WO2015129347A1 - 溶射皮膜形成方法 - Google Patents

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良次 熨斗
大輔 寺田
精一 杉山
孝文 渡辺
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    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2253/00—Other material characteristics; Treatment of material
    • F05C2253/12—Coating

Definitions

  • the present invention relates to a thermal spray coating formation method for forming a thermal spray coating on the inner surface of a cylinder bore.
  • a method in which metal or ceramic is sprayed on the inner surface of a cylinder bore of a cylinder block of an automobile or the like to form a film, and then the surface is smoothed by honing to form a sliding surface of a piston ring is called a thermal spray bore.
  • the spray bore is applied as a fuel efficiency improvement technology.
  • the cylinder block is heated (this heating is referred to as preheating) before thermal spraying (see Non-Patent Document 1).
  • the exhaust flow flowing in and out of the cylinder block cools the inner surface of the cylinder bore, that is, the sprayed surface, and the preheating temperature of the cylinder block is lowered. For this reason, the adhesion of the thermal spray coating to the inner surface of the cylinder bore is reduced.
  • the present invention provides a thermal spray coating formation method capable of enhancing the adhesion of the thermal spray coating to the inner surface of the cylinder bore while suppressing the decrease in the preheating temperature of the cylinder block.
  • At least one cylinder is sprayed at a distance from at least one cylinder with respect to the first thermal sprayed cylinder bore, and the next thermal spraying is performed.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the entire thermal spray coating formation apparatus for carrying out the method of the present embodiment.
  • FIG. 2 is a view showing the flow of air flow when exhausted by the thermal spray coating formation apparatus for carrying out the method of the present embodiment.
  • FIG. 3 is a perspective view showing the thermal spray gun before it is inserted into the cylinder bore.
  • FIG. 4 is a schematic view showing how a spray coating is formed by spraying a droplet onto the inner surface of a cylinder bore with a spray gun.
  • FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the preheating temperature and the adhesion.
  • FIG. 6 is a characteristic diagram showing a change in cylinder block temperature after preheating with respect to the elapsed time of the first cylinder bore and the fourth cylinder bore.
  • FIG. 7 is a view showing the order of spraying each cylinder bore.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the entire thermal spray coating formation apparatus for carrying out the thermal spray coating formation method of the present embodiment.
  • the thermal spray coating forming apparatus has a configuration in which a cylinder block 1 and a thermal spray gun 2 for forming a thermal spray coating on the inner surface of each cylinder bore of the cylinder block 1 are disposed in an exhaust casing 3.
  • the housing 3 is formed as, for example, a rectangular box having a hexahedron shape.
  • casing 3 is not limited to the shape of FIG.
  • an intake duct 4 for intake is provided on the left side surface 3a.
  • an exhaust duct 5 for exhausting air is provided on the right side surface 3b, the upper surface 3c, and the lower surface 3d.
  • Air supplied into the housing 3 is introduced into the air intake duct 4.
  • the air in the housing 3 is discharged to the outside of the housing 3 from the exhaust duct 5.
  • the air flows around the cylinder block 1 and also flows in the cylinder bores 6 (6A, 6B, 6C, 6D) formed in the cylinder block 1.
  • the spray gun 2 is an arc spray gun as shown in FIGS. 3 and 4.
  • the thermal spray gun 2 continuously delivers the wire 7 made of a metal material as a positive electrode and the wire 8 made of a metal material as a negative electrode so that they are close to each other at the nozzle tip and supplies an atomizing gas 9 to generate an arc 10. Let Both wires 7 and 8 are melted by the arc 10 to form droplets 11 which are thermal spray particles. The droplets 11 are deposited on the inner surface 6 a of the cylinder bore 6 to form the thermal spray coating 12.
  • the adhesion of the thermal spray coating 12 formed on the inner surface 6 a of the cylinder bore 6 depends on the preheating temperature for heating the cylinder block 1 before thermal spraying. As shown in FIG. 5, when the preheating temperature of the cylinder block 1 increases, the adhesion of the thermal spray coating 12 also increases as the preheating temperature increases.
  • the cylinder bores 6 formed in the cylinder block 1 of the in-line four-cylinder engine are, from the end, the first cylinder bore 6A, the second cylinder bore 6B, the third cylinder bore 6C, and the fourth cylinder bore 6D.
  • the cylinder block 1 is preheated by heating means such as a heater. Then, the inside of the housing 3 is exhausted. Then, an air flow as shown in FIG. 2 is generated. Next, in the order of spraying, the first cylinder bore 6A, the second cylinder bore 6B, the third cylinder bore 6C, the fourth cylinder bore 6D, and the last cylinder bore 6D are sprayed by the exhaust flow. The preheating continues to be taken away. Therefore, as the cylinder bore whose spraying order becomes later, spraying is performed in a state where the preheating temperature is lowered.
  • heating means such as a heater.
  • the molten metal droplet 11 is sprayed onto the inner surface of the cylinder bore.
  • the metal spray 11 is sprayed on the inner surface of the cylinder bore and deposited to form a thermal spray coating 12.
  • excess particles 11 or droplets 11 that bounce off without adhering to the inner surface of the cylinder bore are exhausted and discharged from the exhaust duct 5 to the outside of the housing 3. Thereby, quality degradation of the sprayed coating 12 can be prevented.

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Abstract

　シリンダブロック（１）を予熱した後、少なくともシリンダブロック（１）の下面から排気をしながら各シリンダボア（６Ａ）～（６Ｄ）内に溶射ガン（２）を順次挿入して、溶融した金属の溶滴（１１）をシリンダボアの内面に吹き付けることにより溶射皮膜（１２）を形成する。最初に溶射したシリンダボアに対し、次に溶射するシリンダボアは、少なくとも１気筒は間隔をおいて溶射する。

Description

溶射皮膜形成方法
　本発明は、シリンダボアの内面に溶射皮膜を形成する溶射皮膜形成方法に関する。
　自動車等のシリンダブロックのシリンダボア内面に金属若しくはセラミックを溶射して皮膜を形成し、その後、ホーニング加工により表面を平滑にし、ピストンリングの摺動面を形成する方法を溶射ボアという。溶射ボアは、燃費向上技術として適用されている。
　基材に対しての皮膜密着力を向上させるために、シリンダブロックを溶射前に加熱（この加熱を予熱という）することが行われている（非特許文献１参照）。
日本金属学会誌　第７１巻　第３号（２００７）　３５４－３６０
　ところで、溶射中においては、金属材料を溶かした溶滴のうち余剰粒子やすす或いは溶射面に付着せずに跳ね返った溶滴が溶射皮膜に取り込まれる場合がある。これを防止するため、シリンダブロック下面から排気することにより、跳ね返った溶滴などをシリンダブロック外へと排出している。
　しかし、シリンダブロック内外を流れる排気流により、シリンダボア内面、つまり溶射面が冷やされ、シリンダブロックの予熱温度が低下する。このため、シリンダボア内面に対する溶射皮膜の密着力が低下してしまう。
　そこで、本発明は、シリンダブロックの予熱温度の低下を抑制してシリンダボア内面に対する溶射皮膜の密着力を高めることのできる溶射皮膜形成方法を提供するものである。
　本発明の溶射皮膜形成方法は、最初に溶射したシリンダボアに対し、次に溶射するシリンダボアは、少なくとも１気筒は間隔をおいて溶射する。
図１は、本実施形態の方法を実施するための溶射皮膜形成装置全体を示す斜視図である。 図２は、本実施形態の方法を実施するための溶射皮膜形成装置で排気したときの気流の流れを示す図である。 図３は、溶射ガンをシリンダボアに挿入する前の状態を示す斜視図である。 図４は、溶射ガンでシリンダボアの内面に溶滴を吹き付けて溶射皮膜を形成する様子を示す模式図である。 図５は、予熱温度と密着力との関係を示す特性図である。 図６は、１番目シリンダボアと４番目シリンダボアの経過時間に対する予熱後のシリンダブロック温度の変化を示す特性図である。 図７は、各シリンダボアを溶射する順番を示す図である。
　以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
　図１は、本実施形態の溶射皮膜形成方法を実施するための溶射皮膜形成装置全体を示す斜視図である。溶射皮膜形成装置は、シリンダブロック１とそのシリンダブロック１の各シリンダボアの内面に溶射皮膜を形成するための溶射ガン２とを排気用の筐体３内に配置した構成としている。
　筐体３は、例えば６面体とされた矩形状の箱として形成されている。なお、筐体３の形状は、図１の形状に限定されない。例えば、図１を正面から見たときに左側面３ａには、吸気のための吸気用ダクト４が設けられている。また、右側面３ｂ、上面３ｃ、下面３ｄには、排気のための排気用ダクト５が設けられている。
　吸気用ダクト４には、筐体３内に供給されるエアーが導入される。排気用ダクト５からは、筐体３内のエアーが筐体３の外へと排出される。この排気用ダクト５からは、排出されるエアーと共に金属材料を溶かした溶滴のうち余剰粒子やすす或いは溶射面に付着せずに跳ね返った溶滴が排出される。
　吸気用ダクト４から筐体３内に供給されたエアーは、図２に示す矢印のように流れる。エアーは、シリンダブロック１の周囲を流れる他、シリンダブロック１に形成された各シリンダボア６（６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ）の内部にも流れる。
　溶射ガン２は、図３及び図４に示すようにアーク溶射式のガンである。この溶射ガン２は、正極とした金属材料からなるワイヤ７と負極とした同じく金属材料からなるワイヤ８をノズル先端で近接するように連続して送り出し、アトマイズガス９を供給してアーク１０を発生させる。このアーク１０によって、両ワイヤ７、８が溶融して溶射粒子である溶滴１１となる。溶滴１１は、シリンダボア６の内面６ａに被着して溶射皮膜１２となる。
　シリンダボア６の内面６ａに形成される溶射皮膜１２の密着力は、溶射前にシリンダブロック１を加熱する予熱温度に依存することが分かっている。図５に示すように、シリンダブロック１の予熱温度が高くなると、溶射皮膜１２の密着力も予熱温度の高まりとともに高くなる。
　シリンダボア６の内面６ａに溶融した金属の溶滴１１を吹き付けて溶射皮膜１２を形成するには、複数あるシリンダボア６Ａ～６Ｄに対して皮膜形成する順番が大切である。例えば、直列４気筒エンジンのシリンダブロック１に形成されたシリンダボア６を、端から順番に１番目シリンダボア６Ａ、２番目シリンダボア６Ｂ、３番目シリンダボア６Ｃ、４番目シリンダボア６Ｄとする。
　このシリンダブロック１を筐体３内に配置した後、シリンダブロック１をヒータ等の加熱手段で予熱する。そして、筐体３内を排気する。すると、図２に示すような気流の流れが生じる。次に、溶射する順番であるが、１番目シリンダボア６Ａ、２番目シリンダボア６Ｂ、３番目シリンダボア６Ｃ、４番目シリンダボア６Ｄと端から順番に溶射して行くと、最後の４番目シリンダボア６Ｄが排気流により予熱が奪われ続ける。そのため、溶射順番が遅くなるシリンダボア程、予熱温度が下がった状態で溶射されることになる。
　図６は１番目シリンダボア６Ａと４番目シリンダボア６Ｄの経過時間に対する予熱後のシリンダブロック温度の変化を示している。図６中、線６Ａｔは１番目シリンダボア６Ａの温度変化を示し、線６Ｄｔは４番目シリンダボア６Ｄの温度変化を示す。また、Ｘ１は１番目シリンダボア６Ａの溶射時点、Ｘ２は４番目シリンダボア６Ｄの溶射時点を示している。図６から分かるように、最後に溶射される４番目シリンダボア６Ｄは、予熱後のシリンダブロック温度が時間と共に低下している。そのため、４番目シリンダボア６Ｄの溶射皮膜１２は、予熱設定温度から大幅に温度低下した状態で溶射されることになるから密着力が低下する。
　本実施形態では、排気によって予熱後のシリンダブロック温度が急激に下がらないように、複数あるシリンダボア６Ａ～６Ｄの溶射順序を次のようにする。すなわち、最初に溶射したシリンダボアに対し、次に溶射するシリンダボアは、少なくとも１気筒は間隔をおいて溶射する。
　具体的には、図７に示すように、最初に２番目シリンダボア６Ｂを溶射する。図７では、１番目シリンダボア６Ａを＃１、２番目シリンダボア６Ｂを＃２、３番目シリンダボア６Ｃを＃３、４番目シリンダボア６Ｄを＃４と表示し、溶射順番を１、２、３、４と表す。
　２番目シリンダボア６Ｂに溶射ガン２をシリンダヘッド面側から奥内部へと挿入しながら溶融した金属の溶滴１１をシリンダボア内面に吹き付ける。この金属の溶滴１１がシリンダボア内面に吹き付けられて堆積して行くことで溶射皮膜１２が形成される。溶射時には、余剰粒子やすす或いはシリンダボア内面に付着せずに跳ね返った溶滴１１が排気されて排気用ダクト５から筐体３外に排出される。これにより、溶射皮膜１２の品質劣化を防止することができる。
　２番目シリンダボア６Ｂを溶射すると、溶射時の熱で両サイドのシリンダボアである１番目シリンダボア６Ａと３番目シリンダボア６Ｃが温められる。図７中、網掛け表示した領域は、溶射時の入熱領域１３、１４を表す。このため、時間の経過と共にシリンダブロック１の予熱温度が低下するのを抑制することができる。
　次に、１気筒の間隔をおいて４番目シリンダボア６Ｄを溶射する。すると、溶射時の熱で隣りの３番目シリンダボア６Ｃが温められる。続いて、２気筒の間隔をおいて１番目シリンダボア６Ａを溶射する。１番目シリンダボア６Ａを溶射する時には、先の２番目シリンダボア６Ｃの溶射時の入熱で１番目シリンダボア６Ａが温められた状態にある。このため、１番目シリンダボア６Ａのボア内温度の低下が抑制される。
　そして最後に、１気筒の間隔をおいて３番目シリンダボア６Ｃを溶射する。この３番目シリンダボア６Ｃを溶射する時には、４番目シリンダボア６Ｄの溶射時の入熱と２番目シリンダボア６Ｂの溶射時の入熱で３番目シリンダボア６Ｃが温められた状態にある。このため、３番目シリンダボア６Ｃのボア内温度の低下が抑制される。
　以上のような順番でシリンダボア６Ａ～６Ｄを溶射すれば、排気によるシリンダブロック１の予熱後の温度低下を防止することができ、全てのシリンダボア６Ａ～６Ｄに形成した溶射皮膜１２の密着力を高めることができる。
　本実施形態の溶射皮膜形成方法によれば、最初に溶射したシリンダボアに対し、次に溶射するシリンダボアを少なくとも１気筒は間隔をおいて溶射することで、最初に溶射したシリンダボアの両側にあるシリンダボアは、最初の溶射による熱で温められることになる。そのため、次に溶射するシリンダボアを、少なくとも１気筒をおいて溶射すれば、端から順番に溶射した場合に比べて予熱温度の低下を抑制することができる。その結果、本実施形態の方法によれば、シリンダボア６の内面に形成された溶射皮膜１２の密着力を高めることができる。
　また、本実施形態の溶射皮膜形成方法によれば、直列４気筒エンジンに対して、最初に２番目シリンダボア６Ｂを溶射した後、４番目シリンダボア６Ｄ、１番目シリンダボア６Ａ、３番目シリンダボア６Ｃの順に溶射すると、時間の経過と共に温度低下して行くシリンダブロック１の予熱温度を、各シリンダボア溶射時の入熱で回復させることができ、全てのシリンダボア６Ａ～６Ｄのボア内温度の急激な温度低下を抑制することができる。
　また、本実施形態の溶射皮膜形成方法によれば、溶射時には、余剰粒子やすす或いはシリンダボアの内面に付着せずに跳ね返った溶滴を排気してシリンダブロックを収容する筐体外に排出しているので、溶射皮膜１２の品質劣化を抑制できると共に膜厚をコントロールすることができる。
　また、本実施形態の溶射皮膜形成方法によれば、シリンダブロックを収容する筐体内に供給したエアーは、シリンダブロックの周囲を流れる他、シリンダブロックに形成された各シリンダボアの内部にも流れるため、溶射時に舞う余剰粒子などが溶射皮膜に付着するのを防止することができる。
　特願２０１４－０３８２４０号（出願日：２０１４年２月２８日）の全内容は、ここに援用される。
　以上、本発明を適用した一実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に制限されることはない。例えば、溶射順番を２番目シリンダボア６Ｂ、４番番目シリンダボア６Ｄ、１番目シリンダボア６Ａ、３番目シリンダボア６Ｃの順としたが、この順番に限定されることはない。また、前記した実施形態では、直列４気筒エンジンに対して溶射皮膜１２を形成したが、直列６気筒エンジンやＶ型エンジンに対しても本発明の溶射皮膜形成方法を適用することができる。この他、排気をシリンダボア６のヘッドブロック取付け面側から行ってもよい。
　１　シリンダブロック
　２　溶射ガン
　３　筐体
　６（６Ａ～６Ｄ）　シリンダボア
　６ａ　シリンダボアの内面
　１１　溶滴
　１２　溶射皮膜

Claims (4)

  1. 　複数気筒からなるシリンダブロックを予熱した後、少なくともシリンダブロックの一方の面から排気をしながら各シリンダボア内に溶射ガンを順次挿入して、溶融した金属の溶滴をシリンダボアの内面に吹き付けることにより溶射皮膜を形成する溶射皮膜形成方法であって、
    　最初に溶射したシリンダボアに対し、次に溶射するシリンダボアは、少なくとも１気筒は間隔をおいて溶射する
    　ことを特徴とする溶射皮膜形成方法。
  2. 　請求項１記載の溶射皮膜形成方法であって、
    　前記シリンダブロックには、順番に１番目シリンダボア、２番目シリンダボア、３番目シリンダボア、４番目シリンダボアとされる４つのシリンダボアが直列に形成されており、最初に２番目シリンダボアを溶射した後、４番目シリンダボア、１番目シリンダボア、３番目シリンダボアの順に溶射する
    　ことを特徴とする溶射皮膜形成方法。
  3. 　請求項１記載の溶射皮膜形成方法であって、
    　溶射時には、余剰粒子やすす或いはシリンダボアの内面に付着せずに跳ね返った溶滴を排気してシリンダブロックを収容する筐体外に排出する
    　ことを特徴とする溶射皮膜形成方法。
  4. 　請求項１から３の何れか１項に記載の溶射皮膜形成方法であって、
    　前記シリンダブロックを収容する筐体内に供給したエアーは、シリンダブロックの周囲を流れる他、シリンダブロックに形成された各シリンダボアの内部にも流れる
    　ことを特徴とする溶射皮膜形成方法。
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