JP2560457B2 - セラミック溶射シリンダヘッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は自動車用ディーゼルエンジンの如く副燃焼
室を備えたシリンダヘッドに関し、特に内壁面に遮熱用
セラミック溶射層を形成したシリンダヘッドに関するも
のである。

従来の技術 近年、自動車用エンジンに対する要求性能はますます
高度なものとなっており、そのためエンジンの運転条件
も材料にとって著しく苛酷なものとなりつつある。特に
ディーゼルエンジンは、作動時の燃焼温度が高く、その
シリンダヘッド内壁面は著しい高温に曝される。

ところでシリンダヘッドのうち、吸気弁と排気弁との
間の部分（弁間部）や、吸気弁と副燃焼室のチャンバー
穴との間の部分、あるいは排気弁と副燃焼室のチャンバ
ー穴との間の部分は、燃焼時に特に高温に曝される部分
であり、しかもこれらの部分は他の部位より比較的肉薄
とされているため、これらの部分には燃焼による熱応力
に起因して亀裂が発生し易い問題がある。

そこで既にアルミニウム合金製のシリンダヘッドに関
しては、特願昭61−242544号（特開昭63−97858号）に
おいて、前述のような弁間部や各弁とチャンバー穴との
間の部分を含みかつそれより広い領域にわたって、母材
アルミニウム合金よりも熱伝導率が高い材料からなる溶
射層を形成したシリンダヘッドを提案している。この提
案のシリンダヘッドは、熱伝導率の高い溶射層により熱
を拡散させてから母材Al合金に熱伝達させることにより
熱の集中を防止して、熱応力による亀裂の発生を防止し
ている。確かにこの方法はAl合金製のシリンダヘッドに
ついては有効であるが、鋳鉄製シリンダヘッドの場合
は、Al合金よりもさらに熱伝導率が低く、そのため前述
のような溶射層を形成しておいても逆にその内側の母材
が熱だまりとなるため、熱応力により亀裂が発生するこ
とを充分に防止することは困難であった。

一方、本願発明者等は、前述のような問題に対処する
手段の一つとして、鋳鉄製シリンダヘッドの燃焼室内壁
面に、前記提案とは逆に熱伝導率が著しく低いセラミッ
クを一定の厚さで溶射被覆しておき、燃焼時の高温のガ
スから鋳鉄製シリンダヘッド本体への熱伝達を抑制する
方法を考えている。すなわちこの方法は、シリンダヘッ
ドにおける高温に曝される部位を遮熱してシリンダヘッ
ド本体の温度を低下させ、これによりシリンダヘッドに
生じる熱応力を小さくして亀裂の発生を防止しようとす
るものであり、この方法は比較的熱伝導率の低い鋳鉄製
シリンダヘッドにおいて有効と考えられる。

発明が解決しようとする課題 前述のように鋳鉄製シリンダヘッドにおいて燃焼室の
内壁面に熱伝導率の低いセラミックを溶射してシリンダ
ヘッド本体を遮熱する方法について、本発明者等がさら
に実用化のための実験を進めたところ、次のような問題
があることが判明した。

すなわち、鋳鉄製シリンダヘッド本体の燃焼室内壁面
をセラミック溶射皮膜によって遮熱する場合、その内壁
面のうち最も高温となる部位にセラミック溶射皮膜を形
成することが有効であると考えられ、したがって第13図
および第14図に示すように、鋳鉄製シリンダヘッド本体
１の内壁面のうち、吸気孔と排気孔３との間の部分（弁
間部）、副燃焼室のチャンバー穴４と吸気孔２、排気孔
３との間の部分を含む領域にセラミック溶射皮膜５を形
成するのが常識的である。なお第13図および第14図に示
されているシリンダヘッド本体１は、吸気孔２と排気孔
３との間の部分に座ぐり部（凹部）６を形成してその部
分のシリンダヘッド本体の肉厚を薄くし、裏側に位置す
る冷却通路による冷却効果を高めるように構成されてい
る。

このようにセラミック溶射皮膜５を形成した鋳鉄製シ
リンダヘッドについて、実際にディーゼルエンジンに組
込んで実機耐久試験を行なったところ、第14図中に示し
ているように、副燃焼室のチャンバー穴４の周縁部4Aに
おいて、セラミック溶射皮膜５に亀裂（クラック）７が
生じ、これが進展して最終的には皮膜剥離に至ることが
判明した。また前述のように座ぐり部６を形成した鋳鉄
製シリンダヘッドでは、座ぐり部６の端部6Aにおける凸
部となった部分においても、セラミック溶射皮膜５に亀
裂８が発生し、この亀裂も皮膜剥離に至らしめることが
判明した。

これらの亀裂のうち、チャンバー穴４の周縁部におけ
る亀裂７の発生原因については、次のような２つの理由
が考えられる。

すなわち、チャンバー穴４および吸気孔２、排気孔３
の付近における実機作動時の温度分布について、2400cc
ターボチャージャー付ディーゼルエンジンで調べたとこ
ろ、第15図、第16図に示すように、チャンバー穴４の周
縁部、特に弁間部側の周縁部が最も高温となって600℃
以上に達することが判明した。一方、溶射皮膜に用いて
いるセラミックとシリンダヘッド本体の鋳鉄とはその熱
膨張係数の差が大きく、代表的なセラミックであるZrO₂
・８％Y₂O₃の熱膨張係数が9.5×10^-6/℃であるのに対し
鋳鉄の熱膨張係数は13.4×10^-6/℃程度である。そのた
め、最も高温となるチャンバー穴４の周縁部ではセラミ
ック溶射皮膜と母材鋳鉄との熱膨張差が最も大きくな
り、しかもチャンバー穴４の側の溶射皮膜端面では切欠
効果にる応力集中を受け易いから、その溶射皮膜の端面
から亀裂が発生し、これが進展して皮膜の剥離に至ると
考えられる。

また、チャンバー穴４の周縁部、特にチャンバー穴の
端面から1mm以内の箇所では前述のように600℃以上の高
温となるが、このような高温ではセラミックの強度が著
しく低下する。すなわち代表的なセラミックであるZrO₂
・８％Y₂O₃の場合、第17図に示すように600℃以上で強
度が急激に低下して常温強度の1/3以下となってしま
う。そしてこのように600℃以上の高温で強度が下がっ
た状態のセラミックに対して熱応力が負荷されれば、セ
ラミック層内に破壊が生じて亀裂発生を招き、これが進
展して皮膜剥離に至ると考えられる。

一方、第13図、第14図における吸気孔２と排気孔３と
の間の座ぐり部６の端部6Aの凸部分における亀裂８の発
生原因については次のように考えられる。

すなわち、チャンバー穴から噴出してきた高温ガス
は、燃焼室内の凸部分に直接衝突するが、凸部分は他の
平面部分と比較して熱拡散し難く、その部分だけ特に高
温となりやすい。したがって前述のような座ぐり部６の
端部6Aの凸部分も局部的に高温となりやすいから、その
部分のセラミック溶射皮膜には熱衝撃または母材との熱
膨張差による熱応力によって亀裂が生じやすく、皮膜剥
離に至りやすいと考えられる。

なお、前述のようにセラミック溶射皮膜５に生じる亀
裂7,8のうち、座ぐり部６の端部6Aの凸部分に生じる亀
裂８は、座ぐり部６を形成したシリンダヘッドに特有の
問題であり、座ぐり部６のないシリンダヘッドでは問題
とならない。一方チャンバー穴４の周縁部における亀裂
７は、副燃焼室を備えたシリンダヘッドにおいて共通に
生じる問題であり、したがってチャンバー穴４の周縁部
の亀裂発生の方が基本的に重要な問題であるから、この
発明ではチャンバー穴４の周縁部における亀裂発生を基
本的な解決課題としている。

この発明は以上のような事情を背景としてなされたも
ので、副燃焼室を備えた鋳鉄製シリンダヘッド本体にお
ける燃焼室内壁面に遮熱のためのセラミック溶射皮膜を
形成したシリンダヘッドとして、そのセラミック溶射皮
膜の亀裂発生、特に副燃焼室のチャンバー穴の周縁部で
の亀裂発生を防止し、ひいては皮膜剥離を防止して、皮
膜の耐久性を改善したシリンダヘッドを提供することを
目的とするものである。

課題を解決するための手段 この発明は、副燃焼室を備えたディーゼルエンジン用
の鋳鉄製シリンダヘッドであってかつ内壁面のうち少な
くとも弁間部から副燃焼室のチャンバー穴付近に至る領
域に遮熱用のセラミック溶射皮膜が形成されているセラ
ミック溶射シリンダヘッドにおいて、前記セラミック溶
射皮膜が、弁間部の側から、チャンバー穴の縁に対し１
〜5mmの範囲内の位置まで形成され、その位置からチャ
ンバー穴の縁まではシリンダヘッド本体の鋳鉄が露呈し
ており、しかもセラミック溶射皮膜のチャンバー穴側の
端部表面は、鋳鉄製シリンダヘッド本体のチャンバー穴
周縁部の露呈部分表面と実質的に面一とされていること
を特徴とするものである。

作用 第１図〜第４図にこの発明のセラミック溶射シリンダ
ヘッドの代表的な例を示し、第１図〜第４図を参照して
この発明の作用を説明する。

第１図〜第４図において、遮熱用のセラミック溶射皮
膜５は鋳鉄製シリンダヘッド本体１における吸気孔２、
排気孔３、チャンバー穴４の間の部分を含む領域に形成
されており、かつそのセラミック溶射皮膜５は、弁間部
の側からチャンバー穴４の縁に対し距離ｌ（ｌ＝１〜5m
m）だけ離れた位置まで形成されており、その位置から
チャンバー穴４の縁に至る部分（チャンバー穴周縁部）
11は、シリンダヘッド本体１を構成している母材の鋳鉄
が露呈している。

このようにチャンバー穴４の縁に対し１〜5mmの距離
ｌだけ離れた位置にセラミック溶射皮膜５の端部が位置
していることによって、そのセラミック溶射皮膜５は、
600〜800℃の高温となるチャンバー穴４の縁やその近傍
の領域（特にチャンバー穴４の縁から1mm未満の周縁部1
1）に接することがないため、セラミックの強度が600℃
以上の高温によって低下することが防止される。

さらに第２図、第３図に示すように、セラミック溶射
皮膜５のチャンバー穴４の側の端部は、その表面が鋳鉄
製シリンダヘッド本体１のチャンバー穴周縁部11の露呈
部分表面と実質的に面一とされている。したがってセラ
ミック溶射皮膜端部の切欠効果による応力集中を防止す
ることができ、かつまたそのセラミック溶射皮膜端部の
温度も前述のように600℃以上の高温とならないため、
セラミックと母材鋳鉄との熱膨張差による応力も少なく
なる。したがってこれらが総合的に作用して、セラミッ
ク溶射皮膜５のチャンバー穴４側の端部から亀裂が発生
することを有効に防止することができる。

ここで、セラミック溶射皮膜５のチャンバー穴４側の
端部の位置を、チャンバー穴４の縁から１〜5mmの距離
ｌの位置と規定した理由は次の通りである。

すなわち、上記距離ｌが5mmを越えた場合、鋳鉄製シ
リンダヘッド本体１の弁間部付近を覆うセラミック溶射
皮膜５の面積が少なくなり、シリンダヘッド本体１に対
する遮熱効果が少なくなってシリンダヘッド本体１の温
度が上昇し、弁間部付近でシリンダヘッド本体１に熱応
力による亀裂が発生するおそれがある。換言すれば、5m
mを越えればセラミック溶射皮膜５を形成した本来の目
的（遮熱）が充分に達成されなくなる。一方前記距離ｌ
が1mm未満では、600℃を越えるチャンバー穴４の縁の近
傍の高温部分にセラミック溶射皮膜５が接することにな
るため、セラミック溶射皮膜５の端部での亀裂発生を防
止できなくなる。

なお上述のように前記距離が5mmを越える場合にセラ
ミック溶射皮膜による本来の遮熱効果が得られなくなる
ことは、次のような実験結果により確認された。すなわ
ち、第１図に示したように鋳鉄製シリンダヘッド本体１
における吸気孔２、排気孔３およびチャンバー穴４に挟
まれる部分を含む領域にZrO₂・８％Y₂O₃からなるセラミ
ック溶射皮膜５を形成し、かつそのセラミック溶射皮膜
５のチャンバー穴４側の端部とチャンバー穴４の縁との
間の距離ｌを0mm、1mm、2mm、5mm、10mmと種々の値とし
たシリンダヘッドを作成した。なおセラミック溶射皮膜
５の厚みは約0.5mmであり、その下地溶射層として予め
0.1mm厚のNi−Cr−Al合金溶射層が形成されている。各
シリンダヘッドについて、下地溶射層の直下の燃焼時の
温度を吸気孔２、排気孔３、チャンバー穴４に挟まれる
中央の位置（第１図中の点Ｐ）において熱電対により測
定した測温結果を第５図に示す。第５図中に示すよう
に、距離ｌが大きくなるほど測温箇所Ｐでのシリンダヘ
ッド本体の温度が上昇し、特にｌが5mmを越えれば急激
に温度上昇して、ｌが10mmの場合には弁間部付近で亀裂
が発生した。したがってｌの上限は5mmとした。

発明の実施のための望ましい態様 この発明のセラミック溶射シリンダヘッドにおいて
は、前述のような構成とするほか、さらに次のような構
成を適用することが望ましい。

すなわち、先ず第３図において、セラミック溶射皮膜
のチャンバー穴４側の端部における鋳鉄製シリンダヘッ
ド本体１の立ち上がり角度θ_１は、120゜以上の角度と
することが望ましい。すなわち、本発明者等が種々の立
ち上がり角度θ_１を有するテストピースについて、ZrO₂
・８％Y₂O₃セラミックを溶射する実験を行なったとこ
ろ、立ち上がり角度θ_１が120゜未満の場合には、第６
図に示しているようにその立ち上がり部分の隅において
セラミック溶射皮膜５が充填されない空洞部12が生じ易
くなり、そのためその部分からセラミック溶射皮膜剥離
が生じ易くなって耐久性に問題が生じることが判明し
た。したがって充分な耐久性を与えるためには、立ち上
がり角度θ_１を120゜以上とすることが望ましい。

また第１図〜第４図の例では、吸気孔２と排気孔３と
の間の部分に座ぐり部６を形成したシリンダヘッド本体
１について示しているが、このように座ぐり部６を形成
した場合には、第４図に示すように座ぐり部６の両端部
におけるシリンダヘッド本体１の凸部分13にＲ形状を設
けることが望ましい。すなわち、凸部分13の表面を湾曲
面形状とすることが望ましい。このようにシリンダヘッ
ド本体１の凸部分13の表面を湾曲面形状とすることによ
って、その部分を覆うセラミック溶射皮膜１の凸部分表
面も湾曲面形状となるから、チャンバー穴４から噴出し
てきた高温ガスが直接衝突しにくくなるとともに、熱拡
散も容易となり、そのため熱応力も小さくなってその部
分から溶射皮膜に亀裂が発生することを防止できる。な
おこのようにシリンダヘッド本体１における座ぐり部６
の両端の凸部分13にＲ形状を設ける場合、その曲率半径
ρは10mm以上とすることが望ましい。またそのＲ形状を
なす凸部分13の全体的な立ち下がり角度θ_２（第４図参
照）は、150゜以上とすることが望ましい。これらの
ρ，θ_２の値が望ましいことは、次のような実験結果に
基づく。

すなわち、第７図に示すような形状のJIS FC23鋳鉄か
らなる基材14にZrO₂・８％Y₂O₃セラミックを溶射してテ
ストピースを作成し、セラミック溶射皮膜５の表面をC₂
H₂−O₂ガスバーナ15で繰返し加熱−冷却する実験を行な
った。ここでセラミック溶射皮膜５は厚み0.5mmとし、
予め基材表面に下地溶射層としてNi−Cr−Al合金を0.1m
m溶射しておいてからセラミック溶射皮膜５を形成し
た。またバーナ15による繰返し加熱−冷却は、下地溶射
層直下の温度で50℃360℃、300サイクルの条件で行な
った。曲率半径ρおよび角度θ_２を種々変化させた場合
のセラミック溶射皮膜５の亀裂発生状況、剥離状況を調
べた結果を第１表に示す。

第１表に示すように、角度θ_２が150゜以上でしかも
曲率半径ρが10mm以上では、セラミック溶射皮膜に剥離
や亀裂が生じないことが判明した。したがって座ぐり部
６の両端部分でのセラミック溶射皮膜の亀裂発生、剥離
を確実に防止するためには、その部分のシリンダヘッド
本体１における曲率半径ρを10mm以上とし、また立ち下
がり角度θ_２を150゜以上とすることが望ましい。

実 施 例 この発明を、2.4ターボチャージャー付４気筒ディ
ーゼルエンジンのシリンダヘッドに適用した実施例を以
下に示す。

JIS FC23からなる鋳鉄製シリンダヘッド本体１に対し
て、各気筒の溶射部位16に第８図、第９図に示すような
前加工を施した。前加工後の各部の寸法、角度は第９図
に示す通りである。次いでシリンダヘッド本体１をトリ
クレンにより洗浄し、前加工による機械油の除去を行な
った。その後溶射部位にショットブラスト処理を施し
て、表面あらさ40μmRzとした。次いでプラズマ溶射ガ
ンによりシリンダヘッド本体１の温度が150℃となるま
で予熱した。続いて下地溶射層として94wt％（Ni−20wt
％Cr）−6wt％AlからなるNi−Cr−Al合金を0.1mm厚で溶
射し、続いてZrO₂・８％Y₂O₃を遮熱用セラミック溶射皮
膜として0.5mm以上の厚みでプラズマ溶射した。溶射完
了後、表面研削グラインダーにより第９図のＳ面に沿っ
てセラミック溶射皮膜の表面研磨を行ない、第１図〜第
４図に示したようなこの発明によるセラミック溶射シリ
ンダヘッドを完成した。

以上のようなこの発明の実施例のセラミック溶射シリ
ンダヘッドと、第13図、第14図に示すような従来のセラ
ミック溶射シリンダヘッド、すなわちセラミック溶射皮
膜５がチャンバー穴４の縁まで達しておりかつ座ぐり部
６の端部の凸部にＲ形状が形成されていない従来のセラ
ミック溶射シリンダヘッドについて、ディーゼルエンジ
ン実機に組込んで300時間の耐久試験を行なった。なお
従来例のセラミック溶射シリンダヘッドにおける各材料
や溶射条件等は前述の実施例と同じである。また耐久試
験の１サイクルは第10図に示す通りである。

第10図に示すサイクルを4500回繰返した合計300時間
の試験の後、それぞれのシリンダヘッドにおける各気筒
でのセラミック溶射皮膜の損傷の有無を調べた。その結
果を第２表に示す。

第２表に示すように、この発明の実施例のセラミック
溶射シリンダヘッドにおいては、従来例のセラミック溶
射シリンダヘッドでセラミック溶射皮膜に生じたような
亀裂、剥離の発生を招くことなく、セラミック溶射皮膜
の耐久性が格段に向上していることが明らかである。

第11図（Ａ），（Ｂ）に上述の耐久試験後のこの発明
の実施例のセラミック溶射シリンダヘッドにおけるセラ
ミック溶射皮膜の組織写真を、また第12図（Ａ），
（Ｂ）に同じく上述の耐久試験後の従来例のセラミック
溶射シリンダヘッドにおけるセラミック溶射皮膜の組織
写真を示す。ここで、第11図（Ａ）、第12図（Ａ）はい
ずれもチャンバー穴の周縁部におけるセラミック溶射皮
膜の端部の状況を示し、また第11図（Ｂ）、第12図
（Ｂ）はいずれも座ぐり部の端部付近におけるセラミッ
ク溶射皮膜の状況を示す。

第12図（Ａ），（Ｂ）に示すように従来例のセラミッ
ク溶射シリンダヘッドでは、チャンバー穴周縁部（第12
図（Ａ））および座ぐり部の端部付近（第12図（Ｂ））
においてセラミック溶射皮膜に亀裂が生じてしまった
が、この発明の実施例のセラミック溶射シリンダヘッド
では第11図（Ａ），（Ｂ）に示すようにいずれの箇所で
もセラミック溶射皮膜に亀裂が生じていないことが判
る。

なお以上の実施例では、セラミック溶射皮膜としてZr
O₂・８％Y₂O₃を用いた例について示したが、遮熱用のセ
ラミック皮膜として他のセラミック材料を用いた場合に
も同様の効果が得られることはもちろんである。

発明の効果 この発明のセラミック溶射シリンダヘッドにおいて
は、遮熱用のセラミック溶射皮膜が、弁間部の側からチ
ャンバー穴の縁に対し１〜5mmの範囲内の位置まで形成
されており、その位置からチャンバー穴の縁まではシリ
ンダヘッド本体の鋳鉄が露呈しており、しかもセラミッ
ク溶射皮膜のチャンバー穴側の端部表面は鋳鉄製シリン
ダヘッド本体のチンャンバー穴周縁部の露呈部分表面と
実質的に面一とされており、したがってこの発明のセラ
ミック溶射シリンダーヘッドのセラミック溶射皮膜の端
部は、チャンバー穴周縁部の600℃以上もの著しく高温
の部分に接することがなく、したがってその部分で高温
によりセラミックの強度が低下することが防止されると
ともに母材鋳鉄との熱膨張差が著しく大きくなることも
防止され、しかもセラミック溶射皮膜の端部に切欠効果
による応力集中が生じることも防止され、その結果従来
のようにチャンバー穴側のセラミック溶射皮膜の端部に
亀裂が生じて剥離に至ることが有効に防止され、セラミ
ック溶射皮膜の耐久性を従来よりも格段に向上させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のセラミック溶射シリンダヘッドの一
例の要部を燃焼室側から示す平面図、第２図は第１図の
II−II線における縦断面図、第３図は第２図の部分III
の拡大断面図、第４図は第２図の部分IVの拡大断面図、
第５図は第３図中に示す距離ｌの値と溶射皮膜直下の温
度との関係を示すグラフ、第６図は第３図中に示す角度
θ_１が120゜より小さい場合におけるセラミック溶射後
の状況を示す模式的な拡大断面図、第７図はセラミック
溶射皮膜に対するバーナ熱サイクル試験状況を示す略解
的な斜視図、第８図は実施例における鋳鉄製シリンダヘ
ッド本体の燃焼室側からの平面図、第９図は第８図のIX
−IX線における拡大断面図、第10図は実施例によるセラ
ミック溶射シリンダヘッドの実機耐久試験における試験
条件を示す線図、第11図（Ａ）は実施例によるセラミッ
ク溶射シリンダヘッドにおけるチャンバー穴周縁部の耐
久試験後の状況を示す組織写真、同図（Ｂ）は実施例に
よるセラミック溶射シリンダヘッドにおける座ぐり部の
端部付近の耐久試験後の状況を示す組織写真、第12図
（Ａ）は従来例のシリンダヘッドにおけるチャンバー穴
周縁部の耐久試験後の状況を示す組織写真、同図（Ｂ）
は従来例のシリンダヘッドにおける座ぐり部の端部付近
の耐久試験後の状況を示す組織写真、第13図は従来のセ
ラミック溶射シリンダヘッドの要部を燃焼室側から示す
平面図、第14図は第13図のXIV−XIV線における縦断面
図、第15図は鋳鉄製シリンダヘッドにおける燃焼室側内
壁面の温度分布を示す略解図、第16図は第15図の部分XV
Iにおける温度分布を拡大して示す略解図、第17図はセ
ラミック溶射皮膜に用いられるZrO₂・８％Y₂O₃の温度と
引張強さとの関係を示すグラフである。 １……シリンダヘッド本体、２……吸気孔、３……排気
孔、４……チャンバー穴、５……セラミック溶射皮膜。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】副燃焼室を備えたディーゼルエンジン用の
   鋳鉄製シリンダヘッドであってかつ内壁面のうち少なく
   とも弁間部から副燃焼室のチャンバー穴付近に至る領域
   に遮熱用のセラミック溶射皮膜が形成されているセラミ
   ック溶射シリンダヘッドにおいて、 前記セラミック溶射皮膜が、弁間部の側から、チャンバ
   ー穴の縁に対し１〜5mmの範囲内の位置まで形成され、
   その位置からチャンバー穴の縁まではシリンダヘッド本
   体の鋳鉄が露呈しており、しかもセラミック溶射皮膜の
   チャンバー穴側の端部表面は、鋳鉄製シリンダヘッド本
   体のチャンバー穴周縁部の露呈部分表面と実質的に面一
   とされていることを特徴とするセラミック溶射シリンダ
   ヘッド。