JPH0333428B2 - - Google Patents
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- JPH0333428B2 JPH0333428B2 JP57177821A JP17782182A JPH0333428B2 JP H0333428 B2 JPH0333428 B2 JP H0333428B2 JP 57177821 A JP57177821 A JP 57177821A JP 17782182 A JP17782182 A JP 17782182A JP H0333428 B2 JPH0333428 B2 JP H0333428B2
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Description
【発明の詳細な説明】
この発明は内燃機関用ピストン等に使用される
耐熱性を有する軽合金部材およびその製造方法に
関するものである。
耐熱性を有する軽合金部材およびその製造方法に
関するものである。
周知のようにアルミニウム合金やマグネシウム
合金等のいわゆる軽合金材料は軽量である反面、
耐熱系および断熱性に劣る欠点があり、そのため
これらの軽合金材料をそのまま高温雰囲気に使用
するのは困難である。そこで従来から、軽量性が
要求されしかも耐熱性、断熱性が要求される部
材、例えば内熱機関用ピストンやシリンダヘツド
燃焼室にこれらの軽合金材料を適用可能にするた
め、軽合金材料からなる母材表面に耐熱性、断熱
性を有する表面層を設けることが種々提案されて
いる。すなわち、第１の方法としては、セラミツ
クあるいは耐火金属からなる成形加工品をボルト
締結や機械的カシメ、あるいは溶接等によつて軽
合金製母材表面に結合する方法があり、また第２
の方法としては、セラミツクあるいは耐火金属を
鋳包み法により軽合金製母材に一体化する方法が
あり、さらに第３の方法としては、溶射法、陽極
酸化法あるいはメツキ法等により軽合金製母材表
面を被覆もしくは表面処理する方法がある。しか
しながらこれらの従来方法では次のような問題が
あつた。すなわちアルミニウム合金やマグネシウ
ム合金等の軽合金材料はその熱膨張率が著しく高
く、耐熱性、断熱性を有する表面層の材料として
用いられているセラミツクや耐火金属の熱膨張率
との差が大きいため、熱サイクルを受けた場合に
その熱膨張率の差に起因して表面層に亀裂が発生
したり剥離したりし易く、したがつて耐久性に欠
ける問題があつた。また特に表面層の耐熱・断熱
材料としてセラミツクを用いかつ前記第１または
第２の方法を適用する場合、セラミツクの成形お
よび加工を要することになるが、セラミツクはそ
の成形、加工が容易ではなく、成形、加工のコス
トが嵩むから、全体の製造コストも高くならざる
を得ない問題がある。一方表面層として耐火金属
を用いた場合、それ自体の耐熱性はさほど良好で
はなく、したがつて充分な断熱性を有する軽合金
部材を得ることは困難であつた。さらに前記第３
の方法では、表面層をある程度以上厚くすること
はコスト等の点から困難であり、したがつて充分
な断熱性を得ることは困難であつた。
合金等のいわゆる軽合金材料は軽量である反面、
耐熱系および断熱性に劣る欠点があり、そのため
これらの軽合金材料をそのまま高温雰囲気に使用
するのは困難である。そこで従来から、軽量性が
要求されしかも耐熱性、断熱性が要求される部
材、例えば内熱機関用ピストンやシリンダヘツド
燃焼室にこれらの軽合金材料を適用可能にするた
め、軽合金材料からなる母材表面に耐熱性、断熱
性を有する表面層を設けることが種々提案されて
いる。すなわち、第１の方法としては、セラミツ
クあるいは耐火金属からなる成形加工品をボルト
締結や機械的カシメ、あるいは溶接等によつて軽
合金製母材表面に結合する方法があり、また第２
の方法としては、セラミツクあるいは耐火金属を
鋳包み法により軽合金製母材に一体化する方法が
あり、さらに第３の方法としては、溶射法、陽極
酸化法あるいはメツキ法等により軽合金製母材表
面を被覆もしくは表面処理する方法がある。しか
しながらこれらの従来方法では次のような問題が
あつた。すなわちアルミニウム合金やマグネシウ
ム合金等の軽合金材料はその熱膨張率が著しく高
く、耐熱性、断熱性を有する表面層の材料として
用いられているセラミツクや耐火金属の熱膨張率
との差が大きいため、熱サイクルを受けた場合に
その熱膨張率の差に起因して表面層に亀裂が発生
したり剥離したりし易く、したがつて耐久性に欠
ける問題があつた。また特に表面層の耐熱・断熱
材料としてセラミツクを用いかつ前記第１または
第２の方法を適用する場合、セラミツクの成形お
よび加工を要することになるが、セラミツクはそ
の成形、加工が容易ではなく、成形、加工のコス
トが嵩むから、全体の製造コストも高くならざる
を得ない問題がある。一方表面層として耐火金属
を用いた場合、それ自体の耐熱性はさほど良好で
はなく、したがつて充分な断熱性を有する軽合金
部材を得ることは困難であつた。さらに前記第３
の方法では、表面層をある程度以上厚くすること
はコスト等の点から困難であり、したがつて充分
な断熱性を得ることは困難であつた。
この発明は以上の事情に鑑みてなされたもの
で、軽合金材料の有する軽量性を活かし、かつ耐
熱性、断熱性に優れ、しかも耐久性、生産性の良
好な軽合金部材およびその製造方法を提供するこ
とを目的とするものである。
で、軽合金材料の有する軽量性を活かし、かつ耐
熱性、断熱性に優れ、しかも耐久性、生産性の良
好な軽合金部材およびその製造方法を提供するこ
とを目的とするものである。
すなわちこの発明の軽合金部材は、軽合金材料
からなる本体の表面に、その本体側から表面側へ
向けて、軽合金材料よりも熱伝導率および熱膨張
率が小さい耐熱性の繊維および軽合金材料を複合
一体化してなる繊維／軽合金複合層と、耐熱合金
からなる溶射層とがその耐熱合金溶射層が部材の
最表面層となるように順に形成されており、さら
に前記溶射層と複合層との境界層部分において、
溶射層を構成する耐熱合金と複合層を構成する繊
維および軽合金とが複合されていることを特徴と
するものである。
からなる本体の表面に、その本体側から表面側へ
向けて、軽合金材料よりも熱伝導率および熱膨張
率が小さい耐熱性の繊維および軽合金材料を複合
一体化してなる繊維／軽合金複合層と、耐熱合金
からなる溶射層とがその耐熱合金溶射層が部材の
最表面層となるように順に形成されており、さら
に前記溶射層と複合層との境界層部分において、
溶射層を構成する耐熱合金と複合層を構成する繊
維および軽合金とが複合されていることを特徴と
するものである。
またこの発明の軽合金部材製造方法は、耐熱性
を有する繊維成形体の一方の表面に耐熱合金を溶
射し、次いで鋳型内面の所要箇所に前記繊維成形
体表面の溶射層が鋳型内面に接するように配置し
た状態で鋳型内に軽合金溶湯を注湯し、溶湯鋳造
を行つて前記繊維成形体の繊維間および繊維成形
体側の溶射耐熱金属の空孔、空隙に軽合金を含浸
させ、これにより最表面層として耐熱合金溶射層
を有する耐熱性軽合金材料を得ることを特徴とす
るものである。
を有する繊維成形体の一方の表面に耐熱合金を溶
射し、次いで鋳型内面の所要箇所に前記繊維成形
体表面の溶射層が鋳型内面に接するように配置し
た状態で鋳型内に軽合金溶湯を注湯し、溶湯鋳造
を行つて前記繊維成形体の繊維間および繊維成形
体側の溶射耐熱金属の空孔、空隙に軽合金を含浸
させ、これにより最表面層として耐熱合金溶射層
を有する耐熱性軽合金材料を得ることを特徴とす
るものである。
以下この発明を詳細に説明する。
第１図および第２図はこの発明に係る軽合金部
材の一例を示すものであり、アルミニウム合金あ
るいはマグネシウム合金等の軽合金材料からなる
本体１の表面には、無機繊維あるいは金属繊維等
の耐熱性の繊維と前記軽合金材料とを複合一体化
してなる繊維／軽合金複合層２が本体１と接して
形成されており、その複合層２の上には耐熱合金
溶射層３が形成されている。そしてこの耐熱合金
溶射層３が目的とする部材の最表面層を構成して
いる。さらに前記耐熱合金溶射層３と繊維／軽合
金複合層２との境界層４は、第２図に示すように
溶射層３を構成する耐熱合金と複合層２を構成す
る繊維５および軽合金が複合された状態となつて
いる。すなわち、溶射層３の耐熱合金が複合層２
の繊維に若干入り込み、かつその部分の空隙や溶
射合金自体の空孔に複合層３の軽合金が含浸さ
れ、これにより境界層４は前記３者が混然一体化
された層となつている。
材の一例を示すものであり、アルミニウム合金あ
るいはマグネシウム合金等の軽合金材料からなる
本体１の表面には、無機繊維あるいは金属繊維等
の耐熱性の繊維と前記軽合金材料とを複合一体化
してなる繊維／軽合金複合層２が本体１と接して
形成されており、その複合層２の上には耐熱合金
溶射層３が形成されている。そしてこの耐熱合金
溶射層３が目的とする部材の最表面層を構成して
いる。さらに前記耐熱合金溶射層３と繊維／軽合
金複合層２との境界層４は、第２図に示すように
溶射層３を構成する耐熱合金と複合層２を構成す
る繊維５および軽合金が複合された状態となつて
いる。すなわち、溶射層３の耐熱合金が複合層２
の繊維に若干入り込み、かつその部分の空隙や溶
射合金自体の空孔に複合層３の軽合金が含浸さ
れ、これにより境界層４は前記３者が混然一体化
された層となつている。
上述の本体１および各層２，３，４についてさ
らに詳細に説明すると、軽合金製本体１は各種の
アルミニウム合金やマグネシウム合金の内から部
材の本体部分に要求される特性に応じた材料を選
択すれば良い。またこの本体１の使用される軽合
金材料と複合層２に使用される軽合金材料とは同
種のものであるから、その合金材料としては複合
層２における繊維との複合性が良好なものを選択
することが望ましい。
らに詳細に説明すると、軽合金製本体１は各種の
アルミニウム合金やマグネシウム合金の内から部
材の本体部分に要求される特性に応じた材料を選
択すれば良い。またこの本体１の使用される軽合
金材料と複合層２に使用される軽合金材料とは同
種のものであるから、その合金材料としては複合
層２における繊維との複合性が良好なものを選択
することが望ましい。
前記繊維／軽合金複合層２は、後述するような
無機繊維もしくは金属繊維等の耐熱性の繊維と、
本体１を構成する軽合金材料と同種の軽合金材料
とを複合一体化してなるものであり、その繊維と
しては軽合金材料よりも熱膨張率および熱伝導率
が低いものを用いる。このように複合層２中の繊
維として熱膨張率が軽合金材料よりも低いものを
選択することによつて、複合層全体としての熱膨
張率を軽合金製本体１よりも低くして、その複合
層２の熱膨張率を耐熱合金溶射層３の熱膨張率に
近付けるかまたは一致させることができる。ここ
で、軽合金製の本体１の熱膨張率に比較し、耐熱
合金溶射層４の熱膨張率は著しく小さく、例えば
アルミニウム合金において20〜23×10-6／deｇ、
マグネシウム合金において20〜26×10-6／deｇに
対し耐熱合金溶射層においては後述する如く通常
は12〜18×10-6／deｇ程度であるから、その間に
前記複合層２が介在しなければ、使用中の加熱冷
却の繰返しによる軽合金製本体１の膨張、収縮に
よつて耐熱合金溶射層３が剥離したり亀裂を生じ
たりするが、上述のように耐熱合金溶射層３と本
体１との間に複合層２を介在させしかもその複合
層２中の繊維として本体１の軽合金材料よりも熱
膨張率が低いものを用いてその複合層２の全体の
熱膨張率を耐熱合金溶射層３に近付けるかまたは
一致させることにより、耐熱合金溶射層３の亀裂
発生や剥離を防止することができる。なお本体１
の軽合金材料と複合層２中の軽合金材料は前述の
ように同種のものを用いて連続一体化されるか
ら、本体１と複合層２との間において剥離が生じ
るおそれはなく、また複合層２は繊維によつて強
化されているから、亀裂が発生するおそれが少な
い。また前述のように複合層２中の繊維として本
体１の軽合金材料よりも熱伝導率が低いものを用
いることにより、複合層２の全体としての熱伝導
率が軽合金製本体１よりも低くなるため、複合層
２が軽合金製本体１に対する断熱層として作用
し、本体１の高温による軟化や劣化を防止するこ
とができる、なおこのように中間の複合層２に断
熱層としての作用を充分に発揮させるためには、
その厚みを比較的大きくすることが望ましいが、
この層は繊維と軽合金材料とを複合したものであ
つて、後述する製造方法の説明において詳述する
ように相当程度まで厚くすることが可能である。
無機繊維もしくは金属繊維等の耐熱性の繊維と、
本体１を構成する軽合金材料と同種の軽合金材料
とを複合一体化してなるものであり、その繊維と
しては軽合金材料よりも熱膨張率および熱伝導率
が低いものを用いる。このように複合層２中の繊
維として熱膨張率が軽合金材料よりも低いものを
選択することによつて、複合層全体としての熱膨
張率を軽合金製本体１よりも低くして、その複合
層２の熱膨張率を耐熱合金溶射層３の熱膨張率に
近付けるかまたは一致させることができる。ここ
で、軽合金製の本体１の熱膨張率に比較し、耐熱
合金溶射層４の熱膨張率は著しく小さく、例えば
アルミニウム合金において20〜23×10-6／deｇ、
マグネシウム合金において20〜26×10-6／deｇに
対し耐熱合金溶射層においては後述する如く通常
は12〜18×10-6／deｇ程度であるから、その間に
前記複合層２が介在しなければ、使用中の加熱冷
却の繰返しによる軽合金製本体１の膨張、収縮に
よつて耐熱合金溶射層３が剥離したり亀裂を生じ
たりするが、上述のように耐熱合金溶射層３と本
体１との間に複合層２を介在させしかもその複合
層２中の繊維として本体１の軽合金材料よりも熱
膨張率が低いものを用いてその複合層２の全体の
熱膨張率を耐熱合金溶射層３に近付けるかまたは
一致させることにより、耐熱合金溶射層３の亀裂
発生や剥離を防止することができる。なお本体１
の軽合金材料と複合層２中の軽合金材料は前述の
ように同種のものを用いて連続一体化されるか
ら、本体１と複合層２との間において剥離が生じ
るおそれはなく、また複合層２は繊維によつて強
化されているから、亀裂が発生するおそれが少な
い。また前述のように複合層２中の繊維として本
体１の軽合金材料よりも熱伝導率が低いものを用
いることにより、複合層２の全体としての熱伝導
率が軽合金製本体１よりも低くなるため、複合層
２が軽合金製本体１に対する断熱層として作用
し、本体１の高温による軟化や劣化を防止するこ
とができる、なおこのように中間の複合層２に断
熱層としての作用を充分に発揮させるためには、
その厚みを比較的大きくすることが望ましいが、
この層は繊維と軽合金材料とを複合したものであ
つて、後述する製造方法の説明において詳述する
ように相当程度まで厚くすることが可能である。
上述のような複合層２中の耐熱性繊維として
は、具体的には炭素、アルミナ（Al2、O3）、ア
ルミナ−シリカ（Al2O3−SiO2）、炭化珪素
（SiC）等の無機長繊維もしくはそれらの短繊維、
タングステン、ステンレス鋼等の金属長繊維もし
くはそれらの金属短繊維、さらにはAl2O3、SiC、
Si3N4、K2Ti6O13（チタン酸カリウム）等のホイ
スカーのうちから適宜選択して用いれば良い。な
お、軽合金との複合性を良好にするために、前記
繊維として予め軽合金溶湯の濡れ性が良好な物質
あるいは軽合金自体をコーテイングしたものを用
いても良い。
は、具体的には炭素、アルミナ（Al2、O3）、ア
ルミナ−シリカ（Al2O3−SiO2）、炭化珪素
（SiC）等の無機長繊維もしくはそれらの短繊維、
タングステン、ステンレス鋼等の金属長繊維もし
くはそれらの金属短繊維、さらにはAl2O3、SiC、
Si3N4、K2Ti6O13（チタン酸カリウム）等のホイ
スカーのうちから適宜選択して用いれば良い。な
お、軽合金との複合性を良好にするために、前記
繊維として予め軽合金溶湯の濡れ性が良好な物質
あるいは軽合金自体をコーテイングしたものを用
いても良い。
前記複合層における繊維の配合割合は特には限
定されないが、所期の断熱性を付与ししかも熱膨
張率を低下させるためには、体積割合にして２％
程度以上が望ましく、一方繊維の割合が50％を越
えれば繊維と軽合金との複合が困難となるから、
通常は２〜50％程度の範囲内とすることが望まし
い。また複合層２の厚みは、部材の用途によつて
も異なるが、通常は２〜30mm程度とすることか望
ましい。２mm未満では充分な断熱性を得ることが
困難となることがある。複合層による断熱性を良
好にするためには可及的に厚いことが望ましい
が、30mmを越えて厚くしてもいたずらにコスト増
大を招くだけである。
定されないが、所期の断熱性を付与ししかも熱膨
張率を低下させるためには、体積割合にして２％
程度以上が望ましく、一方繊維の割合が50％を越
えれば繊維と軽合金との複合が困難となるから、
通常は２〜50％程度の範囲内とすることが望まし
い。また複合層２の厚みは、部材の用途によつて
も異なるが、通常は２〜30mm程度とすることか望
ましい。２mm未満では充分な断熱性を得ることが
困難となることがある。複合層による断熱性を良
好にするためには可及的に厚いことが望ましい
が、30mmを越えて厚くしてもいたずらにコスト増
大を招くだけである。
なおまた、繊維／軽合金複合層２は、軽合金本
体１の側と耐熱合金溶射層３の側との熱膨張率の
変化をより連続的にするために、繊維の密度を軽
合金本体の側で低く、耐熱合金溶射層３の側で高
くしても良い。この場合の繊維密度の変化は連続
的でも良く、また段階的でも良い。
体１の側と耐熱合金溶射層３の側との熱膨張率の
変化をより連続的にするために、繊維の密度を軽
合金本体の側で低く、耐熱合金溶射層３の側で高
くしても良い。この場合の繊維密度の変化は連続
的でも良く、また段階的でも良い。
次に耐熱合金溶射層３は、複合層２の表面を覆
うことによつて部材表面の耐熱性、耐食性を向上
させるためのものであり、したがつてこの溶射層
３に使用される耐熱合金としては、耐熱性、耐食
性に優れ、しかも望ましくは複合層２との密着性
が良好なものを選択する。このような耐熱合金と
しては例えば18−８ステンレス鋼等のステンレス
鋼、あるいはCr10〜40％および残部Niからなる
Ni−Cr合金、あるいはAl3〜20％および残部Ni
からなるAl合金、あるいはCr10〜40％、Al2〜10
％残部NiからなるNi−Cr−Al合金、さらには
Cr10〜40％、Al2〜10％、Y0.1〜１％、残部Ni
からなるNi−Cr−Al−Ｙ合金等がある。なおこ
こで例示した各合金の熱膨張率はいずれも12〜18
×10-6／deｇ程度である。
うことによつて部材表面の耐熱性、耐食性を向上
させるためのものであり、したがつてこの溶射層
３に使用される耐熱合金としては、耐熱性、耐食
性に優れ、しかも望ましくは複合層２との密着性
が良好なものを選択する。このような耐熱合金と
しては例えば18−８ステンレス鋼等のステンレス
鋼、あるいはCr10〜40％および残部Niからなる
Ni−Cr合金、あるいはAl3〜20％および残部Ni
からなるAl合金、あるいはCr10〜40％、Al2〜10
％残部NiからなるNi−Cr−Al合金、さらには
Cr10〜40％、Al2〜10％、Y0.1〜１％、残部Ni
からなるNi−Cr−Al−Ｙ合金等がある。なおこ
こで例示した各合金の熱膨張率はいずれも12〜18
×10-6／deｇ程度である。
なお耐熱合金溶射層３の厚みは、10μｍ〜５mm
程度とすることが望ましい。10μｍ以下では充分
な耐熱性が得られないことがあり、一方５mmを越
えなれば溶射時間が長時間となつて生産性の低下
を招くおそれがある。
程度とすることが望ましい。10μｍ以下では充分
な耐熱性が得られないことがあり、一方５mmを越
えなれば溶射時間が長時間となつて生産性の低下
を招くおそれがある。
前述のような繊維／軽合金複合層２と溶射層３
との境界層４においては、繊維間や溶射耐熱合金
の間の空隙に溶射層３の耐熱合金が入り込み、か
つその溶射された耐熱合金の空孔に複合層２の軽
合金が含浸されて、溶射耐熱合金と繊維および軽
合金とが複合化されている。したがつて複合層２
と溶射層３との結合強度が著しく大きく、このこ
とも溶射層３の亀裂や剥離が生じ難くなる重要な
要因となつている。
との境界層４においては、繊維間や溶射耐熱合金
の間の空隙に溶射層３の耐熱合金が入り込み、か
つその溶射された耐熱合金の空孔に複合層２の軽
合金が含浸されて、溶射耐熱合金と繊維および軽
合金とが複合化されている。したがつて複合層２
と溶射層３との結合強度が著しく大きく、このこ
とも溶射層３の亀裂や剥離が生じ難くなる重要な
要因となつている。
このように境界層４を溶射耐熱合金、繊維、お
よび軽合金の複合層とするためには、例えば後述
する製造方法で説明するように、繊維を軽合金と
複合する以前に繊維の一方の側の表面に耐熱合金
を溶射して、耐熱合金溶射層３を形成すると同時
にその溶射金属の一部を繊維の表面層に入り込ま
せ、しかる後に繊維に軽合金溶湯を含浸させれば
良い。この場合、繊維に耐熱合金を溶射した状態
では溶射金属自体に通常は無数の微小な空孔が存
在し、しかも繊維に入り込んだ溶射金属は繊維間
の空隙に完全には充満されないから、その部分に
空隙が存在し、したがつて引続く軽合金含浸過程
においては溶射層と繊維とが複合されている境界
層部分におけるこれらの空孔や空隙にも軽合金が
充填され、この結果境界層部分が耐熱合金と繊維
および軽合金とが複合一体化された層となる。
よび軽合金の複合層とするためには、例えば後述
する製造方法で説明するように、繊維を軽合金と
複合する以前に繊維の一方の側の表面に耐熱合金
を溶射して、耐熱合金溶射層３を形成すると同時
にその溶射金属の一部を繊維の表面層に入り込ま
せ、しかる後に繊維に軽合金溶湯を含浸させれば
良い。この場合、繊維に耐熱合金を溶射した状態
では溶射金属自体に通常は無数の微小な空孔が存
在し、しかも繊維に入り込んだ溶射金属は繊維間
の空隙に完全には充満されないから、その部分に
空隙が存在し、したがつて引続く軽合金含浸過程
においては溶射層と繊維とが複合されている境界
層部分におけるこれらの空孔や空隙にも軽合金が
充填され、この結果境界層部分が耐熱合金と繊維
および軽合金とが複合一体化された層となる。
以上のようなこの発明の軽合金部材を製造する
ための具体的方法は種々考えられるが、そのうち
の最も望ましい製造方法、すなわち本願の第２番
目の発明に係る製造方法を以下に説明する。
ための具体的方法は種々考えられるが、そのうち
の最も望ましい製造方法、すなわち本願の第２番
目の発明に係る製造方法を以下に説明する。
予め前述のような耐熱性の無機繊維もしくは金
属繊維を、最終製品における繊維／軽合金複合層
部分の形状、寸法に近い形状寸法に成型して、繊
維成形体を作成しておく。そしてこの繊維成形体
の一方の側の表面に耐熱合金を溶射する。この溶
射過程により、繊維成形体の一方の表面に耐熱合
金溶射層が形成されるとともに、その一部が繊維
の表面層に入り込む。次いでこの繊維成形体を、
鋳型内面の所要箇所、すなわち最終製品における
複合層の位置に対応する部分に前記溶射層が鋳型
内面に接するように配置し、その状態でアルミニ
ウム合金もしくはマグネシウム合金等の軽合金溶
湯を鋳型内に注湯し500〜1500Kg／cm2程度の高圧
を溶湯に加えて、いわゆる溶湯鍛造を行う。斯く
すれば繊維成形体の繊維間の空隙および繊維と溶
射層とが複合された境界部分の空隙やその部分に
おける溶射金属の空孔に軽合金溶湯が含浸される
から、凝固後に型内から取出せば、繊維と軽合金
とが複合された繊維／軽合金複合層および耐熱合
金溶射層を表面の所要箇所に有しかつその複合層
と溶射層との境界層部分が両者の構成材料により
複合化されたこの発明の軽合金部材が得られる。
すなわちこの軽合金部材は、軽合金からなる本体
部分と繊維／軽合金複合層とが連続一体化されし
かも複合層と溶射層も境界層部分が複合化された
ものである。なお、溶湯鋳造時における溶湯加圧
力は、軽合金溶湯の凝固まで保持する。なお耐熱
合金の溶射方法としてはガス式、アーク式、プラ
ズマ式等各種の方法を採用することができるが、
プラズマ法が強度上もつとも良い性能が得られ
る。
属繊維を、最終製品における繊維／軽合金複合層
部分の形状、寸法に近い形状寸法に成型して、繊
維成形体を作成しておく。そしてこの繊維成形体
の一方の側の表面に耐熱合金を溶射する。この溶
射過程により、繊維成形体の一方の表面に耐熱合
金溶射層が形成されるとともに、その一部が繊維
の表面層に入り込む。次いでこの繊維成形体を、
鋳型内面の所要箇所、すなわち最終製品における
複合層の位置に対応する部分に前記溶射層が鋳型
内面に接するように配置し、その状態でアルミニ
ウム合金もしくはマグネシウム合金等の軽合金溶
湯を鋳型内に注湯し500〜1500Kg／cm2程度の高圧
を溶湯に加えて、いわゆる溶湯鍛造を行う。斯く
すれば繊維成形体の繊維間の空隙および繊維と溶
射層とが複合された境界部分の空隙やその部分に
おける溶射金属の空孔に軽合金溶湯が含浸される
から、凝固後に型内から取出せば、繊維と軽合金
とが複合された繊維／軽合金複合層および耐熱合
金溶射層を表面の所要箇所に有しかつその複合層
と溶射層との境界層部分が両者の構成材料により
複合化されたこの発明の軽合金部材が得られる。
すなわちこの軽合金部材は、軽合金からなる本体
部分と繊維／軽合金複合層とが連続一体化されし
かも複合層と溶射層も境界層部分が複合化された
ものである。なお、溶湯鋳造時における溶湯加圧
力は、軽合金溶湯の凝固まで保持する。なお耐熱
合金の溶射方法としてはガス式、アーク式、プラ
ズマ式等各種の方法を採用することができるが、
プラズマ法が強度上もつとも良い性能が得られ
る。
上述のような製造方法においては、軽合金から
なる本体と繊維／軽合金複合層とが一体に成形さ
れ、しかも複合層中の軽合金か本体部分の軽合金
と連続するから、複合層と本体との結合強度が高
く、しかも複合層と溶射層もその境界層部分が複
合化されるため、溶射層の結合強度も著しく高
く、また製造上も工数が少なくなつて有利であ
る。そしてまた、使用する繊維成形体の厚みを変
えるだけで、複合層の厚みを簡単に変えることが
でき、したがつて耐熱層あるいは熱膨張、収縮に
対する緩衝帯として充分な厚みを複合層に持たせ
ることも容易である。
なる本体と繊維／軽合金複合層とが一体に成形さ
れ、しかも複合層中の軽合金か本体部分の軽合金
と連続するから、複合層と本体との結合強度が高
く、しかも複合層と溶射層もその境界層部分が複
合化されるため、溶射層の結合強度も著しく高
く、また製造上も工数が少なくなつて有利であ
る。そしてまた、使用する繊維成形体の厚みを変
えるだけで、複合層の厚みを簡単に変えることが
でき、したがつて耐熱層あるいは熱膨張、収縮に
対する緩衝帯として充分な厚みを複合層に持たせ
ることも容易である。
以下にこの発明の実施例を記す。
実施例 １
４気筒2200ccデイーゼルエンジン用の外径90mm
の耐熱ピストンについて次のようにこの発明を適
用した。すなわち耐熱性の繊維として熱伝導率が
低くしかも熱膨張率が低いチタン酸カリウムホイ
スカーを選択し、その平均繊維径0.3μｍ、平均繊
維長20μｍのチタン酸カリウムホイスカー（大塚
化学薬品株式会社製：商品名「テイスモ」）にバ
インダーとして15％コロダイルシリカ溶液を添加
して、圧縮成型により直径90mm、厚さ５mmの円板
状の繊維成形体を得た。この繊維成形体の片面に
耐熱合金としての18−８ステンレス鋼粉末をプラ
ズマ溶射して1.2mm厚さの溶射層を形成した。次
いで繊維成形体を約800℃に予熱して、ステンレ
ス鋼溶射層がヘツド表面側に位置するようにピス
トン用高圧鋳造鋳型の下型ヘツド部に配置し、直
ちにJIS AC8Aのアルミニウム合金の730℃の溶
湯を鋳型内に注湯し、加圧力1000Kg／cm2で加圧し
ていわゆる溶湯鍛造を行い、かつその加圧力を溶
湯が完全に凝固するまで保持した。凝固後に鋳型
から取出して得られたピストン粗形材をT6熱処
理し、続いて全体を機械加工して目的とするピス
トンを得た。得られたピストンの断面形状を第３
図に示す。第３図において１１はアルミニウム合
金からなるピストン本体、１２は繊維／軽合金複
合層としてのチタン酸カリウムホイスカー／アル
ミニウム合金複合層、１３は耐熱合金溶射層とし
てのステンレス鋼溶射層である。なお繊維／軽合
金層における繊維（チタン酸カリウムホイスカ
ー）の配合率は、体積割合で15％であつた。
の耐熱ピストンについて次のようにこの発明を適
用した。すなわち耐熱性の繊維として熱伝導率が
低くしかも熱膨張率が低いチタン酸カリウムホイ
スカーを選択し、その平均繊維径0.3μｍ、平均繊
維長20μｍのチタン酸カリウムホイスカー（大塚
化学薬品株式会社製：商品名「テイスモ」）にバ
インダーとして15％コロダイルシリカ溶液を添加
して、圧縮成型により直径90mm、厚さ５mmの円板
状の繊維成形体を得た。この繊維成形体の片面に
耐熱合金としての18−８ステンレス鋼粉末をプラ
ズマ溶射して1.2mm厚さの溶射層を形成した。次
いで繊維成形体を約800℃に予熱して、ステンレ
ス鋼溶射層がヘツド表面側に位置するようにピス
トン用高圧鋳造鋳型の下型ヘツド部に配置し、直
ちにJIS AC8Aのアルミニウム合金の730℃の溶
湯を鋳型内に注湯し、加圧力1000Kg／cm2で加圧し
ていわゆる溶湯鍛造を行い、かつその加圧力を溶
湯が完全に凝固するまで保持した。凝固後に鋳型
から取出して得られたピストン粗形材をT6熱処
理し、続いて全体を機械加工して目的とするピス
トンを得た。得られたピストンの断面形状を第３
図に示す。第３図において１１はアルミニウム合
金からなるピストン本体、１２は繊維／軽合金複
合層としてのチタン酸カリウムホイスカー／アル
ミニウム合金複合層、１３は耐熱合金溶射層とし
てのステンレス鋼溶射層である。なお繊維／軽合
金層における繊維（チタン酸カリウムホイスカ
ー）の配合率は、体積割合で15％であつた。
以上の実施例１により得られたピストンの断面
を顕微鏡観察したところ、溶射層と複合層との境
界層部分においては溶射した18−８ステンレス鋼
が繊維間に入り込み、またその部分の空孔、空隙
にアルミニウム合金が充填されていることが確認
された。またそのピストンにおける繊維／軽合金
複合層の熱膨張率および表面の耐熱合金溶射層と
しての18−８ステンレス鋼の熱膨張率はともに約
18×10-6／deｇでほぼ同じであつた。したがつて
耐熱合金溶射層は熱サイクルを受けても剥離や亀
裂の発生が生じ難いものとなつていることが明ら
かである。また繊維／軽合金複合層に使用されて
いるチタン酸カルシウムホイスカは、伝熱伝導
（25℃における熱伝導率約0.013Cal／cm・sec・de
ｇ）であるから、その複合層は断熱に対しても有
効である。このようなピストンをエンジンに組込
み、耐久試験を行つたところ、溶射層の亀裂や剥
離の発生は全く認められず、ピストンの溶損が生
じないことが確認された。
を顕微鏡観察したところ、溶射層と複合層との境
界層部分においては溶射した18−８ステンレス鋼
が繊維間に入り込み、またその部分の空孔、空隙
にアルミニウム合金が充填されていることが確認
された。またそのピストンにおける繊維／軽合金
複合層の熱膨張率および表面の耐熱合金溶射層と
しての18−８ステンレス鋼の熱膨張率はともに約
18×10-6／deｇでほぼ同じであつた。したがつて
耐熱合金溶射層は熱サイクルを受けても剥離や亀
裂の発生が生じ難いものとなつていることが明ら
かである。また繊維／軽合金複合層に使用されて
いるチタン酸カルシウムホイスカは、伝熱伝導
（25℃における熱伝導率約0.013Cal／cm・sec・de
ｇ）であるから、その複合層は断熱に対しても有
効である。このようなピストンをエンジンに組込
み、耐久試験を行つたところ、溶射層の亀裂や剥
離の発生は全く認められず、ピストンの溶損が生
じないことが確認された。
実施例 ２
平均繊維径2.8μｍ、繊維長１〜60mmのアルミナ
−シリカ系短繊維に10％コロダイルアルミナ水溶
液を添加して、真空濾過成型により直径30mm、厚
さ10mmの円板状の繊維成形体を得た。この繊維成
形体の片面に耐熱合金としての75％Ni−19％Cr
−６％Al合金を厚さ1.2mmでプラズマ溶射した。
次いでその繊維成形体を溶射層が鋳型底面に接す
るように鋳型の底に配置してJIS AC8Aのアルミ
ニウム合金（約740℃）を注入し、加圧力1000
Kg／cm2で加圧して溶湯鋳造を行い、その加圧力を
溶湯が完全に凝固するまで保持した。凝固後に鋳
型から取出して、繊維／アルミニウム合金複合層
およびNi−Cr−Al溶射層を有するこの発明の軽
合金部材を得た。なおこのブロツクの複合層にお
ける繊維体積率は10％であつた。
−シリカ系短繊維に10％コロダイルアルミナ水溶
液を添加して、真空濾過成型により直径30mm、厚
さ10mmの円板状の繊維成形体を得た。この繊維成
形体の片面に耐熱合金としての75％Ni−19％Cr
−６％Al合金を厚さ1.2mmでプラズマ溶射した。
次いでその繊維成形体を溶射層が鋳型底面に接す
るように鋳型の底に配置してJIS AC8Aのアルミ
ニウム合金（約740℃）を注入し、加圧力1000
Kg／cm2で加圧して溶湯鋳造を行い、その加圧力を
溶湯が完全に凝固するまで保持した。凝固後に鋳
型から取出して、繊維／アルミニウム合金複合層
およびNi−Cr−Al溶射層を有するこの発明の軽
合金部材を得た。なおこのブロツクの複合層にお
ける繊維体積率は10％であつた。
実施例２により得られた軽合金部材における耐
熱合金溶射層および繊維／軽合金複合層の２層を
通じての熱伝導率を測定したところ、0.20 Cal／
cm・ｓ・degであり、一方前述のJIS AC8Aのア
ルミニウム合金自体の熱伝導率は0.34Cal／cm・
ｓ・degであり、したがつて実施例２による軽合
金部材は表面の断熱性が著しく良好となつている
ことが明らかである。また実施例２の場合も顕微
鏡観察によつて溶射層と複合層との環境層が複合
化されていることが確認された。
熱合金溶射層および繊維／軽合金複合層の２層を
通じての熱伝導率を測定したところ、0.20 Cal／
cm・ｓ・degであり、一方前述のJIS AC8Aのア
ルミニウム合金自体の熱伝導率は0.34Cal／cm・
ｓ・degであり、したがつて実施例２による軽合
金部材は表面の断熱性が著しく良好となつている
ことが明らかである。また実施例２の場合も顕微
鏡観察によつて溶射層と複合層との環境層が複合
化されていることが確認された。
なお前記各実施例においては本体および複合層
の軽合金材料としてアルミニウム合金を用いた場
合について示したが、マグネシウム合金もアルミ
ニウム合金とほぼ同様の熱膨張率、熱伝導率を有
しており、したがつてマグネシウム合金を用いた
場合も同様に実施し得ることは明らかである。
の軽合金材料としてアルミニウム合金を用いた場
合について示したが、マグネシウム合金もアルミ
ニウム合金とほぼ同様の熱膨張率、熱伝導率を有
しており、したがつてマグネシウム合金を用いた
場合も同様に実施し得ることは明らかである。
なおまた、実施例においてはピストンに適用し
た場合について示したが、この発明の軽合金部材
およびその製造方法は、その他シリンダヘツド燃
焼ボード、ターボチヤージヤケーシング等、種々
の部材に適用可能である。
た場合について示したが、この発明の軽合金部材
およびその製造方法は、その他シリンダヘツド燃
焼ボード、ターボチヤージヤケーシング等、種々
の部材に適用可能である。
さらに、この発明の軽合金部材は、これを他の
部材の必要部分に溶接、ロウ付け、鋳包み等の接
合技術によつて取付けて使用に供しても良いこと
はもちろんである。
部材の必要部分に溶接、ロウ付け、鋳包み等の接
合技術によつて取付けて使用に供しても良いこと
はもちろんである。
以上の説明で明らかなようにこの発明の軽合金
部材は、表面の耐熱合金溶射層と軽合金材料製本
体との間に、軽合金材料とその軽合金材料よりも
熱膨張率および熱伝導率が低い繊維とを複合一体
化してなる複合層を設けたものであり、この複合
層は繊維の体積率を変えることによつて複合層全
体としての熱膨張率を表面の耐熱合金に近付けも
しくは一致させることができ、しかもその複合層
と表面の溶射層との境界層部分も、複合層および
溶射層の各構成材料が複合化されて、両層の結合
強度が著しく高くなつており、したがつて熱膨張
率の差などによる耐熱合金溶射層の剥離や亀裂の
発生を極めて有効に防止でき、また複合層全体の
熱伝導率も軽合金材料単独の場合よりも低くなる
ことから、軽合金製本体に対する断熱性も良好で
あり、したがつて高温雰囲気で使用したりあるい
はヒートサイクルを受ける雰囲気で使用しても、
本体の溶損や劣化を招くこともなく、高い耐熱性
を維持して優れた耐久性を発揮できるものであ
る。
部材は、表面の耐熱合金溶射層と軽合金材料製本
体との間に、軽合金材料とその軽合金材料よりも
熱膨張率および熱伝導率が低い繊維とを複合一体
化してなる複合層を設けたものであり、この複合
層は繊維の体積率を変えることによつて複合層全
体としての熱膨張率を表面の耐熱合金に近付けも
しくは一致させることができ、しかもその複合層
と表面の溶射層との境界層部分も、複合層および
溶射層の各構成材料が複合化されて、両層の結合
強度が著しく高くなつており、したがつて熱膨張
率の差などによる耐熱合金溶射層の剥離や亀裂の
発生を極めて有効に防止でき、また複合層全体の
熱伝導率も軽合金材料単独の場合よりも低くなる
ことから、軽合金製本体に対する断熱性も良好で
あり、したがつて高温雰囲気で使用したりあるい
はヒートサイクルを受ける雰囲気で使用しても、
本体の溶損や劣化を招くこともなく、高い耐熱性
を維持して優れた耐久性を発揮できるものであ
る。
またこの発明の製造方法によれば、上述のよう
に優れた特性を有する軽合金部材を比較的簡単か
つ容易に製造するこどかでき、しかも繊維／軽合
金複合層断熱層として有効な程度の充分な厚みに
容易に形成することができる等の効果が得られ
る。
に優れた特性を有する軽合金部材を比較的簡単か
つ容易に製造するこどかでき、しかも繊維／軽合
金複合層断熱層として有効な程度の充分な厚みに
容易に形成することができる等の効果が得られ
る。
第１図はこの発明の軽合金部材の縦断面図、第
２図は第１図の要部拡大断面図、第３図はこの発
明の実施例１におけるピストンの軸方向断面図で
ある。 １……本体、２……繊維／軽合金複合層、３…
…耐熱合金溶射層、４……境界層。
２図は第１図の要部拡大断面図、第３図はこの発
明の実施例１におけるピストンの軸方向断面図で
ある。 １……本体、２……繊維／軽合金複合層、３…
…耐熱合金溶射層、４……境界層。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 軽合金材料からなる本体の上に、その軽合金
材料よりも熱伝導率および熱膨張率が低い耐熱性
を有する繊維および軽金属材料を複合一体化して
なる繊維／軽合金複合層と、耐熱合金とからなる
溶射層とが、その耐熱合金溶射層が部材の最表面
層となるように本体側から表面側へ向けて順に形
成されており、さらに前記溶射層と複合層との境
界層部分において、溶射層を構成する耐熱合金と
複合層を構成する繊維および軽合金とが複合され
ていることを特徴とする耐熱性軽合金部材。 ２ 耐熱性を有する繊維成形体の一方の表面に耐
熱合金を溶射し、次いで鋳型内面の所要箇所に前
記繊維成形体を前記溶射層が鋳型内面に接するよ
うに配置した状態で、鋳型内に軽合金溶湯を注湯
し、溶湯鍛造を行つて前記繊維成形体の繊維間お
よび繊維成形体側の溶射耐熱金属の空孔、空〓に
軽合金を含浸させ、これにより最表面層として耐
熱合金溶射量を有する耐熱性軽合金部材を得るこ
とを特徴とする耐熱性軽合金属部材の製造方法。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57177821A JPS5966966A (ja) | 1982-10-09 | 1982-10-09 | 耐熱性軽合金部材およびその製造方法 |
| DE8383110018T DE3372191D1 (en) | 1982-10-09 | 1983-10-06 | Heat-resistant light alloy articles and method of manufacturing same |
| EP83110018A EP0110064B1 (en) | 1982-10-09 | 1983-10-06 | Heat-resistant light alloy articles and method of manufacturing same |
| US07/206,904 US4830932A (en) | 1982-10-09 | 1988-06-15 | Heat resistant light alloy articles and method of manufacturing same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57177821A JPS5966966A (ja) | 1982-10-09 | 1982-10-09 | 耐熱性軽合金部材およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5966966A JPS5966966A (ja) | 1984-04-16 |
| JPH0333428B2 true JPH0333428B2 (ja) | 1991-05-17 |
Family
ID=16037684
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57177821A Granted JPS5966966A (ja) | 1982-10-09 | 1982-10-09 | 耐熱性軽合金部材およびその製造方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4830932A (ja) |
| EP (1) | EP0110064B1 (ja) |
| JP (1) | JPS5966966A (ja) |
| DE (1) | DE3372191D1 (ja) |
Families Citing this family (29)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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1982
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-
1983
- 1983-10-06 DE DE8383110018T patent/DE3372191D1/de not_active Expired
- 1983-10-06 EP EP83110018A patent/EP0110064B1/en not_active Expired
-
1988
- 1988-06-15 US US07/206,904 patent/US4830932A/en not_active Expired - Lifetime
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