JPS59212572A - レ−ザ硬化処理した内周面を有するシリンダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 稍巷宏亘 本発明は内周摺動面にレーザ焼入れ処理層を設けたシリ
ンダ、特に内燃機関に用いられるシリンダ、シリンダラ
イナ、シリンダスリーブ、或いはシリンダブロック（以
下、これらを総称して単にシリンダと言う）に関する。

本発明は特に、長期間苛峠な条件下で使用されても耐摩
耗性に優れ、オイル消費量の悪化あるいはブローハイガ
ス量の増大を起こすことなく、しかも優れた耐スカッフ
ィング性を有するディーセル内燃機関用シリンダ、特に
そのレーザ焼入処理パターンの改良に関する。

従沫丑ｊ虹 近年大出力の炭酸ガスレーザの開発進歩に伴いレーザを
用いた表面硬化処理技術が急速に進みつつある。レーザ
焼入は必要箇所のみへの部分焼入れが可能となる為、焼
入歪を減少させることができる等価れた特徴を有してい
る。

このレーザ焼入の特徴を生かして焼入部を螺旋状、点状
あるいは環状にパターン成形した部分焼入れか試みられ
、ある程度の効果を発揮している。

これらのパターンは焼入部と非焼入部を共存さ−ｌたパ
ターンで、このような共存パターンを形成しく互なかっ
た従来の手法、即ち高周波焼入やズブ焼入からは得られ
ない効果や特性を発揮しているが、それでも尚特に高負
荷高性能ディーゼルエンジンのシリンダに要求されるよ
うな耐摩耗性、耐焼付性に優れしかもオイル消費量並び
にブローハイガス量の低減といった要求を全て満足する
焼入パターンはいまだ実現していない。

すなわち、焼入部を！ｌ！ｌｉ！旋状・環状・あるいは
点状パターンに形成した場合、焼入を施した硬化部分と
非焼入部とでは硬さか違う為に加工時に表面に非焼入部
が相対的に凹んだ凹凸ができやすい。

この凹みは保油性を良好にする油溜めとして有益な反面
オイル消費量を増大するという欠点を併せ有している。

従ってこの凹みの大きさや配列パターンは非常に重要な
要件となる。また螺旋状、点状パターンの場合は機関運
転の中期以後にあられれる摩耗段差の凹み部即ち、非焼
入部が連続しているためにオイル消費量あるいはブロー
バイガス量が増大するということが判明した。また特に
環状パターンの場合には、焼入れ硬化層が円周方向に平
行になる為摩耗段差が一段と顕著となりそれにより当該
シリンダ内を摺動するピストンリングの外周摩耗を促進
し、やはり同様にオイル消費量及びブローバイガス量の
増大を招くという不具合が明らかとなっている。

焼入部と非焼入部を混在させたシリンダの内周摺動面は
摩耗が進行するに伴い焼入れ硬化部が１次摺動面として
残り、非焼入部が２次摺動面を形成するように摩耗段差
が生じてくる。本願発明者は、この摩耗段差の生じ方と
シリンダとして要−求される耐摩耗性、耐焼付性および
低オイル消費の特性が密接な係り合いを持っていること
を見い出し、特定のレーザ焼入パターンを持つ優れた特
性を有するシリンダの開発に成功したものである。

光肌叫且咋 本発明はシリンダに要求される耐摩耗性、耐焼付性の確
保、並びにオイル消費量及びブローハイガス量の低減と
いった諸要求にとって焼入部のパターン形状、即ち焼入
部と非焼入部との大きさや配列の関係が重要な要因とな
っているという事実にもとづき、数多の実験を繰り返す
ことにより最適のパターン形状を見出すことに成功し７
たものである。

即ち、本発明の目的は耐摩耗性、耐焼付性に優れ、しか
もオイル消費量・ブローハイガス量を低減するシリンダ
の表面処理構造を提供しようとするものである。

光朔勿構成 本発明の要旨とするところは相互に独立した非焼入れ面
積部を多数残し油溜りとしての働きを持たせることにあ
る。

即ち、従来とは逆に非焼入部を相互に独立した不連続状
態で点在させることにより従来ｉＭられなかったｍ１１
ｇ耗、耐焼イスｊ性に優れしかもオイル消費１１士・ブ
ローハイカス量を増大させないシリンダ摺動面が得られ
るものである。

ｆｊＱ、本発明で言う「相互に独立した非焼入面積′＋
□ 部」には後述の理由により２本以上の互いに交差する螺
旋状の焼入処理層により形成した非焼入部パターン形状
は含まない。

余皿勿ｌ生呵析戊 以下、本発明の具体的構成について図面を参！１．へし
ながら詳細に説明する。

高周波焼入やズブ焼入の場合の如く全面焼入となる場合
には機関運転の中期以降摺動面が鏡面状態になったとき
にオ′イルポケット（油溜め）か非常に少なくなり、ス
カッフィングが発生しやすい状態となる。しかるにレー
ザ焼入の場合は部分焼入が可能となるのでこのような欠
点を解消できる。

しかしながら従来の如く焼入部をＩｌ！！旋状、点状あ
るいは環状等のパターン形状にした部分焼入の場合は前
述の如く非焼入部が連わ′ｉパターン形状を呈する為オ
イル消費が悪化し、叉オイルを均一に保持する能力も低
下し耐焼付性の効果が得られない。

また特に環状パターンの場合焼入ピンチが小さいものは
ある程度のオイル保持能力は得られるものの、硬化処理
層が円周方向に平行になる為、焼入れピッチに関係なく
摩耗段差が過剰となりビス１〜ンリングの外周摩耗を促
進して、やはりオイル消費及びブローハイガス量増大を
招くことは前述の通りである。本発明において非焼入れ
部を独立して多数設ける理由は以」二の不具合を防止す
る為に他ならない。即ぢ非焼入部を独立させ多数点在さ
せることにより２次摺動面が独立することになり、過剰
なオイル消費を防止する上に均一に分布されたオイルポ
ケットとじての役割も果たす為、耐スカッフィング性に
顕著な効果をあられし、ひいてはシリンダの摩耗および
相手ピストンリングの摩耗低減にも結びつく。以上のこ
とは後述の如く実験的に確認されている。尚、焼入れ方
法としは現在のところ部分焼入が可能なほどエネルギ密
度が高く、大気中で処理可能な方法はレーザビームを利
用したレーザ焼入以外にない。

非焼入面積部１の個々の大きさ及び形状を均一にした場
合にはその大きさは好ましくは以下の如き範囲にある。

即ち、非焼入面積部のシリンダ軸方向寸法Ｈ（第１図）
をシリンダ内面１ｏ内をピストンリンクるピストン１１
のビス１−シリンダ１３の幅Ｂの窪未満にすると、油溜
り部分（即ち、非焼入部分１）が少なくなり耐スカッフ
ィング性の面で不具合が生じ易く、また３倍を越えると
油溜り部分が過大となりオイル消費量が増大する可能性
がある為にｙ５〜３倍が好ましい（４−≦Ｈ≦３１１）
。

叉、非焼入部ｌの円周方向寸法りが％■（未満だと同様
に油溜り部分が小さくなり過ぎ耐スカッフィング性が不
足し易く、他方シリンダ内円周長さＰの越を超えると焼
入部２と非焼入部１との間隔が長くなる為に爆発背圧を
受けたピストンリンクの張り出しにより過大な摩耗段差
が生じがちでありオイル消費量の増大、ピストンリング
の摩耗増大を招き易い。よって’７Ｈ≦１、≦士Ｐが好
ましい。

独立した非焼入面積部１の１ケ当たりの大きさを上述の
如く限定した場合は硬化部２と非硬化部１の加工貼にお
ける凹凸、あるいは機関運転の中期以降にでてくる摩耗
段差をは＼２μ以内に抑えることが可能となり過大なオ
イル消費を防止しくＭると共に適度な油溜りか確保でき
る為、耐スカッフィング性、耐摩耗性を向上させること
ができた。

また、非焼入れ面積部１の面積率をレーザ焼入処理部の
全面積、即ち焼入部２の全面積に対して１０〜７０％に
限定するのが好ましい。その理由は前記条件を高定して
いても面積率で１０％を下廻ると耐スカッフィング性の
点で不具合発生のおそれが増大しまた７０％を越えると
オイル消費が過大となる傾向が出るためである。

以下実施例および比較例をあげて説明する。

実施例１： ’ｆ”ｃ３．１８％、Ｓｉ２，１０％、Ｍｎ０．７６％
、Ｐｏ、１７％、３０．０３％、Ｃｒ　Ｏ，３１％、残
部ＦＣの片状黒鉛鋳鉄製のシリンダライナ内周面にＣＯ
２ガスレーザ装置を使用して、出力１０００Ｗ、ビーム
送り速度１０００ζざ本発明品として第３図の（Ａ）〜
（Ｅ）に示すようなパターンのものを作製した。また比
較材（従来技術）として、上記と同一成分のシリンダ内
周面に焼入処理を施さなかったもの（比較例Ｉ）、全面
に高周波焼入をしたもの（比較例■）全面にズブ焼入れ
したもの（比較例ＩＩＩ）、全面にレーザビームによる
焼入れしたもの（比較例ＩＶ）、および第３図ＣＦ）〜
（Ｈ）に示すようなパターンでレーザ焼入したシリンダ
ライナ（比較例Ｆ〜Ｈ）を作製した。

尚、第３図（Ａ）〜（Ｉ（）において、いずれも１は非
焼入部、２は焼入処理部を示す。当然のことながら比較
例１〜■においては非焼入部は混在していない。また、
比較例Ｆ〜Ｈにおいては卵焼入部１が第３図（Ａ）〜（
Ｅ）に示す本発明の如く相互に独立したパターン配列と
はなっていない点で本発明品とは全く異なる。

前記試料を水冷４サイクル■型８気ｆ＃ｉ　１３０’−
−（口径）　　Ｘ　１２５″″′（ストローク）　、１
．３３００６０のディーセルエンジン（２６５ｐｓ　／
２５００ｒｐｍ　）に組み込み、スカッフィングテスト
を実施した。このときノ相手ヒストンのトップリング（
ピストンリング）には８寸法（第２図）４．＋ｎ１１の
クロムめっきリンクを使用した。尚、各シリンダライナ
試料は同一試料を２気筒づつに組み込み各試料ともに２
回の繰返しテストを実施した。尚、各試料の各部寸法は
次の通りである。Ｒは焼入部に対する非焼入部の面積率
を示す。

試料番号（対応図面）　　各部寸法 尚、試料Ｆ　、　Ｇ　、　Ｈについては添字１，２，３
で示す如く同一パターンについて夫々３種類の大きさの
ものを実験した。

本テストに供試したシリンタライナは全て内周仕上げホ
ーニング面の面あらさを１μＲ２以下にして機関運転の
中期以降に現れる鏡面状態が早い時期に現出するように
した。本スカッフインクテスト結果を第１表に示す。

表中の（○）印は全くスカッフィングを起こさなかった
もの、（△）印は明らかなスカッフィングまでは至らな
いがキスの発生の多いもの、（×）印は明らかなスカッ
フィングを起こしたものである。

以下余白 エンジンテスト条件 ２５００ｒｐｍシ％負荷Ｘ５０１１ｒ 水温１１０°Ｃ油温１１０℃（吸気加熱４７℃）本テス
ト結果から４５℃螺旋パターン（Ｆ、〜八）、点状パタ
ーン（Ｇ、〜Ｇ、）、環状パターン（Ｉ（、〜１１３）
、のちのは非焼入部が小さくなるほど耐スカッフィング
性が向上する傾向を示しているもののレーザビームによ
る全囲焼人材を超える性能は得られなかった。これらの
ものに較べ本発明の焼入れパターンのものは優れた耐ス
カツフイング性能を有することがわかる。

実施例２： 実施例１と同一材質のシリンダライナ母材を使用して本
発明のパターン（第３図へ）のもののシリンダ軸方向寸
法と円周方向寸法とを種々変えてスカッフィングテスト
を実ＪＡｉシた。）共９人したｉ式別の仕様及びその結
果を第２表に示す。尚、供試したエンジンは実施例１で
使用したものと同一であるが、テスト条件についてはさ
らに苛酷な条件で実施した。このときの１−ツブリング
は実施例１と同一のＢ寸法４ｉｍのクロームめっきリン
グを使用した。また本テストの供試ライナも全て円周仕
上げホーニング面の面あらさを１μＲ２以下Ｇこして機
関運転の中期以降に現れる鏡面状態が早期に現出するよ
うにした。

以下余白 本テスト結果から軸方向寸法１１および円周方向寸法り
がそれぞれＨ＝ｌＢ未満、Ｌ−％Ｈ未満では非焼入れ部
の面積率が１０〜７０％の範囲を満足していてもスカッ
フィングが発生した。また、Ｉ−１＝イＢよりも太きく
　１−　＝　’Ａ　Ｈを超えていても非焼入部の面積率
が１０％未満ではスカッフィングが発生した。Ｈ−％Ｂ
Ｔ：Ｌ＝Ｉｆ（であり非焼入部面積率が１０％のものは
はソ良好な耐スカツフ性能を示した。これらのことから
非焼入部の１ケ当たりの大きさおよび面積率がある程度
以上確保てきな１　げれば耐スカツフ性能が低下するこ
とが判る。

テ１（方向寸法が３Ｂ以内であっても非焼入部の面ｊ　
積率が７０％を超えると耐スカッフ性能が低下すること
がわかる。またＨ　＝　３　Ｂ以内であり面積率が７０
％以内であってもし方向寸法が大きすぎる−　と耐スカ
ツフ性能が低下することも判る。面積率が７０％以内で
あってもＢ方向寸法が、３１３を超えると耐スカツフ性
能が低下する。

以上のことから非焼入部の１ケ当たりの大きさおよび面
積率が耐スカツフイング性能に重大な影響を及ぼずこと
がわかる。

実施例３： 次に実施例１で使用したものと同一成分の片状黒鉛鋳鉄
製のシリンダライナ内周面におなしくＣ０２ガスレーザ
装置を使用して第３図Ａに示すパターンの試料（４種類
Ｘ：〜Ｘ４）を作製した。

前記試料を水冷４ザイクル４気筒２３５０ｃｃタ一ボチ
ヤージヤ付本拳４奔傘氷藷ディーゼルエンジンｌ１４Ｒ
舛 ９１．１　　（口径’）　　Ｘ９０．０″４′（ストロ
ーク）に組付り５００Ｈｒ耐久テストを実施した（テス
ト条件；４２００ｒｐｒＢ　ｘ％負荷Ｘ５００１１ｒ　
）　、　尚、比Ｍ材トシ７上記と同一成分の無処理利く
第４図３１）、レーザビームによる全面焼入れ材（第４
図３２）　、Ｈ＝　５　龍（−２Ｂ　）　、Ｌ　＝　１
０　＋ｕ、面積率Ｒ＝　８０％のものく第４図Ｓ、）、
及ヒＩ］−±Ｂ！−１，３ｍｍ、Ｌ　”’　ｚ　Ｈ＃０
　、６　龍、Ｒ＝５％０：）もの（第４図３４）を作製
した。このときの相手トップリングにはＢ寸法２．５闘
のＦｅ　　Ｃｒｉ’＄射リング全リングた。尚、本発明
の試料Ｘ、〜Ｘ４の各寸法は第３表に示す通りである。

耐久運転中のオイル消費量の推移を第４図に示す。また
５００時間運転後のシリンダ摩耗およびビス１−シリン
ダ（１−ツブリング）外周面摩耗量を第５図に示す。

第４図に示すごとく本発明の焼入パターンのものは比較
材に比べ、優れたオイル消費性能を示した。また第４図
から非焼入部の面積率が少なすぎても（Ｓ４）多ずぎて
も（Ｓ３）オイル消費性能は悪化することがわかる。

第５図にシリンダ内周面の摩耗量とトップリング外周面
の摩耗量を示す。第５図に示すごとく本発明のレーザ焼
入パターンのものはシリンダ摩耗、トップリング外周面
閉耗ともに優れた耐摩耗性能を発揮することがわかる。

また、耐摩耗性能についても非焼入部の面積ずなわぢオ
イルポケットとなるべき第２次摺動面の面積率が重要な
ポイントとなることがわかる。

第６図に５００時間運転後の各回転域における全負荷時
のブローハイガス排出曲線を示す。本発明の焼入れパタ
ーンのものは比較材に比べ各回転域で少ない排出量を示
したが、これはシリンダ摩耗ピストンリング摩耗が少な
い為である。

前述の如く本発明では、硬化処理ｙ―を２本以上の交差
した螺旋状帯により形成する場合を除いている。それは
硬化処理の交差部分があると、この重なり部分は、１回
目に焼入れされた部分が２回目の処理で焼戻し処理を受
は硬度が低下すると共に微少な寸法歪を受けるためであ
る。よって硬化処理層は重合部分が無いのが望ましい。

最後に、シリンダの上方部分、例えばピストンのトップ
リングに近接した部分（燃焼室に近い部分）はシリンダ
下方に比べ高熱を受けるのでオイルが蒸発し燃焼する可
能性が大きい。従ってシリンダ上方部においてはオイル
ポケットの総面積が小さい方がよい。そのため非焼入部
１の面積をシリンダ上方部と下方部とで不均一にして、
上方部枠手さくするのが好ましい。尚、非焼入部の面積
率にしてシリンダ上方部では１０〜４０％、下方部（ス
カート部）では５０〜７０％にするのが適当である。

また、生産効率、経済性の面がらレーザ焼入部を例えば
１−ツブリング摺動域に限定して施す等の公知の手段を
用いてもよい。更にまた、本発明はシリンダに限定され
ることなく例えばロッカアーム、カムシャフトのカム面
、あるいはタペット等の動弁機構等にも適用し得るもの
である。

余肌夙飲来 このように本発明の焼入パターンのシリンダは長期間苛
酷な条件下で使用されても耐摩耗性、耐スカッフィング
性に優れ、かつオイル消費、フローハイガス特性を向上
させるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るシリンダ摺動面の焼入パターン形
状を示す図、第２図は第１図のＩＩ　−ＩＩ線断面図を
示すものでエンジンナス１〜後のシリンダが摩耗した状
態でのピストン及びピストンリングの関係を示す図、第
３図（Ａ）〜（Ｅ）は本発明に係る焼入パターン形状の
種々の実施例を示す図、第３図（Ｆ）〜（）ｌ）は従来
技術の焼入パターン形状を示す図、第４図は従来技術と
の比較において示す本発明のオイル消ｑｉ、量の特性線
図、第５図は同じくシリンダ及びトップリング外周面の
摩耗量の特性線図、第６図は同じくブローパイガス排出
量の特性線図。 １・・・非焼入面積部、２・・・焼入処理部、１０・・
・シリンダ内周面。 特許出願人 帝国ピストンリング株式会社 特許出願代理人 弁理士　青　木　　　朗 弁理士西舘和之 弁理士　中　山　恭　介 弁理士　山　口　昭　之 第１図 第２図 第３図　　　　（Ｇ） （Ｈ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　シリンダ内周面に形成したレーザ焼入処理部の間
   に相互に独立した多数の非焼入面積部から成る所定パタ
   ーンの非焼入部を形成したことを特徴とするレーザ焼入
   処理した周面を有するシリンダ。 ２、相互に独立した非焼入面積部の全面積を残りのレー
   ザ焼入処理部の面積に対して１０〜７０％の面積率にし
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のソリ
   ンダ。 ３、　非焼入面積部の個々の大きさはシリンダ上方に位
   置するものと下方に位置するものとで相異することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項または第２項の記載のシ
   リンダ。