JPS61194187A - 断熱型エンジン用シリンダライナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、耐熱性、断熱性、耐摩耗性にすぐれた断熱型
エンジン用シリンダライナに関するものである。

〔従来の技術及び問題点〕

従来、エンジンは、主として鋳鉄やアルミニウム合金な
どの金属材によって製作されていた。

しかるに、漸近、エンジンでの冷却による大きな熱損失
を低減し、エンジンの熱効率を高めようとする研究が盛
んとなり、エンジン部品として耐熱性、耐摩耗性のすぐ
れたセラミックスやセラミックス・金属の複合体を使用
することが多く提案されている。これらのうちセラミッ
クス・金属複合体のセラミックスは、多くは高温度にお
いて焼結されたセラミックスであり、このセラミックス
を金属部材に焼き嵌め、鋳ぐるみ、ボルト締めろう接等
により複合体とするか、あるいは高融点セラミック材料
を金属基材上に溶射コーテングして複合体を形成するも
のである。

しかるに、これらの方法のうち、高温焼結されたセラミ
ックスは、いずれも高度な製造技術を必要とし、その製
造工程が複雑であシ、かつ、高温度で焼結するなどのた
めに製造コストがいちじるしく高くなるなどといった欠
点がある。

又、セラミック溶射コーテング法は、最近溶射技術の進
歩により金属基材上に比較的均質なセラミック層の形成
が容易となり、溶射コーテングのコストは、高温焼結セ
ラミックスに比していちじるしく低置である。又、溶射
コーテングしたセラミックスは、一般に多孔質であり、
その組織中の気孔は、金属基体との熱膨張差や機械的な
応力を吸収し、熱膨張や変形を緩和し、さらに、比較的
薄い層であっても大きな断熱性を肩するなど大きな利点
を有している。しかしながら、反面、本質的に多くの開
放気孔を有しているため、エンジンの稼動時に燃料ガス
や燃焼生成物が溶射セラミックスの組織中に浸入拡散し
、セラミックスが亀裂や剥離などの損傷を招き、又、セ
ラミックスの表面を研磨加工する工程が必要であるため
かな９コスト高になるなどといった欠点を有するもので
ある。

〔問題点を解決する丸めの手段及び作用〕本発明者らは
、これらの欠点を解決し、損傷を受けることがなく、表
面研磨加工の工数を少なくするシリンダライナを得べく
研究を重ねた結果、シリンダ内周面の上方部分に溶射ラ
イニング層と酸化クロムによって結合強化され次セラミ
ック層との二層に形成し、その他の部分を上方部分の表
層と連続した同組成のセラミック層を形成したライナと
することによって目的を達し得ることを見出して本発明
をなしたものである。すなわち、本発明は、鉄及び鉄基
合金を基体とし、内周面が全面にわたクセラミック層を
形成してなるシリンダライナであり、シリンダライナの
上方部分の前記セラミック層は、下層が酸化クロムの結
合により強化された溶射セラミック層で形成され、その
上にセラミック粉末を酸化クロムによ多結合強化したセ
ラミックスを表面層として形成しｋ＝種類のセラミック
スを積層して一段と厚く形成され、シリンダライナの中
央部及び下方部の内周面は、前記セラミック粉末を酸化
クロムにより結合強化したセラミックスが前記上方部の
表面層と連続して形成してなる断熱型エンジン用シリン
ダライナである。

本発明において使用する鉄及び鉄基合金としては、本発
明が金属・セラミックス接合体であるので、金属とセラ
ミックス両部材の熱膨張特性が近似していることがとく
に重要であるので、たとえば、鋳鉄、クロム鋼などがあ
げられる。

セラミックスとしては、シリンダライナの上方部分の下
層を形成するセラミックスは、酸化物が主体であり、た
とえば％Ｙ２Ｏ３、Ｃａｂ。

ＭｇＯなどによシ安定化処理され７’ｃＺｒＯ２又はＴ
ｌＯ２＋Ａｌ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３，Ａｌ２Ｏ３など及び
こｎら酸化物の混合物などがあげられ、粒度４４〜１０
輛程度の粉状として使用する。しかして、これらを高温
プラズマで溶射コーテング被膜とした後、生ずる気孔を
できるだけ減少させることなく閉塞気孔化及びセラミッ
ク組織の強化処理に使用する処理物は、開放気孔の気孔
大きさに見合う粒子径のセラミック粉末、たとえば、ｚ
ｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓ　ｔｏ２、Ｃｒ２Ｏ５などから
選はれたセラミック粉末と、比重が１４３５−１．７５
のクロム酸の濃水溶液とからなる粘度９０Ｃｚ１５００
ｃｐのスラリーとしたものである。

この表面層に連続してシリンダ内周面に形成するセラミ
ックスは、前記シリンダ上方部の下層上に形成する表面
層セラミックスと同様なセラミック粉末とクロム酸の濃
水溶液とからなるスラリーとしたものである。

このようなセラミック原料を使用して、鉄及び鉄基合金
を基体としたシリンダ内周面にセラミック層を形成する
のであるが、先ず、シリンダ上方部に形成するセラミッ
ク下層は、前記酸化物群から適宜選択した酸化物を通常
の溶射コーチング法によって、使用する基体の内径より
やや内径が小さくなるような比較的厚い層に形成される
。ここに形成された溶射セラミック層は、酸化物融液が
高速で基体表Ｖ衝突し偏平粒子となって基体に接着し、
頭次重なり結合しあって形成されているものであるから
本質的に多孔質であり、源材料の糧類や粒度分布、溶射
条件などによりセラミックスの組織もかなり異なる。た
とえばＹ２Ｏ３’？ＣａＯによって安定化処理したＺｒ
０１やＡｌｚＯｓの４４〜１０ＩＬｒｎの粒度分布を有
する粉末を基体上に好条件でプラズマ′溶射して形成さ
れるセラミックスは、通常７〜１３％程度の気孔を有し
ている。セラミックス組織中の気孔は、温度変化や機械
振動などで生じる応力を吸収するため、熱衝撃や変形が
緩和され、又、比較的薄い層で大きな断熱効果が得られ
る。

ついで、ここに形成されたセラミック層を研削・研磨し
てシリンダ内径と同じ径にする。

次に、前記のようなりロム酸とセラミック粉末とのスラ
リーをシリンダ全内周に浸漬又はスプレーの工うな方法
で塗装し乾燥後、５００〜６００℃で３０〜１００分間
加熱処理して溶射セラミック層に積層し、溶射セラミッ
ク層を強化溶射セラミック化するとともに、シリンダの
上方部のセラミック層を二層構造とし、さらに、シリン
ダの中央部及び下方部にわたってシリンダ内周全面に同
時に同様なセラミック層で被覆しライナを形成する。こ
のセラミック層　“形成は、スラリーの塗装・加熱処理
を少なくとも１回繰返して行なうことが好ましく、セラ
ミック層形成後、シリンダライナの内径を所定の寸法に
研磨加工する。

さらに、比重１．６５−１．７５のクロム酸の濃水溶液
を前記のようにして形成したセラミック層の上に含浸さ
せ乾燥後、５００〜６００′ｃ、３（）−１００分間加
熱処理する操作上繰返して行ない組織の結合強化及び緻
密化を行なうものである。

このようにして形成されたシリンダライナの一例は、第
１図に示すようなものであって、（１）は、円筒形の金
属基体、（２）は、酸化クロムの結合硬化により強化さ
れた溶射セラミック層、（３）は、セラミック粉末を酸
化クロムによって結合強化されたセラミック層であり、
第２図〜第７図は、第１図のＡ部分に相当する部分の拡
大断面図であって、第２図及び第３図は、強化溶射セラ
ミック層（２）の厚さが同一。

の厚みである場合を示し、第４図及び第５図は、強化溶
射セラミック層（２）の厚さがその下端部で次第に薄く
形成された場合を示し、第６図及び第７図は、強化溶射
セラミック層（２）の上端部ｔ−最大厚とし、下方に向
って次第に薄く形成した場合を示したものであって、こ
れらのどの形態に形成してもよいものである。

〔発明の効果〕

本発明は、シリンダ内周面の上方部分には、下層が酸化
クロムの結合により強化された溶射セラミック層で形成
され、その上にセラミック粉末を酸化クロムにより結合
強化し九七うミックス１ｃ表面層として形成した二層の
セラミック層とし、上方部分に鹸く中央部及び下方部に
は、上方部分の狭面層に連続して同一組成のセラミック
層を形成させたので、全面を溶射セラミック層としたも
のに較べ研削研磨する量ｔ−減少させ得、熱処理温度も
比較的低く、断熱性、耐熱性、耐摩耗性にすぐれている
シリンダライナを容易にかつ安価に製造し得るなどすぐ
れた効果が認められる。

次に、本発明の笑施例ケ述べる。

実施例 （１）谷原料の詞製 匂）　シリンダ基体 鋳鉄ＦＣ−３５を用い、内径が上方部で８２閣、中央部
〜下方部が８０．３　ｒｍ、肉厚５．５　Ｍで、内径８
２ｍの部分の長さが２２−であシ、全長が１５０１の円
筒形に形成した。

幹フ　溶射セラミック原料 Ｙ２Ｏ３８重量饅で重量化処理したＺｒＯｘを粒度４４
〜１０−の粉末として調部し＊。

（ハ）　クロム酸濃水溶液 ＣｒＯ３を使用して水に溶解して、比重１．６５のクロ
ム酸濃水溶液を調製した。

に）全内周に施行するセラ叱ツクスラリーＹＺＯ３で安
定化処理したＺｒ０ｚ４０重量％、ＳＩＯ！４５重ｆ％
、Ｃｒｚ０３１３重量％の割合で、いずれも１５ｈ以下
で平均粒径４−の粒度分布の粉末を混合して混合粉末と
し、これｔ−（１）−（ハ）において調製し几比重１．
６５のクロム酸濃水溶液によって粘度１０００ｅｐのス
ラリーヲ調裂した。

（２）　　セラミック層の形成 （イ）　上方部下層セラミック層 （１）−（ロ）で調製したセラミック粉末を（１）−（
イ）で調製した基体の上方部に通常行なわれる条件によ
ってブ２ズマ溶射コーテングして約９００−の厚さの被
膜を形成し、この被膜の表面を研削・研磨して中央部〜
下方部の内周面と同一面となるように内径８ｏ３ＩＩＩ
Ｂに仕上げた。

―）　全内周面セラミック層 次に、（１）−に）で調製したスラリーをシリンダ基体
の内周面（（２）−←）で形成した下層セラミック層を
も含む〕に塗装し、これを６００℃で４０分間加熱処理
し、さらにもう１回この塗装及び熱処理金石なってセラ
ミックライナを形成した後、ライナの内径が８０−にな
るように研磨加工した。

次に、＋１）　−ｆｉで調製した比重１．６５のクロム
酸濃水溶液を使用して（２）　−Ｈ）　Ｄ）で形成した
セラミック層に浸漬法によって含浸させ、これｔ−６０
０℃に４０分間加熱処理しｆｃｏこの含浸・加熱処理を
８回反復して行なつ九。

ついで、このようにして得たセラミック層で形成された
シリンダライナの内周面をラッピング仕上げを行なって
製品を得九。

（３）製品の評価　　　　′ 得られた製品について各種試験を行なった。

その結果、室温〜６００℃における線熱膨張係数は、鋳
鉄基体が１１ＪｘｌＯ−’／’Ｃｉ強化溶射セラミンク
層が１１５Ｘ１０−’／’Ｃ酸化クロム結合強化　４゜
セラミック層が１１，４Ｘ１０−”／’Ｃであシ、金属
基体とセラミック層との熱膨張特性は非常によく適合し
ていることが認められた。

又、鋳鉄とセラミック層との接合強度は、引張強さで４
６０鰺−以上の値を示した。

又、熱サイクル試験として、電気炉を用い室温と６００
℃間の急熱及び空冷試験を５００回反復た結果、亀裂の
発生及び剥落などの異常は認められず、この試験後のセ
ラミック表面の硬度は、迅１Ｖ（５０？）１８００であ
った。

さらに、６００℃における熱伝導率は、ライナの上方部
の積層セラミック層で０００４２ｃａｌ／ｌｓ・ｓｅｃ
・℃、中央部〜下方部のセラミック層でＯΩ０６５ｃａ
ｌ／ｃｍ・ｓｅｃ　・Ｃであった。

このように、本発明品は、非常にすぐれた断熱性を有し
かつ耐摩耗性にすぐれた耐久性のあるシリンダライナで
ある。

一１１−＋＋−−

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るシリンダライナの全体縦断面図、
第２図、第３図、第４図、第５図、第６図及び第７図は
、本発明の各実施例の示す部分拡大断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 鉄及び鉄基合金を基体とし、内周面が全面 にわたりセラミック層を形成してなるシリンダライナで
   あり、シリンダライナの上方部分の前記セラミック層は
   、下層が酸化クロムの結合により強化された溶射セラミ
   ック層で形成され、その上にセラミック粉末を酸化クロ
   ムにより結合強化したセラミックスを表面層として形成
   した二種類のセラミックスを積層して一段と厚く形成さ
   れ、シリンダライナの中央部及び下方部の内周面は、前
   記セラミック粉末を酸化クロムにより結合強化したセラ
   ミックスが前記上方部の表面層と連続して形成してなる
   ことを特徴とする断熱型エンジン用シリンダライナ。