(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周面に水蒸気処理による表面処理皮膜を有する鋳鉄材製シリンダライナであって、前記表面処理皮膜の表面は、表面粗さＲｚ：０．８〜５．９μｍ、ＤＩＮ４７７６規格に基づく初期摩耗高さＲｐｋ：０．６４μｍ以下、有効負荷粗さＲｋ：０．０５〜１．８μｍ、油溜まり深さＲｖｋ：０．１５〜３．３μｍのプラトー形状であることを特徴とする内周面に水蒸気処理による表面処理皮膜を有するシリンダライナ。
【請求項２】
内周面に水蒸気処理による表面処理皮膜を形成した鋳鉄材製シリンダライナの加工方法であって、ホーニング盤において、粒度４０００以上のダイヤモンド砥粒をメタルボンドした砥石を使用して前記内周面を研削し、前記水蒸気処理による皮膜の表面を、表面粗さＲｚ：０．８〜５．９μｍ、ＤＩＮ４７７６規格に基づく初期摩耗高さＲｐｋ：０．６４μｍ以下、有効負荷粗さＲｋ：０．０５〜１．８μｍ、油溜まり深さＲｖｋ：０．１５〜３．３μｍのプラトー形状に仕上げることを特徴とする内周面に水蒸気処理による表面処理皮膜を有するシリンダライナの加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内周面に水蒸気処理等による表面処理皮膜を形成した内燃機関用シリンダライナ及びその加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のディーゼルエンジン用シリンダライナは、耐摩耗性を向上するため、りん酸塩処理又は窒化処理を施して内周面に表面処理皮膜を形成する。表面処理皮膜を形成したシリンダライナは、ホーニング盤において内周面を仕上げ加工する。従来の仕上げ加工は、粒度３０００以下の炭化珪素砥粒を砥粒率５０％未満でレジノイドボンドした砥石を使用して内周面を研削し、表面処理皮膜の表面を潤滑作用に有効な油溜まりとなるクロスハッチ模様の形状に仕上げる。
【０００３】
近年、ディーゼルエンジンの作動条件は排ガス対策により一段と過酷になり、シリンダライナには耐摩耗性と共に耐腐食性が要求されるようになった。この要求を満足するシリンダライナとして、国際公開公報ＷＯ０１／３３０６５Ａ１は、内周面に水蒸気処理によるの表面処理皮膜を形成したシリンダライナを開示している。
【０００４】
水蒸気処理による表面処理皮膜は、主として四三酸化鉄（Ｆｅ3Ｏ4）であり、耐摩耗性及び耐腐食性に優れるが、非常に脆くて硬いため、水蒸気処理皮膜を形成したシリンダライナ内周面の仕上げ加工は、従来のりん酸塩又は窒化処理皮膜を形成したシリンダライナ内周面の仕上げ加工に比べると非常に難しく、しかも、その困難性は、水蒸気処理皮膜の膜厚と共に増大する。
【０００５】
ホーニング盤において、従来の砥石を使用して水蒸気処理皮膜を形成したシリンダライナ内周面を研削すると、砥石の摩耗が激しい上に、加工時間が長くなる。又、水蒸気処理皮膜を有するシリンダライナ内周面をクロスハッチ模様の表面に仕上げるために、炭化珪素砥粒の硬度を上げ、砥粒径を細かくすると、切り屑の食い込みによる傷がシリンダライナ内周面に発生する。
【０００６】
また、従来の技術は、油溜まりを重視するが、初期なじみ性についての考慮はしていなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、その課題は、内周面に水蒸気処理等による表面処理皮膜を形成した内燃機関用シリンダライナであって、皮膜表面が、潤滑作用に有効な油溜まりを有し、初期なじみ性にも優れ、かつ定常領域における摺動特性に優れた形状のものを提供することである。
【０００８】
また、内燃機関用シリンダライナの内周面に水蒸気処理等を施して形成した表面処理皮膜の表面を、潤滑作用に有効な油溜まりを有し、初期なじみ性にも優れ、かつ仕上げ加工に使用する砥石の寿命を従来よりも長く、加工に要する時間を従来よりも短くすることが可能な形状に加工する方法を提供することも課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明が採用する手段の第一は、内周面に水蒸気処理等による表面処理皮膜を形成したシリンダライナにおいて、その皮膜表面を、表面粗さＲｚ：０８〜５．９μｍ、ＤＩＮ４７７６規格に基づく初期摩耗高さＲｐｋ：０．６４μｍ以下、有効負荷粗さＲｋ：０．０５〜１．８μｍ、油溜まり深さＲｖｋ：０．１５〜３．３μｍのプラトー形状とすることである。
【００１０】
手段の第二は、内周面に表面処理皮膜を形成しシリンダライナの内周面を、ホーニング盤において、粒度４０００以上のダイヤモンド砥粒をメタルボンドした砥石を使用して研削し、表面粗さＲｚ：０８〜５．９μｍ、ＤＩＮ４７７６規格に基づく初期摩耗高さＲｐｋ：０．６４μｍ以下、有効負荷粗さＲｋ：０．０５〜１．８μｍ、油溜まり深さＲｖｋ：０．１５〜３．３μｍのプラトー形状の表面に仕上げることである。
【００１１】
ダイヤモンド砥石は水蒸気処理による高硬度な四三酸化鉄皮膜のピークを楽に削り落として皮膜の表面をプラトー形状にすることができる。ダイヤモンド砥石の砥粒は高密度で細かいから、硬くて脆い四三酸化鉄皮膜を崩壊させずに研削する。したがって、切り屑の食い込みによりシリンダライナ内周面が傷付くおそれはない。また、ダイヤモンド砥石の砥粒はメタルボンドにより結合しているから、細かなダイヤモンド砥粒が研磨により切り屑と共に流れ、新しい研磨目が出ることにより一層良好な研磨状態となる。
【００１２】
図４（ａ）は水蒸気処理を施した研磨前のシリンダライナの粗さ曲線、図４（ｂ）は研磨後の従来加工例シリンダライナの粗さ曲線、図４（ｃ）は研磨後の本発明品シリンダライナの粗さ曲線である。図４（ａ）に示すように、水蒸気処理を施した研磨前のシリンダライナの表面には鋭く表面側に飛び出すピークがある。これと従来加工例の図４（ｂ）を対比すると、鋭く飛び出すピークはなくなり、表面はかなり改善されているが、表面は未だ凹凸の大きい形状である。これに対し、本発明品は、図４（ｃ）に示すように、表面がプラトー形状であり、表面側にピークは殆ど見られない。
【００１３】
ＤＩＮ４７７６規格の初期摩耗高さＲｐｋ、有効負荷粗さＲｋ、油溜まり深さＲｖｋは、主にプラトーホーニング加工面の潤滑性を評価するパラメ−タである。これらの値は、図２に示すように、対象面の特殊粗さ曲線３から負荷曲線４を作図し、ついで、負荷曲線上で相対負荷長さ率ｔｐの方向に４０％の幅をとり、その両端の高さの差が最小になるの２点を通る最小傾斜線５を作図し、次に、最小傾斜線５と相対負荷長さ率ｔｐ０及び１００％限界線との交点ａ、ｂ及びその交点ａ、ｂを通る水平線と負荷曲線４の交点ｃ、ｄを求めて算出する。
【００１４】
特殊粗さ曲線を求める一般的な手順は、始めに、ＤＩＮ又はＪＩＳ規格に基づいて図３（Ａ）の断面曲線６を求め、ついで、その断面曲線６からガウシア位相補償ろ波器等を使用して位相補償ろ波うねり曲線のフィルタ平均線７を求める。次に、図３（Ｂ）に示すように、断面曲線からフィルタ平均線以下の谷を除去して谷除去断面曲線８を作図する。その谷除去断面曲線８をガウシア位相補償ろ波器等に通して図３（Ｃ）の参考フィルタ平均線９求める。最後に、図３（Ｄ）に示すように、断面曲線６から参考フィルタ平均線９を差し引いて図３（Ｅ）の特殊粗さ曲線１０を作図する。
【００１５】
初期摩耗高さＲｐｋは、図２において、ａｃを底辺とし頂点が相対負荷長さ率ｔｐ０％限界線上にある直角三角形の高さであり、その値は、その直角三角形の面積が、相対負荷長さ率ｔｐ０％限界線と辺ａｃと負荷曲線で囲まれる部分の面積と等しくなるように算出する。
【００１６】
油溜まり深さＲｖｋは、図２において、ｂｄを底辺とし頂点が相対負荷長さ率ｔｐ１００％限界線上にある直角三角形の高さであり、その値は、その直角三角形の面積が、相対負荷長さ率ｔｐ１００％限界線と辺ｂｄと負荷曲線で囲まれる部分の面積と等しくなるように算出する。
【００１７】
有効負荷粗さＲｋは、図２のｃ、ｄ間の高さの差であり、対象面が使用できなくなるまでの摩耗高さを表す。
【００１８】
シリンダライナ内周面の表面粗さＲｚ、初期摩耗高さＲｐｋ、有効負荷粗さＲｋ、油溜まり深さＲｖｋは、表Ｉに示すように、表面処理皮膜の厚さにより、目標値及び範囲を調整することが望ましい。
【００１９】
0003821219.tif 000002
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明のシリンダライナ及びその内周面を仕上げる加工方法を図面に示す実施例に基づいて説明する。図１は実施例のシリンダライナの横断面図である。
【００２１】
図に示すように、シリンダライナ１の内周面には水蒸気処理皮膜２が形成されている。シリンダライナ１は鋳鉄材であり、その組成（質量％）は、Ｃ：３．１５、Ｓｉ：２．０、Ｍｎ：０．７５、Ｐ：０．３５、Ｓ：０．０６、Ｃｕ：０．４、Ｍｏ：０．３、Ｂ：０．０９、Ｆｅ：残部である。
【００２２】
内周面に水蒸気処理を施して形成した水蒸気処理皮膜２の厚さは１０〜３０μｍである。シリンダライナ１は、外周面の仕上げ加工後、ホーニング盤において粒度５０００、平均粒径２．５μｍ、粒度分布１．５〜４．０μｍのダイヤモンド砥粒を、結合材ＭＨ５との結合度Ｋでメタルボンドした砥石を使用して内周面の研削加工を行う。その研削加工により、内周面の皮膜表面を、平均粗さＲｚ：０．８〜５．９μｍ、ＤＩＮ４７７６規格に基づく初期摩耗高さＲｐｋ：０６４μｍ以下、有効負荷粗さＲｋ：０．０５〜１．８μｍ、油溜まり深さＲｖｋ：０．１５〜３．３μｍのプラトー形状に仕上げる。
【００２３】
水蒸気処理による酸化鉄皮膜は表面が荒れ、特にピークの突出は顕著であるが、本発明実施例は、初期摩耗高さＲｐｋを０．６４μｍ以下に設定し、皮膜を破壊せずに大きなピークを取り除いて表面をプラトー形状に仕上げ、ピストンリングと摺動しても焼き付きを生じない表面粗さＲｚ０．８〜５．９μｍとするから、初期なじみ時の潤滑油保持性は良好であり、優れた初期なじみ性を有する。
【００２４】
又、本発明実施例は、従来のオイルポケットとなるクロスハッチ模様を表面に形成しないが、皮膜表面の有効負荷粗さＲｋを０．０５〜１．８μｍ、油溜まり深さＲｖｋを０．１５〜３．３μｍに設定し、粗さの谷を油溜まりとしたから、初期なじみ後の定常域接触面の潤滑油保持性は良好であり、焼き付きは防止され、内周面は低フリクションでピストンリングと摺動する。
【００２５】
粒度５０００、結合度Ｋのダイヤモンド砥粒を結合材ＭＨ５でメタルボンドした砥石は、往復速度を上げて少しずつ研削すると、シリンダライナ１の内周面に形成した硬くて脆い水蒸気処理酸化鉄皮膜２を破壊せずに比較的短時間で研削することが可能である。又、この砥石は、従来のもに比べて研削による消耗量が小さいため、寿命が非常に長い。
【００２６】
厚さ１０μｍの水蒸気処理皮膜を形成したシリンダライナの内周面を、ホーニング盤において、従来の粒度３０００以下の炭化珪素砥粒を砥粒率５０％未満でレジノイドボンドした砥石を使用し、従来のオイルポケットとなるクロスハッチ模様の表面に仕上げるときの砥石寿命及び加工時間を指数１とすると、本発明実施例の砥石寿命は１５０、加工時間の指数は０．３１となった。従来例比において、本発明実施例の砥石寿命は１５０倍に延長し、加工時間は６９％も短縮する。
【００２７】
【実施例】
次に、排気量１０５００ｃｃ、エンジン回転数２１００ＲＰＭのディーゼルエンジン実機において実施した本発明実施例、比較例、従来例の各シリンダライナの摩耗試験について説明する。
【００２８】
相手材ピストンリングの母材はマルテンサト系ステンレス鋼、外周面はイオンプレーティング法により形成したＣｒ−Ｎ系合金の硬質皮膜、研磨ペーパで仕上げた表面粗さＲｚは０．８μｍ、硬さは１８００（ｍＨｖ）であった。
【００２９】
実施例、比較例、従来例の各シリンダライナの皮膜厚さ、表面粗さＲｚ、初期摩耗高さＲｐｋ、有効負荷粗さＲｋ、油溜まり深さＲｖｋは表ＩＩに示すとおりであった。
【００３０】
表ＩＩ（単位：μｍ）
区分        皮膜厚さ  Ｒｚ        Ｒｐｋ        Ｒｋ          Ｒｖｋ
実施例１    １０      １．５      ０．０２５    ０．２      １．３
実施例２    ２０      ２．０      ０．２        ０．３      １．３
実施例３    ３０      ３．６      ０．２５      ０．８４     ２．５
実施例４    １０      ０．８      ０．０２      ０．１８     ０．４
実施例５    １０      ０．９      ０．０１      ０．２７     ０．５５
実施例６    １０      １．０      ０．０３      ０．１       ０．７８
実施例７    １０      ０．８２    ０．１３      ０．２７     ０．３
実施例８    ３０      ５．９      ０．４５      １．５       ２．９
実施例９    ３０      ５．０      ０．６４      １．７       ２．４
実施例１０  ３０      ５．８      ０．４８      １．８       ２．６
実施例１１  ３０      ５．０      ０．３２      １．１       ３．３
比較例１    ３０      ６．１      ０．４５      １．５       ３．３
比較例２    ３０      ５．９      ０．６５      １．８       ２．５
比較例３    ３０      ５．９      ０．４５      ２．０       ２．５
比較例４    ３０      ６．０      ０．３５      １．２       ３．５
比較例５    １０      ０．７      ０．０２      ０．１７     ０．４
比較例６    １０      ０．６５    ０．０３      ０．０９     ０．４５
比較例７    １０      ０．６８    ０．０４      ０．２５     ０．２８
従来例      １０      ４．０       ０．７        １．６      ２．７
【００３１】
各シリンダライナ及びピストンリングの摩耗量の測定結果は表ＩＩＩに示すとおりであった。表ＩＩＩのシリンダライナ及びピストンリングの摩耗量は指数表示であり、従来例のシリンダライナ及びピストンリングの摩耗量を指数１としている。
【００３２】
表ＩＩＩ
区分      ピストンリング摩耗量  シリンダライナ摩耗量      焼き付き
実施例１          ０．６１              ０．９              なし
実施例２          ０．６５              ０．９              なし
実施例３          ０．７５              ０．９              なし
実施例４          ０．６５              ０．９              なし
実施例５          ０．７                ０．９              なし
実施例６          ０．８２              ０．９              なし
実施例７          ０．８                ０．９              なし
実施例８          ０．９２              ０．９５            なし
実施例９          ０．９５              ０．９７            なし
実施例１０        ０．９８              ０．９８            なし
実施例１１        ０．９                ０．９５            なし
比較例１          １．０５              １．０５            なし
比較例２          １．０３              １．０３            なし
比較例３          １．０５              １．０５            なし
比較例４          １．０１              １．０３            なし
比較例５          １．１                １．０５            あり
比較例６          １．１２              １．０５            あり
比較例７          １．０５              １．０５            あり
従来例            １．０                １．０              なし
【００３３】
この表ＩＩＩから、実施例１〜１１のシリンダライナは自身の摩耗量も相手のピストンリングの摩耗量も従来例より小さいことが確かめられた。また、この表から、Ｒｚ、Ｒｐｋ、Ｒｋ、Ｒｖｋの中の１つが発明の範囲以上の比較例１〜４のシリンダライナは、自身の摩耗量も相手のピストンリングの摩耗量も従来例より大きくなることがわかった。さらに、Ｒｚが発明の範囲以下の比較例５〜７のシリンダライナは焼き付くこともわかった。
【００３４】
実施例を示していないが、本発明は、内周面に窒化処理による表面処理皮膜を有するシリンダライナにも適用することができる。
【００３５】
【発明の効果】
上記のとおり、従来の内周面に表面処理皮膜を有するシリンダライナは、皮膜表面を潤滑作用に有効な油溜まりとなるクロスハッチ模様の形状に仕上げるため、皮膜が水蒸気処理による硬くて脆い酸化鉄からなるときは、仕上げ加工が著しく困難となる。これに対し、本発明の内周面に表面処理皮膜を有するシリンダライナは、皮膜表面を、表面粗さＲｚ：０．８〜５．３μｍ、ＤＩＮ４７７６規格に基づく初期摩耗高さＲｐｋ：０．６４μｍ以下、有効負荷粗さＲｋ：０．０５〜１．８μｍ、油溜まり深さＲｖｋ：０．１５〜３．３μｍのプラトー形状に仕上げるため、摺動特性に優れ、初期なじみ性が良好であり、ピストンリングへの攻撃性が小さく、皮膜が水蒸気処理による硬くて脆い酸化鉄からなるときでも、仕上げ加工は比較的容易であるという優れた効果を奏する。
【００３６】
従来の表面処理皮膜を有するシリンダライナ内周面の加工方法は、粒度３０００以下の炭化珪素砥粒を砥粒率５０％未満でレジノイドボンドした砥石を使用して研削するため、皮膜が水蒸気処理による硬くて脆い酸化鉄からなるときは、加工に要する時間が長くなるだけでなく、砥石の寿命が短くなる。これに対し、本発明の表面処理皮膜を有するシリンダライナ内周面の加工方法は、粒度４０００以上のダイヤモンド砥粒を高集中度でメタルボンドした砥石を使用して研削するため、皮膜が水蒸気処理による硬くて脆い酸化鉄からなるときでも、加工に要する時間は短く、砥石の寿命は長くなるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例のシリンダライナの要部横断面図、
【図２】本発明実施例のシリンダライナ内周面の特殊粗さ曲線及び負荷曲線を示す図、
【図３】特殊粗さ曲線を求める手順を示す図
【図４】シリンダライナの粗さ曲線を示す図であり、（ａ）は水蒸気処理を施した研磨前のシリンダライナの粗さ曲線、図４（ｂ）は研磨後の従来加工例シリンダライナの粗さ曲線、図４（ｃ）は研磨後の本発明品シリンダライナの粗さ曲線である。
【符号の説明】
１：シリンダライナ
２：表面処理皮膜
３：特殊粗さ曲線
４：負荷曲線
５：最小傾斜直線
６：断面曲線
７：フィルタ平均線
８：谷除去断面曲線
９：参考フィルタ平均線
１０：特殊粗さ曲線
【図１】
0003821219.tif 000003
【図２】
0003821219.tif 000004
【図３】
0003821219.tif 000005
【図４】
0003821219.tif 000006