JPH07116583B2 - 耐熱サイクル性溶射皮膜 - Google Patents
耐熱サイクル性溶射皮膜Info
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- JPH07116583B2 JPH07116583B2 JP62336652A JP33665287A JPH07116583B2 JP H07116583 B2 JPH07116583 B2 JP H07116583B2 JP 62336652 A JP62336652 A JP 62336652A JP 33665287 A JP33665287 A JP 33665287A JP H07116583 B2 JPH07116583 B2 JP H07116583B2
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- ceramic
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- sprayed
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は断熱性、耐熱性、あるいは耐摩耗性等に優
れ、基材表面に溶射によって形成された溶射皮膜に関
し、特に、耐熱サイクル性に優れた溶射皮膜に関するも
のである。
れ、基材表面に溶射によって形成された溶射皮膜に関
し、特に、耐熱サイクル性に優れた溶射皮膜に関するも
のである。
従来の技術 従来から、自動車エンジン用のピストンあるいはシリン
ダボア部などの如く、高温加熱される部位を有する部
材、特にアルミニウム合金を母材とする部材において
は、母材表面に熱伝導率が低くかつ耐熱性の優れたセラ
ミックを溶射して、断熱性、耐熱性に優れた溶射層を形
成することが行なわれている。
ダボア部などの如く、高温加熱される部位を有する部
材、特にアルミニウム合金を母材とする部材において
は、母材表面に熱伝導率が低くかつ耐熱性の優れたセラ
ミックを溶射して、断熱性、耐熱性に優れた溶射層を形
成することが行なわれている。
このような従来のセラミック溶射による断熱溶射部材に
ついて、ディーゼルエンジン用のピストンを例にとって
以下にさらに詳細に説明する。
ついて、ディーゼルエンジン用のピストンを例にとって
以下にさらに詳細に説明する。
近年、ディーゼルエンジンに使用されるピストンとして
は、エンジンにおける往復運動部の慣性力を低減させる
ための軽量化を主目的として、アルミニウム合金により
鋳造成形されたピストンを使用することが多くなってい
る。一方、最近のディーゼルエンジンでは、高過給、高
出力化の傾向が強く、そのためピストンに加わる熱負荷
も大きくなっている。しかるにアルミニウム合金は熱伝
導率が高い材料であるところから、アルミニウム合金製
のピストンでは、ピストン頂面の熱がピストンリング溝
部まで伝達されて、ピストンリング溝部が高温となり易
い。ところがピストンリング溝部が高温となり過ぎれ
ば、オイルの燃焼が生じ、ピストンリングの焼き付けな
どの不都合が生じる。そこで、ピストン頂面の熱がピス
トンリング溝部まで伝達されないように、ピストン頂面
に熱伝導率の低いセラミック材料を溶射して遮熱性を改
善する試みが適用されている。そしてこの場合、セラミ
ック溶射層とアルミニウム合金母材との密着性を良好に
するため、予めNi−Al合金やNi−Cr−Al合金、Ni−Cr−
Al−Ｙ合金あるいはNi−Co−Cr−Al−Ｙ合金などの下地
溶射層を溶射形成しておき、その上にセラミック溶射を
施すことが試みられている（例えば「Cumins/TACOM Adv
anded Adiabatic Engin」R.Kamo et al.;SAE Paper No.
840428号）。
は、エンジンにおける往復運動部の慣性力を低減させる
ための軽量化を主目的として、アルミニウム合金により
鋳造成形されたピストンを使用することが多くなってい
る。一方、最近のディーゼルエンジンでは、高過給、高
出力化の傾向が強く、そのためピストンに加わる熱負荷
も大きくなっている。しかるにアルミニウム合金は熱伝
導率が高い材料であるところから、アルミニウム合金製
のピストンでは、ピストン頂面の熱がピストンリング溝
部まで伝達されて、ピストンリング溝部が高温となり易
い。ところがピストンリング溝部が高温となり過ぎれ
ば、オイルの燃焼が生じ、ピストンリングの焼き付けな
どの不都合が生じる。そこで、ピストン頂面の熱がピス
トンリング溝部まで伝達されないように、ピストン頂面
に熱伝導率の低いセラミック材料を溶射して遮熱性を改
善する試みが適用されている。そしてこの場合、セラミ
ック溶射層とアルミニウム合金母材との密着性を良好に
するため、予めNi−Al合金やNi−Cr−Al合金、Ni−Cr−
Al−Ｙ合金あるいはNi−Co−Cr−Al−Ｙ合金などの下地
溶射層を溶射形成しておき、その上にセラミック溶射を
施すことが試みられている（例えば「Cumins/TACOM Adv
anded Adiabatic Engin」R.Kamo et al.;SAE Paper No.
840428号）。
しかしながらこのようにアルミニウム合金を母材として
下地溶射後セラミック溶射を施したピストンにおいて
は、母材であるアルミニウム合金とセラミック溶射層と
の熱膨張係数の差に起因して、エンジンの作動に伴なう
加熱−冷却を繰返している間にセラミック溶射層と下地
溶射層との界面近傍に亀裂が生じ、遂にはセラミック溶
射層の剥離・脱落に至ってしまうことがある。
下地溶射後セラミック溶射を施したピストンにおいて
は、母材であるアルミニウム合金とセラミック溶射層と
の熱膨張係数の差に起因して、エンジンの作動に伴なう
加熱−冷却を繰返している間にセラミック溶射層と下地
溶射層との界面近傍に亀裂が生じ、遂にはセラミック溶
射層の剥離・脱落に至ってしまうことがある。
そこで、ピストンのアルミニウム合金母材とセラミック
溶射層との熱膨張差を緩和するため、セラミック溶射層
と下地溶射層との間に中間層としてセラミックとNi系や
Co系の金属または合金との複合層、すなわちサーメット
層を設けておいたり、あるいは断熱溶射層そのものをセ
ラミックと金属とのサーメット層とした例がある。
溶射層との熱膨張差を緩和するため、セラミック溶射層
と下地溶射層との間に中間層としてセラミックとNi系や
Co系の金属または合金との複合層、すなわちサーメット
層を設けておいたり、あるいは断熱溶射層そのものをセ
ラミックと金属とのサーメット層とした例がある。
しかるにこのような従来の溶射によるサーメット層で
は、金属粒子がセラミック中に独立して散在する状態と
なっているため、高温となれば散在している金属が熱膨
張して、サーメット層の全体が破壊されてしまうことが
多く、そのため充分な耐熱サイクル性を得ることは困難
であった。
は、金属粒子がセラミック中に独立して散在する状態と
なっているため、高温となれば散在している金属が熱膨
張して、サーメット層の全体が破壊されてしまうことが
多く、そのため充分な耐熱サイクル性を得ることは困難
であった。
そこで、セラミック層中の気孔率を調整して、セラミッ
ク皮膜に生じる熱応力を気孔により緩和し、セラミック
溶射部材の耐熱サイクル性を向上させようとする試みが
なされている。すなわち、通常のセラミック皮膜中の気
孔率は８〜12％程度であるが、気孔率を増大させて20％
前後とすることによって耐熱サイクル性が向上すること
が確認されている。
ク皮膜に生じる熱応力を気孔により緩和し、セラミック
溶射部材の耐熱サイクル性を向上させようとする試みが
なされている。すなわち、通常のセラミック皮膜中の気
孔率は８〜12％程度であるが、気孔率を増大させて20％
前後とすることによって耐熱サイクル性が向上すること
が確認されている。
第３図に、セラミック溶射皮膜中の気孔率と、その溶射
皮膜に400℃→50℃→400℃→50℃…の加熱−冷却サイク
ルを与えた場合の皮膜剥離発生に至るまでのサイクル数
との関係を示す。この図からも、気孔率を20％前後とす
ることによって耐熱サイクル性を大幅に向上させ得るこ
とが判る。
皮膜に400℃→50℃→400℃→50℃…の加熱−冷却サイク
ルを与えた場合の皮膜剥離発生に至るまでのサイクル数
との関係を示す。この図からも、気孔率を20％前後とす
ることによって耐熱サイクル性を大幅に向上させ得るこ
とが判る。
上述のように気孔率を20％前後に増大させるための具体
的手段としては、溶射条件の面からは溶射出力を小さく
するとともに溶射距離を大きくする方法が有効であり、
またこのほか溶射粒子を大きくすることが考えられてい
る。また特開昭61−243164号公報においては、SiC等の
炭化物、Si3N4、BN等の窒化物もしくはホウ化物を通常
の溶射皮膜形成用のセラミック粉末（酸化物）と混合し
て溶射し、これらの炭化物や窒化物、ホウ化物が溶射時
に昇華し易いことを利用して溶射皮膜中の気孔率を増大
させる方法が提案されている。
的手段としては、溶射条件の面からは溶射出力を小さく
するとともに溶射距離を大きくする方法が有効であり、
またこのほか溶射粒子を大きくすることが考えられてい
る。また特開昭61−243164号公報においては、SiC等の
炭化物、Si3N4、BN等の窒化物もしくはホウ化物を通常
の溶射皮膜形成用のセラミック粉末（酸化物）と混合し
て溶射し、これらの炭化物や窒化物、ホウ化物が溶射時
に昇華し易いことを利用して溶射皮膜中の気孔率を増大
させる方法が提案されている。
発明が解決すべき問題点 前述のように気孔率を増大させるための手段として、溶
射出力（溶射電流）を小さくするとともに溶射距離を長
くする方法を適用して、気孔率を20％前後に増加させた
セラミック皮膜においては、通常の気孔率12％程度のセ
ラミック溶射皮膜と比較すれば格段に耐熱サイクル性が
向上するが、これを実際のピストンに適用した場合、未
だ不充分であることが判明した。すなわち、アルミニウ
ム合金製ピストンヘッドの頂面に気孔率20％のセラミッ
ク溶射皮膜を形成して、４気筒2200ccディーゼルエンジ
ンに組込み、［過給圧650mmHgでの400rpm全負荷運転６
分］→［アイドリング１分］→［停止６分］→［アイド
リング１分］を１サイクルとして、このサイクルを繰返
し運転したところ、150時間で溶射皮膜が剥離脱落して
しまうことが判明した。この耐久時間150時間は、気孔
率が12％の通常のセラミック溶射皮膜の場合の10時間未
満と比較すれば格段に優れてはいるが、目標とする耐入
時間（250時間以上）には至っておらず、未だ充分な耐
久性を有しているとは言いえないのが実情である。この
ように、150時間程度で溶射皮膜が剥離してしまう理由
として考えられるのは、溶射電流を小さくするとともに
溶射距離を大きくすることにより気孔率は増大するが、
それと同時に粒子間結合力も小さくなること、また気孔
形状に鋭角な部分が存在するため、その部分で応力集中
が生じて破壊され易くなることが挙げられる。
射出力（溶射電流）を小さくするとともに溶射距離を長
くする方法を適用して、気孔率を20％前後に増加させた
セラミック皮膜においては、通常の気孔率12％程度のセ
ラミック溶射皮膜と比較すれば格段に耐熱サイクル性が
向上するが、これを実際のピストンに適用した場合、未
だ不充分であることが判明した。すなわち、アルミニウ
ム合金製ピストンヘッドの頂面に気孔率20％のセラミッ
ク溶射皮膜を形成して、４気筒2200ccディーゼルエンジ
ンに組込み、［過給圧650mmHgでの400rpm全負荷運転６
分］→［アイドリング１分］→［停止６分］→［アイド
リング１分］を１サイクルとして、このサイクルを繰返
し運転したところ、150時間で溶射皮膜が剥離脱落して
しまうことが判明した。この耐久時間150時間は、気孔
率が12％の通常のセラミック溶射皮膜の場合の10時間未
満と比較すれば格段に優れてはいるが、目標とする耐入
時間（250時間以上）には至っておらず、未だ充分な耐
久性を有しているとは言いえないのが実情である。この
ように、150時間程度で溶射皮膜が剥離してしまう理由
として考えられるのは、溶射電流を小さくするとともに
溶射距離を大きくすることにより気孔率は増大するが、
それと同時に粒子間結合力も小さくなること、また気孔
形状に鋭角な部分が存在するため、その部分で応力集中
が生じて破壊され易くなることが挙げられる。
一方、気孔率を増大させるための手段として、溶射粉末
粒度を大きくする手法を適用しようとしても、20％前後
の気孔率を得るほどの粉末は溶射不可能であり、またそ
ればかりでなく、粉末粒度を大きくすれば粉末の溶融が
不完全となって粒子間結合力が劣ってしまう問題があ
る。
粒度を大きくする手法を適用しようとしても、20％前後
の気孔率を得るほどの粉末は溶射不可能であり、またそ
ればかりでなく、粉末粒度を大きくすれば粉末の溶融が
不完全となって粒子間結合力が劣ってしまう問題があ
る。
さらに、特開昭61−243164号公報に記載されているよう
に、溶射時に昇華しやすい炭化物、窒化物、ホウ化物を
用い、それらの昇華した部分が気孔として溶射皮膜中に
残ることを利用して気孔率を増大させる方法は、気孔率
増大という目的だけは達成できる。しかしながらこの方
法にも次のような欠点がある。
に、溶射時に昇華しやすい炭化物、窒化物、ホウ化物を
用い、それらの昇華した部分が気孔として溶射皮膜中に
残ることを利用して気孔率を増大させる方法は、気孔率
増大という目的だけは達成できる。しかしながらこの方
法にも次のような欠点がある。
すなわち、セラミック溶射皮膜の耐熱サイクル性を向上
させるに最適な20％前後の気孔率を得るためには、ZrO2
・8Y2O3等のセラミック溶射粉末に対して約50％もの大
量のSi3N4、SiC、BN等を混合する必要があるが、Si
3N4、SiC、BN等の熱膨張率は、断熱溶射層形成用のセラ
ミックの代表的なものであるZrO2・8Y2O3の熱膨張率の1
/4〜1/2程度と著しく小さく、そのためこれらを混合し
たセラミック溶射皮膜は、100％がZrO2・8Y2O3である溶
射皮膜よりもさらに熱膨張率が大きく低下する。したが
って母材がAl合金等の熱膨張率が大きな金属の場合、Si
3N4、SiC、BN等を混合した溶射皮膜は、高温時に母材の
熱膨張との差が一層大きくなり、そのため熱応力が増大
してかえって耐熱サイクル性が低下するか、あるいは少
なくとも充分な耐熱サイクル性の向上が望めなくなる。
させるに最適な20％前後の気孔率を得るためには、ZrO2
・8Y2O3等のセラミック溶射粉末に対して約50％もの大
量のSi3N4、SiC、BN等を混合する必要があるが、Si
3N4、SiC、BN等の熱膨張率は、断熱溶射層形成用のセラ
ミックの代表的なものであるZrO2・8Y2O3の熱膨張率の1
/4〜1/2程度と著しく小さく、そのためこれらを混合し
たセラミック溶射皮膜は、100％がZrO2・8Y2O3である溶
射皮膜よりもさらに熱膨張率が大きく低下する。したが
って母材がAl合金等の熱膨張率が大きな金属の場合、Si
3N4、SiC、BN等を混合した溶射皮膜は、高温時に母材の
熱膨張との差が一層大きくなり、そのため熱応力が増大
してかえって耐熱サイクル性が低下するか、あるいは少
なくとも充分な耐熱サイクル性の向上が望めなくなる。
また、炭化物や窒化物、ホウ化物の昇華を使用して気孔
を生成する場合、第４図に示しているように、溶射皮膜
１中の気孔２の形状は、非常にいびつな形状となって、
鋭角部分も多数存在するから、その鋭角部分に応力集中
が生じて破壊が生じ易く、このことも耐熱サイクル性を
充分に向上させ得ない原因となっていた。なお第４図に
おいて、３は溶射皮膜１の主たる構成材であるZrO2・8Y
2O3等のセラミック材、４は溶射時に昇華せずに残った
炭化物、窒化物、ホウ化物を示し、さらに５はAl合金等
の母材、６はNi−Cr−Al合金等の下地溶射層である。
を生成する場合、第４図に示しているように、溶射皮膜
１中の気孔２の形状は、非常にいびつな形状となって、
鋭角部分も多数存在するから、その鋭角部分に応力集中
が生じて破壊が生じ易く、このことも耐熱サイクル性を
充分に向上させ得ない原因となっていた。なお第４図に
おいて、３は溶射皮膜１の主たる構成材であるZrO2・8Y
2O3等のセラミック材、４は溶射時に昇華せずに残った
炭化物、窒化物、ホウ化物を示し、さらに５はAl合金等
の母材、６はNi−Cr−Al合金等の下地溶射層である。
この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、断
熱性、耐熱性を与えるセラミック溶射層を、加熱−冷却
が繰返されるような用途で使用する場合に、さらに耐熱
サイクル性に優れるセラミック溶射層を提供することを
目的とするものである。
熱性、耐熱性を与えるセラミック溶射層を、加熱−冷却
が繰返されるような用途で使用する場合に、さらに耐熱
サイクル性に優れるセラミック溶射層を提供することを
目的とするものである。
問題点を解決するための手段 この発明の溶射皮膜は、溶射用セラミック粉末に粒径10
μｍ以下の熱可塑性樹脂粉末が５〜25vol％の混合割合
で混合された混合材料を溶射した後に、前記熱可塑性樹
脂を加熱除去して気孔を生じさせてなることを特徴とす
るものである。
μｍ以下の熱可塑性樹脂粉末が５〜25vol％の混合割合
で混合された混合材料を溶射した後に、前記熱可塑性樹
脂を加熱除去して気孔を生じさせてなることを特徴とす
るものである。
作用 この発明の溶射皮膜は、先ず、例えば第１図に模式的に
示すように、セラミック11の間に熱可塑性樹脂12が分散
した溶射皮膜13とされる。ここで溶射時には熱可塑性樹
脂は一部分解することがあるが、大部分は溶融するだけ
で溶射皮膜中に残って凝固する。そして溶射時に溶融し
た熱可塑性樹脂粉末はその表面張力により丸みを帯びた
状態、すなわち鋭角状の部分が存在しない滑らかな状態
で溶射皮膜中に分散することになる。なお第１図におい
て14はAl合金等の母材、15は下地溶射層、16Aは溶射皮
膜13中に当初から存在している気孔である。
示すように、セラミック11の間に熱可塑性樹脂12が分散
した溶射皮膜13とされる。ここで溶射時には熱可塑性樹
脂は一部分解することがあるが、大部分は溶融するだけ
で溶射皮膜中に残って凝固する。そして溶射時に溶融し
た熱可塑性樹脂粉末はその表面張力により丸みを帯びた
状態、すなわち鋭角状の部分が存在しない滑らかな状態
で溶射皮膜中に分散することになる。なお第１図におい
て14はAl合金等の母材、15は下地溶射層、16Aは溶射皮
膜13中に当初から存在している気孔である。
このような溶射皮膜が形成された部材を、例えばピスト
ン等として400〜1000℃に加熱される環境下で使用する
ことにより加熱する。その結果、溶射皮膜中の熱可塑性
樹脂は分解して消失し、第２図に示すようにその樹脂の
抜け出た跡が気孔16Bとして残る。したがって使用時に
は気孔率が増大することになる。そして気孔16A、16Bは
既に述べたように溶射皮膜中の熱応力を緩和する役割を
果たす。ここで、前述のように溶射皮膜中で消失する前
の熱可塑性樹脂12は、鋭角状の部分がない滑らかな形状
をしているため、樹脂が分解消失した後の気孔16Bも鋭
角状の部分がない滑らかな形状となり、したがって応力
集中が生じるおそれが少なく、充分な耐熱サイクル性を
示すことができる。
ン等として400〜1000℃に加熱される環境下で使用する
ことにより加熱する。その結果、溶射皮膜中の熱可塑性
樹脂は分解して消失し、第２図に示すようにその樹脂の
抜け出た跡が気孔16Bとして残る。したがって使用時に
は気孔率が増大することになる。そして気孔16A、16Bは
既に述べたように溶射皮膜中の熱応力を緩和する役割を
果たす。ここで、前述のように溶射皮膜中で消失する前
の熱可塑性樹脂12は、鋭角状の部分がない滑らかな形状
をしているため、樹脂が分解消失した後の気孔16Bも鋭
角状の部分がない滑らかな形状となり、したがって応力
集中が生じるおそれが少なく、充分な耐熱サイクル性を
示すことができる。
溶射材料中における熱可塑性樹脂粉末の粒径が10μｍを
越えれば、溶射皮膜中における樹脂の消失による気孔も
10μｍを越える粗大なものとなるため、皮膜が脆くなっ
てかえって耐熱サイクル性が低下するおそれがある。し
たがって熱可塑性樹脂粉末の粒径は10μｍ以下とする必
要がある。また溶射材料における熱可塑性樹脂粉末の混
合割合が5vol％未満では溶射皮膜における充分な気孔率
の増加が望めず、耐熱サイクル性向上に最適な20％前後
の気孔率を得ることが困難となり、一方25vol％を越え
れば溶射皮膜中の気孔率が大きくなり過ぎて溶射皮膜が
脆くなり、かえって耐熱サイクル性が低下するおそれが
ある。したがって熱可塑性樹脂粉末の混合割合は５〜25
vol％の範囲内とした。
越えれば、溶射皮膜中における樹脂の消失による気孔も
10μｍを越える粗大なものとなるため、皮膜が脆くなっ
てかえって耐熱サイクル性が低下するおそれがある。し
たがって熱可塑性樹脂粉末の粒径は10μｍ以下とする必
要がある。また溶射材料における熱可塑性樹脂粉末の混
合割合が5vol％未満では溶射皮膜における充分な気孔率
の増加が望めず、耐熱サイクル性向上に最適な20％前後
の気孔率を得ることが困難となり、一方25vol％を越え
れば溶射皮膜中の気孔率が大きくなり過ぎて溶射皮膜が
脆くなり、かえって耐熱サイクル性が低下するおそれが
ある。したがって熱可塑性樹脂粉末の混合割合は５〜25
vol％の範囲内とした。
なおこの発明において用いる溶射用セラミック粉末は、
ZrO2・Y2O3、ZrO2・CaO、ZrO2・MgO等の部分安定化ジル
コニアが代表的であるが、これに限らず他のセラミック
を使用し得ることは勿論である。またセラミック粉末に
混合される熱可塑性樹脂粉末としては飽和ポリエステル
樹脂が代表的であるが、そのほかポリアミド樹脂、ポリ
エーテル樹脂、アクリル樹脂なども使用できる。また熱
可塑性樹脂粉末の混合形態としては単に混合しただけで
も、あるいはセラミック粉末粒子表面に予め樹脂粉末を
付着させておいても良い。
ZrO2・Y2O3、ZrO2・CaO、ZrO2・MgO等の部分安定化ジル
コニアが代表的であるが、これに限らず他のセラミック
を使用し得ることは勿論である。またセラミック粉末に
混合される熱可塑性樹脂粉末としては飽和ポリエステル
樹脂が代表的であるが、そのほかポリアミド樹脂、ポリ
エーテル樹脂、アクリル樹脂なども使用できる。また熱
可塑性樹脂粉末の混合形態としては単に混合しただけで
も、あるいはセラミック粉末粒子表面に予め樹脂粉末を
付着させておいても良い。
実 施 例 以下にこの発明のセラミック溶射皮膜をピストン頂面に
形成した実施例および従来のセラミック溶射皮膜が形成
された比較例を記す。
形成した実施例および従来のセラミック溶射皮膜が形成
された比較例を記す。
［実施例１］ この実施例に用いる溶射材料として、粒径10〜74μｍの
ZrO2・8Y2O3からなるセラミック粉末に、粒径１〜５μ
ｍの飽和ポリエステル樹脂からなる樹脂粉末を15vol％
混合した混合粉末を用意した。一方、４気筒2600ccディ
ーゼルエンジン用のAl合金製ピストンをトリクレン洗浄
した後、その被溶射部位、すなわちピストン頂面にショ
ットブラスト処理を施し、その部位にNi−Cr−Al−Ｙ合
金の下地溶射層を0.1mm厚で形成した後、その下地溶射
層上に前述の混合粉末を0.4mm厚で溶射した。この時の
溶射は、プラズマ溶射ガン（商品名METCO 7MB）を用い
溶射電流500A、溶射距離100mm、N2/Arガスにて行った。
また樹脂を除去して気孔を生じさせるための加熱は、後
述するように、エンジンの運転による温度上昇によって
行った。
ZrO2・8Y2O3からなるセラミック粉末に、粒径１〜５μ
ｍの飽和ポリエステル樹脂からなる樹脂粉末を15vol％
混合した混合粉末を用意した。一方、４気筒2600ccディ
ーゼルエンジン用のAl合金製ピストンをトリクレン洗浄
した後、その被溶射部位、すなわちピストン頂面にショ
ットブラスト処理を施し、その部位にNi−Cr−Al−Ｙ合
金の下地溶射層を0.1mm厚で形成した後、その下地溶射
層上に前述の混合粉末を0.4mm厚で溶射した。この時の
溶射は、プラズマ溶射ガン（商品名METCO 7MB）を用い
溶射電流500A、溶射距離100mm、N2/Arガスにて行った。
また樹脂を除去して気孔を生じさせるための加熱は、後
述するように、エンジンの運転による温度上昇によって
行った。
［実施例２］ この実施例に用いる溶射材料として、粒径10〜74μｍの
ZrO2・8Y2O3からなるセラミック粉末に、粒径１〜５μ
ｍのポリエーテル樹脂からなる樹脂粉末を15vol％混合
した混合粉末を用い、実施例１と同様にして溶射を行な
った。
ZrO2・8Y2O3からなるセラミック粉末に、粒径１〜５μ
ｍのポリエーテル樹脂からなる樹脂粉末を15vol％混合
した混合粉末を用い、実施例１と同様にして溶射を行な
った。
［比較例１］ 溶射材料として、10〜74μｍのZrO2・8Y2O3のみからな
るセラミック粉末を用い、実施例１と同様に予め下地溶
射層を形成したピストンの頂面の下地溶射層上に、実施
例１と同様な条件で0.4mm厚に溶射した。
るセラミック粉末を用い、実施例１と同様に予め下地溶
射層を形成したピストンの頂面の下地溶射層上に、実施
例１と同様な条件で0.4mm厚に溶射した。
［比較例２］ 溶射材料として、粒径10〜74μｍのZrO2・8Y2O3のみか
らなるセラミック粉末を用い、実施例１と同様に予め下
地溶射層を形成したピストンの頂面の下地溶射層上に0.
4mm厚で溶射した。このときの溶射条件は、溶射電流400
A、溶射距離は150mmとし、その他は実施例１と同様とし
た。
らなるセラミック粉末を用い、実施例１と同様に予め下
地溶射層を形成したピストンの頂面の下地溶射層上に0.
4mm厚で溶射した。このときの溶射条件は、溶射電流400
A、溶射距離は150mmとし、その他は実施例１と同様とし
た。
以上の各実施例、比較例によるピストンをターボ付実機
ディーゼルエンジン（４気筒2600cc）に組込んで耐久運
転試験を行ない、溶射皮膜の耐久サイクル性を調べた。
この耐久運転試験は、過給圧670mmHg、回転数4200rpmで
の全負荷運転を６分間行ない、続いて１分間アイドリン
グした後、６分間停止し、さらに１分間アイドリングす
る過程を１サイクルとし、このサイクルを連続的に繰返
して、50時間ごとに溶射皮膜の状況を調べ、合計300時
間試験した。なお実施例、比較例のいずれの場合も同様
なピストンを４基作成し、同じエンジンに４基のピスト
ンを組込んで１回の試験で４基のピストンを同時に評価
した。その結果を第１表に示す。また、各実施例、比較
例のピストンの溶射皮膜について、試験開始前および終
了後の気孔率も調べたので、その結果も第１表中に併せ
て示す。
ディーゼルエンジン（４気筒2600cc）に組込んで耐久運
転試験を行ない、溶射皮膜の耐久サイクル性を調べた。
この耐久運転試験は、過給圧670mmHg、回転数4200rpmで
の全負荷運転を６分間行ない、続いて１分間アイドリン
グした後、６分間停止し、さらに１分間アイドリングす
る過程を１サイクルとし、このサイクルを連続的に繰返
して、50時間ごとに溶射皮膜の状況を調べ、合計300時
間試験した。なお実施例、比較例のいずれの場合も同様
なピストンを４基作成し、同じエンジンに４基のピスト
ンを組込んで１回の試験で４基のピストンを同時に評価
した。その結果を第１表に示す。また、各実施例、比較
例のピストンの溶射皮膜について、試験開始前および終
了後の気孔率も調べたので、その結果も第１表中に併せ
て示す。
なお第１表中において、○印は溶射皮膜に異常がなかっ
たもの、△印は溶射皮膜に亀裂が発生したもの、×印は
溶射皮膜に剥離が生じたものを示す。また△印または×
印に併記した（n/4）は、４気筒のうちｎ個のピストン
の溶射皮膜に亀裂もしくは剥離した状態を示す。
たもの、△印は溶射皮膜に亀裂が発生したもの、×印は
溶射皮膜に剥離が生じたものを示す。また△印または×
印に併記した（n/4）は、４気筒のうちｎ個のピストン
の溶射皮膜に亀裂もしくは剥離した状態を示す。
第１表から明らかなように、この発明の溶射皮膜を形成
した実施例１、実施例２のピストンでは、いずれも比較
例のピストンと比べて耐久性が大幅に向上していること
が明らかである。
した実施例１、実施例２のピストンでは、いずれも比較
例のピストンと比べて耐久性が大幅に向上していること
が明らかである。
ここで、実施例１、実施例２ではいずれも試験後の溶射
皮膜中の気孔率が試験前よりも大幅に上昇しているが、
これは、ピストンの実機運転中にはピストン頂面の皮膜
温度が400〜1000℃にも達することから、溶射皮膜中の
樹脂が分解して、その後に気孔が残ったためである。そ
してこのように気孔率が増加することによって溶射皮膜
中の熱応力が緩和され、しかもその気孔が比較的丸みを
帯びたものであるため、応力集中も生じにくく、その結
果耐熱サイクル性が大幅に向上したものと考えられる。
なお比較例２の場合は通常の溶射条件よりも溶射電流を
小さくするとともに溶射距離を大きくすることによって
気孔率を高くしたものであるが、この場合には粒子間結
合力が弱くかつ気孔の形状に鋭角的な部分が多くなって
いるため、耐久性の向上度合もさほど大きくはなかっ
た。これに対しこの発明の実施例１、２の場合は通常の
溶射条件のままであるため特に粒子間結合力が弱くなる
ことがなく、また前述のように気孔ぎ丸みを帯びたもの
であるため、大幅な耐久性向上を達成することができ
た。
皮膜中の気孔率が試験前よりも大幅に上昇しているが、
これは、ピストンの実機運転中にはピストン頂面の皮膜
温度が400〜1000℃にも達することから、溶射皮膜中の
樹脂が分解して、その後に気孔が残ったためである。そ
してこのように気孔率が増加することによって溶射皮膜
中の熱応力が緩和され、しかもその気孔が比較的丸みを
帯びたものであるため、応力集中も生じにくく、その結
果耐熱サイクル性が大幅に向上したものと考えられる。
なお比較例２の場合は通常の溶射条件よりも溶射電流を
小さくするとともに溶射距離を大きくすることによって
気孔率を高くしたものであるが、この場合には粒子間結
合力が弱くかつ気孔の形状に鋭角的な部分が多くなって
いるため、耐久性の向上度合もさほど大きくはなかっ
た。これに対しこの発明の実施例１、２の場合は通常の
溶射条件のままであるため特に粒子間結合力が弱くなる
ことがなく、また前述のように気孔ぎ丸みを帯びたもの
であるため、大幅な耐久性向上を達成することができ
た。
さらに、前記実施例１のセラミック溶射皮膜を形成した
場合と、特開昭61−243164号に示される方法に準じた溶
射材料を用いてセラミック溶射皮膜を形成した場合とに
ついて、溶射皮膜に対し50℃400℃の加熱−冷却サイ
クルを与えて、耐熱サイクル性を調べた。ここで、母材
としてはJIS AC8A合金からなる厚さ10mm、直径100mmの
円盤状のものを用い、その盤面の直径90mmの領域に予め
0.6mmの凹部を形成しておき、その凹部内に下地溶射層
とし0.1mmのNi−Cr−Al−Ｙ合金からなる層を形成した
後、前記各溶射材料を0.5mm厚にプラズマ溶射した。な
お特開昭61−243164号に示される方法に準じた溶射材料
としては、50vol％（ZrO2・8Y2O3）＋50vol％（Si3N4）
の混合粉末（比較例３）、50vol％（ZrO2・8Y2O3）＋50
vol％（SiC）の混合粉末（比較例４）、50vol％（ZrO2
・8Y2O3）＋50vol％（NB）混合粉末（比較例５）をそれ
ぞれ用いた。また加熱−冷却は、溶射皮膜表面を酸素ア
セチレンガスバーナにより皮膜直下の部分が400℃とな
るように加熱した後、母材の裏面側から水冷した皮膜直
下の部分が50℃となるように冷却するサイクルを繰返し
て行なった。以上の試験結果および皮膜の気孔率を調べ
た結果を第２表に示す。なお第２表中において気孔率は
本発明材では試験後の値であり、一方比較例３〜５では
試験前後で変化がなったので試験前の値で示す。
場合と、特開昭61−243164号に示される方法に準じた溶
射材料を用いてセラミック溶射皮膜を形成した場合とに
ついて、溶射皮膜に対し50℃400℃の加熱−冷却サイ
クルを与えて、耐熱サイクル性を調べた。ここで、母材
としてはJIS AC8A合金からなる厚さ10mm、直径100mmの
円盤状のものを用い、その盤面の直径90mmの領域に予め
0.6mmの凹部を形成しておき、その凹部内に下地溶射層
とし0.1mmのNi−Cr−Al−Ｙ合金からなる層を形成した
後、前記各溶射材料を0.5mm厚にプラズマ溶射した。な
お特開昭61−243164号に示される方法に準じた溶射材料
としては、50vol％（ZrO2・8Y2O3）＋50vol％（Si3N4）
の混合粉末（比較例３）、50vol％（ZrO2・8Y2O3）＋50
vol％（SiC）の混合粉末（比較例４）、50vol％（ZrO2
・8Y2O3）＋50vol％（NB）混合粉末（比較例５）をそれ
ぞれ用いた。また加熱−冷却は、溶射皮膜表面を酸素ア
セチレンガスバーナにより皮膜直下の部分が400℃とな
るように加熱した後、母材の裏面側から水冷した皮膜直
下の部分が50℃となるように冷却するサイクルを繰返し
て行なった。以上の試験結果および皮膜の気孔率を調べ
た結果を第２表に示す。なお第２表中において気孔率は
本発明材では試験後の値であり、一方比較例３〜５では
試験前後で変化がなったので試験前の値で示す。
第２表から明らかなように、比較例３〜５は、気孔率自
体は耐熱サイクル性向上に最適な20％に近かったが、こ
の実施例による溶射皮膜の場合と比較して耐熱サイクル
性が格段に劣っている。これは、比較例３〜５の場合は
既に述べたようにSi3N4、SiCもしくはBNの大量の混合に
よって溶射皮膜の熱膨張率が著しく小さくなり、そのた
め母材（AC8A合金）との熱膨張差が大きくなって熱応力
が大きくなり、しかも気孔に鋭角状の部分が存在してノ
ッチ効果により破壊され易くなったためと考えられる。
体は耐熱サイクル性向上に最適な20％に近かったが、こ
の実施例による溶射皮膜の場合と比較して耐熱サイクル
性が格段に劣っている。これは、比較例３〜５の場合は
既に述べたようにSi3N4、SiCもしくはBNの大量の混合に
よって溶射皮膜の熱膨張率が著しく小さくなり、そのた
め母材（AC8A合金）との熱膨張差が大きくなって熱応力
が大きくなり、しかも気孔に鋭角状の部分が存在してノ
ッチ効果により破壊され易くなったためと考えられる。
発明の効果 この発明の溶射皮膜は、その内部に、丸みを帯びた滑ら
かな形状で分散した熱可塑性樹脂が分解除去されて気孔
が生じていることによって、気孔率が増大して、熱応力
を緩和することができるとともに、樹脂の分解消失によ
る気孔は丸みを帯びた滑らかな形状となるため気孔の周
辺に応力集中が生じることがなく、また特に特殊な溶射
条件を適用する必要がないため充分な粒子間結合力を得
ることができる。したがってこの発明の溶射皮膜は、高
温加熱−冷却のサイクルが加わるような用途に使用し
て、早期の剥離や亀裂発生を招くことなく、充分な耐久
性を得ることができる。
かな形状で分散した熱可塑性樹脂が分解除去されて気孔
が生じていることによって、気孔率が増大して、熱応力
を緩和することができるとともに、樹脂の分解消失によ
る気孔は丸みを帯びた滑らかな形状となるため気孔の周
辺に応力集中が生じることがなく、また特に特殊な溶射
条件を適用する必要がないため充分な粒子間結合力を得
ることができる。したがってこの発明の溶射皮膜は、高
温加熱−冷却のサイクルが加わるような用途に使用し
て、早期の剥離や亀裂発生を招くことなく、充分な耐久
性を得ることができる。
なおこの発明の溶射皮膜は、ピストンのみならず、その
他の断熱、遮熱が要求される部材、例えばシリンダヘッ
ド、バルブ、シリンダライナー、タービンハウジング等
に適用できることは勿論である。
他の断熱、遮熱が要求される部材、例えばシリンダヘッ
ド、バルブ、シリンダライナー、タービンハウジング等
に適用できることは勿論である。
第１図はこの発明の溶射皮膜の一例を模式的に示す断面
図、第２図は第１図の溶射皮膜が使用によって加熱され
た後の状況を模式的に示す断面図、第３図はセラミック
溶射皮膜中の気孔率と加熱−冷却サイクルに対する耐剥
離性との関係を示す相関図、第４図は従来の溶射皮膜の
一例を示す模式的な断面図である。 11……セラミック、12……熱可塑性樹脂、 13……溶射皮膜、16A、16B……気孔。
図、第２図は第１図の溶射皮膜が使用によって加熱され
た後の状況を模式的に示す断面図、第３図はセラミック
溶射皮膜中の気孔率と加熱−冷却サイクルに対する耐剥
離性との関係を示す相関図、第４図は従来の溶射皮膜の
一例を示す模式的な断面図である。 11……セラミック、12……熱可塑性樹脂、 13……溶射皮膜、16A、16B……気孔。
Claims (1)
- 【請求項１】溶射用セラミック粉末に粒径10μｍ以下の
熱可塑性樹脂粉末が５〜25vol％の混合割合で混合され
た混合材料を溶射した後に、前記熱可塑性樹脂を加熱除
去して気孔を生じさせてなることを特徴とする耐熱サイ
クル性溶射皮膜。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62336652A JPH07116583B2 (ja) | 1987-12-28 | 1987-12-28 | 耐熱サイクル性溶射皮膜 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62336652A JPH07116583B2 (ja) | 1987-12-28 | 1987-12-28 | 耐熱サイクル性溶射皮膜 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01176063A JPH01176063A (ja) | 1989-07-12 |
| JPH07116583B2 true JPH07116583B2 (ja) | 1995-12-13 |
Family
ID=18301383
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62336652A Expired - Lifetime JPH07116583B2 (ja) | 1987-12-28 | 1987-12-28 | 耐熱サイクル性溶射皮膜 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07116583B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100881948B1 (ko) * | 2007-03-19 | 2009-02-04 | 김용구 | 열용사 코팅제 |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE69717805T2 (de) * | 1997-07-18 | 2003-09-04 | Ansaldo Ricerche S.R.L., Genua/Genova | Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von porösen keramischen Beschichtungen, insbesondere wärmedämmende Beschichtungen, auf metallische Substrate |
| GB9814191D0 (en) * | 1998-06-30 | 1998-08-26 | Imperial College | Vapour deposition |
| AU2002226001A1 (en) * | 2000-12-08 | 2002-06-18 | Sulzer Metco (Us) Inc. | Pre-alloyed stabilized zirconia powder and improved thermal barrier coating |
| JP4478499B2 (ja) * | 2004-04-26 | 2010-06-09 | 独立行政法人海上技術安全研究所 | マーキング方法 |
| US7927722B2 (en) * | 2004-07-30 | 2011-04-19 | United Technologies Corporation | Dispersion strengthened rare earth stabilized zirconia |
| JP6488810B2 (ja) * | 2015-03-24 | 2019-03-27 | いすゞ自動車株式会社 | 多孔質溶射膜の形成方法 |
| JP7129759B2 (ja) * | 2017-03-30 | 2022-09-02 | 三菱重工業株式会社 | 遮熱被膜層形成方法、および、遮熱被膜層を備えるエンジン部品 |
| JP7015199B2 (ja) * | 2018-03-28 | 2022-02-02 | 株式会社フジミインコーポレーテッド | 溶射材並びにコーティング皮膜の製造方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6250455A (ja) * | 1985-08-29 | 1987-03-05 | Cosmo Co Ltd | セラミツクコ−テイングを施す方法 |
-
1987
- 1987-12-28 JP JP62336652A patent/JPH07116583B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100881948B1 (ko) * | 2007-03-19 | 2009-02-04 | 김용구 | 열용사 코팅제 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01176063A (ja) | 1989-07-12 |
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