JP6112203B2 - 鉄系溶射被膜、これを用いた内燃機関用シリンダーブロック及び内燃機関用摺動機構 - Google Patents

Description

本発明は、鉄系溶射被膜に係り、更に詳細には、内燃機関用シリンダーブロックのボア内面に被覆する鉄系溶射被膜であって、ピット量や表面粗さなどを適切に制御することにより、優れた耐スカッフ性を実現し得る鉄系溶射被膜、これを用いた内燃機関用シリンダーブロック及び内燃機関用摺動機構に関する。

従来の自動車内燃機関用シリンダーブロックにおいては、ボア面として鋳鉄製ライナーを鋳包んだアルミ合金製シリンダーブロックが主流であるが、エンジン部品軽量化の観点から、鋳鉄製ライナーの代わりにアルミ製ライナーを鋳包んだタイプのシリンダーブロックや、完全に鋳鉄製ライナーを廃止したアルミ合金製モノブロックの開発が進められている。
しかし、アルミ製ライナーやアルミ合金製モノブロックでは、耐摩耗性や耐スカッフ性に問題があり、これに対し、ニッケルメッキ等のメッキ処理が施される場合もあるが、耐摩耗性や耐スカッフ性に関しては十分とはいえない。

また、上記の手法の代わりとして、プラズマ火炎によって溶射粉末をシリンダーボア内面に噴き付けて溶射被膜を形成することにより、耐摩耗性や耐スカッフ性を向上させた方策も採られている。例えば、特許文献１に記載されている発明では、エンジン用シリンダーブロックのボア表面に鉄系合金粉末を溶射することによって、ピストンリング及びピストンに対する耐摩耗性及び耐スカッフ性の向上を図っている。

日本国特開２００３−１３８３６６号公報

ところで、上記の鉄系合金粉末を溶射して形成した溶射被膜は、ピストンリング及びピストンに対する耐摩耗性及び耐スカッフ性を向上させるが、例えば、最近の高出力エンジンのように非常に高い筒内圧がかかるシリンダーブロックにおいては、高い燃焼圧によって溶射被膜に繰り返しの高荷重が負荷される。
このため、実際にはスカッフ、即ち焼き付きが発生することがあり、さらには被膜剥離を起こすことも判明した。このようなスカッフの発生はエンジン破損に直結し易く、できる限り排除しなければならない重要な問題である。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、優れた耐スカッフ性を実現し得る鉄系被膜、これを用いた内燃機関用シリンダーブロック及び内燃機関用摺動機構を提供することにある。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、溶射被膜のピット量や表面粗さを適切に制御することにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の鉄系溶射被膜は、内燃機関用シリンダーブロックのボア内面を被覆する鉄系溶射被膜である。
被膜表面にピットを含み、ピット量が０．０１〜０．２１％の範囲内にあり、且つこの被膜表面の平均粗さＲａが０．０１〜０．１５μｍの範囲内にあることを特徴とする。

また、本発明の内燃機関用シリンダーブロックは、上述のような鉄系溶射被膜を内面に有するボアと、このボアを有するシリンダーブロック本体を備えることを特徴とする。

更に、本発明の内燃機関用摺動機構は、上述のような内燃機関用シリンダーブロックと、このシリンダーブロックのボアと摺動するピストンを備える内燃機関用摺動機構である。
上記ピストンがピストンリングを有し、このピストンリングが、上記ボアとの摺動部にクロム（Ｃｒ）被膜、窒化クロム（ＣｒＮ）被膜又はダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）被膜を有することを特徴とする。

本発明によれば、溶射被膜のピット量や表面粗さを適切に制御することとしたため、優れた耐スカッフ性を実現し得る鉄系被膜、これを用いた内燃機関用シリンダーブロック及び内燃機関用摺動機構を提供することができる。

ワイヤー法によって得られる溶射被膜の一例を示す断面写真である。 溶射被膜のフリクション試験機を示す概略斜視図である。 溶射被膜のスカッフ試験機を示す概略斜視図である。 溶射被膜の剥離試験機を示す概略側面図である。

以下、本発明の鉄系溶射被膜の実施形態について詳細に説明する。
上述の如く、本発明の鉄系溶射被膜は、内燃機関用シリンダーブロックのボア内面を被覆する鉄系溶射被膜である。
この鉄系溶射被膜の典型的な製造においては、シリンダーブロックを鋳造成型した後、溶射被膜の密着性を高めるためにシリンダーボア内表面を下地加工し、下地加工後のシリンダーボア内面に、鉄系金属材料を液滴として溶射し、溶射被膜を形成する。

ここで、鉄系金属材料を液滴とする際には、特許文献１（特開２００３−１３８３６６号公報）に記載されているように、鉄系合金粉末を使用することもあるが、本発明においては、基本的に鉄系合金製のワイヤーを使用する。
特許文献１のようないわゆる粉末法では、球状の粒子が重なり合って被膜を形成するので剥離し易くなることがあるが、いわゆるワイヤー法では、上記よりも大きな粒子が横に伸ばされながら重なり合い、被膜形成時にはこれらが長さ方向に収縮しながら相互に結合するので、比較的強固で剥離しにくい被膜が得られる。

かかるワイヤー法においては、円筒体の中心孔に挿入された溶射ガンを一端側から他端側へと移動させながら、燃焼炎によって溶融させた溶射ワイヤーの溶滴を溶射フレームとして溶射ガン先端よりボア内面に噴き付けて溶射被膜を形成する。
ワイヤー法によって得られる溶射被膜の断面写真の一例を図１に示すが、被膜内部に気孔２、即ち閉じ込められた気孔である閉気孔を含むことが多い。また、溶射被膜表面には、開放された部分を有する開気孔であるピット１が形成される。

次に、本発明の鉄系溶射被膜の性状やその限定理由について説明する。
この鉄系溶射被膜は、被膜表面にピット、即ち凹所のような開気孔を含み、ピット量が０．０１〜２．１％の範囲内にあり、且つこの被膜表面の平均粗さＲａが０．０１〜０．１５μｍの範囲内にある。

ここで、平均粗さＲａが０．１５μｍを超えると、低フリクションが実現できず摩擦熱が高くなるため、スカッフが発生し易くなる。一方、平均粗さＲａが０．０１未満では、被膜を構成する鉄系金属の摺動部分が増大して、摺動に供される油、例えば潤滑油の保持性が悪くなるため、スカッフが発生し易くなる。

また、ピットはいわば凹所であり油保機能を有するので、溶射被膜の油保持性を更に向上させるべく、被膜表面に存在するピット量を０．０１〜０．２１％の範囲内にしている。
なお、このピット量は、溶射被膜を平面観察した場合に、単位被膜表面積に存在する全てのピットが占有する面積の総和（割合）を意味しており、当該溶射被膜の表面写真から計測することできる。

本発明の鉄系溶射被膜は、図１に示したように気孔（閉気孔）を含むことがあり、このような気孔も油保持性の向上に寄与する。
かかる気孔の被膜断面における存在率を「断面気孔率」と称することにするが、この断面気孔率は当該溶射被膜を図１に示すように断面観察した場合に、単位被膜断面積に存在する全ての気孔が占有する面積の総和（割合）を意味しており、溶射被膜断面写真において確認される気孔を画像解析によって数値化し、算出することができる。

本発明の鉄系溶射被膜においては、この断面気孔率が０．０１〜０．２１％の範囲内にあることが好ましい。
断面気孔率が０．２１％を超えると、溶射被膜の強度が弱くなって被膜剥離が生じることがある。一方、断面気孔率が０．０１％未満の場合には、油保持性が低下してスカッフが発生することがある。

また、本発明において、この鉄系溶射被膜の平均硬度はＨＶ２８０〜５００の範囲内にあることが好ましい。
平均硬度がＨＶ２８０未満では、溶射被膜の摩耗が大きくなり、クリアランスが増加して油（オイル）消費が増加することがある。一方、平均硬度がＨＶ５００を超えると、相手ピストンリングやピストンへの攻撃性が高くなり、ピストンリングやピストンの摩耗が大きくなることがある。過度なピストンリング摩耗やピストン摩耗はスカッフ発生につながる可能性があるため回避することが望ましい。

以上に説明した本発明の溶射被膜のは鉄（Ｆｅ）を主成分としているが、０．０５〜０．２５質量％の炭素（Ｃ）を含むことが好ましい。
炭素量が０．０５質量％未満では、硬度が低くなって溶射被膜の強度が低下し、被膜剥離が発生することがある。一方、炭素量が０．２５質量％を超えると、硬度が高くなって相手攻撃性が高くなり、摺動相手であるピストンリングやピストンの過度な摩耗を引き起こすことがある。

次に、本発明の内燃機関用シリンダーブロックについて説明する。
上述の如く、本発明の内燃機関用シリンダーブロックは、以上に説明した鉄系溶射被膜を内面に有するボアと、このボアを有するシリンダーブロック本体を備える。
ここで、鉄系溶射被膜は、ボアの内面全体に被覆されていてもよいが、使用するピストンのストロークに応じてピストンと摺動するボア内面部分に被覆されていてもよい。

シリンダーブロック本体は、鋳鉄製などであってもよいが、アルミニウム合金又はマグネシウム合金から成ることが好ましく、これにより内燃機関の軽量化を図ることができる。
なお、この内燃機関用シリンダーブロックでは、ボアに他の金属製のライナー、例えば鋳鉄製やアルミニウム合金製のライナーを配置し、このライナー内表面を上記の鉄系溶射被膜で被覆することも可能である。

次に、本発明の内燃機関用摺動機構について説明する。
上述の如く、本発明の内燃機関用摺動機構は、以上に説明した内燃機関用シリンダーブロックと、このシリンダーブロックのボアと摺動するピストンを備える。
そして、この摺動機構では、ピストンがピストンリングを有し、このピストンリングがボアとの少なくとも摺動部にクロム（Ｃｒ）被膜、窒化クロム（ＣｒＮ）被膜又はダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）被膜を有するものである。

上述のように、この内燃機関用摺動機構は、上記の鉄系溶射被膜で内面を被覆したボアを有し、優れた耐スカッフ性や低摩擦性能を発揮するが、上記被膜を有するピストンリングを有するピストンと併用すれば、更に優れた耐スカッフ性や低摩擦性能を発揮させることができる。

また、本発明の内燃機関用摺動機構においては、ピストンが、そのピストンスカート部にグラファイト系又はモリブデン系の固体潤滑材を含有する樹脂コートを有することが好ましい。
これにより、本発明の内燃機関用摺動機構においては、上記樹脂コートを有するピストンと併用すれば、更に優れた耐スカッフ性や低摩擦性能を発揮させることができる。

なお、本発明の内燃機関用摺動機構に使用する潤滑油としては、特に限定されず、市販されている潤滑油を使用することができるが、更に、モリブデン（Ｍｏ）を添加剤として配合された潤滑油と併用すれば、更に優れた低摩擦性能を発揮させることができる。

以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１〜１０、比較例１〜７）
成分の異なる鉄系ワイヤー材を用い、基材であるアルミニウム合金表面に、鉄系溶射被膜をプラズマ溶射法によって形成した後、各種の性能評価に供する各例の評価用試験片を切り出した。各例の溶射被膜性状などを表１に示す。

＜性能評価＞
（１）ピストンリングとのフリクション評価試験法
溶射被膜のフリクション評価法として、各例の評価用試験片を図２に示す往復動摩擦摩耗試験機に供し、摺動時のフリクション値を測定した。試験条件は下記仕様とし、得られた試験結果を表２に示す。
・試験機概要：図２
・摺動速度：０．５ｍ／ｓ
・温度：２５℃
・押付け加重：１０ｋｇｆ
・試験時間：１時間
・潤滑油：５Ｗ３０ＳＬ
・相手材（ピストンリング相当）：炭素鋼を基材とし、摺動面にＣｒＮを被覆。図２中「リング試験片」と記載

（２）ピストンリングとのスカッフ評価試験法
溶射被膜のスカッフ評価として、各例の評価用試験片を図３に示す摺動試験機に供し、各試験片の耐スカッフ荷重を測定した。試験条件は下記仕様とし、得られた試験結果を表２に示す。
・試験機概要：図３
・測定方法：１０ｋｇｆづつ荷重を与え、摩擦力急増点をリングスカッフ荷重とする
・摺動速度：０．２ｍ／ｓ
・温度：２５℃
・潤滑油：５Ｗ３０ＳＬ（初期塗布のみ）
・相手摺動材（ピストンリング相当）：炭素鋼を基材とし、摺動面にＣｒＮを被覆。図３中「リング試験片」と記載

（３）ピストンリングとの摩耗評価試験法
溶射被膜のフリクション評価法として、各例の評価用試験片を図２に示す往復動摩擦摩耗試験機に供し、溶射試験材と相手ピストンリング材（またはピストン材）の摩耗量を測定した（形状測定器を用いて摩耗減肉量を計測）。試験条件は下記仕様とし、得られた試験結果を表２に示す。
・試験機概要：図２
・摺動速度：０．５ｍ／ｓ
・温度：２５℃
・押付け加重：１０ｋｇｆ
・試験時間：１時間
・潤滑油：５Ｗ３０ＳＬ
・相手材（ピストンリング相当）：炭素鋼を基材とし、摺動面にＣｒＮを被覆。図２中「リング試験片」と記載

（４）溶射被膜の剥離評価法
溶射被膜の剥離評価として、各例の評価用試験片を図４に示すブラスト試験機に供し、ブラスト試験前後の溶射試験片の重量を測定し、溶射被膜の減少量（剥離量）を耐剥離性の指標とした。試験条件は下記仕様とし、得られた試験結果を表２に示す。
・試験機概要：図４
・試験片形状：５０×５０ｍｍ（肉厚５ｍｍ）
・ブラスト粒：アルミナ粒子
・照射量：５０ｇ／回で、計５回（２５０ｇ）
・測定方法：アルミナ粒子を溶射面に照射し、試験前後の溶射試験片の重量を測定

［表１］

なお、表１中、表面ピット率は各例の溶射被膜の表面写真から計測し、断面気孔率は各例の溶射被膜の断面写真から計測した。

［表２］

なお、表２中、フリクション試験結果は、実施例１のフリクション値を基準値１．０として表記した。数値が小さいほどフリクション値が良好であることを示している。
また、スカッフ試験結果は、スカッフが発生した押し付け荷重（ｋｇ）をスカッフ荷重とした。数値が大きいほど耐スカッフ性に優れていることを示している。
摩耗試験結果は、実施例１の摩耗量を基準値１．０として表記した。「溶射摩耗量」は数値が小さいほど溶射被膜自身の摩耗が小さいことを示しており、「リング摩耗量」は数値が小さいほど相手リング材の摩耗量が小さく、相手攻撃性の問題が無いことを示している。
更に、剥離試験結果は、実施例１の重量減少量を基準値１．０として表記した。数値が小さいほど耐剥離性が良好であることを示している。

表１及び表２より、本発明の範囲に属する実施例１〜実施例４は、本発明の範囲外である比較例１よりもフリクション特性に優れており、かつ耐スカッフ性に優れていることがわかる。
また、本発明の範囲に属する実施例５と実施例６は、断面気孔率が好適範囲外である比較例２よりも耐スカッフ性に優れており、比較例３よりも耐剥離性に優れていることがわかる。
また、本発明の範囲に属する実施例７と参考例１は、ＨＶが好適範囲外である比較例４よりも耐摩耗性に優れており、比較例５よりも耐相手攻撃性に優れていることがわかる。 さらにまた、本発明の範囲に属する実施例８と実施例９は、炭素量が好適範囲外である比較例６よりも耐摩耗性・耐剥離性に優れており、比較例７よりも耐相手攻撃性に優れていることがわかる。

以上、本発明を若干の実施形態及び実施例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。

本発明の鉄系溶射被膜は、低フリクション性及び良好な油保持性から、原則として優れた耐スカッフ性を発揮するが、更にビッカース硬度や成分比を制御することにより、極めて優れた耐摩耗性、耐剥離性及び低い相手攻撃性を発揮させることができる。
よって、近年の自動車業界における高出力エンジン等の高い負荷環境においても十分な信頼性を提供することができる。
また、高出力エンジン等における低フリクションの発現は、このような高性能エンジンにおける更なる燃費向上をも実現するものであり、省エネルギーに資するものである。
更にまた、本発明の鉄系溶射被膜は、優れたスカッフ性能等を有する鋳鉄製ライナーレスのアルミ合金製モノシリンダーブロックを実現するものであり、特に高性能エンジンにおけるシリンダーブロックの軽量化を更に促進するもので、省エネルギー化も促進するものである。
また、本発明の技術的骨子は、自動車業界のみならず内燃機関を用いる他の業界にも応用可能である。

１ ピット
２ 気孔（閉気孔）

Claims (8)

1. 内燃機関用シリンダーブロックのボア内面を被覆する鉄系溶射被膜であって、
   被膜表面にピットを含み、ピット量が０．０１〜０．２１％の範囲内にあり、且つこの被膜表面の平均粗さＲａが０．０１〜０．１５μｍの範囲内にあることを特徴とする鉄系溶射被膜。
2. 気孔を含み、断面気孔率が０．０１〜０．２１％の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の鉄系溶射被膜。
3. 平均硬度がＨＶ２８０〜５００の範囲内にあることを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄系溶射被膜。
4. 鉄を主成分とし、さらに０．０５〜０．２５質量％の炭素を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の鉄系溶射被膜。
5. 請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の鉄系溶射被膜を内面に有するボアと、このボアを有するシリンダーブロック本体を備えることを特徴とする内燃機関用シリンダーブロック。
6. 上記シリンダーブロック本体がアルミニウム合金又はマグネシウム合金から成ることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関用シリンダブロック。
7. 請求項５又は６に記載の内燃機関用シリンダーブロックと、このシリンダーブロックのボアと摺動するピストンを備える内燃機関用摺動機構であって、
   上記ピストンがピストンリングを有し、
   このピストンリングが、上記ボアとの摺動部にクロム（Ｃｒ）被膜、窒化クロム（ＣｒＮ）被膜又はダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）被膜を有することを特徴とする内燃機関用摺動機構。
8. 上記ピストンが、そのピストンスカート部にグラファイト系又はモリブデン系の固体潤滑材を含有する樹脂コートを有することを特徴とする請求項７に記載の内燃機関用摺動機構。

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