JPS6293360A - 溶射層の形成方法 - 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 この発明は、自動車部品等の製造にあたって、アルミニ
ウム合金等の金属を主１本とする母材の表面にセラミッ
ク等の溶射層を形成する方法に関するものでおる。

従来の技術 周知のようにアルミニウムやマグネシウム等のいわゆる
軽合金材料は軽量でしかも熱伝導性が良好でおり、その
ためこれらの特性が要求される部材、部品に広く使用さ
れている。しかしながらこれらの軽合金材料自体は、融
点か低くかつ耐熱性が低いためそのままでは高温雰囲気
に曝される部材には使用し難い問題があり、また前述の
ように熱伝導性か良好で必ることはその反面断熱性に劣
ることを意味するから、断熱性が要求される部材には使
用し難い。そこで従来から、軽量性か要求されしかも耐
熱性、断熱性が要求される部材、例えば内燃機関用ピス
トンやシリンダヘッド燃焼下などに軽合金材料を適用可
能にするため、軽合金材料からなる母材表面に、耐熱性
および断熱性の優れたセラミック層を溶射によって形成
する方法が知られている。

しかしなからレラミックとアルミニウム合金等の母材と
はその熱膨張率か著しく異なり、また本来セラミックは
アルミニウム合金等との密着性か劣るため、セラミック
の溶射層を直接アルミニウム合金等の母材表面に形成す
れば、使用中にセラミック溶ｐＡ層の剥離か生じたり、
セラミック溶射層に亀裂か生じたりして実用には耐えら
れないのが通常である。

そこでアルミニウム合金等の母材にセラミック溶射層を
形成するに市たっては、熱色張率が母材とセラミックと
の中間でしかも母材よりセラミックとの密着性か良好な
金属、例えばアルミニウム合金を母材とづる場合Ｎｉに
ッケル）や＼ｉ基合金（Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｎｉ　　Ｃｒ
　　Ａｌ１合金あるいはＮｉ−Ｃｒ−Ａ１１−Ｙ合金な
ど）を先ず母材表面に溶射してアンダーコート層を形成
し、そのアンダーコート層の上にセラミックを溶射でる
方法か知られている。この方法はセラミック層と母材と
の熱膨張差をアンダーコート層により吸収し、かつセラ
ミック層の密着性をも向上させるようにすることを意図
したものでおる。この方法では確かにセラミックを直接
母材表面に溶射した場合よりは優れているものの、未だ
充分ではなかった。すなわち、このようにアンダーコー
ト層を溶射してからセラミックを溶射した部材の場合で
も、これを自動車の燃焼系部品や排気系部品等の断熱部
材として実際に使用した場合、熱ザイクルによってセラ
ミック層内部、セラミック層とアンダー］−１へ層との
境界部、およびノングーロート層と母材との境界部にク
ラックが発生することを光分に防止し冑ず、ひいては溶
射層の剥離を招くという問題を充分に解決でること（は
できなかった。

ところで、上述のような）容射層の剥離が生じる基本的
な原因は、母材と溶射層との熱膨張差、溶射層内部にお
けるアンダー１−１一層とセラミック層との熱膨張差、
およびセラミック層表面からのエロージョンとセラミッ
ク層やアンダーロー１〜層での熱応力による亀裂作用と
考えられる。そこでこれらの問題に対９するために、既
に次のＡ、Ｂ、Ｃに記すような技術が提案されている。

Ａ：例えば特開昭５８−５２４５１号に記載されている
ように、母材の表面をアルミニウム合金等の母材金属と
セラミック繊維等の繊維との祝合層とし、その上に前記
）ノングーロート層として耐熱金属溶射層を形成し、さ
らにその上にセラミクを溶射する方法、あるいは特開昭
５８−１８０７５２＠公報に記載されているようにアル
ミニウム合金等の母（Ａとセラミック溶射層との間のア
ンダーロー１〜層として、溶射による層ではなく、多孔
質金属成形体の［會を設ける方法。これらの提案は、い
ずれも母材とセラミック層との熱膨張差を吸収する方法
を開示したものである。

Ｂ：例えば特開昭５９−２０５４８０号に記載されてい
るように、セラミック溶射層の表面に露出する気孔を閉
塞することによってエロージョンの防止を図る方法。

Ｃ：例えば特開昭６０−２６５９号に記載されているよ
うに、セラミック溶射層もしくはセラミック溶射層およ
び耐熱金属のアンダーコート溶射層の内部における気孔
率を、表面側から母材側へ向って大きくなるように設定
することよって、熱応力の緩和を図る方法。

発明が解決づべき問題点 前記Ａの方法は、主としてアルミニウム合金等＝　５− の母材とアンダーロー８層との境界部における剥離防止
には有効でおるが、セラミック層内部でのクラックの発
生防止に対して効果か少なく、またセラミック層とアン
ダーロー８層との境界部についての剥離防止に対しても
効果は少ない。一方前記Ｂの方法は、セラミック層内で
のクラック発生防止には有効でおるが、その他について
は有効ではない。ざらに前記Ｃの方法では、主にアンダ
ーロー８層とセラミック層との境界部の剥離防止には有
効であるが、セラミック層内でのクラック発生には有効
ではなく、またアンダーロー８層と母材との境界での剥
離防止に対しては効果か小さい。

このように従来の方法は、母材からセラミック層までの
全体にわたってクラック発生防止、剥離防止を図るには
有効ではなかったのが寅情である。

もちろん前記Ａ−Ｃの方法を適宜組合せれば、全体にわ
たってクラック発生防止、剥離防止を図ることも可能か
と考えられるが、その場合工程が複雑となり、したがっ
て生産性も低下してコストも高くなるという問題があり
、実用化することは困難でおる。

この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、従
来技術と比較してさほどコスト上昇を招くことなく母材
からセラミック等の溶射１閾表面までの全体にわたって
充分にクラック発生防止、剥離防止を図り１行るように
１ノだ溶射層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 この発明の溶射層形成方法は、溶射層を形成すべき母材
の少なくとも一部の表面層を、溶射面に対し角度をもっ
て配向“するｗ！維と母（Ａ金属とを複合一体化した複
合層とし、その複合層表面の母材金属を、複合層の厚み
より小さい深さでまで、繊維が残るように選択的に溶解
除去させ、しかる後その残った繊維の上から溶射材を溶
射して溶射層を形成することを特徴とづるものて市る。

作　　　用 この発明の方法において、母材の繊維／金属複合層の表
面の母材金属を複合層の厚みよりも小さい深さまで選択
的に溶解除去した段階では、その表面には繊維か母材側
から林立した状態で残っていることになる。そしてこの
繊維の上から溶射材を溶射することにより、その溶射層
には前記繊維の残った部分か埋込まれることになる。し
たがって繊維は、母材から溶射層内まて連続して程通舊
ることになるから、母材ど溶射層との熱膨張差により発
生する応力か繊維にも分１０され、母材と溶射層との界
面の応力か軽減される。また溶射層内部に熱応力か発生
する場合および外部より溶射層に外力が加わる場合も同
様に繊維によって荷重が分担され、したがって溶射層内
部、母材と溶射層との界面に加わる応力が軽減され、ま
た溶射層かＮｉ等の金属のアンダーツ２１〜層とセラミ
ック層との２層からなる場合においてもその界面での応
力か軽減される。したかって各界面や層内でのクラック
の発生、ひいでは溶射層全体の剥離か有効に防止される
ので市る。

発明を実施するための具体的説明 この発明の方法を実施（るにあたっては、先ず第１図に
示すように少なくとも表面層を繊維１とアルミニウムま
たはアルニウム合金等の母材金属２との複合層（繊維強
化金属層）３とした母ｖＪ４を作成しておく。ここで前
記繊維として（、Ｉｌ、Ａ１２０３　、Ｓ　ｉ　Ｃ，、
Ｚｒ０２１Ｘどのセラミック繊維を用いることか望まし
いか、場合によってはステンレス繊維などの金属繊維、
ガラス繊維等を用いることもできる。この複合層３は、
繊維１の配向方向Ｐが溶射すべき面に対しておる角度を
持つように、望ましくは溶射面に対しほぼ直角となるよ
うに形成する。但しここで溶射面に対しある角度をもっ
て配向するとは、必ずしも全ての繊維が一方向に配向し
ている必要はなく、例えば溶射面に対し直交する面内で
２次元ランダムに配向されている場合など、要は溶射面
に対しである角度をもって配向している繊維が多数を占
めていれば良い。上述のように少なくとも表面層が繊維
／金属複合層となっている母材を作成するための具体的
方法は特に限定しないが、通常は例えば高圧鋳造用金型
内の所要位置に繊維成形体を配置しておき、アルミニウ
ム合金等の母材金属溶湯を注湯して高圧て加圧鋳造する
ことにより、繊維成形体内に母材金属溶湯を浸透させ、
複合層を一体に形成した母材を作成すれば良い。

上述のような母材４に対しては、第２図に示すように複
合層３にその表面３Ａから選択エツチングを施して、母
材金属２のみを所用の深ざｄ（複合層の全体厚みｔｏよ
り充分に薄い厚み）まで溶解除去し、その部分に繊維１
を残り゛。この場合、母材金属の溶解除去（選択エツチ
ング）のための処理液（腐蝕液）としては、母材金属に
対しては腐蝕作用かあり、繊維に対しては腐蝕作用が実
質的にないものを用いれば良く、例えば母材金属がアル
ミニウムもしくは）ノルミニラム合金で繊維がアルミナ
等のセラミックの場合、Ｎ　ａ、　Ｏｌ−１水溶液等の
強アルカリ水）容液を用いれば良い。このように母材金
属の選択エツチングを行なった状態では、第２図に示す
ように各繊維１か母材４側からある角度をもって植立さ
れている状態となっている。

次いで第３図に示すように母材４の表面に植立されてい
る繊維１の上から溶射材を溶射して、その繊維１を内部
に含んだ溶射層５を形成する。ここで溶射層５は１層ま
たは２層以上のいずれても良く、また溶射材料も特に限
定しないか、既に述べたように自動車部品等の断熱部子
Ａとして使用する場合にはセラミックを溶射することか
望ましい。

そしてセラミックを溶射する場合は、先ずＮｉやＮ１合
金（例えばＮｉ−Ｃｒ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ａ１合金、Ｎ
　１−Ｃｒ−Ａｆｆｉ−Ｙ合金など）の如く、セラミッ
クと母材金属（例えばＡ１合金）との中間の熱膨張率を
有しかつセラミックとの密着性の優れた金属からなるア
ンダーコート溶射層５Ａを形成し、次いでその上からセ
ラミックを溶射してセラミック溶射＠５Ｂを形成するこ
とか望ましい。但しアンダーコート溶射層５Ａを形成す
る場合、アンダーコート溶射層５Ａの厚みは、繊維１が
先端までその）ノンダーコート溶射ｌ１８ｉ５　Ａ中に
埋まってしまわないような厚さとする。またここでセラ
ミックとしては、目的とする部材の用途に応じて、酸化
物系セラミック例えばＺｒ０２（Ｙ２０３　、Ｃａｂ、
ＭＣｌ０などにより安定化したもの）やＡｎ２０３　、
ＭＣｌ０１あるい（まＳ　ｉ３Ｎ４　、ＢＮ、Ａ、＆Ｎ
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等のホウ化物系セラミック、
さらにはそれらの混合物等を任意に用いることができる
。な゛おまた、溶射層５の全体の厚みは、選択エツチン
グ工程で除去した母材金属の厚み↑０とほぼ同程度かあ
るいはそれより若干厚い程度する。′ｇなりち、可及的
に溶射層５の表面５１近くまで繊維１が存在するように
、溶射層５のルみを選択エツチング工程での除去厚みに
応じて定めることか望ましい。

なお溶銅層形成のための具体的溶射手段としては、セラ
ミック溶射の場合プラズマ溶射法か望ましいか、溶射材
の種類によってはカス方式、アーク方式等を用いること
もてきる。

実施例 第３図に示すような２層溶射の断熱部材、ずなわち母材
４にアンダーコート溶射層５Ａおよびセラミック溶射層
５Ｂが形成されている断熱部（Ａを次のようにして製造
した。

［実施例１］ 先ず平均繊維径０．８＃、平均繊維長８ｍのアルミナ繊
維（９５Ｗ↑％Ａｉ’２０３．５ｗｔ％Ｓ：０２）１が
一方向に配列された繊維成形体を高圧鋳造用金型内研定
位置に配し、ＪＩＳ　ＡＣ８Ａのアルミニウム合金溶湯
を金型内に注湯して高圧鋳造し、第４図に示す如くアル
ミナ繊維１が表面に対しほぼ直角な方向に配向している
アルミナ繊維／アルミニウム合金複合層３を表面に有す
る４０＃Ｘ　４０＃Ｘ　１０ｍの角型厚板状の母材４を
作成した。この母材４はその表面の約８＃の深さまでが
複合層３とされているものである。次いでその母材４の
複合層３側の表面を、ｉｏ　ｖｏ１％Ｎ　ａ　ＯＨ７Ｊ
＜溶液中に浸漬し、複合層表面のアルミニウム合金を平
均０．６ｍｍの深さにわたって除去した。この後、硝酸
にて中和して表面の酸化物を除去し、次いで複合層側の
表面にアンダーコート溶射層５Ａとして７５％Ｎｉ−１
９％Ｃｒ−６％Ａ１合金をＯ１１＃の厚さにプラズマ溶
射した。ざらにその上にセラミック溶射層５ＢとしてＺ
ｒＯ２・　５ＣａＯをｏ、５ｍｍの厚さにプラズマ溶射
して形成し、断熱部材を得た。

このようにして得られた断熱部材においては、アルミナ
繊維１が母材４とアンダーコート溶射層５△およびセラ
ミック）容射層５Ｂとを貫通するｉ人前で配され一〇お
り、したがってこのアルミナ繊維１か、母材４とアンダ
ーコート溶射層５Ａとの界面６および溶射層５内の界面
７に作用する熱膨張差に起因する各境界面の剪断応力を
緩和して母＋２４とアンダーコート溶射層５Ａとの界面
６、およびアンダーコート）容射層５Ａとセラミック溶
射層５Ｂとの界面７の密着性を向上させる作用を果たす
。またセラミツク溶射層５Ｂ内部の温度差により発生づ
る熱応力もアルミナ繊維１により緩和され、セラミツク
溶射層５Ｂ内部での剥離も防止する作用を果たす。ざら
に溶射＠５に接する母相部分は、母材金属であるアルミ
ニウム合金にアルミナ繊維が複合一体化されているため
、その熱膨張率はアルミニウム合金単独より小さくなっ
てあり、したがって溶射層５と母材４との熱膨張差も小
さく、このことも溶射層の剥離防止に寄与している。

［実施例２」 平均繊維径０．８＃、平均繊維長８朧のアルミナ繊維（
９５ｗｔ％Ａ！２０３．５ｗｔ％５ｉ０２％）か軸線方
向に対し直角（半径り向）に２次元ランダムに配向され
た中空円筒状の繊維成形体を用い、これを鋳型キャビテ
ィか円柱状の高圧鋳造用鋳型に配して実施例１と同様な
アルミニウム合金溶湯を注湯し、第５図に示ずように、
軸線方向に対し直角な方向に２次元ランダムに配向され
たアルミナ繊維１と母材アルミニウム合金２からなる複
合合金層３を外周部に有する外径８ｍｍ、長さ５０＃の
円柱状の母材４を作成した。次いてその母材４の外周面
のアルミニウム合金を実施例１と同様にして平均０．６
Ｉｒａの深さにわたって除去し、硝酸にて中和した後、
実施例１と同様なアンダーコート溶射層およびセラミッ
ク溶射層を形成しノ、断熱部材とした。

［比較例１］ 実施例１で用いた母材と同じ形状でおるが繊維を複合し
ていないアルミニウム合金単独の母材を用い、ショツト
ブラストを施した後、実施例１と同じ溶射材料で同じ溶
射厚みにプラズマ溶射した。

［比較例２］ 実施例２で用いた母材と同じ形状で市るが繊維を複合し
ていないアルミニウム合金単独の母材を用い、ショツト
ブラストを施した後、実施例２と同じ溶射材料で同じ溶
射厚みにプラズマ溶射した。

前述のような実施例１により得られた断熱部材と、比較
例１により得られた断熱部材について、剪断による密着
性評価試験を実施した。比較例１による断熱部材では密
着強さが３．５に！ｊ／−に過ぎなかったのに対し、実
施例１による断熱部材では茫肴強ざか１３Ｋｙ、／、、
−と著しく高いことか判明した。

また両者の剪断試験後の部材について断面より調合した
ところ、いずれの場合も母材とアンダーコート溶射層と
の境界部において亀裂、剥離か発生していたか、実施例
１のものではその部分において繊維の破断が生じていた
。このことから、実施例１の密着性か高かった理由は、
外力（剪断力）を繊維で分担し、その結果母材とアンダ
ーコート溶射層との界面に加わる荷重か軽減されたため
でおることが解る。

また実施例２により得られた断熱部側および比較例２に
より得られた断熱部材についで、４００　’Ｃに加熱後
５０°Ｃまで冷却する加熱冷却を繰返す冷熱サイクル試
験を施したところ、比較例２の断熱部材では冷熱サイク
ル５０〜１００回で溶射層の剥離が生じたのに対し、実
施例２の断熱部子Ａでは冷熱サイクル２０００回実施後
も溶射層に亀裂、剥離が生じなかった。

発明の効果 以上の実施例からも明らかなように、この発明の方法に
よれば、溶射層の全体にわたって密着性が良好で耐亀裂
発生、耐剥離性に優れた溶射層を形成することができ、
特にセラミック溶射層形成の場合に適用すれば断熱性が
優れると同時に耐久性も著しく優れた断熱部材を作成す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図までは２層溶射の場合についてこの発
明の方法を段階的に説明するための模式的な断面図で、
第１図は複合層を有する母材の表面部分を示す断面図、
第２図は表面の母材金属を溶解除去した状態を示す断面
図、第３図（オ２ド溶射を施した状態を示１断面図でお
る。第４図は実施例１において用いた母材の模式的な斜
視図、第５図は実施例２において用いた母（Ａの模式的
な斜視図−（市る。 １・・・繊維、　２・・・母材金属、　３・・・複合層
、　４・・・母材、　５・・・溶射層、　５Ａ・・・ア
ンダーコート溶射層、　５Ｂ・・・セラミック溶射層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 溶射層を形成すべき母材のうち少なくとも一部の表面層
   を、溶射面に対し角度をもって配向する繊維と母材金属
   とを複合一体化した複合層とし、その複合層の厚みより
   小さい深さまで、複合層表面の母材金属を前記繊維が残
   るように選択的に溶解除去し、次いでその残った繊維の
   上から溶射材を溶射して溶射層を形成することを特徴と
   する溶射層の形成方法。