(57)【要約】      （修正有）【課題】自己の耐焼付性・耐摩耗性に優れると共に相手攻撃性が低く、低コストなピストンリング用溶射皮膜を提供する。【解決手段】MoとNiCr合金と炭化クロムからなる造粒焼結粉とMo造粒焼結粉とNiCr合金粉を混合し、溶射原料粉として形成した溶射皮膜はMoとNiCr合金からなる領域AとMoとNiCr合金と炭化クロムからなるサーメット領域Bが混在した組織でなるHVOF溶射皮膜は耐焼付性及び自己耐摩耗性に優れると共に相手材を摩耗させることが少ない。この溶射皮膜を外周摺動面に有するピストンリングも同様な摺動特性を得ることが出来る。【選択図】図１２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、ピストンリング外周摺動面に溶射される溶射皮膜であって、該溶射皮膜が金属のみからなる領域Aと金属と硬質セラミックからなるサーメット領域Bとが混合した組織でなることを特徴とするピストンリング用溶射皮膜。
【請求項２】
前記金属のみからなる領域AがMoとNi-Cr合金を主成分とする組織であることを特徴とする請求項１記載のピストンリング用溶射皮膜。
【請求項３】
前記金属と硬質セラミックからなるサーメット領域BがMoとNi-Cr合金と炭化クロムからなるサーメット組織であることを特徴とする請求項１及び２記載のピストンリング用溶射皮膜。
【請求項４】
少なくとも、ピストンリング外周摺動面に溶射される溶射皮膜であって、その組織がMo：２２〜４０面積％、Ni-Cr合金：３６〜４８面積％、炭化クロム：１１〜４１面積 ％気孔が５面積％以下でなることを特徴とする請求項１乃至４記載のピストンリング用溶射皮膜。
【請求項５】
少なくとも、ピストンリング外周摺動面に溶射される溶射皮膜であって、その組織がMo：３０〜４０面積％、Ni-Cr合金：４１〜４８面積％、炭化クロム：１１〜２８面積 ％気孔が５面積％以下でなることを特徴とする請求項１乃至３記載のピストンリング用溶射皮膜。
【請求項６】
少なくとも外周摺動面に請求項１乃至５記載の溶射皮膜を有することを特徴とするピストンリング。
【請求項７】
高速フレーム(以後HVOF)溶射法により形成することを特徴とする請求項６記載のピストンリングの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関や圧縮機等に用いられる耐摩耗性・耐焼付性を有する溶射皮膜に関し、さらに詳しくは、少なくともピストンリング外周摺動面に用いられる耐摩耗性、耐焼付性に優れたピストンリング用溶射皮膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エンジンの高出力化等の高性能化に伴い、ピストンリングの使用環境はますます厳しくなり、良好な耐摩耗性や耐焼付性を有するピストンリングが要求されている。他方、環境問題から燃料消費率の少ないピストンリングも求められており、一般の自動車用ピストンリングに於いてはPVD法により低摩擦な所謂硬質セラミック皮膜を外周摺動面に被覆したピストンリングが使われるようになってきた。しかしながら、舶用エンジン等の大きいサイズのピストンリングにあっては、同様な要求はあるものの、PVD法により硬質セラミック皮膜を被覆することは、ピストンリングの生産コストを著しく高くすることになり行われていない。
従来から、舶用等の大きいサイズではピストンリング外周摺動面に良好な耐摩耗性や耐焼付性を付与する方法としては、プラズマ溶射法によるセラミック皮膜或いはその密着性や剥離性の改善を目的としたセラミック複合皮膜（以後サーメット皮膜）又は硬質クロムめっき或いは硬質クロムめっき皮膜のクラック内に硬質セラミックを含有させた複合クロムめっき皮膜が用いられてきている。
【０００３】
特開平０３−１７２６８１号に記載のピストンリングは少なくとも外周摺動面にプラズマ溶射皮膜が形成されており、この溶射皮膜は２０〜４０重量％のNiと６０〜８０重量％のCrからなるNi-Cr合金２０〜４０重量％と、Cr3C2６０〜８０重量％とから構成され、空孔率が３体積％以下となっている。本発明明細書によれば、Ni-Cr合金粉末は母材及びCr3C2との結合性が良好であり皮膜の耐剥離性を向上させ、Cr3C2は適度な硬度を有し、耐摩耗性及び耐焼付性を向上させ、相手攻撃性は低いとしている。しかしながら、このプラズマ溶射皮膜は単純に炭化クロム粉とNi-Cr合金粉をブレンドした原料粉末を用いて溶射するため、又、現状の溶射技術では微細な粉末が使用できないため、粗大な炭化クロムとNi-Cr合金が分布する溶射皮膜となる。又、単なるプラズマ溶射皮膜では気孔率が高くなり、炭化クロムの脱落がし易いためか減圧プラズマ溶射法を用いている。その結果、この溶射皮膜をピストンリング等の摺動部材の摺動面に用いた場合にはNi-Cr合金が先に摩耗し、硬質粒子である炭化クロムが突出した形となり、そのエッジが摺動相手材であるシリンダライナを摩耗させてしまうこと、又、減圧プラズマ溶射を用いるため高コストになること等が懸念される。更に、Ni-Cr合金は熱伝導性が悪いため、皮膜の耐焼付性を低下させる原因となることも懸念される。
【０００４】
このようなことから、相手材攻撃性を低減するために炭化クロムを微細化して使用し、且つ、Ni-Cr合金の一部をMo金属に置き換えた溶射皮膜が提案されている。特開平０６−２２１４３８号に記載のピストンリングは母材の外周摺動面に、微細クロムカーバイド３〜２５重量％、Mo３０〜８０重量％、ニッケル−クロム合金１０〜４０重量％からなるプラズマ溶射皮膜をより好ましくは減圧プラズマ溶射を形成するとされている。この場合皮膜の耐摩耗性及び耐焼付性は高いものの、溶射原料粉末には３２５メッシュアンダーの炭化クロム、Ni-Cr、Mo粉末の混合粉末を用いていることから、微細クロムカーバイドといっても限度があるので、前記特許と同様に、相手材を摩耗させる可能性が高い。又、溶射法にはプラズマ減圧溶射法を用いており、やはり、ピストンリングのコストが高くなることが考えられる。
この他に単に炭化クロム粒子を微細化した溶射皮膜の提案が成されている。特開平２００３−３３６７４２号に記載のピストンリングはNi-Cr合金又はNiとNi-Cr合金のマトリックス中に炭化クロム粒子が分散した溶射皮膜を少なくとも外周摺動面に有するピストンリングであって、溶射皮膜の面積率を１００％としたときに溶射皮膜に含まれる気孔の面積率が５％未満、炭化クロム粒子の面積率が４５〜９０％、及び残部が実質的にNi-Cr合金又はNiとNi-Cr合金からなり、炭化クロム粒子の平均粒径が１５μm以下であることを特徴とするものである。この発明では、１５μm以下の炭化クロムとNi-Cr合金とを造粒焼結した粉末を溶射原料粉末として用い、HVOF溶射法により溶射することを開示する。確かに、微細な炭化クロム粉末とNi-Cr合金粉末との造粒焼結粉を溶射原料粉末に使用するため、従来のような、Ni-Cr合金が先に摩耗し炭化クロムが突出して相手材を摩耗させるという現象を防止することが出来ると思われるが、炭化クロム粒子の面積率が４５〜９０％と多いことから炭化クロムの脱落が起こりやすくアブレシブ摩耗が懸念されるうえ、耐焼付性に劣るNiやNi-Cr合金のみが金属成分であり、皮膜の耐焼付性には疑問が残る。このように、耐摩耗性・耐焼付性に優れると共に、相手材であるシリンダの摩耗を少なくすることが可能で、且つ、低コストなピストンリング用溶射皮膜は知られていない。
【０００５】
【特許文献１】特開平０３−１７２６８１号
【特許文献２】特開平０６−２２１４３８号
【特許文献３】特開平２００３−３３６７４２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本発明の目的は、上記問題を解決し耐摩耗性、耐焼付性に優れ、且つ、相手材への攻撃性が少ない低コスト耐摩耗性溶射皮膜及びそれを用いたピストンリングを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記目的に鑑み鋭意研究した結果、ピストンリング外周摺動面に溶射される溶射皮膜を金属のみからなる領域Aと金属と硬質セラミックが混合したサーメット領域Bとが混合した組織でなる溶射皮膜とすることで、耐摩耗性・耐焼付性に優れると共に相手材であるシリンダライナを摩耗させることが少ない（相手攻撃性が低い）ピストンリングを得ることを見出した。
前記金属のみからなる領域AをMoとNi-Cr合金を主成分とすることが好ましく、前記金属と硬質セラミックからなるサーメット領域BがMoとNi-Cr合金と炭化クロムからなるサーメットとすることが一層好ましい。
この溶射皮膜の組織はMo：２２〜４０面積％、Ni-Cr合金：３６〜４８面積％、炭化クロム：１１〜４１面積 ％気孔が５面積％以下でなること望ましく、Mo：３０〜４０面積％、Ni-Cr合金：４１〜４８面積％、炭化クロム：１１〜２８面積 ％気孔が５面積％以下でなることが一層望ましい。又、溶射膜の成膜はHVOF溶射法により形成することが望ましい。
【０００８】
すなわち、本発明の溶射皮膜は、微細なMo粉を造粒したMo造粒焼結粉とNi-Cr合金粉とMo粉、Ni-Cr合金粉及び炭化クロム粉を所定の割合で混合し造粒したサーメット造粒焼結粉を混合し溶射原料として形成した溶射皮膜であり、本発明のピストンリングは該溶射皮膜を少なくとも外周摺動面に設けたピストンリングである。該溶射皮膜の化学組成は皮膜外周面をICP発光分析することによって確かめられ、おおよそ  Mo：４３〜５９重量％、ニッケル：２７〜３９重量％、クロム：１１〜１７重量％、カーボン：１〜２重量％であり、又、皮膜の各成分の面積割合は該溶射皮膜断面のX線マイクロアナライザーによる組成像を画像解析により分析することにより得られ、前記組成のものはMoが２２〜４０面積％、Ni-Cr合金が３６〜４８面積％、炭化クロムが１１〜４１面積％、で存在する。尚、気孔率は０〜５面積％からなるものである。
尚、ここで云う金属のみからなる領域Aとサーメット領域Bの境は明白ではなくその各領域の割合は特定できないが、溶射原料粉のほぼ混合割合と等しい。また、溶射皮膜の成分はX線回折による定性分析で、Mo、Ni-Cr合金、炭化クロムを検出できるが、X線ピークも特定面の回折線が認められるだけであるから定量することはできない。炭化クロムはCr3C2型炭化クロムを原料粉に用いた場合、一部は酸化しCr7C3型炭化クロムまたはCr23C6型炭化クロムに変化している。
【０００９】
本発明の該溶射皮膜の作成にはHVOF溶射法が好適である。従来のプラズマ溶射法も使用することも出来るが、溶射粒子間の結合力が弱く、又、気孔も多くなるので炭化クロム粒子の脱落や気孔周辺の炭化クロムのエッジにより相手材摩耗が多くなる。HVOF法はMo等の高融点粉末の溶射には不向きと言われるが本願発明のピストンリングにおいては使用することが可能である。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、本願溶射皮膜では、従来のサーメット溶射皮膜は皮膜の耐摩耗性を向上させるが硬質セラミック粒子（炭化クロムやアルミナ等のセラミック）がそのエッジで相手材を摩耗させることが有ったことから、その硬質粒子を微細な硬質粒子と金属粒子からなるサーメット材で置き換えることによって、金属のみからなる領域Aが先に摩耗しても、従来のように大きな硬質セラミック粒子が突出することがないようにしたので、相手材を摩耗させることが少ない。又、Mo粉末をサーメット材にも含有させたことから、溶射皮膜全体に均等に分散するため、又、その分Ni-Cr合金を減らしたことから、従来溶射膜以上の耐焼付性が得ることが出来る。更に、金属組織のみからなる領域Aが先に摩耗して凹部となりオイル溜まりとして働くことから、耐摩耗性・耐焼付性を一層向上させることが出来る。更に、全体を均一なサーメット組織にした溶射皮膜に比べ、硬質セラミックス量を低減できるので、各粒子の結合力が向上し微細硬質セラミック粒子の脱落が防止できる。その結果、相手材の摩耗を一層低減することが出来る。
以上のように、本発明の溶射皮膜は耐摩耗性、耐焼付性に優れるのみならず相手材摩耗を少なくできる効果を有する。又、HVOF溶射法にて皮膜を形成すれば、皮膜の密着性が優れると共に、皮膜中の気孔も少なくなるので、従来のような減圧溶射法を用いる必要がなく、低コストに皮膜を形成することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本願発明の溶射皮膜は金属のみからなる領域Aと金属と硬質セラミックが混合したサーメット領域Bとが混合した組織でなる溶射皮膜であり、耐摩耗性・耐焼付性に優れると共に相手材であるシリンダライナを摩耗させることが少ない。（相手攻撃性が少ない）
金属のみからなる領域Aはサーメット領域Bのバインダーの役割を担うと共に、摺動初期には領域Bに先駆け摩耗し（初期馴染み性を良好にする役割）、凹部を形成しオイル溜まりの役割を担う。従って、金属成分としては耐焼付性に優れるMoと皮膜強度向上に優れるNi-Cr合金の混合が好適であるが、これらに限られるものではない。硬質粒子が炭化クロム以外とした場合には、Ni-Cr合金に代えて、Co合金、Fe合金等をMoと混合して用いることが出来る。
【００１２】
Moは高融点金属であり、それを含む溶射皮膜は密着性、耐焼付性に優れることからピストンリングの溶射皮膜として多くに使用されてきている。本願溶射皮膜に於いては溶射原料のサーメット造粒粉末にも添加しているので、皮膜全体にほぼ均一にMoが分散しており本願溶射皮膜の耐焼付性を向上させている。但し、Moが多すぎる場合には、HVOF溶射法ではフレーム温度が低いためMoの溶融が不十分となるので皮膜の強度が低下し、溶射粒子の脱落が多くなり異常摩耗の原因となる。また、Moが少ない場合には耐焼付性向上の効果が低い。そのため、最適なMo量は面積％で43〜59％で有ることが望ましい。しかしながら、プラズマ溶射法を用いる場合は、Moも充分に溶けるのでこの限りではない。
【００１３】
Ni-Cr合金は本溶射皮膜に於いてはサーメット領域Bでは炭化クロム粒子のバインダーの役割を担う。炭化クロムとの濡れ性が良く炭化クロムの脱落を防止する。又、溶射皮膜全体でもバインダーとして働き、皮膜の強度向上に寄与している。特に、硬質粒子として炭化クロム粒子を用いる場合には好適である。又、耐酸化性に優れることから、特に大型ディ−ゼルエンジンのピストンリング摺動面に用いると一層効果的である。しかしながら、熱伝導率が低く凝着性が高いことから、Ni-Cr合金量が多すぎると耐焼付性が劣る結果となる。Ni-Cr合金が少なすぎると、炭化クロムが脱落しやすくなり相手材摩耗、溶射皮膜自身の摩耗量が多くなる。そのため、Ni-Cr合金量はNi-Cr合金は皮膜全体の面積％で３６〜４８％が好適である。
【００１４】
本発明の硬質粒子としては炭化クロムや炭化チタン、アルミナ等の硬質粒子を用いることが出来る。これら硬質粒子は溶射皮膜事態の耐摩耗性・耐焼付性を向上させる役割をはたす。しかしながら、多すぎるとバインダーの役割をする金属量が少なくなくなることになり、硬質粒子自身が脱落しやすくなるので相手材摩耗を多くすることになる。少なすぎると、硬質サーメット相の役割を果たせず皮膜の耐摩耗性を悪化させる。そのため、硬質粒子の量は皮膜全体の１１〜４１面積％が最適である。又、硬質粒子は粒子サイズが大きすぎると相手材を摩耗させることになるので１５μm以下が望ましい。尚、硬質粒子は本発明ではサーメット領域Bにのみ存在するがA領域、B領域の境界がはっきりするものではないので皮膜全体での面積％で限定する。
尚、本願発明の実施例では硬質粒子として炭化クロムを用いたものについて説明するが硬質粒子は炭化クロムに限定されるものではない。
【００１５】
以下、具体的に実施例で説明する。
まず、皮膜作成方法について図１のピストンリングを例にして述べる。
［前処理］ 
溶射皮膜を形成する母材２の表面には予めサンドブラスト等で１０〜２０μm程度の大きさの凹凸を形成しておく。これにより、溶融粒子が母材２の凸部に衝突した際に、溶融粒子の凝固収縮応力によるアンカー効果が生じて皮膜３の接着が強固となる。尚、使用実態に於いて皮膜の密着性に問題がなければこの前処理を省いても差し支えない。
［母材予熱］
溶射直前に母材２を約１００℃に予熱するのが好ましい。これにより母材表面の湿気等が除去され、母材２と溶射皮膜３の間に混入する不純物が少なくなり、母材と溶射皮膜が強固に接合する。
［溶射］
溶射はHVOF法で行うのが望ましい。本願発明ではHVOF溶射には、ウィティコジャパン社製THETA-Gun(以下、「θ-Gun」という)を用いた。θ-Gunは図４に示すようにガンボディー４、スタビライザー５、コンバージョンチャンバー６、ディストリビュータ７、シュラウド８、パウダーポート９、イグナイター１０等からなる。溶射を行うには、まずシュラウド８の先端から１５０〜３５０mm離れた位置に母材を設置する。この状態でガンボディー４内に冷却用の水を流し、コンバージョンチャンバー６内に酸素ガスと噴霧された灯油投入し混合する。スタビライザー５に設けられたイグナイター１０により混合された酸素ガスと灯油を燃焼させ、高速かつ高温の高速フレームを形成する。一度着火すれば、酸素ガスと灯油を供給し続ける限り、燃焼は持続する。この高速フレームはコンバージョンチャンバー６からディストリビューター７、シュラウド８を通りガンの外へ吐き出される。高速フレームが通過するシュラウド８に設けられたパウダーポート９から所望の組成の皮膜となるように配合した原料粉末を窒素ガスまたは空気で搬送して高速フレーム内に投入する。原料粉末は高速フレーム中で溶融、加速されて母材２に衝突する。衝突した原料粉末は瞬時に偏平化し、母材温度まで急冷凝固して皮膜を形成する。HVOF法では粉末粒子が高速に加速されて母材２に衝突する結果、溶射皮膜の空孔の面積率が数％未満の緻密な組織を形成することができる。
形成する溶射膜厚３の厚さは通常５０〜６００μmであり、好ましくは１００〜３００μmである。５０μm未満では表面の粗さを低減するための加工により皮膜厚さが不十分になり、皮膜の耐久性を満足しない恐れがある。６００μmを超えると剥離しやすくなり得策ではない。
［溶射原料］
溶射原料粉末としては、金属粉として一つはMo粉を用いる。このMo粉としては（株）パウレックス社製SGC-１５を用いた。この粉末は大きさが１〜２μmの微細なMo粉を造粒焼結して５〜３８μmにしたものである。又、もう一つの金属粉としてはNi-Cr合金粉を用いる。Ni-Cr合金は溶射皮膜では硬質セラミック粒子の特に炭化クロム粒子の良好な低コストバインダー金属であり、溶射皮膜全体にNi-Cr合金を用いることで溶射皮膜強度向上が図れている。Ni-Cr合金としては水アトマイズ粉であるスルザーメテコ社製４３VF-NSを用いた。粒子サイズは、スルザーメテコ社製カタログによれば５〜４５μmである。更に、サーメット領域Bの原料粉末としてはMo粉を含むパウレックス社製SCS-１０５を用いた。このSCS-１０５は約４０重量％のMo、約２５重量％のNi-Cr合金、約２５重量％の炭化クロムを含有する。その概要を表１に示す。
表１
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【実施例１】
【００１６】
まず、Mo粉の添加量を決めるために、予備実験として造粒焼結Mo粉とNi-Cr合金粉の混合割合を１：４〜４：１（重量比）に変化させた溶射皮膜を作成し、各皮膜の耐摩耗性・耐焼付性を評価した。その結果、Mo粉とNi-Cr合金粉の混合割合が２：１の皮膜が耐焼付性・耐摩耗性のバランスが良いと判断し、金属のみからなる領域Aとサーメット領域Bの混合割合の最適範囲を決めるための実験にはMo粉とNi-Cr合金粉を２：１の割合で混合した粉末にサーメット材であるパウレックス社SCS-１０５を添加することでサーメット粉の混合割合（重量）を変化させた溶射原料粉を数種類作成し、溶射皮膜を形成して、それぞれの耐摩耗性、耐焼付性を調べた。比較のために、従来の溶射皮膜として、（１）スルザーメテコ社Daimalloy３００４（２）フジミインコーポレイテーDTS-C１５６-４５/１５を用いて作成した溶射皮膜についても同様に試験を行った。尚、前者はNi-Cr合金粉と炭化クロム粉のブレンド粉であり後者はNi-Cr合金と炭化クロムの造粒焼結粉である。何れも、炭化クロムの割合は最も一般的に用いられている約７５重量％である。
【００１７】
耐摩耗試験及び耐焼付性試験を行った溶射皮膜の溶射原料の混合割合を表２に示す。
表２
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【００１８】
［溶射皮膜の形成と調査］
溶射施工前に摩耗試験用リング材１０Ｒ部分の母材と溶射層の密着性および耐焼付性試験用リング材ピン先端平面部の母材と溶射層の密着性を良くするため、通常行なわれる褐色アルミナ＃２０(昭和電工製)でのグリットブラストを施し表面を粗面化した。次に表２の混合粉末及び比較例１，２，３の粉末を用いて、高速フレーム溶射により摩耗試験用テストピースの１０R部分および耐焼付性試験用テストピースのピン先端平面部に厚さ約３００μｍの溶射皮膜を形成した。溶射条件は以下の通りであった。
・溶射条件使用ガン ：ウィティコジャパン社製  θ-Gun
エア圧力：５６PSI  灯油圧力：１２２PSI  酸素圧力：１２７PSI  ガン圧：９０PSI  粉末キャリアエア：２０l/min
母材予熱温度：１００ ℃
溶射距離：２４０mm
得られた溶射皮膜の電子顕微鏡反射電子像写真（×１０００）の一例を図７に示す。図７から明らかなように、皮膜中には空孔が極めて少なかった。
又、得られた溶射皮膜のX線回折プロファイルの一例を図８に示す。
またICPによる溶射皮膜の元素分析結果と組織の面積率を表３に示す。
【００１９】
溶射皮膜に含まれる空孔および組織の面積率の算出には旭化成エンジニアリング株式会社の画像解析ソフトであるA像くんを用いた。A像くんは色の濃淡をしきい値にて設定すると、画像の限定された範囲の濃度を抽出することができ、その面積率を算出することができる。従って、EPMAでMo、Ni-Cr合金、炭化クロムと確認してある溶射粒子の電子顕微鏡反射電子像写真での濃度をしきい値とすることにより各溶射粒子の存在面積率を算出できる。
溶射皮膜の硬度は、ビッカース硬度計（MVK-G２、（株）アカシ製）により皮膜断面（厚さ方向）の中央部の５mmの範囲内をほぼ等間隔に２０箇所測定した平均値である。
【００２０】
表３
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【００２１】
［耐焼付性試験］
耐焼付性試験は図３に示す超高圧焼付性試験機を用いた。図６に示すようなリング状の土台にS４５Cの縦５mm、横５mm、長さ１０mmの角柱状のピンの先端に溶射膜を形成した試験片を取り付け、ピン先端平面部を４つのピンが同じ高さになるように溶射皮膜を研磨し、ダイヤモンドフィルム＃８０００でラッピング仕上げを行い表面粗さ約Rzjis０.３に仕上げた。次に、図１２に示す超高圧焼付性試験機にて耐焼付性試験を行った。耐焼付性試験は、鋳鉄(FC２５０)からなる円盤状のステーターを回転装置に取り付け所望の摺動速度になるように回転させ、その表面にピンの先端平面部に溶射皮膜がついた耐焼付性試験用テストピースのピン先端平面部を油圧シリンダでステーターに押しつけた。また８０℃に加熱した潤滑油を潤滑油注入口より注入した。摺動面にスカッフが発生した場合、ステーターに設置したロードセルが急激な摩擦トルクの立ち上がりを検出し試験終了となる。試験初期はピンの先端平面部とステーターの面圧が２MPaになるように油圧シリンダにて荷重をかける。そのままステーターを回転させ３分間スカッフが起こらなければ、面圧を１MPa上昇させる。以降各荷重で３分間荷重を保持し、スカッフが発生しなければ面圧を１MPaずつ上昇させ、スカッフが発生しロードセルが反応した時点で試験終了となり、スカッフが発生した面圧がスカッフ発生面圧となる。試験条件は下記の通りであり、耐焼付性試験結果を表４、図１１に示す。
試験条件
摺動速度：８.０m／sec
潤滑油：無添加ベースオイル(SAE３０)
潤滑油温度：８０℃
相手材粗さ：１〜２Rzjis
給油量：５０cc／min
荷重保持時間：３分
【００２２】
［耐摩耗性試験（高温湿式摩耗試験）］
摩耗試験用テストピースの作製母材としてFCD６０を使用し、縦５mm、横５mm、厚さ２０mmの角柱状に加工し、さらにその一端面を１０Ｒの湾曲面となるように研削加工した。摩耗試験用テストピースを図５に示す。摩耗試験用テストピースの先端に溶射皮膜をコーティングした後１０Ｒ部分を研磨、ダイヤモンドフィルム＃８０００でラッピング仕上げを行い表面粗さ約Rzjis０.３に仕上げ、図１０に示すピン−ドラム摩耗試験にて摩耗テストを行った。鋳鉄(FC２５０)からなる外径約φ８０ｍｍのドラム表面を内蔵した電熱器により約１８０℃の温度に加熱しつつ、所望の摩擦速度になるように回転させ、その表面に１０R部分に溶射皮膜を付けた摩耗試験用リング材の先端１０Ｒ部分をエアシリンダで押しつけた。また潤滑油供給管から潤滑油をドラム表面とリング材の摺動面に滴下する。試験条件は下記の通りである。
試験条件
摩擦速度：０.５０ m／sec
潤滑油：ISOVG１００
ドラム表面温度：約１８０℃
ドラム表面粗さ：１〜２Rzjis
ドラム直径：８０．２mm
給油量：０.０２cc／min
荷重：４９０N
試験時間：１２０分
【００２３】
供試材及び相手材の耐摩耗性試験の結果を表４、図１２、１３に示す。
皮膜の摩耗量は摺動痕幅を工具顕微鏡にて測定した値を元にテストピースとドラムのＲを考慮し算出した値であり、ドラム摩耗量は一断面の摩耗面積を測定した値である。皮膜の摩耗量は以下のように算出した。
・皮膜摩耗量：Wc
皮膜先端Ｒ：Ｒp
皮膜摺動痕幅：B
ドラム材半径：Rc
とするとき
Wc=Rp−sqrt((Rp2−(B/２)2))＋Rc−sqrt((Rc−(Rc2−(B/２)2))
・相手材摩耗量
形状測定機にてドラムの摺動痕を摺動方向と垂直に測定し、その摩耗痕形状を測定した。相手材摩耗量とは摩耗痕形状の面積である。
【００２４】
表４
2007314839.tif 000006
【００２５】
表４から以下のことが覗える。
・従来品である比較例１、２は自己摩耗量が２.６μm、３.０μmと自己摩耗に優れるが耐焼付性は１３MPa、１２MPaと乏しく、又、０.４８×１０-4cm2、０.５１×１０-4cm2と相手材摩耗が多い。
・MoとNi-Cr合金のみからなる比較例１及び実施例からはMo添加により耐焼付性が向上したものと思われる。しかし、比較例１は硬質粒子がないためか自己摩耗が１５.６μmと非常に多い。
・サーメット材の添加により耐摩耗性が飛躍的に向上するが、多すぎると、自己摩耗も多くなる傾向であることが実施例５、６、から読み取れ、サーメット材のみからなる実施例７では７.８μmと多い。
・実施例１〜７は何れも従来皮膜に比べ耐焼付性、自己摩耗性、相手摩耗量のバランスで優れているが、特に、実施例１〜５が良い。
【００２６】
以上のように、従来のNi-Cr／CrC系サーメット溶射皮膜のNi-Cr合金にMo粉末を加えると共に、炭クロムをMo／Ni-Cr合金／炭化クロムからなるサーメット材に置き換えた溶射皮膜とすることで、従来溶射膜以上の耐焼付性、耐摩耗性が得られると同時に低い相手攻撃性とすることが出来るので、特に中大型の舶用エンジンのピストンリング外周面に用いることが有効である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】フルフェース型溶射ピストンリングの断面図
【図２】インレイド型溶射ピストンリングの断面図
【図３】ピストンリングを治工具に固定した状態図
【図４】ウィティコジャパン社製THETA-Gun
【図５】摩耗試験用テストピース
【図６】耐焼付性試験用テストピース
【図７】一溶射膜の電子顕微鏡反射電子像写真(１０００倍)例
【図８】一溶射膜のＸ線回折プロファイル例
【図９】ピン−ドラム式摩耗試験機概略図
【図１０】超高圧焼付性試験機概略図
【図１１】耐焼付性試験結果
【図１２】摩耗試験結果(皮膜摩耗量)
【図１３】摩耗試験結果(ドラム摩耗量)
【符号の説明】
【００２８】
１：ピストンリング
２：ピストンリング母材
２ａ：ピストンリング表面に設けられた溝
３：溶射膜
４：ガンボディー
５：スタビライザー
６：コンバージョンチャンバー
７：ディストリビュータ
８：シュラウド
９：パウダーポー
１０：イグナイター
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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