JPS6113103B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は円筒軸受面の製造法、特に内燃機関用
のシリンダライナ（以下、単にライナという。）
の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

或種の材料は軸受面を形成するのに適した高い
耐摩耗性を有するけれども、かかる材料は潤滑剤
を保持するのに必要な多孔性に欠けることが良く
知られている。

又、ライナ内面や軸受面を滑らかなメツキ面と
する場合、それらが潤滑油保持性に乏しい点を考
慮して、その面を乱すべく溝或いは窪みを形成
し、潤滑油を保持させるようにすることは良く知
られている。

この公知の方法を概略的に説明すると、これ
は、硬質粉末をスクリーンにかけてその粒子の最
大サイズが正確に所定値となるよう篩分けした研
摩粉を担体液中に混ぜてスラリイ状にし、これを
正確に寸法取りされたライナの内面に流し込み、
公知のラツプ工具と同様な工具（以下、溝切工具
という。）をライナ内面に沿つて回転せしめつゝ
ライナの一端から他端へ、更にはその逆に往復動
させ、８字状の通路を画いて螺旋運動させ、上記
研摩粉粒子をライナ内壁に押し付けることによ
り、ライナ内面に油溝を無数に形成させるもので
ある。

粉末粒子をライナ壁に押し付ける上記溝切工具
がライナ内面を横切る回数は、形成される溝の数
に実際上何等の影響を与えるものでなく、又、こ
の溝の深さは実際上粒子のサイズのみによつて決
定されることが分つている。処理の初期の段階で
殆ど総ての溝が形成され、これらの溝の間隔及び
深さは粒子の最大サイズによつて決定される。

引続き溝切作業が行われると、粒子は形成され
た溝に入り込む傾向を見せるが、従来は溝内に研
摩粉が残留することは極めて有害であり、使用に
際してライナ及びピストンを急激に損傷する原因
になると考えられていた。

又一方では、硬質微粒子を懸濁させたメツキ液
を用いてライナの表面に複合メツキを行い、メツ
キ層中に硬質微粒子を固定した後、メツキ面に電
解研摩、化学研摩又は機械研摩を施し、硬度の低
い部分を除去して油溜りを形成すると共に、硬質
微粒子を研摩面より突出させ耐摩耗性を高める技
術も公知である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

然しながら、上記の複合メツキ法では、メツキ
面に固定される粒子の粒度と数の点で実用上有効
と認められる程の硬質粒子をシリンダライナ内面
の如き曲面上に均一に沈積させることは極めて困
難であつた。

本発明者等の研究によると、耐摩耗性を向上さ
せるため有効な粒度は５乃至10μｍ程度であり、
且つこれらの粒子を１平方ミリメートル当り約
600乃至2000個という高密度で沈積する必要があ
るが、従来公知の複合メツキ法では、効果より寧
ろ害のある１〜２μｍ以下の微粒子は比較的多数
沈積される反面、効果の高い上記粒度の粒子は上
記数値の数分の一程度しか沈積できないものであ
る。

本発明は叙上の観点に立つてなされたものであ
つて、上記複合メツキ法によつては達成されなか
つた大粒の硬質粒子を高密度でシリンダライナの
内面に沈積させる方法を提供するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

以下、本発明方法を従来公知の方法と対比して
説明する。

先ず、従来公知の方法について説明すると、円
筒軸受面がクロムメツキされたライナの面である
場合、その内面はメツキに先立ち正確な研摩並び
に油溝付けが行われる。

つまり、ライナ内面は後に行われるメツキの厚
みを考えて研摩され、その際同時に油溝の形成が
行われる訳である。

メツキの厚みは0.013mmから0.05mm迄であるこ
とが好ましい。

溝が形成され、メツキの行われたライナを、引
続き研摩粉のスラリイで同様の処理を施してもよ
い。この処理はライナ内面、特に溝内に付着して
いるクロムの微細瘤即ち微細粒を除去するもので
ある。

かかる処理は内径寸法に殆ど何等の影響を与え
ない。何故ならば、メツキ層は極めて硬く、その
ため内径が変化する程にクロムが除去されること
がないからである。

エンジン用の円筒ライナは、円筒体をスチール
ブランクから深絞りにより成形し、上端並びに下
端の屑を除去し、研摩仕上げを行ない、最終研摩
処理又は同様な処理を施して正確な内径並びに外
径寸法に仕上げ、絞り加工により一端に外方へ突
出したフランジを形成し、前述した如く内面に油
溝を形成し、更にメツキを施す、というようにし
て製作される。

こうすることで薄肉のライナが大量生産出来、
ライナはエンジンブロツクに押し嵌めされ、ライ
ナの内面は極めて高い耐摩耗性を示す。このよう
な方法により、例えば、１ミリメートルという薄
さの壁厚を有するライナが製作可能である。

溝を形成するには、前述の如く、ライナをジグ
に取り付け、外周に間隔をおいて配設され且つ外
方へバネ付勢された多数個の平行刃を有するラツ
プ工具と類似した溝切工具を使用する。

溝切工具をその刃が軸に平行になるようにライ
ナ内に嵌め込み、一定速度でライナ内面に沿つて
ライナ中心軸の回りを回転させると同時に、ライ
ナ内で軸方向に往復運動を繰り返させる。

同時に炭化ケイ素粉末の如き研摩粉を担体
（油）に混ぜてスラリイ状としたものをライナ内
に流し込む。刃がライナ内面に触れ、或量の粉末
をライナ内面に押し付け、その結果多数個の微細
な螺旋溝が刻み込まれることになる。

使用する粉末粒子は略同一寸法のものであるこ
とが好ましい。溝切工具が最初に通過したときに
溝の刻み付けが行われ、その後の通過の繰返しで
粒子がその刻み目に入り込む結果、その後の工具
の運動は溝の数を増大させることはなく、只粒子
サイズで決定される最大値に迄その溝を深くする
ことが分つている。

メツキ層の表面には互いに交差するよう無数の
溝が刻み付けられ、その結果ライナ内面には縁が
粗い溝で囲繞された多数個の小島が形成される。

而して、上記従来の処理法では、使用した炭化
ケイ素或いはその他の硬い砂状物或いは研摩粉の
あらゆる痕跡をライナ内面から除去することが必
要であり、そうしないとライナがエンジンに取り
付けられた場合、極めて急速な摩耗並びに劣化が
生じると考えられていた。

これに対し、本発明はかかる従来の考え方とは
完全に対立するもので、硬質砂状粒子をクロムメ
ツキ中に永久的に強固に残しておくことが耐摩耗
性の点で極めて有利であるという発見に基づく。

本発明方法に於ける硬質砂状粒子をクロムメツ
キ層に食い込ませ、クロムメツキ層内に沈積せし
める処理は、通常のラツプ工具及び上記の溝切工
具と同様の工具（本明細書では粒子埋込工具とい
う。）を使用するが、通常のラツプ処理及び上記
の単なる溝切処理とは異なり、工具圧力が通常の
ラツプ処理及び溝切処理より大きいものである。

通常のラツプ処理及び溝切処理に於ける工具圧
力は、母材の硬度にもよるが、一般的に0.14〜
0.24Kg/cm²の範囲であるのに対し、本発明に於け
る硬質砂状粒子の沈積処理では、通常0.27〜0.43
Kg/cm²の範囲の工具圧力が採用される。

周知のように固体表面の摩擦では相互の凸部の
僅かな真実接触部のみが塑性変形し、凝着又は溶
着する。そしてその部分の剪断に要する力が所謂
摩擦力であり、高速すべりではこの真実接触部の
温度は低い方の金属の溶解点にまで達する。

一般に耐摩耗性の高い材料の条件としては、 (1) 硬度が高く上記真実接触部の面積が小さいこ
と。

(2) 融点が高く、上記真実接触部で溶融又は軟化
が起こらないこと。

(3) 合金を作り難いこと。（接触部が合金を作り
一体となれば摺動時に作用する剪断力が大きく
なり、発熱量が多く、スカツフし易くなる。） (4) 油を溜める窪みがあること。

が挙げられる。

上記(1)〜(3)の条件を満たすものとして、例えば
ダイヤモンドが挙げられるが、炭化ケイ素は新モ
ールス硬さ14でダイヤモンドに次ぐ超硬質物質で
あり、又、融点が2700℃と高く（クロムは1875
℃）、且つ金属との結合性の低い物質である。

従つて、上記真実接触部が、炭化ケイ素等の超
硬質材料のみでできていれば耐摩耗性の優れた滑
り面となるものであり、その際、硬い結晶粒が母
材に埋め込まれて脱落しないこと、及び母材深部
に埋没しないことが必要である。

本発明は、上記の諸条件を満足させることによ
り、内面にメツキ、特にクロムメツキされたシリ
ンダライナの耐摩耗性を向上させる新規な方法を
提供するものである。

本発明方法は、押出し管材から製造したライナ
の表面に５〜10μｍの炭化物砂状粒子を高密度で
メツキ層表面に沈積するもので、この粒子は母材
表面に固く埋め込まれて容易に脱落せず、また、
使用中に母材深部に埋没しないものである。

粒子をメツキ層内に埋め込む工程に使用する粒
子埋込工具は、上記公知のラツプ工具と同様なも
のであり、例えば、前記の溝切工具や、ゴム張り
又はフアイバ製でライナの全長に相当する長さを
有するたわみ棒が用いられる。

本発明に於ては、上記粒子埋込工程は前後二段
階に分けて行なうものであり、最初は400メシユ
炭化物砂状粒子スラリイを用いて主として溝切り
を行ない、次いで600メシユ炭化物砂状粒子スラ
リイを用いて硬質粒子の埋め込みを行なうことが
推奨される。

このようにするとクロムメツキ表面に炭化物粒
子が高密度で強固に埋め込まれ、その結果クロム
メツキ面の寿命が大幅に延長されるものである。

本発明の一実施例では、メツキ付けに先立つて
ライナ内面に200メシユ砂状粒子で通常の溝切処
理を施され、次いで約0.0254mmという厚みのメツ
キが施され、次いで上記の粒子埋込みが行なわれ
る。

〔実施例〕

以下、本発明方法を実施例を使つて説明する。

使用する材料としては、通常の管材よりも寧ろ
押出しスチール管材を使うことが推奨される。

第一の工程は外周の心なし研削であつて、これ
には約４分かかる。

次いで、タレツト旋盤で所定長さに切り、端フ
ランジを圧延成形して施削する。これには更に約
４分かかる。

次に約２分30秒かけて内面の研削を行ない、そ
の後その内面を垂直四スピンドル装置で粉末研摩
仕上げして所定の内径に仕上げるが、これには約
30秒かかる。

次に内面をクロムメツキを施し、最終的に400
メシユ及び600メシユ炭化ケイ素スラリイを用い
て本発明の特徴である硬質砂状粒子の沈積を行
う。

前述の如く、この処理は、通常のラツプ処理に
使用する工具と同様な粒子埋込工具を用いて行な
うものであるが、その際の工具圧力は通常のラツ
プ処理及び溝切工程に於ける工具圧力よりも遥か
に大きいものであり、最終的に埋め込まれた粒子
のサイズは略５〜10μｍ、その間隔は約30〜50μ
ｍであつた。

断面検査の結果、メツキ層の奥部に迄押し込ま
れた炭化ケイ素粒子の数は比較的少なく、大部分
は作用面に存在することが判明した。

本発明方法によるとき有効な粒度の粒子が高密
度で埋め込まれる理由は、一定の粒度の粒子によ
り溝が切られ、それらの溝の終端点及び交差点に
溝の深さに略対応する粒度の粒子が多数捕捉、固
定されるためである。

前述の如く、溝の数は粒子の数や工具の通過回
数にはあまり関係しないが、溝は有効数の粒子を
埋め込むには充分多数存在する。

溝の深さは、使用する粒子の粒度によつて定ま
るので、適切な粒度の粒子を用いれば、耐久度増
進のためあまり効果がなく寧ろ有害と考えられる
極微小粒子は捕捉されることが少なく、耐久度増
進のため有効な粒度の粒子が多数固定されるもの
である。

而して、これらの粒子は、従来信じられていた
ように、相手部品やライナ内面を急速に損傷する
ものでなく、ライナ内面に加わる荷重に対し強固
な支持拠点となるものであり、そのため、このよ
うにして製造したライナは、従来品に比して高い
耐久性を示すものである。

以下に本発明方法によるものと従来のものとを
用いて行なつた比較実験のデータを示す。

〔実施例 ベンチテスト〕 シリンダ内径86mm、行程102mm、４シリンダ、
４サイクルで、最大出力が3800rpmで74PSのデ
イーゼルエンジンを運転台上で130時間最高出力
で連続運転し、続いて120時間アイドリングと最
高出力の交互繰り返し運転を行ない、合計250時
間の運転後の摩耗を測定比較した。

テストに用いたものは、公知のドライライナ
と、それを本発明方法で処理したものとであり、
その結果は第１図に示されている。

ライナの摩耗は上死点でのトツプリング位置近
くの半径方向の摩耗の最大値をあらさ計で測定し
たものであり、一方ピストンリングはＴ寸の減少
をダイヤルゲージで測定したものである。

(1) 従来の方法により鋼にクロムメツキし、それ
を炭化ケイ素でラツピングしたもの（クロマー
ドライナと呼ばれているもの）と、鋳鉄リング
との組合せを基準とすると、 (2) 鋼のライナに本発明方法で炭化ケイ素を埋め
込み、相手にクロムメツキリングを使用した場
合には、炭化ケイ素の埋め込まれたライナ自身
の摩耗が約1/7と大幅に低減されている。

しかし、相手のクロムメツキリングのメツキ
面が炭化ケイ素より軟らかいため、その摩耗は
逆に７倍に増大した。

(3) 上記本発明方法で処理した鋼製のライナと、
クロムメツキ面に炭化ケイ素を埋め込んだリン
グを組み合わせると、ライナ、リングとも最小
の摩耗量にとどまることが示されている。

この結果から、ライナとリングが共にその面
に埋め込まれた炭化ケイ素粒子同士で摩擦し合
つていると、どちらの摩耗も大きく低減するこ
とがわかる。

(4) 鋳鉄製ライナに炭化ケイ素を埋め込んだもの
と、クロムメツキリングとを組み合わせた場合
には、(1)と(2)の中間的な成績が得られる。炭化
ケイ素を埋め込んだ鋼製ライナは同じ処理を施
した鋳鉄製ライナより良好な耐摩耗性を示す
が、リングを摩耗させる傾向がある。

〔実施例 実車テスト〕 内径100mm、行程120mm、６シリンダ、150PS／
3200rpm、ウエツトライナのデイーゼルエンジン
を搭載するトラツクで、実走行中2200Kmと44700
Km走行後の摩耗量を第１図の４の組合せで測定
し、炭化ケイ素の埋込みのないものとの違いを示
したものが第２図である。

第２図に示す如く、前記第１図に於ける１と４
の違いに近い結果が得られた。

本発明方法で処理したライナは2200Km走行時ま
でに初期摩耗が見られるが、それ以降は摩耗が進
行しない。これに対し従来品は摩耗の進行が多少
遅くなる程度である。

耐摩耗性テストによる表面の変化 大越式摩擦試験機により下記の条件で行なつた
摩耗実験の結果も本発明方法の効果を示してい
る。

〔実験条件〕

相手ロータ材：鋳鉄 温度：常温 滑り速度：0.054m/s 荷重：20Kg 潤滑油：SAE−30 摩擦距離：1300ｍ（６時間41分相当） 第３図乃至第１０図はそのテスト前後の表面の
状態を示す写真である。

このうち、第３図、第５図、第７図及び第９図
は表面の顕微鏡拡大写真であり、第４図、第６
図、第８図及び第１０図はＸ線マイクロアナライ
ザで炭化ケイ素粒子の分布状態（ケイ素のＫα線
像）を撮影したものである。

第８図中に大きく鮮明に見える白い斑点は本発
明方法により表面に埋め込まれた炭化ケイ素粒子
を示すものである。尚、細かい白い点は母材に含
まれたケイ素であり、埋め込まれた炭化ケイ素粒
子を示すものではない。

第３図及び第４図は試料にクロムメツキし、炭
化ケイ素粒子により通常のラツピングを施したラ
イナのテスト前の状態を示す写真であり、第５図
及び第６図はそのテスト後の状態を示す写真であ
る。

摩耗試験前は第３図及び第４図からわかるよう
に、相当量の炭化ケイ素粒子が仕上げ面に残つて
いる。しかし、それはテスト後第５図及び第６図
に示すように全部脱落して無くなることもわかつ
た。

また、第５図は、ライナ表面に設けた油溝がほ
とんど消失し、スカツフ状の傷が生じていること
を示している。

次に、第７図乃至第１０図は本発明方法により
炭化ケイ素粒子をメツキ層に埋め込んだシリンダ
ライナの表面状態及び炭化ケイ素粒子の分布を示
す写真であり、テスト前が第７図及び第８図、テ
スト後が第９図及び第１０図に示されている。

これらの写真から本発明方法により製作したラ
イナは、公知の方法によるものと比較して表面に
存在する炭化ケイ素粒子の数が多いこと、又、テ
スト後も粒子が殆ど減少しないで母材に保持され
ていることがわかる。

また、第９図に示す如く、表面には始めに設け
た油溝が凹凸として残つており、これは潤滑油保
有の役目を果すものである。

〔発明の効果〕

本発明方法によるときは、従来公知の複合メツ
キ方法による場合に比し数倍の密度で、耐摩耗性
向上に有効な５乃至10μｍ程度の硬質粒子を高密
度でメツキ層表面に固定し、同時に表面に多数の
油溝を形成し得るので、耐久性に優れたシリンダ
ライナを提供し得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法により製作したシリンダラ
イナと従来の方法により製作したシリンダライナ
とを用いて行なつた摩耗実験のベンチテストの結
果を示すグラフ、第２図はその実車テストの結果
を示すグラフ、第３図乃至第１０図は摩耗実験の
前後に於けるシリンダライナの表面状態を示す写
真である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 下記(a)項乃至(j)項記載の工程より成るシリン
   ダライナの製造方法。 (a) 押出し管材の外面を心なし研削し、所望の外
   径を得る工程。 (b) 上記心なし研削した管材を所定の長さに切断
   する工程。 (c) 上記切断した円筒体の一端部にフランジを形
   成する工程。 (d) 上記端フランジの外周を旋削する工程。 (e) 内面を研削し、所望の内径を得る工程。 (f) 内面を常法によりラツプ処理する工程。 (g) 内面をクロムメツキする工程。 (h) 最初に400メシユ炭化物砂状粒子スラリイ
   を、次いで600メシユ炭化物砂状粒子スラリイ
   をシリンダライナ内面に供給すると共に、ラツ
   プ工具と同様な粒子埋込工具をシリンダライナ
   内面に圧接しつゝシリンダライナ中心軸の回り
   を回転させると同時にシリンダライナ軸方向に
   往復動せしめ、クロムメツキ面に多数個の溝を
   形成し、且つ粒度５〜10μｍの炭化物砂状粒子
   をクロムメツキ層に食い込ませ、沈積せしめる
   工程。 (i) 内面を常法により艶出しラツプ処理する工
   程。 (j) 外面を常法により艶出しラツプ処理する工
   程。