JP2019157742A - Engine component - Google Patents
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Abstract
Description
本開示はエンジン構成部品に関する。 The present disclosure relates to engine components.
従来、エンジン構成部品の表面に遮熱層を設ける技術が知られている。エンジン構成部品として、例えば、燃焼室に臨む部材等が挙げられる。特許文献１には、無機酸化物から成る中空粒子と、フィラー材と、ガラス質材とを含む遮熱層が記載されている。 Conventionally, a technique for providing a heat shield layer on the surface of an engine component is known. Examples of the engine component include a member facing the combustion chamber. Patent Document 1 describes a heat shielding layer including hollow particles made of an inorganic oxide, a filler material, and a vitreous material.
遮熱層は、遮熱性が高い必要がある。また、遮熱層は、エンジンを構成する部材に対する密着性が良好である必要がある。従来の遮熱層は、遮熱性と密着性とを両立させることが困難であった。本開示の一局面は、遮熱層の遮熱性が高く、基材に対する遮熱層の密着性が良好であるエンジン構成部品を提供することを目的とする。 The heat shielding layer needs to have high heat shielding properties. Further, the heat shielding layer needs to have good adhesion to members constituting the engine. It has been difficult for conventional heat shield layers to achieve both heat shield properties and adhesion. One aspect of the present disclosure aims to provide an engine component in which the heat shielding layer has high heat shielding properties and the heat shielding layer has good adhesion to the base material.
本開示の一局面は、金属製の基材と、前記基材の表面に設けられた遮熱層と、を備えるエンジン構成部品であって、前記遮熱層は、ガラス及び無機繊維を含み、前記遮熱層を厚み方向に貫通する連続気孔を有する多孔質体からなり、前記基材の表面の表面粗さＲａは３．２〜２５μｍであり、前記基材の表面の表面粗さＲｚは１２．５〜５０μｍであるエンジン構成部品である。 One aspect of the present disclosure is an engine component including a metal base material and a heat shielding layer provided on a surface of the base material, wherein the heat shielding layer includes glass and inorganic fibers. It consists of a porous body having continuous pores that penetrate the heat shield layer in the thickness direction, the surface roughness Ra of the surface of the substrate is 3.2 to 25 μm, and the surface roughness Rz of the surface of the substrate is It is an engine component that is 12.5 to 50 μm.
本開示の一局面であるエンジン構成部品は遮熱層を備える。その遮熱層は、ガラス及び無機繊維を含む多孔質体により構成され、熱伝導率が低く、遮熱性に優れる。そのため、本開示の一局面であるエンジン構成部品は、基材への熱伝導を遮熱層によって抑制できる。 An engine component that is one aspect of the present disclosure includes a thermal barrier layer. The heat shielding layer is composed of a porous body containing glass and inorganic fibers, has a low thermal conductivity, and is excellent in heat shielding properties. Therefore, the engine component that is one aspect of the present disclosure can suppress heat conduction to the base material by the heat shielding layer.
基材上に遮熱層を形成するとき、基材上の遮熱層形成層を加熱し、その後、冷却する。加熱された遮熱層形成層は溶融し、基材に引っ張られて膨張する。その後、遮熱層形成層が冷却され遮熱層が形成されるが、そのとき、一般的に、遮熱層の収縮量は基材の収縮量より小さいので、遮熱層と基材との界面に応力が生じる。応力によって遮熱層が割れると、遮熱層が基材から剥がれてしまう。 When forming a heat shield layer on a substrate, the heat shield layer forming layer on the substrate is heated and then cooled. The heated thermal barrier layer forming layer is melted and pulled by the base material to expand. Thereafter, the heat shielding layer forming layer is cooled to form a heat shielding layer. At that time, generally, since the shrinkage amount of the heat shielding layer is smaller than the shrinkage amount of the substrate, Stress is generated at the interface. When the heat shield layer is cracked by stress, the heat shield layer is peeled off from the substrate.
本開示の一局面であるエンジン構成部品では、基材上に遮熱層を形成するとき、遮熱層が基材から剥がれ難い。その理由は以下のように推測される。遮熱層は多孔質体により構成され、気孔を含む。冷却時に遮熱層に応力が加わると、気孔がつぶれることで、遮熱層は縮むことができる。そのため、冷却時に遮熱層は割れ難く、基材から剥がれ難い。また、遮熱層は無機繊維を含むので、界面の応力が、遮熱層において界面から離れた部位にまで伝わり易い。そのため、界面付近に応力が集中し難いので、冷却時に遮熱層は割れ難く、基材から剥がれ難い。 In the engine component that is one aspect of the present disclosure, when the heat shielding layer is formed on the substrate, the heat shielding layer is hardly peeled off from the substrate. The reason is presumed as follows. The heat shield layer is made of a porous body and includes pores. When stress is applied to the heat shield layer during cooling, the pores are crushed so that the heat shield layer can shrink. For this reason, the heat-insulating layer is difficult to break during cooling and is difficult to peel off from the substrate. In addition, since the heat shield layer includes inorganic fibers, the stress at the interface is easily transmitted to a portion away from the interface in the heat shield layer. For this reason, stress hardly concentrates in the vicinity of the interface, so that the heat-shielding layer is difficult to crack during cooling and is difficult to peel off from the substrate.
本開示の一局面であるエンジン構成部品において、遮熱層は、遮熱層の厚み方向に貫通する連続気孔を有する。そのため、本開示の一局面であるエンジン構成部品は、連続気孔
を通じて、適度に熱を基材に伝導させることができる。
In the engine component according to one aspect of the present disclosure, the heat shield layer has continuous pores penetrating in the thickness direction of the heat shield layer. Therefore, the engine component that is one aspect of the present disclosure can appropriately conduct heat to the base material through the continuous pores.
本開示の一局面であるエンジン構成部品において、基材の表面であって、遮熱層が設けられている面（以下では基材表面とする）における表面粗さＲａは３．２〜２５μｍであり、基材表面における表面粗さＲｚは１２．５〜５０μｍである。基材表面における表面粗さＲａが３．２μｍ以上であり、基材表面における表面粗さＲｚが１２．５μｍ以上であることにより、アンカー効果が高まり、基材と遮熱層との密着性が良好である。 In the engine component according to one aspect of the present disclosure, the surface roughness Ra of the surface of the base material on which the heat shielding layer is provided (hereinafter referred to as the base material surface) is 3.2 to 25 μm. Yes, the surface roughness Rz on the substrate surface is 12.5 to 50 μm. When the surface roughness Ra on the substrate surface is 3.2 μm or more and the surface roughness Rz on the substrate surface is 12.5 μm or more, the anchor effect is enhanced and the adhesion between the substrate and the heat shielding layer is improved. It is good.
また、基材表面における表面粗さＲａが２５μｍ以下であり、基材表面における表面粗さＲｚが５０μｍ以下であることにより、遮熱層による遮熱効果が一層高い。 Moreover, when the surface roughness Ra on the substrate surface is 25 μm or less and the surface roughness Rz on the substrate surface is 50 μm or less, the heat shielding effect by the heat shielding layer is further enhanced.
本開示の例示的な実施形態を説明する。
１．エンジン構成部品
エンジン構成部品について、図１を参照して説明する。図１において、符号１０１はエンジンである。エンジン１０１は、熱エネルギーを利用する駆動源であって、例えばガソリンエンジンである。エンジン１０１は、エンジン本体１０１ａと、それに接続される給排気系とから構成される。エンジン本体１０１ａは、シリンダヘッド１０２と、シリンダブロック１０４とを備える。シリンダブロック１０４は、気筒ごとのシリンダボア１０３を形成する。シリンダヘッド１０２には、各気筒に連通する吸気ポート１０２ａと、各気筒に連通する排気ポート１０２ｂとが形成される。シリンダボア１０３内には、ピストン１０５が収容される。
Exemplary embodiments of the present disclosure are described.
1. Engine Component The engine component will be described with reference to FIG. In FIG. 1, reference numeral 101 denotes an engine. The engine 101 is a drive source that uses thermal energy, and is, for example, a gasoline engine. The engine 101 includes an engine main body 101a and a supply / exhaust system connected thereto. The engine body 101 a includes a cylinder head 102 and a cylinder block 104. The cylinder block 104 forms a cylinder bore 103 for each cylinder. The cylinder head 102 is formed with an intake port 102a that communicates with each cylinder and an exhaust port 102b that communicates with each cylinder. A piston 105 is accommodated in the cylinder bore 103.
ピストン１０５は、コネクティングロッド１０６を介してクランク軸１０７に連結される。エンジン１０１の燃焼室１０８は、ピストン１０５の頂面、シリンダボア１０３の壁面、及びシリンダヘッド１０２の下面によって形成される。また、吸気ポート１０２ａにおいて燃焼室１０８に臨む位置には、吸気バルブ１０９ａが設けられている。また、排気ポート１０２ｂにおいて燃焼室１０８に臨む位置には、排気バルブ１０９ｂが設けられている。また、燃焼室１０８には点火プラグ１１０が設けられる。 The piston 105 is connected to the crankshaft 107 via the connecting rod 106. The combustion chamber 108 of the engine 101 is formed by the top surface of the piston 105, the wall surface of the cylinder bore 103, and the lower surface of the cylinder head 102. An intake valve 109a is provided at a position facing the combustion chamber 108 in the intake port 102a. Further, an exhaust valve 109b is provided at a position facing the combustion chamber 108 in the exhaust port 102b. The combustion chamber 108 is provided with a spark plug 110.
吸気ポート１０２ａには吸気マニホルド１１１が接続される。吸気マニホルド１１１にはインジェクタ１１２が設けられる。なお、インジェクタ１１２は燃焼室１０８に臨む位置に設けてもよい。吸気マニホルド１１１よりも上流側の吸気通路１１４には、スロットル弁１１５ａが介装される。スロットル弁１１５ａの上流側にはインタークーラー１１６が介装される。また、インタークーラー１１６の上流側にはターボ過給機１１７のコンプレッサ１１７ａが介装される。また、吸気通路１１４にはバイパス通路１１８が設けられる。バイパス通路１１８はコンプレッサ１１７ａをバイパスする。バイパス通路１１８にはエアバイパスバルブ１１９が設けられる。エアバイパスバルブ１１９はバイパス通路１１８を開閉する。 An intake manifold 111 is connected to the intake port 102a. The intake manifold 111 is provided with an injector 112. The injector 112 may be provided at a position facing the combustion chamber 108. A throttle valve 115 a is interposed in the intake passage 114 upstream of the intake manifold 111. An intercooler 116 is interposed on the upstream side of the throttle valve 115a. Further, a compressor 117 a of the turbocharger 117 is interposed on the upstream side of the intercooler 116. Further, a bypass passage 118 is provided in the intake passage 114. The bypass passage 118 bypasses the compressor 117a. An air bypass valve 119 is provided in the bypass passage 118. The air bypass valve 119 opens and closes the bypass passage 118.
各排気ポート１０２ｂには排気マニホルド１２０が接続される。排気マニホルド１２０よりも下流側の排気通路１２１にはターボ過給機１１７のタービン１１７ｂが介装される。タービン１１７ｂの下流側には触媒１２２とマフラ１２３とが設けられる。また、排気通路１２１にはバイパス通路１２４が設けられる。バイパス通路１２４はタービン１１７
ｂをバイパスする。バイパス通路１２４にはウエストゲートバルブ１２５が設けられる。ウエストゲートバルブ１２５はバイパス通路１２４を開閉する。
An exhaust manifold 120 is connected to each exhaust port 102b. A turbine 117b of the turbocharger 117 is interposed in the exhaust passage 121 on the downstream side of the exhaust manifold 120. A catalyst 122 and a muffler 123 are provided on the downstream side of the turbine 117b. The exhaust passage 121 is provided with a bypass passage 124. Bypass passage 124 is turbine 117.
Bypass b. A waste gate valve 125 is provided in the bypass passage 124. The wastegate valve 125 opens and closes the bypass passage 124.
上述した各部品は、その全部又は一部が金属により形成される。本開示のエンジン構成部品は、上述した各部品のいずれであってもよいが、特に、燃焼室１０８に臨む部品であるピストン１０５、シリンダブロック１０４、シリンダヘッド１０２、吸気バルブ１０９ａ、排気バルブ１０９ｂ等の燃焼室構成部品が好適である。加えて、燃焼室１０８に連通する吸気ポート１０２ａ及び排気ポート１０２ｂ、さらには、排気系を構成する排気マニホルド１２０、排気通路１２１、ターボ過給機１１７、バイパス通路１２４、ウエストゲートバルブ１２５、触媒１２２等の高温に晒される部品も、本開示のエンジン構成部品として好適である。以下、本開示のエンジン構成部品について、燃焼室構成部品を例に説明する。 All or a part of each of the components described above is formed of metal. The engine component of the present disclosure may be any of the above-described components, but in particular, the piston 105, the cylinder block 104, the cylinder head 102, the intake valve 109a, the exhaust valve 109b, and the like that are components facing the combustion chamber 108. The combustion chamber components are preferred. In addition, an intake port 102a and an exhaust port 102b communicating with the combustion chamber 108, an exhaust manifold 120 constituting an exhaust system, an exhaust passage 121, a turbocharger 117, a bypass passage 124, a wastegate valve 125, a catalyst 122 Parts exposed to high temperatures such as the above are also suitable as engine components of the present disclosure. Hereinafter, the engine component of the present disclosure will be described using a combustion chamber component as an example.
本開示の燃焼室構成部品は、金属製の基材を備える。基材は、例えば、燃焼室構成部品の主要部を構成する。基材を構成する金属は、純金属であってもよいし、合金であってもよい。純金属として、例えば、Ｆｅ、Ｔｉ、Ａｌ等が挙げられる。合金として、例えば、Ｆｅ合金、Ｔｉ合金、Ａｌ−Ｓｉ合金等が挙げられる。 The combustion chamber component of the present disclosure includes a metal base material. A base material comprises the principal part of a combustion chamber component, for example. The metal constituting the substrate may be a pure metal or an alloy. Examples of the pure metal include Fe, Ti, and Al. Examples of the alloy include an Fe alloy, a Ti alloy, and an Al—Si alloy.
本開示の燃焼室構成部品は、遮熱層を備える。遮熱層は、基材の表面に設けられている。遮熱層は、基材の表面のうち一部に設けられていてもよいし、基材の全表面に設けられていてもよい。遮熱層は、ガラス及び無機繊維を含む多孔質体からなる。多孔質体は、例えば、主にガラスと無機繊維との骨格からなる多孔質体である。遮熱層は、多孔質体により構成されるため、熱伝導率が小さく、遮熱性が高い。遮熱層は、例えば、基材よりも熱伝導率が小さい。 The combustion chamber component of the present disclosure includes a thermal barrier layer. The heat shield layer is provided on the surface of the substrate. The heat shielding layer may be provided on a part of the surface of the substrate, or may be provided on the entire surface of the substrate. The heat shielding layer is made of a porous body containing glass and inorganic fibers. The porous body is, for example, a porous body mainly composed of a skeleton of glass and inorganic fibers. Since the heat shielding layer is composed of a porous body, the heat conductivity is small and the heat shielding property is high. For example, the thermal barrier layer has a lower thermal conductivity than the base material.
本開示の燃焼室構成部品では、基材上に遮熱層を形成するとき、遮熱層が基材から剥がれ難い。その理由は上述したとおりである。
遮熱層は、ガラス及び無機繊維以外の成分をさらに含んでもよいし、含まなくてもよい。遮熱層は、例えば、無機繊維同士が絡み合う構造を有する。ガラスは、例えば、無機繊維と接合している。ガラスの少なくとも一部は、例えば、絡み合う無機繊維同士の接点に接合している。
In the combustion chamber component of the present disclosure, when the heat shield layer is formed on the substrate, the heat shield layer is difficult to peel off from the substrate. The reason is as described above.
The heat shield layer may or may not contain components other than glass and inorganic fibers. The heat shield layer has, for example, a structure in which inorganic fibers are entangled with each other. For example, the glass is bonded to inorganic fibers. At least a part of the glass is bonded to, for example, a contact point between entangled inorganic fibers.
遮熱層における気孔は、例えば、ガラス及び無機繊維のいずれにも占められていない空間である。遮熱層は、遮熱層を厚み方向に貫通する連続気孔を有する。本開示の燃焼室構成部品は、連続気孔を通じて、適度に熱を基材に伝導させることができる。遮熱層は、連続気孔に加えて、独立気孔をさらに有していてもよい。 The pores in the heat shield layer are, for example, spaces that are not occupied by either glass or inorganic fibers. The heat shield layer has continuous pores that penetrate the heat shield layer in the thickness direction. The combustion chamber component of the present disclosure can moderately conduct heat to the substrate through the continuous pores. The heat shielding layer may further have independent pores in addition to the continuous pores.
ガラスは、公知のガラスの中から適宜選択することができる。ガラスは、Ｔｅ及びＢｉの少なくとも一方を含むことが好ましい。Ｔｅ及びＢｉの少なくとも一方を含むガラスは、それらを含まないガラスより熱膨張係数が大きい。そのため、ガラスがＴｅ及びＢｉの少なくとも一方を含む場合、遮熱層の熱膨張係数は一層大きくなり、遮熱層の熱膨張係数と、基材の熱膨張係数との差は一層小さくなる。その結果、ガラスがＴｅ及びＢｉの少なくとも一方を含む場合、遮熱層と基材との密着性が一層良好である。 The glass can be appropriately selected from known glasses. The glass preferably contains at least one of Te and Bi. Glass containing at least one of Te and Bi has a larger thermal expansion coefficient than glass not containing them. Therefore, when glass contains at least one of Te and Bi, the thermal expansion coefficient of the thermal barrier layer is further increased, and the difference between the thermal expansion coefficient of the thermal barrier layer and the thermal expansion coefficient of the substrate is further decreased. As a result, when the glass contains at least one of Te and Bi, the adhesion between the heat shield layer and the substrate is even better.
ガラスとして、例えば、（ａ）Ｐ２Ｏ５及びＢ２Ｏ３の少なくとも一方と、（ｂ）Ｒ２Ｏ及びＲ’Ｏと、を含み、（ａ）及び（ｂ）の合計モル数に対する、（ｂ）のモル数の比率（以下ではＲＲ’比率とする）が４０〜６０％であるガラスが挙げられる。ＲはＬｉ、Ｎａ、及びＫから成る群から選択される１以上であり、Ｒ’は、Ｍｇ、Ｃａ、及びＣｕから成る群から選択される１以上である。ガラスが上記のガラスである場合、遮熱層の熱膨張係数は一層大きくなり、遮熱層の熱膨張係数と、基材の熱膨張係数との差は一層小さく
なる。その結果、遮熱層と基材との密着性が一層良好である。
Examples of the glass include (a) at least one of P 2 O 5 and B 2 O 3 and (b) R 2 O and R′O, and the total number of moles of (a) and (b), The glass whose ratio (hereinafter referred to as RR ′ ratio) of the number of moles of (b) is 40 to 60% is mentioned. R is one or more selected from the group consisting of Li, Na, and K, and R ′ is one or more selected from the group consisting of Mg, Ca, and Cu. When the glass is the glass described above, the thermal expansion coefficient of the thermal barrier layer is further increased, and the difference between the thermal expansion coefficient of the thermal barrier layer and the thermal expansion coefficient of the substrate is further decreased. As a result, the adhesion between the heat shield layer and the substrate is even better.
無機繊維は、公知の無機繊維から適宜選択することができる。無機繊維として、例えば、セラミック繊維、金属繊維等が挙げられる。無機繊維の具体例として、Ａｌ２Ｏ３繊維、ＳｉＯ２繊維、ＺｒＯ２繊維、ＢＮ繊維、ＳｉＣ繊維、ＴｉＯ２繊維、ＣＮＦ繊維、グラスウール等が挙げられる。無機繊維は、Ａｌ２Ｏ３繊維、ＳｉＯ２繊維、及びＺｒＯ２繊維から成る群から選択される１以上を含むことが好ましい。無機繊維が、Ａｌ２Ｏ３繊維、ＳｉＯ２繊維、及びＺｒＯ２繊維から成る群から選択される１以上を含む場合、遮熱層を構成する多孔質体の状態を制御することが容易である。また、遮熱層の強度が高い。 The inorganic fiber can be appropriately selected from known inorganic fibers. Examples of the inorganic fibers include ceramic fibers and metal fibers. Specific examples of the inorganic fiber include Al 2 O 3 fiber, SiO 2 fiber, ZrO 2 fiber, BN fiber, SiC fiber, TiO 2 fiber, CNF fiber, and glass wool. The inorganic fibers preferably include one or more selected from the group consisting of Al 2 O 3 fibers, SiO 2 fibers, and ZrO 2 fibers. When the inorganic fiber includes one or more selected from the group consisting of Al 2 O 3 fiber, SiO 2 fiber, and ZrO 2 fiber, it is easy to control the state of the porous body constituting the heat shield layer. . Moreover, the strength of the heat shield layer is high.
無機繊維として、例えば、結晶質酸化物繊維が挙げられる。結晶質酸化物繊維として、例えば、アルミナ繊維、ムライト繊維等が挙げられる。無機繊維が結晶質酸化物繊維である場合、遮熱層に熱衝撃が加えられても、遮熱層が破損し難い。 Examples of inorganic fibers include crystalline oxide fibers. Examples of the crystalline oxide fiber include alumina fiber and mullite fiber. When the inorganic fiber is a crystalline oxide fiber, the heat shielding layer is hardly damaged even if a thermal shock is applied to the heat shielding layer.
遮熱層の断面において、ガラスの面積と無機繊維の面積との合計面積に対する、無機繊維の面積の比率（以下では繊維面積比とする）は、２０〜６０％であることが好ましい。繊維面積比が２０〜６０％である場合、遮熱層を構成する多孔質体の状態を制御することが容易である。また、遮熱層の強度が高い。無機繊維が結晶質酸化物繊維であり、繊維面積比が２０〜６０％である場合、遮熱層に熱衝撃が加えられても、遮熱層が破損し難い。 In the cross section of the heat shielding layer, the ratio of the area of the inorganic fiber to the total area of the glass area and the area of the inorganic fiber (hereinafter referred to as fiber area ratio) is preferably 20 to 60%. When the fiber area ratio is 20 to 60%, it is easy to control the state of the porous body constituting the heat shield layer. Moreover, the strength of the heat shield layer is high. When the inorganic fiber is a crystalline oxide fiber and the fiber area ratio is 20 to 60%, even if a thermal shock is applied to the heat shield layer, the heat shield layer is hardly damaged.
繊維面積比の測定方法は以下のとおりである。遮熱層を切断し、断面を形成する。ＥＰＭＡを用いて断面のうち、２００μｍ×１００μｍの範囲を組成分析し、ガラスの部分と、無機繊維の部分とをそれぞれ同定する。ガラスの部分の面積を測定し、測定値をＳ１とする。無機繊維の部分の面積を測定し、測定値をＳ２とする。以下の式（１）で表されるＳｆを、繊維面積比（％）とする。 The method for measuring the fiber area ratio is as follows. The heat shield layer is cut to form a cross section. The composition of the range of 200 μm × 100 μm in the cross section is analyzed using EPMA, and the glass portion and the inorganic fiber portion are respectively identified. The area of the glass portion is measured, and the measured value is S1. The area of the inorganic fiber portion is measured, and the measured value is S2. Sf represented by the following formula (1) is defined as a fiber area ratio (%).
式（１） Ｓｆ＝（Ｓ２／（Ｓ１+Ｓ２））×１００
無機繊維の平均アスペクト比は１０以上であることが好ましい。平均アスペクト比が１０以上である場合、遮熱層において無機繊維同士が絡み易い。そのため、遮熱層の強度が高い。
Formula (1) Sf = (S2 / (S1 + S2)) × 100
The average aspect ratio of the inorganic fibers is preferably 10 or more. When the average aspect ratio is 10 or more, the inorganic fibers are easily entangled in the heat shielding layer. Therefore, the strength of the heat shield layer is high.
平均アスペクト比の測定方法は以下のとおりである。遮熱層を切断し、断面を形成する。断面のうち、２００μｍ×２００μｍの領域に存在する全ての無機繊維について、アスペクト比を測定する。アスペクト比は、無機繊維の直径に対する無機繊維の長さの比である。アスペクト比の算出に用いる直径は、１本の無機繊維のうち、最も直径が小さい部分での値である。無機繊維の先端の形状が尖っている場合は、先端から５０μｍの部分を、最も直径が小さい部分とする。長さは、無機繊維の形状に沿って測定した長さである。２００μｍ×２００μｍの領域に存在する全ての無機繊維におけるアスペクト比の平均値を、平均アスペクト比とする。 The measuring method of the average aspect ratio is as follows. The heat shield layer is cut to form a cross section. An aspect ratio is measured about all the inorganic fibers which exist in an area | region of 200 micrometers x 200 micrometers among a cross section. The aspect ratio is the ratio of the length of the inorganic fiber to the diameter of the inorganic fiber. The diameter used for calculating the aspect ratio is a value at the smallest diameter portion of one inorganic fiber. When the shape of the tip of the inorganic fiber is sharp, a portion 50 μm from the tip is the smallest diameter portion. The length is a length measured along the shape of the inorganic fiber. The average aspect ratio of all the inorganic fibers existing in the 200 μm × 200 μm region is defined as the average aspect ratio.
遮熱層の平均厚みは、８０〜４００μｍであることが好ましい。遮熱層の平均厚みが８０μｍ以上である場合、基材への熱伝導を遮熱層によって一層抑制できる。遮熱層の平均厚みが４００μｍ以下である場合、遮熱層にクラックが生じ難く、遮熱層が基材から剥がれ難い。 The average thickness of the heat shield layer is preferably 80 to 400 μm. When the average thickness of the heat shield layer is 80 μm or more, the heat conduction to the substrate can be further suppressed by the heat shield layer. When the average thickness of the heat shield layer is 400 μm or less, cracks are hardly generated in the heat shield layer, and the heat shield layer is hardly peeled off from the substrate.
遮熱層の平均厚みの測定方法は以下のとおりである。遮熱層を切断し、断面を形成する。断面のうち、長さ５００μｍの範囲における複数の場所でそれぞれ遮熱層の厚みを測定する。遮熱層の厚みを測定する複数の場所は、いずれも、遮熱層の端部以外の場所である。複数の場所における遮熱層の厚みの平均値を遮熱層の平均厚みとする。遮熱層の厚みを測定する複数の場所の数は５箇所以上である。 The method for measuring the average thickness of the heat shield layer is as follows. The heat shield layer is cut to form a cross section. In the cross section, the thickness of the heat shield layer is measured at a plurality of locations in the range of 500 μm in length. The plurality of places where the thickness of the heat shield layer is measured are all places other than the end portions of the heat shield layer. Let the average value of the thickness of the heat shield layer in a plurality of places be the average thickness of the heat shield layer. The number of the plurality of places where the thickness of the heat shield layer is measured is 5 or more.
遮熱層の断面での幅３ｍｍの範囲における遮熱層の厚みの最大値と最小値との差（以下では厚み差とする）が７０μｍ以下であることが好ましい。厚み差が７０μｍ以下である場合、遮熱層に熱衝撃が加えられても、遮熱層が破損し難い。 The difference between the maximum value and the minimum value of the thickness of the heat shield layer in the range of 3 mm width in the cross section of the heat shield layer (hereinafter referred to as the thickness difference) is preferably 70 μm or less. When the thickness difference is 70 μm or less, even if a thermal shock is applied to the heat shield layer, the heat shield layer is hardly damaged.
遮熱層の平均気孔率は２５〜５０％であることが好ましい。平均気孔率が２５％以上である場合、基材への熱伝導を遮熱層によって一層抑制できる。遮熱層の平均気孔率が５０％以下である場合、遮熱層にクラックが生じ難く、遮熱層が基材から剥がれ難い。 The average porosity of the heat shield layer is preferably 25 to 50%. When the average porosity is 25% or more, heat conduction to the substrate can be further suppressed by the heat shielding layer. When the average porosity of the heat shield layer is 50% or less, cracks are hardly generated in the heat shield layer, and the heat shield layer is hardly peeled off from the substrate.
遮熱層の平均気孔率の測定方法は以下のとおりである。遮熱層を厚み方向に沿って切断し、断面を形成する。ＳＥＭを用いて断面の反射電子像を取得する。反射電子像内の１０の視野において、それぞれ、ガラスの部分、無機繊維の部分、及び気孔の部分をそれぞれ同定する。それぞれの視野は、２００μｍ×５０μｍの大きさを有する。なお、反射電子像において、ガラスの部分、無機繊維の部分、及び気孔の部分は、コントラストの濃淡により区別することができる。 The method for measuring the average porosity of the heat shield layer is as follows. The heat shield layer is cut along the thickness direction to form a cross section. A reflected electron image of the cross section is acquired using SEM. In 10 fields of view in the backscattered electron image, a glass portion, an inorganic fiber portion, and a pore portion are respectively identified. Each field of view has a size of 200 μm × 50 μm. In the reflected electron image, the glass portion, the inorganic fiber portion, and the pore portion can be distinguished by contrast density.
１０の視野に含まれるガラスの部分の面積を測定し、測定値をＳ１とする。また、１０の視野に含まれる無機繊維の部分の面積を測定し、測定値をＳ２とする。また、１０の視野に含まれる気孔の部分の面積を測定し、測定値をＳ３とする。以下の式（２）で表されるＳｐを、平均気孔率（％）とする。 The area of the glass part included in 10 fields of view is measured, and the measured value is S1. Moreover, the area of the part of the inorganic fiber contained in 10 visual fields is measured, and let a measured value be S2. Moreover, the area of the part of the pore contained in 10 visual fields is measured, and a measured value is set to S3. Let Sp represented by the following formula (2) be the average porosity (%).
式（２） Ｓｐ＝（Ｓ３／（Ｓ１+Ｓ２+Ｓ３））×１００
本開示の燃焼室構成部品において、基材表面における表面粗さＲａは３．２〜２５μｍであり、基材表面における表面粗さＲｚは１２．５〜５０μｍである。ここで、表面粗さＲａは算術平均粗さを意味し、表面粗さＲｚは最大高さを意味する。基材表面における表面粗さＲａが３．２μｍ以上であり、基材表面における表面粗さＲｚが１２．５μｍ以上であることにより、アンカー効果が高まり、基材と遮熱層との密着性が良好である。
Formula (2) Sp = (S3 / (S1 + S2 + S3)) × 100
In the combustion chamber component of the present disclosure, the surface roughness Ra on the substrate surface is 3.2 to 25 μm, and the surface roughness Rz on the substrate surface is 12.5 to 50 μm. Here, the surface roughness Ra means arithmetic average roughness, and the surface roughness Rz means maximum height. When the surface roughness Ra on the substrate surface is 3.2 μm or more and the surface roughness Rz on the substrate surface is 12.5 μm or more, the anchor effect is enhanced and the adhesion between the substrate and the heat shielding layer is improved. It is good.
また、基材表面における表面粗さＲａが２５μｍ以下であり、基材表面における表面粗さＲｚが５０μｍ以下であることにより、遮熱層による遮熱効果が一層高い。
基材表面における表面粗さＲａ及び表面粗さＲｚの測定方法は以下のとおりである。燃焼室構成部品を切断し、断面を形成する。断面には基材表面が含まれる。次に、断面をＣＰ加工する。次に、画像解析により、基材表面を認識する。次に、認識した基材表面上に、０．０５ｍｍの間隔で点をプロットする。プロットした点に基づき、ＪＩＳ−Ｂ０６０１：２００１に規定された方法で表面粗さＲａ、表面粗さＲｚを算出する。
Moreover, when the surface roughness Ra on the substrate surface is 25 μm or less and the surface roughness Rz on the substrate surface is 50 μm or less, the heat shielding effect by the heat shielding layer is further enhanced.
The method for measuring the surface roughness Ra and the surface roughness Rz on the substrate surface is as follows. The combustion chamber components are cut to form a cross section. The cross section includes the substrate surface. Next, CP processing is performed on the cross section. Next, the substrate surface is recognized by image analysis. Next, points are plotted on the recognized substrate surface at intervals of 0.05 mm. Based on the plotted points, the surface roughness Ra and the surface roughness Rz are calculated by the method defined in JIS-B0601: 2001.
２．燃焼室構成部品の製造方法
本開示の燃焼室構成部品は、例えば、以下のように製造できる。ガラス粉末と、無機繊維と、水とを含むスラリーを調製する。スラリーは、さらに他の成分を含んでもよいし、含まなくてもよい。
2. Method for Manufacturing Combustion Chamber Component The combustion chamber component of the present disclosure can be manufactured, for example, as follows. A slurry containing glass powder, inorganic fibers, and water is prepared. The slurry may or may not contain other components.
基材表面を加工し、基材表面における表面粗さＲａを３．２〜２５μｍとし、基材表面における表面粗さＲｚを１２．５〜５０μｍとする。加工方法として、例えば、砥石加工等が挙げられる。
次に、図２のＳＴＥＰ１に示すように、基材１の基材表面にスラリーを塗布し、塗布層３を形成する。
The substrate surface is processed, the surface roughness Ra on the substrate surface is set to 3.2 to 25 μm, and the surface roughness Rz on the substrate surface is set to 12.5 to 50 μm. Examples of the processing method include grindstone processing.
Next, as shown in STEP 1 of FIG. 2, the slurry is applied to the substrate surface of the substrate 1 to form the coating layer 3.
次に、ＳＴＥＰ２において、６０〜１２０℃の温度で１〜２時間保持して塗布層３を乾燥させ、遮熱層５を形成する。次に、ＳＴＥＰ３において、４００〜６００℃の温度で０．５〜２時間保持し、遮熱層５を焼き付ける。以上の工程により、燃焼室構成部品７が完
成する。
Next, in STEP 2, the coating layer 3 is dried by holding at a temperature of 60 to 120 ° C. for 1 to 2 hours to form the heat shielding layer 5. Next, in STEP 3, the heat shield layer 5 is baked by holding at a temperature of 400 to 600 ° C. for 0.5 to 2 hours. The combustion chamber component 7 is completed through the above steps.
燃焼室構成部材の断面を図３に示す。基材の表面に遮熱層が形成されている。遮熱層は、ガラス及び無機繊維を含む多孔質体により構成されている。遮熱層は、遮熱層を厚み方向に貫通する連続気孔を有する。 A cross section of the combustion chamber component is shown in FIG. A heat shield layer is formed on the surface of the substrate. The heat shield layer is composed of a porous body containing glass and inorganic fibers. The heat shield layer has continuous pores that penetrate the heat shield layer in the thickness direction.
３．実施例
（３−１）燃焼室構成部品の製造
実施例１〜２０、及び比較例１〜６の燃焼室構成部品を以下のようにして製造した。ガラス粉末と、無機繊維と、水とを含むスラリーを調製した。ガラス粉末の組成は、以下の表１における「ガラス組成」の列に記載したものである。無機繊維の種類は、表１における「無機繊維」のうち「種類」の列に記載したものである。スラリーにおけるガラス粉末と無機繊維との配合比は、繊維面積比が表１における「繊維面積比」の列に記載した値となる配合比である。
3. Example (3-1) Production of Combustion Chamber Components The combustion chamber components of Examples 1 to 20 and Comparative Examples 1 to 6 were produced as follows. A slurry containing glass powder, inorganic fibers, and water was prepared. The composition of the glass powder is described in the column “Glass composition” in Table 1 below. The types of inorganic fibers are those listed in the “Type” column of “Inorganic fibers” in Table 1. The compounding ratio of the glass powder and the inorganic fiber in the slurry is a compounding ratio at which the fiber area ratio is a value described in the column “fiber area ratio” in Table 1.
次に、基材のうち、加工した表面にスラリーを塗布し、塗布層を形成した。次に、１００℃の温度で１時間保持して塗布層を乾燥させ、遮熱層を形成した。次に、３００〜５００℃の温度で１〜６０分間保持し、遮熱層を焼き付けた。以上の工程により、燃焼室構成部品が完成した。 Next, the slurry was apply | coated to the processed surface among the base materials, and the application layer was formed. Next, the coating layer was dried at a temperature of 100 ° C. for 1 hour to form a heat shielding layer. Next, it hold | maintained at the temperature of 300-500 degreeC for 1 to 60 minutes, and baked the heat-shielding layer. The combustion chamber components are completed through the above steps.
（３−２）燃焼室構成部品の評価
実施例１〜２０、及び比較例１〜６の燃焼室構成部品の評価を以下のように行った。
無機繊維の平均アスペクト比と、遮熱層の平均厚みと、遮熱層の平均気孔率とを測定した。測定方法は上述した方法である。無機繊維の平均アスペクト比の測定結果を上記表１における「無機繊維」のうち「平均アスペクト比」の列に示す。遮熱層の平均厚みの測定結果を上記表１における「平均厚み」の列に示す。遮熱層の平均気孔率の測定結果を上記表１における「気孔率」の列に示す。
Ｘ線ＣＴにより作成した３次元モデリングを画像解析し、遮熱層が連続気孔を有するか否かを確認した。なお、水銀圧入法により、遮熱層が連続気孔を有するか否かを確認してもよい。連続気孔とは、遮熱層を厚み方向に貫通する連続気孔である。遮熱層が連続気孔を有する場合は、上記表１における「連続気孔の有無」の列に「○」と記載し、連続気孔を有さない場合は「×」と記載した。
(3-2) Evaluation of Combustion Chamber Components The evaluation of the combustion chamber components of Examples 1 to 20 and Comparative Examples 1 to 6 was performed as follows.
The average aspect ratio of the inorganic fibers, the average thickness of the heat shield layer, and the average porosity of the heat shield layer were measured. The measuring method is the method described above. The measurement results of the average aspect ratio of the inorganic fibers are shown in the column “average aspect ratio” of “inorganic fibers” in Table 1 above. The measurement result of the average thickness of the heat shielding layer is shown in the column of “average thickness” in Table 1 above. The measurement results of the average porosity of the heat shield layer are shown in the column of “Porosity” in Table 1 above.
Three-dimensional modeling created by X-ray CT was subjected to image analysis, and it was confirmed whether the heat shield layer had continuous pores. In addition, you may confirm whether a thermal insulation layer has a continuous pore by a mercury intrusion method. The continuous pores are continuous pores that penetrate the heat shield layer in the thickness direction. In the case where the heat shielding layer has continuous pores, “◯” is described in the column of “Presence / absence of continuous pores” in Table 1 above, and “×” is described when there is no continuous pores.
基材と遮熱層との接合強度を以下の方法で測定した。燃焼室構成部品を水中に入れ、水圧を徐々に増した。遮熱層か基材から剥離したときの水圧を測定した。その水圧を上記表１における「評価」のうち「接合強度」の列に示す。 The bonding strength between the base material and the heat shielding layer was measured by the following method. The combustion chamber components were placed in water and the water pressure was gradually increased. The water pressure when peeled from the heat shielding layer or the substrate was measured. The water pressure is shown in the column “Joint Strength” in “Evaluation” in Table 1 above.
遮熱層の熱伝導度を以下の方法で測定した。図４に示すように、燃焼室構成部品７が備える基材１のうち、遮熱層５とは反対側の面９を赤外線で加熱した。このとき、熱電対１１を用いて、遮熱層５の温度を継続的に測定し、温度の推移を取得した。また、遮熱層５を備えず、基材１のみから成る比較サンプルについても、同様に、基材１の一方の面に対する赤外線による加熱と、反対側の面における継続的な温度測定とを行い、温度の推移を取得した。燃焼室構成部品７における温度の推移と、比較サンプルにおける温度の推移とに基づき、シミューレーションによって遮熱層の熱伝導度を算出した。算出した熱伝導度を以下の基準に当てはめて、遮熱性を評価した。評価結果を上記表１における「評価」のうち「遮熱性」の列に示す。 The thermal conductivity of the heat shielding layer was measured by the following method. As shown in FIG. 4, among the base material 1 provided in the combustion chamber component 7, the surface 9 opposite to the heat shield layer 5 was heated with infrared rays. At this time, the thermocouple 11 was used to continuously measure the temperature of the heat shield layer 5 to obtain the temperature transition. Similarly, for the comparative sample that is not provided with the heat shielding layer 5 and is composed of only the base material 1, the heating of one surface of the base material 1 with infrared rays and the continuous temperature measurement on the opposite surface are performed. The temperature transition was acquired. Based on the temperature transition in the combustion chamber component 7 and the temperature transition in the comparative sample, the thermal conductivity of the heat shield layer was calculated by simulation. The calculated thermal conductivity was applied to the following criteria to evaluate the heat shielding properties. The evaluation results are shown in the column of “Heat shielding” in “Evaluation” in Table 1 above.
◎：熱伝導度が０．３Ｗ／（ｍ・ｋ）以下である。
○：熱伝導度が０．３Ｗ／（ｍ・ｋ）を超え、０．６Ｗ／（ｍ・ｋ）以下である。
×：熱伝導度が０．６Ｗ／（ｍ・ｋ）を超える。
A: Thermal conductivity is 0.3 W / (m · k) or less.
○: Thermal conductivity exceeds 0.3 W / (m · k) and is 0.6 W / (m · k) or less.
X: Thermal conductivity exceeds 0.6 W / (m · k).
実施例１〜２０の燃焼室構成部品では、基材と遮熱層との接合強度が高く、遮熱層の遮熱性が良好であった。比較例１〜６の燃焼室構成部品では、基材と遮熱層との接合強度が低かった。
４．他の実施形態
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。
In the combustion chamber components of Examples 1 to 20, the bonding strength between the base material and the heat shield layer was high, and the heat shield property of the heat shield layer was good. In the combustion chamber components of Comparative Examples 1 to 6, the bonding strength between the base material and the heat shielding layer was low.
4). Other Embodiments Although the embodiment of the present disclosure has been described above, the present disclosure is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made.
（１）上記各実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分担させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に発揮させたりしてもよい。また
、上記各実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記各実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。
(1) A function of one component in each of the above embodiments may be shared by a plurality of components, or a function of a plurality of components may be exhibited by one component. Moreover, you may abbreviate | omit a part of structure of each said embodiment. In addition, at least a part of the configuration of each of the above embodiments may be added to or replaced with the configuration of the other above embodiments. In addition, all the aspects included in the technical idea specified from the wording described in the claims are embodiments of the present disclosure.
（２）上述した燃焼室構成部品の他、当該を構成要素とするエンジンシステム、遮熱層、エンジン構成部品の製造方法、遮熱層の製造方法等、種々の形態で本開示を実現することもできる。上述の実施形態ではエンジン構成部品としてガソリンエンジンの構成部品を例示したが、本開示のエンジン構成部品は、ディーゼルエンジンやガスタービンエンジンの構成部品であってもよい。 (2) In addition to the above-described combustion chamber components, the present disclosure is realized in various forms such as an engine system including the components, a heat shield layer, a method for manufacturing the engine component, and a method for manufacturing the heat shield layer. You can also. In the above-described embodiment, the gasoline engine component is exemplified as the engine component, but the engine component of the present disclosure may be a component of a diesel engine or a gas turbine engine.
１…基材、３…塗布層、５…遮熱層、７…燃焼室構成部品、９…反対側の面、１１…熱電対 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Base material, 3 ... Application layer, 5 ... Heat-shielding layer, 7 ... Combustion chamber component, 9 ... Opposite side surface, 11 ... Thermocouple
Claims (6)
前記基材の表面に設けられた遮熱層と、
を備えるエンジン構成部品であって、
前記遮熱層は、ガラス及び無機繊維を含み、前記遮熱層を厚み方向に貫通する連続気孔を有する多孔質体からなり、
前記基材の表面の表面粗さＲａは３．２〜２５μｍであり、
前記基材の表面の表面粗さＲｚは１２．５〜５０μｍであるエンジン構成部品。 A metal substrate;
A heat shielding layer provided on the surface of the substrate;
An engine component comprising:
The thermal barrier layer comprises a porous body containing glass and inorganic fibers, and having continuous pores penetrating the thermal barrier layer in the thickness direction,
The surface roughness Ra of the surface of the substrate is 3.2 to 25 μm,
An engine component having a surface roughness Rz of 12.5 to 50 μm on the surface of the substrate.
前記無機繊維は、Ａｌ２Ｏ３繊維、ＳｉＯ２繊維、及びＺｒＯ２繊維から成る群から選択される１以上であるエンジン構成部品。 The engine component according to claim 1,
The engine component, wherein the inorganic fiber is one or more selected from the group consisting of Al 2 O 3 fiber, SiO 2 fiber, and ZrO 2 fiber.
前記無機繊維の平均アスペクト比は１０以上であるエンジン構成部品。 The engine component according to claim 1 or 2,
An engine component having an average aspect ratio of the inorganic fiber of 10 or more.
前記遮熱層の断面において、前記ガラスの面積と前記無機繊維の面積との合計面積に対し、前記無機繊維の面積の比率は、２０〜６０％であるエンジン構成部品。 The engine component according to any one of claims 1 to 3,
In the cross section of the heat shielding layer, the ratio of the area of the inorganic fiber to the total area of the area of the glass and the area of the inorganic fiber is 20 to 60%.
前記ガラスはＴｅ及びＢｉの少なくとも一方を含むエンジン構成部品。 The engine component according to any one of claims 1 to 4,
The glass is an engine component including at least one of Te and Bi.
前記遮熱層の平均厚みが８０〜４００μｍであり、
前記遮熱層の平均気孔率が２５〜５０％であるエンジン構成部品。 The engine component according to any one of claims 1 to 5,
The heat shield layer has an average thickness of 80 to 400 μm,
An engine component having an average porosity of the heat shield layer of 25 to 50%.
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