KR20050039692A

KR20050039692A - 조합 오일링용 사이드 레일 및 그 질화방법

Info

Publication number: KR20050039692A
Application number: KR1020047005820A
Authority: KR
Inventors: 이노우에시게오
Original assignee: 가부시끼가이샤 리켄
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2005-04-29
Also published as: EP1533548A1; TW200404133A; WO2004020878A1; BR0306156A; KR100636582B1; EP1533548A4; US20040262847A1; BRPI0306156B1; CN1568408A; CN1321281C; JPWO2004020878A1; EP1533548B1; JP4603359B2; TWI258547B

Abstract

스페이서 익스팬더(31)와 조합되어 오일링을 구성하는 질화 사이드 레일(30)의 상대재 공격성을 개량한다.

사이드 레일 강재의 외주면 또는 내외주면에 질소 확산층으로 이루어지는 질화층이, 표면에서의 화합물층을 동반하지 않고 형성되어 있다 ; 적어도 사이드 레일(30) 표면측 영역에서는 경질 입계상을 갖지 않는다.

Description

조합 오일링용 사이드 레일 및 그 질화방법 {SIDE RAIL FOR COMBINATION OIL RING AND METHOD OF NITRIDING THE SAME}

본 발명은, 내연기관에 사용되는 조합 오일링의 강제(鋼製) 사이드 레일 및 그 질화방법에 관한 것이다. 보다 자세하게는, 본 발명은 질화층을 구성하는 조직과 그 조직 형성방법에 관한 것이다.

강제 조합 오일링(combined oil control ring)은, 한 쌍의 사이드 레일(side rails)과, 이들을 반경방향 외주측으로 밀어냄으로써 실린더 내벽면으로 밀어붙이는 스페이서 익스팬더(spacer expander)를 포함하여 이루어지며, 따라서 오일링의 기능은 실린더 내벽면에 적정한 유막을 형성하여 피스톤 링과 실린더의 윤활을 행하는 것 및 실린더 내벽면의 여분의 오일을 긁어내는 것이다. 상기 구성의 사이드 레일의 슬라이딩면은 2 곳이다. 제 1 슬라이딩면은 실린더 라이너(cylinder liner) 내벽과 슬라이딩하는 사이드 레일의 외주면이고, 제 2 슬라이딩면은 스페이서 가장자리부(耳部)와 접촉하는 사이드 레일의 내주면이다.

이 때문에, 슬라이딩면인 내외주면에만 질화 처리하는 사이드 레일이 일본 공개실용신안공보 소53-147309호에 의해 제안되어 있다. 그 후, 이온 질화가 개발되어 사이드 레일에 적용되면, 후막 질화층을 외주면에만 부여할 수 있다는 이온 질화의 특성을 이용하여 상하면 및 내주면에 질화층을 주지 않고 외주면에만 질화하여 오일링 내절손성 및 오일링에 의한 피스톤의 링 홈 공격성을 개선하고 또 내주면에 경질 크롬도금을 실시한 사이드 레일이 개발되었다(일본 공개특허공보 평5-44575호). 다음으로, 내외주면 모두 이온 질화에 의한 질화층을 갖는 사이드 레일이 개발되었다(일본 공개특허공보 평5-332451호). 그리고, 외주의 질화층 두께와 내주면의 질화층 두께를 수치한정화한 사이드 레일이 제안되었다(일본 공개특허공보 평7-4308호).

한편, 질화층에 관해서는, 일본 공개특허공보 평7-118826호에 있어서 이온 질화에 의한 질화층에 관해 화합물층을 갖지 않는 확산층만으로 구성하는 특수한 이온 질화(라디칼 질화)의 조건이 개시되어 있다. 이 질화층을 피스톤 링에 적용하는 것이 일본 공개특허공보 평7-316778호에 개시되어 있다. 그러나, 이들 종래의 기술에서는 질화층 내의 입계 경질상에 관해 거의 기술되어 있지 않은 것이 현실이다.

그런데, 스페이서 익스팬더가 사이드 레일을 밀어붙이는 하중은 작은 것이지만, 사이드 레일과 스페이서 익스팬더가 접촉하는 면의 면적이 작기 때문에 가압 응력으로서는 상당히 커진다. 이 때문에 질화층 자신의 내마모성을 향상시킬 필요가 있으므로, 종래 내마모성이 우수한 마르텐사이트계 스테인리스강, 특히 SUS440B 상당재가 모재 질화강으로서 사용되고 있다.

그러나, 상기 모재 질화강에 이온 질화를 실시하면 화합물층은 형성되지 않으나, 질화 확산층과 입계 경질상(당업자 사이에서는 「갈매기상」이라 불리고 있음)이 형성된다. 이러한 질화 조직을 갖는 오일링용 사이드 레일에서는, 실린더 라이너의 마모나 피스톤 홈 손상이 발생하여 오일 소비가 악화된다는 문제가 있었다.

도 1 은 사이드 레일을 요소로 하는 조합 오일링의 한 양태를 나타내는 도면이다.

도 2 는 580℃ 에서의 Fe-N-C 삼원 상태도이다.

도 3 은 가스 질화법의 질화 장치의 개략도이다.

도 4 는 이온 질화법의 질화 장치의 개략도이다.

도 5 는 라디칼 질화법(RIN 질화법)의 질화 장치의 개략도이다.

도 6 은 외주면에만 질화하는 것을 목적으로 한 사이드 레일용 지그와 그 세팅도이다.

도 7 은 내외주면에 질화를 하는 것을 목적으로 한 사이드 레일용 지그와 그 세팅도이다.

도 8 은 외주면에만 질화층을 갖는 사이드 레일의 단면 조직을 나타내는 도면이다.

도 9 는 내외주면에만 질화층을 갖는 사이드 레일의 단면 조직을 나타내는 도면이다.

도 10 은 본 발명에 의한 질화층의 단면 조직의 확대도이다.

도 11 은 비교예-1 에 의한 가스 질화에서의 질화층의 단면 조직의 확대도이다.

도 12 는 비교예-2 에 의한 이온 질화에서의 질화층의 단면 조직의 확대도이다.

(발명의 개시)

본 발명자가 질화된 강재의 마모에 관해 연구한 결과, 질화층에 형성된 상기 서술한 입계 경질상은 질화된 모재 질화강 자신의 내마모성에는 거의 영향을 끼치지 않지만, 상대재에 대한 공격성은 매우 높아지는 것을 알아냈다. 이는, 표면부의 비교적 연질인 상이 우선적으로 마모되고 한편 입계 경질상의 마모는 늦어져 경질상만이 상대재와 접촉하는 상황이 되어, 상대재 표면을 줄로 가는 것같은 상황이 발생하기 때문이라고 구명하였다.

본 발명은 종래기술의 문제점인 실린더 라이너의 마모 및 피스톤 홈 손상에 의한 오일 소비 성능의 악화를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 골자는, 슬라이딩면측에 화합물층을 갖지 않고, 또한 적어도 슬라이딩면에 상대재 공격성이 높은 입계 경질상(ε상)을 갖지 않는 질화층을 제공하는 것이다.

본 발명은, 스페이서 익스팬더와 조합되어 오일링을 구성하는 사이드 레일에 있어서, 강재로 이루어지는 사이드 레일의 외주면 또는 내외주면에 형성된 질화층이, 표면 화합물층을 동반하지 않는 질소 확산층으로 이루어지고 표면 경도가 Hv1000 이상이며, 그 질소 확산층의 표면측 영역에서 입계 경질상이 없는 것을 특징으로 하는 조합 오일링용 사이드 레일에 관한 것이다.

본 발명의 사이드 레일의 질화층은, 표면 화합물층이 없기 때문에 질화후 화합물층(「백층」, 「취화층」이라 불리기도 함)을 연마로 제거할 필요가 없다.

또, 본 발명의 질소 확산층의 내부측 영역에서 입계 경질상이 형성되는 일이 있는 것은, 모재 중의 석출물인 Cr₂₃C₆ 이 질화에 의해 거의 전부 CrN 으로 상변화할 때, 축출된 C(탄소)가 입계부에 확산되어 입계의 질화 농도가 어느 일정 이상이 되면 Fe 와 C 와 N 의 화합물, 특히 ε상(즉, 「입계 경질상」)을 입계에 형성하기 때문이다. 축출된 C 가 입계에 확산되는 이유는, 마르텐사이트(martensite)계 스테인리스강 중 C 의 고용도가 매우 작기 때문이다.

본 발명의 사이드 레일 강재의 입계 조직은, (A)질소 확산층의 표면측 영역에서는 입계 경질상이 형성되지 않고 질소 확산층의 내부측에서는 입계 경질상이 형성되거나 혹은 (b)입계 경질상은 질화층 전체에서 존재하지 않는 특징이 있는 조직으로 되어 있다. 이들 (a), (b) 중 어떤 조직이 형성될 것인지는 질화조건, 특히 질화층의 두께에 의존한다. 입계 경질상이 형성되지 않는 이유는 입계의 C 량이 매우 낮아져 있기 때문이다.

상기 질화층을 형성하기 위하여, 플라즈마 질화의 일종인 라디칼 질화에 있어서 사이드 레일의 세팅법, 처리 온도, 가스압, NH₃/H₂ 유량비, 처리 전압, 처리 시간과 같은 변수 중에서 처리 조건을 조정함으로써 특징이 있는 질화층이 얻어졌다.

입계 경질상이 없는 질화 조직을 갖는 사이드 레일(A)의 마모는 슬라이딩 초기에서는 입계 경질상이 있는 조직을 갖는 사이드 레일(B)과 거의 차가 없다. 어느 정도 슬라이딩이 진행되면, 사이드 레일(B)에서는 결정립 내의 마모가 선행되어 입계 경질상이 사이드 레일 표면에 볼록형으로 잔류하여 상대재를 깎아내게 된다. 추가적인 슬라이딩에 의해 돌출된 입계 경질상이 상대재에 의해 마모되면 슬라이딩 초기와 동일한 상황이 되는데, 이렇게 마모가 진행되는 것은 드문 일이며, 상대재의 마모가 대폭 진행된다. 이는, 인접하는 결정립에 의해 돌출된 입계 경질상이 강고하게 유지되어 있기 때문이다. 이것에 대하여, 사이드 레일(A)에서는, 슬라이딩면인 질화 확산층 표면측 영역의 입계 조직에는 입계 경질상이 존재하지 않으므로 상기 서술한 바와 같은 상대재로의 공격성은 발생하지 않는다. 결정립 내의 구상 석출물이 상대재로부터의 마모를 감소시키기 때문에 오히려 입계 조직은 결정립 자체보다도 마모되기 쉬우나, 상대재가 입계를 우선적으로 공격하는 일은 없다.

(발명의 실시형태의 설명)

도 1 은 실린더에 삽입한 피스톤의 오일링 홈 내에 장착한 강제 조합 오일링을 나타낸다. 피스톤의 오일링 홈에 장착된 강제 조합 오일링은 환형이고 맞댐자리를 구비한 상하 한 쌍의 강제 사이드 레일(30a,b)과, 환형이고 맞댐자리를 구비한 강제 스페이서 익스팬더(31)로 이루어진다.

스페이서 익스팬더는 축방향 파형 형상을 이루고 있고, 외주측 상하면에 사다리꼴 사이드 레일 이간 유지 평면을 구비하며, 내주측에 사이드 레일(30a,b)을 가압 탄성지지하는 가장자리부가 설치되어 있다.

이하, 입계에서의 ε상의 생성을 해소하기 위한 기본적인 이론에 관하여 설명한다. 질화층은 활성종의 모재에 대한 주입과 그것에 이어지는 질소의 확산에 의해 형성되는데, 주입 속도와 확산 속도는 일반적으로는 동일하다고는 할 수 없다. 질화층의 두께는 확산에 의해 결정되지만, 질화층 자체의 상(相)의 형태는 활성종의 주입 속도에 크게 의존한다.

예를 들어 질화층이 표면에 화합물층을 수반하여 형성되는 경우는, 활성종의 주입 속도가 확산 속도보다도 커 표면 부근의 질소 농도는 서서히 높아지며, 그 질소 농도가 예를 들어 도 1 에 나타낸 바와 같이 580℃ 에서는 5.8 중량% 정도를 초과했을 때 γ'＋ε상으로 상변태한다. 이 상이 어느 정도 두꺼워진 것이 화합물층이라 불리는 것이다.

한편, 주입 속도가 확산 속도보다도 작거나 또는 동일할 때에는 표면 부근에 질소 농도가 농축되는 일은 없기 때문에 표면 부근에서 γ'상이나 ε상으로의 상변태는 발생하지 않고 확산층만 형성된다.

화합물층을 생성하지 않는 질화 처리는 이러한 사고로 모두 행해지고 있다.

상기 서술한 바와 같이 입계 ε상은 입계에 주입되는 질소의 양과 그 입계로부터 확산되어 가는 질소량의 차에 의해 생성되거나 생성되지 않거나 한다.

특히, 질화에 의해 탄화물로부터 배출된 C 가 입계에 존재하고 있기 때문에, ε상이 발생하는 질소 농도는 저농도측으로 크게 이행한다. 도 2 에 나타낸 바와 같이 상태도적으로는 0.5 중량% 정도인 C 가 Fe 중에 고용되면, ε상이 형성되는 질소농도는 580℃ 에서 2 중량% 정도로까지 저하된다.

이 때문에, 입계에 ε상을 형성시키지 않기 위해서는 이하와 같은 질화 조건을 만들 필요가 있다.

(1)입계부에서의 질소 확산을 빠르게 하기 위하여 질화 처리 온도를 높인다.

(2)입계부에 주입되는 질소량을 감소시키기 위하여 질소 포텐셜을 낮춘다.

(3)입계부에 주입되는 질소량을 감소시키기 위하여 플라즈마 질화 등의 전기장에서 질소를 주입하는 방법에 관해서는 전압을 낮춘다.

(4)ε상이 생성하는 질소 농도를 높이기 위하여 질화에 의해 축출되어 입계에 존재하는 C 를 표면으로부터 스퍼터링으로 배출한다.

이상과 같은 조건을 만족하는 질화 장치 및 질화 조건을 확립시키는 것이 입계 경질상을 생성시키지 않는 질화법이다.

어떤 질화법이 조건 (1)∼(4)를 만족시키는 질화법인지인데, 이는 라디칼 질화(RIN 질화) 장치가 가장 적합한 질화 장치라고 할 수 있다. 물론, 가스 질화, 이온 질화에서도 조건을 적정화할 수 있다면 입계 경질상(ε상)이 없는 질화층의 형성은 가능하다. 도 3, 도 4, 도 15 에 가스 질화법, 이온 질화법, 라디칼 질화법(RIN 질화법)을 나타낸다. 또, 표 1 에 각 질화 처리법의 비교를 나타낸다.

각 질화 처리법의 비교
	가스 질화	이온 질화	라디칼 질화(RIN질화)
공급 가스	NH₃/N₂	N₂/H₂	NH₃/N₂
열원	외부 히터	스퍼터링에 의한 가열(100%)	외부 히터(90%)＋스퍼터(10%)
처리 전압(V)	0	550-700	400-550
처리 압력(Torr)	760	1-5	0.5-5
처리 온도(℃)	500-590	500-590	500-590
발열량	발열 없음	발열량 대	발열량 소
질화반응종	NH 라디칼	N 이온	NH 라디칼
반응형태	CVD	PVD	CVD

먼저 가스 질화인데, 도 3 에 나타낸 바와 같이 질화로 내에 배치된 워크(work piece) 용기(1) 내에 피처리재를 배열한다. 워크 용기(1)를 관통하는 가스관(2)으로부터 NH₃ 가스와 캐리어 가스를 워크 용기(1) 내에 분출시켜 적당한 배출구로부터 노 내로 배출시키고, 다시 배기관(3)으로부터 노 외로 배출시켜 가스 배출 장치로 처리한다. 피처리재는 외부 가열 히터(4)에 의해 가열되며, 노 내 온도는 온조기(溫調機)(5)에 의해 제어된다. 이러한 가스 질화법에서는, 상기 서술한 조건(1)의 온도를 높이는 것 및 조건 (2)의 NH₃ 농도를 낮추어 질화 포텐셜을 조정하는 것은 가능하지만, 조건 (4)의 C 를 표면으로부터 배출하는 기능이 없기 때문에, NH₃ 농도를 상당히 낮게 하지 않으면 입계 경질상의 생성을 막는 것은 불가능하다. 그러나, 이렇게 NH₃ 농도를 낮춰버리면 질화 불균일이나 처리 시간의 증대라는 문제가 발생하기 때문에, 가스 질화에 의해 입계 경질상을 갖지 않은 질화층을 얻는 것은 실제적이지 않다.

다음으로, 이온 질화법에서는, 도 4 에 나타낸 바와 같이 진공 용기(7)의 내부를 진공 펌프(도시 생략)에 의해 진공으로 하고 압력을 자동 압력제어장치(8)에 의해 제어한다. 진공 흡인된 가스는 가스 배출 처리장치에 의해 처리한다. 원료가스인 H₂ 및 N₂ 는 각각의 매스 플로 컨트롤러(10)를 거쳐 노즐(11)로부터 진공 용기(7) 내로 분출된다. 한편, 워크(피처리재; 12)는 직류전원(도시 생략)과 전기적으로 접속된 전극(14)에 탑재되어 있기 때문에 원료 가스는 워크 표면에 형성되는 전압 강하 영역인 시스부에 의해 이온화되어 워크에 주입된다. 부호 15 는 노 내를 관찰하는 파이로스코프이다.

이러한 질화법에서는, 외부 가열 히터를 갖지 않기 때문에 처리 전압을 높여 스퍼터링 효과에 의해서만 처리물의 질화 온도를 얻고 있다. 이렇게 높은 전압이면 조건 (4)의 입계부에 있는 C 를 표면으로부터 스퍼터링으로 축출하는 효과, 및 조건 (1)의 온도의 상승으로 인한 확산 속도의 상승과 같은 효과는 얻을 수 있지만, 고전압이기 때문에 조건 (3)과는 반대로 질소의 주입량도 증가하게 되어 입계부에서의 ε상의 생성을 억제하는 것은 매우 곤란하다.

이들 질화법에 대하여 라디칼 질화법은 도 5 에 나타낸 바와 같이 장치 구성은 이온 질화 장치와 거의 동일하며, 외부 가열 히터(16)를 구비하고 있는 것이 상이하다. 라디칼 질화법은 외부 가열 히터(16)를 가지며, 또한 원료가스로서 활성이 높은 NH₃ 가스를 사용하기 때문에 처리 온도와 처리 전압을 독자적으로 결정할 수 있다는 이점이 있다. 즉, 처리 온도는 주로 외부 가열 히터(16)로 상승, 유지되어 처리물 내부에서의 질소의 확산 속도를 크게 하며, 처리 전압은 처리물 표면 부근의 입계에 존재하고 있는 C 를 배출하기 위해, 그리고 NH₃ 을 활성화시키는 것을 주로 하기 위해 가능한 한 낮게 하고, NH₃ 농도는 질소원의 주입속도를 억제하기 위해 가능한 한 낮게 한다. 그렇게 하면 상기 서술한 입계 경질상을 저지하기 위한 4 조건을 모두 만족하는 처리 조건을 설정할 수 있다. 다시 말해, 라디칼 질화법에서는 입계 경질상을 발생시키지 않는 처리 조건을 설정하기 위한 원리적인 곤란성은 아무 것도 존재하지 않는다.

이상과 같은 이유에서, 본 발명에서의 실시예는 라디칼 질화로 행하였다.

본 발명에서의 사이드 레일의 모재인데, 기본적으로 질화강이라면 어떤 강종이라도 본 발명이 의도하고 있는 입계 경질상이 없는 질화층을 형성하는 것은 가능하므로, 모든 질화강은 본 발명에 포함된다. 그러나, 그 중에서 슬라이딩 특성이 좋은 것을 사이드 레일에 적용하는 것이 바람직하고, 이 점으로부터 마르텐사이트계 스테인리스강, 그 중에서도 질화후에 CrN 이 석출물로서 형성되는 SUS440 계의 질화강이 가장 바람직하다.

계속해서 사이드 레일의 세팅법 및 처리 조건에 관하여 서술한다.

사이드 레일의 세팅 방법은 코일형으로 성형한 레일(20)을 도 6 에 나타낸 바와 같이 인접하는 상하면이 밀착하도록 누름 지그(21)로 상하에서 조인다. 이 때, 외주만 질화인 경우는 레일 내주면에 질화가 들어가지 않도록 상하 누름 지그를 도시한 바와 같이 덮개 모양으로 할 필요가 있다. 덮개 모양의 누름 지그(21)로 함으로써 상하 누름 지그 내면과 레일 내주면에 의해 하나의 폐공간을 형성하기 때문에, 레일 내주면 표면 및 상하 누름 지그 내면에는 가우스의 법칙에 의해 전기장은 형성되지 않는다. 따라서, 글로 방전이 발생하지 않기 때문에 질화는 일어나지 않는다. 한편, 내주면에도 질화를 넣은 내외주 질화인 경우에는, 레일 내주면을 개공간으로 할 필요가 있기 때문에 상하 누름 지그(21)는 도 7 에 나타낸 바와 같이 외부 공간으로 통하는 관통구멍(22)을 형성할 필요가 있다. 이 관통구멍(22)의 크기에 의해 전기장의 크기가 결정되므로, 내주부의 질화 깊이는 이 구멍의 크기를 조정함으로써 제어하는 것이 가능하다.

다음으로, 바람직한 질화 처리 조건인데, 질화 처리 온도에 도달하기까지의 승온 과정에서 스퍼터링한다. 스퍼터링하는 목적은 표면에 존재하고 있는 산화막이나 부동태막의 제거와 승온을 위한 열원으로서 사용하기 위해서이다. 이 때의 분위기 가스는 H₂ 또는 Ar 이 바람직하다.

이어서, 외부 가열 히터에 의해 설정되는 처리 온도는 550℃ 이상 600℃ 이하가 바람직하다. 550℃ 이하에서는 질소의 확산 속도가 너무 늦기 때문에 입계 경질상의 생성을 해소할 수 없다. 또, 600℃ 이상에서는 모재가 소둔되어 연화되기 때문에 질화층도 연화되어 내마모성이 저하하기 때문이다. 최적 처리 온도는 570℃ 내지 590℃ 의 범위이다.

자동 압력제어장치(8)에 의해 설정되는 가스압은 0.5∼5 Torr 로 하는 것이 바람직하다. 0.5 Torr 미만에서는 NH₃ 포텐셜이 너무 낮아 질화가 진행되지 않는다. 5 Torr 이상에서는 질소원 주입량이 너무 많아 입계 경질상의 생성을 해소할 수 없다. 최적 가스압은 1∼3 Torr 의 범위이다.

매스 플로 컨트롤러(10)에 의해 설정되는 NH₃/H₂ 비는 유량비로 3/7에서 9/1 의 범위가 바람직하다. NH₃/H₂ 비가 3/7 미만에서는 질화 속도가 너무 느려 실용적이지 않다. 또, NH₃/H₂ 비가 9/1 보다 크면 NH₃ 포텐셜이 너무 커 입계 경질상의 생성을 해소할 수 없다. 최적 NH₃/H₂ 비는 7/3에서 8/2 부근이다.

처리 전압은 -400V에서 -550V 의 범위로 한다. -400V 이상(절대값으로는 400V 이하)에서는 HN 라디칼의 생성이 적어 질화에 기여하지 않는다. 또, C 배출을 위한 스퍼터링 효과가 없기 때문에 입계 경질상의 생성을 해소하는 것이 곤란하다. -550V 이하(절대값으로는 550V 이상)이면 전압이 너무 강하여 라디칼의 주입 속도가 너무 커져 입계 경질상의 생성을 해소하는 것이 곤란하다. 최적의 전압 범위는 -475V 에서 -525V 의 범위이다. 이 범위에서 질소 이온 주입량과 스퍼터링에 의한 C 배출량을 최적화하는 처리 전압을 선택한다. 처리 시간은 질화 깊이에 따라 임의로 선택할 수 있는 것으로 한다. 이하, 실시예에 의해 더욱 상세하게 본 발명을 설명한다.

(발명을 실시하기 위한 최선의 형태)

표 2 에 본 발명의 실시예에서 사용한 모재의 화학성분을 나타낸다.

본 발명에서 사용한 사이드 레일 모재의 화학성분(중량%)
성분	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	V
분석치	0.86	0.38	0.32	0.030	0.001	17.28	1.09	0.10

표 2 의 성분을 갖는 단면 치수로 0.4×2.02㎜ 인 사이드 레일용 선재를 코일형으로 성형하였다. 코일 성형품의 외경은 76㎜, 코일 길이는 340㎜ 으로 하였다. 이것은 성형 치수와 동일한 내경을 갖는 슬리브에 측면 간극이 발생하지 않도록 배치한 후, 도 6, 도 7 에 나타낸 바와 같이 상하 누름 지그(21)를 사용하여 상하에서 조였다. 도 6 의 세팅품은 외주면에만 질화를 실시한 사이드 레일을 제조하기 위한 것, 도 7 의 세팅품은 내외주면에만 질화를 실시하는 사이드 레일을 제조하기 위한 것이다.

상기 세팅품을 라디칼 질화로에 세팅하고 승온중에 전처리로서 스퍼터링을 하고, 이어서 라디칼 질화하였다. 전처리 조건과 본처리 조건은 아래와 같다.

(1)전처리 조건(승온중)

가스압 : 0.8 Torr

가스의 종류 : H₂

처리 전압 : -500V

처리 온도 :540℃ 이상 580℃ 까지

승온 속도 : 1℃/분

(2)본처리 조건

질화 처리 온도 : 580℃

가스압 : 2 Torr

가스의 종류 : NH₃, H₂

NH₃, H₂ 유량비 : 7/3

질화 처리 전압 : -500V

처리 시간 : 3 시간

질화 결과를 도 8, 도 9 에 나타낸다. 도 8 에 외주면만 질화된 사이드 레일을 나타낸다. 또, 도 9 에 내외주면만 질화된 사이드 레일을 나타낸다. 또, 양 사이드 레일의 질화층 조직은 동일하였기 때문에, 도 8 의 질화층의 확대 조직을 도 10 에 나타낸다. 도 10 에서 알 수 있는 바와 같이, 화합물층이 없고 또한 슬라이딩면측의 질화층 두께 1/3 이상인 영역에는 구상 석출물만 관찰되며, 입계 경질상(ε상)은 없었다.

도 8 에 나타낸 바와 같이 도 6 의 방법에 의한 세팅품은 외주면에만 질화층이 존재하고, 또 도 7 의 방법에 의한 세팅품에는 내외주면에 질화층이 존재하고 있다. 또, 양 실시예에 의한 것의 질화층에는 화합물층이 존재하지 않고, 또한 슬라이딩면측에서 질화층 두께의 1/3 이상인 영역에 입계 경질상이 존재하지 않았다.

비교예-1

도 7 에 의한 방법으로 세팅한 사이드 레일을 가스 질화에 의해 질화하였다. 가스 질화의 조건은 아래와 같다.

질화 처리 온도 : 575℃

질화 처리 분위기 : NH₃(90%)＋건조 공기(10%)

가스압 : 1 기압

질화 처리 시간 : 6 시간

이 때의 질화층 조직을 도 11 에 나타낸다. 슬라이딩면측에 화합물층 및 입계 경질상이 관찰되며, 본 발명외인 것이 나타나 있다.

비교예-2

도 7 에 의한 방법으로 세팅한 사이드 레일을 이온 질화에 의해 질화하였다. 이온 질화의 조건은 아래와 같다.

질화 처리 온도 : 550℃

질화 처리 분위기 : N₂/H₂＝7/3(유량비)

방전 전압 : 600V

가스압 : 4 Torr

질화 처리 시간 : 20 시간

이 처리에서 얻은 질화층 조직을 도 12 에 나타낸다. 슬라이딩면 측에 화합물층 및 입계 경질상이 관찰되며, 본 발명외인 것이 나타나 있다.

비교예-3∼10

도 7 에 의한 방법으로 세팅한 사이드 레일을 각종 처리 조건으로 라디칼 질화처리하였을 때의 결과(질화층 깊이, 화합물층 유무, 슬라이딩면측의 입계 경질상의 유무, 질화층 표면에서 깊이 20㎛ 위치의 경도)를 표 3 에 나타낸다.

비교예-3 에서는, 처리 온도가 낮기 때문에 질화 불균일과 화합물층, 입계 경질상이 관찰되었다. 비교예-4 에서는 처리 온도가 높기 때문에 질화층의 경도가 HV850 으로 낮아졌다. 비교예-5(저가스압), 비교예-7(NH₃ 가스 저유량비), 비교예-9(저처리 전압)에서는 질화 불균일이 생겼다. 비교예-6(고가스압), 비교예-8(NH₃ 가스 고유량비), 비교예-10(고처리 전압)에서는 화합물층, 입계 경질상이 관찰되었다.

이상과 같이 본 발명에 의한 제조방법의 처리 범위를 벗어난 것은 모두 과제를 해결하기 위해 필요한 질화층은 얻어지지 않았다.

본 발명과 비교예 3-10 의 처리 조건과 결과
	처리 온도(℃)	가스압(Torr)	NH₃/H₂ (유량비)	처리 전압(-V)	처리 시간(분)
본 발명	580	2	7/3	500	180
비교예-3	545	2	7/3	500	180
비교예-4	605	2	7/3	500	180
비교예-5	580	0.4	7/3	500	180
비교예-6	580	5.1	7/3	500	180
비교예-7	580	2	2.9/7.1	500	180
비교예-8	580	2	9.1/0.9	500	180
비교예-9	580	2	7/3	390	180
비교예-10	580	2	7/3	560	180

본 발명과 비교예 3-10 의 처리 결과
	질화층 깊이(㎛)	화합물층의 유무	입계 경질상의 유무	질화층 표면경도(Hv)
본 발명	57	무	무	1100
비교예-3	질화 불균일	유	유	1205
비교예-4	69	무	무	850
비교예-5	질화 불균일	무	무	측정불가
비교예-6	65	유	유	1153
비교예-7	질화 불균일	무	무	측정불가
비교예-8	64	유	유	1025
비교예-9	질화 불균일	무	무	측정불가
비교예-10	62	유	유	1020

다음으로 상대재 공격성의 평가를 위해 본 발명의 실시예 및 비교예 1 의 질화 조건으로 핀재의 선단에 질화를 실시하고 가스 질화품에 관해서는 화합물층을 제거하여 마모 시험하였다. 여기에서 본 발명의 실시예에 의한 것의 슬라이딩면에는 입계 경질상이 없고, 비교예 1 에 의한 가스 질화후에 화합물층을 제거한 것의 슬라이딩면에는 입계 경질상이 존재하고 있다. 마모 시험은 핀 온 드럼형 시험이며, 시험 조건은 아래와 같다.

라이너재(상대재) : FC250

마찰 슬라이딩 속도 : 0.25m/초

시험 하중 : 39.2N

시험 시간 : 6 시간

윤활 조건 : 황산 수용액(PH＝2), 0.1cc/초로 적하

시험 결과는 표 4 에 나타낸 바와 같다.

마모 시험 결과
	핀 마모량(㎛)	라이너재 마모량(㎛)
본 발명품	2.6	1.2
가스 질화품	2.7	2.6

표 5 에 나타낸 바와 같이, 핀 마모량에 관해서는 본 발명품과 가스 질화품은 동등하였지만, 라이너재 마모량은 본 발명품이 가스 질화품의 1/2 이하이고, 본 발명품이 상대재의 마모량을 대폭 감소시켜 상대재 공격성이 매우 우수하다는 것이 나타났다.

본 발명에 의한 사이드 레일은, 질화층이 상대재 공격성이 우수하여 라이너나 피스톤 등의 마모를 대폭 개선할 수 있기 때문에, 라이너 마모나 피스톤 홈 손상을 발생시키는 일이 없다. 이 때문에, 오일 컨트롤 성능을 장기간 유지하는 것이 가능한 우수한 조합 오일링용 사이드 레일을 제공할 수 있다.

Claims

스페이서 익스팬더(31)와 조합되어 오일링을 구성하는 사이드 레일(30)에 있어서, 강재로 이루어지는 사이드 레일의 외주면 또는 내외주면에 형성된 질화층이, 질소 확산층으로 이루어지고 표면 경도가 Hv1000 이상이며, 그 질소 확산층의 표면측 영역에서 입계 경질상이 없는 것을 특징으로 하는 조합 오일링용 사이드 레일.
제 1 항에 있어서, 상기 질소 확산층의 표면측 영역은 상기 질화층 두께의 1/3 이상에 이르는 것을 특징으로 하는 조합 오일링용 사이드 레일.
사이드 레일 소재를 코일형으로 성형하는 공정, 슬리브를 사용하여 코일의 축방향에 인접하는 면을 밀착시키고 또한 코일의 각 외경위치를 맞추어 상하로부터 조여 세팅하는 공정, 및 라디칼 질화로에서 질화 처리할 때 승온시에 스퍼터링하는 공정을 구비하며, 라디칼 질화의 처리 온도가 550℃∼600℃, 가스압이 0.5∼5.0Torr, NH₃/H₂ 유량비가 3/7∼9/1, 처리 전압이 -400V∼-550V 의 범위인 것을 특징으로 하는 사이드 레일의 질화방법.