CN1321281C - 组合滑油环用的侧轨及其氮化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为改良隔片扩管器(31)与滑油环构成氮化侧轨(30)的对方材料侵蚀性。于侧轨钢材的外周面或内外周面中由氮扩散层所构成的氮化层乃于不伴随形成表面化合物层；被氮化的钢材结晶粒与该结晶粒邻接形成结晶粒界的构成；其结晶粒界至少于侧轨(30)表面侧领域中非为硬质粒界，于侧轨内部侧中得到硬质粒界的存在。

Description

组合滑油环用的侧轨及其氮化方法
技术领域
本发明为有关使用内燃机组合滑油环的钢制侧轨及其氮化方法。更加详细而言，本发明为有关氮化层的构成组织与其组织形成方法。
钢制组合滑油环包含一对侧轨与通过向其半径方向外周侧推出，推押入气缸内壁面的隔片扩管器，更者，滑油环的机能是于气缸的内壁面中形成适当的油膜，以作为活塞胀圈与气缸的润滑及气缸内壁面刮取多余的油份。上述构成的侧折动面为2个部分。第1折动面为气缸折面内壁与折动侧轨的外周面，第二折动面为与隔片耳部接触侧轨的内周面。
背景技术
为此，仅于折动面的内外周面实施氮化处理的侧轨已揭示于实开昭53-147309号中。其后，开发适用于侧轨的离子氮化与利用仅可以赋予厚膜氮化层外周面的离子氮化特性，上下面及内周面中无氮化层，仅对外周面行氮化滑油环耐折损性及通过改善滑油环的活塞的环沟侵蚀性且于内周面上镀上硬质铬的侧轨(特开平5-44575号)。次者，亦有开发通过内外周面共同离子氮化具有氮化层的侧轨(特开平5-332451号)。更者，有提出限制外周的氮化层厚度与内周面的氮化层的数值的侧轨(特开平7-4308号)。
一方面，针对氮化层在特开平7-118826号中，揭示了通过离子氮化针对仅从无化合物层的扩散层构成特殊的离子氮化(快速氮化)的条件。如特开平7-316778号所揭示，此氮化层虽乃适用于活塞胀圈。但，于此些先前技术中，针对氮化层内的粒界硬质相其现状却大多不如记载所言。
又，虽隔片扩管器押入侧轨的负荷为小，但因侧轨与隔片扩管器的接触面为小之故，其作为押入应力乃为大。为此，提高氮化层自身的耐磨损性有其必要，公知的，耐磨损性优异的马丁体系不锈钢，特别是使用SUS440B等适合材料作为氮化钢母材。
又，前述之氮化钢母材中实施离子氮化与不形成化合物层，形成氮化扩散层与粒界硬质相(业者称为“海鸥相”)，具有此氮化组织的滑油环的侧轨中，发生气缸衬套的磨损和活塞沟皲裂，油品的大量消耗乃为其问题。
发明内容
本案发明者针对氮化钢材磨损的研究，发现其于氮化层所形成的前述粒界硬质相虽几乎完全不影响被氮化的氮化钢母材本身的耐磨损性，但对于对方材的侵蚀性却是相当的高。其为表面部较软质相乃优先磨损，另一方粒界硬质相的磨损为缓，仅以硬质相与对方材相接触的状况下，乃加以研究探白对方材表面以锉刀摩擦的情况。
本案发明，为解决先前技术气缸衬套的磨损及活塞沟的皲裂的大量消耗油品问题点，其要旨为提供于折动面侧无化合物层且至少于折动面中不具有高侵蚀性的对方材粒界硬质相(ε相)的氮化层。
本发明，侧轨与隔片扩管器组合构成滑油环，侧轨中，以钢材构成的侧轨的外周面或内外周面中形成有氮化层，其是由不伴随着表面化合物层的氮扩散层构成且表面硬度为Hv1000以上，该氮扩散层的表面侧领域中，有关组合滑油环用侧轨无粒界硬质相乃为其特征。
本发明的侧轨氮化层，因无表面化合物层之故，氮化后化合物层(称之为“白层”、“脆化层”)乃无必要以研磨方式除去。
又，于本发明的氮扩散层的内部领域中形成粒界硬质相是于母材中的析出物Cr23C6乃通过氮化大部分成CrN相变化时，敲打出C(碳)乃扩散于粒界部中，粒界的氮浓度成一定以上时，Fe与C与N的化合物，特别是ε相(即，“粒界硬质相”)乃于粒界形成之。敲打出的C扩散于粒界其理由，因马丁体系不锈钢的C的固溶度乃非常小之故。
本发明的侧轨钢材的粒界组织(a)于氮扩散表层的表面侧领域中不形成粒界硬质相，在氮扩散层的内部侧中形成粒界硬质相或(b)粒界硬质相不存在于氮化层全体中构成有其优点的组织。形成此些(a)、(b)任一组织，依据氮化条件特别是氮化层的厚度。不形成粒界硬质相的理由乃因为粒界的C量乃非常微少之故。
为形成上述氮化层之故，快速氮化(radical)的一种等离子氮化中，侧轨的调整法、处理温度、气压、NH3/H2流量比、处理电压、处理时间的变量中，通过调整处理条件可得具有特长的氮化层。
具有无粒界硬质相氮化组织的侧轨(A)的磨损，是于初期折动中 与具有粒界硬质相组织的侧轨(B)相差不大。进行某程度的折动时，于侧轨(B)中先行结晶粒内的磨损，粒界硬质相乃于侧轨表面上残留凸状而削掉对方材料。更者通过折动凸出后的粒界硬质相乃因与对方材料的磨损时，构成与折动初期相同的状况，进行此磨损乃为少有的情事。对此而言，于侧轨(A)中，于氮化扩散层表面侧的折动面领域粒界组织中，因其粒界硬质相乃不存在故不产生前所述之向对方材料的侵蚀性。结晶粒内的球状析出物为减少从对方材的磨损，宁可粒界组织比结晶粒本身更容易磨损，不使对方材料对粒界优先侵蚀之。
附图说明
图1为表示构成本发明侧轨要素的组合滑油环的一态样图面。
图2为于580℃中Fe-N-C的三元状态图。
图3为气体氮化法的氮化装置概略图。
图4为离子氮化法的氮化装置概略图。
图5为快速氮化法(RIN氮化法)的氮化装置概略图。
图6为仅氮化外周面为目的的侧轨用冶具及其调整图。
图7为仅氮化内外周面为目的的侧轨用冶具及其调整图。
图8为表示仅于外周面具有氮化层的侧轨的断面组织图。
图9为表示仅于内外周面具有氮化层的侧轨的断面组织图。
图10为通过本发明的氮化层的断面组织的扩大图。
图11为比较例1于气体氮化中的氮化层的断面组织扩大图。
图12为比较例2于离子氮化中的氮化层的断面组织扩大图。
具体实施方式
图1表示于气缸中插入活塞的滑油环沟内组合钢制的滑油环。活塞的滑油环沟中装设的钢制组合滑油环，于具备环状合口的上下一对的钢制侧轨30a、30b与具备环状合口的钢制隔片扩管器31所构成。
隔片扩管器为一轴方向波形形状，于外周侧上下面上具备有侧轨离间保持平面，于内周侧中设置有侧轨30a、30b的押压赋能耳部侧轨。
以下，乃加以说明对于粒界为消除ε相生成的基本理论。氮化层是由注入于活性种的母材与接着通过氮的扩散所形成之，注入速度与扩散速度一般而言并不相同。氮化层的厚度乃通过扩散加以决定，其氮化层的相型态乃与活性种注入速度有极大的关系。
例如，氮化层乃于表面伴随着形成化合物层的情况时，活性种的注入速度比扩散速度为快，表面附近的氮气浓度乃徐徐地升高，其氮气浓度乃如图2所示，于580℃中超过5.8重量百分比时，会相变态为′+ε相。此相因有某程度的厚度乃被称作化合物层。一方面，注入速度比扩散速度小或相同时，表面附近的氮气浓度乃因不浓缩之故，不发生朝表面附近的γ′相与ε相的相变态仅形成扩散层。不生成化合物层的氮化处理，全以此方式加以处理之。
如上述所示粒界ε相，注入粒界的氮气量与通过从其粒界扩散出氮气量的差以生成之。特别是，通过氮化从碳化物排出的C乃存在于粒界之故，发生ε相的氮气浓度乃向低浓度侧快速移行。如图2所示的状态图中0.5重量％程度的C乃固溶于Fe中时，形成ε相的氮气浓度为降低至580℃下2重量％的程度。
为此，为不于粒界形成ε相之故，以下述的氮化条件制造乃为必要。
(1)为使于粒界部的氮气提早扩散，要提高氮化处理温度。
(2)为减少注入粒界部的氮气量，降低氮气位(potential)。
(3)为减少注入粒界部的氮气量，于快速氮化等电场中针对灌入氮气的方法乃降低其电压。
(4)为生成ε相而提高氮气浓度之故，通过氮化敲出存在于粒界的C从表面以喷镀排出。
确立满足如上的条件的氮化装置及氮化条件乃不生成粒界硬质相的氮化法。
何种氮化法乃符合条件(1)～(4)的氮化法，快速氮化(RIN氮化)乃可说是最适合的氮化装置。当然，气体氮化、离子氮化中若其条件适合亦可能形成无粒界硬质相(ε相)的氮化层。于图3、图4、图15表示气体氮化法、离子氮化法、快速氮化法(RIN氮化法)。又，表1表示各氮化处理法的比较。
各氮化处理法的比较
气体氮化 离子氮化 快速氮化(RIN氮化)
供给气体 NH3/N2 N2/H2 NH3/H2
热源 外部加热器 通过焊溅物加热(100％) 外部加热器(90％)+喷镀(10％)
处理电压(V) 0 550-700 400-550
处理压力(Torr) 760 1-5 0.5-5
处理温度(℃) 500-590 500-590 500-590
发热量 无发热 发热量大 发热量小
氮化反应种类 NH快速 N离子 NH快速
反应型态 CVD PVD 主要CVD
表1
首先，气体氮化如图3所示，于氮化炉内配置有工作容器1(workpiece)内配列有被处理材。从贯通工作容器1的气体管线2将NH3与运送气体喷出至工作容器1内，从适当的排出口排出至炉内，更者经由排气管3排气装置处理排出炉外。被处理材是通过外部加热器4加热，炉内温度是通过温度调节机5加以控制。于此气体氮化法中，提高上述条件(1)的温度及降低条件(2)的NH3浓度亦能调整氮化电位，条件(4)的C并无从表面排出机能之故，NH3浓度若非相当低时，无法阻止粒界硬质相的生成。但，若如此降低NH3浓度时，乃发生氮化不均匀与处理时间的增大的所谓不适合的情况，通过氮化以得不具有粒界硬质相的氮化层在实际上并无法得到。
次者，于离子氮化法中，如图4所示，通过真空容器7内部通过真空泵浦(无图标)加以真空吸出，压力乃通过自动压力控制装置8加以控制。被真空吸引出的气体乃通过排气处理装置加以处理。原料气体的H2及N2乃经个别的质量流控制器10，经由喷嘴11喷出至真空容器7内。一方面，工作件12(被处理材料)与直流电源(无图标)作电气接续设置电极14，原料气体乃于工作表面形成，电压下降领域乃通过屏极部加以离子化，被注入工作件内。符号15为观察炉内的测高温计。
于此氮化法中，无设置外部加热器之故，提高处理电压仅通过喷镀效果以得处理物的氮化温度。于此高电压时，于条件(4)的粒界部C乃从表面以喷镀敲打效果，及通过条件(1)温度上升可得扩散速度上升的效果，为抑制高电压的条件(3)与增加逆向氮气注入量的粒界部中的ε相的生成乃为非常困难的情事。
对此些氮化法其快速氮化法，如图5所示装置构成乃大部分与离子氮化装置相同，具备外部加热器16为其相异之处。快速氮化法，设置有外部加热器16，更者，使用活性高的NH3气体作为原料气体之故，乃可独自决定处理温度与处理电压为其有利之点。亦即，处理温度主要于外部加热器16升温，维持处理物内部氮气的高速扩散速度，处理电压为排出于处理物表面附近的粒界存在的C的故与以NH3活性为主的故尽可能为低，NH3浓度为抑制注入氮气源速度之故尽可能为慢。如此一来，乃可设定完全满足前述所述的阻止粒界硬质相的4个条件。也就是说，于快速氮化法中为不使粒界硬质相产生设定处理条件的原理是没有多大困难性。
通过以上的理由，于本发明的实施例乃以快速氮化行使之。
于本发明中的侧轨母材基本上如为氮化钢等任何种类的钢材，可能不形成粒界硬质相的氮化层乃为本发明的意图，全部的氮化钢乃包含于本发明中。但，从中期望折动特性优异者为适用于侧轨，经由此点，马丁体系的不锈钢中在氮化后的CrN乃作为析出物形成SU440系的氮化钢乃为最适切者。
接着针对侧轨调整法及处理条件加以叙述之。
本发明的侧轨调整法，为线材状的轨条20如图6所示为密接邻接上下面乃以压镇冶具21从上下压紧。此时，外周的氮化情况时，轨条内周面中不产生氮化如图所示为盖状的上下压镇冶具乃为必要。盖状的压镇冶具21乃由上下压镇冶具内面与轨条内周面形成一封闭空间，轨条内周面表面及上下压镇冶具内面中，通过高斯法则而不形成电场。又，因不产生灼热放电之故乃不产生氮化。
一方面，于内周面实施氮化后的内外周的氮化情况时，轨条内周面成开放空间乃为必要之故，上下压镇冶具21乃如图7所示通过外部空间形成贯通孔22乃为必要。通过贯通孔22的大小可以决定电场的大小之故，通过调整此孔的大小可以控制内周部的氮化的程度。
次者，适当的氮化条件，到达氮化处理温度的升温过程中行使喷镀工作。行使喷镀的目的，为除去于表面存在的酸化膜与不动态膜与升温之故而作为热源使用之。此时的周围气体乃以H2与Ar为适宜者。
接着，通过外部加热器设定的加热温度为550℃以上600℃以下为适合。于550℃以下中氮气的扩散速度乃过于迟缓之故，乃无法消除粒界硬质相的生成。且，于600℃以上时，母材乃因被烧钝软化之故其氮化层软化之，其耐磨损性亦为降低。最适宜处理的温度乃为570℃至590℃的范围。
通过自动压力控制装置8所设定的气压是以0.5～5Ton为适宜者。未满0.5Torr时，其NH3的电位过低乃无法进行氮化。5Torr以上时，氮气源注入量乃过多无法消除粒界硬质相的生成。最适当的气压为1～3torr的范围。
通过质量流控制器10所设定的NH3/H2之比，是以流量比3/7至9/1的范围为恰当。NH3/H2比为7/3至8/2Z附近。
处理电压为-400V至-550V的范围。在-400V以上(绝对值为400V以下)中，NH快速生成为少乃无助于氮化。又，因排出C之故乃无喷镀效果消除粒界硬质相的生成乃为困难。-550V以下(绝对值为550V以上)时，电压乃过强快速注入的速度乃过快要消除粒界硬质相的生成亦乃为困难。最适宜之电压范围乃为-475V至-525V的范围。于此范围内，氮气离子注入量与通过喷镀的C排出量加以最佳化以选择处理电压。处理时间系因应氮化程度而可加以任意选择之。以下，系通过实施例加以详细说明本发明。
本发明的最佳实施型态
于本发明中所使用的侧轨母材化学成分(重量％)
成份 C Si Mn P S Cr Mo V
分析值 0.86 0.38 0.32 0.030 0.001 17.28 1.09 0.10
表2
表2的成分为具有断面大小0.4×2.02mm的用线材形成线圈状。线圈成形品的外径为76mm、线圈长为340mm。此与具有成形大小相同的内径的套筒中侧面空隙间无法产生的配置后，如图6、图7所示，使用压镇冶具21将上下压紧之。图6的调整品仅对于外周面实施氮化以制造侧轨，图7的调整品仅对于内外周面实施氮化以制造侧轨。
上述的调整品于快速氮化炉中调整之，升温中以喷镀作为前处理行使而持续行使氮化。前处理的条件与本条件乃如下所示：
(1)前处理条件(升温中)
气压：0.8Torr
气体种类：H2
处理电压：-500V
处理温度：540℃以上至580℃
升温速度：1℃/分
(2)本处理条件
氮化处理温度：580℃
气压：2Torr
气体种类：NH3、H2
NH3/H2流量比：7/3
氮化处理电压：-500V
处理时间：3小时
氮化结果如图8、图9所示。图8表示仅对外周面实施氮化后的侧轨。又，图9表示对内外周面实施氮化后的侧轨。且，两侧轨的氮化组织乃相同之故，图8的氮化组织扩大图乃以图10表示之。经由图10可得知，无化合物层，更者，观察到折动面侧的氮化层厚度1/3以上的领域为球状析出物，并无粒界硬质相(ε相)。
且，如图8所示，通过图6的方法调整品乃仅存在于外周面的氮化层，又，通过图7的方法调整品乃存在于内外周面的氮化层。通过两实施例氮化层中乃不存在化合物层，更者，于折动面侧中，氮化层厚度1/3以上的领域不存在粒界硬质相。
比较例1
通过图7的方法调整后的侧轨乃以气体氮化法氮化之。气体氮化的条件乃如下所示：
氮化处理温度：575℃
氮化处理环境：NH3(90％)、干燥空气(10％)
气压：1气压
处理时间：6小时
此时的氮化层组织乃如图11所示，观察于折动面侧的化合物层及粒界硬质相，以表示本发明外的情事。
比较例2
通过图7的方法调整后的侧轨乃经由离子氮化加以氮化之。离子氮化的条件乃如下所示：
氮化处理温度：550℃
氮化处理环境：N2/H2＝7/3(流量比)
放电电压：600V
气压：4Torr
氮化处理时间：20小时
以此处理所得之氮化组织是以图12表示之。观察于折动面侧的化合物层及粒界硬质相，以表示本发明外的情事。
比较例3～10
通过图7的方法调整后的侧轨，于各种处理条件下快速氮化处理后时的结果(氮化层的深度、有无化合物层、折动面侧有无粒界硬质相、从氮化层表面至20μm深度位置的硬度)乃以表3加以表示之。
于比较例3中，因处理温度为低之故，观察其氮化不均匀、化合物层与粒界硬质相。于比较例4中，因处理温度为高之故，氮化层的硬度乃低于HV850。
于比较例5(低气压)、比较例7(NH3气体低流量比)、比较例9(低处理电压)中，乃产生氮化不均匀。比较例6(高气压)、比较例8(NH3气体高流量比)、比较例10(高处理电压)中，乃观察化合物层、粒界硬质相。
如上所述，脱离本发明制造方法的处理范围，乃无法得到为解决如上述任何课题的氮化层。
本发明与比较例3～10的处理条件与结果
处理温度(℃) 气压(Torr) NH3/H2(流量比) 处理电压(-V) 处理时间(分)
本发明 580 2 7/3 500 180
比较例3 545 2 7/3 500 180
比较例4 605 2 7/3 500 180
比较例5 580 0.4 7/3 500 180
比较例6 580 5.1 7/3 500 180
比较例7 580 2 2.9/7.1 500 180
比较例8 580 2 9.1/0.9 500 180
比较例9 580 2 7/3 390 180
比较例10 580 2 7/3 560 180
表3
本发明与比较例3～10的处理结果
氮化层深度(μm) 有无化合物层 有无粒界硬质相 氮化层表面硬度(Hv)
本发明 57 无 无 1100
比较例3 氮化不均匀 有 有 1205
比较例4 69 无 无 850
比较例5 氮化不均匀 无 无 不能测定
比较例6 65 有 有 1153
比较例7 氮化不均匀 无 无 不能测定
比较例8 64 有 有 1025
比较例9 氮化不均匀 无 无 不能测定
比较例10 62 有 有 1020
表4
次者为评鉴对方材料侵蚀性，本发明的实施例及比较例1的氮化条件中，将销材的先端实施氮化，针对氮化品乃行使除去化合物层的磨损试验。于此，经由本发明的实施例，其折动面乃无粒界硬质相，通过比较例1于气体氮化除去化合物层后的折动面中乃存在有粒界硬质相。磨损试验，活塞胀圈型的试验发试验条件乃如下所示：
衬里材(对方材料)：FC250
摩擦折动速度：0.25m/秒
试验负载：39.2N
试验时间：6小时
润滑条件：以硫酸水溶液(pH＝2)0.1cc/秒滴下的试验结果乃以第4表表示之。
磨损试验结果
销磨损量(μm) 衬里材磨损量(μm)
本发明制品 2.6 1.2
气体氮化制品 2.7 2.6
表5
如表5所示，针对销磨损量，本发明与气体氮化制品虽为相同，但对于衬里材磨损量，本发明制品乃为气体氮化制品的1/2以下，本发明制品大幅减少磨损对手材料的磨损量，显示对于对手材的侵蚀性乃非常地优异。
通过本发明的侧轨，氮化层有优异的对手材侵蚀性之故，可以大幅改善衬里与活塞等的磨损，不会发生衬里的磨损与活塞沟的皲裂。故此，本发明乃提供可以长时间保持优异控油性能的组合滑油环用的侧轨。

Claims (3)

1.一种组合滑油环用的侧轨，侧轨与隔片扩管器组合以构成滑油环，其特征是，在以钢材构成的侧轨的外周面或内外周面形成有氮化层，其是由氮扩散层所构成且表面硬度为Hv1000以上，该氮扩散层的表面侧领域中无粒界硬质相。
2.如权利要求1所述的组合滑油环用的侧轨，其特征是，前述的氮扩散层的表面侧领域为达到前述的氮化层厚度的1/3以上。
3.本发明的侧轨氮化方法，其特征是，侧轨材料以线圈状成形的工程与使用套筒使其与线圈轴方向邻接面紧密结合且对合线圈的各外径位置，从上下束紧固定工程与具备于快速氮化炉中的氮化处理升温时行使的喷镀工程，快速氮化的处理温度为550℃～600℃、气压为0.5～5.0Torr、NH3/H2流量比为3/7～9/1、处理电压为-400V～-550V的范围。
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