JP2020519802A - アルミニウムピストン用の熱絶縁コーティング - Google Patents

アルミニウムピストン用の熱絶縁コーティング Download PDF

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Abstract

本発明は、コーティングされたアルミニウムピストン、特に、内燃エンジン用のアルミニウムピストンに関する。また、本発明は、ピストンをコーティングする方法に関する。ピストンの領域は、ポリシラザン系、水ガラス系、またはポリシロキサン系のポリマーを含むコーティングによりシールされた、プラズマ酸化物層を有する。

Description

本願は、プラズマ酸化物層とシール層とを備えるコーティングを有する、特に内燃エンジン用のアルミニウムピストンに関し、さらには、その製造方法に関する。
往復ピストンエンジンにおける燃焼プロセスは、極めて複雑である。燃焼チャンバを熱的に絶縁することにより、内燃エンジンの効率が向上し、さらには燃費が抑制される。
ピストンを熱的に絶縁する方法は、良く知られている。
例えば、溶射（熱スプレー）法により設置された層が使用される。この方法では、異なる材料の設置が可能ではあるが、ディーゼルエンジンの燃焼ボウルのアンダーカットの領域では、得られる層のピストンクラウンに対する密着性は、十分ではない。また、一定の層厚さを得るために、層の機械加工が必要となる。
また、アノダイズにより生成されたコーティングが使用される。しかしながら、生成された層は、オープンポアを有し、従って、絶縁効果は不十分である。
従って、容易に形成することが可能で、好適な厚さで良好な熱絶縁効果を有する、アルミニウムピストン用のコーティングを提供する必要がある。
驚くべきことに、この課題は、プラズマ酸化物層と、ポリシラザン系、水ガラス系、またはポリシロキサン系のシールとを有するコーティングにより、解決される。
本発明は、アルミニウムピストンに関し、特に、内燃エンジン用のアルミニウムピストンに関する。ピストンの領域は、ポリシラザン系、水ガラス系、またはポリシロキサン系のポリマーを含むコーティングでシールされた、プラズマ酸化物層を有する。また、本発明は、内燃エンジンにおけるピストンをコーティングする方法に関する。ピストンの領域に、プラズマ酸化物層が生成され、該プラスマ酸化物層に、ポリシラザン系、水ガラス系、またはポリシロキサン系のポリマーを含むコーティングが設置される。
有意には、本発明に関し、燃焼ボウルを含むピストンクラウン全体に、熱絶縁用のコーティングが提供されることが好ましい。ある特定の好適実施例では、ボウルを除くピストンクラウンの外側領域のみがコーティングされる。
本発明を使用して、アルミニウム合金で構成された特定のピストンにコーティングすることができる。これらのアルミニウム合金は、エンジンピストンのグラビティ鋳造に使用される。通常、これらは、8wt%から20wt%、好ましくは8.5wt%から13wt%のシリコン含有量を含む。最大5.4wt%の低い銅含有量、好ましくは4wt%またはそれ以下の銅含有量が好ましい。高い銅含有量は、プラズマ酸化に悪影響を及ぼし得るからである。
本発明では、ポリシラザン系、水ガラス系、またはポリシロキサン系のポリマー（以降、ポリシラザン系、水ガラス系、またはポリシロキサン系の層とも称する）を含むシール層が、プラズマ酸化物層に設置される。ポリシラザン系の層が好適である。
ポリシラザン系、水ガラス系、またはポリシロキサン系の層は、多層システムであってもよく、この場合、個々の層に、異なるベース材料および／または添加材が使用される。例えば、好ましくは薄い、無機ポリシラザンの下層と、添加材を用いて改質された有機ポリシラザンの上層とで構成された、二重層が使用されてもよい。
ａ．ポリシラザン系コーティング
ベースとして、有機または無機ポリシラザンが使用され得る。本発明に使用される無機ポリシラザンは、一般式−(H2Si−NH)n−の構築ブロックを含有する、SiとN原子のアモルファスネットワークを形成し、これは、パーヒドロポリシラザンとも称される。有機ポリシラザンの場合、ネットワークは、有機基により改質され、一般式−(R1R2Si−NH)−の構築ブロックが得られる。当然のことながら、単位モノマー当たり一つの有機基のみを含むポリマーを使用することも可能である。
ポリシラザン系のコーティングは、従来より電子部材に使用されている。本発明では、この市販の製品を使用することができる。
無機ポリシラザンを形成するため、溶媒にパーヒドロポリシラザンが使用された溶液が使用される。例えば、ジブチルエーテル（例えばMerck社）中に20%のパーヒドロポリシラザンを使用することができる。
有機ポリシラザンは、異なるラジカルR1およびR2を有してもよい。例えば、ビニル基により改質されたポリシラザンが使用できる。これらは、例えば、酢酸ブチルのような、異なる溶媒に溶解されてもよい。これらの溶液は、必要に応じて、別の有機混合物を含んでもよい。好適な有機ポリシラザンの例は、HTT1800（Merck KGaA社）およびHTA1500（KiON Defense Technologies社）である。
ポリシラザンと、大気中の水分、水またはアルコールとの反応により、ポリシロキサン層が形成され、無機ポリシラザンの場合、これは、アモルファス石英ガラス層となる。
b．水ガラス系コーティング
ベースとして、ナトリウム、カリウム、またはリチウムの水ガラスが使用され得る。カリウムの水ガラスが好ましい。
ｃ．ポリシロキサン系コーティング
ポリシロキサン系コーティングのベースは、以下の一般式のポリシロキサンであってもよい：
Figure 2020519802
ここで、R1は、Hまたはアルキル基であり、好ましくはHまたはC1−C10のアルキル基であり、より好ましくはHまたはC1−C5のアルキル基であり、
R2およびR3は、それぞれ独立に、Hまたはアルキル基であり、好ましくはHまたはC1−C10のアルキル基であり、より好ましくはHまたはC1−C5のアルキル基である。
R2がHであり、R3がアルキル基の場合、およびR3がHで、R2がアルキル基の場合、ポリシラザンが好ましい。
R1、R２およびR３のアルキル基は、分岐または非分岐の炭化水素鎖である。また、アルキル基は、F、Cl、Br、またはIのようなハロゲンと置換されてもよく、好ましくはFと置換されてもよい。
高温耐性のあるポリシロキサンが使用されることが好ましい。
ｄ．プラズマ酸化物層
本発明によるピストンは、プラズマ酸化物層を含む、少なくとも一つの領域を有する。例えば、ピストンクラウンの領域、好ましくはボウル領域を含むピストンクラウン全体が、プラズマ酸化物層を有してもよい。ボウルを除くピストンクラウンの外側領域のみが、プラズマ酸化物層で被覆されることが特に好ましい。
プラズマ酸化物層は、従来の方法、例えば、プラズマ電解酸化法（PEO）により、生成され得る。そのような層は、例えば、ケロナイト（製品名Keronite）、Henkel（ECCまたはEC2）、およびAHC（Keplaコート）により、作製される。従って、得られる層は、多孔質である。
ある好適実施例では、プラズマ酸化層は、Al2O3および／またはTiO2を有する。
層の厚さが厚くなると、より良好な熱絶縁性が得られる。従って、プラズマ酸化物層の厚さは、40μm超の範囲であることが好ましく、70から130μmであることが特に好ましい。
e．シール層
プラズマ酸化物層は、該プラズマ酸化物層に、ポリシラザン系、水ガラス系、またはポリシロキサン系のポリマーを含むコーティングを設置することにより、シールされる。ポリマーは、酸化物層のポアに浸透し、前記ポアをシールする。
プラズマ酸化物層の上の、ポリシラザン系、水ガラス系、またはポリシロキサン系のコーティングの厚さは、0.2μmから40μmであることが好ましい。通常、厚い層の厚さは、有機ポリシラザンによってのみ、生成できる。ポリシラザン系、水ガラス系、またはポリシロキサン系のコーティングの厚さは、特に、無機ポリシラザンを使用する場合、0.2μmから10μmであることが好ましく、0.5μmから2μmがより好ましい。従って、酸化物およびポリシラザン、水ガラス、またはポリシロキサンからなる層の全厚さは、プラズマ酸化物層と、これを被覆するポリマー層との厚さの合計に対応する。
添加材を加えることにより、例えば、ジルコニア粉末、BN、エナメルガラス粉末、中空ガラス球、コランダム粉末、TiO2などを添加することにより、ポリシラザン系、ポリシロキサン系、または水ガラス系の層を改質することができる。これらの粉末は、0.1μmから25μmの粒子サイズを有することが有意である。この場合、厚い層が生成され得る。
例えばZrO2、ガラス粉末（中空ガラス球）、および／またはTiO2のようなフィラーが添加された場合、有機ポリシラザンにより、最大100μmの層厚さが達成できる。この方法では、必要な場合、特に良好な熱絶縁効果を有する層が生成できる。
ガラス粉末は、その熱膨張係数がアルミニウムピストンの熱膨張係数とほぼ対応するように選択されることが好ましい。ガラス粒子の平均サイズは、3から10μmの範囲であることが好ましい。好適なガラス系は、例えば、Schott社における、8472（鉛ボレートガラス）、8470（ボロシリケートガラス）、G018-198（鉛フリーパッシベーションガラス）、およびG018-311（バリウムシリケートガラス）である。
使用されるZrO2は、例えば、0.3から4μmの平均粒子サイズを有する粉末であってもよい。
また、本発明は、内燃エンジンにおけるピストン用の、層を生成する方法、および熱絶縁層としてのそれの使用に関する。前記方法は、ピストンを酸化させるステップと、前述のポリシラザン系、ポリシロキサン系、または水ガラス系の層をプラズマ酸化物層に設置するステップとを有する。
ポリシラザン系、ポリシロキサン系、または水ガラス系の層は、当業者には知られた方法、例えば塗布法、スプレー法、浸漬法、または刷毛塗り法により、室温で設置することができる。
従って、設置される組成物は、架橋のため、15℃から255℃の温度に加熱されることが好ましい。
数日にわたり、ポリシラザン系のコーティングは、大気中の水分、水、またはアルコールの影響下で、SiO2系コーティングに変換される。従って、3つの全ての場合において、SiO2ネットワークが構築され、これは、極めて低い熱伝導性を有する。
ゾルゲルプロセスにより生成される従来から知られている層と比べて、生成されたポリシラザン系、ポリシロキサン系、または水ガラス系のシール層は、非多孔質であり、従って、気密性である。このため、層は燃料で飽和されず、従って、コーティングは、燃焼に悪影響を及ぼさない。
また、酸化物とシール層のSi−O基との間の結合により、プラズマ酸化物層に対し、シール層の優れた密着性が得られる。
ポリシラザン系、水ガラス系、またはポリシロキサン系のコーティングの特性により、純粋な金属表面に、厚い厚さの層を生成することは難しい。プラズマ酸化物層の上にシール層を設置することにより、プラズマ酸化物層の熱絶縁効果と、非気体浸透性シール層とを組み合わせることが可能となる。これにより、ほとんど熱を伝導させない、有効な熱的絶縁層が形成される。また、酸化物−SiO2複合層の低い熱伝導性により、燃焼温度を高めることが可能となり、さらには燃焼の効率を高めることが可能となる。

Claims (10)

  1. アルミニウムピストン、特に内燃エンジン用のアルミニウムピストンであって、
    当該ピストンの領域には、プラズマ酸化物層が設置され、ポリシラザン系、水ガラス系、またはポリシロキサン系の層でシールされる、アルミニウムピストン。
  2. ピストンクラウンの領域は、コーティングされている、請求項1に記載のアルミニウムピストン。
  3. ピストンクラウン全体、好ましくはボウルを除くピストンクラウンの外側領域が、コーティングされている、請求項1または2に記載のアルミニウムピストン。
  4. ポリシラザン系の層が使用される場合、無機または有機ポリシラザン、好ましくは無機ポリシラザンが使用され、
    ポリシロキサン系の層が使用される場合、高温耐性のあるポリシロキサンが使用され、
    水ガラス系の層が使用される場合、カリウム水ガラスが使用される、請求項1乃至3のいずれか一項に記載のアルミニウムピストン。
  5. ポリシラザン系の層が使用される、請求項1乃至4のいずれか一項に記載のアルミニウムピストン。
  6. ポリシラザン系、水ガラス系、またはポリシロキサン系の層は、ZrO2、中空ガラス球、および／またはTiO2を有する、請求項1乃至5のいずれか一項に記載のアルミニウムピストン。
  7. 前記プラズマ酸化物層は、Al2O3および／またはTiO2を有する、請求項1乃至6のいずれか一項に記載のアルミニウムピストン。
  8. 前記プラズマ酸化物層は、ポアを有する、請求項1乃至7のいずれか一項に記載のアルミニウムピストン。
  9. 請求項1乃至8のいずれか一項に記載のアルミニウムピストンをコーティングする方法であって、
    前記ピストンの領域に、プラズマ酸化物層を生成するステップと、
    ポリシラザン系、水ガラス系、またはポリシロキサン系のポリマーを含むコーティングにより、前記生成されたプラズマ酸化物層をシールするステップと、
    を有する、方法。
  10. 前記プラズマ酸化物層は、プラズマ電解酸化法により生成される、請求項9に記載の方法。
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