JPH086636B2 - シリンダライナ - Google Patents

シリンダライナ

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JPH086636B2
JPH086636B2 JP31346087A JP31346087A JPH086636B2 JP H086636 B2 JPH086636 B2 JP H086636B2 JP 31346087 A JP31346087 A JP 31346087A JP 31346087 A JP31346087 A JP 31346087A JP H086636 B2 JPH086636 B2 JP H086636B2
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cylinder liner
coating film
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wear
resistant material
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誠 江端
利男 吉光
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Komatsu Ltd
Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
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Komatsu Ltd
Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/004Cylinder liners
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B77/00Component parts, details or accessories, not otherwise provided for
    • F02B77/02Surface coverings of combustion-gas-swept parts

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明はシリンダライナに係り、特に耐摩耗性、耐焼
付性が改善されたシリンダライナに関する。
[従来の技術] 舶用ディーゼルエンジンなどの大型の往復式内燃機関
においては、通常、シリンダブロックに筒状のシリンダ
ライナが装着されている。
このシリンダライナは、ピストンリングと摺動するも
のであることから、摺動面の潤滑油保持性(保油性)が
高く耐摩耗性、耐焼付性に優れていること及び十分な強
度を有することが特性として要求されており、従来は一
般に、片状黒鉛鋳鉄品が用いられている。
しかして近年、舶用ディーゼルエンジン等の内燃機関
の燃費の低減、機関出力の増大を図るために燃焼室内の
燃焼圧力が高められつつあると共に燃料油・潤滑油の低
質化も進められており、これに対応すべくシリンダライ
ナにも一層耐摩耗性能及び耐焼付性能に優れたものが要
求されている。
従来、シリンダライナの摺動面の耐摩耗性能及び耐焼
付性能の向上のために、シリンダライナにプラズマ溶射
法により、セラミックスや耐摩耗金属等のコーティング
層を形成している。この方法は、まず第3図(a)に示
す如く、加工によりシリンダライナ10の内面に0.3〜0.5
mm程度のアンダーカット部11を形成した後、プラズマ溶
射法によりコーティング層12を形成する(第3図
(b))。ところで溶射法によるコーティングは、膜厚
の管理が非常に難しく、得られるコーティング層12に
は、12a部の如く盛り上がりや12b部のような寸法による
加工代が残る。また溶射後のコーティング層12の表面の
粗度は粗く、そのままでは摺動面として使用に耐えな
い。そこで、まず研削により仕上げライン(第3図
(b)の)まで寸法を仕上げて第3図(c)の如く面
一とし、その後、ホーニングにより面粗さを調節する必
要がある。
[発明が解決しようとする問題点] このように、従来の溶射法によるコーティング層の形
成方法では、仕上げのための加工や後処理が必要であ
り、製造工程が多い。このため、シリンダライナの生産
効率が低く、生産コストが高くつくという問題があっ
た。
[問題点を解決するための手段] 本発明は上記従来の問題点を解決し、耐摩耗性、耐焼
付性に優れたシリンダライナであって、高い生産性で低
コストに製造することができるものを提供することを目
的とするものである。
本発明のシリンダライナは、内周面がピストンと摺動
する摺動面とされているシリンダライナにおいて、前記
摺動面の少なくとも上死点近傍には気相法による耐摩耗
性材料のコーティング膜が設けられており、該コーティ
ング膜は少なくとも下死点側の部分が下死点側に向けて
その膜厚が次第に薄くなるように形成されていることを
特徴とする。
[作用] 本発明のシリンダライナは、内面の摺動面の最も摩耗
の激しい上死点近傍に、気相法により耐摩耗性材料のコ
ーティング膜が形成されている。
気相法により形成されたコーティング膜は、極めて緻
密で高純度であることから、コーティングされる耐摩耗
性材料の特性が著しく優れたものとなる。
また、気相法による場合、コーティング膜は膜層等の
寸法精度が非常に良く、形成された膜表面も平滑で、基
材(シリンダライナ内面)への接着強度も極めて高いの
で優れた位置精度で良好なコーティング膜を後処理を要
することなく形成することができる。
しかも、本発明においては、コーティング膜は少なく
とも下死点側の部分が下死点に向けてその膜厚が次第に
薄くなるように形成されているので、コーティング膜に
段差が生じることがなく、ピストンの摺動が円滑に行な
われ、段差による膜剥離の問題がない。
[実施例] 以下、図面を参照して、本発明の一実施例について説
明する。
第1図は本発明の一実施例に係るシリンダライナを採
用した内燃機関の上死点近傍の断面図、第2図は第1図
II部の拡大図である。
図示の如く、本発明のシリンダライナ1は、内周面が
ピストン2と摺動する摺動面3とされているものであっ
て、前記摺動面3の少なくとも上死点近傍に気相法によ
る耐摩耗性材料のコーティング膜4が設けられている。
このコーティング膜4は、本実施例では下死点側の部分
が下死点に向けてその膜厚が次第に薄くなるように形成
されている。なお、図中、符号5はピストンリング、6
はブロックである。
この耐摩耗性材料のコーティング膜4を形成する範囲
は、ピストン2が上死点位置に達した時(第1図の状
態)にピストンリング5が位置する範囲(第1図のW)
とするのが好適である。
耐摩耗性材料としては、ピストン作動時にシリンダラ
イナの内周面に付与される高熱や腐食性雰囲気等に対し
て耐久性が高く、しかも優れた耐摩耗性を備えるもので
あれば良く、例えばセラミックス、アモルファス金属を
採用するのが好適である。
一般に、セラミックスは耐熱性、耐摩耗性、耐食性、
その他の機械的強度に優れた材質である。このため、セ
ラミックスのコーティング膜を施したシリンダライナ
は、極めて耐熱性、耐摩耗性、機械的強度、耐食性等に
優れたものとなり、摺動による摩耗や腐食性雰囲気下に
おける腐食、及びこれらによる損傷が効果的に防止さ
れ、その寿命は大幅に延長される。特に気相法によるセ
ラミックスコーティング膜は、極めて緻密で高純度であ
るという優れた特徴を有することから、セラミックスの
有する特性が著しく優れたものとなる。
セラミックスコーティング膜のセラミックス材料とし
ては、炭化珪素、窒化珪素などの非酸化物系セラミック
スの他、マグネシア、アルミナ、クロム酸化物等の酸化
物系のものでもよいが、特に耐食性、耐熱性、耐摩耗性
に優れ、機械的強度も高いことから、炭化珪素が好適で
ある。
一方、アモルファス金属は、周知のように、 極めて耐食性が高い、 高硬度で、耐摩耗性に優れる、 機械的強度が高く靭性に優れる、 等の従来の結晶質の金属・合金には見られない優れた特
徴を有している。(なお、本明細書において、アモルフ
ァス金属とは、金属単体の他、合金をも含む。) 本発明において、用い得るアモルファス金属の組成を
M−X又はM−X−Y(M:ベースとなる金属又は合金、
X:耐食性を与える金属、Y:半金属)とすると、Mとして
は例えばFe、Ni、Cu又はこれらの合金、XとしてはCr、
Ta、Ti、W、Zr、Nbの1種又は2種以上、Yとしては
P、B、Cなどが用いられ、これらを適当な割合で含有
するものが用いられる。
なお、本発明においては、熱膨張率の差によって、コ
ーティング膜の剥離、亀裂等が発生するのを防止するた
めに、シリンダライナ基材と同じ程度の熱膨張率の耐摩
耗性材料のコーティング膜を形成させるのが好ましい。
本発明においては、これの耐摩耗性材料のコーティン
グ膜を気相法により形成する。気相法としては、CVD法
又はPVD法が挙げられる。
CVD法により行なう場合には、まず少なくともシリン
ダライナのコーティング膜形成表面部をCVD反応の析出
温度域に加熱する。加熱方法は、特に限定されないが、
シリンダライナ基材が導電性である場合は、装置構成の
簡易な高周波誘導加熱等が有利である。加熱方法として
は、その他、反応容器の外側から加熱する外部加熱法、
レーザー加熱法等も採用可能である。このようにして加
熱されたシリンダライナ摺動面にCVD反応ガスを供給し
てCVD反応させ、表面に高純度耐摩耗性材料コーティン
グ膜を析出させる。形成するコーティング膜の厚さはCV
D反応ガスの供給量又は加熱時間を調節することにより
適宜調整することができる。
一方、PVD法としては、真空蒸着法、スパッタリング
法のいずれをも用い得る。真空蒸着法としては、フラッ
シュ法、2源法、3温度法、分子線エピタキシー法、化
成法(反応性法)、イオンプレーティング、イオンビー
ム法などが用いられる。また、スパッタリングとして
は、直流スパッタリング、バイアススパッタリング、非
対象交流スパッタリング、高周波スパッタリング、マグ
ネトロンスパッタリング、化成(反応性)スパッタリン
グなどを用い得る。
第4図は、代表的なスパッタリング装置を示す断面図
である。スパッタリングは、第4図のような装置の真空
容器20内を低圧ガス雰囲気とし、二つの電極21、22間に
電圧を加えてガスを電離してイオン化し、このガスイオ
ン23をターゲット24に衝突させると表面からスパッタ原
子25が外部に放出する現象をいう。スパッタ法では、こ
の放出された原子25が基板26上に蒸着して薄膜27が形成
される。(なお、第4図中、28はガス供給口、29は排気
口、30はスパッタ電源である。) 一般には、セラミックスのコーティング膜の形成には
CVD法が、アモルファス金属のコーティング膜の形成に
はスパッタリング法等のPVD法が好適である。
ところで、基材表面にこのような気相法でコーティン
グ膜を形成した場合、膜の終端部において、段差が生
じ、この段差が円滑な摺動を阻害し、また膜剥離等の原
因となる。このため、本発明においては、コーティング
膜4は、シリンダライナ1の下死点に向けて、その膜厚
が次第に薄くなるように形成する。
即ち、例えば第2図に示す如く、コーティング膜4の
下死点側にテーパ部4aを形成し、上死点側のコーティン
グ膜厚dがこのテーパ部4aにて次第に減少し、膜4の終
端部において、膜厚がゼロとなるようにする。このよう
に、テーパ部4aを形成する場合、テーパ部4aは、その形
成範囲が小さく、テーパ角があまりに大きいと、テーパ
部による段差の解消効果が低いのであるが、逆にテーパ
部の形成範囲が大き過ぎてもテーパ形成のために気相法
による処理条件を調整する範囲が広くなり好ましくな
い。一般に、テーパ部4aの形成範囲は、コーティング膜
4の全形成範囲の半分ないし半分以下で十分である。
なお、コーティング膜4の厚さdとしては、特に制限
はないが、薄過ぎると耐摩耗性等の各種特性の改善効果
が十分に得られず、厚過ぎると膜剥離の問題を起すこと
がある。そのため、シリンダライナの種類、規模等によ
り、シリンダライナに加えられる摺動応力等に応じて、
膜厚さは適宜決定されるが、一般には2〜10μmの範囲
とするのが好ましい。
前述の如く、気相法により形成したコーティング膜
は、寸法精度や表面性状が極めて優れているため、本発
明のシリンダライナの製造にあたり研削、ホーニング等
の後処理は不要である。従って、本発明のシリンダライ
ナは、例えば、基本径▲D+0.04 0▼(mm)の内径を有す
るシリンダライナを、厚さ5μmのコーティング膜を形
成することにより製造する場合には、コーティング前の
基材を▲D+0.045 +0.05▼(mm)とすることにより、所
定の範囲内の寸法のシリンダライナを得ることができ
る。なお、本発明のシリンダライナには、ラップ加工程
度の仕上加工を施しても良い。
[発明の効果] 以上詳述した通り、本発明のシリンダライナは、内面
の摺動面の少なくとも上死点近傍に気相法による耐摩耗
性材料のコーティング膜形成されているものであって、 気相法により形成されたコーティング膜は、極めて
緻密で高純度であることから、コーティングされる耐摩
耗性材料の特性が著しく優れたものとなる。
気相法によれば、コーティング膜は膜厚等の寸法精
度が非常に良く、形成された膜表面も平滑で、基材(シ
リンダライナ内面)への接着強度も極めて高いので優れ
た位置精度で良好なコーティング膜を形成することがで
きる。
従って、コーティング後の、後処理の必要がない。
コーティング膜は、シリンダライナの下死点に向け
てその膜厚が次第に薄くなるように形成されているの
で、コーティング膜の段差が生じることがなく、ピスト
ンの摺動が円滑に行なわれ、段差による膜剥離の問題が
ない。
等の効果を有する。
このため、本発明のシリンダライナは、耐摩耗性や耐
焼付性に著しく優れ、耐久性も極めて良く、しかも製造
が容易で低コストで提供される。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のシリンダライナを装着したエンジンの
ピストンを示す部分断面図、第2図は第1図II部の拡大
図、第3図(a)〜(c)は従来の耐摩耗性コーティン
グ膜の形成方法を示す断面図、第4図はスパッタリング
装置の一例を示す断面図である。 1……シリンダライナ、2……ピストン、 3……摺動面、 4……耐摩耗性材料のコーティング膜、 5……ピストンリング、6……ブロック。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】内周面がピストンと摺動する摺動面とされ
    ているシリンダライナにおいて、前記摺動面の少なくと
    も上死点近傍には気相法による耐摩耗性材料のコーティ
    ング膜が設けられており、該コーティング膜は少なくと
    も下死点側の部分が下死点側に向けてその膜厚が次第に
    薄くなるように形成されていることを特徴とするシリン
    ダライナ。
  2. 【請求項2】耐摩耗性材料がセラミックスであることを
    特徴とする特許請求の範囲第1項に記載のシリンダライ
    ナ。
  3. 【請求項3】耐摩耗性材料がアモルファス金属であるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載のシリンダ
    ライナ。
  4. 【請求項4】コーティング膜の最大厚さが2〜10μmで
    あることを特徴とする特許請求の範囲第1項ないし第3
    項のいずれか1項に記載のシリンダライナ。
JP31346087A 1987-12-11 1987-12-11 シリンダライナ Expired - Lifetime JPH086636B2 (ja)

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