CN1784505B - 氮化阀挺杆及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

阀挺杆(1)或凸轮(3)的滑动面(2)进行了渗碳淬火回火处理后，进行气体软氮化处理，使得其表面硬度达到Hv660或以上，化合物层(6)的厚度达到1-5μm。表面的氮化层是孔隙率1％或以下的致密的化合物层(6)。

Description

氮化阀挺杆及其制造方法
技术领域
本发明涉及内燃机的气阀系部件中实施了氮化的阀挺杆及其制造方法。而且涉及阀挺杆与凸轮的组合。
背景技术
如图10所示，在内燃机的直打式气阀机构10中，将凸轮11的旋转动作转换成阀12的往复运动的阀挺杆1，除了与汽缸体14的由往复运动带来的滑动之外，与凸轮11接抵的垫片3或顶表面部2(参照图1)还受到在高面压力下的滑动及冲击力，因此要求有优异的耐磨耗性和耐冲击性。另一方面，凸轮11为具有耐磨耗性和耐冲击性的材质，为了降低对阀挺杆1的撞击性，以及为了避免润滑形态变成不稳定的临界润滑，有必要提高滑动部表面的表面粗糙度。作为提高阀挺杆1的耐磨耗性的简单的方法，一般采用氮化处理，但通过氮化而在最外表面部形成的化合物层(本领域人员也称为白层)虽为高硬度，但有非常脆的性质，因此过去通过磨削、抛光等去除，在只残留氮化扩散层的状态下使用。
可是，作为对近年来的内燃机的高输出功率化或低燃料耗费化的要求的对应，由氮化得到的化合物层的高硬度且低摩擦系数这一特性被注目，作为降低与凸轮11滑动的阀挺杆1的顶表面部2处的摩擦的方法，提出了抛光后也残留化合物层的形式的滑动部件及其制造方法，例如在特开2002-97563号公报中表示出。
可是，在上述特开2002-97563号公报的滑动部件及其制造方法中，使用了过去的氮化处理方法，在氮化处理时化合物层形成得比较厚(5-15μm)，表面变成脆的层，而且处理品的变形也大，表面粗糙度也降低。为此，在此之后的工序中，需要一边残留化合物层且一边也进行表面粗糙度的调整，将薄的化合物层加工得更薄非常难、抛光处理必然不稳定。
为形成化合物层，一般所进行的气体软氮化等的处理，以形成10μm左右的化合物层为目标，在570℃前后的温度进行数小时的处理。可是，这样的处理方法，产生多孔层，不仅产生脆的ε相(Fe2～3N)，处理品的变形也大，同时表面粗糙度也大幅度恶化，有这些问题。另外，上述的以往的氮化处理中的化合物层，由最外层多孔质的ε相(Fe2～3N)、以及其下的致密的γ’相(Fe4N)和/或ε相与γ’相的混合相构成，它们形成与表面大致垂直地取向的比较粗大的柱状结晶。
这样的氮化处理，由于表面粗糙度大大地影响到配对材料的磨损，因此在降低对配对材料的撞击性的意义上，氮化后的抛光处理也不可缺少，但多孔层厚度不均匀，需要比较多地设定抛光余量。而且，由于硬度偏差等，均匀的抛光是困难的，因此在抛光后也有多孔层残留的可能性。在受到高面压力下的滑动和冲击的阀挺杆顶表面处，在抛光后残留多孔层的状态下，多孔层剥离脱落，成为故障发生的原因。
在特开2002-97563号公报中公开了这样的内容：作为去除多孔层、调整化合物层厚度及表面粗糙度的装置，使用抛光轮等抛光装置，但如上述，化合物层由ε相(Fe2～3N)以及致密的γ’相(Fe4N)和/或ε相与γ’相的混合相构成，由于各相的分布状态或硬度偏差等，抛光量无法均一，因此在同一抛光面易发生全部去除了化合物层的部分或残存多孔层的部分等，得不到均匀的化合物层。因此，在耐磨耗性上有得不到降低偏差或摩擦力矩的效果。
另外，如特开2002-97563号公报所示，沿着表面的起伏而抛光，即使均匀的化合物层，也在改善表面粗糙度上产生问题。而且，上述的抛光处理有成本非常高的问题。
另一方面，与阀挺杆滑动的凸轮，对滑动面实施抛光加工而使用，表面粗糙度比较粗，润滑状态为临界润滑，使具有脆的化合物层的上述阀挺杆顶表面的表面粗糙度增大。因此，为了从运转初始就抑制摩擦力矩，避免成为润滑形态不稳定的临界润滑，在一般的抛光加工之外，还需要砂纸抛光加工等高价的设备和需要长加工时间的高成本装置，存在这个问题。
发明内容
本发明是解决上述问题的发明，其目的在于，提供：在氮化处理的阶段在表面部形成均匀而致密的耐磨耗性高的化合物层，且氮化处理中的表面粗糙度的增大及处理物的变形小，不需要用于提高耐磨耗性或改善表面粗糙度和尺寸精度的抛光处理的阀挺杆及其制造方法。而且，本发明目的还在于，提供不需要对凸轮表面砂纸抛光等就能够与凸轮组合使用的阀挺杆。
一般地，在氮化层中，层状地形成氮浓度相对低的扩散层、和氮浓度高的化合物层。当氮化处理温度高时，化合物层形成得厚，最外表面变成脆的多孔状，因此为了尽量减少它，将处理温度设定得低即可，但在此种情况下，扩散层也变薄。在阀挺杆中，由于需要50-100μm扩散层厚，因此希望得到显示50-100μm的上述扩散层和高硬度、低摩擦系数的致密、规定表面粗糙度的化合物层。
于是，本发明人刻苦研究的结果发现：通过减小氮化前的阀挺杆顶表面的表面粗糙度，且将氮化而致的化合物层的厚度抑制得薄，能够得到氮化后的顶表面的表面粗糙度也小、耐磨耗性优异的阀挺杆。进而发现：通过将上述的阀挺杆与凸轮组合，能够实现不需要砂纸抛光等的高成本的精加工，通过跑合运转就使凸轮的表面粗糙度减小，总体上耐磨耗性优异、且降低了摩擦力矩的阀挺杆与凸轮的组合，同时低成本化也能够实现。
即，本发明的至少对顶表面实施了气体氮化或气体软氮化的阀挺杆，其特征在于，在最外表面形成1-5μm氮化而致的化合物层，所形成的该化合物层的表面粗糙度为Ra0.05或以下。另外，本发明的阀挺杆的制造方法，其特征在于，将氮化前的顶表面的表面粗糙度抛光加工成Ra0.01-0.03。通过氮化处理如此抛光加工的阀挺杆，并选择表面化合物层厚度达到1-5μm的氮化条件，从而得到在顶表面的最外表面具有高硬度、低摩擦系数的氮化化合物层、且表面粗糙度变为Ra 0.05或以下的阀挺杆。
氮化后的化合物层厚度为1μm或以下时，得不到耐磨耗性或降低摩擦力矩的效果，当为5μm或以上时，产生由于多孔层形成或表面粗糙度增大、以及化合物层厚而导致的使用时的化合物层剥离的问题，因此上限定为5μm。另外，一般地如果表面粗糙度为Ra 0.05或以下，则作为滑动部件可无问题地使用。当表面粗糙度为Ra 0.05或以上时，由于配对材料撞击性变大，也得不到降低摩擦力矩的效果，因此本发明中，顶表面的表面粗糙度定为Ra 0.05或以下。表面粗糙度在Ra 0.045或以下时，有磨光配对材料凸轮的功能，因此得到降低摩擦力矩的效果，故更优选。
另外，在本发明的阀挺杆中，氮化后的化合物层的孔隙率为5％或以下，例如如图3所示，在SEM的8000倍的倍率下观察时，表面部未看到多孔层，形成了比较致密的化合物层。一般地如果孔隙率为5％或以下，则对于阀挺杆那样的滑动部件而言是充分致密的，因此本发明将孔隙率定为5％或以下。当孔隙率为5％或以上时，由于影响到表面粗糙度，因此得不到耐磨耗性或降低摩擦力矩效果。
而且如图7所示，特征为：在表面具有平均粒径0.5μm或以下的微细的碳化物、氮化物、硫化物或氧化物、或者包含2种或以上上述化合物的大量突起。这些突起有这样的特征：在与凸轮组合而滑动时，通过其磨光功能，使凸轮的表面粗糙度提高到Ra 0.02或以下，不增大阀挺杆自身的表面粗糙度就脱离，在表面残留凹坑。特开平6-2511中公开了将与凸轮滑动的滑动面的表面粗糙度定为Rz0.2～Rz0.7的氮化硅的内容，但在Rz0.2或以下时，表明没有改善表面粗糙度的效果，在构成上不同。
与本发明的阀挺杆组合的配对材料凸轮，可使用一般凸轮轴所用的铸铁、铸钢及对其实施了激冷、渗碳、淬火等处理的、或铁系烧结材料及对其实施了淬火处理等的。
而且，本发明的阀挺杆的制造方法，在氮化处理中，阀挺杆不产生有害的多孔层。在阀挺杆表面形成1-5μm的含有由γ’相和/或γ’相与ε相的混合相组成的均匀而致密的等轴结晶的氮化合物层，且顶表面的表面粗糙度为Ra 0.05或以下，也几乎无变形。因此不仅不需要氮化处理后的抛光，而且在通过抛光消除多孔层的场合，也没有多孔层的抛光残留或由必要的氮化合物层的抛光导致的过度去除。另外，其特征为：通过由氮化而形成的均匀厚度、致密的化合物层，上述阀挺杆的顶表面的表面硬度均匀地为Hv660或以上。
在上述之外，在本发明的阀挺杆的制造方法中，其特征为，上述阀挺杆的氮化处理温度是500-560℃。氮化处理温度不足500℃时，氮化速度慢，未形成足够的氮化合物层，而超过560℃时，形成多孔层，在氮化处理后必需进行用于去除的抛光。进一步地，特征为：通过适当地调节氮化处理的气氛，在阀挺杆顶表面形成γ’相和/或γ’相与ε相的混合相。另外，特征为：氮化化合物层包含等轴结晶而成。
对于上述的阀挺杆，作为母材，能够使用一般在阀挺杆中使用的机械结构用碳素钢、合金钢、工具钢等。
另外，上述材料所使用的氮化处理法，在气体氮化、气体软氮化以外，还列举出离子氮化、自由基(ラジカル)氮化或盐浴氮化等，但离子氮化、自由基氮化法1次的处理量非常少，没有在成本方面的优点，盐浴氮化法难以确保环境问题和面粗糙度，因此不优选，在本发明中，气体氮化和气体软氮化合适。
气体氮化和气体软氮化处理一般是使用NH3的方法，但也可以使用形成对于钢材显示氮化作用的气氛的尿素等物质。另外，本发明在调节气氛时使用了N2气，但也可以将NH3的分解气体、转化气(RX气体)、N2气等单独或混合地以必需量供给。而且，本发明中，作为软氮化用的气体，使用了CO2气体，但也可以是使用转化气等的含有CO的气体的方法。另外，即使是在属于氮化处理的氧氮化、渗硫氮化等的氮化合物层中含有第三元素的情况，如果在表面形成的氮化合物层是γ’相和/或γ’相与ε相的混合的相，则也显示出本发明的效果。
在本发明的氮化阀挺杆中，使用气体氮化及气体软氮化法，调整氮化处理温度、时间、气氛等，在氮化处理后，没有多孔层，形成孔隙率为5％或以下的致密的氮化化合物层。比较氮化前后，几乎没有表面粗糙度的增大，氮化处理导致的应变或变形也极小。因此，不需要用于氮化后的化合物层厚度的调整、表面粗糙度的调整及多孔层去除的抛光就得到均匀厚度的化合物层，据此可确保稳定的耐磨耗性。另外，由于不需要高成本的抛光处理，因此能够得到低成本、高性能的阀挺杆。而且，在与凸轮组合而滑动时，不增大阀挺杆自身的表面粗糙度，而通过其磨光功能能够提高凸轮的表面粗糙度。
再者，阀挺杆有在阀挺杆本体上面与凸轮之间装上垫片，使之与凸轮滑动而使用垫片的形式的阀挺杆、和不使用垫片而在阀挺杆顶表面直接与凸轮滑动的无垫片形式的阀挺杆，但本发明的阀挺杆及其制造方法，对两种形式的阀挺杆都能适用。另外，关于在阀挺杆的顶表面等上设置了油孔或其他目的的孔穴或倒角、沟等的阀挺杆也能够适用。而且，也能够将本发明的阀挺杆及其制造方法的化合物层应用于与阀的阀杆末端等滑动的阀挺杆的凸起部4。
附图的简单说明
图1是可适用本发明的阀挺杆(无垫片)的一例的截面图。
图2是可适用本发明的阀挺杆(有垫片)的其他例的截面图。
图3是本发明的阀挺杆氮化后的顶表面截面的显微镜照片(8000倍)。
图4是明示图3的化合物层的截面图。
图5是以往技术的阀挺杆氮化后的顶表面截面的显微镜照片(8000倍)。
图6是明示图5的多孔层的截面图。
图7是本发明的阀挺杆氮化后的顶表面表面的显微镜照片(8000倍)。
图8是以往技术的阀挺杆氮化后的顶表面表面的显微镜照片(8000倍)。
图9是表示凸轮转速与摩擦力矩的关系的曲线图。
图10是表示阀挺杆的使用例的截面图。
图11是本发明的阀挺杆氮化后的顶表面截面的TEM观察照片(30000倍)。
图12是以往技术的阀挺杆氮化后去除了多孔层的顶表面截面的TEM观察照片(30000倍)。
图13是本发明的阀挺杆滑动试验后的顶表面表面的显微镜照片(8000倍)。
图14是表示本发明及以往技术的阀挺杆与配对材料凸轮在跑合运转前后的表面粗糙度的变化的图。
图15是表示本发明的阀挺杆与配对材料凸轮在滑动试验前后的表面粗糙度的变化的图。
实施发明的最佳方案
以下说明本发明的实施方案的一例。图1和图2所示的本发明的阀挺杆1，如图10所示，是在内燃机的直打式气阀机构中，嵌装在凸轮11和阀12之间，将凸轮11的旋转动作转换成阀12的往复运动的滑动部件。例如如图1所示，对于阀挺杆1与凸轮(未图示出)滑动接触的滑动面2使用本发明的阀挺杆1的制造方法。再者，本发明对于如图2所示的、与凸轮直接滑动接触的垫片3的滑动面2也适用。
以下示出本发明的阀挺杆1的具体的实施例。首先，将SCM材料锻造成形，对这样所得的坯材实施渗碳淬火回火处理，使得表面硬度达到HRC58或以上，有效硬化层深度达到约1.0mm，然后使用采用了砂轮和抛光剂的磨床将顶表面即滑动面2的表面粗糙度加工成Ra0.01～0.03，但优选进行顶表面精加工使得滑动面2的表面粗糙度达到Ra0.02。
接着，在处理温度520℃、处理时间70分下进行气体软氮化处理，使得滑动面2的表面硬度达到Hv660或以上，化合物层6(参看图4)的厚度达到1-5μm。在气体软氮化处理中使用的气体，使用了NH3和N2及CO2的混合气体。
在气体软氮化处理中，为了在1-5μm的范围均匀形成化合物层，且得到没有多孔层的化合物层，而且，为了变形小，表面粗糙度为Ra0.05以下，在温度的均匀性和气氛气体的搅拌上予以注意来进行处理。另外，为了在1-5μm的范围均匀形成化合物层、且得到没有多孔层的化合物层，控制气氛气体的组成和NH3的分解率也重要。阀挺杆在达到所规定的NH3分解率的气氛中被氮化处理。NH3的分解率能够用气体交换率(流量)或混合气体的构成比等控制。另外，也可以使用采用其他炉调整气氛成为所规定的NH3分解率的气体进行氮化处理。本实施例中的NH3的分解率是23％。
在本实施例中，用上述处理条件进行了气体软氮化，在处理温度560℃、处理时间30分，及在处理温度500℃、处理时间150分下分别得到3.5μm和2.5μm的没有多孔层的化合物层。此时的NH3的分解率，与520℃处理比较，在处理温度560℃时需要增大，但在500℃下则相同。NH3的分解率按照氮化处理温度500-560℃在5-50％的范围内控制。另外，阀挺杆在夹具上整齐排列，以均匀地接触气氛气体而进行气体软氮化处理，由此得到变形更小的均匀化合物层的阀挺杆。
过去进行的超过560℃的温度的气体软氮化处理，为形成必要的1-5μm的化合物层，处理时间短，不能调节成适当的气氛。只NH3的分解在表面进行的情况下，对氮化有效地作用，因此在NH3的分解率大的气氛中，处理品表面的NH3的分解反应减少，虽形成了没有多孔层的化合物层，但化合物层产生偏差，在NH3的分解率小的气氛中，处理品表面的氮化活跃地进行，化合物层产生了多孔层。
通过控制了氮化处理的温度、时间和气氛的上述气体软氮化处理，在阀挺杆的顶表面上，如图4所示，在母材上形成了扩散层7及在表面上不形成多孔层而形成了由孔隙率5％或以下的致密的化合物层6构成的氮化层。
另外，在化合物层表面具有图7所示的平均粒径0.5μm或以下的微细的碳化物、氮化物、硫化物或氧化物、或者包含上述化合物的2种或以上的大量突起(白的粒状部分)。此时的表面粗糙度是Ra0.05或以下。而且，如图11所示，氮化合物层中含有0.5μm或以下的等轴结晶。这样得到的本发明的阀挺杆，不需要用于改善表面粗糙度和尺寸精度的抛光处理。
接着，作为比较例，使用与上述本发明的实施例相同的坯材，使氮化前的顶表面的表面粗糙度不同，但采用与本发明的氮化处理相同的条件的加工方法作成了阀挺杆。
表1表示出此时的滑动面2上在氮化处理前和后的表面粗糙度的变化的例子。在本发明的实施例中，由于将氮化前的滑动面的表面粗糙度抛光加工成Ra0.012-0.028，因此知道可使氮化后的滑动面的表面粗糙度为Ra0.024～0.045。与此相对，在比较例1、2、3中，氮化处理前的滑动面的表面粗糙度超过Ra0.03的场合，氮化处理后的表面粗糙度超过了Ra0.05。
表1
Figure S04812673319970226D000081
图5、图12及图8中，针对以往技术比较例4的阀挺杆，显示出氮化后的截面及表面。
以往技术比较例4的阀挺杆，在一般的570℃被气体软氮化，厚厚地形成含有柱状结晶的化合物层6，具有粗大的多孔层8(参照图6)。另外，由于变形大，表面粗糙度也恶化，因此需要通过后面工序的抛光来去除多孔层。图12显示出通过加工而消除了多孔层的阀挺杆截面的TEM组织，但从表面开始具有大致垂直地取向的比较粗大的柱状结晶。
表2表示出实施例2及比较例4的阀挺杆在氮化前后的尺寸精度的变化及化合物层、多孔层的厚度。变形表示为相对于氮化前的阀挺杆顶表面形状，以外周部为基准，氮化后的最大位移。本发明的阀挺杆，在氮化处理后，表面粗糙度没有增大，变形也非常小，而且化合物层中未形成多孔层。据此，不需要作为后加工的抛光，因此不会出现因抛光导致的化合物层厚度产生偏差。
表2
[实验例]
将上述的本实施例的本发明阀挺杆和比较例4的以往技术的阀挺杆及将凸轮部激冷化的冷硬凸轮组装到引擎中，在转速1000-4000rpm下进行空转试验，测定了滑动时的摩擦力矩。图14表示出本发明和以往技术的阀挺杆在跑合运转前后的阀挺杆顶表面及滑动配对材料凸轮(凸轮鼻端部)的表面粗糙度变化。本发明的阀挺杆，不引起自身的表面粗糙度增大，并通过其磨光功能能够改善(降低)凸轮侧的表面粗糙度。另一方面，以往技术的阀挺杆，在跑合运转前后阀挺杆自身的表面粗糙度大幅度增大。
另外，图15表示出本发明的阀挺杆跑合运转前、耐久评价后的阀挺杆顶表面和配对材料凸轮(凸轮尖)的表面粗糙度变化。本发明的阀挺杆顶表面的表面粗糙度几乎没有变化，另一方面，通过其磨光功能，使配对材料凸轮侧的表面粗糙度提高到Ra0.02μm。另外，从作为阀挺杆和凸轮的综合滑动评价使用的表面粗糙度的方均值看也为收敛的倾向。图13表示出耐久评价后的本发明阀挺杆的滑动表面。滑动前的表面上可看到的突起，在与凸轮组合而滑动时，通过其磨光功能使凸轮的表面粗糙度提高到Ra0.02μm或以下，不增大阀挺杆自身的表面粗糙度，而残留提高保油效果的凹坑而脱离。
图9是表示转数和摩擦力矩的关系的曲线图。此结果知道：本发明的阀挺杆在跑合运转前后及耐久评价中几乎没有自身表面粗糙度的变化，且通过磨光功能提高凸轮侧的表面粗糙度，摩擦力矩比以往技术的低，在滑动阻力上也有优势。
如先前所述，本发明的阀挺杆，其特征是，氮化后的化合物层厚度为1-5μm，且，氮化后的顶表面的表面粗糙度是Ra0.05或以下，而且在化合物层表面部未形成多孔层，因此基本上不需要抛光处理。这样制造的阀挺杆1，在氮化处理后基本不需要高成本的抛光处理，由于能够使滑动面2均匀存在高硬度且低摩擦系数的化合物层，因此耐磨耗性也稳定，能够维持高性能同时大幅度降低制造成本。而且，通过与配对材料凸轮组合而滑动，不引起阀挺杆自身的表面粗糙度增大，而通过其磨光功能能够提高凸轮侧的表面粗糙度，因此对于配对材料凸轮也不需要砂纸抛光加工等高价的设备和需要长的加工时间的高成本的装置。
如以上所述，本发明的阀挺杆，通过进行形成没有多孔层的1-5μm的致密而硬的氮化化合物层，在氮化前后表面粗糙度几乎没有增大，而且应变变形极小的气体氮化处理，不需要调整表面粗糙度及去除多孔层等调整氮化处理后的化合物层的抛光。据此，表面性状均匀，可确保稳定的耐磨耗性。
另外，通过得到均匀的化合物层，与以往技术的阀挺杆比，能够降低摩擦力矩。而且由于不需要高成本的抛光处理，因此能够得到低成本的阀挺杆。
而且，通过与凸轮组合而滑动，不引起阀挺杆自身的表面粗糙度增大，而通过其磨光功能，能够提高凸轮侧的表面粗糙度，因此除了改善耐磨耗性和摩擦力矩之外，还能实现凸轮侧的低成本化。

Claims (5)

1.一种阀挺杆，是对内燃机用阀挺杆的至少项表面实施了气体氮化或气体软氮化的阀挺杆，其特征在于，在最外表面形成1-5μm由Fe4N相和/或Fe4N相与Fe2-3N相的混合相构成的经氮化而致的化合物层，所形成的该化合物层包含等轴结晶，孔隙率为5％或以下，且表面粗糙度为Ra0.05或以下。
2.根据权利要求1所述的阀挺杆，其特征在于，在该化合物层的表面具有平均粒径0.5μm或以下的大量突起。
3.根据权利要求2所述的阀挺杆，其特征在于，该化合物层表面的突起是碳化物、氮化物、硫化物或氧化物、或者包含2种或以上上述化合物。
4.根据权利要求1所述的阀挺杆，其特征在于，阀挺杆顶表面的表面硬度是Hv660或以上。
5.一种阀挺杆的制造方法，是对内燃机用阀挺杆的至少顶表面实施气体氮化或气体软氮化的阀挺杆的制造方法，其特征在于，将氮化前的顶表面的表面粗糙度抛光加工成Ra0.01-0.03，通过将氮化处理温度控制为500-560℃、NH3的分解率控制为5-50％的范围内的氮化，在最外表面形成1-5μm的化合物层，该化合物层的表面粗糙度为Ra0.05或以下。
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