JP4725543B2

JP4725543B2 - 溶射装置

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Publication number: JP4725543B2
Application number: JP2007078595A
Authority: JP
Inventors: 幸多児玉; 典孝宮本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-03-26
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2027-03-26
Also published as: US20100065662A1; WO2008126608A9; EP2130939A4; US20120067285A1; JP2008237975A; EP2130939A1; EP2130939B1; WO2008126608A1; US8957346B2

Description

本発明は、エンジンのシリンダボア内周面等に溶射被膜を形成する溶射装置に関するものである。

シリンダブロックのシリンダボア面には、アークやプラズマ、ガス等にて燃焼火炎（フレーム）を発生させ、各種金属や合金属を瞬間溶融し、圧縮エアにてアトマイズ粉砕（微粒子化）された溶射粒子を衝突／凝固付着させる溶射技術によって該ボア面の耐食性、耐摩耗性等を向上させるための溶射被膜が形成されている。かかる溶射は、例えば特許文献１に開示のように自転姿勢の溶射ガンをシリンダボアの両端間で移動させることによっておこなわれているが、溶射粒子のボア面への衝突に際しては溶射粒子のはね返りが生じ、かかる反射粒子や溶射ヒュームがボア面に付着するといった問題が生じていた。

この反射粒子、溶射ヒュームの付着は、ボアの上端（シリンダブロック外部に臨むシリンダボアの端部）からボア下端（シリンダブロック内部に臨むシリンダボアの端部）へ溶射ガンを移動させる場合には、下方のボア面の未溶射面へ付着するものであり、ボア下端から上端へ溶射ガンを移動させる場合には上方のボア面の未溶射面へ付着するものである。反射粒子、溶射ヒュームがボア面の未溶射面へ付着することにより、未溶射面における溶射粒子の密着強度が著しく低下し、ボア面の平滑性が損なわれるといった問題が生じる。

上記反射粒子等のボア面への付着を防止する技術として、特許文献２，３に開示の溶射方法、溶射装置を挙げることができる。特許文献２の溶射方法および溶射装置は、皮膜不要部への溶射粒子の付着を防止するためにマスキング部材を用いる従来の溶射装置において、このマスキング部材の着脱による作業効率の低下を図ることを目的とした装置であり、具体的には、溶射ガンからの溶射用材料の溶射方向を、この溶射方向と円筒内面との成す溶射角度が鋭角となるよう傾斜させた状態で、溶射ガンを円筒内の軸方向に移動させつつ溶射を行い、円筒内面の軸方向端部付近での溶射角度を、他の部位での溶射角度より大きくするものである。

また、特許文献３の溶射方法は、回転する中空円筒管の下部開口部からその外周面のうち下側１／２の部分において、開口端面と平行な面上にリング状に周設された凹部に対して圧縮空気を噴射することにより、内周面に沿って上昇する気流を生ぜしめ、内周面に付着した未溶解粒子やヒュームを除去するというものである。

特開平７−６２５１８号公報特開２００５−１５４８０２号公報特開平１１−１７５８号公報

特許文献２の溶射方法によれば、マスキング部材の着脱作業を不要とできるものの、単に溶射角度を調整するのみであり、この構成では反射粒子や溶射ヒュームがボア面の未溶射面へ付着することを完全に防止することはできない。また、特許文献３の溶射方法では、ボア面に付着したヒュームを除去することはできるが、ヒューム等の付着を回避するには至らない。

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、簡易な装置構成で、溶射時の反射粒子や溶射ヒュームのシリンダボア面への付着を効果的に防止することのできる溶射装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による溶射装置は、シリンダボア面にアーク溶射被膜を形成する溶射装置であって、前記溶射装置は、回転制御手段と、移動制御手段と、該回転制御手段によって回転され、その一端に溶射ガンの移動方向に直交する方向に臨む第１の吐出口を有し、さらに、該第１の吐出口に直交する方向に臨む第２の吐出口を有する溶射ガンと、を少なくとも具備しており、前記溶射ガンにおいて、前記第１の吐出口よりも該溶射ガンの移動方向側にある所定部位には、前記第１の吐出口と同方向に臨む流体吐出用の第３の吐出口が設けられており、前記第１の吐出口からアトマイズエアが吐出され、かつ、前記第２の吐出口から補助エアが吐出されるものであり、前記溶射ガンが前記回転制御手段によって回転した姿勢で、前記移動制御手段によって前記第１の吐出口がシリンダボアの一端側から他端側へ移動する際に、シリンダボア面への溶射粒子の噴射に同期して前記流体が該ボア面へ噴射されることを特徴とするものである。

本発明における溶射装置を適用してなる溶射方法は、アーク溶射を対象としている。また、アーク溶射用線材（ワイヤ）の素材としては、鉄、アルミニウム、亜鉛、チタン、モリブデン等の金属、スズ−亜鉛合金、ニッケル−アルミ合金、ニッケル−クロム合金等の合金、アルミナ、ジルコニア等のセラミックス粉末、ステライト合金、クロム−鉄合金粉末等からなる線材を使用することができる。

また、本発明の溶射装置は、エンジンのシリンダボア内周面等にアーク溶射被膜を形成する用途に好適であるが、シリンダブロックのボア面以外にも、アクチュエータであるシリンダユニット機構を構成するシリンダの摺動面など、その耐摩耗性等を向上させる必要のある適宜の筒状部材内面へのアーク溶射に適用できることは勿論のことである。

溶射ガンの先端部位では、例えば、電位差を与えた２本の溶射用線材（ワイヤ）をそれらの先端同士で短絡させてアークを発生させ、溶射用線材の溶滴を形成する。ここで、溶射ガン先端から圧縮された補助エアを第２の吐出口から吐出し、次いで、ボア面に向かうアトマイズエアを第１の吐出口から吐出することで溶射粒子を形成し、ボア面に該溶射粒子を噴射させるものである。溶射加工の進行に応じて消耗していくワイヤの先端同士が近接する位置関係を維持できるように、ワイヤは適宜の送出し機構によって補給される。

溶射装置は、溶射ガンを回転制御する回転制御手段と、溶射ガンをボアの軸心方向に昇降制御する移動制御手段とを備えており、例えば、溶射ガンがボア下端に降下され、該ボア下端にてフレームを安定させた後に回転され、この姿勢を保持しながら所定速度でボア内を一度上昇しながらボア面に溶射被膜を形成することができる。なお、回転姿勢の溶射ガンがボア内を複数回昇降しながら溶射被膜を形成する方法であってもよいことは勿論のことである。

本発明の溶射装置では、この溶射ガンの移動方向側の所定部位にさらに圧縮エア等の流体吐出用の第３の吐出口が形成されており、ボア面への溶射粒子の噴射と同期するようにしてこの第３の吐出口からも流体がボア面に吐出されるようになっている。

例えば、上記するように溶射ガンがボア下端から上端へ移動しながらボア面に溶射被膜を形成する場合に、溶射ガンの下端に形成された第１、第２の吐出口のさらに上方（ボア上端側）に第３の吐出口が設けられていて、下方で溶射粒子が噴射されるとともにその上方から圧縮エアが噴射されるものである。

本発明者等の実験によれば、溶射粒子の噴射部位よりも溶射ガンの移動方向側において流体を吐出することにより、溶射時の反射粒子等の酸化物（溶射ヒューム）がボア面の未溶射部位に付着することが効果的に防止されることが実証されている。

未溶射部位への溶射ヒュームの付着が防止される結果、形成される溶射被膜とボア面との密着強度の低下を確実に防止することができる。なお、溶射装置がシリンダブロック内部に載置された吸引装置をも備えており、ボア下端側から溶射ヒュームを吸引しながら溶射加工を実施することにより、溶射ヒュームの未溶射部位への付着防止効果をより一層高めることができる。

また、本発明による溶射装置の好ましい実施の形態は、前記溶射装置において、前記ボア面に噴射され、堆積したアーク溶射被膜の堆積中心から、前記第３の吐出口から延びる軸心線とボア面との交点までの距離が１０〜４０ｍｍの範囲に設定されていることを特徴とするものである。

上記する溶射ガンの形態によれば、第１の吐出口から噴射されるアトマイズエアと第２の吐出口から噴射される補助エアにより、実際にボア面に噴射される溶射粒子の噴射角度は溶射ガンの移動方向（例えば鉛直方向）に直交する方向（水平方向であってボア面の法線方向）から所定角度だけ下方へ傾斜した方向となる。

よって、溶射ガンが上方へ移動しながら溶射被膜を形成する場合には、アトマイズエアがボア面の法線方向に吐出されたとしても、実際に溶射粒子がボア面に噴射される角度は水平方向下方の部位となり、この部位は、補助エアおよびアトマイズエアの噴射圧と第１の吐出口とボア面との離間、さらには溶射ガンの移動速度に依存する。

ここで、本発明者等の実験によれば、所定の移動速度にて溶射ガンを上方に移動させ、かつ所定の圧力にて補助エアおよびアトマイズエアを吐出し、さらに第１の吐出口とボア面との間に所定の離間を設定した場合において、溶射粒子が噴射されてなるアーク溶射被膜の堆積中心から、第３の吐出口から延びる軸心とボア面との交点までの距離が１０〜４０ｍｍ離れている実施の形態において、被膜の密着強度、具体的には注目している溶射部位から上方（後行して溶射被膜が形成される部位の溶射被膜）の密着強度が、所定の基準値を超える高い強度を呈することが実証されている。

上記する本発明の溶射装置を使用してそのボア面に溶射被膜が形成されてなるシリンダブロックを製造することにより、溶射被膜とボア面との高い密着強度を確保でき、したがって長期に亘ってボア面が耐磨耗層（溶射被膜）にて保護されることから、シリンダブロックの耐久性を従来のそれに比して格段に向上させることが可能となる。

以上の説明から理解できるように、本発明の溶射装置によれば、アーク溶射時におけるボア面の未溶射部位への溶射ヒュームの付着が効果的に防止できることで、溶射被膜とボア面との高い密着強度を確保することができ、したがって、シリンダブロックの耐久性を向上させることに繋がる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の溶射装置を示した模式図であり、図２は溶射ガンの拡大図であり、図３は図２のIII―III矢視図である。図４は溶射ガンがシリンダボア面に溶射粒子を噴射している状況を説明した図であって、かつ、第３の吐出口の軸心がボア面と交差する部位と溶射粒子の堆積中心とを説明した図である。図５は第３の吐出口の軸心線がボア面と交差する部位と溶射粒子の堆積中心との距離と該堆積中心から上方の溶射被膜の密着強度に関する実験結果を示したグラフであり、図６はボア面と溶射被膜との境界断面の光学顕微鏡画像である。

図１は、シリンダブロックのボア内面に本発明のアーク溶射被膜を形成する際に使用される溶射装置の一実施の形態の模式図である。この溶射装置１０は、基台１、該基台１に支持固定された支持部２、該支持部２に沿って上下にスライドする溶射ツール３、この溶射ツール３の先端に装着された溶射ガン６、コントローラ４およびシリンダブロックＣが載置固定されるパレット７から大略構成されている。

支持部２は、基台１上に設置されるとともに、溶射ツール３に設けられているスライダ３１を昇降自在に支持している。コントローラ４は、支持部２の上部に装着された昇降駆動モータ５１、回転駆動モータ５２に接続されている。昇降駆動モータ５１の回転軸には、螺旋スクリュ３２が取付けられており、該螺旋スクリュ３２にはスライダ３１に固定されたサポート３３が螺合している。コントローラ４は、昇降駆動モータ５１の回転方向や回転速度を制御するものであり、昇降駆動モータ５１の回転によって溶射ツール３が所望の速度で昇降することができる。さらに、該コントローラ４には、溶射ガン６を所定速度で回転させる回転制御部と所定速度で昇降させる移動制御部、後述するアトマイズエア、補助エア、ヒューム付着防止エアを同期して噴射させる噴射制御部を内蔵しており、管理者が溶射ガンの移動速度、回転速度を入力することによって、以後の回転、移動、噴射が自動制御されるようになっている。

溶射ツール３のツール本体３４はその先端に溶射ガン６を装着しており、回転駆動モータ５２によって該ツール本体３４および溶射ガン６はそれらの軸廻りに回転する（図中のＹ方向）。また、パレット７は基台１上に装着されており、シリンダブロックＣを載置固定する。ツール本体３４および溶射ガン６がシリンダブロックＣのボアＣ１内を回転姿勢で昇降する際に（図中のＸ方向）、ボアＣ１のボア面に溶射粒子が溶射される。なお、シリンダブロックＣはアルミニウム合金鋳物から成形されるものであり、例えばＪＩＳＡＣ２Ｃ、ＡＤＣ１２等が使用できる。

図２は、溶射ガン６を拡大した図であり、図３はその側面図である。溶射装置１０が溶射を行う際には、不図示の電力線に電圧が印加され、アーク溶射用線材（ワイヤＷ）の先端接触部でアークが発生し、その熱によってワイヤＷの先端が溶融する。溶融して消耗した分のワイヤＷは、不図示の送給ローラの回転によってリールから引き出されて補充される。不図示のホースに空気が供給されると、補助ノズル６３から補助エアＡ１が吹き出すとともに、溶射ガン６の先端部材６１に開設されたアトマイズノズル６２からアトマイズエアＡ２が噴射する（図３参照）。

図２はまた、ワイヤＷの先端が溶融し、補助ノズル６３から圧縮エアである補助エアＡ１が吹き出した状態を模式的に示している。この状態では、ワイヤＷが溶融した溶滴Ｗ１に補助エアＡ１が吹き付けられることにより、溶滴Ｗ１は下方に向けて引き伸ばされるように変形する。また、先端部材６１の両側には側片６４、６４が装着されており、各側片６４にはアトマイズノズル６２と同方向に臨むヒューム付着防止ノズル６５が開設されている。図２より、このヒューム付着防止ノズル６５はアトマイズノズル６２よりも溶射ガン６の移動方向上方に位置している。

そして、図３に示すように、アトマイズノズル６２から噴射するアトマイズエアＡ２が溶滴Ｗ１に吹き付けられることにより、溶滴Ｗ１は細かな溶射粒子Ｗ２，…に分散される。この状態で溶射ガン６を回転させながら溶射ツール３がシリンダブロックＣのボアＣ１内を所定の速度で上昇ないしは降下すると、ボアＣ１の内面に溶射粒子Ｗ２，…が溶射される。溶射された溶射粒子Ｗ２，…は、ボアＣ１内面に付着して溶射被膜を形成する。

また、図３で示すように、アトマイズノズル６２よりも上方（溶射ガン６の移動方向上方）においてアトマイズノズル６２と同方向に臨むヒューム付着防止ノズル６５からヒューム付着防止エアＡ３がボア面に吐出されるようになっており、溶射粒子Ｗ２，…とヒューム付着防止エアＡ３は同期して噴射されるように制御されている。

図４は、第３の吐出口（ヒューム付着防止ノズル６５）の軸心がボア面と交差する部位と溶射粒子の堆積中心とを説明した図である。

図示するように、溶射ガンが上方（Ｘ１方向）へ移動しながら溶射被膜を形成する場合、アトマイズエアＡ２がボア面の法線方向に吐出されたとしても、実際に溶射粒子Ｗ２，…がボア面に噴射され、堆積する角度は水平方向下方の部位となり（Ａ４方向で溶射堆積物Ｗ３の堆積中心はＰ１）、この部位Ｐ１は、補助エアＡ１およびアトマイズエアＡ２の噴射圧やアトマイズノズル６２とボアＣ１面との離間等に依存するものである。

溶射粒子Ｗ２、…の噴射に同期して噴射されるヒューム付着防止エアＡ３は、上記堆積中心Ｐ１から上方に距離：Ｌ離れた部位（ヒューム付着防止ノズル６５から延びる軸心線とボア面との交点：Ｐ２までの距離）に噴射されるようになっており、このＬを適宜の離間に設定することにより、現在の溶射部位であるＰ１およびその近傍よりも上方にあって以後に溶射被膜が形成される部位に溶射ヒュームを付着させないようにすることができる。

[ヒューム付着防止ノズル（第３の吐出口）の軸心線がボア面と交差する部位と溶射粒子の堆積中心との距離と、該堆積中心から上方の溶射被膜の密着強度に関する実験とその結果]
本発明者等は、図４に示す距離：Ｌの最適範囲を決定するための実験をおこない、ボア下端から上端に向って溶射ガンを移動させながら溶射被膜を形成する場合において、溶射被膜とボア面との間に高い密着強度が得られる上記距離：Ｌの範囲の特定をおこなった。

まず、実験の具体的内容は、その内径：φが８８ｍｍのダイカスト製のアルミニウム合金シリンダブロックを製造し、そのボア面にアーク溶射被膜を形成した。ここで、前処理として、ブラスト粒が♯２０のアルミナグリッドを使用し、エア圧が５ｋｇ／ｃｍ^２の条件でボア面の面粗度が６０Ｒｚとなるようにショットブラスト処理を実施した。

図１〜３に示す溶射装置１０を使用し、上記距離：Ｌを０〜６０ｍｍに変化させ、ヒューム付着防止エアをエア圧が０．８ＭＰａに設定して吐出した。アークの発生はボア上端より５０ｍｍ上方にておこない、溶射ガンを回転させずに４秒間でフレームを安定させ、次いで、ボア下端よりも３０ｍｍ下方まで１００ｍｍ／ｓｅｃで溶射ガンを移動させた。次いで、溶射ガンを２００ｒｐｍで回転させ、引き上げ速度：６ｍｍ／ｓｅｃで１パス（一回のみ）上昇させながら溶射を実施した。なお、アーク溶射用線材はＦｅ−０．４％Ｃ−１％Ｍｎ−８％Ｃｒでφ１．６ｍｍのワイヤ（各組成は重量％）を使用し、印加電圧を３０Ｖとし、ボア下端からはφ８０ｍｍのパイプを使用して溶射ヒュームを吸引速度：８ｍ／ｓｅｃで吸引しながら溶射を実施した。さらに、溶射時のアトマイズエアの吐出圧は０．７ＭＰａ、補助エアの吐出圧は０．７ＭＰａに設定し、アトマイズノズルとボア面との離間を５０ｍｍに設定している。

試験は、各距離：Ｌの設定条件で溶射を実施し、ボア上端から１０ｍｍ間隔で試験片を５つ採取し、試験片にせん断試験を実施し、その測定結果をボア面と溶射被膜との密着強度に同定した。試験の結果を図５に示している。

図５より、距離：Ｌが１０ｍｍ〜４０ｍｍの範囲で現在溶射されている部位よりも上部の部位における密着強度が６０ＭＰａ以上の高い値を呈することが実証され、現在の基準である４０ＰＭａは勿論のこと、今後のシリンダブロックのボア面における基準となり得る６０ＭＰａをこの範囲で超過できることが実証された。

本発明者等は、距離：Ｌを上記範囲内の３０ｍｍに設定した溶射装置（実施例）と、Ｌを０ｍｍとした溶射装置（比較例）との各ケースにおける溶射被膜とボア面との境界部位におけるＳＥＭ画像を撮影し、その画像を図６に示している。ここで、図６ａは比較例を、図６ｂは実施例を示している。

図６ａより、比較例においてはボア面と溶射被膜との境界において空隙が多数介在していることが分かり、この空隙は溶射ヒューム等に起因するものであると判断できる。

一方、図６ｂより、実施例においては空隙の介在はほとんど認められず、このことからもボア面と溶射被膜との間の密着強度を低下させる要因が排斥されていることが理解できる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

本発明の溶射装置を示した模式図である。溶射ガンの拡大図である。図２のIII―III矢視図である。溶射ガンがシリンダボア面に溶射粒子を噴射している状況を説明した図であって、かつ、第３の吐出口の軸心がボア面と交差する部位と溶射粒子の堆積中心とを説明した図である。ヒューム付着防止ノズル（第３の吐出口）の軸心線がボア面と交差する部位と溶射粒子の堆積中心との距離と該堆積中心から上方の溶射被膜の密着強度に関する実験結果を示したグラフである。ボア面と溶射被膜との境界断面の光学顕微鏡画像であり、図６ａは比較例の画像を、図６ｂは実施例の画像を示した図である。

符号の説明

１…基台、２…支持部、３…溶射ツール、４…コントローラ、５１…昇降駆動モータ、５２…回転駆動モータ、６…溶射ガン、６１…先端部材、６２…アトマイズノズル（第１の吐出口）、６３…補助ノズル（第２の吐出口）、６４…側片、６５…ヒューム付着防止ノズル（第３の吐出口）、７…パレット、１０…溶射装置、Ｃ…シリンダブロック、Ｃ１…ボア、Ａ１…補助エア、Ａ２…アトマイズエア、Ａ３…ヒューム付着防止エア

Claims

シリンダボア面にアーク溶射被膜を形成する溶射装置であって、
前記溶射装置は、回転制御手段と、移動制御手段と、該回転制御手段によって回転され、その一端に溶射ガンの移動方向に直交する方向に臨む第１の吐出口を有し、さらに、該第１の吐出口に直交する方向に臨む第２の吐出口を有する溶射ガンと、を少なくとも具備しており、
前記溶射ガンにおいて、前記第１の吐出口よりも該溶射ガンの移動方向側にある所定部位には、前記第１の吐出口と同方向に臨む流体吐出用の第３の吐出口が設けられており、
前記第１の吐出口からアトマイズエアが吐出され、かつ、前記第２の吐出口から補助エアが吐出されるものであり、
前記溶射ガンが前記回転制御手段によって回転された姿勢で、前記移動制御手段によって前記第１の吐出口がシリンダボア内をその軸心方向へ移動する際に、シリンダボア面への溶射粒子の噴射に同期して前記流体が該ボア面へ噴射されることを特徴とする溶射装置。
前記ボア面に噴射され、堆積したアーク溶射被膜の堆積中心から、前記第３の吐出口から延びる軸心線とボア面との交点までの距離が１０〜４０ｍｍの範囲に設定されていることを特徴とする、請求項１に記載の溶射装置。