JP2016006211A - アルミ複合材の遮熱コーティング方法及びその構造並びにピストン - Google Patents
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Abstract
【課題】気孔率を向上できるアルミ複合材の遮熱コーティング方法及びその構造並びにピストンを提供する。
【解決手段】アルミニウム合金の表面近傍を針状結晶多孔質セラミックス強化アルミ複合材１３で形成し、その針状結晶多孔質セラミックス強化アルミ複合材１３の表面近傍をアルマイト処理して遮熱コーティング膜１４を形成するものである。
【選択図】図１
【解決手段】アルミニウム合金の表面近傍を針状結晶多孔質セラミックス強化アルミ複合材１３で形成し、その針状結晶多孔質セラミックス強化アルミ複合材１３の表面近傍をアルマイト処理して遮熱コーティング膜１４を形成するものである。
【選択図】図１
Description
本発明は、ピストン等のアルミニウム部品の遮熱コーティングを施すためのアルミ複合材の遮熱コーティング方法及びその構造並びにピストンに関するものである。
エンジンの燃費を改善させるため、ピストンの頂面や燃焼室等への遮熱コーティングを施すことは非常に有効な方法である。
遮熱コーティング膜としては、部材表面にプラズマ溶射で熱伝導率の低いジルコニア層を施すことは、最も一般的な方法であるが、部材がアルミニウム合金から構成されている場合、アルマイト処理で遮熱コーティング膜を形成する方法がある。
アルマイト処理は、硫酸などの処理浴に部材としてのアルミニウム合金を入れ、アルミニウム合金を陽極として電気分解することにより、アルミニウム合金の表面を電気化学的に酸化させて酸化アルミニウム（アルミナ）の皮膜を生成させる。この皮膜はハニカム状の孔径が数ｎｍから数百ｎｍの多孔質酸化皮膜からなり、皮膜形成後は、水和処理することで、水酸化アルミニウム化して、ハニカム状の孔壁表面を水和膨張させて封孔処理することでアルマイト膜が形成される。
ところで、アルマイト膜の成長と内部の気孔率はアルミニウム合金組成そのものに依存し、基本的な合金組成を変えないで、しかも同じ溶液を使う場合、気孔率を変えることは難しい。従って、より低い熱伝導率を求めている場合、従来のアルミニウム合金では難しい。
上述のようにアルマイト処理は、アルミニウム製品を陽極（＋極）に接続し、電解液中に（一般に硫酸溶液）通電させて、酸化反応を起こして、アルミニウム合金の表面に酸化皮膜を生成するもので、酸化皮膜は通電の時間経過と共に成長する。このアルマイト膜は、ハニカム状の多孔質酸化皮膜であり、膜の生成・成長と内部の気孔率は、合金の組成とアルマイトの処理法（例えば、硫酸法、燐酸法やシュウ酸法など）によりコントロールされる。
同じ方法の場合、気孔率等は合金の組成に大きく依存するので、通常のアルミニウム合金の場合、アルマイト膜の気孔率の向上（熱伝導率の低下）が難しい。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、気孔率を向上できるアルミ複合材の遮熱コーティング方法及びその構造並びにピストンを提供することにある。
上記目的を達成するために本発明は、アルミニウム合金の表面近傍を針状結晶多孔質セラミックス強化アルミ複合材で形成し、その針状結晶多孔質セラミックス強化アルミ複合材の表面近傍をアルマイト処理して遮熱コーティング膜を形成することを特徴とするアルミ複合材の遮熱コーティング方法である。
針状結晶多孔質セラミックス強化アルミ複合材は、ホウ酸アルミニウムのウイスカーの骨格構造からなる多孔質セラミックスにアルミニウム合金を鋳込んで形成されるのが好ましい。
アルマイト処理は、硫酸濃度１０〜２０％、電流密度１〜２Ａ／ｄｍ2、処理時間３０分以上、５時間以下で、厚さが２０μｍ以上、２５０μｍ以下のアルマイト膜からなる遮熱コーティング膜を形成するのが好ましい。
また本発明は、アルミニウム合金の表面を、針状結晶多孔質セラミックス強化アルミ複合材で形成し、その針状結晶多孔質セラミックス強化アルミ複合材の表面近傍に、アルマイト膜からなる遮熱コーティング膜が形成されたことを特徴とするアルミ複合材の遮熱コーティング構造である。
前記遮熱コーティング構造において、遮熱コーティング膜は、厚さが２０μｍ以上、２５０μｍ以下、熱伝導率が、０．２〜１．５Ｗ／ｍＫであるのが好ましい。
さらに本発明は、アルミニウム合金で形成されるピストンの頂面と燃焼室の表面近傍を針状結晶多孔質セラミックス強化アルミ複合材で形成し、その針状結晶多孔質セラミックス強化アルミ複合材の表面に、アルマイト膜からなる遮熱コーティング膜が形成されたことを特徴とするピストンである。
前記ピストンにおいて、遮熱コーティング膜は、厚さが２０μｍ以上、２５０μｍ以下、熱伝導率が、０．２〜１．５Ｗ／ｍＫであるのが好ましい。
本発明によれば、遮熱コーティング膜の気孔率が増加し、熱伝導率を低下させることができるという優れた効果を発揮するものである。
以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
先ず、アルミ複合材の遮熱コーティング方法が適用されるディーゼルエンジンのピストン構造を説明する。
図１（ａ）において、１０は、ピストンで、その頂面１１に凹状の燃焼室１２が形成される。
ピストン１０は、ＡＣ８ＡやＡｌ−１２ｍａｓｓ％Ｓｉ−（１〜３ｍａｓｓ％）Ｎｉ−（０．５〜１ｍａｓｓ％）Ｍｇ−（１〜５ｍａｓｓ％）Ｃｕの組成からなるアルミニウム合金で形成される。
このピストン１０を製造する際に、ピストン１０の頂面１１や燃焼室１２の表面に位置する部分、或いは全体を針状結晶多孔質セラミックス強化アルミ複合材１３で形成し、その後、頂面１１や燃焼室１２の表面をアルマイト処理して遮熱コーティング膜１４を形成する。
針状結晶多孔質セラミックス強化アルミ複合材１３は、ホウ酸、水酸化アルミニウムとウイスカー成長の助剤である酸化ニッケルの粉末の成形体を１１００℃〜１３００℃で焼成し、ホウ酸アルミニウムウイスカーの骨格構造を有する多孔質セラミックスを成形し、その針状結晶多孔質セラミックスに溶湯アルミニウム合金を高圧で鋳込んで形成される。
ホウ酸アルミニウム（９Ａｌ2Ｏ3・２Ｂ2Ｏ3）のウイスカーは、直径０．２〜１．５μｍ、長さ５〜４０μｍで、ウイスカーの体積分率Ｖｆは１５〜５０％とする。
アルミニウム合金を鋳込む際、ピストンの鋳型内部に、頂面と燃焼室に相当する部分のみ或いはピストン全体の形状に形成した針状結晶多孔質セラミックスをセットした後、溶湯アルミニウム合金を鋳込み、その後溶湯アルミニウム合金に圧力を掛け（圧力鋳造）、針状結晶多孔質セラミックスに溶湯アルミニウムを浸透させることにより、少なくとも頂面と燃焼室に相当する部分が針状結晶多孔質セラミックス強化アルミ複合材１３で形成されたピストン１０が製造される。
アルマイト処理は、図１（ａ）に示すように処理浴２０に、ピストン１０を、その頂面１１と燃焼室１２が臨むようにセットし、処理浴２０に濃度１０〜２０％硫酸（２１）を充填し、ピストン１０を＋として、電流密度１〜２Ａ／ｄｍ2、処理時間３０分以上、５時間以下で、通電することで、頂面１１と燃焼室１２表面の針状結晶多孔質セラミックス強化アルミ複合材１３がアルマイト化され、これにより、厚さが２０μｍ以上、２５０μｍ以下、熱伝導率０．２〜１．５Ｗ／ｍＫのアルマイト膜からなる遮熱コーティング膜１４が形成される。
遮熱コーティング膜１４の形成後は、水和処理することで、水酸化アルミニウム化して、孔壁表面を水和膨張させて封孔処理する。
この遮熱コーティング膜１４は、図１（ｂ）に示すように、母層１５が針状結晶多孔質セラミックス強化アルミ複合材１３で形成され、母層１５内のホウ酸アルミニウム等のウイスカー１６がランダムに配向して絡み合った状態で焼結されており、アルマイト処理した際には、そのアルミナ皮膜の成長方向もランダムとなり、アルマイト膜の成長過程では、ウイスカーの針状結晶は成長されたアルマイト膜に取り込まれるため、アルマイト膜中の気孔率が増え、膜の熱伝導率が低下する。よって、針状結晶の量を増やすと、気孔率が増加し、熱伝導が低下する。
このウイスカー１６の体積分率Ｖｆ（１５〜５０％）を調整することで気孔率が制御でき、成形条件によって気孔率が８５〜５０％の範囲の遮熱コーティング膜１４が作製できる。
このように本発明は、アルマイト処理する部分に、アルミニウム合金の代わりに針状結晶多孔質セラミックス強化アルミ複合材を用い、その複合材の表面に、より多孔質のアルマイト膜を作製することで、遮熱コーティング膜の熱伝導率を低減させることができる。
本発明で処理した複合材をピストンに用いた場合、従来のアルマイト膜と比較して、遮熱効果が向上し、エンジンの燃費の改善が図られる。
また、針状結晶多孔質セラミックスを複合することで、燃焼室部の高温疲労強度は従来の合金より５０〜８０％以上に向上し、高Ｐｍａｘ（筒内最高圧力）エンジンにも対応できる。
１０ ピストン
１１ 頂面
１２ 燃焼室
１３ 針状結晶多孔質セラミックス強化アルミ複合材
１４ 遮熱コーティング膜
１１ 頂面
１２ 燃焼室
１３ 針状結晶多孔質セラミックス強化アルミ複合材
１４ 遮熱コーティング膜
Claims (7)
- アルミニウム合金の表面近傍を針状結晶多孔質セラミックス強化アルミ複合材で形成し、その針状結晶多孔質セラミックス強化アルミ複合材の表面近傍をアルマイト処理して遮熱コーティング膜を形成することを特徴とするアルミ複合材の遮熱コーティング方法。
- 針状結晶多孔質セラミックス強化アルミ複合材は、ホウ酸アルミニウムのウイスカーの骨格構造からなる多孔質セラミックスにアルミニウム合金を鋳込んで形成される請求項１記載のアルミ複合材の遮熱コーティング方法。
- アルマイト処理は、硫酸濃度１０〜２０％、電流密度１〜２Ａ／ｄｍ2、処理時間３０分以上、５時間以下で、厚さが２０μｍ以上、２５０μｍ以下のアルマイト膜からなる遮熱コーティング膜を形成する請求項１又は２記載のアルミ複合材の遮熱コーティング方法。
- アルミニウム合金の表面を、針状結晶多孔質セラミックス強化アルミ複合材で形成し、その針状結晶多孔質セラミックス強化アルミ複合材の表面近傍に、アルマイト膜からなる遮熱コーティング膜が形成されたことを特徴とするアルミ複合材の遮熱コーティング構造。
- 前記遮熱コーティング膜は、厚さが２０μｍ以上、２５０μｍ以下、熱伝導率が、０．２〜１．５Ｗ／ｍＫである請求項４記載のアルミ複合材の遮熱コーティング構造。
- アルミニウム合金で形成されるピストンの頂面と燃焼室の表面近傍を針状結晶多孔質セラミックス強化アルミ複合材で形成し、その針状結晶多孔質セラミックス強化アルミ複合材の表面に、アルマイト膜からなる遮熱コーティング膜が形成されたことを特徴とするピストン。
- 前記遮熱コーティング膜は、厚さが２０μｍ以上、２５０μｍ以下、熱伝導率が、０．２〜１．５Ｗ／ｍＫである請求項６記載のピストン。
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