JP4976702B2 - 熱被覆する材料及び方法、表面層並びにその材料の表面層を備える圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、熱被覆する材料及び方法、その材料の表面層、並びにそれぞれの範疇の独立請求項の前文に係わる該表面層を備える圧縮機に関する。

溶射によって施したセラミック被覆は長い間多くの用途で知られてきた。このような例として、車両用エンジンの油潤滑されたシリンダー摺動表面は、既にしばらく以前から、特にプラズマ溶射によって被覆されており、被覆層はピストンリングとシリンダー壁の間に有効な摩擦係数を大幅に低減させ、それによってピストンリングとシリンダーの磨耗を大幅に低減し、エンジンの運転寿命の増加と、例えば油交換など保守間隔の延長と、とりわけエンジン性能の顕著な向上をもたらす。これは異なる手段によって達成される。例えば、それらの層は、油潤滑エンジンの基礎母材中への乾燥潤滑剤の沈着物を含むことができ、且つ基礎母材中に油ポケットとして働く予め定められるサイズの孔を設けることができ、したがって、埋め込まれた比較的柔らかな乾燥潤滑剤と協働して、ピストンリングとシリンダー壁の間の摩擦を大きく低減する。特に潤滑剤と孔を含む基礎母材自体は硬質材料から作製され、シリンダーの摺動表面とピストンリングの長い運転寿命を保証する。この種類の最新の高性能シリンダー摺動表面は、例えば欧州特許第１３４０８３４号に詳細が説明されている。

溶射によって施した表面のさらに他の典型的な用途は、磨耗保護層及び熱絶縁層を備えるタービン部品の被覆、及び、例えば特殊な物理的、化学的又は熱負荷に曝されるクランクシャフトベアリングまたは他の動作部品の被覆など、油潤滑ベアリングの部品の被覆である。通常、溶射すべき表面層に必要な特性を形成させるために、層が満足すべき目的に応じて、必要な特殊な特性と組成物を有する溶射粉体又は溶射ワイヤの形で、全く特殊な材料が使用される。

表面層を製造するための前述の高度に開発された材料は、油潤滑された用途の場合に技術的な用途で優れた結果をもたらすが、これらの材料は、油潤滑用途で実際に使用するために特別に開発されたので、潤滑剤の使用を回避すべき場合には全く適していない。

潤滑液体を使用するときに大きな欠点となる、一用途の重要な例は、ガスの圧縮を行う圧縮機である。それらの圧縮機は、例えば、ロータリーピストン圧縮機又は往復動ピストン圧縮機など多くの様々な実施形態でよく知られている。例えば発生すべき圧力があまり高くないときの単段圧縮機、又は完全に高い圧力用途の多段圧縮機など、特に往復動ピストン圧縮機が多く、技術的に重要である。

これに関して、それらは、通常環境の空気から始まって、純粋な酸素、窒素、天然ガス、希ガス、水素、又は他のガス若しくはガスの混合物に至る全ての可能なガスの圧縮に使用することができる。圧縮機に用いられる特別の構造及び技術的な設計は、圧縮すべきガス又は圧縮されたガスが到達する圧力範囲に応じて変化することが理解されよう。これらの圧縮機の全ての種類は、原理的に実に長い間知られており、それらの特別に技術的な詳細をここで論じる必要はない。

原理的に、往復動ピストン圧縮機は本質的にシリンダーを含み、往復動ピストン燃焼エンジンと全く同じように、ピストンは前後に動くように配置されてガスを圧縮する。圧縮室は、シリンダーの壁と、その中に可動に配置されたピストンと、シリンダーカバーと境界をなす。シリンダー中のピストンの動きはクランクシャフトに連結された連結ロッドによって行われ、クランクシャフトは例えば電動モーターなどのエンジンによって、或いは燃焼エンジン若しくは他の駆動ユニットに結合することによって駆動される。

ピストンが下部終端中心位置近傍に位置するとき圧縮すべきガスは圧縮空間に導入され、ガスは、ピストンが上部終端中心点に向かう方向へ動くことによって圧縮室の容積が大きく減少する後続の圧縮行程の間に、減少する圧縮室容積中でより高い圧力へ圧縮することができる。上部終端中心点の近傍において、圧力を高められたガスは、次にさらにバルブを経て、例えばさらに他の圧縮段階へさらに圧力増加のために導かれ、或いは圧力が十分高いとき、例えば、さらに他の使用に用いることのできる圧力容器へ供給することができる。

ピストンの圧縮行程の間、すなわち、ピストンを上部終端中心点に向かう方向へ動かすことによって圧縮室の容積を縮小する間に十分高い圧力を形成するために、ピストンは、その中でピストンが軸方向に動くシリンダー壁に対して可能な限り良好に封止されなければならない。この目的のために、ピストンは、ピストンの周りを包囲する溝の中に良く知られた方法で埋め込まれ所定の放射状予備応力下にある、通常ピストンリングとして形成された封止リングを有するので、封止リングはシリンダー壁の摺動表面に対して特定の力で押圧される。これによって封止効果が生まれ、シリンダー中に収容されたガスは予め決定することのできる圧力まで圧縮することができる。ピストンの周辺に展延する１個又は複数の溝中に、複数のそれらの封止リングが主にパッキングの形で配置され、それによって封止作用が高められる。これに関して、生成される圧力が特に高くなければ、例えば特殊な用途で封止リングのないピストンの構成が知られている。

比較的良好な封止が、特に前述の方法によって問題なく達成することができるが、封止リングとシリンダー壁の摺動表面の間の接触によって、及び／又はピストンとシリンダー壁の摺動表面の間の接触によって、ピストンの動きによるかなり大きな摩擦力が生じ、これらの摩擦力は最小にしなければならない。

これは、例えば潤滑油の使用によって実施されることが好ましく、これによって互いに動かされる部品間の摩擦を十分低減することができる。さらに、ピストン周辺の封止は潤滑剤によって追加で維持することができる。

使用される圧縮機の特定の用途又は実施形態にかかわらず、従来技術に知られる油潤滑圧縮機には、潤滑剤による圧縮ガスへの汚染による大きな問題が存在する。

潤滑剤によるガスの汚染の結果は、異なる種類の問題になり得る。例えば研究所での使用のために、例えば高純度のガスが必要であれば、或いは圧縮ガスが燃焼系の非常に複雑な要素中で燃焼されるのであれば、系要素の潤滑油による汚染が発生し得る。したがって、例えば、天然ガスで運転される車両では、噴射ポンプ又は噴射ノズルなどの噴射系の要素が汚染され得る。潤滑剤は例えば微細に分散したミストとして環境に侵入し、或いは例えば天然ガスで運転される車両では同時に燃焼することがあり、有害な燃焼生成物が発生し得るので、環境保護の理由から、圧縮ガスの汚染はしばしば非常に望ましくないことにもなる。特に繊細な高圧ラインの閉塞又は拘束を招き得る汚染に加えて、潤滑油は特定の材料に対して物理的、化学的又は熱的に激しく作用し、その早期な磨耗を招くので、例えば、金属製高圧ライン、系中のノズル又はポンプ部品などの要素に高度の腐食の問題がしばしば発生する。

さらに他の一連の問題は微細な潤滑剤の液滴が圧縮ガス中に形成することである。したがって、例えば、圧縮ガス中に分散した潤滑剤は上記の液滴へ凝縮し、次いで圧縮ガスが減圧されると、これは非常に高速のガス流の噴射物になり、例えば、取り付けられた系の要素の壁又は表面に衝突し、それらの高い運動エネルギーにより、そこに大きな損傷を与え得ることは明らかである。

実際に非常に重要であり、運転する上で多かれ少なかれ本質的にこれらの全ての問題に直面している既知の油潤滑圧縮機の例は、例えば車両のブレーキの駆動用空気の圧縮を行う圧縮機である。これに関して、鉄道車両、航空機、自動車若しくはトラック用制動系を特に挙げるべきであろうが、これらに制限するものではない。それらの制動系は実際に長い間知られており、通常圧力貯蔵容器中から利用可能な圧縮空気で運転される。これに関して、貯蔵容器中の圧力は、例えばそれ自体の駆動系、例えば電動機を有するか、或いは車両の駆動エンジンに結合されるか、或いは他の方法で駆動することのできる適切な圧縮機によって維持又は加えられる。

上記の制動系において、磨耗の増加に加え、無論運転上の安全性は特に重要な役割を果たし、これは潤滑剤を含む圧縮空気の汚染によって損なわれ、最悪の場合制動系の故障を招くことがある。

したがって、信頼性のある圧縮機の運転のためには、乾燥摺動圧縮機、いわゆる、封止リングと圧縮室のシリンダー壁の摺動表面との間、及び／又は圧縮ピストンと圧縮室のシリンダー壁の摺動表面との間に潤滑剤を必要としない圧縮機を使用することが望ましい。

原理的にセラミックアルミナの被覆は、例えば磨耗保護層として、又は電気絶縁体として実際に長い間知られてきた。これに関して、アルミナの脆さを低減するために、合金化元素として例えばＴｉＯ_２が加えられる。一方、脆弱なアルミナの靭性を高めるためにＺｒＯ_２を加え、容積変化を伴うジルコニウム相への変換によって（正方晶形から単斜晶形へ）純アルミナに比べて靭性を高めることが知られている。したがって、靭性の向上は、溶射工程に続く冷却中のジルコニア相への変換によって、溶射被膜に生じる圧縮応力に関係している。

しかし、従来技術に知られた材料の靭性の改善は常に層を犠牲にして得られ、特に乾燥状態で摩擦接触する、すなわち潤滑剤で潤滑されない部品の被覆には不適切であり、即ち動作寿命が制限される。硬度の低下は急激な摩滅の形成を招き、圧縮室は短期間の運転の後でさえ、もはや十分封止されないので、これらの材料は乾燥摺動圧縮機の被覆には特に不向きである。圧縮室中で圧縮された空気の一部は、例えば、層の硬度が低い結果圧縮シリンダーの摺動被覆表面に形成する擦り傷から抜け出すことができるので、必要とされる動作圧力をもはや作り出すことができない。

ジルコニアなどの合金化成分をさらに添加することによってその靭性が増加されなかった層は、少なくとも不適切である。それらの層はあまりにも延性が低く、したがってあまりにも脆いので、層は機械的及び熱的負荷の下で、例えば、割れ、亀裂、又は表面の擦り傷の形成によって急速に磨耗する。

したがって、本発明の目的は、特に、材料を溶射した表面層の靭性が改善されると同時に、その硬度と機械的強度が大幅に増加し、さらに非常に良好な摩擦特性を有する表面層を熱被覆によって形成する、新しい材料及び方法を提案することである。

本発明のさらに他の目的は、顕著により長い運転寿命を有し、保守間隔が延び、潤滑剤と共に圧縮される媒体の汚染が同時に回避される圧縮機、特に回転ピストン圧縮機を提案することである。

装置と方法から見てこれらの目的を満足する本発明の主題は、それぞれの範疇の独立請求項の特徴によって特徴付けられる。

それぞれの独立請求項は本発明の特に有利な実施形態に関する。
本発明は以下の通りである。
１．熱被覆法によって表面層（５）を製造するための酸化物セラミックを基材とし、４０重量％〜８０重量％のＡｌ_２Ｏ_３と、１０重量％〜４０重量％のＺｒＯ_２と、酸化チタンを含む材料であって、表面層（５）の硬度と靭性を同時に最適化するために、３５重量％まで、好ましくは５重量％〜３５重量％のＣｒ_２Ｏ_３を更に含むことを特徴とする、上記材料。
２．酸化イットリウム、好ましくはＹ_２Ｏ_３を特に２０重量％まで、及び／又は酸化チタン、好ましくはＴｉＯ_２を特に２０重量％までさらに含む、上記１に記載の材料。
３．溶融及び／又は法型並びに後続の破砕及び／又は篩分けによって製造される溶射粉体である、上記１又は２のいずれかに記載の材料。
４．前記溶射粉体の粒子径が、１μｍ〜９０μｍ、好ましくは５μｍ〜４５μｍである上記３に記載の材料。
５．４０重量％〜８０重量％のＡｌ_２Ｏ_３と１０重量％〜４０重量％のＺｒＯ_２と酸化チタンを含む酸化物セラミックに基づく溶射によって施した表面層であって、硬度と靭性を同時に最適化するために、３５重量％まで、好ましくは５重量％〜３５重量％のＣｒ_２Ｏ_３を更に含むことを特徴とする、上記表面層。
６．酸化イットリウム、好ましくはＹ_２Ｏ_３を特に２０重量％まで、及び／又は酸化チタン、好ましくはＴｉＯ_２を特に２０重量％までさらに含む、上記５に記載の表面層。
７．Ａｌ_２Ｏ_３が、表面層（５）中に結晶質アルミナα相及び／又は結晶質アルミナγ相として存在する、上記５又は６に記載の表面層。
８．ＺｒＯ_２が単斜晶系相及び／又は正方晶系相として存在する、上記５から７までのいずれか一つに記載の表面層。
９．前記表面層（５）が、５００ＨＶ_０．３〜１２００ＨＶ_０．３、好ましくは８００ＨＶ_０．３〜８５０ＨＶ_０．３の微小硬度ＨＶ_０．３を有する、上記５から８までのいずれか一つに記載の表面層。
１０．上記５から９までのいずれか一項に記載の表面層を上記１から４までのいずれか一つに記載の材料で施す被覆方法であって、大気圧プラズマ溶射法、低圧プラズマ溶射法、火炎溶射法、又は高速火炎溶射法である、上記被覆方法。
１１．上記１から４までのいずれか一項に記載の材料で形成された上記５から９までのいずれか一つに記載の表面層（５）が圧縮室（２）のシリンダー壁（４）上に形成されることを特徴とする、圧縮室（２）中に可動に配設されたピストン（３）を含む、流体を圧縮するための圧縮機、特にオイルレス圧縮機。
１２．前記圧縮機が、表面層（５）を設けたシリンダー壁（４）を有するシリンダー（６）と境界をなす圧縮室（２）を含み、圧縮室（２）中にピストン（３）が前後可動に配置されて流体を圧縮する往復動ピストン圧縮機であり、シリンダーの直径が４０ｍｍ〜８０ｍｍ、特に５０ｍｍ〜６０ｍｍである、上記１１に記載の圧縮機。

したがって、本発明は熱被覆による酸化アルミニウム及び酸化ジルコニウムを含む表面層を製造するための酸化物セラミックに基づく材料に関し、材料は表面層の硬度と靭性を同時に最適化するための酸化クロムをさらに含む。さらに正確に述べれば、本発明は４０重量％〜８０重量％のＡｌ_２Ｏ_３と、１０重量％〜４０重量％のＺｒＯ_２とを含む熱被覆による表面層を製造するための酸化物セラミックに基づく材料に関し、材料は、表面層の硬度と靭性を同時に最適化するために、３５重量％まで、好ましくは５重量％〜３５重量％のＣｒ_２Ｏ_３をさらに含む。

酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムの組成物に酸化クロムを添加することによって、高い硬度と大きく低減された脆さに加えて、溶射された表面層の靭性が大きく改善される。すなわち、本発明の材料を熱被覆用に使用することによって、靭性、硬度、及び機械的強度が同時に最適化される。さらに、本発明の材料で溶射された表面層は、優れた摩擦乾燥摺動特性を有することを示した。すなわち、例えば、シリンダーのシリンダー表面が本発明による材料で被覆されるならば、ピストンは、追加の液体潤滑剤を供給することなく、また過剰の摩擦損失を起さずに極度な負荷の下においてもシリンダー中に案内することができる。層の動作寿命は、既知の層に比べて非常に長くなり、擦り傷又は溝の形成及び亀裂と割れの発生は、実際に非常に長い運転期間にわたって防止される。

したがって、本発明の材料は、特に、しかし非制限的に、圧縮機、特に自動車両、自動車又はトラック、鉄道車両、又は飛行機などの航空機に使用されるガス圧縮機の圧縮室中のシリンダー壁の被覆に適している。この意味で、使用可能な分野の範囲はさらに広い。本発明の材料は、基本的に２個の動作片が、例えば潤滑油などの潤滑剤を使用することなく摩擦接触して案内され、又は互いに動く全ての用途に使用するのに適している。

好ましい実施形態において、材料は酸化イットリウムをさらに含む。酸化イットリウムの添加はジルコニア相を部分的に安定化し、溶射した層中に緩やかな又は選択可能な圧縮応力を形成させる。

他の実施形態において、材料は、酸化イットリウムに加えて、又は代替として酸化チタンを含み、Ａｌ_ｘＴｉ_ｙＯ_ｚＣｒ_ａ混合結晶の形成によって靭性がさらに向上される。これに関して、酸化アルミニウムは好ましくはＡｌ_２Ｏ_３であり、及び／又は酸化チタンは好ましくはＴｉＯ_２であり、及び／又は酸化ジルコニウムは好ましくはＺｒＯ_２であり、及び／又は酸化クロムは好ましくはＣｒ_２Ｏ_３であり、及び／又は酸化イットリウムは好ましくはＹ_２Ｏ_３である。

実施する上で特に重要な実施例において、酸化クロム成分の量は５〜３５重量％であり、及び／又は酸化ジルコニウム成分は１０〜４０重量％、及び／又は酸化チタン成分は２０重量％、及び酸化アルミニウム成分は４０〜８０重量％である。

他の重要な実施例において、酸化クロム成分の量は５重量％〜３５重量％であり、及び／又は酸化ジルコニウム成分は１０重量％〜４０重量％であり、及び／又は酸化チタン成分の量は２０重量％までであり、残りは酸化アルミニウムで計１００重量％である。

前に論じた、本発明による材料の特別な実施例は例として理解すべきであり、特に、示された特別な材料の任意の適切な組み合わせも有利な用途を見出すことができ、また、特に本発明には重要でない汚染物も含み得ることが理解されよう。

材料は溶射粉体法に使用することができるように、溶射粉体として利用可能であることが好ましい。この目的のために、材料は溶融及び／又は法型、並びに／或いは続く破砕及び／又は篩分けによって溶射粉体へ加工される。

また、溶射用の溶射ワイヤも、例えば、前記材料又はそれらの適切な任意の組合わせから製造することができ、材料は溶射用に適した任意の他の形でも利用可能であることが理解されよう。

材料が溶射粉体として利用可能な場合、溶射粉体の粒子径は１μｍ〜９０μｍの特殊な実施形態であり、好ましくは５μｍ〜４５μｍである。

さらに本発明は、酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムを含む溶射によって施す酸化物セラミックに基づく表面層に関し、表面層は硬度と靭性を同時に最適化するための酸化クロムをさらに含む。

本発明による表面層のさらに他の好ましい実施形態において、これは酸化イットリウム及び／又は酸化チタンをさらに含むことができる。酸化アルミニウムＡｌ_２Ｏ_３はそれに好ましく、及び／又は酸化チタンはＴｉＯ_２が好ましく、及び／又は酸化ジルコニウムはＺｒＯ_２が好ましく、及び／又は酸化クロムはＣｒ_２Ｏ_３が好ましく、及び／又は酸化イットリウムはＹ_２Ｏ_３が好ましい。

これに関して、表面層中の酸化クロム化合物の量は５重量％〜３５重量％とすることができ、及び／又は酸化ジルコニウム成分の量は１０重量％〜４０重量％とすることができ、及び／又は酸化チタン成分の量は２０重量％までとすることができ、及び酸化アルミニウム成分は４０重量％〜８０重量％とすることができる。他の重要な実施例において、表面層中の酸化クロム成分の量は５重量％〜３５重量％であり、及び／又は酸化ジルコニウム成分の量は１０重量％〜４０重量％であり、及び／又は酸化チタン成分の量は２０重量％までであり、残りは酸化アルミニウムで計１００重量％である。

これに関して、Ｃｒ_２Ｏ_３は、アルミナに可溶であり、これに関して系の硬度及び摩擦的な能力の両方、すなわち特に乾燥摺動下の摩擦が大きく低減されることが示された。酸化チタンＴｉＯ_２の添加によって摺動特性が大きく改善され、酸化イットリウムＹ_２Ｏ_３は、脆弱なＺｒＯ_３の単斜晶系相の形成を抑制又は防止する。本発明による表面層は汚染物をさらに含み得るが、その量は本発明には少しも重要ではないことが理解されよう。本発明による表面層中に、結晶質アルミナα相及び／又は結晶質アルミナγ相として酸化アルミニウムＡｌ_２Ｏ_３が存在することが好ましく、及び／又はＺｒＯ_２が単斜晶系相として及び／又は正方晶系相として存在することが好ましい。

表面層は従来技術と比べて顕著に改善された微小硬度ＨＶ_０．３を有し、５００ＨＶ_０．３〜１２００ＨＶ_０．３であることが好ましく、特に８００ＨＶ_０．３〜８５０ＨＶ_０．３であることが好ましい。

以下の表に、往復動ピストン圧縮機のシリンダー壁の本発明による内部被覆の実施例として、３種類の異なる実施形態Ｆ６３５０、Ｆ６３５１、Ｆ６３５２を示し、比較のための既知の参照被覆ＡＭＤＲＹ６３５０と比較する。特に、本発明の表面層の硬度の顕著な向上は明らかであり、中でも酸化クロムの添加が寄与している。層は全てＳｕｌｚｅｒ Ｍｅｔｃｏプラズマ溶射バーナーのＦ３００型を用いて、大気圧プラズマ溶射法（ＡＰＳ法）で溶射した。

さらにまた、本発明は、上記で詳細に特性を決定した表面層を施すための被覆方法であって、大気プラズマ溶射法（ａｔｏｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｐｌａｓｍａ ｓｐｒａｙ ｐｒｏｃｅｓｓ）、低圧溶射法（ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｐｒａｙ ｐｒｏｃｅｓｓ）、火炎溶射法（ｆｌａｍｅ ｓｐｒａｙｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ）、ワイヤ溶射法（ｗｉｒｅ ｓｐｒａｙｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ）又は高速火炎溶射法（ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｆｌａｍｅ ｓｐｒａｙｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ）である被覆方法に関する。

さらに、本発明によって可能な圧縮機、特に圧縮室中に可動に配置された圧縮ピストンを含む流体圧縮用オイルレス圧縮機において、上で詳細に論じた圧縮機中にある表面層のうちの１層は、摺動表面として形成された圧縮室の境界壁に施され、本発明による材料からなる。

技術的に実施する上で非常に重要な一実施形態において、圧縮機は、本発明による表面層を備えるシリンダー壁を有するシリンダーと境界をなす圧縮室を含み、シリンダー中に往復動ピストンが前後可動に配置され流体を圧縮する。

これに関して、圧縮機は必ずしも往復動ピストン圧縮機である必要はなく、例えば、ロータリーピストン圧縮機などの潤滑オイルレス圧縮機、又は異なる種類の圧縮機とすることができる。

ここで、図面を参照して本発明をより詳細に説明する。

図１は本発明の材料から形成された表面層を備える往復動ピストン圧縮機の概要図である。実施の上で特に重要であり、以下に全体として参照番号１で示されている本発明による圧縮機の例を図１に断面で示す。

往復動ピストン圧縮機１は、圧縮室２がその中に形成され往復動ピストン燃焼エンジンと同じようにピストン３が前後に動いてガスの圧縮を行うシリンダー６を本質的に含む。圧縮室２は、シリンダー壁４、その中に可動に配置されたピストン３、及びここでは示していないシリンダーヘッドと境界をなす。シリンダー６中のピストン３の動きは、同様に図示しないクランクシャフトに連結された連結ロッド７を経由して駆動され、例えば、クランクシャフトは例えば電動機などの原動機によって、或いはそれを燃焼エンジン若しくは他の駆動ユニットに結合することによって駆動される。

ピストン３が下部終端中心位置近傍に位置するとき、圧縮すべきガスが圧縮室２に導入され、ガスは、ピストン３が上部終端中心点に向かう方向へ動くことによって圧縮室２の容積が大きく減少する後続の圧縮行程の間に、減少する圧縮室容積中でより高い圧力へ圧縮することができる。上部終端中心点の近傍において、圧力を高められたガスは、次にさらに図示されていないバルブを経て、例えばさらに他の圧縮段階へさらに圧力増加のために既知の方法で導かれ、或いは圧力が十分高いとき、例えば、さらに他の使用に用いることのできる圧力容器へ供給することができる。

ピストン３の圧縮行程の間、すなわちピストンを上部終端中心点に向かう方向へ動かすことによって圧縮室２の容積を縮小する間に十分高い圧力を形成するために、図１に示したピストン３は、ピストン３の周りを包囲する溝９の中に良く知られた方法で埋め込まれ好ましくは所定の放射状予備応力下にある、ピストンリング８として形成した封止リング８を有し、封止リング８はシリンダー壁４の摺動表面に対して予め定めた力で押圧され、これによって封止効果が生まれ、シリンダー６中に収容されたガスは予め決定することのできる圧力まで圧縮することができる。封止リング８は、理想的には、特に熱的及び摩擦的負荷、且つ存在するガス圧力関係に対する高い要求を満足する特殊なプラスチックから作製されることが好ましいが、重要ではない。無論、封止リング８は他の任意の材料、例えば、適切な金属、金属合金、複合材料、又は他の適切な材料からなることができる。

図１の本実施例において、簡明さを期すために１個の封止リング８だけが示されている。しかし、用途に応じて、ピストン３にある１個又は複数の周縁溝９の中に複数のそのような封止リング８をパッキングの形で配置することができ、それによって封止作用が高められることが理解されよう。これに関して、例えば、形成される圧力が特に高くなければ、封止リング８を備えないピストン３の構成が特殊な用途に知られるが、唯一ではない。

本発明によれば、圧縮機１のシリンダー壁４には、酸化物セラミックに基づく少なくとも酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、及び硬度と靭性を同時に最適化するための追加の酸化クロムを含む表面層５が設けられる。

これに関して、表面層５は溶射の後、研磨、ホーニング又は他の方法によって仕上げ機械加工を行って封止リング８と表面層５との理想的な調和を達成し、封止作用と摺動特性の両方、特に摩擦特性が最適化され、発生する摩擦力が最小化されることが好ましいが、重要ではない。

本発明によって、酸化物セラミックに基づく材料が表面層の製造のためにこのようにして溶射によって最初に提供され、これにより材料を溶射した表面層の硬度と靭性が同時に最適化され、同時にそれは優れた乾燥摺動特性を有する。これは酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムの組成物へ酸化クロムを添加することによって達成されるので、高い硬度に加えて脆さが大きく低減され溶射表面層の靭性が大きく改善される。

例えば、シリンダーの摺動表面が本発明による材料で被覆されると、ピストンはこのシリンダー中に追加の潤滑剤なしに案内され、過激な負荷の下でも過剰な摩擦損失がない。層の動作寿命は既知の層に比べて非常に長くなり、さらに、溝又は擦り傷の形成及び亀裂と割れの発生が実際に非常に長い運転期間にわたって防止され、さらに、圧縮ピストンと例えばピストンリングなどのさらに他の可能な封止要素とを組合わせることによって、圧縮室に関する優れた封止作用が達成され、圧縮すべきガスは圧縮機の運転状態で圧縮される。

したがって、本発明の材料は、特に、しかし非制限的に、圧縮機、特に自動車両、自動車又はトラック、鉄道車両、又は飛行機などの航空機などのブレーキに使用されるガス圧縮機の圧縮室中のシリンダー壁の被覆に特に適している。本発明の材料は、２個の動作片が潤滑剤、例えば潤滑油なしに案内され又は摩擦接触して互いに動かされる全ての用途に基本的に好適に用いることができるので、使用可能な分野の範囲はさらに広い。

本発明による表面層を備える往復動ピストン圧縮機を示す図である。

符号の説明

１ 圧縮機
２ 圧縮室
３ ピストン
４ シリンダー壁
５ 表面層
６ シリンダー
７ 連結ロッド
８ 封止リング
９ 溝

Claims (16)

1. 熱被覆法によって表面層（５）を製造するための酸化物セラミックを基材とし、４０重量％〜８０重量％のＡｌ_２Ｏ_３と、１０重量％〜４０重量％のＺｒＯ_２と、酸化チタンを含む材料であって、表面層（５）の硬度と靭性を同時に最適化するために、３５重量％までのＣｒ_２Ｏ_３を更に含むことを特徴とする、上記材料。
2. Ｃｒ_２Ｏ_３を５重量％〜３５重量％含むことを特徴とする、請求項１に記載の材料。
3. 酸化イットリウムをさらに含む、請求項１又は２に記載の材料。
4. Ｙ_２Ｏ_３を２０重量％まで、及び／又はＴｉＯ_２を２０重量％までさらに含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の材料。
5. 溶融及び／又は法型並びに後続の破砕及び／又は篩分けによって製造される溶射粉体である、請求項１から４のいずれか一項に記載の材料。
6. 前記溶射粉体の粒子径が、１μｍ〜９０μｍである請求項５に記載の材料。
7. ４０重量％〜８０重量％のＡｌ_２Ｏ_３と１０重量％〜４０重量％のＺｒＯ_２と酸化チタンを含む酸化物セラミックに基づく溶射によって施した表面層であって、硬度と靭性を同時に最適化するために、３５重量％までのＣｒ_２Ｏ_３を更に含むことを特徴とする、上記表面層。
8. Ｃｒ_２Ｏ_３を５重量％〜３５重量％含むことを特徴とする、請求項７に記載の表面層。
9. 酸化イットリウムをさらに含む、請求項７又は８に記載の表面層。
10. Ｙ_２Ｏ_３を２０重量％まで、及び／又はＴｉＯ_２を２０重量％までさらに含む、請求項７〜９のいずれか一項に記載の表面層。
11. Ａｌ_２Ｏ_３が、表面層（５）中に結晶質アルミナα相及び／又は結晶質アルミナγ相として存在する、請求項７から１０のいずれか一項に記載の表面層。
12. ＺｒＯ_２が単斜晶系相及び／又は正方晶系相として存在する、請求項７から１１までのいずれか一項に記載の表面層。
13. 前記表面層（５）が、５００ＨＶ_０．３〜１２００ＨＶ_０．３の微小硬度ＨＶ_０．３を有する、請求項７から１２までのいずれか一項に記載の表面層。
14. 請求項７から１３までのいずれか一項に記載の表面層を請求項１から６までのいずれか一項に記載の材料で施す被覆方法であって、大気圧プラズマ溶射法、低圧プラズマ溶射法、火炎溶射法、又は高速火炎溶射法である、上記被覆方法。
15. 請求項１から６までのいずれか一項に記載の材料で形成された請求項７から１３までのいずれか一項に記載の表面層（５）が圧縮室（２）のシリンダー壁（４）上に形成されることを特徴とする、圧縮室（２）中に可動に配設されたピストン（３）を含む、流体を圧縮するための圧縮機。
16. 前記圧縮機が、表面層（５）を設けたシリンダー壁（４）を有するシリンダー（６）と境界をなす圧縮室（２）を含み、圧縮室（２）中のピストン（３）が前後可動に配置されて流体を圧縮する往復動ピストン圧縮機であり、シリンダーの直径が４０ｍｍ〜８０ｍｍである、請求項１５に記載の圧縮機。

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