專利名稱：閥挺桿的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于內(nèi)燃機的滑閥機構所使用的覆蓋了硬質(zhì)薄膜的閥挺桿。
背景技術：
為了適應降低內(nèi)燃機燃料消耗和提高輸出的要求，降低滑閥機構的滑動部的摩擦是有效的措施之一。因此，以降低閥挺桿和凸輪的滑動部的摩擦為目的，在滑動面上覆蓋了氮化鈦系薄膜(例如TiN)、氮化鉻系薄膜(例如Cr2N、CrN)、類金剛石碳(DLC)薄膜等硬質(zhì)材料薄膜。
例如，為了降低摩擦，由于需要使配置在閥挺桿頂面(冠面)并且與凸輪滑動的墊片的表面粗糙度降低至與凸輪與墊片之間的油膜厚度相同的程度，因此將十點平均粗糙度Rz做成0.1μm(以Ra計則相當于0.025μm)或其以下，在所述墊片基材表面覆蓋TiN、TiC、TiCN、CrN、DLC等薄膜，對初期研磨運轉(zhuǎn)中與墊片接觸的凸輪側(cè)的接觸面進行鏡面化處理的凸輪接觸部結構公開在專利文獻1(日本特開平5-163909號)中。另外，在專利文獻2(日本特開2002-309912號)中公開了，通過使DLC薄膜等硬質(zhì)碳薄膜在成膜前的基材表面粗糙度Ra小于等于0.03μm，并且在其上面覆蓋根據(jù)硬度和膜厚規(guī)定了表面粗糙度的薄膜，從而抑制了延展性小的硬質(zhì)材料薄膜的破裂和剝離，可實現(xiàn)耐久可靠性和低摩擦系數(shù)，制成了摩擦特性和耐久性優(yōu)異的墊片、挺桿和凸輪軸的組合。
在覆蓋在這些滑動部表面的硬質(zhì)材料薄膜中，DLC薄膜由于具有高硬度且低摩擦系數(shù)的特征，可預期在直擊式滑閥系中具有耐磨耗性和降低摩擦的效果，并對其實用化進行了研究。DLC薄膜根據(jù)金剛石結構與石墨結構的構成比、含有氫和金屬的情況等雖有多種，但通常指的是非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜。作為這種非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜的成膜方法，公知的有使用甲烷或乙炔等烴系氣體的CVD法、將石墨等用于靶的PVD法。
利用CVD法形成的非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜，與PVD法相比含有更多的氫，由于內(nèi)部殘余壓縮應力而難以確保對鐵系基材有充分的密合性，因而，為了確保與基材的密合性，采用的方法是，通過做成使用了由金屬或金屬與碳化物構成的中間層的結構，或者在非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜中添加金屬來緩和內(nèi)部應力。
另一方面，利用真空弧光離子鍍法等PVD法形成的非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜，除了一般不可避免含有的氫(數(shù)原子％左右)以外，具有實質(zhì)上無氫的特征，與采用CVD法的非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜相比，可認為是硬度高且耐磨耗性優(yōu)異的。根據(jù)專利文獻2或?qū)＠墨I3(日本特開2004-137535號公報)，作為無氫的非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜的具體特性，可列舉入下膜厚0.33～1.90μm、表面努普硬度1956～4050、氫原子含量小于等于0.5原子％，此時的基材硬度為HRC53～60、基材的表面粗糙度Ra為0.01～0.03。另外還公開了，基材的表面粗糙度雖越小越好，但是如果平滑到Ra0.01μm左右，則成膜后的薄膜的表面粗糙度在沒有進行精加工的條件下則為Ra0.03μm左右。
但是，上述專利文獻1中的滑動部結構，雖然將覆蓋硬質(zhì)材料薄膜之前的基材表面粗糙度做成Rz小于等于0.1μm，并在其上面覆蓋有薄的硬質(zhì)材料薄膜，但這種結構存在的問題是，相對滑動的對方材料做成鏡面時，硬質(zhì)材料薄膜會因滑動而被磨削掉，在硬質(zhì)材料薄膜被磨削掉后的基材滑動面產(chǎn)生磨耗。
專利文獻2的硬質(zhì)材料薄膜雖然為，將硬質(zhì)碳薄膜成膜前的基材表面粗糙度做成Ra小于等于0.03μm，并在其上面采用弧光離子鍍法覆蓋根據(jù)硬度和膜厚規(guī)定了表面粗糙度為Ry的硬質(zhì)材料薄膜，以抑制破裂或剝離等，但是如果對硬質(zhì)材料薄膜成膜前的基材表面使用普通的磨具進行研磨或者使用游離磨料進行研磨加工或拋光加工，由于基材表面會殘存研磨材料的硬粒子引起的長且連續(xù)地延伸的不可避免的許多傷痕，因此在這種基材表面上覆蓋了非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜的材料，即使是利用金屬離子轟擊法確保了某種程度密合性的情況下，也會存在以覆蓋硬質(zhì)材料薄膜之前的表面?zhèn)蹫槠瘘c發(fā)生剝離和剝離被擴展的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是為了解決這些問題而提出的，其目的是提供一種閥挺桿，在滑動部覆蓋了非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜的閥挺桿中，基材與非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜的密合性優(yōu)異，并可以減小摩擦。
本發(fā)明就是為了解決上述問題而提出的，本發(fā)明人等對于在滑動面上形成了非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜的閥挺桿的薄膜的密合性進行深入研究的結果，發(fā)現(xiàn)通過規(guī)定存在于成為滑動部的基材表面的連續(xù)傷痕的最大長度，能夠防止以傷痕為起點發(fā)生剝離，同時當產(chǎn)生剝離的情況下可以抑制其擴展，以至完成了本發(fā)明。
即，本發(fā)明的閥挺桿至少在與凸輪滑動的面覆蓋了非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜，其特征為，在基材表面(底部)的算術平均粗糙度Ra為0.01～0.03μm，所述基材表面的傷痕的最大長度為小于等于250μm。
在凸輪與閥挺桿之間的高表面壓力的滑動條件，雖然可以認為引起剝離的臨界缺陷尺寸與傷痕的寬度和深度有直接的關系，但是尚未明確的是，在閥挺桿頂面的以傷痕為起點的非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜的剝離機理。但是，如果著眼于傷痕的長度并進行整理，則可以知道，若傷痕的長度小于等于250μm，則傷痕內(nèi)在的缺陷尺寸小于等于引起剝離的臨界值，若傷痕的長度超過250μm時，則傷痕內(nèi)在的缺陷尺寸便超過引起剝離的臨界值。
所述閥挺桿的結構，至少可以很好地適用于與凸輪滑動的面。此外，本發(fā)明適用的閥挺桿包括，凸輪與閥挺桿主體直接滑動的方式、以及在凸輪與閥挺桿主體之間使用墊片的方式兩者。另外，本發(fā)明中所說的基材表面的傷痕，是可以用光學顯微鏡(放大倍數(shù)200倍)觀察覆蓋硬質(zhì)材料薄膜之前的基材表面并能確認的大致直線性地延伸的線狀傷痕，所謂連續(xù)的傷痕是指通過上述觀察明確地處于連接狀態(tài)的傷痕。
本發(fā)明的閥挺桿，覆蓋非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜之前的基材表面的表面粗糙度以算術平均粗糙度Ra計為0.01～0.03μm。進而，通過噴丸處理等使滑動部的基材表面存在的連續(xù)傷痕的最大長度小于等于250μm，就能夠防止以傷痕為起點發(fā)生剝離，同時當產(chǎn)生剝離的情況下可以抑制其擴展，可大幅度地提高基材表面與非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜的密合性。
這里，非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜，直接形成于基材表面雖然有效，但是從能夠進一步排除傷痕影響的角度考慮，隔著中間層形成也是有效的。非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜從硬度和耐磨耗性的角度考慮，優(yōu)選利用PVD法，尤其是利用弧光離子鍍法形成的含氫量小于等于0.5原子％的薄膜。薄膜的硬度以努普硬度(在超硬基材上成膜，在50gf負載條件下測定)計Hk值大于等于2500kg/mm2，更優(yōu)選Hk大于等于3000kg/mm2。
此外，當應用于滑閥部件的閥挺桿時，薄膜的膜厚規(guī)定為0.3～1.5μm，優(yōu)選小于等于1.0μm。另外，從對凸輪的強擊性的角度考慮，薄膜的表面粗糙度Ra以0.01～0.03μm為宜。形成上述非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜的基材，優(yōu)選使用SCM415材料等鋼材或鐵基合金或者對所述鋼材或鐵基合金實施滲碳處理或淬火處理等硬化熱處理，使表面硬度達到大于等于HRC53的材料。如果表面硬度不足HRC53，則有可能發(fā)生源于基材的變形的非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜的剝離。
根據(jù)本發(fā)明，能夠防止基材表面以傷痕為起點發(fā)生非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜的剝離，并且在產(chǎn)生剝離的情況下可以抑制其擴展，可以得到具有可靠性高的密合性的閥挺桿，能夠制造出這種閥挺桿。


圖1是本發(fā)明的閥挺桿的剖面圖的一個例子；圖2是本發(fā)明的使用墊片的方式的閥挺桿的剖面圖的一個例子；圖3是使用光學顯微鏡觀察實施例的覆蓋薄膜之前的基材表面的照片(200倍)；圖4是使用光學顯微鏡觀察比較例1的覆蓋薄膜之前的基材表面的照片(200倍)；圖5是使用光學顯微鏡觀察比較例2的覆蓋薄膜之前的基材表面的照片(200倍)。
圖中，1是閥挺桿，2是非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜，3是墊片。
具體實施例方式
下面，說明本發(fā)明的閥挺桿的實施方式的一個例子。
圖1和圖2表示本發(fā)明的閥挺桿的剖面圖的例子，在與凸輪滑動的閥挺桿1的頂面上形成非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜2。所述閥挺桿，以例如SCM415材料等鋼材作為閥挺桿的基材，經(jīng)鍛造成型后進行滲碳淬火，在后續(xù)工序中進行頂面的超精加工。
圖4是用光學顯微鏡(放大倍數(shù)200倍)觀察用普通磨具實施超精加工的頂面部的表面的照片。用觸針式粗糙度儀測定的表面粗糙度Ra為0.025μm，可以確認因磨具而殘留了許多長而連續(xù)并相互交錯的傷痕。
圖5表示進行超精加工后以氧化鋁、氧化鉻作為研磨材料進行一定時間拋光加工后的表面。與上述同樣地測定的表面粗糙度Ra為0.015μm，傷痕密度與所述的只進行超精加工(圖4)的情況相比，雖大幅度下降，但仍殘留了少量的連續(xù)且長的傷痕。
圖3是用光學顯微鏡觀察進行超精加工后使用彈性磨料進行一定時間噴丸處理的表面的照片。表面粗糙度Ra為0.015μm，能夠確認的最大傷痕長度為約200μm。
清洗具有這種基材表面的閥挺桿，利用真空弧光離子鍍法形成無氫的非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜，完成實施例1～3及比較例1～4。這里，如果將用真空弧光離子鍍法形成的非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜做成膜厚大于等于1.5μm的厚度，則存在覆蓋后的表面粗糙度增大的傾向。用真空弧光離子鍍法成膜的非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜的表面粗糙度，以算術平均粗糙度計粗糙到Ra 0.08μm左右，因此使用研磨材料進行研磨加工等后處理，將表面粗糙度調(diào)整到Ra 0.01～0.03μm。
這里，在實施例和比較例中形成非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜時，形成于超硬基材上的非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜，以努普硬度(測定負載50gf)計Hk為3000kg/mm2。
對于如上所述完成的實施例1～3及比較例1～4，根據(jù)點蝕耐久試驗評價基材與薄膜的密合性。點蝕試驗，使用模擬了實際機器引擎構造的裝置，在凸輪轉(zhuǎn)速為2000rpm、赫茲應力為560MPa、試驗時間約90小時的條件下，進行評價。
表1表示點蝕耐久試驗的結果?？梢源_認，對于覆蓋非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜之前的基材表面，采用噴丸處理使傷痕最大長度小于等于250μm的實施例1～3中，沒有發(fā)生剝離，尤其是使用了彈性磨料的實施例1和2具有良好的密合性。
另一方面，在對于覆蓋非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜之前的基材表面僅實施超精加工的在基材表面上覆蓋了非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜的比較例1，可以確認發(fā)生了許多被認為是以傷痕為起點的剝離，并且剝離得到擴展。另外，超精加工后使用游離磨料的進行了拋光加工的比較例2，與比較例1同樣也發(fā)生了以傷痕為起點的剝離，并且其中一部分得到擴展，確認了密合性和剝離擴展抑制性差。進而，在使用彈性磨料等進行噴丸處理的情況中，傷痕最大長度大于等于300μm的比較例3和4也可以看到一部分剝離。
表1

權利要求
1.一種閥挺桿，至少在與凸輪滑動的面上覆蓋了非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜，其特征在于，基材表面(底部)的算術平均粗糙度Ra為0.01～0.03μm，所述基材表面的傷痕的最大長度為小于等于250μm。
2.根據(jù)權利要求1所述的閥挺桿，其特征在于，所述閥挺桿的非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜表面的算術平均粗糙度Ra為0.01～0.03μm。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的閥挺桿，其特征在于，所述非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜為，含氫量小于等于0.5原子％、努普硬度(Hk)大于等于2500kg/mm2、膜厚0.3～1.5μm。
4.根據(jù)權利要求1～3中任意一項所述的閥挺桿，其特征在于，對于所述閥挺桿來說，覆蓋有非晶態(tài)硬質(zhì)碳薄膜的基材的硬度大于等于HRC53。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供一種解決如下問題的閥挺桿即，雖然在閥挺桿的滑動面實施了非晶態(tài)硬質(zhì)材料薄膜，但還是存在閥挺桿的基材滑動面的磨耗、覆蓋膜的剝離、相對攻擊性、凸輪的磨耗大的問題。本發(fā)明的閥挺桿，對于閥挺桿(1)在進行覆蓋膜(2)處理之前的閥挺桿(1)的滑動面，使表面粗糙度以算術平均粗糙度計為Ra 0.01～0.03μm，并且使基材表面的傷痕的最大長度為小于等于250μm。
文檔編號C23C14/06GK1818351SQ200610002959
公開日2006年8月16日 申請日期2006年1月28日 優(yōu)先權日2005年2月2日
發(fā)明者松井崇, 諸貫正樹, 辻勝啟, 馬渕豐, 浜田孝浩, 和泉博之, 小池智之 申請人:株式會社理研, 日產(chǎn)自動車株式會社