JP6544087B2 - 遮熱性部品の製造方法 - Google Patents

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。エンジン部品がアルミニウム製であれば、陽極酸化処理を行うことで気孔率の高いアルマイト皮膜（遮熱膜）を表面に形成することができる。一方、エンジン部品が鉄系材料（純鉄、鋼、鋳鉄）で作製されている場合には、エンジン部品の表面にアルミニウム皮膜を作製した後、このアルミニウム皮膜を陽極として陽極酸化処理を行い、アルマイト皮膜を形成する。このように形成したアルマイト皮膜は緻密であるため、熱伝導率を下げることは難しい。

気孔率の高いアルマイト皮膜を部品表面に形成するため、特許文献１，２には、アルミニウム合金製の部品に陽極酸化処理を実施することで、表面にアルマイト皮膜を形成する方法が開示されている。

特開２０１５−３１２２６号公報 特開２０１３−６７８２３号公報

前述の方法では、アルミニウム合金製のエンジン部品を対象にしており、鉄系材料で作製されたエンジン部品については考慮されていない。鉄系材料で作製されたエンジン部品についても、気孔率の高いアルマイト皮膜を形成し、遮熱性を向上させることが求められている。

開示の方法は、鉄系材料で作製された部品について、遮熱性を向上させることを目的とする。

開示の方法は、鉄系材料で作製された部品の表面に、ケイ素を粒子の状態で含むアルミニウム合金の皮膜を形成する合金皮膜形成工程と、前記皮膜が形成された部品を電解質溶液に浸し、前記皮膜を陽極として通電する陽極酸化工程とを行う。

開示の方法によれば、鉄系材料で作製された部品について、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。 合金皮膜に使用される溶射材料の比率を説明する図である。 合金皮膜形成工程を模式的に説明する図であり、（Ａ）は溶射装置を、（Ｂ）は溶射作業をそれぞれ示す。 アルマイト処理工程を模式的に説明する図であり、（Ａ）は処理装置を、（Ｂ）は処理後のピストンをそれぞれ示す。

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、遮熱部品として鉄系材料の一種である鋼で作製されたピストンを例示し、遮熱膜としてのアルマイト皮膜をピストンの頂面に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、合金皮膜形成工程（Ｓ１）とアルマイト処理工程（Ｓ２）が行われる。

合金皮膜形成工程（Ｓ１）では、アルマイト皮膜の基になるアルミニウム合金の皮膜がピストンの頂面に形成される。本実施形態では、金属粉末をピストンの頂面に溶射することで、合金皮膜を形成する。

図２に示すように、金属粉末は、ケイ素（Ｓｉ），銅（Ｃｕ），ニッケル（Ｎｉ），マグネシウム（Ｍｇ），鉄（Ｆｅ），アルミニウム（Ａｌ）を含有する。ケイ素は、１０〜１４重量％の割合で含まれ、好ましくは１２重量％の割合で含まれる。銅は、３〜５重量％の割合で含まれ、好ましくは４重量％の割合で含まれる。ニッケルは、１〜３重量％の割合で含まれ、好ましくは２重量％の割合で含まれる。マグネシウムは、０．３〜０．８重量％の割合で含まれ、好ましくは０．６重量％の割合で含まれる。鉄は、０．１〜０．７重量％の割合で含まれ、好ましくは０．４重量％の割合で含まれる。なお、残余はアルミニウムである。

この金属粉末は、溶射に適した粒径（１５〜８０μｍ）に調整されている。このような金属粉末は、アトマイザーによって作製することができる。なお、金属粉末に関し、金属単体の粉末を混合してもよいし、一部金属の合金を粉末にした合金粉末に、残りの金属の粉末を混合してもよい。加えて、全ての金属を含む合金を粉末にした合金粉末を用いてもよい。

次に、溶射に用いる溶射ガンについて説明する。図３（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空部である。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。溶射材供給部１３は、溶射材ＰＭ（前述の金属粉末，図４（Ｂ）を参照）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た電極である。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の間に配置され、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３（Ｂ）に示すように、合金皮膜形成工程では、冷却水導入部１４から冷却水流路ＣＷに向けて冷却水を供給し、使用済みの冷却水を冷却水排出部２２から排出させる。これにより、溶射ガン１の過加熱を抑制する。そして、作動ガス供給部３１から作動ガスを陰極２３用の収容室ＣＨに高圧で供給する。陽極１２と陰極２３との間に直流高電圧を与えることで電極間にアーク放電が生じる。このアーク放電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。

溶射材供給部１３を通じて溶射材ＰＭ（金属粉末）をガンノズル１１へ供給すると、溶射材ＰＭはプラズマジェットＰＪの中で溶融される。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、アルミニウム合金皮膜ＡＣ（以下、合金皮膜ＡＣという）が形成される。この合金皮膜ＡＣはアルミニウムを主成分とするが、ケイ素を１０〜１４重量％の高い比率で含むことから、合金皮膜ＡＣの内部にはケイ素が粒子の状態で存在する。

次に、アルマイト処理工程（Ｓ２）について説明する。このアルマイト処理工程は、本発明の陽極酸化工程に相当し、合金皮膜ＡＣが形成されたピストンＰＳを電解質溶液に浸し、合金皮膜ＡＣを陽極として通電を行うことでアルマイト皮膜（遮熱膜）を形成する。

まず、アルマイト処理工程で使用するアルマイト処理装置（以下、単に処理装置という）について説明する。図４（Ａ）に示すように、処理装置２は、処理容器４１と、電解質溶液４２と、陰極４３と、直流電源４４と、撹拌装置４５と、冷却装置４６とを備えている。

処理容器４１は、アルマイト処理を行うための容器である。電解質溶液４２は、電気伝導性を溶液であり、例えば希硫酸溶液やシュウ酸溶液が用いられる。陰極４３は、直流電源４４の負極（−極）に電気的に接続されると共に、電解質溶液４２に浸漬される。この陰極４３には、例えば鉛板や炭素板が用いられる。直流電源４４は、ピストンＰＳに形成された合金皮膜ＡＣと陰極４３との間に所定の直流電圧を与える。このため、直流電源４４の正極（＋極）は、合金皮膜ＡＣと電気的に接続される。撹拌装置４５は、エアポンプ４５ａとエア放出部４５ｂを備えており、エア放出部４５ｂから放出された気泡によって電解質溶液４２を撹拌する。冷却装置４６は、熱交換部４６ａと本体部４６ｂを備えており、熱交換部４６ａで加熱された冷媒を本体部４６ｂで冷却して熱交換部４６ａへ供給することで、電解質溶液４２を所定温度に保つ。

アルマイト処理工程では、合金皮膜ＡＣが電解質溶液４２に浸るようにピストンＰＳを設置し、撹拌装置４５によって電解質溶液４２を撹拌する。そして、直流電源４４によって、合金皮膜ＡＣと陰極４３の間に直流電圧を与える。これにより、合金皮膜ＡＣでは、まず電解質溶液４２との接触面でアルミニウムの酸化が生じてアルマイトが生成される。その後、アルマイトが合金皮膜ＡＣの膜厚方向へ成長してアルマイト皮膜となる。その際、皮膜表面に発生した孔も膜厚方向へ成長して細孔となる。

ここで、合金皮膜ＡＣにはケイ素が粒子の状態で存在する。このケイ素は、アルマイト皮膜が成長している最中に、皮膜の成長方向とは垂直の方向で粒子内での層分離を生じさせる。ケイ素粒子の層分離により、アルマイト皮膜の内部には前述の細孔に加えてケイ素粒子の層分離で生じた気孔も生成される。

所定時間に亘ってアルマイト処理を行ったならば処理を終了し、ピストンＰＳを取り出して洗浄する。これにより、図４（Ｂ）に示すように、ピストンＰＳの頂面にアルマイト皮膜ＡＮＣ（遮熱膜）が形成される。このアルマイト皮膜ＡＮＣは、一般的なアルマイト皮膜が備える細孔に加え、ケイ素粒子の層分離で生じた気孔も備えている。このため、気孔率の高い遮熱膜となる。例えば、アルマイト皮膜ＡＮＣの気孔率を３０〜６５％の範囲で調整し得る。この場合、アルマイト皮膜ＡＮＣの熱伝導率は０．２〜０．６Ｗ／ｍ^−１・Ｋ^−１になり、エンジンの熱効率については、一般的な遮熱膜よりも２％程度の改善が見込まれる。

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。

溶射材ＰＳに関し、前述の実施形態では、粒径が１５μｍから８０μｍ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ＰＳであっても使用することができる。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。

合金皮膜ＡＣ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ＰＭ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ＰＭ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ができる。加えて、ＰＶＤ（物理蒸着法）によって合金皮膜ＡＣを形成してもよい。

１…溶射ガン，２…アルマイト処理装置，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，４１…処理容器，４２…電解質溶液，４３…陰極，４４…直流電源，４５…撹拌装置，４５ａ…エアポンプ，４５ｂ…エア放出部，４６…冷却装置，４６ａ…熱交換部，４６ｂ…本体部，ＣＷ…冷却水流路，ＰＭ…溶射材，ＣＨ…収容室，ＰＪ…プラズマジェット，ＰＳ…ピストン，ＡＮＣ…アルマイト皮膜（遮熱膜）

Claims (1)

1. 鉄系材料で作製された部品の表面に、ケイ素を１０〜１４重量％、銅を３〜５重量％、ニッケルを１〜３重量％、マグネシウムを０．３〜０．８重量％、鉄を０．１〜０．７重量％の割合で含み、残余がアルミニウムであるアルミニウム合金であってケイ素を粒子の状態で含む前記アルミニウム合金の皮膜をプラズマ溶射により形成する合金皮膜形成工程と、
   前記皮膜が形成された部品を電解質溶液に浸し、前記皮膜を陽極として通電する陽極酸化工程とを行う
   遮熱性部品の製造方法。

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