JPS6058780B2 - 耐熱、耐摩耗性シ−ルリング - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は耐熱、耐摩耗性を要求される特に自動車内燃
機関用ターボチャージャーのタービン側シールリングに
係る。

周知のようにターボチャージャーのタービン側シール
リングは高温の排気ガスにさらされると共に１５０００
０にμｍ以上の超高速回転の軸に組付けられるため極め
て苛酷な摩擦条件になるので高い耐熱性と耐摩耗性が要
求される。

従来、ターボチャージャーのタービン側シールリングに
は、１３Ｃｒ系の鋳鋼材、ＳＵＳ４２０Ｊ２の様なマル
テンサイト系の耐熱鋼、Ａ２８６１４の様なオーステナ
イトの析出硬化型の耐熱鋼、時にはＳＫＨ９のようなハ
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あ Ｌ−−ｌ■目【。 一短があり、耐熱性と耐摩耗性
を同時に満足させ得ないでいる。すなわち１３Ｃｒ系の
鋳鋼材は炭化物の析出により耐摩耗性は略、満足させ得
るが、耐熱性の面て不満足である。一方ＳＵＳ４２０Ｊ
２の様なマルテンサイト系高クロム材料は耐熱性、耐摩
耗性共にある程度の水準にはあるが、ガソリンエ ンジ
ン用のターボチャージャーの様に排気ガス温度が高く回
転数が高い（摩擦速度が大きい）場合には耐熱、耐摩耗
性共充分でない。又Ａ２８５材の様なオーステナイト系
の耐熱鋼は耐熱性は充分であるが、基地がオーステナイ
［・になるため耐摩耗性の面で劣る。ＳＫＨ９の場合は
クロム、モリブデ ン、タングステンによる複合炭化物
及び高硬度の マルテンサイト基地により自身の耐摩耗
性はあるが、相手軸材の摩耗を招来し、耐熱性の面て不
充分てある等従来のいずれの材料も問題を内蔵している
。近年、乗用車用ターボチャージャーの普及に伴い、従
来主として定速回転機器に用いられていた場合に比較し
ターボチャージャーの回転数はＪ益々高くなり、特にガ
ソリンエンジン用のターボチャージャーでは排気ガス温
度の高いことも相まつて前記不具合は更に顕著になつて
きている。特に回転数の増大に伴い軸との摩擦状態が苛
酷にな り、しばしば焼付き等を発生しシールリングと
軸；との間に異常摩耗が発生する。すなわちシールリン
グと軸が焼付き状態になると摩擦による摩擦熱が異常に
高くなり、発生する摩擦熱によつてシールリング及び軸
表面が溶融する等の他に、シールリング全体も高温とな
り、ヘタリが生ずる。又異常摩耗が起り摩耗によつてシ
ールリング自体が摩滅する等いずれもターボチャージャ
ーの性能低下及び耐久性に致命的影響を及ぼす。本発明
はかかる不具合を解消するために優れた耐熱、耐摩耗性
を具備したシールリングを市場に提供せんとするものて
ある。

すなわち本発明のシールリングは、重量比で、炭素０．
８〜２．５％、炭化物形成元素として、クロム１０〜３
０％を含有し、更にモリブデン１〜５％とタングステン
１〜１０％のうち１種又は２種を含有し、炭化物を面積
比で５〜３０％微細に析出させ、更にオーステナイト生
成元素を２０〜４５％含有し、ぞのうちニッケルは少な
くとも１５〜３０％含有せしめ、残部はコバルトとし、
基地をオーステナイト主体にした鋳鋼材の表面に窒化処
理層を５ｐｍ〜３０μｍ設けたことを特徴とする。

本発明のシールリングは、クロム、モリブデン及び／又
はタングステンの複合炭化物を微細にしかも５〜３０％
の面積率で析出させることにより耐摩耗性及び耐焼付性
を著しく向上せしめ、ニッケル及びコバルトの添加で基
地をオーステナイト主体にし、耐熱性を−高めているの
でそれだけでもある程度の耐熱、耐摩耗性を有する材料
となつている。しかしながら基地がオーステナイト主体
であるため、特に苛酷な摩擦条件にさらされた場合、耐
焼付性の面で不充分であるので、表面に５〜３０μｍの
窒化層を設．−けることにより耐摩耗性及び耐焼付性を
顕著に向上させたものである。すなわち本発明のシール
リングの特徴は耐熱性を持ち、しかも微細炭化物が析出
している母材の表面に窒化層を設けることにより更に耐
摩耗性、耐焼付性を向上させ優れた耐二熱性と耐摩耗、
耐焼付性を併せ持つところにある。次に各成分組成の限
定理由を述べる。

本発明における元素中の炭素はクロム、モリブデン及び
タングステンと結合し複合炭化物を形成するもので４あ
り、炭素の割合が０．８％（重量％以下同じ）未満ては
炭化物の析出が少なく充分な耐摩耗性が得られず、又オ
ーステナイト組織も得難く、又２．５％を越えると炭化
物の粗大が起り、材料の脆化をきたし更に加工性に悪影
響を及ぼす。クロム、モリブデン及びタングステンは炭
素と結合して複合炭化物を形成し耐摩耗性の向上に寄与
するものてあり、クロム、モリブデンの一部は基地中に
固溶し、フェライト形成傾向を示すが、同時に材料の耐
熱性向上にも寄与する。クロムが１０％未満、モリブデ
ンが１％及びタングステンが１％未満ではその効果が充
分でなく又クロムが３０％、モリブデンが５％及びタン
グステンが１０％を越えると炭化フ物の粗大化が起り材
料の脆化に加え加工性の低下をきたすので、クロム、モ
リブデン及びモリブデンはそれぞれ１０〜３０％，１〜
５％及び１〜１０％とする。モリブデンとタングステン
を２種含有する場合は、その含有量は、ＭＯ＋Ｗ２〜１
０％が好まし・い。この含有量が１０％を越えると析出
物の粗大化による材料の脆化がおこる。一方、２％未満
では複合炭化物の形成不足による耐摩耗性の不足及ひ基
地への固溶不足による耐熱性不足となる。適正な組合せ
としては、モリブデン１〜３％且つタン”グステン４〜
８％がよい。ニッケルはオーステナイトを安定化するの
に必要な成分であり、１５％未満ではその効果が不充分
であり、１５％以上になれは効果が充分となりしかも含
有量の増加につれてオーステナイトの安定化及び性熱性
が向上する。しかし３０％を越えて添加してもこれらの
特性のそれ以上の著しい効果は望めなく逆に経済的に不
利となる。従つてニッケル含有量の範囲を１５〜３０％
とする。又ニッケル含有量が少ない場合は、ニッケルの
みでは耐熱性が充分でなく、コバルトを添加し更に耐熱
性を向上させる。コバルトは５％未満ではその効果が不
充分であり、５％以上になればその効果は充分となり、
含有量の増加につれて耐熱性が向上するが１５％を越え
て添加してもその特性のそれ以上の効果は望めなく、逆
に経済的に不利となる。従つてＮ１＋ＣＯを２０〜４５
％とし、Ｎｉ＝１５〜３０％の残部をＣＯとする。本発
明は以上の成分組成により、所望の耐熱性及び耐摩耗性
を奏するものであるが、その鋳鋼材には通常随伴するマ
ンガン、シリコン、リン、硫黄等が含有され、更にアル
ミニウム、ホウ素、チタン、バナジウム、ジルコニウム
、ニオブ、等も場合によつては小量含有されることもあ
る。

更に炭化物面積比が５％未満では耐摩耗性、耐焼付性向
上効果が少なく、３０％を越えると材料の脆化を招く。
上記鋳鋼材は通常の溶製後、必要により焼鈍を行ない、
次に機械加工により所定の寸法に仕上げられる。

そして窒化処理時の熱処理最中に二次炭化物の再析出が
起こつて、製品としての組織が決．定される。窒化処理
は、例えば５８０℃×２時間の条件下のガス軟窒化、又
はタフトライド等の塩浴窒化による。窒化層のカタサは
ＨＶ７ＯＯ〜１１００である。窒化層の厚さは５μｍ以
下では耐摩耗、耐焼付１効果は不充分てあり５μｍ以上
とすることによりその効果は著しく向上する。

処理層の厚さが増してもこれらの特性の著しい向上は望
めなく、３０μｍを越える場合は逆に処理時間の延長及
び寸法変化により後加工が必要となる等、経済的に不利
となる。従つて窒化処理層の厚さを５μｍ〜３０μｍと
する。次に本発明を実施例によつて説明する。

実施例１ ５８０゜Ｃ×２時間の条件でガス軟窒化した本発明品、
比較のための材料として、１３Ｃｒ鋳鋼、ＳＫＨ９，Ｓ
ＵＳ４２ＯＪ２及びＡ２８６の熱減退率測定結果を併せ
て第１図に示す。

各材料共１５．８７５φ×１．６結×０．８８Ｔのリン
グに加工し、４０００Ｃ，５００゜Ｃ及び６００℃の温
度て各川侍間保持し、試験前後の自由合口すきまの変化
量より熱減退率を求めたものである。各材料の組成及び
図中のグラフのプロット符号は以下の通りであつた。こ
の結果から明らかな様に１３Ｃｒ鋳鋼は５００″Ｃで又
ＳＫＨ９，ＳＵＳ４２ＯＪ２は６００′Ｃて急激に熱減
退率が増大するのに対して本発明の材料の熱減退率は６
００゜Ｃでも急激な上昇はない。

これは本発明の材料が優れた耐熱性を備えた材料である
ことを示すものである。第２図は本発明品（ＭＯ，Ｗ同
時添加）の組織（５０皓）を示す写真であり、表面に約
２０ｐｍの窒化層が形成されており、内面には比較的粗
大な一次炭化物及び微細な二次炭化物が分散しているこ
とを示す。

一次炭化物はオーステナイト基地に沿つて網状となつて
おり、鉄、クロム、タングステン及びモリブデンの複合
炭化物である。一方、二次炭化物は均一に分布した多数
の粒状炭化物であり、鉄、炭素を主体とし、若干のモリ
ブデン及びリンを含んでいる。実施例２ 本発明の材料の摩耗特性を第３図の如きリング１−ロー
タ２式摩耗試験機によりロータ周速を変化させて試験し
た結果を第３図に示す。

別に比較のための材料として本発明の母材、１３Ｃｒ，
ＳＫＨ９，ＳＵＳ４２０Ｊ２及びＡ２８６の結果を併せ
て示・す。これらはいずれも実施例１と同一の材料を用
いた。試験はエンジンオイルを潤滑剤として２０ｃｃ／
Ｍｉｎの流量で供給し、荷重７ｋ９直径２３．５ｍｎの
ＪＩＳ−ＳＵＭ４３相当のロータを周速１００，１５０
及び２００ｍ，／Ｍｉｎとして回転させ、各１Ｈｒの試
験を行な）つた。第４図に示される結果から明らかな様
に本発明の材料の耐摩耗性は比較材に対し著しく優れて
いる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の材料と５種の比較材料の熱減退率を示
し、第２図は本発明の材料の表面の断面組織を示し、第
３図はリング−ロータ式摩耗試験の略図を示し、第４図
は本発明の材料と５種の比較材料の摩耗量を示すグラフ
である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 重量比で、炭素０．８〜２．５％、炭化物形成元素
   としてクロム１０〜３０％の他に、モリブデン１〜５％
   及びタングステン１〜１０％のうち１種又は２種を含有
   し、炭化物を面積比で５〜３０％微細に析出させ、更に
   オーステナイト生成元素を２０〜４５％、但しそのうち
   ニッケルは少なくとも１５〜３０％、残部はコバルトを
   含有せしめ基地をオーステナイト主体にした鋳鋼材の表
   面に窒化処理層を厚さ５μｍ〜３０μｍ設けたことを特
   徴とする耐熱、耐摩耗性シールリング。