JP2000212717A - 燃焼機関のシリンダ―の摺動面用コ―ティング及びかかるコ―ティングを設ける方法 - Google Patents

燃焼機関のシリンダ―の摺動面用コ―ティング及びかかるコ―ティングを設ける方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃焼機関のエンジンブロックのシリンダー摺
動面として機能する基板に、プラズマ溶射操作により設
けられる第1鉄コーティング及びかかるコーティングを
設ける方法を提供する。 【解決手段】 燃焼機関のエンジンブロックのシリンダ
ー摺動面として機能する基板に、プラズマ溶射操作によ
り設けられる第1鉄コーティングは、１〜４重量％の含
量の結合酸素を有する。かかるコーティングは、例えば
プラズマ装置に空気を供給して、前記基板上に前記コー
ティング粉末と前記空気を同時に１分あたり２００〜１
０００標準リットルの量でプラズマ溶射することにより
設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼機関のエンジ
ンブロックのシリンダー摺動面として機能する基体に、
プラズマ溶射操作により設けられる第1鉄コーティング
に関する。更に、本発明は、燃焼機関のエンジンブロッ
クのシリンダー摺動面として機能する基板に、第１鉄の
コーティングを設ける方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来においては、アルミニウム又はマグ
ネシウム合金からなる燃焼機関のエンジンブロックのシ
リンダーの摺動面に用いる従来から使用されている材料
は、ねずみ鋳鉄又は圧粉化された(compacted)グラファ
イトとブレンドされた鋳鉄からなる。これにより、かか
る鋳鉄からなるシリンダースリーブは、これらの燃焼機
関のエンジンブロックにプレスされるか又は鋳造（cas
t）される。
【０００３】しかし、かかるシリンダースリーブを設け
ることにより、一方ではエンジンブロックのサイズ及び
重量は、ネガティブな意味において影響を及ぼされる。
他方、鋳鉄からなるシリンダースリーブと軽金属合金か
らなるエンジンブロックとの間の不都合な又は悪い関係
は、考慮されなければならない。他に、亜鉛めっき法に
より設けられたコーティングも使用することができる。
しかし、かかるコーティングを設けることは、高価であ
り、更に、かかるコーティングは、硫酸及びギ酸の影響
を受けて腐食する。
【０００４】また、通常、プラズマ溶射操作によりボア
（bore）にコーティングを設けることは、従来より公知
である。従って、多様な金属材料を基板に適用すること
ができる。コーティングをプラズマ溶射操作により設け
た後、更に該ボアはダイアモンドホーニングにより加工
されて、所望する最終直径に到達し、また所望する形態
（topography）を備える。それぞれ加工される（proces
s）か機械加工される（machine）コーティングの能力及
び摩擦特性は、特定のコーティングの物理特性及びマイ
クロ構造に高く依存する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、プラズマ溶
射操作により設けられる、燃焼機関のエンジンシリンダ
ーブロックの摺動面用の第1鉄コーティングの機械加工
(maching)及び加工(processing)並びに摩擦特性を改良
することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的及び他の目的を
実現するために、本発明は、まず最初に、燃焼機関のエ
ンジンブロックのシリンダー摺動面として機能する基板
に、プラズマ溶射操作により設けられる第1鉄コーティ
ングを提供し、これにより該コーティングは、１〜４重
量％の含量の結合酸素を有する。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明は、プラズマ溶射操作の
間、酸素とコーティング用に用いられる粉末の、特別に
制御された反応によりマイクロ構造が形成されることが
できるという知見に基づいてなされたもので、即ち、マ
イクロ構造は、機械加工及び加工並びにトリボロジーに
それぞれ関する限り、優れた特性を有する。特に、摩擦
係数及びスカフィングに対する傾向、即ち接着摩耗の開
始が、劇的に減少する。
【０００８】前記したように、プラズマ溶射により設け
られる本発明のコーティングは、1〜４重量％の含量の
結合酸素を有する。かかるコーティングを設けるための
基板として、特に適切なものは、 ・アルミニウム若しくはマグネシウム合金又は鋳鉄から
なる燃焼機関のシリンダーブロックのシリンダーボア； ・鋳鉄からなり、アルミニウム若しくはマグネシウム合
金からなる燃焼機関のシリンダーブロックに挿入される
スリーブの内壁 である。
【０００９】好適例においては、結合される酸素は、鉄
と一緒に組み合わされて、コーティング中ＦｅＯ及びＦ
ｅ３Ｏ４結晶を形成する。これにより、Ｆｅ２Ｏ３の含
量は０．２重量％以下であることが好ましい。形成され
る酸化物の量は、空気と窒素又は酸素とを混合すること
によって更に制御されることができる。空気を純酸素に
置き換える場合には、コーティング中の結合酸素の含量
は、約２分の１減少する。
【００１０】第２に、本発明は更に、燃焼機関のエンジ
ンブロックのシリンダー摺動面として機能する基板に第
１鉄のコーティングを設ける方法に関するものである。
本発明の方法は、プラズマ溶射装置を準備し、設けられ
るコーティングの原材料を構成するコーティング粉末を
用意し、シリンダーの摺動面上にプラズマ溶射装置によ
り該コーティング粉末を溶射する方法であって、 ・プラズマ溶射装置に空気を供給して、基板上にコーテ
ィング粉末と空気を同時に１分あたり２００〜１０００
標準(normalized)リットルの量で溶射する工程；又は、 ・プラズマ溶射装置に酸素含有ガスを供給し、基板上に
コーティング粉末と酸素含有ガスを同時に１分あたり２
００〜１０００標準リットルの量で溶射する工程；又
は、 ・プラズマ溶射装置に酸素を供給して、基板上にコーテ
ィング粉末と酸素を同時に１分あたり４０〜２００標準
リットルの量で溶射する工程 のいずれかを含む。
【００１１】“１分あたりの標準（normalized）リット
ル”とは、１バール（＝１０５Ｐａ）の大気圧及び２０
℃の温度での１分あたりのリットルを意味するものであ
る。好ましくは、スリーブ若しくはシリンダーボアの内
部のガス流の速度は、プラズマ溶射操作の間、７〜１２
ｍ／ｓである。
【００１２】好適例においては、ガス噴霧された粉末
は、基板にプラズマ溶射され、ここで該粉末は次の組
成： Ｃ＝ ０．４〜１．５重量％ Ｃｒ＝０．２〜２．５重量％ Ｍｎ＝０．０２〜３重量％ Ｐ ＝所望の場合には０．０１〜０．１重量％ Ｓ ＝所望の場合には０．０１〜０．２重量％ Ｆｅ＝１００重量％になるまでの残余 を有する。
【００１３】他の好適例においては、ガス噴霧された粉
末は、基板にプラズマ溶射され、ここで該粉末は次の組
成： Ｃ＝ ０．１〜０．８重量％ Ｃｒ＝１１〜１８重量％ Ｍｎ＝０．１〜１．５重量％ Ｍｏ＝０．１〜５重量％ Ｓ ＝所望の場合には０．０１〜０．２重量％ Ｐ ＝所望の場合には０．０１〜０．１重量％ Ｆｅ＝１００重量％になるまでの残余 を有する。
【００１４】 コーティング中のＦｅＯ及びＦｅ
３Ｏ４の量は、粉末中の粒子サイズ分布により、影響を
及ぼされる。実現されるコーティングに応じて、粉末の
粒子サイズは５〜２５μｍの範囲、１０〜４０μｍの範
囲、もしくは１５〜６０μｍの範囲とすることができ
る。粒子サイズは、光学顕微鏡若しくは電子顕微鏡によ
り、特に走査顕微鏡により、またはレーザー回析法ＭＩ
ＣＲＯＴＲＡＣにしたがって測定することができる。
【００１５】好ましくは、アルゴン若しくは窒素により
ガス噴霧されたコーティング粉末を使用する。
【００１６】コーティング粉末が、減摩酸化物セラミッ
クとブレンドされて使用される場合に、最良の結果を得
ることができる。好ましくは、酸化物セラミックは、Ｔ
ｉＯ ２又はＡｌ２Ｏ３ＴｉＯ２及び/又はＡｌ２Ｏ３Ｚ
ｒＯ２合金系からなる。コーティング粉末中の酸化物セ
ラミックの割合は、５〜５０重量％とすることができ
る。
【００１７】最適な粒子サイズは、設けられるべきコー
ティングの減摩特性に応じて、更にコーティングが設け
られるべき基板の機械的挙動に応じて選定されるべきで
あることに注目すべきである。
【００１８】実施例 本発明を次の実施例により説明する。実施例１ コーティング粉末を、プラズマトロンにより燃焼機関の
シリンダースリーブの摺動面に設けた。当該コーティン
グ粉末は、次の組成を有していた： Ｃ＝１．１重量％ Ｃｒ＝１．５重量％ Ｍｎ＝１．５重量％ Ｆｅ＝１００重量％になるまでの残余
【００１９】適切には、当該コーティング粉末には、さ
らにＳ及びＰを少量含むこともできる（即ち、０．０１
〜０．２重量％）。
【００２０】当該コーティング粉末の粒子サイズは、５
〜２５μｍであった。この粉末は、ガス噴霧法により製
造される。コーティングを設ける操作の間のガス流の速
度は、１０ｍ／ｓであり、コーティングの冷却かつ粉末
の反応のためにプラズマトロンに供給される空気の量
は、５００ＮＬＰＭ（１分あたりの標準リットル）であ
った。このことは、約１００ＮＬＰＭ純酸素に対応す
る。かかる量の空気は、例えば米国特許第５５１９１８
３号に記載されているように、公知のプラズマトロンの
ボディーを介して供給される。
【００２１】実施された実験の結果は、設けられたコー
ティング中の酸素の含量が３重量％の範囲であることを
示した。Ｘ線により実施されたマクロ構造分析により、
酸素は化学量論式ＦｅＯ及びＦｅ３Ｏ４に従って結合さ
れている。さらに、この分析により、Ｆｅ３Ｏ４の存在
は、検出できる限界以下であることが示された。
【００２２】コーティングを設けた後、シリンダースリ
ーブを更にダイアモンドホーニングにより加工した。か
かるシリンダースリーブを備えた燃焼機関のエンジンを
用いた実験では、ピストンリングとシリンダースリーブ
との間の摩擦係数が、ねずみ鋳鉄からなる従来のシリン
ダースリーブに比較して、著しく減少することが明確に
確認された。
【００２３】実施例２ 粒子サイズが１０〜４５μｍである以外は、前記した実
施例１と同様の組成を有する粉末を用いた。更に、全て
の他の条件は、実施例１に記載されたものと同一であ
る。これにより、設けられたコーティング中の結合酸素
の含量は、２重量％の範囲であることを見出した。当該
コーティングの他の分析結果は、実施例１に関して説明
したと同様であった。
【００２４】コーティングを設けた後、シリンダースリ
ーブを更にダイアモンドホーニングにより加工した。か
かるシリンダースリーブを備えた燃焼機関のエンジンに
よる実験では、ピストンリングとシリンダースリーブと
の間の摩擦係数が、ねずみ鋳鉄からなる従来のシリンダ
ースリーブに比較して、著しく減少し、これにより、摩
擦係数は結合酸素の量と関係があることが明確に確認さ
れた。
【００２５】実施例３ 亜硫酸(sulphurous)燃料又はメタノールで動作される燃
焼機関に使用されるシリンダースリーブは、次の組成： Ｃ ＝０．４重量％ Ｃｒ＝１３．０重量％ Ｍｎ＝１．５重量％ Ｍｏ＝２．０重量％ Ｆｅ＝１００重量％になるまでの残余 を有する粉末を用いて、実施例１に記載したと同様の条
件下でコートされた。所定条件での露点以下の温度でエ
ンジンが動作される場合に、かかるエンジンは腐食され
る。
【００２６】適切には、当該コーティング粉末には、更
にＳ及びＰを少量含むこともできる（即ち、０．０１〜
０．２重量％）。
【００２７】当該コーティング粉末の粒子のサイズは１
０〜４５μｍであった。
【００２８】かかるコーティングを用いて試験を行った
結果、実施例１及び２で説明したのとほぼ同様の望まし
い結果を得ることができた。
【００２９】実施例４ コーティング粉末にセラミック合金粉末を３０重量％添
加した以外は、実施例２に記載したのと同様の方法を実
施した。該セラミック合金粉末は６０重量％のＡｌ２Ｏ
３と４０重量％のＴｉＯ２組成を有する。かかる粉末を
用いて調製したコーティングは、５〜２２μｍのサイズ
を有するセラミック粒子を含有することにより機械的に
強化される。
【００３０】実施例５ ８０重量％のＡｌ２Ｏ３と２０重量％のＴｉＯ２組成を
有するセラミック合金粉末を、コーティング粉末に３０
重量％添加した以外は、実施例４に記載したのと同様の
方法を実施した。かかる粉末を用いて調製したコーティ
ングは、５〜２２μｍのサイズを有するセラミック粒子
を含有することにより機械的に強化される。
【００３１】図１は、コーティング粉末の粒子サイズと
摩擦係数の減少との関係、並びにコーティング粉末の粒
子サイズと機械的特性、特にコーティングの接着強度と
の関係を示す図である。図１から、一方では摩擦係数は
粒子サイズが増大する場合、徐々に減少することがわか
る。他方、接着強度は、粒子サイズが増加するに従っ
て、徐々に減少することがわかる。両者を考慮すると、
粒子サイズは２５〜３０μｍの範囲であることができ、
これにより，結局約４５〜５０ＭＰａとなる接着強度
は、ほとんどの場合において十分であり、一方摩擦係数
は、従来の コーティングと比較して、やはり約２２〜
２５％減少する。しかし、接着強度が第一に重要なもの
であり、摩擦係数の減少が第二に重要なものである場合
には、より小さいサイズの粒子を有するコーティング粉
末を選択することもできる。代わりに、摩擦係数の減少
が第一に重要なものであり、コーティングの接着強度が
それよりも重要度が低い場合には、より大きいサイズの
粒子を有するコーティング粉末を選択することもでき
る。
【００３２】図２は、コーティング中の結合酸素の量と
摩擦係数の減少との関係、並びにコーティング中の結合
酸素の量と機械的特性、特にコーティングの接着強度と
の関係を示す図である。図２から、一方ではコーティン
グ中の結合酸素の量が増加する場合、摩擦係数は徐々に
減少する。他方、コーティング中の結合酸素の量が増加
する場合、接着強度は徐々に減少する。 両者を考慮す
ると、結合酸素の含量は２〜２．５重量％の範囲である
ことができ、これにより，結局約４５〜５０ＭＰａとな
る接着強度は、ほとんどの場合において十分であり、一
方摩擦係数は、従来のコーティングと比較して、やはり
約２０〜２５％減少する。図１に関して説明したのと同
様に、接着強度が第一に重要なものであり、摩擦係数の
減少が第二に重要なものである場合には、コーティング
中の結合酸素の含量をより少なくすることができる。代
わりに、摩擦係数の減少が第一に重要なものであり、コ
ーティングの接着強度がそれよりも重要度が低い場合に
は、コーティング中の結合酸素の含量を高くすることが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、コーティング粉末の粒子サイズと摩
擦係数の減少との関係、並びにコーティング粉末の粒子
サイズと機械的特性、特にコーティングの接着強度との
関係を示す図である。
【図２】 図２は、コーティング中の結合酸素の量と摩
擦係数の減少との関係、並びにコーティング中の結合酸
素の量と機械的特性、特にコーティングの接着強度との
関係を示す図である。

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃焼機関のエンジンブロックのシリンダ
    ー摺動面として機能する基板に、プラズマ溶射操作によ
    り設けられる第1鉄コーティングにおいて、前記コーテ
    ィングは、１〜４重量％の含量の結合酸素を有すること
    を特徴とする第１鉄コーティング。
  2. 【請求項２】 前記結合酸素は、鉄と一緒に組み合わさ
    れて、ＦｅＯ及びＦｅ３Ｏ４結晶を形成することを特徴
    とする請求項１記載の第１鉄コーティング。
  3. 【請求項３】 Ｆｅ２Ｏ３の含量は０．２重量％以下で
    あることを特徴とする請求項２記載の第１鉄コーティン
    グ。
  4. 【請求項４】 コーティングが設けられる前記基板は、
    マグネシウム合金、アルミニウム合金又は鋳鉄からなる
    エンジンブロックそのものより構成されることを特徴と
    する請求項１記載の第１鉄コーティング。
  5. 【請求項５】 コーティングが設けられる前記基板は、
    鋳鉄からなるシリンダースリーブにより構成され、マグ
    ネシウム合金又はアルミニウム合金からなるエンジンブ
    ロック中に挿入されるように適応されることを特徴とす
    る請求項１記載の第１鉄コーティング。
  6. 【請求項６】 鋳鉄は、圧粉化されたグラファイトとブ
    レンドされることを特徴とする請求項４又は５記載の第
    １鉄コーティング。
  7. 【請求項７】 鋳鉄は、ねずみ鋳鉄からなることを特徴
    とする請求項４又は５記載の第１鉄コーティング。
  8. 【請求項８】 プラズマ溶射装置を準備し、設けられる
    べきコーティングの原材料を構成するコーティング粉末
    を用意して、シリンダーの摺動面上にプラズマ溶射装置
    により該コーティング粉末を溶射する工程を含む、燃焼
    機関のエンジンブロックのシリンダー摺動面として機能
    する基板に第１鉄のコーティングを設ける方法におい
    て、 前記プラズマ溶射装置に空気を供給して、前記基板上に
    前記コーティング粉末と前記空気を同時に１分あたり２
    ００〜１０００標準リットルの量で溶射する工程、又
    は、 前記プラズマ溶射装置に酸素含有ガスを供給して、前記
    基板上に前記コーティング粉末と前記酸素含有ガスを同
    時に１分あたり４０〜２００標準リットル酸素の量で溶
    射する工程、又は、 前記プラズマ溶射装置に酸素を供給して、前記基板上に
    前記コーティング粉末と前記酸素を同時に１分あたり４
    ０〜２００標準リットルの量で溶射する工程の３工程か
    ら１つの工程を実施することを特徴とする第１鉄のコー
    ティングを設ける方法。
  9. 【請求項９】 シリンダースリーブやシリンダーボアの
    内部のガス流の速度はそれぞれ、前記溶射工程の間、７
    〜１２ｍ／ｓであることを特徴とする請求項８記載の方
    法。
  10. 【請求項１０】 ガス噴霧される粉末は、前記基板にプ
    ラズマ溶射され、前記粉末は、次の組成： Ｃ＝０．４〜１．５重量％ Ｃｒ＝０．２〜２．５重量％ Ｍｎ＝０．０２〜３重量％ Ｆｅ＝１００重量％になるまでの残余 を有することを特徴とする請求項８記載の方法。
  11. 【請求項１１】 ガス噴霧される粉末は、前記基板にプ
    ラズマ溶射され、前記粉末は、次の組成： Ｃ＝０．４〜１．５重量％ Ｃｒ＝０．２〜２．５重量％ Ｍｎ＝０．０２〜３重量％ Ｓ＝０．０１〜０．２重量％ Ｐ＝０．０１〜０．１重量％ Ｆｅ＝１００重量％になるまでの残余 を有することを特徴とする請求項８記載の方法。
  12. 【請求項１２】 ガス噴霧される粉末は、前記基板にプ
    ラズマ溶射され、前記粉末は、次の組成： Ｃ＝０．１〜０．８重量％ Ｃｒ＝１１〜１８重量％ Ｍｎ＝０．１〜１．５重量％ Ｍｏ＝０．１〜５重量％ Ｆｅ＝１００重量％になるまでの残余 を有することを特徴とする請求項８記載の方法。
  13. 【請求項１３】 ガス噴霧される粉末は、前記基板にプ
    ラズマ溶射され、前記粉末は、次の組成： Ｃ＝０．１〜０．８重量％ Ｃｒ＝１１〜１８重量％ Ｍｎ＝０．１〜１．５重量％ Ｍｏ＝０．１〜５重量％ Ｓ＝０．０１〜０．２重量％ Ｐ＝０．０１〜０．１重量％ Ｆｅ＝１００重量％になるまでの残余 を有することを特徴とする請求項８記載の方法。
  14. 【請求項１４】 コーティング中のＦｅＯ及びＦｅ３Ｏ
    ４ の量は、粉末粒子のサイズ分布によりコントロール
    されることを特徴とする請求項８記載の方法。
  15. 【請求項１５】 粉末の粒子のサイズは、５〜２５μｍ
    の範囲であることを特徴とする請求項１４記載の方法。
  16. 【請求項１６】 粉末の粒子のサイズは、１０〜４０μ
    ｍの範囲であることを特徴とする請求項１４記載の方
    法。
  17. 【請求項１７】 粉末の粒子のサイズは、１５〜６０μ
    ｍの範囲であることを特徴とする請求項１４記載の方
    法。
  18. 【請求項１８】 アルゴン又は窒素によりガス噴霧され
    たコーティング粉末を用いることを特徴とする請求項８
    記載の方法。
  19. 【請求項１９】 減摩酸化物セラミックを添加すること
    により修飾されたコーティング粉末を用いることを特徴
    とする請求項８記載の方法。
  20. 【請求項２０】 コーティング粉末中の前記酸化物セラ
    ミックの含量は、５〜５０重量％であることを特徴とす
    る請求項１９記載の第１鉄のコーティングを設ける方
    法。
  21. 【請求項２１】 前記酸化物セラミックは、ＴｉＯ２合
    金系又はＡｌ２Ｏ３ＴｉＯ２合金系、及び/又はＡｌ２
    Ｏ３ＺｒＯ２合金系からなることを特徴とする請求項１
    ９記載の方法。
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