JPS62284063A - セラミツク溶射部材 - 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】 ３、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を母材とし、その表面にセ
ラミック溶射層が形成されたセラミック溶射部材に関し
、例えば自動車エンジンのピストン頂部の如く、断熱性
や耐熱性が要求される部材として使用されるセラミック
溶射部材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ックを溶射してセラミック溶射層
を形成することにより、断熱性や耐熱性を改善したセラ
ミック溶射部材が適用されている。

このような従来のセラミッ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って以下ざらに詳細に説明
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鎖
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っている。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っ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
させる傾向があった。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（ピストンヘッド）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ック材料を溶射
して、断熱性を改善したセラミック溶射ピストンの適用
が試みられている（例えば［Ｃｕｍｍ１ｎｓ／ＴＡＣＯ
ＨＡｄｖａｎｄｅｄＡｄｉａｂａｔｉｃ　Ｅｎｇｉｎ、
Ｊ　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
てセラミック溶射層を形成したセラミック溶射ピストン
においては、母材であるアルミニウム合金の熱膨張係数
とセラミッ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ック溶
射層と−３−。

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ック溶射層が剥離・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っ
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ック溶射
層との熱膨張係数の差によるセラミック溶射層の剥離を
防止するための方法として、予め母材表面に熱膨張係数
が母材とセラミックとの間の中間でしかもセラミックと
の密着性が良好な金属、例えばＮ　ｉ　−０ｒ−Ａｉｌ
’合金、Ｎ１−Ｃｒ−Ａｌ−Ｙ合金、Ｎ　１−Ｇｏ−Ｃ
ｒ−Ａｌ−Ｙ合金などを薄く溶射して、ポンド層あるい
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ックを溶射する方法が知られてい
る（例えば前掲刊行物）。

また一方、従来のセラミック溶射ピストンにおいては、
予め母材表面にショツトブラスト処理などによって凹凸
を形成しておき、その後セラミック溶射を施すことによ
って母材表面へのセラミック溶射層の食い込みを促し、
母材と溶射層との密容性を改善することも行なわれる。

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ック溶
射層との熱膨張係数の差に起因するセラミック溶射層の
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ッ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ッ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った。

また母材表面にショツトブラスト等により凹凸を形成し
てセラミック溶射層の密着強度の改善を図る方法でも、
加熱・冷却の繰返しにより溶射界面に発生する剪断応力
に打勝つに充分な程度の密着強度を確保することは困難
であり、セラミック溶射層の剥離、脱落を確実に防止す
ることはできなかった。

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ック溶射部
材において、アルミニウム合金製母材とセラミック溶射
層との熱膨張差に起因してセラミック溶射層と母材との
界面に亀裂が発生してセラミック溶射層の剥離・脱落に
至るような事態を有効かつ確実に防止し得るセラミック
溶射部′材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、母材をアルミニウム合金とし、かつ表面に
溶射によるセラミック層が形成されたセラミック溶射部
材において、母材表面層に、母材を構成するアルミニウ
ム合金の熱膨張係数を下げる方向へ寄与する元素を合金
化させた合金化層が形成されていることを特徴とするも
のである。

作　　用 第１図にこの発明の溶射部材の原理的な構成を示す。第
１図において１はアルミニウム合金からなる母材であり
、その母材１の表面層は合金化層２となっており、さら
にこの合金化層２の上にセラミック溶射層３が形成され
ている。

合金化層２は、母材１を構成するアルミニウム合金に合
金化することによって、そのアルミニウム合金の熱膨張
係数を下げる方向へ作用するような元素、例えばＳｉを
合金化したものであり、したがってその合金化層２は母
材１の内部の非合金化部分よりも熱膨張係数が低くなっ
ている。またこの合金化層２は、例えば後述するような
レーザ、ＴＩＧアーク、プラズマアーク、電子ビームな
どの高密度エネルギを用いた所謂アロイング技術によっ
て合金化材料を母材表面層に一体に合金化することによ
り形成されたものであって、溶射等の被覆技術によって
コーティングされたものとは異なり、母材内部と一体に
連続しており、したがって母材内部の非合金化部分との
密着強度は著しく高く、実質的に母材強度とほとんど同
等である。

既に述べたように従来のアルミニウム合金製母材を用い
たセラミック溶射部材、例えばセラミック溶射ピストン
において溶９Ａ＠の亀裂、剥離が生じるのは、母材の熱
膨張係数とセラミックの熱膨張係数との大きな差によっ
て繰返し加熱・冷却を受けた場合に界面に大きな熱応力
が生じることが原因である。これに対しこの発明のセラ
ミック溶射部材では、母材表面層の合金化層が母材内部
のアルミニウム合金よりも熱膨張係数が小さくなってお
り、１ノたがって母材表面とセラミック溶射層との熱膨
張係数の差が小さくなり、その結果界面の熱応力が小さ
くなって、セラミック溶射層の亀裂発生、剥離のおそれ
が少なくなるのである。

なお合金化層自体は前述のように母材内部の非合金化部
分と一体に連続していて母材非合金化部分との密着強度
が著しく高く、したがって合金化層自体が母材内部の非
合金化部分から剥離するようなことはない。

なおまた、この発明のセラミック溶射部材を実際の部品
に適用するにあたっては、後述するように母材表面に形
成されている合金化層の上に、その合金化層とセラミッ
クとの中間の熱膨張係数を有する金属からなる下地溶射
層を形成し、その下地溶射層の上にセラミック溶射層を
形成することが望ましい。また母材表面には、合金化層
を形成した後の段階において予めショツトブラストによ
り凹凸を形成しておくことが望ましい。これらの下地溶
射層や凹凸形成などの従来手段をこの発明の溶射部材に
併用することによって溶射層の亀裂、剥離はより一層確
実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 この発明において母材となるアルミニウム合金は、部材
の用途や要求特性に応じて任意に選択すれば良いが、ピ
ストンの場合は１−Ｓｉ合金もしくはＡｌ−Ｓｉ　−Ｎ
　ｉ合金を用いるのが通常であり、またその場合のＳｉ
ｌは、Ａ１との共晶組成あるいは亜共晶組成とするのが
通常である。

合金化層形成のために合金化すべき元素は、基本的には
その元素の合金化によって母材アルミニウム合金の熱膨
張係数を下げるようなものを選べば良いが、実際の部材
においては、そのほか極端な性能劣化を招かないような
元素であること、また合金化し易い元素であることなど
を考慮する必要がある。母材がＡ１−５＋金合金たはＡ
１−８ｉ−Ｎｉ合金の場合は、合金化ずべき元素として
Ｓｉを用いて、合金化層を母材（非合金化部分）のＳｉ
量よりも高ＳｉのＡｌ−Ｓｉ合金層もしくはＡｌ−８ｉ
−Ｎｉ合金層とすることが望ましい。ｌ！−Ｓｉ系合金
においてはＳｉ含有量が増加するほどその熱膨張係数が
小さくなるから、母材のＡｔ：ｔ−ｓ；合金もしくはＡ
１−５　＋　−Ｎｉ合金の表面層に８１を合金化した高
Ｓｉの合金化層は、母材の非合金化部分よりもその熱膨
張係数が低下する。例えば、Ｓｉを１２重量％含有する
ほぼ共晶組成のＡｆ−Ｓｉ合金では熱膨張係数が約２２
Ｘ　１０’　／’Ｃであるのに対し、Ｓｉ含有量が１８
重量％のＡ１−Ｓｉ合金では約２０ｘ　１０−６　／　
’Ｃ１５１含有量が２５重量％のＡｌ−５＊合金では約
１８ｘｌＯ−６／℃となる。

ここで、Ｓｉ等の合金化元素を含む合金化材料を母材表
面層に合金化する具体的方法としては、先ずＳｉ等の合
金化元素を含む合金化材料を、セラミック溶射層を形成
すべき部分の母材表面に配置し、その上からレーザ、Ｔ
ＩＧアーク、プラズマアーク、電子ビームなどの高密度
エネルギビームを照射して、合金化材料およびその下側
の母材表面層を急速溶融させる。これにより母材表面層
と合金化材料とが溶融一体化して合金化し、続いて高密
度エネルギビームの照射位置の移動もしくは照射停止に
よりその溶融層が冷却凝固され、合金化層が形成される
。

合金化材料を母材表面に配置する方法は任意であり、例
えば溶射によって合金化材料をコートしても良く、ある
いは合金化材料の粉末自体を配置したり、さらには合金
化材料の粉末を混練物としてコートしても良い。なお母
材表面上に配置する合金化材料は、前述のように熱膨張
係数を下げるに有効な元素のみを含有する単体材料であ
っても、あるいはこれと八１などとの合金材料であって
も良い。

また特に合金化材料としてＳｉを用いる場合、Ｓｌは極
めて酸化し易いから、その酸化を防止するために不活性
雰囲気などの非酸化性雰囲気で溶射等による合金化材料
配置を行なうことが望ましい。ざらに、Ａｌ−Ｓｉ合金
の母材の表面層に対してＳｉを合金化して過共晶組成の
高ＳｉのＡ１一Ｓｉ合金化圏を形成した場合には、初晶
Ｓｉの微細化を図るために合金化層を形成後にＴ７処理
を施すことが望ましい。具体的には、成分組成によって
も異なるが、通常は４００〜５００℃にて３〜６時間保
持し、急冷後再び２００’Ｃ程度で５時間程度保持する
熱処理を行なえば良い。

一方合金化層の厚みは０．２〜５．ｏｍｍ程度とするこ
とが好ましい。０．２ｍ未満では熱応力を緩和する効果
が充分に得られず、一方５．Ｏｓ＋＋を越える厚い合金
化層を形成することは経済的に無意味である。

上述のようにして形成された合金層の上に溶射処理を施
して溶射層を形成する。ここで合金化層の上に直接セラ
ミック溶射を施しても良いが、溶射層の剥離防止効果を
高めるためには、熱膨張係数が合金化層とセラミックと
の中間でかつセラミックとの密着性が良好な金属からな
る下地溶射層を先ず形成し、その上にセラミック溶射を
施すことが望ましい。

下地溶射層の金属としてはＮ１基合金、例えばＮｉ−Ｃ
ｒ−Ａ１合金、Ｎ　ｉ　−Ｃｒ−Ａ１−Ｙ合金、Ｎ　ｉ
　−Ｃｏ−Ｃｒ−Ａｌｌ　−Ｙ合金等が最適であるが、
これらに限らないことは勿論である。またセラミック溶
射層３を構成するセラミックは、用途や耐熱温度等に応
じて、酸化物系セラミック例えばＺｒ０２（Ｙ２Ｏ２、
ＣａＯ１ＭＣｌ０などにより安定化したものを含む）、
八１２０３、ＭｑＯ，あるいはＳ　’１３Ｎ４　、ＢＮ
、・ＡＩＮ等の窒化物系セラミック、ＳｉＣ等の炭化物
系セラミック、Ｔ　ｉ　Ｂ２　、Ｃｒ８２などのホウ化
物系セラミック、さらにはそれらの混合物等を用いるこ
とができる。なお下地溶射層の厚みは特に限定しないが
、通常は３０ＪＪｍ〜２０（ｌＪｆｆｌ程度とすれば良
い。またセラミック溶＠層の厚みも特に限定しないが、
この発明の方法は特に断熱や遮熱等を目的として比較的
厚いセラミック溶射層を形成する場合に有効であり、そ
の観点から通常は０，３＃〜１．０＃程度とすることが
望ましい。なおまた、下地溶射層およびセラミック溶射
層を溶射する前の段階において、母材表面（合金化層表
面）に予めショットブラスト等の粗面化処理を施してお
くことが望ましい。

実施例 以下に自動車エンジン用ピストンにおいてこの発明を実
施した例を説明する。

この実施例におけるセラミック溶射ピストンのヘッド部
付近の断面状況を第２図に示し、またその要部を拡大し
て第３図に示す。第２図および第３図において、ピスト
ン母材１はＪＩＳ　ＡＣ８Ａ相当のＳｉ含有量１２％の
Ａｌ−Ｓｉ合金からなるものであり、外径は８３ｍ１噴
口部４の内径は４５ｍである。

このピストン母材１の噴口部４の内周全面およびピスト
ン上面部５の全面の表面層にはＳｉを合金化によって１
５〜２５％の、濃度に富化した合金化層２が深さ１〜５
ｍにわたって形成され、さらにその合金化層２の表面に
、溶射層７として、９４重蟻％（８０重量％Ｎｉ−２０
重量％Ｃｒ）−６重量％Δ！からなる厚さ１００ＪＪＩ
１１の下地溶射層６およびＺｒ０２−８重量％Ｙ２Ｏ３
からなる厚さ０．５＃のセラミック溶射層３が形成され
ている。

上述のような実施例のセラミック溶射ビス］・ンは、次
のようにして製造した。

すなわち先ず前述のようなＡｆｆｉ−Ｓｉ合金によって
第２図のようなピストン形状を有するピストン母材１を
常法に従って作成し、その噴口部４の内周面全面および
ピストン上面部５の全面に、Ｓｉ粉末を溶射して約０，
３〜１．０＃のＳｉ層を形成した。このＳｉ粉末溶射に
あたっては、Ｓｉの酸化を防ぐためにＬＰＣ（減圧不活
性雰囲気溶射）を適用した。次いでそのＳｉ層の上から
レーザを照射してＳｉ層およびその下側の母材表面層を
溶融−再凝固させ、前述のように５ｉ１８〜２５％のＳ
ｉリッチな合金化層を１〜５履の深さに形成した。次い
で合金層中の初晶Ｓｉを微細化するためのＴ７処理とし
て、５００’Ｃｘ　５時間保持後１００’Ｃの水に急冷
し、２００℃×５時間保持する熱処理を行ない、さらに
合金化層の表面の粗さが３０ｐｍＲ７となるようにショ
ツトブラスト処理を施した。その後、プラズマ溶射装置
により、１００〜１５０℃程度となるまで予熱して前述
の下地溶射層およびセラミック溶射層を形成し、この発
明の一実施例としてのセラミック溶射ピストンを得た。

一方、比較のため、合金化層を形成していない通常のＪ
ＩＳ　ＡＣ８Ａからなるピストン母材に対し、前記同様
なショツトブラストを施した後、前記と同じ条件で下地
溶射層およびセラミック溶射層を形成して、セラミック
溶射ピストン形状品を作成した。

以上のようにして得られた各セラミック溶射ピストンを
エンジンに組込み、同一条件にてエンジン実機による冷
熱ザイクル耐久試験を行なった。

その結果、Ｓｌが富化された合金化層が設けられていな
いセラミック溶射ピストンの比較量（従来品）において
は、１０時間以下のエンジン実機による冷熱サイクル耐
久試験によりほぼ全数でセラミック溶射層、またはセラ
ミック溶射層および下地溶射層の剥離、脱落が認められ
たのに対し、Ｓｉが富化された合金化層を有するこの発
明のセラミック溶射ピストンでは、いずれも５００時間
のエンジン実機による冷熱サイクル耐久試験においてセ
ラミック溶射層および下地溶射層の剥離、脱落等の異常
が全く認められなかった。

このような試験結果から、Ｓｉが１５〜２５％と富化さ
れた合金化層を母材表面に形成してその上に溶射層が形
成されたこの発明のセラミック溶射ピストンにおいては
、合金化層を設けていない従来品のセラミック溶射ピス
トンと比較して、加熱−冷却の繰返しに対して極めて優
れた耐久性を有していることが明らかである。これは、
溶射層直下の合金化層のＳｉ濃度が１５〜２５％と富化
されてその熱膨張係数が母材内部のＪＩＳ　ＡＣ８ＡＣ
１０熱膨張係数（２２Ｘ　１０−［ｉ　／’Ｃ）に対し
小さな値（１８〜２０×１０−６／℃）となり、その分
表面合金化層の熱膨張係数が溶射層の熱膨張係数に近く
なった結果、冷熱サイクル時に母材表面と溶射層との界
面に作用する剪断応力が小さくなり、溶射層の亀裂剥離
が生じ難くなったためと考えられる。

発明の効果 以上の発明で明らかなように、この発明のセラミック溶
射部材は、アルミニウム合金からなる母材のセラミック
溶射層が形成される部分の表面層に、熱膨張係数を下げ
る方向へ寄与する元素を合金化した合金化層が形成され
ており、したがってその合金化層は熱膨張係数が母材内
部の非合金化部分と比較して小さくなって、溶射層の熱
膨張係数に近くなっており、そため加熱＃冷却時の熱応
力に起因する母材表面と溶射層との界面に発生する剪断
応力が緩和され、したがった加熱・冷却の繰返しにより
セラミック溶射層に亀裂が発生して遂にはセラミック溶
射層の剥離、脱落に至るような事態を確実に防止できる
。なお合金化層は母材と一体に合金化されているため、
母材内部の非合金化部分と合金化層との間で剥離が生じ
ることはない。

なおこの発明のセラミック溶射部材の適用範囲は、ピス
トンに限定されるものではなく、断熱性、耐熱性の改善
のためにアルミニウム合金母材の表面にセラミック溶射
を施した部材には全て適用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のセラミック溶射部材の原理的な構成
を示す縦断面図、第２図はこの発明の一実施例のセラミ
ック溶射ピストンの要部を示す縦断面図、第３図は第２
図の一部を拡大して示す縦断面図である。 １・・・母材、　２・・・合金化層、　３・・・セラミ
ック溶射層。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）母材をアルミニウム合金とし、かつ表面に溶射に
   よるセラミック層が形成されたセラミック溶射部材にお
   いて、 母材表面層に、母材を構成するアルミニウム合金の熱膨
   張係数を下げる方向へ寄与する元素を合金化させた合金
   化層が形成されていることを特徴とするセラミック溶射
   部材。
2. （２）母材が鋳造用Ａｌ−Ｓｉ合金からなり、かつ前記
   合金化層がＳｉの合金化によりＳｉ含有量が母材内部よ
   りも富化された層である特許請求の範囲第１項記載のセ
   ラミック溶射部材。