JP6387889B2

JP6387889B2 - 溶射被膜形成方法

Info

Publication number: JP6387889B2
Application number: JP2015083370A
Authority: JP
Inventors: 洋希猪熊
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-04-15
Filing date: 2015-04-15
Publication date: 2018-09-12
Anticipated expiration: 2035-04-15
Also published as: JP2016204675A

Description

本発明は、溶射被膜形成方法に関する。

従来、例えば特開２０１０−０９５７８０号公報には、マスキング部材を用いた溶射被膜形成方法が開示されている。この方法は、具体的に、溶射被膜形成部材（以下「ワーク」ともいう。）表面をショットブラスト処理した後に溶射処理を行うものであり、両処理においてマスキング部材が使用される。また、この方法では、ショットブラスト処理後にショットブラスト用マスキング部材を取り外さず、このマスキング部材の上方に溶射用マスキング部材を配置してマスキング部材を二層構造とした状態で溶射処理を行い、溶射処理後に両マスキング部材を取り外している。ここで、溶射用マスキング部材は、二層構造のマスキング部材の内周部が上層側から下層側に向かって階段状に縮径するように配置される。そのため、両マスキング部材の内周部によって実質上のアンダーカット形状が形成される。従って、溶射処理の際にショットブラスト用マスキング部材の内周面に溶射材が付着するのを抑制でき、これにより、このマスキング部材の取り外しに伴って溶射被膜の一部が剥離するのを抑制できる。

特開２０１４−１５２７３５号公報特開２０１０−０９５７８０号公報特開２００９−２９００２９号公報

しかし、上記方法において、ショットブラスト用マスキング部材の内周部に溶射被膜が形成されないようにするためには、溶射条件を適切に設定することが必要となる。換言すると、溶射条件を適切に設定しなければ、ショットブラスト用マスキング部材の内周部に溶射被膜が形成してしまう。また、熱応力の観点から、溶射被膜のエッジ部分にはＣ面取りし、または、Ｒ面取りすることが望ましいが、溶射条件に依存する上記方法ではエッジ部分の形状を制御することが困難という問題もある。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものである。即ち、溶射条件に依らずワークのエッジ部分の形状を制御可能な溶射被膜形成方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、溶射被膜形成方法であって、
溶射被膜形成部材の表面に溶射被膜の形成が必要な領域に対応する孔部が形成されたマスキング部材を配置する第１ステップであって、前記溶射被膜形成部材の表面と前記マスキング部材の下面との距離が、前記溶射被膜の膜厚よりも大きくなるように配置する第１ステップと、
前記溶射被膜形成部材の表面に対して溶射を行う第２ステップであって、前記マスキング部材の表面上の任意の点を中心として描かれる仮想円の円周上を当該任意の点が移動し、尚且つ、溶射開始からの時間の経過に伴い当該仮想円の半径が縮小するように前記孔部の位置を動かしつつ溶射を行う第２ステップと、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、第１ステップにおいて、溶射被膜形成部材の表面とマスキング部材の下面との距離が溶射被膜の膜厚よりも大きくされるので、第２ステップにおいてマスキング部材の内周面に溶射材が付着するのを抑制できる。よって、第２ステップ後にマスキング部材を取り外す際に溶射被膜の一部が剥離するのを良好に抑制できる。また、本発明によれば、第２ステップにおいて、マスキング部材の表面上の任意の点を中心として描かれる仮想円の円周上を当該任意の点が移動し、尚且つ、溶射開始からの時間の経過に伴い当該仮想円の半径が縮小するように孔部の位置を動かしつつ溶射するので、仮想円の半径の縮小速度を制御することで、溶射被膜形成部材のエッジ部分の形状を容易に制御できる。即ち、溶射条件に依らずワークのエッジ部分の形状を容易に制御できる。

実施の形態に係る溶射被膜形成方法の第１ステップを説明するための図である。マスキング部材１２を説明するための図である。本実施の形態に係る溶射被膜形成方法の第２ステップを説明するための図である。第２ステップにおけるマスキング部材１２の回転動作を説明するための図である。図４の時刻ｔ_１におけるマスキング部材１２の回転動作を説明するための図である。図４の時刻ｔ_２におけるマスキング部材１２の回転動作を説明するための図である。実施の形態に係る溶射被膜形成方法によって得られた溶射被膜１６の外形を示す図である。図７の溶射被膜１６のＡ部分の拡大図である。実施の形態に係る溶射被膜形成方法の比較としての従来手法を説明するための図である。実施の形態に係る溶射被膜形成方法の比較としての従来手法を説明するための図である。仮想円の半径ｒを縮小させる速度を調節した場合に形成される溶射被膜１６のエッジ部分の形状を説明するための図である。実施の形態に係る溶射被膜形成方法による効果を説明するための図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

［溶射被膜形成方法の説明］
図１は、本実施の形態に係る溶射被膜形成方法の第１ステップを説明するための図である。図１に示すように、第１ステップでは、ワーク１０の表面に、マスキング部材１２が配置される。ワーク１０は、ピストン、シリンダヘッド、エンジンバルブといったエンジン燃焼室の壁面を構成する部品であり、その表面は、必要に応じてブラスト処理されている。マスキング部材１２は、溶射被膜の形成が必要な領域を露出し、その他の領域を覆うための部材であり、鉄板、銅板等の種々の板材から構成されている。このマスキング部材１２には、溶射被膜の形成が必要な領域に対応する孔部１４が、プレス装置による抜き打ち加工によって形成されている（図２参照）。

また、図１に示すように、第１ステップでは、マスキング部材１２の下面と、ワーク１０の表面との間の距離ｄ_１は、説明の便宜上破線で示す溶射被膜１６の膜厚Ｔよりも大きくされる。また、マスキング部材１２の内周面２０は、溶射被膜１６の上面１８の外周上の点を通る基準線Ｌに対して垂直方向に距離ｄ_２（後述の半径ｒ_０）だけ離されて配置される。なお、図１においては、基準線Ｌの左方に内周面２０が配置されている例を示しているが、基準線Ｌに対して垂直方向に距離ｄ_２だけ離れていればよいので、基準線の右方に内周面２０が配置されていてもよい。

図３は、本実施の形態に係る溶射被膜形成方法の第２ステップを説明するための図である。図３に示すように、第２ステップでは、マスキング部材１２の上方から溶射材（ジルコニア（ＺｒＯ_２）、シリカ（ＳｉＯ_２）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）などのセラミックス、サーメット（ＴｉＣ・ＴｉＮ）、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）、コージライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２）、ステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ_２）などの複合セラミックス等）が溶射ガンから噴き付けられる。なお、溶射方式は特に限定されず、フレーム溶射、高速フレーム溶射、アーク溶射、プラズマ溶射、レーザ溶射等の各種方式が採用される。

また、第２ステップにおいては、マスキング部材１２の表面上の任意の点を中心として描かれる仮想円の円周上を当該任意の点が移動するようにマスキング部材１２が動かされる。図３においては、マスキング部材１２の４つの頂点が、夫々の頂点を中心として描かれる仮想円の円周上を移動する様子が示されている。また、この回転動作は、溶射開始からの時間の経過に伴い当該仮想円の半径ｒ（回転半径ｒ）が縮小されて最終的にはゼロとなるように行われる。なお、図３においては、ワーク１０を固定してマスキング部材１２を動かしているが、結果的に孔部１４の位置が動けばよいので、マスキング部材１２を固定してワーク１０を動かしてもよい。

図４乃至図６は、第２ステップにおけるマスキング部材１２の回転動作を説明するための図である。図５は、仮想円の半径ｒが図４の時刻ｔ_１における半径ｒ_１であるときの回転動作を説明するものであり、図６は、図４の時刻ｔ_２における半径ｒ_２であるときの回転動作を説明するものである。図５と図６を比較すると分かるように、仮想円の半径ｒが時間の経過に伴って縮小すると、ワーク１０において溶射材が堆積できる領域の面積が狭くなる。そのため、溶射被膜１６の外周面２２は、ワーク１０側からマスキング部材１２側に向けて傾斜するテーパ状に形成されることになる。

本実施の形態に係る溶射被膜形成方法の第３ステップでは、マスキング部材１２が取り外され、その後、必要に応じて上面１８や外周面２２が砥石等により研磨される。以上のステップを経ることで、ワーク１０の表面に溶射被膜１６が形成される。

図７は本実施の形態に係る溶射被膜形成方法によって得られた溶射被膜１６の外形を示す図であり、図８は図７の溶射被膜１６のＡ部分の拡大図である。図７乃至図８に示すように、溶射被膜１６においては、三角形状の上面１８を囲うように外周面２２が形成される。マスキング部材１２の最終的な停止位置が上面１８に対応するので、上面１８の面積は孔部１４の開口面積と等しくなる。また、マスキング部材１２を動かす前の内周面２０の位置に沿って外周面２２が形成されるので、図７に示す半径ｒは図４の時刻ｔ_０における仮想円の半径ｒ_０と等しくなる。

［溶射被膜形成方法による効果］
図９乃至図１０は、本実施の形態に係る溶射被膜形成方法の比較としての従来手法を説明するための図である。図９は、ワーク１０の表面にマスキング部材１２の下面が接するようにマスキング部材１２を配置して溶射する手法を示している。この手法では、内周面２０に溶射材が付着するので、マスキング部材１２を取り外す際に溶射被膜１６の一部が剥離してしまうという問題がある。また、図１０は、アンダーカット加工して内周面２０をテーパ状にしたマスキング部材１２を配置して溶射する手法を示している。この手法では、溶射条件を適切に設定することで内周面２０に溶射被膜１６が付着するのを抑制できる。しかし、マスキング部材１２のアンダーカット加工が必要でコストが上昇するという問題がある。また、溶射条件に依存することから溶射被膜１６のエッジ部分の形状を制御することが難しいという問題もある。

この点、本実施の形態に係る溶射被膜形成方法によれば、第１ステップにおいて、マスキング部材１２の下面と、ワーク１０の表面との間の距離ｄ_１が、溶射被膜１６の膜厚Ｔよりも大きくされるので、第２ステップにおいて内周面２０に溶射材が付着するのを抑制できる。よって、第３ステップにおいてマスキング部材１２を取り外す際に溶射被膜１６の一部が剥離するのを良好に抑制できる。

また、本実施の形態に係る溶射被膜形成方法によれば、第２ステップにおいて、マスキング部材１２の表面上の任意の点を中心として描かれる仮想円の円周上を当該任意の点が移動し、尚且つ、溶射開始からの時間の経過に伴い当該仮想円の半径ｒが縮小するようにマスキング部材１２が動かされる。そのため、半径ｒを縮小させる速度を調節することで溶射被膜１６のエッジ部分の形状を容易に制御できる。

図１１は、仮想円の半径ｒを縮小させる速度を調節した場合に形成される溶射被膜１６のエッジ部分の形状を説明するための図である。図１１の上段は図４同様、仮想円の半径ｒを一定速度で縮小させたときのエッジ部分の形状を示している。また、同中段および下段は、仮想円の半径ｒを縮小させる速度を変化させたときのエッジ部分の形状を示している。同上段で示すように、縮小速度を一定としたときは、エッジ部分がＣ面取りされたような形状となる。また、同中段に示すように、縮小速度を初期段階で大きくし、その後の中期〜後期で緩め、最終段階で大きく（但し初期段階の縮小速度よりは小さく）したときは、溶射被膜１６の下層部分が薄く、また、外周面２２と上面１８の接続部分がＲ面取りされたような形状となる。また、同下段に示すように、縮小速度を初期〜中期では緩やかにし、後期において大きくしたときは、外周面２２と上面１８の接続部分がＲ面取りされたような形状となる。

図１１の上段〜下段に示したようなエッジ部分の形状とすることで、熱応力を緩和できるので溶射被膜１６の耐久性を向上できる。また、上述した第３ステップでの砥石等による研磨の際に、溶射被膜１６のエッジ部分が欠けるのを回避できる。この効果を具体的に説明するのが図１２である。図１２の上段に示すように、溶射被膜１６のエッジ部分がＲ面取りされたような形状となっていれば、同下段に示すようなエッジ部分の欠落を回避できる。

１０ワーク
１２マスキング部材
１４孔部
１６溶射被膜
１８上面
２０内周面
２２外周面

Claims

溶射被膜形成部材の表面に溶射被膜の形成が必要な領域に対応する孔部が形成されたマスキング部材を配置する第１ステップであって、前記溶射被膜形成部材の表面と前記マスキング部材の下面との距離が、前記溶射被膜の膜厚よりも大きくなるように配置する第１ステップと、
前記溶射被膜形成部材の表面に対して溶射を行う第２ステップであって、前記マスキング部材の表面上の任意の点を中心として描かれる仮想円の円周上を当該任意の点が移動し、尚且つ、溶射開始からの時間の経過に伴い当該仮想円の半径が縮小するように前記孔部の位置を動かしつつ溶射を行う第２ステップと、
を備えることを特徴とする溶射被膜形成方法。