JP2016117949A - 溶射用の溶射粉末、ピストンリング及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】固体潤滑剤を含有する溶射コーティングを有するピストンリングにおいて、鉄ベースの溶射層に起こり得る、焼き付きによって動かなくなる傾向を低減し、また恒久的な高熱負荷による材料疲労を回避する十分な強靭性を有する、層系（システム）を提供する【解決手段】基材を準備するステップと、固体潤滑剤を含有する粉末による溶射でコーティングを塗布するステップとを有し、粉末の元素含有率は、１５〜３０Ｗｔ％の鉄（Ｆｅ）、１５〜３５Ｗｔ％のタングステン（Ｗ）、２５〜３５Ｗｔ％のクロム（Ｃｒ）、１０〜３５Ｗｔ％のニッケル（Ｎｉ）、１〜５Ｗｔ％のモリブデン（Ｍｏ）、０．２〜３Ｗｔ％のアルミニウム（Ａｌ）、３〜２０Ｗｔ％の銅（Ｃｕ）、１〜１０Ｗｔ％の炭素（Ｃ）、０．１〜２Ｗｔ％の硫黄（Ｓ）、及び０．１〜２Ｗｔ％のシリコン（Ｓｉ）とする溶射粉末。【選択図】図１

Description

本発明は、特に固体潤滑剤を含有する溶射コーティングを有するピストンリング、及びその製造方法に関する。
磨耗保護層として溶射層を摺動要素用に使用することは、多くの産業分野において一般的なことである。エンジン用途では、溶射層は、好適には、特にピストンリングにおける第１溝及び第２溝に使用する。開発は、物理的特性及びコストに関するエンジン動作の要求を満たす鉄ベースの材料に対してますます集中してきている。
多くの場合、ピストンリングが整合する部品も鉄をベースにしている。このことは、動作停止につながる焼き付き跡の形成リスクを高める。なぜなら、特定の境界条件下（不十分な潤滑及び高温）においては、同種の金属に起因して凝着磨耗が生ずるおそれがあるからである。
従って、鉄ベースの溶射層に起こり得る、焼き付きによって動かなくなる傾向を低減し、また恒久的な高熱負荷による材料疲労を回避する十分な強靭性を有する、層系（システム）を開発する必要がある。
溶射により塗布した鉄ベースのコーティングは、ピストンリング用途には未だ適用されておらず、これまで知られているのは、クランク駆動部領域において、ワイヤアーク溶射法（ＬＤＳ）により形成した鉄ベースのコーティングをシリンダ壁に施すことのみである。
溶射法による磨耗保護層の形成は、基本的に既知の方法である。現在、この目的に使用されている粉末材料は、モリブデン、タングステンカーバイド、ニッケルクロム及びＣｒ３Ｃ２をベースにしている。しかし、高いカーバイド含有率は、疲労強度及び破壊靱性を損なうことになる。モリブデンの市場価格が高いことにより、中期的に見て代替物が必要である。
上述した問題を解決するため、コーティングには以下の特性が求められる。すなわち、
１）コーティングすべき基材と類似する物理的特性、
２）「鉄ベースのシリンダ壁を有する溶射ピストンリングを潤滑した状態にして」その系に対する十分な耐磨耗性、
３）焼き付いて動かなくなることに対する十分な耐性
４）十分な破壊靱性及びその結果として改善される疲労挙動性
である。
従って、本発明の第１態様によれば、本発明方法は、内燃機関用のピストンリングの製造方法に利用可能となり、この方法は、
・基材を準備するステップと、
・固体潤滑剤を含有する粉末の溶射によるコーティングを塗布するステップと、
を有し、この場合に粉末の元素含有率は、
１５〜３０Ｗｔ％の鉄（Ｆｅ）、
１５〜３０Ｗｔ％のタングステン（Ｗ）、
２５〜３５Ｗｔ％のクロム（Ｃｒ）、
１０〜３５Ｗｔ％のニッケル（Ｎｉ）、
１〜５Ｗｔ％のモリブデン（Ｍｏ）、
０．２〜３Ｗｔ％のアルミニウム（Ａｌ）、
３〜２０Ｗｔ％の銅（Ｃｕ）、
１〜１０Ｗｔ％の炭素（Ｃ）、
０．１〜２Ｗｔ％の硫黄（Ｓ）、及び
０．１〜２Ｗｔ％のシリコン（Ｓｉ）
とする。
物理的特性（熱伝導性、熱膨張係数）に関して、基材とコーティングとの間にほぼ均質な系は、鉄を含有する基礎系が１５Ｗｔ％の最小含有率の場合により生ずる。これにより、特に上死点又は下死点（ＯＴ／ＵＴ）領域の混合摩擦で発生する熱エネルギーがより良好に放熱され、エンジン内における温度変動により、均一な熱緩和プロセスが保証される。
基本的に系全体は、以下の元素を含有する。すなわち、鉄（Ｆｅ）、タングステン（Ｗ、例えばＷＣ又はＷＳ２として）、クロム（Ｃｒ、例えばＣｒ及びＣｒ３Ｃ２として）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（例えばＭｏ又はＭｏＳ２として）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）を含有する。ピストンリング用の基礎コーティング材とする鉄ベースの合金をカーバイド系と一緒に使用することにより、新規なタイプのピストンリングを製造することができる。
一実施形態によれば、本発明の粉末は、２０〜５０Ｗｔ％のカーバイドを、
１０〜３０Ｗｔ％のタングステンカーバイド（ＷＣ）、及び
５〜２０Ｗｔ％のクロムカーバイド（Ｃｒ３Ｃ２）として含有する。
一実施形態によれば、本発明の粉末は固体潤滑剤を含有し、この固体潤滑剤は、ＡｌＣｕＦｅ、ＭｏＳ２、ＷＳ２又はこれらの混合物を含有する。好適には、粉末に占める固体潤滑剤の含有率は５〜２０Ｗｔ％とし、この場合に５〜２０Ｗｔ％の固体潤滑剤は、
０〜２０Ｗｔ％のＡｌＣｕＦｅ、
０〜５Ｗｔ％のＭｏＳ２、及び
０〜５Ｗｔ％のＷＳ２
の割合で成るものとする。
カーバイドがない鉄ベースの合金、又は固体潤滑剤の含有率がより高い鉄ベースの合金は、推奨されない。なぜならこの場合、耐磨耗性が過度に低くなるからである。
一実施形態によれば、固体潤滑剤におけるＡｌＣｕＦｅは、
８０〜９５Ｗｔ％のＣｕ、
５〜２０Ｗｔ％のＡｌ、
１〜５Ｗｔ％のＦｅ、及び
０．１〜３Ｗｔ％の酸素（Ｏ）
の割合で含有する。
一実施形態によれば、ＷＳ２含有率は１．５〜３．５Ｗｔ％とし、さらにＷＳ２はニッケル母材に埋設する。
一実施形態によれば、ＭｏＳ２含有率は１〜２．５Ｗｔ％とし、さらにＭｏＳ２はニッケル母材に埋設する。
一実施形態によれば、粉末の粒径は、１〜１００μｍの範囲内にあるものとする。
一実施形態によれば、固体潤滑剤の粒径は、１〜１５０μｍの範囲内にあるものとする。
一実施形態によれば、カーバイドはＮｉＣｒ母材に埋設し、かつ０．５〜５μｍの粒径を有する。
一実施形態によれば、コーティングの層厚は、２０〜１０００μｍの範囲とする。
一実施形態によれば、溶射法は、高速フレーム溶射又はプラズマ溶射を含む。
一実施形態によれば、本発明により形成したコーティングの硬度は、６００〜１０００ＨＶ０．１μｍの範囲内にあるものとする。
一実施形態によれば、本発明により形成したコーティングの破壊靱性は、２．５〜７．５（ＭＰａ ｍ）１/２の範囲内にあるものとする。
一実施形態によれば、ピストンリングは、鋳鉄製又は鋼鉄製とする。
本発明の第２態様によれば、上述した方法で製造したピストンリングを提供する。
第１実施形態による溶射層の微細構造イメージ（５００：１）である。 第２実施形態による溶射層の微細構造イメージ（５００：１）である。 第３実施形態による溶射層の微細構造イメージ（５００：１）である。 第４実施形態による溶射層の微細構造イメージ（５００：１）である。
実施試験：
粉末は、高速フレーム（火炎）溶射（high velocity oxy fuel：ＨＶＯＦすなわち、高速酸素燃料による）、により溶射し、種々の変異型として化学的組成（表１）、微細構造（図１〜図４）、多孔性及び硬度（表２）を測定した。使用した全ての粉末において、総カーバイド含有率は約４０Ｗｔ％だった。
表１は、試験で使用した層系における化学的組成及び固体潤滑剤の含有率を示す。
表１：異なる層系における化学的組成
図２は、多孔性及び機械的特性に関する平均値を示す。
表２：ＨＶＯＦ溶射後の層特性
試験＃１〜＃４により形成した層の微細構造イメージ（図１〜図４参照）は、均一に分布しているカーバイド、未溶融粒子のない状態、及び＜２％の極めて低い多孔性を有する極めて緻密な層を示す。
表２から、以下の事実が明らかになる：
１．固体潤滑剤を含有した鉄ベース層における多孔性は、極めて僅かにのみ変化する。
２．同様に、硬度も固体潤滑剤の添加によっては目立って変化しない。
３．固体潤滑剤の添加により破壊靱性を改善し、その際にＡｌＣｕＦｅを１０Ｗｔ％添加することにより破壊靱性が最も高まり、従って材料疲労に対して最大の耐性をもたらす。
ＷＳ２及びＭｏＳ２の潤滑剤含有率をそれぞれ＞５Ｗｔ％高め、またＡｌＣｕＦｅの潤滑剤含有率を＞２０Ｗｔ％高めることは、推奨されない。なぜならこの場合、耐摩耗性の低下が予想されるからである。
試験結果から、本発明の層系により、新規なタイプのピストンリングが製造されたことは明らかであろう。本発明による全ての層系における析出効率（ＤＥ値）は、約５０％となる。
本発明による方法で製造したピストンリングにおける上述の利点に加え、新規の粉末は、現在入手可能なＭｏ（モリブデン）ベースの粉末よりも約３０％安価となる利点もある。

Claims (17)

  1. 溶射用の溶射粉末であって、該粉末は、５〜２０Ｗｔ％の固体潤滑剤を含有し、該固体潤滑剤を含有する前記粉末の元素含有率は、
    １５〜３０Ｗｔ％の鉄（Ｆｅ）、
    １５〜３０Ｗｔ％のタングステン（Ｗ）、
    ２５〜３５Ｗｔ％のクロム（Ｃｒ）、
    １０〜３５Ｗｔ％のニッケル（Ｎｉ）、
    １〜５Ｗｔ％のモリブデン（Ｍｏ）、
    ０．２〜３Ｗｔ％のアルミニウム（Ａｌ）、
    ３〜２０Ｗｔ％の銅（Ｃｕ）、
    １〜１０Ｗｔ％の炭素（Ｃ）、
    ０．１〜２Ｗｔ％の硫黄（Ｓ）、及び
    ０．１〜２Ｗｔ％のシリコン（Ｓｉ）
    とした、溶射粉末。
  2. 請求項１に記載の溶射粉末において、該粉末は、２０〜５０Ｗｔ％のカーバイドを、
    １０〜３０Ｗｔ％のタングステンカーバイド（ＷＣ）、及び
    ５〜２０Ｗｔ％のクロムカーバイド（Ｃｒ３Ｃ２）
    として含有するものとした、溶射粉末。
  3. 請求項１又は２に記載の溶射粉末において、前記固体潤滑剤は、ＡｌＣｕＦｅ、ＭｏＳ２、ＷＳ２又はこれらの混合物を含有し、前記固体潤滑剤の前記５〜２０Ｗｔ％の含有率は、
    ０〜２０Ｗｔ％のＡｌＣｕＦｅ、
    ０〜５Ｗｔ％のＭｏＳ２、及び
    ０〜５Ｗｔ％のＷＳ２
    の割合で成るものとした、溶射粉末。
  4. 請求項３に記載の溶射粉末において、前記固体潤滑剤におけるＡｌＣｕＦｅは、
    ８０〜９５Ｗｔ％のＣｕ、
    ５〜２０Ｗｔ％のＡｌ、
    １〜５Ｗｔ％のＦｅ、及び
    ０．１〜３Ｗｔ％の酸素（Ｏ）
    の割合で含有するものとした、溶射粉末。
  5. 請求項３又は４に記載の溶射粉末において、ＷＳ２の含有率は１．５〜３．５Ｗｔ％とし、またＷＳ２はニッケル母材に埋設するものとした、溶射粉末。
  6. 請求項３〜５に記載の溶射粉末において、ＭｏＳ２含有率は１〜２．５Ｗｔ％とし、またＭｏＳ２は前記ニッケル母材に埋設するものとした、溶射粉末。
  7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の溶射粉末において、該粉末の粒径は、１〜１００μｍの範囲内にあるものとした、溶射粉末。
  8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の溶射粉末において、前記固体潤滑剤の粒径は、１〜１５０μｍの範囲内にあるものとした、溶射粉末。
  9. 請求項２〜８のいずれか一項に記載の溶射粉末において、前記カーバイドは、ＮｉＣｒ母材に埋設し、また０．５〜５μｍの粒径を有するものとした、溶射粉末。
  10. ピストンリングであって、基材と、溶射粉末のコーティングとを有し、前記粉末は、５〜２０Ｗｔ％の固体潤滑剤を含有し、該固体潤滑剤を含有する前記粉末の元素含有率は、
    １５〜３０Ｗｔ％の鉄（Ｆｅ）、
    １５〜３０Ｗｔ％のタングステン（Ｗ）、
    ２５〜３５Ｗｔ％のクロム（Ｃｒ）、
    １０〜３５Ｗｔ％のニッケル（Ｎｉ）、
    １〜５Ｗｔ％のモリブデン（Ｍｏ）、
    ０．２〜３Ｗｔ％のアルミニウム（Ａｌ）、
    ３〜２０Ｗｔ％の銅（Ｃｕ）、
    １〜１０Ｗｔ％の炭素（Ｃ）、
    ０．１〜２Ｗｔ％の硫黄（Ｓ）、及び
    ０．１〜２Ｗｔ％のシリコン（Ｓｉ）
    とした、ピストンリング。
  11. 請求項１０に記載のピストンリングにおいて、前記コーティングの層厚は、２０〜１０００μｍの範囲内にあるものとした、ピストンリング。
  12. 請求項１０又は１１に記載のピストンリングにおいて、前記溶射粉末コーティングは、高速フレーム溶射コーティング又はプラズマ溶射コーティングである、ピストンリング。
  13. 請求項１０〜１２のいずれか一項に記載のピストンリングにおいて、前記コーティングの硬度は、６００〜１０００ＨＶ０．１μｍの範囲内にあるものとした、ピストンリング。
  14. 請求項１０〜１３のいずれか一項に記載のピストンリングにおいて、前記コーティングの破壊靱性は、２．６〜７．０（ＭＰａ ｍ)１/２の範囲内にあるものとした、ピストンリング。
  15. 請求項１０〜１４のいずれか一項に記載のピストンリングにおいて、前記ピストンリングは、鋳鉄製又は鋼鉄製とした、ピストンリング。
  16. 請求項１０〜１５のいずれかに従うピストンリングを製造する方法であって、該方法は、
    基材を用意するステップと、
    請求項１〜９のいずれかに従う粉末の溶射によりコーティングを塗布するステップと、
    を含むことを特徴とするピストンリングの製造方法。
  17. 前記溶射の方法は、高速フレーム溶射またはプラズマ溶射を含む、請求項１６に記載のピストンリングの製造方法。
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