JP7435803B2

JP7435803B2 - 溶射被膜及び該溶射被膜の製造方法

Info

Publication number: JP7435803B2
Application number: JP2022546775A
Authority: JP
Inventors: 勇人平山; 毅樋口; 貴人内海
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2020-09-02
Filing date: 2020-09-02
Publication date: 2024-02-21
Anticipated expiration: 2040-09-02
Also published as: US11965252B2; US20230265551A1; WO2022049667A1; EP4209669A4; JPWO2022049667A1; CN116075631A; EP4209669A1; CN116075631B; EP4209669B1

Description

本発明は、溶射被膜及び該溶射被膜の製造方法に係り、更に詳細には、内燃機関のシリンダーボアの内周面に形成された溶射被膜及び該溶射被膜の製造方法に関する。

自動車などの内燃機関のシリンダーボアは、耐摩耗性や低摩擦性が要求され、シリンダーブロック本体を構成する金属材料よりも硬度が高い鉄系の溶射被膜を有する。

上記溶射被膜は、ボアの内周面を下地加工したシリンダーブロックを予熱し、上記ボアの内周面に鉄系金属材料の溶射液滴を吹き付けることで形成される。

溶射被膜は、溶射液滴間に気孔が形成され、鏡面化しても表面に微細な気孔を有する。
この気孔にオイルが入り込んで焼き付きを防止できるため、鏡面化による低フリクション化が可能である一方で、上記気孔に入ったオイルは燃焼してしまうのでオイルを消費してしまう。

特許文献１には、溶射被膜と一体化していない微粒子を予め除去することで、上記微粒子の落下によるシリンダーボアの傷つきを防止し、鏡面化による低フリクション化と、オイル消費量の低減とを達成できる旨が開示されている。

日本国特開２０１６－１６９７２５号公報

しかしながら、溶射被膜は、元来、気孔を有するものであるため、表面を研磨して鏡面化したとしても、内部の気孔が新たに表面に現れるので、研磨によっては、溶射被膜表面に露出した気孔の面積率（気孔の数や大きさ）をさらに低減することは困難である。

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、鏡面化された溶射被膜の表面に露出する気孔の面積率を低減し、オイル消費量を低減できる溶射被膜、及び該溶射被膜の製造方法を提供することにある。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、鏡面化された溶射被膜の表面を塑性流動させ、溶射被膜の表面に露出した気孔を埋めることにより、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。

即ち、本発明の溶射被膜は、アルミニウム製又はアルミニウム合金製のシリンダーブロックのシリンダーボアの内周面に形成された鉄系の溶射被膜である。
そして、被膜表面に塑性流動部を有し、その面積率が４．６％以上であり、表面粗さ（Ｒａ）が０．１μｍ以下であることを特徴とする。

また、本発明の溶射被膜の製造方法は、アルミニウム製又はアルミニウム合金製のシリンダーブロック内周面に鉄系の溶射被膜を形成する方法である。
そして、溶射被膜を形成する溶射工程と、上記溶射被膜の表面を鏡面化する鏡面化工程と、上記溶射被膜の表面を塑性流動させ塑性流動部を形成する仕上げ工程と、を含み、上記仕上げ工程が、硬さ３８０ＨＶ～４８０ＨＶのＣｕ－Ｓｎ合金でダイヤモンド砥粒を結着したホーニング加工用砥石を用い、塑性流動部の面積率を４．６％以上、かつ表面粗さ（Ｒａ）を０．１μｍ以下にする処理を含むことを特徴とする。

本発明によれば、鏡面化された溶射被膜の表面を塑性流動させることとしたため、溶射被膜の表面の気孔が減少し、オイル消費量を低減できる溶射被膜及び該溶射被膜の製造方法を提供することができる。

本発明の溶射被膜の断面ＳＥＭ像である。本発明の溶射被膜の断面のＥＢＳＤ像である。実施例１の溶射被膜の表面ＳＥＭ像である。実施例３の溶射被膜の表面ＳＥＭ像である。実施例５の溶射被膜の表面ＳＥＭ像である。

＜溶射被膜＞
本発明の溶射被膜について詳細に説明する。
上記溶射被膜は、アルミニウム製又はアルミニウム合金製のシリンダーブロックのシリンダーボアの内周面に形成された鉄系の溶射被膜であり、その表面に塑性流動部を有する。

上記塑性流動部は、溶射被膜の表面を強く擦ることで溶射被膜を構成する金属材料の組織が流れて塑性変形した領域である。

本発明の溶射被膜の断面ＳＥＭ像を図１、図１中破線で囲んだ箇所のＥＢＳＤ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＢａｃｋＳｃａｔｔｅｒＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎＰａｔｔｅｒｎｓ）像を図２に示す。

図１より、本発明の溶射被膜は表面部に内部とは異なる金属組織を有することを確認できる。また、図２より、上記表面部は明るく写っており、強く擦られて歪が蓄積されていることがわかる。

本発明においては、金属材料が塑性変形することで形成された塑性流動部を有し、気孔の周囲の金属材料が流動して該気孔を埋めるので、表面に露出する気孔の面積率が低減し、オイル消費量を低減できる。

上記塑性流動部の面積率は、４．６％以上であることが好ましく、さらに６．０％以上であることが好ましい。塑性流動部の面積率が４．６％以上であることで、オイル消費量を所望の範囲に低減できる。

また、塑性流動部の面積率の上限は特に制限はないが、塑性流動部の面積率が過度に増加すると、油溜まりになる表面気孔が減少して、焼付きが発生する可能性があり、また、生産性向上、省コスト化の観点から１１．４％以下であることが好ましい。

上記溶射被膜の硬さは、３．９ＧＰａ～９．１ＧＰａであることが好ましく、さらに５．０ＧＰａ～８．０ＧＰａであることが好ましい。
３．９ＧＰａ未満では、所望の耐摩耗性を得られないことがあり、また、９．１ＧＰを超えると、低フリクション化が困難になることがある。

また、上記溶射被膜は、表面粗さ（Ｒａ）が０．１μｍ以下に鏡面化されたものであることが好ましい。表面粗さが０．１μｍ以下であることで低フリクション化される。

＜溶射被膜の製造方法＞
上記溶射被膜の製造方法は、溶射被膜を形成する溶射工程と、上記溶射被膜の表面を鏡面化する鏡面化工程と、上記溶射被膜の表面を塑性流動させ塑性流動部を形成する仕上げ工程と、を有する。

（仕上げ工程）
仕上げ工程は、研磨により鏡面化された溶射被膜に対し塑性流動部を形成する工程である。上記塑性流動部は、溶射被膜の表面を研削・研磨するのではなく、強く擦ることで形成できる。

具体的には、砥粒が脱落し難いホーニング加工用砥石、換言すれば、砥粒が更新され難く砥粒の角が適度に丸まったホーニング加工用砥石を溶射被膜に押し付けてホーニング加工することで形成できる。

上記ホーニング加工用砥石としては、硬さ３８０ＨＶ～４８０ＨＶのＣｕ－Ｓｎ合金でダイヤモンド砥粒を結着した砥石を使用する。

ダイヤモンド砥粒を結着するボンド材の硬さが３８０ＨＶ未満では、砥石表面のダイヤモンド砥粒が脱落し、内部のダイヤモンド砥粒が表面に現れるため、溶射被膜の表面が研削・研磨され、塑性流動部の形成が困難である。

また、上記ボンド材の硬さが４８０ＨＶを超えると、ボンド材が摩耗しても砥粒が更新され難く、突出した砥粒により溶射被膜の表面が抉り取られ、傷が発生し易くなる。

塑性流動部の面積率は、仕上げ工程における砥石のストローク回数、砥石荷重、砥石硬さにより調節することができる。

また、溶射被膜の硬さは、仕上げ工程における砥石荷重や砥石硬さの他、使用する溶射ワイヤー（溶射被膜）の組成により調節することができる。

溶射ワイヤーの組成としては、従来からシリンダーボアの溶射に使用されているものを使用できるが、炭素（Ｃ）の含有量が０．０５質量％以下であることが好ましく、さらに０．０１質量％以下であることが好ましい。

炭素の含有量が多くなると、塑性流動部を形成する前の溶射被膜が硬すぎて、塑性流動部の形成が困難になる。

溶射被膜は、仕上げ工程で塑性流動部を形成することで加工硬化する。仕上げ工程前の溶射被膜の硬さが、２．０ＧＰａ～３．３ＧＰａであることで容易に塑性流動部を形成することができる。

以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

＜溶射工程＞
シリンダーボア内周面が深さ約８５μｍの溝で下地加工されたアルミニウム合金（ＡＤＣ１２Ｚ）製ガソリンエンジン用シリンダーブロックに対し、アーク溶射方式により、下記の溶射条件で溝底部からの膜厚が２７０μｍの溶射被膜を形成し、内径が約８０ｍｍ全長約１２０ｍｍのシリンダーボアを作製した。

溶射ワイヤーは、下記組成の鉄系の溶射ワイヤー（外径Φ１，５８ｍｍ）に銅（Ｃｕ）電気メッキ処理を行ったものを用いた。

炭素（Ｃ）含有量：０．００９％
マンガン（Ｍｎ）含有量：０．３５％
ニッケル（Ｎｉ）含有量：０．２２％
クロム（Ｃｒ）含有量：１２．３４％
モリブデン（Ｍｏ）含有量：０．０９％
ケイ素（Ｓｉ）含有量：０．４２％
鉄（Ｆｅ）含有量：残部

（溶射条件）
上記シリンダーブロックを１２０℃に予熱した後、室温中でシリンダーボア内部にノズルを挿入して、溶射液滴の飛散用として窒素ガスを用い、１２００Ｌ／ｍｉｎで溶射液滴を吹き付けた。

＜鏡面化工程＞
上記シリンダーボアに砥石を押し付け、回転させながらシリンダーボアの上下方向にストロークさせてホーニング加工を行い、シリンダーボアの内表面を鏡面加工（表面粗さＲａが０．１μｍ以下）した。

［実施例１～実施例８］
＜仕上げ工程＞
鏡面加工したシリンダーボアに、ホーニング加工用砥石（ダイヤモンド砥粒が４３０（ＨＶ）のＣｕ－Ｓｎ合金で結着された砥石；砥粒とボンド材の体積比＝２０：８０）を押し付け、表１に示す条件で回転（時計回り、２０００ｒｐｍ）させながらシリンダーボアの上下方向にストロークさせる回数を変化させてホーニング加工を行い、シリンダーボアの内表面を塑性流動させ、表面粗さＲａが０．１μｍ以下の鏡面化された溶射被膜を形成した。

（塑性流動部の面積率の測定）
溶射被膜を溶射被膜付きシリンダーブロック（縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×厚さ５ｍｍ）として切り出して、溶射被膜付きシリンダーブロック試験片とした。
ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡：日立Ｓ－３４００Ｎ）の５００倍で反射電子組成像測定により試験片のＳＥＭ像を取得した。

実施例１の溶射被膜の表面ＳＥＭ像を図３、実施例３の溶射被膜の表面ＳＥＭ像を図４、実施例５の溶射被膜の表面ＳＥＭ像を図５に示す。

取得したＳＥＭ像を画像処理により２値化し、気孔（暗部）とそれ以外の部分（明部）を分け、さらに上記明部について、画像処理により２値化し、塑性流動部（暗部）とそれ以外の部分（明部）に分けて塑性流動部を測定し、塑性流動部の面積を視野面積で割り、１０点の平均値を塑性流動部の面積率とした。

塑性流動部の１本の面積：Ａ１，Ａ２，Ａ３
塑性流動部の面積：ΣＡ（Ａ１＋Ａ２＋Ａ３・・・・）
塑性流動部の面積率：ΣＡ／Ｓ

（表面粗さの測定）
表面粗さ（Ｒａ）をＪＩＳＢ０６０１に規定される方法で測定した。

（溶射被膜の硬さの測定）
ＩＳＯ１４５７７微小硬さ測定法に準拠し、溶射被膜付きシリンダーブロックを縦５ｍｍ×横５ｍｍ×厚さ２ｍｍに切り出し、断面をクロスセクションポリッシャで研磨する。
真空中で、試料表面に対象部位以外を遮蔽版でマスキング後、試料にＡｒイオン照射（Ａｒイオン加速電圧：３～６ｋＶ、加工速度：約１００μｍ／ｈ）することで断面を鏡面研磨し、試料の欠け、端部のだれのない断面を作製した。
その後、断面をエッチング処理により溶射組織を確認した後、最表面から１ｕｍ深さ位置にダイヤモンド圧子を打ちこみ、以下の条件溶射被膜の硬さを測定した。

測定装置：ＮａｎｏＩｎｄｅｎｔｅｒＧ２００
最大圧入荷重（Ｐｍａｘ）と圧痕投影面積（Ａ）から硬度Ｈ（Ｐｍａｘ／Ａ）を測定した。

（オイル消費量の測定）
上記溶射被膜を形成したシリンダーブロックを用いて４気筒エンジンを組み立て、ＳＡＥＪ３００で規定される０Ｗ－２０を用いて、６，０００ｒｐｍ、全負荷（ＷＯＴ：ＷｉｄｅＯｐｅｎＴｈｒｏｔｔｌｅ）の条件で、連続重量測定法によりオイル消費量を測定した。
測定結果を表１に示す。

表１の結果から、仕上げ工程におけるホーニング加工のストローク回数の増加に伴って塑性流動部の面積率が増加し、塑性流動部の面積率の増加に伴ってオイル消費量が低減されることがわかる。また、塑性流動部の面積率が４．６％以上であると、オイル消費量を５０ｇ／ｈ以下に低減できることがわかる。

［実施例９～実施例１４］
＜仕上げ工程＞
鏡面加工したシリンダーボアに、ホーニング加工用砥石（ダイヤモンド砥粒が４３０（ＨＶ）のＣｕ－Ｓｎ合金で結着された砥石；砥粒とボンド材の体積比＝２０：８０）を押し付ける砥石荷重を変化させ、表２に示す条件で回転（時計回り、２０００ｒｐｍ）させながらシリンダーボアの上下方向にストロークさせてホーニング加工を行い、シリンダーボアの内表面を塑性流動させて、塑性流動部の面積率、及び硬さが異なる溶射被膜を形成した。

その後、溶射被膜の塑性流動部の面積率を確認して３ｕｍダイヤ砥粒でバフ研磨した。
さらに、塑性流動部の面積率が約６％になるように、ＳＥＭ像で塑性流動部の面積率を確認しながら１ｕｍダイヤ砥粒でバフ研磨し、表面粗さＲａが０．１μｍ以下の鏡面化された溶射被膜を形成した。

（摩擦係数と摩耗量の測定）
上記溶射被膜の摩擦係数と摩耗量を以下の条件で測定した。
測定結果を表２に示す。

上記溶射被膜を形成したシリンダーブロックを（縦１５ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ５ｍｍ）切り出して試験片とした。
一方、表面粗さＲａが０．１μｍ以下の硬質炭素膜を表面に有するピストンリングからピストンリング試験片（縦３ｍｍ×横１５ｍｍ）を切り出した。
これらを下記条件下で摺動させて、摩擦係数と試験後の摩耗深さを測定した。
（試験条件）
・装置：ＳＲＶ摩擦試験機＊（ＳｃｈｗｉｎｇｕｎｇｓＲｅｉｈｕｎｇｕｎｄＶｅｒｓｃｈｌｅｉｓｓ）
・温度：室温（２５℃）
・荷重：３００Ｎ
・振幅：３ｍｍ
・周波数：２５Ｈｚ
・試験時間：６０分間
・使用潤滑油：１００℃の動粘度が４ｃＳｔのポリ－α－オレフィン（ＰＡＯ）

表２の結果から、砥石荷重の増加に伴って溶射被膜が硬くなり、溶射被膜の硬さが３．９ＧＰａ～９．１ＧＰａであると、耐摩耗性と低フリクション化を両立できることがわかる。

［実施例１５～実施例１８、比較例１］
＜仕上げ工程＞
鏡面加工したシリンダーボアに、ボンド材の硬さが異なるホーニング加工用砥石を用いて、表３に示す条件で回転（時計回り、２０００ｒｐｍ）させながらシリンダーボアの上下方向にストロークさせてホーニング加工を行い、シリンダーボアの内表面を塑性流動させた。塑性流動部の面積率が異なる溶射被膜を形成した。

溶射被膜表面のＳＥＭ像により傷の有無を確認した。

実施例１８は、砥石の交換頻度が大きく、生産性がないため実用に耐えなかった。
表３から、ホーニング加工用砥石（ボンド材）が硬くなると、塑性流動部の面積率が増加し、３８０ＨＶ～４８０ＨＶの範囲で塑性流動部を効率よく形成できることがわかる。

Claims

アルミニウム製又はアルミニウム合金製のシリンダーブロックのシリンダーボアの内周面に形成された鉄系の溶射被膜であって、
被膜表面に塑性流動部を有し、その面積率が４．６％以上であり、
表面粗さ（Ｒａ）が０．１μｍ以下であることを特徴とする溶射被膜。
硬さが３．９ＧＰａ～９．１ＧＰａであることを特徴とする請求項１に記載の溶射被膜。
アルミニウム製又はアルミニウム合金製のシリンダーブロックの内周面に鉄系の溶射被膜を形成する溶射被膜の製造方法であって、
溶射被膜を形成する溶射工程と、
上記溶射被膜の表面を鏡面化する鏡面化工程と、
上記溶射被膜の表面を塑性流動させ塑性流動部を形成する仕上げ工程と、を含み、
上記仕上げ工程が、硬さ３８０ＨＶ～４８０ＨＶのＣｕ－Ｓｎ合金でダイヤモンド砥粒を結着したホーニング加工用砥石を用い、塑性流動部の面積率を４．６％以上、かつ表面粗さ（Ｒａ）を０．１μｍ以下にする処理を含むことを特徴とする溶射被膜の製造方法。
上記仕上げ工程を、塑性流動部の面積率が１１．４％を超えて行わないことを特徴とする請求項３に記載の溶射被膜の製造方法。