JP2016540119A - トライボロジー系の被覆表面を製造する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、摩擦および摩耗に関して最適化された内燃エンジンのシリンダー表面を製造する方法に関する。

Description

本発明は、摩擦および摩耗に関して最適化された、および自動車の内燃エンジンにおけるＣＯ_２排出の低減に対する高い需要を背景として開発された、シリンダー作動表面の被覆表面を製造する方法に関する。

「シリンダーボアおよびピストンリング」のトライボロジー系の摩擦を低減することにより、内燃エンジンの燃費消費が減り、それにより排ガスも減る。

摩擦を減らすために、例えば、シリンダーボアにおいてニッケル−炭化ケイ素分散層（ＮｉＳｉＣ）が直流的に析出させられた。この複合材料は、その硬度に起因して、耐摩擦性および耐摩耗性が非常に低い。流電方法は非常に長い被覆時間を必要とするため、この方法はスポーツカーエンジンやレーシングカーエンジンの小ロット生産においてのみ用いることができる。

同様に、合金ワイヤーまたは不均一粉末の形状の被覆材料を溶解し、個々の溶融粒子をシリンダー壁に対して高速遠心分離し、これにより溶射層を形成する、熱被覆法が使用されている（例えば、ＤＥ１０２００７０２３２９７Ａ１またはＵＳ５，６９１，００４参照）。これらの層は製造するには非常に高価であり、シリンダーブロックに高い熱的ストレスを生じる。それにより、シリンダーブロックが変形するかもしれず、望ましくない。この影響は、特に重量最適化シリンダー、それによる薄壁シリンダーで生じる。

さらに、全ての熱的方法は、コーティング後の高いブロック温度に起因する冷却段階により継続する工程が遅延し、表面構造および塗布されるコーティングの硬度に起因するサブトポグラフィー層損傷および高レベルの工具摩耗により被覆ボアの費用効率の高い仕上げボーリングができないという欠点を有している。

独国特許出願第１０２００７０２３２９７号明細書 米国特許第５，６９１，００４号明細書

本発明により解決される課題は、費用効率が高く、大ロット生産に適するアルミニウム製の被加工物の、良好な油保持力を有するのと同時に耐摩耗性表面をもたらす方法を提供することである。

また、良好な熱伝導を確保することも目的とする。

この課題は、アルミニウムシリンダーブロックに対して、シリンダーボアの耐摩耗性および摩擦最適化されたトポグラフィーをもたらす請求項１による少なくとも２つの工程を含む方法により、本発明に従って解決される。

図１は、精密ボーリングまたはホーニングによる前処理後のボア表面の輪郭を示す。 図２は、塗布層を有するボア表面の輪郭を示す。 図２．１は、塗布層の起伏を示す。 図２．２は、平滑化前の層表面の高拡大復元である。 図３は、平滑化後の塗布層を有するボア表面の輪郭を示す。 図３．１は、塗布層の起伏を示す。 図３．２は、平滑化後の層表面の高拡大復元である。 図４は、平滑化用のホーニング工具の概略図である。

本発明の方法の出発点は、比較的粗く機械加工されたシリンダーボアであり、それはモノリス型アルミニウムブロックまたは湿潤の若しくは乾燥した内張りが挿入された形態である。それぞれの場合において、機械加工される表面は、通常、亜共晶アルミニウムのアルミニウム合金からなる。

本発明の第１工程（下加工）において、表面をホーニングまたは精密ボーリングにより所望の形態にし、ほぼ最終寸法に機械加工する。（まだ）未処理のアルミニウムを、非常に容易に、かつ費用効率よく機械加工することができる。下加工中に円筒状形態を作製することができる。従って、適当な方法は精密ボーリングである。この目的形状は、その後に続く本発明によるコーティングによりわずかに変化する。

電解塗布層は非常に薄いため、寸法補正は事実上不可能である。したがって、下加工中にほぼ最終寸法に達しなければならない。

しかしながら、下加工することにより所望する目的形状が作製されるだけでなく、後に続くコーティング用の表面も調製される。

特に、第１加工工程において作られた表面粗さは、コーティング後の最終品質に影響を及ぼす。

１〜４μｍＲｚの範囲の粗さは適当であることがわかっている。したがって、０１０〜０４６のダイヤモンド粒子径がホーニングにおいて使用される。

コーティングを製造する前、表面は一般的に脱脂されている。

その後、電気分解により塗布されたコーティングは、機械加工された（目的）形状を等距離で再現するため、第１加工工程により製造された形状はほとんど維持される。

第２加工工程において、耐摩耗性コーティングは電気分解により塗布または製造される。この場合、被加工物のゆがみは生じず、表面の目的形状は変化しない。

この層は高い硬度を有しているため、極めて耐摩耗性である。電気分解中の加工パラメータを選択することにより、層の多孔性を所望の方法で設定することができる。多孔性は油保持力を改善し、滑り摩擦による摩耗を低減し、流体潤滑を助ける。

高い硬度は、低いモーター速度における混合摩擦域におけるすべり摩擦を低減し、耐用年数をのばす。

また、コーティングとアルミニウム製の基体（シリンダーブロックまたは内張り）間の熱伝導は極めて良好である。

ここで、種々の電解コーティング技術が、酸化物−セラミック層の作製に用いられる。プラズマ電解酸化（ＰＥＯ）は、マイクロアーク酸化（ＭＡＯ）としても知られている。既知のＰＥＯプラズマ酸化方法において、形成される層は基体物質の酸化物（すなわち、本発明では酸化アルミニウム）からなる。

特に好適な電解方法は、プラズマ電解析出（ＰＥＤ）である。これは、水電解質において行われ、内部の周縁部における変化および外部における層蓄積の両方をもたらす。

ＰＥＤの別の利点は、酸化アルミニウムの前記層に加えて、酸化チタン層（ＴｉＯ_２）などの他の金属酸化物層を作製できることにある。適当な方法は、ＵＳ７，５７８，９２１，Ｂ２により公知である。

このように作製されたコーティングは、例えば３μｍの侵入深さを有する内側周縁部の変化および外部における例えば９μｍの層蓄積を有しており、この場合、１２μｍの層厚みとなる。典型的に用いられる層厚みは、実質的に７０μｍ未満であり、その硬度は最大１５００ＨＶである。このコーティングの硬度およびトポグラフィーは、電気分解用電気的加工パラメータにより設定することができる。

コーティング工程は、電解槽において行われる。この工程において、被加工物はほぼ覆い隠され、被覆すべきボアのみを電解質と接触させるため、ボアを選択的に被覆することができる。

マスキングは、例えば、Ｏリングにより密閉され、クランク室から離れたボアを密閉するリッドを用いて行われる。

電極は好ましくは、機械加工されるシリンダーボアのおおよその長さであり、電極およびシリンダーボア間に約２０〜３０ｍｍの厚みを有するラジアルギャップが存在するような大きさにされた円筒状として設計される。自動車エンジン用のシリンダーボアに関して、例えば２０ｌ／分の体積流量率でこのギャップを通って流れる電解質はリッドにより偏向され、シリンダーヘッド用のシーリング表面に向かって再び流れる。

電極は陽分極され、被加工物は陰分極される。４００〜５００ｖｏｌの電圧を有するパルスＤＣ電流が、電極と陰極の間に適用される。電気分解は、重複交流成分を含むまたは含まない非パルスＤＣ電流を用いて行ってもよい。

約１０〜３０Ａ／ｄｍ^２の電流密度が適当であることが判明している。コーティング時間は、約２〜１０分であり、複数の電極を用いるブロックの全てのシリンダーで同時にコーティングを行うことができる。

層厚、得られる層粗さおよび孔径は、適用する電流、電圧、パルスプログラムおよびコーティング時間に依存する。

コーティングは一般に、２〜３μｍの孔径では、２〜３μｍＲｚの粗度を有し、例えば１．０〜２．０μｍのＲｐｋ値を有する。

総層厚に関係なく、一般に、被加工物の材料の周縁部における深さの変化は、外部に堆積した相の約１／３であるといえる。２０μｍの総層厚に対して、内側周縁部における変化は、例えば約５μｍであり、外部における層蓄積はボア内へ約１５μｍである。

上述した層の粗さは、孔により生じる起伏と層のテクスチャーからなる。従って、必要な場合、付加的な任意工程において、コーティング中にできた起伏を平らにするために、コーティングに平滑化工程を用いる仕上げ作業が施される。起伏が小さい場合には、平滑化工程を省略することができる。

いくつかの機械加工は、ホーニングまたはブラッシングにより行い得る。層の起伏を平らにするために、従来のホーニング工具を使用し得る。しかしながら、除去される材料の量を最小にするため、および表面の（自由な）形状変化を最小限にするために、特定の平面ホーニングを使用することが推奨される。前記工具の自由に懸垂された（ホーニング）ストーン部は、シリンダーボアの長さと比べて比較的短いが、コーティング面の浅い起伏部分よりは長いため、シリンダーボアの形状を大きく変化させることなく、同時に除去される材料の量を最小にしながら所望の平滑化を生じる。

個々のストーン部の長さが増すと、表面の輪郭はより広範囲で真っ直ぐになる。

また、その柔軟性により起伏にも適合するホーニングブラシを用いてもよい。このブラシは、個々の毛が、例えばポリアミドからなり、炭化ケイ素、コランダムまたはダイアモンド粒子などの硬い研磨剤に埋め込まれているブラシである。

例えば、毛の末端にセラミック結合した小塊含有切削材を備える、軟性ホーニングブラシを用いることもできる。

全ての平滑化変法において、可能な限り少ない材料除去量で表面の起伏を減らし、それにより表面の輪郭ができる限り真っ直ぐなシリンダー作動表面をもたらすことが重要である。直径に関して１０μｍ未満の平面ホーニング機械削り代は除去される。

平面ホーニングの間、層の多孔性およびそれによる油保持力はほぼ維持される。

要するに、仕上げ磨きされ平滑化された層トポグラフィーは、コーティング前の表面粗さと層特異的細孔により覆われる。

この工程において粗さプロファイルは、コーティング後の上記値から、平滑化後２．０〜２．５μｍのＲｚ値に変化する。適当なＲｐｋ値は、０．１３μｍである。

金属結合ダイアモンド粒子およびセラミック結合コランダムまたはＳｉＣ粒子が、切削材として適当であることが判明している。

要約すると、本発明の方法を用いて、その細孔構造および高い材料硬度に起因して極めて摩擦学的に適する層を、製造に関して良好に制御された方法において製造することができるといえる。

層が半直流的に塗布され、最適な方法において基体に結合するため、層を介する燃焼室からの熱消失は特に効果的である。

さらに、本発明による層は、シリンダーボアの形状に影響を及ぼさないか、前記形状にほんのわずかに影響するだけであるため、コーティング前に目的とする形状をほぼ完成することができる。この工程において、コーティングから得られる堆積および最適な平滑化により生じる材料除去は、当然考慮される。

概して、本発明の方法は、費用および技術に関して高効率である小さな製造連鎖において実施することができる。

図１は、ホーニングにより下加工された（シリンダー）ボアの表面輪郭２を示す。この状態において、該表面は次なるコーティングのために活性化され、所望の目的形状を有する。

図２は、ＰＥＤによる処理後の表面を示す。この図面から、コーティング９の厚みの約１／３（参照符号４）が基体の周縁部における変化を形成し、前記厚みの２／３（参照符号３）が外側の層構造を形成していることが明らかである。

ボアの下加工寸法（表面輪郭２を参照）は、コーティング９の表面輪郭５が最終ボアの許容差範囲内となるように留意すべきである。

図２．１は、図２の表面輪郭５における起伏を示す。起伏は多くの用途にとって大きすぎるため、起伏を減らすために平滑化工程を行う必要もある。

図２．２は、コーティング後の表面のＳＥＭ画像を示す。この画像において、コーティングの細孔８が見えている。

図３は、例えば図４に示す工具を用いたホーニングにより達成された、平滑化表面輪郭６を示す。この図面において、表面輪郭は、細孔８を維持したまま直線表面輪郭６が作られるよう平滑化されている。平滑化後、平滑表面輪郭６も、最終ボアの許容差範囲内である。

平滑化表面輪郭の表面を、読み込み部分において図３．１に、ＳＥＭ画像において図３．２に示す。

図４は、平面ホーニング工程の開始点における、バネ式ホーニングストーン７を用いた平面ホーニングの原理を示す。半径方向力ＦＲにより、コーティング上に半径方向の作用が生じる。バネにより、ホーニングストーン７は、シリンダーボアの目的形状を変化させることなくコーティングの浅い起伏を低減するオプションを有する。平滑化の間、細孔構造はほぼ維持される。

Claims (9)

1. アルミニウムまたはアルミニウム合金製の被加工物（１）の耐摩耗性表面を製造する方法であって、ホーニングまたは精密ボーリングにより表面を下加工または活性化する工程、および電気分解を用いて耐摩耗性コーティング（９）を塗布する工程を含んでなる、方法。
2. 耐摩耗性コーティング（９）は、プラズマ電解析出（ＰＥＤ）またはプラズマ電解酸化（ＰＥＯ）により製造されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 耐摩耗性コーティング（９）を塗布した後、コーティング（９）の多孔性は維持されたまま前記表面が滑らかであることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. コーティング（９）の表面がホーニング、特に平面ホーニングまたはブラッシングにより滑らかにされることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. ５μｍ未満、およびシリンダーボア（１）の直径に基づき１０μｍ未満が平滑化中に除去されることを特徴とする、請求項３または４に記載の方法。
6. コーティング（９）が活性化および塗布される間に、表面に、好ましくはアルカリ脱脂が施されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 円筒状表面を下加工中に製造することを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. 亜共晶アルミニウム合金製の被加工物（１）を被覆するために前記方法が用いられることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
9. 内燃エンジンのシリンダーボア（１）を製造するために前記方法が用いられることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。

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