(57)【要約】      （修正有）【課題】燃焼機関のエンジンブロックのシリンダー摺動面として機能する基板に、プラズマ溶射操作により設けられる第1鉄コーティング及びかかるコーティングを設ける方法を提供する。【解決手段】燃焼機関のエンジンブロックのシリンダー摺動面として機能する基板に、プラズマ溶射操作により設けられる第1鉄コーティングは、１〜４重量％の含量の結合酸素を有する。かかるコーティングは、例えばプラズマ装置に空気を供給して、前記基板上に前記コーティング粉末と前記空気を同時に１分あたり２００〜１０００標準リットルの量でプラズマ溶射することにより設けられる。【選択図】図２
2007191795.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板にプラズマ溶射されるコーティング粉末において、
前記粉末は、次の組成：
Ｃ＝０．４〜１．５重量％
Ｃｒ＝０．２〜２．５重量％
Ｍｎ＝０．０２〜３重量％
Ｆｅ＝１００重量％になるまでの残余
を有し、粉末の粒子サイズは２５〜３０μｍであることを特徴とするコーティング粉末。
【請求項２】
基板にプラズマ溶射されるコーティング粉末において、
前記粉末は、次の組成：
Ｃ＝０．４〜１．５重量％
Ｃｒ＝０．２〜２．５重量％
Ｍｎ＝０．０２〜３重量％
Ｓ＝０．０１〜０．２重量％
Ｐ＝０．０１〜０．１重量％
Ｆｅ＝１００重量％になるまでの残余
を有し、粉末の粒子サイズは２５〜３０μｍであることを特徴とするコーティング粉末。
【請求項３】
基板にプラズマ溶射されるコーティング粉末において、
前記粉末は、次の組成：
Ｃ＝０．１〜０．８重量％
Ｃｒ＝１１〜１８重量％
Ｍｎ＝０．１〜１．５重量％
Ｍｏ＝０．１〜５重量％
Ｆｅ＝１００重量％になるまでの残余
を有し、粉末の粒子サイズは２５〜３０μｍであることを特徴とするコーティング粉末。
【請求項４】
基板にプラズマ溶射されるコーティング粉末において、
前記粉末は、次の組成：
Ｃ＝０．１〜０．８重量％
Ｃｒ＝１１〜１８重量％
Ｍｎ＝０．１〜１．５重量％
Ｍｏ＝０．１〜５重量％
Ｓ＝０．０１〜０．２重量％
Ｐ＝０．０１〜０．１重量％
Ｆｅ＝１００重量％になるまでの残余
を有し、粉末の粒子サイズは２５〜３０μｍであることを特徴とするコーティング粉末。
【請求項５】
アルゴン又は窒素によりガス噴霧されることを特徴とする請求項1〜４のいずれか一項記載のコーティング粉末。
【請求項６】
減摩酸化物セラミックを添加することにより修飾されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載のコーティング粉末。
【請求項７】
コーティング粉末中の前記酸化物セラミックの含量は、５〜５０重量％であることを特徴とする請求項６記載のコーティング粉末。
【請求項８】
前記酸化物セラミックは、ＴｉＯ２合金系からなることを特徴とする請求項６記載のコーティング粉末。
【請求項９】
前記酸化物セラミックは、Ａｌ２Ｏ３ＴｉＯ２合金系からなることを特徴とする請求項６記載のコーティング粉末。
【請求項１０】
前記酸化物セラミックは、Ａｌ２Ｏ３ＺｒＯ２合金系からなることを特徴とする請求項６記載のコーティング粉末。
【請求項１１】
前記酸化物セラミックは、Ａｌ２Ｏ３ＴｉＯ２合金系及びＡｌ２Ｏ３ＺｒＯ２合金系からなることを特徴とする請求項６記載のコーティング粉末。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の粉末の、基板にプラズマ溶射されるコーティング粉末としての使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼機関のエンジンブロックのシリンダー摺動面として機能する基体に、プラズマ溶射操作により設けられる第1鉄コーティングに関する。更に、本発明は、燃焼機関のエンジンブロックのシリンダー摺動面として機能する基板に、第１鉄のコーティングを設ける方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来においては、アルミニウム又はマグネシウム合金からなる燃焼機関のエンジンブロックのシリンダーの摺動面に用いる従来から使用されている材料は、ねずみ鋳鉄又は圧粉化された(compacted)グラファイトとブレンドされた鋳鉄からなる。これにより、かかる鋳鉄からなるシリンダースリーブは、これらの燃焼機関のエンジンブロックにプレスされるか又は鋳造（cast）される。
【０００３】
しかし、かかるシリンダースリーブを設けることにより、一方ではエンジンブロックのサイズ及び重量は、ネガティブな意味において影響を及ぼされる。他方、鋳鉄からなるシリンダースリーブと軽金属合金からなるエンジンブロックとの間の不都合な又は悪い関係は、考慮されなければならない。他に、亜鉛めっき法により設けられたコーティングも使用することができる。しかし、かかるコーティングを設けることは、高価であり、更に、かかるコーティングは、硫酸及びギ酸の影響を受けて腐食する。
【０００４】
また、通常、プラズマ溶射操作によりボア（bore）にコーティングを設けることは、従来より公知である。従って、多様な金属材料を基板に適用することができる。コーティングをプラズマ溶射操作により設けた後、更に該ボアはダイアモンドホーニングにより加工されて、所望する最終直径に到達し、また所望する形態（topography）を備える。それぞれ加工される（process）か機械加工される（machine）コーティングの能力及び摩擦特性は、特定のコーティングの物理特性及びマイクロ構造に高く依存する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、プラズマ溶射操作により設けられる、燃焼機関のエンジンシリンダーブロックの摺動面用の第1鉄コーティングの機械加工(maching)及び加工(processing)並びに摩擦特性を改良することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的及び他の目的を実現するために、本発明は、まず最初に、燃焼機関のエンジンブロックのシリンダー摺動面として機能する基板に、プラズマ溶射操作により設けられる第1鉄コーティングを提供し、これにより該コーティングは、２〜２．５重量％の含量の結合酸素を有し、該結合酸素は、鉄と一緒に組み合わされて、ＦｅＯ及びＦｅ３Ｏ４結晶を形成する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明は、プラズマ溶射操作の間、酸素とコーティング用に用いられる粉末の、特別に制御された反応によりマイクロ構造が形成されることができるという知見に基づいてなされたもので、即ち、マイクロ構造は、機械加工及び加工並びにトリボロジーにそれぞれ関する限り、優れた特性を有する。特に、摩擦係数及びスカフィングに対する傾向、即ち接着摩耗の開始が、劇的に減少する。
【０００８】
前記したように、プラズマ溶射により設けられる本発明のコーティングは、２〜２．５重量％の含量の結合酸素を有する。かかるコーティングを設けるための基板として、特に適切なものは、
・アルミニウム若しくはマグネシウム合金又は鋳鉄からなる燃焼機関のシリンダーブロックのシリンダーボア；
・鋳鉄からなり、アルミニウム若しくはマグネシウム合金からなる燃焼機関のシリンダーブロックに挿入されるスリーブの内壁
である。
【０００９】
好適例においては、結合される酸素は、鉄と一緒に組み合わされて、コーティング中ＦｅＯ及びＦｅ３Ｏ４結晶を形成する。これにより、Ｆｅ２Ｏ３の含量は０．２重量％以下であることが好ましい。形成される酸化物の量は、空気と窒素又は酸素とを混合することによって更に制御されることができる。空気を純酸素に置き換える場合には、コーティング中の結合酸素の含量は、約２分の１減少する。
【００１０】
第２に、本発明は更に、燃焼機関のエンジンブロックのシリンダー摺動面として機能する基板に第１鉄のコーティングを設ける方法に関するものである。本発明の方法は、プラズマ溶射装置を準備し、設けられるコーティングの原材料を構成するコーティング粉末を用意し、シリンダーの摺動面上にプラズマ溶射装置により該コーティング粉末を溶射する方法であって、
・プラズマ溶射装置に空気を供給して、基板上にコーティング粉末と空気を同時に１分あたり２００〜１０００標準(normalized)リットルの量で溶射する工程；又は、
・プラズマ溶射装置に酸素含有ガスを供給し、基板上にコーティング粉末と酸素含有ガスを同時に１分あたり２００〜１０００標準リットルの量で溶射する工程；又は、
・プラズマ溶射装置に酸素を供給して、基板上にコーティング粉末と酸素を同時に１分あたり４０〜２００標準リットルの量で溶射する工程
のいずれかを含み、コーティング中のＦｅＯ及びＦｅ３Ｏ４ の量は、粉末粒子のサイズ分布によりコントロールされ、粉末の粒子のサイズは、２５〜３０μｍの範囲である。
【００１１】
“１分あたりの標準（normalized）リットル”とは、１バール（＝１０５Ｐａ）の大気圧及び２０℃の温度での１分あたりのリットルを意味するものである。好ましくは、スリーブ若しくはシリンダーボアの内部のガス流の速度は、プラズマ溶射操作の間、７〜１２ｍ／ｓである。
【００１２】
好適例においては、ガス噴霧された粉末は、基板にプラズマ溶射され、ここで該粉末は次の組成：
Ｃ＝  ０．４〜１．５重量％
Ｃｒ＝０．２〜２．５重量％
Ｍｎ＝０．０２〜３重量％
Ｐ  ＝所望の場合には０．０１〜０．１重量％
Ｓ  ＝所望の場合には０．０１〜０．２重量％
Ｆｅ＝１００重量％になるまでの残余
を有する。
【００１３】
他の好適例においては、ガス噴霧された粉末は、基板にプラズマ溶射され、ここで該粉末は次の組成：
Ｃ＝  ０．１〜０．８重量％
Ｃｒ＝１１〜１８重量％
Ｍｎ＝０．１〜１．５重量％
Ｍｏ＝０．１〜５重量％
Ｓ  ＝所望の場合には０．０１〜０．２重量％
Ｐ  ＝所望の場合には０．０１〜０．１重量％
Ｆｅ＝１００重量％になるまでの残余
を有する。
【００１４】
コーティング中のＦｅＯ及びＦｅ３Ｏ４の量は、粉末中の粒子サイズ分布により、影響を及ぼされる。粒子サイズは、光学顕微鏡若しくは電子顕微鏡により、特に走査顕微鏡により、またはレーザー回析法ＭＩＣＲＯＴＲＡＣにしたがって測定することができる。
【００１５】
好ましくは、アルゴン若しくは窒素によりガス噴霧されたコーティング粉末を使用する。
【００１６】
コーティング粉末が、減摩酸化物セラミックとブレンドされて使用される場合に、最良の結果を得ることができる。好ましくは、酸化物セラミックは、ＴｉＯ２又はＡｌ２Ｏ３ＴｉＯ２及び/又はＡｌ２Ｏ３ＺｒＯ２合金系からなる。コーティング粉末中の酸化物セラミックの割合は、５〜５０重量％とすることができる。
【００１７】
最適な粒子サイズは、設けられるべきコーティングの減摩特性に応じて、更にコーティングが設けられるべき基板の機械的挙動に応じて選定されるべきであることに注目すべきである。
【実施例】
【００１８】
本発明を次の実施例により説明する。
実施例１
コーティング粉末を、プラズマトロンにより燃焼機関のシリンダースリーブの摺動面に設けた。当該コーティング粉末は、次の組成を有していた：
Ｃ＝１．１重量％
Ｃｒ＝１．５重量％
Ｍｎ＝１．５重量％
Ｆｅ＝１００重量％になるまでの残余
【００１９】
適切には、当該コーティング粉末には、さらにＳ及びＰを少量含むこともできる（即ち、０．０１〜０．２重量％）。
【００２０】
当該コーティング粉末の粒子サイズは、５〜２５μｍであった。この粉末は、ガス噴霧法により製造される。コーティングを設ける操作の間のガス流の速度は、１０ｍ／ｓであり、コーティングの冷却かつ粉末の反応のためにプラズマトロンに供給される空気の量は、５００ＮＬＰＭ（１分あたりの標準リットル）であった。このことは、約１００ＮＬＰＭ純酸素に対応する。かかる量の空気は、例えば米国特許第５５１９１８３号に記載されているように、公知のプラズマトロンのボディーを介して供給される。
【００２１】
実施された実験の結果は、設けられたコーティング中の酸素の含量が３重量％の範囲であることを示した。Ｘ線により実施されたマクロ構造分析により、酸素は化学量論式ＦｅＯ及びＦｅ３Ｏ４に従って結合されている。さらに、この分析により、Ｆｅ３Ｏ４の存在は、検出できる限界以下であることが示された。
【００２２】
コーティングを設けた後、シリンダースリーブを更にダイアモンドホーニングにより加工した。かかるシリンダースリーブを備えた燃焼機関のエンジンを用いた実験では、ピストンリングとシリンダースリーブとの間の摩擦係数が、ねずみ鋳鉄からなる従来のシリンダースリーブに比較して、著しく減少することが明確に確認された。
【００２３】
実施例２
粒子サイズが１０〜４５μｍである以外は、前記した実施例１と同様の組成を有する粉末を用いた。更に、全ての他の条件は、実施例１に記載されたものと同一である。これにより、設けられたコーティング中の結合酸素の含量は、２重量％の範囲であることを見出した。当該コーティングの他の分析結果は、実施例１に関して説明したと同様であった。
【００２４】
コーティングを設けた後、シリンダースリーブを更にダイアモンドホーニングにより加工した。かかるシリンダースリーブを備えた燃焼機関のエンジンによる実験では、ピストンリングとシリンダースリーブとの間の摩擦係数が、ねずみ鋳鉄からなる従来のシリンダースリーブに比較して、著しく減少し、これにより、摩擦係数は結合酸素の量と関係があることが明確に確認された。
【００２５】
実施例３
亜硫酸(sulphurous)燃料又はメタノールで動作される燃焼機関に使用されるシリンダースリーブは、次の組成：
Ｃ  ＝０．４重量％
Ｃｒ＝１３．０重量％
Ｍｎ＝１．５重量％
Ｍｏ＝２．０重量％
Ｆｅ＝１００重量％になるまでの残余
を有する粉末を用いて、実施例１に記載したと同様の条件下でコートされた。所定条件での露点以下の温度でエンジンが動作される場合に、かかるエンジンは腐食される。
【００２６】
適切には、当該コーティング粉末には、更にＳ及びＰを少量含むこともできる（即ち、０．０１〜０．２重量％）。
【００２７】
当該コーティング粉末の粒子のサイズは１０〜４５μｍであった。
【００２８】
かかるコーティングを用いて試験を行った結果、実施例１及び２で説明したのとほぼ同様の望ましい結果を得ることができた。
【００２９】
実施例４
コーティング粉末にセラミック合金粉末を３０重量％添加した以外は、実施例２に記載したのと同様の方法を実施した。該セラミック合金粉末は６０重量％のＡｌ２Ｏ３と４０重量％のＴｉＯ２組成を有する。かかる粉末を用いて調製したコーティングは、５〜２２μｍのサイズを有するセラミック粒子を含有することにより機械的に強化される。
【００３０】
実施例５
８０重量％のＡｌ２Ｏ３と２０重量％のＴｉＯ２組成を有するセラミック合金粉末を、コーティング粉末に３０重量％添加した以外は、実施例４に記載したのと同様の方法を実施した。かかる粉末を用いて調製したコーティングは、５〜２２μｍのサイズを有するセラミック粒子を含有することにより機械的に強化される。
【００３１】
図１は、コーティング粉末の粒子サイズと摩擦係数の減少との関係、並びにコーティング粉末の粒子サイズと機械的特性、特にコーティングの接着強度との関係を示す図である。図１から、一方では摩擦係数は粒子サイズが増大する場合、徐々に減少することがわかる。他方、接着強度は、粒子サイズが増加するに従って、徐々に減少することがわかる。両者を考慮すると、粒子サイズは２５〜３０μｍの範囲であることができ、これにより，結局約４５〜５０ＭＰａとなる接着強度は、ほとんどの場合において十分であり、一方摩擦係数は、従来の コーティングと比較して、やはり約２２〜２５％減少する。しかし、接着強度が第一に重要なものであり、摩擦係数の減少が第二に重要なものである場合には、より小さいサイズの粒子を有するコーティング粉末を選択することもできる。代わりに、摩擦係数の減少が第一に重要なものであり、コーティングの接着強度がそれよりも重要度が低い場合には、より大きいサイズの粒子を有するコーティング粉末を選択することもできる。
【００３２】
図２は、コーティング中の結合酸素の量と摩擦係数の減少との関係、並びにコーティング中の結合酸素の量と機械的特性、特にコーティングの接着強度との関係を示す図である。図２から、一方ではコーティング中の結合酸素の量が増加する場合、摩擦係数は徐々に減少する。他方、コーティング中の結合酸素の量が増加する場合、接着強度は徐々に減少する。 両者を考慮すると、結合酸素の含量は２〜２．５重量％の範囲であることができ、これにより，結局約４５〜５０ＭＰａとなる接着強度は、ほとんどの場合において十分であり、一方摩擦係数は、従来のコーティングと比較して、やはり約２０〜２５％減少する。図１に関して説明したのと同様に、接着強度が第一に重要なものであり、摩擦係数の減少が第二に重要なものである場合には、コーティング中の結合酸素の含量をより少なくすることができる。代わりに、摩擦係数の減少が第一に重要なものであり、コーティングの接着強度がそれよりも重要度が低い場合には、コーティング中の結合酸素の含量を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、コーティング粉末の粒子サイズと摩擦係数の減少との関係、並びにコーティング粉末の粒子サイズと機械的特性、特にコーティングの接着強度との関係を示す図である。
【図２】図２は、コーティング中の結合酸素の量と摩擦係数の減少との関係、並びにコーティング中の結合酸素の量と機械的特性、特にコーティングの接着強度との関係を示す図である。
【図１】
2007191795.tif 000003
【図２】
2007191795.tif 000004