(57)【要約】【課題】  溶射皮膜と被溶射体との密着力を確保しつつ、耐スカッフ性及び耐摩耗性に優れた溶射皮膜の形成方法を提供する。【解決手段】  溶射ガンをシリンダボアのボア内面に対して一端側から他端側に移動させながらノズル先端よりプラズマ火炎によって溶融させた溶射粉末を、該ボア内面に吹き付けて溶射皮膜を形成するに際し、溶射ガンに供給する補助ガスの供給量を、１回目のプラズマ溶射時の供給量（初期設定流量Ｑ１）に対して、２回目のプラズマ溶射時の供給量（低減レベルＱ２）よりも少なくする。補助ガス供給量を少なくすれば、溶射皮膜に微小な気孔を多数形成することができ、その気孔に潤滑剤を保油させることが可能となることから、耐スカッフ性および耐摩耗性を大幅に向上させることができる。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶射ガンを被溶射体に対して一端側から他端側に移動させながらノズル先端よりプラズマ火炎によって溶融させた溶射粉末を、該被溶射体に吹き付けて溶射皮膜を形成するに際し、
前記溶射ガンに供給する補助ガスの供給量を、前記被溶射体の溶射位置に応じて異ならせる
ことを特徴とする溶射皮膜の形成方法。
【請求項２】
溶射ガンを被溶射体に対して一端側から他端側に移動させながらノズル先端よりプラズマ火炎によって溶融させた溶射粉末を、該被溶射体に吹き付けて溶射皮膜を形成するに際し、
前記溶射ガンの１回目移動時における該溶射ガンに供給する補助ガス供給量と、２回目以降移動時における補助ガス供給量を異ならせる
ことを特徴とする溶射皮膜の形成方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の溶射皮膜の形成方法であって、
前記被溶射体をエンジンブロックのシリンダボアとした
ことを特徴とする溶射皮膜の形成方法。
【請求項４】
請求項３に記載の溶射皮膜の形成方法であって、
前記シリンダボアのボア内面のうち上死点近傍部での補助ガス供給量を、上死点近傍部以外の部分での補助ガス供給量よりも少なくした
ことを特徴とする溶射皮膜の形成方法。
【請求項５】
請求項３に記載の溶射皮膜の形成方法であって、
前記シリンダボアのボア内面のうちボアストローク中央付近部での補助ガス供給量を、ボアストローク中央付近部以外の部分での補助ガス供給量よりも少なくした
ことを特徴とする溶射皮膜の形成方法。
【請求項６】
請求項３に記載の溶射皮膜の形成方法であって、
前記溶射ガンの１回目移動時における該溶射ガンに供給する補助ガス供給量よりも２回目以降移動時における補助ガス供給量を少なくした
ことを特徴とする溶射皮膜の形成方法。
【請求項７】
プラズマ溶射により被溶射面に溶射皮膜を形成してなる摺動部材において、
前記溶射皮膜は、気孔率が大きい部分と、気孔率が小さい部分とを有する
ことを特徴とする摺動部材。
【請求項８】
請求項７に記載の摺動部材であって、
前記被溶射面は、エンジンブロックにおけるシリンダボアのボア内面である
ことを特徴とする摺動部材。
【請求項９】
請求項８に記載の摺動部材であって、
前記ボア内面のうち上死点近傍部の溶射皮膜の気孔率を、上死点近傍部以外の溶射皮膜の気孔率よりも大きくした
ことを特徴とする摺動部材。
【請求項１０】
請求項８に記載の摺動部材であって、
前記ボア内面のうちボアストローク中央付近部の溶射皮膜の気孔率を、ボアストローク中央付近部以外の溶射皮膜の気孔率よりも大きくした
ことを特徴とする摺動部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ溶射により溶射皮膜を被溶射体に形成する溶射皮膜の形成方法及びその方法により形成された摺動部材に関する。  
【背景技術】
【０００２】
例えば、基材（母材）上に形成した溶射皮膜に点状または線状などのパターンでレーザーを照射して部分的に加熱し組織変化を生じさせて該溶射皮膜の部分改質を行い、主として仕上げ加工時または摺動時の選択的摩耗によりレーザー照射部またはレーザー非照射部を凹ませ、その凹みを油溜まりとして利用することにより、耐焼き付け性に優れた摺動面を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１など参照）。
【０００３】
特許文献１に記載の方法によれば、前記凹みに潤滑油が溜まることから、当該凹みが油溜まりとなって保油性が向上する。その結果、基材上に形成された溶射皮膜の耐焼き付け性を向上させることができる。
【特許文献１】特開２００１−２７９４２１号公報（第２頁および第３頁、第１図〜第３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら特許文献１に記載の方法では、エンジン運転状態により摩耗形態が影響を受けるので、摺動面凹みが安定せず品質低下につながる。また、この特許文献１に記載の方法では、通常の仕上げ工程に加えてレーザー加工があるので、工程が複雑になりコストアップとなる。さらに、この特許文献１に記載の方法では、Ｆｅ（鉄）系の溶射材料の溶射皮膜にレーザー熱処理を行うと、レーザー照射有無の境界域での硬度が硬くなる傾向にあるので、ホーニング仕上げ後の面性状に突起形状が残ることになり、その結果、ピストンやピストンリングの摩耗につながってしまう。
【０００５】
そこで、本発明は、溶射皮膜と被溶射体との密着力を確保しつつ、耐スカッフ性（引っ掻き傷に対する強さ）及び耐摩耗性に優れた溶射皮膜の形成方法及び摺動部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の溶射皮膜の形成方法は、溶射ガンを被溶射体に対して一端側から他端側に移動させながらノズル先端よりプラズマ火炎によって溶融させた溶射粉末を、該被溶射体に吹き付けて溶射皮膜を形成する。そして、本発明方法では、溶射皮膜を形成するに際して、溶射ガンに供給する補助ガスの供給量を、被溶射体の溶射位置に応じて増減させる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、溶射皮膜を形成するに際し、溶射ガンに供給する補助ガスの供給量を被溶射体の溶射位置に応じて異ならせているので、補助ガスが多く供給された部分では溶射皮膜の気孔率が小さく（微小な気孔が少なく形成）され、補助ガスの供給量が少ない部分では溶射皮膜の気孔率が大きく（微小な気孔が多く）形成される。
【０００８】
したがって、この方法によって形成した溶射皮膜をシリンダボアのボア内面に形成すれば、微小な気孔が油を溜める油溜まりとして機能することから、シリンダボアの特に必要な位置に対して耐スカッフ性及び耐摩耗性を充分に確保しつつ潤滑油消費量、摩擦力を低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１０】
［プラズマ溶射装置の概略構成および動作］
先ず、本発明を適用した溶射皮膜の形成方法を説明する前に、この方法で使用したプラズマ溶射装置について簡単に説明する。
【００１１】
図１はプラズマ溶射装置の概略的な構成図、図２はプラズマ溶射の原理図、図３は水素ガス供給量と気孔発生率又は面粗度の関係を示す特性図である。プラズマ溶射装置は、図１に示すように、溶射ガン１と、この溶射ガン１を上下動させる上下摺動装置２と、溶射ガン１を回転させる回転装置３と、ロボット４と、プラズマ火炎を生成するための補助ガス供給装置５とを有して構成される。
【００１２】
溶射ガン１は、プラズマ火炎によって溶融させた溶射粉末を噴出するノズル６を有している。この溶射ガン１は、図２に示すように、アルゴンガス（Ａｒガス）または水素ガス（Ｈ２ガス）を補助ガスとしてノズル６内に供給すると共に、ノズル６を陽極とし、このノズル６内に設けた陰極７との間に直流電源８から直流電流を印加させて直流アーク９を発生させ、前記補助ガスによってプラズマ火炎を生成する。そして、直流アーク９の前方に溶射粉末１０を供給させ、当該溶射粉末１０を溶融させてノズル先端より溶融した溶射粉末１０を噴出させる。
【００１３】
なお、ノズル６の先端部近傍には、当該ノズル先端部を冷却するための冷却水導入孔１１が形成されている。この冷却水導入孔１１に冷却水を導入させることで、プラズマ火炎によりノズル先端部が加熱されるのを防止する。
【００１４】
上下摺動装置２は、例えば被溶射体である自動車用エンジンにおけるアルミ合金製のシリンダブロックのシリンダボア１２内において、前記した溶射ガン１を矢印Ｘで示す上下方向に移動自在とする。回転装置３は、溶射ガン１のノズル先端より噴出する溶融した溶射粉末１０を、シリンダボア１２の被溶射面であるボア内面１２ａ全周に亘って吹き付けることができるように、当該溶射ガン１を矢印で示す水平方向に回転自在とする。なお、ロボット４は、これら溶射ガン１、上下摺動装置２および回転装置３の動作をそれぞれ制御する。
【００１５】
補助ガス供給装置５は、例えば、補助ガスとしてアルゴンガスまたは水素ガスをノズル６内に供給する役目をする。かかる補助ガスは、補助ガス供給装置５から補助ガス供給パイプ１３を介してノズル６に供給されるようになっている。また、補助ガスは、溶射ガン１による溶射回数（ストローク回数）と、溶射位置（溶射ガン１のストローク位置）に応じて、後述するようにその供給量が適宜調整されてノズル６に供給される。
【００１６】
このように構成されたプラズマ溶射装置では、シリンダボア１２内に溶射ガン１を挿入し、この溶射ガン１を回転装置３および上下摺動装置２により回転させながら上下方向に移動させて、ノズル６の先端から溶融した溶射粉末１０をボア内面１２ａに吹き付ける。これにより、ボア内面１２ａには、溶射皮膜１４が形成される。
【００１７】
なお、溶射皮膜１４を形成する部分を溶射前にブラスト処理して粗面化しておくことで、溶射皮膜１４の密着力を高めることができる。このようにして溶射皮膜１４を形成すれば、溶射皮膜１４をボア内面１２ａに強固に密着させることができると共に、皮膜性状の安定した溶射皮膜１４を得ることができる。
【００１８】
前記したプラズマ溶射装置を使用して溶射皮膜１４を形成した後は、溶射皮膜１４をホーニング加工して仕上げる。この仕上げ加工後の溶射皮膜１４の表面には、溶射皮膜特有の微小な気孔が形成されるが、この気孔の発生率はノズル６に供給される補助ガスであるアルゴンガスまたは水素ガスによって変動する。例えば、図３に示すように、水素ガス供給量が少ないと気孔発生率は大きくなり、水素ガス供給量が多いと気孔発生率は小さくなる傾向にある。これは、補助ガス供給量によりプラズマ火炎のエネルギーが変わり皮膜粒子の積層状態に影響を与えるためである。
【００１９】
なお、気孔発生率は、溶射皮膜１４の面粗度の油溜まり指標であるＲｖｋで表すこともできる。
【００２０】
このように、ノズル６に供給する補助ガスの供給量を制御して溶射皮膜１４に形成される気孔発生率またはＲｖｋを制御すれば、当該溶射皮膜１４の要求機能である耐スカッフ性、耐摩耗性、オイル消費およびフリクション低減を最適化することが可能となり、所望の皮膜を得ることができる。
【００２１】
［実施例］
次に、ノズル６に供給する補助ガス供給量を制御することで、耐スカッフ性、耐摩耗性などを満足させることのできる溶射皮膜１４を形成するための溶射皮膜の形成方法の一例を示す。
【００２２】
図４はシリンダボアの溶射位置に応じて水素ガス供給量を増減させる一例を示す図、図５は本発明方法の溶射皮膜の形成方法を示すフローチャート、図６はプラズマ溶射後の溶射皮膜を拡大して示す要部拡大断面図、図７はホーニング加工仕上げ後の溶射皮膜を拡大して示す要部拡大断面図である。
【００２３】
この実施例では、プラズマ溶射を溶射初期段階（１回目の溶射）Ｌ１と、溶射後期段階（２回目の溶射）Ｌ２の２段階に分けて行う。つまり、プラズマ溶射を２回の工程に分けて実施する。溶射初期段階Ｌ１は、図４中実線で示し、溶射後期段階Ｌ２は、図４中一点鎖線で示す。
【００２４】
溶射初期段階Ｌ１は、ボア内面１２ａの下死点（ＢＤＣ）から上死点（ＴＤＣ）の全範囲に亘って溶射皮膜１４をボア内面１２ａに強固に密着させるために、水素ガス供給量を初期設定流量Ｑ１とする。溶射後期段階Ｌ２では、下死点から上死点近傍部のボアストロークＳＳ１位置までは水素ガス供給量を初期設定流量Ｑ１とし、ボアストロークＳＳ１から上死点までは溶射皮膜１４の耐スカッフ性、耐摩耗性、オイル消費およびフリクション低減を最適化するために水素ガス供給量を低減レベルＱ２とする。
【００２５】
ここで定義した初期設定流量Ｑ１と低減レベルＱ２の具体的な値としては、例えば表１の通りである。上死点近傍部では、水素ガス供給量を１〜３（リットル／分）とし、気孔発生率（溶射皮膜表面に占める気孔の割合）を５〜１５％とする。上死点以外の部分では、水素ガス供給量を３〜６（リットル／分）とし、溶射皮膜形成後の所定のホーニング仕上後の表面の気孔発生率を３〜６％とする。上死点近傍部では、ピストンリングによるボア摩耗を抑制させるために、気孔発生率を大きくする。つまり、多数形成した微小な気孔に潤滑油を溜めて保油性を高めれば、溶射皮膜１４の耐焼き付け性を大幅に向上させることが可能となる。
【００２６】
なお、ここでは、シリンダボア１２内に上下摺動自在に設けられるピストンが上昇する最も高い位置を上死点と定義し、ピストンが下降する最も低い位置を下死点と定義する。
【表１】
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【００２７】
シリンダボア１２のボア内面１２ａに溶射皮膜１４を形成するには、図５のフローチャートに示すように、先ずステップＳ１の処理において、補助ガス供給量を初期設定流量Ｑ１とする（補助ガス供給量初期設定）。次に、ステップＳ２の処理において、溶射ストローク回数（プラズマ溶射回数）が２回以上か否かを判断する。溶射ストローク回数が１回目であれば、補助ガス供給量を初期設定流量Ｑ１として溶射を実施する。このとき、溶射ガン１を下死点から上死点まで移動させる１ストロークが終了するまで溶射を行う。
【００２８】
溶射初期段階Ｌ１が終了すると、シリンダボア１２のボア内面１２ａには、図６に示すように、膜厚ｔ１なる第１の溶射皮膜１４ａが形成される。この第１の溶射皮膜１４ａは、初期設定流量Ｑ１として水素ガスが供給されているので、ボア内面１２ａに対して強固に密着する。
【００２９】
ステップＳ６の処理では、溶射ガン１が１ストローク終了したか否かを判断し、１ストローク終了した場合は、このフローチャートをステップＳ７の処理に進め、終了していなければ、このフローチャートをステップＳ３の処理に戻す。ステップＳ７の処理では、プラズマ溶射が終了したか否かを判断し、終了していればこのフローチャートを終了させ、プラズマ溶射が終了していなければ、このフローチャートをステップＳ２の処理に戻す。
【００３０】
ステップＳ２の処理において、プラズマ溶射が２回目であれば、ステップＳ３の処理において、ノズル６がボア内面１２ａの溶射位置の何処の位置にあるかを判断（ストローク位置判断）する。ノズル６がボアストロークＳＳ１位置（上死点近傍部位置）にあれば、ステップＳ４の処理において補助ガス供給量を調整し、その補助ガス供給量を低減レベルＱ２とする。そして、この補助ガス供給量を低減レベルＱ２としてプラズマ溶射を実施する。
【００３１】
溶射後期段階Ｌ２が終了すると、第１の溶射皮膜１４ａの上には、図６に示すように、全体の膜厚ｔ３に対してｔ２なる膜厚として第２の溶射皮膜１４ｂ、１４ｃが形成される。溶射後期段階Ｌ２では、ボアストローク位置ＳＳ１を境に、水素ガス供給量が初期設定流量Ｑ１と低減レベルＱ２に切り替わるので、溶射皮膜１４ｂ、１４ｃの性状は、ボアストローク範囲の上死点側Ｅ１と下死点側Ｅ２とでそれぞれ異なる性状に形成される。
【００３２】
次に、プラズマ溶射終了後、この第２の溶射皮膜１４の表面をホーニング加工する。すると、図７に示すように、仕上げ取り代により溶射皮膜１４全体の厚みはｔ３’、第２の溶射皮膜１４ｂ、１４ｃの厚みはｔ２’まで減少する。ボアストローク位置ＳＳ１を境に、上死点側Ｅ１の第２の溶射皮膜１４ｃ表面には微小な気孔１５が多く形成され、下死点側Ｅ２の第２の溶射皮膜１４ｂ表面には気孔１５が少ない。
【００３３】
このように、上死点側Ｅ１の第２の溶射皮膜１４ｃ表面には微小な気孔１５が多数形成されることから、この気孔１５に潤滑油が溜まり保油性が高まることによって、シリンダボア１２の耐スカッフ性、耐スカッフ性を確保することができる。また、下死点側Ｅ２の第２の溶射皮膜１４ｂ表面には気孔１５が少ないことから、オイル消費低減およびフリクション向上を実現することができる。
【００３４】
以上のように、ストローク回数およびストローク位置に合わせて補助ガス供給量を調整してプラズマ溶射を行えば、ボア内面１２ａとの密着力を確保した上で、耐スカッフ性、耐摩耗性、オイル消費およびフリクション低減を最適化する溶射皮膜１４を簡単に形成することができる。
【００３５】
また、プラズマ溶射の途中で溶射粉末を切り替えたり、種類の異なる溶射粉末毎にプラズマ溶射を行ったりせずに、１つのプラズマ溶射装置内で補助ガス供給量を制御できる装置とすることで、エンジンの機能要求に対応した最適な摺動面表面性状を形成することができる。
【００３６】
［その他の実施例］
以上、本発明を適用した具体的な実施例を説明したが、本発明は、上述の実施例に制限されることなく種々の変更が可能である。例えば、図８に示すように、溶射初期段階Ｌ１では下死点から上死点に亘り初期設定流量Ｑ１の補助ガス供給量にてプラズマ溶射を行い、溶射後期段階Ｌ２も同様に下死点から上死点に亘り低減レベルＱ２の補助ガス供給量にてプラズマ溶射を行う。
【００３７】
このように、溶射ガン１の１回目移動時における補助ガス供給量と、２回目移動時における補助ガス供給量とを異ならせることで、下死点側Ｅ２から上死点側Ｅ１に至る全ての第２の溶射皮膜１４ｃの表面には微小な気孔１５が多数形成されることになる。したがって、この実施例では、ボア内面１２ａに形成された溶射皮膜１４全体が保油性を発揮することから、耐スカッフ性、耐摩耗性をより一層向上させる。
【００３８】
この他、図９に示すように、溶射初期段階Ｌ１では下死点から上死点に亘り初期設定流量Ｑ１の補助ガス供給量にてプラズマ溶射を行い、溶射後期段階Ｌ２ではボアストローク中央付近のＳＳ２からＳＳ３までを水素ガス供給量を低減レベルＱ２としてプラズマ溶射を行う。
【００３９】
このように、ボア内面１２ａのうちボアストローク中央付近部での補助ガス供給量を、ボアストローク中央付近部以外の部分での補助ガス供給量よりも少なくしたことで、下死点側Ｅ２および上死点側Ｅ１の第２の溶射皮膜１４ｂでは密着力が向上し、ボアストローク中央付近部では保油性が向上する。したがって、このように形成された溶射皮膜１４とすれば、エンジンの負荷の大きい条件でも信頼性を向上させることができる。
【００４０】
なお、上述の実施例では、摺動部材としてエンジンブロックのシリンダボアに本発明を適用したが、これに限定されることはない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】プラズマ溶射装置の概略的な構成図である。
【図２】プラズマ溶射の原理図である。
【図３】水素ガス供給量と気孔発生率又は面粗度の関係を示す特性図である。
【図４】シリンダボアの溶射位置に応じて水素ガス供給量を増減させる一例を示す図である。
【図５】本発明方法の溶射皮膜の形成方法を示すフローチャートである。
【図６】プラズマ溶射後の溶射皮膜を拡大して示す要部拡大断面図である。
【図７】ホーニング加工仕上げ後の溶射皮膜を拡大して示す要部拡大断面図である。
【図８】その他の実施例を示すもので、シリンダボアの溶射位置に応じて水素ガス供給量を増減させる例を示す図である。
【図９】さらにその他の実施例を示すもので、シリンダボアの溶射位置に応じて水素ガス供給量を増減させる例を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…溶射ガン
２…上下摺動装置
３…回転装置
５…補助ガス供給装置
１０…溶射粉末
１２…シリンダボア
１２ａ…ボア内面
１４…溶射皮膜
１４ａ…第１の溶射皮膜
１４ｂ，１４ｃ…第２の溶射皮膜
１５…気孔
Ｌ１…溶射初期段階
Ｌ２…溶射後期段階
Ｑ１…初期設定流量
Ｑ２…低減レベル
【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】
2005171274.tif 000009
【図７】
2005171274.tif 000010
【図８】
2005171274.tif 000011
【図９】
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