JP2012522896A - 調整可能な特性を有する摺動素子 - Google Patents

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Abstract

本発明は摺動素子、特に内燃機関のためのピストンリングに関するものであり、摺動素子は基材と、耐磨耗層と、慣らし層とを備える。耐磨耗層は、２〜５０Ｗｔ％の鉄（ＦＥ）と、５〜６０Ｗｔ％のタングステン（Ｗ）と、５〜４０Ｗｔ％のクロム（Ｃｒ）と、５〜２５％のニッケル（Ｎｉ）と、１〜５Ｗｔ％のモリブデン（Ｍｏ）と、１〜１０Ｗｔ％の炭素（Ｃ）と、0.1〜２Ｗｔ％のシリコン（Ｓｉ）の元素比率を有する粉末を溶射することによって得られるものとし、また慣らし運転層は、粉末を溶射することによって形成可能とし、粉末の元素比率は６０〜９５Ｗｔ％のニッケルと、５〜４０Ｗｔ％の炭素の元素比率を有する粉末を溶射することによって得られるものとする。

Description

本発明は、摺動素子、特に磨耗挙動に関して調整可能な特性を有するピストンリング、及びピストンリングの製造方法に関する。
今日、ピストンリング及びシリンダバレルにおける磨耗挙動に関する顧客の仕様要件は様々に異なる。一方で、磨耗を最小限にすることが要望されるとともに、他方ではエンジン製造業者には磨耗率をより大きくし、これにより「ピストンリング／シリンダライナ」系のために最適な慣らし運転性能を得る必要がある。このことは、２ストロークエンジン（リング径＞４３０ｍｍ）分野においてますます高まっている共通の課題である。
溶射によって塗布される鉄ベースのコーティングは、未だピストンリングに使用されていない。現在のところ、シリンダバレルに対する鉄ベースのコーティングのみが、クランク駆動分野で知られているだけで、この場合コーティングは、放電アークワイヤ溶射（特許文献１：欧州特許１,０５５,３５１号）によって行っている。溶射プロセスによる耐磨耗層の形成は既知の方法である。このために今日使用されている粉末材料は、Ｍｏ、ＷＣ、ＮｉＣｒ及びＣｒ３Ｃ２である。
欧州特許１,０５５,３５１号明細書
本発明が対処しようとする課題は以下のとおりである。すなわち、一つには、コーティング材料としてこれまで使用されてこなかった材料系を使用することにより、従来慣用されてきたＭｏベースによるピストンリングのコーティングに比べ、溶射したピストンリングの磨耗特性を向上させることである。さらに、磨耗性向及び内在応力に関してカスタマイズして顧客の仕様要件に合致するよう、溶射によってコーティングを施したピストンリングを製造することである。さらに、慣らし運転性能を最適化する。基本的な原材料は、好適には、下層サブストレート（基材）に類似する物理的特性（熱膨張係数及び熱伝導性）及び十分な機械的特性（硬度、延性）を有するものとすべきである。
本発明による第１態様によれば、摺動素子、特には内燃機関用のピストンリングを提供し、このピストンリングは、
・基材と、
・耐摩耗層であって、
２〜５０Ｗｔ％の鉄（ＦＥ）、
５〜６０Ｗｔ％のタングステン（Ｗ）、
５〜４０Ｗｔ％のクロム（Ｃｒ）、
５〜２５Ｗｔ％のニッケル（Ｎｉ）、
１〜５Ｗｔ％のモリブデン（Ｍｏ）、
１〜１０Ｗｔ％の炭素（Ｃ）、
0.1〜２Ｗｔ％のシリコン
の元素含有率を有する粉末を溶射することによって得られる、該耐磨耗層と、並びに
・慣らし運転層であって、
６０〜９５Ｗｔ％のニッケル、
５〜４０Ｗｔ％の炭素
の元素含有率を有する粉末を溶射することによって得られる、該慣らし運転層と
で構成する。
上述した課題を解決するには、層体系はコーティングすべき基材に類似する物理的特性を有する基本体系であって、十分な強度と共に、耐摩耗率を兼備するよう製造しなければならない。この場合、リング及びライナーの異なる耐摩耗率は潤滑状態に影響する。同様に、残留応力の性質及び強さは、耐摩耗率を規定量追加することにより、調整することができるようになる。原則的に、溶射により形成した層における残留引張応力は望ましくなく、これは亀裂がある場合に亀裂伝播を減少させることができず、又は助長させる場合すらあるからである。この問題は、本発明によるＦｅをベースとした体系であって、カーバイドにより補強し、しかもエンジン製造業者のニーズに適合する慣らし運転層を組み合わせた体系により解決することができる。
物理的特性（熱伝導性、熱膨張係数）との関連において、基材（サブストレート）とコーティングとの間におけるほぼ均質な体系は、２５Ｗｔ％という最小比率の鉄ベースの系により形成することができる。これにより、混合摩擦時に発生する熱エネルギー、特に上死点又は下死点での中心領域に発生する熱エネルギーをより効率的に消散させ、またその温度変動により保証される均一な温度緩和プロセスがエンジン内に実現することができる。ピストンリングのベースとなるコーティング材料として、鉄ベースの合金を、溶射により形成したカーバイド系及び慣らし運転層（漸変させる、又は漸変させない）とともに使用することによって、新しいタイプのピストンリングを製造することができる。この場合、コーティングすべきピストンリングは鋳鉄製又は鋼鉄製のリングとすることができる。
好適な一実施形態では、本発明による材料系は以下の元素で構成する。すなわち、鉄（Ｆｅ）、タングステン（Ｗ、例えばＷＣ）、クロム（Ｃｒ、例えばＣｒ及びＣｒ３Ｃ２として）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、シリコン（Ｓｉ）及び炭素（Ｃ、例えばカーバイドとして部分的にＦｅ、Ｗ及びＣｒに結合したもの、又は電気化学的にニッケル内に閉じ込められた純形態のもの）で構成する。
好適な一実施形態では、カーバイド含有率は１０〜７５Ｗｔ％とし、カーバイドは０〜６０Ｗｔ％のタングステンカーバイド（ＷＣ）、及び０〜６０Ｗｔ％のクロムカーバイドで構成されるものとする。
カーバイドを含有しない鉄ベースの合金は推奨しない。これは、（以下に記載する測定結果のとおり）耐磨耗性が今日要求されるニーズを満たさないからである。また、カーバイド含有率を７５Ｗｔ％以上に増大させてピストンリングのコーティングとして使用することも推奨しない。カーバイド含有率を高め過ぎると、層はセラミック特性（弾性率）が過大になり、エンジン内の熱変動応力に耐えられなくなる。
好適な一実施形態では、摺動素子は耐磨耗層と慣らし運転層との間に遷移層を備え、遷移層の化学的組成は、前記耐磨耗層及び前記慣らし運転層に対する２０：８０〜８０：２０の漸変（グラデーション）比を示す構成とする。
漸変比における化学的組成は、単独層タイプの層比（耐磨耗層：慣らし運転層）に関して、２０：８０〜８０：２０で調製できる。
実施例１
１．層：耐磨耗層
２．層：耐磨耗層側においては、遷移層の化学的組成は耐磨耗層と同様８０％、また慣らし運転層と同様２０％であり、慣らし運転層側に向かってほぼ線形的に遷移し、化学的組成は耐磨耗層と同様２０％、また慣らし運転層と同様８０％の化学的組成に遷移する。
３．層：慣らし運転層
実施例２
１．層：耐磨耗層
２．層：化学的組成は耐磨耗層と同様２０％、慣らし運転層と同様８０％であり、線形的遷移は耐磨耗層と同様最大８０％、また慣らし運転層と同様２０％まで遷移する。
３．層：慣らし層
好適な一実施形態では、耐磨耗層における層厚は、１００〜８００μｍ、好適には２００〜６００μｍ、更に好適には３００〜５００μｍの範囲内とする。
好適な一実施形態では、慣らし運転層における層厚は、１００〜５００μｍ、好適には２００〜４００μｍ、更に好適には１５０〜３００μｍの範囲内とする。
好適な一実施形態において、耐磨耗層及び慣らし運転層が漸変的に存在する遷移層の層厚は、０〜６００μｍ、好適には０〜２５０μｍ範囲内とする。
好適な一実施形態では、基材はリングであり、このリングにおける直径は２２０ｍｍ以上、好適には４３０ｍｍ以上であり、また最大で９８０ｍｍの構成とする。
好適な一実施形態では、粉末の粒径は、１〜１００μｍとする。
好適な一実施形態では、カーバイドは、ニッケル−クロムの母材に埋設され、かつ０．５〜５μｍの粒径を有する構成とする。
本発明における好適な一実施形態による、溶射によって形成した耐磨耗層／慣らし運転層の微細構造を示す説明図である。
実施試験
粉末を溶射し、種々の実施形態における化学的組成（表１参照）、カーバイド含有率（表２参照）、微細構造（図１参照）、多孔率及び硬度（表３参照）に関して、異なる変量で試験した。試験１及び２は、層タイプ１を試験１において形成し、また層タイプ２を試験２で形成した点で異なる。試験１．１〜１．４及び２．１〜２．４に関しては、カーバイドを異なる含有率で設定した。それぞれの試験における頂部層はカーバイドを含有せず、これは頂部層を制御可能な慣らし運転層として使用するからである。
Figure 2012522896
Figure 2012522896
 微細構造の写真（図１参照）は、耐磨耗層のために均等に分布させたカーバイド、未溶融の粒子がないこと、及び２％未満（＜２％）の極めて低い多孔率を有する緻密層を示す。グラファイトの堆積が頂部層に視認される。耐磨耗層の層厚は３３０μｍであり、及び慣らし運転層の層厚は１８０μｍである。
Figure 2012522896
表３に記載のとおり、初期試験において、カーバイドがない鉄ベース材料に関して層タイプ１の耐磨耗層は、＜１〜２％の多孔率と共に約５２０ＨＶ１の硬度を有し、またカーバイド含有率が６０％の鉄ベース材料は最大で７１０ＨＶ１の硬度を有することが明らかになった。慣らし運転層の硬度は、グラファイトの含有率が高いため測定できない。
カーバイドを付加することにより、ピストンリング及びシリンダバレルの硬度を選択的に調整することが可能になる。更に、磨耗試験時における高負荷にも関わらず、微細構造の大部分が保持されており、このことは、慣らし運転過程が終了後には、本発明によるこのコーティングによって製造した「リング／ライナー潤滑」系に対して耐磨耗性を有するピストンリングであることを示すものである。

Claims (9)

  1. 摺動素子、特に内燃機関のためのピストンリングにおいて、
    ・基材と、
    ・耐磨耗層であって、 ２〜５０Ｗｔ％の鉄（ＦＥ）、
    ５〜６０Ｗｔ％のタングステン（Ｗ）、
    ５〜４０Ｗｔ％のクロム（Ｃｒ）、
    ５〜２５Ｗｔ％のニッケル（Ｎｉ）、
    １〜５Ｗｔ％のモリブデン（Ｍｏ）、
    １〜１０Ｗｔ％の炭素（Ｃ）、及び
    0.1〜２Ｗｔ％のシリコン（Ｓｉ）
    の元素含有率を有する粉末を溶射することによって得られる、該耐磨耗層と、並びに
    ・慣らし運転層であって、
    ６０〜９５Ｗｔ％のニッケル、
    ５〜４０Ｗｔ％の炭素
    の元素含有率を有する粉末を溶射することによって得られる、該慣らし運転層と
    で構成した摺動素子。
  2. 請求項１記載の摺動素子において、さらに、前記耐磨耗層と前記慣らし運転層との間に遷移層を備え、前記遷移層の化学的組成は、前記耐磨耗層及び前記慣らし運転層に対する２０：８０〜８０：２０の漸変比を示す構成とした摺動素子。
  3. 請求項１又は２記載の摺動素子において、カーバイド含有率が１０〜７５Ｗｔ％であり、該カーバイドは、０〜６０Ｗｔ％のタングステンカーバイド（ＷＣ）及び０〜５０Ｗｔ％のクロムカーバイドＣｒ３Ｃ２で構成されるものとした摺動素子。
  4. 請求項１〜３のいずれか一項記載の摺動素子において、前記耐磨耗層における層厚を、１００〜８００μｍ、好適には２００〜６００μｍ、更に好適には３００〜５００μｍの範囲内とした摺動素子。
  5. 請求項１〜４のいずれか一項記載の摺動素子において、前記慣らし運転層における層厚を１００〜５００μｍ、好適には２００〜４００μｍ、更に好適には１５０〜３００μｍの範囲内とした摺動素子。
  6. 請求項２〜５のいずれか一項記載の摺動素子において、耐磨耗層及び慣らし運転層が漸変的に存在する遷移層における層厚を、０〜６００μｍ、好適には０〜２５０μｍの範囲内とした摺動素子。
  7. 請求項１〜６のいずれか一項記載の摺動素子において、前記基材はリングであり、該リングの直径を２２０ｍｍ以上、好適には４３０ｍｍ以上であり、また最大で９８０ｍｍの構成とした摺動素子。
  8. 請求項１〜７のいずれか一項記載の摺動素子において、粉末の粒径を１〜１００μｍの範囲内とした摺動素子。
  9. 請求項１〜８のいずれか一項記載の摺動素子において、前記カーバイドは、ニッケル−クロムの母材に埋設され、かつ0.5〜５μｍの粒径を有する構成とした摺動素子。
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