溶射被膜を有する摺動部材およびその製造方法
本発明は内燃機関用の摺動部材に関する。摺動部材は、基材と、以下の成分比率を含む粉末を溶射することによって形成可能な被膜とを備える。
クロム（Ｃｒ）：５５〜７５ｗｔ％、
ケイ素（Ｓｉ）：３〜１０ｗｔ％、
ニッケル（Ｎｉ）：１８〜３５ｗｔ％、
モリブデン（Ｍｏ）：０．１〜２ｗｔ％、
カーボン（Ｃ）：０．１〜３ｗｔ％、
ホウ素（Ｂ）：０．５〜２ｗｔ％および
鉄（Ｆｅ）：０〜３ｗｔ％。
クロム（Ｃｒ）：５５〜７５ｗｔ％、
ケイ素（Ｓｉ）：３〜１０ｗｔ％、
ニッケル（Ｎｉ）：１８〜３５ｗｔ％、
モリブデン（Ｍｏ）：０．１〜２ｗｔ％、
カーボン（Ｃ）：０．１〜３ｗｔ％、
ホウ素（Ｂ）：０．５〜２ｗｔ％および
鉄（Ｆｅ）：０〜３ｗｔ％。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関用の摺動要素、特にピストンリングに関し、そのような摺動部材の製造方法に関する。
【０００２】
本発明の目的は、被覆材料として従来使用されてこなかった材料系を被覆材料として利用して、電着法または溶射によって製造されるピストンリング被膜に比べて溶射ピストンリングの摩擦特性を改善することである。
【背景技術】
【０００３】
クロム系被膜の溶射塗布はピストンリングには利用されていない。現時点でクロム含有被膜系は電着工程を利用してピストンリングに塗布されている。また、この工程の間に耐摩耗性を改善するための金属酸化物またはダイヤモンド粒子がクロム層に埋め込まれる。
【０００４】
金属酸化物またはダイヤモンド粒子で強化したクロム層を電着工程によって作製する手法の代わりに、摺動部材をクロム系材料で溶射被覆する手法がある。溶射層の摩耗低減に利用される硬質材料粒子は炭化クロム（Ｃｒ３Ｃ２）である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
炭化クロムを含めたＣｒを主成分とする被膜系をプラズマ溶射法または高速酸素燃料（high-velocity oxy fuel：ＨＶＯＦ）溶射法によって作製しピストンリング被覆材料として使用することにより、新しいタイプのピストンリングを製造する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様では、内燃機関用の摺動部材であって、基材と、以下の成分比率で構成された粉末を溶射することによって形成可能な被膜とを備える摺動部材を提供する。
クロム（Ｃｒ）：５５〜７５ｗｔ％、
ケイ素（Ｓｉ）：３〜１０ｗｔ％、
ニッケル（Ｎｉ）：１８〜３５ｗｔ％、
モリブデン（Ｍｏ）：０．１〜２ｗｔ％、
炭素（Ｃ）：０．１〜３ｗｔ％、
ホウ素（Ｂ）：０．５〜２ｗｔ％および
鉄（Ｆｅ）：０〜３ｗｔ％。
【０００７】
摺動部材、特にピストンリングに使用する材料は、例えば鋼または鋳鉄であってよい。
【０００８】
一実施形態によれば、粉末はＮｉ／Ｃｒマトリックスに埋め込まれたＣｒ３Ｃ２を含む。
【０００９】
一実施形態によれば、Ｃｒ３Ｃ２の比率はＣｒ３Ｃ２が３０〜５０ｗｔ％となるように調整する。
【００１０】
一実施形態によれば、粉末の粒径は５〜６５μｍである。
【００１１】
一実施形態によれば、Ｎｉ／Ｃｒマトリックスに埋め込まれた炭化物の粒径は１〜５μｍである。
【００１２】
一実施形態によれば、被膜の層厚は最大１０００μｍである。
【００１３】
一実施形態によれば、溶射の方法は高速酸素燃料溶射法またはプラズマ溶射法を含む。
【００１４】
一実施形態によれば、摺動部材はピストンリングである。
【００１５】
本発明の別の態様では、内燃機関用の摺動部材の製造方法であって、基材を設けるステップと、以下の成分比率を含む粉末を溶射することにより当該基材を被覆するステップとを備える方法を提供する。
クロム（Ｃｒ）：５５〜７５ｗｔ％、
ケイ素（Ｓｉ）：３〜１０ｗｔ％、
ニッケル（Ｎｉ）：１８〜３５ｗｔ％、
モリブデン（Ｍｏ）：０．１〜２ｗｔ％、
炭素（Ｃ）：０．１〜３ｗｔ％、
ホウ素（Ｂ）：０．５〜２ｗｔ％および
鉄（Ｆｅ）：０〜３ｗｔ％。
【００１６】
一実施形態によれば、粉末はＮｉ／Ｃｒマトリックスに埋め込まれたＣｒ３Ｃ２を含む。
【００１７】
一実施形態によれば、Ｃｒ３Ｃ２の比率はＣｒ３Ｃ２が３０〜５０ｗｔ％となるように調整する。
【００１８】
一実施形態によれば、粉末の粒径は５〜６５μｍである。
【００１９】
一実施形態によれば、Ｎｉ／Ｃｒマトリックスに埋め込まれた炭化物の粒径は１〜５μｍである。
【００２０】
一実施形態によれば、被膜の層厚は最大１０００μｍである。
【００２１】
一実施形態によれば、溶射の方法は高速酸素燃料溶射法またはプラズマ溶射法を含む。
【００２２】
一実施形態によれば、摺動部材はピストンリングである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】ＨＶＯＦによりピストンリング材料上に作製した本発明に係るＣｒ‐Ｎｉ‐Ｓｉ‐Ｃ‐Ｆｅ‐Ｂ被膜の微細構造の画像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
粉末を溶射し、微細構造（図１参照）を調査し、硬度および耐摩耗特性を試験した。微細構造画像から、炭化物が均一に分布しており、未溶融粒子が存在せず、多孔性の低い非常に高密度な層であることが分かった。ここでは以下の化学組成を有する材料系を使用した。
クロム（Ｃｒ）：６５．５〜６５．７ｗｔ％、
ケイ素（Ｓｉ）：３．７〜３．９ｗｔ％、
ニッケル（Ｎｉ）：２１．２〜２１．４ｗｔ％、
モリブデン（Ｍｏ）：１．２〜１．３ｗｔ％、
炭素（Ｃ）：５．８〜５．９ｗｔ％、
ホウ素（Ｂ）：０．７ｗｔ％および
鉄（Ｆｅ）：１．２ｗｔ％
（ただし、Ｃｒ３Ｃ２の比率は４０ｗｔ％とした）。
【００２５】
最初の試験結果からこの層の多孔性は５％未満、硬度は約９４８ＨＶ０．１であることが分かった。これは、Ｃｒ３Ｓｉ、Ｎｉ２Ｓｉ、Ｆｅ３Ｂ、Ｃｒ５Ｂ３のような硬質材料相の存在下でＨＶＯＦプロセスを利用した場合の結果である。
【００２６】
この材料系の摩擦特性を試験するために、内標準法試験システムにおける摩耗試験を潤滑条件下で実施した。
【００２７】
表１は、測定した摩耗値を、電着によって作製したＣｒ系層および溶射によって作製したＭｏ系層と比較した評価結果を示す。この表から、本明細書に記載した材料系が他の被覆技術の代替として使用できることが容易に分かる。また、本発明の溶射法を使用すれば被覆時間を大幅に短縮することができる（電着：１μｍ／ｈ、本発明：１００μｍ／ｍｉｎ）。
【００２８】
【表１】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関用の摺動要素、特にピストンリングに関し、そのような摺動部材の製造方法に関する。
【０００２】
本発明の目的は、被覆材料として従来使用されてこなかった材料系を被覆材料として利用して、電着法または溶射によって製造されるピストンリング被膜に比べて溶射ピストンリングの摩擦特性を改善することである。
【背景技術】
【０００３】
クロム系被膜の溶射塗布はピストンリングには利用されていない。現時点でクロム含有被膜系は電着工程を利用してピストンリングに塗布されている。また、この工程の間に耐摩耗性を改善するための金属酸化物またはダイヤモンド粒子がクロム層に埋め込まれる。
【０００４】
金属酸化物またはダイヤモンド粒子で強化したクロム層を電着工程によって作製する手法の代わりに、摺動部材をクロム系材料で溶射被覆する手法がある。溶射層の摩耗低減に利用される硬質材料粒子は炭化クロム（Ｃｒ３Ｃ２）である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
炭化クロムを含めたＣｒを主成分とする被膜系をプラズマ溶射法または高速酸素燃料（high-velocity oxy fuel：ＨＶＯＦ）溶射法によって作製しピストンリング被覆材料として使用することにより、新しいタイプのピストンリングを製造する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様では、内燃機関用の摺動部材であって、基材と、以下の成分比率で構成された粉末を溶射することによって形成可能な被膜とを備える摺動部材を提供する。
クロム（Ｃｒ）：５５〜７５ｗｔ％、
ケイ素（Ｓｉ）：３〜１０ｗｔ％、
ニッケル（Ｎｉ）：１８〜３５ｗｔ％、
モリブデン（Ｍｏ）：０．１〜２ｗｔ％、
炭素（Ｃ）：０．１〜３ｗｔ％、
ホウ素（Ｂ）：０．５〜２ｗｔ％および
鉄（Ｆｅ）：０〜３ｗｔ％。
【０００７】
摺動部材、特にピストンリングに使用する材料は、例えば鋼または鋳鉄であってよい。
【０００８】
一実施形態によれば、粉末はＮｉ／Ｃｒマトリックスに埋め込まれたＣｒ３Ｃ２を含む。
【０００９】
一実施形態によれば、Ｃｒ３Ｃ２の比率はＣｒ３Ｃ２が３０〜５０ｗｔ％となるように調整する。
【００１０】
一実施形態によれば、粉末の粒径は５〜６５μｍである。
【００１１】
一実施形態によれば、Ｎｉ／Ｃｒマトリックスに埋め込まれた炭化物の粒径は１〜５μｍである。
【００１２】
一実施形態によれば、被膜の層厚は最大１０００μｍである。
【００１３】
一実施形態によれば、溶射の方法は高速酸素燃料溶射法またはプラズマ溶射法を含む。
【００１４】
一実施形態によれば、摺動部材はピストンリングである。
【００１５】
本発明の別の態様では、内燃機関用の摺動部材の製造方法であって、基材を設けるステップと、以下の成分比率を含む粉末を溶射することにより当該基材を被覆するステップとを備える方法を提供する。
クロム（Ｃｒ）：５５〜７５ｗｔ％、
ケイ素（Ｓｉ）：３〜１０ｗｔ％、
ニッケル（Ｎｉ）：１８〜３５ｗｔ％、
モリブデン（Ｍｏ）：０．１〜２ｗｔ％、
炭素（Ｃ）：０．１〜３ｗｔ％、
ホウ素（Ｂ）：０．５〜２ｗｔ％および
鉄（Ｆｅ）：０〜３ｗｔ％。
【００１６】
一実施形態によれば、粉末はＮｉ／Ｃｒマトリックスに埋め込まれたＣｒ３Ｃ２を含む。
【００１７】
一実施形態によれば、Ｃｒ３Ｃ２の比率はＣｒ３Ｃ２が３０〜５０ｗｔ％となるように調整する。
【００１８】
一実施形態によれば、粉末の粒径は５〜６５μｍである。
【００１９】
一実施形態によれば、Ｎｉ／Ｃｒマトリックスに埋め込まれた炭化物の粒径は１〜５μｍである。
【００２０】
一実施形態によれば、被膜の層厚は最大１０００μｍである。
【００２１】
一実施形態によれば、溶射の方法は高速酸素燃料溶射法またはプラズマ溶射法を含む。
【００２２】
一実施形態によれば、摺動部材はピストンリングである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】ＨＶＯＦによりピストンリング材料上に作製した本発明に係るＣｒ‐Ｎｉ‐Ｓｉ‐Ｃ‐Ｆｅ‐Ｂ被膜の微細構造の画像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
粉末を溶射し、微細構造（図１参照）を調査し、硬度および耐摩耗特性を試験した。微細構造画像から、炭化物が均一に分布しており、未溶融粒子が存在せず、多孔性の低い非常に高密度な層であることが分かった。ここでは以下の化学組成を有する材料系を使用した。
クロム（Ｃｒ）：６５．５〜６５．７ｗｔ％、
ケイ素（Ｓｉ）：３．７〜３．９ｗｔ％、
ニッケル（Ｎｉ）：２１．２〜２１．４ｗｔ％、
モリブデン（Ｍｏ）：１．２〜１．３ｗｔ％、
炭素（Ｃ）：５．８〜５．９ｗｔ％、
ホウ素（Ｂ）：０．７ｗｔ％および
鉄（Ｆｅ）：１．２ｗｔ％
（ただし、Ｃｒ３Ｃ２の比率は４０ｗｔ％とした）。
【００２５】
最初の試験結果からこの層の多孔性は５％未満、硬度は約９４８ＨＶ０．１であることが分かった。これは、Ｃｒ３Ｓｉ、Ｎｉ２Ｓｉ、Ｆｅ３Ｂ、Ｃｒ５Ｂ３のような硬質材料相の存在下でＨＶＯＦプロセスを利用した場合の結果である。
【００２６】
この材料系の摩擦特性を試験するために、内標準法試験システムにおける摩耗試験を潤滑条件下で実施した。
【００２７】
表１は、測定した摩耗値を、電着によって作製したＣｒ系層および溶射によって作製したＭｏ系層と比較した評価結果を示す。この表から、本明細書に記載した材料系が他の被覆技術の代替として使用できることが容易に分かる。また、本発明の溶射法を使用すれば被覆時間を大幅に短縮することができる（電着：１μｍ／ｈ、本発明：１００μｍ／ｍｉｎ）。
【００２８】
【表１】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関用の摺動部材であって、
基材と、
以下の成分比率を含む粉末を溶射することによって形成可能な被膜とを備えることを特徴とする摺動部材。
クロム（Ｃｒ）：５５〜７５ｗｔ％、
ケイ素（Ｓｉ）：３〜１０ｗｔ％、
ニッケル（Ｎｉ）：１８〜３５ｗｔ％、
モリブデン（Ｍｏ）：０．１〜２ｗｔ％、
炭素（Ｃ）：０．１〜３ｗｔ％、
ホウ素（Ｂ）：０．５〜２ｗｔ％および
鉄（Ｆｅ）：０〜３ｗｔ％。
【請求項２】
請求項１に記載の摺動部材であり、前記粉末はＮｉ／Ｃｒマトリックスに埋め込まれたＣｒ３Ｃ２を含むことを特徴とする摺動部材。
【請求項３】
請求項２に記載の摺動部材であり、Ｃｒ３Ｃ２の比率はＣｒ３Ｃ２が３０〜５０ｗｔ％となるように調整されることを特徴とする摺動部材。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の摺動部材であり、前記粉末の粒径は５〜６５μｍであることを特徴とする摺動部材。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の摺動部材であり、前記Ｎｉ／Ｃｒマトリックスに埋め込まれた炭化物の粒径は１〜５μｍであることを特徴とする摺動部材。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の摺動部材であり、前記被膜の層厚は最大１０００μｍであることを特徴とする摺動部材。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の摺動部材であり、前記溶射の方法は高速酸素燃料溶射法またはプラズマ溶射法を含むことを特徴とする摺動部材。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の摺動部材であり、ピストンリングであることを特徴とする摺動部材。
【請求項９】
内燃機関用の摺動部材の製造方法であり、
基材を設けるステップと、
以下の成分比率を含む粉末を溶射することにより前記基材を被覆するステップとを備える方法。
クロム（Ｃｒ）：５５〜７５ｗｔ％、
ケイ素（Ｓｉ）：３〜１０ｗｔ％、
ニッケル（Ｎｉ）：１８〜３５ｗｔ％、
モリブデン（Ｍｏ）：０．１〜２ｗｔ％、
炭素（Ｃ）：０．１〜３ｗｔ％、
ホウ素（Ｂ）：０．５〜２ｗｔ％および
鉄（Ｆｅ）：０〜３ｗｔ％。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であり、前記粉末はＮｉ／Ｃｒマトリックスに埋め込まれたＣｒ３Ｃ２を含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法であり、Ｃｒ３Ｃ２の比率はＣｒ３Ｃ２が３０〜５０ｗｔ％となるように調整されることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項９〜１１のいずれか一項に記載の方法であり、前記粉末の粒径は５〜６５μｍであることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項９〜１２のいずれか一項に記載の方法であり、前記Ｎｉ／Ｃｒマトリックスに埋め込まれた炭化物の粒径は１〜５μｍであることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項９〜１３のいずれか一項に記載の方法であり、前記被膜の層厚は最大１０００μｍであることを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項９〜１４のいずれか一項に記載の方法であり、前記溶射の方法は高速酸素燃料溶射法またはプラズマ溶射法を含むことを特徴とする方法。
【請求項１】
内燃機関用の摺動部材であって、
基材と、
以下の成分比率を含む粉末を溶射することによって形成可能な被膜とを備えることを特徴とする摺動部材。
クロム（Ｃｒ）：５５〜７５ｗｔ％、
ケイ素（Ｓｉ）：３〜１０ｗｔ％、
ニッケル（Ｎｉ）：１８〜３５ｗｔ％、
モリブデン（Ｍｏ）：０．１〜２ｗｔ％、
炭素（Ｃ）：０．１〜３ｗｔ％、
ホウ素（Ｂ）：０．５〜２ｗｔ％および
鉄（Ｆｅ）：０〜３ｗｔ％。
【請求項２】
請求項１に記載の摺動部材であり、前記粉末はＮｉ／Ｃｒマトリックスに埋め込まれたＣｒ３Ｃ２を含むことを特徴とする摺動部材。
【請求項３】
請求項２に記載の摺動部材であり、Ｃｒ３Ｃ２の比率はＣｒ３Ｃ２が３０〜５０ｗｔ％となるように調整されることを特徴とする摺動部材。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の摺動部材であり、前記粉末の粒径は５〜６５μｍであることを特徴とする摺動部材。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の摺動部材であり、前記Ｎｉ／Ｃｒマトリックスに埋め込まれた炭化物の粒径は１〜５μｍであることを特徴とする摺動部材。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の摺動部材であり、前記被膜の層厚は最大１０００μｍであることを特徴とする摺動部材。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の摺動部材であり、前記溶射の方法は高速酸素燃料溶射法またはプラズマ溶射法を含むことを特徴とする摺動部材。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の摺動部材であり、ピストンリングであることを特徴とする摺動部材。
【請求項９】
内燃機関用の摺動部材の製造方法であり、
基材を設けるステップと、
以下の成分比率を含む粉末を溶射することにより前記基材を被覆するステップとを備える方法。
クロム（Ｃｒ）：５５〜７５ｗｔ％、
ケイ素（Ｓｉ）：３〜１０ｗｔ％、
ニッケル（Ｎｉ）：１８〜３５ｗｔ％、
モリブデン（Ｍｏ）：０．１〜２ｗｔ％、
炭素（Ｃ）：０．１〜３ｗｔ％、
ホウ素（Ｂ）：０．５〜２ｗｔ％および
鉄（Ｆｅ）：０〜３ｗｔ％。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であり、前記粉末はＮｉ／Ｃｒマトリックスに埋め込まれたＣｒ３Ｃ２を含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法であり、Ｃｒ３Ｃ２の比率はＣｒ３Ｃ２が３０〜５０ｗｔ％となるように調整されることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項９〜１１のいずれか一項に記載の方法であり、前記粉末の粒径は５〜６５μｍであることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項９〜１２のいずれか一項に記載の方法であり、前記Ｎｉ／Ｃｒマトリックスに埋め込まれた炭化物の粒径は１〜５μｍであることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項９〜１３のいずれか一項に記載の方法であり、前記被膜の層厚は最大１０００μｍであることを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項９〜１４のいずれか一項に記載の方法であり、前記溶射の方法は高速酸素燃料溶射法またはプラズマ溶射法を含むことを特徴とする方法。
【図１】
【公表番号】特表２０１３−５００３９２（Ｐ２０１３−５００３９２Ａ）
【公表日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５２２０４４（Ｐ２０１２−５２２０４４）
【出願日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０５４９６１
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０１２３３６
【国際公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【出願人】（５０９３４００７８）フェデラル−モーグル ブルシェイド ゲーエムベーハー (16)
【氏名又は名称原語表記】ＦＥＤＥＲＡＬ−ＭＯＧＵＬ ＢＵＲＳＣＨＥＩＤ ＧＭＢＨ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０５４９６１
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０１２３３６
【国際公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【出願人】（５０９３４００７８）フェデラル−モーグル ブルシェイド ゲーエムベーハー (16)
【氏名又は名称原語表記】ＦＥＤＥＲＡＬ−ＭＯＧＵＬ ＢＵＲＳＣＨＥＩＤ ＧＭＢＨ
【Ｆターム（参考）】
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