JP2000505178A - ディーゼル型内燃機関内のシリンダライナー、ピストン、ピストンスカート部又はピストンリングのようなシリンダ要素及び該エンジン用のピストンリング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 全負荷時のその最高燃焼圧力が100バール以上であり、互いの頂部に溶射した２つのＡｌ−青銅層を有し、その外側層が最大で330ＨＶ20の平均硬さを有するならし層（３７）であり、下方の層が、ならし層の硬さを上廻り、少なくとも330ＨＶ20の平均硬さを有する耐摩耗層（３６）である、ディーゼル型内燃機関用のシリンダ要素である。

Description

【発明の詳細な説明】 ディーゼル型内燃機関内のシリンダライナー、ピストン、ピストンスカート部又 はピストンリングのようなシリンダ要素及び該エンジン用のピストンリング 本発明は、全負荷時の最高燃焼圧力が100バール以上であり、ピストンに幾つ かのピストンリングが設けられ、ピストンが少なくとも600ｍｍの行程距離にて シリンダライナー内を往復運動し、該ピストンリングがリングの高さを上廻る軸 方向への高さを有する環状溝内に取り付けた状態のとき、少なくとも150ｍｍの 外径を有し、該リングの各々がライナーの内面に沿って摺動する半径方向外面を 有し、シリンダ要素には、該シリンダ要素の側部の少なくとも一部分に少なくと も１つの熱溶射層が設けられた、ディーゼル型内燃機関、特に、２行程クロスヘ ッドエンジン内のシリンダライナー、ピストン、ピストンスカート部、又はピス トンリングのようなシリンダ要素に関する。 ２行程クロスヘッドディーゼルエンジンは、今日、極めて高い最高燃焼圧力に て作動する設計とされており、この高圧は、シリンダ要素に極めて大きい負荷を 生じさせる。その理由の１つは、リングが燃焼室内の圧力がピストンの下方に拡 がるのを防止しなければならないとき、リングにおける差圧が、必然的に高圧と なるためであり、また、燃焼によって生じた高圧に伴って摩擦状況に悪影響のあ る極めて高い温度となり、このため、互いに沿って摺動するシリンダ要素は、特 にピストンリング及びライナーを損傷させる可能性のある固体状態となり易くな るためである。高圧に対して密封するため、ライナーの内面に対するピストンリ ングの当接圧力は高圧でなければならない。このことは、ピストンリングが潤滑 油膜に貫入し、ライナーの内面に対して無潤滑状態にて作動する傾向がより大き くなる。 当該出願人の特許公報第ＷＯ95／21994号には、その内面に異なる性質を有す る幾つかの層が設けられたシリンダライナーが記載されている、すなわち、これ らの層は、最内側の硬い耐摩耗層(wearing layer)、中程度の硬さの中間層、よ り硬い層と異なる別の材料から成る、より柔軟なならし層である。最内側層に対 して、炭化物、酸化物及び窒化物の形態にて埋め込まれた硬い粒子を有するクロ ム、ニッケル及びモリブデンから成る比較的柔軟な金属マトリックスが適用可 能な材料として提案されている。中間層に対して、モリブデン及び過酸化モリブ デンの混合材が提案されており、ならし層に対して、選択随意的に、銀のような 柔軟な材料と混合させた、金属被覆グラファイトボールが提案されている。シリ ンダ要素の最外層に対して異なる材料を使用することは、層を下方の材料に対し て十分に良好に接着させる上で問題を生じる可能性がある。最初の溶射層は、通 常、鋳鉄、鋳鋼、又は鋼であるシリンダ要素の基部材料に接着しなければならず 、また、後続の１又は２つ以上の層は、後続の層の性質と著しく異なる性質を有 する下方の隣接層に接着しなければならない。最外側層に対して使用される材料 が比較的コスト高であることは更に不利益な点である。 米国特許第5080056号には、シリンダブロックが319アルミニウム合金にて製造 されており、また、該シリンダブロックにエンジンのシリンダを構成する幾つか のボアを設けた４行程エンジンが記載されている。該シリンダの内面には、完全 に稠密で且つ硬い被覆を提供し得るようにＨＶＯ技術によって溶射することので きるＡｌ−青銅合金の硬い耐摩耗層が付与されている。Ａｌ−青銅は、アルミニ ウムで製造されたピストンと共に、十分な摺動特性を有するため、この場合に、 特に適していると考えられる。被覆は稠密で且つポアが実質的に存在しないこと が必須であると記載されている。この被覆は、0.1ｍｍ以内の厚さにて施されて 、その後、被覆の厚さの約１／３は、砥石研磨により除去する。 本発明に関連するエンジンの高い最高圧力状態は、石油エンジンの場合、40バ ール程度の最高圧力が使用され、ディーゼルエンジンの場合、80バール程度の最 高圧力が使用される、４行程エンジンにおける状態と著しく相違する。更に、４ 行程エンジンのエンジンブロック、ピストン及びピストンリングは、軽金属で製 造されている一方、大型のエンジンのシリンダライナー、ピストン、ピストンス カート部及びピストンリングは、高圧及び高温の影響に耐え得るように、通常、 鋳鉄、鋳鋼又は鋼で製造されている。使用する材料の相違は、溶射した被覆の性 質を互いに比較することを難しくする。その理由は、摩擦状態、接着状態、熱の 影響に対する反応等は、一方にて、鋳鉄と鋳鋼との間にて、他方にて、鋳鉄とア ルミニウムのような軽金属の間にて著しく相違するからである。 本発明の目的は、シリンダ要素に十分に接着し且つ優れたならし及び作動特性 を提供する被覆が設けられた、材料コストが低廉なシリンダ要素を提供すること である。 このことに鑑みて、シリンダ要素には、一方が他方の上になるようにして、少 なくとも２つのＡｌ−青銅層が溶射される。該層の最外側層は、最大で330ＨＶ2 0の平均硬さを有するならし層(running-in layer)であり、その下部層は、なら し層の平均硬さを上廻り、少なくとも130ＨＶ20の平均硬さを有する耐摩耗層(we aring layer)である。 下方の隣接する耐摩耗層と同一の型式の合金から成るならし層を使用すること は、ならし層を極めて良好に接着させ、ならし層の薄片が剥げ落ち又は掻き落さ れるのを防止する。Ａｌ−青銅の表面は、十分な摺動特性を有し、固着を防止す る良好な摩擦状態を提供する。Ａｌ−青銅の柔軟なならし層は、ピストンが往復 運動する間に、シリンダ要素に沿って当接し且つ摺動する要素の内面の何れかに て、新たなるシリンダ要素を慣らし運転する間に、固着する傾向が全くない面を シリンダ要素に形成する。 ならし層(running-in layer)に適用するために使用されるＡｌ−青銅の開始材 料は、グラファイトを含む開始材料の１／２のコストであり、このことは、なら し層は、公知のならし層よりも経済的に著しく有利な方法にて製造することがで きることを意味する。更に、熱溶射時に使用される担体はガス又は保護ガスの組 成のような、施工状態を適当に制御することによって、Ａｌ−青銅を多少硬くす ることができる。更に、施工した層の硬さは、層を適当に後処理することにより 改質することができる。この後処理に関しては、以下に更に詳細に説明する。こ のように、ならし層の下方に位置する層が本来の耐摩耗層として作用するような 仕方にてＡｌ−青銅層の特性を制御することが可能である。また、かかる耐摩耗 層の材料コストは、モリブデンから成る上述の耐摩耗層のコストよりも著しく低 い。 シリンダ要素の慣らし時に、被覆の表面に引掻き傷が形成される場合、Ａｌ− 青銅を使用することは、その引掻き傷が局部的に極めて高温であることを特徴と する固着に至ることはないことを意味する。その理由は、Ａｌ−青銅は、それ自 体の溶融温度に達する迄、潤滑性質を保つからである。 Ａｌ−青銅の摩耗層(wearing layer)は、ならし層と、下方の耐摩耗層との間 に位置する中間層であることが好ましい。該下方の耐摩耗層は中間層の硬さを上 廻る。また、この下方の耐摩耗層(wearing layer)は、Ａｌ−青銅とすることが できるが、金属マトリックス内に埋め込んだ炭化物、酸化物又は窒化物の形態を した硬い粒子を含むような、他の硬質で且つ耐摩耗性の材料、例えばスウェーデ ンの会社ダーロス（ＤＡＲＯＳ）ＡＢがＰＭ２、ＰＭ10、ＰＭ14、ＰＭ20、ＰＭ 28又はＬ１という商品名の１つとして販売するような材料とすることができる。 この溶射層を形成することは、摩耗中、耐摩耗性を有するより硬い材料が露出す るのに伴って、シリンダ要素の有利な摩耗を実現することにつながる。 Ａｌ−青銅のならし層は、体積比で0.2乃至40％の多孔度を有することが適当 であり、その結果、Ａｌ−青銅の表面は材料の孔により形成された多数の凹所を 有している。これらの凹所は、典型的に、表面にて細かく分配され、エンジンの 運転時に、その表面に供給された潤滑油の一部を捕える。外部から該表面に潤滑 油が全く供給されない時間の間、凹所内に貯えられた潤滑油は、その表面に拡げ られ、シリンダ要素の潤滑状態を保つ。この効果は、それ自体に潤滑油の供給源 を有さないピストンリングにおいては特に有利なことである。 １つの実施の形態では、互いに異なる性質の２乃至７つのＡｌ−青銅層を有し ており、それら個々の層の厚さは、0.02ｍｍ乃至2.5ｍｍの範囲、好ましくは、0 .10乃至1.0ｍｍの範囲である。個々の層の厚さが上記範囲にある幾つかの層を使 用することにより、被覆の性質を入念に所望の用途に適したものとすることがで きる。例えば、ピストンスカート部は、比較的薄い幾つかの層を必要とする一方 、最上方ピストンリングの上方領域におけるピストン上の層は、実質的により厚 い厚さとすることができる。シリンダライナーの内面において、硬さが被覆を介 して均一に増すような層の数とされており、その場合、層の数は、ピストンリン グの外面におけるよりも多数とすることができる。層の厚さの全体に亙って実質 的に同一の性質を有する各層は、その層が所望の厚さとなる迄、均一な溶射状態 にて何回か溶射することにより形成することができる。 Ａｌ−青銅の合金は、一般に生ずる不純物を除いて、重量比で表わしたとき、 2乃至20％Ａｌ、選択随意的に、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｂｅ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｓｉ 、Ｃｄ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐｂ及びＣの成分の１つ以上を含み、それら成分の 個々の重量は、最大でＳｂ５％、最大でＣｏ５％、最大でＢｅ５％、最大でＣｒ ５％、最大でＳｎ15％、最大でＭｎ５％、最大でＳｉ15％、最大でＣｄ２％、最 大でＺｎ15％、最大でＦｅ５％、最大でＮｉ20％、最大でＰｂ20％、最大でＣ２ ％、その残りが少なくとも50％のＣｕであるようにすることができる。このよう に、Ｃｕ及びＡｌの最小量は52％であり、その他の成分の合計量は最大48％であ り、25％に制限されることが有利である。 Ｃｒ、Ｓｂ及びＣを追加することは、炭化物を形成することにより合金の硬さ を増す。これらの成分は、典型的に、耐摩耗層として機能する下方の層に追加さ れる。 Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃｏ、Ｓｉ及びＮｉを追加することは、合金の強度を増し、サン ドブラスト、ボールブラスト又はローリングのような機械的作用によって層の硬 さを増すことを可能にする。 Ｃｄを追加することは、合金の再結晶温度を上昇させ、また、その強度を増す ことになる。Ｍｎを追加することは、合金の硬さを増し、その合金をより耐熱性 にする。Ｆｅを追加することは、合金の硬さを増し、Ｐｂを追加すると、Ｐｂが 固体潤滑剤として機能するため、層に対し重い負荷時の有利な性質を付与するこ とになる。Ｓｎを追加することは、耐食性を増し且つ合金の脆弱性を低下させる が、これと同時に、機械的作用を受けたときの硬さを向上させるのに役立つ。 ならし層に特に好ましい合金のタイプは、特に、９乃至10％のＡｌと、０乃至 １％のＦｅと、残部Ｃｕとから成っている。この合金の硬さは、主として溶射時 に使用されるガス組成物によって生じる酸化物の含有率によって制御される。ア ルゴンのような不活性ガスの使用により、酸化物の形成は抑制され、合金は極め て軟質になる。 層の硬さを制御するために合金の酸化物の含有率を使用する１つの実施の形態 において、シリンダ要素は次のように形成することができる。すなわち、Ａｌ− 青銅層が体積比で１乃至30％の酸化物を含むことと、酸化物の量がならし層内に て最小であり、好ましくは体積比で10％以下であることと、ならし層の下方の耐 摩耗層内にて体積比で少なくとも２％、好ましくは少なくとも10％である こととなるようにする。１又は２つ以上の下方の層内の酸化物の含有率が高けれ ば高い程、これらの層は、ならし層よりも大きい硬さが得られる。 酸化物の含有量によって硬さを制御することの代替法又は補充法として、シリ ンダ要素は次のように形成することができる。すなわち、Ａｌ−青銅の層が他方 の頂部に溶射されることと、後続の層を溶射する前に溶射層に対して硬さを増す 機械的作用を加えることと、好ましくは直前に溶射した層の上に粗さを低減する 機械加工を全く行わないことである。溶射した層の硬さを増すための異なる機械 的作用の例に関しては、上述した通りである。機械的作用を上記の成分、Ｚｎ、 Ｂｅ、Ｃｏ、Ｓｉ及びＮｉの１つ以上を含む合金と組み合わせることにより、Ａ ｌ−青銅被覆中の個々の層の硬さを著しく変化させることが可能である。このよ うにして、その硬さは、例えば、50乃至500ＨＶ20の範囲内にて変化させること ができる。 本発明によるシリンダ構成要素にて行うことが経済的でない、ホーニング加工 のような仕上げ加工を直前に溶射した層が、全く不要であることは、シリンダ要 素にとって特別に有利なことである。 本発明は、さらに、全負荷時におけるその最高燃焼圧力が100バール以上であ り、ピストンには、幾つかのピストンリングが設けられ、該ピストンが少なくと も750ｍｍの行程距離にてシリンダライナー内を往復運動し、該ピストンリング が、環状溝内に取り付けられた状態にて、少なくとも150ｍｍの外径を有し、該 環状溝の軸方向への高さがリングの高さを上廻り、該ピストンリングの各々がラ イナーの内面に沿って摺動する半径方向外面を有し、該ピストンリングには、そ の半径方向外面に少なくとも１つの熱溶射層が付与される、ディーゼル型内燃機 関、特に、２行程クロスヘッド型エンジンにおけるピストンリングに関するもの である。 有利な程に経済的な材料で製造されたピストンリングであって、シリンダ要素 に十分に接着し且つ優れた慣らし運転及び作動特性を提供する被覆が付与された ピストンリングを製造する目的にて、本発明によるピストンリングは、少なくと も１つの溶射層がＡｌ−青銅であり、Ａｌ−青銅の被覆の合計厚さが少なくとも 0.05ｍｍであり、最外側層が平均硬さが最大で330ＨＶ20のならし層であるこ とを特徴としている。ピストンリングにおけるＡｌ−青銅の被覆は、ピストンリ ングの鋼、鋳鋼又は鋳鉄の基部材料に直接溶着した単一の層又は幾つかの層とす ることができ、若しくは該層は、例えば、ダーロスの型式ＰＭ２、ＰＭ10、ＰＭ 14、ＰＭ20、ＰＭ28又はＬ１の１つとすることのできる別の耐磨耗性材料の下方 の溶射層に溶射される。Ａｌ−青銅の最外側層は、固着を防止するならし層とし て機能し、このことは、以下に説明する、新品のピストンリングを迅速に慣らし 運転することを可能にする。 ピストンリングの最初の慣らし運転の間、リングの半径方向外面は研磨されて 、切子面(facetted shape)から成る形状となる。リング溝の高さはリングの高さ を上廻るため、該リングはそのそれぞれの環状溝内を軸方向に動くことができ、 また、リングにおける大きい差圧の影響力の下、リングは溝内で僅かに傾き、又 は捩れ、このため、ピストンが往復運動する間に、ライナーの内面に対するリン グの外面の角度が変化する。リンクが初めて何回も傾動すると、その上方端縁又 は下方端縁は、極めて小さい面積にてライナーの内面に当接し、これに関連する 極めて高い表面圧力の結果、リング材料は急速に磨耗する。その理由は、リング 端縁がライナーの内面の油膜に瞬間的に貫入するためであると考えられる。リン グが切子面から成る形状を実現すると、当接面積が増大し、表面圧力は、油膜に 貫入するときの限界値以下になる。 Ａｌ−青銅のならし層は、少なくともピストンリングが小さい面から成る形状 に研磨される迄、固着の発生を防止する。この切子面の形状は、ピストンリング の外面とライナーの内面との間にて潤滑油膜に貫入することなく、ピストンリン グに対し全負荷を加えることを可能にする。 ピストンリングにて単一のＡＬ−青銅層のみを使用する場合、この最外側層の 硬さは相互に異なる性質のＡＬ−青銅層の幾つかが設けられたシリンダ要素に関 して上述した機械的な作用力の下、増大させることができる。 次に、概略図を参照しつつ、本発明の実施例に関して以下に詳細に説明する。 添付図面において、 図１は、ピストンリングを有するピストンがその上死点にある場合のシリンダ ライナーの最上方部分の縦断面図である。 図２は、鋳造リング材料上に直接、Ａｌ−青銅のならし層を被覆したピストン リングの断面図である。 図３は、鋳造したリング材料上の溶射した硬い耐摩耗層の頂部にてＡｌ−青銅 のならし層を被覆したピストンリングの別の実施の形態の断面図である。 図４は、本発明によるＡｌ−青銅層が共に形成された、ピストンスカート部を 備えるピストンの部分側面図である。 図５は、３つのＡｌ−青銅層が付与されたシリンダライナーの部分断面図であ る。 図１には、発電機を作動させる据え付け型エンジンとして、又は船の推進エン ジンとして使用することのできる大型の２行程クロスヘッドエンジン用のシリン ダライナーの最上方部分が全体として参照番号１で示してある。エンジンの寸法 に対応して、シリンダライナーを多数の異なる多数の寸法にて製造することがで き、シリンダボアは、典型的に、250ｍｍ乃至1000ｍｍであり、それに対応する 典型的な長さは、1000ｍｍ乃至4500ｍｍである。しかしながら、シリンダボアが 150乃至250ｍｍの範囲にあり、この場合、ライナーの長さは500ｍｍ以下とする ことができる、２行程クロスヘッドエンジンに関連して本発明を使用することも 可能である。ライナーは、通常、鋳鉄又は鋼若しくは鋳鋼にて製造され、ライナ ーの内面には、溶射した耐摩耗層が付与されている。ライナーは、一体化するか 又は互いの伸長部内にて接続した少なくとも２つの部分に分割することができる 。この分割したライナーの場合、上方部分は、下方部分と異なる基部材料にて製 造することも可能である。 周知の方法にて、ライナーは、エンジンのフレームボックス又はシリンダブロ ック内にて頂部板４上に配置される環状の下向き面３によって、部分的にのみ図 示したエンジン内に取り付けられる。その後、ピストン５は、シリンダライナー 内に取り付け、シリンダカバー６は、その環状の上向き面７上にてライナーの頂 部に配置し、図示しないカバースタッドによって頂部板にクランプ止めする。 シリンダライナーの下方部分は、図示しない、環状列の掃気ポートを有してい る。ピストンは、ピストン上面９がシリンダカバー６のボア内に配置される上死 点と、ピストン上面９が掃気ポートの下端の真下に配置される下死点との間にて ライナーの長手方向に可動である。 ピストンロッド１０、クロスヘッド及び接続ロッドを介して、ピストンは周知 の方法にてエンジンのクランク軸と接続されている。クランク軸が360゜回転す る毎に、ピストンは、下死点から上死点まで移動し、再度、その逆に戻る。 面３、７の間に配置された上方部分において、シリンダライナーは、より大き い外径にて形成されており、この部分の頂部にて、長い冷却穴１４が多数、外側 凹所１５からライナーの壁内部に穿孔され、このため、直線状の冷却穴の長手方 向軸線は、ライナーの長手方向軸線に対して斜めに又は傾斜して伸長する。 シリンダライナーの内面１３には、硬い熱溶射した耐摩耗層を１つ以上、付与 することができる。この硬い耐摩耗層は、Ａｌ−青銅のみから形成し、又はセラ ミック、セラミックと金属との混合体、いわゆるサーメットから成るより硬い下 方の１つ以上の耐摩耗層で補充された多数のＡｌ−青銅層にて形成することがで きる。または、この内面には、比較的柔軟な金属マトリックス内に埋め込んだ極 めて硬い粒子から成る耐摩耗層を設けることができる。このマトリックスは、例 えば、Ｃｒ、Ｎｉ及び／又はＭｏを含むことができ、硬い粒子は、例えば、炭化 物、窒化物、ホウ化物及び／又は酸化物とすることができる。シリンダライナー は、その内面に波形のパターンを有するように製造し、そのパターンの波形の頂 部を除去することができる。内面の全体に沿って上記のパターンを有するライナ ーを製造することも可能である。また、ピストンの下降行程の最初の40％の間、 ピストンリングが拭き払う部分のような、ライナーの上方部分のみにこのパター ンを機械加工することもできる。また、この部分は、20％、25％、30％又は35％ 若しくはその中間の値のようなその他の相対的寸法を有するようにすることもで きる。波形のパターンは、ピストンリングとライナーの内面との間に可能な限り 最良の潤滑状態を保つのに役立つ。潤滑油は、波の樋状部分の底部に溜まり、こ のため、その樋状部分の間の平坦面に潤滑油を提供する。新品のピストンリング を新品のライナー内にて慣らし運転するとき、ピストンリングの外面は、略平面 状の平坦領域上を摺動する。 図１において、ピストン５は、その上死点にある状態で示してある。該ピスト ンには、全体として参照番号１９で示した４つのピストンリングが設けられて いる。その内、上方ピストンリングは、標準型の斜めに切ったリングであり、又 は気密の型式である、すなわちリングの空隙は、気体がリング仕切り部分を通っ て流れるのを略防止されるような設計とされている。このことは、例えば、リン グの他端の対応する凹所内に突き出す平坦な突起を有するリングの一端によって 行うことができる。頂部から二番目及び三番目のピストンリング、及び底部ピス トンリングは、従来の斜め切欠きリングとすることができ、この場合、リング仕 切り部分は、リングの上面から下面まで周方向に斜めに伸長する空隙のように形 成され、又は略気密の型式のものとすることができる。 図２のピストンリング１９は、鋳鉄、鋳鋼又は鋼製の鋳造ピストンリング本体 ３０を備えている。該リング本体の半径方向外面３１には、熱溶射により少なく とも0.05ｍｍ、好ましくは少なくとも0.14ｍｍの厚さにてＡｌ−青銅のならし層 ３２が設けられている。図３のピストンリング１９は、鋼又は鋳鋼から成る鋳造 ピストンリング本体３４を備えている。該本体は鋳鉄製ではないため、鋼の半径 方向外面３５には、１つ以上のＡｌ−青銅の耐摩耗層及び／又はＰＭ２、ＰＭ10 、ＰＭ14、ＰＭ20、ＰＭ28又はＬ１の上記材料の耐摩耗層のような、シリンダラ イナーの内面に対する満足し得る摺動特性を有する材料の耐摩耗層３６を施す必 要がある。耐摩耗層の半径方向外面３３にて、Ａｌ−青銅のならし層３７が熱溶 射により少なくとも0.05ｍｍの厚さにて施されている。また、ピストンリングに おけるならし層は、0.1乃至3.0ｍｍの範囲の厚さ、好ましくは最大で2.0ｍｍの 厚さのような厚さを有することも可能である。 図４には、中間ピストン部分を省略して、ピストン５の一部分が図示されてい る。ピストンの持ち上げ工具を取り付け得るように最上方ピストンリングの環状 溝から溝３９まで上方に伸長する、上方部分３８のピストンの半径方向外面にて 、柔軟なＡｌ−青銅層４０が熱溶射により0.05乃至５ｍｍ、好ましくは、少なく とも0.4ｍｍの厚さにて施されている。この層の最外側部分はならし層として機 能する。また、該層は、ピストンリングに対して使用されるならし層と同一の組 成とすることができる。 ピストンスカート部４１がピストンの下面にボルト止めされている。ピストン スカート部の外面には、熱溶射により、少なくとも0.05ｍｍ、好ましくは、少 なくとも0.14ｍｍの厚さにてＡｌ−青銅のならし層４２が付与されている。この ならし層の下方にて、１つ以上のＡｌ−青銅の耐摩耗層があるようにすることが できる。 図５には、中間のＡｌ−青銅の耐摩耗層３６の下方に位置する最内側の比較的 硬いＡｌ−青銅の耐摩耗層４３と、最外側のＡｌ−青銅のならし層３７とが設け られたシリンダライナー１の一部分が図示されている。 丸い物の周りに材料層を熱溶射により溶射することは極めて周知のことである 。このことは、例えば、炎溶射、プラズマ溶射、ＨＶＯＦ溶射又はアーク溶射と することができる。溶射方法は、例えば、欧州特許第Ｂ-0341672号、欧州特許第 Ａ-0203556号、国際特許出願第95／02023号及び国際特許出願第95／21994号に記 載されている。原理上、この溶射は、種々のシリンダ要素に対して同一の方法に て行われ、溶射装置及びシリンダ要素は手動で回転させ、その後、溶射を開始し 、均一な溶射状態にて続行し、所望の厚さの溶射層が形成されるまで、シリンダ 要素の表面を横断して反復的に行う。次の層に溶射するとき、層に対して所望の 特性を付与する溶射状態にてその手順を繰り返す。次に、シリンダ要素への溶射 の特定の実施例について説明する。実施例１ 内径600ｍｍのシリンダライナーに対して、ＭＥＴＣＯ製の標準的なプラズマ 溶射装置によりその内面にＡｌ−青銅層を付与した。溶射ヘッドとライナーの内 面との間の距離は115ｍｍとし、500Ａの強さの電流を使用した。溶射ヘッドとラ イナーとの間の相互の回転は、27rpmに設定し、ライナーの長手方向への送り量 は一回転当たり７ｍｍに設定した。９％Ａｌ、１％Ｆｅ、残量Ｃｕの合金の粉末 状の開始材料を１分当たり95ｇの量にて供給し、該材料は内面を通る毎に0.02ｍ ｍの層を析出させた。担体ガスとして窒素を使用した。層は0.1ｍｍの厚さに形 成した。次に、ローリング工具により層をローリングした。このローリング後、 該層の平均硬さの測定値は、360ＨＶ20であった。次に、同一の工程状態を使用 して第二の層を溶射した。この層はサンドブラストを施し、その後、該層の平均 硬さの測定値は320ＨＶ20であった。次に、同一の工程状態を使用して第三の層 を溶射した。この層を小さい鋼球でボールブラストを行い、その後、 該層の平均硬さの測定値は280ＨＶ20であった。最後に、ならし層を溶射し、後 処理は全く行わなかった。この層の平均硬さの測定値は、180ＨＶ20であった。 次に、ライナーをエンジン内に取り付け、一組の標準的なピストンリングを有 するピストンと共に慣らし運転した。エンジンの通常の最高燃焼圧力は145バー ルであった。15％の負荷にて30分間の最初の運転後、負荷を15分の間に100％ま で増加し、その後、１時間運転を続行し、エンジンを停止させ、シリンダライナ ーを検査した。シリンダライナーの内面には、実際的な固着の兆候は何ら観察さ れなかった。実施例２ 鋳鉄で出来ており且つ外径が丁度600ｍｍ以下である４つのピストンリングを 互いに並べて配置した。これら４つのピストンリングには、実施例１で使用した ものと同一型式の溶射装置により、また、同一の溶射状態にて、担体ガスとして 窒素を使用してＡｌ−青銅被覆を施した。Ａｌ−青銅層は、約0.15ｍｍの厚さま で形成し、その後、溶射した被覆をサンドブラストした。該層の平均硬さの測定 値は315ＨＶ20であった。ピストンリングを分離させ、更なる後処理を施さずに 実施例１にて使用したエンジンと同一のエンジン内の標準的なシリンダライナー のピストンに取り付けた。実施例１にて説明したのと同一の方法にて慣らし運転 を行ったが、100％にて1.5時間の運転時間とした。慣らし運転後の検査にて、ピ ストンリングは固着の兆候を何ら示さず、ならし層の厚さは平均0.08ｍｍまで薄 くなったことも確認できた。また、ピストンリングの外面には、研磨した切子面 が観察され、このことは、固着を発生させずに、ピストンリングにて連続的な運 転が可能であることを示す。 より硬さを増す酸化物がＡｌ−青銅層中にて所望であるならば、コンプレッサ の空気、すなわち圧縮した外気を溶射時の担体ガスとして窒素に代えて使用する ことができる。層を柔軟にしなければならないため、又は主として、変形硬化合 金成分により硬さを増すことが望ましいため、酸化物の量を可能な限り制限する ことが望ましいならば、アルゴンのような不活性の担体ガスを使用することがで きる。 上述したように、多数のＡｌ−青銅の異なる層をシリンダ要素に施すことがで きる。該層は、シリンダ要素の外面から離れる方向に向けて硬さが増し、平均硬 さが層毎に少なくとも20ＨＶ20だけ増すことが好ましい。最高硬度の最内側層に おいて、層を機械的に加工することと組み合わせて、硬さを増す合金成分をＡｌ −青銅に添加することによって、硬質部分を完全に又は部分的に形成することが できる。平均硬さが50乃至120ＨＶ20の範囲にあるような、極めて柔らかい最外 側のならし層とすることが所望であるならば、このことは、担体ガスとしてアル ゴンを使用し、また、体積比で20％以上といった比較的高多孔度の層の溶射と組 み合わされる、硬さを増す合金成分を添加することを省略することにより、行う ことができる。この多孔度は、硬い局部的な負荷(hard local load)をもたらす から、層に対し柔軟な特徴を付与することに寄与する。 耐摩耗層、特に、最も深い位置にある最も硬い耐摩耗層の厚さは、シリンダ要 素の予想寿命に基づいて選択される。この厚さは、シリンダ要素の寿命中、予想 される層の最大の摩耗量よりも適度に厚いように選択される。このことは、シリ ンダライナー、ピストン及びピストンスカート部に特に当て嵌り、また、その基 部材料が鋳鉄でないならば、ピストンリングにも当て嵌まる。ピストンリングの 基部材料が鋳鉄であるならば、耐摩耗層の全体がその寿命の間に磨耗することが 許容可能であるが、格別に望ましい訳ではない。このように、合計摩耗被覆は、 例えば、２又は3ｍｍの厚さとすることができる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９８年１１月６日（１９９８．１１．６） 【補正内容】 ３４条補正の翻訳文 （１）明細書の翻訳文第１頁４行乃至第１２行の記載内容（原文第１頁第５行乃 至第２２行に対応する箇所）を次文の通り補正する。 「本発明は、全負荷時におけるその最高燃焼圧力が100バール以上であり、ピ ストンに幾つかのピストンリングが設けられ、ピストンが少なくとも600ｍｍの 行程距離にてシリンダライナー内を往復運動し、該ピストンリングがリングの高 さを上廻る軸方向への高さを有する環状溝内に取り付けた状態のとき、少なくと も150ｍｍの外径を有し、該ピストンリングの各々がライナーの内面に沿って摺 動する半径方向外面を有し、シリンダ要素には、該シリンダ要素の側部の少なく とも一部分に少なくとも１つの熱溶射層が設けられた、ディーゼル型内燃機関、 特に、２行程クロスヘッドエンジンに使用されるシリンダライナー、ピストン、 ピストンスカート部、又はピストンリングのようなシリンダ要素に関する。」 （２）同第６頁第６行乃至第２４行の記載内容（原文第８頁第２７行乃至第９頁 第５行に対応する箇所）を次文の通り補正する。 「本発明は、さらに、全負荷時におけるその最高燃焼圧力が100バール以上で あり、ピストンには、幾つかのピストンリングが設けられ、該ピストンが少なく とも750ｍｍの行程距離にてシリンダライナー内を往復運動し、該ピストンリン グが、環状溝内に取り付けられた状態にて、少なくとも150ｍｍの外径を有し、 該環状溝の軸方向への高さがリングの高さを上廻り、該ピストンリングの各々が ライナーの内面に沿って摺動する半径方向外面を有し、該ピストンリングには、 その半径方向外面に少なくとも１つの熱溶射層が付与される、ディーゼル型内燃 機関、特に、２行程クロスヘッド型エンジンにおけるピストンリングに関するも のである。」 （３）請求の範囲を次文の通り補正する。 「 請求の範囲 １．全負荷時におけるその最高燃焼圧力が100バール以上であり、ピストンに は、幾つかのピストンリングが設けられ、ピストンが少なくとも600ｍｍの行程 距離にてシリンダライナー内を往復運動し、該ピストンリングが、リングの高さ を上廻る軸方向への高さを有する環状溝内に取り付けた状態のとき、少なくとも 150ｍｍの外径を有し、該リングの各々がライナーの内面（１３）に沿って摺動 する半径方向外面を有し、シリンダ要素には、該シリンダ要素の側部の少なくと も一部分に少なくとも１つの熱溶射層が設けられた、ディーゼル型内燃機関、特 に２行程クロスヘッドエンジンに使用されるシリンダライナー(１)、ピストン( ５)、ピストンスカート部(４１)、又はピストンリング（１９）のようなシリン ダ要素において、 シリンダ要素（１、５、１９、４１）は、少なくとも２つのＡｌ−青銅層が溶 射され、最外側層が、最大で330ＨＶ20の平均硬さを有するならし層（３７）で あり、下部層（３６）がならし層の平均硬さを上廻り、少なくとも130ＨＶ20の 平均硬さを有する耐摩耗層であることを特徴とするシリンダ要素。 ２．請求項１に記載のシリンダ要素において、Ａｌ−青銅の耐摩耗層が、なら し層（３７）と下方の隣接する耐摩耗層（４３）との間に位置する中間層（３６ ）であり、該下方の隣接する耐摩耗層の硬さが中間層の硬さを上廻ることを特徴 とするシリンダ要素。 ３．請求項１又は２に記載のシリンダ要素において、Ａｌ−青銅のならし層（ ３７）が、体積比で0.2乃至40％の多孔度を有することを特徴とするシリンダ要 素。 ４．請求項１乃至３の何れかに記載のシリンダ要素において、互いに異なる性 質の２乃至７つのＡｌ−青銅層を有しており、それら個々の層の厚さが、0.02ｍ ｍ乃至2.5ｍｍの範囲、好ましくは、0.10乃至1.0ｍｍの範囲内にあることを特徴 とするシリンダ要素。 ５．請求項１乃至４の何れかに記載のシリンダ要素において、Ａｌ−青銅の合 金が、一般に生ずる不純物を除いて、重量比で表わしたとき、２乃至20％Ａｌ 、選択随意的に、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｂｅ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃｄ、Ｚｎ、Ｆ ｅ、Ｎｉ、Ｐｂ及びCの成分の１つ以上を含み、それら成分の個々の量は、最大 でＳｂ５％、最大でＣｏ５％、最大でＢｅ５％、最大でＣｒ５％、最大でＳｎ15 ％、最大でＭｎ５％、最大でＳｉ15％、最大でＣｄ２％、最大でＺｎ15％、最大 でＦｅ５％、最大でＮｉ20％、最大でＰｂ20％、最大でＣ２％、その残りが少な くとも50％のＣｕであることを特徴とするシリンダ要素。 ６．請求項５に記載のシリンダ要素において、合金が、９乃至10％のＡｌと、 ０乃至１％のＦｅと、残部Ｃｕとから成ることを特徴とするシリンダ要素。 ７．請求項１乃至４の何れかに記載のシリンダ要素において、Ａｌ−青銅層が 体積比で１乃至30％の酸化物を含むことと、酸化物の量がならし層（３７）内に て最小であり、好ましくは体積比で10％以下であることと、ならし層の下方の耐 摩耗層内にて体積比で少なくとも２％、好ましくは体積比で少なくとも10％であ ることとを特徴とするシリンダ要素。 ８．請求項１乃至７の何れかに記載のシリンダ要素において、Ａｌ−青銅の層 が他方の頂部に溶射されることと、後続の層を溶射する前に溶射層に対して硬さ を増す機械的な作用力を加えることと、直前に溶射した層の上に粗さを低減する 機械加工を全く行わないことを特徴とするシリンダ要素。 ９．全負荷時におけるその最高燃焼圧力が100バール以上であり、ピストン（ ５）には、幾つかのピストンリングが設けられ、該ピストンが少なくとも750ｍ ｍの行程距離にてシリンダライナー（１）内を往復運動し、該ピストンリングが 、リングの高さを上廻る軸方向高さを有する環状溝内に取り付けられた状態にて 、少なくとも150ｍｍの外径を有し、該ピストンリングの各々がライナーの内面 （１３）に沿って摺動する半径方向外面を有し、該ピストンリングには、その半 径方向外面に少なくとも１つの熱溶射層が付与される、ディーゼル型内燃機関、 特に、２行程クロスヘッド型エンジンにおけるピストンリング（１９）において 、 少なくとも１つの溶射層（３２）がAｌ−青銅であり、Ａｌ−青銅の被覆の合 計厚さが少なくとも0.05ｍｍであり、最外側層が平均硬さが最大で330ＨＶ20の ならし層であることを特徴とするピストンリング。 １０．請求項９に記載のピストンリングにおいて、最外側層（３２）の硬さが、 機械的な作用力により増大するようにしたことを特徴とするピストンリング。」

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ， ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，Ｆ Ｉ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ， ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ， ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．その全負荷時の最高燃焼圧力が100バール以上であり、ピストンには、幾 つかのピストンリングが設けられ、ピストンが少なくとも600ｍｍの行程距離に てシリンダライナー内を往復運動し、該ピストンリングがリングの高さを上廻る 軸方向への高さを有する環状溝内に取り付けた状態のとき、少なくとも150ｍｍ の外径を有し、該リングの各々がライナーの内面（１３）に沿って摺動する半径 方向外面を有し、シリンダ要素には、該シリンダ要素の側部の少なくとも一部分 に少なくとも１つの熱溶射層が設けられた、ディーゼル型内燃機関、特に、２行 程クロスヘッドエンジン内のシリンダライナー(１)、ピストン(５)、ピストンス カート部(４１)、又はピストンリング（１９）のようなシリンダ要素において、 シリンダ要素（１、５、１９、４１）は、少なくとも２つのＡｌ−青銅層が溶 射され、最外側層が、最大で330ＨＶ20の平均硬さを有するならし層（３７）で あり、下部層（３６）がならし層の平均硬さを上廻り、少なくとも130ＨＶ20の 平均硬さを有する耐摩耗層であることを特徴とするシリンダ要素。 ２．請求項１に記載のシリンダ要素において、Ａｌ−青銅の耐摩耗層が、なら し層（３７）と下方の隣接する耐摩耗層（４３）との間に位置する中間層（３６ ）であり、該下方の隣接する耐摩耗層の硬さが中間層の硬さを上廻ることを特徴 とするシリンダ要素。 ３．請求項１又は２に記載のシリンダ要素において、Ａｌ−青銅のならし層（ ３７）が、体積比で0.2乃至40％の多孔度を有することを特徴とするシリンダ要 素。 ４．請求項１乃至３の何れかに記載のシリンダ要素において、互いに異なる性 質の２乃至７つのＡｌ−青銅層を有しており、それら個々の層の厚さが、0.02ｍ ｍ乃至2.5ｍｍの範囲、好ましくは、0.10乃至1.0ｍｍの範囲内にあることを特徴 とするシリンダ要素。 ５．請求項１乃至４の何れかに記載のシリンダ要素において、Ａｌ−青銅の合 金が、一般に生ずる不純物を除いて、重量比で表わしたとき、２乃至20％Ａｌ、 選択随意的に、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｂｅ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃｄ、Ｚｎ、Ｆ ｅ、Ｎｉ、Ｐｂ及びＣの成分の１つ以上を含み、それら成分の個々の量は、最大 でＳｂ５％、最大でＣｏ５％、最大でＢｅ５％、最大でＣｒ５％、最大でＳｎ15 ％、最大でＭｎ５％、最大でＳｉ15％、最大でＣｄ２％、最大でＺｎ15％、最大 でＦｅ５％、最大でＮｉ20％、最大でＰｂ20％、最大でＣ２％、その残りが少な くとも50％のＣｕであることを特徴とするシリンダ要素。 ６．請求項５に記載のシリンダ要素において、合金が、９乃至10％のＡｌと、 ０乃至１％のＦｅと、残部Ｃｕとから成ることを特徴とするシリンダ要素。 ７．請求項１乃至４の何れかに記載のシリンダ要素において、Ａｌ−青銅層が 体積比で１乃至30％の酸化物を含むことと、酸化物の量がならし層（３７）内に て最小であり、好ましくは体積比で10％以下であることと、ならし層の下方の耐 摩耗層内にて体積比で少なくとも２％、好ましくは体積比で少なくとも10％であ ることとを特徴とするシリンダ要素。 ８．請求項１乃至７の何れかに記載のシリンダ要素において、Ａｌ−青銅の層 が他方の頂部に溶射されることと、後続の層を溶射する前に溶射層に対して硬さ を増す機械的な作用力を加えることと、直前に溶射した層の上に粗さを低減する 機械加工を全く行わないことを特徴とするシリンダ要素。 ９．全負荷時におけるその最高燃焼圧力が100バール以上であり、ピストン（ ５）には、幾つかのピストンリングが設けられ、該ピストンが少なくとも750ｍ ｍの行程距離にてシリンダライナー（１）内を往復運動し、該ピストンリングが 、リングの高さを上廻る軸方向高さを有する環状溝内に取り付けられた状態にて 、少なくとも150ｍｍの外径を有し、該ピストンリングの各々がライナーの内面 （１３）に沿って摺動する半径方向外面を有し、該ピストンリングには、その半 径方向外面に少なくとも１つの熱溶射層が付与される、ディーゼル型内燃機関、 特に、２行程クロスヘッド型エンジンにおけるピストンリング（１９）において 、 少なくとも１つの溶射層（３２）がＡｌ−青銅であり、Ａｌ−青銅の被覆の合 計厚さが少なくとも0.05ｍｍであり、最外側層が平均硬さが最大で330ＨＶ20の ならし層であることを特徴とするピストンリング。 １０．請求項９に記載のピストンリングにおいて、最外側層（３２）の硬さが、 機械的な作用力により増大するようにしたことを特徴とするピストンリング。