JP2016180157A - 多孔質溶射膜の形成方法及び内燃機関 - Google Patents
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Abstract
【課題】内燃機関のピストンの燃焼室等に遮熱層等として使用される多孔質膜を、比較的簡単な溶射方法で気孔率を高めることができる多孔質溶射膜の形成方法、及び、ピストンの熱伝導率と熱容量を下げることができ、内燃機関の熱効率を向上することができる内燃機関を提供する。【解決手段】溶射によって多孔質溶射膜を形成する多孔質溶射膜の形成方法において、溶射用材料に水溶性の金属塩を混入して基材に溶射して、溶射後に成膜された溶射膜を水洗いして前記金属塩を水で溶して除去することで、前記基材の表面に多孔質溶射膜を形成する。【選択図】図１
Description
本発明は、内燃機関のピストンの燃焼室等に遮熱層等として使用される多孔質溶射膜の形成方法及びそれを利用した内燃機関に関する。
各種部品の高温対策として、加熱により溶融又はそれに近い状態の粒子を、各種部品の表面に吹き付けて被膜を形成する溶射方法により、遮熱コーティングを施すことは一般的に行われている。例えば、自動車用エンジン等の内燃機関のピストンにおいても、燃焼室等のアルミニウム合金等の基板に、熱伝導率の低いジルコニア層等の遮熱コーティングをプラズマ溶射で施すことが行われている。そして、この形成された遮熱層によりピストンの熱伝導率と熱容量を下げることができるので、内燃機関の燃費を改善させるために非常に有効な方法となっている。
この遮熱コーティングは、一般的にプラズマ溶射等の溶射により施され、ジルコニア（ＺｒＯ2）等のセラミック材料の遮熱膜をピストンなどのエンジン部品に成膜させている。しかしながら、ジルコニア等の遮熱膜の内部の気孔率は２０％〜３０％であり、この遮熱膜の熱伝導率は約１Ｗ／ｍ・Ｋとなっている。そのため、エンジンの熱効率をさらに改善させる場合には、もっと低い熱伝導率の遮熱膜が求められている。
このジルコニア等の遮熱膜の熱伝導率を下げる方法として、遮熱膜内部の気孔率を増加させる方法が一般的に用いられている。例えば、溶射用のジルコニア造粒粉にポリマー等の粒子を混合することにより、遮熱膜の多孔質化を図る。しかし、この方法では、ポリマー等を混入しても、溶射時に焼失してしまうために気孔生成に殆ど寄与せず、気孔率を増加することができない。
また、溶射のときに、セラミックスの扁平化した粒子であるスプラットを重ねることにより、溶射膜を形成する方法もあるが、気孔率がスプラット間の隙間に左右されてしまい、この方法でも気孔率の高い遮熱膜を得ることができていない。
この溶射膜の形成に関連して、セラミック粒子の表面に、該セラミック材との化学結合により、強固に結合した金属化合物又は金属と金属化合物の混合相からなる被膜層を形成してなるセラミック基複合溶射材と、セラミック粒子の表面に加熱により該セラミック材と化学結合する金属化合物を被覆し、加熱するセラミック基複合溶射材の製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
ここでは、所定の粒子としたセラミック粒子を溶媒で金属化合物を溶かした溶液に浸漬し、溶媒を揮発させて、セラミック粒子の表面に金属化合物を被覆させた後、加熱して、セラミックと金属化合物を化学結合させる方法が提案されているが、気孔率の問題には触れられていない。
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関のピストンの燃焼室等に遮熱層等として使用される多孔質膜を、比較的簡単な溶射方法で気孔率を高めることができる多孔質溶射膜の形成方法、及び、ピストンの熱伝導率と熱容量を下げることができ、内燃機関の熱効率を向上することができる内燃機関を提供することにある。
上記の目的を達成するための多孔質溶射膜の形成方法は、溶射によって多孔質溶射膜を形成する多孔質溶射膜の形成方法において、溶射用材料に水溶性の金属塩を混入して基材に溶射して、溶射後に成膜された溶射膜を水洗いして前記金属塩を水で溶して除去することで、前記基材の表面に多孔質溶射膜を形成することを特徴とする方法である。
この溶射方法としては、周知の溶射方法であるプラズマ溶射、アーク放射等の電気式溶射や、フレーム溶射を使用することができる。
この方法によれば、溶射膜中の気孔率を３０％〜６５％まで調整できるようになり、その結果、熱伝導率を、０．２〜０．８Ｗ／ｍ・Ｋとすることができるので、容易に、熱伝導率の低く耐熱性に優れた多孔質溶射膜を形成できるようになる。
上記の多孔質溶射膜の形成方法において、前記溶射用材料をジルコニア又はアルミナとし、前記金属塩をアルカリ金属塩とすることが好ましい。また、実用的には、塩化ナトリウム、塩化カリウム等を用いることが好ましい。
そして、上記の多孔質溶射膜の形成方法における溶射用材料と金属塩の混合方法としては、粉末状の前記溶射用材料と粉末状の前記金属塩と混合して造粒して、この造粒された粒子を溶射する方法、造粒が完了した粒状の前記溶射用材料と粒子状の前記金属塩を混合して、この混合物を溶射する方法、造粒が完了した前記溶射用材料を前記金属塩の溶液で含浸処理し、この含浸処理後の前記溶射用材料を溶射する方法、及び、前記溶射用粉末と前記金属塩の溶液とを直接溶射する方法があり、これらの方法により、溶射用材料と金属塩が混合した状態で溶射でき、金属塩が混入している被膜を基板の表面に形成できるので、この被膜に含まれる金属塩を水で洗い流すこと気孔を形成することができ、高い気孔率の多孔質溶射膜を得ることができる。
そして、上記の目的を達成するための内燃機関は、上記の多孔質溶射膜の形成方法で形成した多孔質溶射膜をピストンの燃焼室の表面に設けたことを特徴とする内燃機関であり、この内燃機関によれば、ピストンの燃焼室に、低熱伝導率の遮熱層を設けているので、ピストンの熱伝導率と熱容量を下げることができ、内燃機関の熱効率を向上することができる。
本発明の多孔質溶射膜の形成方法によれば、溶射膜中の気孔率を３０％〜６５％まで調整できるようになり、その結果、熱伝導率を、０．２〜０．８Ｗ／ｍ・Ｋとすることができ、容易に、熱伝導率の低く耐熱性に優れた多孔質溶射膜を形成できるようになる。
また、本発明の内燃機関によれば、ピストンの燃焼室に設けた低熱伝導率の多孔質溶射膜で構成した遮熱層により、ピストンの熱伝導率と熱容量を下げることができて、従来の遮熱膜を使用した場合よりも、内燃機関の熱効率を２％程度向上させることができる。
以下、本発明に係る実施の形態の多孔質溶射膜の形成方法及び内燃機関について図面を参照しながら説明する。
この多孔質溶射膜の形成方法は、溶射によって多孔質溶射膜を形成する多孔質溶射膜の形成方法であり、溶射用材料に水溶性の金属塩を混入して基材に溶射して、溶射後に成膜された溶射膜を水洗いして前記金属塩を水で溶して除去することで、前記基材の表面に多孔質溶射膜を形成する。
この多孔質溶射膜の形成方法の対象となる基材としては、溶射できる外側に面している部分、例えば、ピストン、シリンダヘッドの外側、ターボチャージャや配管の外側等、伝熱を防止するために、熱伝導率を低くしたい場所等があり、これらの場所の遮熱処理として適用できる。
また、溶射用材料としては、ジルコニア、アルミナ、イットリウム、チタニア、クロミア等のセラミック材料を用い、水溶性の金属塩としては、ナトリウム、カリウム、リチウム、ルビジウム、セシウムなどのアルカリ金属の塩化塩、水酸化塩、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩などを用いることができるが、実用的には、塩化ナトリウム、塩化カリウム等を用いることが好ましい。
また、溶射用材料と金属塩のサイズに関しては、セラミック材料は、市販されているサイズの１０μφ〜１００μφでよく、より好ましくは４０μφ〜５０μφとなる。また、金属塩も、セラミック材料のサイズと略同程度のものが好ましく、１０μφ〜１００μφでよく、４０μφ〜５０μφがより好ましい。この範囲より小さいと溶射用の噴射ノズルが詰まってしまい、これより大きくすると噴射ノズルを通過できなくなってしまうという問題が生じる。
そして、この溶射方法は、溶射剤を加熱して基材に吹き付けて、被膜形成する表面処理方法の一種であり、周知の溶射方法であるプラズマ溶射、アーク放射等の電気式溶射や、フレーム溶射、を使用することができる。
そして、第１の実施の形態の多孔質溶射膜の形成方法では、図１に示すように、溶射用材料と金属塩の混合方法としては、粉末状の溶射用材料と粉末状の金属塩と混合して造粒して、この造粒された粒子を溶射する。この溶射により、金属塩が混入している被膜を基板の表面に形成し、さらに、この被膜に含まれる金属塩を水で洗い流すこと気孔を形成する。これを乾燥して、高い気孔率の多孔質溶射膜を得る。
また、第２の実施の形態の多孔質溶射膜の形成方法では、図２に示すように、造粒が完了した粒状の溶射用材料と粒子状の金属塩を混合して、この混合物を溶射する。この溶射により、金属塩が混入している被膜を基板の表面に形成し、さらに、この被膜に含まれる金属塩を水で洗い流すこと気孔を形成する。これを乾燥して、高い気孔率の多孔質溶射膜を得る。
また、第３の実施の形態の多孔質溶射膜の形成方法では、図３に示すように、造粒が完了した溶射用材料を金属塩の溶液で含浸処理し、この含浸処理後の溶射用材料を溶射する。この溶射により、金属塩が混入している被膜を基板の表面に形成し、さらに、この被膜に含まれる金属塩を水で洗い流すこと気孔を形成する。これを乾燥して、高い気孔率の多孔質溶射膜を得る。
また、第４の実施の形態の多孔質溶射膜の形成方法では、図４に示すように、溶射用粉末と金属塩の溶液とを混合して直接溶射する。この溶射により、金属塩が混入している被膜を基板の表面に形成し、さらに、この被膜に含まれる金属塩を水で洗い流すこと気孔を形成する。これを乾燥して、高い気孔率の多孔質溶射膜を得る。
これらの方法により、溶射用材料と金属塩が混合した状態で溶射でき、金属塩が混入している被膜を基板の表面に形成して、この被膜に含まれる金属塩を水で洗い流すこと気孔を形成することができるので、高い気孔率の多孔質溶射膜を得ることができる。
従って、上記の構成の多孔質溶射膜の形成方法によれば、溶射膜中の気孔率を３０％〜６５％まで調整できるようになり、その結果、熱伝導率を、０．２〜０．８Ｗ／ｍ・Ｋとすることができ、容易に、熱伝導率の低く耐熱性に優れた多孔質溶射膜を形成できる。
そして、上記の目的を達成するための内燃機関は、上記の多孔質溶射膜の形成方法で形成した多孔質溶射膜をピストンの燃焼室の表面に設けたことを特徴とする内燃機関である。この内燃機関によれば、ピストンの燃焼室に設けた低熱伝導率の多孔質溶射膜で構成した遮熱層により、ピストンの熱伝導率と熱容量を下げることができて、従来の遮熱膜を使用した場合よりも、内燃機関の熱効率を２％程度向上させることができる。
Ｓ１１、Ｓ４１ 溶射用材料の粉末
Ｓ１２、Ｓ２２ 金属塩の粉末
Ｓ１３ 混合と造粒
Ｓ２１、Ｓ３１ 溶射用材料の造粒
Ｓ２３、Ｓ４３ 混合
Ｓ３２、Ｓ４２ 金属塩の溶液の作製
Ｓ３３ 含浸処理
Ｓ５１ 溶射
Ｓ５２ 水洗
Ｓ５３ 乾燥
Ｓ５４ 高い気孔率の多孔質膜の形成，
Ｓ１２、Ｓ２２ 金属塩の粉末
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Ｓ５４ 高い気孔率の多孔質膜の形成，
Claims (7)
- 溶射によって多孔質溶射膜を形成する多孔質溶射膜の形成方法において、
溶射用材料に水溶性の金属塩を混入して基材に溶射して、溶射後に成膜された溶射膜を水洗いして前記金属塩を水で溶して除去することで、前記基材の表面に多孔質溶射膜を形成することを特徴とする多孔質溶射膜の形成方法。 - 前記溶射用材料をジルコニア又はアルミナとし、前記金属塩をアルカリ金属塩とすることを特徴とする請求項１記載の多孔質溶射膜の形成方法。
- 粉末状の前記溶射用材料と粉末状の前記金属塩と混合して造粒して、この造粒された粒子を溶射することを特徴とする請求項１又は２に記載の多孔質溶射膜の形成方法。
- 造粒が完了した粒状の前記溶射用材料と粒子状の前記金属塩を混合して、この混合物を溶射することを特徴とする請求項１又は２に記載の多孔質溶射膜の形成方法。
- 造粒が完了した前記溶射用材料を前記金属塩の溶液で含浸処理し、この含浸処理後の前記溶射用材料を溶射することを特徴とする請求項１又は２に記載の多孔質溶射膜の形成方法。
- 前記溶射用粉末と前記金属塩の溶液とを直接溶射することを特徴とする請求項１又は２に記載の多孔質溶射膜の形成方法。
- 請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の多孔質溶射膜の形成方法で形成した多孔質溶射膜をピストンの燃焼室の表面に設けたことを特徴とする内燃機関。
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