JP4357152B2

JP4357152B2 - シリンダライナ

Info

Publication number: JP4357152B2
Application number: JP2002096538A
Authority: JP
Inventors: 英樹佐藤
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2022-03-29
Also published as: JP2003294142A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は内燃機関に用いられるシリンダライナに関し、特に、ディーゼルエンジンに用いられ高温高圧における耐焼付性及び耐摩耗性が要求されるシリンダライナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、内燃機関のシリンダ内壁には、シリンダとは異なる材料により構成されたシリンダライナが固着されて設けられており、このシリンダライナの内周面に対して、ピストン外周に設けられたピストンリングが摺動するように構成されている。シリンダライナは、砂型置鋳造や砂型遠心鋳造或いは金型遠心鋳造により製造されている。
【０００３】
ところで、内燃機関、特にディーゼルエンジンにおいては、近年、排気ガス規制に対応するため、排気ガス中のＮＯｘ・ＰＭ（粒子状物質）の低減が要求されている。この要求を満たすために燃料の完全燃焼化が図られており、具体的には、燃焼の際に燃料を高圧噴射して噴霧状にしている。このようにして燃焼を行うことにより、シリンダの内圧は、以前は８０ＭＰａ程度であったが近年では１５０ＭＰａ以上に上昇するようになり、これに伴いピストンリングが摺動するシリンダライナの内周表面の面圧が上昇し、高温高圧におけるシリンダライナの耐焼付性が求められている。更に、最近では、内燃機関全般にわたり、軽量化と燃費の向上とを満足することが要求されている。
【０００４】
以上のような内燃機関の動向に従い、内燃機関に用いられるシリンダライナには、軽量化と、高温における耐焼付性、耐摩耗性及び靭性とを両立させることが要求され、形状面や材質面から種々の改良が進められている。具体的には、形状面では、厚さをできる限り薄くすることが行われており、材質面では、鋳鉄製から鋳鋼製へと改善されてきている。
【０００５】
特開平８−１２０４１２号公報には、鋳鋼を用いたシリンダライナ材が記載されている。シリンダライナ材は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖを所定量含有し、残部はＦｅからなる。Ｓについては、シリンダライナ材はＳを多く含むと脆化するため、含有量は０．０４重量％以下である。また、Ｍｎは、Ｓと結合してＭｎＳを生成することによりＳによるシリンダライナ材の脆化を防止する目的で用いられており、含有量は０．５〜１．５重量％である。このような組成とすることにより、シリンダライナ材の高温における耐摩耗性及び耐焼付性を向上させている。
【０００６】
特開平６−３３０２４１号公報には、鋳鋼を用いた２種類のシリンダライナ材Ｉ、ＩＩが記載されている。同公報の実施例として記載されているシリンダライナ材Ｉは、Ｍｎを１．１０重量％、Ｓを０．３０重量％で含有しており、この他には、Ｃ、Ｓｉ、Ｐ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖを所定量含有し、残部はＦｅからなる。また、シリンダライナ材ＩＩは、Ｍｎを０．６０重量％、Ｓを０．３０重量％で含有しており、この他には、Ｃ、Ｓｉ、Ｐ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖを所定量含有し、残部はＦｅからなる。シリンダライナ材は、一連の熱処理、即ち、焼入、油中急冷、焼戻、及び放冷が行われた後にシリンダ内壁に固着されて、シリンダライナとして使用される。鋳鉄に代えて鋳鋼をシリンダライナ材として用いることにより、耐摩耗性、耐スカッフ性、強度、伸び、及び靭性を向上させている。
【０００７】
なお、同公報の請求の範囲には、シリンダライナ材の組成が、Ｍｎ：０．２重量％以上、Ｓ：０．１重量％以上であり、Ｃ、Ｓｉ、Ｐ、Ｃｒを所定量含有し、残部はＦｅからなる旨が記載されているが、実施例中で示されているのは上述したシリンダライナ材Ｉ、ＩＩのみである。従って、同公報に記載されているシリンダライナ材中のＭｎ、Ｓの含有量は、Ｍｎ：１．１０重量％、Ｓ：０．３０重量％であるか、又は、Ｍｎ：０．６０重量％、Ｓ：０．３０重量％である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の従来のシリンダライナ材により構成されたシリンダライナは、ピストンリングに対する摺動特性がそれほど良好ではなく、所望の耐焼付性（耐スカッフィング特性）及び耐摩耗性を得ることができなかった。
【０００９】
そこで本発明は、鋳鉄製のシリンダライナ以上の機械的強度を有し、高温高圧下において、優れた耐焼付性を有するのみならず優れた耐摩耗性をも備えたシリンダライナを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、内燃機関のシリンダ内壁に固着されピストンが内周表面を摺動する鋳鋼材料で構成されるシリンダライナにおいて、Ｍｎを０．７０〜２．５重量％、Ｓを０．３〜２．５重量％、Ｃを０．９５〜１．１重量％、Ｍｏを１．０重量％以下で含有し、該内周表面におけるＭｎＳの析出量が面積比で３〜８％であるシリンダライナを提供している。
【００１１】
ここで、該内周表面の粗さが０．４〜０．８μｍＲ_３Ｚであることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態によるシリンダライナについて説明する。シリンダライナは略円筒形状をしており、ディーゼルエンジンのシリンダ内壁に固着されて設けられている。シリンダライナの内周表面には、ピストンリングを介してピストンが摺動可能に構成されている。また、シリンダライナの内周表面には、ホーニング加工により形成されたクロスハッチ状の溝が形成され粗面化されている。内周表面の粗さは、０．４〜０．８μｍＲ_３Ｚである。
【００１３】
シリンダライナは鋳鋼製であり、化学成分は以下の通りである。Ｃは、０．９５％未満では鋳造性が悪化し、１．１０％を越えると機械的性質が低下するため、０．９５〜１．１０重量％とする。Ｓｉは、０．４０％未満では鋳造性が悪化し、０．７０％を越えると機械的性質が低下するため、０．４０〜０．７０重量％とする。Ｍｎは、硬化能を増し、またＳと結合してＭｎＳを生成し、Ｓによる材質の脆化を防止する。更に、ＭｎＳの生成により耐焼付性を向上させる。０．７０％未満ではこれらの作用が過少であり、２．５０％を越えると靭性が低下する。このため、より好ましい値として１．３０〜２．５０重量％とする。Ｐは、０．０６％を越えると機械的性質が低下するため、０．０６重量％以下とする。ＳはＭｎと結合してＭｎＳを生成し耐焼付性を向上させる。０．２５％未満ではＭｎＳの生成が過少であり、２．５０％を越えると生成が過多となり粗大ＭｎＳが偏析してしまい、機械的強度が低下する。このため、より好ましい値として０．３〜２．５０重量％とする。残部は実質的にＦｅである。
【００１４】
シリンダライナの内周表面には、シリンダライナの製造時にＭｎとＳとが結合することによって生じたＭｎＳが析出している。ＭｎＳの析出量は、面積比が３％未満では潤滑性が充分でないため耐焼付性の効果が過少であり、８％を越えると粗大ＭｎＳの偏析が増加してしまい機械的強度が低下する。このため面積比で３〜８％と規定した。また、内周面粗さは、０．４μｍＲ_３Ｚ未満ではコスト高となり、０．８μｍＲ_３Ｚを超えると摩擦係数が上昇し、耐スカッフ性が低下するため、０．４〜０．８μｍＲ_３Ｚと規定した。
【００１５】
シリンダライナの製造に際しては、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｆｅを前述の化学成分と同一の重量％で配合した材料を用いる。製造工程では、先ず、この材料を用いて砂型置鋳造を行いシリンダライナと略同一形状の略円筒形状の鋳造物を鋳造する。鋳造時には、前述のように、材料中に含まれているＳとＭｎとが結合してＭｎＳとなる。次に、鋳造物の内周表面を、繊維状弾性ホーニング砥石を用いてホーニング加工して粗面化する。用いられるホーニング砥石の粗さは、ＧＣ３０００Ｌ、又はＧＣ３０００ＬとＡＬ２０００との混合と同等である。そして、所定の後加工等が行われる。以上の工程を経てシリンダライナが製造される。
【００１６】
次に、本発明によるシリンダライナ材と比較材とを用いて、スカッフ試験、摩耗試験を行い、効果を比較した。試験に用いた本発明によるシリンダライナ材である本発明材１、本発明材２の、摺動面におけるＭｎＳの析出量は、面積比でそれぞれ５．０％、７．７％であった。本発明材１、２を製造する際に用いられた材料は、Ｃを１．０重量％、Ｓｉを０．４８重量％、Ｐを０．０６重量％、Ｃｒを１．１３重量％、Ｍｏを１．０重量％以下、Ｔｅを０．０４重量％含有する。また、Ｍｎについては、本発明材１では２．０重量％、本発明材２では２．５重量％含有する。また、Ｓについては、本発明材１では１．０５重量％、本発明材２では１．７５重量％含有する。残部はＦｅである。
【００１７】
一方、比較材１、２たるシリンダライナ材の、摺動面におけるＭｎＳの析出量は、面積比でそれぞれ１．３％、２．８％であった。比較材１、２を製造する際に用いられた材料の組成は、Ｃ、Ｓｉ、Ｐ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｅについては、本発明材１、２と同一の重量％である。Ｍｎについては、比較材１、２共に０．９６重量％である。また、Ｓについては、比較材１では０．１８重量％、比較材２では０．３５重量％である。残部はＦｅである。
【００１８】
また、比較材３、４として、摺動面のＭｎＳの析出量が面積比で０％であるＳＫ３、ＳＵＪ２からなるシリンダライナ材を用意した。本発明材１、２、比較材１〜４は、各種の試験でそれぞれ使用するため、各試験で必要な個数を製造した。本発明材１、２、比較材１〜４の基地硬さは４５０Ｈｖであった。また、本発明材１、２の引張強度、衝撃強度は、いずれも一般的な鋳鉄材よりも高い値を有する。
【００１９】
スカッフ試験では、日本ピストンリング式ピンオンディスク型摩擦試験機を用いて試験を行った。試験条件としては、潤滑油としてＳＡＥ＃３０と白灯油とを１：１で混合したものを用い、この潤滑油を本発明材１、２、比較材１〜４の摺動面に塗布し、周速５ｍ／ｓで３０秒間空転させ油量を一定にした。そして、図１に示されるように、試験開始からの経過時間に対応して所定のスカッフ荷重を付加する試験方法により試験を行った。試験では、本発明材１、２、比較材１〜４について複数回試験を行ない、その結果の平均値をそれぞれについて求めてグラフにドットで記録した。
【００２０】
試験結果は、図２に示される通りである。本発明材１、２とも結果は良好であり、本発明材２では８０Ｎ以上の高い値を得ており、本発明材１では、１００Ｎに近い極めて高い値を得ることができた。これに対して、比較材１〜４では、いずれも６０Ｎ前後の低い値しか得られなかった。これらのことより、本発明材１、２は、ＭｎＳの析出量を所定の値とすることで高い耐スカッフ性を得ていると判断することができる。
【００２１】
また、図１に示されるように、試験開始後３０分経過するまでの間には、２５Ｎの荷重を付加する慣らし運転を行なったが、この慣らし運転時における摩擦係数を測定した。即ち、前述のように本発明材１、２、比較材１〜４それぞれについて複数回スカッフ試験を行う度ごとに、比較的摩擦係数の値が安定したときを見計らって摩擦係数の値を記録し、その平均値を本発明材１、２、比較材１〜４についてそれぞれ求めグラフにドットで記録した。
【００２２】
図３に示されるように、本発明材１、２とも結果は良好であり、本発明材２では０．０５４と低い値を得ている。本発明材１では０．０５１と更に低い値を得ることができた。これに対して、比較材１〜４では、いずれも０．０６０以上の高い値となっている。これらのことより、本発明材１、２では、ＭｎＳの析出量を所定の値とすることで、低い摩擦係数を得ることができ、潤滑性を向上させていると判断することができる。
【００２３】
摩耗試験では、日本ピストンリング式アムスラー型摩耗試験機（１号機）を用いて試験を行った。試験条件は以下の通りである。
【００２４】
試験条件
潤滑油：スピノックスＳ−２
油温：７５℃
周速：１ｍ／ｓ
荷重：４５Ｎ
時間：３０ＨＲにて摩耗量測定
【００２５】
試験では、本発明材１、２、比較材１〜３について複数回試験を行ない摩耗量を記録し、その平均値を本発明材１、２、比較材１〜３それぞれについて求めてグラフにドットで記録した。
【００２６】
試験結果は、図４に示される通りである。本発明材１、２共に結果は良好であり、いずれも５μｍより低い値を得ることができた。特に本発明材１では２．５μｍと極めて低い値を得ている。これに対して比較材１、３では１０μｍ前後と高い値となっており、シリンダライナ材の摩耗の激しいことが分かる。これらのことより、本発明材１、２では、ＭｎＳの析出量を所定の値とすることで、シリンダライナ材の摩耗量を低く抑えることができると判断することができる。
【００２７】
更に、上述の各種の実験に加えて、摺動面の顕微鏡写真を撮影して比較を行った。撮影の対象は、本発明材１、２、比較材１、２である。さらに、ＭｎＳが偏析した状態を示す例として、ＭｎＳの析出量が面積比で１０．０％のシリンダライナ材である比較材５を用意し、撮影を行った。図５〜９が、撮影結果の写真であり、それぞれ倍率は２００倍である。
【００２８】
図５〜７に示されるように、本発明材１、２ではＭｎＳが良好に析出している。また、比較材５では、図７に示されるようにＭｎＳが偏析しているのが分かる。これに対して比較材１、２では、図８、９に示されるように、ＭｎＳがあまり析出していない。
【００２９】
次に、本発明によるシリンダライナ材の摺動面を粗面化した場合の効果を調べるスカッフ試験を行ない、スカッフ発生までの最大摩擦係数を測定した。最大摩擦係数を測定することにより、初期なじみの時点ではなく過酷な条件下でシリンダライナ材が使用されている状態における摩擦係数を得ることができる。試験では、前述の本発明材１の摺動面を０．４２μｍＲ_３Ｚとした本発明材１′を用いた。また、比較材としては、比較材２′、比較材６を用いた。比較材２′は、前述の比較材２の摺動面を０．４２μｍＲ_３Ｚとしたものである。また、比較材６は、比較材２の材料の化学成分をＭｎとＳとについては０重量％とし、Ｃ、Ｓｉ、Ｐ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｅについては比較材２と同一の重量％とし残部をＦｅとして製造されたシリンダライナ材である。従って、摺動面におけるＭｎＳの析出量も面積比で０％である。比較材６の摺動面は、本発明材１′と同様０．４２μｍＲ_３Ｚとしたものである。本発明材１′、比較材２′の基地硬さは３１０Ｈｖであり、比較材６の基地硬さは３１８Ｈｖであった。
【００３０】
スカッフ試験では、ローラーチップ型摩耗試験機を用いて試験を行った。図１０に示されるように、円形のシリンダライナ材１に対してリング材２を当接させた状態で、リング材２がシリンダライナ材１に押しつけられる状態となるようにリング材２に荷重を付加することにより試験を行った。使用したリング材２は、Ｃｒメッキによる表面処理がなされており、Ｃｒメッキは、厚さが１２７μｍ、硬さが９１４Ｈｖ、粗さが０．５μｍＲ_３Ｚである。試験条件は以下の通りである。
【００３１】
試験条件
周速：１ｍ／ｓ
潤滑：１号スピンドル油を試験前に塗布
荷重：９８Ｎ／分、２分間のなじみ運転後、４９Ｎ／分の勾配で荷重（図１１）
評価：異音発生及び摩擦係数の急激な上昇時の荷重を耐スカッフ限界荷重とする。
【００３２】
試験では、本発明材１′比較材２′、６について複数回試験を行ない、その結果の平均値をそれぞれについて求めてグラフにドットで記録した。
【００３３】
試験結果は、図１２に示される通りである。本発明材１′については結果は良好であり、約０．０５の低い値を得ることができた。比較材２′、６については、比較的高い値が得られた。特に比較材６では、０．０８と極めて高い値を得ている。これらのことより、本発明材１′では、摺動面のＭｎＳの析出量を所定の値とし、且つ所定の粗さに粗面化することで、最大摩擦係数を低く抑えることができることが分かる。従って、本発明によるシリンダライナ材がディーゼルエンジン等に用いられ、ピストンリング摺動部の面圧が上昇する過酷な条件下で用いられた場合であっても、耐焼付性及び耐摩耗性を高いレベルで維持するであろうことが理解できる。
【００３４】
前述の従来技術で触れた特開平８−１２０４１２号公報においては、ＭｎＳの潤滑特性の認識はなく、Ｓの含有量を極力少なくしており、ＭｎＳによる耐焼付性及び耐摩耗性の効果は得られない。また、特開平６−３３０２４１号公報においては、実施例中に記載されているＳ、Ｍｎの含有量は、本発明の実施の形態によるシリンダライナの場合よりもずっと少なく、シリンダライナの内周表面のＭｎＳ析出量は、多くても面積比で２％程度である。
【００３５】
これに対し、本発明の実施の形態によるシリンダライナでは、内周表面のＭｎＳ析出量を面積比で３〜８％とした。ＭｎＳは、化学的に安定な硫化物であり、素地中に分散していると摩擦摺動によるメカノケミカルな活性化により、Ｆｅ等の金属成分および雰囲気との反応生物等と反応し、何等かの潤滑性のある表面層をシリンダライナの内周表面に生成する性質を有する。本願発明者は、この性質を見出し、ＭｎＳの析出量を上述の値とした。このことによりシリンダライナの内周表面の潤滑性を向上させることができ、機械的強度を鋳鉄製以上に確保しつつ、耐焼付性、耐摩耗性を向上させることができる。また、シリンダライナの内周表面の粗さが０．４〜０．８μｍＲ_３Ｚといった低い値に粗面化されているため、高温高圧下の過酷な条件の下での耐焼付性、耐摩耗性を向上させることができる。
【００３６】
本発明によるシリンダライナは上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。例えば、本実施の形態によるシリンダライナは、ディーゼルエンジンのシリンダ内壁に固着されて設けられていたが、他のタイプのエンジンに設けられてもよい。
【００３７】
また、シリンダライナの内周表面は、ホーニング加工により形成されたクロスハッチ状の溝が形成されて粗面化されていたが、他の加工方法により粗面化されてもよい。
【００３８】
【発明の効果】
請求項１記載のシリンダライナによれば、シリンダライナは、Ｍｎを０．７０〜２．５重量％、Ｓを０．３〜２．５重量％、Ｃを０．９５〜１．１重量％含有し、シリンダライナの内周表面におけるＭｎＳの析出量が面積比で３〜８％であるため、摩擦摺動によるメカノケミカルな活性化により、ＭｎＳが、Ｆｅ等の金属成分および雰囲気との反応生物と反応し、何等かの潤滑性のある表面層をシリンダライナの内周表面に生成し、潤滑性を向上させることができる。このため、シリンダライナの機械的強度を、鋳鉄製以上に確保しながら、耐焼付性及び耐摩耗性を向上させることができる。
【００３９】
請求項２記載のシリンダライナによれば、シリンダライナの内周表面の粗さを０．４〜０．８μｍＲ_３Ｚとしたため、高温高圧下の過酷な条件下におけるシリンダライナの耐焼付性及び耐摩耗性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるシリンダライナを構成するシリンダライナ材を用いてスカッフ試験を行ったときの試験条件を示すグラフ。
【図２】本発明によるシリンダライナを構成するシリンダライナ材を用いてスカッフ試験を行った結果を示すグラフ。
【図３】本発明によるシリンダライナを構成するシリンダライナ材を用いてスカッフ試験を行ったときの摩擦係数を示すグラフ。
【図４】本発明によるシリンダライナを構成するシリンダライナ材を用いて摩耗試験を行った結果を示すグラフ。
【図５】本発明材１の摺動面を示す金属組織顕微鏡写真。
【図６】本発明材２の摺動面を示す金属組織顕微鏡写真。
【図７】比較材５の摺動面を示す金属組織顕微鏡写真。
【図８】比較材１の摺動面を示す金属組織顕微鏡写真。
【図９】比較材２の摺動面を示す金属組織顕微鏡写真。
【図１０】本発明によるシリンダライナを構成するシリンダライナ材を用いてスカッフ試験を行ったときに用いたローラーチップ型摩耗試験機の概略図。
【図１１】本発明によるシリンダライナを構成するシリンダライナ材を用いてスカッフ試験を行ったときの試験条件を示すグラフ。
【図１２】本発明によるシリンダライナを構成するシリンダライナ材を用いてスカッフ試験を行ったときの、スカッフ発生までの最大摩擦係数を示すグラフ。

Claims

内燃機関のシリンダ内壁に固着されピストンが内周表面を摺動する鋳鋼材料で構成されるシリンダライナにおいて、
Ｍｎを０．７０〜２．５重量％、Ｓを０．３〜２．５重量％、Ｃを０．９５〜１．１重量％、Ｍｏを１．０重量％以下で含有し、該内周表面におけるＭｎＳの析出量が面積比で３〜８％であることを特徴とするシリンダライナ。
該内周表面の粗さが０．４〜０．８μｍＲ_３Ｚであることを特徴とする請求項１記載のシリンダライナ。