JP4644687B2 - 基板にプラズマ溶射されるコーティング粉末及びその使用方法 - Google Patents

基板にプラズマ溶射されるコーティング粉末及びその使用方法 Download PDF

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Description

本発明は、燃焼機関のエンジンブロックのシリンダー摺動面として機能する基体に、プラズマ溶射操作により設けられる第1鉄コーティングに関する。更に、本発明は、燃焼機関のエンジンブロックのシリンダー摺動面として機能する基板に、第1鉄のコーティングを設ける方法に関する。
従来においては、アルミニウム又はマグネシウム合金からなる燃焼機関のエンジンブロックのシリンダーの摺動面に用いる従来から使用されている材料は、ねずみ鋳鉄又は圧粉化された(compacted)グラファイトとブレンドされた鋳鉄からなる。これにより、かかる鋳鉄からなるシリンダースリーブは、これらの燃焼機関のエンジンブロックにプレスされるか又は鋳造(cast)される。
しかし、かかるシリンダースリーブを設けることにより、一方ではエンジンブロックのサイズ及び重量は、ネガティブな意味において影響を及ぼされる。他方、鋳鉄からなるシリンダースリーブと軽金属合金からなるエンジンブロックとの間の不都合な又は悪い関係は、考慮されなければならない。他に、亜鉛めっき法により設けられたコーティングも使用することができる。しかし、かかるコーティングを設けることは、高価であり、更に、かかるコーティングは、硫酸及びギ酸の影響を受けて腐食する。
また、通常、プラズマ溶射操作によりボア(bore)にコーティングを設けることは、従来より公知である。従って、多様な金属材料を基板に適用することができる。コーティングをプラズマ溶射操作により設けた後、更に該ボアはダイアモンドホーニングにより加工されて、所望する最終直径に到達し、また所望する形態(topography)を備える。それぞれ加工される(process)か機械加工される(machine)コーティングの能力及び摩擦特性は、特定のコーティングの物理特性及びマイクロ構造に高く依存する。
本発明は、プラズマ溶射操作により設けられる、燃焼機関のエンジンシリンダーブロックの摺動面用の第1鉄コーティングの機械加工(maching)及び加工(processing)並びに摩擦特性を改良することを目的とする。
上記目的及び他の目的を実現するために、本発明は、まず最初に、燃焼機関のエンジンブロックのシリンダー摺動面として機能する基板に、プラズマ溶射操作により設けられる第1鉄コーティングを提供し、これにより該コーティングは、2〜2.5重量%の含量の結合酸素を有し、該結合酸素は、鉄と一緒に組み合わされて、FeO及びFe結晶を形成する。
本発明は、プラズマ溶射操作の間、酸素とコーティング用に用いられる粉末の、特別に制御された反応によりマイクロ構造が形成されることができるという知見に基づいてなされたもので、即ち、マイクロ構造は、機械加工及び加工並びにトリボロジーにそれぞれ関する限り、優れた特性を有する。特に、摩擦係数及びスカフィングに対する傾向、即ち接着摩耗の開始が、劇的に減少する。
前記したように、プラズマ溶射により設けられる本発明のコーティングは、2〜2.5重量%の含量の結合酸素を有する。かかるコーティングを設けるための基板として、特に適切なものは、
・アルミニウム若しくはマグネシウム合金又は鋳鉄からなる燃焼機関のシリンダーブロックのシリンダーボア;
・鋳鉄からなり、アルミニウム若しくはマグネシウム合金からなる燃焼機関のシリンダーブロックに挿入されるスリーブの内壁
である。
好適例においては、結合される酸素は、鉄と一緒に組み合わされて、コーティング中FeO及びFe結晶を形成する。これにより、Feの含量は0.2重量%以下であることが好ましい。形成される酸化物の量は、空気と窒素又は酸素とを混合することによって更に制御されることができる。空気を純酸素に置き換える場合には、コーティング中の結合酸素の含量は、約2分の1減少する。
第2に、本発明は更に、燃焼機関のエンジンブロックのシリンダー摺動面として機能する基板に第1鉄のコーティングを設ける方法に関するものである。本発明の方法は、プラズマ溶射装置を準備し、設けられるコーティングの原材料を構成するコーティング粉末を用意し、シリンダーの摺動面上にプラズマ溶射装置により該コーティング粉末を溶射する方法であって、
・プラズマ溶射装置に空気を供給して、基板上にコーティング粉末と空気を同時に1分あたり200〜1000標準(normalized)リットルの量で溶射する工程;又は、
・プラズマ溶射装置に酸素含有ガスを供給し、基板上にコーティング粉末と酸素含有ガスを同時に1分あたり200〜1000標準リットルの量で溶射する工程;又は、
・プラズマ溶射装置に酸素を供給して、基板上にコーティング粉末と酸素を同時に1分あたり40〜200標準リットルの量で溶射する工程
のいずれかを含み、コーティング中のFeO及びFe の量は、粉末粒子のサイズ分布によりコントロールされ、粉末の粒子のサイズは、25〜30μmの範囲である。
“1分あたりの標準(normalized)リットル”とは、1バール(=10Pa)の大気圧及び20℃の温度での1分あたりのリットルを意味するものである。好ましくは、スリーブ若しくはシリンダーボアの内部のガス流の速度は、プラズマ溶射操作の間、7〜12m/sである。
好適例においては、ガス噴霧された粉末は、基板にプラズマ溶射され、ここで該粉末は次の組成:
C= 0.4〜1.5重量%
Cr=0.2〜2.5重量%
Mn=0.02〜3重量%
P =所望の場合には0.01〜0.1重量%
S =所望の場合には0.01〜0.2重量%
Fe=100重量%になるまでの残余
を有する。
他の好適例においては、ガス噴霧された粉末は、基板にプラズマ溶射され、ここで該粉末は次の組成:
C= 0.1〜0.8重量%
Cr=11〜18重量%
Mn=0.1〜1.5重量%
Mo=0.1〜5重量%
S =所望の場合には0.01〜0.2重量%
P =所望の場合には0.01〜0.1重量%
Fe=100重量%になるまでの残余
を有する。
コーティング中のFeO及びFeの量は、粉末中の粒子サイズ分布により、影響を及ぼされる。粒子サイズは、光学顕微鏡若しくは電子顕微鏡により、特に走査顕微鏡により、またはレーザー回析法MICROTRACにしたがって測定することができる。
好ましくは、アルゴン若しくは窒素によりガス噴霧されたコーティング粉末を使用する。
コーティング粉末が、減摩酸化物セラミックとブレンドされて使用される場合に、最良の結果を得ることができる。好ましくは、酸化物セラミックは、TiO又はAlTiO及び/又はAlZrO合金系からなる。コーティング粉末中の酸化物セラミックの割合は、5〜50重量%とすることができる。
最適な粒子サイズは、設けられるべきコーティングの減摩特性に応じて、更にコーティングが設けられるべき基板の機械的挙動に応じて選定されるべきであることに注目すべきである。
本発明を次の実施例により説明する。
実施例1
コーティング粉末を、プラズマトロンにより燃焼機関のシリンダースリーブの摺動面に設けた。当該コーティング粉末は、次の組成を有していた:
C=1.1重量%
Cr=1.5重量%
Mn=1.5重量%
Fe=100重量%になるまでの残余
適切には、当該コーティング粉末には、さらにS及びPを少量含むこともできる(即ち、0.01〜0.2重量%)。
当該コーティング粉末の粒子サイズは、5〜25μmであった。この粉末は、ガス噴霧法により製造される。コーティングを設ける操作の間のガス流の速度は、10m/sであり、コーティングの冷却かつ粉末の反応のためにプラズマトロンに供給される空気の量は、500NLPM(1分あたりの標準リットル)であった。このことは、約100NLPM純酸素に対応する。かかる量の空気は、例えば米国特許第5519183号に記載されているように、公知のプラズマトロンのボディーを介して供給される。
実施された実験の結果は、設けられたコーティング中の酸素の含量が3重量%の範囲であることを示した。X線により実施されたマクロ構造分析により、酸素は化学量論式FeO及びFeに従って結合されている。さらに、この分析により、Feの存在は、検出できる限界以下であることが示された。
コーティングを設けた後、シリンダースリーブを更にダイアモンドホーニングにより加工した。かかるシリンダースリーブを備えた燃焼機関のエンジンを用いた実験では、ピストンリングとシリンダースリーブとの間の摩擦係数が、ねずみ鋳鉄からなる従来のシリンダースリーブに比較して、著しく減少することが明確に確認された。
実施例2
粒子サイズが10〜45μmである以外は、前記した実施例1と同様の組成を有する粉末を用いた。更に、全ての他の条件は、実施例1に記載されたものと同一である。これにより、設けられたコーティング中の結合酸素の含量は、2重量%の範囲であることを見出した。当該コーティングの他の分析結果は、実施例1に関して説明したと同様であった。
コーティングを設けた後、シリンダースリーブを更にダイアモンドホーニングにより加工した。かかるシリンダースリーブを備えた燃焼機関のエンジンによる実験では、ピストンリングとシリンダースリーブとの間の摩擦係数が、ねずみ鋳鉄からなる従来のシリンダースリーブに比較して、著しく減少し、これにより、摩擦係数は結合酸素の量と関係があることが明確に確認された。
実施例3
亜硫酸(sulphurous)燃料又はメタノールで動作される燃焼機関に使用されるシリンダースリーブは、次の組成:
C =0.4重量%
Cr=13.0重量%
Mn=1.5重量%
Mo=2.0重量%
Fe=100重量%になるまでの残余
を有する粉末を用いて、実施例1に記載したと同様の条件下でコートされた。所定条件での露点以下の温度でエンジンが動作される場合に、かかるエンジンは腐食される。
適切には、当該コーティング粉末には、更にS及びPを少量含むこともできる(即ち、0.01〜0.2重量%)。
当該コーティング粉末の粒子のサイズは10〜45μmであった。
かかるコーティングを用いて試験を行った結果、実施例1及び2で説明したのとほぼ同様の望ましい結果を得ることができた。
実施例4
コーティング粉末にセラミック合金粉末を30重量%添加した以外は、実施例2に記載したのと同様の方法を実施した。該セラミック合金粉末は60重量%のAlと40重量%のTiO組成を有する。かかる粉末を用いて調製したコーティングは、5〜22μmのサイズを有するセラミック粒子を含有することにより機械的に強化される。
実施例5
80重量%のAlと20重量%のTiO組成を有するセラミック合金粉末を、コーティング粉末に30重量%添加した以外は、実施例4に記載したのと同様の方法を実施した。かかる粉末を用いて調製したコーティングは、5〜22μmのサイズを有するセラミック粒子を含有することにより機械的に強化される。
図1は、コーティング粉末の粒子サイズと摩擦係数の減少との関係、並びにコーティング粉末の粒子サイズと機械的特性、特にコーティングの接着強度との関係を示す図である。図1から、一方では摩擦係数は粒子サイズが増大する場合、徐々に減少することがわかる。他方、接着強度は、粒子サイズが増加するに従って、徐々に減少することがわかる。両者を考慮すると、粒子サイズは25〜30μmの範囲であることができ、これにより,結局約45〜50MPaとなる接着強度は、ほとんどの場合において十分であり、一方摩擦係数は、従来の コーティングと比較して、やはり約22〜25%減少する。しかし、接着強度が第一に重要なものであり、摩擦係数の減少が第二に重要なものである場合には、より小さいサイズの粒子を有するコーティング粉末を選択することもできる。代わりに、摩擦係数の減少が第一に重要なものであり、コーティングの接着強度がそれよりも重要度が低い場合には、より大きいサイズの粒子を有するコーティング粉末を選択することもできる。
図2は、コーティング中の結合酸素の量と摩擦係数の減少との関係、並びにコーティング中の結合酸素の量と機械的特性、特にコーティングの接着強度との関係を示す図である。図2から、一方ではコーティング中の結合酸素の量が増加する場合、摩擦係数は徐々に減少する。他方、コーティング中の結合酸素の量が増加する場合、接着強度は徐々に減少する。 両者を考慮すると、結合酸素の含量は2〜2.5重量%の範囲であることができ、これにより,結局約45〜50MPaとなる接着強度は、ほとんどの場合において十分であり、一方摩擦係数は、従来のコーティングと比較して、やはり約20〜25%減少する。図1に関して説明したのと同様に、接着強度が第一に重要なものであり、摩擦係数の減少が第二に重要なものである場合には、コーティング中の結合酸素の含量をより少なくすることができる。代わりに、摩擦係数の減少が第一に重要なものであり、コーティングの接着強度がそれよりも重要度が低い場合には、コーティング中の結合酸素の含量を高くすることができる。
図1は、コーティング粉末の粒子サイズと摩擦係数の減少との関係、並びにコーティング粉末の粒子サイズと機械的特性、特にコーティングの接着強度との関係を示す図である。 図2は、コーティング中の結合酸素の量と摩擦係数の減少との関係、並びにコーティング中の結合酸素の量と機械的特性、特にコーティングの接着強度との関係を示す図である。

Claims (24)

  1. 空気、酸素含有ガス又は酸素と同時に基板にプラズマ溶射されて第1鉄コーティングを形成するためのコーティング粉末において、
    前記粉末は、次の組成:
    C=0.4〜1.5重量%
    Cr=0.2〜2.5重量%
    Mn=0.02〜3重量%
    Fe=100重量%になるまでの残余
    を有し、
    粉末の粒子サイズは25〜30μmであり、
    酸素と結合して、2〜2.5重量%の含量の結合酸素を有し、FeO及びFe 結晶を有する第1鉄コーティングを形成することを特徴とするコーティング粉末。
  2. 空気、酸素含有ガス又は酸素と同時に基板にプラズマ溶射されて第1鉄コーティングを形成するためのコーティング粉末において、
    前記粉末は、次の組成:
    C=0.4〜1.5重量%
    Cr=0.2〜2.5重量%
    Mn=0.02〜3重量%
    S=0.01〜0.2重量%
    P=0.01〜0.1重量%
    Fe=100重量%になるまでの残余
    を有し、
    粉末の粒子サイズは25〜30μmであり、
    酸素と結合して、2〜2.5重量%の含量の結合酸素を有し、FeO及びFe 結晶を有する第1鉄コーティングを形成することを特徴とするコーティング粉末。
  3. 空気、酸素含有ガス又は酸素と同時に基板にプラズマ溶射されて第1鉄コーティングを形成するためのコーティング粉末において、
    前記粉末は、次の組成:
    C=0.1〜0.8重量%
    Cr=11〜18重量%
    Mn=0.1〜1.5重量%
    Mo=0.1〜5重量%
    Fe=100重量%になるまでの残余
    を有し、
    粉末の粒子サイズは25〜30μmであり、
    酸素と結合して、2〜2.5重量%の含量の結合酸素を有し、FeO及びFe 結晶を有する第1鉄コーティングを形成することを特徴とするコーティング粉末。
  4. 空気、酸素含有ガス又は酸素と同時に基板にプラズマ溶射されて第1鉄コーティングを形成するためのコーティング粉末において、
    前記粉末は、次の組成:
    C=0.1〜0.8重量%
    Cr=11〜18重量%
    Mn=0.1〜1.5重量%
    Mo=0.1〜5重量%
    S=0.01〜0.2重量%
    P=0.01〜0.1重量%
    Fe=100重量%になるまでの残余
    を有し、
    粉末の粒子サイズは25〜30μmであり、
    酸素と結合して、2〜2.5重量%の含量の結合酸素を有し、FeO及びFe 結晶を有する第1鉄コーティングを形成することを特徴とするコーティング粉末。
  5. アルゴン又は窒素によりガス噴霧されることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項記載のコーティング粉末。
  6. 減摩性の酸化物セラミックを添加することにより修飾されたことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項記載のコーティング粉末。
  7. コーティング粉末中の前記酸化物セラミックの含量は、5〜50重量%であることを特徴とする請求項6記載のコーティング粉末。
  8. 前記酸化物セラミックは、TiO を含むことを特徴とする請求項6記載のコーティング粉末。
  9. 前記酸化物セラミックは、AlTiO を含むことを特徴とする請求項6記載のコーティング粉末。
  10. 前記酸化物セラミックは、AlZrO を含むことを特徴とする請求項6記載のコーティング粉末。
  11. 前記酸化物セラミックは、AlTiO びAlZrO を含むことを特徴とする請求項6記載のコーティング粉末。
  12. 請求項1〜11のいずれか一項に記載の粉末の、基板にプラズマ溶射されるコーティング粉末としての使用方法。
  13. プラズマ溶射装置を準備し、設けられるべきコーティングの原材料を構成するコーティング粉末を用意して、シリンダーの摺動面上にプラズマ溶射装置により該コーティング粉末を溶射する工程を含む、燃焼機関のエンジンブロックのシリンダー摺動面として機能する基板に第1鉄のコーティングを設ける方法において、
    前記プラズマ溶射装置に空気を供給して、前記基板上に粒子サイズ25〜30μmの前記コーティング粉末と前記空気を同時に1分あたり200〜1000標準リットルの量で溶射する工程、又は、
    前記プラズマ溶射装置に酸素含有ガスを供給して、前記基板上に粒子サイズ25〜30μmの前記コーティング粉末と前記酸素含有ガスを同時に1分あたり40〜200標準リットル酸素の量で溶射する工程、又は、
    前記プラズマ溶射装置に酸素を供給して、前記基板上に粒子サイズ25〜30μmの前記コーティング粉末と前記酸素を同時に1分あたり40〜200標準リットルの量で溶射する工程の3工程から1つの工程を実施し、
    2〜2.5重量%の含量の結合酸素を有し、FeO及びFe 結晶を有する第1鉄コーティングを基板上に設ける方法。
  14. ガス噴霧される粉末は、前記基板にプラズマ溶射され、前記粉末は、次の組成:
    C=0.4〜1.5重量%
    Cr=0.2〜2.5重量%
    Mn=0.02〜3重量%
    Fe=100重量%になるまでの残余
    を有することを特徴とする請求項13に記載の方法。
  15. ガス噴霧される粉末は、前記基板にプラズマ溶射され、前記粉末は、次の組成:
    C=0.4〜1.5重量%
    Cr=0.2〜2.5重量%
    Mn=0.02〜3重量%
    S=0.01〜0.2重量%
    P=0.01〜0.1重量%
    Fe=100重量%になるまでの残余
    を有することを特徴とする請求項13に記載の方法。
  16. ガス噴霧される粉末は、前記基板にプラズマ溶射され、前記粉末は、次の組成:
    C=0.1〜0.8重量%
    Cr=11〜18重量%
    Mn=0.1〜1.5重量%
    Mo=0.1〜5重量%
    Fe=100重量%になるまでの残余
    を有することを特徴とする請求項13に記載の方法。
  17. ガス噴霧される粉末は、前記基板にプラズマ溶射され、前記粉末は、次の組成:
    C=0.1〜0.8重量%
    Cr=11〜18重量%
    Mn=0.1〜1.5重量%
    Mo=0.1〜5重量%
    S=0.01〜0.2重量%
    P=0.01〜0.1重量%
    Fe=100重量%になるまでの残余
    を有することを特徴とする請求項13に記載の方法。
  18. 前記粉末は、アルゴン又は窒素によりガス噴霧されることを特徴とする請求項13〜17のいずれか一項記載の方法。
  19. 前記粉末は、減摩性の酸化物セラミックを添加することにより修飾されたことを特徴とする請求項13〜18のいずれか一項記載の方法。
  20. コーティング粉末中の前記酸化物セラミックの含量は、5〜50重量%であることを特徴とする請求項19記載の方法。
  21. 前記酸化物セラミックは、TiO を含むことを特徴とする請求項19記載の方法。
  22. 前記酸化物セラミックは、Al O3TiO を含むことを特徴とする請求項19記載の方法。
  23. 前記酸化物セラミックは、Al ZrO を含むことを特徴とする請求項19記載の方法。
  24. 前記酸化物セラミックは、Al TiO 及びAl ZrO を含むことを特徴とする請求項19記載の方法。
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