JP3848451B2

JP3848451B2 - シリンダライナ及びその製造方法

Info

Publication number: JP3848451B2
Application number: JP33503097A
Authority: JP
Inventors: 和徳水谷
Original assignee: 帝国ピストンリング株式会社
Priority date: 1997-11-19
Filing date: 1997-11-19
Publication date: 2006-11-22
Anticipated expiration: 2017-11-19
Also published as: US6158407A; JPH11153059A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、往復動内燃機関に使用される、潤滑油消費性能と耐焼き付き性能の両方に優れたシリンダライナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジン等の往復動内燃機関のシリンダライナは、ピストンの摺動と共に衝撃力、熱応力、燃焼ガス圧力など、内燃機関の構造中最も複雑な力の加わる個所であり、このため、シリンダライナは耐摩耗性、耐熱性等に優れた材質で作られ、特に、シリンダライナ内周面には良好な潤滑性、耐焼き付き性を発揮するよう加工が施されている。
【０００３】
例えば、シリンダライナ内周面の表面粗さを大きくすると、潤滑油消費量が増加し、また、小さくすると、ピストンリングとシリンダライナの焼き付きが生じるおそれがあるため、一般的には、シリンダライナ内周面の表面粗さは、1.2 〜4.0 μｍＲz の範囲に調整されている。
【０００４】
一方、近年の排ガス規制に対し、内燃機関の潤滑油消費量をより低減することが求められており、また高出力化の要求も以前にも増して強くなっている。このような現状に対応すべくシリンダライナに関して様々な改良がなされている。
【０００５】
潤滑油消費性能及び耐焼き付き性能を向上させるため、シリンダライナの摺動面の面性状を改善して、潤滑油消費量を低減する技術として、シリンダライナの上部内周面の表面粗さを、下部内周面の表面粗さより粗くしたもの（実開昭６０−１４７７３６号公報）や、シリンダ内周面の表面粗さを、トップリングの上死点近傍で小さくしたもの（特公平２−３２４６２号公報）が知られている。
【０００６】
しかし、これらの技術によるシリンダライナは、摺動面全体が鋳鉄面であり、単に表面粗さを部分的に変えたものであるため、潤滑油消費性能及び耐焼き付き性能の向上には限界があり、排ガス規制に対する要求に、十分に応じることができなかった。更に、ホーニング加工で表面粗さを、部分的に変化させたシリンダライナを量産することは困難であり、このようなシリンダライナは実用化に至っていないのが現状である。
【０００７】
そこで、上記技術を改善したものとして、シリンダライナの内周面全体にリン酸塩被膜を形成したもの（実開昭５０−５１０５２号公報）、更には、リューブライト処理（リン酸塩被膜処理）を施したシリンダライナの内周面を浅くエッチングしたもの（実公昭６２−２６４４４号公報）がある。
【０００８】
しかし、リン酸塩被膜は、化成層により形成され、表面にはリン酸塩の結晶層が形成され、その下部には局部的に母材の溶出が生じてエッチングポケットが形成される。このエッチングポケット内には、保油性に富むいわゆる非結晶層が形成されている。ところが、表面の結晶層は、モース硬度で６〜７と硬く、脆い性質を有するので、軟質金属製のピストンやメタル類を傷つけるという問題があった。このため、特公昭５７−６１９５４号公報には、リン酸塩の結晶層を機械的に除去して、エッチングポケット内部に多孔質な化成層（非結晶層）を残留させる技術が開示されている。
【０００９】
エッチングポケットの深さは、リン酸塩被膜をクロム酸溶液で剥離し、露出した鋳鉄面の表面粗さ、あるいは表面粗さの負荷曲線で表現され、上記特公昭５７−６１９５４号、実公昭６２−２６４４４号公報におけるシリンダライナのリン酸塩被膜のエッチングポケットは、耐焼き付き性と潤滑油消費の耐久性のバランスを考慮して、３〜８μｍＲｚの表面粗さに調整されていた。そして、結晶層を除去したリン酸塩被膜の表面粗さは、一般的に0.5 〜3.2 μｍＲｚの範囲とされていた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記技術では、潤滑油消費性能を重視して、浅いエッチングポケットを有するリン酸塩被膜を形成すると、トップリングの上死点近傍の耐焼き付き性が不十分となり、逆に、耐焼き付き性を重視して、深いエッチングポケットを有するリン酸塩被膜を形成すると、エンジン運転中に、シリンダライナの下方で、ピストンリングの摺動によって、エッチングポケット部、鋳鉄の黒鉛部、あるいはパーライトマトリックス部が脱落し、表面粗さが次第に増加して、その結果、潤滑油消費量が次第に増加するといった問題があった。
【００１１】
したがって、本発明の目的は、上記問題を解決し、潤滑油消費性能と耐焼き付き性能に優れたシリンダライナ及びその製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のシリンダライナは、シリンダライナ内周面におけるトップリング上死点近傍が、リン酸塩処理により形成された結晶層を機械的に除去して表面粗さ 0.5 〜 3.2 μｍＲｚとしたリン酸塩被膜であって、該リン酸塩被膜を剥離したときに露出する鋳鉄面の表面粗さが 1.2 〜 6.0 μｍＲｚとなるもので形成され、
前記シリンダライナ内周面下部が、表面粗さ 0.6 〜 1.8 μｍＲｚの鋳鉄面であることを特徴とする。
【００１３】
本発明のシリンダライナによれば、焼き付きの起点が生じやすいシリンダライナ内周面のトップリングの上死点近傍に、結晶層を機械的に除去したリン酸塩被膜を形成したため、このリン酸塩被膜のエッチングポケットの保油性により、運転初期から中期にかけて、焼き付き（スカッフ）が防止される。そして、この期間にピストンリング外周面とシリンダライナ内周面とが最適な面性状に形成されるから、中期以降にエッチングポケットが摩滅しても、耐焼き付き性、耐摩耗性を長期間維持できる。
【００１４】
更に、潤滑油消費の大部分が生じるシリンダライナの内周面下部を鋳鉄面としたので、耐摩耗性に優れ、潤滑油消費量を長期に亙って抑えることができる。
【００１５】
なお、本発明において、前記結晶層を機械的に除去した前記リン酸塩被膜を剥離したときの、シリンダライナ内周面のトップリング上死点近傍の露出した鋳鉄面の表面粗さは、1.2 〜 6.0μｍＲｚである。この表面粗さが、1.2 μｍＲｚ未満であると、耐焼き付き性能を長期間維持できず、また、6.0 μｍＲｚを超えると、潤滑油消費が増大するためである。
【００１６】
更に、前記結晶層を機械的に除去した前記リン酸塩被膜の表面粗さは、0.5 〜3.2 μｍＲｚであり、0.6 〜2.0 μｍＲｚであることが好ましい。この表面粗さが、3.2 μｍＲｚを超えると、初期なじみに時間を要し、その間の潤滑油消費が増大するといった問題があり、また、0.5 μｍＲｚより小さくするには、鋳鉄素地が露出するほど機械的に結晶層を除去しなければならず、この際に鋳鉄の微細なバリやカエリを生じ、これが焼き付きの要因になるためである。
【００１７】
更にまた、前記シリンダライナ内周面下部の鋳鉄面の表面粗さは、0.6 〜 1.8μｍＲｚである。0.8 〜1.2 μｍＲｚであることが好ましい。この表面粗さが0.6 μｍＲｚ未満であると、初期焼き付きを生じるおそれがあり、また、1.8 μｍＲｚを超えると、潤滑油消費が増大するという問題がある。
【００１８】
一方、本発明のシリンダライナの製造方法は、シリンダライナ内周面を0.6 〜 2.0μｍＲｚの表面粗さに形成した後、前記トップリング上死点近傍をリン酸塩処理し、次いで、リン酸塩被膜の結晶層を機械的に除去して、0.5 〜 3.2μｍＲｚの表面粗さに形成すると同時に、前記シリンダライナ内周面下部の鋳鉄面を0.6 〜 1.8μｍＲｚの表面粗さに形成し、かつ、前記リン酸塩被膜を剥離したときに露出する鋳鉄面の表面粗さが 1.2 〜 6.0 μｍＲｚとなるようにしたことを特徴とする。
【００１９】
本発明の製造方法によれば、シリンダライナのトップリング上死点近傍は、リン酸塩被膜の結晶層を機械的に除去してなる0.5 〜3.2 μｍＲｚの表面粗さの面となり、シリンダライナの内周面下部は、鋳鉄からなる0.6 〜1.8 μｍＲｚの表面粗さの面となる。このように、通常のホーニング加工によって、トップリング上死点近傍には、リン酸塩被膜の結晶層を機械的に除去した保油性の高い面を形成し、シリンダライナ下部には潤滑油消費性能に優れた表面粗さが小さい鋳鉄面を形成することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について図を用いて更に詳細に説明する。
図１は、本発明におけるシリンダライナの断面図を示し、１はシリンダライナ本体を表す。
【００２１】
本発明において、シリンダライナ本体１の材料は、従来のシリンダライナ用鋳鉄を使用することができる。この鋳鉄を鋳造して、シリンダライナ内周面１０と外周面１２の機械加工を行った後、シリンダライナ内周面１０をホーニング加工して、0.6 〜2.0 μｍＲｚの表面粗さに形成する。
【００２２】
その後、シリンダライナ内周面１０のトップリング上死点近傍Ｈを、例えばリン酸マンガンを主成分とする薬品により、好ましくは温度97〜98℃、時間約15分間という処理条件下でエッチングしてリン酸塩被膜１５を形成する。部分的にリン酸塩処理する方法としては、単にシリンダライナを倒立させて、リン酸塩処理液に所定深さ浸漬する方法の他、湿式の表面処理で慣用的に用いられるマスキング方法を採用することも可能である。
【００２３】
次いで、このリン酸塩被膜表面１６と、シリンダライナ内周面下部（リン酸塩処理されていないシリンダライナ内周面部分の鋳鉄面）１１を、コルク粒子中にカーボランダム、グリーンカーボランダム、及びホワイトアランダム等の砥粒を含有させた砥石（コルク砥石）などによってホーニング加工する。
【００２４】
ホーニング加工された、リン酸塩被膜表面１６は、結晶層が除去され、その表面粗さが0.5 〜3.2 μｍＲｚとなる。また、同時に、シリンダライナ内周面下部１１の鋳鉄面も研磨されて、その表面粗さが、0.6 〜 1.8μｍＲｚである本発明のシリンダライナを得ることができる。
【００２５】
このようにして得られたシリンダライナは、トップリング上死点近傍の結晶層が除去されたリン酸塩被膜の保油性によって優れた耐焼き付き性能が得られ、また、シリンダライナ内周面下部の表面粗さが0.6 〜 1.8μｍＲｚの鋳鉄面によって、優れた潤滑油消費性能を長期間維持することができる。
【００２６】
なお、リン酸塩処理の部位は、通常のエンジンの場合、セカンドリング上死点より上とすればよく、特に熱負荷が高いエンジンの場合、オイルリング上死点の上方とすればよい。
【００２７】
【実施例】
実施例１、比較例１、２
本発明の製造法により得られたシリンダライナを実施例１とし、リン酸塩処理を施していないシリンダライナを比較例１とし、シリンダライナ内周面全面に亙りリン酸塩処理して、その結晶層を除去したものを比較例２として、各例の形成状態をまとめたものを表１に示す。なお、表中の各表面粗さはホーニング加工により形成されたものである。
【００２８】
【表１】

【００２９】
試験例１
発明の効果を確認するため、エンジン実験による潤滑油消費量の時間変化を、実施例１、比較例１、比較例２のシリンダライナについて測定した結果を表３に示す。なお、使用したエンジンの主要な諸元は表２に示す通りである。
【００３０】
【表２】

【００３１】
【表３】

【００３２】
表３の結果からも分かるように、本発明によるシリンダライナは潤滑油消費量を顕著に抑えることができる。
【００３３】
試験例２
発明の効果を確認するため、エンジン実験による焼き付き状態を実施例１、比較例１、比較例２のシリンダライナについて観察した。実験は、実験例１で使用したエンジンと同様のものを用いて、焼き付きが発生しやすい高油水温の条件（水温 112℃、油温は制御せず）で50時間エンジンを運転後、シリンダライナを取り出して摺動面を観察した。
【００３４】
その結果、実施例１及び比較例２のシリンダには焼き付きは全く認められなかったが、比較例１では８シリンダ中２シリンダに、焼き付きがトップリング上死点近傍に認められた。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のシリンダライナによれば、焼き付きの起点が生じやすいシリンダライナ内周面のトップリングの上死点近傍に、結晶層を機械的に除去したリン酸塩被膜を形成し、潤滑油消費の大部分が生じるシリンダライナの内周面下部を鋳鉄面としたので、潤滑油消費量が低く、耐焼き付き性が優れたシリンダライナを得ることができる。また、硬く、脆い性質を有する結晶層が、機械的に完全に除去されるため、ピストン外周面、シリンダライナ摺動面、あるいはシリンダライナ摺動面の損傷を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるシリンダライナの断面図である。
【符号の説明】
１シリンダライナ本体
１０シリンダライナ内周面
１１シリンダライナ内周面下部
１５リン酸塩被膜
１６リン酸塩被膜表面
Ｈトップリング上死点近傍

Claims

シリンダライナ内周面におけるトップリング上死点近傍が、リン酸塩処理により形成された結晶層を機械的に除去して表面粗さ 0.5 〜 3.2 μｍＲｚとしたリン酸塩被膜であって、該リン酸塩被膜を剥離したときに露出する鋳鉄面の表面粗さが 1.2 〜 6.0 μｍＲｚとなるもので形成され、
前記シリンダライナ内周面下部が、表面粗さ 0.6 〜 1.8 μｍＲｚの鋳鉄面であることを特徴とするシリンダライナ。
シリンダライナ内周面を0.6 〜 2.0μｍＲｚの表面粗さに形成した後、前記トップリング上死点近傍をリン酸塩処理し、次いで、リン酸塩被膜の結晶層を機械的に除去して、0.5 〜 3.2μｍＲｚの表面粗さに形成すると同時に、前記シリンダライナ内周面下部の鋳鉄面を0.6 〜 1.8μｍＲｚの表面粗さに形成し、かつ、前記リン酸塩被膜を剥離したときに露出する鋳鉄面の表面粗さが 1.2 〜 6.0 μｍＲｚとなるようにしたことを特徴とするシリンダライナの製造方法。