JP2009155720A - 鉄系溶射被膜、その形成方法及び摺動部材 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力エンジンにおいても十分な耐久性（耐剥離性）を発現でき、優れた耐摩耗性や耐スカッフ性を併せて実現し得る鉄系溶射被膜、その形成方法及び摺動部材を提供すること。
【解決手段】アルミ合金製母材の表面を被覆する鉄系溶射被膜である。鉄系溶射被膜の主原料である線材又は粉末が鉄を主成分とし、記線材又は粉末に含まれる炭素量（Ｃ）が、０．１２≦Ｃ（質量％）の範囲にある。
プラズマ溶射によって、線材又は粉末の溶滴をアルミ合金製母材の表面に噴射する鉄系溶射被膜の製造方法である。
アルミ合金製母材と、その表面に形成された鉄系溶射被膜を備える摺動部材である。鉄系溶射被膜が上記の鉄系溶射被膜から成る。
【選択図】なし

Description

本発明は、鉄系溶射被膜及びその形成方法並びに摺動部材に係り、更に詳細には、高面圧下での耐剥離性に優れ、且つ優れた耐摩耗性と耐スカッフ性を実現し得る鉄系溶射被膜、その形成方法、及び該鉄系溶射被膜を備える摺動部材に関する。
また、本発明は、自動車内燃機関用シリンダーブロック、特にボア内面に良好に適用することができる。

摺動部材の一例として、従来の自動車内燃機関用シリンダーブロックにおいては、ボア面として鋳鉄製ライナーを鋳包んだアルミ合金製シリンダーブロックが主流であるが、エンジン部品軽量化の観点から、鋳鉄製ライナーの代わりにアルミ製ライナーを鋳包んだタイプのシリンダーブロックや、完全に鋳鉄製ライナーを廃止したアルミ合金製モノブロックの開発が進められている。

しかし、アルミ製ライナーやアルミ合金製モノブロックでは、耐摩耗性や耐スカッフ性に問題があり、ニッケルメッキ等のメッキ処理が施される場合もあるが、耐摩耗性や耐スカッフ性に関しては十分ではない。
その代わりとして、プラズマ火炎によって溶射粉末や溶射ワイヤーを溶融させた溶滴を、シリンダーボア内面に噴き付けて溶射被膜を形成することにより、耐摩耗性や耐スカッフ性を向上させた方策が取られている。例えば、エンジン用シリンダーブロックのボア表面に鉄系合金粉末を溶射することによって、ピストンリング及びピストンに対する耐摩耗性及び耐スカッフ性の向上を図っている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−２１２７１７号公報

上述のように、鉄系合金粉末を溶射して形成された従来の溶射被膜では、ピストンリング及びピストンに対する耐摩耗性及び耐スカッフ性の向上を図っているが、例えば最近の高出力エンジンのように非常に高い筒内圧がかかるシリンダーブロックでは、高い燃焼圧によって溶射被膜に繰り返しの高荷重が負荷されるため、溶射被膜内部で亀裂・剥離が発生することがわかっている。このような溶射被膜内部での剥離が大きくなるとオイル消費が悪化し、更に溶射被膜が完全な剥離にまで達すると、ピストンリングやピストンとのスカッフの要因となる。

また、現行の鋳鉄ライナーに比べて、アルミモノブロックやニッケルメッキ品では耐摩耗性や耐スカッフ性に問題があるため、鉄溶射を採用する場合には、耐摩耗性や耐スカッフ性を向上させる方策が必要である。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高出力エンジンにおいても十分な耐久性（耐剥離性）を発現でき、優れた耐摩耗性や耐スカッフ性を併せて実現し得る鉄系溶射被膜、その形成方法及び摺動部材を提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、鉄系溶射被膜の原料となる材料成分を適切に制御することにより、高い燃焼圧負荷環境においても十分な耐久性（耐剥離性）が実現でき、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の鉄系溶射被膜は、アルミ合金製母材の表面を被覆する鉄系溶射被膜に関するものである。上記鉄系溶射被膜の主原料である線材又は粉末が鉄を主成分とし、
上記線材又は粉末に含まれる炭素量（Ｃ）が、０．１２≦Ｃ（質量％）の範囲にあることを特徴とする。

また、本発明の鉄系溶射被膜の形成方法は、上述のような鉄系溶射被膜を形成する方法であって、
プラズマ溶射によって、上記線材又は粉末の溶滴を上記アルミ合金製母材の表面に噴射することを特徴とする。

更に、本発明の摺動部材は、アルミ合金製母材と、その表面に形成された鉄系溶射被膜を備える摺動部材である。
上記鉄系溶射被膜が、上述のような鉄系溶射被膜から成ることを特徴とする。

本発明によれば、鉄系溶射被膜の原料となる材料成分を適切に制御することとしたため、高出力エンジンにおいても十分な耐久性（耐剥離性）を発現でき、優れた耐摩耗性や耐スカッフ性を併せて実現し得る鉄系溶射被膜、その形成方法及び摺動部材を提供することができる。

以下、本発明の鉄系溶射被膜、その製造方法及び摺動部材につき、内燃機関用のシリンダーブロックを例に採って、詳細に説明する。なお、本明細書において、「％」は特記しない限り質量百分率を表すものとする。

まず、製造工程であるが、アルミ合金製母材の一例であるシリンダーブロックを鋳造成型した後、溶射被膜の密着性を高めるために、シリンダーボア内表面を下地加工し、下地加工後のシリンダーボア内面に鉄系金属材料を液滴とし、溶射被膜を形成する。
ここで、鉄系金属材料を液滴とする際には、特許文献１（特開２０００−２１２７１７号公報）に記載されているように、鉄系合金粉末を使用することが一般的であるが、本発明においては、線材、具体的には鉄系ワイヤーを使用することが好ましい。

溶射被膜の形成方法としては、例えば、円筒体の中心孔に挿入された溶射ガンを一端側から他端側へと移動させながら、この溶射ガン先端より燃焼炎によって溶融させた溶射粉末の溶滴を溶射フレームとして内面に噴き付けて溶射被膜を形成することができる。
溶射被膜の断面写真を図１に示すが、同図に示す溶射被膜は、この溶射被膜内に「気孔」及び「酸化鉄」を含んでいる。

以下、本発明の鉄系溶射被膜を作製するための主原料となる線材（ワイヤー材）等の成分及び溶射後の被膜性状について説明する。

鉄系ワイヤー材や鉄系粉末に含まれる炭素量については、炭素量が低い場合には、十分な耐久性（耐剥離性）を確保できない。一方、炭素量が非常に高い場合には、相手攻撃性が高くなる場合があり、相手摺動部品であるピストン及びピストンリングを著しく摩耗させることがある。
そこで、鉄系ワイヤー材や鉄系粉末に含まれる炭素量（Ｃ）は、０．１２≦Ｃ（ｗｔ％）であり、望ましくは、０．１２≦Ｃ≦０．４２（ｗｔ％）である。

次に、鉄系ワイヤー材や鉄系粉末に含まれる炭素当量（Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋Ｓｉ／２４＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４）であるが、炭素当量が低い場合には、十分な耐久性（耐剥離性）を確保できないことがある。一方、炭素当量が高い場合には、相手攻撃性が高くなり、ピストン及びピストンリングを著しく摩耗させると共に、耐スカッフ性が悪化して、ピストン及びピストンリングとの焼き付きの原因となることがある。
そこで、鉄系ワイヤー材や鉄系粉末に含まれる炭素当量については、０．３≦Ｃｅｑ≦０．９に制御することが好ましい。

次に、本発明の鉄系溶射被膜の被膜硬度であるが、この実施形態のように、溶射後にボア内面に形成された溶射被膜の被膜硬度については、低すぎると、相手ピストンリングによって著しいボア摩耗が発生する。一方、溶射被膜の被膜硬度が高すぎると、相手攻撃性が高くなり、相手摺動部品であるピストン及びピストンリングを著しく摩耗させることがある。よって、シリンダーブロックにおいては、溶射後にボア内面に形成された溶射被膜の被膜硬度は、ＨＶ３００〜５００の範囲内に制御することが好ましい。

更に、シリンダーブロックにおいて、溶射後にボア内面に形成された溶射被膜に含まれる気孔であるが、気孔はオイル溜りの効果を目的として付与されており、溶射被膜の耐スカッフ性を向上させる機能を果たす。しかし、溶射被膜に対する気孔率が高すぎると十分な耐久性（耐剥離性）を確保できないことがある。
かかる観点から、溶射後にボア内面に形成された溶射被膜の気孔率は２．１面積％以下とすることが好ましい。

なお、この場合の気孔率は、溶射被膜断面写真において確認される気孔を、画像解析などによって数値化したものである。

更にまた、溶射後にボア内面に形成された溶射被膜に含まれる酸化鉄であるが、酸化鉄は潤滑性を目的として付与されている。
溶射被膜に含まれる酸化鉄量が少ない場合には、耐スカッフ性が悪化し、相手ピストン及びピストンリングとの焼き付きの原因となることがある。一方、溶射被膜に含まれる酸化鉄が多い場合には、十分な耐久性（耐剥離性）を確保できないことがある。
よって、溶射後にボア内面に形成された溶射被膜に含まれる酸化鉄の体積率は、５〜３５体積％の範囲内であることが好ましい。

なお、この場合の酸化鉄の体積率は、溶射被膜断面写真において確認される酸化鉄を、画像解析によって数値化したものである。

以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１〜６、比較例１及び２）
母材であるアルミニウム合金表面に、表１に示すように、成分の異なる鉄系ワイヤー材を用い、プラズマ溶射法によって鉄系溶射被膜を形成した後、各例における摺動部材の評価用試験を切り出した。各例の摺動歩合の成分や性状を表１に示す。

なお、表１において、炭素当量は、Ｃｅｑ（炭素当量）＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋Ｓｉ／２４＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４とした。また、気孔率は、溶射被膜の断面写真から、気孔の面積率を計測した。更に、酸化鉄量は、溶射被膜の断面写真から、酸化鉄の面積率を計測した。

［性能評価］
各例で得られた摺動部材の評価用試験片を用い、下記の性能評価を行った。

（１）溶射被膜の剥離評価法
溶射被膜の剥離評価として、各例の評価用試験片を図２に示すブラスト試験機に供し、ブラスト試験前後の溶射試験片の重量を測定し、溶射被膜の減少量（剥離量）を耐剥離性の指標とした。試験条件は下記仕様とし、得られた試験結果を表２に示す。
・試験機概要：図２に示す
・試験片形状：５０×５０ｍｍ（肉厚５ｍｍ）
・ブラスト粒：アルミナ粒子
・照射量：５０ｇ／回で、計５回（２５０ｇ）
・測定方法：アルミナ粒子を溶射面に照射し、試験前後の溶射試験片の重量を測定する

（２）ピストンリングとのスカッフ評価試験法
溶射被膜のスカッフ評価として、各例の評価用試験片を図３に示す摺動試験機に供し、各試験片の耐スカッフ荷重を測定した。試験条件は下記仕様とし、得られた試験結果を表２に示す。
・試験機概要：図３に示す
・測定方法：１０ｋｇｆづつ荷重を与え、摩擦力急増点をリングスカッフ荷重とする
・摺動速度：０．２ｍ／ｓ
・温度：２５℃
・潤滑油：５Ｗ３０ＳＬ（初期塗布のみ）
・相手摺動材（ピストンリング相当）：炭素鋼を基材とし、摺動面にＣｒＮを被覆した

（３）ピストンリングとの摩耗評価試験法
溶射被膜のフリクション評価法として、各例の評価用試験片を図４に示す往復動摩擦摩耗試験機に供し、溶射試験材と相手ピストンリング材の摩耗量を測定した（形状測定器を用いて摩耗減肉量を計測）。試験条件は下記仕様とし、得られた試験結果を表２に示す。
・試験機概要：図４に示す
・摺動速度：０．５ｍ／ｓ
・温度：２５℃
・押付け加重：１０ｋｇｆ
・試験時間：１時間
・潤滑油：５Ｗ３０ＳＬ
・相手材（ピストンリング相当）：炭素鋼を基材とし、摺動面にＣｒＮを被覆した

なお、表２において、剥離試験結果は、実施例１の重量減少量を基準値１．０とした。数値が小さいほど耐剥離性が良好であることを示している。
スカッフ試験結果は、スカッフが発生した押し付け荷重（ｋｇ）をスカッフ荷重とた。数値が大きいほど耐スカッフ性に優れていることを示している。
摩耗試験結果は、実施例１の摩耗量を基準値１．０とした。「溶射被膜摩耗量」は数値が小さいほど溶射被膜自身の摩耗が小さいことを示しており、「相手材摩耗量」は数値が小さいほど相手材の摩耗量が小さく、相手攻撃性の問題が無いことを示している。

表１及び表２より、本発明の範囲に属する実施例１〜実施例６は、本発明の範囲外である比較例１及び比較例２よりも耐剥離性、耐スカッフ特性及び耐摩耗性に優れていることがわかる。

本発明の鉄系溶射被膜の一例を示すＳＥＭ断面写真である。 剥離評価試験機の概略図である。 スカッフ評価試験機の概略図である。 摩耗評価試験機の概略図である。

Claims (9)

1. アルミ合金製母材の表面を被覆する鉄系溶射被膜において、
   上記鉄系溶射被膜の主原料である線材又は粉末が鉄を主成分とし、
   上記線材又は粉末に含まれる炭素量（Ｃ）が、０．１２≦Ｃ（質量％）の範囲にあることを特徴とする鉄系溶射被膜。
2. 上記炭素量（Ｃ）が、０．１２≦Ｃ≦０．４２（質量％）の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の鉄系溶射被膜。
3. 炭素当量Ｃｅｑを次式（１）
   Ｃｅｑ＝Ｃ＋Ｍｎ／６＋Ｓｉ／２４＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４…（１）
   （式中のＣ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｃｒ及びＭｏは各元素の添加量（質量％）を示す）で定義した場合、
   上記線材又は粉末が、０．３≦Ｃｅｑ≦０．９を満足する組成を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄系溶射被膜。
4. 被膜硬度がＨＶ３００〜５００の範囲内であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の鉄系溶射被膜。
5. 気孔を含み、断面積当たりの気孔率が２．１％以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の鉄系溶射被膜。
6. ５〜３５体積％の酸化鉄を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の鉄系溶射被膜。
7. 請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の鉄系溶射被膜を形成するに当たり、
   プラズマ溶射によって、上記線材又は粉末の溶滴を上記アルミ合金製母材の表面に噴射することを特徴とする鉄系溶射被膜の製造方法。
8. アルミ合金製母材と、その表面に形成された鉄系溶射被膜を備える摺動部材において、
   上記鉄系溶射被膜が、請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の鉄系溶射被膜から成ることを特徴とする摺動部材。
9. 上記アルミ合金製母材が内燃機関用シリンダーブロックであり、上記アルミ合金製母材の表面が上記内燃機関用シリンダーブロックのシリンダーボア内面であることを特徴とする請求項８に記載の摺動部材。

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