(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンリングがシリンダライナの内周面を摺動する内燃機関において、前記シリンダライナは鋳鉄からなり少なくとも内周面の一部に水蒸気処理による主としてＦｅ3 Ｏ4 （Ｆｅ2 Ｏ3 、ＦｅＯを含む）からなる酸化鉄皮膜を有し、前記ピストンリングは少なくとも前記シリンダライナとの摺動面に金属窒化物からなる皮膜を有し、前記金属窒化物からなる皮膜はＰＶＤにより形成され、Ｃｒ−Ｎ合金、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ合金、Ｃｒ−Ｂ−Ｖ−Ｎ合金の中の１つであることを特徴とする内燃機関のシリンダライナとピストンリングの組合せ。
【請求項２】
ピストンリングは母材と金属窒化物からなる皮膜との間に窒化層を有することを特徴とする請求項１記載の内燃機関のシリンダライナとピストンリングの組合せ。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関に好適なシリンダライナ及びシリンダライナとピストンリングの組合せに関する。
背景技術
従来の内燃機関のシリンダライナは鋼製又は鋳鉄製であり、鋳鉄製シリンダライナは表面に窒化層を形成したものも形成しないものも使用される。このシリンダライナと組合せるピストンリングは、シリンダライナとの摺動面に硬質Ｃｒめっき層を有するものが一般的であった。この組合せによれば、硬質クロムＣｒめっき皮膜を有するピストンリングは耐摩耗性に優れ、鋳鉄製シリンダライナは鋳鉄に特有の黒鉛およびステダイトによる高摺動性特性が得られるため、優れた耐スカッフィング性および十分な耐摩耗性が確保される。
本願の出願人は、ピストンリングの硬質Ｃｒめっき皮膜をＣｒ−Ｎ合金ＰＶＤ（物理的気相蒸着）皮膜と置換することによって、内燃機関を小型軽量化しかつ高速化すること及びピストンリングの耐相手攻撃性を改善することを、それぞれ特開平７−１８０６０８号及び特開平８−１７８０６８号において、提案した。
ディーゼルエンジンのピストンリングとシリンダライナは、その作動条件が排ガス対策等により、一段と苛酷となるため、耐摩耗性を向上させることが要望されていた。
本発明の課題は、内燃機関、特にディーゼルエンジンにおいて使用されるシリンダライナ及びシリンダライナとピストンリングの組合せであって、耐摩耗性に優れたものを提供することにある。
発明の開示
前記課題を達成するため、本発明が採用する第１の手段は、ピストンリングがシリンダライナの内周面を摺動する内燃機関において、シリンダライナの少なくとも内周面の一部に酸化鉄皮膜を形成したことであり、第２の手段は、ピストンリングの少なくともシリンダライナとの摺動面に耐摩耗性に優れた金属窒化物皮膜を形成したことである。
シリンダライナの形式は乾式又は湿式であり、母材は鋳鉄又は鋼材である。シリンダライナ母材の鋳鉄は、一般的には片状黒鉛鋳鉄であるが、球状黒鉛鋳鉄、ＣＶ鋳鉄、共晶黒鉛鋳鉄、白心可鍛鋳鉄、高Ｃｒ鋳鉄、黒心可鍛鋳鉄のいずれであってもよい。鋼材としてはどのような鋼材でも使用可能であり、機械構造用炭素鋼、例えばＪＩＳ規格Ｓ４３Ｃ、Ｓ４５Ｃ、Ｓ４８Ｃ、Ｓ５０Ｃ、又は高炭素クロム軸受鋼、例えばＪＩＳ規格ＳＵＪ２がよい。熱処理は、シリンダライナ内周面上死点等の部分的チル硬化、部分的表面焼入れ、全体焼入れ、表面焼入れのいずれであってもよい。シリンダライナは、鋼製も鋳鉄製も、酸化鉄皮膜形成前に、または酸化鉄皮膜形成と複合させて窒化処理、ほう化処理、浸硫処理、浸炭処理、イオン注入処理、金属浸透・蒸着処理、溶射処理、表面硬化肉盛り化成処理（酸化皮膜処理、りん酸塩皮膜処理、溶融塩炭化物処理）、樹脂含浸処理のいずれか１つ以上を施すことができる。さらに、酸化皮膜形成前又は後にショットピーニング処理を施すことも可能である。
シリンダライナの少なくとも内周面の一部に形成する酸化鉄皮膜は、０．５〜１００μｍの厚さであり、主としてＦｅ３Ｏ４（Ｆｅ２Ｏ３、ＦｅＯを含む）の化合物層と拡散層、又は化合物層の単層、もしくは拡散層の単層からなる。この酸化鉄皮膜はエアープラズマスプレー溶射、溶融硝酸塩処理、水蒸気処理のいずれかにより形成する。酸化鉄皮膜は表面の凹凸に無数の内径１μｍ程度の空孔を有しており、保油性に富み、給油効果によって耐摩耗性に優れ、シリンダライナの寿命を延長する。又、酸化鉄皮膜は化学的に安定であり、腐蝕摩耗を抑制する。
ピストンリングは鋳鉄又は鋼を母材として形成される。そのピストンリング母材としては、ＦＣＤ５００以上の鋳鉄、マルテンサイトステンレス鋼（Ｃｒ：５〜２０質量％、Ｃ：０．１６〜１．４質量％、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｏ、Ａｌ等）又はＳｉ−Ｃｒ鋼を含む母材を用いる。
ピストンリングの金属窒化物皮膜は、鋼製又は鋳鉄製の母材上に、又は母材上に形成した窒化層の上に形成する。この窒化層は、皮膜が摩耗した後に露出してピストンリングを保護する。
金属窒化物としてはＣｒ−Ｎ合金、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ合金、Ｔｉ−Ｎ合金、Ｃｒ−Ｂ−Ｖ−Ｎ合金のいずれかであることが好ましい。ここで、Ｃｒ−Ｎ合金、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ合金は、結晶構造中にＣ及びＯをそれぞれ１〜１５質量％固溶するものを含む。
ピストンリングのシリンダライナとの摺動面に形成する金属窒化物皮膜はスパッタリンダ、イオンプレーティング法等のＰＶＤ法又はＣＶＤ（化学的気相蒸着）法により形成する。その皮膜は、ピストンリングの耐スカッフィング性及び耐摩耗性を向上させる層であり、その厚さは５〜１２０μｍとする。
ピストンリングに窒化層を設ける場合は、母材の全表面に厚さ５〜１２０μｍの窒化層を形成し、ピストンリング上下面のリング溝とのたたかれ摩耗を防止することが望ましい。
ピストンリングの金属窒化物皮膜に代えて、めっき（Ｃｒめっき、積層Ｃｒめっき、複合めっき）、又は溶射（プラズマ溶射、Ｍｏ＋Ｍｏ２Ｃ＋ＮｉＣｒ、Ｍｏ＋ＮｉＣｒＢＳｉ、Ｍｏ＋Ｍｏ２Ｃ＋ＮｉＣｒＢＳｉ、ＣｒＣ／ＮｉＣｒ等）、もしくはドライプロセスによる炭素系皮膜（ダイヤモンドライクカーボン、メタルダイヤモンドカーボン）により形成することも可能であり、この場合も同様な効果が得られる。
本発明のシリンダライナは、少なくとも内周面の一部に水蒸気処理による酸化鉄皮膜を有することにより、ピストンリング（第１圧力リング）は、シリンダライナとの摺動面にＣｒ−Ｎ合金、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ合金（結晶構造中にＯ：１〜１５質量％、Ｃ：質量１〜１５％固溶）、Ｔｉ−Ｎ合金、Ｃｒ−Ｂ−Ｖ−Ｎ合金のいずれかのＰＶＤ皮膜を有することにより、苛酷な運転条件のディーゼルエンジンにおいても、耐摩耗性に優れ、長期間の使用に耐えるという効果を奏する。
発明を実施するための最良の形態
このように、本発明の主としてＦｅ３Ｏ４（Ｆｅ２Ｏ３、ＦｅＯを含む）酸化鉄皮膜からなるシリンダライナの内周面は、極めて優れた耐摩耗性と長寿命を有し、Ｃｒ−Ｂ−Ｖ−Ｎ合金、Ｃｒ−Ｎ合金、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ合金，Ｔｉ−Ｎ合金等の金属窒化物皮膜からなるピストンリング摺動面は十分な耐摩耗性と耐スカッフ性を有するから、苛酷な運転条件のディーゼルエンジンにおいても、ピストンリングとシリンダライナの摩耗を大幅に低減することができる。
鋼製シリンダライナは硬さがＨｖ１９０以上の鋼材よりなり、全体焼入れ、表面焼入れ、浸硫処理、浸炭焼入れ等の処理が選択的に施される。鋼材としては、引張強度や耐衝撃性等の機械的強さが十分な調質したＳＵＪ２材、Ｓ４５Ｃ材等を用いることができる。
以下、本発明の実施例と従来の比較例のシリンダライナとピストンリング（第１圧力リング）について実施したテストを説明する。
実施例１〜３、比較例１〜４のシリンダライナの母材は同一鋳鉄であり、その材質は次のとおりである。
［化学成分］（質量％）
ＴＣ：２．８０〜３．５０
Ｓｉ：１．５０〜２．５０
Ｍｎ：０．５０〜１．００
Ｐ  ：０．２０〜０．５０
Ｓ  ：＜０．１３
Ｃｕ：０．２０〜０．６０
Ｍｏ：０．１０〜０．５０
Ｂ  ：０．０７〜０．１１
［組織］
黒鉛：片状
基地：パーライト、特殊ステダイト
［物性］
硬さ：９５〜１０５（ＨＲＢ）
実施例１〜３、比較例１〜４の第１圧力リングの母材はすべて同じ１７Ｃｒステンレス鋼である。
実施例１〜３、比較例１〜４のシリンダライナの内周面及び第１圧力リングの摺動面は次のとおりである。
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ここで、シリンダライナの酸化鉄皮膜は、５７０℃×２ｈの水蒸気処理によるものであり、その厚さは約１０μｍ、硬さはＨｖ５００以上である。シリンダライナの窒化層は、５００℃×５ｈの窒化処理によるものであり、厚さは拡散層と化合物層合わせて約５０μｍ、硬さはＨｖ８８０である。
ピストンリングのＣｒ−Ｎ合金ＰＶＤ皮膜は、ＣｒＮ（主として｛２００｝）からなるＣｒ−Ｎ合金であり、厚さは約３０μｍ、硬さはＨｖ１０００である。
ピストンリングのＣｒ−Ｂ−Ｎ合金ＰＶＤ皮膜は、Ｂを１〜２質量％含むＣｒＮ（主として｛１１１｝）からなるＣｒ−Ｂ−Ｎ合金であり、厚さは約３０μｍ、硬さはＨｖ２０００である。
ピストンリングのＣｒ−Ｖ−Ｂ−Ｎ合金ＰＶＤ皮膜は、Ｖを０．１〜３０質量％、Ｂを０．０５〜２０質量％含むＣｒＮ（主として｛２００｝）からなるＣｒ−Ｂ−Ｖ−Ｎ合金であり、厚さは約３０μｍ、硬さはＨｖ２０００である。
ピストンリングのＣｒめっきは厚さが約１００μｍ、硬さはＨｖ９００である。
これらの実施例１〜３、比較例１〜４のシリンダライナ及び第１圧力リングをディーゼルエンジン実機に装着し、その実機を一定時間運転した。
この実機の運転条件は次のとおりであった。
使用機関：ディーゼルエンジン
総排気量：１１Ｌ
エンジン回転速度：３５Ｓ−１（２１００ｒｐｍ）
潤滑油：１０Ｗ−３０
負荷：全負荷
運転時間：１００ｈ
運転終了後、実施例１〜３、比較例１〜４のシリンダライナ及び第１圧力リングの摩耗量を測定した。図１はその測定結果のグラフである。
このグラフから、シリンダライナの摩耗量は、酸化鉄皮膜を有する実施例１、２、３が極めて少なく、皮膜のない比較例１、３が比較的多く、窒化層を有する比較例２、４が極めて多いことがわかる。実施例１と比較例３、４のシリンダライナと摺動する第１圧力リングは同じＣｒ−Ｎ合金ＰＶＤ皮膜層を有するから、実施例１、２、３のシリンダライナの摩耗量が極小となる原因は主として酸化鉄皮膜によるものと考えられる。
又、第１圧力リングの摩耗量は、ＰＶＤ皮膜層を有する実施例１、２、３が最も少なく、その次に、Ｃｒめっき皮膜を有する比較例２とＣｒ−Ｎ合金ＰＶＤ皮膜を有する比較例４が少ないが、同じＣｒ−Ｎ合金ＰＶＤ皮膜を有する比較例３は比較的多く、Ｃｒめっき皮膜を有する比較例１が極めて多い。これは、第１圧力リングの摩耗量が、組み合せ相手のシリンダライナの内周面との相乗効果によることを示すといえる。その組合せは、実施例１、２、３の酸化鉄皮膜を有するシリンダライナとＣｒ−Ｎ合金、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ合金、Ｃｒ−Ｂ−Ｖ−Ｎ合金ＰＶＤ皮膜を有する第１圧力リングの組合せが最適である。
【図面の簡単な説明】
図１  エンジン実機試験における本発明実施例と従来比較例のシリンダライナと第１圧力リングの摩耗を示すグラフ
【図１】
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