(57)【要約】【課題】マスキングによって成膜される溶射膜の外周面のうちの、バルブ孔の開口の外縁に沿って形成されるバルブ孔外周面と、燃焼室構成面の外縁に沿って形成される燃焼室外周面とを繋ぐ凸状湾曲面の周辺に損傷が発生するのを抑制する。【解決手段】マスキング治具５２は、マスキング治具５２の底面１２との対向面５２ｂに、複数の溝部５２ｃを備えている。複数の溝部５２ｃは、対向面５２ｂを掘り込むことで形成されている。溝部５２ｃのそれぞれは、１気筒当たり８箇所存在する凹状湾曲面５２ａから、マスキング治具５２の外周面５２ｄに向かってなだらかに延びている。【選択図】図１２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダブロック合わせ面と、エンジンの燃焼室構成面とを同一面に有するシリンダヘッド基材であって、吸気バルブ孔および排気バルブ孔に相当する少なくとも２つのバルブ孔が前記燃焼室構成面に開口するシリンダヘッド基材を準備する工程と、
前記燃焼室構成面のうちの非成膜領域と、前記シリンダブロック合わせ面とをマスクする板状のマスキング治具を、前記シリンダヘッド基材に取り付ける工程と、
前記マスキング治具の前記シリンダヘッド基材への取り付け後、溶射粉末を前記燃焼室構成面に吹き付けて溶射膜を成膜する工程と、を備える溶射膜の成膜方法において、
前記マスキング治具が、前記バルブ孔の開口をマスクする部位の外周面と、前記シリンダブロック合わせ面をマスクする部位の外周面と、を繋ぐ凹状湾曲面を備え、
前記マスキング治具が、前記シリンダヘッド基材への取り付け工程において前記シリンダヘッド基材と対向させる面に、前記マスキング治具の外周面から前記凹状湾曲面まで延びる溝部を備えることを特徴とする溶射膜の成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は溶射膜の成膜方法に関し、詳細には、エンジンのシリンダヘッドの底面への溶射膜の成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの燃焼室は一般に、シリンダヘッドとシリンダブロックを合わせたときに、当該シリンダブロックのボア面と、当該ボア面に収容されるピストンの頂面と、当該シリンダヘッドの底面と、によって囲まれる空間として定義される。このような燃焼室の構成面、即ち、シリンダブロックのボア面、ピストンの頂面やシリンダヘッドの底面には、エンジンでの冷却損失の低減や、燃焼に伴い発生する熱からの保護を目的として、遮熱膜が成膜されることがある。
【０００３】
特許文献１には、燃焼室構成面に遮熱膜としての溶射膜が成膜されたシリンダヘッドが開示されている。シリンダヘッドには吸気バルブ孔、排気バルブ孔といったバルブ孔が形成されている。溶射膜は、燃焼室構成面のうちの、バルブ孔の開口を除いた領域に成膜されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−９８４０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１では言及されていないが、燃焼室構成面に溶射膜が成膜されたシリンダヘッドを得るためには、当該燃焼室構成面のうちの非成膜領域や、当該燃焼室構成面よりも外側の領域をマスキングする必要がある。このようなマスキングは、溶射やコールドスプレーに代表される膜材料粒子の噴き付けによる成膜手法において有効であり、広く一般的に行われている。
【０００６】
しかし、マスキングによって成膜される溶射膜の外周面のうちの、バルブ孔の開口の外縁に沿って形成されるバルブ孔外周面と、燃焼室構成面の外縁に沿って形成される燃焼室外周面とを繋ぐ凸状湾曲面の周辺では、損傷（割れ、欠け、剥がれ）が発生し易いという問題がある。というのも、この凸状湾曲面は、マスキング治具が備える凹状湾曲面に対応して形成されるものであるが、この凹状湾曲面の周辺には、溶射粉末のうちの溶融状態が不十分なものが吹き溜り易いためである。凸状湾曲面の周辺に損傷が発生した場合には、損傷箇所から構成粒子が脱落し、シリンダボア内へ噛み込むことでスカッフが生じることが予測される。故に、このような問題の発生を抑制するための改良を行う必要があった。
【０００７】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、マスキングによって成膜される溶射膜の外周面のうちの、バルブ孔の開口の外縁に沿って形成されるバルブ孔外周面と、燃焼室構成面の外縁に沿って形成される燃焼室外周面とを繋ぐ凸状湾曲面の周辺に損傷が発生するのを抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記の目的を達成するための、溶射膜の成膜方法であり、シリンダブロック合わせ面と、エンジンの燃焼室構成面とを同一面に有するシリンダヘッド基材であって、吸気バルブ孔および排気バルブ孔に相当する少なくとも２つのバルブ孔が前記燃焼室構成面に開口するシリンダヘッド基材を準備する工程と、前記燃焼室構成面のうちの非成膜領域と、前記シリンダブロック合わせ面とをマスクする板状のマスキング治具を、前記シリンダヘッド基材に取り付ける工程と、前記マスキング治具の前記シリンダヘッド基材への取り付け後、溶射粉末を前記燃焼室構成面に吹き付けて溶射膜を成膜する工程と、を備えている。
前記マスキング治具は、前記バルブ孔の開口をマスクする部位の外周面と、前記シリンダブロック合わせ面をマスクする部位の外周面と、を繋ぐ凹状湾曲面を備えている。また、前記マスキング治具は、前記シリンダヘッド基材への取り付け工程において前記シリンダヘッド基材と対向させる面に、前記マスキング治具の外周面から前記凹状湾曲面まで延びる溝部を備えている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、凹状湾曲面の周辺に吹き溜まり易い溶融状態が不十分な溶射粉末を溝部に沿って移動させて、マスキング治具の外周面から排出させることができる。従って、マスキングによって成膜される溶射膜の外周面のうちの、バルブ孔の開口の外縁に沿って形成されるバルブ孔外周面と、燃焼室構成面の外縁に沿って形成される燃焼室外周面とを繋ぐ凸状湾曲面の周辺に損傷が発生するのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態に係る方法が適用されるシリンダヘッドの構成を説明する図である。
【図２】図１に示した溶射膜２２の一例を示した断面写真である。
【図３】図２に示した中間層２４に使用される溶射粉末の一例を示した写真である。
【図４】図２に示した遮熱層２６に使用される溶射粉末の一例を示した写真である。
【図５】プラズマ溶射装置を用いた成膜手法とその問題点を説明する図である。
【図６】溶射膜の外周面の周辺の断面写真である。
【図７】従来の成膜手法によって成膜される溶射膜の膜厚プロファイルを説明する図である。
【図８】溶射直後の溶射膜４６の部分拡大写真である。
【図９】図８に示した溶射膜４６を研磨加工した後における凸状湾曲面４６ａの周辺の写真である。
【図１０】図１１に示すマスキング治具４８の凹状湾曲面４８ａを同図に示すＡ−Ａ線に沿って切断したときの断面模式図である。
【図１１】本発明の実施の形態に係る方法に関連して本発明者が開発したマスキング治具の形状を説明する図である。
【図１２】本発明の実施の形態に係る方法において用いるマスキング治具５２の形状を説明する図である。
【図１３】図１２に示した凹状湾曲面５２ａの周辺の拡大模式図である。
【図１４】本実施の形態に係る方法による効果を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１２】
［シリンダヘッドの構成］
図１は、本発明の実施の形態に係る方法が適用されるシリンダヘッドの構成を説明する図である。図１には、本実施の形態に係る方法が適用されるシリンダヘッドの一例として、直列４気筒型のディーゼルエンジンのシリンダヘッド１０が描かれている。シリンダヘッド１０の底面１２には、吸気バルブ（図示しない）によって開閉される吸気バルブ孔１４と、排気バルブ（図示しない）によって開閉される排気バルブ孔１６と、が１気筒当たり２つずつ形成されている。各気筒において、吸気バルブ孔１４と排気バルブ孔１６によって囲まれた中心部には、インジェクタ（図示しない）が挿入されるインジェクタ孔１８が形成されている。また、各気筒において、吸気バルブ孔１４の中間には、グロープラグ（図示しない）が挿入されるグロープラグ孔２０が形成されている。
【００１３】
［溶射膜の構成］
図１に示す溶射膜２２が、本実施の形態に係る方法によって成膜される溶射膜に相当する。図１に示す各気筒において、溶射膜２２は、燃焼室構成面に相当する領域に成膜されている。より詳しく述べると、溶射膜２２は、燃焼室構成面を覆うように成膜されている。また、燃焼室構成面よりも外側の領域には溶射膜２２は成膜されておらず、底面１２が露出している。因みに底面１２が露出する領域は、シリンダブロック（図示しない）との合わせ面を構成している。
【００１４】
図２は、図１に示した溶射膜２２の一例を示した断面写真である。図２に示すように、溶射膜２２は、中間層２４（Ｎｉ−５０Ｃｒ＋３５ｗｔ％ベントナイト）と、遮熱層２６（ＺｒＯ２−３３ｗｔ％ＳｉＯ２）と、を備えている。中間層２４の層厚は５０μｍであり、遮熱層２６の層厚は１００μｍである。
【００１５】
図３は、図２に示した中間層２４に使用される溶射粉末の一例を示した写真である。この溶射粉末は、粒径１０〜４５μｍ、平均粒径２０μｍのＮｉ−５０Ｃｒ合金粉末に、粒径４５μｍ以下のベントナイト粒子（無機粒子）を焼結により造粒し、造粒後の二次粒子の平均粒径を７０μｍにしたものである。なお、Ｎｉ−５０Ｃｒ合金粉末と、ベントナイト粒子との混合割合は、質量比で６５：３５である。このような混合割合にすると、中間層２４中のベントナイトの面積率が６０％となる。
【００１６】
図３で説明した合金系材料から構成される溶射膜の線膨張係数は、シリンダヘッド基材（一例としてアルミニウム合金）の線膨張係数よりも小さく、遮熱層２６を構成するＺｒＯ２−ＳｉＯ２系のセラミックス（詳細は後述）の線膨張係数よりも大きくなる。そのため、中間層２４を備える溶射膜２２によれば、中間層２４の無い遮熱層２６のみの溶射膜に比べて、層間の線膨張係数の差を小さくすることが可能となる。故に、溶射膜２２によれば、冷熱サイクル時に発生する熱応力に起因した、遮熱層２６の剥離を抑制することが可能となる。
【００１７】
図４は、図２に示した遮熱層２６に使用される溶射粉末の一例を示した写真である。この溶射粉末は、ジルコンサンド（組成：ＺｒＯ２−３３ｗｔ％ＳｉＯ２−０．７ｗｔ％Ａｌ２Ｏ３−０．１５ＴｉＯ２−０．１ｗｔ％Ｆｅ２Ｏ３）の粉砕粉を分級したＺｒＯ２−ＳｉＯ２粉末である。図２に示した遮熱層２６には、一例として、粒径１０〜４５μｍ、平均粒径２０μｍのＺｒＯ２−ＳｉＯ２粉末が使用される。
【００１８】
図４で説明したＺｒＯ２−ＳｉＯ２系のセラミックスから構成される溶射膜は、シリンダヘッド基材（一例としてアルミニウム合金）よりも熱伝導率と体積熱容量において低くなる。そのため、遮熱層２６を備える溶射膜２２によれば、エンジン燃焼室内の作動ガスの温度、即ち、吸気の温度や燃焼ガスの温度に、溶射膜の温度（より正確には、遮熱層の温度）を追従させることが可能となる。故に、溶射膜２２によれば、膨張行程での冷却損失を低減して燃費を向上でき、また、吸気行程での作動ガスの加熱による異常燃焼の発生を抑制することもできる。
【００１９】
［溶射条件］
本実施の形態に係る方法での溶射条件の一例を下記に示す。なお、この溶射は、シリンダヘッドの底面にショットブラストを実施して表面粗さＲａを７μｍとした後に、プラズマ溶射装置（ＭＥＴＣＯ社製Ｆ４ガン）を使用して行われる。
＜中間層２４＞
プラズマガス：Ａｒ−Ｈ２，ガス流量：３０Ｌ／ｍｉｎ（Ａｒ），８Ｌ／ｍｉｎ（Ｈ２）
プラズマ電流：４５０Ａ，プラズマ電圧：６０Ｖ
粉末供給量：３０ｇ／ｍｉｎ
溶射距離：１５０ｍｍ
＜遮熱層２６＞
プラズマガス：Ａｒ−Ｈ２，ガス流量：４０Ｌ／ｍｉｎ（Ａｒ），１２Ｌ／ｍｉｎ（Ｈ２）
プラズマ電流：６００Ａ，プラズマ電圧：６０Ｖ
粉末供給量：５０ｇ／ｍｉｎ
溶射距離：１００ｍｍ
【００２０】
図５は、プラズマ溶射装置を用いた成膜手法とその問題点を説明する図である。先ず、プラズマ溶射装置の構成について簡単に説明する。図５に示すプラズマ溶射装置３０は、シリンダヘッド基材３２の底面３４に向けてプラズマフレーム３６を噴射する溶射ガン３８と、プラズマフレーム３６に溶射粉末４０を導入するノズル４２と、を備えている。なお、シリンダヘッド基材３２の燃焼室構成面には、図１で説明した吸気バルブ孔１４、排気バルブ孔１６等が形成されているものとする。
【００２１】
ノズル４２からプラズマフレーム３６に導入された溶射粉末４０の多くは、プラズマフレーム３６によって溶融状態となる。溶融状態の溶射粉末４０は、底面３４に噴き付けられることで扁平し、隣接する溶融状態の溶射粉末４０と結合しながら堆積していく。図５において、プラズマフレーム３６の範囲内に描かれる溶射粉末４０は、上述した溶融過程を経て溶射膜の一部となる。
【００２２】
しかしその一方で、例えばその質量が小さい故にプラズマフレーム３６に上手く導入されず、未溶融状態のまま底面３４に到達してしまう溶射粉末４０も存在する。図５において、プラズマフレーム３６の範囲外に描かれる溶射粉末４０がこれに該当する。
【００２３】
ところで、プラズマ溶射装置３０を用いた成膜手法では、燃焼室構成面のうちの非成膜領域や、燃焼室構成面よりも外側の領域がマスキングされる。図５にその一部が描かれるマスキング治具４４は、これらの領域を覆い、成膜領域のみを露出させるために底面３４に取り付けられる板状部材である。しかし、この図５に示すように、この露出領域とマスキング治具４４との境界部分には、未溶融状態のまま底面３４に到達した溶射粉末４０が吹き溜まり易くなる。そして、未溶融状態の溶射粉末４０が吹き溜まったままの状態で溶射が継続されると、この未溶融状態の溶射粉末４０が溶射膜の一部となる。
【００２４】
図６は、溶射膜の外周面の周辺の断面写真であり、右側に向かうほど溶射膜の外周面に近づいている。図６に示すように、左側の領域では遮熱層を構成する溶射粉末が程よく扁平しているのに対し、右側の領域では球状の溶射粉末が多く遮熱層内に介在している。この球状の溶射粉末は、上述した未溶融状態の溶射粉末に由来するものであり、扁平状態としては不十分な溶射粉末といえる。
【００２５】
図６に示した扁平状態が不十分な溶射粉末が含まれていると、溶射後の溶射膜の外周部と、それよりも内側の部位とで膜厚に差が生じることになる。図７は、従来の成膜手法によって成膜される溶射膜の膜厚プロファイルを説明する図である。この膜厚プロファイルは、図８に示す溶射直後の溶射膜４６を同図に示すＡ−Ａ線に沿って切断したときの凸状湾曲面４６ａの周辺の膜厚を表している。因みにこの凸状湾曲面４６ａは、吸気バルブ孔１４または排気バルブ孔１６の開口の外縁に沿って形成されるバルブ孔外周面４６ｂと、燃焼室構成面の外縁に沿って形成される燃焼室外周面４６ｃと、を繋ぐ溶射膜４６の外周面の一部として定義される。図７の右方に示すように、凸状湾曲面４６ａの近傍には、周囲に比べて５０μｍ程度大きい突起が形成されている。この突起は、扁平状態が不十分な溶射粉末が凸状湾曲面４６ａの内側に含まれることが原因である。
【００２６】
図７に示したような突起が凸状湾曲面の周辺に形成されていると、溶射後の研磨加工（仕上げ加工）の際に、この突起に過大な応力が発生し、その結果、凸状湾曲面に損傷（割れ、欠け、剥がれ）が発生する。図９は、図８に示した溶射膜４６を研磨加工した後における凸状湾曲面４６ａの周辺の写真である。図９に示すように、凸状湾曲面４６ａの周辺では、皮膜欠けが発生している。
【００２７】
凸状湾曲面４６ａに研磨加工に由来する損傷が発生している場合には、エンジン実働中の冷熱サイクル時に発生する熱応力によって、この損傷（割れ、欠け、剥がれ）が拡大する。もっとも、凸状湾曲面４６ａに研磨加工由来の損傷が発生していない場合であっても、冷熱サイクル時に発生する熱応力によって、凸状湾曲面４６ａの損傷（割れ、欠け、剥がれ）が発生する可能性がある。このようにして凸状湾曲面４６ａの損傷（割れ、欠け、剥がれ）が発生すると、損傷箇所から構成粒子が脱落し、シリンダボア内へ噛み込むことでスカッフが生じることが予測される。
【００２８】
事実、冷熱サイクルを伴った耐久評価では、上述した凸状湾曲面の損傷の発生が確認されている。因みに、図８に示した溶射膜４６の形状から分かるように、溶射膜４６の外周面としては、凸状湾曲面４６ａだけでなく、バルブ孔外周面４６ｂや燃焼室外周面４６ｃも挙げられる。しかし、この耐久評価によれば、溶射膜４６の外周面のうちの損傷箇所が、凸状湾曲面４６ａに限られることが確認された。この理由の１つとしては、バルブ孔外周面４６ｂや燃焼室外周面４６ｃの方が凸状湾曲面４６ａよりも曲率半径が大きく、熱応力への耐性が高くなっていることが考えられる。
【００２９】
本発明者は、凸状湾曲面４６ａでの現象を抑制するために多方面から検討を行った。これらの検討内容と採用結果について以下に示す。
検討１．粉末粒度を大きくする：粒子界面数が低下し、溶射膜の熱伝導率が増加するため不採用
検討２．外部からのエアーブロー追加：やや効果は見られたが、十分でないため不採用
検討３．マスキング治具の形状変更：最も効果が見込めるため採用
【００３０】
図１０は、上記検討３．に関連して本発明者が開発したマスキング治具の形状を説明する図である。図１０は、図１１に示すマスキング治具４８の凹状湾曲面４８ａを同図に示すＡ−Ａ線に沿って切断したときの断面模式図に相当する。図１０に示すマスキング治具４８では、マスキング治具４８の底面１２との対向面４８ｂに、この対向面４８ｂを掘り込むことで形成した溝部４８ｃが設けられている。溝部４８ｃが形成されていることで、マスキング治具４８のシリンダヘッドへの取り付け時に、当該シリンダヘッドの底面と溝部４８ｃの間に空間５０が形成される。そのため、凹状湾曲面４８ａの周辺に吹き溜まる未溶融状態の溶射粉末を、この空間５０に移動させることができる。しかし実際には、空間５０に移動させたはずの溶射粉末が、溝部４８ｃで跳ね返ってしまい、十分な効果が得られなかった。
【００３１】
そこで本発明者は、図１０に示した溝部４８ｃがその側面まで延長するマスキング治具の形状を開発した。図１２は、本実施の形態に係る方法において用いるマスキング治具５２の形状を説明する図である。図１２に示すマスキング治具５２は、マスキング治具５２の底面１２との対向面５２ｂに、複数の溝部５２ｃを備えている。複数の溝部５２ｃは、対向面５２ｂを掘り込むことで形成されている（一例として溝幅：３ｍｍ、深さ：２ｍｍ）。溝部５２ｃのそれぞれは、１気筒当たり８箇所存在する凹状湾曲面５２ａから、マスキング治具５２の外周面５２ｄに向かってなだらかに延びている。
【００３２】
図１３は、図１２に示した凹状湾曲面５２ａの周辺の拡大模式図である。図１３に示すような溝部５２ｃが形成されていることで、凹状湾曲面５２ａの周辺に吹き溜まる未溶融状態の溶射粉末を溝部５２ｃに沿って移動させて、図１２に示した外周面５２ｄから排出することが可能となる。なお、一般的なシリンダヘッドの底面には、燃焼室構成面よりも外側の領域にウォータジャケット孔等が形成されている。そのため、溝部５２ｃに沿って移動させる溶射粉末がこれらの孔を介してシリンダヘッドの内部に入り込むことのないように、溝部５２ｃはこれらの孔を回避して形成されることが望ましい。また、溝部５２ｃに移動させた未溶融状態の溶射粉末が滞留してしまうのを抑制するために、溝部５２ｃの表面にはＤＬＣコート等の低摩擦の皮膜を形成することが望ましい。
【００３３】
図１４は、本実施の形態に係る方法による効果を説明する図である。図１４の左欄に示す「従来」は、図１２で説明した溝部５２ｃが形成されていないマスキング治具を使用して成膜された溶射膜の膜厚プロファイル（上段）、断面組織（中段）、外観写真（下段）である。膜厚プロファイル（上段）については図７で、断面組織（中段）については図６で、外観写真（下段）については図９で、それぞれ既に説明した通りである。
【００３４】
図１４の右欄に示す「本発明」は、図１２で説明したマスキング治具５２を使用して成膜された溶射膜の膜厚プロファイル（上段）、断面組織（中段）、外観写真（下段）である。なお、膜厚プロファイル（上段）は、マスキング治具５２を使用して成膜された溶射膜の溶射直後のものを、図８に示したＡ−Ａ線の位置と同じ位置で切断したときの凸状湾曲面の周辺の膜厚を表している。図１４の右欄と左欄を比較すると分かるように、「本発明」によれば、凸状湾曲面に突起が見られず（上段）、未溶融状態の溶射粉末の介在も見られない（中段）。加えて、凸状湾曲面の周辺に皮膜欠けも発生していない。
【００３５】
図１４から分かるように、マスキング治具５２を使用することで、溶射膜の凸状湾曲面に研磨加工に由来する損傷が発生するのを良好に抑えることができる。また、この研磨加工後にシリンダヘッドを冷熱耐久評価に供試したところ、溶射膜の損傷は特に確認されず、ピストンやシリンダボアの傷付き、スカッフなどの製品異常も見られなかった。以上のことから、本実施の形態に係る方法は、溶射膜の凸状湾曲面に損傷が発生するのを抑えることのできる成膜手法として有用であることが証明された。
【符号の説明】
【００３６】
１０，３２  シリンダヘッド
１２，３４  底面
１４  吸気バルブ孔
１６  排気バルブ孔
２２，４６  溶射膜
２４  中間層
２６  遮熱層
３０  プラズマ溶射装置
３６  プラズマフレーム
３８  溶射ガン
４０  溶射粉末
４２  ノズル
４４，４８，５２  マスキング治具
４６ａ  凸状湾曲面
４６ｂ  バルブ孔外周面
４６ｃ  燃焼室外周面
４８ａ，５２ａ  凹状湾曲面
４８ｂ，５２ｂ  対向面
４８ｃ，５２ｃ  溝部
５０  空間
５２ｄ  外周面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018012875.tif 000009
【図８】
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【図９】
2018012875.tif 000011
【図１０】
2018012875.tif 000012
【図１１】
2018012875.tif 000013
【図１２】
2018012875.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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