JP2010202937A - シリンダブロック及び溶射皮膜形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダボアのうち要求される部位毎に溶射皮膜性能を変えたシリンダブロックを提供する。
【解決手段】シリンダボア２の内壁２ａに溶融した金属の溶滴を吹き付けて溶射皮膜３を形成したシリンダブロック１である。溶射皮膜３に含まれる酸化鉄濃度は、シリンダボア２の内壁２ａに形成される部位により異なる。シリンダボアの燃焼室付近に形成される第１溶射皮膜３Ａには酸化鉄濃度を少なくして、前記内壁２ａに対する層間密着性を高め、エンジンの耐ノック性を確保する。シリンダボア２のピストンと摺接する摺動部に形成される第２溶射皮膜３Ｂには酸化鉄濃度を高くして、その酸化鉄の持つ自己潤滑性による摺動性能を高くして、ピストンに対する耐摩耗性を向上させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリンダボアの内壁に溶射皮膜を形成したシリンダブロック及びその溶射皮膜形成方法に関する。

例えば、従来より使用されて来た鋳鉄製シリンダライナに代えて、アルミニウム合金からなるシリンダブロックのシリンダボアの内壁に金属材料を溶かした溶滴を微粉末として吹き付けることにより形成した金属の溶射皮膜をシリンダライナとする技術が提案されている（例えば、特許文献１など参照）。

米国特許第５５９２９２７号明細書

ところで、シリンダボアのうち燃焼室近傍では高温にさらされることから内壁面に対する溶射皮膜の密着性が要求されると共に、ピストンが摺動する摺動部では該ピストンに対する摺動性能が要求される。つまり、燃焼室近傍の溶射被膜はシリンダボアの内壁面に対して強固に固定されている必要があり、また、摺動部の溶射被膜はピストンに対して摩擦抵抗が少ないことが必要である。

しかしながら、これまでの溶射技術では、シリンダボア内全域で均一な溶射皮膜性状（硬度、密着力、空孔率などの特性）となっているため、前記した要求を満たすことはできない。

そこで、本発明は、シリンダボアに要求される部位毎に溶射被膜性能を変えたシリンダブロック及び溶射被膜形成方法を提供することを目的とする。

本発明のシリンダブロックでは、シリンダボアの内壁に形成される部位により、溶射皮膜に含まれる酸化鉄濃度が異なっていることを特徴としている。

本発明の溶射皮膜形成方法では、シリンダボアの内壁を上下の部位で区切り、その区切った部位に溶融した金属の溶滴を吹き付けて溶射し、各部位に形成された溶射皮膜に含まれる酸化鉄濃度を異ならせる。

本発明のシリンダブロックによれば、溶射皮膜に含まれる酸化鉄濃度をシリンダボアの内壁に形成される部位で異なるようにしているので、酸化鉄濃度が低い部位では内壁と溶射皮膜との層間密着力が高くなりエンジン燃焼時の耐ノック性が向上し、酸化鉄濃度が高い部位では酸化鉄の自己潤滑性により摺動性能が高くなる。

本発明の溶射皮膜形成方法によれば、シリンダボアの内壁を上下の部位で区切ってその区切った部位毎に溶射皮膜に含まれる酸化鉄濃度を異ならせるので、各部位に最適な酸化鉄濃度を付与することができる。

図１は溶射皮膜が形成されるシリンダブロックの斜視図である。 図２は図１のシリンダボアの内壁に溶射皮膜が形成された状態を示す要部拡大断面図である。 図３はシリンダボアの燃焼室付近に溶射皮膜を形成する工程を示す工程図である。 図４はシリンダボアの摺動部に溶射皮膜を形成する工程を示す工程図である。 図５は実施形態３で形成した溶射被膜の要部拡大断面図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

「実施形態１」
図１は溶射皮膜が形成されるシリンダブロックの斜視図、図２は図１のシリンダボアの内壁に溶射皮膜が形成された状態を示す要部拡大断面図である。

実施形態１では、図１に示したエンジンのシリンダブロック１に形成されたシリンダボア２の内壁には、溶融した金属の溶滴を吹き付けることにより溶射皮膜３が形成されている。溶射皮膜３は、図２に示すように、図示を省略するシリンダヘッドに形成される燃焼室に近い燃焼室付近（シリンダボア２の上部入口付近）に形成される第１溶射皮膜３Ａと、シリンダボア２内を上下動するピストンが摺動する摺動部に形成される第２溶射皮膜３Ｂと、を有し、これら各部位の溶射被膜に含まれる酸化鉄濃度を異ならせている。

ここで定義する摺動部は、シリンダボア２内を上下動するピストンのうち特に、上死点でピストン速度が遅くなる部位（シリンダボア２の上部入口付近である燃焼室付近）以外の部位である。なお、下死点でもピストン速度が遅くなるが、この部位は含まないものとする。

溶射被膜３は、表面に微細な凹凸が形成されたシリンダボア２の内壁２ａに形成され、この微細な凹凸に溶滴が食い込むように被膜されることで前記シリンダボア２の内壁２ａに対して密着力が高められている。第１溶射被膜３Ａは、シリンダボア２の上部入口からそのボア下方に向かう燃焼室付近に形成されている。例えば、第１溶射被膜３Ａは、シリンダブロック１の上面１ａであるシリンダボア２の入口から奥へ４０ｍｍ程度の範囲長さＬ１（この範囲長さを第１溶射被膜形成範囲長さＬ１とする）に形成されている。第２酸化皮膜３Ｂは、第１酸化皮膜３Ａが形成された部位の下側の範囲Ｌ２に形成されている。例えば、シリンダボア２の入口より４０ｍｍの地点からシリンダボア下端までの範囲Ｌ２（この範囲長さを第２溶射被膜形成範囲長さＬ２とする）となっている。

第１溶射被膜３Ａが形成される部位は、燃焼室に近く高温にさらされるため、溶射被膜には内壁２ａに対して層間密着力が高いことが求められる。これを実現するためには、燃焼室付近の第１溶射被膜３Ａの膜内に含まれる酸化鉄濃度を低くするようにする。膜内に含まれる酸化鉄濃度を低くすれば、溶射被膜の内壁２ａに対する層間密着力が向上し、エンジン燃焼時の耐ノック性を向上させることが可能となる。

第２溶射被膜３Ｂが形成される部位は、燃焼室付近に比べて上下動するピストンの速度が高いため、溶射被膜に対するピストンのスムーズな摺動性能が求められる。これを実現するためには、ピストンに対する摺動部の第１溶射被膜３Ｂの膜内に含まれる酸化鉄濃度を高くするようにする。膜内に含まれる酸化鉄濃度を高くすれば、酸化鉄の持つ自己潤滑性による摺動性能を高めることができる。

以上のように構成されたシリンダブロック１では、シリンダボア２の内壁２ａに形成された溶射被膜３に含まれる酸化鉄濃度が、シリンダボア２の内壁２ａに形成される部位により異なるため、その酸化鉄濃度に応じた特性（層間密着力と摺動性能）を各部位毎に付与することができる。

前記シリンダブロック１では、シリンダボア２の燃焼室付近に形成される第１溶射被膜３Ａに含まれる酸化鉄濃度に対して、ピストンが摺動する摺動部に形成される第２溶射被膜３Ｂに含まれる酸化鉄濃度を高くしたので、酸化鉄の持つ自己潤滑性能によりピストンに対する摺動性能を高めることができる。

したがって、この実施形態のシリンダブロック１では、シリンダボア２の燃焼室付近では耐ノック性を確保することができ、摺動部ではピストンに対する耐摩耗性を高めることができる。このように、本実施形態のシリンダブロック１によれば、シリンダボア２の各部位でそれぞれ要求される性能を満足させることができる。

次に、前記したシリンダブロック１のシリンダボア２の内壁２ａに溶射被膜３を形成する溶射被膜形成方法について説明する。

図３はシリンダボアの燃焼室付近に溶射皮膜を形成する工程を示す工程図、図４はシリンダボアの摺動部に溶射皮膜を形成する工程を示す工程図である。

シリンダブロック１には、従来から使用され来た鉄製のものではなく軽量化を目的としてアルミニウム合金を鋳造したものが使用される。このシリンダブロック１には、ピストンを収容配置させる円筒孔であるシリンダボア２が形成されている。

シリンダボア２の内壁２ａに溶射皮膜を形成するには、先ず、鋳造されたシリンダブロック１の表面等に生じたバリなどを除去する外周加工を行った後、シリンダボア２の内壁２ａを微細に荒らすボア面下地加工工程を行う。ボア面下地加工工程では、シリンダボア２の内壁２ａに微細な凹凸を形成して後述する溶射皮膜の該内壁２ａに対する密着力をアップさせるための下地加工を行う。

次に、シリンダボア２の内壁２ａを上下の部位で区切り、その区切った部位に溶融した金属の溶滴を吹き付けて溶射する。シリンダボア２の内壁２ａは、前記したように燃焼室付近と摺動部の２つの部位に区切る。その区切った燃焼室付近の部位と摺動部の部位に形成する溶射被膜３に含まれる酸化鉄濃度を異ならせる。ここでは、溶滴を噴射するノズル４の送りストロークを燃焼室付近の部位を溶射する時と摺動部の部位を溶射する時で変化させることにより、各部位の溶射被膜３に含まれる酸化鉄濃度を異ならせる。

先ず、シリンダボア２の燃焼室付近を溶射する。具体的には、図３（Ａ）に示すように、シリンダボア２の内部に溶射ガン装置のノズル４を挿入し、このノズル４を矢印で示すように軸周り方向に回転させながらシリンダボア２の入口から内部奥へと下降させつつノズル先端から溶融した金属の溶滴を吹き付ける。溶射する金属としては、例えば鉄系材料を用いる。

図３（Ａ）は、シリンダボア２の入口から内部奥へとノズル４を下降させつつ回転させながら燃焼室付近の内壁２ａに溶融した金属の溶滴を吹き付ける。ノズル４が燃焼室付近の下端位置に到達したら今度は、図３（Ｂ）に示すように、シリンダボア２の入口へとノズル４を上昇させつつ軸周り方向に回転させながら燃焼室付近の内壁２ａに溶融した金属の溶滴を吹き付ける。

本実施形態では、前記第１溶射被膜形成範囲長さＬ１を４０ｍｍとした場合、ノズル４を下降及び上昇させる送りストローク長さを２０ｍｍ〜２５ｍｍとして、該ノズル４を４往復半させることにより、第１溶射被膜形成範囲全体に第１溶射被膜３Ａを形成する。その結果、シリンダボア２の燃焼室近傍には、均一な皮膜とされた第１溶射皮膜３Ａが形成される。

次に、シリンダボア２の摺動部を溶射する。具体的には、第１溶射被膜３Ａの下端位置よりシリンダボア２の内壁下端まで溶融した金属の溶滴を吹き付けて第２溶射被膜３Ｂを形成する。図４（Ａ）は、第１溶射被膜３Ａの下端位置よりシリンダボア２の内壁下端位置へと向かってノズル４を下降させつつ回転させながら摺動部となる内壁２ａに溶融した金属の溶滴を吹き付ける。ノズル４がシリンダボア２の内壁下端位置に到達したら今度は、図４（Ｂ）に示すように、第１溶射被膜３Ａの下端位置へとノズル４を上昇させつつ軸周り方向に回転させながら摺動部の内壁２ａに溶融した金属の溶滴を吹き付ける。

本実施形態では、燃焼室付近を溶射した時（第１溶射被膜形成時）のノズル４の送りストローク長さよりも長いストロークにてノズル４を上下動させる。例えば、第２溶射被膜形成時のストローク長さは、第１溶射被膜形成時のストローク長さの約６倍程度である１２０ｍｍ程度とする。本実施形態では、ノズル４のストローク長さを１２０ｍｍとして、該ノズル４を４往復半させることにより、第２溶射被膜形成範囲全体に第２溶射被膜３Ｂを形成する。その結果、シリンダボア２の摺動部には、均一な被膜とされた第２溶射被膜３Ｂが形成される。

以上のようにしてシリンダボア２の内壁２ａを上下の部位で区切り、その区切った部位に溶融した金属の溶滴を吹き付けて溶射し、各部位に形成された溶射被膜（第１溶射被膜３Ａと第２溶射被膜３Ｂ）に含まれる酸化鉄濃度を異ならせているので、各部位に最適な酸化鉄濃度を付与することができる。具体的には、層間密着力が求められるシリンダボア２の燃焼室付近には、第１溶射被膜３Ａに含まれる酸化鉄濃度を少なくでき、摺動性能が求められるシリンダボア２の摺動部には、第２溶射被膜３Ｂに含まれる酸化鉄濃度を多くできる。

前記ノズル４のシリンダボア２内での送りストロークを第１溶射被膜形成時と第２溶射被膜形成時で変化させる（異ならせる）と、溶滴が内壁２ａに付着されてから次の溶滴で最初の溶滴が覆われるまでの時間が異なり、溶滴の酸化時間に相違が生じることによって、前記ノズル４の送りストロークが長くなる程、金属溶滴が酸化され易くなる。そのため、ストローク長を短くして溶射した第１溶射被膜３Ａに含まれる酸化鉄濃度は低く、それよりもストローク長さを長くして溶射した第２溶射被膜３Ｂに含まれる酸化鉄濃度は高くなる。したがって、シリンダボア２の燃焼室付近では層間密着力が高まり、また、シリンダボア２の摺動部では酸化鉄の持つ自己潤滑性による摺動性能が高まる。また、ノズル４のストローク長さを変化させるだけで、溶射被膜３に必要とされる性能をシリンダボア２の各部位毎に簡単に付与することができるため、高価な設備投資や設備改造等が不要となる。

「実施形態２」
実施形態２では、実施形態１におけるようにノズル４の送りストロークをシリンダボア２の内壁２ａに溶射被膜３を形成する各部位で変化させることにより、酸化鉄濃度を各部位で異ならせるのではなく、溶滴をノズル４より噴射させる際に吹き付けるガスの成分を変えて酸化鉄濃度を各部位で異ならせる。

例えば、シリンダボア２の燃焼室付近に第１溶射被膜３Ａを形成する際に、アシストガスとして窒素ガスを使用し、溶融した金属の溶滴を噴射する際に窒息ガス吹き付けるようにする。この一方、シリンダボア２の摺動部に第２溶射被膜３Ｂを形成する際には、アシストガスとしてエアーを使用し、溶融した金属の溶滴を噴射する際にエアーを吹き付けるようにする。

窒素ガスをアシストガスとして使用した場合は、溶融した金属が酸化され難くなり、形成される第１溶射被膜３Ａに含まれる酸化鉄濃度は少なくなる。これに対して、エアーをアシストガスとして使用した場合は、溶融した金属が酸化され易くなり、形成される第２溶射被膜３Ｂに含まれる酸化鉄濃度は多くなる。

この実施形態２の方法は、実施形態１のノズル４の送りストロークを各部位で変化させるのとは別に実施してもよく、或いは、この実施形態１に加えてノズル４の送りストロークを各部位で変化させることに加えてアシストガスの成分を変えるようにしてよい。

このように実施形態２によれば、溶滴をノズル４より噴射させる際に吹き付けるガスの成分を変えることで、シリンダボア２の各部位毎に溶射被膜中の酸化鉄濃度を変更することができる。

また、実施形態２によれば、シリンダボア２の燃焼室付近の部位を溶射する時には窒素ガスを吹き付け、ピストンが摺動する摺動部の部位を溶射する時にはエアーを吹き付けるようにしているので、燃焼室付近に形成される第１溶射皮膜３Ａに含まれる酸化鉄濃度は少なくなり、摺動部に形成される第２溶射皮膜３Ｂに含まれる酸化鉄濃度は多くなる。その結果、シリンダボア２の燃焼室付近では、第１溶射皮膜３Ａの内壁２ａに対する層間密着力が向上し、エンジン燃焼時の耐ノック性を向上させることができる。また、シリンダボア２の摺動部では、酸化鉄の持つ自己潤滑性によるピストンに対する第２溶射皮膜３Ｂの摺動性能が向上する。

「実施形態３」
図５は実施形態３で形成した溶射被膜の要部拡大断面図である。実施形態３では、シリンダボア２の内壁２ａを上下の部位で区切り、その区切った部位に形成された第１溶射被膜３Ａと第２溶射被膜３Ｂの一部を重ねるようにオーバーラップさせて溶射する。

具体的には、図５の矢印で示すように、第１溶射被膜３Ａを形成する時に溶融した金属の溶滴を噴射して折り返す下端位置を少しだけずらすようにする。例えば、最初に溶滴を内壁２ａに噴射した時の折り返し位置に対して、この上に重ねて溶射する次の溶滴噴射時の折返し位置をシリンダボア２の入口側へずらし、更にこの上に重ねて溶射する次の溶滴噴射時の折返し位置を今度はシリンダボア２の奥側へずらすようにする。

次に、第２溶射被膜３Ｂを形成する時に、図５の矢印で示したように、その折返し位置を一定位置でなく先のシリンダボア２の入口側へずらした部位にも溶滴を噴射する。こうすることで、第１溶射皮膜３Ａの一部に第２溶射皮膜３Ｂが入り込んで、お互いの溶射皮膜がオーバーラップした形状になる。

このように、第１溶射皮膜３Ａと第２溶射皮膜３Ｂのつなぎ部分では、互いの皮膜部分が食い込むため、シリンダボア２の内壁２ａに対する層間密着性がより一層高まる。

本発明は、シリンダブロックのシリンダボアに溶射被膜を形成する技術に利用することができる。

１…シリンダブロック
２…シリンダボア
２ａ…内壁
３…溶射皮膜
３Ａ…第１溶射皮膜
３Ｂ…第２溶射皮膜
４…ノズル

Claims (7)

1. シリンダボアの内壁に溶融した金属の溶滴を吹き付けて形成した溶射皮膜を有したシリンダブロックにおいて、
   前記溶射皮膜に含まれる酸化鉄濃度が、前記シリンダボアの内壁に形成される部位により異なる
   ことを特徴とするシリンダブロック。
2. 請求項１に記載のシリンダブロックであって、
   前記シリンダボアの燃焼室付近に形成される前記溶射皮膜に含まれる酸化鉄濃度に対して、ピストンが摺動する摺動部に形成される前記溶射皮膜に含まれる酸化鉄濃度を高くした
   ことを特徴とするシリンダブロック。
3. シリンダブロックに形成されたシリンダボアの内壁に、溶融した金属の溶滴を吹き付けて溶射皮膜を形成する溶射皮膜形成方法であって、
   前記シリンダボアの内壁を上下の部位で区切り、その区切った部位に溶融した金属の溶滴を吹き付けて溶射し、各部位に形成された溶射皮膜に含まれる酸化鉄濃度を異ならせる
   ことを特徴とする溶射皮膜形成方法。
4. 請求項３に記載の溶射皮膜形成方法であって、
   前記酸化鉄濃度を各部位で異ならせるために、前記溶滴を噴射するノズルの前記シリンダボア内での送りストロークを各部位で変化させる
   ことを特徴とする溶射皮膜形成方法。
5. 請求項３又は請求項４に記載の溶射皮膜形成方法であって、
   前記酸化鉄濃度を各部位で異ならせるために、前記溶滴をノズルより噴射させる際に吹き付けるガスの成分を変える
   ことを特徴とする溶射皮膜形成方法。
6. 請求項５に記載の溶射皮膜形成方法であって、
   前記シリンダボアの燃焼室付近の部位を溶射する時には窒素ガスを吹き付け、ピストンが摺動する摺動部の部位を溶射する時にはエアーを吹き付ける
   ことを特徴とする溶射皮膜形成方法。
7. 請求項３から請求項６のうち何れか１項に記載の溶射皮膜形成方法であって、
   区切った部位に形成された各溶射皮膜の一部を重ねるようにオーバーラップさせて溶射する
   ことを特徴とする溶射皮膜形成方法。

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