JPWO2004020878A1 - 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
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Abstract
Description
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。
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、表面化合物層を伴わない窒素拡散層からなりかつ表面硬さがHv1000以上であり、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Cr23C6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、NH3/H2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。
第2図:580℃におけるFe−N−C三元状態図である。
第3図:ガス窒化法の窒化装置の概略図である。
第4図:イオン窒化法の窒化装置の概略図である。
第5図:ラジカル窒化法(RIN窒化法)の窒化装置の概略図である。
第6図: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。
第7図: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。
第8図: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。
第9図: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。
第10図:本発明による窒化層の断面組織の拡大図である。
第11図: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。
第12図: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。
発明の実施形態の説明
第1図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、例えば第1図に示すように、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。第2図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。第3,4,15図にガス窒化法,イオン窒化法,ラジカル窒化法(RIN窒化法)を示す。また、第1表に各窒化処理法の比較を示す。
まず、ガス窒化であるが、第3図に示すように、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NH3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NH3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、NH3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NH3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、第4図に示すように、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H2及びN2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、第5図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NH3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NH3を活性化することを主とするためになるべく低くし、NH3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、第6図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は第7図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、H2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、NH3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NH3/H2比は、流量比で3/7から9/1の範囲が好ましい。NH3/H2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、NH3/H2比が9/1より大きいと、NH3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NH3/H2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。
第2表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、第6,7図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。第6図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、第7図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 : H2
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 : NH3,H2
NH3/H2流量比: 7/3
窒化処理電圧 : −500V
処理時間 : 3時間
窒化結果を第8,9図に示す。第8図に外周面のみ窒化されたサイドレールを示す。また、第9図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、第8図の窒化層の拡大組織を第10図に示す。第10図から分かるように、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。
第8図に示すように、第6図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、第7図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
第7図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: NH3(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第11図に示す。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
第7図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: N2/H2=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第12図に示す。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
第7図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)を第3表に示す。
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(NH3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(NH3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
試験結果は第4表に示すとおりであった。
第5表に示すように、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。
Claims (3)
- 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、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。
- 前記窒素拡散層の表面側領域は前記窒化層の厚さの1/3以上に及んでいることを特徴とする請求の範囲第1項記載の組み合せオイルリング用サイドレール。
- 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、NH3/H2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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