JPH0570707B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明はアルミニウム合金等からなる母材の
表面に耐熱性、断熱性が優れたセラミツク溶射層
を形成する方法に関し、特に自動車エンジン用ピ
ストン頂部やシリンダのボア面の如く、優れた断
熱性および／または耐熱性が要求される部位の表
面にセラミツク溶射層を形成する方法に関するも
のである。

従来の技術 従来から、自動車エンジン用ピストンの如く、
高温加熱される部位を有する部材、特にアルミニ
ウム合金を母材とする部材においては、母材表面
に熱伝導率が低くかつ耐熱性が優れたセラミツク
を溶射してセラミツク溶射層を形成することによ
り、断熱性や耐熱性を改善したセラミツク溶射部
材が適用されている。

このような従来のセラミツク溶射部材につい
て、自動車エンジン用ピストンを例に採つて以下
さらに詳細に説明する。

近年、エンジンに使用されるピストンとして
は、エンジンにおける往復運動部の慣性力を低減
させるための軽量化を主眼として、アルミニウム
合金により鋳造成形されたピストンを使用するこ
とが多くなつている。しかしながらアルミニウム
合金は熱伝導率が大きい材料であるから、アルミ
ニウム合金製ピストンを用いたエンジンでは、燃
焼室における燃料の燃焼によつて発生した燃焼熱
がピストンを介して燃焼室外へ伝達され、その分
だけエンジンの熱効率を悪化させてエンジンの出
力、燃費を低下させる傾向があつた。そこでアル
ミニウム合金製ピストンを介して燃焼室外へ伝達
される熱損失を低減するために、ピストンの頂面
（ピストンヘツド）等にジルコニアやアルミナ等
の熱伝導率の小さいセラミツク材料を溶射して、
断熱性を改善したセラミツク溶射ピストンの適用
が試みられている（例えば「Cummins／
TACOM Advanded Adicbatic Ecgin.」R.
Kamo et al.SAE Paper No.840428等）。

しかしながら、このようにアルミニウム合金を
母材としてセラミツク溶射層を形成したセラミツ
ク溶射ピストンにおいては、母材であるアルミニ
ウム合金の熱膨張係数とセラミツク材料の熱膨張
係数との間に大きな差があり、そのためエンジン
の作動に伴なう加熱・冷却を繰返している間にア
ルミニウム合金製母材表面とセラミツク溶射層と
の熱膨張差に起因してその界面に亀裂が発生し、
遂には母材表面からセラミツク溶射層が剥離・脱
落してしまうことがあり、そのため耐久性が未だ
充分とは言えなかつたのである。

そこで従来からアルミニウム合金母材とセラミ
ツク溶射層との熱膨張係数の差によるセラミツク
溶射層の剥離を防止するための方法として、予め
母材表面に熱膨張係数が母材とセラミツクとの間
の中間でしかもセラミツクとの密着性が良好な金
属、例えばNi−Cr−Al合金、Ni−Cr−Al−Ｙ合
金、Ni−Co−Cr−Al−Ｙ合金などを薄く溶射し
て、ボンド層あるいは中間層と称される下地溶射
層を形成しておき、その下地溶射層の上にセラミ
ツクを溶射する方法が知られている（例えば前掲
刊行物）。

発明が解決すべき問題点 前述のように、アルミニウム合金製母材とセラ
ミツク溶射層との熱膨張係数の差に起因するセラ
ミツク溶射層の亀裂もしくは剥離の問題に対する
従来の対策として、熱膨張率が母材とセラミツク
との中間の金属からなる下地溶射層を予め母材表
面に形成しておく方法が知られているが、このよ
うに下地溶射層を形成した場合でも、熱膨張差に
起因するセラミツク溶射層の亀裂もしくは剥離を
防止するには未だ充分ではなかつた。

この発明は以上の事情を背景としてなされたも
ので、ピストンの如く加熱・冷却が繰返されるセ
ラミツク溶射部材において、アルミニウム合金等
からなる母材とセラミツク溶射層との熱膨張差に
起因してセラミツク溶射層の剥離・脱落に至るよ
うな事態の発生を有効かつ確実に防止し得るセラ
ミツク溶射層の形成方法を提供することを目的と
するものである。

問題点を解決するための手段 この発明は、母材表面の断熱性および／または
耐熱性が要求される部位に、母材よりも熱伝導率
が低くかつ熱膨張係数が小さいセラミツク材料か
らなるセラミツク溶射層を形成する方法におい
て、母材における前記部位の表面に第１の下地溶
射層を均一に形成した後、その第１の下地溶射層
の上に、溶射ガンを垂線に対し40°〜70°の範囲内
で傾斜させた状態で下地溶射材を溶射して、十点
平均あらさRzが0.1mm以上の凹凸を有する第２の
下地溶射層を形成し、その第２の下地溶射層の上
にセラミツクを溶射することを特徴とするもので
ある。

作 用 この発明の方法では、アルミニウム合金等から
なる母材の断熱性、耐熱性が要求される部位の表
面に、先ず第１の下地溶射層を均一に形成してか
ら、溶射ガンを垂線に対し40°〜70°の範囲内で傾
斜させて下地溶射材を溶射して第２の下地溶射層
を形成する。上述のように溶射ガンを傾斜させて
溶射すれば、溶射粒子の遮蔽現象、すなわち溶射
方向から見て被溶射面の微小な凸部の影になる部
分に対しては溶射粒子が付着されない現象が生じ
る。そのため溶射方向から見て被溶射面の微小の
凸部の表側となる部分では溶射粒子が次々に付着
してその凸部が成長する一方、壁の部分では溶射
粒子がほとんど付着されないため凹部として残
り、その結果溶射が進むにつれて溶射面の凹凸が
次第に大きくなり、最終的に十点平均あらさRz
にして0.1mm以上の大きな凹凸を有する第２の下
地溶射層を形成することができる。

上述のようにRz0.1mm以上の凹凸を有する第２
の下地溶射層上に、目的とする断熱性、耐熱性を
得るためのセラミツクを溶射し、セラミツク溶射
層を形成する。このセラミツク溶射層は、第２の
下地溶射層の粗大な凹凸に食い込んで形成され、
そのためセラミツク溶射層は機械的投錨効果によ
つて下地溶射層に強固に保持されることになる。
したがつて使用時の加熱・冷却の繰返しによる熱
応力に対しては前記機械的投錨効果が有効に対応
してセラミツク溶射層の剥離を防止することがで
きる。また前述のように第２の下地溶射層に凹凸
が形成されているため、セラミツク層の単位表面
積当りのセラミツク層と下地溶射層との接触面積
が極めて大きく、このこともセラミツク層を強固
に保持するに有効に作用している。

なお母材表面に形成されている第１の下地溶射
層とその上の第２の下地溶射層とは、同じ溶射材
もしくは類似の溶射材を使用することによつて一
体化することができ、したがつて第１の溶射層と
第２の下地溶射層のと間の密着強度は充分に確保
することができ、またこれらの下地溶射層と母材
との間の密着強度も、下地溶射材として後述する
ようなNi系合金などを適切に選択し、また必要
に応じて母材表面にシヨツトブラスト等により凹
凸を形成しておくことによつて充分に確保するこ
とができる。したがつて前述のように第２の下地
溶射層にRz0.1mm以上の凹凸を形成してセラミツ
ク溶射層を下地溶射層に強固に保持させておくこ
とによつて、全容射層のいずれの部分でも剥離を
有効に防止することが可能となる。

発明の実施のための具体的説明 この発明の方法で対象となる母材としては、代
表的にはアルミニウム合金があるが、それに限ら
れないことは勿論である。

この発明の方法においては、先ず第１図Ａに示
すように母材１の断熱性および／または耐熱性が
要求される部位の表面に、第１の下地溶射層２を
均一に形成する。この第１の下地溶射層２の形成
にあたつては、通常の溶射方法にしたがつて溶射
ガン３を被溶射面に対しほぼ垂直に保持して下地
溶射材を溶射すれば良い。また第１の下地溶射層
２の溶射材としては、熱膨張係数が母材と最終的
に溶射すべきセラミツク材料との中間でしかも母
材およびセラミツク材料との密着性が良好な金
属、例えばNi−Cr−Al合金、Ni−Cr−Al−Ｙ合
金、Ni−Co−Cr−Al−Ｙ合金などのNi基合金が
最適である。なお第１の下地溶射層２の厚みは特
に限定しないが、通常は0.05〜0.1mm程度とする。
またこの第１の下地溶射層２を形成するにあたつ
ては、母材１との密着性を良好にするため、母材
表面に予めシヨツトブラストを施しておくことが
望ましい。

次いで第１図Ｂに示すように、溶射ガル３を被
溶射面に対する垂線Ｏを基準としてそれに対し
40°〜70°の範囲内の角度θだけ傾斜させた状態に
設置し、その状態で第１の下地溶射層２に用いた
溶射材と同じ下地溶射材、もしくは類似の下地溶
射材を第１の下地溶射層２の上に溶射して、
Rz0.1mm以上の凹凸のある第２の下地溶射層４を
形成する。このように溶射ガンを傾けて溶射する
ことによつて凹凸のある溶射層が形成される過程
を第２図Ａ〜Ｄに模式的に示す。すなわち第１の
下地溶射層２は、均一に形成するといえども、微
視的に見ればその表面には第２図Ａに示すように
微小な凹凸がある。そのため40°以上の角度θで
その微小な凹凸のある第１の下地溶射層２の上に
溶射すれば、第２図Ｂに示すように溶射ガンから
見て凸部６の背面側（影になる側）にあたる部分
６ｂにはその凸部６により遮られて溶射粒子７が
付着しにくく、これに対し溶射方向に向いている
側の部分６ａでは溶射粒子７が容易に付着され
る。したがつて第１の下地溶射層表面のわずかな
凹凸を助長するようにその上に溶射粒子が付着す
ることになる。そしてさらに溶射が進むにつれて
第２図Ｃに示すように一層凹凸が大きくなり、最
終的に第２図Ｄに示すようにRz0.1mm以上の大き
な凹凸を有する第２の下地溶射層４が形成される
のである。

なお第２の下地溶射層４は第１の下地溶射層２
と同一の下地溶射材もしくは類似の下地溶射材を
用いることによつて、第１の下地溶射層２と一体
的に結合された状態となる。

上述のようにしてRz0.1mm以上の第２の溶射層
４を形成した後、第１図Ｃに示すように容射ガン
３を垂直にセツトしてセラミツクを溶射し、セラ
ミツク溶射層５を形成する。この溶射時において
は、セラミツク溶射材は第２の下地溶射層４の凹
部内の底部まで進入して溶射され、したがつてセ
ラミツク溶射層５は第２の下地溶射層４の凹部に
大きく食い込んだ状態で形成されて、既に述べた
ような投錨効果等により下地溶射層４に強固に保
持される。

なおこのセラミツク溶射層５に使用されるセラ
ミツクとしては、用途や耐熱温度等に応じて、酸
化物系セラミツク例えばZrO₂（Y₂O₃、CaO、
MgO等により安定化したものを含む）、Al₂O₃、
MgO、あるいはSi₃N₄、BN、AlNなどの窒化物
系セラミツク、SiC等の炭化物系セラミツク
TiB₂、CrB₂などのホウ化物系セラミツク、さら
にはそれらの混合物などを任意に用いることがで
きる。またセラミツク溶射層５は、下地溶射層に
食い込んでいる部分を含み、全厚みで0.1〜1.0mm
程度となるまで溶射することが望ましい。

上述のようにしてセラミツク溶射層５を形成し
た後には、必要に応じて第１図Ｄに示すように研
摩等の表面加工を行なつてセラミツク溶射層５の
表面を平滑な面に仕上げる。

なお、場合によつては第３図に示すように、セ
ラミツク溶射後に下地溶射層４の凸部が表面に露
呈するまでセラミツク溶射層５を表面加工しても
良い。このようにした場合、セラミツク溶射層５
が下地溶射層４の凸部によつて分断されて、小領
域ごとに独立したセラミツク溶射層セル５ａが形
成される。このようにすれば、各セラミツク溶射
層セル５ａがそれぞれ独立に周囲の下地溶射層凸
部に取囲去まれることになるから、加熱・冷却の
繰返しを受けても熱膨張差に起因するセラミツク
溶射層の２次元方向への移動が各セルごとに阻止
され、かつ熱応力が２次元方向に累積されること
が防止されるため、セラミツク溶射層の剥離を一
層確実に防止することが可能となる。

以上の説明において、第２の下地溶射層４の凹
凸は十点平均あらさRzにして0.1mm以上であるこ
とが必要である。0.1μｍRz未満ではセラミツク
溶射層５に対する機械的投錨効果を充分に発揮さ
せることができず、そのためセラミツク溶射層５
の剥離も充分に防止できない。

また第２の下地溶射層４を形成する際の溶射ガ
ン３の角度θは、40°以上70°以下とすることが必
要であり、その理由は次の通りである。すなわ
ち、溶射時の溶射粒子の遮蔽現象による凹凸の形
成は、角度θが大きいほど顕著となる。本発明者
等の実験によれば、溶射角度θと溶射層の表面あ
らさRzとの関係は、第４図の実線で示すように、
角度θが40°以上でRz0.1mm程度以上の表面あらさ
が得られることが判明している。角度θが40°未
満では0.1mmRz以上のあらさを確保することがで
きず、そのためセラミツク溶射層の機械的投錨効
果が充分に得られないから、角度θは40°以上に
限定した。一方角度θが大き過ぎれば、第２の下
地溶射層中の気孔率が高くなり、高温での使用時
において腐食するおそれが生じ、また機械的強度
も低下する。本発明者等の実験によれば、第４図
の破線で示すように角度θが70°を越えれば急激
に気孔率が高くなることが判明している。また角
度θが大き過ぎれば、第５図Ａに示すように第２
の溶射層４の凸部の上端において溶射剤が溶射方
向に対し反対側に庇状に張出し、この庇状部分４
ａの存在により次のセラミツク溶射工程において
第５図Ｂに示すようにセラミツク溶射材が下地溶
射層４の凹部の底まで侵入せず、凹部の底に隙間
Ｇが生じてしまい、セラミツク溶射層５の密着力
が著しく低下してしまう。角度θが70°以下であ
れば上述のような庇状部分の発生を防止すること
ができる。これらの理由から角度θの上限は70°
とした。

実施例 Al−Si合金からなる母材の表面にシヨツトブ
ラスト処理を施した後、第１図Ａに示すように母
材１の表面にNi−Al−Cr−Ｙ合金を溶射し、第
１の下地溶射層を20μｍの厚さで形成した。なお
この時は溶射ガン３は垂直に保持しておいた。次
いで第１図Ｂに示すように溶射ガン３をθ＝60°
の角度で傾斜させて前記と同じＮ−Al−Cr−Ｙ
合金を溶射し、Rz0.2mmの凹凸を有する第２の下
地溶射層４を形成した。続いて第２図Ｃに示すよ
うに溶射ガン３を垂直に保持した状態でセラミツ
クとしてZrO₂・8Y₂O₃を全厚み0.5mmとなるよう
に溶射し、セラミツク溶射層５を形成した。その
後セラミツク溶射層５の表面を研摩仕上げし、第
１図Ｄに示すようなセラミツク溶射部材を得た。
このようにして得られたセラミツク溶射部材の溶
射層断面状況を第６図に示す。

また一部については、前述のように形成したセ
ラミツク溶射層５の表面を、第３図に示すように
下地溶射層の凸部があらわれるまで研摩除去し
た。

一方比較のため、第８図に示すように、前記と
同じ母材１の表面に、従来の通常の方法にしたが
つて溶射ガンを垂直に保持したまま前記同様な材
質の下地溶射材を0.1mm溶射して、ほぼ均一な厚
みの凹凸が少ない下地溶射層１０を形成し、その
下地溶射層１０上に上記同様な材質セラミツク溶
射層５を全厚み0.5mmとなるように形成した。こ
のようにして得られたセラミツク溶射部材の溶射
層断面状況を第７図に示す。

以上のような３種のセラミツク溶射部材、すな
わち第１図Ｄ（第６図）に示すこの発明の方法に
より得られた部材、第３図に示す同じくこの発明
の方法により得られた部材、および第８図（第７
図）に示す従来の方法により得られた部材につい
て、加熱・冷却サイクル試験を行ない、セラミツ
ク層の剥離状況を調べた。なおこの加熱・冷却サ
イクル試験では、50℃から15℃／secの加熱速度
で500℃までバーナ炎により加熱し、続いて10
℃／secの冷却速度で再び50℃まで冷却するサイ
クルを繰返し、セラミツク層の剥離に至るまでの
サイクル数を調べた。その結果を第９図に示す。

第９図から明らかなように、従来法よるセラミ
ツク溶射部材では加熱・冷却が4000サイクルに満
たずにセラミツク層の剥離・脱落が生じたのに対
し、この発明の方法により得られたセラミツク溶
射部材では、10000サイクル経過時にもセラミツ
ク層の剥離・脱落は全く認められなかつた。

発明の効果 以上の説明で明らかなように、この発明の方法
によれば、第１の下地溶射層上に第２の下地溶射
層を形成するにあたつて溶射ガンを40°〜70°の角
度で傾け、これにより十点平均あらさRzにて0.1
mm以上の凹凸を有する第２の下地溶射層を形成
し、その上にセラミツク溶射を施すことによつて
セラミツク溶射層は下地溶射層の凹凸に食い込ん
で形成され、そのためセラミツク溶射層が下地溶
射層に強固に保持されるから、加熱・冷却の繰返
しを受けても熱膨張差による熱応力に起因してセ
ラミツク溶射層の剥離・脱落に至るような事態を
有効に防止でき、したがつでセラミツク溶射層を
形成した部材を特に加熱・冷却の繰返しが加わる
ような用途に使用してその耐久性を従来よりも格
段に延長することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ〜Ｄはこの発明の方法によつて溶射層
を形成する過程の一例を段階的に示す略解的な断
面図、第２図Ａ〜Ｄは溶射ガンを傾けて第２の下
地溶射層を形成する際の作用を段階的に説明する
ための模式図、第３図はこの発明の方法により得
られるセラミツク溶射部材の他の例を示す断面
図、第４図は第２の下地溶射層を形成する際の溶
射ガンの角度（溶射角度）θと、生成される溶射
層の十点平均あらさRzおよび気孔率との関係を
示すグラフ、第５図Ａ、Ｂは溶射ガンの角度θが
大き過ぎた場合の溶射状況を示す模式的な断面
図、第６図はこの発明の実施例により得られた溶
射部材の溶射層の断面組織顕微鏡写真（倍率50
倍）、第７図は従来法（比較例）により得られた
溶射部材の溶射層の断面組織顕微鏡写真（倍率50
倍）、第８図は従来法（比較例）により得られた
溶射部材の溶射層を模式的に示す断面図、第９図
はこの発明の実施例および従来法による比較例に
より得られた溶射部材の加熱・冷却サイクル試験
結果を示すグラフである。 １……母材、２……第１の下地溶射層、３……
溶射ガン、４……第２の下地溶射層、５……セラ
ミツク溶射層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 母材表面の断熱性および／または耐熱性が要
   求される部位に、母材よりも熱伝導率が低くかつ
   熱膨張係数が小さいセラミツク材料からなるセラ
   ミツク溶射層を形成する方法において、 母材における前記部位の表面に第１の下地溶射
   層を均一に形成した後、その第１の下地溶射層の
   上に、溶射ガンを垂線に対し40°〜70°の範囲内で
   傾斜させた状態で下地溶射材を溶射して、十点平
   均あらさRzが0.1mm以上の凹凸を有する第２の下
   地溶射層を形成し、その第２の下地溶射層の上に
   セラミツクを溶射することを特徴とするセラミツ
   ク溶射層の形成方法。