JP2017014598A

JP2017014598A - 遮熱性部品の製造方法

Info

Publication number: JP2017014598A
Application number: JP2015135113A
Authority: JP
Inventors: 建興飯塚; Takeoki Iizuka
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2015-07-06
Filing date: 2015-07-06
Publication date: 2017-01-19

Abstract

【課題】ピストン等のエンジン部品の表面に形成されている遮熱膜について、遮熱性部品における遮熱性の向上方法の提供。【解決手段】ジルコニアと珪藻土を含む溶射材ＴＳＭを作製する溶射材作製工程と、溶射材ＴＳＭをピストンＰＳの頂面に溶射し、遮熱膜ＴＢを形成する遮熱膜形成工程とを行うことで、頂面に遮熱膜ＴＢが形成されたピストンＰＳを製造する遮熱性部品の製造方法。また、溶射材作ＴＳＭ製工程では、粉末状セラミックスの造粒で得られた所定粒径のセラミックス造粒物と所定粒径の珪藻土を所定割合で混合し、前混した粉末を造粒して得られる前粒物を溶射材ＴＳＭとする遮熱部品の製造方法。【選択図】図４

Description

本発明は、遮熱性部品の製造方法に関する。

エンジンの熱効率を改善させるため、ピストンなどのエンジン部品の表面に遮熱膜を形成することが行われている。例えば、ジルコニアなどのセラミックスを溶射材とし、プラズマ溶射などによって遮熱性を有する溶射膜（すなわち遮熱膜）をエンジン部品の表面に形成させている。遮熱膜に関し、熱伝導率が低いほど、言い換えれば遮熱性が高いほどエンジンの熱効率が向上する。遮熱性を向上させるためには、遮熱膜内部の気孔率を増やすことが有効である。

遮熱膜内部の気孔率を増やすため、特許文献１には、セラミックスからなる溶射材を溶射した溶射面に、シリカバルーンなどの粉末中空体を供給する方法が開示されている。

特開平５−５１７２４号公報

前述の方法において、粉末中空体は、平均粒径が２０〜６０μｍ程度のものが用いられる。このような粉末中空体は、溶射面との衝突時に偏平化されたり、圧潰されたりする可能性がある。扁平化や圧潰が生じると気孔率が減少し、遮熱性が損なわれてしまう虞がある。

開示の方法は、遮熱性を向上させることを目的とする。

開示の方法は、セラミックスと珪藻土を含む溶射材を作製する溶射材作製工程と、前記溶射材を加工対象の部品に溶射し、遮熱膜を前記部品の表面に形成する遮熱膜形成工程とを行う。

開示の方法によれば、遮熱性を向上させることができる。

遮熱部品の製造方法を説明するフロー図である。溶射材の作製に使用される材料を説明する図である。溶射材作製工程を模式的に説明する図であり、（Ａ）は第１の作製工程を、（Ｂ）は第２の作製工程をそれぞれ示す。遮熱膜形成工程を模式的に説明する図であり、（Ａ）は溶射ガンを、（Ｂ）は溶射作業をそれぞれ示す。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、遮熱部品としてピストンを例示し、ピストンの頂面に遮熱膜を形成する製造方法について説明する。

図１に示すように、この製造方法では、溶射材作製工程（Ｓ１）と遮熱膜形成工程（Ｓ２）が行われる。

溶射材作製工程（Ｓ１）では、遮熱膜の基になる材料である溶射材が作製される。図２に示すように、本実施形態の溶射材は、ジルコニアと２種類の珪藻土（珪藻土Ａ，珪藻土Ｂ）から作製される。

ジルコニアは、セラミック溶射材料の一種であり、対象物に溶射されることで、遮熱性や耐熱性が高い溶射膜（遮熱膜）を対象物の表面に形成する。本実施形態では、粒径が０．５μｍから５．０μｍのジルコニア粉末を用いている。

珪藻土は、珪藻の殻の化石で構成される堆積物であり、二酸化ケイ素を主成分とする。珪藻の殻は、細胞壁によって形作られる微細小孔を多数備えている。このため、珪藻土は、微細小孔を多数備える多孔性材料である。そして、珪藻土Ａは、粒径が１５μｍから８０μｍの分級処理品であり、細孔の大きさが５０ｎｍ以上である。また、珪藻土Ｂは、粒径が０．５μｍから５．０μｍであり、細孔の大きさが５０ｎｍ以上である。

珪藻土Ａを用いた第１溶射材は、図３（Ａ）に示す手順で作製される。最初に、造粒工程（Ｓ１１）が行われ、粉末状のジルコニアが造粒される。造粒には、スプレードライヤを用いることができる。例えば、結合材溶液にジルコニアを懸濁させて懸濁液を調整し、スプレードライヤで懸濁液を熱風気流中に噴霧させることで、ジルコニアが造粒される。

続いて分級工程（Ｓ１２）が行われる。分級工程では、造粒したジルコニアの中から所定粒径範囲のものが篩によって選別される。本実施形態では、珪藻土Ａと同じ粒径のジルコニアが、具体的には粒径が１５μｍから８０μｍのジルコニアが選別される。便宜上、以下の説明では、選別されたジルコニアのことを粒状ジルコニアという。

続いて混合工程（Ｓ１３）が行われる。混合工程では、粒状ジルコニアと珪藻土Ａが所定比率で混合される。本実施形態では、粒状ジルコニアと珪藻土Ａが、重量比で９０：１０から３０：７０の範囲で混合される。混合は、例えばミキサーを使用して機械的に行われる。混合工程が行われることで、第１溶射材が作製される。

珪藻土Ｂを用いた第２溶射材は、図３（Ｂ）に示す手順で作製される。最初に、混合工程（Ｓ２１）が行われ、ジルコニアと珪藻土Ｂが所定比率で混合された造粒用粉末が作製される。本実施形態では、ジルコニアと珪藻土Ｂが、重量比で９０：１０から３０：７０の範囲で混合される。混合には、例えばミキサーが使用されて機械的に行われる。

続いて造粒工程（Ｓ２２）が行われる。造粒工程では、造粒用粉末の粒状物が作製される。造粒には、スプレードライヤを用いることができる。このスプレードライヤでは、結合材溶液に造粒用粉末を懸濁させた懸濁液を、熱風気流中に噴霧させることで粒状物が作製される。

続いて分級工程（Ｓ２３）が行われる。分級工程では、造粒した粒状物の中から所定粒径範囲のものが篩によって選別される。本実施形態では、粒径が１５μｍから８０μｍの粒状物が選別され。分級工程を経た粒状物が第２溶射材となる。

図１に示すように、溶射材作製工程（Ｓ１）に続いて遮熱膜形成工程（Ｓ２）が行われる。遮熱膜形成工程（Ｓ２）では、遮熱部品の表面に遮熱膜を形成する。本実施形態では、前述の第１溶射材や第２溶射材を溶射ガンに供給する。そして、溶射ガンで生成したプラズマジェットに乗せて、各溶射材をピストン（遮熱部品の一例）の頂面に溶射する。

図４（Ａ）に示すように、溶射ガン１は、前筒部１０と、後筒部２０と、インシュレータ３０とを備えている。

前筒部１０は、ガンノズル１１と、陽極１２と、溶射材供給部１３と、冷却水導入部１４を備えると共に、内部に冷却水流路ＣＷの前側部分が設けられた中空部材である。ガンノズル１１は、生成されたプラズマジェットを所定方向へ向けて放出する筒状部である。陽極１２は、後述する陰極２３との間でアーク放電を生じさせる電極であり、銅などの電極材料が用いられている。本実施形態の陽極１２は、ガンノズル１１に向けて縮径されたテーパー形状をしている。溶射材供給部１３は、溶射材ＴＳＭ（図４（Ｂ）を参照，第１溶射材や第２溶射材が相当する）をガンノズル１１へ供給する部分であり、直径数ｍｍ程度の筒状部材で作製されている。冷却水導入部１４は、冷却水の導入路を形成する筒状部材である。

後筒部２０は、電極支持部２１と、冷却水排出部２２を備えると共に、内部に冷却水流路ＣＷの後側部分が設けられた中空部材である。電極支持部２１は、陰極２３の基端部に挿入され、この陰極２３を支持する中空突起である。陰極２３は、先端が尖った略円錐形状とされ、タングステンなどの電極材料によって作製されている。冷却水排出部２２は、冷却水の排出路を形成する筒状部材であり、冷却水流路ＣＷに連通されると共に、後筒部２０の後面から後方に突出されている。

インシュレータ３０は、前筒部１０と後筒部２０の間に介在され、前筒部１０と後筒部２０を電気的に絶縁する。このため、インシュレータ３０は、電気絶縁性を備える耐熱材料によって作製される。本実施形態のインシュレータ３０は、作動ガス供給部３１を備えると共に、内周部分が陰極２３用の収容室ＣＨを区画し、外周部分が冷却水流路ＣＷの中間部分を区画する二重管部材である。作動ガス供給部３１には作動ガスが供給される。作動ガスとしては、アルゴンガスやヘリウムガスが用いられる。供給された作動ガスは収容室ＣＨに供給される。

図４（Ｂ）に示すように、遮熱膜形成工程では、冷却水導入部１４から冷却水流路ＣＷに向けて冷却水が供給され、熱交換後の冷却水が冷却水排出部２２から排出される。これにより、溶射ガン１の過加熱が抑制される。そして、作動ガス供給部３１からは、高圧の作動ガスが陰極２３用の収容室ＣＨに供給される。陽極１２と陰極２３との間に直流高電圧が与えられているので、電極１２，２３の間にはアーク放電ＡＲが生じる。このアーク放電ＡＲによって作動ガスがプラズマ化され、５０００〜１００００℃程度のプラズマジェットＰＪがガンノズル１１から放出される。放出されたプラズマジェットＰＪはピストンＰＳの頂面に吹き付けられる。

溶射材ＴＳＭは、溶射材供給部１３を通じてガンノズル１１へ供給される。供給された溶射材ＴＳＭは、プラズマジェットＰＪの中で溶融並びに加速される。溶融粒子がピストンＰＳの頂面に吹き付けられると、ピストンＰＳの頂面には扁平化した溶融粒子（スプラット）が積層され、遮熱膜ＴＢが形成される。

本実施形態では、ジルコニアと珪藻土を含む溶射材ＴＳＭ（第１溶射材や第２溶射材）が用いられているので、形成された遮熱膜ＴＢでは、珪藻土が備える微細小孔同士が合体される。微細小孔同士の合体であることから、合体後の気孔については扁平化や圧潰が生じ難い。このため、必要な大きさの気孔を容易に作製できる。その結果、遮熱膜ＴＢにおける気孔率を３０〜６５％の範囲で調整することができる。この場合、遮熱膜ＴＢの熱伝導率は０．１〜０．７Ｗ／ｍ^−１・Ｋ^−１になり、エンジンの熱効率については、一般的な遮熱膜ＴＢよりも２％程度の改善が見込まれる。

さらに、第１溶射材では、混合工程（Ｓ１３）で粒状ジルコニアと珪藻土Ａが所定比率で混合されているので、ジルコニアと珪藻土を一定比率で含み、気孔率が均一な遮熱膜ＴＢを容易に形成できる。

また、第２溶射材では、混合工程（Ｓ２１）でジルコニアと珪藻土Ｂが所定比率で混合された造粒用粉末が作製され、造粒工程（Ｓ２２）で造粒用粉末の粒状物が作製されているので、ジルコニアと珪藻土を一定比率で含み、気孔率が均一な遮熱膜ＴＢを容易に形成できる。

以上の実施形態の説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれる。例えば、次のように構成してもよい。

遮熱性部品に関し、前述の実施形態ではピストンＰＳを例示したが、ピストンＰＳに限定されるものではない。例えば、シリンダライナであってもよい。また、シリンダヘッドや吸排気バルブであってもよい。

遮熱膜ＴＢの形成に用いるセラミックスに関し、前述の実施形態ではジルコニアを例示したが、ジルコニアに限定されるものではない。例えば、アルミナやチタニアなど、溶射材ＴＳＭとして使用可能なセラミックスであれば使用できる。

溶射材ＴＳＭに関し、前述の実施形態では、粒径が１５μｍから８０μｍ（所定粒径範囲）のものを使用したが、この範囲より小さい粒径或いは大きい粒径の溶射材ＴＳＭであっても使用することができる。なお、本実施形態のように、粒径が１５μｍから８０μｍの溶射材ＴＳＭを用いることで、溶射ガン１に供給する際の目詰まりが抑制され、作業効率の向上が図れる。

遮熱膜ＴＢの形成に関し、前述の実施形態ではプラズマ溶射を例示したが、プラズマ溶射に限定されるものではない。例えば、フレーム溶射を用いることができる。フレーム溶射では、粉末供給ホッパーから溶射ガン１に所定粒径範囲の溶射材ＴＳＭを送給し、酸素−アセチレンなどの燃焼フレームの中で溶射材ＴＳＭを溶融及び加速させる。また、粉体を扱うことのできる他の溶射方法を用いることもできる。

１…溶射ガン，１０…前筒部，１１…ガンノズル，１２…陽極，１３…溶射材供給部，１４…冷却水導入部，２０…後筒部，２１…電極支持部，２２…冷却水排出部，２３…陰極，３０…インシュレータ，３１…作動ガス供給部，ＣＷ…冷却水流路，ＴＳＭ…溶射材，ＣＨ…収容室，ＡＲ…アーク放電，ＰＪ…プラズマジェット，ＰＳ…ピストン，ＴＢ…遮熱膜

Claims

セラミックスと珪藻土を含む溶射材を作製する溶射材作製工程と、
前記溶射材を加工対象の部品に溶射し、遮熱膜を前記部品の表面に形成する遮熱膜形成工程とを行う
遮熱性部品の製造方法。
前記溶射材作製工程では、
粉末状セラミックスの造粒で得られた所定粒径のセラミックス造粒物と前記所定粒径の珪藻土を所定割合で混合することにより、前記溶射材を作製する
請求項１に記載の遮熱性部品の製造方法。
前記溶射材作製工程では、
所定割合で混合された粉末状セラミックスと粉末状珪藻土の混合粉末を造粒し、造粒で得られた所定粒径の造粒物を前記溶射材とする
請求項１に記載の遮熱性部品の製造方法。