(57)【要約】【課題】シリンダ内面に機能性膜を良好にコーティングし形成する新規な方法を提供する。【解決手段】シリンダ１０の円柱孔１２内面に沿って機能性膜２０をコーティングする方法であって、円柱孔１２内に円柱孔１２より外径の小さな加圧ロッド１４と、加圧ロッド１４よりも大径で且つ円柱孔１２と実質同等外径を有するバックアップロッド１６とを軸方向に対向する状態に挿入し、膜材料１８をそれらの間に挟み込んで加圧し且つ加圧下で、加圧ロッド１４の回転により膜材料１８の上面を摩擦発熱により加熱軟化して半径方向外方に、次いで加圧ロッド１４と円柱孔１２内面との間の隙間に塑性流動させつつ、それら加圧ロッド１４を下方に前進移動させることで、円柱孔１２内面に膜材料１８をその前進方向と同方向に順に逐次コーティングして行く。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円柱孔を有する対象物の円柱孔内面に沿って機能性膜をコーティングする方法であって
該円柱孔内に、該円柱孔より外径の小さな加圧ロッドと、該加圧ロッドよりも大径で且つ該円柱孔と実質同等外径を有するバックアップロッドとを軸方向に対向する状態に挿入して、該円柱孔内にセットした膜材料をそれら加圧ロッドとバックアップロッドとで軸方向に挟み込んで加圧し、その加圧下で該膜材料の該バックアップロッドとの接触部を実質的に塑性流動させない状態に保ちつつ、該加圧ロッドの回転により該膜材料の該加圧ロッドの軸端面との接触部を摩擦発熱により加熱軟化して半径方向外方に、次いで該加圧ロッドと前記円柱孔内面との間の隙間に塑性流動させつつ、該加圧ロッドを該膜材料，バックアップロッドとともに該円柱孔内面に対して軸方向に相対的に前進移動させることで、該円柱孔内面に該膜材料を該前進方向と同方向に順にコーティングして行くことを特徴とする機能性膜の逐次コーティング方法。
【請求項２】
請求項１において、前記バックアップロッドを前記膜材料に対して相対的に回転停止状態を保つことを特徴とする機能性膜の逐次コーティング方法。
【請求項３】
請求項１，２の何れかにおいて、前記バックアップロッドの少なくとも前記膜材料との接触側の端部を冷却して、該バックアップロッドとの接触部において該膜材料の塑性流動を抑制することを特徴とする機能性膜の逐次コーティング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、エンジンのシリンダ等円柱孔を有する対象物の円柱孔内面に沿って機能性膜をコーティングする方法に関する。
【０００２】
【発明の背景】
従来、自動車のエンジンは鋳鉄製とされており、シリンダの内面は主として熱処理によって特定の機能が付与されて来た。
これに対し、近年自動車の軽量化の要請からアルミエンジンが用いられるようになって来ており、この場合アルミ製のシリンダ内面、即ちその円柱孔内面に高温強度付与等、特定の機能を付与する手法として鋳鉄ライナ，硬質アルミライナ等のスリーブ鋳込み，圧入が主として採用されている。
またその他シリンダ内面にメッキ，表面溶融合金化としての溶射，肉盛、更には表面処理として窒化，拡散浸透等が実用化されている。
【０００３】
しかしながらスリーブ鋳込み，圧入方式では機能性膜としてのスリーブ自身の薄肉化に限度がある他、シリンダ内面との間に微小間隙が生じ、シリンダ性能への悪影響が出るなどの問題がある。
またシリンダ内面の機能性膜の膜厚はシリンダ完成状態で１ｍｍもあれば良いが、このスリーブ鋳込み，圧入方式では薄いスリーブを形成することが困難で、厚肉スリーブを加工で一部除去し薄肉化しているのが実情である。
【０００４】
一方メッキや拡散浸透等の処理方法は、非常に薄い膜にすることが可能であるものの、下地としてのシリンダ内面の性状による影響を受け、特に０．３ｍｍ程度のピンホールがあっても密着性が悪くなる。
またこの処理方法の場合、膜厚を１ｍｍ程度に厚くすることが困難で膜が薄膜とならざるを得ず、そのため耐久性が劣るといった問題もある。
【０００５】
他方溶射や肉盛は、１ｍｍ程度の膜厚を有する機能性膜の形成方法としては有効であるが、溶射はメッキと同様シリンダ下地に欠陥があると密着性が悪くなる。溶射は下地と融合していないので、剥離強度は低い。
また厚くすると熱影響が大きくなり、残留歪等の不具合も発生する傾向が強い。
【０００６】
このような事情の下において、下記特許文献１には新規な機能性膜のコーティング方法が開示されている。
図６はその具体例で、図中２００は円柱孔、２０２は加圧ロッド、２０４は機能性膜２１０をコーティングするための膜材料である。
このコーティング方法では、円柱孔２００を有する対象物２０６の底部２０８上に膜材料２０４をセットしておき、そして加圧ロッド２０２を回転させながら円柱孔２００内部に挿入するとともに、図中下向きの前進移動によって膜材料２０４を加圧し、そして加圧ロッド２０２の回転に伴う摩擦発熱によって、膜材料２０４を加熱軟化して塑性流動させ、そしてこれを加圧ロッド２０２と円柱孔２００内面との間の隙間に沿って底部２０８側から上向きに押し上げて（這い上がらせて）円柱孔２００内面に機能性膜２１０をコーティングするものである。
【０００７】
しかしながらその後の研究でこのコーティング方法の場合、機能性膜２１０の形成と円柱孔２００内面との接合はできるものの、加熱軟化し塑性流動化した膜材料２０４が円柱孔２００内面に沿って上向きに塑性流動する過程で、加圧ロッド２０２の外面或いは円柱孔２００内面との摩擦等による抵抗が働いて、加圧ロッド２０２と円柱孔２００内面との微小な隙間に沿って円滑に上向きに塑性流動せず、またその間に温度も低下して益々抵抗は大きくなり、これがため十分な高さ（軸方向長）に亘って機能性膜２１０を形成することが難しい場合もある他、下部において機能性膜２１０の膜厚が厚く、上部で膜厚が薄くなるなど機能性膜２１０の膜厚が不均等となり易く、更には半径方向に強い圧力が働くことによって対象物２０６、特にシリンダ等その厚みが１０ｍｍ程度以下の肉厚の小さいものの場合、その半径方向の圧力によって割れを生じるなどの問題のあることが判明した。
しかし、対象物２０６の肉厚が１０ｍｍ以上の場合は、本方法でも十分な機能性膜２１０の形成は可能である。
【０００８】
図７（Ａ）はこのコーティング方法にて機能性膜２１０を形成試験したときの結果の写真を図化したもので、機能性膜２１０は下部が厚肉に、上部が薄肉に、即ち機能性膜２１０の膜厚が軸方向で不均等となっている。
【０００９】
また図７（Ｂ）は同方法でシリンダ変形の評価試験を行ったときの結果を図化したもので、図中２１２はシリンダの変形を評価するためにシリンダ内面、即ち円柱孔２００内面に沿って垂直方向に設けた直径φ５ｍｍの貫通孔である。
この貫通孔２１２は、同コーティング方法の実施後においてシリンダの変形のため下部が潰れてしまっている。
【００１０】
【特許文献１】
特開２０００−３１２９８１号公報
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の機能性膜の逐次コーティング方法はこのような課題を解決するために案出されたものである。
而して請求項１のものは、円柱孔を有する対象物の円柱孔内面に沿って機能性膜をコーティングする方法であって、該円柱孔内に、該円柱孔より外径の小さな加圧ロッドと、該加圧ロッドよりも大径で且つ該円柱孔と実質同等外径を有するバックアップロッドとを軸方向に対向する状態に挿入して、該円柱孔内にセットした膜材料をそれら加圧ロッドとバックアップロッドとで軸方向に挟み込んで加圧し、その加圧下で該膜材料の該バックアップロッドとの接触部を実質的に塑性流動させない状態に保ちつつ、該加圧ロッドの回転により該膜材料の該加圧ロッドの軸端面との接触部を摩擦発熱により加熱軟化して半径方向外方に、次いで該加圧ロッドと前記円柱孔内面との間の隙間に塑性流動させつつ、該加圧ロッドを該膜材料，バックアップロッドとともに該円柱孔内面に対して軸方向に相対的に前進移動させることで、該円柱孔内面に該膜材料を該前進方向と同方向に順にコーティングして行くことを特徴とする。
【００１２】
請求項２のものは、請求項１において、前記バックアップロッドを前記膜材料に対して相対的に回転停止状態を保つことを特徴とする。
【００１３】
請求項３のものは、請求項１，２の何れかにおいて、前記バックアップロッドの少なくとも前記膜材料との接触側の端部を冷却して、該バックアップロッドとの接触部において該膜材料の塑性流動を抑制することを特徴とする。
【００１４】
【作用及び発明の効果】
以上のように本発明は、円柱孔内部において加圧ロッドとバックアップロッドとで膜材料を軸方向に挟んで加圧し、その加圧下で加圧ロッドの回転により膜材料の加圧ロッドとの接触部を摩擦発熱により加熱軟化し、そしてこれを半径方向外方に、次いで加圧ロッドと円柱孔内面との間の隙間に塑性流動させつつ、加圧ロッドを膜材料，バックアップロッドとともに円柱孔内面に対して軸方向に前進移動させ、その際に膜材料を円柱孔内面に対して加圧ロッドの前進移動方向と同方向に順にコーティングして行くものである。
尚このコーティング方法では、膜材料のバックアップロッドとの接触部を実質的に塑性流動させない状態に保持しておく。
【００１５】
そのための方法として、バックアップロッドを膜材料に対して相対的に回転停止状態に保つようになしておくことができる（請求項２）。
【００１６】
或いはまたバックアップロッドを膜材料に対して回転させる場合において、バックアップロッドの少なくとも膜材料との接触側の端部を冷却しておき、摩擦発熱によって膜材料のバックアップロッドとの接触部が塑性流動しないようにしておく（請求項３）。
【００１７】
本発明のコーティング方法は、加熱軟化して塑性流動化した膜材料を円柱孔内面の軸方向全長に亘って、詳しくはコーティングすべき軸方向全長に亘って一挙に押し上げる（這い上がらせる）といったものではなく、塑性流動化した膜材料を加圧ロッドと円柱孔内面との間に少しずつ充填しながら、順次に新たな膜材料の塑性流動化と隙間への充填を行いつつ加圧ロッドを前進移動させて行くものである。
即ちこのコーティング方法では、塑性流動した膜材料は加圧ロッドの先端近傍部分においてのみ円柱孔内面と加圧ロッドとの間の隙間に入り込み、そして加圧ロッドが膜材料，バックアップロッドとともに前進移動するのに伴って膜材料の隙間への充填，円柱孔内面への貼付けが連続的に行われ、最終的に円柱孔内面に所定の目的範囲に亘って機能性膜が形成される。
【００１８】
かかる本発明のコーティング方法は、膜材料を少しずつ塑性流動化させ且つ円柱孔内面に貼り付けて行き、そして加圧ロッドの前進移動に連れて、次なる膜材料の塑性流動化と円柱孔内面への貼付けを行って行く逐次コーティング方法であるため、円柱孔内面に機能性膜を良好にコーティング形成することができる。
【００１９】
そして本発明によれば、円柱孔内面に十分な軸方向長に亘って機能性膜を形成することが可能となり、また軸方向に亘って均等な厚みで機能性膜を形成することが可能となる。
またシリンダ等の対象物に対し、半径方向に過大な圧力を加えてこれを割るなどの損傷を与えてしまうといった問題も解決することが可能となる。
【００２０】
尚本発明では、膜材料のバックアップロッドとの接触部を実質的に塑性流動化させない点を１つの特徴としている。
バックアップロッドとの接触部で膜材料が加熱軟化し塑性流動化してしまうと、加圧ロッドとの接触部で加熱軟化し且つ塑性流動化した膜材料とバックアップロッドとの接触部で塑性流動化した膜材料とが円柱孔内面において流れの衝突を生じてそこにウェルドラインを生じてしまったり、バックアップロッドとの接触部で加熱軟化されて半径方向外方に塑性流動化した膜材料が、加圧ロッドの進行の妨げとなるなどの問題を生ずる。
【００２１】
そこで本発明はバックアップロッドとの接触部で膜材料を塑性流動化させず、実質的に加圧ロッドとの接触部においてのみ塑性流動化させるもので、このようにすることで円滑に機能性膜を円柱孔内面にコーティング形成することが可能となる。
【００２２】
【実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて以下に詳しく説明する。
図１において、１０は対象物としてのシリンダで円柱孔１２を有している。
１４は加圧ロッドで、１６はバックアップロッドである。ここで加圧ロッド１４は円柱孔１２よりも外径が小さく、円柱孔１２内への挿入状態において円柱孔１２内面との間に微小な隙間を形成する。
一方バックアップロッド１６は円柱孔１２と実質同等の外径を有している。
１８は円柱孔１２内面に機能性膜２０を形成するための膜材料である。
【００２３】
図１（イ）に示しているように、本実施形態ではバックアップロッド１６を円柱孔１２内に図中下から上向きに挿入し、そして円柱孔１２内部において膜材料１８をバックアップロッド１６の上面にセットしておく。
そして図２（イ）に示しているように加圧ロッド１４を高速回転（例えば１００〜２０００ｒｐｍ）させながら図中下向きに円柱孔１２内に挿入し、バックアップロッド１６とともに膜材料１８を軸方向に挟み込んでこれを加圧する（加圧力は１０〜３００ＭＰａ程度）。
【００２４】
このとき膜材料１８は、加圧ロッド１４の軸端面（図中下端面）と接触する上面部分が、加圧ロッド１４の高速回転による摩擦発熱によって加熱軟化され、先ず半径方向外方に、続いてバックアップロッド１６と円柱孔１２内面との間の隙間に塑性流動する（図２（ロ）参照）。
尚このとき、バックアップロッド１６は停止状態としておき、膜材料１８の下面の部分、即ちバックアップロッド１６の上面との接触部分で加熱軟化による塑性流動を起こさないように保っておく。
【００２５】
本実施形態では、続いて図１（ロ）に示しているように加圧ロッド１４をバックアップロッド１６，膜材料１８とともに図中下方に前進移動させ、膜材料１８の上面の部分を連続して加熱軟化及び塑性流動させて、加圧ロッド１４と円柱孔１２内面との隙間に充填して行く。
そして図１（ハ）に示しているようにバックアップロッド１６，膜材料１８，加圧ロッド１４が円柱孔１２内面に対し軸方向に移動した分だけ、円柱孔１２内面に所定の機能性膜２０がコーティング形成される。
【００２６】
ここでバックアップロッド１６の移動速度は、膜材料１８が減少した場合においても加圧ロッド１４とともに膜材料１８を軸方向に加圧する際の加圧力を適正に保つように、また膜材料１８のシリンダ変形に対する半径方向の加圧密着力を適正とするように制御する。
尚、膜材料１８は半溶融状態、或いは固液共存域の大きな合金系では一部溶融状態で円柱孔１２内面にコーティングするようにしても良いが、通常は高温固相で流動し、円柱孔１２内面にコーティングすることで十分である。
【００２７】
かかる本例の機能性膜２０の逐次コーティング方法によれば、膜材料１８を少しずつ塑性流動化させ且つ円柱孔１２内面に貼り付けて行き、そして加圧ロッド１４の前進移動に連れて次なる膜材料１８の塑性流動化と円柱孔１２内面への貼付けを行って行く逐次コーティング方法であるため、円柱孔１２内面に機能性膜２０を良好にコーティング形成することができる。
【００２８】
そして本例によれば、円柱孔１２内面に十分な軸方向長に亘って機能性膜２０を形成することが可能であり、また軸方向に亘って均等な厚みで機能性膜２０を形成することができる。
またシリンダ１０に対して半径方向に過大な圧力を加えてこれを割るなどの損傷を与えてしまう問題も解決することができる。
【００２９】
因みに図３は、この実施形態の方法で円柱孔１２内面に機能性膜２０をコーティング試験した結果の写真を図化したものである。
同図に示しているようにこの方法によれば、機能性膜２０を十分な軸方向長に亘って且つほぼ均等な膜厚で形成することが可能である。
【００３０】
図２（ハ）は比較例の方法を示したもので、ここではバックアップロッド１６を回転させる場合の例である。
このようになした場合、膜材料１８のバックアップロッド１６との接触部分が摩擦発熱により加熱軟化し、これにより膜材料１８の下部が半径方向外方に張り出してしまって、加圧ロッド１４及び膜材料１８の進行の妨げとなる。
【００３１】
但し本発明はバックアップロッド１６を回転させる場合を全て排除するものではなく、かかるバックアップロッド１６を回転させるようになすことも可能である。
但しその場合には、図４に示しているようにバックアップロッド１６の軸端部を水通路３０を有する水冷構造となしてそこに冷却水を通じ、軸端部を冷却することで、膜材料１８の下部の軟化及び塑性流動を防ぎつつコーティングを行う。
【００３２】
尚加圧ロッド１４及び膜材料１８の形状は上例以外の様々な形状が可能である。
図５はその一例を示している。
図５（イ）は加圧ロッド１４−１を、先端部に大径部２２を有する段付形状として構成し、そして中実の膜材料１８−１とを組み合わせて使用した例である。
ここで大径部２２は、加圧ロッド１４−１の本体部に対し直径が２ｍｍ程度大径とされている。尚大径部２２の外径はφ３７ｍｍ、また膜材料１８−１の外径はφ３７ｍｍ，高さは３０ｍｍである。
【００３３】
一方図５（ロ）の加圧ロッド１４−２は、図５（イ）の場合と同じ外径の大径部２２と、ピン２４と、テーパ部２６とを加圧ロッド１４−２の先端部に設け、そしてこの加圧ロッド１４−２と円筒形状をなす膜材料１８−２とを組み合わせて使用した例である。
ここで大径部２２の外径はφ３７ｍｍ、ピン２４の外径はφ１９ｍｍ，高さは１０ｍｍ、テーパ部２６のテーパ角は１５°、また膜材料１８−２の外径はφ３７ｍｍ，内径はφ２０ｍｍ，高さは４０ｍｍである。
【００３４】
次に図５（ハ）は加圧ロッド１４−３を、先端部に大径部２２とピン２８とを有する形状となし、これを円筒形状の膜材料１８−３と組み合わせて使用した例である。
ここで大径部２２の外径はφ３７ｍｍ、ピン２８の外径はφ２６ｍｍ，高さは２０ｍｍ、また膜材料１８−３の外径はφ３７ｍｍ，内径はφ２７ｍｍ，高さは４５ｍｍである。
【００３５】
一方図５（ニ）の加圧ロッド１４−２は、大径部２２と、ピン２４と、テーパ部２６とを有する形状で先端部を構成し、これを円筒形状の膜材料１８−４と組み合わせて使用した例である。
尚この図５（ニ）の加圧ロッド１４−２は、図５（ロ）の加圧ロッド１４−２と同形状のものである。
一方膜材料１８−４は外径がφ３０ｍｍ，内径がφ２０ｍｍ，高さが５０ｍｍである。
【００３６】
これらの中で図５（ハ）の組み合わせが最も良好な結果が得られた。
尚、上記のように加圧ロッド１４を段付形状としたとき、円柱孔１２内面と加圧ロッド１４との間の隙間に塑性流動した膜材料１８ないしコーティング層（機能性膜２０）と加圧ロッド１４との接触面積を小さくして回転時の抵抗を小さくでき、ロッド寿命を延長できる利点が得られる。
【００３７】
以上本発明の実施形態を詳述したがこれらはあくまで一例示であり、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた態様で実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の機能性膜の逐次コーティング方法の説明図である。
【図２】同実施形態の方法と比較例の方法を示す図である。
【図３】同実施形態の方法で円柱孔内面に機能性膜をコーティング試験した結果の写真を図化したものである。
【図４】本発明の他の実施形態を示す図である。
【図５】本発明の更に他の実施形態を示す図である。
【図６】従来公知の円柱孔内面への機能性膜のコーティング方法を示す図である。
【図７】図６に示す方法で円柱孔内面に機能性膜をコーティング試験した結果の写真を図化したものである。
【符号の説明】
１０  シリンダ（円柱孔内面を有する対象物）
１２  円柱孔
１４，１４−１，１４−２，１４−３，１４−４  加圧ロッド
１６  バックアップロッド
１８，１８−１，１８−２，１８−３，１８−４  膜材料
２０  機能性膜
【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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