JPH05200525A

JPH05200525A - 断熱部材の製造方法

Info

Publication number: JPH05200525A
Application number: JP1396492A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tamura; 央田村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1992-01-29
Filing date: 1992-01-29
Publication date: 1993-08-10

Abstract

(57)【要約】【目的】基材金属とセラミック膜との密着性が向上し
た断熱部材を提供する。【構成】副型（中子）２の表面に、金属繊維１を含有
し溶湯温度で焼失する塗料を塗布して、塗膜３を形成す
る。これを主型４にセットし、溶湯金属を鋳造すると、
塗料が焼失するとともに金属繊維１の先端部が鋳物５中
に埋め込まれる。この表面にセラミックスラリーを塗布
してセラミック膜６を形成し、焼成する。鋳物５の表面
から突出した金属繊維１の先端がセラミック膜６中に埋
め込まれる。鋳物５とセラミック膜６とが、金属繊維１
により強固に結合される。また、鋳物５とセラミック膜
６との間には空隙部７が形成され、断熱性も向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、断熱部材の製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、内燃機関の燃焼効率を向上させ
ると排気ガス温度が低下し、例えば酸化触媒等による排
気ガスの完全燃焼作用による浄化が不十分となる。その
ため、排気ガスの温度を極力下げないように排気管径
路、具体的には排気ポート、エキゾーストマニホール
ド、ターボハウジング、及び排気管等を断熱保温する必
要がある。

【０００３】従来この対策として、排気ポートや排気管
などの単純形状部品については、セラミックを用いた排
気ポートライナーを中子として、その外周にシリンダヘ
ッドを構成する鉄またはアルミニウムを鋳造して鋳ぐる
む方法（実開昭６０−１２０２４１号公報）や、ステン
レスの二重管構造にしたりする方法がとられてきた。ま
たエキゾーストマニホールドやターボハウジングなどの
複雑形状部品については、上記鋳ぐるみ法や二重管構造
にする方法を採用することが不可能なので、有機溶剤等
により泥漿状にしたセラミックス溶液を部材内面に塗布
し、焼成するスラリーコーティング法が提案されている
（ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＣｅｒａｍｉｃＣ
ｏａｔｅｄＥｘｈａｕｓｔＭａｎｉｆｏｌｄｓｆ
ｏｒＨｅａｖｙＤｕｔｙＤｉｅｓｅｌＥｎｇｉｎ
ｅｓ，Ｋ．Ｉｔｏｕｅｔａｌ，ＳａｅＰａｐｅｒ
９１０３９９）。なお、複雑形状部品に上記鋳ぐるみ法
を採用できない理由は、注湯時の熱がコーナ部などに集
中して、その熱衝撃によりセラミックスライナーが破損
するからであり、また二重管構造は設計上の理由により
複雑形状部品に採用することができない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記スラリ
ーコーティング法により製造した断熱部材においては、
高温ガスなどによる熱応力によりセラミック膜が基材金
属から剥離することを防止するために、セラミック膜と
基材金属との密着強度を高めることが重要な課題であ
る。

【０００５】このため、基材金属の熱膨張率とセラミッ
ク膜の熱膨張率との中間的な熱膨張率をもつ材料、例え
ばサーメット材料を両者間に介在させることにより、両
者の熱膨張率の差に起因する熱応力を緩和して、両者の
密着強度を高める試みもなされているが、十分な耐久性
を確保するに到っていない。本発明は上記実情に鑑みて
なされたものであり、複雑形状部品にも適用することの
できるスラリーコーティング法を用いて、基材金属とセ
ラミック膜との密着強度を向上させることのできる断熱
部材の製造方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の断熱部材の製造方法は、副型の表面に、金属繊維を
含有し溶湯温度で焼失する塗料を塗布して、塗膜を形成
する工程と、該塗膜が形成された副型を主型にセット
し、溶湯金属を鋳造する工程と、得られた鋳物の該副型
に接していた表面に、セラミックスラリーを塗布して、
セラミック膜を形成する工程と、該セラミック膜が形成
された鋳物を焼成する工程とからなることを特徴とす
る。

【０００７】

【作用】本発明の断熱部材の製造方法では、金属繊維を
含有し溶湯温度で焼失する塗膜が表面に形成された副型
を用いて鋳造する。この鋳造時、溶湯金属が副型の表面
に達すると、塗膜が熱により焼失するとともに、金属繊
維が溶湯金属中に取り込まれる。このとき、金属繊維
は、繊維間に空気溜まりをもつため、金属繊維全体が溶
湯金属中に埋め込まれることがない。このため、得られ
た鋳物（基材金属）の副型に接していた表面には金属繊
維の一部が突出している。

【０００８】この金属繊維が突出した鋳物の表面にセラ
ミックスラリーを塗布し、焼成すると、セラミック膜中
に鋳物の表面から突出した金属繊維が取り込まれる。こ
のとき、金属繊維は、繊維間に空気溜まりをもつため、
鋳物の表面から突出した金属繊維全体がセラミック膜中
に埋め込まれることはない。このようにして、基材金属
及びセラミック膜が金属繊維により結合され、その密着
強度が向上する。

【０００９】また、上記したように、金属繊維はその先
端部分のみが基材金属及びセラミック膜中に埋め込まれ
るため、基材金属とセラミック膜との間には金属繊維が
分散する空隙部が形成される。この空隙部の断熱効果に
より、本発明方法により製造した断熱部材は断熱性が向
上する。

【００１０】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。本実施例は、図１の工程説明図に沿ってエキゾース
トマニホールドを製造するものである。シンナーを溶媒
としたポリメチルフェニルシロキサン溶液よりなる有機
塗料に、ステンレス繊維（Ｆｅ−１０ｗｔ％Ｎｉ−２０
ｗｔ％Ｃｒ、直径φ０．１ｍｍ、長さ３〜５ｍｍ）１を
２０ｖｏｌ％混合した。

【００１１】エキゾーストマニホールド用の砂中子（本
発明の副型をなす）２を上記ステンレス繊維１を含む有
機塗料中に浸漬し、約２．０ｒｐｍの回転速度、約５０
ｍｍ／ｍｉｎの引き上げ速度で回転させながら引き上
げ、砂中子２の外表面に有機塗料を塗布した。そして、
１００℃で１時間乾燥して、砂中子２の外表面に膜厚約
３ｍｍの塗膜３を形成した。

【００１２】この塗膜３が形成された砂中子２を砂型
（本発明の主型をなす）４にセットし、溶湯温度１５０
０℃で鋳鉄（Ｆｅ−３ｗｔ％Ｃ−２ｗｔ％Ｓｉ）を鋳造
した。なお、この鋳造時、砂中子２を被覆する塗膜３は
注湯後、熱により焼失し、残されたステンレス繊維１は
繊維間に空気だまりをもつため、繊維全体が溶湯金属に
浸漬されることはなく、ステンレス繊維１の先端約１ｍ
ｍ程度が金属内に埋まることになる。砂落しをした鋳物
５の内面全体にはステンレス繊維１が一様に付着してい
ることを確認した。

【００１３】上記鋳物５をＺｒＯ₂を主成分とするセラ
ミックスラリー溶液に浸漬し、約２．０ｒｐｍの回転速
度、約５０ｍｍ／ｍｉｎの引き上げ速度で回転させなが
ら引き上げ、鋳物５の内面にセラミックスラリーを塗布
してセラミック膜６を形成した。なお、このときステン
レス繊維１は、上記したように空気溜まりをもつため、
繊維全体がセラミックスラリーに浸漬されることはな
く、ステンレス繊維１の先端約１ｍｍ程度がセラミック
膜５に埋まることになる。

【００１４】このセラミックス膜６が形成された鋳物５
を１００℃で１時間、２００℃で１時間、３００℃で１
時間、４００℃で１時間の順で加熱し、セラミック膜６
を焼成して、本実施例のエキゾーストマニホールドを製
造した。得られたエキゾーストマニホールドを切断し、
断面組織を観察したところ、セラミック膜６と基材金属
（鋳物）５との間に約２ｍｍの空隙部７が観察された。
また、金属繊維１の両端はそれぞれ１ｍｍ程度セラミッ
ク膜６、基材金属５に入り込んでいることが観察された
（図２参照）。セラミック膜６の膜厚は約１ｍｍであ
り、亀裂等の不具合は認められなかった。（断熱性評価）上記実施例によって製造したエキゾース
トマニホールドの断熱性を調査した。比較のため、金属
繊維を介在させることのない従来と同様のスラリー法に
より上記実施例と同様の組成及び膜厚をもつセラミック
膜を形成したもの（比較例１）、並びにセラミック膜を
形成しない無処理品（比較例２）についても同様に調査
した。この調査は、エキゾーストマニホールド入口から
１０００℃のガスを１０００リットル／ｍｉｎ通し、エ
キゾーストマニホールド出口の温度を測定することによ
り行なった。その結果を図３に示す。

【００１５】図３より、本実施例のエキゾーストマニホ
ールドが、比較例のものと比べて、温度上昇率、最高到
達温度ともに高く、最も断熱性に優れていることがわか
った。本実施例のものと同組成で同膜厚のセラミック膜
を有する比較例１と比べて、本実施例のエキゾーストマ
ニホールドが断熱性に優れるのは、基材金属５とセラミ
ック膜６との間に形成された空隙部７の断熱効果による
ものと考えられる。（耐久評価）上記実施例及び比較例１のエキゾーストマ
ニホールドのそれぞれについて、耐久評価を行った。こ
れは、エキゾーストマニホールドを３リットル、８気筒
エンジンに組み込み、［過給圧６５０ｍｍＨｇでの４０
００ｒｐｍ全負荷運転６分］→［アイドル運転１分］→
［停止６分］→［アイドル運転１分］を１サイクルと
し、このサイクルを繰り返すことによって行った。その
結果を表１に示す。なお表１中、○は異常が無いこと、
△は亀裂が発生したこと、×はセラミック膜の剥離発生
により評価を中止したことを示す。

【００１６】

【表１】表１に示すように、比較例１のものが２００時間でセラ
ミック膜の剥離により評価中止であったのに対して、本
実施例のものは目標値である５００時間をクリヤーする
性能であった。本実施例のエキゾーストマニホールド
が、単にセラミック膜をコーティングした比較例１のも
のと比べて、耐久性が向上したのは、その両端がそれぞ
れ基材金属５、セラミック膜６に埋め込まれたステンレ
ス繊維１により、基材金属５とセラミック膜との密着強
度が向上したためと考えられる。また、ステンレス繊維
１間、及び基材金属５とセラミック膜６との間の空隙が
基材金属５とセラミック膜６との熱膨張差を緩和したこ
とも、その要因と考えられる。（繊維材質の検討）ステンレス繊維の代わりにセラミッ
ク繊維（９５ｗｔ％Ａｌ₂Ｏ₃−５ｗｔ％ＳｉＯ₂、直
径φ１０μ、長さ３〜５ｍｍ）を用いること以外は上記
実施例と同様にしてエキゾーストマニホールドを製造
し、完成品を切断調査した。

【００１７】その結果、部分的にセラミック繊維が欠除
していた。これは、セラミック繊維と基材金属との濡れ
性が悪いため、溶湯金属の注湯時、セラミック繊維が溶
湯金属に取り込まれず、セラミックスラリーの塗布時に
基材金属に保持されていないセラミック繊維が流されて
しまったためと考えられる。なお、金属繊維の種類とし
ては、基材金属との結合力を高めるために、基材金属と
の濡れ性に優れるものが好ましく、基材金属やセラミッ
ク膜の種類に応じてステンレス、鉄、黄銅、アルミニウ
ムなどから適宜選択することができる。また、金属繊維
は、基材金属及びセラミック膜の結合力を高めるため
に、その両端が両者にそれぞれ埋設されるだけの長さを
少なくとも有することが必要とされ、２ｍｍ以上とする
ことが好ましく、また両者間に大きな空隙部を形成して
断熱性を高めるために３ｍｍ以上とすることがより好ま
しい。なお、金属繊維同士の絡みをなるべく防止するた
めに、金属繊維の長さは１０ｍｍ以下とすることが好ま
しい。

【００１８】また、上記実施例では、本発明の副型とし
て中子を用いて中空状の部材を製造する例について示し
たが、本発明は特にこれに限定されるものではなく、板
状などの中実状の部材にも適用することが可能である。

【００１９】

【発明の効果】以上詳述したように本発明の断熱部材の
製造方法によれば、複雑形状部品にも適用することがで
きるスラリーコーティング法を用いて、基材金属及びセ
ラミック膜が金属繊維により強固に結合されて両者の密
着強度が向上するとともに、基材金属とセラミック膜と
の間には空隙部が形成されて断熱性が向上した断熱部材
を製造することができる。

【００２０】また断熱効果が大きいので、排気系部材な
どをより比重の小さいアルミニウム合金に変換すること
も可能であり、軽量化に寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例の製造方法の工程を模式的に説明する
図である。

【図２】本実施例の製造方法により製造した断熱部材の
断面構造を模式的に示す断面図である。

【図３】本実施例及び比較例のエキゾーストマニホール
ドについて、断熱性評価結果を示す線図である。

【符号の説明】

１はステンレス繊維、２は砂中子（副型）、３は塗膜、
４は砂型（主型）、５は鋳物（基材金属）、６はセラミ
ック膜、７は空隙部である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】副型の表面に、金属繊維を含有し溶湯温
度で焼失する塗料を塗布して、塗膜を形成する工程と、該塗膜が形成された副型を主型にセットし、溶湯金属を
鋳造する工程と、得られた鋳物の該副型に接していた表面に、セラミック
スラリーを塗布して、セラミック膜を形成する工程と、該セラミック膜が形成された鋳物を焼成する工程とから
なることを特徴とする断熱部材の製造方法。