JP4866917B2 - 溶射層用の表面調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属表面上に溶射される層の接着性を高めるために、金属表面を粗面化するための方法、特に、粗面を有し、かつ溶射層の付着に適した、シリンダボア及び金属製の自動車部品内部の溶射層の表面作製に関する。

溶射層が金属製の基材上に付着される場合、溶射層と基材との間の温度差が大きいため、一般に、高い機械的張力が生じ、層の接着性に悪影響を及ぼす。プラズマ溶射法、フレーム溶射法、高速フレーム溶射法又はアークワイヤー溶射法などの従来の溶射法では、溶射粒子が、溶融状態で、低温の基材上に付着され、高い冷却速度で急冷される。

特に高い機械的負荷又は熱負荷下における層と基材との機械的特性及び熱的特性の相違も、層の接着性に悪影響を及ぼす。通常の耐磨耗層は、基材の金属との物理的適合性がごく低い、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、ＴｉＣ又はＷＣなどのセラミック材料を含有していることがある。

しかしながら、内燃機関のピストンの軌道のコーティングとして従来用いられるような純粋に金属製の層でさえ、内燃機関において一般的な厳しい条件下で剥離し始める傾向がある。

例えば内燃機関のシリンダの走行面では、接着強度に非常に高い要求が課される。

溶射層の接着性を高めるには、一般に、基材表面の粗面化が必要とされる。これにより、基材材料と層材料との間の接触表面積が増大され、ある程度の機械的固定ももたらされる。

サンドブラスト加工、研磨加工又は精密旋削もしくは精密機械加工が、粗面化方法として特に重要である。

ブラスト加工は、溶射法を開示している特許文献１から公知であり、この文献では、鋳造アルミニウム合金で作製されたシリンダボアの内部の前処理のための、低温の屑鉄又は酸化アルミニウムなどの別の好適な研磨材を用いたブラスト加工が言及されている。

刊行物の非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３、非特許文献４さらには非特許文献５には、回転フライス加工又は高硬度材旋削（ｈａｒｄ ｔｕｒｎｉｎｇ）によって加工物を仕上げ加工するための方法、すなわち、特に高品質の表面の製造法が開示されている。これらの文献に記載されている方法は、研磨加工又は低いＲｚ値を有する特に平滑な表面を実現するための方法の代わりになる。

特許文献２には、溶射層を被着させるための準備として、シリンダボアの内部を表面加工するための方法が開示されており、内部を形成する材料の一部が、潤滑剤を用いずに乾式機械加工によって除去され、所定の構造及び／又は２５〜６５μｍのＲｚ値の品質を有する表面が形成される。機械加工は、スピンドル切削、ブラシ仕上げ、ローレット加工、回しフライス削り、あるいはこれらの方法の１種以上の組合せによって行うことが可能である。

シリンダボアの表面を作製する方法は、特許文献３から公知である。表面の粗面化は、二重のチップ剥離機械加工によって行われる。この場合、粗い隆起又は波状構造が生成され、及びより微細な隆起又は波状構造が設けられる。

表面を前処理又は調整するための公知の方法は、交互の熱負荷及び機械的応力の下での溶射層の十分な接着強度を実現するのに、もはや十分ではない。

独国特許発明第１９５ ０８ ６８７ Ｃ２号明細書 独国特許発明第１９８ ４０１ １７ Ｃ２号明細書 国際公開第０２／４０８５０ Ａ１号パンフレット 「ＩＮＤＵＳＴＲＩＥ−Ａｎｚｅｉｇｅｒ」３４、３５／９７ 「Ｈａｒｔｄｒｅｈｅｎ ｓｔａｔｔ Ｆｅｉｎｓｃｈｌｅｉｆｅｎ」、４８頁 「Ｍａｓｃｈｉｎｅ ｕｎｄ Ｗｅｒｋｚｅｕｇ」 ６／９５ 「Ｈａｒｔｄｒｅｈｅｎ ｕｅｂｅｒｈｏｌｔ Ｆｅｉｎｓｃｈｌｅｉｆｅｎ」、５７〜６１頁 Ｐｆｅｉｆｆｅｒ，Ｆ．「Ｈｏｅｈｅｒｅ Ｓｐｈａｅｒｅｎ」：「Ｍａｓｃｈｉｎｅｎｍａｒｋｔ」、Ｗｕｅｒｚｂｕｒｇ １０１（１９９５年）、２頁、４６〜４９頁

本発明の目的は、金属表面上に付着される溶射層の接着性を高めるために、また、層の接着性が高い被覆部品を得るために、金属表面を調整するための方法を提供することである。

本発明によれば、上記目的は、請求項１の特徴を有する、第１のステップにおいて、材料剥離又は材料除去処理で表面に凹部又は窪み（２）を設けて、表面の突出している金属が、隆起した微細構造（３）、特に突出部、隆起、突起又は凹凸を形成するようにすることにより、金属表面上に溶射される層の接着性を高めるための、金属表面を粗面化するための方法によって、また、請求項１３の特徴を有する、溶射層を付着させるのに適した粗面を有する金属製の自動車部品によって、さらにまた、請求項１６の特徴を有する、溶射された減摩又は耐磨耗層を有する金属製の自動車部品によって達成される。

このように、本発明は、表面を処理するための多段法を提供する。第１のステップにおいて、材料剥離又は材料除去処理で表面に凹部又は窪みを設ける。その結果、表面の突出している金属が、隆起した微細構造、特に突出部、隆起、突起又は凹凸を形成する。本発明によれば、この後に、アンダカット構造をもたらす少なくとも１つのさらなるステップが続く。第２のステップにおいて、隆起した微細構造は、微細構造のかなりの割合が表面に対してアンダカットを形成するように成形及び／又は破砕によって再加工される。第２のステップは、材料の除去も含み得るが、第１のステップと比べて比較的少ない材料が除去されるに過ぎない。

アンダカットにより、後に付着されるコーティングの非常に良好かつ効果的な機械的固定が実現可能である。溶射層の溶射粒子が付着の際に実質的にまだ液体である場合、溶射粒子は、アンダカット領域にも付着され得る。この場合、アンダカットの容積における被覆材の割合が小さくても、接着強度の非常に大幅な増加がもたらされる。溶射層の冷却が層材料の著しい収縮によって行われる場合にも、アンダカットの効果は、溶射層の付着において特に重要である。アンダカットは、層材料が収縮して基材表面から離れるのを顕著に防ぎ、これにより接着性が大幅に高められる。

アンダカット構造の割合が低くても、層の向上した表面接着性の本発明による効果が示される。少なくとも５％の隆起した微細構造が、少なくとも１つのアンダカット領域を有するのが好ましい。５０％を超える微細構造がアンダカットを有するのが特に好ましい。金属表面に平行な面における全アンダカット表面積は、好ましくは少なくとも３％であり、特に好ましくは５％を超える。

第１のステップにおいて、隆起した微細構造を設けることに関して、金属表面を粗面化するための従来の方法が基本的に好適である。これらの例としては、例えば、スピンドル切削法、ブラシ仕上げ法、ローレット加工、回しフライス削り又は同様の方法による機械加工が挙げられる。サンドブラスト加工も好適である。

他の好適な方法は、高圧ウォータージェット加工、特に研磨粒子を用いた高圧ウォータージェット加工である。

第１のステップが材料を除去する一方、第２のステップは、少量の材料のみが基材から除去されるか又は可能であれば材料が全く基材から除去されないように設計される。第２のステップは、新たなアンダカットが形成される程度に微細構造の形状を変更することを意図している。

また、任意に、第２のステップの後に、アンダカットをさらに形成させるか又は表面の平滑化をもたらすさらなる方法が続いてもよい。

本発明を、例として概略図及び顕微鏡写真を参照してより詳細に説明する。

第２のステップの好ましい形態では、第１のステップによって粗面化された表面に、圧延、プレス加工あるいは固体及び／又は液体媒体を用いたブラスト加工を施す。

この第２のステップの考えられる影響の１つが、図４に概略的に示されている。第１のステップにおいて、隆起が表面に設けられる（図３）。この後に、隆起した微細構造（３）の側方向の屈曲が続く。これは、例えば圧延加工によって行われる。屈曲又は屈折された微細構造の好ましい配向も同様に、斜めに作用するブラスト加工又はプレス加工によって行われ得る。

ブラスト加工は、この場合、全ての方向に均一に分配される隆起した構造の屈曲又は屈折をもたらすのに特に適している。好適なブラスト媒体としては、例えば、特にショットブラスト加工として低い研磨効果を与える微細な球状粉末が挙げられる。

例えばサンドブラスト加工、又は高圧ウォータージェット加工もしくは研磨粒子を用いた高圧ウォータージェット加工によって、穏やかな研磨条件下で第２のステップのブラスト加工を行うことも可能である。研磨粒子の平均粒度は、この場合、好ましくは、ブラスト加工される表面の粗さ深度と同程度であるか又はそれよりも微細であるべきである。これにより粗さ深度が増加しないのに対し、微細構造の表面がさらに粗面化されるのが好ましい。

本発明の他の形態では、第２のステップのアンダカットは、熱処理によって形成される。微細構造の先端を溶融させる、表面の熱処理は、この場合、第２のステップとして行われる。

本方法のこの変形例の効果は、図１に例として示されている。第１のステップにおいて、隆起が、この場合、表面に設けられる（図３）。この後に、例えば表面に火炎を適用することによって行われる微細構造（３）の部分的溶融が続く。これにより溶融液滴が形成され、その形状は、溶融物の固化後に保たれる（図２）。微細構造（３）は、マッシュルーム形状又は押しボタン形状の構造を有し、アンダカット（４）を形成する。

他の好適な熱処理としては、特にレーザー処理又はプラズマフレーム処理が挙げられる。

第２のステップの他の変形例は、チップ剥離加工を用いる。この場合、チップの一部が材料から不完全に剥離されるに過ぎないことが重要である。その結果、隆起した微細構造は、部分的に屈折及び屈曲され、チップの形成によって、さらなるアンダカットが生成される。チップ剥離加工が第１及び第２のステップとして用いられる場合、それに応じて第２の切削がはるかに微細でなければならない。

一般に第２のステップがＲｚ値を低下させるため、第１のステップは、第２の方法の選択に応じて、比較的粗い表面を生成し得る。典型的には、表面粗さは、２０〜１，０００μｍの範囲のＲｚ値である。好ましくは、Ｒｚ値は２０〜５００μｍの範囲内に設定され、特に好ましくは、第１のステップ後のＲｚ値は、４０〜１００μｍの範囲内にある。

第２のステップは、粗さ深度が低下されるように行われるのが好ましい。例えば、圧延が第２のステップとして行われる場合、粗さ深度は、微細構造の屈曲又は屈折の結果として大幅に低下される。第２のステップは、少なくとも３０％だけ表面粗さを低下させるのが好ましい。第２のステップは、２０〜１００μｍの範囲までＲｚ値を低下させるのが特に好ましい。

第１及び第２のステップの好ましい組合せでは、サンドブラスト加工及び／又は高圧ウォータージェット加工もしくは研磨粒子を用いた高圧ウォータージェット加工によって、表面に凹部がまず設けられ、前記第２のステップにおいて、より低いジェットエネルギーでの高圧ウォータージェット加工によって凹部がくりぬかれる。第２のステップ後の対応する典型的な構造が図５に示されている。匹敵する構造を、例えば、後のプレス加工、圧延もしくは火炎適用を伴う、サンドブラスト加工及び／又は高圧ウォータージェット加工の組合せによって得ることもできる。押しボタン形状の表面構造は、特に、結果として生成され得る。

基本的に、第２のステップの後に、さらなるステップが続いてもよい。例えば、さらなる再成形のステップが、本方法の最後に追加され得る。

しかしながら、表面処理は、溶射層（５）を第２のステップの直後に被着させるように行われるのが好ましい。また、この場合、付着しているいかなるジェット粒子又はフライス加工の残渣も確実に取り除くように留意する必要がある。

特に好適な溶射法の例としては、フレーム溶射法、高速フレーム溶射法、スパッタリング法、プラズマ溶射法及びアークワイヤー溶射法が挙げられる。これらの方法は、アンダカットに容易に侵入することのできる非常に微細な溶融された又は柔らかい液滴又は溶射粒子の付着を特徴とする。

第２のステップは、任意に、部品表面全体の領域にも限定され得る。

本発明の他の態様は、粗面を有する部品に関する。粗面を有し、かつ溶射層を付着させるのに適した、本発明に係る金属製の自動車部品は、粗面の大部分にわたって、約２０〜４００μｍの、ビーズ形状、マッシュルーム形状、押しボタン形状又はフック形状の隆起した微細構造を有する。微細構造の大部分は、この場合、アンダカットを有する。

本発明に係る他の形態では、金属製の自動車部品は、溶射層を付着させるのに適した粗面を有し、この粗面は、約２０〜４００μｍの、ボウル形状もしくは上向きに部分的に閉じた凹部及び窪みを有する。このボウル及び部分的に閉じた構造は、部品表面に対してアンダカットを形成する。

好ましい形態では、金属表面に平行な面におけるアンダカット表面積は、少なくとも３％である。特に好ましくは、アンダカット表面積は、５〜３０％の範囲内にある。

他の態様は、アンダカットを備えた粗面化された層上に付着された、溶射された減摩又は耐磨耗層を有する金属製の自動車部品に関する。

この種の被覆部品の典型的な例は、層の面に対して横方向の顕微鏡写真として図６〜８に示されている。減摩又は耐磨耗層（５）の基部には溶け込み層（ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）（６）があり、表面（１）からこの溶け込み層内に、約２０〜４００μｍの、ビーズ形状、マッシュルーム形状、押しボタン形状又はフック形状の微細構造（３）が突出している。

図６及び７の略図に記載の構造を生成するために、隆起を表面に設ける第１のステップとして旋削を施した。微細構造の幅は約２０〜１００μｍ、高さは約３０〜１２０μｍである。アークワイヤー溶射によって付着される層（５）は、表面積全体、さらにはアンダカット領域（１４）をも覆うように延在する。

図８に記載の表面の微細構造を、研磨粒子を用いた高圧ウォータージェット加工とその後の高圧ウォータージェット加工との組合せによって生成した。層を、高速フレーム溶射によって付着した。微細構造は、図６及び７の微細構造と比べてかなり微細である。

第１のステップ後の、凹部もしくは窪み（２）及び隆起した微細構造（３）を有する金属表面（１）を示す。 第２のステップ後の、凹部もしくは窪み（２）、及び幅広の先端の形態のアンダカット（４）を有する隆起した微細構造（３）を有する金属表面（１）を示す。 第１のステップ後の、凹部もしくは窪み（２）及び隆起した微細構造（３）を有する金属表面（１）を示す。 第２のステップ後の、凹部もしくは窪み（２）、及び湾曲した先端の形態のアンダカット（４）を有する隆起した微細構造（３）を有する金属表面（１）を示す。 第２のステップ後の、凹部もしくは窪み（２）及びアンダカット（４）を有する金属表面（１）を示す。 溶け込み層（６）、微細構造（３）及びアンダカット（４）を有する、溶射された減摩又は耐磨耗層（５）を有する表面（１）に対して横方向の、金属製の車両部品の顕微鏡写真である。 溶け込み層（６）、微細構造（３）及びアンダカット（４）を有する、溶射された減摩又は耐磨耗層（５）を有する表面（１）に対して横方向の、金属製の自動車部品の顕微鏡写真である。 溶け込み層（６）及びマッシュルーム形状もしくは押しボタン形状の微細構造（３）を有する、溶射された減摩又は耐磨耗層（５）を有する表面（１）に対して横方向の、金属製の自動車部品の顕微鏡写真である。

Claims (6)

1. 金属表面上に溶射される層の接着性を高めるため、金属表面を粗面化するための方法であって、
   第１のステップにおいて、材料剥離又は材料除去処理で金属表面に凹部又は窪み（２）を設け、これにより隆起した微細構造（３）を形成し、
   第２のステップにおいて、これらの隆起した微細構造（３）が、前記表面に対してアンダカット（４）を形成するのと同時に、前記金属表面から少量の材料のみが除去されるか又は材料が全く除去されないように、少なくとも部分的に屈折されるか、屈曲されるか又は傾斜を付けられるものであり、
   前記第１のステップが、サンドブラスト加工及び／又は高圧ウォータージェット加工もしくは研磨粒子を用いた高圧ウォータージェット加工によって行われ、前記第２のステップが、より低いジェットエネルギーでの高圧ウォータージェット加工によって行われることを特徴とする方法。
2. 前記第１のステップが、２０〜１，０００μｍの範囲のＲｚ値の表面粗さになるまで行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第２のステップが、前記表面粗さを、少なくとも３０％だけ低下させることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記第２のステップの直後に、溶射層（５）が被着されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記溶射層（５）を有する金属製の自動車部品が製造され、前記微細構造（３）が前記溶射層（５）内に突出していることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 内燃機関におけるシリンダ走行面又は滑り軸受を製造するための、請求項５に記載の方法。

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