JP4603359B2 - 組み合せオイルリング用サイドレール及びその窒化方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に用いられる組み合せオイルリングの鋼製サイドレール及びその窒化方法に関する。より詳しくは、本発明は窒化層を構成する組織とその組織形成方法に関する。

鋼製組み合せオイルリング（ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｏｉｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｉｎｇ）は、一対のサイドレール（ｓｉｄｅ ｒａｉｌｓ）と、これらを半径方向外周側に押し出すことによってシリンダ内壁面に押しつけるスペーサエキスパンダ（ｓｐａｃｅｒ ｅｘｐａｎｄｅｒ）とを含んでなり、したがってオイルリングの機能はシリンダ内壁面に適正な油膜を形成してピストンリングとシリンダの潤滑を行うこと及びシリンダ内壁面の余分なオイルを掻き取ることである。上記構成のサイドレールの摺動面は２カ所である。第一の摺動面はシリンダライナー（ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｌｉｎｅｒ）内壁と摺動するサイドレールの外周面であり、第二の摺動面はスペーサ耳部と接触するサイドレールの内周面である。

このため、摺動面である内外周面のみに窒化処理を施すサイドレールが、実開昭５３−１４７３０９号により提案されている。その後、イオン窒化が開発されてサイドレールに適用されると、厚膜窒化層を外周面のみに付与できるというイオン窒化の特性を利用し、上下面及び内周面に窒化層を持たず、外周面のみに窒化を行いオイルリング耐折損性およびオイルリングによるピストンのリング溝攻撃性を改善し、且つ内周面に硬質クロムめっきを施したサイドレールが開発された（特開平５−４４５７５号）。次に、内外周面共にイオン窒化による窒化層を有するサイドレールが開発された（特開平５−３３２４５１号）。更に、外周の窒化層厚さと内周面の窒化層厚さを数値限定化したサイドレールが提案された（特開平７−４３０８号）。

一方、窒化層については、特開平７−１１８８２６号において、イオン窒化による窒化層について化合物層を有しない拡散層のみから構成する特殊なイオン窒化（ラジカル窒化）の条件が開示されている。この窒化層をピストンリングに適用することが、特開平７−３１６７７８号に開示されている。しかし、これらの従来の技術においては、窒化層内の粒界硬質相についてほとんど記述されていないのが現状である。

ところで、スペーサエキスパンダがサイドレールを押しつける荷重は小さいものであるが、サイドレールとスペーサエキスパンダの接触する面の面積が小さいため、押しつけ応力としてはかなり大きくなる。このため、窒化層自身の耐摩耗性を向上する必要があるので、従来、耐摩耗性が優れたマルテンサイト系ステンレス鋼、特にＳＵＳ４４０Ｂ相当材が母材窒化鋼として使用されている。

ところが、前記の母材窒化鋼にイオン窒化を施すと化合物層は形成されないが、窒化拡散層と粒界硬質相（当業者には「かもめ相」と言われている）が形成される。このような窒化組織を有するオイルリング用サイドレールでは、シリンダライナーの摩耗やピストン溝荒れが発生し、オイル消費が悪化するといった問題があった。

本発明者が窒化された鋼材の摩耗について研究したところ、窒化層に形成された前述の粒界硬質相は、窒化された母材窒化鋼自身の耐摩耗性には殆ど影響を及ぼさないが、相手材への攻撃性は非常に高くなることを見出した。それは、表面部の比較的軟質な相が優先的に摩耗し、一方粒界硬質相の摩耗は遅れ、硬質相のみが相手材と接触する状況になり、相手材表面を鑢で擦るような状況が発生するためであることを究明した。

本発明は、従来技術の問題点であるシリンダライナーの摩耗及びピストン溝荒れによるオイル消費性能の悪化を解決するためになされたものであり、その骨子は、摺動面側に化合物層を持たず、且つ少なくとも摺動面に相手材攻撃性の高い粒界硬質相（ε相）を有していない窒化層を提供するものである。

本発明は、スペーサエキスパンダと組み合されオイルリングを構成するサイドレールにおいて、鋼材からなるサイドレールの外周面または内外周面に形成された窒化層が、窒素拡散層からなりかつ表面硬さがＨｖ１０００以上であり、前記窒化層の厚さの１／３以上に及ぶ該窒素拡散層の表面側領域において、粒界硬質相のないことを特徴とする組み合せオイルリング用サイドレールに関するものである。

本発明のサイドレールの窒化層は、表面化合物層がないために、窒化後化合物層（「白層」、「脆化層」と言われることもある）を研摩で除去する必要がない。
また、本発明の窒素拡散層の内部側領域で粒界硬質相が形成されることがあるのは、母材中の析出物であるＣｒ_２３Ｃ_６が窒化によりほとんど全部ＣｒＮに相変化するときに、叩き出されたＣ（炭素）が粒界部に拡散し、粒界の窒素濃度がある一定以上となると、ＦｅとＣとＮの化合物、特にε相（すなわち、「粒界硬質相」）を粒界に形成するからである。叩き出されたＣが粒界に拡散する理由は、マルテンサイト（ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ）系ステンレス鋼中のＣの固溶度が非常に小さいためである。

本発明のサイドレール鋼材の粒界組織は、（ａ）窒素拡散層の表面側領域では粒界硬質相が形成されず、窒素拡散層の内部側では粒界硬質相が形成されるか、あるいは（ｂ）粒界硬質相は窒化層全体で存在しない特長のある組織となっている。これら（ａ），（ｂ）の何れの組織が形成されるかは、窒化条件特に窒化層の厚さに依存する。粒界硬質相が形成されない理由は、粒界のＣ量が非常に低くなっているからである。

上記窒化層を形成するために、プラズマ窒化の一種であるラジカル窒化において、サイドレールのセット法、処理温度、ガス圧、ＮＨ_３／Ｈ_２流量比、処理電圧、処理時間という変数の中で、処理条件を調整することにより特長がある窒化層が得られた。
粒界硬質相がない窒化組織を有するサイドレール（Ａ）の摩耗は、摺動初期においては粒界硬質相がある組織を有するサイドレール（Ｂ）とほとんど差がない。ある程度摺動が進行すると、サイドレール（Ｂ）では結晶粒内の摩耗が先行し、粒界硬質相がサイドレール表面に凸状に残留して相手材を削り取るようになる。更なる摺動により突出した粒界硬質相が相手材により摩耗されると、摺動初期と同じような状況になるが、このように摩耗が進行することは稀であり、相手材の摩耗が大幅に進行する。これは、隣接する結晶粒により突出した粒界硬質相が強固に保持されていることによる。これに対して、サイドレール（Ａ）では、摺動面である窒化拡散層表面側の領域の粒界組織には粒界硬質相が存在しないので前述のような相手材への攻撃性は生じない。結晶粒内の球状析出物が相手材からの摩耗を減少させるため、むしろ粒界組織は結晶粒自体よりも摩耗しやすいが、相手材が粒界を優先的に攻撃することはない。

図１はシリンダに挿入したピストンのオイルリング溝内に組み付けた鋼製組合せオイルリングを示す。ピストンのオイルリング溝に装着された鋼製組合せオイルリングは、環状で合口を備えた上下一対の鋼製サイドレール３０ａ，ｂと、環状で合口を備えた鋼製スペーサエキスパンダ３１とからなる。

スペーサエキスパンダは軸方向波形形状をなしており、外周側上下面に台状のサイドレール離間保持平面を備え、内周側にサイドレール３０ａ，ｂを押圧付勢する耳部が設けられている。
以下、粒界でのε相の生成を解消するための基本的な理論について説明する。窒化層は、活性種の母材への注入とそれに続く窒素の拡散により形成されるが、注入速度と拡散速度は一般には同じとは言えない。窒化層の厚さは拡散により決定されるが、窒化層そのものの相の形態は活性種の注入速度に大きく依存する。
例えば、窒化層が表面に化合物層を伴って形成される場合は、活性種の注入速度が拡散速度よりも大きく、表面付近の窒素濃度は徐々に高まり、その窒素濃度が、例えば図２に示すように、５８０℃においては５．８重量％程度を越えたときにγ‘＋ε相に相変態する。この相がある程度厚くなったものが化合物層と呼ばれるものである。
一方、注入速度が拡散速度よりも小さいかまたは同じであるときは、表面付近に窒素濃度が濃縮することはないので、表面付近でのγ‘相やε相への相変態は発生せず拡散層のみが形成される。

化合物層を生成しない窒化処理は、このような考えですべて行われている。
上述のように粒界ε相は、粒界に注入される窒素の量とその粒界から拡散してゆく窒素量の差により生成したりしなかったりする。特に、窒化によって炭化物から排出されたＣが粒界に存在しているため、ε相が発生する窒素濃度は低濃度側に大きく移行する。図２に示すように状態図的には０．５重量％程度のＣがＦｅ中に固溶すると、ε相が形成される窒素濃度は５８０℃で２重量％程度にまで低下する。

このため、粒界にε相を形成させないためには、以下のような窒化条件を作ることが必要である。
（１）粒界部での窒素の拡散を早めるために、窒化処理温度を上げる。
（２）粒界部に注入される窒素量を減少させるために、窒素ポテンシャルを下げる。
（３）粒界部に注入される窒素量を減少させるために、プラズマ窒化等の電場で窒素を打ち込む方法については、電圧を下げる。
（４）ε相が生成する窒素濃度を上げるために、窒化により叩き出されて粒界に存在するＣを、表面からスパッタリングで排出する。
以上のような条件を満足する窒化装置及び窒化条件を確立することが粒界硬質相を生成させない窒化法である。

どのような窒化法が条件（１）〜（４）を満足する窒化法であるかであるが、これは、ラジカル窒化（ＲＩＮ窒化）装置が最も適した窒化装置であると言える。勿論、ガス窒化，イオン窒化においても条件を適正化できれば粒界硬質相（ε相）のない窒化層の形成は可能である。図３，４，５にガス窒化法，イオン窒化法，ラジカル窒化法（ＲＩＮ窒化法）を示す。また、表１に各窒化処理法の比較を示す。

まず、ガス窒化であるが、図３に示すように、窒化炉内に配置されたワーク（ｗｏｒｋ ｐｉｅｃｅ）容器１内に被処理材を配列する。ワーク容器１を貫通するガス管２からＮＨ_３ガスとキャリアガスをワーク容器１内に噴出させ、適当な排出口から炉内に排出させ、さらに排気管３から炉外に排出させ排ガス装置で処理する。被処理材は外部加熱ヒーター４により加熱され、炉内温度は温調機５により制御される。このようなガス窒化法では、前述の条件（１）の温度を上げることおよび条件（２）のＮＨ_３濃度をさげて窒化ポテンシャルを調整することは可能であるが、条件（４）のＣを表面から排出する機能がないため、ＮＨ_３濃度を相当低くしないと粒界硬質相の生成を阻止することは出来ない。しかし、そのようにＮＨ_３濃度を下げてしまうと、窒化ムラや処理時間の増大という不具合が発生するので、ガス窒化により粒界硬質相を有していない窒化層を得ることは実際的ではない。

次に、イオン窒化法では、図４に示すように、真空容器７の内部を真空ポンプ（図示せず）により真空引きし、圧力を自動圧力制御装置８により制御する。真空吸引されたガスは排ガス処理装置により処理する。原料ガスであるＨ_２及びＮ_２はそれぞれのマスフローコントローラー１０を経て、ノズル１１から真空容器７内に噴出される。一方，ワーク（被処理材）１２は直流電源（図示せず）と電気的に接続された電極１４に載置されているので原料ガスはワーク表面に形成される電圧降下領域であるシース部によりイオン化され、ワークに注入される。１５は炉内を観察するパイロスコープである。
このような窒化法では、外部加熱ヒーターを持たないため、処理電圧を上げてスパッタリング効果によってのみ処理物の窒化温度を得ている。このように高い電圧であると、条件（４）の粒界部にあるＣを表面からスパッタリングで叩き出す効果、及び条件（１）の温度上昇する事による拡散速度の上昇といった効果は得られるものの、高電圧であるために条件（３）とは逆に窒素の注入量も増えてしまい粒界部でのε相の生成を抑えることは非常に困難である。

これらの窒化法に対してラジカル窒化法は、図５に示すように装置構成はイオン窒化装置とほとんど同じであり、外部加熱ヒーター１６を備えていることが異なっている。ラジカル窒化法は、外部加熱ヒーター１６を有し、更に、原料ガスとして活性の高いＮＨ_３ガスを使用するため、処理温度と処理電圧とを独自に決められる利点がある。すなわち、処理温度は主に外部加熱ヒーター１６で昇温，維持されて処理物内部での窒素の拡散速度を大きくし、処理電圧は，処理物表面付近の粒界に存在しているＣを排出するためとＮＨ_３を活性化することを主とするためになるべく低くし、ＮＨ_３濃度は窒素源の注入速度を抑えるためになるべく低くする。このようにすれば、前述した粒界硬質相を阻止するための４条件をすべて満足する処理条件が設定できる。つまり、ラジカル窒化法においては、粒界硬質相を発生させない処理条件を設定するための原理的な困難性は何も存在しない。
以上のような理由から、本発明における実施例はラジカル窒化で行った。

本発明におけるサイドレールの母材であるが、基本的に窒化鋼ならどのような鋼種でも本発明の意図している粒界硬質相がない窒化層を形成することは可能であるので、すべての窒化鋼は本発明に含まれる。しかし、その中から摺動特性の良いものをサイドレールに適用することが望ましく、この点からマルテンサイト系ステンレス鋼、その中でも窒化後にＣｒＮが析出物として形成されるＳＵＳ４４０系の窒化鋼が最も望ましい。
続いてサイドレールのセット法及び処理条件について述べる。

サイドレールのセット方法は、コイル状に成形したレール２０を、図６に示すように隣接する上下面が密着するように押さえ治具２１で上下から締めつける。この時、外周のみ窒化の場合は、レール内周面に窒化が入らないように、上下押え治具を図示のように蓋状のものとする必要がある。蓋状の押さえ治具２１とすることで、上下押さえ治具内面とレール内周面とで一つの閉空間を形成するので、レール内周面表面および上下押さえ治具内面には、ガウスの法則により電場は形成されない。従って、グロー放電が発生しないため窒化は起こらない。一方、内周面にも窒化を入れた内外周の窒化の場合は、レール内周面を開空間にする必要があるため、上下押さえ治具２１は図７に示す様に外部空間に通じるような貫通穴２２を形成する必要がある。この貫通穴２２の大きさにより電場の大きさが決まるため、内周部の窒化深さはこの穴の大きさを調整することによって制御することが可能である。

次に、好ましい窒化処理条件であるが、窒化処理温度に到達するまでの昇温過程において、スパッタリングを行う。スパッタリングを行う目的は、表面に存在している酸化膜や不動態膜の除去と昇温のための熱源として使用するためである。この時の雰囲気ガスは、Ｈ_２またはＡｒが好ましい。

続いて、外部加熱ヒーターにより設定される処理温度は５５０℃以上６００℃以下が好ましい。５５０℃以下では窒素の拡散速度が遅すぎるため、粒界硬質相の生成を解消できない。また、６００℃以上では、母材が焼鈍されて軟化するので窒化層も軟化し、耐摩耗性が低下するためである。最適処理温度は５７０℃から５９０℃の範囲である。
自動圧力制御装置８により設定されるガス圧は０．５〜５Ｔｏｒｒとすることが好ましい。０．５Ｔｏｒｒ未満では、ＮＨ_３ポテンシャルがあまりに低すぎて窒化が進行しない。５Ｔｏｒｒ以上では、窒素源注入量が多すぎて粒界硬質相の生成を解消できない。最適ガス圧は１〜３Ｔｏｒｒの範囲である。

マスフローコントローラー１０により設定されるＮＨ_３／Ｈ_２比は、流量比で３／７から９／１の範囲が好ましい。ＮＨ_３／Ｈ_２比が３／７未満では、窒化速度があまりに遅すぎて実用的でない。また、ＮＨ_３／Ｈ_２比が９／１より大きいと、ＮＨ_３ポテンシャルがあまりに大きすぎて粒界硬質相の生成を解消できない。最適ＮＨ_３／Ｈ_２比は、７／３から８／２付近である。

処理電圧は、−４００Ｖから−５５０Ｖの範囲とする。−４００Ｖ以上（絶対値では４００Ｖ以下）では、ＮＨラジカルの生成が少なく窒化に寄与しない。また、Ｃ排出のためのスパッタリング効果がないので粒界硬質相の生成を解消ですることが困難である。−５５０Ｖ以下（絶対値では５５０Ｖ以上）であると、電圧が強すぎてラジカルの注入速度が大きくなりすぎて粒界硬質相の主成を解消することが困難である。最適な電圧範囲は−４７５Ｖから−５２５Ｖの範囲である。この範囲で、窒素イオン注入量とスパッタリングによるＣ排出量を最適化するような処理電圧を選択する。処理時間は窒化深さに応じて任意に選択できるものとする。以下、実施例によりさらに詳しく本発明を説明する。

表２に本発明の実施例で用いた母材の化学成分を示す。

表２の成分を有する断面寸法で０．４×２．０２ｍｍのサイドレール用線材をコイル状に成形した。コイル成形品の外径は７６ｍｍ、コイル長さは３４０ｍｍとした。これを、成形寸法と同じ内径を有するスリーブに側面隙間が発生しないように配置した後、図６，７に示すように上下押さえ治具２１を使用して上下から締めつけた。図６のセット品は外周面のみに窒化を施すサイドレールを製造するため、図７のセット品は内外周面のみ窒化を施すサイドレールを製造するためのものである。

前記のセット品をラジカル窒化炉にセットし、昇温中に前処理としてスパッタリングを行い、引き続いてラジカル窒化を行った。前処理条件と本処理条件は以下の通りである。

（１） 前処理条件（昇温中）
ガス圧 ： ０．８Ｔｏｒｒ
ガスの種類 ： Ｈ_２
処理電圧 ： −５００Ｖ
処理温度 ： ５４０℃以上５８０℃まで
昇温速度 ： １℃／分

（２）本処理条件
窒化処理温度 ： ５８０℃
ガス圧 ： ２Ｔｏｒｒ
ガスの種類 ： ＮＨ_３，Ｈ_２
ＮＨ_３／Ｈ_２流量比： ７／３
窒化処理電圧 ： −５００Ｖ
処理時間 ： ３時間

窒化結果を図８，９に示す。図８に外周面のみ窒化されたサイドレールを示す。また、図９に内外周面のみ窒化されたサイドレールを示す。また、両サイドレールの窒化層組織は同じであったので、図８の窒化層の拡大組織を図１０に示す。図１０から分かるように、化合物層が無く、更に摺動面側の窒化層厚さ１／３以上の領域には球状析出物のみ観察され、粒界硬質相（ε相）は有していない。

図８に示すように、図６の方法によるセット品は外周面のみに窒化層が存在し、また、図７の方法によるセット品には内外周面に窒化層が存在している。また、両実施例によるものの窒化層には化合物層は存在せず、更に摺動面側において、窒化層厚さの１／３以上の領域に粒界硬質相が存在していない。

比較例−１
図７による方法でセットしたサイドレールをガス窒化により窒化した。ガス窒化の条件は以下の通りである。
窒化処理温度 ： ５７５℃
窒化処理雰囲気： ＮＨ_３（９０％）＋乾燥空気（１０％）
ガス圧 ： １気圧
窒化処理時間 ： ６時間
この時の窒化層組織を図１１に示す。摺動面側に化合物層および粒界硬質相が観察され、本発明外であることが示されている。

比較例−２
図７による方法でセットしたサイドレールをイオン窒化により窒化した。イオン窒化の条件は以下の通りである。
窒化処理温度 ： ５５０℃
窒化処理雰囲気： Ｎ_２／Ｈ_２＝７／３（流量比）
放電電圧 ： ６００Ｖ
ガス圧 ： ４Ｔｏｒｒ
窒化処理時間 ： ２０時間
この処理で得られた窒化層組織を図１２に示す。摺動面側に化合物層および粒界硬質相が観察され、本発明外であることが示されている。

比較例−３〜１０
図７による方法でセットしたサイドレールを、種々処理条件でラジカル窒化処理したときの結果（窒化層深さ，化合物層有無，摺動面側の粒界硬質相の有無，窒化層表面から深さ２０μｍ位置の硬度）を表４に示す。

比較例−３においては、処理温度が低いために窒化ムラと化合物層、粒界硬質相が観察された。比較例−４では、処理温度が高いために窒化層の硬度がＨＶ８５０と低くなった。比較例−５（低ガス圧）、比較例−７（ＮＨ_３ガス低流量比）、比較例−９（低処理電圧）では、窒化ムラが生じた。比較例−６（高ガス圧）、比較例−８（ＮＨ_３ガス高流量比）、比較例−１０（高処理電圧）では、化合物層，粒界硬質相が観察された。
以上のように、本発明による製造方法の処理範囲を外れたものは、いずれも課題を解決するために必要な窒化層は得られなかった。

次に相手材攻撃性の評価のために、本発明の実施例および比較例１の窒化条件でピン材の先端に窒化を施し、ガス窒化品については化合物層を除去して摩耗試験を行った。ここで、本発明の実施例によるものの摺動面には粒界硬質相が無く、比較例１によるガス窒化後に化合物層を除去したものの摺動面には粒界硬質相が存在している。摩耗試験は、ピンオンドラム型の試験であり試験条件は以下の通りである。

ライナー材（相手材）： ＦＣ２５０
摩擦摺動速度 ： ０．２５ｍ／秒
試験荷重 ： ３９．２Ｎ
試験時間 ： ６時間
潤滑条件 ： 硫酸水溶液（ＰＨ＝２）、０．１ｃｃ／秒で滴下
試験結果は表５に示すとおりであった。

表５に示すように、ピン摩耗量については本発明品とガス窒化品は同等であったが、ライナー材摩耗量は本発明品がガス窒化品の１／２以下であり、本発明品が相手材の摩耗量を大幅に減少させ、相手材攻撃性が非常に優れていることが示された。

本発明によるサイドレールは、窒化層が相手材攻撃性に優れているため、ライナーやピストン等の摩耗を大幅に改善できるため、ライナー摩耗やピストン溝荒れ生じさせることがない。このため、オイルコントロール性能を長期間保持することが可能な優れた組み合わせオイルリング用サイドレールを提供することが出来る

サイドレールを要素とする組み合せオイルリングの一態様を示す図面である。 ５８０℃におけるＦｅ−Ｎ−Ｃ三元状態図である。 ガス窒化法の窒化装置の概略図である。 イオン窒化法の窒化装置の概略図である。 ラジカル窒化法（ＲＩＮ窒化法）の窒化装置の概略図である。 外周面のみに窒化することを目的としたサイドレール用の治具とそのセット図である。 内外周面に窒化を行うことを目的としたサイドレール用の治具とそのセット図である。 外周面にのみ窒化層を有するサイドレールの断面組織を示す図である。 内外周面にのみ窒化層を有するサイドレールの断面組織を示す図である。 本発明による窒化層の断面組織の拡大図である。 比較例−１によるガス窒化での窒化層の断面組織の拡大図である。 比較例−２によるイオン窒化での窒化層の断面組織の拡大図である。

Claims (2)

1. スペーサエキスパンダ（３１）と組み合されオイルリングを構成するサイドレール（３０）において、鋼材からなるサイドレールの外周面または内外周面に形成された窒化層が、窒素拡散層からなりかつ表面硬さがＨｖ１０００以上であり、前記窒化層の厚さの１／３以上に及ぶ該窒素拡散層の表面側領域において、粒界硬質相のないことを特徴とする組み合せオイルリング用サイドレール。
2. サイドレール素材をコイル状に成形する工程と、スリーブを使用してコイルの軸方向に隣接する面を密着させ且つコイルの各外径位置を合わせて上下から締めつけセットする工程と、ラジカル窒化炉での窒化処理に際して昇温時にスパッタリングを行う工程とを備え、ラジカル窒化の処理温度が５５０℃〜６００℃、ガス圧が０．５〜５．０Ｔｏｒｒ、ＮＨ_３／Ｈ_２流量比が３／７〜９／１、処理電圧が−４００Ｖ〜−５５０Ｖの範囲であることを特徴とするサイドレールの窒化方法。

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