JP6337639B2 - アルミニウム合金材のハイブリッド遮熱コーティング方法及びその構造並びにピストン - Google Patents
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Description
本発明は、ピストン等のアルミニウム部品の遮熱コーティングを施すためのアルミニウム合金材のハイブリッド遮熱コーティング方法及びその構造並びにピストンに関するものである。
エンジンの燃費を改善させるため、ピストンの頂面や燃焼室等への遮熱コーティングを施すことは非常に有効な方法である。
遮熱コーティング膜としては、部材表面にプラズマ溶射で熱伝導率の低いジルコニア層を施すことは、最も一般的な方法であるが、厚さ２００〜３００μｍのジルコニア層をコーティングするには、時間とコストがかかる。
一方、部材がアルミニウム合金から構成されている場合、アルマイト処理で遮熱コーティング膜を形成する方法がある。
アルマイト処理は、硫酸などの処理浴に部材としてのアルミニウム合金材を入れ、アルミニウム合金材を陽極として電気分解することにより、アルミニウム合金の表面を電気化学的に酸化させて酸化アルミニウム（アルミナ）の皮膜を生成させる。この皮膜はハニカム状の孔径が数ｎｍから数百ｎｍの多孔質酸化皮膜からなり、皮膜形成後は、水和処理することで、水酸化アルミニウム化して、ハニカム状の孔壁表面を水和膨張させて封孔処理することでアルマイト膜が形成される。
しかし、アルマイト膜の成長と内部の気孔率はアルミニウム合金組成そのものに依存し、基本的な合金組成を変えないで、しかも同じ溶液を使う場合、気孔率を変えることは難しい。従って、より低い熱伝導率を求めている場合、従来のアルミニウム合金では難しい。
他方、ジルコニア層をプラズマ溶射で形成する場合、溶射ガンからスプラット（直径５０〜１５０μｍ×厚さ１〜５μｍ）を噴射し、部材に積層して膜を形成する。厚さ２００μｍの場合、同じ場所で４０〜２００回の繰り返し動作が必要になり、時間とコストがかかると共に積層しているスプラット間の隙間はほぼ一定で、気孔率が変えられず、低熱伝導率の膜が得られにくい。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、気孔率を向上できるアルミニウム合金材のハイブリッド遮熱コーティング方法及びその構造並びにピストンを提供することにある。
上記目的を達成するために本発明は、アルミニウム合金材の表面にプラズマ溶射によりジルコニアのスプラットを積層し、そのアルミニウム合金材の表面を、前記スプラットを覆うようにアルマイト処理してハイブリッド遮熱コーティング膜を形成することを特徴とするアルミニウム合金材のハイブリッド遮熱コーティング方法である。
ジルコニアのスプラットは、直径数μｍ×厚さ１μｍの円板或いはドーム状の粒子からなるのが好ましい。
アルマイト処理は、硫酸濃度１０〜２０％、電流密度１〜２Ａ／ｄｍ2、処理時間３０分以上、５時間以下で、厚さが２０μｍ以上、２５０μｍ以下のアルマイト膜からなるハイブリッド遮熱コーティング膜を形成するのが好ましい。
また本発明は、アルミニウム合金の表面にジルコニアのスプラットが積層されると共に、前記アルミニウム合金の表面に、前記ジルコニアのスプラットを覆ってアルマイト膜からなるハイブリッド遮熱コーティング膜が形成されたことを特徴とするアルミニウム合金材のハイブリッド遮熱コーティング構造である。
前記ハイブリッド遮熱コーティング膜は、厚さが２０μｍ以上、２５０μｍ以下、熱伝導率が、０．２〜１．５Ｗ／ｍＫであるのが好ましい。
さらに本発明は、アルミニウム合金で形成されるピストンの頂面と燃焼室の表面にジルコニアのスプラットが積層されると共に、ピストンの頂面と燃焼室の表面に前記ジルコニアのスプラットを覆ってアルマイト膜からなるハイブリッド遮熱コーティング膜が形成されたことを特徴とするピストンである。
前記ハイブリッド遮熱コーティング膜は、厚さが２０μｍ以上、２５０μｍ以下、熱伝導率が、０．２〜１．５Ｗ／ｍＫであるのが好ましい。
本発明によれば、ハイブリッド遮熱コーティング膜の気孔率が増加し、熱伝導率を低下させることができるという優れた効果を発揮するものである。
以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
先ず、アルミニウム合金材のハイブリッド遮熱コーティング方法が適用されるディーゼルエンジンのピストン構造を説明する。
図１（ａ）において、１０は、ピストンで、その頂面１１に凹状の燃焼室１２が形成される。
ピストン１０は、ＡＣ８ＡやＡｌ−１２ｍａｓｓ％Ｓｉ−（１〜３ｍａｓｓ％）Ｎｉ−（０．５〜１ｍａｓｓ％）Ｍｇ−（１〜５ｍａｓｓ％）Ｃｕの組成からなるアルミニウム合金を用いて鋳造にて形成される。
このピストン１０を鋳造した後、ピストン１０の頂面１１と燃焼室１２のアルミニウム合金材１３の表面に、図１（ｂ）に示すようにジルコニアからなるスプラット１４が積層される。
このスプラット１４は、サスペンションプラズマ溶射（ＳＰＳ）法を用いて、アルミニウム合金材１３の表面に、溶射ガンから直径数μｍ×厚さ１μｍ（直径２〜８μｍ×厚さ０．５〜２μｍ）のスプラットを噴射して、アルミニウム合金材１３の表面に積層される。
このサスペンションプラズマ溶射を数回行って、頂面１１と燃焼室１２のアルミニウム合金材１３の表面全体に占めるスプラット１４の面積率を、１０〜５０％にする。
このようにアルミニウム合金材１３の表面にスプラット１４を積層した後、アルマイト処理を行って２０〜２５０μｍのアルマイト膜を成長させて図１（ｃ）に示すようにハイブリッド遮熱コーティング膜１５を形成する。
アルマイト処理は、図１（ａ）に示すように処理浴２０に、ピストン１０を、その頂面１１と燃焼室１２が臨むようにセットし、処理浴２０に濃度１０〜２０％硫酸（２１）を充填し、ピストン１０を＋として、電流密度１〜２Ａ／ｄｍ2、処理時間３０分以上、５時間以下で、通電することで、頂面１１と燃焼室１２の表面のアルミニウム合金材１３がアルマイト化される。この際、頂面１１と燃焼室１２の表面には、スプラット１４が形成されており、アルマイト膜はスプラット１４が蒸着積層されていない部分から成長し、その成長によりスプラット１４が覆われると共にスプラット１４上の空間を覆うように斜め方向にもアルマイト膜が成長するため、従来のアルマイト膜のように規則正しく垂直に成長するのと違って複雑に絡み合ったアルマイト膜からなるハイブリッド遮熱コーティング膜１５が形成される。
これにより、厚さが２０μｍ以上、好ましくは１００μｍ以上、２５０μｍ以下、熱伝導率０．２〜１．５Ｗ／ｍＫのアルマイト膜からなるハイブリッド遮熱コーティング膜１５が形成される。
その後、ハイブリッド遮熱コーティング膜１５の形成後は、水和処理することで、水酸化アルミニウム化して、孔壁表面を水和膨張させて封孔処理する。
このようにハイブリッド遮熱コーティング膜１５は、図１（ｂ）、図１（ｃ）に示すように、スプラット１４が形成されたアルミニウム合金材１３をアルマイト処理するため、アルマイト膜はランダムに配向して絡み合った状態で成長し、アルマイト膜の成長過程では、スプラット１４は成長されたアルマイト膜に取り込まれるため、アルマイト膜中の気孔率が増え、膜の熱伝導率が低下する。よって、スプラットを設けることで、気孔率が増加し、熱伝導が低下する。
このスプラット１４の面積率を調整することで気孔率が制御でき、成形条件によって気孔率が８０〜４０％の範囲のハイブリッド遮熱コーティング膜１５が作製できる。
本発明で処理したハイブリッド遮熱コーティングをピストンに用いた場合、従来のアルマイト膜と比較して、遮熱効果が向上し、エンジンの燃費の改善が図られる。
１０ ピストン
１１ 頂面
１２ 燃焼室
１３ アルミニウム合金材
１４ スプラット
１５ ハイブリッド遮熱コーティング膜
１１ 頂面
１２ 燃焼室
１３ アルミニウム合金材
１４ スプラット
１５ ハイブリッド遮熱コーティング膜
Claims (7)
- アルミニウム合金材の表面にプラズマ溶射によりジルコニアのスプラットを積層し、そのアルミニウム合金材の表面を、前記スプラットを覆うようにアルマイト処理してハイブリッド遮熱コーティング膜を形成することを特徴とするアルミニウム合金材のハイブリッド遮熱コーティング方法。
- ジルコニアのスプラットは、直径数μｍ×厚さ１μｍの円板或いはドーム状の粒子からなる請求項１記載のアルミニウム合金材のハイブリッド遮熱コーティング方法。
- アルマイト処理は、硫酸濃度１０〜２０％、電流密度１〜２Ａ／ｄｍ2、処理時間３０分以上、５時間以下で、厚さが２０μｍ以上、２５０μｍ以下のアルマイト膜からなるハイブリッド遮熱コーティング膜を形成する請求項１又は２記載のアルミニウム合金材のハイブリッド遮熱コーティング方法。
- アルミニウム合金の表面にジルコニアのスプラットが積層されると共に、前記アルミニウム合金の表面に、前記ジルコニアのスプラットを覆ってアルマイト膜からなるハイブリッド遮熱コーティング膜が形成されたことを特徴とするアルミニウム合金材のハイブリッド遮熱コーティング構造。
- 前記ハイブリッド遮熱コーティング膜は、厚さが２０μｍ以上、２５０μｍ以下、熱伝導率が、０．２〜１．５Ｗ／ｍＫである請求項４記載のアルミニウム合金材のハイブリッド遮熱コーティング構造。
- アルミニウム合金で形成されるピストンの頂面と燃焼室の表面にジルコニアのスプラットが積層されると共に、ピストンの頂面と燃焼室の表面に前記ジルコニアのスプラットを覆ってアルマイト膜からなるハイブリッド遮熱コーティング膜が形成されたことを特徴とするピストン。
- 前記ハイブリッド遮熱コーティング膜は、厚さが２０μｍ以上、２５０μｍ以下、熱伝導率が、０．２〜１．５Ｗ／ｍＫである請求項６記載のピストン。
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