JP3595420B2

JP3595420B2 - 二層シリンダライナ及びその製造方法

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Publication number: JP3595420B2
Application number: JP28010796A
Authority: JP
Inventors: 啓納富; 好美上戸; 昭彦松井
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1996-09-30
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2016-09-30
Also published as: JPH10103150A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関等の往復動機関に使用されるシリンダライナのうち、材質の異なる筒状の外層材と筒状の内層材とを組合わせてなる二層シリンダライナ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
図８は、大型ディーゼル機関用シリンダライナの従来の一例を示す外観図である。
かかるシリンダライナ１は、内面１ａがピストンリング（図示せず）と摺接し、外面１ｂが冷却水と接しており、従来、一般に普通鋳鉄、ダクタイル鋳鉄（球状黒鉛鋳鉄）等の一体鋳造にて製作されていた。
【０００３】
かかる鋳鉄製一体型シリンダライナの材質の一例として、Ｃ（炭素）＝４〜５％、Ｓｉ（珪素）＝３〜５％、Ｍｎ（マンガン）＝１〜２％、Ｐ（リン）＝１％、Ｆｅ（鉄）＝残部から成る高リン系鋳鉄ライナがある。
また、この一体型シリンダライナは、鋳放し後、５００〜６００℃の残留応力除去の熱処理（ＳＲ処理）を施している。
【０００４】
しかしながら、前記従来の一体型鋳鉄シリンダライナにあっては、次のような問題点を抱えている。
【０００５】
（１）かかる一体型鋳鉄ライナにあっては、大型（シリンダ内径１０００ｍｍクラス）で厚肉（ライナ壁厚さ１５０〜２００ｍｍ程度）のライナの場合、鋳造後の冷却速度が不均一となるため、鋳物組織が不均一となり、強度低下部分が発生することが多々である。
このため、高強度を必要とする大出力エンジンに使用するには、満足な強度が得られ難い。
【０００６】
（２）また、該シリンダライナは、内面をピストンリングが摺動するため、高い耐摩耗性と耐焼付性を必要とするが、従来の一体型鋳鉄ライナでは、鋳造性及び鋳造の品質の制約から、かかる性質を充分に備えたものを製作するのは困難な面があった。
【０００７】
さらには、前記一体型鋳鉄ライナは、鋳造性の面からＣ（炭素）＝３〜４％の含有が限界であり、特に構成成分を変化させたり、熱処理によって硬さや片状黒鉛組織を調整することは困難で、高強度が要求される大型高出力エンジンに対応できる材料強度の確保に困難な面がある。
【０００８】
本発明は前記従来技術の課題に鑑みて、摺動面が高い耐焼付性、耐摩耗性を有するとともに、母材が従来の鋳鉄製ライナを大幅に上廻る強度を有し、かつ製造コストが低減されたシリンダライナであって、大型ディーゼル機関用として好適なシリンダライナを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる技術的課題を解決するために、筒状の外層材の内側に、内周にピストンの摺動面が形成される筒状の内層材を固定してなる二層シリンダライナであって、
前記外層材は、炭素鋼、低合金鋼等の溶接可能な鋼材にて構成され、
前記内層材は、摺動性能の良好なＣ（炭素）−Ｓｉ（珪素）−Ｆｅ（鉄）系の鋳鉄系材料を前記外層材に粉体プラズマ肉盛溶接して構成されたことを要旨とする二層シリンダライナを提案する。
【００１０】
具体的には前記二層シリンダライナにおいて、前記内層材の鋳鉄系材料を、少なくともＣ（炭素）＝４．５〜５．５％、Ｓｉ（珪素）＝２〜３％、Ｍｎ（マンガン）≒１．０％、銅（Ｃｕ）≦１．０％、Ｐ（リン）≦１．０％、Ｃｒ（クロム）＜１．０％、Ｆｅ（鉄）＝残部にて構成することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、前記のように構成された二層シリンダライナの製造方法として、炭素鋼、低合金鋼等の溶接可能な鋼材により、筒状の外層材を成形し、該外層材の内周に、少なくともＣ（炭素）＝４．５〜５．５％、Ｓｉ（珪素）＝２〜３％、Ｍｎ（マンガン）≒１．０％、銅（Ｃｕ）≦１．０％、Ｐ（リン）≦１．０％、Ｃｒ（クロム）＜１．０％、Ｆｅ（鉄）＝残部にて構成された鋳鉄系材料の粉末をプラズマ肉盛溶接により肉盛りして、内層材を形成することを特徴とする二層シリンダライナの製造方法を提案する。
【００１２】
かかる発明によれば、摺動性能の良好な鋳鉄系材料の粉体プラズマ肉盛溶接により内層材を形成したので、高い耐焼付性を有する内層材が得られるとともに、該内層材の厚さを摩耗代程度の薄肉として高強度の鋼材からなる外層材を強度部材としたことにより、従来の鋳鉄製シリンダライナに較べ、均一な組成で、かつこれの２倍以上の高強度を有するシリンダライナが得られる。
【００１３】
従って、シリンダライナの厚さを従来の鋳鉄製ライナの約１／２と薄肉化することができ、ライナの軽量コンパクト化及び低コスト化が実現でき、熱応力の低下も得られ、さらなる耐久性の向上が得られる。
【００１４】
尚、前記発明（第１発明）において、前記外層材及び内層材からなる二層ライナの下方に、内周に摺動面を有する鋳鉄材からなる下部ライナをボルト等により固着してなる二層式シリンダライナとすることもできる。
【００１５】
かかる手段によれば、高強度、高い摩耗性及び耐焼付性を必要としないライナ下部を安価な鋳鉄材とすることができるので、さらに低コストのシリンダライナが得られる。
【００１６】
さらに本発明の第２発明として、
前記プラズマ肉盛溶接施工後のシリンダライナを熱処理炉内において、９００〜９５０℃にて｛ライナ肉厚（ｍｍ）／２５（ｍｍ）｝時間保持後、炉冷却する黒鉛化処理を施し、次いで、該シリンダライナについて、５００〜６００℃にて｛ライナ肉厚（ｍｍ）／２５（ｍｍ）｝時間保持後、炉冷却する残留応力除去処理を施すようにした二層シリンダライナの製造方法を提案する。
【００１７】
かかる発明によれば、外層材の内面に粉体プラズマ肉盛溶接により、内層材を形成したシリンダライナを、熱処理炉内で上記条件により、黒鉛化処理することにより、片状黒鉛組織を２０％以上に増大せしめた内層材とすることができ、これによりピストンリングとの摺動面の摺動性能が著しく向上し、耐摩耗性、耐焼付性が著しく改善される。
【００１８】
また、かかる製法によれば、要求される耐摩耗性や耐焼付性に合わせて、片状黒鉛量を調整することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２０】
図１は本発明の第１実施形態に係るシリンダライナの要部断面図、図２は変形例を示す要部断面図、図３（表）は上記第１実施形態にかかるシリンダライナの成分構成及び機械的性質を従来のシリンダライナと比較した表である。
図１において、１はシリンダライナであり、筒状の外層材２１の内側に筒状の内層材２２が固着された構造となっている。
２２ａはピストンリング（図示せず）と摺接する摺動面（内面）、２５はシリンダライナ中心線である。
【００２１】
前記外層材２１は炭素鋼、低合金鋼等の溶接可能で炭素鋼と同等あるいはそれ以上の強度（引張強さ、耐力、伸び等）を有する鋼材からなり、機械加工により所定の形状に成形される。
【００２２】
また、前記内層材２２は、図３に示すような高Ｃ（炭素）−高Ｓｉ（珪素）−高Ｆｅ（鉄）系の鋳鉄系肉盛金属の粉末体を、前記外層材２１の内面に、低希釈溶接法である粉体プラズマ肉盛溶接により、円周方向に多パス連続溶接するか、あるいは長手方向（軸方向）に筋盛り多パス溶接して固着する。
【００２３】
前記内層材２２の肉盛溶接後、機械加工（研削、ホーニング等）により、内面即ち摺動面２２ａを所定の寸法に仕上げる。
かかる最後仕上後の内層材２２の厚さｔが、シリンダライナ１の最大摩耗量程度か、それを若干上廻る程度の薄肉とし、大型ディーゼル機関用シリンダライナの場合、３〜５ｍｍ程度が好適である。
【００２４】
図３は前記内層材２２の構成成分及び機械的性質を示す。
図３に示されるように、かかる内層材２２に使用する鋳鉄系粉末材料の構成成分は、Ｃ（炭素）＝４．５〜５．５％、Ｓｉ（珪素）＝２〜３％、Ｍｎ（マンガン）≒１．０％、銅（Ｃｕ）≦１．０％、Ｐ（リン）≦１．０％、Ｃｒ（クロム）＜１．０％、Ｆｅ（鉄）＝残部が好適である。
【００２５】
図２は本発明に係る二層シリンダライナの変形例を示す。
この例では、ライナを上下に２分割し、高い耐摩耗性、耐焼付性が要求される。
上部ライナ１Ａに、図１のものと同様前記外層材２１とその内面に粉体プラズマ肉盛溶接された内層材２２とよりなる２層ライナとし、摺動性能のみを要求される下部には鋳鉄下部ライナ２３を採用し、両者を円周方向等間隔に配置された複数本のボルト２６により固定している。
尚、かかるライナの摺動面２２ａ、２３ａは上、下部ライナ１Ａ、２３をボルト２６にて固定した後、同時加工にて仕上げる。
【００２６】
以上のようにして製造された二層シリンダライナは、外層材２１として高強度の鋼材を使用し、これの内面に内層材２２として鋳鉄系の粉末材料をプラズマ肉盛溶接したので、肉盛溶接によって徐々に内層の摺動部（内層材２２）所定厚さｔまで形成して行く溶接方法によるので、溶接歪及び残留応力が少なくなるとともに、ライナの寿命が用途に応じて耐摩耗性の異なる材料を使用して肉盛溶接したライナを得ることができる。
【００２７】
そして、かかる二層シリンダライナは、上記摺動特性に加えて、摺動面２２ａを構成する内層材２２を最大摩耗代がそれを若干上廻る程度の薄肉とし、高強度の外層材２１を強度部材としたので、引張強さのσＢ＝６０Ｋｇ／ｍｍ^２と、従来の鋳鉄ライナの２倍以上の高強度を有することとなる。
従って、シリンダライナの厚さを従来のものの１／２とすることができ、ライナの軽量コンパクト化、低コスト化及び熱応力の低減が可能となる。
【００２８】
また、内層材２２の肉盛溶接は、低希釈溶接法の採用による１層肉盛溶接が可能であるため、所定厚さつまり、前記のような最大摩耗量に対応する厚さ、あるいはそれを若干上廻る厚さｔの厚肉の肉盛が可能となり、しかも肉盛溶接工数が少なくて済む。
【００２９】
図４は、本発明の実施形態に係る二層シリンダライナの試験品Ａ、Ｂ、Ｃと従来の単層鋳鉄ライナの耐摩耗性の比較実験結果を示す。
図４に明らかなように、本発明に係る試験品Ａ、Ｂ、Ｃのうち、改良された試験品Ｂ、Ｃは、従来のライナＤに較べ、高い耐摩耗性を有する。
【００３０】
図５は、上記試験品Ａ、Ｂ、Ｃと従来のものＤとの耐焼付性（焼付面圧）の実験結果を示す。
図においてＺが実用可能な焼付面圧線（４００Ｋｇ／ｃｍ^２）であるが、各試験品Ａ、Ｂ、Ｃは、１，１００〜１，２００Ｋｇ／ｃｍ^２と、従来のものＤを上廻る高い焼付面圧即ち、耐焼付性を備えている。
【００３１】
図６は、本発明の第２実施形態に係る二層シリンダライナの要部断面図を示す。
この実施形態に係るシリンダライナ１においては、外層材３１は前記第１実施形態と同じく、炭素鋼、低合金鋼等の溶接可能な鋼材からなる。
【００３２】
また、前記外層材３１の内面には、Ｃ（炭素）＝４．５〜５．０％、Ｓｉ（珪素）＝３％、Ｍｎ（マンガン）＝１．０％、銅（Ｃｕ）＝１．０％、Ｆｅ（鉄）＝残部の成分構成からなる高Ｃ−高Ｓｉ−高Ｆｅ系の鋳鉄材料を、粉末にし、円周方向に粉体プラズマ肉盛溶接を施して固着する。
【００３３】
そして、図７に示されるように、前記のようにして、外層材３１の内面、内層材３２が溶接されたシリンダライナ１を熱処理炉４１内に収納し、９００〜９５０℃で、｛ライナ肉厚（ｍｍ）／２５（ｍｍ）｝時間、大型シリンダライナの場合は、４〜５時間保持後、炉冷却することにより、黒鉛化処理を行う。
これにより、オーステナイト残存組織の分解をなしてバーライト化するとともに、片状黒鉛組織を２０％以上に増大せしめて、耐摩耗性、耐焼付性を向上させる。尚、図７において、４２は加熱源である。
【００３４】
次いで、溶接部の残留応力除去のため、６００〜６５０℃で｛ライナ肉厚（ｍｍ）／２５（ｍｍ）｝時間、大型シリンダライナの場合は、４〜５時間保持後、炉冷却するＳＲ処理を行う。その後、摺動面に機械加工を施して仕上げる。
これにより、要求される耐摩耗性や耐焼付性に合わせて片状黒鉛量を調整することができる。
【００３５】
かかる黒鉛化処理によって、ピストンリングとの摺動面３２ａが形成される内層材３２は、その片状黒鉛組織が２０％以上に増大せしめられ、該摺動面３２ａにおけるピストンリングとの摺動性能が、上記処理を施されない、従来のものに較べて大幅に向上し、耐焼付性、耐摩耗性が著しく改善される。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳述したごとく、本発明によれば、鋼製の外層材の内面に、例えば図３に示すような、高Ｃ−高Ｓｉ−高Ｆｅ系の鋳鉄系材料を粉末プラズマ肉盛溶接して内層材を形成するので、高い耐焼付性、耐摩耗性を有する摺動面が得られるとともに、内層材の厚さを薄肉とし、高強度の鋼材からなる外層材を強度部材とすることが可能となり、これにより、従来の鋳鉄製ライナの半分の肉厚で以って同等の強度を有する軽量コンパクトでかつ低コストのシリンダライナを得ることができる。
【００３７】
また、請求項４のように構成すれば、上記に加えて内層材の片状黒鉛組織を２０％以上に増大せしめることが可能となって、高い耐焼付性、耐摩耗性を有するシリンダライナが得られる。
【００３８】
以上のように本発明によれば、大型ディーゼルエンジン用シリンダライナに適合できる高い強度、耐焼付性及び耐摩耗性を有し、かつ従来の鋳鉄製ライナと同程度のコストで以って製造できるシリンダライナを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る二層シリンダライナの要部縦断面図である。
【図２】上記第１実施形態の変形例を示す図１応当図である。
【図３】上記第１実施形態における内層材の成分構成例を示す表である。
【図４】上記第１実施形態におけるシリンダライナの耐摩耗性比較線図である。
【図５】上記第１実施形態におけるシリンダライナの耐焼付性比較線図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る二層シリンダライナの要部断面図である。
【図７】上記第２実施形態における熱処理要領図である。
【図８】従来の単層鋳鉄製シリンダライナを示す外観図である。
【符号の説明】
１シリンダライナ
１Ａ上部ライナ
２１、３１外層材
２２、３２内層材
２２ａ、２３ａ、３２ａ摺動面
２３下部ライナ

Claims

筒状の外層材の内側に、内周にピストンの摺動面が形成される筒状の内層材を固定してなる二層シリンダライナであって、
前記外層材は、炭素鋼、低合金鋼等の溶接可能な鋼材にて構成され、
前記内層材は、少なくともＣ（炭素）＝４．５〜５．５％、Ｓｉ（珪素）＝２〜３％、Ｍｎ（マンガン）≒１．０％、銅（Ｃｕ）≦１．０％、Ｐ（リン）≦１．０％、Ｃｒ（クロム）＜１．０％、Ｆｅ（鉄）＝残部にて構成された鋳鉄系材料を前記外層材に粉体プラズマ肉盛溶接して構成されたことを特徴とする二層シリンダライナ。
前記外層材及び内層材からなる二層ライナの下方に、内周に摺動面を有する鋳鉄材からなる下部ライナをボルト等により固着してなる請求項１記載の二層シリンダライナ。
外層材の内側に、内周にピストンの摺動面が形成される内層材を固定してなる二層シリンダライナを製造するにあたり、
炭素鋼、低合金鋼等の溶接可能な鋼材により、筒状の外層材を成形し、該外層材の内周に、少なくともＣ（炭素）＝４．５〜５．５％、Ｓｉ（珪素）＝２〜３％、Ｍｎ（マンガン）≒１．０％、銅（Ｃｕ）≦１．０％、Ｐ（リン）≦１．０％、Ｃｒ（クロム）＜１．０％、Ｆｅ（鉄）＝残部にて構成された鋳鉄系材料の粉末をプラズマ肉盛溶接により肉盛りして、内層材を形成することを特徴とする二層シリンダライナの製造方法。
前記プラズマ肉盛溶接施工後のシリンダライナを熱処理炉内において、９００〜９５０℃にて｛ライナ肉厚（ｍｍ）／２５（ｍｍ）｝時間保持後、炉冷却する黒鉛化処理を施し、次いで、該シリンダライナについて、５００〜６００℃にて｛ライナ肉厚（ｍｍ）／２５（ｍｍ）｝時間保持後、炉冷却する残留応力除去処理を施す請求項３記載のシリンダライナの製造方法。