JPH0350830B2 - - Google Patents

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JPH0350830B2
JPH0350830B2 JP57135851A JP13585182A JPH0350830B2 JP H0350830 B2 JPH0350830 B2 JP H0350830B2 JP 57135851 A JP57135851 A JP 57135851A JP 13585182 A JP13585182 A JP 13585182A JP H0350830 B2 JPH0350830 B2 JP H0350830B2
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JP
Japan
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cylinder
ceramic layer
layer
wear
ceramic
Prior art date
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JP57135851A
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English (en)
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JPS5925058A (ja
Inventor
Haratsugu Koyama
Shoji Myazaki
Joji Myake
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP57135851A priority Critical patent/JPS5925058A/ja
Publication of JPS5925058A publication Critical patent/JPS5925058A/ja
Publication of JPH0350830B2 publication Critical patent/JPH0350830B2/ja
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/18—Other cylinders

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)
  • Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
本発明は、内燃機関用シリンダ、特に、ピスト
ンとの摺動面における耐摩耗性および耐焼付性と
ともに、断熱性をも有するシリンダに関するもの
である。 近年、内燃機関における熱損失を低減させて、
エネルギ効率を向上させる目的で、燃焼室周辺を
断熱することが種々検討されている。その一つと
してシリンダの断熱化がある。シリンダ部位にお
ける熱損失は非常に大きく、その断熱化によつて
もたらされる熱損失の低減率が大であり、エネル
ギ効率の向上に大きく貢献することから、この断
熱化は各方面にて検討されている。このシリンダ
の断熱化の手段として最も一般的に行なわれてい
るのは、シリンダライナを従来の鋳鉄などの金属
材料に代えてある種のセラミツク材料によつて構
成するという手段であり、該手段によれば、熱損
失をかなり低減しうるが、一方において、次のよ
うな問題点があり、実用的なものとは云えない。
すなわち、 (1) シリンダライナ材料には、高い機械的強度、
耐摩耗性および耐衝撃性が要求されるが、これ
らの特性を満足させるにはセラミツク材料とし
てSi3N4またはSiCなどの高級材を必要とし、
コスト的に相当高価になるとともに、それらの
耐久信頼性も充分に確立されていない。 (2) シリンダライナは、外周部はシリンダブロツ
クとの嵌合、内周部はピストンとの摺動に供さ
れるものであるから、その外周面および内周面
ともに高い寸法精度が要求されるほか、内周面
については良好な表面粗度も必要となる。しか
しながら、セラミツク材料は一般に加工が難し
いことから、高い製造技術が必要であり、また
生産性も低い。 (3) SiN4またはSiCなどのセラミツク材料は、金
属材料に比べて熱膨張係数が低く、セラミツク
材料を用いて製造されるシリンダライナと金属
材料を用いて製造されるピストン(またはピス
トンリング)との間に相当大きなクリアランス
を必要とし、エンジン性能の低下をきたす。 また、このようにシリンダライナ全体をセラミ
ツク材料によつて構成するのではなく、溶射など
のコーテイング法によつて、シリンダの内周面に
セラミツク層を形成することも研究されている
が、従来の方法はある一つのセラミツク材料より
なる単一セラミツク層であるため、各種特性の要
求されるシリンダとして満足のいくものは得られ
ていないのが現状である。 本発明は、こうして事情を鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、セラミツク材
料を利用することによつても、上記各種問題を生
ぜず、しかも、上記各種特性を同時に満足しうる
内燃機関用シリンダを提供することになる。本発
明は、シリンダ本体を金属材料によつて構成し、
該シリンダ本体の内周面にセラミツク層を形成せ
しめ、しかも、該セラミツク層を二層とし、該二
層のうちの一の層すなわち摺動面となる層を主と
して耐摩耗性を付与するセラミツク材料によつて
構成し、他の層を主として断熱性を付与するセラ
ミツク材料によつて構成するとともに、シリンダ
本体と前記セラミツク二層との間に、金属材料と
セラミツク材料の結合性を高めかつ両材料の中間
的な熱膨張係数を有する材料からなる結合材層を
介在せしめた構成としたものである。 より具体的には、本発明による内燃機関用シリ
ンダは、金属材料からなるシリンダ本体の内周面
に、溶射たとえばプラズマ溶射によつて、 Ni−Al合金、Ni−Cr合金、Ni−Cr−Al合金
またはNi−Cr−Mo合金の群から選ばれた材料よ
りなる結合材層、 Y2O3安定化ZrO2、CaO安定化ZrO2および
MgO安定化ZrO2の群から選ばれた材料よりなる
断熱性セラミツク層、そして Al2O3・TiO2およびCr2O3の群から選ばれた材
料よりなる耐摩耗性セラミツク層を順次積層して
なるものである。こうした各層の配置関係をわか
り易くするために、本発明シリンダの軸方向断面
を図に示す。図において、1はシリンダ本体、2
は結合材層、3は断熱性セラミツク層そして4は
耐摩耗性セラミツク層をそれぞれ示す。 以下、各構成要件について説明する。 (イ) シリンダ本体: 金属材料たとえば鋳鉄、鋼またはアルミニウ
ムが使用できる。なお、シリンダ本体は、シリ
ンダを構成する部分であつて各層(すなわち結
合材層、断熱性セラミツク層および耐摩耗性セ
ラミツク層)を除いた部分を指し、シリンダラ
イナ単独またはシリンダブロツクを含めた概念
として理解されたい。 (ロ) 結合材層: 該層を構成する材料としては、シリンダ本体
と断熱性セラミツク層との結合性を高め、か
つ、シリンダ本体を構成する材料と断熱性セラ
ミツク層を構成する材料との中間的な熱膨張係
数を有することが要件とされる。また、断熱性
シリンダを目的としていることから、熱伝導性
の低い材料であることが好ましい。こうしたこ
とから、本発明は、結合材層としてNi−Al合
金、Ni−Cr合金、Ni−Cr−Al合金またはNi−
Cr−Mo合金の群から選択した材料、より好ま
しくは80Ni−20Cr合金、95Ni−5Al合金また
は(80Ni−20Cr)−5Al合金の群から選択した
材料を適用するものである。 (ハ) 断熱性セラミツク層: 該層を構成する材料としては、断熱性に優れ
た換言すれば熱伝導性の低いことが要件とされ
る。また、合わせて、該断熱性セラミツク層の
両面側に位置することとなる結合材層および耐
摩耗性セラミツク層をそれぞれ構成する材料と
の熱膨張差が小さい材料であることが好まし
い。こうしたことから、本発明は、断熱性セラ
ミツク層として、Y2O3安定化ZrO2、CaO安定
化ZrO2およびMgO安定化ZrO2の群から選択し
た材料を適用するものである。 (ニ) 耐摩耗性セラミツク層: 該層を構成する材料としては、耐摩耗性およ
び耐焼付性に優れていることが要件とされる。
また、合わせて、断熱性に優れ、そして断熱性
セラミツク層を構成する材料との熱膨張差が小
さい材料であることが望まれる。こうしたこと
から、本発明は、耐摩耗性セラミツク層とし
て、Al2O3・TiO2およびCr2O3の群から選択し
た材料を適用するものである。 また、各層(ロ)〜(ニ)の厚みは、それぞれ次のよう
な範囲が好ましい。 (ロ) 結合材層: 20〜100μ (ハ) 断熱性セラミツク層: 100〜1500μ (ニ) 耐摩耗性セラミツク層: 50〜200μ この場合、(ハ)について言及すると、断熱性は厚
みを厚くすればする程高められるが、前述した如
く一方において、断熱性以外のシリンダとして要
求される特性たとえば耐摩耗性の低下をきたし、
しかも、コスト高につながることから、低熱伝導
性の材料(すなわち断熱性を付与する材料)を使
用する限りにおいて、上記範囲が好ましい。 次に、本発明を実施例に基づいて説明する。 実施例 1 内径:91mm、外形:95mm、長さ:180mmの鋳鉄
製シリンダライナ1の内周面に、まず結合材層2
としてNi−4.5%Al複合粉末を0.07mm、断熱性セ
ラミツク層3として5%CaO安定化ZrO2粉末を
0.33mm、そして耐摩耗性セラミツク層4として
Cr2O3粉末を0.2mmの厚みになるように溶射した。
溶射はMETCO社製内周面プラズマ溶射装置
(7M−T型)によつて行ない、プラズマ用ガスと
してはAr−H2を使用した。溶射後、内周面を研
摩およびホーニングして内径:90mmに仕上げた。
この結果、Cr2O3からなる耐摩耗性セラミツク層
4の仕上げ後における厚みは0.1mmとなる。また、
仕上げ後の表面粗さは、0.5〜0.8Zであつた。 実施例 2 耐摩耗性セラミツク層4の材料として、Cr2O3
粉末の代りに、Al2O3−30%TiO2粉末を用いる以
外、実施例1と同様の方法でシリンダライナを作
製した。 比較例 1 Cr2O3粉末からなる耐摩耗性セラミツク層を存
在させず、該当する部分にも5%CaO安定化
ZrO2からなる断熱性セラミツク層3を存在させ
る以外、実施例1と同様の方法でシリンダライナ
を作製した。この場合、断熱性セラミツク層につ
いては、溶射は0.53mmの厚みになるように行なわ
れ、また仕上げ後の厚みは0.43mmとなる。 比較例 2 ZrO2粉末からなる断熱性セラミツク層3を存
在させず、該当する部分にCr2O3粉末からなる耐
摩耗性セラミツク層4を存在させる以外は、実施
例1と同様の方法でシリンダライナを作製した。
この場合、耐摩耗性セラミツク層4については、
溶射は0.53mmの厚みになるように行なわれ、また
仕上げ後の厚みは0.43mmとなる。 比較例 3 実施例1の仕上げ形状と同一のシリンダライナ
を鋳鉄だけによつて作製した。 比較例 4 実施例1の仕上げ形状と同一のシリンダライナ
をSi3N4焼結体だけによつて作製した。 これらの実施例および比較例のシリンダライナ
を2.2のデイーゼル機関に挿入し、性能試験を
行なつた。なお、ピストンリングには第1圧縮リ
ング、第2圧縮リングおよび油リングともに摺動
面にCr2O3溶射したものを使用した。 この結果を第1表に示す。
【表】
【表】 の深さの位置にて測定
** 4000r.p.m.×Full×100時間の耐久試験後にお
いて測定
上記第1表の結果から、本発明のシリンダ(実
施例1,2)は、金属材料だけからなるシリンダ
(比較例3)に比較して、約100℃の壁温上昇すな
わち断熱効果がみられ、セラミツク材料だけから
なるシリンダ(比較例4)と同等の効果となつ
た。そして、耐久性についてみると、100時間耐
久試験をパスし、しかも、シリンダライナ摩耗量
およびピストンリング摩耗量ともに軽微であつ
た。また、比較例1のように耐摩耗性セラミツク
層を存在させないものは、断熱効果は大きいがシ
リンダライナの耐摩耗性に難点があり、比較例2
のように断熱性セラミツク層を存在させないもの
は、シリンダライナの耐摩耗性は良好であるが断
熱性の点で劣る。 本発明によれば、シリンダを金属材料だけでな
くセラミツク材料によつても構成したことから、
シリンダの断熱性が向上する。しかも、シリンダ
の大部分を占めるシリンダ本体は金属材料によつ
て構成していることから、シリンダに対する摺動
部材であるピストン(ピストンリングも含む)と
の熱膨張差について、セラミツク材料を使用して
いるにも拘らず、あまり考慮しなくてよい。セラ
ミツク材料として二種の材料を使用し、各材料に
よつてそれぞれセラミツク層を構成せしめ、該セ
ラミツク層のうち一の層に主として断熱性を、他
の層に主として耐摩耗性を担当せしめたことか
ら、各特性について最適な材料を広範囲なセラミ
ツク材料から自由に選択できるとともに、シリン
ダの各特性がともに大きく向上される。金属材料
からなるシリンダ本体とセラミツク材料からなる
セラミツク層との間に、これら各材料の結合性を
高めかつ熱膨張差を吸収しうる材料、すなわち、
金属材料とセラミツク材料との中間的な熱膨張係
数を有する材料からなる結合材層を介在せしめた
ことから、シリンダの耐衝撃性の低下を抑制でき
る。
【図面の簡単な説明】
図は本発明に係るシリンダの一部断面図を表わ
す。 1……シリンダ本体、2……結合材層、3……
断熱性セラミツク層、4……耐摩耗性セラミツク
層、なお、一点鎖線はシリンダの中心軸を示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 金属材料からなるシリンダ本体の内周面に、
    溶射によつて、 Ni−Al合金、Ni−Cr合金、Ni−Cr−Al合金
    またはNi−Cr−Mo合金の群から選ばれた材料よ
    りなる結合材層、 Y2O3安定化ZrO2、CaO安定化ZrO2および
    MgO安定化ZrO2の群から選ばれた材料よりなる
    断熱性セラミツク層、そして Al2O3・TiO2およびCr2O3の群から選ばれた材
    料よりなる耐摩耗性セラミツク層を順次積層して
    なる内燃機関用シリンダ。
JP57135851A 1982-08-04 1982-08-04 内燃機関用シリンダ Granted JPS5925058A (ja)

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