(57)【要約】【課題】高面圧下での耐剥離性に優れたシリンダブロック用鉄系溶射薄膜及びこれを備えたシリンダブロックを提供すること。【解決手段】シリンダブロック基材のシリンダボア内面上に形成され、複数の鉄系溶射粒子が層状に積み重なって形成された積層構造を有するシリンダブロック用鉄系溶射薄膜である。鉄系溶射粒子は、シリンダブロック用鉄系溶射薄膜の膜厚方向における粒子径が３０μｍ以下であり、且つシリンダボアの軸方向における粒子径が３０〜３００μｍである。  シリンダブロック用鉄系溶射薄膜を備えたシリンダブロック。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダブロック基材のシリンダボア内面上に形成され、複数の鉄系溶射粒子が層状に積み重なって形成された積層構造を有するシリンダブロック用鉄系溶射薄膜であって、
上記鉄系溶射粒子は、当該シリンダブロック用鉄系溶射薄膜の膜厚方向における粒子径が３０μｍ以下であり、且つ上記シリンダボアの軸方向における粒子径が３０〜３００μｍである、ことを特徴とするシリンダブロック用鉄系溶射薄膜。
【請求項２】
当該シリンダブロック用鉄系溶射薄膜の膜厚が１００〜３８０μｍであることを特徴とする請求項１に記載のシリンダブロック用鉄系溶射薄膜。
【請求項３】
相対的に膜厚の薄い領域Ａと相対的に膜厚の厚い領域Ｂとを上記シリンダボアの軸方向に交互に有すると共に、該領域Ａの膜厚に対する該領域Ｂの膜厚の比（Ｂ／Ａ）が１．３〜７．５であることを特徴とする請求項１又は２に記載のシリンダブロック用鉄系溶射薄膜。
【請求項４】
当該シリンダブロック用鉄系溶射薄膜の硬度がＨＶ３００〜５００であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載のシリンダブロック用鉄系溶射薄膜。
【請求項５】
気孔を含有し、その気孔率が２．０％以下（溶射断面における面積率）であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載のシリンダブロック用鉄系溶射薄膜。
【請求項６】
酸化鉄を含有し、その含有量が１０〜３５％（溶射断面における面積率）であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載のシリンダブロック用鉄系溶射薄膜。
【請求項７】
当該シリンダブロック用鉄系溶射薄膜のシリンダボア内面に相当する表面の平均粗さＲａが０．４μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載のシリンダブロック用鉄系溶射薄膜。
【請求項８】
当該シリンダブロック用鉄系溶射薄膜のシリンダボア内面に相当する表面の粗さ曲線における油留まり深さＲｖｋが０．２〜２．０μｍであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載のシリンダブロック用鉄系溶射薄膜。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１つの項に記載のシリンダブロック用鉄系溶射薄膜を備えたことを特徴とするシリンダブロック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリンダブロック用鉄系溶射薄膜及びシリンダブロックに係り、更に詳細には、高面圧下での耐剥離性に優れたシリンダブロック用鉄系溶射薄膜及びこれを備えたシリンダブロックに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の自動車用エンジンブロックにおいては、アルミニウム合金製のシリンダブロックに鋳鉄製のライナを鋳込むタイプが主流であったが、エンジン部品の軽量化という観点から、鋳鉄製のライナを鋳込まないタイプであるアルミニウム合金製のモノブロック等の開発が進められている。このようなアルミニウム合金製のモノブロックにおいては、耐摩耗性や耐スカッフ性に問題があることが知られている。
【０００３】
そこで、エンジンブロックのシリンダ摺動面に鉄系合金粉末を溶射して溶射被膜を形成することによって、ピストンリング及びピストンに対する耐摩耗性及び耐スカッフ性の向上が図られている（特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２０００−２１２７１７号公報
【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、上記特許文献１に記載の溶射被膜であっても、最近の高出力エンジンのように非常に高い筒内圧がかかるシリンダブロックにおいては、高い燃焼圧によって、溶射被膜に高荷重が繰り返し負荷されるため、溶射被膜の内部で亀裂や剥離が発生するという問題点がある。
また、このような溶射被膜の内部での剥離が大きくなるとオイル消費が悪化し、更に溶射被膜が完全に剥離すると、スカッフ発生の要因となる。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高面圧下での耐剥離性に優れたシリンダブロック用鉄系溶射薄膜及びこれを備えたシリンダブロックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねたところ、シリンダブロック基材のシリンダボア内面上に、複数の所定粒子径の鉄系溶射粒子が層状に積み重なって形成された積層構造を有するシリンダブロック用鉄系溶射薄膜を形成することなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
即ち、本発明のシリンダブロック用鉄系溶射薄膜は、シリンダブロック基材のシリンダボア内面上に形成され、複数の鉄系溶射粒子が層状に積み重なって形成された積層構造を有するシリンダブロック用鉄系溶射薄膜であって、該鉄系溶射粒子は、当該シリンダブロック用鉄系溶射薄膜の膜厚方向における粒子径が３０μｍ以下であり、且つ該シリンダボアの軸方向における粒子径が３０〜３００μｍである、ことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明のシリンダブロックは、上記本発明のシリンダブロック用鉄系溶射薄膜を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、シリンダブロック基材のシリンダボア内面上に、複数の所定粒子径の鉄系溶射粒子が層状に積み重なって形成された積層構造を有するシリンダブロック用鉄系溶射薄膜を形成することなどとしたため、高面圧下での耐剥離性に優れたシリンダブロック用鉄系溶射薄膜及びこれを備えたシリンダブロックを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明のシリンダブロック用鉄系溶射薄膜について詳細に説明する。なお、本明細書及び特許請求の範囲において、濃度及び含有量などについての「％」は、特記しない限り質量百分率を表すものとする。
上述の如く、本発明のシリンダブロック用鉄系溶射薄膜は、シリンダブロック基材のシリンダボア内面上に形成され、複数の鉄系溶射粒子が層状に積み重なって形成された積層構造を有するものである。
そして、かかる鉄系溶射粒子は、そのシリンダブロック用鉄系溶射薄膜の膜厚方向における粒子径が３０μｍ以下であり、且つシリンダボアの軸方向、換言すればシリンダボア表面と摺動するピストンの往復動方向における粒子径が３０〜３００μｍであるものである。
このような構成とすることにより、耐剥離性（耐久性）に優れたシリンダブロック用鉄系溶射薄膜が得られると共に、これを備えたシリンダブロックの耐剥離性（耐久性）も優れたものとなる。
【００１１】
まず、本発明のシリンダブロック用鉄系溶射薄膜は、例えば鋳造成形により作製されたシリンダブロック基材のシリンダボア内面上に、例えば鉄系金属材料を液滴として用い、従来公知の溶射法によって形成され、複数の鉄系溶射粒子が層状に積み重なって形成された積層構造を有する溶射被膜である。
そして、このような溶射被膜の形成方法の一例としては、円筒形のシリンダボア中心に挿入された溶射ガンを一端側から他端側へと移動させながら、この溶射ガンの先端より燃焼炎によって溶融させた溶射粉末の溶滴を溶射フレームとしてシリンダボア内面に吹き付ける形成方法を挙げることができるが、これに限定されるものではない。
また、鉄系金属材料の成分は、特に限定されるものではないが、例えば鉄に炭素などの合金元素を添加した鉄系合金材料を用いることができる。そして、これらを液滴とする前の材料形状として特に限定されるものではなく、鉄系合金粉末を用いてもよいが、鉄系合金ワイヤを用いることが望ましい。
更に、このとき、溶射被膜の密着性を向上させるために、シリンダブロック基材のシリンダボア内面に凹凸形状を形成するような従来公知の下地加工を予め施しておいてもよい。
更にまた、溶射被膜の形成後に、その表面にホーニング加工を施してもよい。
【００１２】
また、本発明のシリンダブロック用鉄系溶射薄膜は、これを構成する鉄系溶射粒子において、当該シリンダブロック用鉄系溶射薄膜の膜厚方向における粒子径が３０μｍ以下であることを要し、５〜３０μｍであることが好ましく、且つシリンダボアの軸方向、即ちピストン摺動方向における粒子径が３０〜３００μｍであることを要する。
【００１３】
ここで、本発明のシリンダブロック用鉄系溶射薄膜の構造を図面を用いて説明する。
図１は、本発明のシリンダブロック用鉄系溶射薄膜の断面構造の一例を示す拡大説明図である。同図に示すように、シリンダブロック基材１０のシリンダボア表面１０ａ上に、複数の鉄系溶射粒子２２が層状に積み重なって形成された積層構造を有するシリンダブロック用鉄系溶射薄膜２０が形成されている。
そして、鉄系溶射粒子２２の矢印Ｘで示す膜厚方向の粒子径（ｒ）が３０μｍ以下であり、且つ矢印Ｙで示すシリンダボアの軸方向、即ちピストン摺動方向の粒子径（Ｒ）が３０〜３００μｍである。
鉄系溶射粒子の膜厚方向の粒子径（ｒ）が３０μｍ超である場合には、鉄系溶射粒子の冷却効果が得られずに鉄系溶射粒子自体の硬度（強度）が低くなり、鉄系溶射粒子内で破壊（剥離）が発生する。
また、鉄系溶射粒子のピストン摺動方向の粒子径（Ｒ）が３０μｍ未満である場合には、下地に対する接触面積が小さくなり、投錨効果による密着力が確保できず、シリンダブロック基材との界面又は鉄系溶射粒子間での剥離が発生する。
一方、鉄系溶射粒子のピストン摺動方向の粒子径（Ｒ）が３００μｍ超である場合には、鉄系溶射粒子の冷却効果が得られずに鉄系溶射粒子自体の硬度（強度）が低くなり（鉄系材料の硬度は冷却速度と相関があり、膜厚が厚いと冷却速度が遅くなり十分な硬度が得られない。）、鉄系溶射粒子内で破壊（剥離）（粒子の強度が低いため、運転中に粒内で破壊する。）が発生する。
【００１４】
また、本発明においては、膜厚が１００〜３８０μｍであることが好ましい。
膜厚が１００μｍ未満である場合には、十分な薄膜強度を確保できない場合があり、高荷重が繰り返し負荷されたときに破壊（剥離）が生じる可能性がある。
一方、膜厚が３８０μｍを超える場合には、薄膜の内部応力が高くなり、高荷重が繰り返し負荷されたときに破壊（剥離）が生じる可能性がある。
【００１５】
更に、本発明においては、その膜厚は均一であってもよいが、薄膜における内部応力を緩和させ、高荷重が繰り返し負荷されたときの破壊（剥離）を更に抑制し得るという観点から、相対的に膜厚の薄い領域Ａと相対的に膜厚の厚い領域Ｂとをシリンダボアの軸方向に交互に有するものであることが望ましい。
そして、このときは、その領域Ａの膜厚に対するその領域Ｂの膜厚の比（Ｂ／Ａ）がＢ／Ａ＝１．３〜７．５であることが好ましく、Ｂ／Ａ＝１．５〜３．５であることがより好ましい。
【００１６】
ここで、図２は、本発明のシリンダブロック用鉄系溶射薄膜の断面構造の他の例を示す拡大説明図である。同図に示すように、シリンダブロック基材１０のシリンダボア表面１０ａ上に、シリンダブロック用鉄系溶射薄膜２０が形成されている。
そして、シリンダブロック用鉄系溶射薄膜２０は、相対的に膜厚の厚い領域Ｂと相対的に膜厚の薄い領域Ａとを矢印Ｙで示すシリンダボアの軸方向に交互に有している。
なお、図中のＡは領域Ａの膜厚、Ｂは領域Ｂの膜厚を示す。
【００１７】
また、本発明においては、硬度がＨＶ３００〜５００であることが好ましい。
硬度がＨＶ３００未満の場合には、溶射粒子の収縮が起こり、下地に対する接触面積が小さくなって投錨効果による密着力が十分に確保できず、高荷重が繰り返し負荷されたときに破壊（剥離）が生じる可能性がある。
一方、硬度がＨＶ５００超の場合には、薄膜が脆化し易く、例えばシリンダブロック基材のシリンダボア表面上に薄膜を形成し、その後、ホーニング加工する際に、薄膜の脱落や剥離が生じるおそれがある。
【００１８】
更に、本発明においては、気孔を含有していてもよいが、薄膜における気孔は亀裂や剥離発生の起点となり易いため、その気孔率は低いことが好ましい。
具体的には、その気孔率が２．０％以下（溶射断面における面積率）であることが好ましく、１．０％以下（溶射断面における面積率）であることがより好ましい。
【００１９】
また、本発明においては、酸化鉄の含有量が１０〜３５％（溶射断面における面積率）であることが好ましい。
薄膜における酸化鉄は亀裂や剥離発生の起点となり易いため、その含有量が３５％（溶射断面における面積率）を超える場合には、高荷重が繰り返し負荷されたときに破壊（剥離）が生じる可能性がある。
一方、その含有量が１０％（溶射断面における面積率）未満の場合には、十分な耐スカッフ性が確保できない可能性がある。
【００２０】
更に、本発明においては、シリンダボア内面に相当する表面の平均粗さＲａが０．４μｍ以下であることが好ましく、０．３μｍ以下であることがより好ましい。
シリンダボア内面に相当する表面の平均粗さＲａが０．４μｍ超である場合には、金属接触が多くなり、摺動相手であるピストンやピストンリングとのフリクションの増加を引き起こす可能性がある。
このような表面の平均粗さは、例えば溶射薄膜を形成した後、ホーニング加工を施して調整することができる。
なお、「シリンダボア内面に相当する表面」とは、本発明のシリンダブロック用鉄系溶射薄膜がシリンダブロック基材のシリンダボア内面上に形成された際に、ピストンやピストンリングなどと摺動し得るシリンダボア内面側となる表面のことである。
【００２１】
更にまた、本発明においては、シリンダボア内面に相当する表面の粗さ曲線における油留まり深さＲｖｋが０．２〜２．０μｍであることが好ましく、０．５〜１．８μｍであることがより好ましい。
Ｒｖｋが０．２μｍ未満の場合には、エンジンオイルの保持性能が低くなり、摺動相手であるピストンやピストンリングとの耐スカッフ性の低下を引き起こすことがある。
一方、Ｒｖｋが２．０μｍ超の場合には、溶射被膜の相手攻撃性が高くなり、摺動相手であるピストンやピストンリングとのフリクションの増加を引き起こすと共に、摺動相手であるピストンやピストンリング摺動部の摩耗の増加を引き起こすことがある。
【００２２】
ここで、粗さ曲線における油留まり深さＲｖｋを図面を用いて説明する。
図３は、粗さ曲線の一例を示すグラフ図である。同図に示すように、図中の粗さ曲線上の点でｔｐ値の差が４０％ｔｐ以上になるような２点（点Ａ及び点Ｂ）を通る直線の中で、傾きが最も小さい直線を求め、この直線とｔｐ値０％ｔｐ及びｔｐ値１００％ｔｐとの交点をそれぞれ点Ｃ及び点Ｄとし、この点Ｄを通る切断レベルと粗さ曲線上との交点を点Ｅとし、粗さ曲線とｔｐ値１００％ｔｐとの交点を点Ｆとし、このとき線分ＤＥ、線分ＤＦ及び線分ＥＦで囲まれる面積と三角形ＤＦＧの面積とが等しくなるようなｔｐ値１００％ｔｐとの交点Ｇを求めた時に、点Ｄと点Ｇとの間の距離がＲｖｋとなる。
【００２３】
次に、本発明のシリンダブロックについて詳細に説明する。
上述の如く、本発明のシリンダブロックは、上記本発明のシリンダブロック用鉄系溶射薄膜を備えたものである。
即ち、本発明のシリンダブロックは、シリンダブロック基材と、そのシリンダブロック基材のシリンダボア内面上に、複数の鉄系溶射粒子が層状に積み重なって形成された積層構造を有するシリンダブロック用鉄系溶射薄膜と、を備えたものである。
そして、かかる鉄系溶射粒子は、かかるシリンダブロック用鉄系溶射薄膜の膜厚方向における粒子径が３０μｍ以下であり、且つかかるシリンダボアの軸方向における粒子径が３０〜３００μｍである。
このような構成とすることにより、耐剥離性が優れたものとなる。
また、備えるシリンダブロック用鉄系溶射薄膜においては、上述したように膜厚、膜厚分布、硬度、気孔率、酸化鉄の含有率、表面の平均粗さ又は表面の粗さ曲線における油留まり深さ、更にはこれを構成する鉄系溶射粒子の粒子径などについて適宜調整することができる。
【実施例】
【００２４】
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００２５】
（実施例１）
基材であるアルミニウム合金の表面上に、鉄系合金材料（形状：ワイヤ状、成分：Ｆｅ−Ｃ合金）を用い、プラズマ溶射法によって、鉄系溶射薄膜を形成し、次いで、ホーニング仕上げを行って、本例の鉄系溶射薄膜を得た。
得られた鉄系溶射薄膜において、その断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）及び透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察したところ、薄膜を構成する鉄系溶射粒子の膜厚方向の粒子径は１２μｍであり、鉄系溶射粒子のシリンダボアの軸方向の粒子径は２００μｍであり、薄膜の膜厚は２４０μｍであり、薄膜における相対的に膜厚の薄い領域Ａの膜厚Ａに対する相対的に膜厚の厚い領域Ｂの膜厚Ｂの比（Ｂ／Ａ）は３．６であった。
また、得られた鉄系溶射薄膜において、その表面の硬度をビッカース硬度計で測定したところ、薄膜の硬度はＨＶ３５５であった。
更に、得られた鉄系溶射薄膜において、その断面を画像解析で測定したところ、気孔率は１．１％であった。
また、得られた鉄系溶射薄膜を画像解析で測定したところ、酸化鉄の含有量は２５％であった。
更にまた、得られた鉄系溶射薄膜において、その表面粗さを表面粗さ計で測定したところ、表面粗さＲａは０．３２であり、また、上述の手法により算出される表面の粗さ曲線における油留まり深さＲｖｋは０．９０であった。本例の鉄系溶射薄膜の仕様を表１に示す。
【００２６】
（実施例２〜１５及び比較例１〜３）
プラズマ溶射法によって、鉄系溶射薄膜を形成するに当たり、電流、ガス圧及びワイヤ送り速度の条件を変えた以外は、実施例１と同様の操作を繰り返し、表１に示す仕様の本例の鉄系溶射薄膜を得た。
【００２７】
【表１】
2007302941.tif 000002
【００２８】
［評価試験］
（剥離評価試験）
上記各例の鉄系溶射薄膜から切り出したボア試験片を、下記試験条件において、ブラスト試験機に供し、ブラスト試験前後のボア試験片の質量を測定し、鉄系溶射薄膜の減少量（剥離量）を耐剥離性の指標とした。なお、実施例１の減少量を基準値１．０とした（数値が小さいほど耐剥離性が良好である。）。得られた結果を表２に示す。
【００２９】
（試験条件）
・ボア試験片の形状：５０ｍｍ×５０ｍｍ（肉厚５ｍｍ）
・ブラスト粒      ：アルミナ粒子
・吹付け量        ：５０ｇ／回、５回行い（合計２５０ｇ）
【００３０】
図４は、剥離評価試験の要領を示す側面説明図である。同図に示すように、固定用治具１００にボア試験片５０を配置し、ブラスト粒１０２を吹付けた。
【００３１】
（スカッフ評価試験）
上記各例の鉄系溶射薄膜から切り出したボア試験片を、下記試験条件において、摺動試験機に供し、１０ｋｇｆ（＝９８Ｎ）づつ荷重を与え、摩擦力急増点をリングスカッフ荷重とした。得られた結果を表２に併記する。
【００３２】
（試験条件）
・摺動速度  ：０．２ｍ／ｓ
・温度      ：２５℃
・潤滑油    ：５Ｗ３０ＳＬ（初期塗布のみ）
・相手摺動材：リング試験片（炭素鋼を基材とし、摺動面に窒化クロム（ＣｒＮ）を被覆した。ピストンリングに相当する。）
【００３３】
図５は、スカッフ評価試験の要領を示す斜視説明図である。同図に示すように、ボア試験片５０上にリング試験片１０４ａを配置し、矢印Ｚ方向に荷重を負荷しながら回転させた。
【００３４】
（フリクション評価試験）
上記各例の鉄系溶射薄膜から切り出したボア試験片を、下記試験条件において、往復動摩擦摩耗試験機に供し、フリクション値を測定した。得られた結果を表２に併記する。
【００３５】
（試験条件）
・摺動速度  ：０．５ｍ／ｓ
・温度      ：２５℃
・押付け荷重：１０ｋｇｆ（＝９８Ｎ）
・試験時間  ：１時間
・潤滑油    ：５Ｗ３０ＳＬ
・相手摺動材：リング試験片（炭素鋼を基材とし、摺動面にＣｒＮを被覆した。ピストンリングに相当する。）
【００３６】
図６は、フリクション評価試験の要領を示す斜視説明図である。同図に示すように、ボア試験片５０条にリング試験片１０４ｂを配置し、矢印Ｚ方向に荷重を負荷しながら、矢印Ｗ方向に往復動させた。
【００３７】
【表２】
2007302941.tif 000003
【００３８】
表１及び表２より、本発明の範囲に属する実施例１〜１５は、本発明外の比較例１〜３と比較して、優れた耐剥離性を有することが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明のシリンダブロック用鉄系溶射薄膜の断面構造の一例を示す拡大説明図である。
【図２】本発明のシリンダブロック用鉄系溶射薄膜の断面構造の他の例を示す拡大説明図である。
【図３】粗さ曲線の一例を示すグラフ図である。
【図４】剥離評価試験の要領を示す側面説明図である。
【図５】スカッフ評価試験の要領を示す斜視説明図である。
【図６】フリクション評価試験の要領を示す斜視説明図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０    シリンダブロック基材
１０ａ  シリンダブロック基材のボア表面
２０    シリンダブロック用鉄系溶射薄膜
２２    鉄系溶射粒子
５０    ボア試験片
１００    固定用治具
１０２    ブラスト粒
１０４ａ，１０４ｂ  リング試験片  
【図１】
2007302941.tif 000004
【図２】
2007302941.tif 000005
【図３】
2007302941.tif 000006
【図４】
2007302941.tif 000007
【図５】
2007302941.tif 000008
【図６】
2007302941.tif 000009