成有氮化层的情况，有时防止上述侧轨单独旋转的对策并不能发挥作用，并未充分掌握用于使防止单独旋转的对策切实地发挥作用的要件。
专利文献1：日本特开2000-27995号公报
专利文献2：日本特开昭56-66429号公报
专利文献3：国际公开第2005/040645号
专利文献4：日本实开平1-78768号公报
专利文献5：日本特开2001-132840号公报
专利文献6：日本特开2013-87816号公报
专利文献7：日本特开平3-193221号公报
专利文献8：日本特开2006-292021号公报
专利文献9：国际公开第2011/043364号
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够防止侧轨的单独旋转、且耐磨损性及耐油泥性优良的组合控油环。
本发明人对在间隔外胀环的耳部形成有多条槽且形成有氮化层时的侧轨的单独旋转进行了专心研究，结果发现，当增大耳部的槽深或氮化深度(氮化层的厚度)来减少耳部的磨损时，容易产生侧轨的单独旋转，并想到了耳部的槽深和耳部的氮化特性满足预定关系时侧轨的防止单独旋转的对策能够发挥优良的作用。
即，本发明的组合控油环包括：具有开口的一对圆环状的侧轨；及间隔外胀环，夹设在上述一对圆环状的侧轨之间并在内周部具有对上述侧轨的内周面进行按压的耳部，上述组合控油环的特征在于，上述耳部的侧轨按压面具有沿着大致轴向延长的一条或多条槽，在包括上述槽在内的上述侧轨按压面上形成有氮化层，上述槽的深度d(μm)、上述氮化层的表面硬度h(显微维氏硬度、HV0.1)、硬度为700(显微维氏硬度、HV0.1)以上的氮化层的厚度t(μm)满足0.05≤1000×d/(h×t)≤0.45的关系。
优选上述槽的深度d为1～10μm，并且优选上述氮化层的上述表面硬度h为1000～1500，上述硬度为700以上的氮化层的厚度t为5～50μm。
优选上述间隔外胀环的除形成有上述氮化层的上述侧轨按压面之外的整个面上形成有Ni或Ni合金的金属被膜，或者优选上述侧轨的侧面的至少一方及/或内周面上形成有Ni或Ni合金的金属被膜。
发明效果
本发明的组合油环基本上在间隔外胀环的耳部的侧轨按压面上具有沿着大致轴向延长的预定深度的一条或多条槽，在包括上述槽在内的侧轨按压面上形成有预定硬度和厚度的氮化层，因此通过减小侧轨按压面的接触面积来提高接触面压力而具有防止旋转的功能。特别是，能够通过使侧轨按压面的槽深和氮化层的表面硬度及厚度满足预定关系来切实地防止单独旋转。并且，若在间隔外胀环的除耳部之外的整个面上形成有Ni或Ni合金的金属被膜，则能够形成张力偏差小、耐磨损性及耐油泥性优良的组合油环，即使在燃烧效率提高的严酷使用环境下也能够有助于降低燃耗或机油消耗。进而，若在侧轨的侧面也形成Ni或Ni合金的金属被膜，则能够有助于避免因油泥造成的固着问题。若在侧轨的内周面也形成Ni或Ni合金的金属被膜，则与间隔外胀环耳部的侧轨按压面之间能够可靠地接触，有助于防止侧轨的单独旋转。
附图说明
图1是本发明的组合控油环的剖视图。
图2是本发明的间隔外胀环的一部分，是在耳部的侧轨按压面上形成有沿着大致轴向延长的一条槽的图。
图3是本发明的间隔外胀环的一部分，是在耳部的侧轨按压面上形成有沿着大致轴向延长的多条槽的图。
图4是图3的A-A剖视图，是形成有多条槽并在包括槽在内的按压面上形成有氮化层的图。
图5(a)是对间隔外胀环的耳部进行加工的装置的主视概要图，图5(b)是表示加工时的间隔外胀环和加工辊的配置关系的剖视图，图5(c)是加工辊的部分图。
图6是示意性地表示侧轨单独旋转评价试验装置的图。
附图标记说明
1：活塞
2：间隔外胀环
3：侧轨
4：活塞外周面
5：油环槽
6：耳部
6a：上部耳部
6b：下部耳部
7：气缸内壁
61：槽
62：氮化层
63：凸部
100：加工辊
110：加工面
200：下部辊
300：侧轨单独旋转评价试验装置
301：模拟油环槽
302：保持件(模拟活塞)
303：圆筒(模拟气缸)
304：支柱
305：支点
具体实施方式
图1表示将本发明的组合油环安装于活塞1的油环槽5的状态，收纳有间隔外胀环2及其上下一对的侧轨3、3。间隔外胀环2的耳部6形成有倾斜面，不仅能够将侧轨3、3的内周面朝着活塞内壁7按压而将活塞外周面4和活塞内壁7之间密封，还能够对油环槽5的侧面进行密封。
图2及图3是从间隔外胀环的外周侧观察的图，沿轴向形成为波形形状，在该波形的上下形成有按压一方侧轨的上部耳部6a和按压另一方侧轨的下部耳部6b。在耳部形成有沿着大致轴向延长的深度为d(μm)的槽，在图2中形成有一条，在图3中形成有多条。槽的条数为一条或者为多条都能够获得同样的效果。在一条槽的情况下，仅在耳部的侧轨按压面的端部形成有凸部，与多条槽的情况同样地，减小了与侧轨的接触面积而提高了接触面压力，因此具有防止侧轨的单独旋转的功能。
图4表示图3的A-A剖面，具有多条槽61和多条凸部63。在图4中表示了凸部63为大致梯形形状的情况，但在本发明中，槽或凸部的形状并不特别限定。并且，槽部也包括在内，在表面上形成有表面硬度为h、硬度为700以上的氮化层厚度为t(μm)的氮化层62，以提高耐磨损性。在本发明中，耳部的槽深d、氮化层的表面硬度h、硬度为700以上的氮化层的厚度t满足0.05≤1000×d/(h×t)≤0.45的关系。当将1000×d/(h×t)设为接触面参数时，若接触面参数小于0.05或超过0.45，则容易产生侧轨的单独旋转。耳部的槽深d与氮化层厚度t相比过小时，即，氮化层的厚度足够厚时，耳部的表面刚性变得过高，或者槽深d过小，由于润滑油的存在而无法体现出接触面积缩小的效果，因此容易产生侧轨的单独旋转。并且，耳部的槽的厚度d与氮化层厚度t接近或者在氮化层厚度t以上时，即，氮化层的厚度t相对地变薄时，耳部的表面附近的刚性降低而与侧轨的接触性变得良好，但另一方面，凸部容易发生破坏或磨损，接触面积增加，因此最终面压力降低，容易产生侧轨的单独旋转。如上所述，氮化层的厚度t和硬度h具有同样的效果，因此在接触面参数的关系式中同样置于分母。在本发明中，接触面参数优选为0.05～0.40，更优选为0.05～0.35。
上述间隔外胀环耳部的槽深d优选为1～10μm。进一步优选为2～8μm，更优选为3～7μm。另外，氮化层的表面硬度h优选为以显微维氏硬度HV0.1表示时为1000～1500，硬度为700以上的氮化层的厚度t为5～50μm。表面硬度h进一步优选为1100～1450，更优选为1150～1400，另外硬度为700以上的氮化层的厚度t进一步优选为10～40μm，更优选为15～35μm。
本发明的组合油环所使用的间隔外胀环的耳部基本上是利用由专利文献7所教示的图5所示的方法进行加工的。即，在耳部的侧轨按压面6上压接形成有所期望的凹凸的加工辊100，将加工辊的加工面110的凹凸转印形成于耳部的侧轨按压面6(以下称为辊成形)。耳部的形状是将加工辊100的形状反转后的形状，因此槽部的间距p或周方向长度l由加工辊100的形状决定。另外，槽深d由加工辊100的压接深度决定。
在本发明中，将在间隔外胀环的侧轨按压面上形成氮化层作为要件，但也可以在整个间隔外胀环上形成氮化层。另外，氮化层优选通过气体氮化而形成，当然也可以通过盐浴氮化或等离子体氮化来形成，并不特别限定。在整个间隔外胀环上形成有氮化层的情况下，存在氮化后的张力变动大、特别是难以对低张力化的组合油环的张力公差进行管理的危险。仅在耳部的侧轨按压面上形成氮化层的情况下，专利文献8中公开了一种方法：在对间隔外胀环的线材实施镀Ni，通过热处理将Ni被膜的硬度降低之后，通过塑性加工使间隔外胀环成形，此时通过局部剪切使耳部成形，在这种方法中，仅在露出的部分实施氮化处理，能够解决由上述氮化引起的张力偏差的问题。在本发明中也适用专利文献8的方法，在本发明的组合油环的间隔外胀环中，优选在间隔外胀环的除形成有氮化层的侧轨按压面之外的整个面上形成有Ni或Ni合金的金属被膜。
Ni或Ni合金的金属被膜的膜厚为1μm以上，优选为2μm以上，进一步优选为3μm以上，重要的是即使对间隔外胀环实施基于齿轮成形的弯曲加工，也不会产生破裂、膨胀、裂纹、剥离等缺陷。为此，优选为，在母材界面上形成10nm以上、优选50nm以上的Ni扩散层，以使金属被膜具有充分的延展性并保持充分的密接性。
另外，对于油泥的问题，专利文献9中作为对策公开了：将60℃的表面自由能量为40mJ/m2以下且氢结合力为10mJ/m2以下的金属被膜、具体地说将Ni、Cu及包括Ni或Cu的合金覆盖于油环表面的至少一部分，大幅度地减小油泥的附着力。在本发明中也适用专利文献9的对策，优选在侧轨的侧面的至少一方上形成Ni或Ni合金的金属被膜。而且，若在与间隔外胀环的耳部相接的侧轨内周面上也形成Ni或Ni合金的金属被膜，则高硬度的耳部与低硬度的侧轨内周面相接触，能够更可靠地接触，更有助于避免侧轨的单独旋转。
实施例
实施例1(间隔外胀环样品No.1)
利用2.2mm×0.275mm的SUS304的轧制带材、通过齿轮成形并通过局部的弯曲和剪切来制作间隔外胀环，以用于公称直径为75mm、组合公称宽度为2.0mm、组合厚度为2.5mm的组合油环。其中，对于所使用的轧制带材，实施了膜厚约为6μm的镀Ni，而且实施了500℃、1小时的热处理。另外，在耳长(耳部的周向长度)为1.28mm的耳部，以间距P：0.18mm、槽宽l：0.11mm、槽深d：0.006mm的加工条件通过辊轧成形来形成有槽。
对上述间隔外胀环以570℃实施80分钟的气体氮化处理，在齿轮成形中通过剪切在露出了母材的耳部形成有氮化层。在间隔外胀环的除形成有氮化层的侧轨按压面之外的整个面上残留有镀Ni被膜，镀Ni被膜作为防氮化膜而发挥作用。因此，能够抑制氮化处理导致的间隔外胀环的展开长度的伸长，能够获得满足预定公差的低张力外胀环。通过570℃、80分钟的气体氮化，表面硬度h以显微维氏硬度HV0.1表示时为1290，以显微维氏硬度HV0.1表示时硬度为700以上的氮化层的厚度t为31μm。
侧轨是通过卷绕法而由2.0mm×0.35mm的SUS440的轧制带材制作出的。而且，在侧轨的外周面上通过离子镀形成有厚度为26μm的CrN被膜。与上述样品No.1的间隔外胀环进行组合，制成实施例1的组合油环。
(1)侧轨单独旋转评价
利用图6所示的侧轨单独旋转评价装置对实施例1的组合油环进行了评价。该评价装置300在具有模拟油环槽301的保持件(模拟活塞)302上安装组合油环，在圆筒(模拟气缸)303内，使保持件(模拟活塞)302以设置于支柱304的支点305为中心而进行摆头运动，评价侧轨的单独旋转。试验如下进行：相对于间隔外胀环的接头位置，将上下两个侧轨从间隔外胀环的接头位置分别向相反方向错开30°进行组装而组装成组合油环，将组合油环安装于上述保持件(模拟活塞)302，从0.5°到7.5°使摆头角度α间隔0.5°、以10往复/秒的速度、且每次10分钟地进行摆头运动，由此，利用产生侧轨的单独旋转的摆头角度，来评价防止侧轨的单独旋转的能力。可以评价为，开始旋转的摆头角度越大，则越是侧轨难以旋转的结构。实施例1的组合油环在7.5°也没有产生侧轨的单独旋转，因此可以评价出侧轨单独旋转开始角度>7.5°。
(2)机油消耗量的评价
进而，对于实施例1的组合油环，使用排气量为1500cm3的四缸汽油发动机，对耳部及侧轨的内周面的磨损和机油消耗量进行了评价。在这里，第一道环使用外周呈圆筒面的被用于上述发动机的环，第二道环使用外周呈锥面的被用于上述发动机的环，试验条件为5000rpm、满负载(WOT：Wide Open Throttle)、48小时的条件。耳部及侧轨的内周面的损耗的合计为1μm以下，机油消耗量为9g/hr。
另外，关于实施例1的组合油环所使用的样品No.1的间隔外胀环的镀Ni，使用辉光放电发射光谱法(Glow Discharge-Optical EmissionSpectroscopy)进行深度方向上的元素浓度分析，结果确认了在与母材之间的界面的母材侧形成有大约70nm的Ni扩散层。
实施例2～28及比较例1～17(间隔外胀环样品Nos.2～45)
除了将间隔外胀环的耳部的槽深d设为与样品No.1相同的0.006mm的样品之外，还制作了大约500个槽深d为0.002mm、0.003mm、0.009mm、0.013mm、0.022mm的样品。此处，除槽深d之外的耳长、间距、槽宽与样品No.1的间隔外胀环(实施例1)相同。对于槽深为0.002mm的样品以氮化温度550℃、对于槽深为0.003mm的样品以氮化温度590℃、对于槽深为0.006mm的样品以氮化温度570℃和590℃、对于槽深为0.009mm的样品以氮化温度570℃、对于槽深为0.013mm的样品以氮化温度550℃、对于槽深为0.022mm的样品以氮化温度550℃和580℃、分别在5～220分钟之间进行改变了数种时间的氮化处理。对于各样品测定氮化层的表面硬度和硬度为700以上的氮化层的厚度，对于同批的样品，与实施例1中使用的侧轨进行组合，与实施例1同样地进行了侧轨单独旋转评价试验。结果与实施例1的结果一起表示在表1中。
表1
表1续
表1中还示出了根据耳部的槽深d、氮化层的表面硬度h和厚度t计算出的接触面参数1000×d/(h×t)，但接触面参数在0.05～0.45的范围内时侧轨单独旋转开始角度为6.5°以上，接触面参数在0.05～0.40的范围内时侧轨单独旋转开始角度为7°以上，接触面参数在0.05～0.35的范围内时侧轨单独旋转开始角度为7.5°以上。即，对槽深d、氮化层的表面硬度h或厚度t进行调整以使接触面参数处于0.05～0.45的范围内，从而能够切实地防止侧轨的单独旋转。
关于比较例6(样品No.12)及实施例7(样品No.13)的间隔外胀环，与实施例1所使用的侧轨进行组合，以与实施例1相同的条件进行了发动机试验。在使用了比较例6(样品No.12)的间隔外胀环的情况下，耳部及侧轨内周面的磨损合计为6μm，机油消耗量为18g/hr；相对于此，在使用了实施例7(样品No.13)的间隔外胀环的情况下，上述磨损总计为1μm以下，机油消耗量为7g/hr。
实施例29～31(间隔外胀环样品Nos.46～48)
在耳长为1.28mm的耳部，除了在样品No.46的间隔外胀环(实施例29)中形成有一条槽(槽宽0.78mm)、在样品No.47的间隔外胀环(实施例30)中形成有三条槽(间距P：0.40mm、槽宽0.24mm)、在样品No.48的间隔外胀环(实施例31)中形成有五条槽(间距P：0.25mm、槽宽0.15mm)之外，与样品No.1的间隔外胀环(实施例1)同样地，制作了样品Nos.46～48的间隔外胀环。对于这些间隔外胀环，与实施例1所使用的侧轨进行组合，与实施例1同样地进行侧轨单独旋转评价试验，其结果是，侧轨单独旋转开始角度均为7.5°以上，不管槽的条数为多少，都具有优良的防止单独旋转的功能。
实施例32～33及比较例18
作为实施例32的组合油环，使用了除了对侧轨的轧制带材实施膜厚约为3μm的镀Ni、在外周面上通过离子镀形成有膜厚为31μm的CrN之外而与实施例1相同的样品No.1的间隔外胀环；作为实施例33的组合油环，与对间隔外胀环实施了镀Ni但未对侧轨实施镀Ni的实施例1相同；使用与评价上述机油消耗量时所使用的发动机相同的发动机来进行油泥堆积发动机试验，以对各组合油环的油泥堆积量进行测定。另外，作为比较例18，使用了被用于上述发动机的如下组合环：在间隔外胀环上进行了全面氮化，对于侧轨则仅外周面为CrN层，而没有实施镀Ni。当然，第一道环和第二道环使用了被用于上述发动机的环。
对于油泥堆积发动机试验，在四个气缸的其中两个气缸中分别安装实施例32及33的组合油环，在剩余的两个气缸中安装比较例18的组合油环，发动机机油使用市场回收劣化油，以如下条件进行：实施连续地重复从停止状态到最高输出转速的运转条件和从低温到高温的油水温条件的循环运转。仅对于经过预定时间后牢固地附着于油环的油泥，根据试验前后的各油环的重量来算出了油泥堆积量。此处，牢固地附着的油泥是指，将从活塞平稳地取出的油环在丙酮中进行一定时间的超声波清洗也无法去掉(不脱落)的油泥。关于油泥堆积量的测定结果，当将比较例18的两个组合油环的结果的平均值设为100而以相对值进行表示时，实施例32中为59，实施例33中为72，由此确认了，通过对间隔外胀环、或间隔外胀环与侧轨双方实施镀Ni，油泥堆积量减少。

Claims (7)

1.一种组合控油环，包括：
具有开口的一对圆环状的侧轨；及
间隔外胀环，夹设在所述一对圆环状的侧轨之间，并在内周部具有对所述侧轨的内周面进行按压的耳部，
所述组合控油环的特征在于，
所述耳部的侧轨按压面上具有沿着大致轴向延长的一条或多条槽，在包括所述槽在内的所述侧轨按压面上形成有氮化层，所述槽的深度d(μm)、所述氮化层的表面硬度h(显微维氏硬度、HV0.1)、硬度为700(显微维氏硬度、HV0.1)以上的氮化层的厚度t(μm)满足0.05≤1000×d/(h×t)≤0.45的关系。
2.根据权利要求1所述的组合控油环，其特征在于，
所述槽的深度d为1～10μm。
3.根据权利要求1或2所述的组合控油环，其特征在于，
所述氮化层的所述表面硬度h为1000～1500。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的组合控油环，其特征在于，
所述硬度为700以上的氮化层的厚度t为5～50μm。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的组合控油环，其特征在于，
所述间隔外胀环的除形成有所述氮化层的所述侧轨按压面之外的整个面上形成有Ni或Ni合金的金属被膜。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的组合控油环，其特征在于，
在所述侧轨的侧面的至少一方上形成有Ni或Ni合金的金属被膜。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的组合控油环，其特征在于，
在所述侧轨的内周面上形成有Ni或Ni合金的金属被膜。
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