【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]
本発明は例えば内燃機関のシリンダーやピスト
ン等に適用されるセラミクス−金属複合体の製造
方法に関するものである。
従来、この種のセラミクス−金属複合体はセラ
ミクス芯材表面に金属層を鋳造することによつて
製造されていたが、セラミクス芯材表面が高温の
溶湯に曝露されることによる熱衝撃によつてセラ
ミクス芯材に亀裂が生じ、複合体の強度が著るし
く低下すると云う問題点があつた。
本発明は上記問題点を解決することを目的とし
セラミクス表面を金属の溶射層によつて保護する
ことを骨子とするものである。
本発明を以下に詳細に説明する。
本発明に用いられるセラミクス芯材とは例えば
アルミナ（Al2O3）、ジルコニア（ZrO2）ジルコ
ン（ZrSiO4）、酸化クロム（Cr2O3）、チタンアル
ミナ（TiAl2O5）等の一般的なセラミクスの粉末
を所望なれば合成樹脂結着剤を添加して所定形状
に付き固め、その後焼成することによつて該粉末
を焼結せしめたものである。
本発明に用いられる金属溶射層とは、例えばチ
タン、ジルコン、クロム、鉄、ニツケル、コバル
ト等の遷移金属、アルミニウム、ガリウム等の土
類金属、あるいはステンレス鋼、ジユラルミン、
ハステロイ、インコネル、コンスタンタン等の金
属もしくは合金を棒状あるいは粉末状で酸素−ア
セチレンガスの炎、あるいはプラズマジエツトに
よつて上記セラミクス芯材表面に溶射したもので
ある。
上記金属を溶射する際にセラミクス芯材表面に
及ぼされる溶射熱は使用する金属の融点によつて
は鋳造時の溶湯の温度と殆んど同様な場合もある
が、溶射熱は鋳造の場合とはことなり溶射の場合
はセラミクス芯材表面の極く一部分に及ぼされる
のであるからセラミクス芯材は溶射熱には充分に
耐え亀裂は生じない。
かくしてセラミクス芯材表面は均一な多孔質金
属層である上記溶射層によつて保護されるから、
これを所定の鋳型内にインサートして溶湯を注入
し溶射層表面に金属層を鋳造する。鋳造時には溶
湯の高温は上記溶射層に及ぼされるが溶射層は均
一な多孔質構造を有しているから、該溶湯は該溶
射層をバイパスすることなく外面から徐々に浸透
して行き、その間に該溶湯の熱衝撃は容易に吸収
され、セラミクス芯材に亀裂を生じない。そして
セラミクス芯材は溶射層によつて直接溶湯が接し
ないように保護され亀裂発生を防止される。上記
溶射層は通常0.1〜１mm程度の厚さにされるが、
溶射層の薄い場合、例えば0.5mm以下の場合には
溶射層によつて保護されたセラミクス芯材を予熱
することが望ましい。また溶射層を構成する金属
（溶射金属）の融点は鋳造される金属（鋳造金属）
の融点と等しいかまたはそれ以下であるから、金
属層鋳造の際には溶湯の熱を溶射金属が融解熱と
して奪い溶湯の熱はセラミクス芯材に及びにくく
なる。このような融解熱効果効果によつても溶射
層はセラミクス芯材を保護するものである。また
溶射層の金属として金属層の金属と同種のもの、
あるいは該金属と固溶体もしくは化合物を作り得
るものを選択すれば溶射層と金属層との結合力は
大きくなる。
かくして例えば第１図に示すようなセラミクス
−金属複合体からなる筒体１０を得るが、該筒体
１０において、１はセラミクス芯材、２は溶射
層、３は金属層である。
本発明は上記したようにセラミクス芯材表面を
均一な多孔質構造を有する金属溶射層で保護する
から金属層鋳造の際の溶湯の高温による熱衝撃は
溶射層に吸収されかつ融解熱として奪われて、セ
ラミクス芯材に亀裂が生ずることを防止される。
溶射によればセラミクス芯材の形状の如何によら
ず、所望の厚みの均一な多孔質構造を簡単に形成
することが出来る。そして金属層を鋳造によつて
形成すればセラミクス芯材の形状、あるいは最終
製品の形状が如何するものであつても容易に適用
され、また金属層冷却の際の収縮によつてセラミ
クス芯材に圧縮圧力が及ぼされ構造が強化され
る。
実施例 １
第１図に示すような筒体１０を製造した。セラ
ミクス芯材１は炭化珪素成形物からなる直径30
mm、長さ30mm、肉厚３mmの筒状態であり、該芯材
１の表面にはインコネル713C粉末を酸水素炎に
よつて溶射して肉厚0.5mmの溶射層２を形成した。
上記溶射層２によつて保護された芯材１は予熱さ
れてから鋳型内にインサートし1450℃のインコネ
ル713C溶湯を注入して冷却固化せしめ金属層３
を形成した。かくして得られた製品１０において
は芯材１に亀裂の発生は全く見られなかつた。比
較として溶射層２によつて保護されない芯材１に
直接金属層３を鋳造した場合には芯材１を予熱し
ても亀裂の発生を見た。
実施例 ２
実施例1.の筒体１０において溶射層２の肉厚を
１mmに増加させた場合、芯材１を予熱することな
く金属層３を鋳造しても芯材１には亀裂が発生し
なかつた。
実施例 ３
実施例2.の筒体１０において、芯材１の材料を
アルミナとし、溶射層２の材料をアルミニウムと
し金属層３の材料と同じくアルミニウムとしても
実施例2.と同様な製品１０が得られ、芯材１には
全く亀裂が発生しなかつた。
実施例 ４
実施例2.の筒体１０において、芯材１の材料を
ジルコンとし、溶射層２の材料をクロムとし、金
属層３の材料をクロムとしても実施例2.と同様な
製品が得られ、芯材１には全く亀裂が発生しなか
つた。
耐久性試験
上記各実施例で得られた製品を800℃で５分間
加熱した後５分間空冷する加熱−冷却サイクルを
繰り返し芯材１と金属層３とが剥離するまでの回
数を求めた。結果は第１表に示される。
The present invention relates to a method for manufacturing a ceramic-metal composite that is applied to, for example, cylinders and pistons of internal combustion engines. Conventionally, this type of ceramic-metal composite was manufactured by casting a metal layer on the surface of a ceramic core material, but the surface of the ceramic core material was produced by thermal shock caused by exposure to high-temperature molten metal. There was a problem in that cracks were generated in the ceramic core material, and the strength of the composite was significantly reduced. The present invention aims to solve the above-mentioned problems and is based on protecting the ceramic surface with a sprayed metal layer. The present invention will be explained in detail below. The ceramic core materials used in the present invention include general materials such as alumina (Al 2 O 3 ), zirconia (ZrO 2 ), zircon (ZrSiO 4 ), chromium oxide (Cr 2 O 3 ), and titanium alumina (TiAl 2 O 5 ). If desired, a synthetic resin binder is added to solidify ceramic powder into a predetermined shape, and the powder is then sintered by firing. The metal sprayed layer used in the present invention includes, for example, transition metals such as titanium, zircon, chromium, iron, nickel, and cobalt, earth metals such as aluminum and gallium, or stainless steel, duralumin,
Metals or alloys such as Hastelloy, Inconel, and Constantan are thermally sprayed in the form of rods or powder onto the surface of the ceramic core material using an oxygen-acetylene gas flame or a plasma jet. The thermal spraying heat applied to the surface of the ceramic core material when thermally spraying the above metals may be almost the same as the temperature of the molten metal during casting depending on the melting point of the metal used; In the case of thermal spraying, since the spraying is applied to only a small portion of the surface of the ceramic core material, the ceramic core material can sufficiently withstand the spraying heat and no cracks will occur. In this way, the surface of the ceramic core material is protected by the sprayed layer, which is a uniform porous metal layer.
This is inserted into a predetermined mold and molten metal is injected to cast a metal layer on the surface of the sprayed layer. During casting, the high temperature of the molten metal is applied to the sprayed layer, but since the sprayed layer has a uniform porous structure, the molten metal gradually penetrates from the outer surface without bypassing the sprayed layer. Thermal shock of the molten metal is easily absorbed and does not cause cracks in the ceramic core. The ceramic core material is protected from direct contact with the molten metal by the sprayed layer, and cracks are prevented from occurring. The above sprayed layer is usually about 0.1 to 1 mm thick,
When the sprayed layer is thin, for example 0.5 mm or less, it is desirable to preheat the ceramic core protected by the sprayed layer. Also, the melting point of the metal that makes up the sprayed layer (sprayed metal) is the melting point of the metal that is cast (cast metal).
Since the melting point is equal to or lower than the melting point of the ceramic core material, the sprayed metal absorbs the heat of the molten metal as fusion heat during metal layer casting, making it difficult for the molten metal's heat to reach the ceramic core material. The sprayed layer also protects the ceramic core material due to the heat of fusion effect. Also, the metal of the sprayed layer is the same type as the metal of the metal layer,
Alternatively, if a material that can form a solid solution or a compound with the metal is selected, the bonding force between the sprayed layer and the metal layer will be increased. In this way, for example, a cylinder 10 made of a ceramic-metal composite as shown in FIG. 1 is obtained. In the cylinder 10, 1 is a ceramic core material, 2 is a sprayed layer, and 3 is a metal layer. As described above, the present invention protects the surface of the ceramic core material with a sprayed metal layer having a uniform porous structure, so the thermal shock caused by the high temperature of the molten metal during metal layer casting is absorbed by the sprayed layer and taken away as heat of fusion. This prevents cracks from forming in the ceramic core material.
By thermal spraying, it is possible to easily form a uniform porous structure with a desired thickness, regardless of the shape of the ceramic core material. If the metal layer is formed by casting, it can be easily applied to any shape of the ceramic core material or the shape of the final product. Compressive pressure is applied to strengthen the structure. Example 1 A cylinder 10 as shown in FIG. 1 was manufactured. Ceramic core material 1 is made of silicon carbide molded material and has a diameter of 30 mm.
The core material 1 had a cylindrical shape with a length of 30 mm, a wall thickness of 3 mm, and a sprayed layer 2 with a wall thickness of 0.5 mm was formed on the surface of the core material 1 by spraying Inconel 713C powder using an oxyhydrogen flame.
The core material 1 protected by the thermal spray layer 2 is preheated, then inserted into a mold, and molten Inconel 713C at 1450°C is poured into it to cool and solidify the metal layer 3.
was formed. In the thus obtained product 10, no cracks were observed in the core material 1. For comparison, when the metal layer 3 was directly cast on the core material 1 that was not protected by the thermal spray layer 2, cracks were observed even though the core material 1 was preheated. Example 2 When the thickness of the sprayed layer 2 is increased to 1 mm in the cylindrical body 10 of Example 1, cracks occur in the core material 1 even if the metal layer 3 is cast without preheating the core material 1. I didn't. Example 3 In the cylindrical body 10 of Example 2, the core material 1 is made of alumina, the thermal spray layer 2 is made of aluminum, and the metal layer 3 is made of aluminum as well. No cracks were generated in the core material 1. Example 4 In the cylindrical body 10 of Example 2, a product similar to that of Example 2 can be obtained by using zircon as the material of the core material 1, using chromium as the material of the sprayed layer 2, and using chromium as the material of the metal layer 3. No cracks were generated in the core material 1. Durability Test A heating-cooling cycle was repeated in which the products obtained in each of the above Examples were heated at 800° C. for 5 minutes and air-cooled for 5 minutes, and the number of times until the core material 1 and the metal layer 3 peeled off was determined. The results are shown in Table 1.
【表】
第１表にみるように本発明の製品は高度な耐久
性を有する。[Table] As shown in Table 1, the products of the present invention have a high degree of durability.
【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]
第１図は本発明の一実施例の斜視図である。
図中、１……セラミクス芯材、２……溶射層、
３……金属層。
FIG. 1 is a perspective view of one embodiment of the present invention. In the figure, 1...ceramic core material, 2...sprayed layer,
3...Metal layer.