JP3175956U - ディーゼル機関等のピストンロッド - Google Patents

Abstract

【課題】摺動面に摩耗が生じたピストンロッドの外周摺動面に所要の肉盛溶接用の溶着金属を被覆して、耐久性の向上をはかったディーゼル機関等のピストンロッドを提供する。
【解決手段】船舶のディーゼル機関等のピストンシリンダ内を往復運動をして摩耗するピストンロッドの耐久性を向上するもので、摺動状態で使用されて摺動面に摩耗が生じるピストンロッドの外周摺動面を炭素当量Ｃｅｑ（％）に対して予熱温度ＰＴ（℃）＝Ｃｅｑ×Ｋ（Ｋ＝３５０〜５００）に予熱して高硬化肉盛用の溶着金属を被覆する。また、肉盛溶接後に応力除去焼鈍を施工してピストンロッドの外周摺動面を表面から１．０ｍｍ以上の深さにわたって硬度ＨＢ２３０以上としてピストンロッドを形成する。
【選択図】図２

Description

本考案は、船舶分野におけるディーゼル機関やガソリン機関等のピストンロッドに関するものである。

船舶の大型のクロスヘッド型ディーゼル機関等では、ピストンの下部にピストンロッドを連結し、ピストンとともにシリンダ内とクランクケース内を上下に往復運動している。そして、シリンダケースとクランクケースとの境界にパッキンボックスを設置して、爆発による燃焼生成物がクランクケース内に侵入しないようしている。

しかし、このパッキンボックスのパッキンがピストンロッドの外周面を摩耗して、ついにはシール効果がなくなり、シリンダ内の爆発による燃焼生成物がクランクケース内に侵入し、機関の潤滑油を劣化させて潤滑油として使用に耐えなくさせたりするものであった。

そのため、ピストンロッドの外周面を高周波焼き入れ等で表面処理を施工し、表面硬度を高くして耐摩耗化をはかることが実施されている。しかし、従来、そのピストンロッドの外周面の表面硬度は、パッキンボックスのパッキン硬度に対応した硬度が選択されて設計されており、おおむねＨＢ２３０〜２７０やＨＢ３４０〜３７０、ＨＢ３８０〜４２０程度で、その表面硬度は表面から０．５ｍｍ以下のものであり、これがピストンロッドの使用寿命を短くしていた。

また、摩耗限界に達したピストンロッドのロッド外周面を削正加工し、ピストンロッドもパッキンボックスのパッキンも小径の異径サイズのものにして使用継続することも行われていた。しかし、この場合、他のシリンダとの互換性がなくなるとともに、メンテナンスの管理が煩雑となる。また、修理費用が膨大になり、かつ、異径サイズのピストンロッドに修理可能寸法に限界がある。さらに、溶射による補修も考えられるが、使用中に表層剥離につながるケースがあり、信頼性に欠ける等の課題があった。

本考案者らは、実用新案登録第３１５１７２９号公報のように、摺動面に摩耗が生じたピストンロッドの外周摺動面に所要の肉盛溶接用の溶着金属を被覆して、耐久性の向上をはかることを提案している。

このように摩耗が生じたピストンロッドの外周摺動面に所要の肉盛溶接用の溶着金属を被覆すると、再び航行が可能となるが、エンジンメーカーや顧客の要望である条件に応えられるものでなく、エンジンメーカーや顧客の要望であるピストンロッドに対する半永久的寿命といった条件に応えられるものを開発するのが課題であった。

本考案は、上記のような点に鑑みたもので、上記の課題を解決するために、ディーゼル機関等のピストンロッドであって、摺動状態で使用されて摺動面に摩耗が生じるピストンロッドの外周摺動面を炭素当量Ｃｅｑ（％）に対して予熱温度ＰＴ（℃）＝Ｃｅｑ×Ｋ（Ｋ＝３５０〜５００）に予熱して高硬化肉盛用の溶着金属を被覆し、肉盛溶接後に応力除去焼鈍を施工してピストンロッドの外周摺動面を表面から１．０ｍｍ以上の深さにわたって硬度ＨＢ２３０以上としたピストンロッドを形成したことを特徴とするディーゼル機関等のピストンロッドを提供するものである。

また、溶接棒として、Ｓ４５Ｃ−Ｎ、Ｓ５５Ｃ−Ｎを含む機械構造用炭素鋼材、ＳＦ４９０Ａ、ＳＦ５９０Ａを含む炭素鋼鍛鋼材、Ｓ３０Ｈ、Ｓ３０Ｍｎを含む機械構造用合金鋼鋼材に対応または硬化肉盛溶接用相当の溶接棒を使用してピストンロッドの外周摺動面を表面から２．０ｍｍ以上の深さにわたって肉盛溶接したディーゼル機関等のピストンロッドを提供するものである。

さらに、ピストンロッドに空気の影響を受けさせないで真空炉を利用、または酸素や水素の影響を受けさせないように不活性ガス雰囲気で応力除去焼鈍処理を施工したディーゼル機関等のピストンロッドを提供するものである。

さらにまた、ピストンロッドの外周摺動面を硬度ＨＢ３００〜５００の肉溶接盛を施工したディーゼル機関等のピストンロッドを提供するものである。

さらにまた、市販の丸型圧延鋼材若しくは市販の丸型鍛造鋼材を所定の長さに輪切りに切断し、鍛造工程を加えずに熱処理前の機械加工を施して所要のピストンロッド形状に形成し、830 〜880 ℃から急冷焼入れ処理を施工し、530 〜630 ℃から急冷焼戻しを施工してピストンロッドを形成したものを溶接肉盛補修するものであるディーゼル機関等のピストンロッドを提供するものである。

本考案のディーゼル機関等のピストンロッドは、請求項１のように、ディーゼル機関等のピストンロッドであって、摺動状態で使用されて摺動面に摩耗が生じるピストンロッドの外周摺動面を炭素当量Ｃｅｑ（％）に対して予熱温度ＰＴ（℃）＝Ｃｅｑ×Ｋ（Ｋ＝３５０〜５００）に予熱して高硬化肉盛用の溶着金属を被覆し、肉盛溶接後に応力除去焼鈍を施工してピストンロッドの外周摺動面を表面から１．０ｍｍ以上の深さにわたって硬度ＨＢ２３０以上としたピストンロッドを形成したことことによって、ピストンロッドの外周摺動面を表面から１．０ｍｍ以上の深さにわたって硬度ＨＢ２３０の硬いものとでき、摺動面に耐摩耗性を格段に向上できて、耐久性の向上がはかれ、メーカーや顧客の要望である半永久的寿命といった目標に近い条件に応えられるようにできる。

また、請求項２のように、溶接棒として、Ｓ４５Ｃ−Ｎ、Ｓ５５Ｃ−Ｎを含む機械構造用炭素鋼材、ＳＦ４９０Ａ、ＳＦ５９０Ａを含む炭素鋼鍛鋼材、Ｓ３０Ｈ、Ｓ３０Ｍｎを含む機械構造用合金鋼鋼材に対応または硬化肉盛溶接用相当の溶接棒を使用してピストンロッドの外周摺動面を表面から２．０ｍｍ以上の深さにわたって肉盛溶接したことによって、ピストンロッドの外周摺動面を表面から２．０ｍｍ以上の深さにわたって硬いものとでき、摺動面の耐摩耗性を格段に向上できて、メーカーや顧客の要望である半永久的寿命といった目標に応えられるようにできる。

さらに、請求項３のように、ピストンロッドに空気の影響を受けさせないで真空炉を利用、または酸素や水素の影響を受けさせないように不活性ガス雰囲気で応力除去焼鈍処理を施工したことによって、焼戻しでの製品表面の酸素や水素の含浸を回避できて、酸素や水素による製品への弊害を避けられ、各種ディーゼル機関の内燃機関のピストンロッドの強度や硬度のばらつきによる破損、製品表面の酸素や水素含有に起因する水酸化物等による破損、炭化物形成に起因する破損を防止できる。

さらに、請求項４のように、ピストンロッドの外周摺動面を硬度ＨＢ３００〜５００の肉盛溶接を施工したことによって、ピストンロッドの外周摺動面を硬度ＨＢ３００〜５００の硬いものとでき、摺動面の耐摩耗性を格段に向上できて、耐久性の向上がはかれる。

またさらに、請求項５のように、市販の丸型圧延鋼材若しくは市販の丸型鍛造鋼材を所定の長さに輪切りに切断し、鍛造工程を加えずに熱処理前の機械加工を施して所要のピストンロッド形状に形成し、830 〜880 ℃から急冷焼入れ処理を施工し、530 〜630 ℃から急冷焼戻しを施工してピストンロッドを形成したものであることによって、ピストンロッド用に均一な組織の鋼材を確保し、製品の各部位でばらつきのない強靱性を確保し、各種ディーゼル機関等の鍛鋼製ピストンヘッドの強度や硬度のばらつきによる破損を防止できる信頼性のあるピストンロッドを形成でき、上記のように肉盛溶接もできる。

本考案の一実施例の船舶のディーゼル機関のピストンロッドの側面図、 同上の肉盛溶接の概要説明図、 同上の肉盛溶接後の応力除去焼鈍の概要説明図。

本考案のディーゼル機関等のピストンロッドは、ディーゼル機関等のピストンロッドであって、摺動状態で使用されて摺動面に摩耗が生じるピストンロッドの外周摺動面を炭素当量Ｃｅｑ（％）に対して予熱温度ＰＴ（℃）＝Ｃｅｑ×Ｋ（Ｋ＝３５０〜５００）に予熱して高硬化肉盛用の溶着金属を被覆し、肉盛溶接後に応力除去焼鈍を施工してピストンロッドの外周摺動面を表面から１．０ｍｍ以上の深さにわたって硬度ＨＢ２３０以上としたピストンロッドを形成したことを特徴としている。

表１ ピストンロッド１の化学成分表

ピストンロッド１は、図１のようにロッド２が摺動するパッキンボックス内のパッキンやブッシュ等で摩耗される船舶の大型のクロスヘッド型ディーゼル機関のピストンロッドに適用できる。その材質としては、高負荷や過酷な使用状態での耐久性が必要なことから、表１のようにＳ４５Ｃ、Ｓ５５Ｃを含む機械構造用炭素鋼材や、ＳＦ４９０Ａ、ＳＦ５９０Ａを含む炭素鋼鍛鋼材、Ｓ３０Ｈ、Ｓ３０Ｍｎを含む機械構造用合金鋼鋼材が適用できる。

船舶で使用されているクロスヘッド型ディーゼル機関の１００〜５００ｍｍ径、１０００〜４０００ｍｍ長さ等のピストンロッド１は、３〜５年使用されると、ロッド１の外周摺動面が１〜４ｍｍ程減耗し、継続して使用するのに差し支えが生じる。そのため、荒削り下地加工したピストンロッド１にサブマージアーク等の溶接で所要の硬化肉盛溶接用の溶着金属を肉盛溶接して被覆するものである。

ピストンロッド１としては、Ｓ４５Ｃ−Ｎ、Ｓ５５Ｃ−Ｎを含む機械構造用炭素鋼材、ＳＦ４９０Ａ、ＳＦ５９０Ａを含む炭素鋼鍛鋼材、Ｓ３０Ｈ、Ｓ３０Ｍｎを含む機械構造用合金鋼鋼材を使用するもので、表１のようにＳ４５Ｃ−Ｎ、Ｓ５５Ｃ−Ｎの機械構造用炭素鋼材、ＳＦ４９０Ａ、ＳＦ５９０Ａの炭素鋼鍛鋼材、Ｓ３０Ｈ、Ｓ３０Ｍｎの機械構造用合金鋼鋼材のものについて、該当する溶着金属材料に化学成分Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｏを含んだものを使用する。従来のものでは、表面硬度が高くならず、溶着金属材料の化学成分にＷやＶを加えて、確性試験をした結果、表２に示す溶接棒Ｇ５０／ＵＳ−Ｈ２５０Ｎ〜Ｇ５０／ＵＳ−Ｈ５００Ｎ（いずれも神戸製鋼製品）を使用することによって、エンジンメーカや顧客の要望を達成できることが判明した。表面硬度はＨＢ２３０以上で、表面深さ１．ｍｍ以上、好ましくは２．０ｍｍ以上、好ましくはＨＢ３００〜５００、より好ましくはＨＢ３９０〜５００である。

表２は、上記表１に対応した溶接装置３による肉盛溶接の硬化肉盛溶接用の溶着金属の化学成分表である。
表２ ピストンロッドの溶接棒の化学成分表

サブマージアーク等の溶接としては、図２のようにピストンヘッド２を取り外して溶接装置３でフラックス／溶接棒Ｇ５０／ＵＳ−Ｈ２５０Ｎ〜Ｇ５０／ＵＳ−Ｈ５００Ｎ等の硬化肉盛溶接用の溶着金属４をピストンロッド１に肉盛溶接するもので、ピストンロッド１を水平ローラ５に搭載して一端部を旋回装置６に装着し、溶接ノズル７の前方側に予熱用バーナやヒータ等の加熱手段８を１ないし複数個を一定間隔等に拡縮装置等を介したりしてロッド１の表面に対向して配設し、キャリッジ９に搭載して所要の速度で走行駆動自在とした溶接ノズル７の送り込み量に相対的に対応して所要の予熱温度を保持して肉盛溶接できる。

たとえば、ピストンロッド１の炭素当量について、Ｃｅｑ（％）＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋（Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖ）／５＋（Ｎｉ＋Ｃｕ）／１５ の算出式で算出し、溶接肉盛するロッド１の予熱温度として、ＰＴ（℃）＝Ｃｅｑ×Ｋ（Ｋ＝３５０〜５００）式で基本的に算出して予熱して肉盛溶接するものである。そして、溶接肉盛後に直ちに６００±１０℃で１．５〜２．０時間の応力除去焼鈍し、処理後保温材中で約５〜１０Ｈｒ保温冷却処理して行える。

このようにピストンロッド１の炭素当量に対応して所要の予熱温度、応力除去焼鈍の熱処理を行って、所要の表面硬化ができることが分かり、ディーゼル機関等のピストンロッド１の耐久性の向上がはかれる。

図１以下は、本考案の一実施例で、大型船舶のディーゼル機関のピストンロッド１に実施したものである。

溶接装置３による肉盛溶接は、図２のようにピストンヘッド２をはずして所定の荒削り下処理したピストンロッド１を水平ローラ５に搭載し、旋回装置６で一定の回転速度で回転駆動し、溶接ノズル７の前方側に予熱用バーナの加熱手段８をピストンロッド１の表面に対向して溶接ノズル７の送り込み量を調整して対応して肉盛溶接した。溶接装置３は、交流アーク電流を使用し、下向き、単パス、溶接電流４００〜４２０Ａ、溶接電圧３０〜３５Ｖ、溶接速度約５８ｃｍ／ｍｉｎの自動溶接で行った。

溶接装置３としては、溶接するピストンロッド１の炭素当量として、上記した算出式のＣｅｑにもとずいた予熱温度の２２０〜２５０℃で加熱し、溶接ノズル７に上記した所要の溶接棒、フラックスの溶接材料を供給し、ピストンロッド１の表面を表面温度計１１で表面温度を測定して予熱温度を確認しながらＳＦ５９０Ａ、３００ｍｍ径、２５００ｍｍ長さのピストンロッド１の外周摺動面に１層〜３層で溶着金属４を被覆した。そして、図３のように肉盛溶接後直ちに６００±１０℃で１．５〜２．０時間の応力除去焼鈍し、直ちに保温材中で約５Ｈｒ保温冷却を行った。

表３ ピストンロッドの肉盛溶接と表面硬化状態の対照表

溶接肉盛後、上記のようにして熱処理をし、保温徐冷を施し、所定の精度に仕上げ研磨し、外観検査、非破壊検査を行った。その結果、表面硬度は表３のとおりで、外観、内部の状況は良好で、品質も十分に保証できるものであった。

ピストンロッド１の肉盛溶接として、１層ないし３層の多層の溶接肉盛とすることができ、その結果は表３のとおりで、１層ないし３層でも、そう大差はなかったが、必要により多層の肉盛溶接ができる。

従来、各種ピストンロッドについて、設計標準が示され、高周波焼き入れして、その表面硬度はＨＢ１８０〜１８３やＨＢ４００以上とされている。従来では、Ｇ５０／ＵＳ−Ｈ２５０Ｎ、Ｇ５０／ＵＳ−Ｈ３５０Ｎでは、いずれもその表面硬度はＨＢ４００以下であった。しかし、表３のようにＧ５０／ＵＳ−Ｈ４００Ｎでは、１層の肉盛溶接でもＨＢ３９０あり、２層、３層の肉盛溶接ではＨＢ４００、ＨＢ４１５で、これらのいずれも２．０ｍｍ以上の表面深さを有するものであり、マクロ組織も全層とも良好であった。表面硬度はＨＢ３９０以上で、１．ｍｍ以上あればよく、２．０ｍｍ以上あれば十分であると言える。表面硬度はＨＢ２３０以上、好ましくはＨＢ３００〜５００、より好ましくはＨＢ３９０〜５００である。

上記では、サブマージアークの溶接について述べたが、被覆アーク溶接、ＭＩＧ溶接、ティグ溶接、炭酸ガスアーク溶接、プラズマアーク溶接等にも適用でき、またピストンロッドとしては炭素鋼鍛鋼品の高炭素鋼のものについて説明したが、機械構造用炭素鋼の合金鋼の高炭素鋼のものについても適用できる。さらに、新規のものだけでなく、必要により補修のものについても、ピストンロッドの外周面に上記のようにして肉盛溶接して耐久性を向上させることができる。

上記では、表１のように炭素量が０．２３％以上、炭素当量が０．４１％を超える鍛造工程を経た鋼材について説明したが、市販の丸型圧延鋼材若しくは市販の丸型鍛造鋼材の鋼材の素材を輪切り状に切断して、鍛造工程を経ずに製造するピストンロッドについても適用でき、また酸素や水素の影響を受けさせないように窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気で応力除去焼鈍の熱処理を施工することも適用可能である。

本考案のピストンロッドは、上記した船舶のディーゼル機関やガソリン機関等のピストンロッドのパッキンやブッシュ等でロッド外周面が摺動して減耗し、再利用されるもの等に利用できる。

１…ピストンロッド ２…ピストンヘッド ３…溶接装置 ４…溶接金属

実用新案登録第３１５１７２９号公報

Claims (5)

1. ディーゼル機関等のピストンロッドであって、摺動状態で使用されて摺動面に摩耗が生じるピストンロッドの外周摺動面を炭素当量Ｃｅｑ（％）に対して予熱温度ＰＴ（℃）＝Ｃｅｑ×Ｋ（Ｋ＝３５０〜５００）に予熱して高硬化肉盛用の溶着金属を被覆し、
   肉盛溶接後に応力除去焼鈍を施工してピストンロッドの外周摺動面を表面から１．０ｍｍ以上の深さにわたって硬度ＨＢ２３０以上としたピストンロッドを形成したことを特徴とするディーゼル機関等のピストンロッド。
2. 溶接棒として、Ｓ４５Ｃ−Ｎ、Ｓ５５Ｃ−Ｎを含む機械構造用炭素鋼材、ＳＦ４９０Ａ、ＳＦ５９０Ａを含む炭素鋼鍛鋼材、Ｓ３０Ｈ、Ｓ３０Ｍｎを含む機械構造用合金鋼鋼材に対応または硬化肉盛溶接用相当の溶接棒を使用してピストンロッドの外周摺動面を表面から２．０ｍｍ以上の深さにわたって肉盛溶接した請求項１に記載のディーゼル機関等のピストンロッド。
3. ピストンロッドに空気の影響を受けさせないで真空炉を利用、または酸素や水素の影響を受けさせないように不活性ガス雰囲気で応力除去焼鈍処理を施工した請求項１または２に記載のディーゼル機関等のピストンロッド。
4. ピストンロッドの外周摺動面を硬度ＨＢ３００〜５００の肉盛溶接を施工した請求項１ないし３のいずれかに記載のディーゼル機関等のピストンロッド。
5. 市販の丸型圧延鋼材若しくは市販の丸型鍛造鋼材を所定の長さに輪切りに切断し、鍛造工程を加えずに熱処理前の機械加工を施して所要のピストンロッド形状に形成し、830 〜880 ℃から急冷焼入れ処理を施工し、530 〜630 ℃から急冷焼戻しを施工してピストンロッドを形成したものを溶接肉盛補修するものである請求項１ないし４のいずれかに記載のディーゼル機関等のピストンロッド。

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