(57)【要約】【課題】複合材料の基材と遮熱層との間の熱膨張率の差を小さくして、両者の間で発生する熱応力を小さくすることができて、熱応力による遮熱層の剥離の発生を防止することができる遮熱層のコーティング方法、遮熱層構造を提供すると共に、ピストンの熱伝導率と熱容量を下げることができて、内燃機関の熱効率を向上することができる内燃機関を提供する。【解決手段】遮熱層１２をコーティングする基材１１を、セラミックス粒子１１ｂで強化したアルミニウム合金複合材料を材料として形成すると共に、前記セラミックス粒子１１ｂの添加量の割合Ｒを制御して、前記アルミニウム合金複合材料の熱膨張率を線膨張係数で９×１０-6／℃〜１９×１０-6／℃の範囲内にまで下げて、前記基材１１に前記遮熱層１２の材料を直接溶射して、前記遮熱層１２を前記基材１１にコーティングする。この遮熱層のコーティング方法で製造した遮熱層構造１０を備えたピストンを内燃機関に備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
遮熱層をコーティングする基材を、セラミックス粒子で強化したアルミニウム合金複合材料を材料として形成すると共に、前記セラミックス粒子の添加量の割合を制御して、前記アルミニウム合金複合材料の熱膨張率を線膨張係数で９×１０-6／℃〜１９×１０-6／℃の範囲内にまで下げて、前記基材に前記遮熱層の材料を直接溶射して、前記遮熱層を前記基材にコーティングすることを特徴とする遮熱層のコーティング方法。
【請求項２】
前記セラミックス粒子の添加量を、前記アルミニウム合金複合材料の５重量％〜６０重量％とすることを特徴とする請求項１記載の遮熱層のコーティング方法。
【請求項３】
前記セラミックス粒子を、炭化ケイ素、スピネル、又は、アルミナのいずれか、又は、幾つかの組み合わせで形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の遮熱層のコーティング方法。
【請求項４】
前記遮熱層の材料を、ジルコニアで形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の遮熱層のコーティング方法。
【請求項５】
セラミックス粒子で強化されて、熱膨張率が、線膨張係数で９×１０-6／℃〜１９×１０-6／℃の範囲内にある、アルミニウム合金複合材料を材料とする基材の上に、ジルコニアを有して形成された遮熱層を備えて構成されたことを特徴とする遮熱層構造。
【請求項６】
請求項５に記載の遮熱層構造をピストンの燃焼室に有することを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のピストンの燃焼室等に遮熱層を形成する遮熱層のコーティング方法、遮熱層構造、及び、内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用エンジン等の内燃機関のピストンに設けられた燃焼室に遮熱コーティングを施すことは、これにより形成された遮熱層によりピストンの熱伝導率と熱容量を下げることができるので、内燃機関の燃費を改善させるために非常に有効な方法となっている。
【０００３】
そして、ピストンの燃焼室等のアルミニウム合金等の基板に、熱伝導率の低いジルコニア層等の遮熱コーティングをプラズマ溶射で施すことは、最も一般的な方法であるが、基盤と遮熱層との間で熱膨張率に差があるため、高温になる燃焼室等では熱応力が発生する。特に、アルミニウム合金の表面に溶射等の方法で、セラミックス等の断熱効果のある物質を、直接コーティングする場合では、アルミニウム合金（熱膨張率：線膨張係数で２３×１０-6／℃程度）とジルコニア（熱膨張率：線膨張係数で１０．５×１０-6／℃程度）との間の熱膨張率の差が大きいので、両者の熱膨張率の差に起因する遮熱層の剥離の問題が生じるため、製造が非常に難しくなる。
【０００４】
そのため、図３に示すように、基材１１Ａと遮熱層１２の両者間の熱膨張差を緩和し、両者の密着性を向上するボンドコート１３を使用している。このボンドコート１３の材料としては、ＭＣｒＡｌＹ合金（ＭはＣｏ（コバルト）又はＮｉ（ニッケル）又はそれらの組み合わせ：Ａｌ（アルミニウム）、Ｙ（イットリウム））等が使用されている。
【０００５】
このボンドコートを使用するものとしては、例えば、ジルコニア（ＺｒＯ2）含有粒子を含む酸化物層を有する溶射皮膜をピストン基材の表面に形成すると共に、酸化物層に形成された気孔部に、ケイ素（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）とを含む一酸化ケイ素（ＳｉＯ）系酸化物を充填又は略充填する断熱皮膜構造及びその製造方法では、ピストン基材の頂面全体に亘って、アンダーコート（ボンドコート）を、ニッケル−クロム（Ｎｉ−Ｃｒ）合金のプラズマ溶射で形成している（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
しかしながら、このボンドコートの使用は、図４に示すように、基材の形成、ボンドコートの形成、遮熱層の形成という段階を経ることになり、ボンドコートの材料や加工が必要になり、製造工程の複雑化やそれに伴うコストの増加等という問題を招く。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−１８５２００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、複合材料の基材と遮熱層との間の熱膨張率の差を小さくして、両者の間で発生する熱応力を小さくすることができて、熱応力による遮熱層の剥離の発生を防止することができる遮熱層のコーティング方法、遮熱層構造を提供すると共に、ピストンの熱伝導率と熱容量を下げることができて、内燃機関の熱効率を向上することができる内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するための遮熱層のコーティング方法は、遮熱層をコーティングする基材を、セラミックス粒子で強化したアルミニウム合金複合材料を材料として形成すると共に、前記セラミックス粒子の添加量の割合を制御して、前記アルミニウム合金複合材料の熱膨張率を線膨張係数で９×１０-6／℃〜１９×１０-6／℃、より好ましくは、１１×１０-6／℃〜１６×１０-6／℃の範囲内にまで下げて、前記基材に前記遮熱層の材料を直接溶射して、前記遮熱層を前記基材にコーティングすることを特徴とする方法である。
【００１０】
この方法によれば、プラズマ溶射で遮熱層のコーティングする対象物である基材自体の熱膨張率を低下させているので、この基材に熱伝導率の低いジルコニア層等の遮熱層を施す際に、ボンドコートを形成する必要がなくなる。その結果、ボンドコートを使用する従来技術の遮熱層のコーティング方法と比較して、製造工程が簡単になり、低コストで遮熱層の構築ができる。
【００１１】
また、基材のアルミニウム合金複合材料の熱膨張率を、ボンドコートと同じ熱膨張率又はそれ以下の熱膨張率である、線膨張率で９×１０-6／℃〜１９×１０-6／℃、より好ましくは、１１×１０-6／℃〜１６×１０-6／℃の範囲内に調整することにより、アルミニウム合金複合材料の基材と溶射皮膜である遮熱層との界面において発生する熱応力を小さくすることができるため、熱応力による遮熱層の剥離の問題を解決できる。
【００１２】
上記の遮熱層のコーティング方法において、前記セラミックス粒子の添加量を、前記アルミニウム合金複合材料の５重量％〜６０重量％、より好ましくは、１０重量％〜３５重量％とすると、これにより、基材のアルミニウム合金複合材料の熱膨張率を遮熱層をコーティングするのに適した範囲内まで下げることができる。ここで、このセラミックス粒子の添加量の割合Ｒは、母材の重量をＷａ、セラミックス粒子の重量をＷｂとすると、Ｒ＝Ｗｂ／（Ｗａ＋Ｗｂ）となる値である。
【００１３】
上記の遮熱層のコーティング方法において、前記セラミックス粒子を、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、又は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）のいずれか、又は、幾つかの組み合わせで形成すると、これらの材料により、容易に、強化用のセラミックス粒子を構成できる。
【００１４】
上記の遮熱層のコーティング方法において、前記遮熱層の材料を、ジルコニア（ＺｒＯ2）で形成すると、この材料により、容易に、熱伝導性が低く耐熱性に優れた遮熱層を形成できる。
【００１５】
そして、上記の目的を達成するための遮熱層構造は、セラミックス粒子で強化されて、熱膨張率が、線膨張係数で９×１０-6／℃〜１９×１０-6／℃、より好ましくは、１１×１０-6／℃〜１６×１０-6／℃の範囲内にある、アルミニウム合金複合材料を材料とする基材の上に、ジルコニア（ＺｒＯ2）を有して形成された遮熱層を備えて構成される。
【００１６】
この遮熱層構造によれば、対象物の基板に遮熱層を施す際にボンドコートを必要とする従来技術と比較して、製造工程が簡単になり、低コストで遮熱層の構築ができる。また、基材のアルミニウム合金複合材料の熱膨張率をボンドコートと同じ様な範囲またはそれ以下の範囲内に調整することにより、基材と遮熱層との界面で発生する熱応力を小さくでき、熱応力による遮熱層の剥離を防止できる。
【００１７】
また、上記の目的を達成するための内燃機関は、上記の遮熱層構造をピストンの燃焼室に有して構成される。この内燃機関によれば、ピストンの燃焼室に、低熱伝導率の遮熱層を設けているので、ピストンの熱伝導率と熱容量を下げることができ、内燃機関の熱効率を向上することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の遮熱層のコーティング方法及び遮熱層構造によれば、アルミニウム合金に熱膨張率の低いセラミックス粒子を複合することにより、アルミニウム合金複合材料の熱膨張率をボンドコートの熱膨張率まで、或いは、ボンドコートの熱膨張率以下にまで下げることができるので、ボンドコート無しで、ジルコニア等の遮熱層の材料を直接溶射してアルミニウム合金複合材料の基材にコーティングすることができる。従って、アルミニウム合金複合材料の基材と溶射皮膜の遮熱層との間における熱応力が小さくなり、熱応力による遮熱層の剥離を防止できる。
【００１９】
また、本発明の内燃機関によれば、ピストンの燃焼室に設けた低熱伝導率の遮熱層により、ピストンの熱伝導率と熱容量を下げることができ、内燃機関の熱効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態の遮熱層構造を模式的に示す図である。
【図２】本発明の実施の形態の遮熱層のコーティング方法のプロセスを示す図である。
【図３】従来技術の遮熱層構造を模式的に示す図である。
【図４】従来技術の遮熱層のコーティング方法のプロセスを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係る実施の形態の遮熱層のコーティング方法、遮熱層構造、及び、内燃機関について図面を参照しながら説明する。
【００２２】
図１に示すように、本発明の実施の形態の遮熱層構造１０は、アルミニウム合金を母材１１ａとし、セラミックス粒子１１ｂで強化されて、熱膨張率が、線膨張係数で９×１０-6／℃〜１９×１０-6／℃、より好ましくは、１１×１０-6／℃〜１６×１０-6／℃の範囲内にある、アルミニウム合金複合材料を材料とする基材１１の上に、ジルコニア（ＺｒＯ2）を有して形成された遮熱層１２を備えて構成される。
【００２３】
そして、この遮熱層構造１０を製造するための、本発明の実施の形態の遮熱層のコーティング方法では、図２に示すように、ステップＳ１０で、遮熱層１２をコーティングする対象となる基材１１を、アルミニウム合金の母材１１ａをセラミックス粒子１１ｂで強化したアルミニウム合金複合材料を材料として形成する。このセラミック粒子１１ｂとしては、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、又は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）のいずれか、又は、幾つかの組み合わせを用いることができる。
【００２４】
本発明においては、このアルミニウム合金複合材料を製造する際に、母材１１ａへのセラミックス粒子１１ｂの添加量の割合Ｒを制御して、アルミニウム合金複合材料の熱膨張率を線膨張係数で９×１０-6／℃〜１９×１０-6／℃、より好ましくは、１１×１０-6／℃〜１６×１０-6／℃の範囲内にまで下げる。
【００２５】
この熱膨張率の低下は、強化材としてのセラミックス粒子１１ｂの混合割合Ｒを増加することで行うことができるが、この混合割合Ｒを大きくし過ぎると機械加工の面等の問題が生じるので、アルミニウム合金複合材料の母材１１ａの重量をＷａとし、セラミックス粒子１１ｂの添加量の重量をＷｂとして、アルミニウム合金複合材料の重量をＷｔ（＝Ｗａ＋Ｗｂ）としたときに、アルミニウム合金複合材料に対するセラミックス粒子１１ｂの添加量の割合Ｒ（＝Ｗｂ／Ｗｔ）を、５重量％〜６０重量％、より好ましくは、１０重量％〜３５重量％とする。
【００２６】
これにより、このアルミニウム合金複合材料の熱膨張率を、遮熱層１２をコーティングするのに適した範囲内まで下げることができる。
【００２７】
なお、熱膨張率は、線膨張率で、炭化ケイ素（ＳｉＣ）の６．６×１０-6／℃程度、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）の７．５×１０-6／℃程度、又は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の７．２×１０-6／℃程度であり、これらのセラミックス粒子の相互間の熱膨張率の差は、基材１１の母材１１ａであるアルミニウム（Ａｌ）の２３×１０-6／℃程度とセラミックス粒子１１ｂとの差と比較すると小さいので、同じ混合割合での強化材の差によるアルミニウム合金複合材料の熱膨張率の差は小さい。
【００２８】
次に、ステップＳ２０で、この基材１１に対して、図３に示すような従来技術におけるボンドコート１３を設けることなく、遮熱層１２の材料としてのジルコニア（ＺｒＯ2）を、直接、溶射する。このセラミックスの溶射方法としては、減圧プラズマ放射、大気圧プラズマ放射、高速フレーム溶射、溶棒式フレーム溶射等の各種の溶射方法が周知であり、これらの溶射方法のうちの適切な溶射方法で、ジルコニアを、直接、基材１１に対して溶射して、基材１１上にジルコニアを有する遮熱層１２を形成する。
【００２９】
このステップＳ２０の遮熱層の形成が終了すると、遮熱層構造１０が完成する。これにより、図１に示すような、本発明の実施の形態の遮熱層構造１０を製造することができる。
【００３０】
この実施の形態の遮熱層のコーティング方法及び遮熱層構造１０によれば、プラズマ溶射等で遮熱層１２をコーティングする対象物である基材１１に、熱伝導率の低いジルコニア層等の遮熱層１２を施す際に、図４に示すような、従来技術の、基材１１と遮熱層１２の間の熱膨張率を有して、基材１１と遮熱層１２との熱膨張率の差を緩和するボンドコート１３を使用する遮熱層のコーティング方法と比較して、本発明では、ボンドコート１３を形成する必要がなくなるので、製造工程が簡単になり、低コストで遮熱層構造１０の構築ができる。
【００３１】
さらに、ジルコニアの熱膨張率は線膨張係数で１０．５×１０-6／℃程度であるが、基材１１の熱膨張率がジルコニアの熱膨張率に近い、線膨張係数で、９×１０-6／℃〜１９×１０-6／℃、より好ましくは１１×１０-6／℃〜１６×１０-6／℃の範囲内にまで下げられているので、アルミニウム合金複合材料の基材１１と溶射皮膜である遮熱層１２との界面において発生する熱応力を小さくすることができる。これにより、基材１１と遮熱層１２との間の熱応力による遮熱層１２の剥離の問題を解決できる。
【００３２】
また、本発明の実施の形態の内燃機関は、図１に示すような、アルミニウム合金複合材料を材料とする基材１１の上に、ジルコニア（ＺｒＯ2）を有して形成された遮熱層１２を備えた遮熱層構造１０をピストンの燃焼室に有して構成される。この構成の内燃機関によれば、ピストンの燃焼室に、低熱伝導率の遮熱層１２を設けているので、ピストンの熱伝導率と熱容量を下げることができ、内燃機関の熱効率を向上することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１０、１０Ａ  遮熱層構造
１１、１１Ａ  基材
１１ａ  母材
１１ｂ  セラミックス粒子
１２  遮熱層
１３  ボンドコート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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