JPS5835260B2 - プラズマジエツト噴霧合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はプラズマ噴霧技術によって高い耐摩耗性及び耐
すり切り（５ｃｕｆｆ）性のベアリング面を製造するた
めに特に有用であるブレンド又は接合品の何れかとして
の粉末に関する。

本願の粉末組成物は内燃機関、例えばジーゼルエンジン
又はガソリンエンジン中のピストンリング又はアペック
スシール上にベアリング面を作ることに特に有用である
。

ロータリーエンジン中のピストンリング又はアペックス
シール上の合金コーティングは他のベアリング面に共通
ではない状態に遭遇する。

他のベアリング面、例えばクランクシャフトメイン及び
クランク／ロッドベアリング面は油浴中でかなり均一な
温度にさらされるが、接触面圧力変動と共である。

他方ピストンリングベアリング面は種々様々の条件に耐
えねばならない。

これらは広い温度変動、広い圧力変動、燃焼の反応性化
学生成物へ露出、クランクシャフトベアリングに比べて
最小の潤滑、例えば研摩性異物粒子へ露出等を含む。

それ故に、一つの環境に好適である合金は必ずしも他の
環境に好適であるとは限らない。

このピストンリングは主要な例である。

しかしながら、しばしば内燃機関中のピストンリングに
課せられる多くの条件に満足に耐えることができる材料
は内燃機関のみではなく他の場所でも別の環境により課
せられる条件に耐えよう。

過去において、ベアリング面として精巧なコ−ティング
は硬金属（米国特許第３，５３９，１９２号、第３，６
９０，６８６号、第３，７２５，０１７号、第３，８１
４，４４７号）ないし耐火金属酸化物（米国特許第３ｆ
ｉ９７，０９１号及び第３，７９４，３３４号）の範囲
に及んで開発されている。

各々加工又は最終用途の何れかに関して与えられた環境
において特別の利点を有する。

モリブデンに基づく一つの特に有用な材料は米国特許第
３，６９０，６８６号に記載されかつクレームされるも
のであり、そして今日内燃機関用ピストンリングに広く
使用されている。

その原則的問題は最近３年間２０％程度上昇したモリブ
デンの価格の経済的問題である。

結果的に、最初の粉末のコストが非常に高い。

プラズマ適用材料の約半分は米国特許第３，６９０，６
８６号に従って被覆されるピストンリングを仕上げる際
に研摩され、そして生成するスラッジに再生価値はある
が、コスト差はまた高い。

それ故に、高コスト、モリブデン高含量コーティングに
代るより低廉な置換面が必要である。

かなりの量の鉄と共にモリブデンからなりかつプラズマ
噴霧技術により適用される合金ベアリング面は概して新
規ではない。

例えばインガム（■−ｎｇｈａｍ）の米国特許第３，８
１９，３８４号を参照でき、ここでは５０ないし７５％
のモリブデンと５０ないし２５％の鉄を含有する粉末は
ピストンリング面のコーティングに有用であると教示す
る。

また米国特許第３，９９１，２４０号は鋳鉄、モリブデ
ン及びホウ素を含むフレームスプレー粉末から形成され
るベアリング面の供給を教示する。

ドイツ国特許第２，４５６，２３８号はまた鉄、モリブ
デン及びホウ素を含有する粉末から形成される組成物を
教示する。

合金として鉄、モリブデン及びケイ素を含有する系は古
く、かつこの系では比較的広い範囲のケイ素濃度が公知
である。

ハワードトン（Ｈｏｗａ −ｒｄｔｏｎ ）の米国特許
第２，３８３，９６９号は７０％の鉄、１７％のモリブ
デン及び０．１％のケイ素を含有する永久磁石を教示す
る。

ホルン（ＨｏＨｚ）の米国特許第３，６５５，３６５号
は２０〜４８％の鉄、２５〜５０％のコバルト、１０〜
４０％のモリブデン、０．５〜４％の炭素及び少量のケ
イ素の工具合金を教示する。

この合金は三つの合金化粉末の熱凝固により形成される
。

イワタ（Ｉｗａｔａ）の米国特許第３，８５６，４７８
号は１０〜１２％のモリブデン、８８〜９０％の鉄及び
０．０５〜２０％のケイ素からなる弁シート合金を開示
する。

僅かに高い濃度のケイ素は硬工具合金のためフランダー
ス（Ｆ １ａｎｄｅｒｓ）の米国特許第２，１２４，８
７７号に示される。

モリブデンの濃度は４，５ないし１０％であり、ケイ素
は０．２ないし１，２５％であり、そして残りは鉄であ
る。

炭素、イオン、リン及びマンガンの存在がまた示される
。

中間の濃度のケイ素を有する合金を示す他の参照文献は
ウイスラ−（ｗｉｓｓｌｅｒ）の米国特許第２，２１９
，４６２号及びスコツト（ｓｃｏｔｔ）の米国特許第２
，３５４，１４７号を含む。

合金中により高い濃度のケイ素がウラスコ（ｙ−ｕｒａ
ｓｋｏ）の米国特許第３，４２８，４４２号に示される
。

この組成物は比較的少量のモリブデン、即ち０．０〜５
．０％を含有する。

デクトールド（Ｄｅｃｈ ｔ ｏ ｌ ｄ）の米国特許
第３，１６１，９４８号は５〜２５重量％の量のケイ素
と共に鉄及びモリブデンを含有する低融点組成物を教示
する。

シェラベック（Ｊ ｅｒａｂｅｃｋ）の米国特許第２，
２８９，３６５号は３５重量％までの量でモリブデンを
含有するリン、ケイ素、鉄合金を教示する。

リン／ケイ素は最大２６％まで存在し、リンは２〜１３
％そしてケイ素は６〜２２％の範囲に及ぶ。

残りが鉄である。ドイツ国特許第２，４３３，８１４号
はまた４５％又はそれ以下の鉄を有する鉄、モリブデン
、ケイ素組成物を教示する。

７０〜８７％の鉄、１０〜２５％のモリブデン、０．５
〜６％のケイ素、０．０〜４％の炭素、及び選択的に０
．０〜２．５％の量の有機結合剤、総計１００％を含む
ベアリング面を形成するようにプラズマ噴霧適用のため
の粉末ブレンド又は接合品を示す従来技術は何ら知られ
ていない。

本発明はこの組成物を供する。

選択的に少量の炭素と共に鉄と少量のケイ素の混合物と
組合わせた比較的少量の高いコストのモリブデンを使用
する。

かくしてピストンリング又はアペックスシールコーティ
ングにおいて、高濃度のモリブデンコーティングの性質
の実質上の犠牲なしに高いコストのモリブデンのための
低廉な増量剤として少量のケイ素と組合わせて鉄を使用
できることが判明した。

それ故に要約すると、本発明は主として粉末化鉄及び少
量の粉末化ケイ素からなる増量剤混合物で増量された粉
末化モリブデンの混和粉末混合物にある。

ブレンドとして、又は有機又は無機の結合剤を使用する
複合面の倒れかとして、スプレー粉末にこの増量剤を配
合できる。

増量剤混合物は９８．５ないし９９．５重量％の粉末化
鉄と残りの粉末化ケイ素のブレンドである。

この増量剤は望ましくは鉄／ケイ素増量剤の１００部当
り０ないし４部の程度に炭素を含有できる。

モリブデン１００部に関して７９０ないし９００重量部
の増量剤を混和することにより又は前記のように結合剤
によりこの粉末化モリブデンを増量する。

粉末の最終元素分析値がここで記載する組成範囲内にあ
る限り５０ないし７５％のモリブデン、残りの鉄（痕跡
の不純物）を含有する鉄とモリブデンのプレ合金を使用
できる。

モリブデン１００部当り約４部の程度までのマンガン及
びモリブデン１００部当り約２５部の程度までの有機材
料も所望に応じて存在してもよい。

プラズマジェットスプレー技術により鉄基質にこの組成
物を適用しそして微細炭化ケイ素（ガラス化）ホイール
で滑らかな微細仕上に研摩する時に、ピストンリング又
はアペックスシールのためのベアリング面として内燃機
関で使用に特に適した極めて満足すべきベアリング面が
得られる。

本発明を図面に関連してより良く理解させることができ
る。

ここで更に特に第１図に言及すると、第１図のピストン
及びシリンダ組立体１０は一般にエンジンシリンダ内で
作動するための従来の４リング溝内燃機関ピストンを含
む。

この組立体１０はピストン１１及びこのピストン１１を
受入れる孔１３を有するエンジンシリンダ１２を含む。

ピストン１１は周りに四つの周辺リング溝１６，１７゜
１８及び１９を有するリングバンド１５を備えたヘッド
１４を有する。

頂部のリング溝１６はその中に切目つき一体鋳鉄圧縮又
は耐火ピストンリング２０を有する。

第二のリング溝１７はリング２０より若干幅広い切目つ
き一体鋳鉄圧縮リング２１を有する。

第三のリング溝１８は三片の油調整リング組立体２２を
保持する。

第四の、即ち底部リング溝１９は三片の油調整リング組
立体２３を保持する。

両方の鋳鉄ピストンリングと鋼油調整リングには本発明
に従ってベアリング面が設けられる。

第２図に示すように、頂部の圧縮又は耐火リング２０は
鋳鉄、好ましくは約３．５重量％の炭素含量を有するネ
ズミ鋳鉄からなる主本体２４を有する。

このリングの外側周辺２５は本発明の合金製造粉末から
形成されたプラスマジェット適用合金基質コーティング
２６で被覆される。

第３図に示すように、第二の圧縮リング２１はリング２
０の本体２４と同一種類の鋳鉄からなる主本体２７を有
する。

本体２７の外側周辺２８はリングの底端部から上方にか
つ内方に傾斜しそして周辺溝２９がこの傾斜した周辺の
周りに形成される。

溝２９には合金基質２６が充填される。・第４図に示す
ように、第三のリング溝１８中の油調整リング組立体２
２は一片可撓性溝形リング３０とこのリング３０を拡げ
るため溝の中に延びる脚を有するシート金属エキスパン
ダリング３１からなる。

このリング及びエキスパンダはメイヒュ−（Ｍｅ ｙ
ｈ ｅｗ）等の米国特許第３，２８１，１５６号に更に
完全に記載される。

−片油調整リング３０は一対の軸方向に間隔を保ち放射
方向に突出するビーズ３２を有する。

これらのビーズの周辺にはコーティング２６が被覆され
る。

第５図では、油調整リング組立体２３はひろげ切目つき
薄いレールリング３４を支持する弾性スペーサエキスパ
ンダリング３３を含む。

この組立体３３はマリオン（Ｍａｒｉｏｎ）の米国特許
第２，８１７，５６４号に記載の型式のものである。

油調整リング３４の外側周辺は本発明による合金基質コ
ーティング２６で被覆される。

前記の説明から、圧縮及び油調整リング２０゜２１．２
２及び２３の各々のベアリング面は本発明に従ってモリ
ブデン−鉄−ケイ素相を含有する合金基質コーティング
２６で被覆されることが了解されよう。

このように被覆されたベアリング面２６はエンジンシリ
ンダ１２の孔１３の壁の上にのりかつこれと密封して接
触する。

ピストンリング２０，２１．２２及び２３は孔の壁に対
してしっかりと拡大しかつ認容し得る摩耗及びすり切れ
特性と共に良好な密封性、滑動性接触を保つように孔１
３の中に圧縮される。

第６図に示すように、コーティング又は面２６を形成す
る合金基質は例えば溝リング２１の上に、その切目端部
が殆ど接触するように圧縮されたリングとアーバ３５上
に多数のリングを積重ねることによってリング上に適用
される。

その密接して、収縮した位置でリングの積重ねを留める
アーμは旋盤で装着できそしてリングの周辺はその周り
に溝２９を形成するように機械で造られる。

次にプラズマジェットスプレーガン３６及び改良された
粉末組成物を使用して、アーバ上のリングの外側周辺を
被覆する。

このガン３６はナイロンのような絶縁ケーシング３７を
含み、これから後部電極３８を突出させ、その突出はね
じノブ３９により調整される。

ケーシングの前面は前部電極４０を受入れる。

ケーシング３７と電極４０は中空でありかつ水でジャケ
ットされ、このため冷却剤が入口４１から出口４２へ通
して循環される。

従来の組成のプラズマジェットガスは入口４３からケー
シング３７及び電極４０により設けられる室の中に供給
されて電極３８の周りを流動する。

電極４０の前端部にはプラズマフレームのためノズル出
口４４が設けられ、そしてコーティング２６の合金を形
成する成分がノズルの排出出口に少し先立って、粉末人
口４５を通してこのノズルへ供給される。

電極３８と４０の間に確立される電気アークを通して入
口４３からプラズマガスを通過させることによってイオ
ン化ガスからなるプラズマが作られる。

このプラズマガスは非酸化性でありかつ水素と組合わせ
た窒素又はアルゴンから構成される。

ノズル４４から出るプラズマフレームは吸引によりこれ
と共に合金形成粉末を引出しかつこれらが共に合金化す
ることを引起こすように粉末成分を高い温度におく。

このスプレー粉末は通常にはキャリアガスに懸濁される
。

このジェットストリームは各ピストンリングの溝２９の
底部に合金を運んで溝に充填する。

ガン３６の粉末人口４５へ供給された好適な粉末は前記
の比率で少量の炭素、及び／又は有機結合剤及び／又は
マンガンを選択的に含有できる鉄／ケイ素増量剤で増量
されたモリ・ブデンから構成される。

第７図に示すように合金２６は実際には溝２９の中でそ
の場で形成されかつ拡散された内面又は溶接された帯に
沿ってリングのベース本体に結合される。

この内面又は帯４６は合金２６の材料及びリング本体２
７の材料、通常にはネズミ鋳鉄から構成される。

プラズマジェットスプレー適用の間に、本体金属２７の
過剰の融解及び燃焼が阻止されるが、合金による表面の
湿潤が実質上阻害されないように溝２９内の温度を保つ
ことが望ましい。

これの達成のために、リングのアーμは好ましくはジェ
ットフレームの両側で衝突する不活性ガスの外部ブラス
トで冷却される。

アーバ内のリング２１の温度を約４０００Ｆ又はそれ以
下に保つことが望ましい。

リングを自然に空気で冷却するままにすること以外プラ
ズマジェット被覆リングのために何らかの続く熱処理を
与えることは必要ではない。

入口４５へ供給された粉末は好ましくは吸入ガス、振動
、機械伝導装置の助けで計量される。

粉末全部が完全に融解しかつプラズマジェットフレーム
の中心コーンの中に浸入する。

ピストン２１の周辺の周りに帯を形成するように溝内に
合金コーティング２６の供給は、例えば溝と並んでラン
ドとしてリングの本体金属を利用して前記のマリオンの
米国特許第３，１３３，７３９号に記載するようにリン
グのための表面に初期迅速ブレーク（１ｎｉｔｉａｌ
ｑｕｉｃｋ ｂｒｅａｋ ）を形成する。

炭化ケイ素といし車により、又はマリオンの特許に記載
されるようにリング溝に使用したリングのねじりにより
リング２１の傾斜周辺が形成できる。

プラズマガスジェット噴霧の操作はこの型式のスプレー
ガン及び操作の方式を示す第８図に関して多分より良く
説明される。

４８で装置のため固定できるスプレーガン４７を示す。

また電極ホルダー４９と電極５０を示す。

給源５１からくる循環冷却剤によりこのガンを冷却する
。

電極５３によりアーク５２を生ずる。

プラズマガスは位置５４で供給され、このガスは水素と
窒素又はアルコンの配合品であり過剰の酸化を阻止する
。

キャリアガスに懸濁されたスプレー粉末は開口５５に入
りそしてノズル５７中のプラズマフレーム５６の区域に
供給される。

勿論、このプラズマフレームはプラズマガスのイオン化
及び燃焼により生成する。

またスプレースクリーン６０によって噴霧面作り材料が
上に被覆される作業片のため準備されたベース材料を示
す。

前記のように、ベース材料に対して前後にこのガンを移
動して全体の最終コーティングを構成する多数の層を作
り上げる。

マンドレル３５の場合には、ガスを静止して保持しかつ
マンドレルを回転する。

本発明の増量剤を予め合金化し次に従来の手段により粉
末化できる。

かくして鉄とケイ素を合金化温度で融解し、冷却しかつ
粉末化して非合金化元素に対して下記に示した比率で各
元素を有するフェロシリコンを生ずる。

また前記のように、鉄の一部又は全部をモリブデンとプ
レ合金化し、次にこのプレ合金化操作の間存在するケイ
素と共に又はなしでプラズマ噴霧適用の前に粉末化する
。

しかしながら、ここで記載しかつ特定例で示す百分率範
囲により元素粉末を混和することが好ましい。

示すようにブレンドとは異なる複合品を調合する際に結
合剤を使用する。

結合剤として従来のフェノール性ワニスを使用できる。

ここで有用な有機結合剤の他の例は公知のエポキシ又は
油変性アルキドワニス、乾性油、例えばアマ三油ワニス
、キリ油、溶媒中の溶液として又はラテックスとして天
然又は合成のゴムがある。

溶媒蒸発、又は化学又は熱硬化により乾燥し又は硬化す
る種々の種類の有機樹脂を使用できる。

有機結合剤の性質はこれが何かの方法で硬化して噴霧さ
れるべき粉末の実質上すべてに予定された非合金化分析
を保つ限り重要ではない。

有機結合剤がなんであろうとも、これはプラズマフレー
ム中で破壊されそして生成する合金の一部にはならない
。

下記の実施例は硬表面化鉄／ケイ素増量モリブデン合金
面を得るため本発明の代表的粉末組成物を示す。

勿論、これらの例は単に例示でありかつ本発明はこれに
限定されるべきではないことは了解されよう。

実施例 １ 本発明に従った代表的な増量剤組成物は下記の組成を有
する： 前記の増量剤組成物の多くの変型は現在当業者に明らか
であろう。

合理的にできるだけ殆ど均質な粉末のブレンドを製造す
る公知の混和装置と方法によりこれらの増量剤を粉末化
モリブデン←１７０メツシュ）と混和する。

この粉末の粒径は一１７０メツシュと指示され、これは
ここで使用する際には粉末の少くとも９５％が１７０メ
ツシュ米国標準ふるいを通過することを意味するが、最
小２０％が３２５メツシユふるいを通過することが望ま
しい。

別にこの粉末は異物を含むべきではない。一般に、金属
の粒子は２０ミクロンより小さくかつ０．１ミクロンよ
り大きい。

実施例 ■ 本発明に従って鋳鉄ピストンリング又はアペックスシー
ルにプラズマスプレー適用のため粉末組成物の代表的な
例は下記の組成を有する：本発明に従って鋳鉄ピストン
リング又はアペックスシールにプラズマスプレー適用の
ため本発明に従った別の粉末組成物は下記の組成を有す
る：プラズマスプレー適用のため本発明に従った別の粉
末組成物は下記の組成を有する： 実施例 ■ 鋳鉄ピストンリング、又はアペックスシールにプラズマ
スプレー適用のため本発明に従った別の粉末組成物は下
記の組成を有する： 実施例 Ｘ 鋳鉄ピストンリング、又はアペックスシールにプラズマ
スプレー適用のため本発明に従った別の粉末組成物は下
記の組成を有する： 実施例 ■ 鋳鉄ピストンリング又はアペックスシールにプラズマス
プレー適用のため本発明に従った最も良く知られた粉末
複合品組成物は下記の組成を有する： 実施例 ■ 研摩した時にベアリング面を形成するように鋳鉄へプラ
ズマスプレー適用のため本発明に従った別の粉末複合品
組成物は下記の組成を有する：実施例 ＸＩＶ 研摩した時にベアリング面を形成するように鋳鉄へプラ
ズマスプレー適用のため本発明に従った別の粉末複合品
組成物は下記の組成を有する：実施例 ＸＶ 研摩した時にベアリング面を形成するように鋳鉄へプラ
ズマスプレー適用のため本発明に従った別の粉末複合品
組成物は下記の組成を有する：結合剤を使用する場合に
は、主成分の鉄は非合金化又はプレ合金化状態で、結合
剤及びモリブデン及びケイ素成分を含有するコーティン
グで被覆されていると思われる。

前記の組成物において、ベアリング面上の合金に悪影響
を及ぼさない量で他の成分が存在してもよい。

これらは通常には不純物として、例えばリン、ヒ素、セ
レン等として見出される。

前記の組成物中のケイ素は全体に又は一部にイオウと置
換できる。

本発明に従ったプラズマスプレー適用のため好適な粉末
はこの種の適用のためモリブデン含量に対して異常に高
い鉄濃度で特徴づけられる。

炭素と共に又はなしで（好ましくは共に）ケイ素の存在
は耐摩耗性を助ける。

一般に、前記の例でモリブデンに対する鉄の重量比は９
：１ないし３．２ ： １の範囲内にあることそして鉄
とモリブデンは共に粉末の９０ないし９９重量％を構成
することが判明する。

ケイ素は粉末の０．４ないし６重量％の範囲内で存在す
る。

便宜上、前記の実施例■ないし実施例Ｘ■のプラズマス
プレー粉末は一般に下記のものに従った分析値を有する
ことが判明する： 前記の粉末化元素が合理的な価格で純粋な状態で利用し
得ることは稀であることは了解すべきである。

従って、試薬級の純度の粉末を使用できるが、その価格
を持ちこたえることを望む場合には、痕跡量の通常に存
在する不純物、例えばケイ素、ニッケル、コバルト、ク
ロム、アルミニウム、炭素等を含む市販の等級の粉末を
使用しても満足すべき結果が得られる。

使用できるプラズマスプレーパラメーターは当業者に公
知のもの、例えば米国特許第３，８１９，３８４号に示
されるものである。

プラズマスプレーパラメーター及び限度の好適なセット
は下記の通りである： 鋳鉄基質、例えば圧縮型ピストンリングへ直接にコーテ
ィングを適用する時には、必須ではないが、この基質を
望ましくは２００ないし４５０Ｆの温度に予熱するとよ
い。

【図面の簡単な説明】

第１図はエンジンピストンリングシリンダ組立体の一部
断面、倒立面図であり、ここでこのピストンは圧縮及び
油調整リングを装着したリング溝を有し、リングの各々
はシリンダ壁と接するベアリング面を有し、このベアリ
ング面は本発明によるその場で形成されたプラズマジェ
ット適用鉄増量モリブデン合金から構成される。 第２図は第１図の頂部圧縮リングの拡大一部断面図であ
る。 第３図は第２図に類似の図であるが、第１図のピストン
中の第二の圧縮リングを示す。 第４図は第２図に類似の図であるが、第１図のピストン
の第三のリング溝中の油調整リングを示す。 第５図は第２図に類似の図であるが、第１図のピストン
の第四のリング溝中の油調整リングを示す。 第６図は本発明の方法による鋳鉄ベース材料へ代表的に
使用されるプラズマフレームスプレーガンの暗示断面図
である。 第７図は溝を充填する合金基質と作業片の鋳鉄ベース本
体の間の界面をとり出した拡大一部断面図である。 第８図はピストンリング又は他の作業片に硬表面化面を
適用するためのプラズマジェットスプレーガンの断面図
である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ モリブデン、鉄及びケイ素を含有するプラズマスプ
   レーフィード粉末混合物から形成され、この粉末中の鉄
   対モリブデンの重量比が９：１ないし３．２：１の範囲
   内にあり、前記の鉄及びモリブデンが前記の粉末の９０
   ないし９９重量％を構成し、ケイ素が前記の粉末の０．
   ４ないし６．０重量％の範囲内で存在し、そして前記の
   粉末は少なくとも９５％が１７０メツシユふるいを通過
   するような粒径を有することを特徴とするプラズマジェ
   ット噴霧合金。 ２ 更に前記の粉末中に２ないし４重量％の炭素を含む
   特許請求の範囲第１項によるプラズマスプレーフィード
   粉末から形成されたプラズマジェット噴霧合金。 ３ 更に前記の粉末中に０．４重量％を越えない量でマ
   ンガンを含む特許請求の範囲第１項によるプラズマスプ
   レーフィード粉末から形成されたプラズマジェット噴霧
   合金。 ４ 更に前記の粉末中に２．５重量％を越えない量で有
   機樹脂を含む特許請求の範囲第１項によるプラズマスプ
   レーフィード粉末から形成されたプラズマジェット噴霧
   合金。 ５ 前記粉末の９０ないし９９重量％を構成する鉄およ
   びモリブデンがモリブデン及びフェロモリブデン合金か
   ら選択されたモリブデン成分１０ないし２５重量％、鋳
   鉄から選ばれた鉄成分７０ないし８７．６重量％からな
   る、特許請求の範囲第１項によるプラズマスプレーフィ
   ード粉末から形成されたプラズマジェット噴霧合金。