JP2018021452A

JP2018021452A - 断熱皮膜

Info

Publication number: JP2018021452A
Application number: JP2016150951A
Authority: JP
Inventors: 下田　健二; Kenji Shimoda; 健二下田; 和晃西尾; Kazuaki Nishio; 中田　博道; Hiromichi Nakada; 博道中田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-08-01
Filing date: 2016-08-01
Publication date: 2018-02-08

Abstract

【課題】シリンダヘッドにおけるエンジン燃焼室に臨む面の半径方向に発生する繰り返し熱応力によって、断熱皮膜の表面部に亀裂や皮膜剥がれ等が発生するのを抑える。【解決手段】シリンダヘッド１０におけるエンジン燃焼室に臨む面に形成される断熱皮膜１である。皮膜表面部に、微細割れ４が発生している第１領域５と、微細割れ４が発生していない第２領域７とが、略同心円状に交互に設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、断熱皮膜に関し、特に、シリンダヘッドにおけるエンジン燃焼室に臨む面に形成される断熱皮膜に関するものである。

エンジンにおいて燃焼効率を高めるには、燃焼熱を逃がさないように燃焼室を構成する壁面の熱伝導率を下げることが有効であることから、かかる壁面に熱伝導性の低い断熱皮膜を設けることが従来から行われている。

このような熱伝導性の低い断熱皮膜を形成するには、例えばＺｒＯ₂（ジルコニア）を主体とする低熱伝導材料を用いることが考えられるが、ジルコニア系の層は、サーメット系の層よりも粒子間の密着性に劣るため、熱応力による疲労等によってクラックが生じ易いという問題がある。

そこで、例えば特許文献１には、基材に対して溶射されたＺｒＯ₂含有粒子を含む酸化物層を有し、当該酸化物層に含まれるＺｒＯ₂含有粒子の少なくとも一部が、溶射原料としての各ＺｒＯ₂含有粒子の表面の少なくとも一部を覆っていた金属成分によって結合されている断熱皮膜構造が開示されている。

この特許文献１のものによれば、金属成分が溶射熱により軟化または溶融しながら、ＺｒＯ₂含有粒子が基材の表面に堆積することから、ＺｒＯ₂含有粒子同士が金属成分によってしっかりと結合されることになり、溶射皮膜に含まれる粒子同士を強固に結合して断熱層にクラックが発生するのを効果的に抑制することができるとされている。

特開２０１３−１８５２０１号公報

ところで、断熱皮膜の表面には燃焼ガスが直接当たるため、断熱皮膜の表面部には、表面温度が７００℃程度になるまで急加熱された後、急冷されるという冷熱サイクルが繰り返し掛かることになる。上記特許文献１のものでは、ＺｒＯ₂含有粒子同士を金属成分によって結合することで剥離を抑制しているものの、このような冷熱サイクルが繰り返し掛かることによって、断熱皮膜の最表面が、熱応力による亀裂が生じ易い環境に晒されることになる。

そうして、かかる冷熱サイクルが繰り返し掛かると、シリンダヘッドにおける燃焼室に臨む面には半径方向に繰り返し熱応力が発生するが、特許文献１のものでは半径方向の応力緩和措置が何ら施されていないため、断熱皮膜の表面に亀裂や剥離が生じ、それに伴って溶射粒子が脱落するおそれがある。それ故、特許文献１のものでは、このような脱落した溶射粒子がシリンダボア内に噛み込むことで、スカッフィング（シリンダやピストンに発生する引っかき傷）が生じるという問題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、シリンダヘッドにおけるエンジン燃焼室に臨む面の半径方向に発生する繰り返し熱応力によって、断熱皮膜の表面部に亀裂や皮膜剥がれ等が発生するのを抑える技術を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明に係る断熱皮膜では、皮膜表面部に、繰り返し熱応力を吸収する微細割れが発生している領域を敢えて設けるようにしている。

具体的には、本発明は、シリンダヘッドにおけるエンジン燃焼室に臨む面に形成される断熱皮膜を対象としている。

そして、この断熱皮膜は、皮膜表面部に、微細割れが発生している第１領域と、微細割れが発生していない第２領域とが、略同心円状に交互に設けられていることを特徴とするものである。

なお、本発明において、「略同心円状に交互に設けられ」とは、第１領域と第２領域とが同心円状に交互に並んでいる場合のみならず、渦巻き状に一筆書きで形成された第１および第２領域が、恰も同心円状に交互に並んでいる場合をも含む概念であり、換言すると、第１領域と第２領域とが半径方向に交互に並んでいることを意味する。

ところで、シリンダヘッドにおけるエンジン燃焼室に臨む面の半径方向に繰り返し熱応力が発生するのは、冷熱サイクルを繰り返し受けることで第２溶射皮膜が半径方向に膨張と収縮を繰り返すためである。この点、本発明によれば、微細割れが発生している第１領域において、第２溶射皮膜が半径方向に膨張しようとすれば、他の部位に亀裂が生じるよりも先に微細割れが開くように微小変形する一方、第２溶射皮膜が半径方向に収縮しようとすれば、他の部位が圧縮されるのに先立って微細割れが閉じるように微小変形することから、微細割れによって繰り返し熱応力を吸収することができる。

もっとも、第２溶射皮膜の皮膜表面部全体に亘って微細割れが発生していると、皮膜強度の低下を招くことになるが、本発明では、微細割れが発生していない第２領域が存在することで、皮膜強度の低下を抑えることができる。

つまり、本発明によれば、微細割れを有する「柔」な第１領域と、微細割れを有しない「剛」な第２領域とが、半径方向に交互に設けられていることで、半径方向に発生する繰り返し熱応力を微細割れによって吸収・緩和するとともに、微細割れを起点とする過剰な変形を「剛」な第２領域で抑えて、断熱皮膜の表面部に大きな亀裂や皮膜剥がれが発生するのを抑制することができる。

以上説明したように、本発明に係る断熱皮膜によれば、シリンダヘッドにおけるエンジン燃焼室に臨む面の半径方向に発生する繰り返し熱応力によって、断熱皮膜の表面部に亀裂や皮膜剥がれ等が発生するのを抑えることができる。

本発明の実施形態に係る断熱皮膜を模式的に示す平面図である。図１のII−II線の断面図である。溶射ガンの移動方法を模式的に説明する図である。形状測定器を用いて測定した第２溶射皮膜の表面プロファイルである。第１領域と第２領域とが半径方向に交互に発生するメカニズムを模式的に説明する図である。冷熱耐久評価試験の試験結果を示す図である。従来の溶射ガンの移動方法を模式的に説明する図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態に係る断熱皮膜１を模式的に示す平面図であり、図２は、図１のII−II線の断面図である。この断熱皮膜１は、図１に示すように、気筒毎に吸気バルブと排気バルブとが２つずつ設けられる所謂４バルブディーゼルエンジンの、シリンダヘッド１０におけるエンジン燃焼室に臨む面１０ａ（バルブ孔１０ｂを除く部位）に、換言すると、燃焼室の頂面に、燃焼室の冷却損失を低減するために形成されている。この断熱皮膜１は、図２に示すように、シリンダヘッド１０を構成するアルミニウム基材１１の表面に形成された第１溶射皮膜２と、当該第１溶射皮膜２の表面に形成された第２溶射皮膜３と、を有している。ここで、第２溶射皮膜３は断熱層として作用する一方、第１溶射皮膜２はアルミニウム基材１１と第２溶射皮膜３との密着性を確保するための中間層として作用する。

図１に示すように、第２溶射皮膜３は、黒っぽい領域５（ハッチング部）と白っぽい領域７とが略同円心状に交互に並んだ縞状模様を呈している。この黒っぽい領域５は、図１の部分拡大図および図２に示すように、皮膜表面部に微細割れ４が発生している第１領域５に対応している。一方、白っぽい領域７は、皮膜表面部に微細割れ４が発生していない第２領域７に対応している。なお、微細割れ４の深さは、実際には第２溶射皮膜３の厚さの１／１０〜１／２０程度であるが、図２では微細割れ４の深さを誇張して示している。以下、このような特徴的な構造を有する本実施形態の断熱皮膜１について詳細に説明する。

−アルミニウム基材−
シリンダヘッド１０を構成するアルミニウム基材１１は、展伸用アルミニウム合金や鋳物用アルミニウム合金といったアルミニウム合金からなる。アルミニウム合金としては、Ａｌ−Ｃｕ系アルミニウム合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ｎｉ系アルミニウム合金、Ａｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ系アルミニウム合金などを挙げることができ、これらに、Ｆｅ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｚｉ等のうち少なくとも一種の元素が更に含有されていてもよい。
−第１溶射皮膜−
第１溶射皮膜２は、ベントナイトなどの劈開し易い無機材料を分散させたＮｉ系合金層である。より詳しくは、第１溶射皮膜２では、層状の結晶構造を有する無機材料（例えばベントナイト）が分散相となっていて、マトリクス金属であるＮｉ系合金材料（例えばＮｉ−Ｃｒ合金材料）が分散相同士を結合している。第１溶射皮膜２を、アルミニウム基材１１と第２溶射皮膜３との密着性を確保するための中間層として作用させるためには、第１溶射皮膜２の厚さは１０〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。

Ｎｉ系合金としては、Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｎｉ−Ａｌ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金などを挙げることができる。Ｎｉ−Ｃｒ合金を用いる場合には、アルミニウム基材１１との密着性および第１溶射皮膜２の耐酸化性を向上させるために、Ｃｒを２０〜５０質量％含有していることが好ましい。また、Ｎｉ−Ａｌ合金を用いる場合には、アルミニウム基材１１との密着性を向上させるために、Ａｌを４〜２０質量％含有していることが好ましい。さらに、Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金を用いる場合には、Ｃｒを１８〜２２質量％、Ａｌを６〜１０質量％含有していることが好ましい。

後述するように本実施形態では、断熱層としての第２溶射皮膜３に、アルミニウム基材１１との熱膨張差が相対的に大きいＺｒＯ₂−ＳｉＯ₂系セラミックスを用いている。このため、第２溶射皮膜３を剥離させないよう、中間層である第１溶射皮膜２のヤング率を下げて、第２溶射皮膜３との界面に作用する熱応力を緩和する必要がある。

そこで、本実施形態では、無機材料として、ベントナイト（粘土状鉱物、ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃が主成分）を用いて、第１溶射皮膜２のヤング率を低下させている。無機材料は、これに限らず、グラファイト、マイカ、窒化ボロン（ＢＮ）等であってもよく、これらを２種以上含んでいてもよい。これらベントナイト、グラファイト、マイカ、窒化ボロン等は、構造的に劈開し易い（或る特定方向へ割れ易い）材料である。例えば、グラファイトは、六方晶系の六角板状結晶の層状の構造で、各層の面内は、強い共有結合で炭素間が繋がっているが、層と層の間は、弱いファンデルワールス力で結合しているので、層と層の間で劈開し易くなっている。

このように、第１溶射皮膜２に層状の結晶構造を有する無機材料を分散させることにより、第１溶射皮膜２と第２溶射皮膜３との間に熱応力が発生しても、無機材料の層間のすべりによって熱応力が緩和され、その結果、熱応力に起因した第２溶射皮膜３の剥離を抑えることができる。

ここで、無機材料の面積率が４０％未満である場合には、第２溶射皮膜３に比べて第１溶射皮膜２のヤング率が高くなり過ぎるため、第２溶射皮膜３が剥離し易くなる一方、無機材料の面積率が８０％を超えた場合には、第１溶射皮膜２のマトリクス金属が少なくなるため、第１溶射皮膜２の機械的強度が低下する。このため、本実施形態では、第１溶射皮膜２の断面積に対して無機材料の面積率が４０％〜８０％の範囲になるように、無機材料を第１溶射皮膜２に含有させている。これにより、第２溶射皮膜３の剥離および第１溶射皮膜２の割れを回避することができる。
−第２溶射皮膜−
第２溶射皮膜３は、第１溶射皮膜２の表面を覆う皮膜であり、アルミニウム基材１１に向かう熱、または、アルミニウム基材１１からの熱を断熱する断熱層として機能する。第２溶射皮膜３は、ＳｉＯ₂を３０〜５０質量％含有したＺｒＯ₂−ＳｉＯ₂系セラミックスからなる（ジルコン：ＺｒＳｉＯ₄を主成分とした）皮膜である。また、第２溶射皮膜３は、当該第２溶射皮膜３の断面に対して気孔の面積率が３０〜８０％の範囲の多孔質皮膜である。

ところで、熱伝導率λは、ρ（密度）とＣｐ（比熱）とα（熱拡散率）との積で表され、ρ・Ｃｐは体積熱容量であるから、体積熱容量を下げれば、熱伝導率が下がり、第２溶射皮膜３の断熱性が高くなって、その表面温度を迅速に下げることができる。そうして、体積熱容量を下げるには、ρ（密度）の低い材料を用いることが有効である。そこで、本実施形態では、断熱層としての第２溶射皮膜３に、ＳｉＯ₂と複合化した部分安定化ＺｒＯ₂、すなわち、ＺｒＯ₂−ＳｉＯ₂系セラミックスを用いている。ＳｉＯ₂は、Ｙ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＣａＯなどに比べて、比重が小さい（約１／３程度）ので、第２溶射皮膜３の密度を下げることができ、第２溶射皮膜３の体積熱容量を下げるのに効果的である。これにより、第２溶射皮膜３が昇温しても、その温度を迅速に下げることができる。

本実施形態に係るＺｒＯ₂−ＳｉＯ₂系セラミックスとは、ジルコン：ＺｒＳｉＯ₄を主成分とするセラミックスのことである。ＺｒＯ₂−ＳｉＯ₂系セラミックスは、ＳｉＯ₂を３０〜５０質量％含有していることを前提に、ＺｒＯ₂−ＳｉＯ₂を９８質量％以上含有している材料であり、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、Ｆｅ₂Ｏ₃等をさらに含有しいてもよい。

また、ＳｉＯ₂が３０質量％未満である場合には、第２溶射皮膜３の体積熱容量が大きくなり、所望の断熱性等を得ることができない一方、ＳｉＯ₂が５０質量％を超えた場合には、第２溶射皮膜３に割れが発生することがある。このため、本実施形態では、第２溶射皮膜３にＳｉＯ₂を３０〜５０質量％含有させている。

さらに、第２溶射皮膜３の気孔の面積率が３０％未満である場合には、第２溶射皮膜３の熱伝導率が高くなり、体積熱容量が大きくなる一方、第２溶射皮膜３の気孔の面積率が８０％を超えた場合には、第２溶射皮膜３に割れが発生することがある。このため、本実施形態では、第２溶射皮膜３の断面積に対して、気孔の面積率を３０〜８０％とすることにより、第２溶射皮膜３の機械的強度を確保しつつ、その断熱性を高めるようにしている。

このように、本実施形態では、第２溶射皮膜３に関し、材質面で低密度のＺｒＯ₂−ＳｉＯ₂を用いるとともに、構造面で多孔質化することで、低熱伝導率と低体積熱容量とを両立させることができるが、これだけでは、皮膜表面部の亀裂や皮膜剥がれ等に対して未だ十分とは言えない。

なぜなら、燃焼室の頂面を覆う第２溶射皮膜３には、表面温度が７００℃程度になるまで急加熱された後、急冷されるという冷熱サイクルが繰り返し掛かるため、第２溶射皮膜３の表面部には半径方向に繰り返し熱応力が発生する。このため、第２溶射皮膜３の表面部に亀裂や皮膜剥がれ（剥離）が生じ、それに伴って溶射粒子がエンジン作動中に脱落し、かかる脱落した溶射粒子がピストンやピストンリングとシリンダとの間に噛み込むことで、スカッフィングが生じる場合があるからである。

ここで、第２溶射皮膜３の表面部に半径方向に繰り返し熱応力が発生するのは、冷熱サイクルを繰り返し受けることで第２溶射皮膜３が半径方向に膨張と収縮を繰り返すためであることから、第２溶射皮膜３の表面部に亀裂や皮膜剥がれが生じるのを抑えるべく、半径方向に何らかの応力緩和措置を施すことが考えられる。この点、第２溶射皮膜３の気孔率を更に増加させることも考えられるが、第２溶射皮膜３全体に亘って気孔率が増加すると、皮膜強度の低下や、気孔への燃焼ガスの侵入により、第２溶射皮膜３そのものの性能が低下するおそれがある。それ故、ある程度緻密な第２溶射皮膜３をベースにした、半径方向の応力緩和措置が要求される。

そこで、本実施形態では、構造面による半径方向の応力緩和措置として、図１および図２に示すように、第２溶射皮膜３の皮膜表面部に、微細割れ４が発生している第１領域５と、微細割れ４が発生していない第２領域７とを、略同心円状に交互に設けるようにしている。なお、「略同心円状に交互に設けられ」とは、第１領域５と第２領域７とが同心円状に交互に並んでいる場合のみならず、渦巻き状に一筆書きで形成された第１および第２領域５，７が、恰も同心円状に交互に並んでいる場合をも含む概念であり、換言すると、第１領域５と第２領域７とが半径方向に交互に並んでいることを意味する。

先ず、微細割れ４が発生している第１領域５においては、第２溶射皮膜３が半径方向に膨張しようとすれば、他の部位に亀裂が生じるよりも先に微細割れ４が開くように微小変形する一方、第２溶射皮膜３が半径方向に収縮しようとすれば、他の部位が圧縮されるのに先立って微細割れ４が閉じるように微小変形することから、微細割れ４によって繰り返し熱応力を吸収することができる。

もっとも、第２溶射皮膜３の皮膜表面部全体に亘って微細割れ４が発生していると、皮膜強度の低下を招くことになるが、本実施形態では、微細割れ４が発生していない第２領域７が存在することで、皮膜強度の低下を抑えることができる。

つまり、本実施形態の第２溶射皮膜３では、微細割れ４を有する「柔」な第１領域５と、微細割れ４を有しない「剛」な第２領域７とが、半径方向に交互に設けられていることで、半径方向に発生する繰り返し熱応力を微細割れ４によって吸収・緩和するとともに、微細割れ４を起点とする過剰な変形を「剛」な第２領域７で抑えて、断熱皮膜１の表面部に大きな亀裂や皮膜剥がれが発生するのを抑制することができる。

−第１領域および第２領域の形成方法−
第１領域５と第２領域７とが略同心円状に交互に設けられた構造を、溶射ガンの移動方法のみによって実現可能であることも、本実施形態の利点の一つとして挙げることができる。すなわち、微細割れ４が発生している第１領域５と、微細割れ４が発生していない第２領域７とは、溶射する材料を変えたり、溶射条件を変更したりすることなく、溶射ガンを同心円状または渦巻き状に移動させるだけで形成することが可能となっている。

図７は、従来の溶射ガンの移動方法を模式的に説明する図である。従来の溶射ガンの移動方法では、図７に示すように、４つの気筒対応部９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄが並ぶシリンダヘッド１０の長手方向に複数回往復するように溶射ガンを移動させながら溶射を行い、気筒対応部９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄを含む、シリンダヘッド１０の長手直角方向の中央部全体に亘って第２溶射皮膜３を形成していた。この場合には、第２溶射皮膜３の皮膜表面部において、微細割れ４が発生している第１領域５と、微細割れ４が発生していない第２領域７とが、半径方向に交互に並ぶことはなかった。

図３は、本実施形態に係る溶射ガンの移動方法を模式的に説明する図である。本実施形態では、図３に示すように、先ず気筒対応部９Ａの中心に溶射ガンを移動し、そこから溶射ガンを渦巻き状に移動させながらプラズマ溶射を行い、気筒対応部９Ａにおける第２溶射皮膜３の形成が完了すると、気筒対応部９Ｂの中心に溶射ガンを移動する。そうして、気筒対応部９Ｂの中心から溶射ガンを渦巻き状に移動させながらプラズマ溶射を行い、気筒対応部９Ｂにおける第２溶射皮膜３の形成が完了すると、気筒対応部９Ｃの中心に溶射ガンを移動する。このような移動および溶射を繰り返すことで、シリンダヘッド１０における気筒対応部９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄのみに第２溶射皮膜３を形成する。なお、溶射ガンを渦巻き状に移動する場合には、一周すると溶射ガンが半径方向に２〜５ｍｍずれるように移動を行うのが好ましい。

溶射ガンの移動方法は、このような渦巻き状に移動させる方法に限らず、例えば、各気筒対応部９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄの中心部で、円を描くように溶射ガンを移動させながらプラズマ溶射を行い、溶射ガンを半径方向外側に２〜５ｍｍずらした後、再び円を描くように溶射ガンを移動させながらプラズマ溶射を行うという移動を繰り返すことで、第２溶射皮膜３を形成してもよい。

図４は、形状測定器を用いて測定した第２溶射皮膜３の表面プロファイルである。溶射ガンを渦巻き状に移動させながらプラズマ溶射を行う際、一周すると半径方向に２ｍｍずれるように溶射ガンを移動させて第２溶射皮膜３を形成し、このようにして形成された第２溶射皮膜３の表面プロファイルを、形状測定器を用いて測定した。その結果、図４に示すように、溶射ガンの半径方向の移動ピッチと同じ、約２ｍｍピッチで第２溶射皮膜３の表面に５〜１０μｍの微細割れ４が発生することが確認された。つまり、本実施形態の溶射ガンの移動方法によれば、微細割れ４が発生している第１領域５と、微細割れ４が発生していない第２領域７とが、半径方向に交互に並ぶことが確認された。

−第１領域および第２領域が形成されるメカニズム−
次に、図３で示すような溶射ガンの移動方法により、なぜ微細割れ４が発生している第１領域５と、微細割れ４が発生していない第２領域７とが、半径方向に交互に並ぶかについて説明する。

図５は、第１領域５と第２領域７とが半径方向に交互に発生するメカニズムを模式的に説明する図である。例えば１周目のプラズマ溶射を行う場合、プラズマ溶射された粒子の溶融度分布は溶射範囲全体に亘って均一になる訳ではなく、半径方向の中央部では溶融度が相対的に高い一方、それよりも半径方向内側および外側の部分では溶融度が相対的に低くなる傾向にある。これは、図５に示すように、プラズマ強度分布が中央部ほど高い正規分布となることに起因している。つまり、プラズマ強度が高い半径方向の中央部では、溶融度が相対的に高くなり、アルミニウム基材１１乃至第１溶射皮膜２との温度差が相対的に大きくなることから、溶射された粒子が凝固する際に、微細割れ４が発生し易くなる。これに対し、プラズマ強度が低い半径方向内側および外側の部分では、溶融度が相対的に低くなり、アルミニウム基材１１乃至第１溶射皮膜２との温度差が相対的に小さくなることから、溶射された粒子が凝固する際に、微細割れ４が発生し難くなる。

そうして、２周目のプラズマ溶射を行う場合にも同様な現象が生じることから、１周目および２周目における半径方向の中央部では、微細割れ４が発生している第１領域５が形成される一方、１周目における半径方向外側と２周目における半径方向内側とが繋がる部分では、微細割れ４が発生していない第２領域７が形成されることになる。このような現象が、３周目、４周目、５周目、…と繰り返されることで、微細割れ４が発生している第１領域５と、微細割れ４が発生していない第２領域７とが、半径方向に交互に並ぶ第２溶射皮膜３が形成されることになる。

もっとも、溶射ガンの半径方向の移動ピッチと、プラズマ溶射された粒子の溶融度分布とが余りにも懸け離れていると、第１領域５と第２領域７とが半径方向に交互に並ぶことはない。すなわち、第１領域５と第２領域７とが半径方向に交互に並ぶ第２溶射皮膜３が形成されるか否かは、プラズマ溶射された粒子の溶融度分布と、溶射ガンの半径方向の移動ピッチ（領域の幅）との交互作用で決まるものと考えられる。

−断熱皮膜の形成手順−
次に、断熱皮膜１の形成手順について説明する。

先ず、第１溶射皮膜２を成膜する前に、第１溶射皮膜２とアルミニウム基材１１との密着性を確保するために、アルミニウム基材１１の表面に、ショットブラストなどで粗化処理を行う。

第１溶射皮膜２を成膜する際には、当該第１溶射皮膜２の原料となる、無機粉末（例えばベントナイト粉末）と、Ｎｉ合金粉末（例えばＮｉ−Ｃｒ粉末）とを準備する。次いで、第１溶射皮膜２に無機材料が均一に分散するように、無機粉末とＮｉ合金粉末と混合した混合粉末を作製する。無機粉末とＮｉ合金粉末との混合する割合は、成膜時の第１溶射皮膜２の断面積に対して無機材料の面積率が４０％〜８０％の範囲となるような割合であり、この割合は具体的な実験等を行うことにより設定することができる。たとえば、ベントナイト粒子の場合には、混合粉末に対して２０質量％〜５０質量％含有させればよく、グラファイト粒子の場合には、混合粉末に対して１６質量％〜４０質量％含有させればよい。Ｎｉ合金粉末の平均粒径は２０〜３０μｍ、無機粒子の平均粒径は２０〜３０μｍの範囲にあることが好ましい。なお、ここでの平均粒径は、ＪＩＳＺ８９０１に準拠した方法で測定した平均粒径のことである。

得られた混合粉末を、溶融させながらこれを溶射によりアルミニウム基材１１に吹き付ける。溶射方法としては、たとえば大気圧プラズマ溶射法、減圧プラズマ溶射法などのプラズマ溶射法、粉末式フレーム溶射法、高速フレーム溶射法などを挙げることができ、混合粉末の少なくともＮｉ合金粉末を溶融して第１溶射皮膜２をアルミニウム基材１１に成膜することができるのであれば、特にその溶射方法は限定されるものではない。

ここで、無機粉末とＮｉ合金粉末と混合した後に、例えば、無機粉末を構成する無機粒子と、Ｎｉ合金粉末を構成するＮｉ合金粒子とを焼結させて造粒してもよい。混合粉末にこのような造粒粉末を用いることにより、第１溶射皮膜２に無機材料をより均一に分散させることができる。

具体例としては、粒度範囲１０〜４５μｍ且つ平均粒径２０μｍのＮｉ−５０Ｃｒ合金粉末に、粒度範囲４５μｍ以下のベントナイト粒子（無機粒子）を焼結により造粒し、平均粒径７０μｍにしたものを挙げることができる。なお、Ｎｉ−５０Ｃｒ合金粉末と、ベントナイト粒子との混合割合は、質量比で６５：３５である。これにより、成膜される第１溶射皮膜２では、当該第１溶射皮膜２の断面積に対してベントナイトが面積率で６０％となる。

次に、第２溶射皮膜３を成膜する際には、当該第２溶射皮膜３の原料となる、ＳｉＯ₂を３０〜５０質量％含有したＺｒＯ₂−ＳｉＯ₂系セラミックスからなるＺｒＯ₂−ＳｉＯ₂粉末を準備する。ここで、ＺｒＯ₂−ＳｉＯ₂粉末は、ジルコンの鉱物を粉砕して分級した粉末であってもよく、電融法によりＺｒＯ₂とＳｉＯ₂とを融解し凝固させたものを粉砕し、分級した粉末であってもよい。

ＺｒＯ₂−ＳｉＯ₂粉末は、１０〜４５μｍの範囲にあることが好ましい。ＺｒＯ₂−ＳｉＯ₂粉末を微細化し比表面積を増加させることで、第２溶射皮膜３の粒子同士の境界（粒界）を増加させ、第２溶射皮膜３の熱拡散を抑制することができる。さらに、ＺｒＯ₂−ＳｉＯ₂粉末を微細化することで、第２溶射皮膜３に形成される気孔がより細かく分散するので、第２溶射皮膜３の熱拡散をより一層抑制することができる。

得られたＺｒＯ₂−ＳｉＯ₂粉末を、溶融させながらこれを溶射により第１溶射皮膜２に吹き付ける。このとき、図３に示す溶射ガンの移動方法にて、溶融させたＺｒＯ₂−ＳｉＯ₂を溶射により吹き付けることで、第１領域５と第２領域７とが略同心円状に交互に並ぶ第２溶射皮膜３が形成される。

−試験例−
以下に、本発明の効果を確認するために行った試験例について説明する。

先ず、供試体として、アルミニウム合金（ＪＩＳ規格：ＡＣ４Ｄ）製のシリンダヘッド（アルミニウム基材）を準備した。シリンダヘッドにおけるエンジン燃焼室に臨む面に、ショットブラストを実施して、当該面を表面粗さＲａ＝７μｍとする粗化処理を行った。

次に、平均粒径４５μｍ以下のベントナイト粉末（スプレー造粒粉末）と、粒度範囲１０〜４５μｍのＮｉ−５０質量％Ｃｒ合金粉末（ガスアトマイズ粉末）とを準備した。第１溶射皮膜の断面積に対してベントナイトの面積率が６０％となるように、Ｎｉ−５０質量％Ｃｒ合金粉末を６５質量％、ベントナイト粉末を３５質量％の割合で混合した混合粉末を造粒焼結し、平均粒径７０μｍの造粒粉末を作製した。

プラズマ溶射装置（ＭＥＴＣＯ社製Ｆ４ガン）を用いて、この造粒粉末を、粗化処理された面にプラズマ溶射で吹き付けることにより、第１溶射皮膜を成膜した。具体的には、プラズマガスとしてアルゴンガス（ガス流量３０Ｌ／分）に水素ガス（ガス流量８Ｌ／分）を混合したＡｒ−Ｈ₂ガスを用い、プラズマ電流４５０Ａ、プラズマ電圧６０Ｖ、粉末供給量３０ｇ／分、溶射距離１５０ｍｍの条件で、膜厚５０μｍとなる第１溶射皮膜を成膜した。なお、プラズマ溶射を行う際には、上記図３で示した如く、一周すると半径方向に４ｍｍずれるように溶射ガンを渦巻き状に移動させた。

次に、ＳｉＯ₂を３３質量％含有したＺｒＯ₂−ＳｉＯ₂系セラミックスからなるＺｒＯ₂−ＳｉＯ₂粉末として、粒度範囲１０〜４５μｍで平均粒径２０μｍのジルコンサンド（ＺｒＯ₂−３３ＳｉＯ₂−０．７Ａｌ₂Ｏ₃−０．１５ＴｉＯ₂−０．１Ｆｅ₂Ｏ₃）の粉砕粉末を準備した。

第１溶射皮膜の成膜と同様に、プラズマ溶射装置（ＭＥＴＣＯ社製Ｆ４ガン）を用いて、第２溶射皮膜を成膜した。具体的には、ジルコンサンドを、第１溶射皮膜の表面にプラズマ溶射で吹き付けることにより、第２溶射皮膜の断面積に対して気孔の面積率が６０％となるように第２溶射皮膜を成膜した。ここで、プラズマガスとしてアルゴンガス（ガス流量４０Ｌ／分）に水素ガス（ガス流量１２Ｌ／分）を混合したＡｒ−Ｈ₂ガスを用い、プラズマ電流６００Ａ、プラズマ電圧６０Ｖ、粉末供給量５０ｇ／分、溶射距離１００ｍｍの条件で、第２溶射皮膜を成膜した。

さらに、成膜後の断熱皮膜の膜厚が１５０μｍ（第１溶射皮膜の膜厚５０μｍ＋第２溶射皮膜の膜厚１００μｍ）、第２溶射皮膜の表面粗さが中心線平均粗さＲａ０．５μｍとなるように、第２溶射皮膜を仕上げ研削した。

以上のように形成された供試体のうち、第２溶射皮膜をプラズマ溶射にて成膜する際、一周すると半径方向に２ｍｍずれるように溶射ガンを渦巻き状に移動させたものを試験番号１（本発明例）とした。同様に、第２溶射皮膜をプラズマ溶射にて成膜する際、一周すると半径方向に５ｍｍずれるように溶射ガンを渦巻き状に移動させたものを試験番号２（本発明例）とした。

一方、第２溶射皮膜をプラズマ溶射にて成膜する際、上記図７に示したように、往路と復路を２ｍｍずつずらしながらシリンダヘッドの長手方向に複数回往復するように溶射ガンを移動させたものを試験番号３（比較例）とした。同様に、第２溶射皮膜をプラズマ溶射にて成膜する際、往路と復路を５ｍｍずつずらしながらシリンダヘッドの長手方向に複数回往復するように溶射ガンを移動させたものを試験番号４（比較例）とした。

これら試験番号１〜４の供試体（シリンダヘッド）を冷熱耐久評価試験に供した結果を図６に示す。

図６から分かるように、比較例である試験番号３および４の供試体では、断熱皮膜の表面部に亀裂や剥離が発生し、脱落した溶射粒子がシリンダボア内に噛み込むことで、ピストンに傷付が発生した。これに対し、本発明例である試験番号１および２の供試体では、断熱皮膜の表面部に亀裂や剥離が発生せず、それ故当然に、ピストンに傷付が発生しなかった。以上の結果から、本発明の有用性が確認された。

以上説明したように、本実施形態の断熱皮膜１によれば、シリンダヘッド１０におけるエンジン燃焼室に臨む面１０ａの半径方向に発生する繰り返し熱応力によって、皮膜表面部に亀裂や皮膜剥がれ等が発生するのを抑えることができ、これにより、シリンダやピストンにスカッフィングが発生するのを抑制することができる。

加えて、上記図３と上記図７とを見比べれば分かるように、本実施形態では、シリンダヘッド１０における気筒対応部９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄのみに第２溶射皮膜３を形成することから、材料の使用量およびサイクルタイムを従来よりも大幅に減らすことが可能となるので、断熱皮膜１延いてはシリンダヘッド１０の生産性を向上させることができる。

（その他の実施形態）
本発明は、実施形態に限定されず、その精神または主要な特徴から逸脱することなく他の色々な形で実施することができる。

上記実施形態では、第１溶射皮膜２についても溶射ガンを渦巻き状に移動させて形成するようにしたが、これに限らず、第１溶射皮膜２については、例えばシリンダヘッド１０の長手方向に複数回往復するように溶射ガンを移動させて形成してもよい。

また、上記実施形態では、プラズマ溶射について説明したが、溶射された粒子の溶融度分布が正規分布または正規分布に近い分布になるのであれば、これに限らず、他の溶射方法にて第２溶射皮膜３を形成してもよい。

このように、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

本発明によると、半径方向に発生する繰り返し熱応力によって、断熱皮膜の表面部に亀裂や皮膜剥がれ等が発生するのを抑えることができるので、シリンダヘッドにおけるエンジン燃焼室に臨む面に形成される断熱皮膜に適用して極めて有益である。

１断熱皮膜
４微細割れ
５第１領域
７第２領域
１０シリンダヘッド

Claims

シリンダヘッドにおけるエンジン燃焼室に臨む面に形成される断熱皮膜であって、
皮膜表面部に、微細割れが発生している第１領域と、微細割れが発生していない第２領域とが、略同心円状に交互に設けられていることを特徴とする断熱皮膜。