JP2014511432A - 固体潤滑剤粒子の分散体での溶射コーティング - Google Patents

Abstract

溶射コーティングが本明細書において記載されている。該コーティングは、厚さを有する少なくとも１つの基体材料を含む。厚さの少なくとも一部のうちは、固体潤滑剤粒子の分散体である。溶射コーティングは、他の構成部品を有する合わせ面を有する構成部品の少なくとも一部に適用されてよい。合わせ面は、すり減り、かつ薄くなった溶射コーティングを生じてよい。該コーティングが薄くなると、基体金属内で深く閉じ込められた固体潤滑剤の粒子は露出されるようになり、かつ構成部品に摩擦を減少する特性を付与する。

Description

関連出願の相互参照
本明細書は、２０１１年１月１８日に提出した米国仮特許出願番号第６１／４３３，７８１号に優先権を主張し、参照をもって全体に組み込まれたものとする。

本発明は、溶射コーティングであって、それらに分散された固体潤滑剤粒子を含む溶射コーティングに関する。

背景技術
火花点火機関及びディーゼル機関を含む（ただしこれらに限定されない）多くの機械システムは、合わせ面の間の往復運動、滑り運動又は回転運動を有する構成部品を含む。かかる構成部品は、限定的ではない例として、ピストンリング、ベアリング、ライナ、ピストン、連接かん及びカム軸を含んでよい。

これらのシステムの連続使用は、合わせ面上でのすり減り及び裂けを生じ、かつ機械システムの効率及び／又は全体の性能に影響を与える場合がある。結果として、かかるシステムの製造者は、供給者から、すり減り及び裂けを最小化するため、効率を改良するため、及び／又はより高い耐焼き付き性を有するための低い摩擦係数を有する構成部品を製造又は購入することを要求する。

溶射コーティングは、構成部品に適用されて、特に合わせ面の間の摩擦を減少することによって構成部品の寿命を増加させている。しかしながら、従来の溶射コーティングは、摩擦係数をさらに減少することによって改良することができる。潤滑剤フィルムを構成部品に適用することが試みられている。しかしながら、かかる潤滑剤フィルムの多くは、高性能適用で長持ちしない。これは、少なくとも部分的に、潤滑剤組成物と構成部品の表面との間の結合の性質及び強度によると思われる。これは、また、少なくとも部分的に、一度潤滑剤フィルムがすり減ると、潤滑剤が実質的にシステムから無くなるという事実によると思われる。すなわち、溶射コーティングにおける追加の潤滑剤がなく、合わせ面は接触し続け、かつ溶射コーティングは、すり減り続け、かつ薄くなる。

図面の簡単な説明
特許請求の範囲は、以下に記載される実施態様に限定されない一方で、種々の態様の評価は、それらの種々の例の考察によって得ることが最良である。図面に関して、以下に記載される実施態様を詳細に示す。図面は実施態様を示すが、図面は縮尺で描かれる必要はなく、かつある特徴は、一実施態様の革新的な態様をより良く例示及び説明するために誇張されてよい。さらに、本明細書において記載された実施態様は、図面において示され、かつ次の詳細な説明において開示された正確な形及び配置に網羅的、又はそうでなければ限定的もしくは制限的であることを意図しない。本発明の例示的な実施態様は、以下の図面に関連して詳細に記載される。

構成部品の表面の少なくとも一部の上での例示的な溶射コーティングを示す図。 部分的にすり減った、構成部品の表面の少なくとも一部の上での例示的な溶射コーティングを示す図。 固体潤滑剤粒子の分散体での溶射コーティングを適用するための例示的な方法を示す図。 固体潤滑剤粒子の分散体での溶射コーティングを適用するための他の例示的な方法を示す図。

詳細な説明
特許請求の範囲は、以下に記載される例に限定されない一方で、種々の態様の評価は、それらの種々の例の考察によって得ることが最良である。続く考察及び図面に関して、開示されたシステム及び方法への例証的なアプローチを詳細に示す。図面はいくつかの可能なアプローチを示すが、図面は縮尺で描かれる必要はなく、かつある特徴は、例の革新的な態様をより良く例示及び説明するために誇張、削除、又は部分的に区分されてよい。さらに、本明細書において示された説明は、図面において示され、かつ次の詳細な説明において開示された正確な形及び配置に対して特許請求の範囲を網羅、又はそうでなければ限定もしくは制限することを意図するものではない。

図１に関して、構成部品１２は、少なくとも一部が溶射コーティング１６を有する表面である。溶射コーティング１６は、少なくとも１つの基体材料１０の少なくとも一部の厚さの範囲内で固体潤滑剤粒子１４の分散体を含む。図１及び図２に関して、図２において示された結果のように、図１における当初適用した溶射コーティング１６がすり減り、かつ使用によって薄くなる例を示す。図２において、種々の固体潤滑剤粒子１４は、図１において露出された粒子よりも露出される。図１において露出された固体潤滑剤粒子１４のいくつかはすり減り、かつ図２において存在しない。基体材料１０の厚みにより深く閉じ込められた固体潤滑剤粒子１４は、溶射コーティング１６上でのすり減り及び裂けの後に露出されるようになり、それによって、溶射コーティング１６がすり減るため、機械システムにおける合わせ面での使用のための溶射コーティング１６中の潤滑剤の収納場所を提供する。従って、本明細書において開示された溶射コーティング１６は、溶射コーティング１６の寿命の間に摩擦を減少し、耐擦り傷性を増加し、かつ構成部品１２の摩耗寿命を延ばす、１つ以上の利益を提供することができる。

構成部品１２は、機械システム、例えば火花点火機関及びディーゼル機関において使用される構成部品を含む（ただしこれらに限定されない）、機械システムにおける任意の数の構成部品であってよい。例示的な構成部品は、ピストンリング、弁、ベアリング、ライナ、ピストン、連接かん及びカム軸を含む（ただしこれらに限定されない）。

多くの材料が、溶射コーティング１６のための基体材料１０として適している。例えば、基体材料１０は、モリブデンを基礎とした材料、ニッケルを基礎とした材料、クロムを基礎とした材料、タングステンを基礎とした材料、鉄を基礎とした材料、コバルトを基礎とした材料、及び／又は銅を基礎とした材料を含んでよい。基体材料１０は、１つ以上の金属の炭化物、酸化物又は窒化物を含んでもよい。基体材料１０は、合金、例えば、限定的ではない例として、ＣｒＣ／ＮｉＣｒ、ＷＣ／Ｃｏ（Ｃｒ）、Ｍｏ／Ｎｉ合金、及びＣｒＮ／Ｎｉを含んでよい。他のセラミック及び金属含有材料も、基体材料１０として適していてよい。

基体材料１０は、一般に均一な厚さを有してよい。種々の厚さは、溶射コーティング１６で被覆されるべき特定の構成部品１２に依存して、種々の適用により適していてよい。例えば、構成部品１２がピストンリングである場合に、基体材料１０（及び溶射コーティング１６）の厚さは、１２５ミクロンまでであってよく、かつ所望される場合にさらにより厚くてよい。他の例において、構成部品１２がピストンリングである場合に、その厚さは、２５〜７５ミクロン以下であってよい。溶射コーティング１６の厚さは、もちろん、溶射コーティング１６が、機械システムにおいて他の構成部品の表面で接続する場合に、構成部品１２の使用によって減少されるようになる。

多くの固体潤滑剤粒子１４も、溶射コーティング１６を形成するための基体材料１０の少なくとも一部の厚さにおいて分散体に適していてよい。例えば、固体潤滑剤粒子１４は、１つ以上の二硫化タングステン、グラファイト、二硫化モリブデン、ポリテトラフルオロエチレン、タルク、窒化ホウ素、フッ化カルシウム、フッ化バリウム及びフッ化セリウムを含んでよい。固体潤滑剤粒子１４は、それらに分散される固体潤滑剤粒子１４を使用せずに被覆した構成部品１２に関して、被覆された構成部品１２の摩擦係数を低くするために十分である静摩擦係数及び動摩擦係数を有してよい。例として、二硫化タングステン粉末は、約０．０３の動摩擦係数、及び約０．０７の静摩擦係数を有する。

固体潤滑剤は粉末形であってよい。固体潤滑剤粒子１４は、多くの形状であってよく、不規則な形状及び実質的に球状を含んでよい（ただしこれらに限定されない）。粉末についての種々の平均粒径は、構成部品１２のための適用に依存して使用されてよい。例えば、大きい平均粒径は、例えば構成部品１２が粗く切断された表面である場合に十分に適していてよく、かつ小さい平均粒径は、構成部品１２が高級仕上げされている場合に十分に適していてよい。平均粒径は、基体材料１０における適切な分散体に適しているべきであり、かつ早期の酸化をもたらすほど小さくあるべきでない。平均粒径は、固体潤滑剤粒子１４の化学組成に依存してよい。粉末の二硫化タングステンの例において、平均粒径は、直径約０．５〜約５０ミクロンを有する粒子を含んでよく、二硫化タングステン粒子は、数ある直径の中で、平均直径約１ミクロン、約５ミクロン、約１０ミクロン、又は約２５ミクロンを有する。かかる粒径は、ＡＳＴＭ Ｂ ３３０（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｆｉｓｈｅｒ Ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ Ｍｅｔａｌ Ｐｏｗｄｅｒｓ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ）において記載された、Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｕｂ−Ｓｉｅｖｅ Ｓｉｚｅｒ （ＦＳＳＳ）を使用して測定することができる。

全体の溶射コーティング１６の質量に対する固体潤滑剤粒子１４の多くの質量百分率は、構成部品１２の適用、及び低い摩擦特性と構造強度と表面での結合性との関連した釣合に依存して、適当であってよい。ピストンリングの例において、溶射コーティング１６における固体潤滑剤粒子１４の質量百分率は、約５０質量％未満、約４０質量％未満、約２０質量％未満、約１０質量％未満、又は約５質量％未満であってよい。

任意の材料が、基体材料１０及び固体潤滑剤粒子１４に加えて溶射コーティング１６に含まれてよい。任意の材料は、限定的ではない例として、固体潤滑剤粒子１４のための有機バインダー材料、界面活性剤、及び他の材料を含んでよい。

図３及び図４に関して、基体材料１０及び固体潤滑剤粒子１４の分散体で構成部品１２へ溶射コーティング１６を適用する例示的方法を記載している。図３において、溶射ガン２０は、溶射コーティングを分散する少なくとも１つのノズルを有する。図３の例において、２つの追加の空気加圧ノズル２２Ａ及び２２Ｂは、直接又は間接的に（例えばスプレーガンマニピュレーターによって）、溶射ガン２０に装備される。ノズル２２Ａ及び２２Ｂは、ノズル及びそれらの出力が、溶射ガンのプルームと緩衝しないように配置される。固体潤滑剤粒子１４は、ライン２４Ａ及び２４Ｂを介して供給され、ノズル２２Ａ及び２２Ｂを介して、ライン２６Ａ及び２６Ｂによって提供された空気を加圧することによって、押し出される。固体潤滑剤粒子１４のためのより少ない又はより多くのノズルが、本明細書において開示されたシステムで使用されてよいことが検討される。

溶射ガン２０が構成部品１２のコーティングを開始する準備ができたら、ガン２０は、点火され、かつ粉末（１つ以上の基体材料の）は、コーティング１６として少なくとも一部の構成部品１２の表面に適用されるべき溶射ガンプルーム中に注入される。ガンマニピュレーターが構成部品１２を横切って移動し始めるために、空気加圧ノズル２２Ａ及び２２Ｂは、乾燥潤滑剤粉末のフローを開始するために作動される。溶射ガン２０がいくらか構成部品１２を横切って通過する間に、固体潤滑剤粒子１４が適用され、そして溶射コーティング１６の基体材料１０の少なくとも一部の厚さにわたって閉じ込められ、分散されるようになる。固体潤滑剤粒子１４の適用は、実質的に、同時に、コーティング１６のための１つ以上の基体材料１０を製造する粒子の適用で実施されてよい。適用された溶射コーティング１６の例において、分散体は、基体材料１０の少なくとも一部の厚さにわたった二硫化タングステン粒子の微分散体である。

図４に関して、他の例示的な適用方法が示されている。この例において、軸を中心として構成部品１２を回転させる。溶射ガン３０は、少なくとも１つのノズルを介して、溶射コーティング１６のための１つ以上の基体材料１０を適用する。この例において、別々に制御された溶射ガン３０Ａ（あるいは別々のガンマニピュレーターを介して）は、ライン３４を介して供給され、かつライン３６を介して供給された空気によって加圧された固体潤滑剤粒子１４を少なくとも１つのノズルを介して適用する。固体潤滑剤粒子１４の構成部品１２への適用は、実質的に、同時に、コーティング１６のための基体材料１０を製造する粒子の構成部品１２への適用で実施されてよい。粒子１４は、分散され、コーティング１６の基体材料１０の少なくとも一部の厚さで閉じ込められるようになる。適用された溶射コーティング１６の例において、分散体は、基体材料１０の少なくとも一部の厚さにわたった二硫化タングステン粒子の微分散体である。

理論によって縛られることなく、閉じ込められた固体潤滑剤粒子１４は、従来の適用された固体潤滑剤フィルムの層よりも、構成部品１２についてより良好な潤滑及び構成部品寿命の結果を達成でき、それというのも固体潤滑剤粒子１４は、別々の薄膜層として存在するよりむしろ、溶射コーティング１６の基体材料１０のいくらか又は全ての厚さにわたって分散されるからである。例えば、従来の二硫化タングステンフィルム層は、約０．５ミクロンの厚さを有してよい。かかる薄層において、層を形成する化合物が比較的弱い分子結合によって基材に結合されてよい場合に、潤滑剤の薄層は、比較的早くすり減り、かつ潤滑剤は、溶射コーティング１６がすり減り及び裂けによって薄くなるために、残っている溶射コーティング１６から完全に除去されるようになりうる。対照的に、本明細書において開示されている溶射コーティング１６において、固体潤滑剤粒子１４の閉じ込めは、基体材料１０によって固体潤滑剤粒子１４の物理的強化を提供し、他の状態で比較的弱い分子結合を支持しうる。さらに、基体材料１０の少なくとも一部の厚さにわたった固体潤滑剤１４の物理的閉じ込めは、溶射コーティング１６が構成部品１２の使用によってすり減り、かつ薄くなるために、溶射コーティング１６において減少した摩擦の寿命を提供しうる。すなわち、本発明のアプローチは、基体材料の少なくとも一部の厚さで固体潤滑剤粒子１４を閉じ込め又は捕捉する溶射コーティング１６内で固体潤滑剤粒子１４を適用し、コーティング１６が薄くなり、そしてコーティング１６に深く閉じ込められた新たな固体潤滑剤粒子１４が、被覆された構成部品１２の表面で露出されて、構成部品１２について合わせ面の間の低い摩擦係数を維持することを補助することを含む。

本明細書における"１つの例（ｏｎｅ ｅｘａｍｐｌｅ）"、"例（ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ）"、"一実施態様（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）"又は"実施態様（ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）"に関しては、例に関連して記載された特定の特徴、構造、又は特性が、少なくとも１つの例において含まれることを意味する。本明細書における種々の場所における"１つの例において"の語句は、必ずしも、それが現れる度に、同一の例にあてはまらない。

本明細書において記載されているプロセス、システム、方法、発見等に関して、かかるプロセス等の工程が、ある規則正しい順に従って生じると記載されているが、かかるプロセスは、本明細書において記載されている順以外の順で実施される、記載された工程で実行できることを理解すべきである。さらに、ある工程は同時に実施でき、他の工程を付加することができ、又は本明細書に記載されているある工程を省略できることを理解すべきである。言い換えれば、本明細書におけるプロセスの記載は、ある実施態様を例示する目的のために提供され、決して本発明の特許請求の範囲を限定すると解釈すべきでない。

従って、前記記載は、例示的であり、かつ限定しないことを意図すると解されるべきである。提供された例以外の多くの実施態様及び適用は、前記記載の解釈について当業者に明らかである。本発明の範囲は、前記記載に関連せずに決定されるべきであるが、しかし、代わりに、追加の特許請求の範囲、さらにかかる特許請求の範囲に与えられた同等の完全な範囲に関連して決定されるべきである。将来の開発が本明細書において考察された技術で生じ、かつ開示されたシステム及び方法がかかる将来の実施態様に組み込まれることが、予期及び意図される。要するに、本発明は、修正及び変更することが可能であり、かつ以下の特許請求の範囲によってのみ限定されることを理解すべきである。

特許請求の範囲において使用される全ての用語は、本明細書における反対の明確な指示がない限り、当業者に理解される、それらの最も広い妥当な構成及びそれらの通常の意味を与えることを意図する。特に、単数形のもの、例えば"ａ"、"ｔｈｅ"、"ｓａｉｄ"等の使用は、特許請求の範囲が反対に明確な限定を列挙しない限り、１つ以上の示された要素を列挙することを理解すべきである。

Claims (20)

1. 溶射コーティングであって、該溶射コーティングが薄くなり、閉じ込められた固体潤滑剤粒子が露出されるようになるように、基体材料の厚さの範囲内で閉じ込められた固体潤滑剤粒子を有する少なくとも１つの基体材料を含む、溶射コーティング。
2. 前記基体材料が、少なくとも１つのセラミック及び金属である、請求項１に記載の溶射コーティング。
3. 前記基体材料が、モリブデンを基礎とした材料、ニッケルを基礎とした材料、クロムを基礎とした材料、タングステンを基礎とした材料、鉄を基礎とした材料、コバルトを基礎とした材料、及び銅を基礎とした材料からなる群から選択される、請求項１に記載の溶射コーティング。
4. 前記基体材料が、炭化物材料、酸化物材料及び窒化物材料からなる群から選択される、請求項１に記載の溶射コーティング。
5. 前記固体潤滑剤粒子が、二硫化タングステン、グラファイト、二硫化モリブデン、ポリテトラフルオロエチレン、タルク、窒化ホウ素、フッ化カルシウム、フッ化バリウム及びフッ化セリウムの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の溶射コーティング。
6. 前記固体潤滑剤粒子が、前記基体材料の少なくとも一部の厚さで分散体を形成するために十分な平均粒径を有する、請求項１に記載の溶射コーティング。
7. 前記固体潤滑剤粒子が、直径で約５０ミクロン未満の平均粒径を有する、請求項１に記載の溶射コーティング。
8. 前記固体潤滑剤粒子が、被覆された構成部品上で摩擦を減少する特性を付与するために十分な量で溶射コーティングに存在する、請求項１に記載の溶射コーティング。
9. 前記固体潤滑剤粒子が、溶射コーティングの約５０質量％未満の量で溶射コーティングに存在する、請求項１に記載の溶射コーティング。
10. 構成部品に摩擦を減少する特性を付与するための方法であって、少なくとも１つの基体材料を構成部品上に溶射し、そして基体材料の少なくとも一部の厚さで少なくとも１つの固体潤滑剤の粒子の分散体を生成し、それによって基体材料に閉じ込められた固体潤滑剤粒子を有するコーティングを製造することを含む、前記方法。
11. 分散体の生成が、少なくとも１つのノズルを介して固体潤滑剤粒子を噴霧することを含む一方で、基体材料が、少なくとも１つの異なるノズルを介して噴霧される、請求項１０に記載の方法。
12. さらに、少なくとも１つの基体材料の溶射を制御し、共用のスプレーガンマニピュレーターを使用することによって分散体を生成することを含む、請求項１０に記載の方法。
13. さらに、少なくとも１つの基体材料の溶射を制御し、個々に制御されたスプレーガンマニピュレーターを使用することによって分散体を生成することを含む、請求項１０に記載の方法。
14. 請求項１０に記載の方法によって少なくとも部分的に被覆された構成部品。
15. 被覆された構成部品であって、構成部品が、少なくとも一部で構成部品の上に溶射コーティングを有する表面を有し、該コーティングが、コーティング中で固体潤滑剤粒子の分散体を含む厚さを有する基体材料を含む、被覆された構成部品。
16. 前記構成部品が、ディーセル機関又は火花点火機関の構成部品である、請求項１５に記載の構成部品。
17. 前記構成部品が、ピストンリング、ベアリング、ライナ、ピストン、連接かん及びカム軸からなる群から選択される、請求項１６に記載の構成部品。
18. 前記基体材料が、モリブデンを基礎とした材料、ニッケルを基礎とした材料、クロムを基礎とした材料、タングステンを基礎とした材料、鉄を基礎とした材料、コバルトを基礎とした材料、及び銅を基礎とした材料からなる群から選択される、請求項１５に記載の構成部品。
19. 前記基体材料が、炭化物材料、酸化物材料及び窒化物材料からなる群から選択される、請求項１５に記載の構成部品。
20. 前記固体潤滑剤粒子が、二硫化タングステン、グラファイト、二硫化モリブデン、ポリテトラフルオロエチレン、タルク、窒化ホウ素、フッ化カルシウム、フッ化バリウム及びフッ化セリウムの少なくとも１つを含む、請求項１５に記載の構成部品。

Images