(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気アークワイヤ溶射のためのワイヤ状の溶射材料（４）であり、
前記溶射材料（４）は、該溶射材料の固化時に摩擦損失を低減する機能層（２）が生じるように、少なくとも炭素と一緒にマイクロ合金として形成されており、それぞれ全重量に関して、以下の合金成分、
- 炭素０．７重量％〜１．２重量％、
- クロム１２重量％〜２０重量％、
- マンガン０．８重量％〜２重量％、
- モリブデン０．４〜１．３重量％、
- ニッケル０．０１重量％〜１重量％、
- 硫黄０．０１重量％〜０．０３５重量％、
- 銅０．０１重量％〜０．４重量％、
並びに任意でシリコン、バナジウム、リン及びアルミニウムのうち１つ又は複数の選択成分を有し、該当する場合、以下の合金成分、
‐ シリコン０．０１重量％〜１重量％、
‐ バナジウム０．０１重量％〜０．３重量％、
‐ リン０．０１重量％〜０．０４５重量％、
‐ アルミニウム最大０．０１重量％、
並びに残りの鉄及び不可避な不純物が含まれていることを特徴とする、ワイヤ状の溶射材料（４）。
【請求項２】
摩擦損失を低減した、電気アークワイヤ溶射による機能層（２）であり、請求項１による溶射材料から生成され、それぞれ全重量に関して、以下の合金成分、
- 炭素０．４５重量％〜０．８重量％、
- マンガン０．８重量％〜２重量％、
- モリブデン０．４〜１．３重量％、
- クロム ＞ １０重量％
- ニッケル０．０１重量％〜１重量％、
- 硫黄０．０１重量％〜０．０３５重量％、
- 銅０．０１重量％〜０．３５重量％、
並びに任意でシリコン、バナジウム、リン及びアルミニウムのうち１つ又は複数の選択成分を有し、該当する場合、以下の合金成分、
‐ シリコン０．０１重量％〜１重量％の、
‐ バナジウム０．０１重量％〜０．３重量％、
‐ リン０．０１重量％〜０．０４５重量％、
‐ アルミニウム最大０．０１重量％、
並びに残りの鉄及び不可避な不純物が含まれている、機能層（２）。
【請求項３】
前記機能層（２）が、侵入型に溶解する鉄窒化物及びクロム窒化物を有し、前記合金中の窒素含有量は、全重量に関して、０．０１〜２重量％であることを特徴とする、請求項２に記載の機能層（２）。
【請求項４】
基板（１）のコーティング方法であり、請求項１に記載のワイヤ状の溶射材料（４）がアーク（５）の中で溶融し、請求項３に記載の機能層（２）として前記基板（１）上に分離され、プロセスガスとして窒素が用いられる、方法。
【請求項５】
前記ワイヤ状の溶射材料（４）が、少なくとも９０００Ｗの溶融速度で、最低電流２５０Ａ又は最低電圧３６Ｖで、前記アーク内で溶融されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ワイヤ状の溶射材料（４）が最大速度１２ｍ／ｓで送られ、溶融した粒子のビームは最大速度２０ｍ／ｓで吸引されることを特徴とする、請求項４又は５に記載の方法。
【請求項７】
炉内の温度調整又は局所的な誘導加熱によって前記機能層（２）の内部圧縮応力を発生させることを特徴とする、請求項４〜６のうちいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に電気アークワイヤ溶射のためのワイヤ状の低コスト溶射材料に関し、主として、ワイヤに１２〜２０％のＣｒを含む鉄‐クロム合金と、この溶射材料によって生成可能な、耐腐食性で、密閉性のある機能層とを有し、最低１０％のＣｒを含むこの機能層は、十分に高い硬度と摩擦学的に有利な特性を備えている。本発明は、さらに基板のコーティング方法にも関し、この場合、ワイヤ状の溶射材料がアークの中で溶融し、層として基板上に分離される。プロセスガスとして窒素を用いることにより、層の中に窒素の注入が行われ、一方では侵入型硬化による追加的な強度が生じ、他方では摩耗を軽減し、摩擦を低下させる窒化物の形成が引き起こされる。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関を製造する場合、エネルギー効率及び排出量低減の理由から、できる限り少ない摩擦と高い耐摩耗性が求められる。このために、例えばシリンダボア又はボアの壁などのエンジン構成部品に摺動面層が設けられるか、又は摺動面層を設けたシリンダボアの中にシリンダライナが挿入される。そのような摺動面層の被膜は、多くの場合、電気アークワイヤ溶射などの溶射によって行われる。電気アークワイヤ溶射では、２つのワイヤ状の溶射材料の間に電圧を印加することによってアークを発生させる。この場合、ワイヤの先端が溶け、溶射材料が例えば噴射ガスによってコーティングする表面、例えばシリンダの壁などに送られ、そこで固着する。
【０００３】
特許文献１から、電気アークワイヤ溶射を使ったコーティングの生成方法が知られており、この場合、０．５〜８重量％の炭化ホウ素を含む鉄合金が加えられる。この鉄合金の組成は、炭素０．１〜０．７重量％、クロム１０〜１８重量％、モリブデン０．８〜２重量％、マンガン最大２重量％、シリコン最大１重量％である。その他の鉄ベースのワイヤ状の溶射材料は特許文献２、特許文献３、特許文献４から知られている。
【０００４】
炭化ホウ素を加えることにより、鉄のホウ化物の形成が可能となり、層の硬度が増加する。しかし、このことによりプロセスのコストが上昇し、被削性を悪化させる。
【０００５】
低合金の鉄‐炭素合金ベースの市販のコーティングシステムは、鋳鉄の表面と同様に、腐食しやすい傾向にあることが知られている。他方で、これまで研究されてきたクロム含有層は、例えば炭化ホウ素などの硬質材料を追加投入することによってのみ、必要な硬度が達成される。このことは、ワイヤ移送とは無関係の、コストのかかる粉体移送による粉体供給を必要とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２００７０１０６９８号明細書
【特許文献２】独国特許発明第１０２００８０３４５４８号明細書
【特許文献３】独国特許発明第１０２００８０３４５５０号明細書
【特許文献４】独国特許発明第１０２００８０３４５５１号明細書
【特許文献５】独国特許出願公開第１０２００８００４６０７Ａ１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、特に電気アークワイヤ溶射のための、改善されたワイヤ状の溶射材料を提供することである。この場合、目的は、優れた溶射方法の他に、適切な層特性及び優れた加工性である。層特性には、十分な耐腐食性と、４００〜８５ＨＶ０．１の範囲にある十分な硬度とが含まれている。この特性を備える層は、追加の供給装置なしに達成されるべきである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、本発明に基づき、請求項１の特徴を備えるワイヤ状の溶射材料によって解決される。有利な発展形態は、従属請求項の対象である。
【０００９】
本発明に基づく、特に電気アークワイヤ溶射のためのワイヤ状の溶射材料は、主として、鉄‐クロム合金を含んでいる。望ましい耐腐食性の層には、Ｃｒ１０重量％、Ｃ０．７重量％の最低濃度が必要である。このために、溶射ワイヤ内のＣｒ濃度とＣ濃度とは、プロセス中に両方のエレメントの蒸発が十分に補われるように選択しなければならない。研究では、溶射ワイヤの合金組成を決定するには、ワイヤ内のＣｒは最大２重量％、及び炭素濃度は最大２５％までの蒸発を考慮しなければならないことが示された。例えば、耐腐食層におけるＣｒの最小濃度が１０％の場合、ワイヤ内のＣｒの初期濃度は１２〜２０重量％である。例えば、層内のＣを０．９％にするには、ワイヤ内の濃度は最低１．２重量％が必要である。
【００１０】
プロセスガスからの窒素注入による溶射基板のｉｎ−ｓｉｔｕ合金化は、望ましい層特性を実現するために追加的な貢献を果たす。窒素が侵入型に溶解する部分と窒化物が形成される部分とが生じ、窒化物は、コーティングプロセス中に、プロセスガスＮ２と溶融合金の液滴部分とが反応して形成される。両方の合金プロセスは、層硬度の増加及び耐摩耗性に重要な貢献を果たす。同時に、形成された窒化物は、摩擦の軽減に貢献する。プロセスガスの流量を適切に調整することにより、層内の酸化鉄ＦｅＯ濃度を５％未満にすることができる。これによって、コンパクトな気孔の少ない層が生じ、これらの層は、酸化層に比べて層間&#21085;離の傾向がない。
【００１１】
以下に、本発明の実施例を添付の図に基づいて詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】電気アークワイヤ溶射によって分離される層をもつ基板である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、電気アークワイヤ溶射（ＬＯＳ）によって分離される層２をもつ基板１を示している。電気アークワイヤ溶射では、コーティングヘッド３に２つのワイヤ状の溶射材料４が供給される。ワイヤ状の溶射材料４の間には、アーク５が点火される。この場合、ワイヤ状の溶射材料４が溶け、キャリアガスによってコーティングする基板１の上に適切に塗布され、溶射材料はそこで冷却及び固化して、層２を形成する。
【００１４】
ワイヤ上の溶射材料４には、主に鉄‐クロム合金が含まれている。すでに溶射材料の冷却時に、主にマルテンサイトが生じるように、この溶射材料は少なくとも炭素と一緒にマイクロ合金として形成されている。さらに、この合金には、耐摩耗性位相を形成し、摩擦力を低減するための合金成分（クロム窒化物、炭化物など）が含まれている。
【００１５】
ワイヤには、以下の合金成分が設けられている。
- 炭素０．７重量％〜１．２重量％、
- クロム１２重量％〜２０重量％、
- マンガン０．８重量％〜２重量％、
- モリブデン０．４〜１．３重量％、
- ニッケル０．０１重量％〜１重量％、
- 硫黄０．０１重量％〜０．０３５重量％、
- 銅０．０１重量％〜０．４重量％
【００１６】
従来技術によるワイヤ合金に対して有利であるのは、特に、本発明に基づくワイヤ合金の硫黄濃度であり、このことが、硫化マンガンと硫化モリブデンの形成を可能にしている。硫化マンガンは、被削性に関して溶射された機能層の製品特性を改善し、硫化モリブデンは固体潤滑剤として働く。
【００１７】
特に好ましいのは、追加的に、ワイヤ内に以下の合金成分が１つ又は複数含まれていることである。
- 含有量が０．０１重量％〜１重量％のシリコン、
- 含有量が０．０１重量％〜０．３重量％のバナジウム、
- 含有量が０．０１重量％〜０．０４５重量％のリン、
- 含有量が最大０．０１重量％のアルミニウム
【００１８】
他に指示がない場合、量の表示は、全重量に関してそれぞれ重量パーセントである。
【００１９】
この合金の主要成分は鉄である。
【００２０】
この合金から形成されるワイヤ状の溶射材料４による電気アークワイヤ溶射により、気孔率及び粗度の小さい、極めて均質な、摩擦損失を低減した機能層２が生じる。
【００２１】
摩擦損失を低減した、電気アークワイヤ溶射による機能層２は、主として鉄ベースの合金を含み、それぞれ全重量に関して、以下の合金成分を有している。
- 炭素０．４５重量％〜０．８重量％、
- マンガン０．８重量％〜２重量％、
- モリブデン０．４重量％〜１．３重量％、
- クロム ≧ １０重量％
- ニッケル０．０１重量％〜１重量％、
- 硫黄０．０１重量％〜０．０３５重量％、
- 銅０．０１重量％〜０．３５重量％、
【００２２】
特に好ましいのは、機能層２の中に、それぞれ全重量に関して、追加的に以下の合金成分が含まれていることである。
- 含有量が０．０１重量％〜１重量％のシリコン、
- 含有量が０．０１重量％〜０．３重量％のバナジウム、
- 含有量が０．０１重量％〜０．０４５重量％のリン、
- 含有量が最大０．０１重量％のアルミニウム、
【００２３】
さらに好ましいのは、機能層２が、侵入型に溶解する鉄窒化物及びクロム窒化物を有していることであり、合金中の窒素含有量は、全重量に関して、０．０１〜２重量％である。
【００２４】
窒素は、機能層２の均質性及び粒度を改善する。鉄窒化物及びクロム窒化物は、機能層２の硬度及び耐摩耗性を保証すると同時に、高い耐腐食性も保証する。
【００２５】
本発明に基づく機能層２は、特に、５００〜１０００ｐｐｍの高い硫黄含有量によって、ディーゼル燃料に対する高い耐性を特徴としており、一方、従来技術による機能層はそのような燃料との接触により急速に腐食する。
【００２６】
本発明に基づき、基板１のコーティングは、本発明に基づくワイヤ状の溶射材料４がアーク５の中で溶融し、機能層２として基板上１に分離されることによって行われ、プロセスガスとして窒素が用いられる。プロセスガスとして窒素を用いることにより、機能層２の中に侵入型に溶解する鉄窒化物及びクロム窒化物の形成及び結合が生じる。同時に、層特性を悪化させると考えられる鉄酸化物の形成が抑制され、特に、この鉄酸化物は、気孔率を高め、被削性を悪化させ、層断裂の原因となる粘着性の脆弱箇所を発生させる。
【００２７】
ワイヤ状の溶射材料４のアーク５内での溶融は、少なくとも９０００Ｗの溶融速度で行われるのが好ましく、特に最低電流２５０Ａ及び／又は最低電圧３６Ｖで行う。これによって、溶融時に非常に微細な粒子を発生させることができ、非常に高密度の層組織を形成することが可能となる。
【００２８】
システムの吸引による微細粒子の吸い込みをできる限り少なくするため、粒子ビームを素早く形成することが有利である（対気速度）。このことは、特許文献５などに開示されているラバルノズルを使用することによって可能である。
【００２９】
ワイヤ状の溶射材料４は、最大速度１２ｍ／ｓで送られ、溶融した粒子のビームは最大速度２０ｍ／ｓで吸引されるのが有利である。このパラメータ限界は、重要な合金成分を吸引又は蒸発させることなく、有利な層組織の形成を保証する。
【００３０】
さらに、炉内の温度調整又は局所的な誘導加熱によって機能層２の内部圧縮応力を発生させることは有利であり、それは、この応力が基板１の機能層２の接着力を改善するからである。
【符号の説明】
【００３１】
１      基板
２      層
３      コーティングヘッド
４      ワイヤ状の溶射材料
５      アーク
【図１】
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