CN111173636B - 汽缸套及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的汽缸套是安装在汽缸体上的片状石墨铸铁制汽缸套，其特征在于：所述汽缸套的内周面上至少有氮化处理层，并形成有网纹部，内周面的粗糙度曲线为平顶珩磨形状，内周面根据JIS B0601：1982的十点平均粗糙度Rz为4.0μm以下，并且形成于内周面的凹坑的面积比率以平均值计为8％以下。

Description

汽缸套及其制造方法
技术领域
本发明涉及内周面上具有氮化处理层的汽缸套及其制造方法。
背景技术
已知内燃机的汽缸体中在内侧配合有铸铁制汽缸套的结构。
对该汽缸套的内周面，通常实施各种表面处理以改善初始适应性、耐磨性和抗咬合性，并且对内周面的表面粗糙度等性能进行控制。
专利文献1公开了一种汽缸套的内表面精加工方法，其特征在于：在通过珩磨加工将待处理的铸铁制汽缸套的内表面精加工为随处具有油袋的2～6μm的表面粗糙度之后，实施软氮化处理，在除了油袋之外的整个表面上形成化合物层，然后对上述化合物层再次实施珩磨加工,并对表面进行调整以使表面粗糙度为2μm以下，其目的在于提高汽缸套的抗刮擦性和耐磨性。这里，化合物层的平均厚度为4～5μm。另外，表面粗糙度由依据JIS B0601：1982的十点平均粗糙度Rz表示。
专利文献2公开了一种汽缸套，所述汽缸套固定于汽缸内壁，并且活塞在内周面滑动，其特征在于：该内周面的粗糙度为0.4～0.8μm R3Z，并且该内周面的石墨开口率为80％以上，专利文献2中提及所述汽缸套可同时满足低油耗和高抗刮擦性。应注意，R3Z表示表面测量量。在由DIN 4768定义的平均表面粗糙度Rz中，对于五处测量截面分别求出其最大波峰与最深孔部之间的距离的平均值，而R3Z是所谓的功能表面粗糙度，通过上端部和下端部两处的平均求出。制造该汽缸套时用于珩磨加工的珩磨精磨石是纤维状弹性珩磨精磨石，珩磨磨石的粗糙度相当于GC3000L或GC3000L与ALS2000的混合。通过使用该珩磨磨石进行超精珩磨处理，超精珩磨处理防止表面上的加工流的发生，并且使内周面的石墨开口率为80％以上。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特公昭60-044112号公报(B)
专利文献2：日本专利特开2000-283291号公报(A)
发明内容
本发明要解决的问题
在内燃机中，为了符合环境法规期望进一步提高性能，期望提供一种除了减少油耗和减少摩擦(机械摩擦损失)之外，还不会引起刮擦(由于油耗尽而导致刮伤)的汽缸套。
传统上，已知一种汽缸套(也称为内周氮化衬套)，其至少在内周面上形成氮化处理层，以改善耐磨性和抗刮擦性。该内周氮化衬套的内周面从作为滑动面以确保良好润滑环境的观点出发，通过精加工珩磨处理形成有网纹部。然而，有可能导致存在下述问题：在内周面的最外表面上不规则地产生大约1.5μm以上的微小凹部(称为凹坑)，微小凹部的开口部尺寸相当于约10～100μm的直径，并且深度比表面粗糙度的谷底更深。
由于在该内周氮化衬套的内周面上所形成的凹坑成为蓄油部，因此当凹坑的形成是不规则的并且凹坑形成数量较多时，不能获得预期的油耗性能。因此，重要的是对内周氮化衬套中内周面的氮化处理前后的性状进行控制。
本发明鉴于这些情况而做出，其目的在于提供一种具有能够减少油耗和降低刮擦发生风险的结构且在内周面上具有氮化处理层的汽缸套及其制造方法。
用于解决问题的技术方案
(1)本发明的一方面的汽缸套是安装在汽缸体上的片状石墨铸铁制汽缸套，其特征在于：所述汽缸套的内周面上至少有氮化处理层，并形成有网纹部，所述内周面的粗糙度曲线为平顶珩磨形状，所述内周面根据JIS B0601：1982的十点平均粗糙度Rz为4.0μm以下，在所述内周面形成的凹坑的面积比率以平均值计为8％以下。
(2)根据本发明的一方面的汽缸套是将片状的游离石墨分散于铸铁基体中并使其结晶化的金属组织，存在于汽缸套内周面的最外表面部分的一部分游离石墨分散成使所述游离石墨的一部分作为露出部到达所述内周面，并且存在于所述内周面的表面部分的其他游离石墨延伸至所述内周面附近，从所述其他游离石墨的延伸部分前端至所述内周面的部分分散有由构成所述铸铁基体的材料覆盖的被覆部。
(3)在根据本发明的一方面的汽缸套内周面的最外表面部分的金属组织中，将所述游离石墨露出于内周表面的石墨的数量作为开口石墨数，将未露出于内周表面的石墨的数量作为闭口石墨数，对所述开口石墨数和所述闭口石墨数进行计数，石墨开口率由开口石墨数/(开口石墨数+闭口石墨数)表示，且以平均值计优选为50％以下。
(4)根据本发明的一方面的汽缸套内周面的网纹部的槽在汽缸套的轴向上的打开角度优选为3°至60°。
(5)根据本发明的一方面的汽缸套的制造方法的特征在于：铸造圆筒形的由片状石墨铸铁制成的汽缸套，所述汽缸套的内周面的形成过程为：在切削加工之后，经由第一珩磨步骤使所述内周面具有接近精加工的内径，在第二珩磨步骤中，通过配备有第一扩展磨石和第二扩展磨石的磨石两段扩展方式使所述内周面的表面粗糙度形成为十点平均粗糙度Rz为1.6μm以下，且最大高度Rmax为2.6μm以下，并且使粗糙度曲线形成为平顶珩磨形状，接着经由氮化处理步骤，在精加工珩磨步骤后，使所述内周面的粗糙度曲线为平顶珩磨形状，使所述内周面根据JIS B0601：1982的十点平均粗糙度Rz为4.0μm以下，并且使在所述内周面形成的凹坑的面积比率以平均值计为8％以下。
(6)在根据本发明的一方面的汽缸套的制造方法中，氮化处理前的所述汽缸套是将游离石墨分散于铸铁基体中并使其结晶化的金属组织，存在于所述汽缸套的内周面的表面部分的一部分游离石墨分散成使所述游离石墨的一部分作为露出部到达所述内周面，并且存在于所述内周面的表面部分的其他游离石墨延伸至所述内周面附近，从所述其他游离石墨的延伸部分前端至所述内周面的部分分散有由构成所述铸铁基体的材料覆盖的被覆部，在所述内周面的表面部分的金属组织中，将所述游离石墨露出于内周表面的石墨的数量作为开口石墨数，将未露出于内周表面的石墨的数量作为闭口石墨数，对所述开口石墨数和所述闭口石墨数进行计数，能够获得石墨开口率以平均值计为50％以下的汽缸套，其中，石墨开口率由开口石墨数/(开口石墨数+闭口石墨数)表示。
(7)在根据本发明的一方面的的汽缸套的制造方法中，获得所述内周面的表面部分为距所述内周面的最外表面20μm深度范围的汽缸套。
发明的效果
本发明能够提供具有能够减少油耗和摩擦并能够降低刮擦发生风险的结构且在内周面上具有氮化处理层的汽缸套及其制造方法。
附图说明
图1是示出了安装在汽缸体上的根据本发明实施方式的汽缸套的纵向剖视图。
图2是表示同一实施方式的汽缸套中的内周侧截面的金属组织的一个示例的示意图。
图3A是示出了在汽缸套的内周侧截面的根据精加工珩磨之后的金属显微照片(400倍)的金属组织和化合物层(表面的白色层)并且特别示出了游离石墨未露出于内周面的表面部分的状态的图。
图3B是示出了在汽缸套的内周侧截面中的根据精加工珩磨之后的金属显微照片(400倍)的金属组织和化合物层(表面的白色层)并且特别示出了游离石墨大量露出于内周面的表面部分且产生凹坑的状态的图。
图4A是作为同时对汽缸套的内周面和截面进行摄影的、精加工珩磨后的SEM图像(500倍)且示出了第二实施例的一个示例的图。
图4B是作为同时对汽缸套的内周面和截面进行摄影的、精加工珩磨后的SEM图像(500倍)且示出了第一对比例的一个示例的图。
图5A是作为汽缸套的内周面的激光显微照片(1000倍)且示出了测量凹坑的面积比率的图像处理前的状态的图。
图5B是作为汽缸套的内周面的激光显微照片(1000倍)且示出了测量凹坑的面积比率的图像处理前的状态的图。
图5C是作为汽缸套的内周面的激光显微照片(1000倍)且示出了测量凹坑的面积比率的图像处理前的状态的图。
图6是示出与根据本发明实施方式的汽缸套相关的加工步骤的概要的图。
图7A是表示第二实施例的汽缸套内周面在氮化处理前(第二珩磨后)的表面粗糙度的图。
图7B是表示第二实施例的汽缸套内周面在氮化处理后的表面粗糙度的图。
图7C是表示第二实施例的汽缸套内周面在精加工珩磨后的表面粗糙度的图。
图7D是表示第二实施例的汽缸套内周面在氮化处理后的SEM图像的图。
图7E是表示第二实施例的汽缸套内周面在精加工珩磨后的SEM图像的图。
图8A是表示第一对比例的汽缸套内周面在氮化处理前(第一珩磨后)的表面粗糙度的图。
图8B是表示第一对比例的汽缸套内周面在氮化处理后的表面粗糙度的图。
图8C是表示第一对比例的汽缸套内周面在精加工珩磨后的表面粗糙度的图。
图8D是表示第一对比例的汽缸套内周面在氮化处理后的SEM图像的图。
图8E是表示第一对比例的汽缸套内周面在精加工珩磨后的SEM图像的图。
图9A是表示第二对比例的汽缸套内周面在氮化处理前(第二珩磨后，但是仅进行第二扩展磨石加工)的表面粗糙度的图。
图9B是表示第二对比例的汽缸套内周面在氮化处理后的表面粗糙度的图。
图9C是表示第二对比例的汽缸套内周面在精加工珩磨后的表面粗糙度的图。
图9D是表示第二对比例的汽缸套内周面在氮化处理后的SEM图像的图。
图9E是表示第二对比例的汽缸套内周面在精加工珩磨后的SEM图像的图。
具体实施方式
在下文中，将对本发明的实施方式进行详细说明。
图1示出了具备根据本发明实施方式的汽缸套1的汽缸体2的局部截面结构。汽缸体2由铸铁或铝合金等轻合金形成，汽缸套1由片状石墨铸铁制成。
汽缸套1与形成于汽缸体2的嵌合部2a和2b接合，其中，至少内周面1a通过气体氮化处理形成有氮化处理层，进而通过珩磨加工形成有由槽部1b构成的网纹部1c。在汽缸套1的外周表面在汽缸体2的嵌合部2a和2b之间形成有冷却水通道。
如图2所示，形成汽缸套1的片状石墨铸铁在与活塞环的滑动方向垂直的截面中相对于汽缸套1的内周面1a在由铁基合金构成的铸铁基体3的内部具有由多个片状的游离石墨5分散并结晶化而形成的金属组织，在内周表面部形成有通过氮化处理得到的化合物层7。
在该图2中，存在于从内周面1a到深约20μm的表面部分中的游离石墨5中的部分游离石墨5以其一部分5a延伸至内周面1a并露出于内周面1a的方式分散。在游离石墨5的一部分5a中，露出于内周面1a的部分为露出部5d。
此外，存在于具有深约20μm的表面部分中的其他游离石墨5使其一部分5b朝向内周面1a延伸，但是最靠近内周面1a的一部分5b分散成与内周面1a之间隔开一段距离(约10μm以下的距离)而不到达内周面1a。即，存在于表面部分的其他游离石墨5使其一部分5b延伸到内周面1a附近，但具有由构成铸铁基体3的材料构成的被覆部3a。
图3A和图3B示出了汽缸套的内周侧截面在精加工珩磨之后由400倍的金属显微镜得到的金属组织和化合物层7(表面的白色层)。在图3A中，游离石墨的到达内周面的部分由构成铸铁基体的材料覆盖，并且游离石墨未露出于内周面的表面部分。在图3B中，大量游离石墨露出于内周面的表面部分。此外，形成有凹坑6。化合物层7(白色层)的厚度在图3A中为8～10μm，在图3B中为6～8μm。
汽缸套1的内周面1a是活塞环(未示出)和活塞(未示出)往复滑动的表面。因此，在气体氮化处理后，存在于表面部分上的由氮化处理形成的脆弱多孔层被去除，并实施精加工珩磨以形成作为滑动表面的适当表面。粗糙度曲线是具有平滑波峰的平顶珩磨形状，并且基于JIS B0601：1982的十点平均粗糙度Rz优选为4.0μm以下。十点平均粗糙度Rz更优选为1.5μm以上且4.0μm以下。
如图1所示，在汽缸套1的内周面1a上通过精加工珩磨形成网纹部1c，所述网纹部1c在垂直于汽缸套1的轴向的方向上的打开角度(称为网纹交叉角)形成为约30°，且由成对的槽部1b组成。注意，网纹交叉角不限于30°，可以在约3°～60°的范围内选择任意角度。
在通过精加工珩磨形成有适当表面特性的作为滑动表面的内周面的截面中，具有预定的氮化处理层。
氮化处理层是金属组织的区域，该区域从汽缸套内周面1a的表面侧开始由氮化处理化合物层(化合物层7)接着由氮扩散层形成，并且截面硬度为显微维氏硬度350HV0.05以上，化合物层7的厚度优选为距内周表面3μm以上，氮扩散层的厚度优选为距内周表面40μm以上。在下文中，显微维氏硬度符合JIS Z 2244：2009。0.05表示推压于试验片的方形压头的推压力(Kgf)。
化合物层7的厚度优选为距内周表面15μm以下。如果超过该范围，则凹坑6的开口面积增加并且深度也增加。化合物层7的厚度更优选为距内周表面3μm以上且12μm以下。
<化合物层的测量>
化合物层7通过将汽缸套的切片埋入树脂中，接下来通过抛光进行镜面精整，然后用金属显微镜(400倍)对浸渍于2％硝酸浸蚀液的腐蚀液中的化合物层7进行观察。如图3A和3B所示，化合物层7可以被确认为白色层。此外，化合物层7根据JIS Z 2244：2009的显微维氏硬度优选为700HV0.05以上。化合物层7和氮扩散层之间的边界可以通过硬度确认，并且硬度可以使用显微维氏硬度。在化合物层7和氮扩散层的边界处，化合物层7基于JIS Z2244：2009的显微维氏硬度表示为约900HmV并且氮扩散层为基于JIS Z 2244：2009的显微维氏硬度表示为约350HmV。由此，化合物层7和氮扩散层的边界可以通过化合物层7和氮扩散层之间的硬度的差异来确定。
通过从各汽缸套的内周面1a的任意四个位置制备切片，用金属显微镜分别测量化合物层7的厚度范围，将任意四个位置的最小值至最大值定义为化合物层7的厚度范围。在下文中，各汽缸套的内周面的任意四个位置是指以下共计四处位置：在汽缸套的轴向方向上中央位置的面向径向的两个位置和位于距汽缸套端面20～50mm的任意位置的面向径向的两个位置。然而，两个径向定义为正交的位置关系。氮扩散层的厚度也可以是在用于化合物层7的厚度测量的切片中从化合物层7和氮扩散层的边界向铸铁基体3侧直至达到铸铁基体3的母材的硬度(约300HmV)的范围。
图4A和图4B示出了通过同时对内周面1a和截面的金属组织进行拍摄而得到的500倍SEM图像。
在图4A中，游离石墨露出于内周表面的量较少，在图4B中，观察到游离石墨露出于内周表面的量较多，能够确认凹坑6的存在。
在下文中，将对内周氮化套在内周面1a产生凹坑6的机制进行说明。
当在汽缸套的氮化处理之后通过对内周面进行精加工珩磨而在氮化处理层的表面形成网纹部时，在未氮化的游离石墨在内周表面的露出部周围，汽缸套的内周表面的基体由于氮化处理而隆起，并且，形成基体硬而脆的化合物层7，因此精加工珩磨的磨石扩展力集中在隆起的基体上。其结果，由化合物层7构成的基体部分缺失，或者石墨同时脱落，而产生凹坑6。因此，认为凹坑6的深度等于或小于化合物层7的厚度。如图5A、图5B和图5C所示，汽缸套内周面1a中的凹坑6的开口部的大小相当于直径约10～100μm。
在图5A、图5B和图5C所示的凹坑6的形成中，如果汽缸套内周面1a上的凹坑6的开口面积增加，则保持并蓄积于凹坑6的发动机润滑油的量较多，从该处蒸发的油量增加，因而润滑油消耗量会恶化。此外，可以认为当活塞环在凹坑6的内周表面部分的边缘滑动时成为导致摩擦增加的主要因素。此外，凹坑6的内周表面部分的边缘缺失，也成为刮擦发生风险的主要因素。
因此，凹坑6的面积比率优选为8％以下。更优选为6％以下。尽管凹坑6的面积比率优选越低越好，但凹坑6极低的面积比率则会增加咬死的风险。因此，凹坑6的面积比率优选为1％以上。
<凹坑面积比率的测量>
针对上述各汽缸套的内周面1a的任意四个位置，对内周表面用激光显微镜以1000倍的放大率在一个位置拍摄五个连续视野，并且通过对这五个视野分别进行二值化处理和图像分析所获得的凹坑6的面积比率的五个视野的平均值称为该一个位置的凹坑6的面积比率。此外，作为四个位置各自平均值的凹坑6的面积比率的平均值称为各汽缸套的凹坑6的面积比率。为了测量凹坑6的面积比率，使用由基恩士株式会社(Keyence Corporation)制造的型号为VK-9710的激光显微镜。图5A中的凹坑6的面积比率为4.0％。图5B中的凹坑6的面积比率为6.5％。图5C中的凹坑6的面积比率为12.0％。
对在汽缸套的内周面1a形成凹坑6的机理进行考察，已经发现优选为游离石墨较少露出于内周表面，在氮化处理前的内周表面部截面的金属组织中，当在内周表面部的形成有化合物层7的厚度范围内产生铸铁基体的塑性流动时，能够抑制游离石墨露出于内周表面。
即，在图4A和图4B中，图4A处于优选的内周表面状态。对于此，判断在预定的内周面长度范围内存在于距内周表面约20μm的深度范围内的游离石墨是露出于内周表面的石墨5d(开口石墨)还是包括被铸铁基体覆盖的石墨5b在内的不露出于内周表面的石墨(闭口石墨)，确定石墨开口率(％)，石墨开口率表示开口石墨的数量与开口石墨和闭口石墨的数量之和的比。石墨开口率优选为50％以下，更优选为35％以下。如果石墨开口率超过50％，则凹坑6的面积比率不优选地增加。虽然石墨开口率越低越好，但极低的石墨开口率则会导致咬死的风险增加。因此，石墨开口率也可以为5％以上。
<石墨开口率的测量>
对于上述各汽缸套的内周面1a的任意四个位置，用金属显微镜以400倍的放大率观察内周表面侧的截面组织，每个位置观察五个连续的视野，判定该五个视野的全部视野中的所有游离石墨，计算石墨开口率(％)，并求出任意四个位置的平均值作为石墨开口率。
<制造方法>
下面对汽缸套1的制造方法的示例进行说明。本实施方式的汽缸套的制造方法不限于以下的制造方法，也可以通过其他内周加工方法和条件来制造。
图6示出了与根据本发明的实施方式的汽缸套相关的制造步骤的概要。如图6所示，作为示例可以采用按照铸造步骤、外周和内周车削步骤、第一珩磨步骤、第二珩磨步骤(磨石两段扩展)、氮化处理步骤和精加工珩磨步骤的顺序实施的工艺。
汽缸套1的铸造方法没有特别限制，可以使用周知的铸造方法，例如砂型铸造法或离心铸造法等。构成本实施方式的汽缸套的材料为片状石墨铸铁。
构成汽缸套的材料为以下成分：以质量％计，包括：C：2.5％以上且3.5％以下、Si：1.7％以上且2.5％以下、Mn：0.5％以上且1.0％以下、P：0.1％以上且0.5％以下、S：0.12％以下、Cr：0.2％以上且0.8％以下、Cu：0％以上且0.6％以下、Ni：0％以上且0.4％以下，且余量由Fe和不可避免的杂质组成，并且该成分可以含有B、Cu、Nb、W等至少一种元素。石墨的尺寸没有特别限制，例如，为4～6(ISO945-1：2008)，石墨种类中的A型为70％以上，此外，片状石墨铸铁的基质中可含有5％以下的共晶固化物相。关于材料的硬度，基于JIS Z 2245：2011的硬度为90HRB以上且115HRB以下即可。获得产品内径为80～220mm且产品长度为80～450mm的圆筒形汽缸套材料。
首先，进行粗磨加工以去除汽缸套材料的内外周表面上的氧化膜等黑色氧化皮，并且对内周面和外周表面进行粗加工。接下来，通过NC车床等将内周面和外周表面加工成接近目标尺寸的状态，完成外周表面的精加工处理。之后，通过使用珩磨磨石进行珩磨加工(第一珩磨步骤)将内周面加工成接近精加工成品的内径，然后适应于氮化处理后的内周面特性对内周面进行精密的珩磨加工(第二珩磨步骤)，然后经过氮化处理步骤，进行精加工珩磨处理(精加工珩磨步骤)以制备产品。
[第一珩磨步骤]
第一珩磨步骤是加工成接近精加工成品的内径、并达成内周面的圆度和圆柱度精度的精密加工工艺。磨石是用CBN(Cubic Boron Nitride，立方氮化硼)型磨石进行金属结合剂结合或用GC(碳化硅)型磨石进行玻璃化结合，粒度均优选在#200和#400之间。这里，可以将两种磨石安装于一台珩磨机的珩磨头(用于保持磨石并将磨石朝向汽缸套内周面扩展的工具)，在第一磨石(CBN型磨石，也称为第一扩展磨石)的加工之后，可以按顺序扩展第二磨石(GC型磨石，也称为第二扩展磨石)以实施珩磨加工。内周面的表面粗糙度基于JISB6010：1982的十点平均粗糙度Rz优选为3.0μm以下，在最大高度Rmax处优选为3.5μm以下。粗糙度曲线应具有单珩磨形状。第一珩磨加工的加工余量优选设定为直径约100μm。
在下文中，表面粗糙度适用JIS B6010：1982。
[第二珩磨步骤]
第二珩磨步骤是适应于氮化处理后的预定内周面特性执行预测到内周面特性变化的精密加工的工艺。在这里，将两种磨石安装于一台珩磨机的珩磨头，实施在第一磨石的加工之后按顺序扩展第二磨石的磨石两段扩展方式的珩磨加工。
第一磨石(也称为第一扩展磨石)是金刚石型磨石以金属结合剂结合，并且粒度优选大于#700。内周面的表面粗糙度设定为十点平均粗糙度Rz为2.5μm以下，最大高度Rmax为3.0μm以下。粗糙度曲线优选具有单珩磨形状。
第二磨石(也称为第二扩展磨石)是GC型磨石以金属结合剂结合，并且粒度优选大于#1000。内周面的表面粗糙度设定为十点平均粗糙度Rz为1.6μm以下，最大高度Rmax为2.6μm以下。用第二磨石加工后的粗糙度曲线优选具有平顶珩磨形状。内周面的表面粗糙度更优选十点平均粗糙度Rz为0.5μm以上且2.0μm以下，最大高度Rmax为0.3μm以上且1.5μm以下。
在第二珩磨加工过程中，第一磨石加工和第二磨石加工的总加工余量设定为直径约20μm较佳。
在第二珩磨加工过程中，通过第一扩展磨石将粗糙度曲线形成为单珩磨形状，并且减小表面粗糙度，然后利用第二扩展磨石通过加工除去由第一扩展磨石形成的粗糙度曲线的波峰使粗糙度曲线形成为平顶珩磨形状，在汽缸套金属组织的最外表面上产生塑性流动，并且尽可能地抑制石墨露出于内周面1a的表面。
根据这种效果，如图2或图3A所示，游离石墨5的一部分将其一部分5b延伸到内周面1a的附近，但是可以发现这些具有由构成铸铁基体的材料覆盖的被覆部3a的部分5b。由此，石墨开口率实现为50％以下。
[氮化处理步骤]
在实施第二珩磨加工之后，进行氮化处理。
氮化处理能够通过在填充有氨气(NH3)作为反应气体的氮化专用炉中，例如，通过在560℃～600℃的温度下加热并保持约30～90分钟，加热后将炉冷却至恒定温度来实施。
通过该氮化处理，对汽缸套的整个外周表面实施氮化。内周面的金属组织通过氮化处理使化合物层7形成为距离汽缸套表面约4μm至约20μm的厚度，进而氮扩散层从汽缸套表面朝向内部形成为约50μm以上的深度。
氮化处理后的内周面，由于形成于最外表面的多孔层以及在未氮化游离石墨在内周表面的露出部周围处的汽缸套内周表面的基体的隆起，例如，如图7B、图8B和图9B所示，内周面的粗糙度曲线处于波峰较高波谷较低的形态，并且十点平均粗糙度Rz为4μm～6μm的水平，与经过了第二珩磨加工的内周面相比，形成有4至5倍的表面粗糙度。
[精加工珩磨步骤]
通过精加工珩磨处理精整为预定的内周面的特性。
在一台珩磨机的珩磨头上安装两种磨石，第一磨石采用金刚石型磨石进行电沉积(镀镍固定)，粒度设定为大于#700，第二磨石为用GC型磨石进行软木结合并且粒度设定为大于#300，并且优选两种磨石同时扩展。第一磨石在内周面形成网纹部。第二磨石通过去除由第一磨石形成的粗糙度曲线的波峰的加工而起到了使粗糙度曲线形成为平顶珩磨形状的作用。
在该精加工珩磨过程中，通过去除存在于汽缸套的内周面1a的表面部分上的由氮化处理形成的脆弱多孔层，并且形成用于确保保油性的槽部1b以形成网纹部1c，并且使氮化处理层的表面特性达到目标范围的表面粗糙度，例如，十点平均粗糙度Rz精整为4.0μm以下，使形成于汽缸套1的内周面1a的凹坑6的面积比率控制在8％以下。
精加工珩磨处理的加工余量设定为约1～3μm。
[实施例]
以下将对本发明的实施例进行举例说明，但本发明不仅局限于以下实施例。
通过以下步骤制备实施例1～实施例4和对比例1～3的七种汽缸套。
通过离心铸造生产出产品内径为140mm、长度为280mm的圆筒形片状石墨铸铁汽缸套材料。
汽缸套材料的成分以质量％计，包括：C：3.0％、Si：2.1％、Mn：0.75％、P：0.3％、S：0.06％、Cr：0.5％、Cu：0.3％、Ni：0.2％，剩余的部分由Fe和不可避免的杂质组成，关于材料的硬度，基于JIS Z2245：2011的硬度以平均值计为98HRB。
对这些汽缸套材料进行粗磨加工以除去内外周表面上的黑色皮，并且对内周面和外周表面进行粗加工。接下来，通过NC车床等将内周面和外周表面加工成接近目标尺寸的状态，对外周表面的精加工处理完成。
随后，关于第一珩磨步骤和第二珩磨步骤，将珩磨加工过程分成三种类型，如下表1中所示，分配对比例和实施例，各制备五个。
【表1】
类型 珩磨加工
I 仅第一珩磨加工
II-1 第一珩磨加工→第二珩磨加工(磨石一段扩展)
II-2 第一珩磨加工→第二珩磨加工(磨石两段扩展)
I型：对比例1
II-1型：对比例2
II-2型：对比例3和实施例1～4
在所有的实施例和对比例中，第一珩磨步骤的珩磨加工条件相同。
在对比例1中，不经过第二珩磨步骤而转入氮化处理步骤。
在对比例2中，仅利用第二扩展磨石处理第二珩磨步骤，转入氮化处理步骤。
在对比例3和实施例1～4中，以改变第一扩展磨石和第二扩展磨石的各自的冲程数的组合进行加工，转入氮化处理步骤。
以上记录于表2中。
【表2】
Figure BDA0002282135640000141
将第二珩磨加工后的实施例和对比例的各五个汽缸套材料全部放入氮化专用炉中，并在590℃的恒定温度下进行40分钟氮化处理。
对氮化处理后从氮化专用炉中取出的所有汽缸套材料，在精加工珩磨步骤中以相同的珩磨加工条件进行加工。
关于各例中的汽缸套，表3示出了氮化处理前后内周面的表面粗糙度、精加工珩磨后的凹坑的面积比率、石墨开口率、化合物层厚度和表面粗糙度的测量数据的平均值。
凹坑的面积比率评估如下。
凹坑的面积比率为6％以下……A
凹坑的面积比率超过6％且为8％以下……B
凹坑的面积比率超过8％且为10％以下……C
凹坑的面积比率超过10％……D
【表3】
Figure BDA0002282135640000151
[油耗试验]
对实施例3和对比例1的汽缸套进行了油耗试验。
由该试验结果可知与对比例1的汽缸套相比，实施例3的汽缸套能够将油耗率(g/PS·h)降低43％。
符号说明
1：汽缸套
1a：内周面
1b：槽部
1c：网纹部
2：汽缸体
2a、2b：嵌合部
3：铸铁基体
3a：被覆部
5：游离石墨
5a、5b：一部分
5d：露出部
6：凹坑
7：化合物层

Claims (16)

1.一种汽缸套，所述汽缸套是安装在汽缸体上的片状石墨铸铁制汽缸套，其特征在于：
所述汽缸套的内周面上至少有厚度为3μm以上且15μm以下的氮化处理化合物层并形成有网纹部，并且所述内周面的粗糙度曲线为平顶珩磨形状，所述内周面根据JIS B0601：1982的十点平均粗糙度Rz为4.0μm以下，并且在所述内周面形成的凹坑的面积比率以平均值计为8％以下，所述凹坑的深度等于或小于所述氮化处理化合物层的厚度，所述凹坑的直径为10～100μm。
2.如权利要求1所述的汽缸套，其特征在于：
所述汽缸套是将片状的游离石墨分散于铸铁基体中并使其结晶化的金属组织，并且存在于所述汽缸套的内周面的距内周面的深度达20μm的表面部分的一部分游离石墨分散成使所述游离石墨的一部分作为露出部到达所述内周面，并且存在于所述内周面的表面部分的其他游离石墨延伸至所述内周面附近，从所述其他游离石墨的延伸部分前端至所述内周面的部分分散成具有由构成所述铸铁基体的材料构成的被覆部。
3.一种汽缸套，所述汽缸套是安装在汽缸体上的片状石墨铸铁制汽缸套，其特征在于：
所述汽缸套的内周面上至少有氮化处理层并形成有网纹部，并且所述内周面的粗糙度曲线为平顶珩磨形状，所述内周面根据JIS B0601：1982的十点平均粗糙度Rz为4.0μm以下，并且在所述内周面形成的凹坑的面积比率以平均值计为8％以下，
所述汽缸套是将片状的游离石墨分散于铸铁基体中并使其结晶化的金属组织，并且存在于所述汽缸套的内周面的距内周面的深度达20μm的表面部分的一部分游离石墨分散成使所述游离石墨的一部分作为露出部到达所述内周面，并且存在于所述内周面的表面部分的其他游离石墨延伸至所述内周面附近，从所述其他游离石墨的延伸部分前端至所述内周面的部分分散成具有由构成所述铸铁基体的材料构成的被覆部。
4.如权利要求2所述的汽缸套，其特征在于：
在所述内周面的表面部分的金属组织中，将所述游离石墨露出于内周表面的石墨的数量作为开口石墨数，将未露出于内周表面的石墨的数量作为闭口石墨数，对所述开口石墨数和所述闭口石墨数进行计数，石墨开口率由开口石墨数/(开口石墨数+闭口石墨数)表示，且以平均值计为50％以下。
5.如权利要求3所述的汽缸套，其特征在于：
在所述内周面的表面部分的金属组织中，将所述游离石墨露出于内周表面的石墨的数量作为开口石墨数，将未露出于内周表面的石墨的数量作为闭口石墨数，对所述开口石墨数和所述闭口石墨数进行计数，石墨开口率由开口石墨数/(开口石墨数+闭口石墨数)表示，且以平均值计为50％以下。
6.如权利要求1至3中任一项所述的汽缸套，其特征在于：
所述凹坑的面积比率为3.8％以上且8.0％以下。
7.如权利要求4或5所述的汽缸套，其特征在于：
所述凹坑的面积比率为3.8％以上且8.0％以下。
8.如权利要求4或5所述的汽缸套，其特征在于：
所述石墨开口率以平均值计为24％～49％，所述氮化处理化合物层的厚度为6μm～12μm。
9.如权利要求7所述的汽缸套，其特征在于：
所述石墨开口率以平均值计为24％～49％，所述氮化处理化合物层的厚度为6μm～12μm。
10.如权利要求1至5、9中任一项所述的汽缸套，其特征在于：
所述网纹部的槽在所述汽缸套的垂直于轴向的方向上的打开角度为3°至60°。
11.如权利要求6所述的汽缸套，其特征在于：
所述网纹部的槽在所述汽缸套的垂直于轴向的方向上的打开角度为3°至60°。
12.如权利要求7所述的汽缸套，其特征在于：
所述网纹部的槽在所述汽缸套的垂直于轴向的方向上的打开角度为3°至60°。
13.如权利要求8所述的汽缸套，其特征在于：
所述网纹部的槽在所述汽缸套的垂直于轴向的方向上的打开角度为3°至60°。
14.一种汽缸套的制造方法，其特征在于：
铸造圆筒形的由片状石墨铸铁制成的汽缸套，所述汽缸套的内周面的形成过程为：在切削加工之后，经由第一珩磨步骤使所述内周面具有接近精加工的内径，在第二珩磨步骤中，通过配备有第一扩展磨石和第二扩展磨石的磨石两段扩展方式使所述内周面的表面粗糙度形成为十点平均粗糙度Rz为1.6μm以下，且最大高度Rmax为2.6μm以下，并且使所述内周面的粗糙度曲线为平顶珩磨形状，使所述内周面根据JIS B0601：1982的十点平均粗糙度Rz为4.0μm以下，并且使在所述内周面形成的凹坑的面积比率以平均值计为8％以下。
15.如权利要求14所述的汽缸套的制造方法，其特征在于：
氮化处理前的所述汽缸套是将游离石墨分散于铸铁基体中并使其结晶化的金属组织，将存在于所述汽缸套的内周面的表面部分的一部分游离石墨分散成使所述游离石墨的一部分作为露出部到达所述内周面，并且将存在于所述内周面的表面部分的其他游离石墨延伸至所述内周面附近，将从所述其他游离石墨的延伸部分前端至所述内周面的部分分散成具有由构成所述铸铁基体的材料覆盖的被覆部，
在所述内周面的表面部分的金属组织中，将所述游离石墨露出于内周表面的石墨的数量作为开口石墨数，将未露出于内周表面的石墨的数量作为闭口石墨数，对所述开口石墨数和所述闭口石墨数进行计数，石墨开口率由开口石墨数/(开口石墨数+闭口石墨数)表示，且以平均值计为50％以下。
16.如权利要求15所述的汽缸套的制造方法，其特征在于：
获得所述内周面的表面部分为距离所述内周面的表面20μm深度范围的汽缸套。
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