(57)【要約】  プラズマ移行型ワイヤアーク（ＰＴＷＡ）熱溶射方法により、高荷重ディーゼル内燃機関のシリンダ表面に耐食性材料を堆積させる方法に関する。ＰＴＷＡプロセスでは、中空の芯部に金属酸化物または金属炭化物の粉体が充填されたステンレス鋼材が使用される。この粉体は、炭化クロム１００％で構成され得る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ移行型ワイヤアーク塗装プロセス用のワイヤであって、
炭化クロム１００％からなる金属粉体が充填された中空の内側芯部を有するステンレス鋼材で構成されたワイヤ。
【請求項２】
請求項１において、
上記ステンレス鋼材が、４３０ステンレス鋼である、ワイヤ。
【請求項３】
請求項１において、
上記金属粉体の粒径が、約−３２５メッシュである、ワイヤ。
【請求項４】
合金で表面を塗装する方法であって、
上記表面に熱溶射塗装プロセスを行う工程を含み、
上記熱溶射塗装プロセスは、炭化クロム１００％からなる金属粉体が充填された中空の内側芯部を有するステンレス鋼材で構成されたワイヤを使用して行われる方法。
【請求項５】
請求項４において、
熱溶射塗装プロセスは、プラズマ移行型ワイヤアークプロセスである、方法。
【請求項６】
請求項４において、
上記ステンレス鋼材が、４３０ステンレス鋼である、方法。
【請求項７】
請求項４において、
上記金属粉体の粒径が、約−３２５メッシュである、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法１１９条（ｅ）の下で、２０１３年９月５日に出願された米国仮出願第６１／８７４，０６９号に基づく優先権を主張する。当該仮出願の開示が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本出願は、高荷重ディーゼル内燃機関内の、シリンダの耐食性を高めるための塗膜に使用されるワイヤに関する。１本のワイヤを用いたプラズマ移行型ワイヤアーク（ＰＴＷＡ）技術を使用して表面に設けられる塗膜は、高荷重ディーゼル内燃機関の鋳造エンジンブロックに使用されるベースメタルに比べて、耐食性に優れる。
【背景技術】
【０００３】
現在のエンジンブロックのシリンダ内径の軸受面には、アークワイヤ溶射によって合金が塗装されている。公知のアークワイヤ溶射プロセスには、２本のワイヤを溶射ヘッドに供給して、電流がこれら両方のワイヤをわたって伝導されるようにして実施される、ツインワイヤアーク溶射（ＴＷＡＳ）プロセス、およびプラズマ移行型ワイヤアーク（ＰＴＷＡ）がある。ＰＴＷＡ法では、動作プラズマを発生させ、この動作プラズマ中でカソードと１本の消耗ワイヤの自由端とを溶融させ、溶融した金属の粒子の流れの供給と、対象物表面へのこれら粒子の射出とが連続的に行われる。
【０００４】
極度に過酷な動作条件に対応するため、今日の高荷重ディーゼル内燃機関のエンジンブロックおよびシリンダライナーは、通常、鋳鉄製である。ディーゼル燃料に含まれる高濃度の硫黄とシリンダ内の排気ガスの再循環と呼ばれる現象とが組み合わされることで、高荷重ディーゼル内燃機関のシリンダ内は極端に高腐食性の環境となる。エンジンの耐用寿命を延ばすために、シリンダの鋳鉄表面よりも高い耐食性を有する材料が求められている。したがって、ワイヤアーク堆積溶射プロセスを使用してシリンダライナーの内径を塗装することが好適である。このワイヤアーク堆積溶射プロセスでは、鋳鉄材料よりも高い耐食性を有する塗膜が生成されるので、従来のねずみ鋳鉄合金製のライニングと比較して、エンジンの耐用寿命が長くなる。
【０００５】
プラズマ移行型ワイヤアーク（ＰＴＷＡ）は、シリンダライナーの塗装方法として好まれることが多い。ＰＴＷＡプロセスでは、（通常、金属ワイヤまたは金属棒の形状の）供給材料を連続的に前進させ、（アノード電極として接続された）このワイヤまたは棒の先端のみが、絞られたプラズマアークを使用して溶融され、溶融した粒子が対象物に向けて射出される。プラズマは、イオン化気体の高速噴流である。カソード電極の下流のノズル開口を通過させることで、プラズマを絞り、直線軸の周囲に集束させることが望ましい。カソード電極とアノードノズルの間で発生する高電流アークは、これもまたアノードとして維持されるワイヤの先端に転送される。あるいは、高電流アークをワイヤ先端に直接転送することも可能である。
【０００６】
ＰＴＷＡプロセスによりシリンダ表面に塗布される塗膜は、材料ワイヤを構成する原料と本質的に同じである。材料ワイヤは、溶融可能かつ強制的な気体の流れにより加速可能なほとんどの原料で構成され得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、高い耐食性を有する塗膜を形成するＰＴＷＡプロセスに使用するためのワイヤを供給し、この塗膜を高荷重ディーゼルエンジンのシリンダライナーに使用できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的は、ステンレス鋼材で構成された外側層と中空の内側芯部とを有する、ＰＴＷＡ塗装プロセス用のワイヤにより達成される。上記ステンレス鋼材は、４３０ステンレス鋼であることが好ましいが、他の種類のものも使用できる。内側芯部は、金属酸化物または金属炭化物で構成された粉体、特にクロム、タングステン、チタン、モリブデンおよびニッケルで構成された粉体で充填される。好ましい実施形態では、内側芯部には、炭化クロム１００％の粉体が充填される。この炭化クロムは、粒径が−３２５メッシュの粉体状であることが好ましいが、これ以外の粒径もまた好適であり得る。
【０００９】
上記プラズマプロセス中に、上記粉末化された金属が、ステンレス鋼材ワイヤの組成物に添加され、プラズマ流中で完全に均質化される。これにより、堆積する材料が安定且つ均一な化学的性質を有することになる。
【００１０】
本発明は、また、ＰＴＷＡプロセスを使用して部材を塗装する方法を提供する。この方法においては、ワイヤは、金属酸化物または金属炭化物が充填された中空の芯部を有するステンレス鋼材ワイヤである。上記部材は、シリンダライナーであることが好ましく、中空の芯部は、炭化クロム１００％の粉体で充填されることが好ましい。イオン化およびプラズマプロセスは高電圧の放電により開始され、これにより、合金ワイヤ、ノズル本体、およびカソードの間でプラズマガスがイオン化される。
【００１１】
本発明の方法においては、合金ワイヤが、プラズマ発生用の装置に供給される。プラズマに加えて、キャリヤガスが高圧下でプラズマ流に導入される。本発明のある実施形態では、イオン化およびプラズマプロセスは高電圧の放電により開始され、これにより、合金ワイヤ、ノズル本体、およびカソードの間でプラズマガスがイオン化される。
【００１２】
このようにして発生したプラズマは、プラズマノズルを高速で流れる。この場合、プラズマガスは、ノズルに対して垂直に連続的に供給される合金ワイヤに搬送され、これにより電気回路が閉じられる。
【００１３】
ＰＴＷＡプロセスにおいては、キャリヤガスが、合金ワイヤから生成されたイオン化金属を塗装対象に向けて加速する。加速された金属イオンは、対象の表面に衝突し、塑性変形により対象の表面に機械的に接着される。対象の表面に衝突する金属粒子の急激な減速により、運動学的且つ熱的なエネルギーが放出される。この放出されたエネルギーは、粒子を塑性変形させるのに必要なエネルギーを提供する。炭化クロム粉体が充填された中空の芯部を有するステンレス鋼材を使用して、ＰＴＷＡプロセスにより塗布することで、非常に耐食性が高い塗膜が形成されることが発見された。
【００１４】
本発明は、新規なワイヤと高荷重ディーゼルエンジンのシリンダライナーの新規な塗装方法を提供する。本発明の塗膜は耐食性が高く、シリンダライナーおよびエンジンの長寿命化を実現する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明のワイヤの外装部の断面図である。
【図２】図２は、本発明のワイヤの断面図であり、図１に示す中実の外装部と、セラミック部材が充填された中空のワイヤ中心部とを示す。
【図３】図３は、ＰＴＷＡ溶射プロセスを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下の具体的な実施形態の詳細な説明は、添付の図面を参照して読むことで、最もよく理解され得る。
【００１７】
図面においては、同様の要素には同じ符合が付されている。
【００１８】
図面を参照すると、図１には、特定のステンレス鋼合金製のワイヤ２０を示す。ワイヤ２０は、合金ワイヤ素線２３の中心に配置された空洞２０１を備える。合金ワイヤ素線は、好ましくはステンレス鋼で、最も好ましくは４３０ステンレス鋼で構成されるが、その他の好適な種類の鋼材も使用できる。４３０ステンレス鋼は、ストレートクロムを含有する非硬化鋼材であり、フェライト系鋼材のグループに属する。この鋼材は、耐食性が高いことで知られている。
【００１９】
図２に示すように、ワイヤ素線２３の空洞２０１には、金属酸化物または金属炭化物の粉体２５が充填されている。好ましい実施形態では、粉体２５は、炭化クロム１００％である。粉体の粒径は−３２５メッシュであることが好ましいが、これ以外の粒径でも使用できる。
【００２０】
ＰＴＷＡ溶射プロセス中に、各要素、すなわち、ワイヤ２３に含まれる鋼材と粉体２５とは、プラズマ流の中で完全に均質化される。これにより、堆積する材料が安定且つ均一な化学的性質を有することになる。
【００２１】
本発明の方法においては、図３に示すように、ある部材、特にアルミまたは鋳鉄を使用して形成または鋳造される、内燃機関のシリンダライナーが、ＰＴＷＡプロセス中にワイヤ２０から生成される合金で塗装される。
【００２２】
図３は、従来のＰＴＷＡ熱溶射プロセスの概略図である。ワイヤ２０は、熱源に連続的に供給され、熱源においては、この材料が少なくとも部分的に溶融する。この電気的に提供される熱源は、プラズマまたはアークである。このＰＴＷＡは、ノズル開口１１を有するノズル１０を備えるプラズマ発生機またはガンヘッドと、第１の電極として接続された導電性の消耗ワイヤ２０と、第２の電極３０とを備えている。第２の電極３０は、絶縁体３２により、ノズル１０から絶縁されている。電源Ｕにより、電気が直流電流として印加され、正電位はワイヤ２０に接続され、負電位は第２の電極３０に接続される。
【００２３】
ワイヤ２０は、ノズル１０の中心ノズル開口１１に対して垂直に供給される。第２の電極３０には、プラズマガス源１５により供給される、プラズマガス１６とも呼ばれるイオン化ガス混合物が循環している。プラズマガス１６は、ノズル開口１１から出て、高速の、好ましくは超音速のプラズマ噴流１２となる。プラズマ噴流１２が、第１の電極としての消耗ワイヤ２０に接触することで、電気回路が完成される。
【００２４】
プラズマ噴流１２を取り囲むようにノズル１０に配置された副次ガス用開口２４を介して、運搬用副次ガス１４が添加される。この副次ガス１４は、ワイヤ２０から形成された溶融した液滴のための、副次的なアトマイザとして作用し、金属噴霧液１８としての上記液滴の対象表面４０への移送を補助する。好ましくは、副次ガス１４は、圧縮空気である。
【００２５】
ワイヤ供給部２２は、ノズル１０に機械的に接続されており、組み付け部品の内部に形成されている。絶縁性または非絶縁性材料で構成されたワイヤ供給部２２は、消耗ワイヤ２０を保持する。装置の作動時には、供給ガイドを介してのワイヤ供給ロールのような公知の手段で、ワイヤ２０が中断することなく供給される。ワイヤの自由端２１は、ワイヤ供給部２２から出て、ノズル開口１１の反対側でプラズマ噴流１２と接触し、金属噴霧液１８が生成される。作動時には、金属噴霧液１８は、塗装対象の表面４０に向けられる。表面４０は、高荷重ディーゼルエンジンの鋳鉄製シリンダライナーであることが好ましい。
【００２６】
電源の正極端子はワイヤ２０に接続され、負極端子は第２の電極３０に接続される。同時に、高電圧電源のパルス出力を十分な時間「オン」にして、第２の電極３０とワイヤ先端２１との間に、高電圧のアークを発生させる。このようにして発生した高電圧のアークは、プラズマ電源からの直流電流を第２の電極３０からワイヤ２０へ流すための導電経路を提供する。この電気エネルギーの結果、プラズマガスが強烈に加熱され、これによって、渦流状況にあるこのガスが非常な高速でノズル開口１１から噴出して、概して、ノズル開口１１から延びる超音速のプラズマ噴流１２を形成する。このようにして発生したプラズマアークは、拡張プラズマアークであり、最初は第２の電極３０から渦状プラズマ噴流１６の中心を通って最大拡張点まで延びる。高速プラズマ噴流１２は、最大アーク拡張点を超えて延び、第２の電極３０とワイヤ２０の自由端２１との間に導電経路を供給する。
【００２７】
第２の電極３０とワイヤ２０との間にはプラズマが発生し、ワイヤの先端がプラズマ噴流１２に連続的に供給されているので、ワイヤの先端が溶融する。ノズル１０の開口２４から流入する、例えば空気である副次ガス１４は、ノズル１０の周囲開口２６から高圧下で導入される。この副次ガスは、一連の離間された穴に分配される。この副次ガス１４の流れは、ワイヤ供給部２２とノズル１０の冷却手段を提供するとともに、拡張プラズマ噴流１２を取り囲む本質的に円錐形のガス流を提供する。この円錐形の高速副次ガス流は、ワイヤ２０の自由端２１の下流で、拡張プラズマ噴流１２と交差し、これによって、ワイヤ２０を溶融することにより生成された溶融粒子を噴霧および加速する追加的手段ならびに金属噴霧液１８を生成する追加的手段を提供する。
【００２８】
ステンレス鋼材と炭化クロム粉体１００％の内側芯部とで構成された本発明のワイヤ２０を使用することにより、非常に効果の高い耐食性を備えた塗膜を形成できる。プラズマ溶射プロセス中に、この粉体はステンレス鋼材と完全に混合され、完全に均一な耐食性塗膜を表面４０上に形成する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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