JPH01211603A - アペックスシールの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はロークリピストンエンジンのアペックスシール
の製造方法に関するものである。更に詳しくは、本発明
は鉄系基材からなるアペックスシールの摺動面の表面硬
化処理方法に関するものである。

（従来の技術およびその問題点） ロークリピストンエンジンでは、繭形断面のローフハウ
ジンク内を三角形のロータが回転するようになっており
、ハウジンク内周面とロータ外周面との間に各作動室が
区画形成されるようになっている。この作動室相互間の
気密性を確保するために、ハウジング内周面を摺動する
ロータの各頂点部分にはアペックスシールを配置した構
成となっている。従って、このような高温、高圧の条件
下で使用されるアペックスシールは耐久性および耐熱性
に優れたものである必要がある。特に、ハウジング内周
面を摺動するアペックスシール摺動面は、耐摩耗性に優
れ、靭性があり、しかもハウシンク内周面との馴染性に
優れていることが必要とされる。

そのた必、従来においては例えば特開昭６１−１６３２
２９号公報に記載されているように、鉄系基材の表面に
Ｃｏ系金金属間化合物溶射し、この溶射部分に加熱処理
を施してこの金属間化含炭を基材中に分散させることに
よって、耐摩耗性および耐熱衝撃性に優れた慴動面を形
成するようにしている。しかしながら、このようなＣｏ
系の合金は高価であるという欠点がある。これに対して
安価な鉄系の合金を使用してアペックスシール摺動面を
形成する方法も知られている。例えば鉄系合金にビーム
熱処理を施して再溶融チル化をおこなって耐摩耗性を改
善している。しかるにこの方法では耐摩耗性は向上する
ものの、靭性が低下してしまい、チル部の欠損、折損な
どの問題が生ずる。さらには、再溶融時の素材の湯流れ
不良に起因した鋳巣の発生等の問題が併発するので好ま
しくない。

本発明は上述の従来技術の問題点を解決するためになさ
れたものであり、鉄系合金を使用して耐摩耗性および靭
性に優れたアペックスシールを製造するための方法を実
現することを目的としている。

（課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するために、本発明のアベックスジ〜
ルの製造方法においては、第１図のその工程図を示すよ
うに、鉄系基材の表面に鉄系の合金粉末を溶融肉盛りし
、この後に焼なましを行って残留歪等を除去し、機械加
工を施して必要とする形状のアペックスシールを得るよ
うにしている。

さらに４、このアペックスシールの摺動面を形成する上
記の肉盛り部に対して、窒化処理を施し、さらにこの後
に酸化処理を施して、必要とする摺動面の特性をこの肉
盛り部に付与するようにしている。

合金粉末の成分 本発明で使用する鉄系の合金粉末は、主要元素として、
Ｆｅ以外にＣＸＣｒ　、ＳＭｏ、ＷＸＶ、Ｃ。

を以下の範囲で含有したものである。

Ｃ０，８〜　２５重量％ Ｃｒ　　　　３．５　〜５．５重量％ ＭＯ−０，１５〜　９．０重量％ Ｗ　　　、、−、、６，０〜１３．０重量％Ｖ　　　−
３，０〜　５．５重量％ ｃｏ　　　４．０〜１３．０重量％ ここに、各主要成分の含有理由を説明する。

Ｃについて： Ｃは基地の強化およびＣｒ、　Ｍｏ、ＷｌＶと結合して
炭化物を形成する元素である。Ｃの含有割合が０．８重
量％未満では、充分な炭化物が得られず、また充分な硬
度の基地が得られず、従って耐摩耗性が不足する。これ
に対して、Ｃが２，５重量％を越えると、溶融肉盛り部
が黒鉛化を生じ、やはり硬度、強度等が低下して好まし
くない。

Ｃｒ　について。

Ｃｒは、ＭＯｌＷ、Ｖと同様に、Ｃと結合して炭化物を
生成する元素である。また、焼きもどし軟化抵抗の向上
および黒鉛化防止の機能を発揮する。

このＣｒ　の含有量が３．５重量％未満では、溶融肉盛
り部に充分な炭化物が得られず、またその耐摩耗性も不
充分となる。さらには、焼きもどしおよび窒化処理時に
おける熱処理によって、この肉盛り部の硬度低下が生じ
、またこの部分が黒鉛化して耐摩耗性、強度が低下して
しまう。これに対して、含有量が５５重量％を超えても
、肉盛り部の軟化、黒鉛化防止作用の向上を期待てきな
い。

ＭＯについて・ １ｖｉｏはＣｒ、Ｗ、Ｖと同様に、Ｃと結合して炭化物
を形成する元素である。また、基地の焼きもどし軟化抵
抗の向上、焼きもどし脆性化の防止の作用を果たす。こ
のＭＯの含有量が０．１５重量％未満では、炭化物の形
成が不充分となり、また焼きもどし軟化抵抗が低下する
ので、充分な硬度が得られず、耐摩耗性が悪化する。焼
きもどし脆性も低下して、肉盛り部分の欠損、折損等の
発生するおそれが生ずる。このＩｖＩｏ　の含有量を９
．０重量％よりも多くしても、このＭｏ−を含有させる
ことによって得られる上述の効果の向上は得られない。

Ｗについて ＼■は、ＣｒＸＭＯ，Ｖと同様にＣと結合して炭化物を
形成する元素である。また、肉盛り部の基地に固溶して
焼きもどし軟化抵抗を高める作用を有している。このＷ
の含有量が６重量％未満では肉盛り部に充分な炭化物か
えられず、耐摩耗性も不充分となる。これに対して、含
有量が１３重量％を超えてもこのＷを加えることによる
効果の向上は望めない。

■について ■は、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗと同様にＣと結合して炭化物を形
成する。また、肉盛り部の基地に固溶し、熱処理によっ
て二次硬化を起こしてこの肉盛り部の硬度を増加される
作用を有している。このＶの含有量が３．０重量％未満
の場合には、炭化物の形成および熱処理による炭化物の
析出が不十分となり、耐摩耗性が低下する。含有量が５
５重量％を超えてもこのＶを加えることによる硬度増加
の大幅な改善が得られないので、耐摩耗性のさらなる向
上を期待できない。

Ｃｏについて。

Ｃｏは、肉盛り部の基地に固溶して高温強度を向上させ
、焼きもどし軟化抵抗を増大させる働きを有している。

また、二次マルテン化により基地の強化を助長し、炭化
物の析出硬化を増大させる機能もそなえている。このＣ
ｏの含有量が４．０重量％未満では、基地へのＣｏ　Ｏ
固溶が少ないので、熱処理による基地の軟化、炭化物の
析出硬化が不充分になる。この含有量が１３．０重量％
を超えても、炭化物の析出、焼きもどし軟化抵抗のさら
なる改善を期待できない。

なお、上記の成分の他にＳｉ、Ｍｎ、ＰＸＳ等の不純物
が混入する場合がある。この場合には、これらの不純物
が肉盛り部の機械的特性に悪影響を与えないように、そ
れぞれの混入量を以下の範囲以下に抑えることが好まし
い。

Ｓｉ　　−０，４重量％以下 Ｍｎ　　　　　１．　Ｑ　　重量％以下Ｐ　　　　　０
．０５重量％以下 Ｓ　　　　　０．０５重重量以下 上記の不純物のうちＭｎ　は、Ｓが不純物として混入し
たことによる弊害を除去する作用がある。

従って、Ｓが不純物として混入する場合には、１ｖＩｎ
　も混入すれば、Ｓの混入による弊害を除去することが
できるので好ましい。しかるに、この場合においても、
Ｍｎ　の含有量は伸びの減少および割れの防止のために
上記の１％以下とする必要がある。

合金粉末の粒度 合金粉末の粒度としては、約５０μ〜約１５０μの範囲
が好ましい。粒度が５０μ未満の場合にはかかる粉末を
供給するための供給装置に目詰りが生ずるおそれがある
。また、粒度が１５０μを超えると、溶融肉盛り時に未
溶融の粉末が残り、この未溶融粉末が肉盛り部に残存し
てこの部分の欠陥発生の原因となるので好ましくない。

溶融肉盛り工程 溶融肉盛りは、例えば市販のプラズマ粉体溶接装置を使
用して行うことができる。この場合には、処理条件を次
のように設定すればよい。すなわち、電流値が４０〜８
０Ａ１加工速度が５０〜１５０ｍｍ／分、粉末供給量が
６〜２０ｇ／分とする。この理由は以下の通りである。

電流が４０Ａ以下では、出力不足により基材およおび粉
末の溶融が不十分になるおそれがある。

しかるに、８０Ａ以上の場合には、溶融部が高温になり
すぎて、いわゆる湯が沸きすぎてしまし、この結果、ブ
ローホールの発生するおそれがあり、また望ましいビー
ドの形成を期待出来なくなる。

加工速度が５０＋＋＋＋ｎ／分より遅いと、処理時間が
不必要に長くなり好ましくない。また、この速度が１５
０ｍｍ／分を超えると、肉盛り部と基材との密着強度が
弱くなり、歩留−りも低下してしまう。

供給量が６ｇ／分より少ない場合には、粉末の供給が不
安定となり、所定の肉盛り厚さく通常は３〜３．５　ｍ
ｍ　）も得られない。また、２０ｇ／分を超える量とな
ると、肉盛り部の厚さが不必要に厚くなり、後加工に時
間を要することになるので好ましくない。

焼なまし処理工程 この工程での処理条件よしては、温度範囲が約４００〜
６３０℃であり、処理時間が約０．５〜３．０時間とす
ることが望ましい。４００℃未満で処理をおこなうと、
充分な歪取りのためには長時間を必要とするので効率が
悪い。また、６３０℃を超える高温下で処理すると、肉
盛り部および基材が軟化し、耐摩耗性に悪影響が及ぶの
で好ましくない。一方、処理時間が０．５時間未満では
充分な歪取り効果を期待できず、製品にクラック等の発
生するおそれが生ずる。また、処理時間が３時間程度で
歪取りが充分に行われるので、これ以上の処理時間は効
率の低下につながるので好ましくない。

窒化処理工程 焼なまし処理の後に、肉盛り部の表面に硬化層を形成す
ることを目的として、肉盛り部に対して窒化処理を施す
。この窒化処理法には液体窒化処理法およびガス窒化処
理法とがあり、いずれの方法も採用することができる。

液体窒化処理を採用する場合には、５００℃〜６３０℃
の温度下で、０．５時間〜３時間の範囲で処理するのが
望ましい。すなわち、処理時間が５００℃未満では反応
が遅く充分な化合物層の形成が期待できない。６３０℃
を超えると、肉盛り部の硬度および基材（特に鋳鉄）の
内部硬さが低下するので好ましくない。一方、処理時間
が０．５時間より短いと、化合物層の形成が不充分とな
る。

また、３時間を超えて処理しても、化合物層の厚さは飽
和状態に達しているので、それ以上の処理時間は単に効
率を低下させるのみである。

酸化処理工程 窒化処理によって肉盛り部の表面に硬化層を形成した後
には、初期の耐擦りきず性、馴染性の改善を目的として
、肉盛り部の表面を酸化して、数μの酸化物層を形成す
る。

この酸化処理は、前工程の窒化処理において液体窒化法
を採用−した場合には、この窒化処理の冷却工程におい
て行われる。この酸化処理は、水酸化物（ＫＯＨ、Ｎａ
ＣＲ）の雰囲気中においてこの成分の融点以上の温度条
件下で行なう。但し、この処理温度は５００℃以下の温
度で行うことが望ましい。５００℃を超えると、加工物
層の分解が起こるおそれがある。また、処理時間は約１
時間未満でよく、これ以上の時間にわたって処理しても
、表面に形成される酸化物の量の増加は期待できない。

（実施例） 本発明の方法による効果を確認するために、本発明の方
法に従ってテストピースを作製すると共に、使用合金粉
末の成分を本発明によって規定された範囲を外れたもの
を使用して同一形状のテストピースを作製し、これらの
耐摩耗性、靭性および表面硬度を調べた。

テストピース作製条件は以下のようにした。

（１）テストピース基材： 材　質：５Ｓ４１　　（ＪＩＳ規格） 寸　法：縦４Ｘ横９５×高さ１０（ｍｍ）（２）合金粉
末：表１を参照のこと （３）肉盛り処理 電　　圧−３０Ｖ 電　流：６０Ａ 加工速度：８５＋ｎｍ／分 プラズマガス、アルコシガス、流量３５１／分シールド
ガス：アルゴンガス、流量２５１／分肉盛り厚さ３〜３
．．５ｍｍ （４）焼なまし処理。

５６０℃の大気雰囲気中に２．５時間置き、その後徐冷
した。

（５）機械加工処理・ 耐摩耗特性評価のためのテストピースとしては、第２図
に示すように、肉盛り部の断面形状が直径が２　ｍｍの
半円形状に仕上げられた、高さ（ｈ）８．５、長さ（ａ
）　１０、および幅（ｂ）３（ｍｍ）のものを作製した
。

これに対して、抗折テスト用のテストピースとしては、
第３図に示すように、高さ（ｈ）５、長さ（ａ）　８０
　、幅ら）２（ｍｍ）、および肉盛り部の厚さ２　ｍｍ
のものを作製した。

（６）窒化処理および酸化処理工程： 上記の形状に作製したテストピースを、ＮａＣβ、ＫＣ
ｌ等のンアン化合物からなる塩浴中（温度６００℃）に
２時間浸漬し、肉盛り部の表面に窒化処理を施した。

この後に、これらのテストピースを、水酸化物の塩浴中
（３８０℃）に１０分間放置し、この後空冷し、窒化処
理された肉盛り部の表面に酸化層を形成した。

Ｍ） 摩耗テスト 作製したテストピース肉盛り部の摩耗特性を、ピン−デ
ィスク型の摩耗テストによって評価した。

このテストにおける使用ディスクおよびテスト条件は以
下のようにした。

ディスク、形　　状　外径２０Ｏｎ＋ｎ＋および板厚２
０ｍｍの円盤 表面処理　硬質クロムメツキ層 （硬度　８８０−９２０　Ｈｖ、 層厚　２００μ） テスト条件、潤　滑　な　し 荷　　重　　５　ｋｇ　　（０，５ｋｇ／　ｍｍ）周　
速（ピン接地面での値）５ｍノ秒 テスト時間　２０分 テスト結果−表２に示す 抗折テスト 作製した抗折テスト用ピースを使用して、次のようにし
て折損に対する抵抗性を評価した。

第４図に示すように、治具１１にテストピース１２を固
定し、治具から１０ｍｍテストピース先端部を突出させ
、その先端から４　ｍｍの位置に、直径２　ｍｍの丸棒
で集中荷重Ｐを加えた。荷重量を増加させて折損した時
の荷重を測定した。テスト結果は表２に示しである。

表面硬度の測定 本発明における窒化処理による肉盛り部の硬度への影響
を調べるために、肉盛り後および窒化処理後において、
肉盛り部の表面硬度を測定した。

この結果を表２に示しである。

テスト結果 摩耗特性について二本発明の方法で製作したテストピー
ス（ＮＯ１〜Ｎ０５）において測定された摩耗量は６０
〜７５μである。すなわち、Ｎｏ、　１．２のように、
合金粉末における各主要成分の含有量が本発明によって
規定される範囲のほぼ中間の値の場合には摩耗量が６０
μである。これに対して、使用合金粉末の各主要成分が
本発明によって規定される範囲の下限値近傍の量だけ含
まれているテストピースＮｏ、　４の場合にはこれらよ
りも大きな摩耗量７５μが測定されている。また、主要
成分の含有量が本発明によって規定される範囲の上限値
近傍の量だけ含んでいるテストピースＮｏ、　５におい
ては、上記のテストピースＮｏ、　１〜３よりも僅かに
多い摩耗量６５μが測定されている。何れの場合におい
ても、ロークリエンジンのアペックスシールの摺動面に
必要な耐摩耗性を充分に備えていることが分かる。

しかるに、合金粉末の主要成分が本発明で規定する範囲
以外の量となっているテストピースＮｏ、　６〜８にお
いては、そのうちのＮｏ、　７を除いて摩耗量が本発明
によって製作したテストピースの場合の約２倍の量とな
っており、アペックスシール摺動面としては不適当であ
る。

抗折強度について二本発明に従って製作したテストピー
スＮｏ、　１〜５では１１５ｋｇ以上の値を示しており
、アペックスシールとして必要な強度を備えていること
が分かる。これに対して、テストピースＮｏ、　６〜８
においては、この強度が約２／３であり、アペンクスン
ールとしては使用するには強度が不足している。特に、
耐摩耗性は充分であったテストピースＮｏ、　７におい
ては、その強度が５０１＜　ｇ未満であり、荷重増加中
にクラックの発生も確言忍された。

表面硬度について：表２に示すように、肉盛り部の表面
硬度は窒化処理によって、それ以前の状態よりも高くな
っていることがＳ忍ｔられる。この結果から、本発明に
よる方法によれば、肉盛り部の表面硬度がより高まると
いう副次的効果も得られることが分かる。

なお、表には示してないが、本発明の方法に従って作製
したテストピースＮｏ、　１〜５は、ロータハウジンク
内周面との間の初期馴染性も好ましいことが確言忍され
た。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明の方法においては、鉄系の
合金粉末を鉄系の基材に溶融肉盛りし、この肉盛り部を
焼戻しした後にさらに窒化処理するようにしている。こ
の結果、ロータリーエンジンのアペンクスシール摺動面
として要求される耐摩耗性および硬度が共に備わった鉄
系合金からなる摺動面を形成することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を示す工程図、第２図は摩耗テス
トに用いたテストピースの形状を示す斜視図、第３図は
抗折テストに用いたテストピースの形状を示す側面図、
第４図は抗折テストの方法を示す説明図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 鉄系基材から、ロータリピストンエンジンのアペックス
   シールを製造する方法において、アペックスシール摺動
   面となる鉄系基材の表面に、Ｆｅ以外の主要成分として
   、 Ｃ：０．８〜２．５重量％ Ｃｒ：３．５〜５．５重量％ Ｍｏ：０．１５〜９．０重量％ Ｗ：６．０〜１３．０重量％ Ｖ：３．０〜５．５重量％ Ｃｏ：４．０〜１３．０重量％ を含む鉄系合粉末を溶融肉盛りし、 溶融肉盛りした前記鉄系基材に焼なまし処理を施し、 焼なまし後の前記鉄系基材に対して所定の機械加工を施
   し、 機械加工された前記鉄系基材の肉盛り部の表面を窒化処
   理し、 さらに、窒化処理された前記肉盛り部の表面を酸化処理
   する工程からなるアペックスシールの製造方法。