JPH0313581A - アルミニウム又はその合金製部品にセラミックコーティングを施す方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔従来技術の問題点〕 本発明はアルミニウム及びアルミニウム合金製部品にセ
ラミックコーティングを施す方法に係り、特に耐熱・断
熱性が要求される内燃機関の燃焼室構成部品へのセラミ
ック断熱コーティングに関するものである。

従来、内燃機関構成部品、特にピストンは主としてアル
ミニウム合金又は鋳鉄で製作されているが、エンジンの
軽量化、高性能化の観点からは鋳鉄製よりもアルミニウ
ム合金製ピストンが望ましい。しかしながら最近のター
ボ過給等による高性能化に伴う熱負荷の増加により、ア
ルミニウム合金ピストンは耐熱性及び高温強度の点で限
界に近づいている。

一方、内燃機関に於いて、熱損失の低減、エンジン効率
及びエミッションの改善、並びに比出力を最大限にする
ためには燃焼室の内壁に断熱層を設けることが有効であ
り、この目的を達成するため、燃焼室を構成する部品に
断熱セラミックコーティングを施すことが提案されてい
る。

大抵のセラミックは優れた断熱性を有しているので、こ
の方法によれば燃焼室温度を高めることができるが、セ
ラミックの熱膨張率が金属材料と比べて小さいため、エ
ンジン運転中の高熱によりコーティング層と金属基材の
境界面に熱応力が生じ、コーティング層に亀裂や剥離が
生ずるという問題がある。特に金属基材がアルミニウム
合金の場合、セラミックとの熱膨張差が大きいため、コ
ーティング処理時でさえコーティングに亀裂が発生する
傾向がある。

又、０．５〜２．７ｍｍ程度の厚いセラミックコーティ
ングが燃焼室の平均サイクル温度を高めることは良く知
られているが、この厚いコーティングでは幾つかの重大
な問題が発生している。

最も重要なことは厚いコーティングはガソリンエンジン
には不適切であるということである。

即ち、厚いコーティングにより燃焼室内の空気及び燃料
混合物の温度が、早期着火、ノッキング及び潤滑剤の劣
化を引き起こしうるほど高いレベルに上昇するからであ
る。

更にエンジンの混合ガスの充填効率は吸気行程中、燃焼
室内の空気及び燃料混合物の温度が燃焼室壁からの熱の
移動により上昇するため低下する。

最後に、厚いコーティングは金属素材との熱膨張差が大
きいので、コーティングの接着信頼性が低く、そのため
、コーティングに亀裂が入ったり、金属基材から剥離し
たりする傾向が著しい。

以上のようにアルミニウム合金製部品へのセラミックコ
ーティングは非常に難しく、これまで実用化に成功した
例は情無である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は、上記の従来の問題点を解決するためになされ
たものであり、本発明の目的とするところは、特に内燃
機関のアルミニウム合金製燃焼室構成部品の耐熱性を改
善すると共に、燃焼行程中の燃焼室温度を高めると同時
に吸気行程中の燃焼温度を最低にして充填効率を高める
ことにより、エンジン効率及び比出力を大幅に向上させ
ることができ、且つエミッションを低減することができ
るアルミニウム合金製燃焼室構成部品用の比較的薄いセ
ラミック断熱コーティングを提供することにある。

〔問題を解決するための手段〕

本発明は特に内燃機関のアルミニウム合金性燃焼室構成
部品において、下記（ａ）〜（ｄ）の工程によりアルミ
ニウム合金性燃料室構成部品の耐熱性を改善すると共に
断熱性を損なうことなく、比較的薄いコーティングにす
ることによりエンジン効率及び比出力を大幅に向上させ
ると同時にエミッションを低減することができる。しか
も耐久性のある化学的に接着・強化されたセラミック耐
熱コーティングを形成するものである。

而して、上記の目的は、 （ａ）　　セラミック微粉末と、２６０　℃以下で酸化
し得るバインダとから成るセラミックスラリ−を用いて
アルミニウム又はその合金製部品の表面に被覆を施す工
程。

（ｂ）　　基材表面のセラミックスラリ−を乾燥した後
、バインダの酸化温度に加熱して初期セラミックコーテ
ィング層を形成する工程。

（ｃ）　　初期セラミックコーティング層に有機酸のク
ロム塩水溶液を含浸して、２６０　℃以下の温度に加熱
することを少なくとも一回実施してセラミックコーティ
ング層を強化、緻密化する工程。

（ｄ）　　前工程により強化、緻密化されたセラミック
コーティング層にリン酸ベースの水溶液を含浸して２６
０℃以下の温度に加熱することを少なくとも一回実施し
てセラミックコーティング層の表面を完全にシールする
と共に、強化する工程。

とから成るセラミックコーティング方法によって達成さ
れる。尚、上記の工程中。（ｄ）項記載の工程は省略す
ることを得る。

本発明方法は簡単な処理工程の組合せであり、プラズマ
容射のような高価な設備を必要とせず、また熱処理温度
も比較的低いので製造コストが安価である。従って内燃
機関におけるピストン、シリンダヘッド等のアルミニウ
ム合金製燃焼室構成部品の耐熱性、断熱性向上方法とし
て非常に有利であると同時に、従来耐熱性の見地から鉄
系材料で構成されていた部品をアルミニウム合金化し、
軽量化することが可能となる。

又、本発明に於いて用いられる金属基材は、アルミニウ
ム又はアルミニウム合金であるが、鉄系材料、例えば鋳
鉄やステンレス鋼にも適用することも可能である。

これらの金属基材に被覆されるコーティングスラリーは
セラミック微粉末に水溶性のバインダを単純に添加、混
合することにより調製されるので、特別に磁製ボールミ
ル等を用いる必要はない。

上記セラミック微粉末としては、セラミック材料のなか
でも断熱性（低熱伝導率）に優れ、−シかも熱膨張率の
大きいジルコニアが推奨される。

又、上記ジルコニアとしては、部分安定化ジルコニアが
推奨されるが、コストの点から安定化ジルコニアと未安
定化ジルコニアの混合粉末又は部分安定化ジルコニアと
未安定化ジルコニアの混合粉末も推奨される。

更に、コーティングの目的、用途に応じて上記ジルコニ
アにアルミナ、シリカ、クロミア等のセラミック粉末を
混合することもある。又、断熱度を向上させるために中
空のセラミック粉末を使用してもよい。一方、本発明の
コーティング方法は金属基材にコーティングスラリーを
被覆した後、熱処理を行いその後も数回の含浸、熱処理
を繰り返して、化学的に接着強化されたコーティングを
形成するもので熱処理工程を伴う。

一般にアルミニウム合金鋳物は鋳造後、硬さ及び強度等
の材料特性を向上させるために熱処理が施される。従っ
て本発明のコーティング方法に伴う熱処理は少なくも鋳
造後の熱処理で得た材料特性をあまり低下させないよう
な温度で行う必要がある。

上記の理由から本発明で用いられるバインダは約２６０
℃以下の温度で酸化し、セラミック粉末間及びセラミッ
クコーティング層と金属基材との接着を可能にするもの
でなければならない。

この目的のため、上記バインダとしては、硝酸塩ベース
の水溶液、特にオキシ硝酸ジルコニウム、硝酸アルミニ
ウムの水溶液又はそれらの混合水溶液が推奨される。

又、本発明用いられる含浸剤も、上記の理由で約２６０
℃以下の温度で酸化し、初期コーティング層を緻密化し
、強化すると同時に、コーティング層と金属基材との接
着を強化するものでなければならず、この目的のため、
上記含浸剤としては有機酸のクロム塩ベースの水溶液を
用いることが推奨され、特に蟻酸クロム、酢酸クロム、
修酸クロム酸、プロピオン酸クロム、又はそれらの混合
水溶液が推奨されるものである。

次に、リン酸ベースの水溶液によるコーティング層の仕
上げ工程であるが、一般に本発明のようなスラリータイ
プセラミックコーティング、即ち水ベースのセラミック
スラリ−を通常の方法、例えば塗付、スプレー、浸漬法
等により金属基材にコーティングし、熱処理して得られ
る初期セラミックコーティング層は比較的ソフトで、ポ
ーラスであり、その気孔率は、使用するセラミック粉末
の粒度によっても異なるが、通常４０〜５０％である。

このソフトでポーラスな初期コーティング層を強化、緻
密化するための前述の含浸、熱処理では、この気孔を完
全に充填することはできない。然しなから、セラミック
コーティング中の気孔は、優れた断熱効果を与え、且つ
、温度変化や機械振動等で生じる応力を吸収するので、
むしろある程度の気孔をセラミックコーティング層中に
残した方が良い。

然しなから、セラミックコーティング表面に開口してい
る気孔については、燃焼室構成部品の場合、エンジン運
転中に燃料ガスや燃料・潤滑油中の酸腐食性成分等がこ
の表面気孔内に侵入し、次いで徐々にセラミック材料を
侵し、深部の気孔に侵入して亀裂や剥離等を生じさせる
。

以上のことを考慮して、本発明のリン酸ベースの水溶液
による仕上げ工程では、金属基材に近いセラミックコー
ティング層には気孔を残し、コーティング表面に開放す
る気孔のみを完全にシールして、硬度と、耐酸性を高め
る。

然しなから、前述の燃焼室構成部品等の酸腐食性雰囲気
以外の用途に使われる場合はリン酸ベースの水溶液によ
る仕上げ工程を省略することができる。

以上の如くして得られたセラミックコーティング層は、
使用するセラミック粉末の粒度にもよるが、精密な寸法
が要求されなければ、軽くポリッシュする程度で表面を
平滑とすることができる。

又、本発明方法によって得られるセラミックコーティン
グの厚さは比較的薄く、５０〜７５０　ミクロン程度で
あるが、燃焼工程中の燃焼室温度を高温に保持するのに
充分有効であるので、前述の含浸、熱処理サイクルは通
常３〜５回で足り、それ以上の工数を必要としない。

〔実施例１〕 下記の如（して、本発明方法を実施し、得られたコーテ
ィング層の表面チエツクと熱衝撃テストを行い、表１に
示す如き結果を得た。

（１）金属基材 直径３２ｍｍ、厚さ８ｍｍ　（ＪＩＳ　ＡＣ８八）のテ
ストピースを用意し、コーティングが施される側の表面
をグリッドブラスティングにより荒らした後、アセトン
等で洗浄。

（２）　　コーティングスラリーの調製カルシウム安定
化ジルコニウム微粉末と、安定化されていないジルコニ
ウム微粉末を、重量比テ１対１の割合で混合したセラミ
ック微粉末に、ジルコニウム含有率２０％のオキシ硝酸
ジルコニウム水溶液と蒸留水とを重量比で１：２の割合
で混合したバインダを添加して、比重１．９のコーティ
ングスラリーを調製した。

（３）初期セラミックコーティング強化用含浸剤として
蟻酸クロム水溶液（ｃｒｚＯ＋換算率２０％）を使用し
た。

（４）最終セラミックコーティング仕上用含浸剤として
８５％ｏｒ　ｔｈ−リン酸水溶液を使用した。

（５）処理工程 （ａ）　　先ず、前テストピースのグリッドブラスティ
ングで荒らした表面に、スプレーガンを使用してコーテ
ィングスラリーを塗付し、その表面が乾燥した後、電気
炉を用いて、常温から２６０℃へ約５０分間かけて加熱
速度は一定あるいは加熱初期は緩やかにその後徐々に昇
温し、１０分間保持した後、炉内で約３０分間かけて約
１５０℃まで冷却後、炉外で常温まで冷却。

（ｂ）　　次に、前工程（ａ）で形成された初期セラミ
ックコーティング層に前記（３）項記載の含浸剤をハケ
により塗布し、充分含浸させた後、コーティング表面に
付着した余分の液を軽く拭き取り、前記工程（ａ）と同
様の熱処理を行った。

この含浸剤による含浸、熱処理を更に３回（ｃ） 繰り返し行い、初期セラミックコーティング層を強化し
た。

最後に仕上げ工程として、前記（４）項記載の含浸剤を
使用して、前記工程（ｂ）と同様の含浸、熱処理を１回
行った。

但し、コーティング表面状態のチエツクは、染色浸透探
傷（カラーチエツク剤）を用いて亀裂の有無をチエツク
した。熱衝撃テストは、２０秒間天然ガスの火炎で４（
１０℃に加熱、５秒間水冷、１サイクル２５秒で実施し
た。

而して、得られたテストピースに形成されたセラミック
コーティング層の性能を試験して表１に示す如き結果を
得た。表１には、比較例として製造したダクタイル鋳鉄
製テストピースにプラズマ溶射法により形成したジルコ
ニアコーティング層のデータも示しである。

表１ 〔実施例２〕 アルミニウム合金製ピストン（直径８０閣）の頂面に、
実施例１と全く同様の処理を施し、セラミックコーティ
ング層を形成した。

実施例２のピストンに形成されたセラミックコーティン
グ層を試験して表２に示す如き結果を得た。表２には、
比較例として製造したダクタイル鋳鉄製ピストンに、プ
ラズマ溶射法により形成したジルコニアコーティング層
のデータも示しである。

表２ 但し、コーティング表面状態のチエツクは、実施例１と
同様。

エンジンテストには、ボア径８０１１１ＲＩの噴射ディ
ーゼルエンジンを使用し、排気ガス温度６５０″Ｃ、ト
ップリングリヴアーサルに於けるライナ温度２６０℃１
油温１５５℃で実施した。

本発明は斜状の如く構成されるので、本発明方法を実施
すれば、アルミニウム合金製のエンジン部品等に最適の
セラミックコーディングを施すことができる。

本発明を実施するに当たっては、例えば、前記の処理工
程（ａ）に於いてコーティングスラリーを塗装中、又は
塗装置後コーティングスラリーが乾燥する前に、コーテ
ィングスラリー中の気孔を除去し、コーティング層を緻
密化するために、コーティングが塗装された被処理物に
超音波振動や衝撃等を与える工程を付は加えることもあ
り、更に、処理工程（ｂ）のコーティング表面に付着し
た余分な液を取り除くため、水でリンスすることも推奨
され、又、本発明方法を実施する際の熱処理により被処
理物ベース材の材料特性に劣化が生じた場合は、コーテ
ィング処理後、被処理物材料特性を改善するための再熱
処理を施すことも可能である。

〔発明の効果〕

本発明のセラミック断熱コーティングによりアルミニウ
ム合金製部品の耐熱性を向上できるので、従来耐熱性の
観点から鉄系材料が使用されていた部品のアルミ合金化
、即ち軽量化が可能となる。

又、本発明方法を実施する際の熱処理温度は、２６０℃
以下であるため、鋳造後の熱処理で与えられたアルミ合
金の材料特性を劣化させることがない。

又、本発明方法を実施するための処理工程は簡単で、プ
ラズマ容射のように高価な設備を必要としないので製造
コストが嵩まない。

更に又、本発明の断熱コーティングは比較的薄いので、
吸気行程中の燃焼室温度を下げることができ、これによ
り空気及び燃料混合物の充填比が高まり、然も圧縮工程
中での仕事量を低減できるので、エンジン効率及び比出
力が改善される。

又、厚い断熱コーティングにより一般的に引き起こされ
る早期着火又はノッキングを発生しないので、本発明方
法は、特にガソリンエンジンにコーティングを施すのに
適している。

更に、薄いコーティングは厚いコーティングに発生し易
い亀裂や剥離を生じないので、信顛性及び耐久性が極め
て高い。

最後に、本発明では有機酸のクロム塩酸水溶液の含浸・
焼成によりコーティング層中に酸化クロム（ｃｒｚＯｉ
）を成育させコーティング層を強化・緻密化するのであ
るが、この処理は比較的ソフトなコーティング層を形成
するため耐亀裂性に優れ、更にコーティング層め厚さも
耐亀裂性を損なうことなく、ある程度増加させることも
できる。

尚、本発明は斜上の実施例等で示したエンジン部品に限
定されるものではなく、耐熱性、断熱性が要求されるす
べてのアルミニウム及びアルミニウム合金製部品に応用
し得るものである。

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. （１）　下記（ａ）〜（ｄ）項記載の工程から成るアル
   ミニウム及び又はその合金製部品にセラミックコーティ
   ングを施す方法。 （ａ）　セラミック微粉末と、２６０℃以下で酸化し得
   るバインダとから成るセラミックスラリーを用いてアル
   ミニウム又はその合金製部品の表面に被覆を施す工程。 （ｂ）　基材表面のセラミックスラリーを乾燥した後、
   バインダの酸化温度に加熱して初期セラミックコーティ
   ング層を形成する工程。 （ｃ）　初期セラミックコーティング層に有機酸のクロ
   ム塩水溶液を含浸して、２６０℃以下の温度に加熱する
   ことを少なくとも一回実施してセラミックコーティング
   層を強化、緻密化する工程。 （ｄ）　前工程により強化、緻密化されたセラミックコ
   ーティング層にリン酸ベースの水溶液を含浸して２６０
   ℃以下の温度に加熱することを少なくとも一回実施し、
   セラミックコーティング層の表面を完全にシールすると
   共に、強化する工程。
2. （２）　セラミック微粉末が、ジルコニア（ＺｒＯ＿２
   ）を含む請求項１に記載のアルミニウム又はその合金製
   部品にセラミックコーティングを施す方法。
3. （３）　ジルコニアが、安定化ジルコニア、部分安定化
   ジルコニア、未安定化ジルコニアから成る群の中から選
   ばれた少なくとも１つのジルコニアである請求項２に記
   載のアルミニウム又はその合金製部品にセラミックコー
   ティングを施す方法。
4. （４）　バインダが、硝酸塩ベースの水溶液である請求
   項１に記載のコーティング方法。
5. （５）　バインダが、オキシ硝酸ジルコニウム及び硝酸
   アルミニウムの水溶液から成る群のなかから選ばれた少
   なくとも１つの物質から成る請求項１に記載のアルミニ
   ウム又はその合金製部品にセラミックコーティングを施
   す方法。
6. （６）　初期セラミック被覆層を強化・緻密化するため
   の含浸剤が、蟻酸クロム、酢酸クロム、修酸クロム、プ
   ロピオン酸クロムから成る群のなかから選ばれた少なく
   とも１つの物質の水溶液である請求項１に記載のアルミ
   ニウム又はその合金製部品にセラミックコーティングを
   施す方法。
7. （７）　セラミック被覆層の少なくとも表面層をシール
   するために用いるリン酸水溶液が、ｏｒｔｈｏ−リン酸
   である請求項１に記載のアルミニウム又はその合金製部
   品にセラミックコーティングを施す方法。
8. （８）　リン酸ベースの水溶液が、硝酸アンモニウムを
   含む水溶液である請求項１に記載のアルミニウム又はそ
   の合金製部品にセラミックコーティングを施す方法。
9. （９）　リン酸ベースの水溶液が、有機酸のクロム塩を
   含む水溶液である請求項１に記載のアルミニウム又はそ
   の合金製部品にセラミックコーティングを施す方法。
10. （１０）　熱処理温度が約２６０℃以下である請求項１
    に記載のアルミニウム又はその合金製部品にセラミック
    コーティングを施す方法。
11. （１１）　塗付、スプレー又は浸漬によりセラミックス
    ラリーの被覆を行う請求項１に記載のアルミニウム又は
    その合金製部品にセラミックコーティングを施す方法。
12. （１２）　コーティング層の厚さが０．０５ｍｍ以上０
    ．７５ｍｍ以下、好ましくは０．１０以上０．６０以下
    である請求項１に記載のアルミニウム又はその合金製部
    品にセラミックコーティングを施す方法。
13. （１３）　下記（ａ）〜（ｃ）項記載の工程から成るア
    ルミニウム及び又はその合金製部品にセラミックコーテ
    ィングを施す方法。 （ａ）　セラミック微粉末と、２６０℃以下で酸化し得
    るバインダとから成るセラミックスラリーを用いてアル
    ミニウム又はその合金製部品の表面に被覆を施す工程。 （ｂ）　基材表面のセラミックスラリーを乾燥した後、
    バインダの酸化温度に加熱して初期セラミックコーティ
    ング層を形成する工程。 （ｃ）　前工程の初期セラミックコーティング層に有機
    酸のクロム塩水溶液を含浸して、約２６０℃以下の温度
    に加熱することを少なくとも一回実施してセラミックコ
    ーティング層を強化、緻密化する工程。