JP2004169119A - 溶射装置と溶射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダブロックのボア内面に形成された溶射被膜の剥がれを防止可能な技術を提供する。
【解決手段】溶射装置２０は、シリンダブロック１２を貫通するボア１４の一方側開口からボア１４に挿入する溶射ガン２２と、ボア１４内にその軸周りに旋回しながらボア１４の他方側開口に向かう旋回流２８を発生させる手段２４とを備えている。
ボア１４内に、その軸周りに旋回しながらボア１４の他方側開口に向かう旋回流２８を発生させると、旋回流２８の中心に向かう流れも発生する。旋回流２８にその中心に向かう流れが発生すると、溶射粒子中のヒュームは、旋回流２８の中心に集まる。旋回流２８の中心に集まったヒュームは、ボア１４の他方側開口に向かう旋回流２８に乗ってボア１４から吸い出される。このため、ボア１４内面には、ヒュームをほとんど含まない、剥がれが防止された良質な溶射被膜が形成される。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、シリンダブロックのボア内面に溶射被膜を形成する技術に関するものである。詳しくは、溶射被膜の剥がれを防止する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】エンジンのシリンダブロックを貫通するボアにシリンダライナを装着せず、ボア内面に溶射被膜を直接形成する技術が知られている。ボアにシリンダライナを装着しないと、ボアどうしの距離を小さくできるのでシリンダブロックの小型化が可能になるとともに、ボア内で発生する燃焼熱が直接ボアに伝わるので、エンジンの冷却効率を向上させることができる。ボア内面に形成された溶射被膜は、さらにホーニング加工が施され、平滑度が良好な面に仕上げられる。溶射被膜の平滑度が良好だと、ボア内面とピストンの摺動抵抗を小さくすることができる。
ボア内面に溶射被膜を形成する際には、ボアの一方側の開口部から溶射ガンをボア内に挿入する。溶射ガンは回転しながらボア軸方向に移動する。溶射ガンの先端部に設けられた溶射孔からは、溶融した鉄等の溶射粒子がボア内面に向けて溶射される（吹きつけられる）。溶射孔から溶射された溶射粒子は、ボア内面に付着して溶射被膜を形成する。
【０００３】
溶射された溶射粒子の内の粒子径が小さいものは、温度が高くなって酸化してしまいヒューム（酸化鉄）になる。溶融した溶射粒子とヒュームが溶射されると、ヒュームを含んだ溶射被膜がボア内面に形成される。ヒュームを含んだ溶射被膜は、付着力が弱い。付着力が弱い溶射被膜にホーニング加工を施すと、溶射被膜の一部が剥がれてしまうことがある。
ボアの他方側の開口部から空気を吸引しながら溶射を行う技術が、例えば特許文献１に記載されている。ヒュームは、粒子径が大きい溶射粒子よりも軽い。このため、ボアの開口部から空気を吸引しながら溶射を行うと、ボアからヒュームを吸い出すことができる。従って、溶射被膜に含まれるヒュームを少なくして、溶射被膜の付着力を強くすることができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−４０２４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、ボアから空気を吸引しながら溶射を行うと、溶射被膜に含まれるヒュームを少なくすることができる。しかしながら、このようにして形成された溶射被膜であっても、ホーニング加工を施すと依然として溶射被膜の剥がれが生じてしまうことがある。このため、溶射粒子中からより多くのヒュームを除去し、ボア内面により付着力が強い溶射被膜を形成する技術が求められている。
【０００６】
本発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、ボア内面に形成された溶射被膜の剥がれを防止する技術を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段および作用と効果】請求項１に記載の溶射装置は、シリンダブロックを貫通するボアの一方側開口からボアに挿入する溶射ガンと、ボア内にその軸周りに旋回しながらボアの他方側開口に向かう旋回流を発生させる手段とを備えている。
ボア内に、その軸周りに旋回しながらボアの他方側開口に向かう旋回流を発生させると、旋回流の速度は、ボア内面から離れてボアの軸（旋回流の中心）に近づくほど早くなる。旋回流の速度がこのような傾向を示すのは、空気の粘性によって旋回流がボア内面の影響を受け、ボア内面に近い旋回流の速度が遅くなるからである。旋回流の速度がボア内面から旋回流の中心に近づくほど早くなると、旋回流の圧力は旋回流の中心に近づくほど小さくなる（ベルヌーイの定理）。このため、旋回流には、旋回しつつ旋回流の中心に向かう流れが生じる。
旋回流にその中心に向かう流れが生じると、ボア内面に向けて溶射される溶射粒子中に含まれているヒュームは、引き戻されるようにして旋回流の中心に集まる。旋回流の中心に集まったヒュームは、ボアの他方側開口に向かう旋回流に乗ってボアから吸い出される。この際には、粒子径がヒュームよりも大きく、ヒュームよりも重い溶融した溶射粒子は、中心に向かう旋回流の流れの影響をそれほど受けず、そのままボア内面に到達する。このため、ボア内面には、ヒュームをほとんど含まない良質な溶射被膜が形成される。従って、溶射被膜の剥がれを防止することができる。
【０００８】
請求項２に記載の溶射方法は、シリンダブロックに設けられたボアの内部に、ボア軸周りに旋回しながらボア軸方向に向かう旋回流を発生させながら溶射し、ボア内面に溶射被膜を形成する。
ボアの内部に、ボア軸周りに旋回しながらボア軸方向に向かう旋回流を発生させながら溶射を行うと、旋回流には、旋回しつつ旋回流の中心に向かう流れが生じる。旋回流にその中心に向かう流れが生じると、ヒュームは旋回流の中心に集まり、ボア軸方向に向かう旋回流に乗ってボアから吸い出される。このため、ボア内面には、ヒュームをほとんど含まない良質な溶射被膜が形成される。従って、上記の溶射方法によれば、剥がれが防止された溶射被膜をボア内面に形成することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明の好適な実施形態について説明する。
（第１実施形態）
ボアの一方側開口から溶射ガンをボアに挿入し、ボアの他方側開口に複数の吸引パイプを持つ吸引装置を装着する。そして、溶射ガンの溶射孔からボアの内面に向けて溶射しながら、吸引装置の吸引パイプから空気を吸引する。
（第２実施形態）
シリンダヘッドと一体化されたシリンダブロックにおいて、インテークポートとイグゾーストポートから空気を吸引しながら、溶射ガンでボア内面に溶射を行う。
【００１０】
【実施例】本発明の実施例に係る溶射装置と溶射方法について、図面を参照しながら説明する。
図１に示されているように、溶射装置２０は、溶射ガン２２、吸引アダプタ２４、吸引ファン（図示省略）、溶射ガン２２の昇降装置（図示省略）等から構成されている。溶射ガン２２は、シリンダブロック１２を貫通しているボア１４の上部開口から挿入され、昇降装置に支持されながら、昇降しつつ回転する。溶射ガン２２の先端部の側面には、溶射孔２２ａが開口している。溶射孔２２ａの内部には、陽極と陰極を持つ電極が設けられている。溶射ガン２２には、昇降装置を介して細かな鉄粉、アルゴンガス、電力が供給される。溶射ガン２２の軸は、ボア１４の軸に対して傾斜している。溶射ガン２２の傾斜角度を変化させると、溶射孔２２ａとボア１４の内面１４ａとの距離を調整することができる。
【００１１】
ボア１４の下部開口には、吸引アダプタ２４が装着される。吸引アダプタ２４は、ボア１４の内径にほぼ等しいダクト２４ｃと、吸引パイプ２４ａと、吸引パイプ２４ｂを備えている。図２に良く示されているように、吸引パイプ２４ａ、２４ｂの軸は、並行、かつダクト２４ｃの軸を挟むように配置されている。吸引パイプ２４ａ、２４ｂは、吸引ファンに接続されている。
【００１２】
溶射ガン２２の電極に高電圧を印加すると、溶射孔２２ａの内部で放電が発生する。この状態で溶射ガン２２に鉄粉とアルゴンガスが供給すると、溶射孔２２ａから高温のプラズマとともに、鉄粉が溶融した溶射粒子がボア１４の内面１４ａに勢いよく溶射される。このときに、溶射粒子中の粒子径が小さいものは、温度が高くなって酸化しヒュームになる。溶射ガン２２が溶射を行いながら回転し、ボア１４内を昇降すると、ボア１４の内面１４ａに溶射被膜が形成される。
吸引ファンが作動すると、吸引アダプタ２４の吸引パイプ２４ａ、２４ｂを介してボア１４内の空気が吸い出される。上述したように、吸引パイプ２４ａと２４ｂの軸は、並行、かつダクト２４ｃの軸を挟むように配置されている。このため、吸引パイプ２４ａ、２４ｂが空気を吸い出すと、ボア１４内には、ボア１４の軸周りに旋回しながらボア１４の下部開口に向かう旋回流２８が発生する。ボア１４の内面１４ａに近い旋回流２８は、空気の粘性によって内面１４ａの影響を受け、旋回流２８の中心（ボア１４の軸）よりも遅くなる。このため、旋回流２８の速度は、ボア内面から旋回流２８の中心に近づくほど早くなる傾向を示す。よって、旋回流２８内の圧力分布は、ボア内面から旋回流２８の中心に近づくほど小さくなる（ベルヌーイの定理）。従って、旋回流２８には、旋回しつつ旋回流２８の中心に向かう流れが生じる。
【００１３】
旋回流２８の中心に向かう流れがボア１４内に生じると、重さが軽いので慣性力が小さいヒュームは、空気に乗って旋回流２８の中心に集まる。旋回流２８の中心に集まったヒュームは、ボア１４の下部開口から吸引アダプタ２４を介して外部に吸い出される。
粒子径が大きい溶射粒子は、ヒュームになるほど温度が高くならず、溶融した状態でボア１４の内面１４ａに向けて溶射される。粒子径が大きい溶射粒子は、重さが大きいので慣性力も大きい。このため、粒子径が大きい溶射粒子は、旋回流２８の中心に向かう流れの影響をほとんど受けず、そのままボア１４の内面１４ａに到達する。よって、ボア１４の内面１４ａには、ヒュームをほとんど含まない、良質な溶射被膜が形成される。従って、溶射被膜にホーニング加工を施す際の、溶射被膜の剥がれが防止される。
【００１４】
従来の溶射装置で形成した溶射被膜と比較しながら、本発明の溶射装置２０を用いて形成した良質な溶射被膜を説明する。なお、溶射被膜を形成したシリンダブロック１２、およびボア１４から空気を吸引するのに用いた吸引アダプタ２４の寸法は、図３、図４に示すとおりである。なお、溶射に用いた溶射粒子の組成は、炭素（Ｃ）が０．４（重量％）、モリブデン（Ｍｏ）が２（重量％）、クロム（Ｃｒ）が１２（重量％）、残りが鉄（Ｆｅ）である。
図５は、ボア１４内に空気を流さないで状態で溶射被膜を形成し、その後にホーニング加工を施した場合のシリンダブロック１２と溶射被膜３２の断面図である。溶射被膜３２の厚さは、約０．１ｍｍである。円状あるいは楕円状で示されているのは、粒子径が大きすぎて溶融しきれなかった未溶融粒子３４であり、小さく線状に示されているのは、ヒューム３５である。図５から明らかなように、溶射被膜３２の表面に凹状の剥離穴３６が空いてしまっている。このように剥離穴３６が空いてしまうのは、溶射被膜３２中に多くのヒューム３５が含まれているために溶射被膜３２の付着力弱くなり、ホーニング加工を施した際に溶射被膜３２の一部が剥がれてしまうからである。剥離穴３６が空いていると、ボア１４内をピストンが往復運動するときに、ボア１４の内面１４ａとピストンとの摺動抵抗が大きくなってしまう。
【００１５】
図６は、ボア１４内に、その軸方向に沿って矢印３７方向に空気を流した状態で溶射被膜を形成し、その後にホーニング加工を施した場合のシリンダブロック１２と溶射被膜３２の断面図である。空気流のボア１４軸方向の流速は、８（ｍ／ｓ）である。図６から明らかなように、溶射被膜中３２中のヒューム３５は、図５に示されているボア１４内に空気を流さない状態で形成された溶射被膜３２よりも減少している。また、矢印３７方向に空気を流した状態で溶射しているので、シリンダブロック１２の凸部に引っかかるようにして、部位３８にヒュームが積層している。図５で示されていた未溶融粒子３４が認められないのは、その大きさがヒュームに比べて大きいため、凸部に引っ掛からないからである。溶射被膜３２の表面には、小さいながらも剥離穴３６が空いてしまっている。
【００１６】
図７は、ボア１４内に、その軸周りに旋回しながらボア１４の下部開口に向かう旋回流２８を発生させた状態で溶射被膜３２を形成し、その後にホーニング加工を施した場合のシリンダブロック１２と溶射被膜３２の断面図である。空気流のボア１４軸方向の流速は、８（ｍ／ｓ）である。旋回流２８には、旋回しながらその中心に向かう空気流（矢印３９）が生じている。図５から明らかなように、溶射被膜３２中には、ヒューム３５がほとんど含まれておらず、溶射被膜３２の表面に剥離穴３６は空いていない。このように、本発明の溶射装置２０を用いることにより、良好な品質の溶射被膜を形成することができる。
【００１７】
ボア１４内に空気を流さない状態、ボア１４軸方向に沿って空気を流した状態、ボア１４軸周りに旋回しながら軸方向に向かう旋回流２８を発生させた状態、のそれぞれで形成した溶射被膜の付着力を確認するエロージョン（浸食）試験を行った。以下、その試験結果を説明する。
エロージョン試験では、最初にシリンダブロック１２の重量を計測しておく。次に、ボア内に噴射装置を挿入する。噴射装置は、棒状の本体と、本体先端部側面に設けられたノズルを備えている。噴射装置は、その軸がボア１４の軸と一致するように配置される。噴射装置は、５００（ｒｐｍ）でその軸周りに回転しながら、３（ｍｍ／ｓ）の速度でボア１４の軸方向に移動する。ノズル部分の水圧は、１７３（ＭＰａ）である。そして、ノズルから水を噴射しながら、ノズルをボア１４の上部から下部に移動させ、さらに下部から上部に移動させてからシリンダブロック１２を乾燥させるのを１インターバルとし、それを３インターバル繰り返す。最後に、シリンダブロック１２の重量を計測し、エロージョン試験の最初に計測した重量との差分を求める。この差分が大きいほど、エロージョン量が多く、溶射被膜の付着力が弱いことになる。
【００１８】
図８は、エロージョン試験の結果を図示している。縦軸は、エロージョン量（ｇ）である。図８に示されているように、ボア１４内に空気を流さない状態、ボア１４軸方向に沿って空気を流した状態、ボア１４軸周りに旋回しながらボア１４の軸方向に向かう旋回流２８を発生させた状態で形成した溶射被膜のエロージョン量は、それぞれ３３（ｇ）、１１（ｇ）、４（ｇ）である。この結果から明らかなように、ボア１４内に旋回流２８を発生させながら溶射することにより、ボア１４の内面１４ａに、従来よりも付着力が強い良質な溶射被膜を形成することができる。
【００１９】
ボア１４内に発生する旋回流２８の強さは、吸引アダプタ２４の吸引パイプ２４ａ、２４ｂの径と、それらの軸間距離に依存する。発明者が見出した吸引アダプタ２４として好ましい吸引パイプ２４ａ、２４ｂの径と、それらの軸間距離は、図９に示されている符号を用いて次式に示すとおりである。
Ｌ＝ｄ_１＋ｄ_２≧０．８（Ｄ_１＋Ｄ_２）／２
【００２０】
図１０に示されているように、滑らかに曲がり、かつ斜め下方向に向く吸引パイプ４２ａ、４２ｂを備えた吸引アダプタ４２を用いることもできる。このような吸引アダプタ４２は、上述した吸引アダプタ２４に比べて空気的な抵抗（圧力損失）が小さい。従って、吸引アダプタ４２を用いると、より多くの空気を吸引して、ボア１４内により強い旋回流２８を発生させることができる。
【００２１】
図１１、図１２に示されているように、シリンダヘッド４４と一体化されたシリンダブロック４８において、インテークポート４５とイグゾーストポート４６から空気を吸引すると、ボア１４内に旋回流２８を発生させることができる。従って、このようなシリンダブロック４６では、吸引アダプタ４２を用いずに旋回流２８を発生させながら溶射して、良質な溶射被膜を形成することができる。
【００２２】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に係る溶射装置がシリンダブロックのボア内面に溶射している状態の断面図。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図。
【図３】実施例に係る溶射装置とシリンダブロックの寸法を示す断面図。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線断面図。
【図５】実施例に係る溶射被膜とシリンダブロックの細部断面図（ボア内に空気流れ無し）。
【図６】実施例に係る溶射被膜とシリンダブロックの細部断面図（ボア内に空気流れ有り）。
【図７】実施例に係る溶射被膜とシリンダブロックの細部断面図（ボア内に旋回流有り）。
【図８】実施例に係るエロージョン試験結果を示すグラフ。
【図９】実施例に係る吸引アダプタの寸法符号を示す断面図。
【図１０】実施例に係るシリンダブロックと吸引アダプタを示す断面図。
【図１１】実施例に係るシリンダヘッドと一体型のシリンダブロックを示す断面図。
【図１２】図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線矢視図。
【符号の説明】
１２：シリンダブロック
１４：ボア、１４ａ：内面
２０：溶射装置
２２：溶射ガン、２２ａ：溶射孔
２４：吸引アダプタ、２４ａ、２４ｂ：吸引パイプ、２４ｃ：ダクト
２８：旋回流
３２：溶射被膜
３４：未溶融粒子
３５：ヒューム
３６：剥離穴
３７、３９：空気の流れ方向を示す矢印
４２：吸引アダプタ、４２ａ、４２ｂ：吸引パイプ
４４：シリンダヘッド
４５：インテークポート
４６：イグゾーストポート
４８：シリンダブロック

Claims (2)

1. シリンダブロックを貫通するボアの一方側開口からボアに挿入する溶射ガンと、ボア内にその軸周りに旋回しながらボアの他方側開口に向かう旋回流を発生させる手段とを備える溶射装置。
2. シリンダブロックに設けられたボアの内部に、ボア軸周りに旋回しながらボア軸方向に向かう旋回流を発生させながら溶射し、ボア内面に溶射被膜を形成する方法。

Images