JPH074303A - エンジン用シリンダとこのシリンダの内面調質方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明の主要な目的は、耐摩耗性が高く、高品
質のエンジン用シリンダを提供することにある。 【構成】シリンダブロックの筒穴１２の内面１２ａに所
定範囲にわたって調質部１６が設けられている。この調
質部１６は、レーザビームを照射することによって筒穴
１２の周方向に沿う横長な形状に焼入れされた多数の焼
入部１５を、筒穴１２の周方向と軸線方向にそれぞれ複
数列ずつ設けたものである。これらの焼入部１５は、筒
穴１２の軸線方向に隣り合うもの同志が互いに筒穴１２
の周方向に位置をずらして設けられているとともに、筒
穴１２の軸線方向に隣り合うもの同志の間隙ｓをピスト
ンリング２０，２１，２２のリング幅よりも狭くしてあ
る。そしてこの焼入部１５を所定の硬さに焼戻したの
ち、筒穴１２の内面１２ａにホーニング加工が行われ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ディーゼルエンジン等
のエンジン用シリンダとこのシリンダの内面調質方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジンのような鋳鉄製のシ
リンダブロックを用いたエンジンにおいて、耐摩耗性を
向上させる手段として、シリンダブロックの筒穴に耐摩
耗性の材料からなるライナ−を挿入することが行われて
いる。しかしながら、部品点数の削減やコストの低減化
を図るために、ライナーを用いることなく筒穴の内面に
直接ピストンを挿入するようなシリンダブロックも要望
されている。この場合、鋳鉄製のシリンダブロックの筒
穴内面に直接ピストンやピストンリングが接することに
なるため、例えば自動車用エンジンのように高回転域で
使われるエンジンにおいては、筒穴内面の耐摩耗性をい
かにして高めるかが重要な課題である。

【０００３】筒穴の耐摩耗性を高める手段として、筒穴
内面を焼入れ等の熱処理によって調質することが考えら
れる。このため本発明者らは、ディーゼルエンジン用の
シリンダブロックの筒穴内面にレーザビームによるスポ
ット状の焼入れを行う技術を開発し、種々の試験・試作
等を行ってきた。レーザビームによる焼入れは、筒穴の
内面にレーザビームによる高密度エネルギーを集中させ
て短時間の局部急速加熱を行ったのち、シリンダブロッ
ク内部への熱拡散による自己冷却作用によって急冷さ
せ、マルテンサイト組織を得るようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら本発明者
らの研究によると、上記のようなレーザビームによる焼
入れが行われたシリンダブロックは、焼入部の状況によ
っては、エンジンを運転した時にエンジンオイルの消費
量が比較的多かったり、パティキュレートの発生が見ら
れることがあった。その原因を追及するために筒穴内面
の金属組織を詳細に調べたところ、上述の問題を生じた
シリンダブロックに多数の微小な穴（ピット）が観察さ
れ、焼入組織に改善の余地があることが判明した。

【０００５】このようなピットは、焼入れ後の筒穴内面
にホーニング加工を実施する際に焼入れ組織中の黒鉛が
脱落したり、黒鉛間の焼入部の欠けなどが原因になって
発生するらしいことも判明した。また、筒穴内面におけ
る焼入部の形状や配置パターンなどによってシリンダブ
ロックやピストンリングの耐摩耗性が大きく左右される
ことも判った。

【０００６】本発明は上述の研究等に基いてなされたも
ので、本発明の目的は、耐摩耗性が高く、しかも筒穴内
面にピット発生等の不具合を生じることを防止できるよ
うな高品質なエンジン用シリンダとこのシリンダの内面
調質方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を果たすために
開発された本発明のエンジン用シリンダは、筒穴内面の
うち少なくともピストンがその上死点に達した時にピス
トンリングが接する位置から筒穴の軸線方向に所定長さ
にわたって調質部を設け、上記調質部は、レーザ焼入れ
によって筒穴の周方向に沿う横長な形状に焼入れされた
複数の焼入部を筒穴の周方向と軸線方向とにそれぞれ複
数列設けたものであり、筒穴の軸線方向に隣り合う焼入
部を互いに筒穴の周方向に位置をずらして配置するとと
もに、筒穴の軸線方向に隣り合う焼入部間の間隙をピス
トンリングの幅よりも狭くしたことを特徴とするもので
ある。

【０００８】また本発明方法は、シリンダブロックに設
けられた筒穴の内面を洗浄する工程と、上記筒穴の内面
にレーザ吸収剤を塗布する工程と、上記レーザ吸収剤が
塗布された筒穴の内面にレーザビームを照射することに
よって筒穴の周方向と軸線方向に複数列の焼入部を設け
る工程と、上記焼入部を所定硬さに焼戻す工程と、焼戻
された筒穴の内面にホーニング加工を実施する工程とを
具備したことを特徴とするシリンダの内面調質方法であ
る。

【０００９】

【作用】レーザビームによる焼入れを行う前に、レーザ
吸収剤の定着を良くするために筒穴内面の洗浄が行われ
る。この洗浄工程においては、筒穴の内面に洗浄液が吹
付けられるなどして、筒穴の機械加工に使われた研削液
等が除去される。洗浄後に、例えば高周波誘導加熱によ
る乾燥工程を経ることにより、筒穴内面のミクロポーラ
スに侵入している洗浄液も短時間に排出され、筒穴の内
面が乾燥状態となる。そののち筒穴内面にレーザ吸収剤
が塗布される。

【００１０】そしてレーザビームによるスポット状の焼
入れが実施される。レーザによる焼入れは加熱面積が小
さいため、筒穴内面に対してビームを筒穴の周方向に走
行させながらビーム照射による高密度エネルギーを集中
させる。その場合、個々の焼入部における蓄熱状況を考
慮したパワーに設定することにより、短時間で効果的な
局部急速加熱が行われる。レーザ照射後は、加熱された
箇所の熱がシリンダブロック内を拡散することによって
急冷されるため、この自己冷却作用によってマルテンサ
イト組織が得られる。こうして、筒穴の周方向に順次焼
入れが実施される。

【００１１】上述のレーザ焼入れが行われた筒穴の内面
は硬さがきわめて高くなるが、そのままではホーニング
加工時にピット発生の原因になることがある。そこで、
焼入れ後の筒穴内面を高周波誘導加熱等の適宜の加熱手
段を用いて加熱し焼戻すことにより、焼入部の硬さをや
や下げる。例えば、ビッカース硬さを数十％程度下げる
ことによって、ホーニング加工時のピットの発生を大幅
に低減させることができる。このような焼戻し工程によ
ってピットの発生防上が図れることを見出だしたことは
大きな成果である。こうして調質された筒穴内面は耐摩
耗性が大幅に向上し、ピストンリングの摩耗も従来のラ
イナ使用のシリンダブロックに比較して大幅に向上する
ばかりでなく、オイル消費量の低減とパティキュレート
の発生を押さえる上でも大きな効果がある。

【００１２】

【実施例】以下に本発明の一実施例について、図面を参
照して説明する。図３に例示されたライナーレスのシリ
ンダブロック１０は、ＦＣ２５０等の鋳鉄によって鋳造
され、ピストン１１が直接挿入される筒穴（シリンダボ
ア）１２が形成されている。この筒穴１２の内面１２ａ
に、図１に示すような多数のスポット状レーザ焼入部１
５からなる調質部１６が設けられている。

【００１３】図１，図２に示されるように、所定パター
ンで設けられた焼入部１５からなる調質部１６は、ピス
トン１１が上死点に位置している時にピストンリング２
０，２１，２２が接する位置（筒穴１２の上端部近傍）
から、少なくともピストンストロークの３分の１程度の
長さＨにわたって設けられている。各焼入部１５は実質
的に共通の形状であって、それぞれ筒穴１２の周方向に
沿う横長な形状をなしている。焼入部１５の長さＬ1 の
一例は１５mm、幅Ｗの一例は３．５mm程度である。焼入
れ深さの一例は０．２mm以上が望ましいが、用途によっ
ては１０〜１５μｍ程度でも効果が認められる場合があ
る。

【００１４】これらの焼入部１５は、筒穴１２の周方向
に一定のピッチＰ1 で複数箇所に設けられているととも
に、筒穴１２の軸線方向に一定のピッチＰ2 で複数列
（例えば６列）設けられている。軸線方向のピッチＰ2
の一例は５mmである。そしてこれらの焼入部１５は、筒
穴１２の軸線方向に隣り合うもの同志が互いに筒穴１２
の周方向に２分の１ピッチ（Ｐ1 ／２）ずつ交互に位置
をずらして設けられている。また、筒穴１２の軸線方向
に隣り合うもの同志の間隙ｓを、ピストンリング２０，
２１，２２の幅よりも狭くしてある。更に、各焼入部１
５の長さＬ1 を、筒穴１２の周方向に隣り合うもの同志
の間隙Ｌ2 よりも長くすることによって、筒穴１２の軸
線方向に隣り合うもの同志の両端が互いに筒穴１２の周
方向にオーバーラップするようにしてある。

【００１５】次に、上記焼入部１５を備えたシリンダブ
ロック１０の調質方法について、図４ないし図８を参照
して説明する。図４に示された加工工程Ｓ１において、
筒穴１２の内面１２ａがボーリングマシン等を用いた適
宜の機械加工によって、所定の内径となるように切削さ
れる。この加工工程Ｓ１が実施された筒穴１２の内面１
２ａには研削油が残留しているため、加工後に前洗浄工
程Ｓ２が行われる。

【００１６】前洗浄工程Ｓ２では、図５に示されるよう
な洗浄用ヘッド３０を用いて、筒穴１２の内面洗浄と乾
燥が行われる。この洗浄用ヘッド３０は、内部に洗浄液
流通部３１を有するフレーム３２と、洗浄液流通部３１
に連通しかつ筒穴内面１２ａに対向するノズル部３３
と、高周波誘導コイル３４などを備えている。高周波誘
導コイル３４は、図示しない高周波電源部に接続されて
いる。

【００１７】洗浄液流通部３１は図示しない洗浄液供給
源に接続されており、ノズル部３３から筒穴内面１２ａ
に向って洗浄液を噴射することにより、脱脂洗浄を行う
ようになっている。そして洗浄直後に、高周波誘導コイ
ル３４による急速加熱によって、筒穴１２の内面１２ａ
を発熱させる。この高周波誘導加熱により、筒穴内面１
２ａに存在するミクロポーラスに侵入した洗浄液も短時
間のうちに完全に排出されるため、乾燥工程の迅速化に
役立つ。なお、洗浄液を噴射するヘッドとは別途に設け
た乾燥装置によって温風を筒穴１２に供給しながら、上
述の乾燥工程を行ってもよい。

【００１８】前洗浄工程Ｓ２が終了したのち、レーザ吸
収剤塗布工程Ｓ３において、図６に例示した塗布装置４
０を用いて、レ−ザ吸収剤が筒穴１２の内面１２ａに塗
布される。鋳鉄製のシリンダブロック１０に使われるレ
ーザ吸収剤の一例は、主剤としてのＭｏＳ₂ を１５〜１
９wt％、黒鉛２〜５wt％、アクリル系樹脂６〜１０wt％
を含み、残りが溶剤である。塗布装置４０は、筒穴１２
に挿入される塗布ノズル４１と、この塗布ノズル４１を
回転させる機構４２と、塗布ノズル４１を上下させる昇
降機構４３などからなり、筒穴内面１２ａに所定の膜厚
となるように上記レーザ吸収剤を吹付けるようになって
いる。塗布厚は２５μｍ程度がよい。

【００１９】そののち、焼入れ工程Ｓ４において、図７
に例示したレーザ焼入れ装置５０によってレーザビーム
による焼入れが行われる。焼入部１５の配列パターン等
の態様は前述した通りである。焼入れ装置５０の一例
は、筒穴１２の内部に挿入される加工ヘッド５１と、レ
ーザ発生手段の一例としてＣＯ₂ レーザ発振器５２と、
このレーザ発振器５２によって発生させたレーザビーム
を加工ヘッド５１に導く光学系５３などを備えている。
このレーザ焼入れ装置５０によって筒穴１２の内面１２
ａに周方向に所定間隔でレーザビームを走行させながら
高密度エネルギーを集中させ、チル（溶融）を出さない
程度の温度まで短時間で急速加熱を行う。加熱温度の一
例は９８０℃〜１１００℃であり、要するに鋳鉄のＡ₁
変態点以上の温度に設定される。加熱時間の一例は０．
２秒程度である。

【００２０】レーザ発振器５２は、個々の焼入部１５に
おいて蓄熱状況を考慮したパワーに個別設定され、ＮＣ
パワー制御が実行される。レーザビームによって急速加
熱された箇所は、レーザの照射を停止した時に、熱が急
速にシリンダブロック１０内を伝って拡散し、急冷状態
になることによって、焼入れ前のパーライトとフェライ
トの混合組織が焼入れマルテンサイトに変化する。こう
して、筒穴１２の円周方向に順次焼入れが実施される。

【００２１】焼入れ工程Ｓ４を実施したのちに、焼戻し
工程Ｓ５が実施される。焼戻し工程Ｓ５においては、加
熱手段の一例としての高周波誘導コイルによって、筒穴
内面１２ａが所定のテンパー温度（例えば３００℃〜３
５０℃）に加熱されたのち、空気中で放置される。加熱
に用いる高周波誘導コイルは、前述の前洗浄工程Ｓ２で
使用された高周波誘導コイル３４を用いてもよい。上記
テンパー温度で例えば１分間の加熱を行うことにより、
焼入れ直後の硬さが例えば７００Ｈv であったものが４
００Ｈv 程度の硬さに下がる。

【００２２】そののち、ホーニング工程Ｓ６において、
図８に示されるホーニング機６０によって、筒穴１２の
内面１２ａにホーニング加工が行われる。ホーニング機
６０は、回転駆動機構６１によって回転させられる回転
ヘッド６２に砥石６３を設けたものであり、砥石６３を
筒穴内面１２ａにスパイラル状に擦りつけることによ
り、いわゆるクロスハッチと称される多数の微細な斜状
の擦り溝が形成される。この擦り溝はエンジン運転中に
オイルを保持する機能を果たす。砥石６３は、回転ヘッ
ド６２に内蔵された径方向駆動機構によって、筒穴１２
の内径や砥石６３の摩耗状態などに応じて径方向に移動
できるようになっている。また、回転ヘッド６２は筒穴
１２の軸線方向に移動させることができる。

【００２３】上記のように焼戻し後の筒穴１２にホーニ
ング工程Ｓ６を実施したシリンダブロック１０は、焼入
れ状態のものをそのままホーニング加工した場合に比較
してピットの発生がきわめて少なくなり、従ってピット
が原因となって生じるオイル消費量の増大やパティキュ
レートの発生などを回避することができた。そして本実
施例の焼入部１５を採用したことにより、従来のライナ
ー使用の鋳鉄製シリンダブロックに比較して、筒穴内面
の摩耗率とピストンリングの摩耗率が数十％も減少し、
耐久性が大幅に向上することが確認された。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、筒穴内面などの耐摩耗
性が向上し、ライナーレスのシリンダブロックの耐久性
を高める上で大きな効果がある。また、ホーニング加工
後のピットの発生を抑制できることにより、オイル消費
量が少なくなり、パティキュレートの発生も防止できる
など、大きな効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すレーザ焼入部を有する
筒穴内面の一部の展開図。

【図２】図１に示されたレーザ焼入部を模式的に示す断
面図。

【図３】図１に示されたレーザ焼入部を有するシリンダ
ブロックの斜視図。

【図４】本発明の一実施例方法を示す工程説明図。

【図５】前洗浄工程を実施する装置の一部の概略を示す
断面図。

【図６】レーザ吸収剤塗布装置の概略を示す側面図。

【図７】レーザ焼入れ装置の概略図。

【図８】ホーニング機の概略を示す側面図。

【符号の説明】

１０…シリンダブロック、１１…ピストン、１２…筒
穴、１２ａ…内面、１５…焼入部、１６…調質部、２
０，２１，２２…ピストンリング、３０…洗浄用ヘッ
ド、４０…レーザ吸収剤塗布装置、５０…レーザ焼入れ
装置、６０…ホーニング機。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ピストンが挿入される筒穴を有するエンジ
   ン用シリンダであって、 上記筒穴の内面のうち少なくともピストンがその上死点
   に達した時にピストンリングが接する位置から筒穴の軸
   線方向に所定長さにわたって調質部を設け、 上記調質部は、レーザ焼入れによって筒穴の周方向に沿
   う横長な形状に焼入れされた複数の焼入部を筒穴の周方
   向と軸線方向とにそれぞれ複数列設けたものであり、筒
   穴の軸線方向に隣り合う焼入部を互いに筒穴の周方向に
   位置をずらして配置するとともに、筒穴の軸線方向に隣
   り合う焼入部間の間隙をピストンリングの幅よりも狭く
   したことを特徴とするエンジン用シリンダ。
2. 【請求項２】シリンダブロックに設けられた筒穴の内面
   を洗浄する工程と、上記筒穴の内面にレーザ吸収剤を塗
   布する工程と、上記レーザ吸収剤が塗布された筒穴の内
   面にレーザビームを照射することによって筒穴の周方向
   と軸線方向に複数列の焼入部を設ける工程と、上記焼入
   部を所定硬さに焼戻す工程と、焼戻された筒穴の内面に
   ホーニング加工を実施する工程とを具備したことを特徴
   とするシリンダの内面調質方法。