JPS6024941A - 断熱性積層部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は機械的及び熱的に強靭なセラミック被覆を有し
、かつ断熱性界面層全介在せしめた断熱性積層部品に関
するものである。

従来、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等は鋳鉄
やアくレミニウム合金などの金属部材によシ構成されて
いた。しかし、最近省エネルギーの見地からエンジンの
排気や冷却による大きな熱損失を低減し、エンジンの熱
効率を高めようとする研究が盛んに行われ、エンジン部
品に耐熱性、断熱性及び機械的強度のすぐれたセラミッ
クスを単独又はセラミックスと金属とを積層とした複合
構造体などを用いる方法が多く提案されてい・る。

しかしながら、セラミックス単独の使用及びセラミック
ス−金属の焼き嵌め、ボルト締め、かしめ等に用いるセ
ラミックスは何れの場合も高強度の部材とするため、そ
の出発原材料の調製、成形及び焼結条件、さらに焼結体
の仕上加工等、非常に高度で厳密な製造技術が要求され
る。従って著しくコスト高となり、さらに断熱効果を高
めるためセラミック部材の層を可成シ厚くする必要があ
る。このことは一般に、セラミックスと金属部材との大
きな熱膨張係数の差異から、品温状態下において組み合
せ金属部材との隙間の発生、゛がたつき”及び熱歪等に
より亀裂の発生や剥離が生じ易く、従って信頼性に乏し
く、実用化には未だ多くの問題を残している。

本発明は、このような従来の問題点を解決するもので、
高度の製造技術を必要とすることなく、また比較的簡易
な製造工程で信頼性の高い断熱性積層部品を提供するこ
とを目的とするものである。

以下本発明を図面によシ詳細に説明する。

本発明は、図に示すように鉄基合金又はアルミニウム合
金からなる金属製基体１と、鉄又は鉄基合金からなる金
属部材２との重合面間に金属多孔体及び（又Ｆ：ｒ、）
セラミックスからなる断熱性界面層３を介在せしめ、こ
れら相互の重合面を金属ろう接による融着層或はクロム
酸の焼成に伴う酸化クロムの化学結合層４で固着し、か
つ金属部材２の外側表面に溶射セラミックス及び（又は
）酸化クロムにより化学結合されたセラミック被覆５を
施こしたものである。このようにすると比較的多孔質の
断熱性界面層３とセラミック被覆層５とにより有効な断
熱効果が得られ、その上、金属部材２の表面の耐熱性、
耐摩耗性のセラミック被覆層５は比較的薄い被覆であシ
、界面層３との二段構造によシ大きな熱衝撃や温度傾斜
の緩和を計ることができるう なお、本発明の金属基体１に用いられる金属は、鉄基合
金及びアルミ基合金であシ、例えば鋳鉄、炭素鋼、アル
ミニウム合金鋳物などをあけることができる。

また、セラミック５によシ被覆される金・属部材２は鉄
及び鉄基合金であり、例えば鋳鉄、炭素鋼、ステンレス
鋼、耐熱鋼等をあけることができる。

次に、前記鉄基合金からなる金属部材２の外側表面に被
覆されるセラミックス５は溶射セラミックス及び（又は
）酸化クロムにより化学結合されたセラミックスであシ
、例えば安定化及び部分安定化ＺｒＯ２、ＣａＺｒ０ａ
、８ｒＺｒ０３、ＭｇＺｒＯ３、Ｙ２Ｚｒ２０ｙ等の酸
化物から選ばれた１種以上の酸化物をプラズマ溶射して
なる被膜である。また、酸化クロムによシ化学結合され
たセラミック被覆は、各種耐熱性酸化物、例えばＺｒＯ
２，８１０２、Ａ１１．０３、’ｒｉｏｚ、ＣａＺｒＯ
３、ＭｇＺｒＯ３等の酸化物から選ばれた１種又は１種
以上の酸化物の微粉末５〜２０重量部を比重１．５〜１
．７０Ｈ２０ｒ０４の水溶液１００重量部に加え、ボー
ルミルを用いてよく混成せしめたスラリーを金属部材２
の一方の面に塗布し、これを４５０〜６５０℃において
熱処理した酸化クロムによシ化学結合されたセラミック
被覆体であシ、この塗装及び”熱処理を繰シ返し操作し
て被膜の厚さを適当に調節する。また前記プラズマ溶射
層は本質的に多孔質であるので、との溶射被膜を前記の
ＨａＣｒＯｔを含むスラリーをもって塗布及び熱処理す
ることによシ低気孔化並びに被覆の強化を行うことで一
段と好ましい被覆が得られる。

即ち、比重１．６〜１ニアのＥ２Ｃｒ０４の水溶液又は
この溶液中のＨ２ＣｒＯｔ　１モルに対しＭｇＯ又はＣ
ｔｔＯを０．１〜０．４モル加えて溶解した溶液或は比
重１．６〜１．７のＨ２ＣｒＯｔの水溶液に少量の耐熱
性酸化物、例えば安定化ＺｒＯ２、ＴｌＯ２，５１０２
、Ａｌ２ｏｓ及びＣａＺｒＯ３などのうちから選ばれた
１種以上の酸化物の微粉末を少量、好ましく杖５〜１２
重量％加え、よく混和してスラリーを調製し、このスラ
リーをもって溶射セラミックの気孔に含浸せしめ、４５
０〜６５０℃において熱処理を施し、さらにこの処理を
数回繰シ返して行うことで被覆層の開放気孔をなくし、
かつ被膜が強化される。なお、前記金属部材２に被覆す
るセラミックス５の膜厚は燃焼ガスの熱エネルギによる
熱衝撃及びセラミックスの熱伝導率及び熱膨張特性等か
ら勘案し、さらに実験結果から５０〜２５０μｍとし、
好ましくは１３０μｍ程度・である。

次に、断熱性界面層３に用いられる部材の１つは金属多
孔体であり、例えば金属繊維焼結体、金属メツシュ積層
焼結体、金属粉末焼結体などをあげることができる。こ
れらの金属多孔体は平均空孔径ｌＯ〜１００μｍ、空孔
率４０〜７５憾、好ましくは最大孔径犯〜ωμｍ、空孔
率５０チ程度を有するステンレス鋼繊維焼結体であり、
焼結体の強度を高め、かつ界面層３の両側の金属面１．
３との接合強度を高める点においてステンレス鋼繊維の
両面に補強金鋼が焼結一体化されたものが部材として最
適である。

また、界面層３に用いられる部材がセラミックスである
ときは、例えば安定化又は部分安定化ＺｒＯ２，０ｎ（
Ｓｒ　、Ｍｇ）Ｚｒ０３、Ｙ２　Ｚ　ｒ２０フ等から選
ばれた１種以上の酸化物の微粉末１００重量部に対し、
ｚｒＣ微粉微粉末１量 く混合した粉末を成形し，　１５００℃以上においてよ
く焼結し、見掛気孔率を１０−２０チに調製したセラミ
ックスであシ、好ましくは、この焼結体を前記同様に酸
化物の微粉を）１２Ｃ’ｒ０４の濃水溶液に加え、調製
したスラリーを用い、セラミックスの気孔に含浸及び熱
処理を行い、この処理を４〜５回繰シ返し行うことで断
熱性を低下させることなく高強度のセラミック質界面層
が形成される。

さらに、金属・セラミックス複合組織からなる界面層に
用いられる金属は金属多孔体を用い、例えばステンレス
鋼のメツシュ積層及び繊維焼結体、ステンレス繊維フェ
ルトなどをあげることができる。比較的大きい孔径でカ
サ密度４０〜７０％のものを用いる。また、セラミック
原材料は耐熱性酸化物、例えば安定化又は部分安定化Ｚ
ｒ０ｇ、Ｃａ（Ｓｒ　、Ｍｇ）Ｚｒ０１等のうちから選
ばれた１′ｍ以上の４４μｍ以下の粉末加〜沁重量部を
比重１．４５〜１　、６　Ｕ）　Ｈ２ＣｒＯ番の水溶液
１００重量部に加え、ボールミルを用いてよく混合して
スラリーを調製し、このスラリーを前記金属多孔体の気
孔部分に含浸、充填し、乾燥後４５０〜６５０℃に熱処
理を施す。この含浸及び熱処理を反復して６〜８回処理
することによシ強固な断熱性複合組織からなる界面層が
形成される。

次に本発明の積層構造部品の各層の組み・合せ、接合に
ついて実施例によシさらに詳細に説明する。

実施例−１ 構成材料が炭素鋼にセラミック溶射被覆された金属部材
、界面層にはステンレス鋼繊維焼結体、金属基体として
アルミニウム合金鋳物より形成される場合、 先ず、炭素鋼５４５Ｃ　（　ＪＩＳ　）の沁×（資）×
２．５簡の試片を用意し、この両面を２５０μｍのサン
ドブラストで粗面化し、この片面にＣａＯ　６重ｉチと
ｕｇｏ　１０重量悌で安定化されたＺｒＯ２を０．２ｍ
の厚さにグラ１ズマ溶射してセラミック被覆を形成し′
だ。

別に、前記同様ＩＩＣ　Ｃ！ａｏ−＋ＭｇＯによシ安定
化された１０１１ｍ以下のＺｒＯｓ＋粉末３重量部及び
５μｍ以下の８１０２粉末３重量部を比重１．５の１２
ｃｒ０４の水溶液】００重量部に加え、ボールミルを用
い２４ｈｒ粉砕混合してスラリーを調製しておき、この
スラリー中に前記溶射セラミック被覆した鋼板を約１５
分間浸漬して被膜の気孔にスラリーを含浸せしめ、被膜
表面に付着した余分のスラリーを拭きとシ、電気炉にお
いて４℃／ｍｉｎで温度をあげ、５５０℃において約２
０ｍ　ｉ　ｎ熱処理した，この含浸・熱処理を４回縁シ
返し行うことＫよシ溶射セラミック被覆の見掛気孔率は
１チ以下となシ、この低気孔化と共に金属部材との接合
強度は３９０　Ｋｆ／ｃｍ２以上（エポキシ系樹脂系接
着剤を用い、引張シ強度試験によシ測定し、樹脂接着面
で剥離した数値）に補強された。なお、鋼板のセラミッ
ク被覆と反対の表面は後記のように金属質の界面層と接
合する必要があるので、前記スラリー処理を行う前に予
めその面にマスキングテープを貼っておき、スラリー処
理物を乾燥した後、テープをはがし取ると次工程での接
合が可能となる。なおテープの代シにポリスチレン系の
樹脂塗料でマスキングしてもよい。これは熱処理中に分
解消失する。

断熱性界面層としては５１）　Ｘ　５０　Ｘ　４　ｍｍ
、気孔率約５０係を有する市販のステンレス繊維焼結体
を用いた。この種の焼結体には両面に補強金銅が同時に
焼結されたものも適用できる。使用した界面層の熱伝導
率は約０．００８　Ｃａ１ｌ／ｃｍ・５ｅｃ−’Ｃ（熱
線法による測定値）であった。

そして前記炭素鋼板の素肌面は純銅の微粉末をニトロセ
ルローズ２０ｔｓ溶液でペースト状にしたろう剤を約０
．２鱈程度の厚さに塗布し、この上に前記ステンレス繊
維焼結体を重ね合せ、上方から約５０Ｏ　ｆの重シをの
せ、ブタン変成ガスの還元雰囲気（００８〜１０チ）下
において約１１２５℃でろう接合を行った。

次に、前記接合体と金属基体との接合を行う。

金銭基体にはアルミニウム合金鋳物としてＪＩＳＡＣ’
５Ａ（市販Ｙ合金）、５０　Ｘ　５０　Ｘ　１０闘を使
用した。この基体面にＡＡ！−８ｉ系アルミニウムろう
（　’．ｒｘｓＢＡａｏ相蟲）の薄板を敷設し、次に、
フシツクスを塗布、その上に前記の接合体の界面層を重
ね合せ、上部よシ約５００ｔの重シをのせ、電気炉にお
いて還元ｄ囲気下において５６０℃に加熱し、ろう接合
を行い、断熱性積層品を試作した。このような組み合せ
の積層品は、初めに各金属累月を夫々金属系ろう材を用
いて接合し、その後工程においてセラミック溶射被覆及
び酸化クロムの化学結合による被覆の強化処理を行うこ
とも好結果が得られる。また、前記アルミニウム合金基
体の代シに鉄基合金を用いるときは純銅ろうで界面層を
同時に接合することができる。この場合における積層部
品の熱伝導率は０．００７〜０．００６　Ｃａ４／ｃｍ
−ｓｅｃ・６Ｃ，で十分満足できる性能であった。

実施例−２ 酸化クロムにより化学結合されたセラミック被覆を有す
る金属部材とセラミック質断熱性界面層と金属基体とか
らなる断熱性積層部品の場合、金属部材として球状黒鉛
鋳鉄（ＪＩＳ、　ＦＣＤ４０）、刃×（支）Ｘ２．３ｍ
の板を用い、この両面を実施例−１と同様にサンドブラ
ストで粗面化し、その片面に比重１．５６のＨ２Ｃｒｏ
、の濃水溶液１００重量部に対し、５μｍ以下の５１０
２粉末９重量部、５μｍ以下のＡｌ２Ｏ３粉末３重量部
及びＣａ０８重′ｔＣＩ）にょシ溶融安定化されたＺｒ
Ｏ２の１０μｍ以下の粉末９重量部を加え、ボールミル
を用い２４ｈｒ粉砕混合して調製したスラリーを塗布し
、乾燥後５５０°Ｃにおいて約２０　ｍｉｎ熱処理を施
し、さらに前記塗布及び熱処理を５回反復処理を行った
。この処理にょシスラリ−中のＨＱＣｒＯ。

が分解、ＣｒＣｌ３−＋　Ｃｒ２Ｏ３に変換し、共存す
る５ｉｎ２、Ａｌ２Ｏ３，２１０２粒子及び鋳鉄相互と
強固に化学結合し、約１２０μｍ厚のセラミック被膜が
形成された。

次に、さらにこの被膜の結合強度を高めるため比重１．
６５のＨ，ｌＣｒ０．単味の濃水溶液中Ｋ１０分間浸漬
し、乾燥後５５０°ＣｌＩＣおいて熱処理を施し、さら
にこの溶液による浸漬及び熱処理を２回繰り返し行った
。

このようにして得られるセラミック被膜の熱伝導率の値
はレザーパルス法ニょＦ）　約０．００６〜０．００７
であることが認められた。

断熱性セラミック界面層にはＣａＯ１５重量係＋Ｍｇｏ
　ＩＱ重葉チにより安定化された４４μｍ以下のＺｒＯ
２粉末ｔｏｏ重量部、１０８ｍ以下のＺｒＣ１２重骨部
、５ｍｍ以下のＣａＣＯ３５重量部及び加μｍ以下のＭ
ｇＺｒＯ３粉末５０重量部からなる混合粉末を１５００
　ＫＷ／ｃｒｒｔ２で加圧成形し、１５００’Ｃにおい
て焼結した。その見掛気孔率１５．６　％であり、この
焼結体を強化するため、次の処理を行った。即ち、強化
剤として比重１．５５のＨ２ＣｒＯ４の水溶液１００重
量部に対し、ＣａＯ１８重量％で安定化された１０μｍ
以下のＺ　ｒ０２粉末８重景部及び５μｍ以下のＳ↓ｏ
２粉末１２重量部を加え、ボールミルを用い２４ｈｒ粉
砕混合して調整したスラリーを用いた。このスラリー中
に前記セラミック焼結体を浸漬し、ｌ　ｍｍＨｇの減圧
下においてセラミックスの気孔中にスラリーヲ含浸させ
、電気炉により４°Ｃ／ｍｉｎで昇温し、６５０°Ｃに
おいて約３０　ｍｉｎ熱処理を行い、さらにこの含浸・
熱処理ｔ６回繰り返した。得られたセラミック界面層は
見掛気孔率２．３俤、熱伝導率は０．００５　Ｃａ１７
ｃｍ　−５ｅａ−°Ｃであり、断熱性界面層として満足
できる性能を有するものであった。

次に、金属基体としてねずみ鋳鉄（ＪＩ日ＦＣ３５）を
用い、これと前記のセラミック被覆された球状黒鉛鋳鉄
部材及びセラミック界面層とを積層とする接合には酸化
クロムの化学結合による方法を甲い走。この方法は特願
昭５８−６１６６０号及び特願昭５８−６１６６１号に
詳細に記載されている。即ち、接合剤にはＣｒＯ３５０
０ｆを水圧溶解し、比重１．ｆｉ５〜１．７のＨ２Ｃｒ
Ｏ４の溶液をつくり、これにＺｎＯ２５Ｓ’及びＭｇＯ
５０ｆの粉末を溶解し、水を加えて比重１．８５の溶液
にし、さらＫこの溶液５００　ｆに対しｌ（ｌ　ｉｍ以
下の安定化ＺｒＯ２粉末１５１．１０μｍ以下のＴｉＯ
粉末１５　ｆ及び５μｍ以下の８１０２粉末３Ｏｆを添
加し、ボールミルを用い、２４ｈｒ粉砕・混合し、接合
剤を８周胴１．た。

前記のセラミック被覆された鋳鉄部材及び基体とするね
ずみ鋳鉄（Ｆｅ１２．５０Ｘ５０Ｘ５１ｊｌｌサイズ）
とを接合の前処理として、８５°Ｃに加温された比重１
．４５０Ｈ２ＣｒＯ，（７）水溶液中に浸漬し、約１５
　ｍｉｎ　、　８５°Ｃに加熱保持して、両鋳鉄表面に
露呈（〜でいる黒鉛を除去した。

前記脱黒鉛処理されたねずみ鋳鉄基体、セラミック界面
層及びセラミック被覆された球状黒鉛鋳鉄部材の夫々の
接合面、に前記接合剤のスラリーを刷毛を用いてよく塗
布し、約５　ｍｉｎ経過後接合面を夫々重ね合せ、細い
針金で積層物を固定し、電気炉を用い４°Ｃ／ｍｉｎで
昇温し、５ｆｉＯ’Ｃにおいて約３０　ｍｉｎ加熱保持
し１、断熱性積層部品を試作したうこの試作品より接合
面１５　ｘ　１５闘の寸法に切断し、エポキシ系接着剤
を用いて引張試験用試片を作成し、接合強度を測定した
結果、樹脂接着部において剥離し、その強度は３８５　
Ｋｐ／ｃＷＬ″以−上であることが認められた。また、
その積層部品の熱伝導率は０．００４　Ｃａｌ　７ｃｍ
　−ｓｅｃ　・°Ｃであった。

【図面の簡単な説明】

図は本発明断熱性積層部品の構成を示す断面図である。 ■・・・金属製基体、２・・・金属部材、３・・・界面
層、４・・・接合１召、５・・・セラミック被覆特許出
願人　臼井国際産業株式会社 代　理　人　押　１）　良　久［晶

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　鉄基合金又はアルミニウム合金からなる金属製
   基体と鉄又は鉄基合金からなる金属部材との重合面間に
   断熱性界面層を敷設介在して、これら相互の重合面を金
   属ろう接によるろう融着層或はクロム酸の焼成に伴う酸
   化クロムの化学結合層をもって固着し、かつ金属部拐の
   外側表面には溶射又は酸化クロムによシ化学結合された
   セラミック被覆を施こしたご七を特徴とする断熱性積層
   部品。
2. （２）断熱性界面層は金属多孔体又はセラミック或は金
   属とセラミックスとの複合体である特許請求の範囲第１
   項記載の断熱性積層部品。