JPS63295209A - セラミック被覆管状体の製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は諺鉄製の排気マニホルド等の管状体の内面にセ
ラミック被覆層を強固に密着させることによりセラミッ
ク被覆管状体を製造する方法に関する。

［従来の技′＃ｉ］ 内燃機関の排気系橢器、特に排気マニホルドはエンジン
のシリンダから排出される高温高圧の燃一 焼ガスにさらされるｌζめ、高い断熱性及び耐火性を有
することが望まれる。特に近年エンジン効率を上げるた
めにエンジン排気ガスの温度を高くする傾向にあるので
、排気マニホルド等の排気系機器の熱損失を小さくする
ことが重要になってきた。

特開昭５８−５１．２１４号は内面に耐火断熱コーティ
ングを施した排気マニホルド等の内燃機関用排気ガス系
機器を開示している。この内燃機関用排気ガス系は器は
、耐火物原料粒子と無機質結合剤の混和物よりなる不定
形耐火物の被１層を高熱の排気ガスに接する金属製機器
本体の内面に形成したものである。

また特開昭５８−９９１８０号は排気マニホルド等の内
燃機関用排気ガス系機器の内面に耐火断熱コーティング
を施す方法を開示している。この方法は、高熱の排気ガ
スに接する金属製機器本体の内面に耐火物原料粒子と無
機質結合材とフリットの混和物よりなる泥漿を付着させ
て耐熱被１層を形成し、次いで該耐熱被覆層が湿潤状態
にある間にその表面に耐火断熱材粒子を付着させて耐火
断熱層を形成し、次いで前記耐熱被漕層を固化させたう
え該耐火断熱層の表面に耐火物原料粒子と無機質結合剤
とフリットの混和物よりなる泥漿を付着させて耐熱被覆
層を形成させることを特徴とし、必要に応じて前記外層
の耐熱被覆層の表面に前記耐火断熱層と同村の耐火断熱
層および前記耐熱被覆層と同材の耐熱被覆層を順次反復
して所要層形成させるものである。この方法により、耐
熱被覆層と耐火断熱層と耐熱被覆層との三層が一体化し
てｇｔ層されたコーティングが形成される。

さらに特開昭６１−１６３２８２号は高温の排気ガスが
通過する排気系機器の内面に無機質結合剤溶液を塗布し
、直ちに前記無償質結合剤溶液の層に耐火断熱材粉末を
付着さＵ、熱処理により乾燥・固化する工程を含む第一
段階を少くとも１回行うことにより耐火断熱層を形成し
、次いで前記耐火断熱層の表面に無４１質結合剤溶液を
塗布し、直ちに前記無機質結合剤溶液の層に耐火材粉末
を付着させ、熱処理により乾燥・固化する工程を含む第
二段階を少なくとも１回行うことにより耐火層を形成す
ることを特徴とする排気系機器の製造方法を開示してい
る。この方法では耐火断熱材粉末又は耐火材粉末と無機
質結合剤溶液との泥漿を利用せずに、無機質結合剤溶液
の塗布層にこれらの粉末を付着させているので、前二者
の方法よりも熱処理により亀裂や剥離の生じにくい耐火
・断熱コーティングが得られる。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、特開昭６１−１６３２８２号の方法でも
、焼成工程において急速に昇温すると被覆層の表面のみ
が早期に乾燥・固化し、内部にはまだ水分が残留してい
るために、被覆層のふくれや管材との境界面に剥離を生
ずる結果をまねくことがわかった。これらの問題を解消
するために４湯速度を遅くするか、あるいは加湿乾燥す
る方法も試みられているが、焼成工程に長時間を要する
ため焼成時間の増大、製造原価の高騰など好ましからざ
る結果をまねくことになる。

従って本発明の目的は、焼成時間を短縮し、かつ被覆層
のふくれや剥離を防止し得るセラミック被覆管状体の製
造方法を提供するものである。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者等は、無機質
結合剤溶液の塗布層に断熱材又は耐火材からなるセラミ
ック粉末を付着させた後で、管状体より熱膨張係数の大
きな小粒体を充填し、加熱焼成することにより、セラミ
ック被覆層を緻密化するとともに金属管状体の酸化皮膜
とセラミック層との化学反応により強固に密着すること
ができることを発見し、本発明に想到した。

すなわち本発明のセラミック被１管状体の製造方法は、
（ａ）金属製管状体内面に酸化皮膜を形成し、（ｂ）前
記管状体の内面に無機質結合剤溶液を塗布し、（ｃ）直
ちに前記無機質結合剤溶液の層にセラミック粉末を付着
させてセラミック層を形成し、（ｄ）前記管状体より大
きな熱膨張係数を有する小粒体を充填密封した状態で加
熱焼成し、もって前記小粒体の膨張により前記セラミッ
ク層を緻密化するとともに前記内面に強固に密着させる
ことを特徴とする特 本発明の方法において接着性を付与するために使用づ゛
る無機質結合剤としては、珪酸ソーダ、珪酸カリ、珪酸
リチウムなどの珪酸塩結合剤、第一リン酸アルミニウム
、第一リン酸カルシウム、第一リン酸マグネシウム、結
合リン酸ソーダ、リン酸等のリン酸系結合剤、コロイダ
ルシリカ、コロイダルアルミナ、コロイダルジルコニア
等のゾル系結合剤及びエチルシリケート等が適当である
。

結合剤は水溶液の形で使用するが、その濃度は２０〜４
５重量％が好ましい。２０重量％より低いと接看力が小
さく剥離しやすい。また４５重量％より高いと塗布作業
が困難となる。より好ましくは２５〜４０重量％である
。

結合剤溶液に、硬化剤を適量添加することもできる。硬
化剤は結合剤の種類によって異なるが、それぞれ公知の
ものが使用できる。例えば、珪酸塩結合剤に対しては珪
弗化ソーダ、焼成リン酸アルミニウム、ダイカルシウム
シリケート、炭酸ガスなどがある。またリン酸アルミニ
ウムに対してはマグネシア、ライムなどの塩基性酸化物
、カルシウムアルミネート、弗化アンモニウム等がある
。

セラミック粉末としては、断熱性を付与する耐火断熱材
粉末と、特に耐火性を付与するための耐火材粉末のいず
れも使用できる。好ましくはまず耐火断熱材からなる断
ｉＷＩｍを形成し、次いで、耐火材からなる耐火層を形
成する。

耐火断熱材としてはシラスバルーン、発泡シリカ、パー
ライト等の無機質断熱材を使用することができる。その
粉末の粒径は１０〜５００μｍの範囲が適当である。１
０μｍより小さいと、収縮による亀裂・剥離を生じるお
それが大きく、５００μ乳より大きいと、平滑な皮膜層
を形成しにくい。より好ましい粒径範囲は２０〜２００
μｍである。

耐火材としてはシャモット、耐熱ガラス（パイレックス
ガラス）、溶融シリカ、コージェライト、ムライト、ア
ルミナ、ジルコン、ジルコニア等の一般的に使用される
ものでよいが、特にジルコニアは熱伝導率が低いので好
ましい。耐火材粉末の平均粒度は一般に１０〜５００μ
ｍの範囲である。

１０μｍより小さいと粒子間の凝集が起こりやすく、平
滑な皮膜層を形成しにくいし、高熱の影響を受けて収縮
しやすい。また５００μｍより大きいと、平滑な皮膜を
形成しにくい。好ましい粒径範囲は２０〜２００μｍで
ある。

管状体より熱膨張係数の大きな小粒体としては鋼、銅、
アルミニウム等の金属の小球、珪砂、ジルコニア等を使
用することができる。セラミック被覆層を形成する管状
体としては通常、バーミキュラー等の鋳鉄を使用するの
で、これらの材料の熱膨張係数の比較を以下に示す。

バーミキュラー鋳鉄　：　　１０．２Ｘ１０’／’Ｃ鋼
　　　　　球　　：　　　１３．０Ｘ１０’／”Ｃ銅　
　　　　球　　：　　　３３．　０Ｘ１０−６／”Ｃジ
ルコニア　：　　８．０Ｘ１０’／”Ｃ充填する小粒体
と金属管状体との熱膨張係数の差はＯ〜２０ｘ１０’／
’Ｃであるのが好ましい。

また６Ｘ１０−６／”Ｃより熱膨張係数の差が小さいと
小粒体の熱膨張によるセラミック層の圧迫効果が十分で
ない。

上記小粒体の粒径は、熱膨張によるセラミック被ＶＷ層
への押圧力をできるだけ均一にするとともに、排気マニ
ホルドのような複雑な形状の管状体内に密に充填し得る
ように、比較的小さいことが望ましく、具体的には０．
５〜２．Ｏｒｍ程度であるのが望ましい。

次に本発明の方法の手順について説明する。

まず管状体の内面に無機質結合剤溶液をスプレー等によ
り塗布する。得られた均一な厚さの無機質結合剤溶液層
にセラミック粉末を付着させる。

セラミック粉末が溶液層に均一に付着する限りいかなる
方法でも使用し得るが、特に好ましい方法は、無機質結
合剤溶液層上にセラミック粉末をスプレーする方法であ
る。別法としては、内面を塗布した管状体内にセラミッ
ク粉末を充満させ、溶液がセラミック粉末に十分１５１
３ｉした後で付着しないセラミック粉末だけ除去するこ
とにより、結合剤溶液が含浸したセラミック粉末層を形
成する方法もある。いずれの方法においても、含浸され
ていないセラミック粉末を完全に除去するために、エア
ーブローを行うのが好ましい。このようにして得られる
セラミック層の厚さは無機質結合剤溶液の濃度及び厚さ
によるが、−回当り一般に１００〜１５００μ雇程度で
ある。

次に必要に応じ加湿養生を行う。加湿養生は５０〜８０
℃の温度、４０〜８０％相対温度において３０〜１２０
分間保持することにより行う。これによりセラミック層
が無機質結合剤溶液により完全に含浸固化される。

養生後、２７０〜３００″Ｃに３０〜６０時間加熱保持
することにより乾燥する。

一般にセラミック被覆層を耐火断熱層と耐火層とから構
成するのが好ましく、耐火断熱層は０゜５〜３．０朋の
厚さを有する必要があり、耐火層は、０．５〜３．０穎
の厚さを有する必要がある。

従って、この場合、まず上記工程のサイクルを複数回繰
り返して耐火断熱層を形成し、次に同様の手順により耐
火層を形成する。

小粒体を充填密封した状態で加熱焼成する工程は、耐火
断熱層及び耐火層をそれぞれ完成したときに行うが、セ
ラミック被覆層が形成し終ってから最後に行ってもよい
。

小粒体の充填は管状体の下方の開口部を密封してから行
うが、加熱焼成中に小粒体の熱膨張によりセラミック層
に圧縮応力を及ぼす必要があるので、できるだけ密に充
填する。そのため、管状体に振動を与えながら充填する
のが望ましい。充填後上方の開口部にも益をする。蓋は
、小粒体の熱膨張による抑圧に十分耐えられるように、
強固に管状体に固着する。

この状態で次に加熱焼成する。一般に鋳物の変態は７８
０℃付近で生じるため、それより低い温度で焼成する必
要がある。その他に余り高温で焼成すると収縮によるク
ラックが生ずるおそれがある。そのため７７５℃肋後の
温度で焼成するのがよい。かかる焼成温度において一定
時間保持するが、一般に３０〜６０分間である。

焼成中管状体、セラミック粉末及び小粒体はいずれも熱
膨張するが、小粒体の熱膨張係数は管状体の熱膨張係数
より十分大きいので、その間に挟まれたセラミック層は
管状体の内面に強く押圧されることになる。加熱焼成後
管状体を炉冷し、小粒体を取り出す。

［作　　用］ 本発明の方法においては、小粒体は管状体より十分に大
きな熱膨張係数を有するとともに、いがなる形状の管状
体にも密に充填することができるので、セラミック・無
機質結合剤層の加熱焼成の際十分な圧縮応力を及ぼして
おくことができる。

このため、焼成後のセラミック被覆層は十分に緻密であ
るとともに、管状体内面との密着が強固である。

［実施例］ 本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、
本発明はそれらに限定されるものではない。

実施例１ 予めＰ　ｌ−１１０〜１１のアルカリ性溶液で脱脂処理
を施した鋳鉄製マニホルド（熱膨張係数＝１０゜２×１
０−６／℃）の内面に、第一段階として珪曹比２．９、
濃度３０重量％の珪酸ソーダ水溶液に硬化剤として焼成
リン酸アルミニウム（ヘキスト社製Ｈ，Ｂハードナー）
を１０重量％添加したものを塗布した。直ちに、断熱材
としてカサ比重０゜２）粒径４４〜１５０μｍのシラス
バルーン（熱膨張係数：　１０．ＯＸｌ　０’／”Ｃ）
を散布した。

シラスバルーンが十分に付着した後、７５℃、７０％Ｒ
Ｈで６０分間養生し、次いで、１２０℃に３０分間加熱
することにより乾燥した。

乾燥後、直径１〜１．５ａの鋼粒（熱膨張係数：１３、
ＯＸｌ　０’／’Ｃ）を内部に充填し、開口部を塞いで
炉内に挿入し焼成作業を行った。加熱温度と加熱時間は
以下の通りであった。

２０〜５０℃まで１時間 ５０〜１００℃まで１時間 １００〜２００’Ｃ１Ｔ−１時間 ２００〜３００℃まで１時間 ３００℃で１時間保持して焼成工程を完了し、断熱層を
形成した。

第二段階として上記の断熱層の上に上記と同一の無機質
結合剤溶液を塗布し、さらに粒径４４〜１５０μｍの安
定化ジルコニア粒子（熱膨張係数ニア、ＯＸ　１０−６
／”Ｃ）を散布し、養生・乾燥した後、平均直径１．５
Ｍの鋼粒を内部に充填し、開口部を塞いで炉内に挿入し
、上記と同一の焼成作業を行い耐火層を形成した。

得られた断熱層および耐火層にはふくれや亀裂は実質的
に見られなかった。またこの耐火・断熱マニホルドに対
して１０００℃の焼成ガスによる加熱と放冷を繰り返し
たが、コーティング層の亀裂や剥離は実質的に見られな
かった。

実施例２ 予めＰＨ１０〜１１のアルカリ性溶液で脱脂処理を施し
た実施例１と同じｇ鉄製マニホルドの内面に、第一段階
として珪曹比２．９、濃度４０重量％の珪酸ソーダ水溶
液に硬化剤として焼成リン酸アルミニウム（ヘキスト社
製ト１．Ｂハードナー）を１０重量％添加したものを塗
布した。直ちに、断熱材としてカサ比重０．２）粒径４
４〜１５０μ汎のシラスバルーンを散布した。

シラスバルーンが充分に付着した後、ドラム缶中で７５
℃、７０％ＲＨで６０分間養生し、次いで、１２０℃に
３０分間加熱することにより乾燥した。

第二段階として上記の断熱図の上に上記と同一の無機質
結合剤溶液を塗布し、さらに粒径４４〜１５０μｍの安
定化ジルコニア粒子を散布し、養生・乾燥した。

その後直径１〜１．５Ｂの鋼粒を内部に充填し、間口部
を塞いで炉内に挿入した。焼成条件は実施例１と同じで
あった。このようにして断熱層上に耐火層を形成した。

得られた断熱層および耐火層にはふくれや亀裂は実質的
に見られなかった。またこの耐火・断熱マニホルドに対
して１０００℃の燃焼ガスによる加熱と放冷を繰り返し
たが、コーティング層の亀裂や剥離は実質的に見られな
かった。

実施例３ 実施例１において１４球の代りに平均直径１間の珪砂を
用いた以外全く同一の方法により、鋳鉄製マニホルド内
の断熱層及び耐火層からなるセラミック被覆層を形成し
た。

得られた断熱層および耐火層には亀裂は実質的に見られ
なかった。またこの耐火・断熱マニホルドに対して１０
００℃の燃焼ガスによる加熱と放冷を繰り返したが、コ
ーティング層の亀裂や剥離は実質的に見られなかった。

比較例１ 小粒体を使用しない以外実施例１と全く同じ条件により
、断熱層及び耐火層を形成した。これらの層にはふくれ
や亀裂、剥離が顕著に認められた。

［発明の効果］ 以上から明らかな通り、本光明のセラミック被ＷＩ管状
体の製造方法は、セラミック被覆層の加熱焼成工程にお
いて、管状体より十分に大きな熱膨張係数を有する小粒
体を管状体内に充填密封づるので、その熱膨張を利用し
てセラミック被覆層を圧縮・押圧することができる。こ
のため本発明の方法によりｊｑられるセラミック被覆管
状体のセラミック被覆層には、気泡や管状体内面との剥
離が実質的にない。また小粒体を利用するので、訃かな
る複雑な内部形状を有する管状体に対しても簡単に強固
なセラミック被￥ＩＩ層を形成することができるという
利点を有する。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）内面にセラミック被覆層を有する金属製管状体を
   製造する方法において、 （ａ）金属製管状体内面に酸化皮膜を形成し、（ｂ）前
   記内面に無機質結合剤溶液を塗布し、（ｃ）直ちに前記
   無機質結合剤溶液の層にセラミック粉末を付着させてセ
   ラミック層を形成し、 （ｄ）前記管状体より大きな熱膨張係数を有する小粒体
   を充填密封した状態で加熱焼成し、もって前記小粒体の
   膨張により前記セラミック層を緻密化するとともに前記
   内面に強固に密着させる ことを特徴とする方法。
2. （２）特許請求の範囲第１項に記載の方法において、前
   記管状体が鋳鉄製であり、前記小粒体が鉄球、鋼球、銅
   球、アルミニウム球等の金属球の単独或いは２種以上の
   組合せたものであることを特徴とする方法。
3. （３）特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の方法に
   おいて、前記工程（ｂ）乃至（ｄ）を２回以上繰り返す
   ことを特徴とする方法。
4. （４）特許請求の範囲第３項に記載の方法において、１
   層以上の前記セラミックス層からなる内面層を断熱層と
   し、１層以上の前記セラミックス層からなる表面層を耐
   火層とすることを特徴とする方法。