JP4947446B2 - Ｉ型オイルリング用線材およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、左右のレール部と該レール部を連結するウェブ部とを有するＩ型オイルリング用線材およびその製造方法に関するものである。

従来、内燃機関のピストンに装着されるオイルリングを形成するためのＩ型線材に形成するオイルホールは打ち抜き加工により形成されてきた。打ち抜き加工による穿孔を行なうには、個々の製品仕様に対応するダイスを用意しなければならない。
これに対して、特許文献１に開示されるように、Ｉ型オイルリング用線材のオイルホールを形成する手段として、レーザビーム加工が提案された。特許文献１の技術によると、オイルホールを形成するために、個々の製品仕様に対応するダイスを準備する必要はなく、レーザビーム加工によって、任意の、孔形状、孔ピッチに加工できる点で有利である。

前記特許文献１に開示されたスチール製オイルリングの製造方法は、穿孔のための工数削減の点では有利であるものの、断面異形線材の表面にレーザ加工により生じた凝固残留物（以下ドロスと言う）が付着するという問題があった。ドロスが残留すると、エンジン作動中に、ドロスの脱落により、エンジン潤滑油中に金属の塊が混入し、シリンダー壁面に損傷を与える危険性がある。
ドロス付着の影響を改善するために、特許文献２では、ＹＡＧレーザを含む高熱エネルギー密度加工法を用い加熱し、アシストガスに酸素や空気を用いることが開示されている。また、ドロスを出射側から再加熱して吹き飛ばすことが記載されている。また、特許文献２には、ドロス対策として、擦過（研削、切削、ハツリ）によるインラインでのドロス除去法の有効性も記述されている。
特開平３−２６０４７３号公報 特開平９−１５９０２５号公報

特許文献２には、表面に付着したドロスを溶融させ、高圧ガスで吹き飛ばす技術が開示されているが、ノロは孔周辺からは排除されるにしても、表面の別の場所に再付着し、または、孔を通過して裏面に付着する恐れがあり、信頼性に欠ける。
また、貫通孔に形成されたドロスを吹き飛ばせるほどの熱エネルギーとガス圧を与えると、貫通孔の形状が所定の形状を満たさなくなり、オイルリングとしての性能を阻害する恐れがある。

かくして、本発明の目的は、Ｉ型オイルリング用線材およびその製造方法において、ドロスの影響を低減化し、かつ所定の形状寸法のオイルホールを有するＩ型オイルリング用線材およびその製造方法を提供することである。

本発明者らはＩ型オイルリング用線材の溶融貫通孔であるオイルホールの出口側に所定の再溶融部を形成することにより、ドロスの影響を低減化し、かつ所定の形状のオイルホールが得られることを見出した。

本発明の第一の観点によれば、以下のＩ型オイルリング用線材が提供される。
左右のレール部と該レール部を連結するウェブ部とを有し、該ウェブ部には溶融貫通孔であるオイルホールを有し、線材の横断面輪郭の外接円径が１０ｍｍ以下のＩ型オイルリング用線材であって、前記溶融貫通孔の出口側には、溶融貫通孔出口を取り巻く再溶融凝固部が形成されており、前記再溶融凝固部は、貫通孔中心に沿う横断面を見たときに、前記溶融貫通孔に形成される溶融部を超え、前記溶融貫通孔の外周から２００μｍ以下形成されるとともに、前記溶融貫通孔の深さ方向に１００μｍ以下形成されているＩ型オイルリング用線材。

前記溶融貫通孔の形成方向は、線材の横断面の開口角度の狭い方から広い方に向かって形成されていることが好ましい。
前記溶融貫通孔の上下面における***部高さは、３０μｍ以下であることが好ましい。

本発明の第二の観点によれば、前記Ｉ型オイルリング用線材は、前記溶融貫通孔をレーザによって穿孔する穿孔工程と、次いで前記溶融貫通孔の出口側に、該溶融貫通孔出口を取り巻く再溶融部をレーザによって、貫通孔中心に沿う横断面を見たときに、前記溶融貫通孔に形成される溶融部を超え、前記溶融貫通孔の外周から２００μｍ以下、前記溶融貫通孔の深さ方向に１００μｍ以下となる再溶融部を形成する再溶融部形成工程により得ることができる。
溶融貫通孔の形成方向は、線材の横断面の開口角度の狭い方から広い方に向かって形成することが好ましく、前記溶融貫通孔の上下面における***部高さは３０μｍ以下に形成することが好ましい。

好適には、前記穿孔工程の前に、Ｉ型オイルリング用線材の少なくとも貫通孔を形成する面に油を塗布する。
好適には、前記穿孔工程は、所定寸法よりも小さい寸法の孔を穿孔する予備穿孔工程と、次いで所定寸法の孔を穿孔する仕上げ穿孔工程とを含む。
前記再溶融部形成工程に次いで、前記ウェブ部の再溶融凝固部が形成されている面側にブラスト処理してもよい。

本発明によれば、Ｉ型オイルリング用線材の溶融貫通孔であるオイルホールの出口側に再溶融部を形成することにより、ドロスの影響を低減化し、かつ所定の形状のオイルホールを得ることができる。

本発明のＩ型オイルリング用線材は、溶融貫通孔の出口側には、前記溶融貫通孔出口を取り巻く再溶融凝固部が形成されており、前記再溶融凝固部は、貫通孔中心に沿う横断面を見たときに、前記溶融貫通孔に形成される溶融部を超え、前記溶融貫通孔の外周から２００μｍ以下形成されるとともに、前記溶融貫通孔の深さ方向に１００μｍ以下形成される。
Ｉ型オイルリング用線材の溶融貫通孔に生じるドロスは、主として、図２に示すように溶融貫通孔２の出口、すなわち、穿孔方向の出側を取り巻く部位に発生する。本発明において、再溶融部１を形成する部位は、図１に示すように、貫通孔出口を取り巻く部位に形成することで、図２に示すような溶融貫通孔２の出口を取り巻く部位に発生したドロス３を再溶融させることにより、ドロス３の脱落を抑制し線材と一体化して無害化することができる。

また、本発明のＩ型オイルリング用線材に形成される再溶融部は、貫通孔中心に沿う横断面を見たときに、前記溶融貫通孔に形成される溶融部を超えることが必要である。ドロスは、前記溶融貫通孔に形成される溶融部に沿って形成されることが多く、この溶融部を超えないとドロスの脱落を抑制し線材と一体化するのに不十分である。また、溶融部が広すぎると靱性に悪影響を及ぼす恐れがあるので、前記溶融貫通孔の外周から２００μｍ以下に形成することが好ましい。また、再溶融部は、前記溶融貫通孔の深さ方向において深すぎると、靱性に悪影響を及ぼす恐れがあるので１００μｍ以下に形成することが好ましい。なお、貫通孔の溶融部とこの溶融部の形成に伴って形成される熱影響層が存在するが、これらは靱性に悪影響を及ぼすため、できるだけ薄いことが好ましい。
本発明においては、再溶融凝固部形成による線材の強度や靱性への影響は、幅方向（線径方向）が大きいため、横断面の形態で規定した。しかし、線材の長さ方向における溶融部の広がりが過度に大きいと、強度や靱性に悪影響を及ぼす恐れがある。従い線材の長さ方向においても、前記溶融貫通孔の外周から５００μｍ以下であることが好ましい。
なお、貫通孔形状としては、レーザの入射側が大きく、出側が小さくなりやすい。そのため、貫通孔径の小さい側に再溶融部が形成されるのが実際例である。

本発明のＩ型オイルリング用線材における溶融貫通孔の形成方向は、線材の横断面の開口角度の狭い方から広い方へ形成されていることが好ましい。
Ｉ型オイルリング用線材に溶融貫通孔を形成する際、溶融金属をアシストガスで吹き飛ばす場合がある。このとき、飛散する溶融金属（スパッタ）が線材に再付着する可能性がある。穿孔方向を、開口角度が狭い方から広い方に設定することで、スパッタの飛散領域から線材を遠ざけることができ、線材へのスパッタ付着リスクを低減することができる。穿孔工程では、溶融金属を吹き飛ばすために、０．２ＭＰａ以上の高圧でアシストガスを付与することが好ましい。
また、再溶融部形成工程では、穿孔工程で使用するドロスを吹き飛ばすほどの圧力は必要なく、ドロスを再溶融凝固させ、その場にとどめることを目的に、０．０５ＭＰａ以下の圧力のアシストガスを用いることが好ましい。

前記溶融貫通孔の上下面における***部高さは、３０μｍ以下であることが好ましい。これは、３０μｍを超えると、オイルリングとして使用する際に、オイルの流れを妨げる恐れがあり、オイルリング本来の性能を阻害する可能性がある。溶融貫通孔の周囲に形成された再溶融部の***部高さを３０μｍ以下とすることで、オイルリングの機能として必要とされるオイルの流動性の確保が可能となる。
なお、***部高さは、アシストガスの噴射圧力、ノズル位置、レーザ出力、ディフォーカス等を調整し、溶融貫通孔形状を崩すことなく、かつ３０μｍ以下に制御することができる。

本発明のＩ型オイルリング材の製造方法は、前記溶融貫通孔をレーザによって穿孔する穿孔工程と、次いで前記溶融貫通孔の出口側に、該溶融貫通孔出口を取り巻く再溶融部をレーザによって形成する再溶融部形成工程からなることを特徴としている。
穿孔工程と再溶融部形成工程は、別々の加工ラインで加工してもよいが、同一加工ライン中に連続で配置することで、前記穿孔工程で形成した溶融貫通孔の周囲に精度よく再溶融部を形成でき、ドロスの残存の可能性を低減できる点で好ましい。

本発明のＩ型オイルリング用線材の製造方法は、穿孔工程の前に、Ｉ型オイルリング用線材の少なくとも貫通孔を形成する面に油を塗布する、油塗布工程を設けることが好ましい。穿孔工程の前に、Ｉ型オイルリング用線材の少なくとも貫通孔を形成する面へ油を塗布することで、穿孔工程で発生するスパッタの付着を低減できる。また、溶融貫通孔の出口側にも油を塗布することにより、アシストガスで溶融貫通孔の出口面に飛散するスパッタの付着を低減化できる。
これは、線材に塗布された油が、スパッタの線材表面への直接接触を防ぐことによるものである。

本発明における穿孔工程は、所定寸法よりも小さい寸法の孔を穿孔する予備穿孔工程と、次いで所定寸法の孔を穿孔する仕上げ穿孔工程からなることが好ましい。溶融貫通孔を２段階以上で穿孔とすることで、仕上げ穿孔工程で発生するドロスおよびスパッタの飛散量を低減できる。
予備穿孔工程で穿孔する孔は、ドロスやスパッタが付着しにくい形状で、かつ孔形状が崩れることがない孔である必要があり、仕上げ穿孔工程で形成する孔よりも、長さおよび幅の小さい孔であることが好ましい。また、予備穿孔工程で穿孔する孔と仕上げ穿孔工程で穿孔する貫通孔の中心は、共に線材の幅方向の中央に存在していることが好ましい。予備穿孔工程では、必ずしも貫通させる必要があるわけではない。

本発明のＩ型オイルリング用線材の製造方法では、再溶融部形成工程に次いで、ウェブ部の再溶融部が形成されている面側にブラスト処理を施すこともできる。再溶融凝固部が形成されている面側にブラスト処理をすることで、線材が変形することなく、線材に付着するスパッタや油分等が除去されるとともに、所定の表面粗さを得えることができる。また、本発明のＩ型オイルリング用線材の表面を所定の表面粗さとすることで、オイルリングの機能として必要とされる油膜の保持力を向上することが期待できる。
また、本発明におけるブラスト処理は、線材に付着する除去しようとする対象物の付着形態によって、メディアや処理圧力等を製品の仕様に合わせて適宜選択できる。

実施例１
上記実施の形態に基づいて、表１の実験例１に示すＩ型オイルリング用線材を連続的に走行させながら、線材のウェブ部に図４に示す貫通孔の幅７、長さ８、ピッチ９がそれぞれ表１に示す寸法の長孔状のオイルホールをレーザ加工により形成し、次いでドロスを無害化する再溶融部の形成をレーザ加工により行った。以下に詳細を説明する。

先ず、本発明で用いるレーザ加工設備は、油塗布工程、予備穿孔工程、仕上げ穿孔工程、再溶融部形成工程およびウェットブラスト装置を線材の走行ラインに沿って直線状に配置した。実験に使用するＩ型オイルリング用線材は、図３に示す幅４、厚さ５、ウェブの厚さ６がそれぞれ表１に示す寸法の線材を準備し、先ず、図３に示すようにＲ面が上を向いた姿勢で走行させながら、線材の貫通孔を形成する面に油を塗布した。

予備穿孔工程では、図３に示すＲ面の上方からウェブに向けて、出力２．０ｋＷのパルスＹＡＧレーザを、凡そウェブ中間点に焦点を結ばせるようにして、スポット径は所定寸法を穿孔するために用いるものより小さいものを用い、所定寸法を穿孔するときより短い時間でレーザを照射するとともに、アシストガスとして圧力０．７ＭＰａの窒素ガスを噴射し、所定寸法の孔よりも小さい貫通孔を形成した。

仕上げ穿孔工程では、図３に示すように、線材の横断面の開口角度が広いＲ面の上方からウェブに向けて、表１に示す出力のパルスＹＡＧレーザを、凡そウェブ中間点に焦点を結ばせるようにして、スポット径を０．４５ｍｍで、２ｍｓ間照射するとともに、アシストガスとして圧力０．７ＭＰａの窒素ガスを噴射し、貫通孔を形成した。
このとき、図５に示すように、溶融貫通孔を形成しただけでは、溶融貫通孔出口側に一部が母材から突出し、オイルリングの使用中に脱落の危険性を伴うドロス１０が付着していることを確認した。また、線材にスパッタの付着がないことも確認した。

次に、貫通孔出口部のドロスが発生した部位を蓋いつくす領域に、表１の出力のパルスＹＡＧレーザを３．０ｍｓ間照射するとともに、アシストガスとして圧力０．０３ＭＰａの窒素ガスを噴射し、ドロスを再溶融凝固させた。その結果を図１９および表２に示す。尚、表２に示す溶融部深さは、溶融貫通孔の側面からの溶融部の幅４方向の深さを測定した。
図６および表２に示すように、再溶融凝固部１１は、貫通孔中心における横断面を見たときに、幅４の方向で溶融貫通孔に形成される溶融部を超えて形成している。実験例１においては、溶融貫通孔出口の外周から幅４の方向で１００μｍ以下、かつ溶融貫通孔の深さ方向、すなわち厚さ５の方向に３０μｍ以下形成されていることを確認した。これにより、図５で示す脱落の可能性があるドロス１０が母材に再溶融・一体化し、ドロスのエンジン内への脱落の危険性がなくなった線材を得ることができた。
このときの厚さ５方向の***部高さは、溶融貫通孔の出口側、つまり再溶融部で最大１５μｍ、溶融貫通孔入射側で０μｍであり、貫通孔の周囲が平滑になったことを確認した。これにより、オイルリングの機能として必要とされるオイルの流動性の確保が期待できる。

次に、表１の実験例２〜４の条件を用いて、Ｉ型オイルリング用線材を図３とは逆向き、つまりレール面が上を向いた姿勢で走行させ、実験例１と同様に、油塗布工程、予備穿孔工程、仕上げ穿孔工程および再溶融部形成工程を経たＩ型オイルリング用線材を作製した。尚、表１、２に示す実験例４における１０Ｃｒ鋼とは、質量％で、Ｃ：０．５％、Ｓｉ：０．２％、Ｍｎ：０．３％、Ｃｒ：１０％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成を有する鋼である。
予備穿孔工程では、図３に示すように、Ｒ面が上を向いた姿勢で線材を走行させ、表１に示す条件でレール面の下方からウェブに向けてレーザを照射し、溶融貫通孔を形成した。

次に、仕上げ穿孔工程では、図３に示すように、Ｉ型オイルリング用線材をＲ面が上を向いた姿勢で走行させ、線材の横断面の開口角度が狭いレール面の下方からウェブに向けて、表１に示す条件でレーザを照射し溶融貫通孔を形成した。具体例として実験例２の結果を図７に示す。
図７に示すように、溶融貫通孔を形成しただけでは、溶融貫通孔出口側に脱落の危険性を伴うドロス１２が付着していることを確認した。また、このとき、線材にスパッタの付着がないことも確認した。

次に、図３に示すＲ面が上を向いた姿勢で走行させ、実施例１と同様の条件を用いて貫通孔出口部に再溶融部を形成した。その結果を、実験例２については図８および表２で、その他は表２にまとめて示す。なお、各測定は実験例１と同様に行った。
図８および表２に示すように、実験例２〜４においても、実験例１と同様にドロス１２が母材に再溶融・一体化し再溶融凝固部１３を形成することで、ドロスのエンジン内への脱落の危険性がなくなった線材が得られたことを確認できた。

実施例２
表１の実験例２の再溶融部形成工程に次いで、前記ウェブ部の再溶融部が形成されている面側にインラインで設置したウェットブラスト装置を用いて、濃度２０％のスラリーを投射ガンと線材間距離２０ｍｍ、エアー圧力０．５ＭＰａの条件でブラスト処理を行った。その結果を図９に示す。
図９に示すように、製品形状を損なうことなく、油分が除去されていることを確認した。このとき、線材の表面粗さは、Ｒｚ１．５μｍであった。これにより、オイルリングの機能として必要とされる油膜の保持力の向上が期待できる。

本発明のＩ型オイルリング用線材の表面形態の一例を示す顕微鏡写真。 溶融貫通孔を形成した後の表面形態の一例を示す顕微鏡写真。 本発明のＩ型オイルリング用線材の横断面の形状の一例を示す模式図。 本発明のＩ型オイルリング用線材の表面形態の一例を示す模式図。 本発明の溶融貫通孔を形成した後の線材の断面マイクロ組織写真。 本発明の再溶融部を形成した後の線材の断面マイクロ組織写真。 本発明の溶融貫通孔を形成した後の線材の断面マイクロ写真。 本発明の再溶融部を形成した後の線材の断面マイクロ組織写真。 再溶融凝固部が形成されている面側にブラスト処理を行った線材の外観を示す顕微鏡写真。

符号の説明

１、１１、１３ 再溶融凝固部
２ 溶融貫通孔
３、１０、１２ ドロス
４ 幅
５ 厚さ
６ ウェブの厚さ
７ 貫通穴の幅
８ 貫通孔の長さ
９ 貫通孔のピッチ

Claims (11)

1. 左右のレール部と該レール部を連結するウェブ部とを有し、該ウェブ部には溶融貫通孔でなるオイルホールを有し、線材の横断面輪郭の外接円径が１０ｍｍ以下であるＩ型オイルリング用線材であって、前記溶融貫通孔の出口側には、溶融貫通孔出口を取り巻く部位に前記Ｉ型オイルリング用線材と凝固残留物とが一体化した再溶融凝固部が形成されており、前記再溶融凝固部は、貫通孔中心に沿う横断面で、前記溶融貫通孔に形成される溶融凝固部を超え、前記溶融貫通孔の外周から２００μｍ以下形成されるとともに、前記溶融貫通孔の深さ方向に１００μｍ以下形成されているＩ型オイルリング用線材。
2. 前記溶融貫通孔の形成方向は、線材の横断面形状の開口角度の狭い方から広い方に向かって形成されている請求項１に記載されたＩ型オイルリング用線材。
3. 前記溶融貫通孔の上下面における***部高さは、３０μｍ以下である請求項１に記載されたＩ型オイルリング用線材。
4. 前記溶融貫通孔の上下面における***部高さは、３０μｍ以下である請求項２に記載されたＩ型オイルリング用線材。
5. 左右のレール部と該レール部を連結するウェブ部とを有し、該ウェブ部には溶融貫通孔であるオイルホールを有し、線材の横断面輪郭の外接円径が１０ｍｍ以下であるＩ型オイルリング用線材の製造方法であって、前記溶融貫通孔をレーザによって穿孔する穿孔工程と、次いで前記溶融貫通孔の出口を取り巻く部位に再溶融部をレーザによって、貫通孔中心に沿う横断面で、前記溶融貫通孔に形成される溶融部を超え、前記溶融貫通孔の外周から２００μｍ以下、前記溶融貫通孔の深さ方向に１００μｍ以下となる、前記Ｉ型オイルリング用線材と凝固残留物とを一体化させた再溶融部を形成する再溶融部形成工程を含むＩ型オイルリング用線材の製造方法。
6. 前記溶融貫通孔の形成方向は、線材の横断面形状の開口角度の狭い方から広い方に向かう方向である請求項５に記載されたＩ型オイルリング用線材の製造方法。
7. 前記溶融貫通孔の上下面における***部高さを３０μｍ以下に形成する請求項５に記載されたＩ型オイルリング用線材の製造方法。
8. 前記溶融貫通孔の上下面における***部高さを３０μｍ以下に形成する請求項６に記載されたＩ型オイルリング用線材の製造方法。
9. 前記穿孔工程の前に、Ｉ型オイルリング用線材の少なくとも貫通孔を形成する面に油を塗布する、油塗布工程を有する請求項５から請求項８までのいずれか１項に記載されたＩ型オイルリング線材の製造方法。
10. 前記穿孔工程は、所定寸法よりも小さい寸法の孔を穿孔する予備穿孔工程と、次いで所定寸法の孔を穿孔する仕上げ穿孔工程からなる請求項５から請求項９までのいずれか１項に記載されたＩ型オイルリング用線材の製造方法。
11. 前記再溶融部形成工程に次いで、前記ウェブ部の再溶融部が形成されている面側にブラスト処理を施すブラスト処理工程を含む請求項５から請求項１０までのいずれか１項に記載されたＩ型オイルリング用線材の製造方法。

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