JP6942157B2 - 遮熱膜、被覆部材およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、非直管状の空隙と該空隙を内包する骨格とからなる海綿体を有する遮熱膜であって、該骨格は、Al、Si、Oおよび不純物からなる非晶質体であると共に、X線回折分析により特定される非晶質ピークが格子面間隔で3.5Å以上となる位置にあり、見掛密度が1g/cm3以下、体積比熱が1000kJ/m3・K以下、および熱伝導率が2W/m・K以下である遮熱膜である。
本発明は、遮熱膜で被覆された部材としても把握できる。例えば、本発明は、上述した遮熱膜により、本体表面の少なくとも一部が被覆された被覆部材でもよい。
本発明は、その被覆部材の製造方法としても把握できる。例えば、本発明は、本体表面にアルミニウム合金の基層を形成する第1工程と、該基層を陽極酸化処理する第2工程とを備え、上述した被覆部材が得られる製造方法でもよい。
(1)本明細書では、特に断らない限り、遮熱膜が形成される対象(部材)を「本体」といい、遮熱膜を形成するときに陽極酸化処理される対象(例えば、高Si含有Al合金からなる部分)を「基層」または「基材」という。
遮熱膜を構成する海綿体(海綿状の多孔質体)は、骨格と、骨格内に形成された空隙(空孔)とからなる。その形態は、非直管状、非定形的、不規則的または無秩序的である。このように海綿体は、直管状の筒体が規則的に配列したポーラス層からなる従来の陽極酸化膜(アルマイト膜)とは、形態が全く異なる。従来の陽極酸化膜をパイプ構造というなら、本発明に係る海綿体または陽極酸化膜はスポンジ構造といえる。
海綿体または海綿体からなる遮熱膜は、低密度、低比熱、低熱伝導率である。以下、それらについて順に説明する。
遮熱膜の見掛密度(嵩密度)は、例えば、0.3〜1g/cm3さらには0.5〜0.8g/cm3となる。ちなみに、従来の陽極酸化膜を構成する硬質アルマイト(JIS H 8603 3種)は、見掛密度が1.9g/cm3程度である。海綿体からなる遮熱膜は、従来の陽極酸化膜よりも、空隙が多く低密度となり得る。
遮熱膜の体積比熱(容積比熱)は、例えば、100〜1000kJ/m3・Kさらには500〜800kJ/m3・Kとなる。ちなみに、前述した硬質アルマイトの体積比熱は2000kJ/m3・K程度である。
遮熱膜の熱伝導率は、例えば、0.1〜2W/m・K、さらには0.5〜1.5W/m・Kとなる。ちなみに、前述した硬質アルマイトの熱伝導率は2W/m・K、程度である。
海綿体からなる遮熱膜は、例えば、Al合金の陽極酸化処理により形成される。その基材となるAl合金は、例えば、Siを過共晶組成以上、具体的にいうと、Al合金全体に対してSiを16〜48質量%さらには18〜44質量%含むとよい。そのAl合金は、SiとAlの2元系合金(Siを含み残部がAlと不純物)でもよいし、その他の元素を含んでもよい。そのような元素として、例えば、Cu、Mg、P、Ti、B、Sr、Na、Sb、Zn、Fe、Mn、Ni、Pb、SnまたはCr等がある。
Siを多量に含むAl合金は、通常、マイクロサイズ(例えば、最大長が1〜1000μmさらには50〜600μm)のSi粒子(初晶Si粒子、共晶Si粒子等)が晶出または析出した金属組織となることが多い。このようなAl合金を陽極酸化処理すると、従来の陽極酸化膜(パイプ構造)が形成され、陽極酸化されないSi粒子の周囲に粗大な空隙(空孔)が出現する。つまり、本発明のような海綿体は形成されない。
上述した基材(基層)に対する陽極酸化処理は、交流成分と直流成分を重畳させた交直重畳通電を行う電解工程によりなされるとよい。これにより、Siが多く含まれるAl合金に対しても、海綿体が効率的に形成され得る。
遮熱膜が設けられる本体の材質、形態等は問わない。本体は、海綿体のベースとなる基層の形成が可能なら、Al合金製でも、Fe基合金(鉄鋼、鋳鉄等)製でも、セラミックス製等でもよい。
(1)本体
被膜対象として、鋳造用アルミニウム合金(JIS AC8A/Al−12%Si−1%Cu−1%Mg)からなる本体(20×40×2mm)を複数用意した。
各本体の表面に、表1に示す組成の合金粉末を溶射して基層(溶射層)を形成した。合金粉末には、ガスアトマイズ粉(メディアン径D50:10〜40μm)を用いた。溶射はプラズマ溶射装置を用いて行った。このとき、電流:450A、電圧:27.5kVとした。
硫酸水溶液(電解液)中に、供試材の被処理面(基層)を浸し、それを陽極、白金電極を陰極として通電した。この際、被処理面を除く供試材の他面はマスキングして、被処理面と白金電極の間で通電がされるようにした。また電解液は、硫酸濃度:20質量%、温度(浴温):10℃とした。通電は、電解液を撹拌しつつ行った。
(1)各試料の陽極酸化膜の縦断面(厚さ方向に切断した断面)の略中央域を、電界放出型走査顕微鏡(FE−SEM)により観察した。一例として、試料2と試料C1に係るSEM像等を図1に示した。
各試料に係る陽極酸化膜の見掛密度、空隙率、体積比熱、熱伝導率、および厚さを、既述した方法により測定した。その結果を表1にまとめて示した。
(1)膜構造
図1から明らかなように、Si量の多い溶射層(基層)に、交直重畳通電して形成した陽極酸化膜(試料1・2)は、スポンジ構造(海綿体)となっていることがわかった。このような形態の陽極酸化膜は、直管状のポーラス層からなる従来の陽極酸化膜(試料C1)とは大きくことなることが明らかになった。なお、陽極酸化処理前の溶射層に、マクロサイズのSi粒子がなかったことは、別途、SEM等で確認した。
表1から明らかなように、試料1、2に係る陽極酸化膜は、試料C1に係る陽極酸化膜よりも、低密度、低比熱、低熱伝導率であった。つまり、試料1、2に係る陽極酸化膜は、スイング特性に優れた遮熱膜であることがわかった。
Claims (8)
- 非直管状の空隙と該空隙を内包する骨格とからなる海綿体を有する遮熱膜であって、
該海綿体は、Siを過飽和に固溶したアルミニウム合金の陽極酸化物からなり、
該アルミニウム合金は、該合金全体に対してSiを16〜48質量%含み、
該骨格は、Al、Si、Oおよび不純物からなる非晶質体であると共に、X線回折分析により特定される非晶質ピークが格子面間隔で3.5Å以上となる位置にあり、
見掛密度が1g/cm3以下、体積比熱が1000kJ/m3・K以下、および熱伝導率が2W/m・K以下である遮熱膜。 - 空隙率が70%以上である請求項1に記載の遮熱膜。
- 前記見掛密度は、0.84g/cm 3 以下である請求項1または2に記載の遮熱膜。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の遮熱膜により、本体表面の少なくとも一部が被覆された被覆部材。
- 前記本体表面は、燃焼室の内壁面であり、
前記遮熱膜は、厚さが20〜150μmである請求項4に記載の被覆部材。 - 本体表面にアルミニウム合金の基層を形成する第1工程と、
該基層を陽極酸化処理する第2工程とを備え、
請求項4または5に記載した被覆部材が得られる製造方法。 - 前記第1工程は、前記アルミニウム合金の溶射工程である請求項6に記載の被覆部材の製造方法。
- 前記第2工程は、交流成分と直流成分を重畳させた交直重畳通電を行う電解工程である請求項6または7に記載の被覆部材の製造方法。
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