(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材として鋳鉄を用いて形成された部材の表面に、カバー層と、その下に形成された、カバー層よりも硬く耐摩耗性が高い耐久層とを有した、アルミニウム青銅からなる保護コーティングを形成する方法において、鋳鉄からなる母材（６）に、直にアルミニウム青銅を溶着し、これによりアルミニウム青銅より形成される被覆層（７）を設け、この被覆層（７）の中に、鋳鉄に遠く設けられた層（９）と、該層（９）よりも硬い、鋳鉄に近く設けられた層（８）の二層が同時に設けられるようにすることを特徴とする方法。
【請求項２】
母材として鋳鉄を用いて形成された部材の表面に、カバー層と、その下に形成された、カバー層よりも硬く耐摩耗性が高い耐久層とを有した、アルミニウム青銅からなる保護コーティングを形成する方法において、対応する基層に、直にアルミニウム青銅を溶着し、このとき、鋳鉄からなる母材に直に溶着されたアルミニウム青銅からなる第一の被覆層（７）に、該被覆層（７）を直に覆うようなアルミニウム青銅からなるさらに他の被覆層（７）を少なくとも一つ溶着し、これらの被覆層（７）は、それぞれ、同時に設けられた、鋳鉄に遠く設けられた層（９）と、該層（９）よりも硬い、鋳鉄に近く設けられた層（８）の二層を有することを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の方法において、前記被覆層（７）を溶着する前に、前記母材（６）を予熱することを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法において、前記母材（６）を４００℃以下の温度で予熱することを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の方法において、少なくとも一つの前記被覆層（７）の形成に用いられるアルミニウム青銅は、Alを８％-２５％、Sb,Co,Be,Cr,Sn,Mn,Si,Cd,Zn,Fe,Ni,Pb及びCの少なくとも一つを各０．２％-１０％、そして、残りの成分としてCuを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法において、少なくとも一つの前記被覆層（７）の形成に用いられるアルミニウム青銅は、比較的柔かいカバー層（９）を形成するように、８％-１１％のAl,４％-６％のNi,３％-５％のFe,１％-２％のMn及び残りの成分としてCuを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項５に記載の方法において、少なくとも一つの前記被覆層（７）の形成に用いられるアルミニウム青銅は、比較的硬いカバー層（９）を形成するように、１３％-１６％のAl,４％-５％のFe,０．２％-０．８％のSi,１％-２％のMn,０．２％より少ないC及び残りの成分としてCuを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の方法において、二層構造の前記保護コーティングを形成するよう設けられる前記被覆層（７）は、２ｍｍ−３ｍｍの厚さを有していることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法において、二層構造の前記保護コーティングを形成するよう設けられる前記被覆層（７）は、２．５ｍｍの厚さを有していることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の方法において、二層構造の前記保護コーティングを形成する前記被覆層（７）が設けられる前記母材（６）は、グラファイトを含む鋳鉄からなることを特徴とする方法。
【請求項１１】
鋳鉄からなる部材を少なくとも一つ有し、その表面に、初動動転時に摩滅する比較的柔かい慣らし走行層（９）と、その下に形成された硬さと耐摩耗性においてはるかに優れた耐久層（８）とを有するアルミニウム青銅からなる保護コーティングを備えてなるピストン式機関装置において、前記保護コーティングは、アルミニウム青銅からなる被覆層（７）を備え、当該被覆層（７）は、慣らし走行層（９）と耐久層（８）との二つの領域を有し、前記慣らし走行層（９）を形成する領域の硬さと色調とは、用いられたアルミニウム青銅の硬さと色調とに対応するとともに、前記慣らし走行層（９）の下に横たわる耐久層（８）を形成する領域は、これに対して４倍の硬さを有していることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、母材として鋳鉄を用いて形成された部材の表面に、比較的柔かいカバー層と、その下に形成された、カバー層よりも硬さと耐摩耗性においてはるかに優れた耐久層とを有したアルミニウム青銅からなる保護コーティングを形成する方法、並びに、鋳鉄からなる部材を少なくとも一つ有し、その表面に、前述の方法によって保護コーティングが設けられた装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＷＯ−Ａ−９８／  ２５  ０１７から、鋼、鋳鋼又は鋳鉄からなる部材の表面に、アルミニウム青銅からなる保護コーティングを形成する方法が知られている。この場合、保護コーティングは、複数の互いに積層された被覆層から構成されるように、溶射によって吹き付けられて形成される。ここで、一つの被覆層全体がカバー層を形成し、そして、少なくとも他の一つの被覆層全体が耐久層を形成する。耐久層とカバー層とは、それぞれに対応させるようにして順次吹き付けられて形成されるもので、前後して吹き付けられた二つの異なる被覆層を形成する。耐久層、ないしは、カバー層の特性を得るために、異なる溶射のやり方といった、特別な処置が講じられる。このため、従来の方法は、比較的手間のかかるものになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、冒頭に述べたように、母材として鋳鉄から形成された部材に、比較的柔かいカバー層と、硬さにおいてはるかに優れた耐久層を容易に形成することのできる方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本課題は、請求項１または請求項２に係る方法を用いることで解決される。
【０００５】
鋳鉄に直に溶着されたアルミニウム青銅は、驚くことに、その内部において外側に位置する、鋳鉄から離れた部分よりもむしろ、その内部において鋳鉄に近く設けられた部分の方が硬いことが分かっている。このことは必然的に、一つの全く同じ被覆層の中に、母材に近い硬めの耐久層と母材に遠い柔らかめのカバー層が存在していることを示唆している。このカバー層は、慣らし走行層としてうまく作用しうるものであり、使用初期の慣らし運転の段階の間といった初動動転時に自然に摩滅して、その結果、最終的に耐久層が機能することができるようになるのである。鋳鉄に直に溶着されたアルミニウム青銅製の被覆層を用いた実験では、外側のカバー層の部分で、アルミニウム青銅から予想される硬さと色調とが見られた。その下に横たわる鋳鉄に近く設けられた部分は、しかし、外側に対して４倍もの硬さを有していることを確認することができた。柔かいカバー層と硬い耐久層とを同時に形成することができるため、好ましい具合に、高い採算性が保証されるのである。
【０００６】
アルミニウム青銅製の二つの被覆層が溶着される場合、このうち、第一の被覆層が母材を形成する鋳鉄に直に溶着され、また、第二の被覆層が第一の被覆層に直に溶着される場合、それぞれの被覆層の中に、比較的柔かい、鋳鉄に遠く設けられた層と、これに対して、より硬さを増した、鋳鉄に近く設けられた層との二層が形成されることになる。ここで、外側に位置する被覆層のこれら内部の層の硬度は、下側に位置する被覆層の内部の対応するそれぞれの層の硬度より高くなる。したがって、かかる処置は、極めて高い硬度が望まれる場合に、とりわけ優れたものである。
【０００７】
本発明の上位独立請求項に係る方法のさらなる他の長所を有した発展形態は、この独立請求項を引用した従属請求項に記載されている。ここで、とくに実用性があるものとして明らかなのは、二層構造の保護コーティングを形成する被覆層を溶着する前に、母材の予熱を行う場合である。これにより、硬い耐久層の厚さを増すことができる。アルミニウム青銅は、目的に合わせて、その都度、下側の層に溶接によって溶着されるものである。これにより、容易でコストが低くなる。
【０００８】
使用されるアルミニウム青銅は、その成分に関して、個々の場合の要求に応じて適したものを用いることができる。とくに柔かいカバー層が形成される必要がある場合は、８％-１１％のAl, ４％-６％のNi, ３％-５％のFe, １％-２％のMn及び残りの成分はCuからなるアルミニウム青銅がとりわけ適している。もっと硬いカバー層を形成する必要がある場合には、目的に応じて１３％-１６％のAl, ４％-５％のFe, ０．２％-０．８％のSi, １％-２％のMn, 最大でも０．２％のC並びに残りの成分はCuからなるアルミニウム青銅を用いることが可能である。
【０００９】
鋳鉄からなる部材を少なくとも一つ有し、その表面に、比較的柔かい初動動転時に摩滅する慣らし走行層と、その下に形成された硬さと耐摩耗性においてはるかに優れた耐久層とを有する保護コーティングを備えてなる装置において、本発明に係る方法を用いることにより、容易に長い寿命を達成することができる。ここで、保護コーティングは、アルミニウム青銅からなる被覆層を備え、当該被覆層は、慣らし走行層（９）と耐久層（８）との二つの領域を有し、前記慣らし走行層（９）を形成する領域の硬さと色調とは、用いられたアルミニウム青銅の硬さと色調とに対応するとともに、前記慣らし走行層（９）の下に横たわる耐久層（８）を形成する領域は、これに対して４倍の硬さを有している。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この他、実用上有用な実施の形態について、以下、図面に基づいて具体的に詳述する。
【００１１】
本発明は、鋳鉄、とりわけ、平面状、バーミキュラ、球状グラファイトを有する普通鋳鉄からなる部材が、その表面に保護コーティングを必要とする所にならどこにでも応用することができる。ここで、保護コーティングは、外側に比較的柔かいカバー層と、その下に形成された硬さにおいてはるかに優れた耐久層とを備えて構成されるものである。このような保護コーティングを必要とする部材には、例えば、ピストン、ピストンリング、ピストンリングノッチ、ピストンスカート、シリンダ摺動面等といった内燃機関の種々の部材といったものが挙げられる。というのも、これらの部材には、初動動転時に摩滅する外側の柔かい慣らし走行層が必要になるとともに、内側の硬い耐久層が必要になるからである。ここで、この硬い耐久層が、慣らし運転に引き続く段階で効果を発揮し、長寿命を実現するのである。
【００１２】
図１に示される二サイクルディーゼル内燃機関のシリンダは、ここでは図示せぬ吸気スリットを備えたシリンダライナ１を有している。ここでは詳しく示さないが、このシリンダライナ１上に、排出機構を備えたシリンダヘッドが載置されている。シリンダライナ１の内側には摺動面が形成され、ピストン４と協働して機能する。このピストン４には、ピストンリングノッチ２が設けられ、この中にピストンリング３が配置されている。シリンダライナ１、ピストン４及びピストンリング３は、鋳鉄、より具体的には、通常、平面状、バーミキュラ、球状グラファイトを有する普通鋳鉄から形成されている。図示された例において、シリンダライナ１の摺動面の部分、ピストンリング３の外周側の表面の部分、及び、ピストンリングノッチ２の側面部分に、それぞれ、保護コーティング５が簡略化して示されている。この保護コーティング５は、鋳鉄から形成された母材より優れた耐久特性を備えるものであり、これに対応して寿命の向上が図られる。
【００１３】
この種の保護コーティング５は、もちろん、似通った負荷条件のもとにさらされるさらに他の部材に配設配備されることも可能である。例えば、このような保護コーティング５は、二サイクルディーゼル内燃機関の場合には、クロスヘッド軸受け及びクロスヘッドガイドに用いることが可能である。
【００１４】
図２に最も良く見て取れるように、保護コーティング５は、適したアルミニウム青銅からなる被覆層７から形成されている。ここで、この被覆層７は、母材６に目的に応じて溶接によって溶着されたものである。このとき、期せずして明らかになったように、図２に点線で示される二つの層８，９が生成される。ここで、母材から遠い外側の層９は、使用したアルミニウム青銅から予想される色調と硬さを有している。この外側のカバー層は、それ相応に比較的柔かく、それゆえ、初動動転時に自然に摩滅する慣らし走行層として適している。これに対し、その下に横たわる母材に近い層８は、本質的にはるかに高い硬度を有し、それゆえ、慣らし走行層が摩滅すると効力を発揮する耐摩耗性を有する耐久層として機能する。
【００１５】
典型的な値として硬度２００ＨＶが得られるアルミニウム青銅を用いた実験では、外側の層において、予想通りの硬度２００ＨＶの値が確認され、また、内側の層において、その４倍も高い硬度８００ＨＶの値が確認された。層８，９からなる被覆層７の厚さは、約２．５ｍｍに達した。ここで、内側の硬い耐久層は約１．５ｍｍであり、外側の柔かいカバー層は約１ｍｍであるという結果が得られた。約４００℃にまで達する母材６の予熱によって、硬い耐久層８の幅を拡大することができた。
【００１６】
被覆層７を形成するための物質として、Alを８％-２５％、Sb, Co, Be, Cr, Sn, Mn, Si, Cd, Zn, Fe, Ni, Pb, C及びFeのうち少なくとも一つを各０．２％-１０％、そして、残りの成分としてCuを含んでいるアルミニウム青銅を用いることができる。比較的柔かい層が形成される必要がある場合、８％-１１％のAl, ４％-６％のNi, ３％-５％のFe, １％-２％のMn及び残りの成分はCuからなるアルミニウム青銅を用いることができる。このようなアルミニウム青銅を用いた際には、外側のカバー層９の部分で、硬度２００ＨＶの値が得られた。上で述べた実施形態は、この種のアルミニウム青銅に基づくものである。また、場合によっては、外側のカバー層９が幾分高い硬度を有する必要がある。この際には、１３％-１６％のAl, ４％-５％のFe, ０．２％-０．８％のSi, １％-２％のMn, 最大で０．２％のCe及び残りの成分としてCuを有したアルミニウム青銅が最適である。このような類のアルミニウム青銅を用いた際には、カバー層９の硬度として、約３５０ＨＶの値を得ることができた。
【００１７】
アルミニウム青銅からなる被覆層７は、既に上述されたように、溶接の過程で母材６に溶着されうるものである。この場合、アーク放電、又はガス焔、又はレーザー光線を用いることができる。
【００１８】
実験ではさらに、複数の被覆層、とりわけ、二つの被覆層を互いに積層することが可能であることが示された。ここで、被覆層の硬度は、母材６から離れるにしたがって増加する。換言すれば、外側の被覆層の硬度は、その下にある被覆層の硬度よりも高くなるのである。このようにして、例えば、実験では、１３％-１６％のAl, ４％-５％のFe, ０．２％-０．８％のSi, １％-２％のMn, ０．２％より少ないC及び残りの成分としてCuを有した全く同じ成分のアルミニウム青銅から形成した二つの被覆層を用いた場合に、第一被覆層の最カバー層の部分で、硬度として４００ＨＶまでの値が、また、第二被覆層の外側の層の部分で、硬度として６００ＨＶまでの値が確かめられた。
【図面の簡単な説明】
【図１】二サイクルディーゼル内燃機関のシリンダーの部分断面図である。
【図２】図１に示す構成の中の保護コーティングが施された部分の要部拡大図である。
【符号の説明】
１・・・シリンダライナ（部材）
４・・・ピストン（部材）
５・・・保護コーティング
６・・・母材
７・・・被覆層
９・・・カバー層（慣らし走行層）
８・・・耐久層
【図１】
0003877528.tif 000002
【図２】
0003877528.tif 000003