JP2007177760A - 内燃機関用シリンダブロック、ピストン及びピストンリング - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダボア内面に溶射被膜を形成した従来のシリンダブロックは、摺動相手部材との摺動特性が悪化する恐れがあると共に、製造コストが高いという問題点があった。
【解決手段】シリンダボア内面に溶射被膜を形成した後にホーニング加工を施した内燃機関用シリンダブロックであって、溶射被膜の材料として鉄系溶射材料を用いることで製造コストを低減し、ホーニング加工後における溶射被膜の表面性状として、平均粗さＲａを０．５μｍ以下とし、且つ粗さ曲線における油溜り深さＲｖｋを０．８μｍ〜２．６μｍとし、且つ負荷長さ率Ｍｒ２を７８％〜９０％とすることで、シリンダボア内面の摩擦係数及び耐スカッフ性の向上を実現した。
【選択図】なし

Description

本発明は、摺動特性に優れたシリンダボア内面を有する内燃機関用シリンダブロックに関し、より詳細には、シリンダボア内面に溶射被膜を形成すると共に、その溶射被膜の表面性状を特定することにより優れた摩擦係数と耐スカッフ性を実現した内燃機関用シリンダブロックと、これに用いるピストン及びピストンリングに関するものである。

従来において、自動車用エンジン等の内燃機関に用いるシリンダブロックは、アルミニウム製のブロック本体にシリンダボアを形成する鋳鉄製のライナを鋳込むものが主流であったが、エンジン部品の軽量化の観点から、鋳鉄製ライナを廃止したアルミモノブロック等の開発が進められている。

しかし、アルミモノブロックは、そのままではシリンダボア内面の耐摩耗性や耐スカッフ性に問題がある。そこで、プラズマ火炎によって溶射粉末や溶射ワイヤーを熔融させて溶滴を形成すると共に、この溶滴をシリンダボア内面に吹き付けて溶射被膜を形成することにより、シリンダボア内面の耐摩耗性や耐スカッフ性を向上させることが提案されており、例えば、シリンダボア内面に、モリブデンを含む鉄系合金材料から成る溶射被膜を形成することで、摺動相手部材であるピストンリングやピストンに対するシリンダボア内面の耐スカッフ性の向上を図ったものがあった（特許文献１）。
米国特許第６２８０７９６Ｂ１１

ところが、上記したような従来のシリンダブロックは、溶射被膜の材料に含まれたモリブデンの固体潤滑作用によってシリンダボア内面の耐スカッフ性の向上を図っているが、溶射被膜の形成に続くホーニング加工後の溶射被膜の表面性状が、ホーニング加工による網目模様に加えて溶射被膜特有の気孔が存在したものとなり、これにより粗面となることから、ピストンリングやピストンとの摺動特性が悪化する恐れがあると共に、高価なモリブデンを含む鉄系合金材料を用いることによって製造コストが高くなるという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、製造コストを低減することができると共に、シリンダボア内面の摩擦係数及び耐スカッフ性を向上させることができる内燃機関用シリンダブロックと、これに用いるピストン及びピストンリングを提供することを目的としている。

本発明者らは、溶射被膜の材料としてモリブデンを含まない安価な鉄系溶射材料を採用し、さらに、溶射被膜の表面性状並びに相手摺動部材の摺動面を適正化することによって上記目的が達成できることを見い出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の内燃機関用シリンダブロックは、シリンダボア内面に溶射被膜を形成した後にホーニング加工を施したものであって、溶射被膜の材料としてモリブデンを含まない鉄系溶射材料を用いている。そして、ホーニング加工後における溶射被膜の表面性状として、平均粗さＲａを０．５μｍ以下とし、且つ粗さ曲線における油溜り深さＲｖｋを０．８μｍ〜２．６μｍとし、且つ負荷長さ率Ｍｒ２を７８％〜９０％としたことを特徴としている。

また、本発明の内燃機関用ピストンは、上記のシリンダブロックのシリンダボア内面に対して摺動相手部材となるものであり、ピストンスカート部にグラファイト及びモリブデンのいずれか一方を含有する樹脂コートを施したことを特徴としている。

さらに、本発明の内燃機関用ピストンリングは、上記のシリンダブロックのシリンダボア内面に対して摺動相手部材となるものであり、摺動面にクロムめっき及び窒化クロムのいずれか一方を施したことを特徴としている。

本発明の内燃機関用シリンダブロックは、シリンダボア内面に形成する溶射被膜の材料としてモリブデンを含まない安価な鉄系溶射材料を採用したことから、製造コストを低減することができ、しかも、溶射被膜の表面性状を適正化したことにより、相手摺動部材に対するシリンダボア内面の摩擦係数及び耐スカッフ性を向上させることができる。

また、本発明の内燃機関用ピストンは、上記シリンダブロックのシリンダボア内面と摺動接触するピストンスカート部の摺動面に、グラファイト及びモリブデンのいずれか一方を含有する樹脂コートを形成したことにより、摺動時のフリクション増加を防止することができる。

さらに、本発明の内燃機関用ピストンリングは、上記シリンダブロックのシリンダボア内面と摺動接触する摺動面に、クロムめっき及び窒化クロムのいずれか一方を施したことにより、摺動時のフリクション増加を防止することができる。

本発明の内燃機関用シリンダブロックは、まず、ブロック本体を鋳造成形した後、シリンダボア内面に対する溶射被膜の密着性を高めるために、シリンダボア内面にボーリング加工等の下地加工をし、この下地加工後のシリンダボア内面に、炭素鋼等のモリブデンを含まない鉄系溶射材料（鉄系金属材料）を溶滴にして噴射して溶射被膜を形成する。

具体的には、シリンダボアの中心軸に沿って挿入した溶射ガンを中心軸の一端側から多端側へと移動させながら、この溶射ガンの先端から火炎によって熔融させた溶射粉末の溶滴を溶射フレームとして噴射し、これをシリンダボア内面に噴き付けて溶射被膜を形成する。

そして、上記の溶射被膜を形成した後に、シリンダボア内面に対してホーニング加工を実施し、これによりシリンダボア内面の溶射被膜の表面性状を最適化する。換言すれば、溶射被膜の表面性状が最適なものとなるようにホーニング加工を行う。

すなわち、ホーニング加工後における溶射被膜の表面の平均粗さＲａが０．５μｍ以下、より望ましくは０．３５μｍ以下であり、且つ粗さ曲線における油溜り深さＲｖｋが０．８μｍ〜２．６μｍ、より望ましくは１．２μｍ〜２．０μｍであり、且つ負荷長さ率Ｍｒ２が７８％〜９０％、より望ましくは８０％〜８６％となるようにする。

ここで、表面の平均粗さＲａ、油溜り深さＲｖｋ及び負荷長さ率を上記の如く設定した理由を以下に述べる。

図１はホーニング加工後における溶射被膜の表面の負荷曲線を示す図である。負荷曲線は、測定曲線の高さ（切断する高さ）の方向を縦軸に、負荷長さ率ｔｐを横軸にとってプロットしたグラフである。また、負荷長さ率ｔｐは、粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、この抜き取り部分の粗さ曲線を山頂線に平行な切断レベルで切断したときに得られる切断長さの和（負荷長さ）の基準長さに対する比を百分率で表したものであり、エンジンのシリンダボア内面などの耐摩耗性や摺動性の評価に広く使用されている。

図示の負荷曲線において、負荷長さ率であるｔｐ値の差が４０％以上となる２点（Ａ，Ｂ）を通る直線の中で傾きが最も小さい直線を求め、その直線とｔｐ値０％との交点を点Ｃとし、同直線とｔｐ値１００％の交点を点Ｄとする。また、点Ｄにおける切断レベルと負荷曲線との交点を点Ｅとし、負荷曲線とｔｐ値１００％との交点を点Ｆとする。

そして、直線ＤＥ，ＤＦ及び曲線ＥＦで囲まれた面積と三角形ＤＥＧの面積とが等しくなるようなｔｐ値１００％上の点Ｇを求めたときに、点Ｄから点Ｇまでの距離が油溜り深さＲｖｋであり、点Ｅのｔｐ値が負荷長さ率Ｍｒ２である。

溶射被膜の粗さ曲線における平均粗さＲａを０．５μｍ以下としたのは、この平均粗さＲａが０．５μｍよりも大きい場合、摺動接触部分での金属接触が多くなり、相手摺動部材であるピストンやピストンリングとのフリクションの増加を引き起こすからである。したがって、フリクション低減を実現するためには、平均粗さＲａを０．５μｍ以下とすることが望ましく、さらに、平均粗さＲａを０．３５μｍ以下とすれば、より優れた性能を発揮することができる。

溶射被膜の粗さ曲線における油溜り深さＲｖｋを０．８μｍ以上としたのは、この油溜り深さＲｖｋが０．８μｍよりも小さい場合、エンジンオイルの保持性が小さくなり、相手摺動部材であるピストンやピストンリングとの耐スカッフ性の悪化を引き起こすからである。したがって、耐スカッフ性を確保するためには、油溜り深さＲｖｋを０．８μｍ以上とすることが望ましく、さらに、油溜り深さＲｖｋを１．２μｍ以上とすれば、より優れた性能を発揮することができる。

また、溶射被膜の粗さ曲線における油溜り深さＲｖｋを２．６μｍ以下としたのは、この油溜り深さＲｖｋが２．６μｍよりも大きい場合、溶射被膜の相手攻撃性が高くなり、相手摺動部材であるピストンやピストンリングとのフリクションの増加、並びに摺動接触部分の摩耗の増加を引き起こすからである。したがって、溶射被膜の相手攻撃性を小さくするためには、油溜り深さＲｖｋを２．６μｍ以下とすることが望ましく、さらに、油溜り深さＲｖｋを２．０μｍ以下とすれば、より優れた性能を発揮することができる。

溶射被膜の粗さ曲線における負荷長さ率Ｍｒ２を９０％以下としたのは、この負荷長さ率Ｍｒ２が９０％よりも大きい場合、エンジンオイルの保持性が小さくなり、相手摺動部材であるピストンやピストンリングとの耐スカッフ性の悪化を引き起こすからである。したがって、耐スカッフ性を確保するためには、負荷長さ率Ｍｒ２を９０％以下とすることが望ましく、さらに、負荷長さ率Ｍｒ２を８６％以下とすれば、より優れた性能を発揮することができる。

また、溶射被膜の粗さ曲線における負荷長さ率Ｍｒ２を７８％以上としたのは、この負荷長さ率Ｍｒ２が７８％よりも小さい場合、実機運転時のオイル消費の増大が懸念されるからである。したがって、オイル消費の増加を防ぐためには、負荷長さ率Ｍｒ２を７８％以上とすることが望ましく、さらに、負荷長さ率Ｍｒ２を８０％以上とすると、より優れた性能を発揮することができる。

本発明の内燃機関用ピストンは、少なくともピストンスカート部の摺動面に、グラファイト及びモリブデンのいずれか一方を含有する樹脂コートを形成したものとしている。この樹脂コートには、例えば、ＰＴＦＥ樹脂を用いることができる。そして、当該ピストンは、少なくともピストンスカート部の摺動面に形成した樹脂コートにより、シリンダボア内面との摺動時においてフリクション増加を防止することができ、上記シリンダブロックとの組合わせに好適である。

本発明の内燃機関用ピストンリングは、その外周部分である摺動面にクロムめっき及び窒化クロムのいずれか一方を施したものとしている。そして、当該ピストンリングは、摺動面に形成した被膜により、シリンダボア内面との摺動時においてフリクション増加を防止することができ、上記シリンダブロック及びピストンとの組合わせに好適である。

以下、本発明の実施例を比較例とともに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例及び比較例）
実施例１〜９及び比較例１〜６では、基材である炭素鋼からスカッフ評価用及びフリクション評価用の所定形状のボア試験片（シリンダボアを模擬した試験片）を切り出し、各ボア試験片の表面に、プラズマ溶射法によって鉄系溶射材料を形成した後、ホーニング加工を施して溶射被膜の表面性状を様々に異ならせた。

また、実施例１０．１１及び比較例７では、シリンダブロックを鋳造成形した後、そのシリンダボア内面に、鉄系溶射材料（鉄系金属材料）を溶滴として噴射して溶射被膜を形成した後、ホーニング加工を施して溶射被膜の表面性状を様々に異ならせた。実施例１〜１１及び比較例１〜７における溶射被膜の表面性状、すなわち粗さ曲線の平均粗さＲａ、油溜り深さＲｖｋ及び負荷長さ率Ｍｒ２を表１に示す。

また、表１に示すように、実施例１〜６及び９、並びに比較例１〜４及び６では、ボア試験片の相手摺動部材として、基材である炭素鋼から所定形状のリング試験片（ピストンリングを模擬した試験片）を切り出し、実施例１〜６及び比較例１〜４のリング試験片の摺動面にはクロムめっきを施し、実施例９のリング試験片の摺動面には窒化クロムを施し、比較例６のリング試験片の摺動面には窒化処理を施した。

なお、実施例１０，１１及び比較例７では、シリンダブロックにおけるシリンダボアの摺動相手部材であるピストンリングを用意し、これらの摺動面に窒化クロムを施した。

さらに、表１に示すように、実施例１〜８及び比較例１〜５では、ボア試験片の相手摺動部材として、基材である炭素鋼から所定形状のピストン試験片（ピストンを模擬した試験片）を切り出し、実施例１〜６及び比較例１〜４のピストン試験片の摺動面には表面処理を行わず、実施例７のピストン試験片の摺動面にはグラファイトを含有した樹脂コートを施し、実施例８のピストン試験片にはモリブデンを含有した樹脂コートを施し、比較例５のピストン試験片の摺動面には鉄めっきを施した。

なお、実施例１０，１１及び比較例７では、シリンダブロックにおけるシリンダボアの摺動相手部材であるピストンを用意し、これらのスカート部の表面にグラファイトを含有した樹脂コートを施した。

（対ピストンリングのスカッフ評価試験）
実施例１〜６及び９、並びに比較例１〜５及び６において、図２に示すように、平板状のボア試験片Ｂ１上に、環状のリング試験片Ｒ１をその軸線が垂直となるように配置し、リング試験片Ｒ１を摺動速度０．２ｍ／ｓで軸線回りに回転させると共に、ボア試験片Ｂ１に対するリング試験片Ｒ１の押付け荷重を１０ｋｇｆづつ増加させて摩擦力を測定し、摩擦力急増点をリングスカッフ荷重とした。

なお、温度は２５℃であり、ボア試験片Ｂ１とリング試験片Ｒ１との間には、初期のみに潤滑油（５Ｗ３０ＳＬ）を塗布した。

（対ピストンリングのフリクション評価試験）
実施例１〜６及び９、並びに比較例１〜５及び６において、図３に示すように、平板状のボア試験片Ｂ２上に、摺動接触面を曲面とした棒状のリング試験片Ｒ２を配置し、ボア試験片Ｂ２に対してリング試験片Ｒ２を１０ｋｇｆの荷重で押付けると共に、ボア試験片Ｂ２又はリング試験片Ｒ２の一方を摺動速度０．５ｍ／ｓで往復動させて各試験片Ｂ２，Ｒ２のリングフリクション値を測定した。

なお、温度は２５℃であり、ボア試験片Ｂ１とリング試験片Ｒ１との間には潤滑油（５Ｗ３０ＳＬ）を塗布し、試験時間を１時間とした。

（対ピストンのフリクション評価試験）
実施例１〜８及び比較例１〜５において、図４に示すように、円盤状のボア試験片Ｂ３に対して、その中心に配置した軸Ｓ及びアームＡによりブロック状のピストン試験片Ｐを保持し、ボア試験片Ｂ３に対してピストン試験片Ｐを２００ｋｇｆの荷重で押付けると共に、ボア試験片Ｂ３を摺動速度２．０ｍ／ｓで回転させて、各試験片Ｂ３，Ｐのピストンフリクション値を測定した。

なお、温度は２５℃であり、ボア試験片Ｂ１上に潤滑油（５Ｗ３０ＳＬ）を１ｇ／１０ｓｅｃの割合で滴下し、試験時間を１時間とした。

（オイル消費量の測定）
実施例１０．１１及び比較例７において、シリンダブロック、ピストンリング及びピストンを実機に組み込み、試験台上での耐久試験を実施した。運転条件は、最高速度を８０ｋｍ／ｈとし、運転時間を３０時間とした。そして、運転前後のオイル量を測定し、その差をオイル消費量とした。

上記した対ピストンリングのスカッフ評価試験、対ピストンリングのフリクション評価試験、対ピストンのフリクション評価試験、及びオイル消費量の測定の夫々の結果を表２に示す。

表２に示すように、ボア試験片における溶射被膜の表面の平均粗さＲａが０．５μｍ以下、油溜り深さＲｖｋが０．８μｍ〜２．６μｍ、負荷長さ率Ｍｒ２が７８％〜９０％のである実施例１〜６は、これらに対応する比較例１〜４と比べて、リングスカッフ荷重、リングフリクション値及びピストンフリクション値のいずれもが明らかに優れていることがわかる。

また、実施例９は、これに対応する比較例６と比べて、リングスカッフ荷重及びリングフリクション値が著しく優れていることがわかり、他の実施例と比較しても優れたリングスカッフ荷重を示している。

さらに、実施例７，８は、これらに対応する比較例５と比べて、ピストンフリクション値が明らかに優れていることがわかり、他の実施例と比較しても優れたピストンフリクション特性を示すと言える。

さらに、実施例１０，１１は、これらに対応する比較例７と比べて、オイル消費量が少ないことが明らかとなった。

溶射被膜の表面の負荷曲線を説明する図である。 対ピストンリングのスカッフ評価試験装置を示す説明図である。 対ピストンリングのフリクション評価試験装置を示す説明図である。 対ピストンのフリクション評価試験装置を示す説明図である。

Claims (4)

1. シリンダボア内面に溶射被膜を形成した後にホーニング加工を施した内燃機関用シリンダブロックであって、溶射被膜の材料として鉄系溶射材料を用いると共に、ホーニング加工後における溶射被膜の表面の平均粗さＲａが０．５μｍ以下であり、且つ粗さ曲線における油溜り深さＲｖｋが０．８μｍ〜２．６μｍであり、且つ負荷長さ率Ｍｒ２が７８％〜９０％であることを特徴とする内燃機関用シリンダブロック。
2. ホーニング加工後における溶射被膜の表面の平均粗さＲａが０．３５μｍ以下であり、且つ粗さ曲線における油溜り深さＲｖｋが１．２μｍ〜２．０μｍであり、且つ負荷長さ率Ｍｒ２が８０％〜８６％であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用シリンダブロック。
3. 請求項１又は２に記載の内燃機関用シリンダブロックのシリンダボア内面に対して摺動相手部材となるピストンにおいて、ピストンスカート部にグラファイト及びモリブデンのいずれか一方を含有する樹脂コートを施したことを特徴とする内燃機関用ピストン。
4. 請求項１又は２に記載の内燃機関用シリンダブロックのシリンダボア内面に対して摺動相手部材となるピストンリングにおいて、摺動面にクロムめっき及び窒化クロムのいずれか一方を施したことを特徴とする内燃機関用ピストンリング。

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