JP2700421B2

JP2700421B2 - 内燃機関用シリンダライナ及びその製造法

Info

Publication number: JP2700421B2
Application number: JP2216191A
Authority: JP
Inventors: 和徳水谷
Original assignee: 帝国ピストンリング株式会社
Priority date: 1990-08-16
Filing date: 1990-08-16
Publication date: 1998-01-21
Anticipated expiration: 2013-01-21
Also published as: JPH0499883A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」本発明は、特にディーゼルエンジンの内燃機関用シリ
ンダライナとして有用な、内燃機関シリンダライナ及び
その製造法に関する。

「従来の技術」近年、内燃機関に関して、高速、高出力化の要求のほ
かに、長寿命化、低公害化の要求が強まっている。

高速、高出力化の要求に対しては、高過給化やボアア
ップにより排気量を増大させる等の対応がなされ、低公
害化の要求に対しては、例えば、EGRの採用などによる
対応がなされようとしている。

しかし、ボアアップや軽量化のために、シリンダライ
ナは、シリンダライナ肉厚を減少させる傾向にあるた
め、鍔飛び防止の観点などから、シリンダライナ素材の
強度の向上が望まれている。また、シリンダライナの肉
厚を薄くすると、シリンダライナのジャケット部のキャ
ビテーション腐食が起こり易くなるため、外周部にクロ
ムめっきを施す等の対策がとられている。

また、内燃機関の長寿命化の対策として、耐腐食性の
向上も検討されている。特に、ディーゼルエンジンにお
いては、軽油または重油を燃料として使用していること
から、運転条件によっては、燃焼室で硫酸等が生成さ
れ、また、近年、排気ガス対策のために使用が検討され
ているアルコール燃料の場合においては、ギ酸が生成さ
れるため、シリンダライナが著しく腐食摩耗を受けるこ
とがあるので、耐腐食性の向上が強く望まれている。

上記したような、強度が高く、キャビテーション腐
食、及び硫酸、ギ酸等による腐食摩耗に対する抵抗性を
満足させるシリンダライナ素材として、従来の鋳鉄に代
えて、ステンレス鋼を用いることが考えられる。しか
し、ステンレス鋼は、そのままの表面では、耐摩耗性材
料としては使用不可能である。

一方、特公昭55−8309等に、鋳鉄又は軟鋼製の摺動面
に、SiC等のような硬質粒子を含有するスラリー又はペ
ーストを用いてラッピングして、表面に硬質粒子を分
散、埋設させて、耐摩耗性、耐スカップ性を向上させる
方法が開示されている。

「発明が解決しようとする課題」しかしながら、特公昭55−8309等に開示された方法
は、鋳鉄、軟鋼製等一部の内燃機関のシリンダライナに
応用されているが、ステンレス鋼のような高合金鋼の場
合、硬質粒子の脱落の危険性が高いという問題点を有す
るため、応用されていない。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、その目
的は、強度が高く肉薄にすることが可能で、耐腐食性に
優れたステンレス鋼の表面に、硬質粒子を埋設させて耐
摩耗性、耐スカッフ性を付与し、しかも硬質粒子の脱落
を防止して、強度、耐腐食性、耐キャビテーション性、
摺動特性、耐久性に優れ、すなわち、高速、高出力化、
及び長寿命化の要求に対応でき、特に、ディーゼルエン
ジン用として有用な内燃機関用シリンダライナ及びその
製造法を提供することにある。

「課題を解決するための手段」上記目的を達成するため、本発明の内燃機関用シリン
ダライナは、ステンレス鋼からなる母材の少なくとも内
周面に窒化層が形成され、該窒化層の内周面に、SiC、A
l₂O₃、Cr₂O₃、Si₃N₄から選ばれた一種以上からなる硬質
粒子が、分散、埋設されていることを特徴とする。

また、本発明の内燃機関用シリンダライナの製造法
は、ステンレス鋼からなるシリンダライナ素材の少なく
とも内周面を窒化処理して窒化層を形成した後、該窒化
層の内周面を、SiC、Al₂O₃、Cr₂O₃、Si₃N₄から選ばれた
一種以上からなる硬質粒子を含有するスラリーでラッピ
ングして、硬質粒子の分散、埋設させることを特徴とす
る。

以下、本発明について好ましい態様を挙げて詳細に説
明する。

本発明においては、まず、ステンレス鋼の鋼管から、
完成加工代を見込んでディーゼルエンジンのシリンダラ
イナ素材を作成する。ステンレス鋼としては、オーステ
ナイト系、フェライト系、マルテンサイト系のいずれで
も本発明は実施できるが、耐食性の見地から炭素量の低
い方がより好ましい。

次に、ステンレス鋼からなるシリンダライナ素材の少
なくとも内周面を窒化処理する。窒化処理の方法として
は、塩浴軟窒化法、ガス窒化法、ガス軟窒化法のいずれ
の方法によってもよい。

窒化層の最表面に形成される窒素濃度の高い化合物層
は、脆く、この部分に硬質粒子を埋設させると脱落の危
険性が高くなるので、ホーニング加工等により、いわゆ
るポーラス層を除去しておくことが好ましい。また、窒
化層の厚さは、３〜15μｍが好ましく、表面硬さは、Hv
700以上が好ましい。

次いで、窒化層の内周面を、硬質粒子を含有するスラ
リーでラッピングして硬質粒子を分散、埋没させる。ラ
ッピングの方法は、通常の方法でよいが、硬質粒子とし
ては、SiC、Al₂O₃、Cr₂O₃、Si₃N₄から選ばれた一種以上
が用いられる。硬質粒子の粒径は、50〜70μｍが好まし
い。

また、硬質粒子は、窒化層の表面に、均一に分散させ
て、埋設させるのが好ましく、埋め込み粒子サイズは３
〜20μｍ、粒子間隔は５〜20μｍが好ましい。

「作用」本発明のシリンダライナは、母材がステンレス鋼であ
るので、耐腐食性、耐キャビテーション性に優れ、ま
た、従来用いられている鋳鉄に比べて強度が高いので、
シリンダライナの肉厚を薄くして軽量にすることができ
る。

更に、内周面に硬質粒子を分散、埋設させることによ
り、そのままではまったく摺動材として使用することが
できないステンレス鋼に、優れた摺動特性を付与するこ
とができる。

そして、ステンレス鋼からなるシリンダライナ素材の
内周面を窒化処理して窒化層を形成した後、硬質粒子を
埋め込むので、硬質粒子の脱落を防止することができ
る。

したがって、肉薄にして軽量にすることが可能で、耐
腐食性、耐キャビテーション性に優れることから耐久性
に優れ、摺動特性にも優れたシリンダライナを得ること
ができる。

「実施例」第１図、第２図には、本発明の内燃機関用シリンダラ
イナの一実施例が示されている。

シリンダライナ１の内周面２は、ステンレス鋼からな
る母材５の内周面に、窒化層３が形成され、その表面
に、硬質粒子４が分散、埋没された状態となっている。

このシリンダライナは以下のようにして製造した。

SUS403のステンレス鋼の鋼管から、内径140mmの大型
トラック用ディーゼルエンジンのシリンダライナ素材
を、常法により、完成加工代を見込んで作成した。

このシリンダライナ素材の内周面に、タフトライド法
（塩浴軟窒化法）により、570℃で、２時間窒化処理を
行ない、拡散層の厚さ0.1mm、窒素濃度の高い化合物層
の厚さ10μｍの窒化層を形成した。次いで、ホーニング
加工により、窒素濃度の高い化合物層を除去した。この
ようにして得られたシリンダライナの内周面の表面硬さ
はHv750であった。

次に、鋳鉄製のホーニングシューを用いて、SiC粒子
を含有するスラリーで、シリンダライナの内周面をラッ
ピング加工して、SiC粒子を窒素拡散層に分散、埋没さ
せて摺動面を形成して、大型トラック用ディーゼルエン
ジンのシリンダライナを得た。

試験例１（キャビテーション試験）ねずみ鋳鉄（FC30）、球場黒鉛鋳鉄（FCD50）、炭素
鋼鋳鋼（SC46）、機械構造用炭素鋼鋼管（STKM50）、ス
テンレス鋼（SUS403）、クロームめっき品製のキャビテ
ーション試験片を作成して、キャビテーション試験を行
なった。試験条件は、以下の通りである。

試験機：磁歪式超音波キャビテーション試験機周波数 :6.7kHz 振幅 :20〜90μｍ試験時間 :2時間キャビテーション試験の損傷による重量減少を第３図
に示す。なお、第３図において、ねずみ鋳鉄はFC、球場
黒鉛鋳鉄はD.C.I.、炭素鋼鋳鋼は鋳鋼、機械構造用炭素
鋼鋼管はSTKM50、ステンレス鋼はSUS403、クロームめっ
き品はクロームめっきと表わした。

第３図のキャビテーション試験結果から、ステンレス
鋼（SUS403）は、クロームめっき品に比べると若干損傷
重量が多いものの、他の材料と比較すると、耐キャビテ
ーション性が格段に優れていることがわかる。

試験例２（摩耗試験）ねずみ鋳鉄製のシリンダライナステンレス鋼（SUS403）に窒化処理したシリンダライ
ナステンレス鋼（SUS403）にSiCを埋設させたシリンダ
ライナステンレス鋼（SUS403）に窒化処理した後、SiCを埋
設させたシリンダライナを作成した。なお、ステンレス鋼は実施例で用いたもの
と同様のものであり、窒化処理、及び硬質粒子であるSi
Cを埋設させる方法は、実施例と同様にした。すなわ
ち、は実施例品に相当し、〜は比較例に相当す
る。

〜のシリンダライナから、第４図に示す形状の下
側試験片11を切り出した。一方、鋼製ピストンリング材
料にクロームめっきを施して、φ８、先端球面R18、表
面バフ仕上げのクロームめっきピンである上側試験片12
を作成し、これを摺動相手材として、往復動摩耗試験機
により、摩耗試験を行なった。試験条件は、以下の通り
である。

潤滑油 :10W（クランクケースオイル）ならし期間加重 :2Kg重速度 :100cpm（１サイクルは100mm）試験時間:5分間試験期間加重 :10Kg重速度 :600cpm 試験時間:60分間下側試験片（シリンダライナ）〜の摩耗量を第５
図に、上側試験片（リング）の摩耗量を第６図に示す。

従来のディーゼルエンジンのシリンダライナとして用
いられているねずみ鋳鉄製のの試験片の摩耗量を1.0
とした場合、下側試験片〜の相対値は、：：
：＝1.0:0.61:0.30:0.35であった。また、同様に
を基準とした場合、上側試験片の相対値は、：：
：＝1.0:0.50:1.80:0.52であった。

第５図及び第６図の結果から、本発明の実施例品であ
るは、自身の摩耗量と、相手材の摩耗量とを総合して
判断したとき、〜より摺動特性が優れていることが
わかる。

「発明の効果」以上説明したように、本発明の内燃機関用シリンダラ
イナは、強度、耐腐食性、耐キャビテーション性に優れ
たステンレス鋼を母材として用い、その内周面に窒化層
を形成した後、硬質粒子を分散埋設させて摺動特性を付
与し、かつ、硬質粒子の脱落がおこらにようにしている
ので、シリンダライナの肉厚を薄くして軽量にしても、
耐久性、摺動特性に優れ、すなわち、高速、高出力化、
及び長寿命化の要求に対応できるシリンダライナを得る
ことができる。したがって、本発明のシリンダライナ
は、特にディーゼルエンジン用として有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の内燃機関用シリンダライナの一実施例
を示す部分拡大断面図、第２図は同シリンダライナの全
体を示す断面図、第３図はキャビテーション試験におけ
る損傷重量を示す図表、第４図は摩耗試験における下側
試験片と上側試験片の形状を示す説明図、第５図は摩耗
試験における下側試験片の摩耗量比を示す図表、第６図
は摩耗試験における上側試験片の摩耗量比を示す図表で
ある。図中、１はシリンダライナ、２は内周面、３は窒化層、
４は硬質粒子、５はステンレス鋼からなる母材である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ステンレス鋼からなる母材の少なくとも内
周面に窒化層が形成され、該窒化層の内周面に、SiC、A
l₂O₃、Cr₂O₃、Si₃N₄から選ばれた一種以上からなる硬質
粒子が、分散、埋設されていることを特徴とする内燃機
関用シリンダライナ。
【請求項２】ステンレス鋼からなるシリンダライナ素材
の少なくとも内周面を窒化処理して窒化層を形成した
後、該窒化層の内周面を、SiC、Al₂O₃、Cr₂O₃、Si₃N₄か
ら選ばれた一種以上からなる硬質粒子を含有するスラリ
ーでラッピングして、該硬質粒子を分散、埋設させるこ
とを特徴とする内燃機関用シリンダライナの製造法。