JP2016540123A - 内燃機関のクランクケースの溶射されたシリンダ摺動面を形成する方法並びにこのようなクランクケース - Google Patents

Abstract

内燃機関のクランクケースのシリンダ摺動面を形成する方法において、鋳造されたクランクケースのシリンダ内壁（２４）に、溶射によりコーティング（３０）を形成し、このとき噴霧ガスとして不活性ガスを使用する方法が知られている。しかしながら、生じる皮膜は腐食しやすいことが多い。これを防止するために提案されるのは、溶射時のコーティング材（１５）の質量流量が、８〜２２．５ｋｇ／ｈである、という点である。このようにして提供されるシリンダ摺動面を有する内燃機関用のクランクケースでは、溶射されたコーティング（３０）が、４．５〜２５％の皮膜多孔率及び０．５〜５％の酸化物量を有している。このコーティング（３０）は、高い耐食性を有している。

Description

本発明は、内燃機関のクランクケースのシリンダ摺動面を形成する方法であって、鋳造されたクランクケースのシリンダ内壁に、溶射によりコーティングを形成し、このとき噴霧ガスとして不活性ガスを使用する方法、並びにこのような方法を用いて、シリンダ内壁に溶射することにより形成されたシリンダ摺動面を備えた、内燃機関用のクランクケースに関する。

クランクケースのシリンダ内壁に、シリンダ摺動面として用いられるコーティングを溶射により被着する様々な方法が知られている。シリンダ摺動面を形成する場合、溶射方法としては特にプラズマ溶射及びアーク溶射が使用され、この場合、アーク溶射では、２つの線状の溶射材の間でアークが点火され、このアークにより線材の先端が約４０００℃の温度で溶融され、且つ噴霧ガスにより、用意されたワーク表面に溶射されるのに対して、プラズマ溶射では、バーナ内で、１つの陽極と、少なくとも１つの陰極とが、細いギャップにより隔離されており、印加された直流電圧によって、陽極と陰極との間にアークが形成されるようになっている。バーナを通流するガスが、アークにより導かれると同時にイオン化され、これにより、高加熱された導電性のガスが生ぜしめられ、このガスは、プラズマ流として働き、このプラズマ流には、５〜１２０μｍの粒度を有する粉末がノズルを介して供給され、この粉末は、高いプラズマ温度に基づき溶融される。プラズマ流は、粉末粒子を運び、コーティング材の、全体的又は部分的に溶融された部分を、コーティングされるべきシリンダ内壁に向けて加速させる。

例えば、ＤＥ６９７０２５７６Ｔ２に開示された、溶射によるシリンダ内壁のコーティング法では、まず最初に、溶融された粉末、或いは炭素量が０．３％未満の低炭素鋼又は特殊鋼の溶融された線材が、空気流によってシリンダ内壁に吹き付けられ、これにより、高い酸化物量を有する下部皮膜が形成される。このような皮膜は極めて硬質である。次に、噴霧ガスとして不活性ガスを使用して、別の皮膜が被着され、これにより、この皮膜中の酸化物量は、大幅に減少される。この比較的軟質の皮膜は、次いで所望の表面特性を備えた表面を形成するために除去されるので、硬い耐摩耗性の下部皮膜が、摺動面として残留することになる。

また、独国特許出願公開第１９９３４９９１号明細書から公知のプラズマ溶射法では、シリンダ摺動面の形成における噴霧ガスとして、窒素が使用される。真空室を使用せずに済ませるために、噴霧ガス流の両側を流れる、窒素から成る第２のガス流が用いられる。このようにして、コーティングの酸化物量を調整しようとするものである。

しかしながら問題は、これらのコーティングに腐食が生じるという点にあり、このような腐食は、酸化物量の多い皮膜では極めて急速に進行し、酸化物量の少ない皮膜では、より緩やかに進行する。腐食の結果として、シリンダ摺動面の摩耗は増大することになる。更に、公知の溶射法は極めて高価である。腐食を回避するためには特殊鋼又は少なくとも低炭素鋼が使用されるからである。

よって、廉価な形成と同時に高い耐久性を可能にするために、炭素を含有する低合金鋼を使用した場合でも、シリンダ摺動面が高い耐食性を有している、内燃機関のクランクケースの溶射されたシリンダ摺動面を形成する方法並びにこのようなクランクケースを提供する、という課題が生じている。

この課題は、独立請求項１記載の特徴を有する、内燃機関のクランクケースのシリンダ摺動面を形成する方法、並びに請求項１２記載の特徴を有するクランクケースによって解決される。

溶射時のコーティング材の質量流量が、一般的な４〜７ｋｇ／ｈではなく８〜２２．５ｋｇ／ｈであることにより粒子速度が低下する一方で、コーティング中の粒子サイズは増大する。このようにして本発明では、溶射されたコーティングが４．５〜２５％の皮膜多孔率及び０．５〜５％の酸化物量を有する、内燃機関用のクランクケースが製造され得る。不活性ガスを使用することによっても得られる少ない酸化物量によって、ウスタイト相が僅かになり、これにより皮膜の酸化速度が大幅に低下し、その結果、腐食が減じられることになる。付加的に、より大きな連続気孔部分が生じることで、より大きなオイル保持容積がシリンダ摺動面に形成され、その結果、やはり皮膜の表面に、より高い耐食性が生じることになる。不活性ガスの使用により付加的に、炭素を含有するコーティング材を使用した場合に線材の炭素が燃焼させられる、粒子表面における発熱反応が防がれる。このようにして、酸化及び粒子温度が低下される。

好適には、溶射時の噴霧ガス流量は、９００〜１５００ｌ／ｍｉｎである。このガス流量で、簡単に、高多孔率を有する耐食性の保護皮膜が形成され得る。

当該方法の特に好適な実施において、溶射時の噴霧ガス流量は、３００〜９００ｌ／ｍｉｎに減少される。これにより、ノズルにおけるコーティング材の速度及び温度が付加的に低下されることで、より少ないエネルギが、コーティング材の粒子に伝達されることになる。このようにして、前記質量流量の増大により生じる作用が付加的に強められることにより、尚一層高い多孔率が達成されることになる。

好適には、不活性ガスとして窒素又はアルゴンが使用される。これらのガスを用いて、酸化物の少ない皮膜を廉価に形成することができる。

コーティング材として低合金の炭素鋼が使用されると、特に有利である。低合金の炭素鋼は、明らかにより廉価に製造可能であるからである。選択された特別な方法パラメータに基づいて、炭素の早期酸化と共に早期焼失が回避され、尚十分な耐食性が存在することになる。このような鋼は良好に処理され得ると共に、溶射に際して、皮膜の所要硬度に関して重要なマルテンサイトを形成する。

１つの好適な構成において、コーティングは、プラズマ溶射又はアーク溶射によって、特にプラズマ移行型ワイヤアーク溶射（ＰＴＷＡ溶射）又は回転型シングルワイヤ溶射（ＲＳＷ溶射）によって形成される。これらの方法は、特に多孔質で酸化物が少ない皮膜の形成に適している。

この場合、プラズマガスとして、好適にはアルゴン−水素混合物又はアルゴン−窒素混合物が使用され、アルゴン−水素混合物を使用した場合のプラズマガスの水素量は、５〜４０％である。このような方法パラメータにおいて、所望の皮膜多孔率、並びに所望の酸化物量が確実に達成される。

有利には、粒子表面温度は１６００〜２４００℃であり、アーク温度は３０００〜６０００℃であり、プラズマガス温度は１００００〜１５０００℃である。完全には溶融されていない粒子が少量の酸化含有物と共に、表面上に生ぜしめられる。

好適には、プラズマガス流量は、４０〜２５０ｌ／ｍｉｎであり、これにより更に、粒子の比較的低い速度が、比較的低い粒子温度において生ぜしめられる。

有利には、コーティングは、シリンダ摺動面を形成するために、溶射過程後にホーニングされる。これにより、微小圧力室として働き且つオイルを貯めることのできる溶射皮膜の付加的な気孔が露出させられて、ホーニング加工された機能表面が生ぜしめられる。更に、軸線対称的な一定の壁厚さが形成され得る。

こうして、クランクケースのシリンダ摺動面を形成する方法、並びにこのように製造された、高い耐食性を有するクランクケースが提供される。摺動面に対するオイルの供給が保証されるので、コーティングの長寿命が達成される。コーティングを形成するためのコストは、他の公知の方法に比べると、コーティング材として特に炭素を含有する低合金鋼を使用した場合に、低下されている。

以下に、ＰＴＷＡバーナ又はＲＳＷバーナを用いて被着されるコーティングの方法例、並びに生ぜしめられるシリンダ摺動面を、図面につき説明する。

ＰＴＷＡバーナ又はＲＳＷバーナのノズル並びにシリンダ内壁に生じるコーティングの構造を概略的に示した図である。

最初に、１つ又は複数のシリンダを備えたクランクケースが、公知の形式のアルミニウム鋳造法で鋳造される。クランクケースのシリンダ内壁は、十分な耐久性を有するシリンダ摺動面を有していないことが多いので、シリンダ摺動面は、まず最初にシリンダ内壁が、例えばアンダカット構造の形成により活性化されることにより、形成される。次いで溶射により、シリンダ内壁にコーティングが被着される。このために本実施例では、ＰＴＷＡバーナ又はＲＳＷバーナ１０がシリンダに挿入され、軸方向運動させられると共に回転運動させられて、皮膜を被着させる。

図面において認識されるシリンダ内壁に対しては、バーナ１０によって溶射皮膜が被着される。

図示のバーナ１０は、第１の電圧源に接続された電極１２と、炭素を含有する低合金鋼から成る、第２の電極として働く導電性の線材１４とを有しており、線材１４は、電圧源の逆の極に接続されていて、垂直方向に供給され、且つコーティング材１５として用いられる。第１の電極１２は、バーナ１０の複数の穴１６によって包囲されており、これらの穴１６の位置に基づいて、場合によっては第１の電極１２に沿って旋回させられるガス流が発生し、このガス流は、ノズル１８を通って高速で流出する。プラズマガスは、水素量が約２５％のアルゴン・水素混合物から成る。

プラズマバーナ１０を通流するプラズマガスは、発生するアークによって導かれると同時にイオン化される。この分離、若しくは引き続くイオン化は、正のイオンと電子とから、高加熱された導電性ガスであるプラズマを生ぜしめる。プラズマは、約１００ｌ／ｍｉｎのプラズマガス流量の場合、約１２０００℃の温度を有している。プラズマは、ノズル１８を通流すると共に、ノズル１８の長手方向軸線に沿って伸長する。このときプラズマは、ノズル１８に対して垂直に、連続して供給される線材１４に向かって運ばれ、これにより電気的な回路が閉じられるようになっている。発生するアークは、約４０００℃の温度を有している。線材１４は、本発明では８〜２２．５ｋｇ／ｈの流量で供給されると共に大きな印加電流値により抵抗加熱され、これにより線材１４は、プラズマの衝突により霧化された、溶融液状状態に移行することになる。

穴１６は、複数の通路２０によって包囲されており、これらの通路２０を通って、不活性ガス、この場合は窒素、から成る噴霧ガスが流れ、約９００ｌ／ｍｉｎの流量で供給される。この付加的なガス流は、不活性雰囲気を生ぜしめる一方で、線材１４の溶融された粒子２２のためのキャリアガスとして役立ち、且つ前記粒子２２を付加的に霧化するために働く。これらの粒子２２は、ガス流によってシリンダ２６のシリンダ内壁２４に吹き付けられる。

ＰＴＷＡ溶射法又はＲＳＷ溶射法用にほぼ倍増された線材１４の質量流量、並びに噴霧ガス流の低下された速度は、シリンダ内壁２４に吹き付けられたコーティング材１５の粒子２２が全て完全には溶融されずに、比較的低い速度で、コーティングされるべきシリンダ内壁２４に当たるために役立つ。更に一方では、ガス流の低い速度により、且つ他方では噴霧ガスとして使用される不活性ガスにより、約２０００℃の比較的低い粒子表面温度が達成される。このようにして、シリンダ内壁２４に堆積する比較的大きな粒子２２が生ぜしめられ、このことは、皮膜多孔率を約２０％へ大幅に高めることになる。

付加的に、噴霧ガスとして窒素を使用することによって不活性雰囲気が生ぜしめられ、この不活性雰囲気は、コーティング材１５として炭素を含有する鋼を使用するにもかかわらず、粒子２２の酸化が大幅に減じられることに役立つ。このことは、粒子２２に生じる温度を付加的に低下させる。発熱反応が十分に防がれるからであり、これにより、新たに大きな粒子２２が生じることになる。このようにして、シリンダ内壁２４におけるコーティング３０中の酸化物２８の量が約３％に減少され、これによりウスタイト相が僅かになり、このことは、コーティング３０における酸化速度を低下させるので、腐食が減じられることになる。但しコーティング３０中のマルテンサイト組織は維持され続けるので、コーティング３０の硬度は十分である。

次にコーティング３０は、別の加工ステップにおいて所望のシリンダ摺動面を形成するためにホーニングされる。つまり、粒子２２が表面から除去され、これにより、高い多孔率に基づいて、クランクケースの作動中にオイルを貯めることのできる大きなオイル保持容積を備えた、部分的に連続した気孔３２が形成されることになり、このことが改めて、後続の腐食プロセスを阻止するようになっている。

このようにして、一方では極めて腐食に強く、且つ他方では極めて良好な潤滑に基づき極めて少ない摩耗を有する、溶射されたシリンダ摺動面を備えたクランクケースが生ぜしめられる。

説明した実施例に保護範囲が限定されていないことは明白である。例えばこのようなコーティングを形成する、別の溶射方法も適しており、この場合、所望のシリンダ摺動面を得るためには、不活性ガス流量に対する溶射材の、従来知られていない高い率の質量流量が保たれるべきである。

Claims (12)

1. 内燃機関のクランクケースのシリンダ摺動面を形成する方法であって、鋳造されたクランクケースのシリンダ内壁（２４）に、溶射によりコーティング（３０）を形成し、このとき噴霧ガスとして不活性ガスを使用する方法において、
   溶射時のコーティング材（１５）の質量流量が、８〜２２．５ｋｇ／ｈであることを特徴とする、内燃機関のクランクケースのシリンダ摺動面を形成する方法。
2. 溶射時の噴霧ガス流量は、９００〜１５００ｌ／ｍｉｎである、請求項１記載の、内燃機関のクランクケースの溶射されたシリンダ摺動面を形成する方法。
3. 溶射時の噴霧ガス流量は、３００〜９００ｌ／ｍｉｎである、請求項１記載の、内燃機関のクランクケースの溶射されたシリンダ摺動面を形成する方法。
4. 不活性ガスとして窒素又はアルゴンが使用される、請求項１から３までのいずれか１項記載の、内燃機関のクランクケースの溶射されたシリンダ摺動面を形成する方法。
5. コーティング材（１５）として低合金の炭素鋼が使用される、請求項１から４までのいずれか１項記載の、内燃機関のクランクケースの溶射されたシリンダ摺動面を形成する方法。
6. コーティングは、プラズマ溶射又はアーク溶射によって、特にプラズマ移行型ワイヤアーク溶射又は回転型シングルワイヤ溶射によって形成される、請求項１から５までのいずれか１項記載の、内燃機関のクランクケースの溶射されたシリンダ摺動面を形成する方法。
7. プラズマガスとして、アルゴン−水素混合物又はアルゴン−窒素混合物が使用される、請求項６記載の、内燃機関のクランクケースの溶射されたシリンダ摺動面を形成する方法。
8. アルゴン−水素混合物を使用した場合のプラズマガスの水素量は、５〜４０％である、請求項７記載の、内燃機関のクランクケースの溶射されたシリンダ摺動面を形成する方法。
9. 粒子表面温度は１６００℃〜２４００℃であり、アーク温度は３０００℃〜６０００℃であり、プラズマガス温度は１００００℃〜１５０００℃である、請求項６から８までのいずれか１項記載の、内燃機関のクランクケースの溶射されたシリンダ摺動面を形成する方法。
10. プラズマガス流量は、４０〜２５０ｌ／ｍｉｎである、請求項６から９までのいずれか１項記載の、内燃機関のクランクケースの溶射されたシリンダ摺動面を形成する方法。
11. コーティング（３０）は、シリンダ摺動面を形成するためにホーニングされる、請求項１から１０までのいずれか１項記載の、内燃機関のクランクケースの溶射されたシリンダ摺動面を形成する方法。
12. 請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法を用いて、シリンダ内壁（２４）に溶射することにより形成されたシリンダ摺動面を有する、内燃機関用のクランクケースにおいて、
    溶射されたコーティング（３０）が、４．５〜２５％の皮膜多孔率及び０．５〜５％の酸化物量を有していることを特徴とする、内燃機関用のクランクケース。

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