ГИЛЬЗА ЦИЛИНДРА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
CYLINDER LINER AND METHOD FOR ITS MANUFACTURE

Область техники
[0001] Настоящее изобретение относится к гильзе цилиндра, имеющей азотированный слой на внутренней периферии, и к способу ее изготовления. Испрашивается приоритет по заявке на патент Японии № 2018-222727, поданной 28 ноября 2018 г., содержание которой включено в настоящее описание по ссылке.
Предпосылки изобретения
[0002] Известен блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания, конструкция, внутрь которой вставлена выполненная из чугуна гильза цилиндра. Как правило, внутреннюю периферию гильзы цилиндра подвергают различным видам обработки поверхности для улучшения характеристик изначальной прилегаемости и повышения стойкости к истиранию и стойкости к заклиниванию, и контролируют такие свойства внутренней периферии, как шероховатость поверхности или т.п.
[0003] В патентном документе 1 раскрывается способ внутренней чистовой обработки гильзы цилиндра, характеризующийся тем, что после чистовой обработки обрабатываемой внутренней поверхности выполненной из чугуна гильзы цилиндра до шероховатости поверхности 2-6 мкм с имеющимися везде масляными карманами хонингованием, применяют мягкое азотирование для образования слоя химических соединений на всей поверхности за исключением масляных карманов, а затем слой химических соединений вновь хонингуют и доводят поверхность так, чтобы ее шероховатость была 2 мкм или менее, и таким образом улучшают сопротивление задирам и стойкость к истиранию гильзы цилиндра. При этом средняя толщина слоя химических соединений составляет 4-5 мкм. Кроме того, шероховатость поверхности основана на средней по десяти точкам шероховатости Rz согласно японскому промышленному стандарту JIS B0601:1982.
3Z
3Z
3Z
[0004] В патентном документе 2 раскрывается гильза цилиндра, характеризующаяся тем, что в закрепленной на внутренней стенке цилиндра гильзе цилиндра, по внутренней периферии которой скользит поршень, шероховатость внутренней периферии составляет 0,4-0,8 мкм R, а доля открытого графита на внутренней периферии составляет 80% или более, и гильза цилиндра может одновременно удовлетворять требованиям низкого расхода масла и высокой стойкости к задирам. Кроме того, R указывает на количество замеров поверхности. В средней шероховатости поверхности Rz, определенной стандартом DIN 4768, среднее значение расстояний между участками максимального пика и самой глубокой впадины получают по пяти сечениям измерения, тогда как R является так называемой функциональной шероховатостью поверхности и определяется как среднее в двух местах, которые являются верхней концевой частью и нижней концевой частью. Шлифовальный круг для чистового хонингования, применяемый для хонингования при изготовлении гильзы цилиндра, является волокнистым упругим шлифовальным кругом для чистовой обработки хонингованием, и шероховатость такого шлифовального круга для хонингования равна таковой у GC3000L или смеси GC3000L и ALS2000. Можно выполнять чистовое суперхонингование с долей открытого графита внутренней периферии 80% или более, что препятствует возникновению пластической деформации поверхности при обработке с использованием такого шлифовального круга для хонингования.
Список цитируемых документов
Патентная литература
[0005] Патентный документ 1: японская патентная публикация № S60-044112 (B)
Патентный документ 2: японская не прошедшая экспертизу заявка на патент, первая публикация № 2000-283291 (A)
Сущность изобретения
Техническая проблема
[0006] В двигателе внутреннего сгорания требуется дальнейшее улучшение эксплуатационных характеристик для соответствия экологическим нормам и, в дополнение к уменьшению расхода масла и снижению трения (потерь на механическое трение), желательно предложить гильзу цилиндра, не подверженную задирам (царапинам, вызванным работой без масла). В этой отрасли техники известна гильза цилиндра (также именуемая гильзой с азотированной внутренней периферией), предназначенная для формирования азотированного слоя на по меньшей мере внутренней периферии и улучшения стойкости к истиранию и стойкости к задирам. Для внутренней периферии гильзы с азотированной внутренней периферией, с точки зрения обеспечения хороших условий смазывания поверхности скольжения, чистовым хонингованием формируют участок перекрестной штриховки. Однако в результате возникает проблема, заключающаяся в том, что мельчайшие углубления (также именуемые ямками), в которых размер сечения отверстия во внешней поверхности внутренней периферии соответствует диаметру примерно 10-100 мкм, а глубина больше дна впадины шероховатости поверхности и составляет примерно 1,5 мкм или более, возникают нерегулярно.
[0007] Поскольку ямки, образовавшиеся во внутренней периферии гильзы с азотированной внутренней периферией, становятся масляными резервуарами, то при нерегулярном возникновении ямок и большом числе образовавшихся ямок нельзя добиться желаемых характеристик расхода масла. Поэтому важно управлять свойствами до и после азотирования внутренней периферии гильзы с азотированной внутренней периферией.
[0008] Учитывая эти обстоятельства, настоящее изобретение направлено на создание гильзы цилиндра, имеющей на внутренней периферии азотированный слой со структурой, способной снизить расход масла и уменьшить риск возникновения задиров, и способа ее изготовления.
Решение проблемы
[0009] (1) Гильза цилиндра согласно одному аспекту настоящего изобретения является гильзой цилиндра, установленной в блоке цилиндров и выполненной из чугуна с хлопьевидным графитом, на внутренней периферии гильзы цилиндра имеется по меньшей мере азотированный слой, и на внутренней периферии выполнен участок перекрестной штриховки, кривая шероховатости внутренней периферии имеет плосковершинную форму, средняя по десяти точкам шероховатость Rz внутренней периферии согласно стандарту JIS B0601:1982 составляет 4,0 мкм или менее, и среднее значение доли площади ямок, образовавшихся на внутренней периферии, составляет 8% или менее.
[0010] (2) Гильза цилиндра по данному аспекту настоящего изобретения может иметь структуру металла, в которой хлопьевидный свободный графит диспергирован и кристаллизован в матрице чугуна, некоторая часть свободного графита, присутствующего во внешней поверхностной части внутренней периферии гильзы цилиндра, может быть диспергирована так, что часть этой некоторой части свободного графита достигает внутренней периферии как обнаженная часть, а остальной свободный графит, присутствующий в поверхностной части внутренней периферии, может доходить до окрестности внутренней периферии и диспергирован так, что часть, достигающая внутренней периферии от конца удлиненной части остального свободного графита, является покрывающим участком, закрытым материалом, составляющим матрицу чугуна.
[0011] (3) В структуре металла внешней поверхностной части внутренней периферии гильзы цилиндра согласно данному аспекту настоящего изобретения число хлопьев графита, в которых свободный графит обнажен на внутренней периферии, может именоваться числом хлопьев открытого графита, а число хлопьев графита, в которых свободный графит не обнажен на внутренней периферии, может именоваться числом хлопьев закрытого графита, число хлопьев открытого графита и число хлопьев закрытого графита могут быть подсчитаны, и среднее значение доли открытого графита, выраженной как число хлопьев открытого графита/(число хлопьев открытого графита + число хлопьев закрытого графита), может составлять 50% или менее.
[0012] (4) Канавка участка перекрестной штриховки на внутренней периферии гильзы цилиндра согласно данному аспекту настоящего изобретения может проходить под углом раскрытия от 3° до 60° в направлении, перпендикулярном осевому направлению гильзы цилиндра.
[0013] (5) В способе изготовления гильзы цилиндра согласно другому аспекту настоящего изобретения, в котором отливают гильзу цилиндра, имеющую цилиндрическую форму и выполненную из чугуна с хлопьевидным графитом, процесс формирования внутренней периферии гильзы цилиндра включает осуществление первого процесса хонингования с выполнением внутреннего диаметра внутренней периферии близким к диаметру для чистовой обработки после резания, второго процесса хонингования с использованием метода двухступенчатого расширения шлифовального круга с первым расширяющимся шлифовальным кругом и вторым расширяющимся шлифовальным кругом, шероховатость поверхности внутренней периферии доводят до средней по десяти точкам шероховатости Rz 1,6 мкм или менее и максимальной высоты Rmax 2,6 мкм или менее, и кривой шероховатости придают плосковершинную форму, осуществление процесса азотирования, и после процесса чистового хонингования получают гильзу цилиндра, в которой кривая шероховатости внутренней периферии имеет плосковершинную форму, средняя по десяти точкам шероховатость Rz внутренней периферии согласно стандарту JIS B0601:1982 составляет 4,0 мкм или менее, а среднее значение доли площади ямок, образовавшихся на внутренней периферии, составляет 8% или менее.
(6) В способе изготовления гильзы цилиндра согласно данному аспекту настоящего изобретения гильза цилиндра перед азотированием может иметь структуру металла, в которой свободный графит диспергирован и кристаллизован в матрице чугуна, некоторая часть свободного графита, присутствующего в поверхностной части внутренней периферии гильзы цилиндра, может быть диспергирована так, что часть этой некоторой части свободного графита достигает внутренней периферии как обнаженная часть, остальной свободный графит, присутствующий в поверхностной части внутренней периферии, может доходить до окрестности внутренней периферии и быть диспергирован так, что часть, достигающая внутренней периферии от конца удлиненной части остального свободного графита, может быть покрывающим участком, закрытым материалом, составляющим матрицу чугуна, и в структуре металла поверхностной части внутренней периферии число хлопьев графита, в которых свободный графит обнажен на внутренней периферии, может именоваться числом хлопьев открытого графита, число хлопьев графита, в которых свободный графит не обнажен на внутренней периферии, может именоваться числом хлопьев закрытого графита, число хлопьев открытого графита и число хлопьев закрытого графита могут быть подсчитаны, и среднее значение доли открытого графита, выраженной как число хлопьев открытого графита/(число хлопьев открытого графита + число хлопьев закрытого графита), может составлять 50% или менее.
(7) В способе изготовления гильзы цилиндра согласно данному аспекту настоящего изобретения может быть получена гильза цилиндра, в которой поверхностная часть внутренней периферии находится в пределах диапазона глубины 20 мкм от поверхности внутренней периферии.
Выгодные эффекты изобретения
[0014] Настоящее изобретение позволяет создать гильзу цилиндра, имеющую на внутренней периферии азотированный слой со структурой, способной снизить риск возникновения задиров, в дополнение к снижению расхода масла и трения, и способ ее изготовления.
Краткое описание чертежей
[0015] Фиг. 1 – вид в продольном разрезе, показывающий гильзу цилиндра по варианту настоящего изобретения, прикрепленную к блоку цилиндров.
Фиг. 2 - схематический вид, показывающий пример структуры металла в сечении внутренней периферии в гильзе цилиндра по данному варианту.
Фиг. 3А – вид, показывающий структуру металла и слой химических соединений (белый слой на поверхности) на полученной в металлургическом микроскопе фотографии (с 400-кратным увеличением) сечения внутренней периферии в гильзе цилиндра после чистового хонингования, в частности, показывающий состояние, в котором свободный графит не обнажен на поверхностной части внутренней периферии.
Фиг. 3B - вид, показывающий структуру металла и слой химических соединений (белый слой на поверхности) на полученной в металлургическом микроскопе фотографии (с 400-кратным увеличением) сечения внутренней периферии в гильзе цилиндра после чистового хонингования, в частности, показывающий состояние, в котором большое количество свободного графита обнажено на поверхностной части внутренней периферии и появились ямки.
Фиг. 4А - вид, показывающий пример из Примера 2 полученного в растровом электронном микроскопе (РЭМ) изображения (с 500-кратным увеличением) после чистового хонингования, на котором одновременно сфотографированы внутренняя периферия и сечение гильзы цилиндра.
Фиг. 4B - вид, показывающий пример из Сравнительного примера 1 РЭМ-изображения (с 500-кратным увеличением) после чистового хонингования, на котором одновременно сфотографированы внутренняя периферия и сечение гильзы цилиндра.
Фиг. 5A – полученная в лазерном микроскопе фотография (с 1000-кратным увеличением) внутренней периферии гильзы цилиндра и вид, показывающий состояние до обработки изображения для измерения доли площади ямок.
Фиг. 5B - полученная в лазерном микроскопе фотография (с 1000-кратным увеличением) внутренней периферии гильзы цилиндра и вид, показывающий состояние до обработки изображения для измерения доли площади ямок.
Фиг. 5C - полученная в лазерном микроскопе фотография (с 1000-кратным увеличением) внутренней периферии гильзы цилиндра и вид, показывающий состояние до обработки изображения для измерения доли площади ямок.
Фиг. 6 – блок-схема, показывающая общую последовательность операций процесса обработки, относящегося к гильзе цилиндра по варианту настоящего изобретения.
Фиг. 7A – график, показывающий шероховатость поверхности до азотирования (после второго хонингования) внутренней периферии гильзы цилиндра в Примере 2.
Фиг. 7B - график, показывающий шероховатость поверхности после азотирования внутренней периферии гильзы цилиндра в Примере 2.
Фиг. 7C - график, показывающий шероховатость поверхности после чистового хонингования внутренней периферии гильзы цилиндра в Примере 2.
Фиг. 7D – вид, показывающий РЭМ-изображение после азотирования внутренней периферии гильзы цилиндра в Примере 2.
Фиг. 7E - вид, показывающий РЭМ-изображение после чистового хонингования внутренней периферии гильзы цилиндра в Примере 2.
Фиг. 8A - график, показывающий шероховатость поверхности до азотирования (после первого хонингования) внутренней периферии гильзы цилиндра в Сравнительном примере 1.
Фиг. 8B - график, показывающий шероховатость поверхности после азотирования внутренней периферии гильзы цилиндра в Сравнительном примере 1.
Фиг. 8C - график, показывающий шероховатость поверхности после чистового хонингования внутренней периферии гильзы цилиндра в Сравнительном примере 1.
Фиг. 8D - вид, показывающий РЭМ-изображение после азотирования внутренней периферии гильзы цилиндра в Сравнительном примере 1.
Фиг. 8E - вид, показывающий РЭМ-изображение после чистового хонингования внутренней периферии гильзы цилиндра в Сравнительном примере 1.
Фиг. 9A - график, показывающий шероховатость поверхности до азотирования (после второго хонингования, однако, обработка только вторым расширяющимся шлифовальным кругом) на внутренней периферии гильзы цилиндра в Сравнительном примере 2.
Фиг. 9B - график, показывающий шероховатость поверхности после азотирования внутренней периферии гильзы цилиндра в Сравнительном примере 2.
Фиг. 9C - график, показывающий шероховатость поверхности после чистового хонингования внутренней периферии гильзы цилиндра в Сравнительном примере 2.
Фиг. 9D - вид, показывающий РЭМ-изображение после азотирования внутренней периферии гильзы цилиндра в Сравнительном примере 2.
Фиг. 9E - график, показывающий РЭМ-изображение после чистового хонингования внутренней периферии гильзы цилиндра в Сравнительном примере 2.
Описание вариантов осуществления
[0016] Далее будут подробно описаны варианты осуществления настоящего изображения. На фиг. 1 показана в частичном разрезе конструкция блока 2 цилиндров, содержащего гильзу 1 цилиндра по варианту осуществления настоящего изобретения. Блок 2 цилиндров выполнен из чугуна или легкого сплава, такого как алюминиевый сплав или т.п., а гильза 1 цилиндра выполнена из чугуна с хлопьевидным графитом. Гильза 1 цилиндра имеет по меньшей мере внутреннюю периферию 1a, на которой методом газового азотирования сформирован азотированный слой, и дополнительным хонингованием выполнен участок 1c перекрестной штриховки, образованный участками 1b канавок, и находится в зацеплении с посадочными участками 2a и 2b, выполненными на блоке 2 цилиндров. Между посадочными участками 2a и 2b блока 2 цилиндров во внешней периферии гильзы 1 цилиндра сформирован канал для охлаждающей жидкости.
[0017] Чугун с хлопьевидным графитом, который образует гильзу 1 цилиндра, имеет структуру металла, в котором хлопьевидный свободный графит 5 диспергирован в виде множества хлопьев и кристаллизован в матрице 3 чугуна, образованной из сплава на основе железа, в сечении, перпендикулярном направлению скольжения поршневого кольца относительно внутренней периферии 1a гильзы 1 цилиндра, как показано на фиг. 2, и на внутренней периферии с помощью азотирования сформирован слой 7 химических соединений. На фиг. 2, среди свободного графита 5, присутствующего в поверхностной части до глубины примерно 20 мкм от внутренней периферии 1a, некоторая часть свободного графита 5 диспергирована так, что часть 5a этой некоторой части свободного графита 5 проходит, достигая внутренней периферии 1a, и обнажена на внутренней периферии 1a. Часть этой части 5a свободного графита 5, обнаженной на внутренней периферии 1a, является обнаженной частью 5d.
[0018] Дополнительно, хотя остальной свободный графит 5, присутствующий в поверхностной части до глубины примерно 20 мкм, имеет часть 5b, проходящую к внутренней периферии 1a, свободный графит 5 диспергирован с небольшим расстоянием (расстоянием примерно 10 мкм или менее) между внутренней периферией 1a и частью 5b, без достижения ближайшей к внутренней периферии 1a частью 5b внутренней периферии 1a. То есть, хотя остальной свободный графит 5, присутствующий в поверхностной части, имеет часть 5b, проходящую до окрестности внутренней периферии 1a, имеется покрывающий участок 3a, образованный из материала, составляющего матрицу 3 чугуна. На фиг. 3A и 3B показаны структура металла и слой 7 химических соединений (белый слой на поверхности), снятые металлургическим микроскопом с 400-кратным увеличением после чистового хонингования внутренней периферии в поперечном сечении гильзы цилиндра. На фиг. 3A часть свободного графита, достигающая внутренней периферии, покрыта материалом, составляющим матрицу чугуна, и свободный графит не обнажен на поверхностной части внутренней периферии. На фиг. 3B большое количество свободного графита обнажено на поверхностной части внутренней периферии. Дополнительно, созданы ямки 6. Толщина слоя 7 химических соединений (белый слой) составляет 8-10 мкм на фиг. 3A и 6-8 мкм на фиг. 3B.
[0019] Внутренняя периферия 1a гильзы 1 цилиндра является поверхностью, по которой выполняют возвратно-поступательные движения поршневое кольцо (не показано) и поршень (не показан). Соответственно, после газового азотирования слабый пористый слой, имеющийся на поверхностной части и образовавшийся за счет азотирования, удаляют и выполняют чистовое хонингование для формирования соответствующей поверхности в качестве поверхности скольжения. Кривая шероховатости имеет плосковершинную форму со сглаженными вершинами, и средняя по десяти точкам шероховатость Rz согласно стандарту JIS B0601:1982 предпочтительно составляет 4,0 мкм или менее. Средняя по десяти точкам шероховатость Rz предпочтительно составляет 1,5 мкм или более и 4,0 мкм или менее.
[0020] Как показано на фиг. 1, участок 1c перекрестной штриховки, образованный парой участков 1b канавок, которые образуют угол примерно 30° (именуемый углом перекрестной штриховки), раскрывающийся в направлении, перпендикулярном осевому направлению гильзы 1 цилиндра, выполнен на внутренней периферии 1a гильзы 1 цилиндра чистовым хонингованием. Кроме того, угол перекрестной штриховки не ограничен 30°, и можно выбрать произвольный угол в диапазоне от примерно 3° до 60°.
[0021] В сечении внутренней периферии, которая в результате чистового хонингования приобретает соответствующие свойства поверхности в качестве поверхности скольжения, имеется заданный азотированный слой. Предпочтительно, чтобы этот азотированный слой был образован из азотированного слоя химических соединений (слоя 7 химических соединений) и слоя диффузии азота в таком порядке со стороны внешней поверхности внутренней периферии 1a гильзы цилиндра, и был той областью структуры металла, в которой твердость в сечении имеет величину микротвердости по Виккерсу 350 HV, равную 0,05 или более, толщина слоя 7 химических соединений составляет 3 мкм или более от внутренней периферии, а толщина слоя диффузии азота составляет 40 мкм или более от внутренней периферии. Здесь микротвердость по Виккерсу приведена согласно стандарту JIS Z 2244:2009. Величина 0,05 указывает на силу прижатия (кгс) прямоугольного пирамидального индентора, прикрепленного к образцу. Толщина слоя 7 химических соединений предпочтительно составляет 15 мкм или менее от внутренней периферии. При превышении этой величины площадь отверстий ямок 6 увеличивается, как и их глубина. Толщина слоя 7 химических соединений предпочтительнее составляет от 3 мкм или более до 12 мкм или менее от внутренней периферии.
<Измерение слоя химических соединений>
[0022] В слое 7 химических соединений, после того как фрагменты гильзы цилиндра залиты в смоле и выполнена зеркальная чистовая обработка шлифованием, материал, погруженный в реактив для травления Nital etching 2%, наблюдают с помощью металлургического микроскопа (с 400-кратным увеличением). Слой 7 химических соединений может быть подтвержден в виде белого слоя, как показано на фиг. 3A и 3B. Кроме того, слой 7 химических соединений предпочтительно имеет микротвердость по Виккерсу 700 HV 0,05 или более согласно стандарту JIS Z 2244:2009. Граница между слоем 7 химических соединений и слоем диффузии азота может быть подтверждена по твердости, и в качестве этой твердости может использоваться микротвердость по Виккерсу. На границе между слоем 7 химических соединений и слоем диффузии азота микротвердость по Виккерсу согласно стандарту JIS Z 2244:2009 указывает, что слой 7 химических соединений имеет примерно 900 HmV, а слой диффузии азота - примерно 350 HmV. Соответственно, граница между слоем 7 химических соединений и слоем диффузии азота может быть подтверждена по разнице в твердости слоя 7 химических соединений и слоя диффузии азота. Толщина слоя 7 химических соединений находится в диапазоне от минимального значения до максимального значения в 4 произвольных местах, полученных подготовкой фрагментов из 4 произвольных мест каждой из внутренних периферий 1a гильз цилиндра и измерением диапазона толщины слоя 7 химических соединений с использованием металлургического микроскопа. Далее произвольные 4 места внутренней периферии гильзы цилиндра – это всего 4 места, из них 2 места, обращенных в радиальном направлении центрального положения, и 2 места, обращенных в радиальном направлении произвольных положений в 20-50 мм от торцевой поверхности гильзы цилиндра в осевом направлении гильзы цилиндра. Однако предполагается, что два радиальных направления находятся в ортогональном взаимном расположении. Толщина слоя диффузии азота может находиться в диапазоне достижения твердости (примерно 300 HmV) основного материала матрицы 3 чугуна на стороне матрицы 3 чугуна от границы между слоем 7 химических соединений и слоем диффузии азота во фрагментах, использующихся при измерении толщины слоя 7 химических соединений.
[0023] На фиг. 4A и 4B показаны РЭМ-изображения с 500-кратным увеличением, полученные одновременным фотографированием внутренней периферии 1a и структуры металла сечения. На фиг. 4A обнажение свободного графита на внутренней периферии невелико, а на фиг. 4B можно наблюдать значительное обнажение свободного графита на внутренней периферии и можно подтвердить наличие ямок 6.
[0024] Далее будет описан механизм образования ямок 6 на внутренней периферии 1a гильзы с азотированной внутренней периферией.
[0025] Когда на поверхности азотированного слоя формируют участок перекрестной штриховки путем выполнения чистового хонингования на внутренней периферии после азотирования гильзы цилиндра, поскольку основа внутренней периферии гильзы цилиндра приподнята в результате азотирования вокруг обнаженной на внутренней периферии части свободного графита, которая не является нитридом, и основа образует слой 7 химических соединений, являющийся твердым и хрупким, сила расширения шлифовального круга при чистовом хонинговании концентрируется на этой приподнятой основе. В результате часть основы, состоящая из слоя 7 химических соединений, теряется или одновременно выпадает графит, и образуются ямки 6. Соответственно, глубина ямок 6 считается равной или меньшей, чем толщина слоя 7 химических соединений. Размер открытой части ямки 6 на внутренней периферии 1a гильзы цилиндра соответствует диаметру примерно 10-100 мкм, как показано на фиг. 5A, 5B и 5C.
[0026] При образовании ямок 6, как показано на фиг. 5A, 5B и 5C, когда площадь отверстий ямок 6 на внутренней периферии 1a гильзы цилиндра увеличивается, количество попадающей и сохраняющейся в ямках 6 смазки двигателя увеличивается, а расход масла ухудшается, поскольку количество масла, испаряющегося из смазки двигателя, увеличивается. Дополнительно, считается, что поршневое кольцо испытывает увеличение трения при скольжении по кромке ямок 6 на внутренней периферии. Более того, кромка ямки 6 на внутренней периферии теряется, что также является фактором риска появления задиров. По этой причине доля площади ямок 6 предпочтительно составляет 8% или менее, предпочтительнее, 6% или менее. Хотя предпочтительно, чтобы доля площади ямок 6 была меньше, слишком малая доля площади ямок 6 вызывает повышение риска заклинивания. По этой причине доля площади ямок 6 предпочтительно составляет 1% или более.
<Измерение доли площади ямок>
[0027] В произвольных 4 местах внутренних периферий 1a гильзы цилиндра лазерный микроскоп снимает изображения 5 полей зрения в ряд на одном месте с 1000-кратным увеличением внутренней периферии, и среднее по этим 5 полям зрения значение доли площади ямок 6, полученное с помощью бинарной обработки и анализа изображений 5 полей зрения, именуется долей площади ямок 6 одного места. Далее, среднее значение доли площади ямок 6, то есть среднее значение по каждому из 4 мест, именуется долей площади ямок 6 в каждой из гильз цилиндра. При измерении доли площади ямок 6 использовался лазерный микроскоп модели № VK-9710, выпускаемый компанией Keyence Corporation. Доля площади ямок 6 на фиг. 5A равна 4,0%. Доля площади ямок 6 на фиг. 5B равна 6,5%. Доля площади ямок 6 на фиг. 5С равна 12,0%.
[0028] При рассмотрении механизма образования ямок 6 на внутренней периферии 1a гильзы цилиндра было определено, что обнажение свободного графита на внутренней периферии предпочтительно мало, и в структуре металла сечения участка внутренней периферии перед азотированием, когда возникает пластическая деформация матрицы чугуна в диапазоне толщин, в котором сформирован слой 7 химических соединений участка внутренней периферии, обнажение свободного графита на внутренней периферии можно минимизировать. То есть, из фиг. 4A и 4B, фиг. 4A показывает состояние предпочтительной внутренней периферии. В этом отношении определяют, является ли свободный графит, присутствующий в диапазоне глубин примерно 20 мкм от внутренней периферии в диапазоне длин заданной внутренней периферии, обнаженным на внутренней периферии графитом 5d (открытым графитом) или не обнаженным на внутренней периферии графитом (закрытым графитом), включая графит 5b, закрытый матрицей чугуна, и получают долю (%) открытого графита, указывающую на долю числа хлопьев открытого графита относительно суммы числа хлопьев открытого графита и числа хлопьев закрытого графита. Доля открытого графита предпочтительно составляет 50% или менее, предпочтительнее 35% или менее. Когда доля открытого графита превышает 50%, доля площади ямок 6 увеличивается, что не является предпочтительным. Хотя предпочтительной является более низкая доля открытого графита, слишком низкая доля открытого графита повышает риск заклинивания. По этой причине доля открытого графита может составлять 5% или более.
<Измерение доли открытого графита>
[0029] В произвольных 4 местах вышеупомянутых внутренних периферий 1a гильзы цилиндра получили среднее по этим произвольным 4 местам значение доли открытого графита путем наблюдения 5 полей зрения в ряд в одном месте с использованием фотографии с 400-кратным увеличением структуры сечения на стороне внутренней периферии с помощью металлургического микроскопа, определения всего свободного графита во всех 5 полях зрения и вычисления доли (%) открытого графита.
<Способ изготовления>
[0030] Далее будет описан пример способа изготовления гильзы 1 цилиндра. Способ изготовления гильзы цилиндра по варианту не ограничен описываемым ниже способом изготовления, и гильзу цилиндра можно изготавливать в соответствии с другим способом обработки внутренней периферии или при иных условиях. На фиг. 6 приведена блок-схема последовательности операций производственного процесса, относящегося к гильзе цилиндра по варианту настоящего изобретения. Как показано на фиг. 6, в качестве примера можно последовательно применять процесс выполнения литья, процесс выполнения токарной обработки внешней периферии и внутренней периферии, первый процесс хонингования, второй процесс хонингования (с двухступенчатым расширением шлифовального круга), процесс азотирования и процесс чистового хонингования.
[0031] Способ литья гильзы 1 цилиндра конкретно не ограничен, и можно использовать известный метод литья, такой как метод литья в песчаную форму, метод центробежного литья или т.п. Материалом, из которого состоит гильза цилиндра в этом варианте, является чугун с хлопьевидным графитом. Материал, составляющий гильзу цилиндра, имеет состав, включающий: C - 2,5% или более и 3,5% или менее, Si - 1,7% или более и 2,5% или менее, Mn - 0,5% или более и 1,0% или менее, P - 0,1% или более и 0,5% или менее, S - 0,12% или менее, Cr - 0,2% или более и 0,8% или менее, Cu - 0% или более и 0,6% или менее, и Ni - 0% или более и 0,4% или менее, все в мас.%, а остальное составляют Fe и неизбежные примеси, и в этот состав может быть включен по меньшей мере один элемент, такой как B, Cu, Nb, W или т.п. Хотя размер графита конкретно не ограничен, например, его размер может быть 4-6 (ISO 945-1:2008), тип графита - это тип А, которого может быть 70% или более, и матрица чугуна с хлопьевидным графитом может содержать 5% или менее эвтектической выдержанной фазы. Твердость материала может составлять 90 HRB или более и 115 HRB или менее на основе стандарта JIS Z 2245:2011. Таким образом получают гильзу цилиндра цилиндрической формы, с внутренним диаметром изделия 80-220 мм и длиной изделия 80-450 мм.
[0032] Сначала выполняют грубое шлифования для удаления окалины, такой как оксидная пленка или т.п., с внешней и внутренней периферий материала гильзы цилиндра, и выполняют черновую обработку внутренней периферии и внешней периферии. Далее, внутреннюю периферию и внешнюю периферию обрабатывают на токарном станке с ЧПУ или т.п. до состояния, близкого к требуемым размерам, после чего чистовую обработку внешней периферии прекращают. После этого внутреннюю периферию обрабатывают до внутреннего диаметра, близкого к внутреннему диаметру готового изделия, посредством хонингования (первый процесс хонингования), используя шлифовальный круг для хонингования, затем выполняют точное хонингование внутренней периферии в соответствии со свойствами внутренней периферии после азотирования (второй процесс хонингования), затем выполняют чистовое хонингование (процесс чистового хонингования) после процесса азотирования и, таким образом, получают готовое изделие.
[Первый процесс хонингования]
[0033] Это процесс точной обработки, который доводит внутренний диаметр близко к внутреннему диаметру готового изделия и обеспечивает точность, круглость и цилиндричность внутренней периферии. Шлифовальный круг представляет собой шлифовальный круг на основе кубического нитрида бора (CBN) с металлической связкой или шлифовальный круг на основе карбида кремния (GC) с керамической связкой, и в обоих случаях зернистость предпочтительно является зернистостью от #200 до #400. Здесь к хонинговальной головке (инструменту, который удерживает шлифовальный круг и расширяет шлифовальный круг в направлении внутренней периферии гильзы цилиндра) одного хонинговального станка крепятся шлифовальные круги двух типов, и после выполнения обработки первым шлифовальным кругом (шлифовальным кругом на основе CBN, также именуемым первым расширяющимся шлифовальным кругом) второй шлифовальный круг (шлифовальный круг на основе GC, также именуемый вторым расширяющимся шлифовальным кругом) может последовательно расширяться для выполнения хонингования. Шероховатость поверхности внутренней периферии подходящим образом составляет 3 мкм или менее для средней по десяти точкам шероховатости Rz согласно стандарту JIS B6010:1982 и 3,5 мкм или менее для максимальной высоты Rmax. Кривая шероховатости может иметь одновершинную форму. Допуск на обработку при первом хонинговании предпочтительно задан на уровне примерно 100 мкм по диаметру. Далее шероховатость поверхности приведена согласно стандарту JIS B6010:1982.
[Второй процесс хонингования]
[0034] Это – процесс, в котором выполняется точная обработка в ожидании изменений свойств внутренней периферии применительно к свойствам заданной внутренней периферии после азотирования. Здесь к хонинговальной головке одного хонинговального станка прикреплены шлифовальные круги двух типов, и после обработки первым шлифовальным кругом выполняют хонингование методом двухступенчатого расширения шлифовального круга с последовательным расширением второго шлифовального круга. Первый шлифовальный круг (также именуемый первым расширяющимся шлифовальным кругом)представляет собой шлифовальный круг на алмазной основе с металлической связкой, и его зернистость предпочтительно является зернистостью, которая больше #700. Шероховатость поверхности внутренней периферии составляет 2,5 мкм или менее для средней по десяти точкам шероховатости Rz и 3,0 мкм или менее для максимальной высоты Rmax. Кривая шероховатости может иметь одновершинную форму. Второй шлифовальный круг (также именуемый вторым расширяющимся шлифовальным кругом) представляет собой шлифовальный круг на основе карбида кремния (GC) с металлической связкой, и его зернистость предпочтительно является зернистостью, которая больше #1000. Шероховатость поверхности внутренней периферии составляет 1,6 мкм или менее для средней по десяти точкам шероховатости Rz и 2,6 мкм или менее для максимальной высоты Rmax. Кривая шероховатости после обработки вторым шлифовальным кругом может иметь плосковершинную форму. Шероховатость поверхности внутренней периферии предпочтительно составляет 0,5 мкм или более и 2,0 мкм или менее для средней по десяти точкам шероховатости Rz и 0,3 мкм или более и 1,5 мкм или менее для максимальной высоты Rmax. Общий допуск на обработку первым шлифовальным кругом и обработку вторым шлифовальным кругом при втором хонинговании предпочтительно задан на уровне примерно 20 мкм по диаметру.
[0035] При втором хонинговании кривая шероховатости формируется с одновершинной формой первым расширяющимся шлифовальным кругом, шероховатость поверхности уменьшается, затем кривая шероховатости формируется плосковершинным хонингованием с удалением вершин сформированной первым шлифовальным кругом кривой хонингования вторым расширяющимся шлифовальным кругом, образуется пластическая деформация на внешней поверхности структуры металла гильзы цилиндра, и обнажение графита на внешней поверхности внутренней периферии 1a резко минимизируется. В соответствии с этим эффектом, как показано на фиг. 2 или фиг. 3A, хотя некоторая часть свободного графита 5 доходит частью 5b до окрестности внутренней периферии 1a, могут быть выражены части 5b, имеющие покрывающий участок 3a, закрытый материалом, составляющим матрицу чугуна. Соответственно, достигается доля открытого графита в 50% или менее.
[Процесс азотирования]
3
[0036] После выполнения второго хонингования выполняют процесс азотирования. Азотирование может выполняться, например, нагревом и выдержкой при температуре от 560°C до 600°C в течение 30-90 минут и охлаждением от этой температуры до фиксированной температуры после нагрева в специально предназначенной для азотирования печи, в которую в качестве реакционного газа подается аммиак (NH). В ходе азотирования азотируется вся периферия гильзы цилиндра. В структуре металла внутренней периферии при азотировании формируется слой 7 химических соединений толщиной от примерно 4 до примерно 20 мкм от поверхности гильзы цилиндра и, далее внутрь от поверхности гильзы цилиндра формируется слой диффузии азота на глубину примерно 50 мкм или более.
[0037] На внутренней периферии после азотирования, из-за подъема основы внутренней периферии гильзы цилиндра на пористом слое, образовавшемся на внешней поверхности вокруг обнаженной на внутренней периферии части свободного графита, т.е. не азотированной, например, как показано на фиг. 7B, 8B и 9B, кривая шероховатости внутренней периферии имеет форму, в которой пики высоки, а впадины глубоки, средняя по десяти точкам шероховатость Rz увеличивается с 4 мкм до 6 мкм, и по сравнению с внутренней периферией, на которой выполнено второе хонингование, шероховатость поверхности увеличивается в 4-5 раз.
[Процесс чистового хонингования]
[0038] Отделочную обработку выполняют до заданных свойств внутренней периферии чистовым хонингованием. На хонинговальную головку одного хонинговального станка закрепляют шлифовальные круги двух типов. Первый шлифовальный круг является никелированным (с нанесенным Ni-м гальванопокрытием) алмазным шлифовальным кругом, зернистость является зернистостью больше #700, второй шлифовальный круг является шлифовальным кругом на основе GC с пробковой связкой, зернистость является зернистостью больше #300, и шлифовальные круги этих двух типов предпочтительно расширяются одновременно. Первый шлифовальный круг образует на внутренней периферии участок перекрестной штриховки. Второй шлифовальный круг выполняет функцию формирования кривой шероховатости с плосковершинной формой, удаляя вершины кривой шероховатости с использованием первого шлифовального круга.
[0039] При чистовом хонинговании удаляют слабый пористый слой, присутствующий на поверхностной части внутренней периферии 1a гильзы цилиндра и образовавшийся при азотировании, формируют участок 1b канавок, предназначенный для обеспечения удерживаемости масла, с образованием участка 1c перекрестной штриховки, азотированный слой подвергают чистовой обработке так, чтобы свойства поверхности имели шероховатость поверхности в требуемом диапазоне, например, средняя по десяти точкам шероховатость Rz составляет 4,0 мкм или менее, и доля площади ямок 6, образовавшихся на внутренней периферии 1a гильзы 1 цилиндра, контролируется на уровне 8% или менее. Допуск на чистовое хонингование задан на уровне примерно 1-3 мкм.
Примеры
[0040] Ниже приводятся иллюстративные примеры настоящего изобретения, но настоящее изобретение не ограничено нижеприведенными примерами.
[0041] Семь типов гильз цилиндра по Примерам 1-4 и Сравнительным примерам 1-3 изготовили в следующей последовательности. Материал гильзы цилиндра из чугуна с хлопьевидным графитом с внутренним диаметром изделия 140 мм и длиной 280 мм изготавливали центробежным литьем. Материал гильзы цилиндра имел состав, включающий, в мас.%: C: 3,0%, Si: 2,1%, Mn: 0,75%, P: 0,3%, S: 0,06%, Cr: 0,5%, Cu: 0,3% и Ni: 0,2%, а остальное составляют Fe и неизбежные примеси, а твердость материала имела среднее значение 98 HRB на основании стандарта JIS Z 2245:2011.
[0042] Выполняли грубое шлифование заготовок гильз цилиндра для удаления окалины с внутренней и наружной периферий и выполняли черновую обработку внутренней периферии и наружной периферии. Затем внутреннюю периферию и наружную периферию обрабатывали на токарном станке с ЧПУ или тому подобном до состояния, близкого к требуемым размерам, и чистовая обработка наружной периферии прекращалась.
[0043] Далее, что касается первого процесса хонингования и второго процесса хонингования, то процесс хонингования был разделен на три типа, и сравнительные примеры и примеры были присвоены так, как показано в нижеследующей таблице 1, и были изготовлены пять штук каждого типа.
[0044] Таблица 1
Тип
Хонингование
I
Только первое хонингование
II-1
Первое хонингование → второе хонингование (одноступенчатое расширение шлифовального круга)
II-2
Первое хонингование → второе хонингование (двухступенчатое расширение шлифовального круга)
[0045] Тип I: Сравнительный пример 1
Тип II-1: Сравнительный пример 2
Тип II-2: Сравнительный пример 3 и Примеры 1-4
Условия хонингования в первом процессе хонингования одинаковы во всех Примерах и Сравнительных примерах.
В Сравнительном примере 1 обработка переходит к процессу азотирования минуя второй процесс хонингования.
В Сравнительном примере 2 второй процесс хонингования выполняется только со вторым расширяющимся шлифовальным кругом и переходит к процессу азотирования.
В Сравнительном примере 3 и Примерах 1-4 обработка выполняется первым расширяющимся шлифовальным кругом и вторым расширяющимся шлифовальным кругом с комбинацией разного числа ходов и переходит к процессу азотирования.
Вышеизложенное описано в Таблице 2.
[0046] Таблица 2
Тип процесса хонингования
Второй процесс хонингования
Число ходов первого расширяющегося шлифовального круга
Число ходов второго расширяющегося шлифовального круга
Пример 1
II-2
60
40
Пример 2
II-2
40
40
Пример 3
II-2
20
40
Пример 4
II-2
20
30
Сравн. пример 1
I
-
-
Сравн. пример 2
II-1
0
40
Сравн. пример 3
II-2
20
20
[0047] Все пять заготовок гильзы цилиндра в Примерах и Сравнительных примерах после второго хонингования размещали в специально предназначенной для азотирования печи и выполняли азотирование при фиксированной температуре 590°C в течение 40 минут.
[0048] Все заготовки гильзы цилиндра, извлеченные из специально предназначенной для азотирования печи после азотирования, обрабатывали с помощью процесса чистового хонингования при одинаковых условиях хонингования.
[0049] В Таблице 3 показаны средние значения данных измерений шероховатости поверхности внутренней периферии до и после азотирования, доля площади ямок после чистового хонингования, доля открытого графита, толщина слоя химических соединений и шероховатость поверхности гильз цилиндра в каждом примере.
Доля площади ямок оценивалась следующим образом:
Доля площади ямок: 6% или менее
…. A
Доля площади ямок: свыше 6% и 8% или менее
…. B
Доля площади ямок: свыше 8% и 10% или менее
…. C
Доля площади ямок: свыше 10%
…. D
[0050] Таблица 3
Шероховатость внутренней периферии
После чистового хонингования
Оценка доли площади ямок
До азотирования
После азотирования
Доля площади ямок (%)
Доля открытого графита (%)
Толщина слоя химических соединений (мкм)
Шероховатость поверхности
Rz [мкм]
Rmax [мкм]
Rz [мкм]
Rz [мкм]
Rmax [мкм]
Пример 1
1,0
1,3
4,7
3,8
24
6-10
2,3
3,4
A
Пример 2
1,0
1,3
4,1
4,0
28
6-11
2,6
3,7
A
Пример 3
1,5
2,3
5,2
5,9
34
5-11
3,5
5,2
A
Пример 4
1,6
2,5
5,5
8,0
49
6-12
3,9
5,7
B
Сравн. пример 1
2,4
2,8
8,4
12,1
74
5-11
4,3
5,9
D
Сравн. пример 2
2,0
2,2
6,5
10,2
68
6-11
4,1
6,0
D
Сравн. пример 3
1,8
2,9
5,9
8,4
56
6-12
3,8
5,9
C
[Испытание на расход масла]
[0051] Выполняли испытания на расход масла гильз цилиндра по Примеру 3 и Сравнительному примеру 1. В результате испытания было обнаружено, что в гильзе цилиндра по Примеру 3 скорость расходования масла (г/л.с.⋅ч) удалось сократить на 43% по сравнения с гильзой цилиндра по Сравнительному примеру 1.
Промышленная применимость
[0052] В соответствии с гильзой цилиндра по настоящему изобретению, в дополнение к снижению расхода масла и трения, может быть снижен риск задиров.
Перечень позиций
[0053] 1 - гильза цилиндра
1a - внутренняя периферия
1b - участок канавок
1c - участок перекрестной штриховки
2 - блок цилиндров
2a, 2b - посадочный участок
3 - основа чугуна
3a - покрывающий участок
5 - свободный графит
5a, 5b - часть
5d - обнаженная часть
6 - ямка
7 - слой химических соединений.