特許 6553275 シリンダライナ及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6553275

(24)【登録日】2019年7月12日

(45)【発行日】2019年7月31日

(54)【発明の名称】シリンダライナ及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   F02F 1/08 20060101AFI20190722BHJP

   F02F 1/00 20060101ALI20190722BHJP

【ＦＩ】

   F02F1/08 Z

   F02F1/00 F

【請求項の数】10

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2018-222727(P2018-222727)

(22)【出願日】2018年11月28日

【審査請求日】2019年1月11日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000215785

【氏名又は名称】ＴＰＲ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】591206120

【氏名又は名称】ＴＰＲ工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100165179

【弁理士】

【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡

(74)【代理人】

【識別番号】100162868

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 英輔

(74)【代理人】

【識別番号】100210572

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 太一

(72)【発明者】

【氏名】黒政 勇気

(72)【発明者】

【氏名】畠山 公一

(72)【発明者】

【氏名】小澤 喬

【審査官】 首藤 崇聡

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−２８３２９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−１３４２５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特公昭６０−０４４１１２（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 特開平０４−２５８５７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−２０５１５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０１９７１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−１７１９６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０６−０６７８３６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 国際公開第２０１４／０６５１５６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００２−３６４４５５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｆ １／０８

Ｆ０２Ｆ １／２０

Ｆ０２Ｆ １／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シリンダブロックに装着される片状黒鉛鋳鉄製シリンダライナにおいて、該シリンダライナの内周面に少なくとも厚さ３μｍ以上１５μｍ以下の窒化処理化合物層を有し、かつ、クロスハッチ部が形成されるとともに、粗さ曲線がプラトーホーニング形状であり、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：１９８２に準拠した十点平均粗さＲｚが４．０μｍ以下であり、前記内周面に生成されたピットの面積率が平均値で８％以下であり、前記ピットの深さが前記窒化処理化合物層の厚さ以下であり、前記ピットの直径が１０〜１００μｍであることを特徴とするシリンダライナ。

【請求項2】

前記シリンダライナは、片状の遊離黒鉛を鋳鉄基地内に分散して晶出させた金属組織であり、前記シリンダライナの内周面の深さ２０μｍまでの表面部分に存在する一部の遊離黒鉛が該遊離黒鉛の一部分を露出部として前記内周面に到達させて分散されるとともに、前記内周面の表面部分に存在する他の遊離黒鉛が前記内周面近傍まで延出され、該延出部分先端から前記内周面に至る部分が前記鋳鉄基地を構成する材料からなる被覆部を有して分散されていることを特徴とする請求項１に記載のシリンダライナ。

【請求項3】

シリンダブロックに装着される片状黒鉛鋳鉄製シリンダライナにおいて、該シリンダライナの内周面に少なくとも窒化処理層を有し、かつ、クロスハッチ部が形成されるとともに、粗さ曲線がプラトーホーニング形状であり、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：１９８２に準拠した十点平均粗さＲｚが４．０μｍ以下であり、前記内周面に生成されたピットの面積率が平均値で８％以下であり、
前記シリンダライナは、片状の遊離黒鉛を鋳鉄基地内に分散して晶出させた金属組織であり、前記シリンダライナの内周面の深さ２０μｍまでの表面部分に存在する一部の遊離黒鉛が該遊離黒鉛の一部分を露出部として前記内周面に到達させて分散されるとともに、前記内周面の表面部分に存在する他の遊離黒鉛が前記内周面近傍まで延出され、該延出部分先端から前記内周面に至る部分が前記鋳鉄基地を構成する材料からなる被覆部を有して分散されていることを特徴とするシリンダライナ。

【請求項4】

前記内周面の表面部分の金属組織において、前記遊離黒鉛が内周表面に露出している黒鉛の数（開口黒鉛数）および内周表面に露出していない黒鉛の数（閉口黒鉛数）を数え、開口黒鉛数／（開口黒鉛数＋閉口黒鉛数）で表される黒鉛開口率が平均値で５０％以下であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のシリンダライナ。

【請求項5】

前記ピットの面積率が３．８％以上８．０％以下であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のシリンダライナ。

【請求項6】

前記黒鉛開口率が平均値で２４％〜４９％であり、前記窒化処理化合物層の厚さが６μｍ〜１２μｍであることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のシリンダライナ。

【請求項7】

前記クロスハッチ部の溝が前記シリンダライナの軸方向に直交する方向に開く角度が３゜から６０゜であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載のシリンダライナ。

【請求項8】

円筒状の片状黒鉛鋳鉄製シリンダライナを鋳造し、このシリンダライナ内周面の形成におけるプロセスが、切削加工後、内周面を仕上げに近い内径にする第１ホーニング工程を経て、第２ホーニング工程において第１拡張砥石と第２拡張砥石を装備する砥石２段拡張方式により、前記内周面の表面粗さは十点平均粗さＲｚが１．６μｍ以下、最大高さＲｍａｘが２．６μｍ以下、かつ、粗さ曲線がプラトーホーニング形状であり、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：１９８２に準拠した十点平均粗さＲｚが４．０μｍ以下であり、前記内周面に生成されるピットの面積率を平均値で８％以下とすることを特徴とするシリンダライナの製造方法。

【請求項9】

窒化処理前の前記シリンダライナは、遊離黒鉛を鋳鉄基地内に分散して晶出させた金属組織であり、前記シリンダライナの内周面の表面部分に存在する一部の遊離黒鉛が該遊離黒鉛の一部分を露出部として前記内周面に到達させて分散されるとともに、前記内周面の表面部分に存在する他の遊離黒鉛が前記内周面近傍まで延出され、該延出部分先端から前記内周面に至る部分が前記鋳鉄基地を構成する材料で覆われた被覆部を有して分散されており、
前記内周面の表面部分の金属組織において、前記遊離黒鉛が内周表面に露出している黒鉛の数（開口黒鉛数）および内周表面に露出していない黒鉛の数（閉口黒鉛数）を数え、開口黒鉛数／（開口黒鉛数＋閉口黒鉛数）で表される黒鉛開口率が平均値で５０％以下であることを特徴とする請求項８に記載のシリンダライナの製造方法。

【請求項10】

前記内周面の表面部分が、前記内周面の表面から深さ２０μｍの範囲であるシリンダライナを得ることを特徴とする請求項９に記載のシリンダライナの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、内周面に窒化処理層を有するシリンダライナ及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

内燃機関のシリンダブロックにおいて、内側に鋳鉄製のシリンダライナを嵌合した構造が知られている。
このシリンダライナの内周面には、一般に初期なじみ性能の向上、耐摩耗性および耐焼付き性の向上を目的として種々の表面処理が施され、かつ、内周面の表面粗さなどの性状が制御されている。

【0003】

特許文献１には、処理すべき鋳鉄製シリンダライナの内面を、ホーニング加工により随所にオイルポケットを有する２〜６μの面粗さに仕上げた後、軟窒化処理を施してオイルポケットを除く全面に化合物層を形成すると共に、次に上記化合物層を再びホーニング加工して面粗さが２μ以下となるように表面を調整することを特徴とするシリンダライナの内面仕上げ方法が開示され、シリンダライナの耐スカッフ性及び耐摩耗性の向上を目的としている。ここで、化合物層の平均的厚さは４−５μｍである。尚、面粗さはＪＩＳ Ｂ０６０１：１９８２に準拠した十点平均粗さＲｚ表示による。

【0004】

特許文献２には、シリンダ内壁に固着され、ピストンが内周面を摺動するシリンダライナにおいて、該内周面の粗さが０．４〜０．８μｍＲ_３Ｚであり、かつ該内周面の黒鉛開放率が８０％以上であることを特徴とするシリンダライナは、低オイル消費と高い耐スカッフ性能とを同時に満足させることができると言及している。なお、Ｒ_３Ｚは、表面測定量を意味する。ＤＩＮ４７６８で規定される平均表面粗さＲｚでは、５箇所の測定断面についてそれぞれの、最大ピークと最深の穴部との距離の平均値を求めているが、Ｒ_３Ｚは、いわゆる機能表面粗さであり、上端部と下端部の二箇所の平均で求められている。このシリンダライナを製造する際のホーニング加工に用いられるホーニング仕上げ砥石は、繊維状弾性ホーニング仕上げ砥石であり、ホーニング砥石の粗さは、ＧＣ３０００Ｌ、又はＧＣ３０００ＬとＡＬＳ２０００との混合と同等である。このホーニング砥石を使用することにより、表面の加工フローの発生を未然に抑えた、内周面の黒鉛開放率が８０％以上とする超仕上げホーニング加工を施すことができるとしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特公昭６０−０４４１１２号公報

【特許文献2】特開２０００−２８３２９１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

内燃機関において、環境規制に対応するため更なる性能向上が望まれており、オイル消費の低減、フリクション（機械的摩擦損失）の低減に加え、スカッフ（油切れによる傷発生）を引き起こすおそれのないシリンダライナの提供が望まれている。
従来から、少なくとも内周面に窒化処理層を形成し、耐摩耗性、耐スカッフ性の向上を目的としたシリンダライナ（内周窒化ライナともいう）が知られている。この内周窒化ライナの内周面は、摺動面として良好な潤滑環境を確保する観点から、仕上げホーニング加工によりクロスハッチ部が形成される。しかし、この結果、内周面の最表面に開口部の大きさが直径約１０〜１００μｍ相当、深さが表面粗さの谷底よりも深く約１．５μｍ以上の微小凹部（これをピットという）が不規則に発生する問題がある。

【0007】

この内周窒化ライナの内周面に生成されたピットはオイル溜まりになるため、ピットの生成が不規則であり、ピット生成数が多い場合は、目的とするオイル消費量性能を得ることができない。そのため、内周窒化ライナにおいて内周面の窒化処理前後の性状の制御が重要である。

【0008】

本発明は、これらの事情に鑑み、オイル消費の低減、スカッフ発生のリスクを軽減できる構造を備えた内周面に窒化処理層を有するシリンダライナとその製造方法の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

（１）本発明に係るシリンダライナは、シリンダブロックに装着される片状黒鉛鋳鉄製シリンダライナにおいて、該シリンダライナの内周面に少なくとも厚さ３μｍ以上１５μｍ以下の窒化処理化合物層を有し、かつ、クロスハッチ部が形成されるとともに、粗さ曲線がプラトーホーニング形状であり、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：１９８２に準拠した十点平均粗さＲｚが４．０μｍ以下であり、前記内周面に生成されたピットの面積率が平均値で８％以下であり、前記ピットの深さが前記化合物層の厚さ以下であり、前記ピットの直径が１０〜１００μｍであることを特徴とする。

【0010】

（２）本発明に係るシリンダライナは、片状の遊離黒鉛を鋳鉄基地内に分散して晶出させた金属組織であり、前記シリンダライナの内周面の深さ２０μｍまでの表面部分に存在する一部の遊離黒鉛が該遊離黒鉛の一部分を露出部として前記内周面に到達させて分散されるとともに、前記内周面の表面部分に存在する他の遊離黒鉛が前記内周面近傍まで延出され、該延出部分先端から前記内周面に至る部分が前記鋳鉄基地を構成する材料からなる被覆部を有して分散されていることを特徴とする。

【0011】

（３）本発明に係るシリンダライナは、シリンダブロックに装着される片状黒鉛鋳鉄製シリンダライナにおいて、該シリンダライナの内周面に少なくとも窒化処理層を有し、かつ、クロスハッチ部が形成されるとともに、粗さ曲線がプラトーホーニング形状であり、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：１９８２に準拠した十点平均粗さＲｚが４．０μｍ以下であり、前記内周面に生成されたピットの面積率が平均値で８％以下であり、前記シリンダライナは、片状の遊離黒鉛を鋳鉄基地内に分散して晶出させた金属組織であり、前記シリンダライナの内周面の深さ２０μｍまでの表面部分に存在する一部の遊離黒鉛が該遊離黒鉛の一部分を露出部として前記内周面に到達させて分散されるとともに、前記内周面の表面部分に存在する他の遊離黒鉛が前記内周面近傍まで延出され、該延出部分先端から前記内周面に至る部分が前記鋳鉄基地を構成する材料からなる被覆部を有して分散されていることを特徴とする。
（４）本発明のシリンダライナ内周面の表面部分の金属組織において、前記遊離黒鉛が内周表面に露出している黒鉛の数（開口黒鉛数）および内周表面に露出していない黒鉛の数（閉口黒鉛数）を数え、開口黒鉛数／（開口黒鉛数＋閉口黒鉛数）で表される黒鉛開口率が平均値で５０％以下であることが好ましい。

【0012】

（５）本発明において、前記ピットの面積率が３．８％以上８．０％以下であることが好ましい。
（６）本発明において、前記黒鉛開口率が平均値で２４％〜４９％であり、前記化合物層の厚さが６μｍ〜１２μｍであることが好ましい。
（７）本発明のシリンダライナ内周面におけるクロスハッチ部の溝が前記シリンダライナの軸方向に直交する方向に開く角度が３゜から６０゜であることが好ましい。

【0013】

（８）本発明のシリンダライナの製造方法は、円筒状の片状黒鉛鋳鉄製シリンダライナを鋳造し、このシリンダライナ内周面の形成におけるプロセスが、切削加工後、内周面を仕上げに近い内径にする第１ホーニング工程を経て、第２ホーニング工程において第１拡張砥石と第２拡張砥石を装備する砥石２段拡張方式により、前記内周面の表面粗さは十点平均粗さＲｚが１．６μｍ以下、最大高さＲｍａｘが２．６μｍ以下、かつ、粗さ曲線がプラトーホーニング形状であり、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：１９８２に準拠した十点平均粗さＲｚが４．０μｍ以下であり、前記内周面に生成されるピットの面積率を平均値で８％以下とすることを特徴とする。
（９）本発明に係るシリンダライナの製造方法において、窒化処理前の前記シリンダライナは、遊離黒鉛を鋳鉄基地内に分散して晶出させた金属組織であり、前記シリンダライナの内周面の表面部分に存在する一部の遊離黒鉛が該遊離黒鉛の一部分を露出部として前記内周面に到達させて分散されるとともに、前記内周面の表面部分に存在する他の遊離黒鉛が前記内周面近傍まで延出され、該延出部分先端から前記内周面に至る部分が前記鋳鉄基地を構成する材料で覆われた被覆部を有して分散されており、前記内周面の表面部分の金属組織において、前記遊離黒鉛が内周表面に露出している黒鉛の数（開口黒鉛数）および内周表面に露出していない黒鉛の数（閉口黒鉛数）を数え、開口黒鉛数／（開口黒鉛数＋閉口黒鉛数）で表される黒鉛開口率が平均値で５０％以下であるシリンダライナを得ることができる。
（１０）本発明に係るシリンダライナの製造方法において、前記内周面の表面部分が、前記内周面の表面から深さ２０μｍの範囲であるシリンダライナを得ることができる。

【発明の効果】

【0014】

本発明は、オイル消費の低減、フリクションの低減に加え、スカッフ発生のリスクを軽減できる構造を備えた内周面に窒化処理層を有するシリンダライナとその製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】シリンダブロックに取り付けられた本発明に係る実施形態のシリンダライナを示す縦断面図。

【図2】同実施形態のシリンダライナにおける内周側断面の金属組織の一例を示す模式図。

【図3】シリンダライナにおける内周側断面の、仕上げホーニング後の金属顕微鏡写真（４００倍）による金属組織および化合物層（表面の白い層）を示すもので、（Ａ）は遊離黒鉛が内周面の表面部分に露出していない状態を示し、（Ｂ）は遊離黒鉛が内周面の表面部分に多く露出し、また、ピットが発生している状態を示す図。

【図4】シリンダライナにおける内周面及び断面の同時撮影した、仕上げホーニング後のＳＥＭ画像（５００倍）を示すもので、（Ａ）は実施例２の一例を示す図、（Ｂ）は比較例１の一例を示す図。

【図5】シリンダライナ内周面におけるレーザー顕微鏡写真（１０００倍）であり、ピットの面積率を計測する画像処理前の状態を示す図。

【図6】本発明に係る実施形態のシリンダライナに関する加工工程の概要を示す図。

【図7】実施例２のシリンダライナ内周面の表面粗さとＳＥＭ画像を示すもので、（Ａ）は窒化処理前の表面粗さを示す図、（Ｂ）は窒化処理後の表面粗さを示す図、（Ｃ）は仕上げホーニング後の表面粗さを示す図、（Ｄ）は窒化処理後のＳＥＭ画像を示す図、（Ｅ）は仕上げホーニング後のＳＥＭ画像を示す図。

【図8】比較例１のシリンダライナ内周面の表面粗さとＳＥＭ画像を示すもので、（Ａ）は窒化処理前の表面粗さを示す図、（Ｂ）は窒化処理後の表面粗さを示す図、（Ｃ）は仕上げホーニング後の表面粗さを示す図、（Ｄ）は窒化処理後のＳＥＭ画像を示す図、（Ｅ）は仕上げホーニング後のＳＥＭ画像を示す図。

【図9】比較例２のシリンダライナ内周面の表面粗さとＳＥＭ画像を示すもので、（Ａ）は窒化処理前の表面粗さを示す図、（Ｂ）は窒化処理後の表面粗さを示す図、（Ｃ）は仕上げホーニング後の表面粗さを示す図、（Ｄ）は窒化処理後のＳＥＭ画像を示す図、（Ｅ）は仕上げホーニング後のＳＥＭ画像を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は本発明に係る実施形態のシリンダライナ１を備えたシリンダブロック２の部分断面構造を示す。シリンダブロック２は鋳鉄またはアルミニウム合金等の軽合金から形成され、シリンダライナ１は片状黒鉛鋳鉄から形成されている。
シリンダライナ１は、少なくとも内周面１ａはガス窒化処理により窒化処理層を形成し、さらにホーニング加工により溝部１ｂからなるクロスハッチ部１ｃが形成され、シリンダブロック２に形成された嵌合部２ａ、２ｂにおいて係合されている。シリンダライナ１の外周面におけるシリンダブロック２の嵌合部２ａと２ｂとの間は冷却水通路が形成されている。

【0017】

シリンダライナ１を形成する片状黒鉛鋳鉄は、図２に示すようにシリンダライナ１の内周面１ａに対し、ピストンリングの摺動方向に対して直交する断面において、鉄基合金からなる鋳鉄基地３の内部に片状の遊離黒鉛５が複数分散して晶出された金属組織を有し、内周表面部に窒化処理による化合物層が形成されている。
この図２において内周面１ａから深さ約２０μｍまでの表面部分に存在する遊離黒鉛５のうち、一部の遊離黒鉛５はその一部分５ａを内周面１ａに到達するまで延在させて内周面１ａに露出するように分散されている。遊離黒鉛５の一部分５ａにおいて内周面１ａに露出された部分は露出部５ｄとされている。

【0018】

また、深さ約２０μｍの表面部分に存在する他の遊離黒鉛５はその一部分５ｂを内周面１ａに向けて延在させているが、内周面１ａに最も近い一部分５ｂを内周面１ａに到達させることなく、内周面１ａとの間に若干の距離（約１０μｍ以下の距離）をあけて分散されている。即ち、表面部分に存在する他の遊離黒鉛５はその一部分５ｂを内周面１ａ近くまで延在させているが、鋳鉄基地３を構成する材料からなる被覆部３ａを有している。
図３はシリンダライナにおける内周側断面の、仕上げホーニング後の４００倍の金属顕微鏡による金属組織および化合物層（表面の白い層）を示す。（Ａ）は遊離黒鉛の内周面に至る部分が鋳鉄基地を構成する材料で覆われ、遊離黒鉛が内周面の表面部分に露出していない。（Ｂ）は遊離黒鉛が内周面の表面部分で多く露出している。また、ピットが発生している。化合物層（白い層）の厚さは、（Ａ）が８〜１０μｍ、（Ｂ）が６〜８μｍである。

【0019】

シリンダライナ１の内周面１ａは、ピストンリング（不図示）およびピストン（不図示）が往復摺動する面である。従って、ガス窒化処理された後、表面部分に存在する窒化処理により形成された脆弱なポーラス層を除去し、摺動面として適正な表面を形成するため仕上げホーニングを実施し、粗さ曲線は山部が滑らかなプラトーホーニング形状で、ＪＩＳ Ｂ０６０１：１９８２に準拠した十点平均粗さＲｚは４．０μｍ以下が好適である。

【0020】

図１に示すようにシリンダライナ１の内周面１ａには、仕上げホーニングにより、シリンダライナ１の軸方向に直交する方向に開く角度（クロスハッチ角度という）が約３０°を形成する対となる溝部１ｂからなるクロスハッチ部１ｃが形成されている。なお、クロスハッチ角度は３０°に限定されるものではなく、３°〜６０°程度の範囲で任意の角度を選択することができる。

【0021】

仕上げホーニングにより摺動面として適正な表面性状を形成した内周面の断面において、所定の窒化処理層を有する。
窒化処理層は、シリンダライナ内周面１ａの表面側から化合物層、続いて窒素拡散層から形成され、断面硬さがマイクロビッカース硬さ３５０ＨＶ０．０５以上である金属組織の領域であり、化合物層が内周表面から３μｍ以上、窒素拡散層が内周表面から４０μｍ以上有することが好ましい。マイクロビッカース硬さは、以下、ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９に準拠する。０.０５は試験片に押し付ける四角錘圧子の押付力（Ｋｇｆ）を示す。
化合物層厚さは内周表面から１５μｍ以下が好ましい。これを超えると、ピットの開口面積が大きくなり、深さも深くなる。

【0022】

＜化合物層の測定＞
化合物層は、シリンダライナの切断片を樹脂に埋め込み後、研磨により鏡面仕上げしたのち、ナイタールエッチング２％腐食液に浸漬したものを金属顕微鏡（４００倍）で観察すると、図３に示すように白い層として確認することができる。また、化合物層はＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９に準拠したマイクロビッカース硬さが７００ＨＶ０．０５以上であることが好ましい。
各シリンダライナ内周面の任意の４箇所から、切断片を作製し、金属顕微鏡で化合物層厚さの範囲をそれぞれ測定し、任意４箇所の最小値から最大値の範囲を化合物層厚さとする。以下、各シリンダライナ内周面の任意の４箇所とは、シリンダライナの軸方向において、中央位置の径方向に対向する２箇所とシリンダライナ端面から２０〜５０ｍｍの任意の位置の径方向に対向する２箇所の合計４箇所である。ただし、２つの径方向は直交する位置関係にあることとする。

【0023】

図４は、内周面１ａと断面の金属組織を同時に撮像した５００倍のＳＥＭ画像を示す。（Ａ）は遊離黒鉛の内周表面への露出が少なく、（Ｂ）は遊離黒鉛の内周表面への露出が多く観察され、ピットの存在を確認することができる。

【0024】

内周窒化ライナが内周面１ａにピットが生成されるメカニズムについて以下に説明する。

【0025】

シリンダライナの窒化処理後に内周面に仕上げホーニング加工を行って窒化処理層の表面にクロスハッチ部を形成する際、窒化されない遊離黒鉛の内周表面における露出部の周辺で、窒化処理によりシリンダライナ内周表面の基地が隆起し、かつ、基地が硬く脆い化合物層を形成していることから、仕上げホーニング加工の砥石拡張力が隆起した基地に集中する結果、化合物層からなる基地部分を欠損し、または黒鉛が同時に脱落し、ピットが生成される。従って、ピットの深さは化合物層の厚さ以下と考えられる。シリンダライナ内周面におけるピットの開口部の大きさは、図５に示すように、直径約１０〜１００μｍ相当である。

【0026】

図５に示すピットの生成において、シリンダライナ内周面におけるピット６の開口面積が大きくなると、ピット６に保持され、蓄えられるエンジン潤滑油が多量となり、そこから蒸発する油の量が増加するためオイル消費量が悪化する。また、ピストンリングがピットの内周表面部のエッジを摺動する際、フリクション増加の要因になることが考えられる。更に、ピットの内周表面部のエッジが欠損し、スカッフの発生リスク要因にもなる。
このため、ピット６の面積率を８％以下にすることが好ましい。より好ましくは６％以下とする。

【0027】

＜ピット面積率の測定＞
前述の各シリンダライナ内周面の任意の４箇所について、レーザー顕微鏡により内周表面を１０００倍の写真で１箇所に付き連続した５視野を撮影し、これら５視野をそれぞれ二値化処理し画像解析して得られるピット面積率の５視野の平均値を当該１箇所のピット面積率といい、さらに４箇所のそれぞれの平均値であるピット面積率の平均値を各シリンダライナにおけるピット面積率という。ピット面積率の測定には、株式会社キーエンス製、型番ＶＫ−９７１０のレーザー顕微鏡を用いた。

【0028】

シリンダライナ内周面１ａにピットが生成されるメカニズムを考察すると、遊離黒鉛の内周表面への露出が少ないことが好ましく、窒化処理前の内周表面部断面の金属組織において、内周表面部の化合物層が形成される厚さの範囲内に鋳鉄基地の塑性流動を生成すると、内周表面への遊離黒鉛の露出を抑制することができることが判明した。
すなわち、図４において、（Ａ）が好ましい内周表面の状態にある。これについて、所定の内周面の長さ範囲において内周表面から約２０μｍの深さ範囲に存在する遊離黒鉛が内周表面に露出している黒鉛５ｄ（開口黒鉛）か、鋳鉄基地に覆われている黒鉛５ｂを含み内周表面に露出していない黒鉛（閉口黒鉛）かを判定し、開口黒鉛数と閉口黒鉛数の合計に対する開口黒鉛数の割合を示す黒鉛開口率（％）を求める。黒鉛開口率については、５０％以下が好ましく、３５％以下がより好ましい。黒鉛開口率が、５０％を超えるとピット面積率が大きくなり、好ましくない。

【0029】

＜黒鉛開口率の測定＞
前述の各シリンダライナ内周面の任意の４箇所について、金属顕微鏡により内周表面側の断面組織を４００倍の写真で１箇所に付き連続した５視野を観察し、この５視野の全視野における遊離黒鉛をすべて判定し、黒鉛開口率（％）を算出し、任意４箇所の平均値を黒鉛開口率として求めた。

【0030】

＜製造方法＞
シリンダライナ１の製造方法の一例について以下に説明する。本実施形態のシリンダライナの製造方法は、以下の製造方法に限定されるものではなく、他の内周加工方法・条件により製造されたものでもよい。
図６は、本発明に係る実施形態のシリンダライナに関する製造工程の概要を示す。図６に示すように、鋳造工程、外周及び内周旋削工程、第１ホーニング工程、第２ホーニング工程（砥石２段拡張）、窒化処理工程、仕上げホーニング工程の順で施す工程を一例として採用できる。

【0031】

シリンダライナ１の鋳造方法は特に限定されず、砂型鋳造法、遠心鋳造法などの公知の鋳造法が利用できる。本実施形態のシリンダライナを構成する材料は片状黒鉛鋳鉄である。
質量％で、Ｃ：２．５％以上３．５％以下、Ｓｉ：１．７％以上２．５％以下、Ｍｎ：０．５％以上１．０％以下、Ｐ：０．１％以上０．５％以下、Ｓ：０．１２％以下、Ｃｒ：０．２％以上０．８％以下、Ｃｕ：０％以上０．６％以下、Ｎｉ：０％以上０．４％以下を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成であり、また、当該組成に、Ｂ、Ｃｕ，Ｎｂ、Ｗ等の少なくとも一つの元素が含まれていてもよい。黒鉛のサイズは特に限定されないが、たとえば、４〜６（ＩＳＯ ９４５−１：２００８）であり、黒鉛のタイプはＡタイプが７０％以上であり、また、片状黒鉛鋳鉄のマトリックス中には共晶硬化物相が５％以下含まれていてもよい。材料の硬さは、ＪＩＳ Ｚ ２２４５：２０１１に基づく硬さが、９０ＨＲＢ以上１１５ＨＲＢ以下でよい。
製品内径は８０−２２０ｍｍ、製品長さは８０−４５０ｍｍを有する円筒状のシリンダライナ素材を得る。

【0032】

まず、シリンダライナ素材の内外周面の酸化皮膜などの黒皮除去の粗挽き加工を行い、内周面と外周面を荒加工する。次に、ＮＣ旋盤等により内周面と外周面を目的の寸法に近い状態に加工し、外周面については仕上げ加工を完了する。この後、内周面は、ホーニング砥石を用いたホーニング加工（第１ホーニング工程）により、製品としての仕上げに近い内径まで加工し、次に窒化処理後の内周面の性状に適応する内周面の精密なホーニング加工を行い（第２ホーニング工程）、次いで窒化処理工程を経て、仕上げホーニング加工（仕上げホーニング工程）を行い、製品を作製する。

【0033】

[第１ホーニング工程]
製品としての仕上げに近い内径まで加工し、内周面の真円度、円筒度の精度を作り込む精密加工工程である。砥石は、ＣＢＮ（Ｃｕｂｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）質砥石でメタルボンド結合またはＧＣ（炭化珪素）質砥石でビトリファイド結合とし、いずれも粒度は＃２００と＃４００の間の粒度が好ましい。ここで、一台のホーニング機械のホーニングヘッド（砥石を保持し、砥石をシリンダライナ内周面に向かって拡張させる工具）に２種類の砥石を取り付け、第１砥石（ＣＢＮ質砥石であり、第１拡張砥石ともいう）の加工につづき、第２砥石（ＧＣ質砥石であり、第２拡張砥石ともいう）を順次拡張してホーニング加工を施してもよい。内周面の表面粗さは、ＪＩＳ Ｂ６０１０：１９８２に準拠した十点平均粗さＲｚが３．０μｍ以下、最大高さＲｍａｘでは３．５μｍ以下が好適である。粗さ曲線は、シングルホーニング形状がよい。第１ホーニング加工による加工代は、直径で約１００μｍ程度に設定することが好適である。
以下、表面粗さはＪＩＳ Ｂ６０１０：１９８２に準拠する。

【0034】

[第２ホーニング工程]
窒化処理後の所定の内周面の性状に適応する、内周面の性状の変化を見込んだ精密加工を行う工程である。ここでは、一台のホーニング機械のホーニングヘッドに２種類の砥石を取り付け、第１砥石の加工につづき、第２砥石を順次拡張する砥石２段拡張方式のホーニング加工を施す。
第１砥石（第１拡張砥石ともいう）は、ダイヤモンド質砥石でメタルボンド結合とし、粒度は＃７００より大きい粒度が好ましい。内周面の表面粗さは、十点平均粗さＲｚが２．５μｍ以下、最大高さＲｍａｘが３．０μｍ以下とする。粗さ曲線は、シングルホーニング形状がよい。
第２砥石（第２拡張砥石ともいう）は、ＧＣ質砥石でメタルボンド結合とし、粒度は＃１０００より大きい粒度が好ましい。内周面の表面粗さは、十点平均粗さＲｚが１．６μｍ以下、最大高さＲｍａｘが２．６μｍ以下とする。第２砥石による加工後の粗さ曲線は、プラトーホーニング形状がよい。
第２ホーニング加工において第１砥石加工と第２砥石加工による合計の加工代は、直径で約２０μｍ程度に設定することが好適である。

【0035】

第２ホーニング加工において、第１拡張砥石により粗さ曲線をシングルホーニング形状に、かつ、表面粗さを小さくし、次に、第２拡張砥石により第１拡張砥石により形成された粗さ曲線の山部を除去する加工により粗さ曲線をプラトーホーニングに形成し、シリンダライナ金属組織の最表面に塑性流動を生成し、内周面１ａの表面の黒鉛露出を極力抑える。
この効果により、図２または図３（Ａ）に示すように、一部の遊離黒鉛５はその一部分５ｂを内周面１ａの近くまで延在させているが、鋳鉄基地を構成する材料で覆われた被覆部３ａを有するこれら一部分５ｂを発現することができる。これにより、黒鉛開口率：５０％以下を実現する。

【0036】

[窒化処理工程]
第２ホーニング加工を施した後、窒化処理を行う。
窒化処理は、アンモニア（ＮＨ_３）ガスを反応ガスとして満たした窒化専用炉において、例えば、５６０℃〜６００℃の温度に３０〜９０分程度加熱保持し、加熱後に一定温度になるまで炉冷することで実施することができる。
この窒化処理によりシリンダライナの全周面を窒化する。内周面の金属組織は、窒化処理によりシリンダライナ表面から化合物層が約４μｍから約２０μｍの厚さで形成され、さらにシリンダライナ表面から内部に向かって窒素拡散層が約５０μｍ以上の深さまで形成される。

【0037】

窒化処理後の内周面は、最表面に形成されたポーラス層および窒化されない遊離黒鉛の内周表面における露出部の周辺でのシリンダライナの内周表面の基地の隆起により、例えば図７（Ｂ）、図８（Ｂ）、図９（Ｂ）のように、内周面の粗さ曲線は山部が高く、谷部が低い形態になるとともに、十点平均粗さＲｚが４μｍから６μｍの水準になり、第２ホーニング加工を行った内周面に比べて、４倍から５倍の表面粗さが形成される。

【0038】

[仕上げホーニング工程]
仕上げホーニング加工により、所定の内周面の性状に仕上げを行う。
一台のホーニング機械のホーニングヘッドに２種類の砥石を取り付け、第１砥石は、ダイヤモンド質砥石で電着(Ｎｉめっき固定)とし、粒度は＃７００より大きい粒度とし、第２砥石はＧＣ質砥石でコルク結合とし、粒度は＃３００より大きい粒度とし、２種類の砥石は同時拡張とすることが好ましい。第１砥石は、内周面にクロスハッチ部を形成する。第２砥石は、第１砥石による粗さ曲線の山部を除去する加工により粗さ曲線をプラトーホーニング形状に形成する役割を果たす。

【0039】

この仕上げホーニング加工では、シリンダライナの内周面１ａの表面部分に存在する窒化処理により形成された脆弱なポーラス層を除去し、かつ、保油性を確保するための溝部１ｂを形成してクロスハッチ部１ｃを形成するとともに、窒化処理層の面性状を目的の範囲の表面粗さ、一例として、十点平均粗さＲｚが４．０μｍ以下に仕上げ、シリンダライナ１の内周面１ａに生成されるピット６のピット面積率を８％以下に制御する。
仕上げホーニング加工による取り代は、１〜３μｍ程度に設定する。

【実施例】

【0040】

以下に本発明の実施例を挙げて説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。

【0041】

実施例１から実施例４までおよび比較例１から３までの７種類のシリンダライナは以下の手順で作製した。
遠心鋳造により製品内径１４０ｍｍ、長さ２８０ｍｍの円筒状の片状黒鉛鋳鉄シリンダライナ素材を作製した。
質量％で、Ｃ：３．０％、Ｓｉ：２．１％、Ｍｎ：０．７５％、Ｐ：０．３％、Ｓ：０．０６％、Ｃｒ：０．５％、Ｃｕ：０．３％、Ｎｉ：０．２％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成とし、材料の硬さは、ＪＩＳ Ｚ ２２４５：２０１１に基づく硬さが、平均値で９８ＨＲＢであった。

【0042】

これらのシリンダライナ素材に対し、内外周面の黒皮除去の粗挽き加工を行い、内周面と外周面の荒加工を行った。次に、ＮＣ旋盤等により内周面と外周面を目的の寸法に近い状態に加工し、外周面については仕上げ加工を完了した。

【0043】

続いて、第１ホーニング工程，第２ホーニング工程に関して、ホーニングの加工プロセスを３つのタイプに分け、以下の表１に示すように比較例、実施例を割り付け、各５本準備した。

【0044】

【表1】

【0045】

タイプ Ｉ比較例１
タイプ ＩＩ−１：比較例２
タイプ ＩＩ−２：比較例３と実施例１から実施例４
第１ホーニング工程のホーニング加工条件は実施例、比較例すべて同一である。
比較例１は、第２ホーニング工程を経ずに窒化処理工程へ進む。
比較例２は、第２ホーニング工程を第２拡張砥石のみで加工し、窒化処理工程へ進む。
比較例３と実施例１から４は、第１拡張砥石と第２拡張砥石のそれぞれのストローク数を変更した組合せで加工し、窒化処理工程へ進む。
以上について、表２に記載している。

【0046】

【表2】

【0047】

第２ホーニング加工後の実施例、比較例の各５本の全てのシリンダライナ素材を窒化専用炉に収容し、５９０℃の一定の温度で４０分間窒化処理を行った。

【0048】

窒化処理後に窒化専用炉から取り出したシリンダライナ素材の全てを、仕上げホーニング工程で同一のホーニング加工条件で加工を実施した。

【0049】

表３に、各例におけるシリンダライナについて、窒化処理前後の内周面の表面粗さ、仕上げホーニング後のピット面積率、黒鉛開口率、化合物層厚さ、表面粗さの測定データの平均値を示す。
ピット面積率は次のように評価した。
ピット面積率６％以下 ・・・・ Ａ
ピット面積率６％を超え８％以下 ・・・・ Ｂ
ピット面積率８％を超え１０％以下・・・・ Ｃ
ピット面積率１０％を超える ・・・・ Ｄ

【0050】

【表3】

【0051】

[オイル消費量試験]
実施例３と比較例１のシリンダライナについて、オイル消費量試験を行った。
この試験の結果、実施例３のシリンダライナでは、比較例１のシリンダライナに比べてオイル消費率（g/PS・ｈ）において４３％も削減できることがわかった。

【符号の説明】

【0052】

１…シリンダライナ
１ａ…内周面
１ｂ…溝部
１ｃ…クロスハッチ部
２…シリンダブロック
２ａ,２ｂ…嵌合部
３…鋳鉄基地
３ａ…被覆部
５…遊離黒鉛
５ａ、５ｂ…一部
５ｄ…露出部
６…ピット

【要約】

【課題】本発明は、オイル消費量の低減を図り、フリクションの低減を図ることができるシリンダライナとその製造方法の提供を目的とする。
【解決手段】本発明は、シリンダブロックに装着される片状黒鉛鋳鉄製シリンダライナにおいて、該シリンダライナの内周面に少なくとも窒化処理層を有し、かつ、クロスハッチ部が形成されるとともに、粗さ曲線がプラトーホーニング形状であり、ＪＩＳ Ｂ０６０１：１９８２に準拠した十点平均粗さＲｚが４．０μｍ以下であり、内周面に生成されるピットの面積率が平均値で８％以下であることを特徴とする。
【選択図】図２

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】