JP6065388B2 - Thermal insulation film structure and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、基材表面に形成される、溶射皮膜を備える断熱皮膜構造及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a heat insulating coating structure provided with a thermal spray coating formed on a substrate surface and a method for manufacturing the same.
基材表面に形成される断熱構造については、1980年代に、エンジンの熱効率を高める方法として、エンジン燃焼室に臨む部分に断熱層を設けることが提案され(例えば、特許文献1)、その後も、セラミックス焼結体からなる断熱層や、低熱伝導性を有するZrO2粒子を含む溶射層からなる断熱層が提案されている。 As for the heat insulating structure formed on the substrate surface, in the 1980s, as a method for increasing the thermal efficiency of the engine, it was proposed to provide a heat insulating layer on the part facing the engine combustion chamber (for example, Patent Document 1). A heat insulating layer made of a ceramic sintered body and a heat insulating layer made of a thermal spray layer containing ZrO 2 particles having low thermal conductivity have been proposed.
しかしながら、セラミックス焼結体は、熱応力や熱衝撃によるクラックの発生、及び、割れの発生といった問題に直面した。このため、特に、ピストンの頂面、シリンダライナの内周面、シリンダヘッドの下面といった比較的大きな面積を有する部分へ、セラミックス焼結体からなる断熱層が適用されたものは実用に至っていない。 However, ceramic sintered bodies faced problems such as generation of cracks due to thermal stress and thermal shock, and generation of cracks. For this reason, in particular, a structure in which a heat insulating layer made of a ceramic sintered body is applied to portions having a relatively large area such as the top surface of the piston, the inner peripheral surface of the cylinder liner, and the lower surface of the cylinder head has not been put into practical use.
一方、溶射層それ自体は、シリンダライナ及びロータリーエンジンのトロコイド面へ採用された実績があるが、これは耐摩耗性の向上を目的としたものであり、断熱性の向上を目的としたものではない。そうして、溶射層を断熱層とするためには、上記のようにZrO2(ジルコニア)を主体とする低熱伝導材料を溶射することが好ましいが、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が劣り、熱応力や繰返しの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。 On the other hand, the sprayed layer itself has been used for trochoidal surfaces of cylinder liners and rotary engines, but this is intended to improve wear resistance and not to improve heat insulation. Absent. Thus, in order to make the thermal spray layer a heat insulating layer, it is preferable to spray a low thermal conductive material mainly composed of ZrO 2 (zirconia) as described above, but the zirconia-based layer is more preferable than the cermet-based layer. However, the adhesion between the particles is inferior, and there is a problem that cracks are likely to occur due to fatigue due to thermal stress or repeated stress.
このような問題を解決するために、例えば、特許文献2では、断熱用薄膜中に、粒子と補強用繊維材とを含ませた構造が提案されている。 In order to solve such a problem, for example, Patent Document 2 proposes a structure in which particles and reinforcing fiber materials are included in a heat insulating thin film.
上記特許文献2には、コーティング又は接合との記載だけで、その断熱用薄膜を得る方法について詳細には述べられていないが、粒子を含むこと、及び、断熱性の確保を目的とすることに鑑みれば、断熱用薄膜はある程度ポーラス状(多孔状)であると看做せる。そして、特許文献2の断熱用薄膜は、補強繊維材を含んではいるものの、粒子同士を結合する形態ではないことから、断熱用薄膜にクラックが発生するのを効果的に抑制することは困難と考えられる。 The above-mentioned Patent Document 2 does not describe in detail the method for obtaining the heat insulating thin film only by the description of coating or bonding, but for the purpose of containing particles and ensuring heat insulating properties. In view of this, it can be considered that the heat insulating thin film is somewhat porous (porous). And although the thin film for heat insulation of patent document 2 contains the reinforcing fiber material, since it is not the form which couple | bonds particles, it is difficult to suppress effectively that a crack arises in the thin film for heat insulation. Conceivable.
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、基材表面に形成される、溶射皮膜を備える断熱皮膜構造及びその製造方法において、基材の断熱性を高めつつ、溶射皮膜にクラックが発生するのを抑える技術を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above points, and the object of the present invention is to increase the heat insulating property of the base material in the heat insulating film structure provided with the thermal spray coating formed on the surface of the base material and the manufacturing method thereof. On the other hand, it is to provide a technique for suppressing the occurrence of cracks in the sprayed coating.
上記目的を達成するために、本発明に係る断熱皮膜構造及びその製造方法では、金属成分によって表面の少なくとも一部が覆われた、低熱伝導性を有するZrO2含有粒子を基材表面に溶射するようにしている。 In order to achieve the above object, in the heat insulating coating structure and the manufacturing method thereof according to the present invention, ZrO 2 -containing particles having low thermal conductivity and at least a part of the surface of which are covered with a metal component are sprayed onto the surface of the substrate. I am doing so.
具体的には、第1の発明は、基材表面に形成される、溶射皮膜を備える断熱皮膜構造を対象としている。 Specifically, the first invention is directed to a heat insulating coating structure provided with a thermal spray coating formed on the surface of a substrate.
そして、上記溶射皮膜は、上記基材に対して溶射され扁平になった中空のZrO2含有粒子を含む酸化物層を有し、上記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ことを特徴とするものである。 The thermal spray coating has an oxide layer containing hollow ZrO 2 -containing particles that are sprayed and flattened on the base material, and at least a part of the ZrO 2 -containing particles contained in the oxide layer is present. Further, it is characterized by being bonded by a metal component covering at least a part of the surface of each ZrO 2 -containing particle as a spraying raw material.
第1の発明によれば、溶射皮膜は、扁平になった中空の低熱伝導性を有するZrO2含有粒子を含む酸化物層を有し、酸化物層内には熱伝導性の低い空気が多く含まれることになることから、基材の断熱性を向上させることができる。 According to the first invention, the thermal spray coating has an oxide layer containing ZrO 2 -containing particles having a flat and hollow low thermal conductivity, and the oxide layer has a large amount of air having a low thermal conductivity. Since it will be contained, the heat insulation of a base material can be improved.
また、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が金属成分によって覆われていることから、ZrO2含有粒子を溶射する際には、かかる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していくことになり、これにより、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る。したがって、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。 In addition, since at least a part of the surface of each ZrO 2 -containing particle as a spraying raw material is covered with a metal component, when the ZrO 2 -containing particle is sprayed, the metal component is softened or melted by the thermal spraying heat. However, the ZrO 2 -containing particles are deposited on the surface of the base material, whereby the ZrO 2 -containing particles are firmly bonded to each other by the metal component. Therefore, it can suppress effectively that the particle | grains contained in a thermal spray coating are couple | bonded firmly, and a crack generate | occur | produces in a heat insulation layer.
第2の発明は、上記第1の発明において、上記酸化物層は、気孔部を有していて、少なくとも当該酸化物層の表面に露出した気孔部には、SiとOとを含むSiO系酸化物が含まれていることを特徴とするものである。 According to a second invention, in the first invention, the oxide layer has pores, and at least the pores exposed on the surface of the oxide layer contain Si and O. It is characterized by containing an oxide.
第2の発明によれば、少なくとも酸化物層の表面に露出した気孔部には、緻密なSiO系酸化物が充填又は略充填されることから、断熱皮膜構造を、例えば、ピストンの頂面、シリンダライナの内周面、シリンダヘッドの下面等に適用した場合には、噴霧された燃料が酸化物層に浸み込む(気孔部に取り込まれる)のを抑えることができる。 According to the second invention, at least the pores exposed on the surface of the oxide layer are filled or substantially filled with a dense SiO-based oxide. When applied to the inner peripheral surface of the cylinder liner, the lower surface of the cylinder head, etc., it is possible to prevent the sprayed fuel from entering the oxide layer (taken into the pores).
第3の発明は、基材表面に形成される、溶射皮膜を備える断熱皮膜構造の製造方法を対象としている。 The third invention is directed to a method for manufacturing a heat insulating coating structure provided with a thermal spray coating formed on a substrate surface.
そして、金属成分によってその表面の少なくとも一部が覆われた、溶射原料としての中空のZrO2含有粒子を準備する準備工程と、上記ZrO2含有粒子を、上記基材に対して溶射することにより、扁平になった中空の当該ZrO 2 含有粒子を含む酸化物層を形成するとともに、該ZrO 2 含有粒子同士を各ZrO 2 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する溶射工程と、を含むことを特徴とするものである。 Then, at least part of its surface by the metal component is covered, a preparation step of preparing a hollow ZrO 2 containing particles as the sprayed material, the ZrO 2 containing particles, by spraying against the substrate And forming a flat oxide layer including the hollow ZrO 2 -containing particles, and bonding the ZrO 2 -containing particles to each other by a metal component covering at least a part of the surface of each ZrO 2 -containing particle And a process.
第3の発明によれば、上記第1の発明と同様の効果を得ることができる。 According to the third aspect , the same effect as in the first aspect can be obtained.
第4の発明は、上記第3の発明において、上記酸化物層の表面に、パーヒドロポリシラザンの溶液、又は、空気中の水分と反応して−Si−O−Si−O−を主鎖とする無機系ポリマーとなる、アルコキシシラン化合物を主成分とする溶液を塗布して、当該酸化物層の表面に露出した気孔部に含浸させる塗布工程をさらに含むことを特徴とするものである。 According to a fourth invention, in the third invention, the surface of the oxide layer reacts with a solution of perhydropolysilazane or moisture in the air to form -Si-O-Si-O- as a main chain. The method further includes a coating step of applying a solution containing an alkoxysilane compound as a main component, which is an inorganic polymer, and impregnating the pores exposed on the surface of the oxide layer.
第4の発明によれば、気孔部に含浸されたパーヒドロポリシラザン、又は、アルコキシシラン化合物を主成分とする溶液は、空気中の水分と反応して、それぞれ、緻密なシリカ(SiO2)、又は、−Si−O−Si−O−を主鎖とする無機系ポリマーに転化することから、換言すると、SiとOとを含むSiO系酸化物に転化することから、上記第2の発明と同様の効果を得ることができる。 According to the fourth invention, the perhydropolysilazane impregnated in the pores or the solution containing the alkoxysilane compound as a main component reacts with moisture in the air to form dense silica (SiO2), or , -Si-O-Si-O- is converted into an inorganic polymer having a main chain, in other words, it is converted into a SiO-based oxide containing Si and O, so that it is the same as the second invention. The effect of can be obtained.
本発明に係る断熱皮膜構造及びその製造方法によれば、扁平になった中空の低熱伝導性を有するZrO2含有粒子を含む酸化物層が形成されることから、基材の断熱性を向上させることができる。また、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が金属成分によって覆われていることから、かかる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していくことになり、これにより、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から、溶射皮膜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。 According to the heat insulating film structure and the manufacturing method thereof according to the present invention, since the oxide layer containing ZrO 2 -containing particles having flat and low thermal conductivity is formed, the heat insulating property of the base material is improved. be able to. In addition, since at least a part of the surface of each ZrO 2 -containing particle as a spraying raw material is covered with a metal component, the ZrO 2 -containing particle becomes a surface of the base material while the metal component is softened or melted by thermal spraying. As a result, the ZrO 2 -containing particles are firmly bonded to each other by the metal component, so that the occurrence of cracks in the sprayed coating can be effectively suppressed.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本実施形態は、本発明に係る断熱皮膜構造を、図1に示すエンジンのピストンに採用したものである。 In the present embodiment, the heat insulating film structure according to the present invention is employed in the piston of the engine shown in FIG.
〈エンジンの特徴〉
このエンジンは、直列4気筒2Lガソリンエンジンであり、図1中の符号3はシリンダブロックを、符号5はシリンダヘッドを、符号7は吸気ポート9を開閉する吸気バルブを、符号11は排気ポート13を開閉する排気バルブを、符号15は燃料噴射弁を、それぞれ示している。エンジンの燃焼室は、ピストン1の頂面、シリンダブロック3の内周面、シリンダヘッド5の下面、及び、吸排気バルブ7,11の傘部前面(燃焼室に臨む面)で形成される。ピストン1の頂面には、キャビティ17が形成されている。なお、図1では、点火プラグを図示省略している。
<Engine features>
This engine is an in-line four-cylinder 2L gasoline engine.
ところで、エンジンの熱効率は、理論的には、幾何学的圧縮比を高める程、また、作動ガスの空気過剰率を大きくする程、高くなることが知られているが、実際には、圧縮比を高める程、また、空気過剰率を大きくする程、外部に熱として奪われるエネルギーである冷却損失が大きくなるため、圧縮比や空気過剰率の増大による熱効率の改善は頭打ちになる。 By the way, it is known that the thermal efficiency of the engine theoretically increases as the geometric compression ratio increases and the excess air ratio of the working gas increases. As the excess air ratio is increased and the excess air ratio is increased, the cooling loss, which is the energy taken away as heat to the outside, increases. Therefore, the improvement of the thermal efficiency due to the increase in the compression ratio and the excess air ratio reaches its peak.
すなわち、冷却損失は、作動ガスからエンジン燃焼室壁への熱伝達率、その伝熱面積、及び、ガス温と壁温との温度差に依存し、また、熱伝達率は、ガス圧及び温度の関数であることから、圧縮比及び空気過剰率の増大によりガス圧及び温度が高くなると、熱伝達率が高くなり且つ壁温とガス温との温度差が大きくなることによって、冷却損失が大きくなる。このため、圧縮比20以上の超高圧縮比にすることは、冷却損失のために実現できていないのが現状である。 That is, the cooling loss depends on the heat transfer rate from the working gas to the engine combustion chamber wall, its heat transfer area, and the temperature difference between the gas temperature and the wall temperature, and the heat transfer rate depends on the gas pressure and temperature. Therefore, if the gas pressure and temperature increase due to the increase in the compression ratio and excess air ratio, the heat transfer rate increases and the temperature difference between the wall temperature and the gas temperature increases, resulting in a large cooling loss. Become. For this reason, at present, it is not possible to achieve an ultra-high compression ratio of 20 or more due to cooling loss.
翻って、本実施形態のエンジンは、幾何学的圧縮比ε=20〜50とされ、少なくとも部分負荷域での空気過剰率λ=2.5〜6.0で運転されるリーンバーンエンジンである。このため、その圧縮比ε及び空気過剰率λに見合う所期の熱効率を得るには、エンジンの冷却損失を大幅に低減させなければ、換言すると、エンジンの断熱性を高くしなければならない。この点をモデル計算による図示熱効率に基いて説明するべく、圧縮比εを増大させていった際、燃焼室を断熱構造にするか否かで、また、空気過剰率λの大小で、図示熱効率がどのように影響されるかをモデル計算した。 In turn, the engine of the present embodiment is a lean burn engine that has a geometric compression ratio ε = 20 to 50 and is operated at an excess air ratio λ = 2.5 to 6.0 at least in a partial load region. . Therefore, in order to obtain the desired thermal efficiency commensurate with the compression ratio ε and excess air ratio λ, the engine heat loss must be increased unless the engine cooling loss is significantly reduced. In order to explain this point on the basis of the thermal efficiency shown in the model calculation, when the compression ratio ε is increased, whether the combustion chamber has a heat insulating structure or not, and whether the excess air ratio λ is large or small, A model calculation was performed to see how it is affected.
図2はその結果を示す。同図において、「断熱なし」は、燃焼室に断熱構造を採用していない従来のエンジンを意味し、「断熱あり」は、燃焼室に断熱構造を採用していない従来のエンジンよりも燃焼室の断熱率を50%高めたエンジンを意味する。なお、「200kPa」及び「500kPa」はそれぞれエンジン負荷の大きさを表す。 FIG. 2 shows the result. In the figure, “without heat insulation” means a conventional engine that does not employ a heat insulation structure in the combustion chamber, and “with heat insulation” means that the combustion chamber is more than a conventional engine that does not employ a heat insulation structure in the combustion chamber. This means an engine with a 50% higher heat insulation rate. “200 kPa” and “500 kPa” represent the magnitude of the engine load.
まず、「断熱なし 200kPa λ=1」の場合、圧縮比εの増大に伴って図示熱効率が増大しているが、圧縮比ε=50を超えても図示熱効率は大きく改善せず、圧縮比ε=50での理論効率は80%程度であるから、当該エンジンの図示熱効率はかなり低い。この差の大部分は冷却損失及び排気損失である。 First, in the case of “no heat insulation 200 kPa λ = 1”, the indicated thermal efficiency increases as the compression ratio ε increases. However, even if the compression ratio ε = 50 is exceeded, the indicated thermal efficiency does not greatly improve, and the compression ratio ε Since the theoretical efficiency at = 50 is about 80%, the indicated thermal efficiency of the engine is considerably low. Most of this difference is cooling loss and exhaust loss.
「断熱なし 200kPa λ=2」の場合、空気過剰率の増加により比熱比が小さくなるため、図示熱効率が高くなっているが、それでも、理論効率からみれば低い。「断熱なし 200kPa λ=4」及び「断熱なし 200kPa λ=6」をみると、圧縮比εが15又は25を超えると、該圧縮比εが大きくなるほど図示熱効率が低下している。これは、空気過剰率λが大きい(混合気の空気密度が高い)ことから、高圧縮比になると燃焼時のガス圧が非常に高くなり、ガス圧及び温度の関数である熱伝達率が高くなって冷却損失が大きくなるためである。すなわち、空気過剰率λの増大(比熱比の増大)による熱効率の上昇を上回って冷却損失が大きくなるためである。 In the case of “without heat insulation 200 kPa λ = 2”, the specific heat ratio decreases due to an increase in the excess air ratio, so that the illustrated thermal efficiency is high, but it is still low in terms of theoretical efficiency. Looking at “without heat insulation 200 kPa λ = 4” and “without heat insulation 200 kPa λ = 6”, when the compression ratio ε exceeds 15 or 25, the indicated thermal efficiency decreases as the compression ratio ε increases. This is because the excess air ratio λ is large (the air density of the air-fuel mixture is high), so when the compression ratio is high, the gas pressure during combustion becomes very high, and the heat transfer coefficient as a function of the gas pressure and temperature is high. This is because the cooling loss increases. That is, the cooling loss becomes larger than the increase in thermal efficiency due to the increase in excess air ratio λ (increase in specific heat ratio).
これに対して、「断熱あり 200kPa λ=2.5」では、圧縮比εの増大に伴って図示熱効率が増大している。空気過剰率λを高めた「断熱あり 200kPa λ=6」では、圧縮比εが40を超えると、図示熱効率が若干下がり気味になるものの、図示熱効率は圧縮比ε=20〜50において非常に高い値になっている。エンジン負荷を高めた「断熱あり 500kPa λ=2.5」でも、図示熱効率は圧縮比ε=20〜50において高い値になっている。 On the other hand, in the case of “with heat insulation 200 kPa λ = 2.5”, the indicated thermal efficiency increases as the compression ratio ε increases. In the case of “with heat insulation 200 kPa λ = 6” in which the excess air ratio λ is increased, when the compression ratio ε exceeds 40, the illustrated thermal efficiency slightly decreases, but the illustrated thermal efficiency is very high at the compression ratio ε = 20 to 50 It is a value. Even in the case of “with heat insulation 500 kPa λ = 2.5” in which the engine load is increased, the indicated thermal efficiency is high at the compression ratio ε = 20-50.
図3は空気過剰率λと図示熱効率との関係をみたグラフである。「断熱なし 200kPa ε=15」では、空気過剰率λ=4.5付近で図示熱効率がピークになり、それよりも空気過剰率λが増大するほど図示熱効率が低下している。これに対して、「断熱あり 200kPa ε=40」では、空気過剰率λ=6.0付近で図示熱効率がピークになっている。圧縮比εが高いことと、断熱による冷却損失抑制の効果である。 FIG. 3 is a graph showing the relationship between the excess air ratio λ and the indicated thermal efficiency. In the case of “no heat insulation 200 kPa ε = 15”, the illustrated thermal efficiency peaks near the excess air ratio λ = 4.5, and the illustrated thermal efficiency decreases as the excess air ratio λ increases. On the other hand, in the case of “with heat insulation 200 kPa ε = 40”, the illustrated thermal efficiency peaks in the vicinity of the excess air ratio λ = 6.0. This is because the compression ratio ε is high and the cooling loss is suppressed by heat insulation.
上記リーンバーンエンジンの場合、少なくとも部分負荷域では空気過剰率λ=2.5以上で運転するから、NOx発生の抑制に有利になる。圧縮比εが高くなると、燃焼温度が高くなるが、空気過剰率λをエンジン負荷が高くなるほど大きくなるように制御することにより、燃焼最高温度が1800(K)を越えないようにしてNOx発生を抑制することができる。 In the case of the lean burn engine, it operates at an excess air ratio λ = 2.5 or more at least in the partial load region, which is advantageous for suppressing NOx generation. As the compression ratio ε increases, the combustion temperature increases. However, by controlling the excess air ratio λ so as to increase as the engine load increases, NOx generation is prevented so that the maximum combustion temperature does not exceed 1800 (K). Can be suppressed.
また、図示は省略するが、上記エンジンの吸気系には吸気を冷却するインタークーラーが設けられている。これにより、圧縮開始時の筒内ガス温度が低くなり、燃焼時のガス圧及び温度の上昇が抑えられ、冷却損失の低減(図示熱効率の改善)に有利になる。 Although not shown, an intercooler that cools the intake air is provided in the intake system of the engine. As a result, the in-cylinder gas temperature at the start of compression is lowered, the increase in gas pressure and temperature during combustion is suppressed, and this is advantageous in reducing cooling loss (improving the indicated thermal efficiency).
〈断熱皮膜構造〉
そこで、以下では、上記超高圧縮比ε=20〜50及び高空気過剰率λ=2.5〜6.0で運転されるエンジンにおける、図示熱効率を高める上で必要となる冷却損失低減のための断熱皮膜構造について説明する。図4は、ピストンの断熱皮膜構造を示す断面図である。このピストン1は、エンジンの燃焼室を形成する頂面に溶射皮膜21を備えており、かかる溶射皮膜21は、ピストン基材19の頂面全体に亘って形成されたアンダーコート23と、当該アンダーコート23を覆う酸化物層25と、を有している。
<Insulation coating structure>
Therefore, in the following, in order to reduce the cooling loss necessary for increasing the indicated thermal efficiency in the engine operated at the above-described ultra-high compression ratio ε = 20 to 50 and high excess air ratio λ = 2.5 to 6.0. The heat insulating film structure will be described. FIG. 4 is a cross-sectional view showing the heat insulating film structure of the piston. The
ピストン基材19は、例えば鋳物用アルミ合金AC8A(熱伝導率;141.7(W/(m・K))、容積比熱;2300(kJ/(m3・K)))で成形することができる。なお、ピストン基材19は、他のアルミ合金で成形してもよいし、鋳鉄製ピストンとしてもよい。
The
アンダーコート23は、酸化物層25のピストン基材19への密着性をよくするとともに、酸化物層25とピストン基材19との熱膨張差を緩和する役割を果たすものであり、Ni−Cr合金をピストン基材19の頂面に対してプラズマ溶射することにより、約100(μm)の厚さで形成されている。なお、Ni−Cr合金としては、例えばNi−20Cr合金(熱伝導率;12.6(W/(m・K))、容積比熱;3660(kJ/(m3・K)))を採用することができる。
The
酸化物層25は、図5に示すように、ピストン基材19の頂面に溶射された多数のジルコニア粒子(ZrO2含有粒子)27と、これらのジルコニア粒子27同士を結合する結合金属35と、当該酸化物層25の表面から内部にかけて形成された気孔部29(空隙)とを含み、かかる気孔部29に、本発明でいうところのSiとOとを含むSiO系酸化物31である、−Si−O−Si−O−を主鎖とする無機系ポリマー又はシリカガラスが充填又は略充填され(含まれ)ている。
As shown in FIG. 5, the
ジルコニア粒子27の材料としては、例えば、安定化剤としてイットリアを用いた部分安定化ジルコニア(ZrO2−Y2O3)を用いることができ、溶射原料としてのジルコニア粒子27は、粒径分布範囲が45〜125μmである略中空球状に形成されている。そうして、酸化物層25は、不図示のプラズマ溶射装置を用いて、アンダーコート処理が施されたピストン基材19の頂面にジルコニア粒子27を溶射し、溶射熱により軟化したジルコニア粒子27がピストン基材19に衝突して扁平状に変形して堆積することで、約900(μm)の厚さで且つ気孔率13(vol%)の多孔質に形成されている。なお、酸化物層25の気孔率は、ジルコニア粒子27の粒径や溶射速度を調整することで調整可能であり、5〜40(vol%)が好ましく、10〜25(vol%)がより好ましい。また、各気孔部29の大きさは、1〜100(μm)が好ましい。
As a material of the
結合金属(金属成分)35としては、例えば、Ni、Cu、Feを採用することができる。ここで、結合金属35をジルコニア粒子27とは別にプラズマ溶射すると、溶射皮膜21が、ジルコニア粒子27を含む酸化物層25と結合金属35の層とに分かれてしまい、ジルコニア粒子27同士を結合する形態を形成できず、クラックの発生を効果的に抑制することが困難となることから、本実施形態の断熱皮膜構造では、ジルコニア粒子27をピストン基材19の頂面に溶射するのに先立ち、結合金属35でジルコニア粒子27の少なくとも一部を覆うようにしている。換言すると、本実施形態の断熱皮膜構造では、溶射原料としての各ジルコニア粒子27の表面の少なくとも一部を覆っていた結合金属35によって、酸化物層25に含まれるジルコニア粒子27同士の少なくとも一部が結合されるようになっている。なお、ジルコニア粒子27の表面を覆う結合金属35の厚さは、0.5〜2(μm)が好ましい。
As the binding metal (metal component) 35, for example, Ni, Cu, or Fe can be employed. Here, when the
略中空球状に形成されたジルコニア粒子27を結合金属35(例えばNi)で覆う方法としては、例えば、以下の2つの方法をあげることができる。
Examples of the method of covering the
一つは、濡れ性が悪いジルコニア粒子27にNiを付着させるべく、先ず、略中空球状に形成されたジルコニア粒子27を硝酸ニッケルに浸した後、これを取り出して約300(℃)で焼成し、Ni成分だけをジルコニア粒子27の表面に担持させる。そうして、Ni成分が表面に担持されたジルコニア粒子27を、無電解ニッケルめっき浴に投入し、かかる担持されたNi成分を核として、ジルコニア粒子27の表面にニッケルめっきを設ける方法である。もう一つは、ジルコニア粒子27の表面をエッチングした後これを、無電解ニッケルめっき浴に投入して、ジルコニア粒子27の表面にニッケルめっきを設ける方法である。
First, in order to attach Ni to the
このようにして製造された、結合金属35により表面が覆われたジルコニア粒子27を、プラズマ溶射装置を用いて、アンダーコート処理が施されたピストン基材19の頂面に対してプラズマ溶射すると、溶射熱により軟化したジルコニア粒子27がピストン基材19に衝突することより扁平状に変形して堆積するとともに、これと同時に、溶射熱により軟化または溶融した結合金属35が、酸化物層25に均一に散らばり、図5に示すように、ジルコニア粒子27同士を結合して、クラックの発生し難い溶射皮膜21を形成することになる。
When the
さらに、本実施形態の断熱皮膜構造では、ガソリン(燃料)と空気の混合気が燃焼室に噴霧された際に、ガソリンが溶射皮膜21に浸み込む(気孔部29に取り込まれる)ことにより未燃損失割合が増加を抑えるべく、酸化物層25の表面に、空気中の水分と反応して−Si−O−Si−O−を主鎖とする無機系ポリマーとなる、アルコキシシラン化合物を主成分とする溶液、又は、パーヒドロポリシラザンの溶液を塗布して、上述の如く、−Si−O−Si−O−を主鎖とする緻密な無機系ポリマー又はシリカガラスを気孔部29に充填又は略充填する(含ませる)ことにより、噴霧されたガソリンが溶射皮膜21に浸み込むのを抑制している。
Furthermore, in the heat insulating coating structure of the present embodiment, when the mixture of gasoline (fuel) and air is sprayed into the combustion chamber, the gasoline penetrates into the thermal spray coating 21 (taken into the pores 29), and thus is not In order to suppress the increase in the fuel loss ratio, the surface of the
−Si−O−Si−O−を主鎖とする無機系ポリマーを形成する、アルコキシシラン化合物を主成分とする溶液としては、例えば、ディ・アンド・ディ社製のパーミエイトを用いることができる。このパーミエイトは、シリコーン樹脂の原料となるアルコキシラン化合物を主成分として無溶剤1液型の封孔剤であり、アルコキシラン化合物の他にその部分加水分解縮合物(オリゴマー)や硬化触媒を含んでおり、図6に示すように、空気中の水分と反応し、無機系ポリマーになり硬化し、SiとOとが連続的に結合したSiO系酸化物31を形成して、酸化物層25に存在する気孔部29を塞ぐことになる。なお、図6中のRは、CH3等の炭化水素基を意味する。
As a solution containing an alkoxysilane compound as a main component for forming an inorganic polymer having —Si—O—Si—O— as the main chain, for example, a permeate manufactured by D & D Corporation can be used. This permeate is a solventless one-pack type sealant mainly composed of an alkoxylane compound that is a raw material of a silicone resin, and includes a partially hydrolyzed condensate (oligomer) and a curing catalyst in addition to the alkoxylane compound. As shown in FIG. 6, it reacts with moisture in the air, becomes an inorganic polymer, cures, and forms a SiO-based
また、シリカガラスを形成する、パーヒドロポリシラザンの溶液としては、AZエレクトロニック・マテリアルズ社製のアクアミカを用いることができる。このアクアミカは、パーヒドロポリシラザンを主成分とする封孔剤であり、パーヒドロポリシラザンの他に有機溶剤や触媒を含んでおり、空気中の水分と反応して、シリカガラス(SiO2)に転化して、酸化物層25に存在する気孔部29を塞ぐことになる。
Further, as a solution of perhydropolysilazane forming silica glass, Aquamica manufactured by AZ Electronic Materials can be used. This aquamica is a sealing agent mainly composed of perhydropolysilazane and contains organic solvent and catalyst in addition to perhydropolysilazane, which reacts with moisture in the air and is converted to silica glass (SiO 2 ). Thus, the
なお、図5では、酸化物層25に存在する気孔部29を、SiO系酸化物31によってほぼ全て塞ぐようにしているが、熱伝導率の極めて低い空気を積極的に残すために、図7に示すように、例えば、酸化物層25の表面に露出した気孔部29のみに、又は、酸化物層25の表面から内部に向かって1/2以下の深さまでの気孔部29に、SiO系酸化物31を充填又は略充填するようにしてもよい。このように、SiとOとを含むSiO系酸化物31が形成される範囲を抑えるには、例えば増粘剤を加えてパーミエイト又はアクアミカの粘度を上げてから、酸化物層25の表面に塗布すればよく、この場合、パーミエイト又はアクアミカの室温における粘度は、10〜10000(mPa・s)が好ましく、500〜5000(mPa・s)がより好ましい。
In FIG. 5, the
加えて、更なる断熱性の向上を図るべく、図7に示すように、SiとOとを含むSiO系酸化物31に中空状粒子33を含ませるようにしてもよい。この中空状粒子33としては、アルミナバブル、フライアッシュバルーン、シラスバルーン、シリカバルーン、エアロゲルバルーン等のセラミック系中空状粒子、その他の無機系中空状粒子採用することができる。各々の材質及び粒径は表1の通りである。
In addition, as shown in FIG. 7,
例えば、フライアッシュの化学組成は、SiO2;40.1〜74.4%、Al2O3;15.7〜35.2%、Fe2O3;1.4〜17.5%、MgO;0.2〜7.4%、CaO;0.3〜10.1%(以上は質量%)である。シラスバルーンの化学組成は、SiO2;75〜77%、Al2O3;12〜14%、Fe2O3;1〜2%、Na2O;3〜4%、K2O;2〜4%、IgLoss;2〜5%(以上は質量%)である。
For example, the chemical composition of the fly ash, SiO 2; 40.1~74.4%, Al 2
これらの中空状粒子33の1種を含む酸化物層25は、中空状粒子33を混入したパーミエイト又はアクアミカを、酸化物層25の表面に塗布するだけで、簡単に得ることができる。なお、上記例示した中空状粒子33の場合、その熱伝導率は0.03〜0.3W/(m・K)程度であり、その容積比熱は200〜1900kJ/(m3・K)程度になる。
The
〈断熱皮膜構造の製造方法〉
次に、図8に示すフローチャートに基づいて、実施形態1に係る断熱皮膜構造の製造方法について説明する。
<Method of manufacturing heat insulating film structure>
Next, based on the flowchart shown in FIG. 8, the manufacturing method of the heat insulation film structure which concerns on
先ず、ステップS1では、略中空球状に形成されたジルコニア粒子を硝酸ニッケルに浸した後、これを取り出して約300(℃)で焼成する。その後、Ni成分が表面に担持されたジルコニア粒子を、無電解ニッケルめっき浴に投入し、かかる担持されたNi成分を核として、ジルコニア粒子の表面にニッケルめっきを設ける(準備工程)。 First, in step S1, zirconia particles formed in a substantially hollow sphere are immersed in nickel nitrate, and then taken out and fired at about 300 (° C.). Thereafter, the zirconia particles having Ni supported on the surface are put into an electroless nickel plating bath, and nickel plating is provided on the surface of the zirconia particles using the supported Ni component as a nucleus (preparation step).
次のステップS2では、プラズマ溶射ガンを用いて、ピストン基材19の頂面に、Ni−20Cr合金をプラズマ溶射して、厚さ約100(μm)のアンダーコート23を形成する。
In the next step S2, a Ni-20Cr alloy is plasma sprayed on the top surface of the
次いで、ステップS3では、同じくプラズマ溶射ガンを用いて、出力25〜50(kW)、Arガス流量35〜50(L/min)、H2ガス流量10〜20(L/min)、溶射距離50〜150(mm)、溶射粒子供給量20〜50(g/min)の溶射条件で、アンダーコート処理が施されたピストン基材19の頂面に、上記表面にニッケルめっきが設けられたジルコニア粒子(ZrO2−Y2O3)をプラズマ溶射して、厚さ約900(μm)且つ気孔率13(vol%)の酸化物層25を形成する(溶射工程)。なお、プラズマ溶射ガンとしては、例えば、Sulzer Metco社製のF4型プラズマ溶射ガンを用いることができる。
Next, in step S3, similarly using a plasma spray gun, the output is 25-50 (kW), the Ar gas flow rate is 35-50 (L / min), the H 2 gas flow rate is 10-20 (L / min), and the spray distance is 50 Zirconia particles having nickel plating on the top surface of the
次のステップS4では、ステップS3で形成された酸化物層25の表面に、例えば、液状の封孔剤であるパーミエイトにシラスバルーンを混入したものを塗布して、少なくとも酸化物層25の表面に露出した気孔部29に含浸させる(塗布工程)。
In the next step S4, the surface of the
次いで、ステップS5では、ステップS4で塗布されたパーミエイトのうち、気孔部29に含浸することなく酸化物層25の表面に吹き出ている、余分なパーミエイトを布で拭き取る。
Next, in step S5, of the permeate applied in step S4, excess permeate blown to the surface of the
次のステップS6では、予備乾燥として、酸化物層25表面のパーミエイトが拭き取られたピストン1を、室温で指触硬化させる(指触硬化とは、指触しても硬化皮膜に変化が見られない程度に硬化している状態をいう。)。
In the next step S6, as preliminary drying, the
次いで、ステップS7では、硬化処理として、予備乾燥されたピストン1を、40〜150℃で所定時間熱処理する。なお、封孔剤として、アクアミカを用いる場合にも室温で指触硬化させた後、40〜150℃で所定時間熱処理を行う。
Next, in step S7, the
〈断熱性および耐久性の改善効果〉
本実施形態にかかる断熱皮膜構造による、断熱性および燃料の染み込み抑制の改善効果を確認するために、所定の評価条件の下で、実施例および比較例について図示熱効率(%)をそれぞれ求めるとともに、溶射皮膜表面のクラックの有無を調べ、これらの結果を対比した。
<Improvement of heat insulation and durability>
In order to confirm the improvement effect of the heat insulation and fuel penetration suppression by the heat insulating film structure according to the present embodiment, the illustrated thermal efficiency (%) is obtained for each of the examples and comparative examples under predetermined evaluation conditions, The presence or absence of cracks on the surface of the sprayed coating was examined, and these results were compared.
より詳しくは、鋳物用アルミ合金AC8A製のピストンを比較例1とした。また、比較例1のピストンの頂面に、F4型プラズマ溶射ガンを用いて、出力35(kW)、Arガス流量40(L/min)、H2ガス流量15(L/min)、溶射距離100(mm)、溶射粒子供給量40(g/min)の溶射条件で、Ni−20Cr合金を溶射して、厚さ100(μm)のアンダーコートを形成するとともに、イットリアを用いた部分安定化ジルコニア粒子(ZrO2−Y2O3)を溶射して、気孔率13(vol%)且つ厚さ900(μm)の酸化物層を形成したものを比較例2とした。 More specifically, a piston made of aluminum alloy AC8A for casting was used as Comparative Example 1. Further, using the F4 type plasma spray gun on the top surface of the piston of Comparative Example 1, output 35 (kW), Ar gas flow rate 40 (L / min), H 2 gas flow rate 15 (L / min), spraying distance Under spraying conditions of 100 (mm) and sprayed particle supply rate 40 (g / min), Ni-20Cr alloy is sprayed to form an undercoat with a thickness of 100 (μm), and partial stabilization using yttria Comparative Example 2 was obtained by spraying zirconia particles (ZrO 2 —Y 2 O 3 ) to form an oxide layer having a porosity of 13 (vol%) and a thickness of 900 (μm).
一方、比較例1のピストンの頂面に、比較例2と同じ溶射条件で、Ni−20Cr合金を溶射して、厚さ100(μm)のアンダーコート23を形成するとともに、表面にニッケルめっきが設けられた部分安定化ジルコニア粒子(ZrO2−Y2O3)を溶射して、気孔率13(vol%)且つ厚さ900(μm)の酸化物層を形成した後、酸化物層の気孔部をパーミエイトを用いて封孔処理したものを実施例とした。
On the other hand, a Ni-20Cr alloy is sprayed on the top surface of the piston of Comparative Example 1 under the same thermal spraying conditions as in Comparative Example 2 to form an
そうして、これら3種類のピストンを、同じ評価条件、すなわち、排気量1998.8(CC)、4気筒、圧縮比20、空気過剰率2.5及び回転数2000(rpm)の条件で、図示熱効率(%)をそれぞれ求めた。 Then, these three types of pistons are subjected to the same evaluation conditions, that is, a displacement of 198.8 (CC), four cylinders, a compression ratio of 20, an excess air ratio of 2.5, and a rotational speed of 2000 (rpm). Each indicated thermal efficiency (%) was determined.
図9は、実施例並びに比較例1及び比較例2の図示熱効率(%)を示す図である。図9に示すように、溶射皮膜を形成した実施例では、溶射皮膜を形成していない比較例1や封孔処理を施していない比較例2よりも図示熱効率が大きく改善されていることが分かる。これにより、熱伝導率の低いジルコニア粒子を含む酸化物層を形成することにより、エンジンの冷却損失が低減することが、換言すると、エンジンの断熱性が向上することが確認できた。なお、比較例2は、溶射皮膜を形成していない比較例1よりも図示熱効率(%)が低下しているが、これは、封孔処理を施していない比較例2における未燃損失割合の悪化に起因する図示熱効率の低下が、溶射皮膜による断熱性の向上に起因する図示熱効率の上昇を上回っているためと考えられる。 FIG. 9 is a graph showing the indicated thermal efficiency (%) of the examples and Comparative Examples 1 and 2. As shown in FIG. 9, in the example in which the thermal spray coating is formed, the thermal efficiency shown in the figure is greatly improved as compared with the comparative example 1 in which the thermal spray coating is not formed and the comparative example 2 in which the sealing treatment is not performed. . Thus, it was confirmed that by forming an oxide layer containing zirconia particles having low thermal conductivity, the engine cooling loss is reduced, in other words, the heat insulation of the engine is improved. In addition, although the thermal efficiency (%) shown in the comparative example 2 is lower than the comparative example 1 in which the thermal spray coating is not formed, this is the unburned loss ratio in the comparative example 2 in which the sealing treatment is not performed. It is considered that the decrease in the illustrated thermal efficiency due to the deterioration exceeds the increase in the illustrated thermal efficiency due to the improvement of the heat insulating property by the thermal spray coating.
また、比較例2及び実施例の2種類のピストンについて、それぞれエンジンに装着して実機による耐久試験を200時間行った結果、比較例2のピストンでは溶射皮膜にクラックの発生が認められたが、実施例では何らの異常も認められなかった。これにより、表面が結合金属で覆われたジルコニア粒子を溶射して酸化物層を形成することにより、ジルコニア粒子同士を結合してクラックの発生を抑制できることが確認できた。 In addition, as for the two types of pistons of Comparative Example 2 and Example, as a result of carrying out an endurance test with an actual machine for 200 hours respectively, the occurrence of cracks in the thermal spray coating was observed in the piston of Comparative Example 2, In the examples, no abnormality was observed. Thus, it was confirmed that by forming the oxide layer by spraying the zirconia particles whose surfaces are covered with the binding metal, the zirconia particles can be bonded to each other to suppress the occurrence of cracks.
−効果−
本実施形態によれば、溶射皮膜21は、低熱伝導性を有するジルコニア粒子27を含む酸化物層25を有していることから、ピストン基材19の断熱性を向上させることができる。
-Effect-
According to the present embodiment, since the
また、溶射原料としての各ジルコニア粒子27の表面の少なくとも一部が結合金属35によって覆われていることから、ジルコニア粒子27を溶射する際には、かかる結合金属35が溶射熱により軟化または溶融しながら、ジルコニア粒子27がピストン基材19の表面に堆積していくことになり、これにより、ジルコニア粒子27同士が結合金属35によってしっかりと結合されることになる。したがって、溶射皮膜21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。
Further, since at least a part of the surface of each
また、酸化物層25の表面から内部にかけて形成された気孔部29には、緻密なSiO系酸化物31が充填又は略充填されることから、断熱皮膜構造を、例えば、ピストン1の頂面、シリンダライナの内周面、シリンダヘッドの下面等に適用した場合には、噴霧された燃料が酸化物層25に浸み込むのを抑えることができる。
In addition, the
さらに、中空状粒子を原料とするジルコニア粒子27を用いて溶射皮膜21を形成することにより、酸化物層25内には熱伝導性の低い空気が多く含まれることになることから、断熱皮膜構造における断熱性をさらに高めることができる。
Furthermore, since the
(その他の実施形態)
本発明は、実施形態に限定されず、その精神又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。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the embodiments, and can be implemented in various other forms without departing from the spirit or main features thereof.
上記実施形態では、本発明に係る断熱皮膜構造を、ピストン1の頂面に適用したが、これに限らず、例えば、シリンダブロック3の内周面、シリンダヘッド5の下面に適用してもよい。また、本発明に係る断熱皮膜構造は、エンジンに限らず、断熱性が要求されるその他のものに適用してもよい。
In the above embodiment, the heat insulating film structure according to the present invention is applied to the top surface of the
また、上記実施形態では、アンダーコート23としてNi−Cr合金を用いたが、これに限らず、例えば、Ni−Al合金を用いてもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the Ni-Cr alloy was used as the
さらに、上記実施形態では、アンダーコート23の層厚を約100(μm)、また、酸化物層25の層厚を約900(μm)としたが、アンダーコート23及び酸化物層25の層厚は、特に限定しない。
Furthermore, in the above embodiment, the layer thickness of the
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。 As described above, the above-described embodiment is merely an example in all respects and should not be interpreted in a limited manner. Further, all modifications and changes belonging to the equivalent scope of the claims are within the scope of the present invention.
以上説明したように、本発明は、本発明は、基材表面に形成される、溶射皮膜を備える断熱皮膜構造及びその製造方法等について有用である。 As described above, the present invention is useful for a heat insulating coating structure including a thermal spray coating formed on the surface of a substrate, a manufacturing method thereof, and the like.
19 ピストン基材
21 溶射皮膜
25 酸化物層
27 ジルコニア粒子(ZrO2含有粒子)
29 気孔部
31 SiO系酸化物
35 結合金属(金属成分)
S1 準備工程
S3 溶射工程
S4 塗布工程
19
29
S1 preparation process S3 spraying process S4 coating process
Claims (4)
上記溶射皮膜は、上記基材に対して溶射され扁平になった中空のZrO2含有粒子を含む酸化物層を有し、
上記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ことを特徴とする断熱皮膜構造。 A heat insulating coating structure provided with a thermal spray coating formed on a substrate surface,
The thermal spray coating has an oxide layer containing hollow ZrO 2 -containing particles sprayed and flattened on the base material,
A heat insulating film characterized in that at least a part of the ZrO 2 -containing particles contained in the oxide layer is bonded by a metal component covering at least a part of the surface of each ZrO 2 -containing particle as a thermal spraying raw material Construction.
上記酸化物層は、気孔部を有していて、少なくとも当該酸化物層の表面に露出した気孔部には、SiとOとを含むSiO系酸化物が含まれていることを特徴とする断熱皮膜構造。 In the heat insulating coating structure according to claim 1,
The oxide layer has pores, and at least the pores exposed on the surface of the oxide layer contain a SiO-based oxide containing Si and O. Film structure.
金属成分によってその表面の少なくとも一部が覆われた、溶射原料としての中空のZrO2含有粒子を準備する準備工程と、
上記ZrO2含有粒子を、上記基材に対して溶射することにより、扁平になった中空の当該ZrO 2 含有粒子を含む酸化物層を形成するとともに、該ZrO 2 含有粒子同士を各ZrO 2 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する溶射工程と、
を含むことを特徴とする断熱皮膜構造の製造方法。 A method of manufacturing a heat insulating coating structure provided with a thermal spray coating formed on a substrate surface,
A preparation step of preparing hollow ZrO 2 containing particles as a thermal spraying raw material, at least part of the surface of which is covered with a metal component;
By spraying the ZrO 2 -containing particles onto the substrate, an oxide layer containing the flattened hollow ZrO 2 -containing particles is formed, and the ZrO 2 -containing particles are contained in each ZrO 2 -containing particle. A thermal spraying step of bonding with a metal component covering at least a part of the surface of the particles ;
The manufacturing method of the heat insulation film structure characterized by including.
上記酸化物層の表面に、パーヒドロポリシラザンの溶液、又は、空気中の水分と反応して−Si−O−Si−O−を主鎖とする無機系ポリマーとなる、アルコキシシラン化合物を主成分とする溶液を塗布して、当該酸化物層の表面に露出した気孔部に含浸させる塗布工程をさらに含むことを特徴とする断熱皮膜構造の製造方法。 In the manufacturing method of the heat insulation film structure of Claim 3 ,
The main component is an alkoxysilane compound that reacts with a solution of perhydropolysilazane or moisture in the air to form an inorganic polymer having —Si—O—Si—O— as the main chain on the surface of the oxide layer. A method for producing a heat insulating coating structure, further comprising an application step of applying the solution to impregnate the pores exposed on the surface of the oxide layer.
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