JP2017043791A

JP2017043791A - 溶射皮膜形成装置

Info

Publication number: JP2017043791A
Application number: JP2015164655A
Authority: JP
Inventors: 敦美辰巳; Atsumi Tatsumi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-08-24
Filing date: 2015-08-24
Publication date: 2017-03-02
Also published as: CN106480396A; US20170058388A1; DE102016115308A1

Abstract

【課題】溶射皮膜の密着性を向上させることができる溶射皮膜形成装置を提供する。【解決手段】実施形態に係る溶射皮膜形成装置１００は、シリンダブロック５０のボア５１の内面５１ａに溶射皮膜１５を形成する溶射皮膜形成装置１００であって、溶射材料１４に対して通電を行うことによって生じるアーク放電１６により溶融した溶射材料１４に対して、内面５１ａに向かうガスを噴射するガス噴射部を有する溶融粒子噴射部１０と、溶融した溶射材料１４に対して噴射されるガスを噴射前に予め加熱するガス加熱部２０を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、溶射皮膜形成装置に関するものであり、例えば、シリンダブロックのボアの内面に溶射皮膜を形成する溶射皮膜形成装置に関する。

エンジンのピストンが収納されるシリンダブロックのボア内面には、耐摩耗性等を向上させるために、溶射皮膜が形成されている。特許文献１には、ボア内にプラズマ溶射装置を挿入し、ボアの内面に溶射皮膜を形成する方法が開示されている。この方法では、シリンダブロックの基材の過熱を防止するために、ボア内に挿入した部分から冷却ガスを噴射して基材温度を200℃以下に保っている。このため、特許文献１に開示されたプラズマ溶射装置では、別途基材への冷却機構が必要となる。

特開２００２−０３０４１１号公報

ここで、溶射材料を溶融させ、溶融粒子として基材に溶射する場合に、溶融粒子が基材に付着してから凝固するまでの時間が長いほど、溶射皮膜の基材に対する密着性は向上する。このことから、溶融粒子が基材に付着する際の温度は高い方が好ましい。

しかしながら、溶射皮膜を形成するボアは、一般に常温であり、溶融粒子の温度が凝固温度に達するまでの時間が短いので、溶射皮膜の基材に対する密着性が低下してしまう。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、溶射皮膜の密着性を向上させることができる溶射皮膜形成装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る溶射皮膜形成装置は、
シリンダブロックのボアの内面に溶射皮膜を形成する溶射皮膜形成装置であって、
溶射材料に対して通電を行うことによって生じるアーク放電により溶融した前記溶射材料に対して、前記内面に向かうガスを噴射するガス噴射部を有する溶融粒子噴射部と、
溶融した前記溶射材料に対して噴射される前記ガスを噴射前に予め加熱するガス加熱部と、を備える。

このような構成とすることにより、プラズマ溶射装置に比べて、アーク放電による溶射皮膜形成装置では、基材温度の上昇が抑制されるため、ボアの内面に対する冷却装置を設けることなく溶射皮膜を形成することができる。また、噴射されるガスを加熱することによって、ボアの内面に付着する際の溶射粒子の温度を高くすることができる。このため、溶融粒子が基材に付着してから凝固するまでの時間を長くすることができる。これにより、溶射皮膜の密着性を向上させることができる。

また、前記溶射皮膜の形成時に、前記溶融粒子噴射部は前記シリンダブロックのボア内に挿入されるとともに前記ガス加熱部は前記シリンダブロックのボア外に配置されることが好ましい。このような構成により、溶射皮膜形成時において、ガス加熱部はシリンダブロックのボア外に配置されるため、溶融粒子噴射部に大きな変更を加えることなくガス加熱部を設けることができる。

本発明により、溶射皮膜の密着性を向上させることができる溶射皮膜形成装置を提供することができる。

実施形態に係る溶射皮膜形成装置を例示する構成図である。実施形態に係る溶射皮膜形成装置において溶融粒子噴射部の一部を例示する断面図である。実施形態に係る溶射皮膜形成装置を用いた溶射皮膜の形成方法を例示した工程図であり、上段に比較例による工程を示し、下段に本実施形態による工程を示す。実施形態に係る溶射皮膜形成装置において、溶融粒子の温度変化を例示した図であり、横軸は、経過時間を示し、縦軸は溶融粒子の温度を示す。実施形態に係る溶射皮膜形成装置において、噴射ガスの温度と飛行する溶融粒子の温度との関係を例示するグラフであり、横軸は、噴射ガスの温度を示し、縦軸は、飛行する溶融粒子のボア近傍における温度を示す。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（実施形態）
実施形態に係る溶射皮膜形成装置を説明する。溶射皮膜形成装置は、エンジンのピストンが収納されるシリンダブロックのボアの内面に溶射皮膜を形成する装置である。まず、溶射皮膜形成装置の構成を説明する。

図１は、実施形態に係る溶射皮膜形成装置を例示する構成図である。
図１に示すように、溶射皮膜形成装置１００は、溶融粒子噴射部１０と、ガス加熱部２０と、を備えている。溶融粒子噴射部１０は、ノズル１１、線材ホルダ１２を有している。ガス加熱部２０は、ガスボンベ２１、ヒータ２２を有している。

ノズル１１の形状は管状である。一端は細い噴射口１１ａとなっている。ノズル１１の噴射口１１ａと反対側の他端には、ガス配管３１が接続されている。ノズル１１はガス配管３１から供給されたガスを噴射口１１ａから噴射する。噴射口１１ａから噴射されたガスを噴射ガス１８という。このように、溶融粒子噴射部１０は、例えば、ノズル１１のようなガス噴射部を有している。

線材ホルダ１２は、複数個、例えば２個設けられている。線材ホルダ１２は、溶射材料１４を保持する。各線材ホルダ１２は、各溶射材料１４の先端１４ａが噴射口１１ａの前方に位置するように溶射材料１４を保持する。溶射材料１４の各先端１４ａの間には隙間が形成されている。線材ホルダ１２は、溶射材料１４の先端１４ａが溶融して消耗した場合には、溶融線材１４の先端１４ａが常にノズル１１の噴射口１１ａの前方に位置するように、溶射材料１４を送り出す構造となっている。線材ホルダ１２は、ＤＣ電源に配線４１を介して電気的に接続されている。線材ホルダ１２には、ＤＣ電源から、配線４１を介して電流が供給される。ＤＣ電源から供給された電流は、線材ホルダ１２を通じて溶射材料１４に供給される。ＤＣ電源は、溶射材料１４に対して通電を行うことによってアーク放電を発生させる。

ガス加熱部２０におけるガスボンベ２１は、ガスの種類ごとに設けられている。例えば、ガスボンベ２１は、複数個設けられている。一つのガスボンベには、例えば、空気（Air）が充填されている。もう一つのガスボンベには、例えば、窒素（N₂）が充填されている。また、各ガスボンベ２１にはガス配管３２が接続されている。各ガスボンベ２１に接続されたガス配管３２は結合して一本になり、ヒータ２２に接続されている。ガス配管３１及びガス配管３２には、適宜、開閉弁が設けられている。

ヒータ２２は、内部をガスが通る構造となっている。ヒータ２２の一端には、ガスボンベ２１に接続されたガス配管３２が接続されている。ヒータ２２の他端には、ノズル１１に接続されたガス配管３１が接続されている。ガスボンベ２１のガスはヒータ２２の内部を通ってノズル１１に供給される。例えば、ヒータ２２の内部には、遠赤外線を発生する熱源が複数設けられている。その熱源の近傍には、ガス配管が配置されている。これにより、ヒータ２２は、内部を通るガスを加熱する。

図２は、実施形態に係る溶射皮膜形成装置において溶融粒子噴射部の一部を例示する断面図である。
図２に示すように、溶融粒子噴射部１０は、例えば、ガス配管３１、溶射材料１４及びノズル１１が一体化した構成とされている。溶融粒子噴射部１０は、ガス配管３１及び溶射材料１４が延びる方向に軸Ａを有している。ノズル１１の噴射口１１ａは、軸Ａに対して直交する方向に向いている。そして、噴射口１１ａの前方に溶射材料１４の先端１４ａが配置されるように、溶射材料１４が保持されている。軸Ａに沿って延びたガス配管３１は、ノズル１１の他端に接続されている。なお、噴射ガス１８がボア５１の内面に向かうように噴射されれば、ノズル１１の噴射口１１ａは、軸Ａに対して直交する方向に向いていなくてもよい。

次に、実施形態に係る溶射皮膜形成装置１００の動作を説明する。
図１及び図２に示すように、シリンダブロック５０のボア５１の内面５１ａに溶射皮膜１５を形成する場合を例にして、動作を説明する。
まず、溶融粒子噴射部１０をシリンダブロック５０の内部に挿入する。そして、ボア５１の内面５１ａに対して噴射口１１ａを向ける。ガス加熱部２０はシリンダブロック５０の外部に配置する。

このように、溶射皮膜１５の形成時には、溶融粒子噴射部１０はシリンダブロック５０のボア５１内に挿入されるとともにガス加熱部２０はシリンダブロック５０のボア５１外に配置される。これにより、溶融粒子噴射部１０に大きな変更を加えることなくガス加熱部２０を設けることができる。

ガスボンベ２１の弁を開にする。空気（Air）及び窒素（N2）ガスは、ガス配管３２、ヒータ２２及びガス配管３１を通る。ガスは、ヒータ２２を通ることにより高温のガスとなる。このように、ガス加熱部２０は、噴射されるガスを噴射前に予め加熱する。例えば、ガス配管３２において、20℃のガスは、ヒータ２２を通ることによって、300℃まで上昇する。加熱前のガスの温度及び加熱後のガスの温度は、これらに限らない。ガスの種類、溶射材料１４の種類、溶射皮膜１５を形成する場所により適宜最適の温度を選択する。加熱されたガスはガス配管３１を通って、ノズル１１の噴射口１１ａから前方に高速で噴射される。

一方、ＤＣ電源は、２つの線材ホルダ１２の間に直流電流を通電する。線材ホルダ１２に保持された溶射材料１４間に電圧が印加される。溶射材料１４に対して通電を行うことによって、溶射材料１４の先端１４ａの間にアーク放電１６が生じる。これにより、溶射材料１４が溶融する。溶融粒子噴射部１０のガス噴射部は、アーク放電により溶融した溶射材料１４に対して、ボア５１内面に向かうガスを噴射する。溶融した溶射材料１４は、微粒化して溶融粒子１７となる。このようにして、溶融粒子噴射部１０は、溶融した溶射材料１４から形成された溶融粒子１７を、噴射ガス１８とともにボア５１の内面５１ａに対して噴射する。

溶融粒子１７は、噴射ガス１８とともに飛行して、ボア５１の内面５１ａに溶着する。シリンダブロック５０のボア５１内で溶融粒子噴射部１０を、軸Ａを回転軸として回転させながら、軸Ａの方向に沿って移動させる。溶融粒子噴射部１０をこのように移動させて、ボア５１の内面５１ａに溶射皮膜１５を形成する。

次に、実施形態に係る溶射皮膜形成装置１００を使用する工程フローを説明する。例えば、シリンダブロック５０のボア５１の内面５１ａに溶射皮膜１５を形成する工程を説明する。

図３は、実施形態に係る溶射皮膜形成装置を用いた溶射皮膜の形成方法を例示した工程図であり、上段に比較例による工程を示し、下段に本実施形態による工程を示す。

まず、上段の比較例を説明する。比較例において、まず、溶射前のボア５１の内面５１ａを粗面化する（ステップＳ１１）。溶射皮膜１５の付着を容易にするためである。次に、溶射前にシリンダブロック５０の基材を予熱する（ステップＳ１２）。比較例では、アーク溶射を用いてシリンダブロック５０のボア５１の内面５１ａに溶射皮膜１５を形成する。したがって、プラズマ照射と異なり、溶射皮膜の密着性を向上させるためには、シリンダブロック５０の基材の予熱が必要である。アーク溶射とは、アーク放電を用いて溶射する方法である。

次に、アーク溶射を行う（ステップＳ１３）。これにより、ボア５１の内面５１ａに溶射皮膜１５が形成される。比較例におけるアーク溶射では、噴射ガス１８は、加熱されていない。次に、ボア５１の内面５１ａの後工程を行う（ステップＳ１４）。内面５１ａに形成された溶射皮膜１５に対して研磨等の処理を行う。このようにして、比較例における溶射皮膜１５が形成される。

比較例においては、シリンダブロック５０の予熱を行っている。溶射皮膜１５と基材との間、及び、溶射皮膜１５全体（溶融粒子１７間）の密着性を向上させるために、シリンダブロック５０の基材を予熱する手法が一般的に知られている。シリンダブロック５０は、アルミ系または鉄系の合金から形成されている。また、シリンダブロック５０の質量は15〜30kgである。したがって、シリンダブロック５０の熱容量は大きい。それに加えて、シリンダブロック５０の熱伝導性も高い。よって、予熱が必要なボア５１の部分を予熱しても、周囲に伝導してしまう。

これらの理由から、シリンダブロック５０全体を一定温度以上に予熱する必要がある。したがって、予熱炉等の設備を必要とし、生産コストを上昇させる。また、シリンダブロック５０全体の温度が上昇する影響で、ボア５１の部分以外へ溶融粒子１７が付着し残存してしまう。このため、マスキングや後工程での除去（高圧洗浄等）が必要となり、生産コストを上昇させる。

一方、図３の下段に示すように、本実施形態においては、まず、比較例と同様の工程、すなわち、溶射前のボア５１の内面５１ａを粗面化する（ステップＳ２１）。次に、アーク溶射を行う（ステップＳ２２）。本実施形態では、加熱して高温にしたガスを用いてアーク溶射を行う。これにより、ボア５１の内面５１ａに溶射皮膜１５が形成される。次に、比較例と同様のボアの後工程を行う（ステップＳ２３）。このようにして、本実施形態における溶射皮膜１５が形成される。

本実施形態では、ステップＳ１２に示した、溶射前におけるシリンダブロック５０の基材の予熱を必要としてしない。したがって、予熱に必要な炉等の設備が不要である。また、ボア５１の部分以外へ溶融粒子１７が付着し残存することが抑制される。さらに、予熱する工程を削減し、工程に要する時間を短縮することができる。このように、実施形態の溶射皮膜生成装置１００は、比較例に比べて、生産コストを低減することができる。

図４は、実施形態に係る溶射皮膜形成装置において、溶融粒子の温度変化を例示した図であり、横軸は、経過時間を示し、縦軸は溶融粒子の温度を示す。高温のガスを用いた本実施形態における温度変化を破線（実施形態）で示す。基材の予熱がある比較例における温度変化を点線（予熱あり）で示す。基材の予熱がない比較例における温度変化を実線（予熱なし）で示す。

図４に示すように、高温のガスを用いた本実施形態においては、飛行中の溶融粒子１７の温度は、時間の経過とともに低下する。しかしながら、飛行中にわたって、本実施形態の溶融粒子１７の温度は、比較例の溶融粒子１７の温度よりも高くなっている。本実施形態では、噴射されるガスを加熱することによって、飛行中の溶射粒子１７の温度低下を抑制している。また、本実施形態では、ボア５１の基材に付着する際の溶融粒子１７の温度が比較例よりも高くなっている。さらに、ボア５１の基材に付着後、基材上で凝固するまでの時間Δｔが、予熱ありの比較例と同じ程度まで長くなっている。

一方、予熱ありの比較例では、飛行中の溶融粒子１７の温度は、時間の経過とともに低下する。飛行中の溶融粒子１７の温度は、本実施形態よりも低くなっている。溶融粒子１７の飛行中に、周辺ガスにより、溶射粒子１７が冷却されるためと考えられる。また、予熱ありの比較例では、基材に付着したときの溶融粒子１７の温度は、本実施形態よりも低くなっている。基材に付着後、凝固するまでの時間は、本実施形態と同じ程度である。基材の予熱があるために、凝固するまでの時間が本実施形態と同じ程度に長くなっている。

予熱なしの比較例では、飛行中の溶融粒子１７の温度は、時間の経過とともに低下する。飛行中の溶融粒子１７の温度は、本実施形態よりも低くなっている。予熱ありの比較例と同様に、溶融粒子１７の飛行中に、周辺ガスにより、溶射粒子１７が冷却されるためと考えられる。基材に付着したときの溶融粒子１７の温度も本実施形態よりも低くなっている。基材に付着後、凝固するまでの時間は、本実施形態及び予熱ありの比較例よりも短くなっている。

溶融粒子１７が基材に付着後、凝固するまでの時間（Δｔ）と、溶射皮膜１５の密着性との間に相関があることが知られている。これは、溶融粒子１７が基材に付着後、凝固するときに、溶射皮膜１５内に引張応力が発生するためと考えられている。また、溶融粒子１７が急激に凝固されると、溶射皮膜１５内に発生する引張応力が高くなることも知られている。基材の予熱は、基材に溶融粒子１７が付着した後の温度低下の勾配を緩やかにする。

本実施形態における高温の噴射ガス１８を用いる方法は、飛行中の溶融粒子１７の温度低下を抑制できるため、基材付着時の温度を比較例よりも高い状態にすることができる。このため、溶融粒子１７が凝固するまでの時間を長くすることができる。よって、応力の発生を緩和し、密着性を向上させることができる。

溶射皮膜の密着性を向上させる方法としては、溶射皮膜１５にレーザを照射することによるレーザアシスト照射法がある。しかしながら、シリンダブロック５０のボア５１内へ溶射皮膜１５を形成する場合には、ボア５１内にレーザアシスト照射をするためのレーザ配管等の部品を挿入しなければならない。また、レーザ照射部分に付着する異物対策も必要になる。これに対して、本実施形態の方法は、レーザ配管等の部品を新たにボア５１内に挿入する必要もなく、レーザ照射部分に付着する異物対策も必要としない。

図５は、実施形態に係る溶射皮膜形成装置において、噴射ガスの温度と飛行する溶融粒子の温度との関係を例示するグラフであり、横軸は、噴射ガスの温度を示し、縦軸は、飛行する溶融粒子のボア近傍における温度を示す。

図５に示すように、噴射ガス１８の温度を高くすることによって、飛行する溶融粒子１７のボア近傍における温度を高くすることができる。例えば、ヒータ２２によって加熱しない場合には、噴射ガス１８の温度は20℃である。このときのボア５１の付近における飛行する溶融粒子１７の温度は2130℃である。一方、ヒータ２２によって噴射ガス１８を100℃まで上昇させると、ボア５１付近の飛行する溶融粒子１７の温度は2180℃である。噴射ガス１８を200℃まで上昇させると、溶融粒子１７の温度は2240℃になり、噴射ガス１８を300℃まで上昇させると、溶融粒子１７の温度は2280℃程度まで上昇する。したがって、噴射ガス１８の温度を20℃から300℃まで上昇させることにより、溶融粒子１７の温度を約150℃上昇させることができる。

なお、アーク放電１６による溶融粒子１７の初期の温度は3000℃である。飛行する溶融粒子１７の粒径は50μｍである。溶射材料１４の密度は、7070kg/m³である。溶射材料１４の比熱は、460J/(kg/K)である。

次に、本実施形態の効果を説明する。
本実施形態に係る溶射皮膜形成装置１００によれば、溶融した溶射材料１４に対して噴射されるガスを噴射前に予め加熱している。これにより、溶射粒子１７がボア５１の内面５１ａまでの飛行中に周辺ガスによって冷却されることを抑制することができる。そして、溶射粒子１７がボア５１の内面５１ａに付着する際の、溶射粒子の温度を高くすることができる。よって、溶射粒子１７が内面５１ａに付着してから凝固するまでの時間を長くすることができる。これにより、溶射皮膜１５における応力の発生を抑制し、シリンダブロック５０の基材と溶射皮膜１５との間の密着性及び溶射皮膜１５全体の密着性を向上させることができる。

また、溶射前におけるシリンダブロック５０の基材の予熱を必要としない。したがって、炉等の設備を必要としない。また、予熱のための工程を短縮することができる。これにより、生産コストを低減することができる。さらに、アーク溶射は、プラズマ溶射と異なり、基材が過度に過熱することはないので、基材の冷却機構のような設備も必要としない。さらにまた、レーザアシスト照射のように新たな設備をボア５１に挿入する必要もない。

溶射皮膜１５の形成時には、溶融粒子噴射部１０はシリンダブロック５０のボア５１内に挿入されるとともにガス加熱部２０はシリンダブロック５０のボア５１外に配置される。これにより、溶融粒子噴射部１０に大きな変更を加えることなくガス加熱部２０を設けることができる。

以上、本発明にかかる溶射皮膜形成装置の実施の形態を説明したが、上記の構成に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。

例えば、本実施形態では、溶射皮膜形成装置１００をシリンダブロック５０のボア５１内の溶射皮膜１５を形成する場合について説明したが、シリンダブロック５０のボア５１内以外に溶射皮膜１５を形成する場合に適用してもよい。また、溶融粒子噴射部１０を、ノズル１１、ガス配管３１及び線材ホルダ１２が一体化した構成としたが、分離した構成としてもよい。

１０溶融粒子噴射部
１１ノズル
１１ａ噴射口
１２線材ホルダ
１４溶射材料
１４ａ先端
１５溶射皮膜
１６アーク放電
１７溶融粒子
１８噴射ガス
２０ガス加熱部
２１ガスボンベ
２２ヒータ
３１ガス配管
３２ガス配管
４１配線
５０シリンダブロック
５１ボア
５１ａ内面
１００溶射皮膜形成装置

Claims

シリンダブロックのボアの内面に溶射皮膜を形成する溶射皮膜形成装置であって、
溶射材料に対して通電を行うことによって生じるアーク放電により溶融した前記溶射材料に対して、前記内面に向かうガスを噴射するガス噴射部を有する溶融粒子噴射部と、
溶融した前記溶射材料に対して噴射される前記ガスを噴射前に予め加熱するガス加熱部と、を備えた溶射皮膜形成装置。
前記溶射皮膜の形成時に、前記溶融粒子噴射部は前記シリンダブロックのボア内に挿入されるとともに前記ガス加熱部は前記シリンダブロックのボア外に配置される請求項１に記載の溶射皮膜形成装置。