JP2003286895A - 内周面に表面処理皮膜を有するシリンダライナ及びその加工方法 - Google Patents

内周面に表面処理皮膜を有するシリンダライナ及びその加工方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】内周面に水蒸気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、皮膜表面は潤滑作用に有効な
油溜まりを有し、初期なじみ性が良好であり、かつ仕上
げ加工の容易な形状であるものを提供する。 【解決手段】水蒸気処理皮膜を、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高集中度で
メタルボンドした砥石を使用して前記皮膜を研削し、前
記被膜表面を、表面粗さＲｚ：０．８〜５．９μｍ、Ｄ
ＩＮ４７７６規格に基づく初期摩耗高さＲｐｋ：０．６
４μｍ以下、有効負荷粗さＲｋ：０．０５〜１．８μ
ｍ、油溜まり深さ（Ｒｖｋ）：０．１５〜３．３μｍの
プラトー形状に仕上げる。

Description

【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：０８〜５．９μ
ｍ、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：０．０
５〜１．８μｍ、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Ｒｐ
ｋ、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ｔ
ｐ０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、ａ
ｃ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、ｂ
ｄ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Ｒ
ｖｋ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】 表Ｉ（単位：μｍ） 皮膜厚さ １０ ２０ ３０ Ｒｚ ：目標値 ２ ２ ３．６ ：範囲 ０．８〜３．０ ０．８〜４．２ １．９〜５．９ Ｒｐｋ：目標値 ０．０２５ ０．２ ０．２５ ：範囲 ＜０．０５ ＜０．６ ＜０．６４ Ｒｋ ：目標値 ０．２ ０．３ ０．８４ ：範囲 ０．１〜０．５３ ０．０５〜０．５２ ０．２〜１．８ Ｒｖｋ：目標値 １．３ １．３ ２．５ ：範囲 ０．３〜２．２ ０．１５〜２．５ １．６〜３．３
【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：０．３
５、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、ＤＩＮ４７
７６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１
５０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Ｉ
ＩＩ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：０．８〜５．３μ
ｍ、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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3C058 AA02 BA02 CB03 3G024 AA26 AA27 FA06 FA07 FA14 GA12 GA18 4K044 AA02 AB03 AB10 BA12 BB02 BC01 BC02 CA12 CA53 CA67

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】内周面に表面処理皮膜を有するシリンダラ
    イナであって、前記表面処理皮膜の表面は、表面粗さＲ
    ｚ：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
    とする内周面に表面処理皮膜を有するシリンダライナ。
  2. 【請求項２】表面処理皮膜は水蒸気処理によるものであ
    ることを特徴とする請求項１記載の内周面に表面処理皮
    膜を有するシリンダライナ。
  3. 【請求項３】内周面に表面処理皮膜を形成したシリンダ
    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、前記表面処理皮膜
    の表面を、表面粗さＲｚ：０．８〜５．９μｍ、ＤＩＮ
    ４７７６規格に基づく初期摩耗高さＲｐｋ：０．６４μ
    ｍ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表面処理皮膜を
    有するシリンダライナの加工方法。
  4. 【請求項４】表面処理皮膜は水蒸気処理によるものであ
    ることを特徴とする請求項３記載の内周面に表面処理皮
    膜を有するシリンダライナの加工方法。
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