(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも摺動面に溶射被覆層が高速酸素火炎（ＨＶＯＦ）溶射により形成された摺動部材であって、前記溶射被覆層は第１材料６０〜９０重量％と第２材料１０〜４０％とからなり、前記第１材料はＣｒ：５〜２０重量％、Ｗ：１〜１０重量％、Ｍｏ：２〜９重量％、Ｃｕ：１〜４重量％、Ｃ：０．１〜１重量％、Ｂ：０．１〜１重量％、残部Ｎｉからなるニッケル基摺動面材料であり、前記第２材料はＣｒ2 Ｏ3 とＭｏＯ3 のいずれか一方又は双方からなり、前記Ｃｒ2 Ｏ3 はその重量に対して１〜７％のＳｉＯ2 が添加されたものであることを特徴とする摺動部材の耐摩耗性溶射被覆層。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はピストンリング等の摺動部材の表面に設ける耐摩耗性溶射被覆層の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関用ピストンリングの耐摩耗性を向上するため、特開平３−１７２６８１号公報は、少なくともその外周摺動面母材上に、Ｎｉ−Ｃｒ合金と、Ｃｒ３  Ｏ２  とからなる単層の溶射皮膜をプラズマ溶射によって形成することを提案している。又、特開平６−２５６７８６号公報はモリブデン、クロムを主成分とするコバルト基もしくはニッケル基摺動面部材、又は、クロム、コバルト、ニッケルを主成分とする鉄基摺動面部材の単層溶射皮膜をレーザ溶射又は減圧プラズマ溶射にレーザ照射を併用したレーザ・プラズマハイブリッド溶射によって形成することを提案している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、プラズマ溶射法によって密着性に優れた高緻密性の溶射被覆層を形成することは困難であり、形成された溶射被覆層は耐剥離性が低く、空孔が多いため、油膜破断が発生しやすく、耐相手攻撃性に劣るという問題があった。
又、プラズマ溶射法は粉末が約１００００度以上の炎にさらされるため、熱分解したり、気化したりして、溶射材本来の特性が発揮できないおそれがある。
【０００４】
さらに、プラズマ溶射ガンは溶射粉末を炎の噴出方向に対して直角に近い角度で供給するため、溶射粒子の溶射被覆層内での分散にばらつきを生じるという問題があった。
本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、密着性が高く、緻密で空孔がきわめて少ない溶射被覆層であって、耐摩耗性及び耐スカッフィング性に優れ、溶射によって溶射本来の特性が失われるおそれのない溶射被覆層を摺動部材の摺動面に形成することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明が採用する手段は、摺動部材の摺動面に被覆層を高速酸素火炎（ＨＶＯＦ）溶射によって形成したことにある。その溶射被覆層は第１材料６０〜９０重量％と第２材料１０〜４０重量％とからなる。第１材料はＣｒ、Ｗ、Ｍｏを含むニッケル基摺動面材料であり、第２材料はＣｒ２  Ｏ３  とＭｏＯ３  のいずれか一方又は双方からなり、そのＣｒ２  Ｏ３  は重量において１〜７％のＳｉＯ２  が添加されたものである。
【０００６】
第１材料のＣｒとＷとＭｏとを含むニッケル基摺動面材料はＣｒ：５〜２０重量％、Ｗ：１〜１０重量％、Ｍｏ：２〜９重量％、Ｃｕ：１〜４重量％、、Ｃ：０．１〜１重量％、Ｂ：０．１〜１重量％、残部Ｎｉからなることが好ましい。この材料の限定理由は下記の理由による。
Ｃｒは２０重量％以上では相手攻撃性が大であり、５重量％以下では耐摩耗性が小であるため組成範囲は５〜２０重量％とする。
【０００７】
Ｗは１０重量％以上では相手攻撃性が大であり、１重量％以下では耐摩耗性が小であるため、組成範囲は１〜１０重量％とする。
Ｍｏは９重量％以上では相手攻撃性が大であり、２重量％以下では耐摩耗性が小であるため、組成範囲は２〜９重量％とする。
Ｃｕは４重量％以上では靱性が低下し、１重量％以下では硫酸系溶液に対する耐蝕性が劣るため、組成範囲は１〜４重量％とする。
【０００８】
Ｃは炭化物を形成し、硬度を向上させるが、１重量％以上では脆性の点で性能が低下し、０．１重量％以下では硬度が向上しないため、組成範囲は０．１〜１重量％とする。
Ｂは一方では酸化物を形成して皮膜表面をきれいにし、他方では硬質のほう化物を形成して耐摩耗性を向上させるが、１重量％以上では脆性の点で性能が低下し、０．１重量％以下では酸化物が多く硬度が不十分であるため、組成範囲は０．１〜１重量％とする。
【０００９】
第２材料のＣｒ２  Ｏ３  は高温下においても安定した硬度を有し、耐摩耗性を向上させ、凝着を防止する。ＭｏＯ３  は摺動面において粒子が固体潤滑材として作用し、耐スカッフィング性を向上させる。
溶射材の第２材料が１０重量％未満の場合は、硬さが低下し耐摩耗性が劣り、第２材料が４０重量％を越えると、第１材料のニッケル基摺動面部材とＣｒ２  Ｏ３  又はＭｏＯ３  の結合力が低下し皮膜強度が下がり脆化する。その結果、被覆層を形成する溶射材の組成範囲はニッケル基摺動面材料を６０〜９０重量％、第２材料を１０〜４０重量％とする。
【００１０】
第２材料のＣｒ２  Ｏ３  に添加されたＳｉＯ２  はＣｒ２  Ｏ３  に対して７重量％以上では靱性を低下させ、１重量％以下では摺動特性を損なうので、対Ｃｒ２  Ｏ３  添加量は１〜７重量％とする。
高速酸素火炎（ＨＶＯＦ）は火炎温度が２７００℃程度と比較的低温であるため、溶射材粉末が熱分解又は気化するおそれは少なく、溶射材は本来の特性を維持し発揮する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１及び図２に示すピストンリングに設けた耐摩耗性被覆層に基づいて説明する。
図１及び図２に示すように、凹形又は凸形にしたピストンリング母材Ｍの外周摺動面に、溶射被覆層Ｃを高速酸素火炎（ＨＶＯＦ）溶射によって形成したことにある。前記溶射被覆層は、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏを含む第１材料のニッケル基摺動面材料（一例としてスルザーメテコ社商品名：ダイアマロイ４００６）６０〜９０重量％と、ＳｉＯ２  が１〜７％添加されたＣｒ２  Ｏ３  （一例としてスルザーメテコ社商品名：メテコ１３６Ｆ）及びＭｏＯ３  （一例としてスルザーメテコ社商品名：メテコ６３０）のいずれか一方又は双方からなる第２材料１０〜４０重量％とからなる。
【００１２】
高速酸素火炎（ＨＶＯＦ）溶射は図３に示すスルザーメテコ社製ダイアモンドジェットガン（商品名）を用いて実施する。ガン２０は二重構造のノズル２１と、そのノズルに外嵌したエアキャップ２３と、そのエアキャップを支持するエアキャップボディ２４からなる。ノズル２１は内側がインサート２５、外側がシェル２６である。インサート２５の内部中央にパウダーインジェクター２２が挿入され、その内部に溶射粉末が窒素ガスで搬送される。パウダーインジェクター２２とインサート２５の間の環状空隙に挿入された圧縮空気が溶射材粉末をガン２０から噴出させる。
【００１３】
インサート２５とシェル２６の間の環状空隙に酸素−プロパン、又は酸素−プロピレン、又は酸素−水素の燃焼用ガスが挿入され、そのガスはガン２０から噴出し、出口で点火する。点火したガスは２７００℃程度の円筒形火炎を形成して同じく噴出する溶射材粉末を包む。この火炎により溶射材粉末は均一に加熱されて溶融する。溶融した溶射材粉末は８００ｍ／ｓｅｃ以上の高速でピストンリング外周摺動面母材に衝突する。衝突した溶射材粉末は瞬時に偏平化し、母材温度まで急冷し、そこに溶射被覆層を形成する。シェル２６とエアキャップ２３の間の環状空隙にも圧縮空気が圧入される。この圧縮空気は火炎を包み、ガン２０を冷却する。
【００１４】
溶射材粉末は火炎軸と同方向の軸心方向に供給されるため、粉末粒子は均一に分散する。粉末粒子は８００ｍ／ｓｅｃ以上の高速火炎により高速で母材に衝突して被覆層を形成するため、緻密性及び密着性が高く、きわめて空孔の少ない被覆層となる。ダイアマロイ４００６だけでは、耐摩耗性が劣るので、これに硬質粒子Ｃｒ２  Ｏ３  及びＭｏＯ３  を加えることにより、耐摩耗性、相手攻撃性及び耐スカッフィング性に優れた被覆層を得ることが出来る。
【００１５】
【実施例】
本発明の耐摩耗性被覆層を各種の試験によって説明する。
同一ピストンリング用鋳鉄材の母材上に次の２種類の被覆層を形成してテスト片とした。
テスト片Ｎｏ．１（比較例）：単層溶射被覆層（３５０μｍ）
メテコ５０５（Ｍｏ：７５％、Ｎｉ自溶性合金：２５％）
プラズマ溶射
テスト片Ｎｏ．２（実施例）：単層溶射被覆層（３５０μｍ）
ダイアマロイ４００６：７０％、Ｃｒ２  Ｏ３  ：１５％、ＭｏＯ３  ：１５％
テスト片Ｎｏ．３（実施例）：単層溶射被覆層（３５０μｍ）
ダイアマロイ４００６：７０％、Ｃｒ２  Ｏ３  ：３０％
テスト片Ｎｏ．４（実施例）：単層溶射被覆層（３５０μｍ）
ダイアマロイ４００６：７０％、ＭｏＯ３  ：３０％
実施例溶射被覆層は高速酸素火炎（ＨＶＯＦ）溶射によるものであり、図３に示すガンを使用して形成した。その溶射条件は次のとおりである。
【００１６】
燃焼ガス：
酸素        ３１０〜３２０（ＳＬＰＭ）
プロピレン  ６３〜６７（ＳＬＰＭ）
空気        ２８５〜２９５（ＳＬＰＭ）
溶射粉末：
ダイアマロイ４００６：
スルザーメテコ  ダイアマロイ４００６（商品名）、−９０＋４５μｍ
組成（重量％）：Ｃｒ２０％、Ｗ１０％、Ｍｏ９％、Ｃｕ４％、Ｃ１％、Ｂ１％、Ｆｅ１％、Ｎｉ残部
Ｃｒ２  Ｏ３  （ＳｉＯ２  ５％添加）：−５３＋１５μｍ
スルザーメテコ  メテコ１３６Ｆ（商品名）、
ＭｏＯ３  ：−５３＋１５μｍ
スルザーメテコ  メテコ６３０（商品名）、
各テスト片について各種の評価試験を実施した。
耐摩耗性及び相手攻撃性試験
図６に模式的に示すアムスラー型摩耗試験機により、各テスト片と相手材の摩耗量を測定した。摩耗試験機の容器１５には潤滑油１４が溜められており、摩耗試験用の相手材１２が潤滑油１４に部分的に浸されている。相手材１２は円板状もしくはローラ状のものであり、一定の速度で回転している。この状態で、テスト片１１を相手材１２の外周面に接しさせ、回転軸に垂直に荷重をかけ、摩耗の程度を測定したものである。
【００１７】
測定条件は以下の通りである。
周速        ：１ｍ／ｓｅｃ
荷重        ：４５ｋｇｆ
潤滑油    ：軸受油（日本石油  スピノックスＳ−２）
油温    ：室温（２５℃±１０℃）
試験時間：１００時間
相手材    ：ターカロイ（日本ピストンリング（株）の商品名として知られているボロン鋳鉄）
測定結果は図４に示すとおりであった。
【００１８】
この図から、耐摩耗性は実施例テスト片Ｎｏ．２が比較例テスト片Ｎｏ．１よりも著しく優れ、実施例Ｎｏ．３、Ｎｏ．４も比較例テスト片Ｎｏ．１よりは良好であることがわかる。相手攻撃性については実施例テスト片Ｎｏ．２、Ｎｏ．４は比較例テスト片Ｎｏ．１よりも良好であるが、実施例テスト片Ｎｏ．３は比較例テスト片Ｎｏ．１と同等である。
耐スカッフィング性試験
各テスト片の耐スカッフィング性を、図７に模式的に示す回転式平面滑り摩擦試験機により測定した。摩擦試験機は、一定速度で回転する相手材１２の回転面に、テスト片１１を一定時間、所定の面圧（Ｐ）で圧接し、スカッフィングの発生したときの面圧を限界面圧として測定したものである。圧接操作は、初期面圧を２５ｋｇｆ／ｃｍ２とし、面圧を３０分後に５０ｋｇｆ／ｃｍ２、それから５分ごとに１０ｋｇｆ／ｃｍ２ずつ増加させていく方法で行われた。
【００１９】
測定条件は以下の通りである。
滑り速度：５ｍ／ｓｅｃ
潤滑油    ：ＳＡＥ３０＋白灯油（１：１）
油量    ：無給油、初期塗布
相手材  ：ターカロイ
測定結果は図５に示すとおりであった。この図から、耐スカッフィング性は実施例テスト片Ｎｏ．２、Ｎｏ．３、Ｎｏ．４のすべてが比較例テスト片Ｎｏ．１よりも優れていることがわかる。
【００２０】
これらの評価試験から、耐摩耗性と耐スカッフィング性においては、実施例テスト片の溶射被覆層が比較例テスト片のものよりも優れ、耐相手攻撃性は同等以上であることが確かめられた。
【００２１】
【発明の効果】
上記のとおり、本発明の溶射被覆層を設けた摺動部材は、耐摩耗性及び耐スカッフィング性において、従来のものより優れているから、より厳しい条件下で使用される摺動部材、例えば高性能ディーゼルエンジンのピストンリング等にも使用できるという格別の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】は本発明の一実施例の溶射被覆層を設けたピストンリングの断面図、
【図２】は本発明の別の実施例の図１に相当する図、
【図３】は高速酸素火炎溶射を実施するガンの模式的断面図、
【図４】は本発明の実施例及び比較例の耐摩耗性及び耐相手攻撃性試験の結果を示すグラフ、
【図５】は本発明の実施例及び比較例のスカッフィング試験の結果を示すグラフ、
【図６】は耐摩耗性及び耐相手攻撃性試験を実施する試験機の略図、
【図７】は耐スカッフィング性試験を実施する試験機の略図、
【符号の説明】
Ｃ：溶射被覆層
Ｍ：母材
１０：ピストンリング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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