JPS5951668B2 - シリンダライナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関用シリンダライナに関するものであり
、さらに評言すると耐キャビテーション性を向上したシ
リンダライナに係るものである。

水冷式内燃機関のシリンダライナは外周面において冷却
水と接触するが、その部分がキャビテーション侵食を起
こすという問題がある。

キャビテーション侵食の要因は冷却水による化学的腐食
とシリンダライナの振動に伴う機械的腐食であるが、主
たる要因は後者であるとされている。

この機械的腐食の原因は、シリンダライナの高速振動に
より周囲の冷却水に局部的圧力変動が生じ、この圧力変
動により気泡の局部的な発生と消滅が起こり、これがシ
リンダライナに局部的衝撃をくり返し与えることにある
。

したがって、キャビテーション侵食は、内燃機関の振動
の激しい方向、すなわちクランク軸に直角な方向、いわ
ゆるスラスト方向と反スラスト方向に発生しやすい。

キャビテーション侵食の対策として、従来、各種の提案
がなされているが、大別すると表面処理法とシリンダラ
イナ、シリンダブロックの構造強化法になる。

後者にはシリンダライナのスラスト方向の振動を抑制す
る支柱やフィンを設けたもの、振動を分散するために波
状にシリンダブロック、シリンダライナを成形したもの
等がある。

しかし、通常用いられる方法であり、シリンダライナ外
周面へ硬質クロムメッキを設けたちのセラミックス溶射
層を設けたもの、鋼板を表面に結合したもの、シリンダ
ライナを鋳造する際に冷し金でシリンダライナ外周にチ
ルド化層を設けたもの等がある。

これらのキャビテーション防止を施したシリンダライナ
の中で、構造を強化したものは機関の作動状態によって
は効果が不安定である。

表面処理を施したものは表面処理層の硬度及び組織強度
が効果を左右する。

シリンダライナ外周面に生じる気泡の生成、破壊による
衝撃に対し高硬度で表面に欠陥のないものは実験的に強
い耐食性を有することが確認されている。

例えば、硬質クロムメッキ面は黒鉛の分散した（黒鉛は
欠陥とみなされる）鋳鉄とは比較にならない耐食性を有
する。

しかしながら、゛これらクロムメッキやセラミックス溶
射層を有するシリンダライナは製造時間及び表面処理に
要する原材料費が高いなど製造上の問題か゛ある。

一方、シリンダライナの外周面にチルド化層を設けたも
の（実公昭５４−２５５３０号）は、このチルド化層（
白鋳鉄化層）の硬度が高く組織中に遊離黒鉛がないので
、キャビテーションに対しての耐食性は実用上充分であ
るが、冷し金等によりチルド化したものはチルド化層と
母材の二層構造となるため、次のような問題が残る。

０、３ｍｍ以下の薄い硬質層（クロムメッキ層やチルド
化層）は静的条件は母材と無関係であるが、動的条件、
例えば疲労に対しては母材に影響されるものであり、キ
ャビテーションに対してはこの動的条件の影響が小さく
なるため、母材上に設ける硬質層にはある程度の厚さが
要求される。

これはクロムメッキにおいてもみられる現象であるが、
チルド化層は硬質クロムメッキ層よりも低硬度であり、
その上動的条件の影響も受は易いので、相当な厚さにす
ることが要求される。

しかも、製造上、チルド化層は外周面からの強制冷却で
形成されるため、冷却むらが生じやすく、かつ鋳物の渦
流れにも大きく影響されるので、チルド化層を安定して
所定の厚さに設けることは極めて困難であり、特に薄く
均一厚さのチルド化層を得ることは実際には不可能であ
る。

このような理由によりチルド化層は厚さむらを含めて最
低２ｍｍ以上の厚さにせざるをえないので、比較的に肉
厚の薄いシリンダライナに用いようとする場合は、シリ
ンダライナの内周面に影響が及び、内周面の組織や硬度
に変化を与え、さらにチルド化が内周面近くまで進むと
、加工にも支障をきたすことになる。

本発明の課題はこれら従来のキャビテーションに対し耐
食性のあるシリンダライナ、特に外周面に白鋳鉄化層を
設けたシリンダライナの問題点を解決することにある。

前記課題を解決するため本発明の要旨とするところは、
次の二つの要件からなるシリンダライナにある。

（１）シリンダライナ外周面の冷却水に露出する部分の
一部又は全部の表面に再溶融白鋳鉄化組織を有する。

（２）白鋳鉄化組織と母材の間に熱影響組織を有する。

本発明のシリンダライナを図面に示す実施例に基づいて
説明する。

第１図はシリンダライナ断面図でありシリンダライナ１
は冷却水通路２を形成する。

外周面４を有し、内周面５はピストン３との摺動面にな
る。

キャビテーションはシリンダラナ１の外周面４のスラス
Ｉ・側（ピストンピン６と直角な方向）に発生しやすい
が、本発明は少なくともこのキャビテーションの発生し
やすい面を含むシリンダライナ１の外周面部７に設けら
れる。

第２図は第１図のシリンダライナの組織を示す部分拡大
組織写真であり、ナイタル液で腐食した切断面を倍率２
００倍の顕微鏡を通して撮影したものである。

第２図において、シリンダライナの外周面７には再溶融
冷却した白鋳鉄化層Ａがあり、母材Ｃとの間には熱影響
Ｂが存在する。

母材Ｃは普通鋳鉄であり、形成された白鋳鉄化層Ａと熱
影響層Ｂの厚さはそれぞれ０．２ｍｍと０．１ｍｍで、
その形成条件は次のとおりであった。

再溶融処理方法：電子ビーム処理 加速電圧：５０ＫＶ ビーム電流：４０ｍＡ 速度：Ｑ、４ｍ／ｍｉｎ 焦点位置ニジリンダライナ外周表面 本発明のシリンダライナの白熱鉄化層は高硬度であり、
かつ遊離黒鉛りを有しないため、キャビテーションに対
する耐食性に優れている。

この白鋳鉄化層Ａと母材Ｃ間に熱影響層Ｂが存在するの
で、白鋳化層Ａが薄い場合も、比較的高硬度な熱影響層
Ｂがシリンダライナ外周面側からの動的影響、例えばキ
ャビテーション現象での気泡生成消滅に伴う衝撃に対し
て白鋳鉄化層Ａを支承し、キャビテーションに対しての
耐食性を向上させる。

さらに、第２図からも明らかなように、白鋳鉄化層形成
に伴う母材への影響、例えば黒鉛量の減少は熱影響層Ｂ
が存在するため全くなく、シリンダライナ内周囲はシリ
ンダライナ外周面の処理による影響を全く受けない。

本発明のシリンダライナは再溶融冷却によって得られる
ものであるが、再溶融させたシリンダ外周面を主どして
シリンダライナ自体か゛内周側から冷却することに特徴
があり、再溶融された部分が主として本発明の白鋳鉄化
層を形成し熱影響を受けた部が主として本発明の熱影響
層を形成する。

したがって、本発明でいう熱影響層は、通常の焼入層と
類似するものであるが、はぼ溶融温度から急冷されたツ
ルランサイＩ・組織と白鋳鉄化組織の混在する白鋳鉄化
層直下部から母材直上のツルバイ１〜組織に近いものま
でが分布し、全体としては通常焼入層より高い硬度が得
られる。

又、再溶融の工程を取るため安定した深さの白鋳鉄化層
を得ることが容易であり、切削又は研削されたシリンダ
ライナ外周面を再溶融することか−望ましい。

シリンダライナ外周面の再溶融に伴ううねりや寸法変化
を極めて小さくすることが可能であり、後加工も不要で
ある。

本発明のシリンダライナの再溶融冷却により形成された
白鋳鉄化層の厚さは耐食性効果性効果を得るためにはそ
の平均厚さで０．０５ｍｍ以上が必要である。

ここで、白鋳鉄化層の平均厚さとは、シリンダライナ断
面の白鋳鉄化層の面積をその白鋳鉄化層の周長で除した
ものである。

白鋳鉄化層の再溶融に伴ううねりと寸法変化は周期的で
あり、そのシリンダライナの横断面又は縦断面の平均厚
さは大体一定になる。

一方、熱影響層の厚さは白鋳鉄化層の厚さにもよるが、
少くとも０．０５ｍｍあれば、うねりで薄く形成された
白鋳鉄化層の部分にキャビテーションによるピットが発
生しても、母材よりも高硬度の熱影響層が白鋳鉄化層を
支承し耐食性を保持する。

しかし、両層の合計厚さは０、１５ｍｍ以−１−にする
ことが望ましい。

シリリンダライナの肉厚に対して白鋳鉄化層と熱影響層
の合計厚さはシリンダライナ内周面に影響を及は゛さな
い範囲、具体的には肉厚のＩ／２の程度ないしそれ以下
にする。

白鋳鉄化層及び熱影響層の厚さの範囲は、白鋳鉄化層が
ＨＶ６００以上、熱影響層がＨＶ４００以上の硬度にな
るように設定する。

それ以下の硬度の白鋳鉄化層、熱影響層は耐食面で不適
当で゛ある。

白鋳鉄化層の硬度をＨＶ６００以上とする理由は、シリ
ンダライナの表面硬度とキャビテーションの関係を磁否
振動法による試験結果を図示した第５図かられかるよう
に、シリンダライナの表面硬度がＨＶ６００以下になる
とキャビテーション損傷量が急激に増加することによる
。

又、熱影響層の硬度をＨＶ４００以−１−にする理由は
、第６図に示すように、白鋳鉄化層の硬度は熱影響層の
硬度と共に増加しかつ減少するが、図において点線で示
すように、熱影響層の硬度がＨＶ４８０以下、特にＨＶ
４００以下になると、白鋳鉄化層の硬度が不安定になる
と共に、ＨＶ６００以下の部分が発生しやすくなり、耐
キャビテーション性に問題が生ずることによる。

先に述べた実施例の電子ビームによると白鋳鉄化層と熱
影響の形成条件において、ＨＶ６００以上の白鋳鉄化層
ＡとＨＶ４００以−Ｌの熱影響層Ｂの厚さは、第７図に
示すように、シリンダライナ素材の予熱温度が低い程厚
く高い程薄くなる。

この図から、前記形成条件において厚さ０．０５ｍｍ以
上の白鋳鉄化層を得るには予熱温度を３００℃以下にす
ればよく、同じ＜ ０．０５ｍｍ以上の熱影響層を得る
には予熱温度を４００℃以下にすればよいことがわかる
。

本発明における再溶融冷却の具体的手段としては、真空
中での電子ビーム処理やプラズマレーザーを用いた装置
による処理があり、これら高密度の熱源による加熱装置
を用いた場合、溶融面に熱ビームの走査痕跡がうねりと
なって残在する。

この溶融面のうねりは、装置出力及び走査速度、方向、
さらに被処理物であるシリンダライナの回転等により変
化するが、うねりの大きさは小さい方が望ましく、処理
条件を適度に選択する。

同時にかかる高密度の熱源による加熱によって再溶融組
織を得た場合、その白鋳鉄化層自体にも多少の厚さのば
らつきを生じるが、白鋳鉄化層の下に形成する熱影響層
の厚さにはほとんど変化がないので、白鋳鉄化層の厚さ
が局部に０．０５ｍｍ以下の層厚しかないものがあって
も、熱影響層が白鋳鉄化層が白鋳鉄化層を支承している
ため、この部分がキャビテーションに対する耐食性に劣
ることはない。

白鋳鉄化層の厚さはビーム条件、シリンダライナの肉厚
によるが、厚肉のもので゛な、ビームパワーを上げて１
ｍｍ以−Ｌの溶は込みを与えようとすると、シリンダラ
イナが過熱して白鋳鉄化しないので、１ｍｍ以下にする
ことが望ましい。

白鋳鉄化層と熱影響層の厚さはシリンダライナに対する
電子ビームの焦点の位置に関係し、焦点の位置を外周面
より下げるにつれて、形成される層も厚くなる。

ブローホールの少ない強靭な白鋳鉄化層を得るためにも
、ビームの焦点は外周面より深い位置に設定することが
望ましい。

ビーム処理のピッチは作業能率に関係するが、広すぎる
と熱影響層のみで泊鋳鉄化層が形成されない部分が生じ
る。

又、熱影響層を一定の厚さ以上に形成するためにも、ビ
ーム処理ピッチはある限度より狭くしなければならない
。

さらに、熱影響層の厚さについては、シリンダライナが
薄肉の場合は、ビーム処理時に内径部を冷却し、厚肉の
場合は、処理前に予熱する等の手段を講じて形成される
厚さを管理する。

上記のとおり、本発明はシリンダライナの外周面に再溶
融冷却による白鋳鉄化層を有し、母材との間に熱影響層
を有することにより、比較的薄い白鋳鉄化層でも優れた
耐キャビテーション性を示すだけでなく、白鋳鉄化層を
設けたことによるシリンダライナ内周面への悪影響もな
い。

さらに製造も容易であり、加工精度も高いので、生産性
は至極良好である。

なお、本発明のシリンダライナの白鋳鉄化層と熱影響層
を形成する部分は、それぞれの内燃機関の固有のキャビ
テーション発生部分、例えば、第３図並びに第４図に示
すように、シリンダライナ１のスラスＩ・方向部分８、
又は上死点近傍の外周面環状部分９のみに形成しもよい
が、必要に応じて外周面４の全面に形成することも可能
である。

真空中で再溶融を行う電子ビーム装置を用いた場合は冷
却がシリンダライナの熱容量のみにより左右されるため
、冷却速度部分が極めて安定し均一に白鋳鉄化層、熱影
響層を得ることが可能であり、又活性ガスを外周から冷
却用として吹きつけ、白鋳鉄化層と熱影響層の厚さを制
御することも可能である。

さらには予めシリンダライナへ焼入れを施した後に再溶
融冷却し白鋳鉄化層と熱影響層とを形成しこれら層の厚
さを制御することもなしうる。

又、熱影響層の熱ひずみを除去する熱処理を施すことが
望ましい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のシリンダライナを備えた内
燃機関の要部を示す断面図、第２図は第１図のシリンダ
ライナの組織を示すＮ１ｔａｌ液腐食２００倍拡大顕微
鏡写真である。 第３図及び第４図は他の実施例のシリンダライナの斜視
図である。 第５図は、磁歪振動法によるシリンダライナ材のキャビ
テーション結果を図示したものであり、表面硬度と耐キ
ャビテーション性の関係を示す。 第６図は電子ビームによりシリンダラナに形成された白
鋳鉄化層と熱影響層の硬度の相関関係を示す図である。 第７図は本発明の一実施例のシリンダライナに形成され
たＨＶ６００以上の白鋳鉄化層とＨＶ４００以上の熱影
響層の厚さと予熱温度の関係を示す図である。 １ニジリンダライナ、２：冷却水通路、３：ビスＩ・ン
、４ニジリンダライナ外周面、５：同内周面、Ａ：白鋳
鉄化層、Ｂ：熱影響層、Ｃ：母材。 １７８−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内燃機関用シリンダライナの外周面の冷却水に露出
   した部分の一部又は全部に再溶融冷却による白鋳鉄化層
   を形成すると共に、前記白鋳鉄化層と母材の間に厚さ０
   ．０５ｍｍ以上の熱影響層を形成したことを特徴として
   なるシリンダライナ。 ２ 切消又は研消した表面に白鋳鉄化層を形成したこと
   を特徴としてなる特許請求の範囲第１項記載のシリンダ
   ライナ。 ３ 白鋳鉄化層及び熱影響層の硬度をそれぞれＨＶ６０
   ０以上及びＨＶ４００以上に、前記白鋳鉄化層の厚さを
   平均で０．０５ｍｍ以上に、前記両層の合計の厚さを０
   ．１５ｍｍ以上でシリンダライナの肉厚の半分以下にし
   たことを特徴としてなる特許請求の範囲第１項又は第２
   項に記載のシリンダライナ。