JPH07122126B2 - セラミック断熱部材 - Google Patents
セラミック断熱部材Info
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- JPH07122126B2 JPH07122126B2 JP63007999A JP799988A JPH07122126B2 JP H07122126 B2 JPH07122126 B2 JP H07122126B2 JP 63007999 A JP63007999 A JP 63007999A JP 799988 A JP799988 A JP 799988A JP H07122126 B2 JPH07122126 B2 JP H07122126B2
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- Japan
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- ceramic
- layer
- zro
- alloy
- heat insulating
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- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は自動車エンジンのピストンの如く高温加熱さ
れる部位に使用される部材に関し、特にアルミニウム合
金を母材としかつ断熱のためのセラミック層を表面に形
成したセラミック断熱部材に関するものである。
れる部位に使用される部材に関し、特にアルミニウム合
金を母材としかつ断熱のためのセラミック層を表面に形
成したセラミック断熱部材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位において
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皮膜を
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位において
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皮膜を
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。
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、アルミニウム合金性
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、ピスンリングの焼き付きなど
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
溶射皮膜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
射皮膜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、アルミニウム合金性
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、ピスンリングの焼き付きなど
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
溶射皮膜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
射皮膜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皮膜
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皮膜と
下地溶射皮膜との界面近傍に亀裂が生じ、遂にはセラミ
ック溶射皮膜の剥離・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皮膜
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皮膜と
下地溶射皮膜との界面近傍に亀裂が生じ、遂にはセラミ
ック溶射皮膜の剥離・脱落に至ってしまうことがある。
このような問題を解決するための一つの方法としては、
特開昭60−197861号に示されているように、Ni−Cr−Al
合金からなる下地溶射皮膜（アンダーコート層）上に形
成されるセラミック溶射皮膜の気孔率を厚さ方向に制御
する方法も提案されており、このような方法でもある程
度は剥離を防止することができるが、未だ充分とは言い
えなのが実情である。
特開昭60−197861号に示されているように、Ni−Cr−Al
合金からなる下地溶射皮膜（アンダーコート層）上に形
成されるセラミック溶射皮膜の気孔率を厚さ方向に制御
する方法も提案されており、このような方法でもある程
度は剥離を防止することができるが、未だ充分とは言い
えなのが実情である。
発明が解決すべき問題点 前述のようにアルミニウム合金からなるピストン母材１
に溶射による下地皮膜２を形成し、さらにその下地皮膜
２上に溶射によりセラミック皮膜３を形成したピストン
を実機エンジンに使用し場合の使用中の温度分布につい
て本発明者等が調べた結果を第３図に、またその温度分
布に基いて各皮膜層内の伸び（＝熱膨張率×温度）を調
べた結果を第４図に示す。ここで、下地溶射皮膜２とし
てはNi−Cr−Al合金を用い、またセラミツ溶射皮膜３と
しては熱膨張率が金属に近いZrO2・8Y2O3を用いた。
に溶射による下地皮膜２を形成し、さらにその下地皮膜
２上に溶射によりセラミック皮膜３を形成したピストン
を実機エンジンに使用し場合の使用中の温度分布につい
て本発明者等が調べた結果を第３図に、またその温度分
布に基いて各皮膜層内の伸び（＝熱膨張率×温度）を調
べた結果を第４図に示す。ここで、下地溶射皮膜２とし
てはNi−Cr−Al合金を用い、またセラミツ溶射皮膜３と
しては熱膨張率が金属に近いZrO2・8Y2O3を用いた。
第３図に示すように、ピストン頂面すなわち燃焼室に面
した触火部に相当するセラミック皮膜３の表面付近の温
度（Tco）は700〜800℃と著しく高く、またセラミック
皮膜３自体は断熱性が高いため、セラミック皮膜３内で
の厚さ方向の温度勾配は著しく大きくなっている。その
結果、第４図に示すようにセラミック皮膜３の伸びは、
表面付近の伸び（lco）と下地皮膜２に接する部分の伸
び（lc1）との間で大きな差が生じている。またセラミ
ック材料と下地溶射材料、母材Al合金との熱膨張率の差
により、セラミック皮膜３における下地皮膜２に接する
部分の伸び（lco）と下地皮膜２の伸び（lbo、lb1）や
母材１の表面での伸び（lmo）にも大きな差が生じてい
る。
した触火部に相当するセラミック皮膜３の表面付近の温
度（Tco）は700〜800℃と著しく高く、またセラミック
皮膜３自体は断熱性が高いため、セラミック皮膜３内で
の厚さ方向の温度勾配は著しく大きくなっている。その
結果、第４図に示すようにセラミック皮膜３の伸びは、
表面付近の伸び（lco）と下地皮膜２に接する部分の伸
び（lc1）との間で大きな差が生じている。またセラミ
ック材料と下地溶射材料、母材Al合金との熱膨張率の差
により、セラミック皮膜３における下地皮膜２に接する
部分の伸び（lco）と下地皮膜２の伸び（lbo、lb1）や
母材１の表面での伸び（lmo）にも大きな差が生じてい
る。
セラミック皮膜が剥離、脱落する原因としては、上述の
ようなセラミック皮膜層内部での伸びの厚み方向の差に
よる熱応力と、セラミック皮膜と下地皮膜、母材との伸
びの差が挙げられ、したがってセラミック皮膜の剥離、
脱落を防止するためには、第４図中のlcoとlc1を、lbo
〜lmoに近付ければ良いことが判る。
ようなセラミック皮膜層内部での伸びの厚み方向の差に
よる熱応力と、セラミック皮膜と下地皮膜、母材との伸
びの差が挙げられ、したがってセラミック皮膜の剥離、
脱落を防止するためには、第４図中のlcoとlc1を、lbo
〜lmoに近付ければ良いことが判る。
ここで、lc1の値を大きくしてlbo〜lmoに近付けるため
の方法としては、従来から種々の手段が考えられてい
る。例えばセラミック皮膜と下地皮膜との間に中間層と
してセラミックとNiやCo等の金属との混合層、すなわち
サーメット層を設けたり、あるいはセラミック皮膜自体
をセラミックと金属との混合層とし、しかもセラミック
金属との割合が漸変的に変化して下地皮膜と接する部分
（下地皮膜を設けない場合は母材と接する部分）で金属
が100％となるようにグレーテッド溶射する方法などが
考えられている。しかしながらこのようにlc1の値を大
きくする手法だけでは、充分に剥離を防止することは困
難であり、セラミックと金属との混合層の内部で破壊が
生じ、剥離してしまうことが多かった。
の方法としては、従来から種々の手段が考えられてい
る。例えばセラミック皮膜と下地皮膜との間に中間層と
してセラミックとNiやCo等の金属との混合層、すなわち
サーメット層を設けたり、あるいはセラミック皮膜自体
をセラミックと金属との混合層とし、しかもセラミック
金属との割合が漸変的に変化して下地皮膜と接する部分
（下地皮膜を設けない場合は母材と接する部分）で金属
が100％となるようにグレーテッド溶射する方法などが
考えられている。しかしながらこのようにlc1の値を大
きくする手法だけでは、充分に剥離を防止することは困
難であり、セラミックと金属との混合層の内部で破壊が
生じ、剥離してしまうことが多かった。
この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、高
温に加熱された際に生じるセラミック皮膜内部での熱応
力を従来よりも格段に小さくし、これによってセラミッ
ク皮膜の耐熱衝撃性を高めて、セラミック皮膜の剥離、
脱落を確実に防止し得るようにして、熱サイクルが加わ
る使用条件下での耐久性を従来よりも格段に高めたセラ
ミック断熱部材を提供するものである。
温に加熱された際に生じるセラミック皮膜内部での熱応
力を従来よりも格段に小さくし、これによってセラミッ
ク皮膜の耐熱衝撃性を高めて、セラミック皮膜の剥離、
脱落を確実に防止し得るようにして、熱サイクルが加わ
る使用条件下での耐久性を従来よりも格段に高めたセラ
ミック断熱部材を提供するものである。
問題点を解決するための手段 この発明のセラミック断熱部材は、Al合金からなる母材
の表面にNi−Cr−Al系合金からなる下地層が形成され、
この下地層上には、Ni−Cr−Al系合金とZrO2・8Y2O3と
が混合されかつ外側へ向ってNi−Cr−Al合金の混合割合
が減少する第１遷移層が下地層と連続一体に形成され、
その第１遷移層上には、実質的にZrO2・8Y2O3のみから
なる中間層が第１遷移層と連続一体に形成され、さらに
その中間層上には、熱膨張率が９×10-6/℃以下の低熱
膨張率セラミックとZrO2・8Y2O3とが混合されかつ外側
へ向ってZrO2・8Y2O3の混合割合が減少する第２遷移層
が中間層と連続一体に形成されていることを特徴とする
ものである。
の表面にNi−Cr−Al系合金からなる下地層が形成され、
この下地層上には、Ni−Cr−Al系合金とZrO2・8Y2O3と
が混合されかつ外側へ向ってNi−Cr−Al合金の混合割合
が減少する第１遷移層が下地層と連続一体に形成され、
その第１遷移層上には、実質的にZrO2・8Y2O3のみから
なる中間層が第１遷移層と連続一体に形成され、さらに
その中間層上には、熱膨張率が９×10-6/℃以下の低熱
膨張率セラミックとZrO2・8Y2O3とが混合されかつ外側
へ向ってZrO2・8Y2O3の混合割合が減少する第２遷移層
が中間層と連続一体に形成されていることを特徴とする
ものである。
作用 第１図にこの発明のセラミック断熱部材の断面構造を模
式的に示し、第２図にその各層における構成材料の一例
を模式的に示す。
式的に示し、第２図にその各層における構成材料の一例
を模式的に示す。
この発明のセラミック断熱部材においては、断熱等のた
めの主たるセラミック構成材料としては、高融点で耐食
生も良好でありしかも低熱伝導率でかつ高強度、高破壊
靭性を有する、部分安定化ジルコニアの１種であるZrO2
・8Y2O3を使用しており、主としてこのZrO2・8Y2O3によ
り、断熱、遮熱の機能や必要な強度の確保を図ってい
る。そしてこの発明の断熱部材で最も重要な点は、上述
のZrO2・8Y2O3がそのまま単独で部材表面（すなわち最
も高温に曝される部分）に露呈しているのではなく、最
外表面層が、上述のZrO2・8Y2O3と熱膨張率が９×10-6/
℃以下の低熱膨張率セラミックとの混合物からなりしか
も外側へ向ってZrO2・8Y2O3の混合割合が減少する遷移
層（第２遷移層）14によって構成されている点である。
めの主たるセラミック構成材料としては、高融点で耐食
生も良好でありしかも低熱伝導率でかつ高強度、高破壊
靭性を有する、部分安定化ジルコニアの１種であるZrO2
・8Y2O3を使用しており、主としてこのZrO2・8Y2O3によ
り、断熱、遮熱の機能や必要な強度の確保を図ってい
る。そしてこの発明の断熱部材で最も重要な点は、上述
のZrO2・8Y2O3がそのまま単独で部材表面（すなわち最
も高温に曝される部分）に露呈しているのではなく、最
外表面層が、上述のZrO2・8Y2O3と熱膨張率が９×10-6/
℃以下の低熱膨張率セラミックとの混合物からなりしか
も外側へ向ってZrO2・8Y2O3の混合割合が減少する遷移
層（第２遷移層）14によって構成されている点である。
ZrO2・8Y2O3は熱膨張率（０〜1000℃での平均熱膨張
率、以下同じ）が11×10-6/℃と比較的大きく、そのた
め下地層の金属や母材金属との熱膨張差を小さくするに
は有効である。しかしながら熱伝導率が低くて断熱性が
高いがために、ピストンの如く表面が700〜800℃もの高
温に曝される場合は、既に第３図、第４図において示し
たように表面までZrO2・8Y2O3単独の皮膜では皮膜内の
厚み方向での温度勾配が著しく急激になり、皮膜内部で
の伸びの厚み方向の差が極めて大きくなって、皮膜内部
での熱応力が大きくなる。
率、以下同じ）が11×10-6/℃と比較的大きく、そのた
め下地層の金属や母材金属との熱膨張差を小さくするに
は有効である。しかしながら熱伝導率が低くて断熱性が
高いがために、ピストンの如く表面が700〜800℃もの高
温に曝される場合は、既に第３図、第４図において示し
たように表面までZrO2・8Y2O3単独の皮膜では皮膜内の
厚み方向での温度勾配が著しく急激になり、皮膜内部で
の伸びの厚み方向の差が極めて大きくなって、皮膜内部
での熱応力が大きくなる。
しかるにこの発明の断熱部材では、最外表面層を熱膨張
率が11×10-6/℃のZrO2・8Y2O3と熱膨張率が９×10-6/
℃以下の低熱膨張率セラミックとの混合物からなりかつ
表面へ向ってZrO2・8Y2O3の割合が減少する遷移層（第
２遷移層）14としているため、その第２遷移層14内では
厚み方向に表面に向って熱膨張率が次第に小さくなって
いるから、最も高温となる表面での熱膨張による伸びは
ZrO2・8Y2O3単独の場合よりも小さくなり、そして表面
から厚み方向に内側へ向うほど温度は低くなるが熱膨張
率は大きくなるから、熱膨張による伸びの厚み方向の変
化が少なくなる。したがって第２遷移層14内での厚み方
向の伸びの差は小さく、内部で生じる熱応力も小さくな
る。また第２遷移層14からZrO2・8Y2O3単独の中間層13
に移行する部分は、ZrO2・8Y2O3の割合が100％未満から
100％に変化するだけであって、特に明確な境界が形成
されず、したがってその部分でも特に大きな熱応力が生
じない。
率が11×10-6/℃のZrO2・8Y2O3と熱膨張率が９×10-6/
℃以下の低熱膨張率セラミックとの混合物からなりかつ
表面へ向ってZrO2・8Y2O3の割合が減少する遷移層（第
２遷移層）14としているため、その第２遷移層14内では
厚み方向に表面に向って熱膨張率が次第に小さくなって
いるから、最も高温となる表面での熱膨張による伸びは
ZrO2・8Y2O3単独の場合よりも小さくなり、そして表面
から厚み方向に内側へ向うほど温度は低くなるが熱膨張
率は大きくなるから、熱膨張による伸びの厚み方向の変
化が少なくなる。したがって第２遷移層14内での厚み方
向の伸びの差は小さく、内部で生じる熱応力も小さくな
る。また第２遷移層14からZrO2・8Y2O3単独の中間層13
に移行する部分は、ZrO2・8Y2O3の割合が100％未満から
100％に変化するだけであって、特に明確な境界が形成
されず、したがってその部分でも特に大きな熱応力が生
じない。
さらにこの発明の断熱部材は、ZrO2・8Y2O3からなる中
間層13とNi−Cr−Al系合金からなる下地層11との間に、
中間層13を構成するZrO2・8Y2O3と下地層11を構成するN
i−Cr−Al系合金との混合物からなりしかも外側へ向っ
て（すなわち中間層へ向って）Ni−Cr−Al系合金の混合
割合が減少する遷移層（第１遷移層）12が形成されてい
る。この第１遷移層12は従来のグレーテッド溶射による
サーメット層に相当するものであって、この第１遷移層
12内においては中間層13から下地層11へ向って熱膨張率
がZrO2・8Y2O3の熱膨張率からNi−Cr−Al系合金の熱膨
張率へ漸変的に変化する。したがって中間層13ら下地層
11に至る部分においても熱膨張による伸びが急激に変化
することなく、そのため大きな熱応力は生じない。
間層13とNi−Cr−Al系合金からなる下地層11との間に、
中間層13を構成するZrO2・8Y2O3と下地層11を構成するN
i−Cr−Al系合金との混合物からなりしかも外側へ向っ
て（すなわち中間層へ向って）Ni−Cr−Al系合金の混合
割合が減少する遷移層（第１遷移層）12が形成されてい
る。この第１遷移層12は従来のグレーテッド溶射による
サーメット層に相当するものであって、この第１遷移層
12内においては中間層13から下地層11へ向って熱膨張率
がZrO2・8Y2O3の熱膨張率からNi−Cr−Al系合金の熱膨
張率へ漸変的に変化する。したがって中間層13ら下地層
11に至る部分においても熱膨張による伸びが急激に変化
することなく、そのため大きな熱応力は生じない。
以上を総合すれば、最外表面（第２遷移層14の表面）が
700〜800℃の高温に曝された場合でも、最外表面から下
地層に至るまでの全厚みの問題で熱膨張による伸びの著
しい変化、差が生じることがなく、そのため全体的に熱
応力が小さくなって、母材10からの剥離、脱落を防止す
ることができる。
700〜800℃の高温に曝された場合でも、最外表面から下
地層に至るまでの全厚みの問題で熱膨張による伸びの著
しい変化、差が生じることがなく、そのため全体的に熱
応力が小さくなって、母材10からの剥離、脱落を防止す
ることができる。
発明の実施のための具体的な説明 この発明の断熱部材において、第２遷移層に用いる熱膨
張率が９×10-6/℃以下の低熱膨張セラミックとして
は、例えば熱膨張率が８×10-6/℃のAl2O3、4.5×10-6/
℃のZrO2・SiO2、2.5×10-6/℃の2MgO・2Al2O3、・5SiO
2などを使用できるが、これらに限定されないことは勿
論である。
張率が９×10-6/℃以下の低熱膨張セラミックとして
は、例えば熱膨張率が８×10-6/℃のAl2O3、4.5×10-6/
℃のZrO2・SiO2、2.5×10-6/℃の2MgO・2Al2O3、・5SiO
2などを使用できるが、これらに限定されないことは勿
論である。
また下地層に用いられるNi−Cr−Al系合金は、従来から
セラミック溶射の下地に用いられているものであれば良
く、その成分組成は特に限定しないが、通常はCr10〜30
wt％程度、Al5〜10wt％程度を含有し、残部が実質的にN
iなる成分組成のもの、あるいはさらにそのほか必要に
応じてＹを0.3〜1.0wt％程度、Coを20〜60wt％程度添加
したものであっても良い。
セラミック溶射の下地に用いられているものであれば良
く、その成分組成は特に限定しないが、通常はCr10〜30
wt％程度、Al5〜10wt％程度を含有し、残部が実質的にN
iなる成分組成のもの、あるいはさらにそのほか必要に
応じてＹを0.3〜1.0wt％程度、Coを20〜60wt％程度添加
したものであっても良い。
さらに、下地層、第１遷移層、中間層、第２遷移層はい
ずれも溶射によって形成することができるが、この場合
第１遷移層、第２遷移層はいずれも所謂グレーテッド溶
射を行なうことは勿論である。このように溶射を行なう
場合の溶射粉末粒子は、下地層のNi−Cr−Al系合金とし
ては粒径30〜105μｍ程度が望ましく、またZrO2・8Y2O3
や低熱膨張率セラミックとしては粒径10〜74μｍ程度が
好ましい。
ずれも溶射によって形成することができるが、この場合
第１遷移層、第２遷移層はいずれも所謂グレーテッド溶
射を行なうことは勿論である。このように溶射を行なう
場合の溶射粉末粒子は、下地層のNi−Cr−Al系合金とし
ては粒径30〜105μｍ程度が望ましく、またZrO2・8Y2O3
や低熱膨張率セラミックとしては粒径10〜74μｍ程度が
好ましい。
また第１遷移層は下地層の側から中間層へ向ってNi−Cr
−Al系合金の混合割合が連続的に減少することが最も好
ましいが、場合によっては段階的に減少するようにして
も良い。第２遷移層についても、中間層から最外表面へ
向ってZrO2・8Y2O3の混合割合が連続的に減少すること
が最も好ましいが、場合によっては段階的に減少しても
良い。
−Al系合金の混合割合が連続的に減少することが最も好
ましいが、場合によっては段階的に減少するようにして
も良い。第２遷移層についても、中間層から最外表面へ
向ってZrO2・8Y2O3の混合割合が連続的に減少すること
が最も好ましいが、場合によっては段階的に減少しても
良い。
実 施 例 以下にこの発明の断熱部材の実施例および従来の断熱部
材からなる比較例について示すとともに、実施例、比較
例の各部材について耐熱サイクル試験およびピストンと
しての実機耐久試験を行なった結果を示す。
材からなる比較例について示すとともに、実施例、比較
例の各部材について耐熱サイクル試験およびピストンと
しての実機耐久試験を行なった結果を示す。
［実施例１］ JIS AC8A合金からなる直径50mm×厚さ10mmの円盤状を
なす母材の表面にショットブラスト処理を施した後、下
地層材料としてのNi−Cr−Al合金、具体的には94wt％
（Ni−20wt％Cr）−6wt％Al合金と、中間層材料として
のZrO2・8Y2O3とのグレーテッド溶射を厚み0.3mmで行な
った。このとき、母材側ではNi−Cr−Al系合金が100％
となるように、また最上部ではZrO2・8Y2O3が100％とな
るように溶射して、下地層、第１遷移層、中間層を連続
的に形成した。さらにその上にZrO2・8Y2O3と低熱膨張
率セラミックとしてのAl2O3とのグレーテッド溶射を厚
み0.2mmで行なって、第２遷移層を形成し、この発明の
セラミック断熱部材を得た。このとき、第２遷移層の中
間層に接する側ではZrO2・8Y2O3が100％、最外表面部分
ではAl2O3とZrO2・8Y2O3がそれぞれ50％となるように溶
射した。
なす母材の表面にショットブラスト処理を施した後、下
地層材料としてのNi−Cr−Al合金、具体的には94wt％
（Ni−20wt％Cr）−6wt％Al合金と、中間層材料として
のZrO2・8Y2O3とのグレーテッド溶射を厚み0.3mmで行な
った。このとき、母材側ではNi−Cr−Al系合金が100％
となるように、また最上部ではZrO2・8Y2O3が100％とな
るように溶射して、下地層、第１遷移層、中間層を連続
的に形成した。さらにその上にZrO2・8Y2O3と低熱膨張
率セラミックとしてのAl2O3とのグレーテッド溶射を厚
み0.2mmで行なって、第２遷移層を形成し、この発明の
セラミック断熱部材を得た。このとき、第２遷移層の中
間層に接する側ではZrO2・8Y2O3が100％、最外表面部分
ではAl2O3とZrO2・8Y2O3がそれぞれ50％となるように溶
射した。
［実施例２］ 低熱膨張率セラミックとして、実施例１におけるAl2O3
との代りにZrO2・SiO2を用いた点以外は実施例１と同様
にしてセラミック断熱部材を作成した。
との代りにZrO2・SiO2を用いた点以外は実施例１と同様
にしてセラミック断熱部材を作成した。
［実施例３］ 低熱膨張率セラミックとして、実施例１におけるAl2O3
の代りに2MgO・2Al2O3・5SiO2を用いた点以外は実施例
１と同様にしてセラミック断熱部材を作成した。
の代りに2MgO・2Al2O3・5SiO2を用いた点以外は実施例
１と同様にしてセラミック断熱部材を作成した。
［比較例１］ JIS AC8A合金からなる直径50mm×厚さ10mmの円盤状を
なす母材の表面にショットブラスト処理を施した後、Ni
−Cr−Al合金（具体的組成は実施例１の場合と同じ）を
0.1mm厚で溶射して下地層を形成した。次いでその上にZ
rO2・8Y2O3を0.4mm厚で溶射して、従来品のセラミック
断熱部材を作成した。
なす母材の表面にショットブラスト処理を施した後、Ni
−Cr−Al合金（具体的組成は実施例１の場合と同じ）を
0.1mm厚で溶射して下地層を形成した。次いでその上にZ
rO2・8Y2O3を0.4mm厚で溶射して、従来品のセラミック
断熱部材を作成した。
［比較例２］ JIS AC8A合金からなる直径50mm×厚さ10mmの円盤状を
なす母材の表面にショットブラスト処理を施した後、Ni
−Cr−Al合金（具体的組成は実施例１の場合と同じ）と
ZrO2・8Y2O3とのグレーテッド溶射を0.3mm厚で行なっ
た。このとき、母材に接する最下部ではNi−Cr−Al合金
が100％となりまた最上部ではZrO2・8Y2O3が100％とな
るように溶射した。さらにその上にZrO2・8Y2O3を0.2mm
厚で溶射して、従来品のセラミック断熱部材を作成し
た。
なす母材の表面にショットブラスト処理を施した後、Ni
−Cr−Al合金（具体的組成は実施例１の場合と同じ）と
ZrO2・8Y2O3とのグレーテッド溶射を0.3mm厚で行なっ
た。このとき、母材に接する最下部ではNi−Cr−Al合金
が100％となりまた最上部ではZrO2・8Y2O3が100％とな
るように溶射した。さらにその上にZrO2・8Y2O3を0.2mm
厚で溶射して、従来品のセラミック断熱部材を作成し
た。
［熱サイクル試験］ 前述の実施例１〜３、比較例１、２のセラミック断熱部
材について、次のように加熱−冷却のサイクルを与える
熱サイクル試験を行なった。
材について、次のように加熱−冷却のサイクルを与える
熱サイクル試験を行なった。
すなわち、皮膜表面をC2H2−O2バーナにより12秒間加熱
して皮膜直下の母材の温度を400℃とし、続いて加熱を
停止するとともに母材の裏面側から30秒間冷却して皮膜
直下の母材の温度を70℃とする加熱−冷却のサイクルを
3000サイクル繰返した。このとき、100サイクル毎に皮
膜の剥離状況を調べた。その結果を第１表に示す。
して皮膜直下の母材の温度を400℃とし、続いて加熱を
停止するとともに母材の裏面側から30秒間冷却して皮膜
直下の母材の温度を70℃とする加熱−冷却のサイクルを
3000サイクル繰返した。このとき、100サイクル毎に皮
膜の剥離状況を調べた。その結果を第１表に示す。
［実施例４］ 母材として、JIS AC8A合金からなるφ80mmのディーゼ
ルエンジン用ピストンを用い、その頂面に実施例１と同
様な処理を施して、セラミック断熱ピストンを作成し
た。
ルエンジン用ピストンを用い、その頂面に実施例１と同
様な処理を施して、セラミック断熱ピストンを作成し
た。
［比較例３］ 母材として、JIS AC8A合金からなるφ80mmのディーゼ
ルエンジン用ピストンを用い、その頂面に比較例２と同
様な処理を施して、セラミック断熱ピストンを作成し
た。
ルエンジン用ピストンを用い、その頂面に比較例２と同
様な処理を施して、セラミック断熱ピストンを作成し
た。
［実機耐久試験］ 実施例４および比較例３のセラミック断熱ピストンをそ
れぞれターボチャージャ付2200ccディーゼルエンジンに
組込んで、連続運転試験を行なった。運転条件は、過給
圧550mmHg、4200rpm、95馬力であり、50時間ごとに運転
を停止してピストンの断熱皮膜の状況を調べ、合計300
時間試験した。その結果を第２表に示す。
れぞれターボチャージャ付2200ccディーゼルエンジンに
組込んで、連続運転試験を行なった。運転条件は、過給
圧550mmHg、4200rpm、95馬力であり、50時間ごとに運転
を停止してピストンの断熱皮膜の状況を調べ、合計300
時間試験した。その結果を第２表に示す。
第１表に示される熱サイクル試験結果および第２表に示
される断熱ピストンとしての実機耐久試験結果から、こ
の発明の実施例品においては、従来の２層溶射品（比較
例１）、グレーテッド溶射品（比較例２、３）と比較し
て格段に耐熱衝撃性が優れており、皮膜の剥離が生じに
くいことが明らかである。これは、熱膨張率の低いセラ
ミックを皮膜上部に混合することによって最も高温とな
る皮膜上部の伸びを従来よりも小さく抑え、皮膜内での
熱応力を小さくすることができたためと考えられる。す
なわち、第４図に示されるlcoをlbo〜lmoに近付けるこ
とができたためと考えられる。
される断熱ピストンとしての実機耐久試験結果から、こ
の発明の実施例品においては、従来の２層溶射品（比較
例１）、グレーテッド溶射品（比較例２、３）と比較し
て格段に耐熱衝撃性が優れており、皮膜の剥離が生じに
くいことが明らかである。これは、熱膨張率の低いセラ
ミックを皮膜上部に混合することによって最も高温とな
る皮膜上部の伸びを従来よりも小さく抑え、皮膜内での
熱応力を小さくすることができたためと考えられる。す
なわち、第４図に示されるlcoをlbo〜lmoに近付けるこ
とができたためと考えられる。
発明の効果 この発明のセラミック断熱部材は、皮膜上部が、断熱の
ための主たる構成材料であるZrO2・8Y2O3に低熱膨張率
セラミックを混合しかつ外側へ向ってZrO2・8Y2O3の割
合を減少させた第２遷移層となっているため、高温に曝
されて皮膜最外表面部が高温となった場合でも、第２遷
移層における皮膜内部での伸びの差が小さく、しかもZr
O2・8Y2O3からなる中間層から下地層にかけての部分に
おいても下地層のNi−Cr−Al系合金とZrO2・8Y2O3とが
混合されかつ中間層へ向ってNi−Cr−Al系合金の割合が
減少する第１遷移層が形成されているため、その部分で
も皮膜内部での伸びの差が小さく、したがって皮膜全体
としても内部の伸びの差が小さいから熱サイクルが加わ
った時の熱応力も小さく、そのため耐熱衝撃性が著しく
優れているから、皮膜の剥離、脱落が生じるおそれが少
なく、従来よりも格段に優れた耐久性能を得ることがで
きる。
ための主たる構成材料であるZrO2・8Y2O3に低熱膨張率
セラミックを混合しかつ外側へ向ってZrO2・8Y2O3の割
合を減少させた第２遷移層となっているため、高温に曝
されて皮膜最外表面部が高温となった場合でも、第２遷
移層における皮膜内部での伸びの差が小さく、しかもZr
O2・8Y2O3からなる中間層から下地層にかけての部分に
おいても下地層のNi−Cr−Al系合金とZrO2・8Y2O3とが
混合されかつ中間層へ向ってNi−Cr−Al系合金の割合が
減少する第１遷移層が形成されているため、その部分で
も皮膜内部での伸びの差が小さく、したがって皮膜全体
としても内部の伸びの差が小さいから熱サイクルが加わ
った時の熱応力も小さく、そのため耐熱衝撃性が著しく
優れているから、皮膜の剥離、脱落が生じるおそれが少
なく、従来よりも格段に優れた耐久性能を得ることがで
きる。
第１図はこの発明のセラミック断熱部材の構造の一例を
模式的に示す縦断面図、第２図は第１図のセラミック断
熱部材における各層の構成材料の厚さ方向の分布の一例
を示す線図である。第３図は従来のセラミック断熱部材
をピストンとして使用した場合における厚さ方向の温度
分布を示す略解図、第４図は第３図の温度分布に基いて
各層の伸び量を示す略解図である。 10……母材、11……下地層、12……第１遷移層、13……
中間層、14……第２遷移層。
模式的に示す縦断面図、第２図は第１図のセラミック断
熱部材における各層の構成材料の厚さ方向の分布の一例
を示す線図である。第３図は従来のセラミック断熱部材
をピストンとして使用した場合における厚さ方向の温度
分布を示す略解図、第４図は第３図の温度分布に基いて
各層の伸び量を示す略解図である。 10……母材、11……下地層、12……第１遷移層、13……
中間層、14……第２遷移層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−197861（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−250159（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−103368（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−143576（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−250161（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−54214（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】Al合金からなる母材の表面にNi−Cr−Al系
合金からなる下地層が形成され、この下地層上には、Ni
−Cr−Al系合金とZrO2・8Y2O3とが混合されかつ外側へ
向ってNi−Cr−Al合金の混合割合が減少する第１遷移層
が下地層と連続一体に形成され、その第１遷移層上に
は、実質的にZrO2・8Y2O3のみからなる中間層が第１遷
移層と連続一体に形成され、さらにその中間層上には、
熱膨張率が９×10-6/℃以下の低熱膨張率セラミックとZ
rO2・8Y2O3とが混合されかつ外側へ向ってZrO2・8Y2O3
の混合割合が減少する第２遷移層が中間層と連続一体に
形成されていることを特徴とするセラミック断熱部材。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63007999A JPH07122126B2 (ja) | 1988-01-18 | 1988-01-18 | セラミック断熱部材 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63007999A JPH07122126B2 (ja) | 1988-01-18 | 1988-01-18 | セラミック断熱部材 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01184261A JPH01184261A (ja) | 1989-07-21 |
| JPH07122126B2 true JPH07122126B2 (ja) | 1995-12-25 |
Family
ID=11681090
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63007999A Expired - Lifetime JPH07122126B2 (ja) | 1988-01-18 | 1988-01-18 | セラミック断熱部材 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07122126B2 (ja) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2699554B1 (fr) * | 1992-12-23 | 1995-02-24 | Metallisation Ind Ste Nle | Barrières thermiques, matériau et procédé pour leur élaboration. |
| JP5765567B2 (ja) * | 2010-08-05 | 2015-08-19 | アイシン精機株式会社 | ダイカスト用金型部品 |
| JP6168034B2 (ja) * | 2014-11-21 | 2017-07-26 | トヨタ自動車株式会社 | 溶射皮膜、これを有したエンジン、および溶射皮膜の成膜方法 |
| CN104775087B (zh) * | 2014-12-05 | 2017-08-25 | 襄阳航泰动力机器厂 | 一种金属复合陶瓷热障涂层的制备方法 |
| US10519854B2 (en) | 2015-11-20 | 2019-12-31 | Tenneco Inc. | Thermally insulated engine components and method of making using a ceramic coating |
| US10578014B2 (en) | 2015-11-20 | 2020-03-03 | Tenneco Inc. | Combustion engine components with dynamic thermal insulation coating and method of making and using such a coating |
| US10876475B2 (en) | 2015-11-20 | 2020-12-29 | Tenneco Inc. | Steel piston crown and/or combustion engine components with dynamic thermal insulation coating and method of making and using such a coating |
| US10578050B2 (en) * | 2015-11-20 | 2020-03-03 | Tenneco Inc. | Thermally insulated steel piston crown and method of making using a ceramic coating |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4588607A (en) * | 1984-11-28 | 1986-05-13 | United Technologies Corporation | Method of applying continuously graded metallic-ceramic layer on metallic substrates |
| JPS61250159A (ja) * | 1985-04-27 | 1986-11-07 | Riken Corp | 摺動部材 |
| JPS62103368A (ja) * | 1985-10-31 | 1987-05-13 | Toshiba Corp | セラミツクコ−テイング金属 |
-
1988
- 1988-01-18 JP JP63007999A patent/JPH07122126B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01184261A (ja) | 1989-07-21 |
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| JPH0337028B2 (ja) |