JPH09268304A - Metallic member having gradient composition type insulating layer and its production - Google Patents
Metallic member having gradient composition type insulating layer and its productionInfo
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- JPH09268304A JPH09268304A JP10408296A JP10408296A JPH09268304A JP H09268304 A JPH09268304 A JP H09268304A JP 10408296 A JP10408296 A JP 10408296A JP 10408296 A JP10408296 A JP 10408296A JP H09268304 A JPH09268304 A JP H09268304A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、表面から裏面にか
けてセラミックスから金属へと組成が変化する傾斜組成
型断熱層を有する金属製部材及び該金属製部材を製造す
る方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a metal member having a gradient composition type heat insulating layer whose composition changes from ceramics to metal from the front surface to the back surface, and a method for producing the metal member.
【０００２】[0002]
【従来の技術】ディーゼルエンジンのシリンダやピスト
ンなどのように、金属材料により構成される部材に対し
て、耐熱性が要求される場合は、部材自体を低熱伝導性
セラミックスなどで構成したり、金属製部材に対して低
熱伝導性セラミックスを付与したりする方法があるが、
一般的には後者の方法が多く用いられている。2. Description of the Related Art When heat resistance is required for a member made of a metal material such as a cylinder or a piston of a diesel engine, the member itself may be made of a low heat conductive ceramic or the like. There is a method of adding low thermal conductivity ceramics to the manufacturing member,
Generally, the latter method is often used.
【０００３】従来から、セラミックスと金属との接合に
は、ロウ付けや固相接合がよく用いられるが、セラミッ
クスと金属の材料物性の違い（主として熱膨張率の違
い）により、両者の接合面で割れや剥離を生じることが
多かった。このため、接合界面にインサート材（一般的
には、ＣｕもしくはＴｉなどの低ヤング率の金属、又は
熱膨張係数がセラミックスに近い金属）を設置したり、
セラミックス表面をメタライズしたり、ＰＶＤ、ＣＶＤ
等の高温処理プロセスを施すなど、種々の工夫がなされ
てきた。断熱層としてセラミックス材を接合した構造の
場合は、厚さ方向に生じる温度勾配や熱衝撃などによ
り、それ自身が破壊することが多く、特に大型形状部品
の場合はその傾向が大きいため、分割構造にして小型化
して対応している。Conventionally, brazing or solid-phase joining is often used for joining ceramics and metals. However, due to the difference in the physical properties of ceramics and metals (mainly the difference in the coefficient of thermal expansion), the joining surface of both It often caused cracking and peeling. Therefore, an insert material (generally, a metal having a low Young's modulus such as Cu or Ti, or a metal having a coefficient of thermal expansion close to that of ceramics) is installed at the bonding interface,
Metallize ceramic surface, PVD, CVD
Various ideas have been made such as applying a high temperature treatment process such as. In the case of a structure in which ceramic materials are joined as a heat insulating layer, the structure itself often breaks due to temperature gradients and thermal shocks that occur in the thickness direction. It has been made smaller and compatible.
【０００４】特開昭５８−５２４６９号公報には、セラ
ミックス濃度が表層側ほど高くなるようにセラミックス
と金属とを溶射してシート面を形成させたディーゼルエ
ンジン用排気弁が記載されている。これは、耐熱性セラ
ミックスを溶射により金属に付与する技術である。特開
昭６２−１５６９３８号公報には、セラミックスと金属
又は他のセラミックスとの間に、両者の成分比が連続的
に変化する中間層を設け、該中間層に低ヤング率成分又
は高強度材料を分布させた傾斜機能材料の製造方法が記
載されている。これは、金属側からセラミックス側に徐
々に組成を変化させることにより、熱応力を緩和する傾
斜機能材料に関するものである。Japanese Unexamined Patent Publication (Kokai) No. 58-52469 describes an exhaust valve for a diesel engine in which a seat surface is formed by spraying ceramics and metal so that the ceramics concentration becomes higher toward the surface layer side. This is a technique of applying heat resistant ceramics to a metal by thermal spraying. In Japanese Patent Laid-Open No. 62-156938, an intermediate layer in which the component ratio of both is continuously changed is provided between a ceramic and a metal or another ceramic, and a low Young's modulus component or a high strength material is provided in the intermediate layer. A method of manufacturing a functionally gradient material in which is distributed is described. This relates to a functionally graded material that relaxes thermal stress by gradually changing the composition from the metal side to the ceramic side.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】金属製部材に対してセ
ラミックス断熱層を付与する場合、単純な接合構造をと
ったのでは、いかなる方法を採用しても程度の差こそあ
れ、熱応力の発生は不可避であり、部材の信頼性向上の
ためには、熱応力の発生を最小限に抑える必要がある。
セラミックスと金属との接合性向上のために、セラミッ
クス又は金属表面に対して、メタライズ、ＰＶＤ、ＣＶ
Ｄ等の高温処理プロセスを施すことは、製造コストの上
昇につながる。また、セラミックス部品を分割して、薄
型・小型化することにより熱応力を低減する場合も、部
品点数の増加や加工プロセスの増加により、製造コスト
が上昇する。When a ceramic heat insulating layer is applied to a metal member, if a simple joining structure is adopted, no matter what method is adopted, thermal stress is generated to some extent. Is inevitable, and in order to improve the reliability of the member, it is necessary to minimize the occurrence of thermal stress.
Metallization, PVD, CV for ceramics or metal surface to improve the bondability between ceramics and metal
Applying a high temperature treatment process such as D leads to an increase in manufacturing cost. Further, even when the thermal stress is reduced by dividing the ceramic parts to make them thinner and smaller, the manufacturing cost increases due to the increase in the number of parts and the number of processing processes.
【０００６】溶射によるセラミックスのコーティングが
できるのは、剥離防止のため概ね５００μm以下までで
あり、これでは付与できる断熱性能に限界がある。ま
た、溶射によるセラミックス皮膜の耐磨耗性は、同質の
緻密質なセラミックスに劣っている。金属側からセラミ
ックス側に徐々に組成を変化させる傾斜機能材料の場合
でも、従来のものは、熱応力を最小化するために相対的
に金属成分を多く含むため、必要な遮熱性を確保するに
は、断熱層厚さを十分厚くする必要があるという問題点
があった。The coating of ceramics by thermal spraying can be applied up to approximately 500 μm or less in order to prevent peeling, and this limits the heat insulating performance that can be applied. Further, the abrasion resistance of the ceramic film formed by thermal spraying is inferior to that of the same dense ceramic. Even in the case of functionally graded materials whose composition gradually changes from the metal side to the ceramic side, conventional materials contain a relatively large amount of metal components in order to minimize thermal stress. However, there is a problem that the thickness of the heat insulating layer needs to be sufficiently thick.
【０００７】本発明は上記の諸点に鑑みなされたもの
で、本発明の目的は、ディーゼルエンジンのピストンク
ラウンなどの耐熱性が要求される金属製部材に対して、
傾斜組成型断熱層を有する低コストで信頼性の高い緻密
質セラミックス断熱構造を付与することにより、耐熱性
能の向上や熱応力の緩和等を図ることができる金属製部
材及びその製造方法を提供することにある。The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a metal member, such as a piston crown of a diesel engine, which is required to have heat resistance.
Provided is a metal member capable of improving heat resistance performance, relaxing thermal stress, and the like, and a method for manufacturing the same, by providing a low-cost and highly reliable dense ceramic heat insulating structure having a graded composition heat insulating layer. Especially.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の傾斜組成型断熱層を有する金属製部材
は、表面から裏面にかけてセラミックスから金属へと組
成が変化する傾斜組成型断熱層を有する金属製部材にお
いて、セラミックス粉末と金属粉末との混合比率が異な
る複数種類の混合粉末を、両者の混合比率が順次変化す
るように積層して得た成形体を、加圧焼結して盤状断熱
層とし、該盤状断熱層の金属側と母材とを接合してなる
ことを特徴としている。In order to achieve the above object, a metal member having a graded composition type heat insulating layer of the present invention is a graded composition type heat insulating material whose composition changes from ceramics to metal from the front surface to the back surface. In a metal member having layers, a plurality of types of mixed powders having different mixing ratios of ceramic powder and metal powder are laminated so that the mixing ratio of the two is sequentially changed, and the resulting compact is pressure-sintered. The present invention is characterized in that the plate-like heat insulating layer is formed by joining the metal side of the plate-like heat insulating layer and the base material.
【０００９】本発明の金属製部材において、盤状断熱層
が、縦方向に分割した要素ブロックからなるように構成
することが望ましい。これらの金属製部材において、母
材が、複数の未貫通穴からなる中空構造を上部に有する
ように構成することが望ましい。また、この場合、母材
が、要素ブロックに対応する大きさの未貫通穴を要素ブ
ロックに対応する位置に有するように構成することが望
ましい。さらに、これらの金属製部材において、セラミ
ックスとして安定化ジルコニア及び部分安定化ジルコニ
アのいずれかを用い、かつ、金属としてフェライト系ス
テンレス鋼を用いることが望ましい。In the metal member of the present invention, it is desirable that the board-like heat insulating layer is composed of vertically divided element blocks. In these metal members, it is desirable that the base material has a hollow structure having a plurality of non-through holes at the top. Further, in this case, it is preferable that the base material is configured to have a non-through hole having a size corresponding to the element block at a position corresponding to the element block. Furthermore, in these metal members, it is desirable to use either stabilized zirconia or partially stabilized zirconia as the ceramics and ferritic stainless steel as the metal.
【００１０】本発明の傾斜組成型断熱層を有する金属製
部材の製造方法は、表面から裏面にかけてセラミックス
から金属へと組成が変化する傾斜組成型断熱層を有する
金属製部材を製造する方法において、セラミックス粉末
と金属粉末との混合比率が異なる複数種類の混合粉末
を、両者の混合比率が順次変化するように積層して成形
体とし、該成形体を真空雰囲気下、温度１０００〜１３
００℃、圧力２０〜４０MPaの条件で加圧焼結を行って
盤状断熱層を作製し、該盤状断熱層の金属側と母材とを
ロウ付け又は拡散接合により接合することを特徴として
いる。The method for producing a metal member having a graded composition type heat insulating layer of the present invention is a method for producing a metal member having a graded composition type heat insulating layer in which the composition changes from ceramics to metal from the front surface to the back surface. A plurality of types of mixed powders having different mixing ratios of ceramic powder and metal powder are laminated so that the mixing ratios of the two are sequentially changed to form a molded body, and the molded body is heated in a vacuum atmosphere at a temperature of 1000 to 13
It is characterized by performing pressure sintering under the conditions of 00 ° C. and a pressure of 20 to 40 MPa to produce a disc-shaped heat insulating layer, and joining the metal side of the disc-shaped heat insulating layer and the base material by brazing or diffusion bonding. There is.
【００１１】本発明の方法において、盤状断熱層に要求
される断熱特性と熱応力の低減とを達成するために、予
め断熱層の各部位の熱伝導解析及び応力解析を行って材
料設計し、その設計結果に従ってセラミックスと金属と
の混合比率を断熱層内部で変化させることが望ましい。
これらの方法において、盤状断熱層を縦方向に分割して
要素ブロックとした後、母材に接合することが望まし
い。これらの方法において、複数の未貫通穴を母材に予
め設けておき、断熱層と母材との間を中空構造とするこ
とが望ましい。また、この場合、母材に、要素ブロック
に対応する大きさの未貫通穴を要素ブロックに対応する
位置に予め設けておくことが望ましい。さらに、これら
の方法において、セラミックスとして安定化ジルコニア
及び部分安定化ジルコニアのいずれかを用い、かつ、金
属としてフェライト系ステンレス鋼を用いることが望ま
しい。In the method of the present invention, in order to achieve the heat insulating properties and the reduction of the heat stress required for the board-like heat insulating layer, the heat conduction analysis and the stress analysis of each part of the heat insulating layer are performed in advance to design the material. It is desirable to change the mixing ratio of ceramics and metal inside the heat insulating layer according to the design result.
In these methods, it is desirable to divide the board-like heat insulating layer in the vertical direction into element blocks and then bond the element blocks to the base material. In these methods, it is desirable that a plurality of unpenetrated holes be provided in the base material in advance and a hollow structure be provided between the heat insulating layer and the base material. Further, in this case, it is desirable to previously provide the base material with a non-through hole having a size corresponding to the element block at a position corresponding to the element block. Further, in these methods, it is desirable to use either stabilized zirconia or partially stabilized zirconia as the ceramic and ferritic stainless steel as the metal.
【００１２】本発明の方法において、温度が１０００℃
未満の場合は、ジルコニア等のセラミックスの焼結が十
分に進行しない傾向があり、一方、温度が１３００℃を
超える場合は、ステンレス鋼等の金属部分が軟化して変
形する、あるいは、焼結に用いる治具との反応が生じ
る。また、圧力が２０MPa未満の場合は、セラミックス
部の焼結が十分に進行しない傾向があり、一方、圧力が
４０MPaを超える場合は、焼結温度が高すぎる場合と同
様に、焼結体が変形、あるいは最悪の場合、割れが発生
する可能性がある。また、高すぎる圧力は治具自体の破
壊を引き起こす可能性がある。In the method of the present invention, the temperature is 1000 ° C.
When it is less than 1, the sintering of ceramics such as zirconia tends not to proceed sufficiently, while when the temperature exceeds 1300 ° C, the metal part such as stainless steel is softened and deformed, or the sintering is not performed. Reaction with the jig used occurs. Further, when the pressure is less than 20 MPa, the sintering of the ceramic portion tends not to proceed sufficiently, while when the pressure exceeds 40 MPa, the sintered body is deformed as in the case where the sintering temperature is too high. Or, in the worst case, cracking may occur. Also, too high a pressure may cause the jig itself to break.
【００１３】[0013]
【発明の実施の形態】金属製部材に付与する断熱層に対
して要求される低熱伝導性及び母材との接合性は、必ず
しも断熱層全体が均等に有する必要はなく、高温に曝さ
れる部位には主として低熱伝導性や耐熱性が要求され、
母材に接する側には主として接合性が要求される。ま
た、母材との接合時や実使用環境下における断熱層内部
の熱応力の発生を抑制するため、断熱層内部の温度勾配
に適した材料物性（熱膨張率、ヤング率など）を断熱層
の各部位が有するように、予め応力解析や熱伝導解析を
することにより材料設計を行う。断熱層内部の特性を制
御する手段として、断熱層を、断熱材料として一般的で
あるセラミックスと部材自体を構成する金属とからなる
複合材料とし、その２相の混合比率を断熱層内部で変化
させる。なお、使用するセラミックスとしては、一例と
して、安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアが挙
げられる。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The low heat conductivity required for a heat insulating layer applied to a metal member and the bondability with a base material do not necessarily have to be even in the whole heat insulating layer and are exposed to a high temperature. The parts are mainly required to have low thermal conductivity and heat resistance,
Bondability is mainly required on the side in contact with the base material. In addition, in order to suppress the generation of thermal stress inside the heat insulating layer during joining with the base material and in the actual use environment, the heat insulating layer should have material properties suitable for the temperature gradient inside the heat insulating layer (thermal expansion coefficient, Young's modulus, etc.). Material design is carried out by conducting stress analysis and heat conduction analysis in advance so that each part has. As a means for controlling the characteristics inside the heat insulating layer, the heat insulating layer is made of a composite material composed of ceramics, which is generally used as a heat insulating material, and a metal constituting the member itself, and the mixing ratio of the two phases is changed inside the heat insulating layer. . The ceramics used may be, for example, stabilized zirconia or partially stabilized zirconia.
【００１４】次に、図１〜図３を参照しながら、本発明
の実施の形態の一例を説明する。図１は、本発明の傾斜
組成型断熱層を有する金属製部材における盤状断熱層の
一例を示している。図１において、１０は盤状断熱層で
あり、表面（上面）１２から裏面（下面）１４にかけて
部分安定化ジルコニアからフェライト系ステンレス鋼へ
と組成が変化する傾斜組成型断熱層を形成している。こ
の盤状断熱層１０は、２相の混合比率（例えば、体積
比）が順次変化するように積層して得た成形体を真空雰
囲気下、温度１０００〜１３００℃、圧力２０MPa以
上、好ましくは、温度１１００〜１２００℃、圧力３０
〜３５MPaの条件で一軸加圧焼結を行うことにより作製
した。なお、本例では、低熱伝導性セラミックスとして
部分安定化ジルコニアを用い、金属としてフェライト系
ステンレス鋼を用いているが、他のセラミックスや金属
を使用することも勿論可能である。また、図１及び図２
では、一例として盤状断熱層１０の形状を円盤状として
いるが、他の形状とすることも勿論可能である。また、
一軸加圧焼結以外の他の粉末焼結法により盤状断熱層を
作製することも勿論可能である。Next, an example of an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows an example of a board-shaped heat insulating layer in a metal member having a gradient composition type heat insulating layer of the present invention. In FIG. 1, 10 is a board-shaped heat insulating layer, and forms a graded composition heat insulating layer whose composition changes from partially stabilized zirconia to ferritic stainless steel from the front surface (upper surface) 12 to the back surface (lower surface) 14. . The plate-like heat insulating layer 10 is formed by stacking two-phase mixed ratios (for example, volume ratio) so that the mixed ratios are sequentially changed under a vacuum atmosphere at a temperature of 1000 to 1300 ° C. and a pressure of 20 MPa or more, preferably, Temperature 1100 to 1200 ° C, pressure 30
It was produced by performing uniaxial pressure sintering under the condition of ~ 35 MPa. In this example, partially stabilized zirconia is used as the low thermal conductivity ceramics and ferritic stainless steel is used as the metal, but other ceramics or metals can of course be used. 1 and 2
Then, as an example, the shape of the disk-shaped heat insulating layer 10 is a disk shape, but it is of course possible to have another shape. Also,
It is of course possible to produce the disc-shaped heat insulating layer by a powder sintering method other than the uniaxial pressure sintering.
【００１５】図２に示すように、盤状断熱層１０は、熱
応力を緩和するために要素ブロック１６に分割されてお
り、一方、接合される母材１８には、盤状断熱層１０と
の間を中空構造として断熱性を向上させるために、複数
の未貫通穴２０が設けられている。図３は、盤状断熱層
１０と母材１８とをロウ付けにより接合した状態を示す
拡大縦断面図であり、未貫通穴２０は、要素ブロック１
６に対応する大きさであって、要素ブロック１６に対応
する位置に設けられている。２２はロウ材である。な
お、図２では、要素ブロック１６は四角に分割されてい
るが、六角形等の他の形状に分割することも勿論可能で
ある。分割はウォータージェットやレーザースクライビ
ング等により行われる。また、図３では、盤状断熱層１
０と母材１８とをロウ付けにより接合しているが、拡散
接合等の他の手段によって接合することも勿論可能であ
る。また、未貫通穴を設けない場合もある。As shown in FIG. 2, the board-like heat insulating layer 10 is divided into element blocks 16 to relieve thermal stress, while the base material 18 to be joined has a board-like heat insulating layer 10 and A plurality of unpenetrated holes 20 are provided in order to improve the heat insulation by forming a hollow structure between them. FIG. 3 is an enlarged vertical cross-sectional view showing a state in which the board-shaped heat insulating layer 10 and the base material 18 are joined by brazing, and the non-through holes 20 are the element blocks 1
It has a size corresponding to 6 and is provided at a position corresponding to the element block 16. 22 is a brazing material. Although the element block 16 is divided into squares in FIG. 2, it is of course possible to divide it into other shapes such as a hexagon. The division is performed by water jet, laser scribing, or the like. Further, in FIG. 3, the board-shaped heat insulating layer 1
Although 0 and the base material 18 are joined by brazing, it is of course possible to join them by other means such as diffusion joining. Further, there is a case where the non-through hole is not provided.
【００１６】上述した方法で材料物性（熱膨張率、ヤン
グ率など）を制御し、熱応力を低減した傾斜組成型断熱
層を使用することにより、接合界面での割れや剥離など
の損傷、また、断熱層自体の破壊を防止することができ
る。断熱層内部の熱応力が緩和されているため、断熱層
の要素ブロックを厚膜・大型化でき、断熱性能の向上及
び加工コストの低減を図ることができる。粉末焼結法に
より作製した厚膜かつ緻密質な断熱層であるので、断熱
性能及び耐磨耗性の向上を図ることができる。By controlling the material properties (thermal expansion coefficient, Young's modulus, etc.) by the above-mentioned method and using the graded composition type heat insulating layer in which the thermal stress is reduced, damage such as cracking or peeling at the joint interface, and The destruction of the heat insulating layer itself can be prevented. Since the thermal stress inside the heat insulating layer is relaxed, the element block of the heat insulating layer can be made thicker and larger, and the heat insulating performance can be improved and the processing cost can be reduced. Since it is a thick film and a dense heat insulating layer manufactured by the powder sintering method, it is possible to improve heat insulating performance and abrasion resistance.
【００１７】[0017]
【実施例】以下に、図１〜図４に基づいて、本発明の実
施例を説明する。本実施例は、ディーゼルエンジンのピ
ストンクラウン部の上部に、傾斜組成型断熱層を設けた
場合である。母材である金属主構造（ＳＵＨ３）に付与
される断熱層には、イットリア部分安定化ジルコニア
（ＹＳＺ）とフェライト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４３
０）の混合比率を制御して製造した組成傾斜材料（ＦＧ
Ｍ）を用いた。また、図２〜図４に示すように、盤状断
熱層１０は、熱応力をさらに緩和するために、縦方向に
分割した構造となっており、かつ、盤状断熱層１０と母
材１８との間は、断熱性をさらに向上させるために、母
材１８の上部に複数の未貫通穴２０を設けて中空構造と
している。Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS. In this embodiment, a gradient composition type heat insulating layer is provided on the piston crown portion of a diesel engine. The heat insulating layer applied to the metal main structure (SUH3) as the base material includes yttria partially stabilized zirconia (YSZ) and ferritic stainless steel (SUS43).
0) mixed gradient material (FG) manufactured by controlling the mixing ratio.
M) was used. In addition, as shown in FIGS. 2 to 4, the board-shaped heat insulating layer 10 has a structure in which the board-shaped heat insulating layer 10 is divided in the vertical direction in order to further alleviate thermal stress, and the board-shaped heat insulating layer 10 and the base material 18 are provided. In order to further improve the heat insulating property, a plurality of non-through holes 20 are provided in the upper portion of the base material 18 to form a hollow structure.
【００１８】以下に、使用環境が表１に示す物性値、表
２に示す境界条件である場合の断熱層の材料設計及び金
属製部材の製造工程について説明する。The material design of the heat insulating layer and the manufacturing process of the metal member when the use environment is the physical property values shown in Table 1 and the boundary conditions shown in Table 2 will be described below.
【００１９】[0019]
【表１】 [Table 1]
【００２０】[0020]
【表２】 [Table 2]
【００２１】（１） 断熱層の設計 断熱層の特性を支配する断熱層厚さと板厚方向の材料組
成分布は、図８に示すグラフを用いて決定した。本実施
例では、一例として、厚さ６．５mmのジルコニアと等し
い熱抵抗を与えるように設計した。例えば、断熱層の組
成分布パラメータをｄ＝０．８とした場合は、図８から
断熱層の厚さは約１８mmとする必要がある。また、断熱
層の材料強度の観点からは、断熱層の製造時の残留熱応
力、断熱層とピストン材（母材）とを接合した場合の残
留応力、及び使用環境時の発生熱応力が材料破壊強度以
下になるように、有限要素法により材料厚さ及び組成分
布を決定する必要がある。上記２つの要因を考慮する
と、本実施例での設計データとしては、材料厚さを１８
mm、断熱層の組成分布パラメータをｄ＝０．８とするこ
とで、上記条件を満足する結果を得た。(1) Design of heat insulating layer The thickness of the heat insulating layer and the material composition distribution in the plate thickness direction, which govern the characteristics of the heat insulating layer, were determined using the graph shown in FIG. In this embodiment, as an example, it is designed to give a thermal resistance equal to that of zirconia having a thickness of 6.5 mm. For example, when the composition distribution parameter of the heat insulating layer is d = 0.8, the thickness of the heat insulating layer needs to be about 18 mm from FIG. Further, from the viewpoint of the material strength of the heat insulating layer, the residual heat stress at the time of manufacturing the heat insulating layer, the residual stress at the time of joining the heat insulating layer and the piston material (base material), and the heat stress generated at the time of use environment are the materials. It is necessary to determine the material thickness and composition distribution by the finite element method so that the fracture strength becomes equal to or less than that. Considering the above two factors, the material thickness is 18 as the design data in this embodiment.
The result satisfying the above condition was obtained by setting the composition distribution parameter of mm and the heat insulating layer to d = 0.8.
【００２２】なお、組成分布パラメータとして用いたｄ
値は、次式により与えられる。 ｄ＝ｔi+1／ｔi この組成分布パラメータは、傾斜機能材料（ＦＧＭ）を
各層毎にイットリア部分安定化ジルコニア（ＹＳＺ）と
フェライト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）との体積比
が等差漸増するｎ層の積層板と見なした場合において、
ある層の厚さｔiに対する隣接する金属（ここでは、Ｓ
ＵＳ４３０）側の層の厚さｔi+1の比を示している。こ
こで、図５は、組成分布のパラメータをｄ＝０．８とし
た場合のＹＳＺとＳＵＳ４３０の体積比と断熱層の厚さ
との関係を示している。同様に、図６、図７では、それ
ぞれｄ＝１．０、ｄ＝１．２とした場合を示している。D used as a composition distribution parameter
The value is given by: d = t i + 1 / t i This composition distribution parameter is such that the volume ratio between the yttria partially stabilized zirconia (YSZ) and the ferritic stainless steel (SUS430) in the functionally graded material (FGM) increases gradually by an equal difference. When it is considered as an n-layer laminate,
Adjacent metal (here, S for a layer thickness t i
US430) side layer thickness t i + 1 ratio is shown. Here, FIG. 5 shows the relationship between the volume ratio of YSZ and SUS430 and the thickness of the heat insulating layer when the parameter of the composition distribution is d = 0.8. Similarly, FIGS. 6 and 7 show the cases where d = 1.0 and d = 1.2, respectively.
【００２３】（２） 断熱層の製造 イットリア部分安定化ジルコニア（平均粒径０．３ミク
ロン）とフェライト系ステンレス鋼（平均粒径５ミクロ
ン）の各粉末を、体積比で１０：０、９：１、８：２、
７：３、６：４、５：５、４：６、３：７、２：８、
１：９、０：１０となる１１種類の混合粉末又は単一粉
末とした。これらの混合粉末又は単一粉末を、両者の混
合比率が順次変化するように、黒鉛製の型に積層して成
形体を得た。この成形体をホットプレス装置を用いて、
真空雰囲気下、温度１１５０℃、圧力３５MPaの条件で
一軸加圧焼結を行い、図１に示すような、径が８５mmの
緻密質な円盤状断熱層１０を作製した。(2) Production of heat insulating layer Yttria partially stabilized zirconia (average particle size: 0.3 micron) and ferritic stainless steel (average particle size: 5 micron) powders in a volume ratio of 10: 0, 9: 1, 8: 2,
7: 3, 6: 4, 5: 5, 4: 6, 3: 7, 2: 8,
Eleven kinds of mixed powder or single powder of 1: 9 and 0:10 were prepared. These mixed powders or single powders were laminated on a graphite mold so that the mixing ratio of the two was sequentially changed to obtain a molded body. Using a hot press machine,
In a vacuum atmosphere, uniaxial pressure sintering was performed under conditions of a temperature of 1150 ° C. and a pressure of 35 MPa to produce a dense disc-shaped heat insulating layer 10 having a diameter of 85 mm as shown in FIG.
【００２４】（３） 断熱層の母材への接合 図２に示すように、作製した円盤状断熱層１０を、ウォ
ータージェットにより、８５mm径から２５mm角の要素ブ
ロック１６に縦方向に切断加工し、下面のフェライト系
ステンレス鋼側をロウ付けにより、母材１８であるステ
ンレス鋼板に接合した結果、割れや剥離は認められなか
った。なお、図２及び図３に示すように、母材１８に
は、断熱性をさらに向上させるために、要素ブロック１
６に対応する大きさの未貫通穴２０が要素ブロック１６
に対応する位置に予め設けられている。２２はロウ材で
ある。図４は、以上の方法で製造した金属製部材から得
られたピストンクラウンの一例を示している。また、上
記の方法で作製した盤状断熱層を、それぞれ２０、２
５、３５、５０mm角に切断加工し、ロウ付けによりステ
ンレス板に接合した実験では、いずれも割れや剥離は認
められなかった。これに対して、ジルコニア板をステン
レス板に直接ロウ付けした場合は、２５mm角以上の大き
さのサンプルでは割れや剥離が認められた。なお、盤状
断熱層１０を母材１８に接合した後に、盤状断熱層１０
をレーザースクライビング等により縦方向に分割するこ
とも可能である。(3) Joining of heat insulating layer to base material As shown in FIG. 2, the produced disk-shaped heat insulating layer 10 is cut by a water jet in the vertical direction into element blocks 16 of 85 mm diameter to 25 mm square. As a result of joining the ferritic stainless steel side of the lower surface to the stainless steel plate which is the base material 18 by brazing, no cracking or peeling was observed. In addition, as shown in FIGS. 2 and 3, the base material 18 includes the element block 1 in order to further improve the heat insulating property.
6, the non-through hole 20 having a size corresponding to 6 is the element block 16
Is provided in advance at a position corresponding to. 22 is a brazing material. FIG. 4 shows an example of a piston crown obtained from the metal member manufactured by the above method. In addition, the board-like heat insulating layer produced by the above method was used for each of 20, 2
In an experiment in which the plate was cut into 5, 35, and 50 mm squares and joined to a stainless steel plate by brazing, neither cracking nor peeling was observed. On the other hand, when the zirconia plate was directly brazed to the stainless steel plate, cracking or peeling was observed in the sample having a size of 25 mm square or more. After the board-shaped heat insulating layer 10 is bonded to the base material 18, the board-shaped heat insulating layer 10
Can also be divided in the vertical direction by laser scribing or the like.
【００２５】このように、本発明では、断熱層自体の大
きさを拡大することができ、同一面積をカバーする断熱
層部品点数を削減することができ、これによりコストダ
ウンにもつながる。図９は、母材（ＳＵＨ３）に断熱層
を付与しなかった場合の遮熱効果を示しており、熱流束
はｑ＝３２２kW／m2であった。一方、図１０は、母材
（ＳＵＨ３）の上部（図１０では左側）に中空構造を設
け、その上（図１０では左側）に傾斜組成型断熱層（Ｙ
ＳＺ／ＳＵＳ４３０）を付与した場合の遮熱効果を示し
ており、熱流束はｑ＝１００kW／m2であった。このよう
に、断熱（遮熱）層を付与した場合は、熱流束が３２２
kW／m2から１００kW／m2に大幅に低減された。また、図
１１は、本発明を適用した場合の熱応力を、金属製部材
を構成する材料強度の比（比応力）で評価した結果を示
している。図１１に示すように、本発明を適用した場合
は、特別なインサート材を設置しなくても、発生する熱
応力を材料の破壊強度以下に抑えることが可能となる。As described above, according to the present invention, the size of the heat insulating layer itself can be increased, and the number of heat insulating layer components covering the same area can be reduced, which leads to cost reduction. FIG. 9 shows the heat shielding effect when the heat insulating layer is not applied to the base material (SUH3), and the heat flux was q = 322 kW / m 2 . On the other hand, in FIG. 10, a hollow structure is provided on the upper portion (left side in FIG. 10) of the base material (SUH3), and the gradient composition type heat insulating layer (Y
SZ / SUS430) is shown, and the heat shielding effect is shown, and the heat flux was q = 100 kW / m 2 . Thus, when the heat insulating (heat shielding) layer is applied, the heat flux becomes 322.
It was significantly reduced from kW / m 2 to 100 kW / m 2 . Further, FIG. 11 shows the results of evaluating the thermal stress in the case of applying the present invention by the ratio (specific stress) of the material strength of the metal member. As shown in FIG. 11, when the present invention is applied, it is possible to suppress the generated thermal stress to the fracture strength of the material or less without installing a special insert material.
【００２６】[0026]
【発明の効果】本発明は上記のように構成されているの
で、つぎのような効果を奏する。 （１） 従来のセラミックスと金属の接合構造に比べて
熱応力が緩和されるので、接合界面での割れや剥離など
の損傷、断熱層自体の破壊を防止することができる。 （２） 断熱層要素を厚膜・大型化でき、断熱構造の向
上及び加工コストの低減を図ることができる。 （３） 粉末焼結法により作製した厚膜かつ緻密質な断
熱層であるので、断熱性能及び耐磨耗性の向上を図るこ
とができる。 （４） 断熱層自体の大きさを拡大することができるの
で、同一面積をカバーする断熱層部品点数を削減するこ
とができ、コストダウンにもつながる。 （５） 特別なインサート材を設置しなくても、発生す
る熱応力を材料の破壊強度以下に抑えることが可能にな
る。 （６） メタライズ、ＰＶＤ、ＣＶＤ等の高温処理プロ
セスを省略することができ、製造コストの低減につなが
る。 （７） 断熱層を分割構造とした場合は、さらに熱応力
を緩和することができる上に、断熱層のセグメント分割
数を少なくでき、加工コストをさらに削減することがで
きる。 （８） 母材の上部に未貫通穴を設けて断熱層との間を
中空構造とした場合は、さらに断熱性が向上する。 （９） 本発明をディーゼルエンジンのピストンクラウ
ンなどに適用すれば、優れた断熱構造が付与されること
により、高出力化、熱効率の向上を図ることができる。As described above, the present invention has the following effects. (1) Since the thermal stress is relaxed as compared with the conventional ceramic-metal bonding structure, damage such as cracking or peeling at the bonding interface and destruction of the heat insulating layer itself can be prevented. (2) The heat insulating layer element can be made thicker and larger, and the heat insulating structure can be improved and the processing cost can be reduced. (3) Since it is a thick film and a dense heat insulating layer produced by the powder sintering method, it is possible to improve heat insulating performance and abrasion resistance. (4) Since the size of the heat insulating layer itself can be increased, the number of heat insulating layer components covering the same area can be reduced, leading to cost reduction. (5) Even if no special insert material is installed, the thermal stress generated can be suppressed to the fracture strength of the material or less. (6) High-temperature treatment processes such as metallization, PVD, and CVD can be omitted, leading to a reduction in manufacturing cost. (7) When the heat insulating layer has a divided structure, the thermal stress can be further relaxed, and the number of divided segments of the heat insulating layer can be reduced, so that the processing cost can be further reduced. (8) When a non-through hole is provided in the upper part of the base material to form a hollow structure between the base material and the heat insulating layer, the heat insulating property is further improved. (9) When the present invention is applied to a piston crown of a diesel engine or the like, an excellent heat insulating structure is provided, so that high output can be achieved and thermal efficiency can be improved.
【図１】本発明の傾斜組成型断熱層を有する金属製部材
における盤状断熱層の一例を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic view showing an example of a board-shaped heat insulating layer in a metal member having a gradient composition type heat insulating layer of the present invention.
【図２】図１における盤状断熱層を縦方向に分割した
後、母材に接合する状態の一例を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of a state in which the board-like heat insulating layer in FIG. 1 is divided in the vertical direction and then joined to the base material.
【図３】図２において、盤状断熱層と母材とをロウ付け
により接合した状態を示す拡大縦断面図である。FIG. 3 is an enlarged vertical sectional view showing a state in which the board-like heat insulating layer and the base material are joined by brazing in FIG.
【図４】本発明の方法で製造したピストンクラウンの一
例を示す斜視図である。FIG. 4 is a perspective view showing an example of a piston crown manufactured by the method of the present invention.
【図５】断熱層の組成分布をｄ＝０．８とした場合のＹ
ＳＺとＳＵＳ４３０の体積比と断熱層の厚さとの関係を
示すグラフである。FIG. 5: Y when the composition distribution of the heat insulating layer is d = 0.8
It is a graph which shows the relationship between the volume ratio of SZ and SUS430, and the thickness of a heat insulation layer.
【図６】断熱層の組成分布をｄ＝１．０とした場合のＹ
ＳＺとＳＵＳ４３０の体積比と断熱層の厚さとの関係を
示すグラフである。FIG. 6 shows Y when the composition distribution of the heat insulating layer is d = 1.0.
It is a graph which shows the relationship between the volume ratio of SZ and SUS430, and the thickness of a heat insulation layer.
【図７】断熱層の組成分布をｄ＝１．２とした場合のＹ
ＳＺとＳＵＳ４３０の体積比と断熱層の厚さとの関係を
示すグラフである。FIG. 7 shows Y when the composition distribution of the heat insulating layer is d = 1.2.
It is a graph which shows the relationship between the volume ratio of SZ and SUS430, and the thickness of a heat insulation layer.
【図８】断熱層の組成分布パラメータｄと断熱層の厚さ
との関係を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the relationship between the composition distribution parameter d of the heat insulating layer and the thickness of the heat insulating layer.
【図９】母材（ＳＵＨ３）に断熱層を付与しない場合の
金属製部材における遮熱効果を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing a heat shielding effect in a metal member when a heat insulating layer is not provided on a base material (SUH3).
【図１０】母材（ＳＵＨ３）の上部に中空構造を設け、
その上に傾斜組成型断熱層（ＹＳＺ／ＳＵＳ４３０）を
付与した場合の金属製部材における遮熱効果を示すグラ
フである。FIG. 10: A hollow structure is provided on the upper part of the base material (SUH3),
It is a graph which shows the heat shield effect in a metal member at the time of providing a gradient composition type heat insulation layer (YSZ / SUS430) on it.
【図１１】母材（ＳＵＨ３）の上部に中空構造を設け、
その上に傾斜組成型断熱層（ＹＳＺ／ＳＵＳ４３０）を
付与した場合の金属製部材における熱応力の状態（比応
力）を示すグラフである。FIG. 11: A hollow structure is provided on the upper part of the base material (SUH3),
It is a graph which shows the state (specific stress) of the thermal stress in a metal member at the time of providing a gradient composition type heat insulation layer (YSZ / SUS430) on it.
１０ 盤状断熱層 １２ 表面 １４ 裏面 １６ 要素ブロック １８ 母材 ２０ 未貫通穴 ２２ ロウ材 10 Disc-shaped heat insulating layer 12 Front surface 14 Back surface 16 Element block 18 Base material 20 Non-through hole 22 Brazing material
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｆ 3/00 ３０２ Ｆ０２Ｆ 3/00 ３０２Ａ // Ｂ３２Ｂ 15/04 Ｂ３２Ｂ 15/04 Ｂ Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Office reference number FI technical display location F02F 3/00 302 F02F 3/00 302A // B32B 15/04 B32B 15/04 B
Claims (11)
金属へと組成が変化する傾斜組成型断熱層を有する金属
製部材において、 セラミックス粉末と金属粉末との混合比率が異なる複数
種類の混合粉末を、両者の混合比率が順次変化するよう
に積層して得た成形体を、加圧焼結して盤状断熱層と
し、 該盤状断熱層の金属側と母材とを接合してなることを特
徴とする傾斜組成型断熱層を有する金属製部材。1. A metal member having a graded composition type heat insulating layer in which the composition changes from ceramics to metal from the front surface to the back surface, and a plurality of kinds of mixed powders having different mixing ratios of ceramic powder and metal powder are mixed. The molded body obtained by stacking so that the mixing ratio is sequentially changed is pressure-sintered to form a disc-shaped heat insulating layer, and the metal side of the disc-shaped heat insulating layer and a base material are joined together. A metal member having a gradient composition type heat insulating layer.
ロックからなる請求項１記載の傾斜組成型断熱層を有す
る金属製部材。2. The metal member having a graded composition type heat insulating layer according to claim 1, wherein the board-like heat insulating layer is composed of vertically divided element blocks.
造を上部に有する請求項１又は２記載の傾斜組成型断熱
層を有する金属製部材。3. A metal member having a graded composition type heat insulating layer according to claim 1, wherein the base material has a hollow structure having a plurality of non-through holes at the top.
の未貫通穴を要素ブロックに対応する位置に有する請求
項２又は３記載の傾斜組成型断熱層を有する金属製部
材。4. The metal member having a graded composition type heat insulating layer according to claim 2, wherein the base material has a non-through hole having a size corresponding to the element block at a position corresponding to the element block.
分安定化ジルコニアのいずれかであり、かつ、金属がフ
ェライト系ステンレス鋼である請求項１〜４のいずれか
に記載の傾斜組成型断熱層を有する金属製部材。5. The metal having a graded composition type heat insulating layer according to claim 1, wherein the ceramic is either stabilized zirconia or partially stabilized zirconia, and the metal is ferritic stainless steel. Made parts.
金属へと組成が変化する傾斜組成型断熱層を有する金属
製部材を製造する方法において、 セラミックス粉末と金属粉末との混合比率が異なる複数
種類の混合粉末を、両者の混合比率が順次変化するよう
に積層して成形体とし、 該成形体を真空雰囲気下、温度１０００〜１３００℃、
圧力２０〜４０MPaの条件で加圧焼結を行って盤状断熱
層を作製し、 該盤状断熱層の金属側と母材とをロウ付け又は拡散接合
により接合することを特徴とする傾斜組成型断熱層を有
する金属製部材の製造方法。6. A method for producing a metal member having a gradient composition type heat insulating layer in which the composition changes from ceramics to metal from the front surface to the back surface, and a plurality of kinds of mixed powders having different mixing ratios of ceramic powder and metal powder. Are laminated so that the mixing ratio of the both changes sequentially to form a molded body, and the molded body is heated in a vacuum atmosphere at a temperature of 1000 to 1300 ° C.
Gradient composition characterized by performing pressure sintering under a pressure of 20 to 40 MPa to produce a disc-shaped heat insulating layer, and joining the metal side of the disc-shaped heat insulating layer and the base material by brazing or diffusion bonding. A method for manufacturing a metal member having a mold heat insulating layer.
力の低減とを達成するために、予め断熱層の各部位の熱
伝導解析及び応力解析を行って材料設計し、その設計結
果に従ってセラミックスと金属との混合比率を断熱層内
部で変化させる請求項６記載の傾斜組成型断熱層を有す
る金属製部材の製造方法。7. In order to achieve the heat insulating properties and the reduction of thermal stress required for the board-like heat insulating layer, heat conduction analysis and stress analysis of each part of the heat insulating layer are performed in advance to design the material, and the design result is obtained. 7. The method for producing a metal member having a graded composition type heat insulating layer according to claim 6, wherein the mixing ratio of the ceramics and the metal is changed inside the heat insulating layer.
ックとした後、母材に接合する請求項６又は７記載の傾
斜組成型断熱層を有する金属製部材の製造方法。8. The method for producing a metal member having a graded composition type heat insulating layer according to claim 6 or 7, wherein the board-like heat insulating layer is vertically divided into element blocks, which are then joined to a base material.
き、断熱層と母材との間を中空構造とする請求項６、
７、８のいずれかに記載の傾斜組成型断熱層を有する金
属製部材の製造方法。9. The hollow structure is provided between the heat insulating layer and the base material by previously providing a plurality of non-through holes in the base material.
9. A method for manufacturing a metal member having the gradient composition type heat insulating layer according to any one of 7 and 8.
さの未貫通穴を要素ブロックに対応する位置に予め設け
ておく請求項８又は９記載の傾斜組成型断熱層を有する
金属製部材の製造方法。10. A metal member having a graded composition type heat insulating layer according to claim 8 or 9, wherein an unpenetrated hole having a size corresponding to the element block is provided in the base material in advance at a position corresponding to the element block. Production method.
部分安定化ジルコニアのいずれかであり、かつ、金属が
フェライト系ステンレス鋼である請求項６〜１０のいず
れかに記載の傾斜組成型断熱層を有する金属製部材の製
造方法。11. The metal having a graded composition type heat insulating layer according to claim 6, wherein the ceramic is either stabilized zirconia or partially stabilized zirconia, and the metal is ferritic stainless steel. Method of manufacturing member.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10408296A JPH09268304A (en) | 1996-03-29 | 1996-03-29 | Metallic member having gradient composition type insulating layer and its production |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10408296A JPH09268304A (en) | 1996-03-29 | 1996-03-29 | Metallic member having gradient composition type insulating layer and its production |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09268304A true JPH09268304A (en) | 1997-10-14 |
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ID=14371227
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10408296A Pending JPH09268304A (en) | 1996-03-29 | 1996-03-29 | Metallic member having gradient composition type insulating layer and its production |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09268304A (en) |
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-
1996
- 1996-03-29 JP JP10408296A patent/JPH09268304A/en active Pending
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