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JP2018012875A - Film deposition method of spray deposit - Google Patents

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JP2018012875A
JP2018012875A JP2016144543A JP2016144543A JP2018012875A JP 2018012875 A JP2018012875 A JP 2018012875A JP 2016144543 A JP2016144543 A JP 2016144543A JP 2016144543 A JP2016144543 A JP 2016144543A JP 2018012875 A JP2018012875 A JP 2018012875A
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JP
Japan
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combustion chamber
film
cylinder head
masking jig
outer peripheral
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Pending
Application number
JP2016144543A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
達也 赤穂
Tatsuya Ako
達也 赤穂
下田 健二
Kenji Shimoda
健二 下田
和晃 西尾
Kazuaki Nishio
和晃 西尾
中田 博道
Hiromichi Nakada
博道 中田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress the occurrence of a damage in the periphery of a convex-shaped curve face in the periphery of a convex curved face joining such a valve hole outer circumference of the outer circumference of a spray deposition formed by a masking and a combustion chamber outer peripheral surface formed along the outer edge of a combustion chamber constituting face.SOLUTION: A masking jig 52 is formed with a plurality of grooves 52c in a confronting face 52b confronting to the bottom face 12 of the masking jig 52. The grooves 52c are formed by digging the confronting face 52b. The individual grooves 52c extend gently from eight concave curved faces 52a existing in each cylinder, gently toward the outer circumference 52d of the masking jig 52.SELECTED DRAWING: Figure 12

Description

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。   The present invention relates to a method for forming a sprayed film, and more particularly to a method for forming a sprayed film on the bottom surface of a cylinder head of an engine.

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。   The combustion chamber of an engine is generally a space surrounded by a bore surface of the cylinder block, a top surface of a piston accommodated in the bore surface, and a bottom surface of the cylinder head when the cylinder head and the cylinder block are combined. Is defined as For the purpose of reducing the cooling loss in the engine and protecting it from the heat generated by combustion, the components of the combustion chamber, that is, the bore surface of the cylinder block, the top surface of the piston, and the bottom surface of the cylinder head are used. A thermal barrier film may be formed.

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。   Patent Document 1 discloses a cylinder head in which a thermal spray film as a thermal barrier film is formed on a combustion chamber constituting surface. The cylinder head is formed with valve holes such as an intake valve hole and an exhaust valve hole. The sprayed film is formed in a region excluding the opening of the valve hole in the combustion chamber constituting surface.

特開2016−98407号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2006-98407

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。   By the way, although not mentioned in Patent Document 1, in order to obtain a cylinder head in which a sprayed film is formed on the combustion chamber constituting surface, a non-deposition region of the combustion chamber constituting surface or the combustion chamber constitution It is necessary to mask the area outside the surface. Such masking is effective in a film forming method by spraying film material particles typified by thermal spraying or cold spray, and is widely performed.

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。   However, of the outer peripheral surface of the sprayed film formed by masking, the outer peripheral surface of the valve hole formed along the outer edge of the opening of the valve hole and the outer periphery of the combustion chamber formed along the outer edge of the combustion chamber constituting surface There is a problem that damage (breaking, chipping, peeling) is likely to occur around the convex curved surface connecting the surfaces. This is because the convex curved surface is formed corresponding to the concave curved surface provided in the masking jig, but the molten state of the thermal spray powder is insufficient around the concave curved surface. This is because something is easy to be collected. When damage occurs around the convex curved surface, the constituent particles fall off from the damaged portion, and it is predicted that scuffing occurs due to biting into the cylinder bore. Therefore, it has been necessary to make improvements to suppress the occurrence of such problems.

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。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is the outer periphery of the valve hole formed along the outer edge of the opening of the valve hole in the outer peripheral surface of the sprayed film formed by masking. It is to suppress the occurrence of damage around the convex curved surface that connects the surface and the outer peripheral surface of the combustion chamber formed along the outer edge of the combustion chamber constituting surface.

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。
The present invention is a method for forming a sprayed film to achieve the above object, and is a cylinder head base material having a cylinder block mating surface and an engine combustion chamber constituting surface on the same surface, and an intake valve Preparing a cylinder head base material in which at least two valve holes corresponding to a hole and an exhaust valve hole open to the combustion chamber constituting surface, a non-deposition region of the combustion chamber constituting surface, and the cylinder block alignment A plate-shaped masking jig for masking the surface is attached to the cylinder head base material, and after the masking jig is attached to the cylinder head base material, the thermal spray powder is sprayed onto the combustion chamber constituting surface. And a step of forming a film.
The masking jig includes a concave curved surface that connects an outer peripheral surface of a portion that masks the opening of the valve hole and an outer peripheral surface of a portion that masks the cylinder block mating surface. Further, the masking jig includes a groove extending from the outer peripheral surface of the masking jig to the concave curved surface on a surface facing the cylinder head base material in the attaching process to the cylinder head base material.

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。   According to the present invention, it is possible to move the sprayed powder, which is insufficiently melted and easily sprayed around the concave curved surface, along the groove portion and discharge it from the outer peripheral surface of the masking jig. Accordingly, of the outer peripheral surface of the sprayed film formed by masking, the outer peripheral surface of the valve hole formed along the outer edge of the opening of the valve hole and the outer periphery of the combustion chamber formed along the outer edge of the combustion chamber constituting surface It is possible to suppress the occurrence of damage around the convex curved surface connecting the surfaces.

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。It is a figure explaining the composition of the cylinder head to which the method concerning an embodiment of the invention is applied. 図1に示した溶射膜22の一例を示した断面写真である。2 is a cross-sectional photograph showing an example of a sprayed film 22 shown in FIG. 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。It is the photograph which showed an example of the thermal spraying powder used for the intermediate | middle layer 24 shown in FIG. 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。It is the photograph which showed an example of the thermal spraying powder used for the thermal insulation layer 26 shown in FIG. 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。It is a figure explaining the film-forming method using a plasma spraying apparatus, and its problem. 溶射膜の外周面の周辺の断面写真である。It is a cross-sectional photograph of the periphery of the outer peripheral surface of a sprayed film. 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。It is a figure explaining the film thickness profile of the sprayed film formed by the conventional film-forming method. 溶射直後の溶射膜46の部分拡大写真である。It is a partial enlarged photograph of the thermal spray film | membrane 46 immediately after thermal spraying. 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。FIG. 9 is a photograph of the periphery of the convex curved surface 46a after polishing the sprayed film 46 shown in FIG. 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。It is a cross-sectional schematic diagram when the concave curved surface 48a of the masking jig | tool 48 shown in FIG. 11 is cut | disconnected along the AA line shown in the figure. 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。It is a figure explaining the shape of the masking jig which this inventor developed in relation to the method which concerns on embodiment of this invention. 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。It is a figure explaining the shape of the masking jig | tool 52 used in the method which concerns on embodiment of this invention. 図12に示した凹状湾曲面52aの周辺の拡大模式図である。It is an expansion schematic diagram of the periphery of the concave curved surface 52a shown in FIG. 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。It is a figure explaining the effect by the method concerning this embodiment.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element which is common in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted. The present invention is not limited to the following embodiments.

[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。
[Cylinder head configuration]
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a cylinder head to which a method according to an embodiment of the present invention is applied. FIG. 1 illustrates a cylinder head 10 of an in-line four-cylinder diesel engine as an example of a cylinder head to which the method according to the present embodiment is applied. On the bottom surface 12 of the cylinder head 10, two intake valve holes 14 that are opened and closed by an intake valve (not shown) and two exhaust valve holes 16 that are opened and closed by an exhaust valve (not shown) are formed per cylinder. ing. In each cylinder, an injector hole 18 into which an injector (not shown) is inserted is formed at the center surrounded by the intake valve hole 14 and the exhaust valve hole 16. In each cylinder, a glow plug hole 20 into which a glow plug (not shown) is inserted is formed in the middle of the intake valve hole 14.

[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。
[Composition of sprayed film]
The thermal spray film 22 shown in FIG. 1 corresponds to the thermal spray film formed by the method according to the present embodiment. In each cylinder shown in FIG. 1, the sprayed film 22 is formed in a region corresponding to the combustion chamber constituting surface. More specifically, the sprayed film 22 is formed so as to cover the combustion chamber constituting surface. Further, the sprayed film 22 is not formed in the region outside the combustion chamber constituting surface, and the bottom surface 12 is exposed. Incidentally, the region where the bottom surface 12 is exposed constitutes a mating surface with a cylinder block (not shown).

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(ZrO−33wt%SiO)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。 FIG. 2 is a cross-sectional photograph showing an example of the sprayed film 22 shown in FIG. As shown in FIG. 2, the sprayed film 22 includes an intermediate layer 24 (Ni-50Cr + 35 wt% bentonite) and a heat shield layer 26 (ZrO 2 −33 wt% SiO 2 ). The intermediate layer 24 has a thickness of 50 μm, and the heat shield layer 26 has a thickness of 100 μm.

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。   FIG. 3 is a photograph showing an example of the thermal spray powder used for the intermediate layer 24 shown in FIG. This sprayed powder is obtained by granulating bentonite particles (inorganic particles) having a particle size of 45 μm or less into Ni-50Cr alloy powder having a particle size of 10 to 45 μm and an average particle size of 20 μm by sintering. The average particle size is 70 μm. In addition, the mixing ratio of Ni-50Cr alloy powder and bentonite particles is 65:35 in mass ratio. With such a mixing ratio, the area ratio of bentonite in the intermediate layer 24 is 60%.

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ZrO−SiO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。 The thermal expansion film composed of the alloy-based material described with reference to FIG. 3 has a smaller linear expansion coefficient than that of the cylinder head base material (as an example, an aluminum alloy), and ZrO 2 —SiO 2 constituting the heat shield layer 26. It becomes larger than the linear expansion coefficient of ceramics (details will be described later). Therefore, according to the sprayed film 22 including the intermediate layer 24, it is possible to reduce the difference in the linear expansion coefficient between the layers as compared with the sprayed film formed of only the thermal barrier layer 26 without the intermediate layer 24. Therefore, according to the sprayed film 22, it is possible to suppress the peeling of the heat shielding layer 26 due to the thermal stress generated during the cooling cycle.

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:ZrO−33wt%SiO−0.7wt%Al−0.15TiO−0.1wt%Fe)の粉砕粉を分級したZrO−SiO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ZrO−SiO粉末が使用される。 FIG. 4 is a photograph showing an example of the thermal spray powder used for the thermal barrier layer 26 shown in FIG. The spray powder is zircon sand (composition: ZrO 2 -33wt% SiO 2 -0.7wt % Al 2 O 3 -0.15TiO 2 -0.1wt% Fe 2 O 3) a pulverized powder classifying the ZrO 2 - SiO 2 powder. For example, a ZrO 2 —SiO 2 powder having a particle size of 10 to 45 μm and an average particle size of 20 μm is used for the heat shield layer 26 shown in FIG.

図4で説明したZrO−SiO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。 The thermal spray film composed of the ZrO 2 —SiO 2 based ceramic described with reference to FIG. 4 is lower in thermal conductivity and volumetric heat capacity than the cylinder head substrate (an aluminum alloy as an example). Therefore, according to the thermal spray film 22 including the thermal barrier layer 26, the temperature of the thermal spray film (more precisely, the temperature of the thermal barrier layer is changed to the temperature of the working gas in the engine combustion chamber, that is, the temperature of the intake air and the temperature of the combustion gas. Temperature) can be made to follow. Therefore, the sprayed film 22 can improve the fuel consumption by reducing the cooling loss in the expansion stroke, and can also suppress the occurrence of abnormal combustion due to the heating of the working gas in the intake stroke.

[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−H,ガス流量:30L/min(Ar),8L/min(H
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−H,ガス流量:40L/min(Ar),12L/min(H
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
[Spraying conditions]
An example of spraying conditions in the method according to the present embodiment is shown below. This thermal spraying is performed using a plasma spraying device (F4 gun manufactured by METCO) after shot blasting is performed on the bottom surface of the cylinder head to make the surface roughness Ra 7 μm.
<Intermediate layer 24>
Plasma gas: Ar—H 2 , gas flow rate: 30 L / min (Ar), 8 L / min (H 2 )
Plasma current: 450A, plasma voltage: 60V
Powder supply amount: 30 g / min
Thermal spray distance: 150mm
<Heat shield layer 26>
Plasma gas: Ar—H 2 , gas flow rate: 40 L / min (Ar), 12 L / min (H 2 )
Plasma current: 600A, plasma voltage: 60V
Powder supply amount: 50 g / min
Thermal spray distance: 100mm

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。   FIG. 5 is a diagram for explaining a film forming method using a plasma spraying apparatus and its problems. First, the configuration of the plasma spraying apparatus will be briefly described. A plasma spray apparatus 30 shown in FIG. 5 includes a spray gun 38 that injects a plasma flame 36 toward the bottom surface 34 of the cylinder head base material 32, and a nozzle 42 that introduces the spray powder 40 into the plasma flame 36. . It is assumed that the intake valve hole 14 and the exhaust valve hole 16 described with reference to FIG.

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。   Most of the thermal spray powder 40 introduced from the nozzle 42 to the plasma flame 36 is melted by the plasma flame 36. The molten thermal spray powder 40 is flattened by being sprayed on the bottom surface 34 and is deposited while being bonded to the adjacent molten thermal spray powder 40. In FIG. 5, the thermal spray powder 40 drawn in the range of the plasma flame 36 becomes a part of the thermal spray film through the melting process described above.

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。   However, on the other hand, for example, there is also a thermal spray powder 40 that reaches the bottom surface 34 in an unmelted state because it is not successfully introduced into the plasma frame 36 because of its small mass. In FIG. 5, the thermal spray powder 40 drawn outside the range of the plasma flame 36 corresponds to this.

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。   By the way, in the film-forming method using the plasma spraying apparatus 30, the non-film-forming area | region of a combustion chamber structure surface and the area | region outside a combustion chamber structure surface are masked. A masking jig 44, partially depicted in FIG. 5, is a plate-like member that covers these regions and is attached to the bottom surface 34 to expose only the film formation region. However, as shown in FIG. 5, the sprayed powder 40 that has reached the bottom surface 34 in an unmelted state is easily sprayed and accumulated at the boundary portion between the exposed region and the masking jig 44. When spraying is continued in a state where the unmelted sprayed powder 40 is still accumulated, the unmelted sprayed powder 40 becomes a part of the sprayed film.

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。   FIG. 6 is a cross-sectional photograph of the periphery of the outer peripheral surface of the thermal spray film, and approaches the outer peripheral surface of the thermal spray film as it goes to the right. As shown in FIG. 6, the thermal spray powder constituting the heat shield layer is flattened moderately in the left region, whereas many spherical spray powders are present in the heat shield layer in the right region. This spherical spray powder is derived from the above-mentioned unmelted spray powder and can be said to be a spray powder that is insufficient as a flat state.

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。   When the sprayed powder having an insufficient flat state shown in FIG. 6 is included, a difference in film thickness occurs between the outer peripheral portion of the sprayed coating after spraying and the portion inside the sprayed coating. FIG. 7 is a diagram for explaining a film thickness profile of a sprayed film formed by a conventional film forming method. This film thickness profile represents the film thickness around the convex curved surface 46a when the sprayed film 46 immediately after spraying shown in FIG. 8 is cut along the line AA shown in FIG. Incidentally, the convex curved surface 46a includes a valve hole outer peripheral surface 46b formed along the outer edge of the opening of the intake valve hole 14 or the exhaust valve hole 16, and a combustion chamber outer periphery formed along the outer edge of the combustion chamber constituting surface. It is defined as a part of the outer peripheral surface of the sprayed film 46 that connects the surface 46c. As shown on the right side of FIG. 7, a protrusion approximately 50 μm larger than the surrounding is formed in the vicinity of the convex curved surface 46 a. This protrusion is caused by the fact that the sprayed powder having an insufficient flat state is included inside the convex curved surface 46a.

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。   When the protrusions as shown in FIG. 7 are formed around the convex curved surface, excessive stress is generated in the protrusions during the polishing process (finishing process) after thermal spraying. Damage (cracking, chipping, peeling) occurs on the curved surface. FIG. 9 is a photograph of the periphery of the convex curved surface 46a after the thermal spray film 46 shown in FIG. 8 is polished. As shown in FIG. 9, film chipping occurs around the convex curved surface 46 a.

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。   When damage due to the polishing process occurs on the convex curved surface 46a, the damage (cracking, chipping, peeling) is expanded by the thermal stress generated during the cooling cycle during actual operation of the engine. However, even if the convex curved surface 46a is not damaged due to the polishing process, damage (cracking, chipping, peeling) of the convex curved surface 46a occurs due to the thermal stress generated during the cooling cycle. there is a possibility. When damage (cracking, chipping, peeling) of the convex curved surface 46a occurs in this way, it is predicted that the constituent particles fall off from the damaged portion and become scuffed by being bitten into the cylinder bore.

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。   In fact, in the durability evaluation accompanied by the cooling and heating cycle, the occurrence of the damage on the convex curved surface described above has been confirmed. Incidentally, as can be seen from the shape of the sprayed film 46 shown in FIG. 8, examples of the outer peripheral surface of the sprayed film 46 include not only the convex curved surface 46a but also the valve hole outer peripheral surface 46b and the combustion chamber outer peripheral surface 46c. However, according to this durability evaluation, it was confirmed that the damaged part in the outer peripheral surface of the sprayed film 46 is limited to the convex curved surface 46a. One reason for this is that the valve hole outer peripheral surface 46b and the combustion chamber outer peripheral surface 46c have a larger radius of curvature than the convex curved surface 46a, and are more resistant to thermal stress.

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
The present inventor has studied from various directions in order to suppress the phenomenon on the convex curved surface 46a. The contents of these studies and the results of adoption are shown below.
Study 1. Increase powder particle size: Not adopted because the number of particle interfaces decreases and the thermal conductivity of the sprayed coating increases. Add air blow from outside: Some effect was seen, but not enough. Masking jig shape change: Adopted because most effective

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。   FIG. It is a figure explaining the shape of the masking jig which this inventor developed in relation to this. FIG. 10 corresponds to a schematic cross-sectional view when the concave curved surface 48a of the masking jig 48 shown in FIG. 11 is cut along the line AA shown in FIG. In the masking jig 48 shown in FIG. 10, a groove 48 c formed by digging out the facing surface 48 b is provided on the facing surface 48 b of the masking jig 48 facing the bottom surface 12. By forming the groove portion 48c, a space 50 is formed between the bottom surface of the cylinder head and the groove portion 48c when the masking jig 48 is attached to the cylinder head. Therefore, the unmelted thermal spray powder sprayed around the concave curved surface 48 a can be moved to the space 50. However, in practice, the sprayed powder that should have been moved to the space 50 rebounds in the groove 48c, and a sufficient effect cannot be obtained.

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。   Accordingly, the present inventor has developed a shape of a masking jig in which the groove portion 48c shown in FIG. FIG. 12 is a diagram for explaining the shape of the masking jig 52 used in the method according to the present embodiment. A masking jig 52 shown in FIG. 12 includes a plurality of groove portions 52 c on a surface 52 b facing the bottom surface 12 of the masking jig 52. The plurality of groove portions 52c are formed by digging the facing surface 52b (as an example, groove width: 3 mm, depth: 2 mm). Each of the groove portions 52c gently extends from the concave curved surfaces 52a present at eight locations per cylinder toward the outer peripheral surface 52d of the masking jig 52.

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。   FIG. 13 is an enlarged schematic view of the periphery of the concave curved surface 52a shown in FIG. Since the groove 52c as shown in FIG. 13 is formed, the non-molten sprayed powder sprayed around the concave curved surface 52a is moved along the groove 52c, so that the outer peripheral surface 52d shown in FIG. It becomes possible to discharge. A water jacket hole or the like is formed on the bottom surface of a general cylinder head in a region outside the combustion chamber constituting surface. Therefore, it is desirable that the groove 52c is formed avoiding these holes so that the sprayed powder moved along the groove 52c does not enter the inside of the cylinder head via these holes. Further, in order to prevent the sprayed powder in an unmelted state moved to the groove 52c from staying, it is desirable to form a low friction film such as a DLC coat on the surface of the groove 52c.

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。   FIG. 14 is a diagram for explaining the effect of the method according to the present embodiment. “Conventional” shown in the left column of FIG. 14 shows the film thickness profile (upper stage) and cross-sectional structure (middle stage) of the sprayed film formed using the masking jig in which the groove 52c described in FIG. 12 is not formed. It is an appearance photograph (lower stage). The film thickness profile (upper) is shown in FIG. 7, the cross-sectional structure (middle) is shown in FIG. 6, and the appearance photograph (lower) is shown in FIG.

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。   The “present invention” shown in the right column of FIG. 14 is a film thickness profile (upper part), a cross-sectional structure (middle part), and a photograph of the appearance (lower part) of the sprayed film formed using the masking jig 52 described in FIG. ). Note that the film thickness profile (upper stage) is obtained by cutting the thermal sprayed film formed using the masking jig 52 at the same position as the line AA shown in FIG. The film thickness around the convex curved surface is shown. As can be seen by comparing the right column and the left column in FIG. 14, according to the “present invention”, no protrusion is seen on the convex curved surface (upper stage), and no intervening spray powder in an unmelted state is seen ( Middle). In addition, no film chipping occurs around the convex curved surface.

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。   As can be seen from FIG. 14, by using the masking jig 52, it is possible to satisfactorily suppress the occurrence of damage due to the polishing process on the convex curved surface of the sprayed film. Further, when the cylinder head was subjected to a thermal endurance evaluation after this polishing process, damage to the sprayed film was not particularly confirmed, and product abnormalities such as scratches on the piston and cylinder bore and scuffing were not observed. From the above, it has been proved that the method according to the present embodiment is useful as a film forming technique capable of suppressing the occurrence of damage to the convex curved surface of the sprayed film.

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
10, 32 Cylinder head 12, 34 Bottom surface 14 Intake valve hole 16 Exhaust valve hole 22, 46 Thermal spray film 24 Intermediate layer 26 Thermal barrier layer 30 Plasma spray device 36 Plasma flame 38 Thermal spray gun 40 Thermal spray powder 42 Nozzle 44, 48, 52 Masking Jig 46a Convex curved surface 46b Valve hole outer peripheral surface 46c Combustion chamber outer peripheral surface 48a, 52a Concave curved surface 48b, 52b Opposing surface 48c, 52c Groove 50 Space 52d Outer peripheral surface

Claims (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。
A cylinder head base material having a cylinder block mating surface and a combustion chamber constituting surface of the engine on the same surface, and at least two valve holes corresponding to an intake valve hole and an exhaust valve hole open to the combustion chamber constituting surface. Preparing a cylinder head substrate;
A step of attaching a plate-shaped masking jig for masking the non-film formation region of the combustion chamber constituting surface and the cylinder block mating surface to the cylinder head substrate;
After attaching the masking jig to the cylinder head base material, spraying thermal spray powder onto the combustion chamber constituting surface to form a thermal spray film,
The masking jig includes a concave curved surface that connects an outer peripheral surface of a portion that masks the opening of the valve hole and an outer peripheral surface of a portion that masks the cylinder block mating surface;
The thermal spraying characterized in that the masking jig includes a groove extending from the outer peripheral surface of the masking jig to the concave curved surface on a surface facing the cylinder head substrate in the step of attaching to the cylinder head substrate. A film forming method.
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