DE112014003863T5

DE112014003863T5 - Wärmeschutzfilm und Verfahren zur Ausbildung des Wärmeschutzfilms

Info

Publication number: DE112014003863T5
Application number: DE112014003863.6T
Authority: DE
Inventors: Akinori Eda
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-08-22
Filing date: 2014-08-18
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2034-08-19
Also published as: JP2015040331A; JP5928419B2; WO2015025208A1; DE112014003863B4; CN105473521B; US20160201555A1; CN105473521A

Abstract

Ein Wärmeschutzfilm (100), der auf einer Wandoberfläche eines Bauteils (W) auf Aluminiumbasis ausgebildet ist, umfasst: eine Matrixschicht (10), die durch Diffusion mit der Wandoberfläche verbunden ist (Diffusionshaftschicht (10')), einen Längenausdehnungskoeffizienten von 15 × 10–6/K bis 25 × 10–6/K in einem Temperaturbereich von Normaltemperatur bis 200°C aufweist und aus einem Emaillematerial hergestellt ist; und hohle Teilchen (20), die in der Matrixschicht (10) dispergiert sind.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Wärmeschutzfilm, der auf einer Wandoberfläche eines Bauteils auf Aluminiumbasis ausgebildet ist, und ein Verfahren zur Ausbildung des Wärmeschutzfilms und betrifft beispielsweise einen Wärmeschutzfilm, der auf einem Teil einer Wandoberfläche oder der gesamten Wandoberfläche, die zu einer Verbrennungskammer einer Brennkraftmaschine ausgerichtet ist, ausgebildet ist, und ein Verfahren zur Ausbildung des Wärmeschutzfilms
2. Beschreibung des Stands der Technik
Eine Brennkraftmaschine wie ein Benzinmotor und ein Dieselmotor wird in der Hauptsache aus einem Motorblock, einem Zylinderkopf und einem Kolben gebildet. Eine Verbrennungskammer der Brennkraftmaschine wird definiert durch eine Bohrungsfläche des Zylinderblocks, eine Oberseite des in der Bohrung montierten Kolbens, eine Unterseite des Zylinderkopfs und Oberseiten der in den Zylinderkopf angeordneten Einlass- und Auslassventile. Angesichts der Hochleistungsanforderungen an die aktuellen Brennkraftmaschinen ist es bedeutend, die Kühlungsverluste der Brennkraftmaschinen zu verringern. Als eine der Maßnahmen zur Verringerung der Kühlungsverluste existiert ein Verfahren zum Ausbilden eines aus Keramik hergestellten Wärmeschutzfilms auf einer Innenwand der Verbrennungskammer.
Da die oben beschriebene Keramik allgemein eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Wärmekapazität aufweist, tritt aufgrund einer stetigen Zunahme der Oberflächentemperatur jedoch eine Abnahme der Einlasseffizienz oder ein Klopfen (abnormale Verbrennung aufgrund verbleibender Wärme in der Verbrennungskammer) auf. Daher hat sich Keramik derzeit nicht weit als ein Filmmaterial für die Innenwand der Verbrennungskammer verbreitet.
Aus diesem Grund wird der Wärmeschutzfilm, der auf der Wandoberfläche der Verbrennungskammer ausgebildet ist, wünschenswerterweise aus einem Material gebildet, das selbstverständlich nicht nur eine Wärmebeständigkeitseigenschaft und eine Wärmeisolationseigenschaft, sondern auch eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine geringe Wärmekapazität aufweist. Zusätzlich zu der geringen Wärmeleitfähigkeit und der geringen Wärmekapazität weist der Film wünschenswerterweise darüber hinaus eine Verformbarkeit auf, um so in der Lage zu sein, dem Explosionsdruck zum Zeitpunkt der Verbrennung in der Verbrennungskammer, dem Einspritzdruck und einer wiederholten Wärmeausdehnung und Wärmeschrumpfung folgen zu können, und verursacht wünschenswerterweise kaum ein Ablösen an der Grenzfläche zwischen dem Film und einer Matrix eines Zylinderblocks aufgrund einer Wärmeverformung oder dergleichen.
Betrachtet man den existierenden Stand der Technik, beschreiben die japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2009-243355 ( JP 2009-243355 A ) und die japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2010-185291 ( JP 2010-185291 A ) jeweils eine Brennkraftmaschine, welche einen Wärmeisolationsdünnfilm einschließt, in welchem Blasen ausgebildet sind im Inneren eines Materials, das eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die geringer ist als die einer Matrix, welche eine Verbrennungskammer der Brennkraftmaschine bildet, und eine Wärmekapazität aufweist, die geringer oder gleich der der Matrix ist.
Auf diese Weise beschreiben die JP 2009-243355 A und die JP 2010-185291 jeweils eine Technik zur Ausbildung eines Films mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit und einer niedrigen Wärmekapazität auf einer Innenwand der Verbrennungskammer der Brennkraftmaschine und kann der Film elf Wärmeisolationsfilm (Wärmeschutzfilm) mit wie oben beschriebenen ausgezeichneten Fähigkeiten sein.
Diese Wärmeisolationsfilmstrukturen sind jedoch derart, dass Blasen im Inneren eines Wärmeisolationsmaterials, das aus Keramik oder dergleichen hergestellt ist, ausgebildet sind, so dass von dem Wärmeisolationsfilm keine hohe Verformbarkeit zu erwarten ist. Daher kann eine Unannehmlichkeit auftreten dahingehend, dass der Wärmeisolationsfilm beschädigt wird aufgrund einer Wärmeermüdung bei dem Vorgang des Erfahrens einer wiederholten Wärmeausdehnungs- und Wärmeschrumpfungsbelastung in der Verbrennungskammer, ein Wärmeverformungsunterschied zwischen dem Wärmeisolationsfilm und einem aus einer Aluminiummatrix hergestellten Basismaterial leicht zunimmt und leicht ein Ablösen an der Grenzfläche zwischen dem Wärmeisolationsfilm und dem Basismaterial auftritt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt einen Wärmeschutzfilm zur Verfügung, der eine geringe Wärmeleitfähigkeit, eine geringe Wärmekapazität und eine Verformbarkeit, die in der Lage ist, einer wiederholten Wärmeausdehnung und Wärmeschrumpfung zu folgen, aufweist und kaum eine Ablösung an der Grenzfläche aufgrund eines Wärmeverformungsunterschieds zwischen dem Wärmeschutzfilm und einer aus einem Bauteil auf Aluminiumbasis, wie einem Zylinderblock, gebildeten Wandoberfläche verursacht, und stellt ein Verfahren zur Ausbildung des Wärmeschutzfilms auf der Wandoberfläche zur Verfügung.
Ein erster Aspekt der Erfindung stellt einen Wärmeschutzfilm zur Verfügung. Der Wärmeschutzfilm umfasst: eine Matrixschicht, die einen Längenausdehnungskoeffizienten von 15 × 10^–6/K bis 25 × 10^–6/K in einem Temperaturbereich von Normaltemperatur bis 200°C aufweist und aus einem Emaillematerial hergestellt ist; und hohle Teilchen (Hohlpartikel), die in der Matrixschicht dispergiert sind, wobei der Wärmeschutzfilm auf einer Wandoberfläche eines Bauteils auf Aluminiumbasis ausgebildet ist und der Wärmeschutzfilm durch Diffusion mit der Wandoberfläche verbunden ist.
Der Teil der Wandoberfläche, auf der der Wärmeschutzfilm gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist, ist aus Aluminium oder einer Legierung aus Aluminium hergestellt. Die Anwendung der Wandoberfläche kann nicht nur eine Wandoberfläche sein, die zu einer Verbrennungskammer einer Brennkraftmaschine ausgerichtet ist (in diesem Fall ist das Bauteil ein Kolben, ein Zylinderkopf oder dergleichen, welcher die Verbrennungskammer bildet, und ist die Wandoberfläche eine Oberseite des Kolbens oder eine Unterseite des Zylinderkopfs), sondern kann auch Wandoberflächen verschiedener Anwendungen sein, welche eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und eine niedrige Wärmekapazität erfordern, wie eine Wandoberfläche, die eine Einlass-/Auspuffleitung eines Fahrzeugs bildet, eine Wandoberfläche, die eine Turbinenschaufel bildet, und eine Außenwand einer Brennkraftmaschine, eines Gehäuses oder einer Umhausung, welche ein Spaceshuttle oder dergleichen beherbergt. Wenn der Wärmeschutzfilm auf die Brennkraftmaschine angewendet wird, kann die Brennkraftmaschine ein Benzinmotor oder ein Dieselmotor sein.
In dem Wärmeschutzfilm gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ist das Emaillematerial auf die Matrixschicht aufgebracht und weist das Emaillematerial insbesondere einen Längenausdehnungskoeffizienten von 15 × 10^–6/K bis 25 × 10^–6/K in einem Temperaturbereich von Normaltemperatur bis 200°C auf. Darüber hinaus sind die hohlen Teilchen in der Matrixschicht dispergiert und ist der Wärmeschutzfilm aus der Matrixschicht und den hohlen Teilchen gebildet. Der Wärmeschutzfilm ist durch Diffusion mit der Wandoberfläche des Bauteils auf Aluminiumbasis verbunden. Die „Normaltemperatur” bedeutet eine Temperatur von ungefähr 15 bis 25°C.
Da der Wärmeschutzfilm durch Diffusion mit der Wandoberfläche des Bauteils auf Aluminiumbasis verbunden ist, ist auf diese Weise die Haftfestigkeit der dazwischen liegenden Grenzfläche erhöht. Da der Wärmeschutzfilm aus dem Emaillematerial mit einem Längenausdehnungskoeffizienten von 15 × 10^–6/K bis 25 × 10^–6/K in einem Temperaturbereich von Normaltemperatur bis 200°C gebildet ist, ist der Längenausdehnungskoeffizient im Wesentlichen gleich einem Längenausdehnungskoeffizienten des Bauteils auf Aluminiumbasis (abhängig vom Typ der Legierung, ein Längenausdehnungskoeffizient von 19 × 10^–6/K bis 23 × 10^–6/K). Somit tritt nahezu kein Wärmeverformungsunterschied dazwischen auf. Da auf diese Weise die Haftfestigkeit zwischen dem Wärmeschutzfilm und der Wandoberfläche des Bauteils auf Aluminiumbasis aufgrund der Verbindung durch Diffusion hoch ist und nahezu kein Wärmeverformungsunterschied zwischen dem Wärmeschutzfilm und dem Bauteil vorhanden ist, nimmt der Effekt einer Verhinderung einer Grenzflächenablösung zu.
Durch eine Verifikation der Erfinder wird festgestellt, dass die Materialmischung aus einer Glasfritte auf Vanadiumbasis und einer Glasur geeignet ist als das Material des Emaillematerials, welches den Wärmeschutzfilm bildet, der auf der Wandoberfläche auf Aluminiumbasis ausgebildet ist.
In dem Wärmeschutzfilm gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann eine Glasübergangstemperatur des Emaillematerials kleiner oder gleich 400°C sein und kann eine Wärmebeständigkeitstemperatur des Emaillematerials höher oder gleich 450°C sein. Es wird der Schaukeleffekt des Wärmeschutzfilms beschrieben.
Ein Wärmeverlust Q (W) im Zylinder der Brennkraftmaschine kann ausgedrückt werden durch (mathematischer Ausdruck 1) Q = A × h × (T_G – T_Wand) unter Verwendung eines Wärmeübergangskoeffizienten h (W/(m²K)) entsprechend dem Druck und Gasstrom im Zylinder, einer Oberfläche A (m²) im Zylinder, einer Gastemperatur T_G(K) im Zylinder und einer Temperatur T_Wand(K) der Wandoberfläche, welche dem Inneren des Zylinders zugewandt ist. In den Zyklen der Brennkraftmaschine verändert sich die Gastemperatur T_G im Zylinder kurzzeitig. Durch eine kurzzeitige Änderung der Wandoberflächentemperatur T_Wand derart, dass die Wandoberflächentemperatur T_Wand der Gastemperatur T_G im Zylinder folgt, ist es möglich, den Wert von (T_G – T_Wand) in dem mathematischen Ausdruck 1 zu verringern, so dass es möglich ist, den Wärmeverlust Q zu verringern.
Eine Variation in der Verbrennungskammerwandoberflächentemperatur T_Wand kann als Schwankungsbreite bezeichnet werden, und das Vermögen der Verbrennungskammerwandoberflächentemperatur, der Gastemperatur im Zylinder zu folgen (Folgevermögen oder Trackability), kann als Schwankungscharakteristik, Schwankungseffekt oder dergleichen bezeichnet werden. Ein Temperaturunterschied zwischen der Wandtemperatur und der Zylindergastemperatur verringert sich, wenn das Temperaturfolgevermögen hoch ist, so dass es möglich ist, einen Wärmeverlust zu verringern, und dass es möglich ist, die Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffverbrauchs zu verbessern. Wenn die Schwankungsbreite zunimmt, nimmt der Effekt der Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffverbrauchs zu, so dass für die thermophysikalische Eigenschaft des. Wärmeschutzfilms gefordert ist, dass sie eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine geringe volumenbezogene spezifische Wärmekapazität (Wärmespeicherzahl) aufweist, um die Schwankungsbreite zu erhöhen.
In Zusammenhang mit dem Schwankungseffekt des Wärmeschutzfilms tritt ein Temperaturgradient basierend auf der Schwankungsbreite (250 bis 500°C) innerhalb des Wärmeschutzfilms auf. In einem Wärmeschutzfilm, der aus Keramikmaterial mit großem Elastizitätsmodul (Youngscher Modul) hergestellt ist (beispielsweise beträgt das Elastizitätsmodul von Aluminiumoxid 360 GPa), wie im Fall des existierenden Wärmeschutzfilms, steigt die Spannung im Wärmeschutzfilm an und besteht eine Möglichkeit, dass ein Bruch im Inneren des Films auftritt.
Hinsichtlich der Schwankungsbreite, welche für die Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffverbrauchs kennzeichnend ist, kann ein Grenzwert (Zielwert) von 250°C vorgegeben sein. Wenn beispielsweise die Schwankungsbreite 250°C beträgt, ist 250°C ein Temperaturunterschied (oder ein Temperaturgradient) zwischen der Wandoberfläche und der Oberfläche des Wärmeschutzfilms. Da die Temperatur der Wandoberfläche zum Zeitpunkt des Starts des Motors auf ungefähr 200°C ansteigt, wird die Oberflächentemperatur des Wärmeschutzfilms ausgedrückt durch 200 + 250 = 450°C wo die Temperatur der Wandoberfläche 200°C beträgt. Durch Verwenden des Emaillematerials derart, dass die Oberflächentemperatur des Wärmeschutzfilms kleiner oder gleich 450°C ist, wobei es besonders wünschenswert ist, dass das Emaillematerial 400°C, 50°C geringer als 450°C, als einen Glasübergangspunkt aufweist, wird zu dem Zeitpunkt, bei dem der Motor erwärmt wird der Wärmeschutzfilm problemlos weich und ist es möglich ist, einen Bruch im Film, wie das Auftreten eines Risses im Film des Wärmeschutzfilms zu dem Zeitpunkt, bei dem der Motor erwärmt wird, zu verhindern. Das heißt, an der Innen- oder Außenoberfläche des Wärmeschutzfilms kann aufgrund des Temperaturgradienten von 250°C eine Temperaturbelastung auftreten; jedoch wird ein Bruch im Film aufgrund der Temperaturbelastung unterdrückt, da der Wärmeschutzfilm welch geworden ist.
Andererseits ist es wünschenswert, dass die Oberfläche des Wärmeschutzfilms sich in der Temperaturatmosphäre von 450°C nicht verändert (Wärmbeständigkeitseigenschaft). Durch eine Verifikation der Erfinder wird festgestellt, dass der Wärmeschutzfilm mit einer Glasübergangstemperatur von kleiner oder gleich 400°C und einem Wärmebeständigkeitsvermögen von ungefähr 450°C oder höher durch Verwenden des Wärmeschutzfilms, der hergestellt ist aus dem oben beschriebenen Emaillematerial auf Vanadiumbasis.
In dem Wärmeschutzfilm gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann das Emaillematerial Siliziumdioxid enthalten, kann jedes der hohlen Teilchen eine auf Siliziumdioxid basierende Außenhülle aufweisen und kann eine Oberfläche einer jeden auf Siliziumdioxid basierenden Außenhülle mit einer hydrophilen Gruppe modifiziert sein.
Zum Zeitpunkt des Ausbildens des Wärmeschutzfilms wird die Glasfritte mit der Glasur vermischt, wird ein Material, das erhalten wird, indem bewirkt wird, dass die Mischung die hohlen Teilchen enthält, und die Viskosität mit Wasser angepasst wird, beispielsweise auf die Wandoberfläche gesprüht und wird das Emaillematerial durch Erwärmen gebrannt. Auf diese Weise wird der Wärmeschutzfilm ausgebildet. Wenn als das Material des Emaillematerials die Glasfritte auf Vanadiumbasis (Vanadiumoxid) verwendet wird, weist in dem Fall, bei dem die Glasfritte aus einem gemischten Material aus dem Vanadiumoxid und Siliziumdioxid gebildet ist, oder in dem Fall, bei dem Siliziumdioxid in der Glasur enthalten ist, jedes der hohlen Teilchen eine Außenhülle auf Siliziumdioxidbasis auf und weist eine hohe Adhäsion an dem Emaillematerial auf. Darüber hinaus modifiziert eine hydrophile Gruppe die Oberfläche eines jeden hohlen Teilchens, so dass ermöglicht wird, dass die hohlen Teilchen gleichförmig in Wasser dispergiert werden zu dem Zeitpunkt, bei dem das Emaillematerial und die hohlen Teilchen mit Wasser vermischt werden. Als Folge davon ist es möglich, die hohlen Teilchen gleichförmig in dem auszubildenden Wärmeschutzfilm zu dispergieren. Als die „hydrophile Gruppe” kann eine Carboxylgruppe verwendet werden.
In dem Wärmeschutzfilm gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann der Wärmeschutzfilm eine zweilagige Struktur aus einer oberen Schicht und einer zu der Wandoberfläche angrenzenden Basisschicht aufweisen und kann die Basisschicht keine hohlen Teilchen enthalten oder kann die hohlen Teilchen in einer Menge enthalten, die geringer ist als die der oberen Schicht.
Der Wärmeschutzfilm weist eine zweilagige Struktur auf, die aus der oberen Schicht und der zu der Wandoberfläche angrenzenden Basisschicht gebildet ist, und die Basisschicht enthält keine hohlen Teilchen oder enthält die hohlen Teilchen in einer Menge, die geringer ist als die der oberen Schicht, so dass der folgende vorteilhafte Effekt zu erwarten ist. Es ist erforderlich, dass eine so groß wie mögliche Menge der hohlen Teilchen enthalten ist, um die Funktion des Wärmeschutzfilm zu erzielen, und es ist bekannt, dass es notwendig ist, dass die Dicke des Wärmeschutzfilms auf ungefähr 100 μm festgesetzt ist, und dass es notwendig ist, dass der mittlere Gehalt der hohlen Teilchen in den beiden Schichten auf ungefähr 3,5 Masseprozent festgesetzt ist, als eine Konfiguration zum Erreichen einer Schwankungsbreite von beispielsweise 250°C. Beispielsweise kann jede der oberen Schicht und der Basisschicht eine Dicke von 50 μm aufweisen und kann lediglich die obere Schicht die hohlen Teilchen mit insgesamt 7 Masseprozent enthalten (3,5 Masseprozent als der Mittelwert über den gesamten Wärmeschutzfilm).
Der erste vorteilhafte Effekt ist, dass die Basisschicht eine niedrigere Brenntemperatur als die obere Schicht aufweist, so dass die Glasfritte der Basisschicht zu dem Zeitpunkt, bei dem die Temperatur während des Brennens erhöht wird, schmilzt, bevor das Fließen beginnt. Beispielsweise beträgt die Brenntemperatur einer Schicht, die keine hohlen Teilchen enthält, ungefähr 550°C, wohingegen die Brenntemperatur einer Schicht, die 5 bis 10 Masseprozent der hohlen Teilchen enthält, ungefähr 630°C beträgt. Dies ist darin begründet, dass die Wärme durch die hohlen Teilchen gezogen wird und die Brenntemperatur ansteigt, wenn die hohlen Teilchen enthalten sind. Zu dem Zeitpunkt, bei dem die Basisschicht beginnt zu fließen, ist die Viskosität der Basisschicht gering, da die Basisschicht keine hohlen Teilchen enthält oder eine geringere Menge der hohlen Teilchen als die in der oberen Schicht enthält, so dass die Basisschicht beispielsweise in der Lage ist, in jegliche feine Lücken wie einen in der oberen Schicht gebildeten Riss einzudringen. Als Folge davon ist es möglich, einen Wärmeschutzfilm ohne Risse auszubilden.
Der zweite vorteilhafte Effekt ist, dass die Basisschicht einen Längenausdehnungskoeffizienten von 16 × 10^–6/K aufweist, da die Basisschicht keine hohlen Teilchen enthält oder eine geringe Menge der hohlen Teilchen enthält, welches der Längenausdehnungskoeffizient des Emaillematerials selbst ist oder ein Längenausdehnungskoeffizient in der Nähe zu diesem ist, so dass das Größenordnungsverhältnis des Längenausdehnungskoeffizienten der Wandoberfläche des Bauteils auf Aluminiumbasis, der Basisschicht und der oberen Schicht ausgedrückt wird durch Bauteil > Basisschicht > obere Schicht und ein Unterschied hinsichtlich des Längenausdehnungskoeffizienten abgeschwächt ist (Gradienteneffekt). Mit diesem vorteilhaften Effekt ist es möglich, eine Grenzflächenspannung zu verringern, welche auftritt aufgrund eines Temperaturunterschieds zum Zeitpunkt von beispielsweise einer Temperaturänderung von einem Brennen bei ungefähr 630°C zu einer Normaltemperatur, so dass es möglich ist, Risse zu verhindern.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung stellt ein Verfahren zum Ausbilden eines Wärmeschutzfilms zur Verfügung. Das Verfahren umfasst: einen ersten Schritt des Herstellens eines Zwischenprodukts, das gebildet ist aus einer Platte auf Aluminiumbasis und einem Wärmeschutzfilm auf einer Oberfläche der Platte, durch Aufbringen eines Mischmaterials aus hohlen Teilchen, einer Glasfritte und einer Glasur auf die Oberfläche der Platte, Schmelzen der Glasfritte durch Erwärmen und Ausbilden des Wärmeschutzfilms, der aus einer Matrixschicht und den in der Matrixschicht dispergierten hohlen Teilchen gebildet ist, auf der Oberfläche der Platte, wobei die Matrixschicht einen Längenausdehnungskoeffizienten von 15 × 10^–6/K bis 25 × 10^–6/K in einem Temperaturbereich von Normaltemperatur bis 200°C aufweist und aus einem Emaillematerial hergestellt ist; und einen zweiten Schritt des Ausbildens des Wärmeschutzfilms auf einer Wandoberfläche eines Bauteils auf Aluminiumbasis, das gebildet ist aus einem Teil aus ausgehärtetem geschmolzenem Metall und der mit dem ausgehärteten Teil integrierten Platte durch Platzieren des Zwischenprodukts in einem Formwerkzeug und Gießen von geschmolzenem Metall auf Aluminiumbasis auf die Platte des Zwischenprodukts.
Wenn der aus dem Emaillematerial hergestellte Wärmeschutzfilm auf einem Bauteil wie einem Motorkopf aufgebracht wird, gibt es ein Verfahren, bei dem ein Mischmaterialaus den hohlen Teilchen, einer Glasfritte und einer Glasur auf ein maschinell hergestelltes Produkt aufgebracht und dann durch Erwärmen gebrannt wird; da jedoch die Abscheidungstemperatur hoch ist und ungefähr 650°C beträgt, besteht die Sorge hinsichtlich einer Beeinflussung des Produkts durch Erwärmen des gesamten Produkts. Es gibt ein Verfahren, bei dem der aus dem Emaillematerial hergestellte Wärmeschutzfilm in einem Gussschritt vor einem maschinellen Bearbeiten ausgebildet wird; jedoch zeigte sich bei einer Verifikation durch die Erfinder, dass in dem Wärmeschutzfilm große Blasen erzeugt werden, welche eine Verringerung der Filmfestigkeit bewirken. Der Grund hierfür ist, dass beim Gießen von geschmolzenem Metall in das Formwerkzeug von dem Material des Emaillematerials Gas erzeugt wird; das erzeugte Gas besitzt jedoch keinen Raum, um zu entweichen, da der Film von dem geschmolzenen Metall und der Form umgeben ist, und verbleibt das erzeugte Gas im Inneren des Films, um somit große Blasen auszubilden.
In dem Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird daher das Zwischenprodukt, in welchem der Wärmeschutzfilm auf der Oberfläche der Platte auf Aluminiumbasis ausgebildet ist, hergestellt durch Aufbringen eines Mischmaterial aus den hohlen Teilchen, einer Glasfritte und einer Glasur auf die Oberfläche der Platte mit einer gewünschten Form und Schmelzen der Glasfritte durch Erwärmen, wobei das Zwischenprodukt in das Formwerkzeug gegeben und das geschmolzene Metall dann gegossen wird.
Ein Teil der Platte des Zwischenprodukts schmilzt durch die Wärme des geschmolzenen Metalls, der geschmolzene Teil und das geschmolzene Metall erhärten, um miteinander integriert zu sein, um das Bauteil auf Aluminiumbasis auszubilden. Der Wärmeschutzfilm wurde bereits auf einer Seite des Bauteils ausgebildet, so dass in dem Wärmeschutzfilm keine großen Blasen erzeugt werden.
In dem Verfahren zum Ausbilden eines Wärmeschutzfilms kann die Dicke der Platte von 1 mm bis 2 mm reichen.
Wenn die Dicke der Platte zu dünn ist, kann die Platte durch die Wärme des geschmolzenen Metalls brechen. Eine Verifizierung durch die Erfinder zeigte, dass ein Risiko für einen Bruch besteht, wenn die Dicke der Platte geringer als 1 mm ist.
Andererseits ist die Menge des in das Formwerkzeug gegossenen geschmolzenen Metalls beschränkt auf eine bestimmte Menge im Hinblick auf eine Verfestigungszeit des geschmolzenen Metalls. Das heißt, da eine Verfestigungszeit festgelegt ist, entsteht ein Teil, der nicht ausreichend verfestigt ist, wenn eine große Menge an geschmolzenem Metall gegossen wird, und ist die Qualität des ausgehärteten Teils verschlechtert. Wenn die Dicke der Platte dick wird, entweicht Wärme zu dem Zeitpunkt, bei dem geschmolzenes Metall die Platte kontaktiert, über die gesamte Platte, so dass es nicht möglich ist, die Oberfläche der Platte ausreichend zu schmelzen. Selbst wenn die Dicke der Platte dick ist, aber die Menge des geschmolzenen Metalls groß ist, ist es möglich, die Oberfläche der Platte ausreichend zu schmelzen. Da jedoch, wie oben beschrieben, die Menge an geschmolzenem Metall auf eine bestimmte Menge oder weniger beschränkt ist, ist es nicht möglich, die Oberfläche der übermäßig dicken Platte ausreichend zu schmelzen. Wenn die Menge des geschmolzenen Metalls, das in das Formwerkzeug gegossen wird, beschränkt ist und die Oberfläche der Platte nicht ausreichend geschmolzen wird in dem Fall, bei dem die Dicke der Platte zu dick ist, besteht in diesem Fall eine Sorge, dass eine Lücke ausgebildet wird zwischen der Oberfläche der Platte und dem ausgehärteten Teil, ausgebildet durch Integrieren von geschmolzenem Metall, aufgrund der Tatsache, dass die Oberfläche der Platte nicht ausreichend geschmolzen wird in dem Fall, bei dem die Dicke der Platte übermäßig dick ist. Gemäß einer Verifizierung der Erfinder zeigte sich, dass ein derartiges Risiko in dem Bereich auftritt, in dem die Dicke der Platte 2 mm übersteigt.
Gemäß der oben beschriebenen verifizierten Ergebnisse ist es möglich, durch Ausbilden des Wärmeschutzfilms auf der Wandoberfläche unter der Verwendung des Zwischenprodukts, bei dem der Wärmeschutzfilm vorab auf der Oberfläche der Platte mit einer Dicke im Bereich von 1 mm bis 2 mm ausgebildet ist, ein Aluminiumprodukt (Motor der dergleichen) herzustellen, das den Wärmeschutzfilm einschließt, mit einer hohen Grenzflächenfestigkeit, ohne dass große Blasen an der Grenzfläche zwischen dem Wärmeschutzfilm und der Wandoberfläche gebildet werden.
Wie aus der oben gegebenen Beschreibung verständlich wird, wird bei dem Wärmeschutzfilm gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung der Wärmeschutzfilm, der gebildet ist aus der Matrixschicht, die aus dem Emaillematerial mit einem Längenausdehnungskoeffizienten nahe dem Längenausdehnungskoeffizienten von Aluminium hergestellt ist, und den in der Matrixschicht dispergierten hohlen Teilchen, auf der Wandoberfläche des Bauteils auf Aluminiumbasis ausgebildet, so dass der Wärmeschutzfilm eine geringe Wärmeleitfähigkeit, eine geringe volumenbezogene spezifische Wärmekapazität und einen hohen Effekt der Verbesserung eines Grenzflächenablösens zwischen dem Bauteil und dem Wärmeschutzfilm aufweist. Mit dem Verfahren zum Ausbilden eines Wärmeschutzfilms gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung werden keine Blasen in dem Wärmeschutzfilm oder an der Grenzfläche zwischen dem Wärmeschutzfilm und dem Bauteil gebildet, so dass es möglich ist, den Wärmeschutzfilm mit einer hohen Filmfestigkeit und einer hohen Grenzflächenfestigkeit auszubilden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Merkmale, Vorteile und technische und industrielle Bedeutungen der beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, bei denen gleiche Ziffern gleiche Elemente bezeichnen, und wobei:
1 eine Längsquerschnittsansicht ist, die eine erste Ausführungsform des Wärmeschutzfilms gemäß der Erfindung zusammen mit einem Bauteil auf Aluminiumbasis zeigt;
2 ein Diagramm ist, das einen Schwankungsbreite veranschaulicht;
3 eine Längsquerschnittsansicht ist, die eine zweite Ausführungsform des Wärmeschutzfilms gemäß der Erfindung zusammen mit einem Bauteil auf Aluminiumbasis zeigt;
4 ein Flussdiagramm ist, das einen ersten Schritt des Verfahrens zur Ausbildung eines Wärmeschutzfilms gemäß der Erfindung veranschaulicht;
5 ein Flussdiagramm ist, das einen zweiten Schritt des Verfahrens zum Ausbilden eines Wärmeschutzfilms gemäß der Erfindung veranschaulicht;
6 eine Ansicht ist, die einen Wärmeschutzfilm veranschaulicht, der durch das Verfahren zum Ausbilden eines Wärmeschutzfilms gemäß der Erfindung gebildet wurde;
7 eine Längsquerschnittsansicht ist, die ein Beispiel zeigt, bei dem der Wärmeschutzfilm gemäß der Erfindung auf eine Wandoberfläche aufgebracht ist, die zu einer Verbrennungskammer einer Brennkraftmaschine ausgerichtet ist;
8 ein Diagramm ist, das die Korrelation zwischen einer Schubspannung an der Grenzfläche zwischen einem Wärmeschutzfilm und einem Bauteil auf Aluminiumbasis und einer Spannung im Inneren des Wärmeschutzfilms für einen aus einem auf Aluminium basierenden Emaillematerial hergestellten Wärmeschutzfilm, einen aus einem Aluminiumoxid hergestellten Wärmeschutzfilm und einen aus Alumit hergestellten Wärmeschutzfilm zeigt;
9 ein Diagramm ist, das das Messergebnis der thermophysikalischen Eigenschaft eines Wärmeschutzfilms gemäß dem Beispiel zeigt;
10 eine Ansicht ist, die die SEM-fotografische Aufnahme der Grenzfläche zwischen dem Wärmeschutzfilm gemäß dem Beispiel und einem Bauteil auf Aluminiumbasis und das EPMA-Linienanalyseergebnis zeigt;
11 eine Ansicht ist, die ein Beispiel des Verfahrens zum Ausbilden eines Wärmeschutzfilms veranschaulicht;
12 ein experimentelles Ergebnis ist, durch welches die Wirksamkeit des Beispiels des Verfahrens zur Ausbildung eines Wärmeschutzfilms untersucht wurde, und eine fotografische Querschnittsaufnahme ist, durch welche bestimmt wird, ob im Inneren des Wärmeschutzfilms eine Blase vorhanden ist;
13 ein experimentelles Ergebnis ist, durch welches die Wirksamkeit des Beispiels des Verfahrens zum Ausbilden eines Wärmeschutzfilms untersucht wurde, und eine fotografische Draufsicht ist, durch welche bestimmt wird, ob ein Riss an der Oberfläche des Wärmeschutzfilms vorhanden ist; und
14 eine Ansicht ist, die ein experimentelles Ergebnis zeigt, durch welches ein optimaler Bereich der Dicke der Platte bestimmt wird.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden Ausführungsformen eines Wärmeschutzfilms und eines Verfahrens zum Ausbilden eines Wärmeschutzfilms gemäß der Erfindung unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Obwohl das Beispiel, in welchem der veranschaulichte Wärmeschutzfilm angewendet wird, eine Wandoberfläche ist, die zu einer Verbrennungskammer einer Brennkraftmaschine ausgerichtet ist, mag die Anwendung einer Wandoberfläche, auf welche der Wärmeschutzfilm aufgebracht wird, nicht nur die Wandoberfläche sein, welche zu einer Verbrennungskammer ausgerichtet ist, sondern können auch Wandoberflächen verschiedener Anwendungen sein, welche eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine geringe Wärmekapazität erfordern, wie beispielsweise eine Wandoberfläche, die eine Einlass-/Auspuffleitung eines Fahrzeugs bildet, eine Wandoberfläche, die ein Turbinenschaufel bildet, und eine Außenwand einer Brennkraftmaschine, eines Gehäuses und einer Umhausung, welche ein Spaceshuttle oder dergleichen beherbergt.
1 ist eine Längsquerschnittsansicht, die eine erste Ausführungsform des Wärmeschutzfilms zeigt. Ein dargestellter Wärmeschutzfilm 100 ist aus einer Matrixschicht 10, die aus einem Emaillematerial hergestellt ist, und hohlen Teilchen 20, die im Inneren der Matrixschicht 10 dispergiert sind, gebildet. Ein Teil der Matrixschicht 10 bildet eine Diffusionshaftschicht 10' und ist an einer Wandoberfläche eines Bauteils W auf Aluminiumbasis ausgebildet. Die Dicke t des Wärmeschutzfilms 100 beträgt ungefähr 100 μm.
Da der Wärmeschutzfilm 100 auf der Wandoberfläche des Bauteils W auf Aluminiumbasis ausgebildet ist, wird als das Emaillematerial zur Ausbildung der Matrixschicht 10 ein Rohmaterial verwendet, das mit dem Bauteil W auf Aluminiumbasis kompatibel ist.
Das Emaillematerial ist aus einem Material gebildet, bei dem eine Glasfritte auf Vanadiumbasis mit einer Glasur gemischt ist. Der Wärmeschutzfilm 100 weist einen Längenausdehnungskoeffizienten von 15 × 10^–6/K bis 25 × 10^–6/K in einem Temperaturbereich von Normaltemperatur bis 200°C auf und weist einen Längenausdehnungskoeffizienten auf, der im Wesentlichen gleich dem des Bauteils W auf Aluminiumbasis ist (abhängig vom Typ der Legierung, ein Längenausdehnungskoeffizient von 19 × 10^–6/K bis 23 × 10^–6/K). Somit tritt nahezu kein Wärmeverformungsunterschied zwischen dem Wärmeschutzfilm 100 und dem Bauteil W auf Aluminiumbasis auf.
Aufgrund der Tatsache, dass der Wärmeschutzfilm 100 über die Diffusionshaftschicht 10' an dem Bauteil W gebunden ist, und der Tatsache, dass kein großer Unterschied hinsichtlich des Längenausdehnungskoeffizienten zwischen dem Wärmeschutzfilm 100 und dem Bauteil W besteht und daher nahezu kein Wärmeverformungsunterschied dazwischen auftritt, wird auf diese Weise ein Riss oder ein Ablösen an der Grenzfläche zwischen dem Wärmeschutzfilm 100 und dem Bauteil W unterdrückt.
Zu dem Zeitpunkt, bei dem der Wärmeschutzfilm 100 ausgebildet wird, wird eine Glasfritte (enthaltend Siliziumdioxid) auf Vanadiumbasis (Vanadiumoxid) mit einer Glasur (enthaltend Titanoxid und Siliziumdioxid) vermischt, wird ein Material, das erhalten wird durch Bewirken, dass die Mischung die hohlen Teilchen 20 enthält, und Einstellen der Viskosität mit Wasser, auf die Wandoberfläche gesprüht, wird die Glasfritte durch Brennen des Materials durch Erwärmen geschmolzen und dann ausgehärtet. Somit wird der Wärmeschutzfilm 100, in welchem die hohlen Teilchen im Inneren der Matrixschicht 10 dispergiert sind, ausgebildet.
Ein jedes der hohlen Teilchen 20 weist eine Außenhülle auf Siliziumdioxidbasis auf und weist eine hohe Haftung an dem Emaillematerial, welches Siliziumdioxid enthält, auf. Darüber hinaus modifiziert eine hydrophile Gruppe (Carboxylgruppe) die Oberfläche eines jeden hohlen Teilchens 20, so dass ermöglicht wird, dass die hohlen Teilchen 20 gleichförmig in Wasser dispergiert werden zu dem Zeitpunkt, bei dem das Emaillematerial und die hohlen Teilchen 20 mit Wasser vermischt werden. Somit ist es möglich, den Wärmeschutzfilm 100 auszubilden, in welchem die hohlen Teilchen 20 gleichförmig im Inneren der Matrixschicht 10 dispergiert sind.
Darüber hinaus ist die Glasübergangstemperatur des Emaillematerials, welches die Matrixschicht 10 bildet, geringer oder gleich 400°C und ist die Wärmebeständigkeitstemperatur des Emaillematerials höher oder gleich 450°C.
Unter Bezug auf die konzeptionelle Ansicht der in 2 gezeigten Schwankungsbreite wird die Schwankungsbreite schematisch beschrieben. Durch Ändern, einer Wandoberflächentemperatur der Verbrennungskammer derart, dass die Wandoberflächentemperatur einer Zylindergastemperatur folgt, wird eine Temperaturdifferenz zwischen der Wandtemperatur und der Zylindergastemperatur verringert, so dass als ein Ergebnis einer Verringerung des Wärmeverlusts die Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffverbrauchs verbessert ist. Die Breite einer Variation der Wandoberflächentemperatur der Verbrennungskammer wird als Schwankungsbreite definiert. Wenn die Schwankungsbreite zunimmt, nimmt der Effekt der Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffverbrauchs zu. Um die Schwankungsbreite zu erhöhen, ist es notwendig, dass die thermophysikalische Eigenschaft des Wärmeschutzfilms eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und eine niedrige volumenbezogene spezifische Wärmekapazität ist.
Ein Grenzwert (Zielwert) des Wärmeschutzfilms 100 im Hinblick auf die Schwankungsbreite, welche das Verhalten der Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffverbrauchs anzeigt, kann als 250°C vorgegeben werden. Die Schwankungsbreite 250°C wird zu einem Temperaturunterschied oder einem Temperaturgradienten zwischen der Wandoberfläche des Bauteils W und der Oberfläche (Oberfläche gegenüber der Grenzfläche) des Wärmeschutzfilms 100. Zum Zeitpunkt des Starts des Motors erhöht sich die Temperatur der Wandoberfläche im Allgemeinen auf 200°C, so dass die Oberflächentemperatur des Wärmeschutzfilms 100 gleich 200 + 250 = 450°C ist, wo die Temperatur der Wandoberfläche 200°C beträgt. Durch Verwenden des Emaillematerials derart, dass die Oberflächentemperatur des Wärmeschutzfilms 100 kleiner oder gleich 450°C ist, wobei besonders bevorzugt ist, dass das Emaillematerial einen Glasübergangspunkt von 400°C, 50°C geringer als 450°C, aufweist, wird der Wärmeschutzfilm 100 zu dem Zeitpunkt, bei dem der Motor erwärmt ist, ziemlich leicht erweichen und ist es möglich, einen Riss im Film zu unterdrücken, wie das Auftreten eines Bruchs im Film des Wärmeschutzfilms 100 zu dem Zeitpunkt, bei dem der Motor erwärmt ist. Das heißt, aufgrund des Temperaturgradienten von 250°C kann eine Temperaturspannung an der inneren oder äußeren Oberfläche des Wärmeschutzfilms 100 auftreten; es wird jedoch ein durch die Temperaturspannung bedingter Riss im Film unterdrückt, da der Wärmeschutzfilm 100 weich geworden ist.
Der Wärmeschutzfilm 100, der aus dem Emaillematerial auf Vanadiumbasis hergestellt ist, wurde durch Untersuchungen der Erfinder identifiziert dahingehend, dass die Oberfläche des Wärmeschutzfilms sich in einer Temperaturatmosphäre von 450°C nicht verändert (Wärmebeständigkeitseigenschaft). Somit weist der Wärmeschutzfilm 100 eine Wärmebeständigkeitseigenschaft zu dem Zeitpunkt auf, bei dem die Oberflächentemperatur des Wärmeschutzfilms 100 450°C beträgt.
Auf diese Weise unterdrückt der dargestellte Wärmeschutzfilm 100 einen Grenzflächenbruch oder eine Grenzflächenablösung an der Grenzfläche mit dem Bauteil W auf Aluminiumbasis, unterdrückt einen Bruch im Wärmeschutzfilm 100 und weist eine Wärmebeständigkeitseigenschaft in einer Hochtemperaturatmosphäre während des Betriebs des Motors auf.
3 ist eine Längsquerschnittsansicht, die eine zweite Ausführungsform des Wärmeschutzfilms zeigt. Ein dargestellter Wärmeschutzfilm 100A weist eine zweilagige Struktur auf, die gebildet ist aus einer oberen Schicht 10A und einer Basisschicht 10B, welche an die Wandoberfläche des Bauteils W angrenzt (die Diffusionshaftschicht 10 ist in der Basisschicht 10B enthalten). Die Basisschicht 10B enthält keine hohlen Teilchen. Lediglich die obere Schicht 10A enthält die hohlen Teilchen 20. Sowohl die Dicke t1 der oberen Schicht 10A wie auch die Dicke t2 der Basisschicht 10B betragen 50 μm. In einer weiteren Ausführungsform enthält die Basisschicht ebenfalls die hohlen Teilchen, wobei jedoch der Anteil der hohlen Teilchen in der oberen Schicht relativ groß ist.
Der Wärmeschutzfilm 100A besitzt eine zweilagige Struktur, die gebildet ist aus der oberen Schicht 10A und der Basisschicht 10B, welche an die Wandoberfläche angrenzt, und die Basisschicht 10B enthält keine hohlen Teilchen. Die Basisschicht 10B weist daher eine niedrigere Brenntemperatur als die obere Schicht 10A auf, so dass die Glasfritte der Basisschicht 10B zu dem Zeitpunkt, bei dem die Temperatur während des Brennens erhöht wird, schmilzt, bevor das Fließen beginnt. Beispielsweise beträgt die Brenntemperatur einer Schicht, die keine hohlen Teilchen 20 enthält, ungefähr 550°C, wohingegen die Brenntemperatur einer Schicht, die 5 bis 10 Masseprozent der hohlen Teilchen 20 enthält, ungefähr 630°C beträgt. Dies ist darin begründet, dass durch die hohlen Teilchen 20 Wärme gezogen wird und die Brenntemperatur zunimmt, wenn die hohlen Teilchen 20 enthalten sind. Zu dem Zeitpunkt, bei dem die Basisschicht 10B beginnt zu fließen, ist die Viskosität der Basisschicht 10B gering, da die Basisschicht 10B keine hohlen Teilchen enthält, so dass die Basisschicht 10B beispielsweise in der Lage ist, in jegliche feine Lücken, wie in der oberen Schicht 10A gebildete Risse, einzudringen. Als Folge davon ist es möglich, den Wärmeschutzfilm 100A ohne einen Riss auszubilden. Der zweite vorteilhafte Effekt ist, da die Basisschicht 10B keine hohlen Teilchen 20 enthält, dass die Basisschicht 10B einen Längenausdehnungskoeffizienten von 16 × 10^–6/K aufweist, welches der Längenausdehnungskoeffizient des Emaillematerials selbst ist, so dass die Beziehung der Größenordnung des Längenausdehnungskoeffizienten der Wandoberfläche des Bauteils W auf Aluminiumbasis, der Basisschicht 10B und der oberen Schicht 10A ausgedrückt wird durch Bauteil W > Basisschicht 10B > obere Schicht 10A und ein Unterschied hinsichtlich des Längenausdehnungskoeffizienten abgeschwächt ist (Gradienteneffekt). Mit diesem vorteilhaften Effekt ist es möglich, eine Grenzflächenspannung zu verringern, die auftritt aufgrund eines Temperaturunterschieds zum Zeitpunkt von beispielsweise einer Temperaturänderung von einem Brennen bei ungefähr 630°C zu Normaltemperatur, so dass es möglich ist, einen Riss zu verhindern.
In der oben beschriebenen ersten Ausführungsform des Wärmeschutzfilms wird ein allgemeines Verfahren zum Ausbilden eines Wärmeschutzfilms schematisch beschrieben. Es wird ein Verfahren zum Ausbilden eines Wärmeschutzfilms beschrieben, in welchem das Bildungsverfahren als solches charakteristisch ist. Das heißt, das Bildungsverfahren ist in der Lage, eine Unzulänglichkeit zu eliminieren, bei der zum Zeitpunkt des Ausbildens eines aus einem Emaillematerial hergestellten Wärmeschutzfilms in einem Gussschritt vor einem maschinellen Bearbeiten große Blasen in dem Wärmeschutzfilm erzeugt werden, welche eine Abnahme der Filmfestigkeit bewirken.
4 bis 6 zeigen ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Ausbilden eines Wärmeschutzfilms in dieser Reihenfolge. Im Speziellen ist 4 eine Ansicht, die einen ersten Schritt des Bildungsverfahrens veranschaulicht. 5 ist eine Ansicht, die einen zweiten Schritt des Bildungsverfahrens veranschaulicht. 6 ist eine Ansicht, die einen durch das Bildungsverfahren ausgebildeten Wärmeschutzfilm zeigt.
Wie in 4 gezeigt, wird anfänglich ein gemischtes Material aus den hohlen Teilchen 20, einer Glasfritte und einer Glasur auf die Oberfläche einer Platte 30 auf Aluminiumbasis aufgebracht, wird die Glasfritte durch Erwärmen geschmolzen und wird auf der Oberfläche der Platte 30 der Wärmeschutzfilm 100 ausgebildet, der gebildet ist aus der Matrixschicht 10 und den in der Matrixschicht 10 dispergierten hohlen Teilchen 20. Die Matrixschicht 10 weist einen Längenausdehnungskoeffizienten von 15 × 10^–6/K bis 25 × 10^–6/K im Temperaturbereich von Normaltemperatur bis 200°C auf und ist aus dem Emaillematerial hergestellt. Somit wird ein Zwischenprodukt 200, das aus der Platte 30 und dem Wärmeschutzfilm 100 auf der Oberfläche der Platte 30 gebildet ist, hergestellt (erster Schritt).
Anschließend wird, wie in 5 gezeigt, das Zwischenprodukt 200 in einem Hohlraum C eines Formwerkzeugs M derart untergebracht, dass die Platte 30 zu dem Raum des Hohlraums C ausgerichtet ist, und wird geschmolzenes Metall Y auf Aluminiumbasis über ein Einspritzloch H in den Hohlraum C gegossen.
Durch die Wärme des geschmolzenen Metalls Y schmilzt die Oberfläche der Platte 30, härtet das geschmolzene Metall Y, das mit der Oberfläche der Platte 30 integriert ist, aus und wird, wie in 6 gezeigt, ein Bauteil hergestellt, bei dem der Wärmeschutzfilm 100 auf der Oberfläche eines Bauteils 300, das aus einem Teil eines ausgehärteten geschmolzenen Metalls und der Platte gebildet ist, ausgebildet ist (zweiter Schritt).
Bei dem veranschaulichten Bildungsverfahren schmilzt ein Teil der Platte 30 des Zwischenprodukts 200 durch die Wärme des geschmolzenen Metalls, härten der geschmolzene Teil und das geschmolzene Metall aus, um miteinander integriert zu sein, um somit das Bauteil 300 auf Aluminiumbasis auszubilden. Der Wärmeschutzfilm 100 wurde bereits auf einer Seite des Bauteils 300 ausgebildet, so dass keine Unzulänglichkeit auftreten kann dahingehend, dass große Blasen in einem Wärmeschutzfilm erzeugt werden zu dem Zeitpunkt, bei dem der Wärmeschutzfilm direkt auf der Wandoberfläche des Bauteils ausgebildet wird.
7 ist eine Längsquerschnittsansicht, die ein Beispiel zeigt, in welchem der Wärmeschutzfilm gemäß der Erfindung auf eine Wandoberfläche, die zu einer Verbrennungskammer einer Brennkraftmaschine ausgerichtet ist, aufgebracht ist.
Die dargestellte Brennkraftmaschine En ist als ein Benzinmotor gedacht und ist im Groben gebildet aus einem Zylinderblock CB, einem Zylinderkopf CH, einem Einlassventil Va, einem Auslassventil Vb, einer Zündkerze Sp und einem Kolben P. Im Inneren des Zylinderblocks CB ist ein Kühlmantel (nicht aufgezeigt) ausgebildet. Der Zylinderkopf CH ist auf dem Zylinderblock CB angeordnet. Das Einlassventil Va ist an einer Einlassöffnung Ma angeordnet, die im Zylinderkopf CH definiert ist. Das Auslassventil Vb ist in einer Auslassöffnung Mb angeordnet, die im Zylinderkopf CH definiert ist. Die Zündkerze Sp ist ausgerichtet zu einer Brennkammer NS an einer zentralen Stelle einer Unterseite CHa des Zylinderkopfs CH oder im Wesentlichen der Mittenposition. Der Kolben P ist derart bereitgestellt, dass er durch eine untere Öffnung des Zylinderblocks CB nach oben und unten bewegbar ist. Natürlich kann die Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung auch ein Dieselmotor sein.
Die Brennkammer NS wird definiert durch eine Bohrungsfläche Bo des Zylinderblocks CB, der Unterseite CHa des Zylinderkopfs CH und einer Oberseite Pa des Kolbens P, welche die Brennkraftmaschine En bilden.
In der in der Zeichnung gezeigten Brennkraftmaschine En sind die Oberseite Pa des Kolbens P, die Unterseite CHa des Zylinderkopfs CH und die Unterseiten des Einlassventils Va und des Auslassventils Vb jeweils aus einem Bauteil auf Aluminiumbasis gebildet, und der Wärmeschutzfilm 100 gemäß der Erfindung ist auf der Wandoberfläche eines jeden der Bauteile auf Aluminiumbasis ausgebildet. Natürlich kann der Wärmeschutzfilm 100 beispielsweise auf lediglich einem beliebigen davon ausgebildet sein, kann der Wärmeschutzfilm 100 ferner zusätzlich auf der Bohrungsfläche Bo ausgebildet sein oder kann der Wärmeschutzfilm 100A mit Zweilagenstruktur ausgebildet sein.
Der Wärmeschutzfilm 100 umfasst im Inneren eine große Zahl der hohlen Teilchen 20. Daher weist der Wärmeschutzfilm 100 eine geringe Wärmeleitfähigkeit, eine geringe Wärmekapazität und eine Schwankungscharakteristik auf (welche eine Charakteristik ist, bei der die Temperatur des Films der Gastemperatur in der Brennkammer folgt, obwohl der Film ein Wärmeisoliervermögen aufweist).
Auf diese Weise umfasst die dargestellte Brennkraftmaschine En den Wärmeschutzfilm 100 mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit und einer niedrigen Wärmekapazität an der Oberseite Pa des Kolbens P, der Unterseite CHa der Zylinderkopfs CH und dergleichen, welche Bauteile davon sind. Daher trägt die Brennkraftmaschine En zu einer hohen Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffverbrauchs und einer hocheffizienten Motorleistung bei, wenn das Fahrzeug in einem stationären Zustand fährt.
Die Erfinder erzeugten den Wärmeschutzfilm gemäß dem Beispiel in dem folgenden Verfahren und führten einen Test durch zum Verifizieren der Korrelation zwischen einer Schubspannung an der Grenzfläche zwischen einem Wärmeschutzfilm und einem Bauteil auf Aluminiumbasis und einer Spannung im Wärmeschutzfilm, zusammen mit einem Wärmeschutzfilm, der aus einem Aluminiumoxidmaterial hergestellt ist, und einem Wärmeschutzfilm, der aus einem Alumitmaterial hergestellt ist (dieses sind Vergleichsbeispiele). Zusätzlich wurde die thermophysikalische Eigenschaft des Wärmeschutzfilms gemäß dem Beispiel gemessen, wurde die SEN-fotografische Aufnahme der Grenzfläche zwischen dem Wärmeschutzfilm gemäß dem Beispiel und dem Bauteil auf Aluminiumbasis aufgenommen und wurde eine EPMA-Linienanalyse durchgeführt.
Der in 3 gezeigte Wärmeschutzfilm mit Zweilagenstruktur wurde als der Wärmeschutzfilm gemäß dem Beispiel hergestellt. In der Basisschicht wurde als das Emaillematerial ein Emaillematerial auf Vanadiumbasis (ein Mischmaterial aus einer Fritte und einer Glasur) verwendet, das von Nippon Frit Co., Ltd. hergestellt wird. Die Zusammensetzung der Fritte beträgt 5 bis 10% an V₂O₅, 10 bis 20% an TiO₂ und 30 bis 40% an SiO₂. Die Zusammensetzung der Glasur beträgt 10 bis 20% an TiO₂ und 30 bis 40% an SiO₂. Diese Fritte und Glasur wurden mit Wasser bei einem Verhältnis von 10:9 gemischt, und das Mischmaterial wurde auf eine Aluminiumplatte (Al-Mg-Si-Basislegierung mit einem Durchmesser von 80 mm und einer Dicke von 2 mm) bis zu einer Dicke von ungefähr 50 μm gesprüht.
Demgegenüber wurde in der oberen Schicht dasselbe Material wie das der Basisschicht als das Emaillematerial verwendet, wobei als die hohlen Teilchen Nanoballoon (dessen Oberfläche ist mit einer hydrophilen Gruppe modifiziert, welche einen mittleren Teilchendurchmesser von 100 nm aufweist), hergestellt von Grandex, Co., Ltd., verwendet wurde. Die hohlen Teilchen von 7 Masseprozent wurden mit dem Emaillematerial gemischt, und das hinsichtlich der Viskosität mit Wasser eingestellte Material wurde von oben bis zu einer Dicke von ungefähr 50 μm auf die Basisschicht gesprüht.
Danach wurde das erhaltene Produkt durch Verdampfen des Wassers in einer Atmosphäre von 100°C getrocknet und wurde dann das Emaillematerial durch Erwärmen des Produkts in einem Elektroofen während 10 Minuten bei 630°C geschmolzen. Somit wurde der Wärmeschutzfilm hergestellt.
8 zeigt das abgeschätzte Ergebnis der Korrelation zwischen einer Schubspannung an der Grenzfläche zwischen jedem der Wärmeschutzfilme gemäß dem Beispiel und den Vergleichsbeispielen und dem Bauteil auf Aluminiumbasis und einer Spannung in dem entsprechenden Wärmeschutzfilm.
Aus dem Diagramm wird ersichtlich, dass, wenn der Wärmeschutzfilm, der aus einem aluminiumspezifischen Emaillematerial gemäß der Erfindung hergestellt ist, verwendet wird, im Vergleich mit dem Wärmeschutzfilm, der aus Aluminiumoxid hergestellt ist, oder dem Wärmeschutzfilm, der aus Alumit hergestellt ist, gemäß den Vergleichsbeispielen, die Schubspannung an der Grenzfläche zwischen dem Wärmeschutzfilm und dem Bauteil merklich verringert ist und als Folge davon die Möglichkeit einer Grenzflächenablösung im Vergleich mit den Vergleichsbeispielen abnimmt. Das aluminiumspezifische Emaillematerial weist ein höheres Elastizitätsmodul auf als Alumit, so dass die Spannung im Film größer ist als die von Alumit.
Als Nächstes wurde die thermophysikalische Eigenschaft des Wärmeschutzfilms gemäß dem Beispiel gemessen. In einem Verfahren des Messens der thermophysikalischen Eigenschaft wurde die Dichte des Wärmeschutzfilms anhand des Gewichts und der Größe des erzeugten Teststücks gemessen durch Subtrahieren des Gewichts des Aluminiummaterials. Bei der Messung einer Temperaturleitfähigkeit wurde ein Laserblitzverfahren (LFA457, hergestellt von NETZSCH) als ein Messverfahren verwendet, wobei ein Messteststück mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Dicke von 2 mm (von dem oben beschriebenen erzeugten Teststück geschnitten) verwendet wurde und die Messbedingung auf 300 K (27°C) festgesetzt wurde. Für die spezifische Wärmekapazität wurde als ein Messverfahren ein DSC-Verfahren (DSC404C, hergestellt von NETZSCH) verwendet, wobei die Messteststücke derart erhalten wurden, dass acht Stücke aus dem erzeugten Teststück mit einem Durchmesser von 6 mm und einer Dicke von 1 mm geschnitten wurden, durch Auflösen von Aluminium in Chlorwasserstoffsäure nur die Wärmeschutzfilme extrahiert wurden und die Messbedingung auf 300 K (27°C) festgesetzt wurde. Eine Wärmeleitfähigkeit wird berechnet durch λ = Cp·ρ·α (λ: Wärmeleitfähigkeit, Cp: spezifische Wärmekapazität, ρ: Dichte, α: Temperaturleitfähigkeit). Eine volumenbezogene spezifische Wärmekapazität wird berechnet durch ρC = ρ·C (ρC: volumenbezogene spezifische Wärmekapazität, ρ: Dichte, C: spezifische Wärme). 9 zeigt das Messergebnis der thermophysikalischen Eigenschaft des Wärmeschutzfilms gemäß dem Beispiel.
Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass das Beispiel auf einer 250°C Schwankungslinie platziert ist, welches ein Grenzwert hinsichtlich der Schwankungsbreite gemäß der Erfindung ist und der Wärmeschutzfilm ist, der eine Zielschwankungsbreite erfüllt.
Die Erfinder schnitten das erzeugte Teststück gemäß dem Beispiel im Querschnitt, nahmen die SEM-fotografische Aufnahme des Teststücks im Querschnitt auf und führten eine EPMA-Linienanalyse durch. Das Ergebnis ist in 10 gezeigt. Anhand der Zeichnung konnte gezeigt werden, dass die Diffusionshaftschicht an der Grenzfläche zwischen dem Wärmeschutzfilm und dem Bauteil auf Aluminiumbasis ausgebildet wurde.
Die Erfinder wendeten einen Kühl/Heiz-Zyklus von Normaltemperatur auf 200°C auf das Teststück an, nahmen die SEM-fotografische Aufnahme der Grenzfläche auf und begutachteten die Grenzfläche. Als Ergebnis einer Begutachtung der Endfläche des Wärmeschutzfilms zu der Grenzfläche zwischen dem Wärmeschutzfilm und dem Bauteil im Hinblick auf einen Teil mit einem Bruch wurde kein Riss gefunden.
Durch Strahlen eines YAG-Lasers (welcher eine Ausgangsleistung von 1,4 kW und eine Bestrahlungsfläche von 57 mm im Durchmesser aufwies) auf die Wärmeschutzfilmseite des erzeugten Teststücks in 5 Sekunden wurde wiederholt der folgende Zustand erzeugt. Die Oberfläche beträgt 500°C, die Grenzfläche zwischen dem Wärmeschutzfilm und dem Bauteil beträgt 200°C und ein Temperaturunterschied innerhalb des Wärmeschutzfilms beträgt 300°C.
Als Ergebnis einer Begutachtung der Oberfläche des bestrahlten Wärmeschutzfilms mittels eines Mikroskops wurde kein Riss auf der Oberfläche des Wärmeschutzfilms gefunden. Da die Oberfläche des Wärmeschutzfilms maximal gestreckt ist, kann angenommen werden, dass im Wärmeschutzfilm sich kein Riss entwickelt hat, basierend auf der Tatsache, dass auf der Oberfläche des Wärmeschutzfilms kein Riss gefunden wurde.
Die Erfinder führten einen Test zur Bestätigung der Wirksamkeit des Verfahrens zur Ausbildung eines Wärmeschutzfilms, wie in 4 bis 6 gezeigt, durch. In diesem Test wurde ein Teststück, das erhalten wurde durch Ausbilden eines Wärmeschutzfilms, der aus einem ähnlichen Material zu dem des oben beschriebenen Beispiels hergestellt war, auf einer Aluminiumplatte aus einem ähnlichen Material, in ein wie in 11 gezeigtes Formwerkzeug gegeben, wurde geschmolzenes Aluminiummetall bei 700°C in die Matrize gefüllt, wobei nach dem Abkühlen das Teststück durch Trennen des Formwerkzeug entnommen wurde. Es wurde überprüft, ob in dem Wärmeschutzfilm Blasen vorhanden sind, und es wurde überprüft, ob ein Riss auf der Oberfläche des Wärmeschutzfilms vorhanden ist. Die Ergebnisse davon sind in 12 und 13 gezeigt.
Zum Zeitpunkt des Überprüfens, ob Blasen im Film vorhanden sind, wurde das erzeugte Teststück im Querschnitt (Teil mit einem Durchmesser von 80 mm) geschnitten und wurde mit einem Mikroskop überprüft, ob Blasen vorhanden sind, mit dem Ergebnis, dass keine Blasen gefunden wurden, wie in 12 gezeigt.
Andererseits wurde die Oberfläche des erzeugten Teststücks mit einem Mikroskop vergrößert und wurde überprüft, ob ein Riss vorhanden ist, mit dem Ergebnis, dass kein Riss gefunden wurde, wie in 13 gezeigt.
Die Erfinder führten ferner einen Test zur Bestimmung eines optimalen Bereichs der Dicke der Platte, welche in dem oben beschriebenen Verfahren des Ausbildens eines Wärmeschutzfilms gemäß der Erfindung verwendet wird, durch.
Es wurde die Dicke der Aluminiumplatte variiert, die erzeugten Teststücke wurden im Querschnitt (Teil mit einem Durchmesser von 80 mm) geschnitten und wurde dann mit einem Mikroskop in vergrößerter Ansicht überprüft, ob ein Spalt an der Grenzfläche zwischen der Platte und dem ausgehärteten Aluminiumgussteil vorhanden ist.
Wie in 14 gezeigt, bewirkte die Platte einen Filmbruch in dem Fall, bei dem die Platte mit einer Dicke von 0,5 mm verwendet wurde, wohingegen ein Spalt an der Grenzfläche beobachtet wurde in dem Fall, bei dem die Platte mit einer Dicke von 2,5 mm oder größer verwendet wurde. Demgegenüber trat in dem Fall, bei dem die Platte mit einer Dicke von 1 bis 2 mm verwendet wurde, kein Filmbruch auf oder wurde an der Grenzfläche kein Spalt beobachtet. Als Ergebnis wurde gefunden, dass der Bereich von 1 bis 2 mm optimal für die Dicke der Platte ist, die verwendet wird zum Zeitpunkt des Anwendens des Verfahrens zum Ausbilden eines Wärmeschutzfilms gemäß der Erfindung, in welchem vorab ein Zwischenprodukt hergestellt wird.

Die Erfinder führten einen Verifikationstest durch, indem vier Arten an Materialien beprobt wurden, welche in der folgenden Tabelle 1 aufgezeigt sind, um ein Material auszuwählen, das für den aus dem Emaillematerial hergestellten Wärmeschutzfilm, der auf der Oberfläche des Bauteils auf Aluminiumbasis ausgebildet ist, geeignet ist. Tabelle 1

Material	Längenausdehnungskoeffizient (x 10^–6/K) (Normaltemperatur bis 200°C)	Glasübergangs temperatur (°C)	Elastizitätsmodul (Größer oder gleich der Glasübergangstemperatur (GPa)	Wärmebestandigkeitstemperatur (°C)	Ergebnisse der Bewertung	Kommentar
Vanadiumbasis	16	390	45	660	O (geeignet
Bismutbasis	16	380	50	650	x (ungeeignet)	Film ist nicht mit porösem Material gebildet
Phosphatbasis	16	370	48	600	x (ungeeignet)	Film ist nicht mit porösem Material gebildet
Siliciumdioxidbasis	10	500	60	750	x (ungeeignet)	– Riss an der Grenzfläche aufgetreten – Oberflächenriss aufgetreten

Bei einem Glasmaterial auf Bismutbasis (enthaltend poröses Material auf Siliziumdioxidbasis) wird ein Film brüchig und fällt zusammen, wenn ein poröses Material (Material: Siliziumdioxid) vermischt wird. Dies ist darin begründet, dass das Glasmaterial kaum kompatibel ist mit dem porösen Material und das Glasmaterial und das poröse Material nicht in einer engen Haftung aneinander vorliegen. Es wurde ein Prototyp erzeugt, indem nicht nur die Oberfläche des porösen Materials mit einer hydrophilen Gruppe, sondern auch mit einer Methylgruppe modifiziert wurde; es wurde jedoch eine ähnliche Tendenz beobachtet. Der Grund dafür, dass die Methylgruppe zur Modifizierung der Oberfläche des porösen Materials verwendet wurde, ist, dass ein Material auf Bismutbasis nicht mit Wasser vermischt wurde, sondern mit einem organischen Lösungsmittel (Terpineol) verdünnt wurde zum Zeitpunkt des Aufbringens des Materials und eine Dispergierbarkeit und Kompatibilität mit dem Glasmaterial angedacht waren.
Wenn ein poröses Material (Material: Siliziumdioxid) mit einem Glasmaterial auf Phosphorbasis (enthaltend poröses Material auf Siliziumbasis) gemischt wird, nimmt die Brenntemperatur zu und verändert sich das Glas. Dies ist darin begründet, dass die Brenntemperatur enthaltend das poröse Material 600°C beträgt (550°C im Fall von keinem porösen Material) und die Wärmebeständigkeitstemperatur von 600°C übersteigt.
Darüber hinaus trat bei einem Glasmaterial auf Siliziumdioxidbasis (enthaltend poröses Material auf Siliziumdioxidbasis) ein Grenzflächenriss in dem oben beschriebenen Abkühl-/Erwärmungstest auf. Dies ist darin begründet, dass ein thermischer Stress zwischen dem Glasmaterial und dem Aluminium erzeugt wird. Darüber hinaus trat bei dem oben beschriebenen YAG-Laserbestrahlungstest ein Oberflächenriss auf. Dies ist darin begründet, dass die Glasübergangstemperatur hoch ist, d. h. 600°C, und das Glasmaterial nicht weich wird (Elastizitätsmodul von 60 GPa).
Entsprechend den Ergebnissen der verschiedenen Verifikationstests wurde gefunden, dass das Emaillematerial auf Vanadiumbasis als das Material des aus dem Emaillematerial hergestellten Wärmeschutzfilms geeignet ist, wobei das Material auf der Oberfläche des Bauteils auf Aluminiumbasis ausgebildet ist.
Die Ausführungsformen der Erfindung werden unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben; eine konkrete Konfiguration ist jedoch nicht auf die Ausführungsformen beschränkt. Die Erfindung umfasst auch Entwurfsänderungen und dergleichen, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Wärmeschutzfilm, dadurch gekennzeichnet, dass er umfasst: eine Matrixschicht, die einen Längenausdehnungskoeffizienten von 15 × 10^–6/K bis 25 × 10^–6/K in einem Temperaturbereich von Normaltemperatur bis 200°C aufweist und aus einem Emaillematerial hergestellt ist; und hohle Teilchen, die in der Matrixschicht dispergiert sind, wobei der Wärmeschutzfilm auf einer Wandoberfläche eines Bauteils auf Aluminiumbasis ausgebildet ist und der Wärmeschutzfilm durch Diffusion mit der Wandoberfläche verbunden ist.
Wärmeschutzfilm nach Anspruch 1, wobei eine Glasübergangstemperatur des Emaillematerials kleiner oder gleich 400°C ist und eine Wärmebeständigkeitstemperatur des Emaillematerials größer oder gleich 450°C ist.
Wärmeschutzfilm nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Emaillematerial Siliciumdioxid enthält, jedes der hohlen Teilchen eine Außenhülle auf Siliciumdioxidbasis aufweist und eine Oberfläche einer jeden Außenhülle auf Siliciumdioxidbasis mit einer hydrophilen Gruppe modifiziert ist.
Wärmeschutzfilm nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Wärmeschutzfilm eine zweilagige Struktur aus einer oberen Schicht und einer and die Wandoberfläche angrenzenden Basisschicht aufweist und die Basisschicht keine hohlen Teilchen enthält oder die hohlen Teilchen in einer Menge enthält, die geringer ist als die der oberen Schicht.
Verfahren zum Ausbilden eines Wärmeschutzfilms, dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst: einen ersten Schritt des Herstellens eines Zwischenprodukts, das gebildet ist aus einer Platte auf Aluminiumbasis und dem Wärmeschutzfilm auf einer Oberfläche der Platte, durch Aufbringen eines Mischmaterials aus hohlen Teilchen, einer Glasfritte und einer Glasur auf die Oberfläche der Platte, Schmelzen der Glasfritte durch Erwärmen und Ausbilden des Wärmeschutzfilms, der aus einer Matrixschicht und den in der Matrixschicht dispergierten hohlen Teilchen gebildet ist, auf der Oberfläche der Platte, wobei die Matrixschicht einen Längenausdehnungskoeffizienten von 15 × 10^–6/K bis 25 × 10^–6/K in einem Temperaturbereich von Normaltemperatur bis 200°C aufweist und aus einem Emaillematerial hergestellt ist; und einen zweiten Schritt des Ausbildens des Wärmeschutzfilms auf einer Wandoberfläche eines Bauteils auf Aluminiumbasis, das aus einem ausgehärteten Teil geschmolzenen Metalls und der mit dem ausgehärteten Teil integrierten Platte gebildet ist, durch Platzieren des Zwischenprodukts in einem Formwerkzeug und Gießen von geschmolzenem Metall auf Aluminiumbasis auf die Platte des Zwischenprodukts.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei eine Dicke der Platte von 1 mm bis 2 mm reicht.