JPH1068058A

JPH1068058A - 溶射方法

Info

Publication number: JPH1068058A
Application number: JP22404996A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Mori; 和彦森; Kouta Kodama; 幸多児玉; Takaaki Nakano; 敬章中野; Koichi Tsunekawa; 浩一恒川
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 1996-08-26
Filing date: 1996-08-26
Publication date: 1998-03-10

Abstract

(57)【要約】【課題】基材に対する溶射被膜の密着性の向上に有利な
溶射方法を提供する。【解決手段】基材に溶射したときに体積膨張が可能な物
質を含む溶射材を基材に溶射する。この物質としては、
マルテンサイト変態する鋼系粉末を採用できる。溶射被
膜２の冷却に伴う体積収縮が、体積膨張で吸収され、剥
離の要因となり得る溶射被膜２の残留引張応力が緩和さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は密着性を向上させ得
る溶射方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、溶射材を基材に溶射して溶射
被膜を形成する溶射方法が知られている。これにより耐
摺動性、耐摩耗性等の向上に貢献できる。例えば特公昭
５４−４２８５５号公報には、溶湯を急冷して白銑を形
成し、その白銑を１００メッシュ以上の大きさに粉砕し
た鋳鉄粉末を溶射材として用い、この溶射材を基材に溶
射処理し、これにより炭化鉄を主体とする溶射被膜を得
る方法が開示されている。

【０００３】ところで溶射方法では、基材に対する溶射
被膜の密着性を高めるため、従来より種々の方策が採用
されている。例えば、溶射処理に先立って基材の表出面
にブラスト処理する方策、基材を予熱して溶射被膜の応
力を緩和する方策である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら近年、溶
射被膜の密着性の向上が一層要請されている。上記した
方策だけでは、基材に対する溶射被膜の密着性の向上に
は限界がある。本発明は上記した実情に鑑みなされたも
のであり、基材に対する溶射被膜の密着性の向上を図る
のに有利な溶射方法を提供することを課題とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者は溶射方法につ
いて長年にわたり鋭意開発を進めている。そして、基材
に溶射された溶射材が基材上で冷却される際に体積膨張
する物質を溶射材に含ませ、その溶射材を溶射すれば、
基材に対する密着性が向上することを知見し、試験で確
認し、本発明方法を完成した。

【０００６】密着性が向上する理由は、体積膨張により
溶射被膜が圧縮状態になり易いため、密着力の低下の要
因となる残留引張応力の緩和を図り得るためと推察され
る。なお上記した特公昭５４−４２８５５号公報に係る
技術では、白銑組成であるため、溶射粉末が凝固して溶
射被膜となる際にチル化するため凝固収縮率が大きいも
のである。

【０００７】本発明に係る溶射方法は、溶射材を基材に
溶射して溶射被膜を形成する溶射方法であって、溶射材
は、基材に溶射された溶射材が基材上で冷却される際に
体積膨張する物質を含むことを特徴とするものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明方法によれば、溶射材の凝
固→冷却の際に体積膨張する物質を溶射材に含むことに
より、溶射被膜における残留応力を「引張応力」から
「圧縮応力」へシフトする形態であることが好ましい。
本発明方法で用いる体積膨張する物質としては、溶射後
の冷却の際にマルテンサイト変態する鋼系を採用でき
る。従って溶射粉末の粒子は、臨界冷却速度以上の速度
で冷却することが好ましい。

【０００９】マルテンサイト変態における体積膨張量は
一般的に炭素量に依存すると考えられている。鋼系の炭
素量としては溶射粉末の種類によっても相違するもの
の、重量比で、上限値が１．５％、１．８％程度にで
き、下限値が０．２％程度、０．３％程度にできる。本
発明方法では、溶射材は、鋼系粉末と非鋼系粉末との混
合粉末で形成することができる。鋼系粉末の量は、鋼系
粉末の炭素含有量、要請される体積膨張量等の要因に応
じて適宜選択するものの、溶射材を１００％としたと
き、体積比で鋼系粉末は２０〜６０％、特に３５〜５０
％にできる。

【００１０】ところで文献（日本鉄鋼協会、鉄の熱処
理、改訂５版、６３頁）によれば、マルテンサイト変態
における鋼系の体積膨張量をＶ_a〔％〕とすると、Ｖ_a
〔％〕＝１．６９×％Ｃで表わされると報告されてい
る。％Ｃは、鋼系に含まれる重量比での炭素量を意味す
る。また溶射被膜に生成される残留引張応力が、主とし
て、回復域以下の温度領域における冷却に起因するもの
と考えた場合には、回復域以下の温度領域における溶射
被膜の体積収縮量と、マルテンサイト変態が生じたとき
における鋼系の体積膨張量との双方を考慮する必要があ
る。

【００１１】溶射被膜全体が鋼系である場合には、本発
明者による試算によれば次のようになる。即ち、融点を
Ｔ_Mとすれば、鋼の場合、一般的には回復温度はＴ_M／
２≒６２０℃と考えられる。そのため、約６００°Ｃ以
下の温度領域における溶射被膜の体積収縮量と、マルテ
ンサイト変態が生じたときにおける鋼系の体積膨張量と
の双方を考慮する必要がある。この事情を考慮すれば、
実質的には溶射被膜の体積膨張の割合〔％〕は、鋼系溶射被膜における体積膨張の割合〔％〕＝マルテンサイト変態が生じたときにおける鋼系の体積膨張量−６００°Ｃ以下で溶射被膜が体積収縮する量＝１．６９×％Ｃ−６００×１４．５×１０^-6×１００＝１．６９×％Ｃ−０．８７……（１）この（１）式に基づけば、鋼系の炭素量が重量比で１％
のときには、溶射被膜の体積膨張の割合は、１．６９×
１％−０．８７＝０．８２％と試算することができる。

【００１２】なお上記した試算は、あくまでも目安とし
ての試算であり、無視している因子もあるため、実際の
膨張量とは一致しないこともある。更に本発明方法で用
いる溶射材としては粉末状の形態が好ましいが、場合に
よっては棒状、線状のものも採用できる。マルテンサイ
ト変態の促進を考慮し、溶射材には炭素の他に焼入性倍
数が高いＭｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｓｉ等の合金元素を
含ませることができる。

【００１３】本発明方法では、必要に応じて次の方策を
採用することもできる。即ち、体積膨張が溶射粉末のマ
ルテンサイト変態に基づく場合には、溶射粉末のマルテ
ンサイト変態を促進すべく、熱伝導率が高い基材を選択
したり、基材を強制冷却したり、基材に到達した溶融状
態の溶射粉末を冷却ガス等で強制冷却する方策を採用す
ることもできる。

【００１４】

【実施例】

（実施例１）実施例１について比較例と共に説明する。
この例は、Ｃｕ合金の溶射被膜を形成する場合を対象と
する。このＣｕ合金はアルミニウムブロンズ合金であ
り、その組成は重量比でＣｕ−１０％Ａｌ−０．４％Ｚ
ｎ−１％Ｆｅである。文献（理科年表）によれば、この
アルミニウムブロンズ合金の熱膨張率は１６×１０^-6／
Ｋである。

【００１５】上記したＣｕ合金の粉末（平均粒径４０〜
５０μｍ）を用い、基材としての円筒（材質：ＪＩＳ
ＡＣ８Ａ）の表出面に溶射処理を実行した。この溶射処
理は超音速ガスフレーム溶射とも呼ばれるＨＶＯＦ（Hi
gh Velocity Oxigen Fuel)処理であり、通常のプラズマ
溶射処理に比較して、粉末は高速（一般的には、プラズ
マ溶射処理の場合に比し数倍と言われている）で飛行す
ると共に、粉末粒子の溶融温度が低い溶射処理である。
一般的に、ＨＶＯＦ溶射処理で形成した溶射被膜の気孔
率は低いため溶射被膜が緻密であり、基材に対する溶射
被膜の密着力も強い。

【００１６】この溶射被膜の密着強度は、剪断法で測定
したところ６０ＭＰａであった。一方、溶射被膜の表面
における残留応力は引張応力で約４０ＭＰａと大きいこ
とがＸ線残留応力測定法にて測定された。このような溶
射被膜を旋盤にて加工した結果、溶射被膜に剥離が発生
した。以上が比較例である。これに対し本実施例によれ
ば、マルテンサイト変態を起こすための粉末として、重
量比で、Ｆｅ−１％Ｃ−１２％Ｃｒ−１％Ｓｉ合金の鋼
系粉末（平均粒径４０〜５０μｍ）を用いた。そして、
下記で述べる試算で求めた配合割合、即ち体積比で鋼系
粉末：Ｃｕ合金粉末＝４０：６０の配合割合で、上記し
たＣｕ合金粉末に鋼系粉末を混合し、本実施例に係る溶
射粉末を得た。なお鋼系粉末においてＣｒ量はマルサン
サイト変態の促進を意図している。

【００１７】この溶射粉末を用いてＨＶＯＦ溶射処理し
たところ、溶射被膜における残留応力は引張応力で約１
０ＭＰａとかなり低減していた。また加工した時、溶射
被膜における剥離の発生はなくなった。従って溶射被膜
の密着性が向上していることが確認された。本実施例に
よれば、鋼系粉末の配合割合の決定は次のようにして行
った。即ち、上記したＣｕ合金の融点をＴ_Mとすると、
Ｔ_M／２≒４００℃となる。そのため、Ｃｕ合金の溶射
被膜の体積収縮率は０．６２％と推定される。溶射被膜
のＣｕ合金の体積収縮量とマルテンサイト変態が発生し
たときにおける鋼系の体積膨張量とを相殺して、溶射被
膜における体積変化を実質的に０にするためには、ｘを
鋼系粉末の体積率、ｙをＣｕ合金粉末の体積％とするとｘ｛１．６９×％Ｃ）−０．８７｝−（ｙ×０．６２％）＝０ …… ｘ＋ｙ＝１００ …… を解けば実質的に、ｘ＝４３％、ｙ＝５７％とな
る。

【００１８】そこで本実施例では、上記した溶射粉末に
占める鋼系粉末の割合が前述したように約４０％となる
ように、鋼系粉末をＣｕ合金粉末に添加した溶射粉末を
得ている。なお試算上では溶射被膜の体積変化は０であ
るが、実際では０ではなく、上記のように残留引張応力
が小さいものの約１０ＭＰａであった。その理由として
は、鋼系粉末に包含されているＣｒによる％Ｃの固定、
マルテンサイト変態に伴う残留オーステナイトの存在の
ためと推察される。

【００１９】上記した実施例１における溶射処理におけ
る溶射条件、加工条件は基本的には次のようにした。（Ａ）溶射条件：プロピレン＝４０リットル／ｍｉｎ酸素＝４５リットル／ｍｍエア＝８０リットル／ｍｉｎ溶射被膜の膜厚＝０．５〜０．８ｍｍ（Ｂ）加工条件：回転数＝１０００ｒｐｍ切り込み量＝０．０５ｍｍ／ｒｅｖ刃具材質＝ＢＮ系本実施例では前述したように溶射処理としてＨＶＯＦ処
理が採用されている。この処理は、前述したように、通
常のプラズマ溶射処理に比較して、溶射粉末は高速で飛
翔すると共に、溶射粉末の溶融温度が比較的低目であ
る。そのため溶射粉末が基材に衝突する際には、溶射粉
末の粒子が基材に急激に衝突し易くなり、溶射粉末の粒
子の偏平化が促進され、基材に逃熱する度合が高くな
り、これによりマルテンサイト変態が促進され易くなる
と推察される。また冶金の分野では、焼入加熱温度が過
剰に高温であると、かえって焼きがはいりにくくなり、
残留オーステナイトが増加し易いと考えられている。こ
の点ＨＶＯＦ溶射処理が採用されている本実施例によれ
ば、溶射粉末の溶融温度が比較的低目であるため、焼入
処理が進行し易く、マルテンサイト変態の促進、残留オ
ーステナイトの低減に有利であると考えられる。（実施例２）実施例２について比較例と共に説明する。
この例はＮｉ−Ｃｒ合金の溶射被膜を形成する場合であ
る。溶射粉末を構成するＮｉ合金の組成は、重量比で、
Ｎｉ−１５％Ｃｒ−１％Ｃ−２％Ｓｉである。文献によ
れば、このＮｉ−Ｃｒ合金の熱膨張率は約１３×１０^-6
／Ｋである。

【００２０】この溶射粉末（平均粒径４０〜５０μｍ）
を、基材としての円筒（材質：ＡＣ８Ａ）の外周面に溶
射処理（ＨＶＯＦ）した。溶射被膜の密着強度について
は、剪断法で測定したところ７５ＭＰａであった。一
方、溶射被膜の表面の残留応力は引張応力であり、６５
ＭＰａとかなり大きかった。このようして形成した溶射
被膜について、前述同様に旋盤にて外周加工を施した結
果、溶射被膜の剥離が発生した。以上が比較例である。

【００２１】これに対し本実施例によれば、鋼系粉末と
して、重量比で、Ｆｅ−１．２％Ｃ−５％Ｃｒ−１％Ｓ
ｉ合金の粉末（平均粒径４０〜５０μｍ）を用いた。そ
して下記で述べる試算で求めた配合割合、即ち、体積比
で鋼系粉末：Ｎｉ−Ｃｒ合金粉末＝４０：６０の配合割
合で、上記した鋼系粉末をＮｉ−Ｃｒ合金粉末に混合
し、本実施例に係る溶射粉末を得た。

【００２２】この溶射粉末を用い、前述同様の円筒の外
周面に溶射処理（ＨＶＯＦ）した。溶射被膜の残留応力
は引張応力であり約１２ＭＰａとかなり低減していた。
更に溶射被膜を加工した時にも、溶射被膜の剥離はなく
なった。なお溶射条件や加工条件は実施例１に基づい
た。本実施例では鋼系粉末の配合割合は前述したように
４０％としているが、この配合割合は次のようにして決
定した。即ち、Ｎｉ−Ｃｒ合金の融点をＴ_Mとすると、
Ｔ_M／２≒５５０℃となる。Ｎｉ−Ｃｒ合金の溶射被膜
の場合、体積収縮率は０．７２％である。

【００２３】ここで、鋼系粉末のマルテンサイト変態に
おける体積膨張量とＮｉ−Ｃｒ合金の体積収縮量とを相
殺して、溶射被膜の体積変化を実質的にゼロにするため
の鋼系粉末の体積％をｘとし、Ｎｉ−Ｃｒ合金粉末の体
積率をｙとすると、ｘ｛（１．６９×１．２）−０．８７｝−ｙ×０．７２＝０…… ｘ＋ｙ＝１００ …… を解けば実質的に、ｘ＝３９、ｙ＝６１となる。従
って溶射粉末に占める鋼系粉末の配合割合を前述したよ
うに４０％とした。

【００２４】なお試算上では体積変化は０であるが、実
際では０ではなく上記のように残留引張応力が小さいも
のの約１２ＭＰａであった。その理由としては、前述同
様に、鋼系粉末に包含されているＣｒによる％Ｃの固
定、マルテンサイト変態に伴う残留オーステナイトの存
在のためと推察される。（適用例）図１〜図３は適用例を示す。この例では内燃
機関のアルミ合金系のピストン１にリング溝１１を形成
している。リング溝１１は、傾斜角θ１をもつ傾斜面１
１ａと、底面１１ｃをもつ。そして溶射ガン４により溶
射粉末を矢印Ａ１方向に噴出して、ピストン１のリング
溝１１に溶射被膜２を形成する。その後、溶射被膜２を
バイトで切削加工してピストンリング溝３を形成する。

【００２５】ピストンリング溝３は、ピストンリングと
摺動する摺動面３１、３２と、底面３３とをもつ。図３
（ａ）は切削加工する前の溶射被膜２の積層構造を模式
的に示し、図３（ｂ）は切削加工で形成した摺動面３
１、３２をもつピストンリング溝３付近の積層構造を模
式的に示す。図３（ｂ）から理解できるように、溶射粉
末の粒子は衝突に伴い偏平化され易いので、ピストンリ
ング溝３の摺動面３１、３２の単位面積において、各粉
末粒子の性質を複合化し易い。従って溶射被膜の密着性
を図り得る効果ばかりか、摺動特性を一層向上させる効
果も期待できる。

【００２６】更に図３（ａ）から理解できるように、溶
射被膜２のうち基材に接近している側の方が溶射被膜２
の熱が基材に逃熱され易いので、通常の形態では、溶射
被膜２の表面側よりも、溶射被膜２のうち基材との境界
側でマルテンサイト変態が促進され易いと考えられる。
故に、溶射被膜２と基材との境界領域における体積膨張
を期待でき、境界領域における密着力の向上に貢献でき
ると考えられる。

【００２７】上記した図１〜図３に示す適用例では溶射
被膜に切削加工を施しているが、溶射被膜に切削加工を
施すことなく、溶射被膜をそのまま利用する形態でも良
い。またマルテンサイト変態が終了するＭ_f点が室温以
下のときには、溶射処理の後に、基材に積層した溶射被
膜を室温以下の低温度に冷却することにより、溶射被膜
内の残留オーステナイトをマルテンサイトに変態させる
サブセロ処理を実行することもできる。この場合にはド
ライアイス、液体窒素、アンモニア、フレオン等の冷却
媒体を採用できる。

【００２８】（付記）上記した記載から次の技術的思想
も把握できる。 ○請求項１において、溶射材は鋼系粉末と非鋼系粉末と
の混合粉末で形成されており、溶射材を１００％とした
とき、体積比で鋼系粉末は２０〜６０％、特に３５〜５
０％含まれていることを特徴とする溶射方法。 ○請求項１において、溶射材は鋼系粉末と非鋼系粉末と
の混合粉末で形成されており、重量比で鋼系粉末は０．
３〜１．８％の炭素を含むことを特徴とする溶射方法。

【００２９】

【発明の効果】本発明方法によれば、密着性低下の要因
となり得る残留引張応力を溶射被膜において低減できる
ため、基材に対する溶射被膜の密着性を向上させ得る。
従って溶射被膜の長寿命化に有利である。更に体積膨張
する物質がマルサンサイト変態する鋼系である場合に
は、マルサンサイト変態した相は硬質相として機能で
き、溶射被膜の耐摩耗性の向上を期待できる。

【００３０】また一般論では残留応力は耐摩耗性に対し
てはマイナスの方向に作用すると考えられている。この
点本発明方法によれば、溶射被膜における残留引張応力
を低減できるため、この意味においても耐摩耗性の確保
に有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】適用例を示す構成図である。

【図２】ピストンリング溝付近の断面図である。

【図３】溶射被膜の内部を模式的に示す構成図である。

【符号の説明】

図中、１はピストン、１１はリング溝、３はピストンリ
ング溝を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中野敬章愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地アイシン精機株式会社内 (72)発明者恒川浩一愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地アイシン精機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶射材を基材に溶射して溶射被膜を形成す
る溶射方法であって、前記溶射材は、前記基材に溶射された溶射材が前記基材
上で冷却される際に体積膨張する物質を含むことを特徴
とする溶射方法。