JPS586782B2 - セラミツクスコ−テイング法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は耐熱性、断熱性および耐熱衝撃性の優れたセラ
ミックス皮膜を金属表面に形成するためのセラミックス
コーティング法に関する。

セラミックスコーティングは金属表面に断熱性、耐熱性
を付与する方法として各方面で利用されている。

しかし、その大きな欠点は金属表面との接着強度が小さ
いことおよび耐熱衝撃性が劣るために厚い皮膜を得るこ
とができないことである。

金属表面との接着強度が低いのは金属とセラミックスと
が単に機械的に結合しているにすぎないこと、および金
属とセラミックスとの熱膨張係数の差が大きいために、
機械的な結合部が加熱、冷却の繰返しにより弛むことに
原因している。

また耐熱衝撃性が劣るのは厚いセラミックス皮膜では熱
伝導度が小さいために加熱、冷却時の表面と内部の温度
差が大きくなり、引張の熱応力が発生しやすいためであ
る。

一般にセラミックスは圧縮強さに比べ引張強さが著しく
劣り、引張の熱応力で容易に破壊する。

従来のセラミックスコーティング法では母材金属と、セ
ラミックス皮膜との熱膨張係数の差が大きいために、加
熱、冷却によって剥離しやすく、また、実用可能な皮膜
厚さは最大０．５ｍｍ程度であった。

また１ｍｍ以上の厚さとなると、コーティング施行中に
剥離することが多く経験されている。

さらにセラミックス皮膜自体は耐熱衝撃性が劣るため、
急激な加熱冷却によって剥離するという問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みて、加熱、冷却の繰り返
しによる剥離に対する抵抗が大きく耐熱衝撃性のすぐれ
たセラミックス皮膜を得るセラミックスコーティング法
を提供する目的で提案されたもので、アルミニウム合金
の表面に酸化ジルコニウムまたは酸化アルミニウムのセ
ラミックスを被覆するに際し、該合金の表面にニッケル
ーアルミニウム合金と酸化ジルコニウムまたは酸化アル
ミニウムのセラミックスとの混合物または単体物を被覆
されるアルミニウム合金の熱膨張係数に近いものから順
に２層以上の層を溶射被覆することを特徴とするセラミ
ックスコーティング法を提供する。

本発明法においては、金属表面にその金属の熱膨張係数
に近いものから順に少なくとも２層のセラミックス層又
は金属とセラミックスとの混合物からなる層を溶射被覆
することによって、熱に対する各層間の結合性を高め、
皮膜全体の耐熱衝撃性が向上する。

従って皮膜全体の厚さを従来の方法による場合よりも厚
くすることができ、断熱性および耐熱性を改善できる。

また、セラミックスと混合する金属の量を調節すること
によって、被覆層の熱膨張係数を比較的容易に所望の値
にすることができ、かつその金属に結合力の大きな金属
材料を用いることにより、金属母材と皮膜および皮膜の
各被覆層間の結合力を高め、結合強度の大きな皮膜が得
られる。

次に本発明法の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図は従来の方法によって金属母材に被覆されたセラ
ミックス皮膜の断面を示し、第２図は本発明法によって
被覆されたセラミックス皮膜の断面を示す。

１は金属母材で、この材質は第１図および第２図ともに
Ａｌ合金（ＡＣ８Ａ）を用い、この表面をグリットブラ
スト処理した後、第１図ではセラミックス２、第２図で
はセラミックス皮膜３を被覆した。

第１図に示す従来の方法では、セラミックス皮膜２は、
下地処理用の皮膜２ａと上塗り用皮膜２ｂとから構成さ
れている。

皮膜２ａはニッケルアルミナイドＮｉＡｌ粉末をプラズ
マ溶射して膜厚０．１５ｍとし、皮膜２ｂはジルコニア
ＺｒＯ２粉末を０．３８ｍｍ又は０．９８ｍｍの膜厚に
プラズマ溶射して２種の供試材を製作した。

Ｚｒ０２を０．９８ｍｍの膜厚とすることについては、
従来の方法では被覆可能な膜厚は最大約０．５ｍｍであ
り、通常このように厚い皮膜は施行できないので実用化
されないが、本実験では本発明法と同等の断熱性を得る
ためにはこの程度の厚さが必要なので、比較のために特
に注意深く製作したものである。

第２図に示す本発明法で被覆されたセラミックス皮膜３
は、第１表に示される熱膨張係数及び組成を有するセラ
ミックス粉末、又はセラミックス粉末と金属粉末との混
合物を第１図の場合と同様に金属母材１の表面に順にプ
ラズマ溶射して各被覆層３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ
，３ｆからなる皮膜を形成した。

各層３ａ，・・・・・・，３ｆは順次熱膨張係数が小さ
くなるようにＮｉＡｌとＺｒＯ２との含有率を徐々に変
えていき、最外殼の層３ａはＮｉＡｌ、最外殼の層３ｆ
はＺｒＯ２のみからなる。

各層の膜厚は第１表に示される。

本発明法による鴨合、各層の厚さは約０．３ｍｍ程度で
あり、全体の皮膜厚さは約１．８ｍｍと極めて厚く被覆
できる。

これら第１図および第２図のセラミックス皮膜２および
３に第２表に示す熱衝撃試験を試みた。

熱衝撃試験の方法は皮膜表面を酸素一エチレン炎で約３
分間加熱（皮膜表面が白熱状態となる）した後、圧搾空
気で強制冷却し、常温近くまで冷却することを繰り返し
、溶射皮膜が剥離するまでの加熱一冷却のサイクル数を
求めた。

第２表に示されるこの結果をみると、従来法の場合、上
塗り用として０．９８ｍの膜厚でＺｒＯ２を溶射した皮
膜は第１回目の加熱中に破壊、剥離し、上塗り用として
膜厚０．３８ｍのＺｒＯ２を溶射した皮膜は２回及び３
回の加熱一冷却サイクルで破壊、剥離した。

これに対して、本発明法の場合、５０回の加熱冷却によ
っても破壊、剥離が発生しなかった。

また、ＺｒＯ２を０．３８ｍｍ溶射した従来法による皮
膜は皮膜が薄いため４〜５分の酸素−エチレンガスによ
る加熱によって皮膜が未だ健全なうちに母材金属１のア
ルミニウム合金が溶解した。

これに対して、本発明法の場合同様の加熱によっても母
材金属１のアルミニウム合金には異常がなく、皮膜３の
断熱性が優れていることが分った。

このように本発明法によって金属母材１にセラミックス
皮膜を被覆するに際し、金属母材１側から上層に向って
各被覆層の組成を順次変化させ金属母材１側の層を金属
母材１の熱膨張係数に近い熱膨張係数とし、上層に向っ
て順次連続的にセミックスに近い熱膨張係数とすること
によって、耐熱衝撃性を著しく改善できる。

従って皮膜全体の厚さを従来よりも厚くすることができ
、断熱性および耐熱性を改善できる。

またセラミックスと混合する金属粉末にＮｉＡｌのよう
に結合力の大きなものを使用することにより、金属母材
１との結合力も大きくなり、かつ皮膜３の各層において
セラミックスの結合材となるので、結合強度の大きな皮
膜が得られる。

このように金属をセラミックスに混入させることによっ
て比較的容易に所望の熱膨張係数に変えることができ、
かつ金属表面およびセラミックス各層間の接着性を高め
ることができる。

また第１表に示すように金属母材であるＡｌ合金１に近
い層ほどそれと類似した組成をもつＮｉＡｌの含有率が
大きい組成の層を被覆し、表面側へいくほどセラミック
スの含有率を大きくしていくことにより、ＮｉＡｌのＡ
ｌ合金に対する結合力、セラミックス同士を結合させる
結合力およびセラミックスの有する優れた耐熱性、耐熱
衝撃性をともに効果的に発揮させることができる。

混入できる金属材料は特に制限はないが、耐熱性及び耐
熱衝撃性を高める観点から耐熱性の良いニツケルーアル
ミニウム合金が望ましい。

またセラミックスの原料も同様の観点から耐熱性のある
ものが望ましく、アルミナＡｌ２Ｏ３やジルコニアＺｒ
Ｏ２が好適である。

以上のように本発明法は金属母材表面に耐熱性、断熱性
および耐熱衝撃性の優れたセラミックス皮膜を形成し得
るもので、たとえば断熱内燃機関用ピストンおよび排気
通路、その他断熱性、耐熱性および耐熱衝撃性を必要と
する部材に用いて好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の方法で被覆したセラミックス皮膜の断面
図、第２図は本発明法で被覆したセラミツクス皮膜の断
面図である。 １・・・・・・金属母材（Ａｌ合金）、２・・・・・・
セラミックス皮膜、２ａ・・・・・・ＮｉＡｌ下塗り層
、２ｂ・・・・・・ＺｒＯ２上塗り層、３・・・・・・
セラミックス皮膜、３ａ，・・・・・・，３ｆ・・・・
・・熱膨張係数が順に異なる各被覆層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ アルミニウム合金の表面に酸化ジルコニウムを被覆
   するに際し、該合金の表面にニッケルーアルミニウム合
   金を被覆した後、さらにその上に二ツケルーアルミニウ
   ム合金と酸化ジルコニウムの混合物をアルミニウム合金
   の熱膨張係数に近いものから順に２層以上の層を溶射被
   覆することを特徴とするセラミックスコーティング法。