JPH0673522A - Heat insulating thermal spraying material - Google Patents
Heat insulating thermal spraying materialInfo
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- JPH0673522A JPH0673522A JP4228378A JP22837892A JPH0673522A JP H0673522 A JPH0673522 A JP H0673522A JP 4228378 A JP4228378 A JP 4228378A JP 22837892 A JP22837892 A JP 22837892A JP H0673522 A JPH0673522 A JP H0673522A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、金属製部材に耐熱性を
付与するために溶射する、優れた断熱性及び、高い膨張
率を有する溶射材料に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermal spray material having excellent heat insulating properties and a high expansion coefficient, which is sprayed to impart heat resistance to a metal member.
【0002】[0002]
【従来の技術】例えば、ピストンおよびピストンヘッド
等の内燃機関用部材は、高温状態で連続して使用される
ため、耐熱性が要求される。従って、内燃機関用部材
に、熱伝導率の低いセラミック材料を使用することが検
討されてはいるが、まだ実用にはいたっていない。そこ
で現在は、アルミニウム系合金、鋼材、鋳鉄、ニッケル
系合金等の金属部材からなる内燃機関用部材の表面に、
熱伝導率の小さいセラミックを溶射することにより、前
記金属部材に耐熱性を付与している。セラミック溶射皮
膜を有する部材を、加熱−冷却を繰り返す条件下で使用
すると、例えば、部材の熱膨張率が皮膜の熱膨張率より
はるかに大きい場合、皮膜は、部材の熱膨張に追随でき
ず、部材から剥離してしまう。このため、溶射するセラ
ミック材料は熱伝達率のみならず、熱膨張率も考慮する
必要がある。2. Description of the Related Art For example, internal combustion engine members such as pistons and piston heads are required to have heat resistance because they are continuously used at high temperatures. Therefore, although the use of a ceramic material having a low thermal conductivity for a member for an internal combustion engine has been studied, it has not yet been put into practical use. Therefore, at present, on the surface of members for internal combustion engines made of metal members such as aluminum-based alloys, steel materials, cast iron, nickel-based alloys,
Thermal resistance is imparted to the metal member by spraying a ceramic having a low thermal conductivity. When a member having a ceramic sprayed coating is used under conditions of repeated heating-cooling, for example, when the coefficient of thermal expansion of the member is much larger than the coefficient of thermal expansion of the coating, the coating cannot follow the thermal expansion of the member, It peels off from the member. Therefore, it is necessary to consider not only the heat transfer coefficient but also the thermal expansion coefficient of the ceramic material to be sprayed.
【0003】特開平3─223455号公報には、Zr
O2 −8wt%Y2 O3 からなる溶射材料が開示されて
いるが、このZrO2 −8wt%Y2 O3 は、セラミッ
クの中で比較的高い熱膨張率を示し、かつ、熱伝導率が
小さく断熱性に優れることから、溶射材料として広く利
用されている。表1に耐熱溶射材料として用いられる、
ZrO2 −8wt%Y2 O3 と、参考として、耐熱溶射
材料として用いられる他のセラミック、Al2 O3 、3
Al2 O3 ・2SiO2 の熱膨張率を示すが、ZrO2
−8wt%Y2 O3 の熱膨張率が最も高いことがわか
る。Japanese Unexamined Patent Publication No. 3-223455 discloses Zr.
Although a thermal spray material composed of O 2 -8 wt% Y 2 O 3 is disclosed, this ZrO 2 -8 wt% Y 2 O 3 exhibits a relatively high coefficient of thermal expansion among ceramics and has a thermal conductivity. It is widely used as a thermal spray material due to its small size and excellent heat insulation. Used as heat resistant thermal spray material in Table 1,
ZrO 2 -8 wt% Y 2 O 3 and, as a reference, other ceramics used as a heat-resistant thermal spray material, Al 2 O 3 , 3
The coefficient of thermal expansion of Al 2 O 3 .2SiO 2 is shown as ZrO 2
-8wt% Y 2 thermal expansion coefficient of the O 3 it can be seen that the highest.
【0004】[0004]
【表1】 [Table 1]
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、表1に
示すように、各種被溶射材用金属(アルミニウム系材、
鋼材、鋳鉄、ニッケル系耐熱材)の熱膨張率とZrO2
−8wt%Y2 O3 の熱膨張率の差には、まだ開きがあ
る。そのため、ZrO2 −8wt%Y2 O3 を溶射皮膜
として有した各種被溶射材用金属を、加熱−冷却を繰り
返す条件下で使用すると、ZrO2 −8wt%Y2 O3
の溶射皮膜は、被溶射材用金属の熱膨張に追随できず、
被溶射材から剥離してしまう。そこで本発明は、母材と
溶射材料の熱膨張率の差を小さくすることにより、加熱
−冷却を繰り返す条件下で生じる母材からの皮膜の剥離
を起こしにくくすることを目的とする。However, as shown in Table 1, various kinds of metals for sprayed materials (aluminum-based materials,
ZrO 2 and thermal expansion coefficient of steel materials, cast iron, nickel-based heat resistant materials)
The difference in the coefficient of thermal expansion of −8 wt% Y 2 O 3 is still open. Therefore, when various metals to be sprayed having ZrO 2 -8 wt% Y 2 O 3 as a thermal spray coating are used under conditions in which heating and cooling are repeated, ZrO 2 -8 wt% Y 2 O 3 is used.
The thermal spray coating of can not follow the thermal expansion of the metal for thermal spray material,
It peels off from the material to be sprayed. Therefore, it is an object of the present invention to reduce the difference in the coefficient of thermal expansion between the base material and the thermal spray material so that peeling of the coating film from the base material caused by repeated heating and cooling is less likely to occur.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明の金属製部材に溶
射するための耐熱性溶射材料は、FeO、Fe2 O3、
Fe3 O4 の少なくとも1種類以上から成る、もしく
は、FeO、Fe2 O3、Fe3 O4 を少なくとも1種
類以上含み、その総含有量を25wt%以上とし、残部
が前記FeO、Fe2 O3 、Fe3 O4 以外のセラミッ
クから成ることを特徴とする。A heat-resistant thermal spray material for thermal spraying a metallic member of the present invention is FeO, Fe 2 O 3 ,
Fe consists 3 O 4 of at least one or more, or, FeO, Fe include 2 O 3, Fe 3 O 4 at least one or more, and the total content as 25 wt% or more, the balance being the FeO, Fe 2 O 3 , characterized by being made of ceramics other than Fe 3 O 4 .
【0007】FeO、Fe2 O3 、Fe3 O4 以外のセ
ラミックには、例えば、Al2 O3、ZrO2 −8wt
%Y2 O3 、3Al2 O3 ・2SiO2 、SiO2 、C
eO 2 、Cr2 O3 等があげられる。FeO, Fe2O3, Fe3OFourOther than
For Lamic, for example, Al2O3, ZrO2-8 wt
% Y2O33 Al2O3・ 2SiO2, SiO2, C
eO 2, Cr2O3Etc.
【0008】FeO、Fe2 O3 、Fe3 O4 の総含有
量が20wt%未満であれば、大きな熱膨張率が得られ
ず、また、16wt%以上25wt%未満では強い皮膜
強度が得られないため、FeO、Fe2 O3 、Fe3 O
4 の総含有量を25wt%以上さらに好ましくは28w
t%以上とする。If the total content of FeO, Fe 2 O 3 and Fe 3 O 4 is less than 20 wt%, a large coefficient of thermal expansion cannot be obtained, and if it is 16 wt% or more and less than 25 wt%, a strong film strength can be obtained. FeO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O
The total content of 4 is 25 wt% or more, more preferably 28 w.
t% or more.
【0009】[0009]
【作用】溶射により得られた酸化鉄(FeO、Fe2 O
3 、Fe3 O4 )の皮膜は、気孔を多く含む。この気孔
は熱伝導率が小さいため、酸化鉄の溶射皮膜は断熱性を
有することになる。また、酸化鉄の溶射皮膜は熱膨張率
が高いため、金属性部材からなる被溶射部材との熱膨張
率の差が小さく、加熱−冷却を繰り返す条件下において
も、皮膜は、被溶射部材の熱膨張率に追随できる。[Function] Iron oxide (FeO, Fe 2 O) obtained by thermal spraying
3 , Fe 3 O 4 ) film contains many pores. Since the pores have a low thermal conductivity, the iron oxide sprayed coating has a heat insulating property. Further, the thermal expansion coefficient of the thermal sprayed coating of iron oxide is small, and the difference in thermal expansion coefficient between the thermal sprayed member made of a metallic member is small. It can follow the coefficient of thermal expansion.
【0010】[0010]
【実施例】以下、実施例及び比較例によって本発明を説
明する。 (実施例1)鋳鉄(熱膨張係数、6×10-6m/℃)か
ら成る直径30mm、高さ20mmの形状のテストピー
スを2個製造し、それぞれの頂面にショットブラスト処
理を施した。ブラスト材には直径が1200〜1400
μmの焼成アルミナを用いた。次に、この処理面にFe
3 O4 粉末(粒度10〜74μm、純度99%)をプラ
ズマ溶射し、厚さ0.5mmの皮膜を形成した。EXAMPLES The present invention will be described below with reference to Examples and Comparative Examples. Example 1 Two test pieces made of cast iron (coefficient of thermal expansion, 6 × 10 −6 m / ° C.) and having a diameter of 30 mm and a height of 20 mm were manufactured, and the top surface of each test piece was shot blasted. . Blast material has a diameter of 1200-1400
μm calcined alumina was used. Next, Fe on this treated surface
3 O 4 powder (particle size 10 to 74 μm, purity 99%) was plasma sprayed to form a film having a thickness of 0.5 mm.
【0011】一方のテストピースの皮膜の外部を観察し
たところ、亀裂等の不具合は認められず、良好な皮膜で
あることが確認された。また、テストピースを縦に切断
し、皮膜内組織を観察したところ、皮膜の界面および皮
膜内には亀裂が認められず、良好な皮膜であることが確
認された。皮膜内の気孔をポロシメータにて測定したと
ころ、約13vol%の多量の気孔が測定された。Observation of the outside of the film of one of the test pieces revealed no defects such as cracks, and confirmed that the film was good. Further, when the test piece was vertically cut and the structure in the film was observed, no crack was observed at the interface of the film and in the film, and it was confirmed that the film was good. When the pores in the film were measured with a porosimeter, a large amount of pores of about 13 vol% was measured.
【0012】次にもう一方の、テストピースを用いて、
熱サイクル試験を行った。試験は皮膜面をガスバーナー
で800℃まで加熱し、その後、水中にて冷却するサイ
クルを1サイクルとして、剥離が生じるまでのサイクル
数を測定し、加熱−冷却を繰り返す条件下で使用した場
合の耐久性を評価した。その結果を図1に示す。尚、最
高を500サイクルとして評価を終了させた。 (比較例1)Fe3 O4 粉末の代わりにZrO2 −8w
t%Y2 O3 粉末を用いること以外は実施例1と同様の
条件で、2個の鋳鉄製のテストピースの頂面のそれぞれ
にZrO2 −8wt%Y2 O3 の皮膜を形成した。一方
のテストピースの皮膜の外部および内部を実施例1と同
様に観察したところ、亀裂等の不具合は認められず、良
好な皮膜であることが確認された。皮膜内の気孔をポロ
シメータにて測定したところ、約8vol%の多量の気
孔が測定された。そして、実施例1と同様の条件で、も
う一方のテストピースを用いて熱サイクル試験を行っ
た。その結果を図1に示す。Next, using the other test piece,
A heat cycle test was conducted. In the test, the coating surface was heated to 800 ° C. with a gas burner and then cooled in water as one cycle, the number of cycles until peeling was measured, and the heating and cooling were repeated. The durability was evaluated. The result is shown in FIG. The evaluation was completed with the maximum being 500 cycles. (Comparative Example 1) ZrO 2 -8w instead of Fe 3 O 4 powder
Under the same conditions as in Example 1 except that t% Y 2 O 3 powder was used, a ZrO 2 -8 wt% Y 2 O 3 film was formed on each of the top surfaces of the two cast iron test pieces. When the outside and inside of the film of one of the test pieces was observed in the same manner as in Example 1, defects such as cracks were not observed, and it was confirmed that the film was good. When the pores in the film were measured with a porosimeter, a large amount of pores of about 8 vol% were measured. Then, under the same conditions as in Example 1, a heat cycle test was performed using the other test piece. The result is shown in FIG.
【0013】図1からわかるように、実施例1のテスト
ピース上の皮膜は、500サイクルでも剥離しなかった
のに対し、比較例1の皮膜は50サイクルで剥離してし
まった。これより、従来用いられていた、ZrO2 −8
wt%Y2 O3 より、Fe3O4 を溶射して形成する皮
膜の方が、加熱−冷却を繰り返す条件下で、鋳鉄との優
れた接着力を示すことが確認された。 (実施例2)Fe3 O4 粉末の代わりにFeOを用いる
こと以外は、実施例1と同様の条件で、2個の鋳鉄製の
テストピースの表面のそれぞれにFeOの皮膜を形成し
た。一方のテストピースの皮膜の外部および内部を実施
例1と同様に観察したところ、亀裂等の不具合は認めら
れず、良好な皮膜であることが確認された。皮膜内の気
孔をポロシメータにて測定したところ、約13vol%
の多量の気孔が測定された。そして、実施例1と同様の
条件で、もう一方のテストピースを用いて熱サイクル試
験を行った。その結果、実施例1と同様、テストピース
上の皮膜は、500サイクルでも剥離せず、FeOの溶
射材料により形成された溶射皮膜も加熱−冷却を繰り返
す条件下で、鋳鉄との良好な接着力を示すことが確認さ
れた。 (実施例3)Fe3 O4 粉末の代わりにFe2 O3 を用
いること以外は、実施例1と同様の条件で、2個の鋳鉄
製のテストピースの表面のそれぞれにFe2 O3 の皮膜
を形成した。一方のテストピースの皮膜の外部および内
部を実施例1と同様に観察したところ、亀裂等の不具合
は認められず、良好な皮膜であることが確認された。皮
膜内の気孔をポロシメータにて測定したところ、約13
vol%の多量の気孔が測定された。そして、実施例1
と同様の条件で、もう一方のテストピースを用いて熱サ
イクル試験を行った。その結果、実施例1と同様、テス
トピース上の皮膜は、500サイクルでも剥離せず、F
e2 O3 の溶射材料により形成された溶射皮膜も加熱−
冷却を繰り返す条件下で、良好な接着力を示すことが確
認された。As can be seen from FIG. 1, the coating on the test piece of Example 1 did not peel off even after 500 cycles, whereas the coating of Comparative Example 1 peeled off after 50 cycles. Therefore, ZrO 2 -8, which has been conventionally used,
It was confirmed that the coating film formed by spraying Fe 3 O 4 rather than wt% Y 2 O 3 exhibits superior adhesive strength to cast iron under the condition of repeated heating and cooling. Example 2 An FeO film was formed on each of the surfaces of two cast iron test pieces under the same conditions as in Example 1 except that FeO was used instead of the Fe 3 O 4 powder. When the outside and inside of the film of one of the test pieces was observed in the same manner as in Example 1, defects such as cracks were not observed, and it was confirmed that the film was good. The porosity in the film was measured with a porosimeter and found to be about 13 vol%
A large number of stomata were measured. Then, under the same conditions as in Example 1, a heat cycle test was performed using the other test piece. As a result, as in Example 1, the coating on the test piece did not peel off even after 500 cycles, and the thermal spray coating formed by the thermal sprayed material of FeO also had good adhesion to cast iron under the condition of repeated heating and cooling. It was confirmed that But using (Example 3) Fe 3 O 4 Fe 2 O 3 instead of the powder, under the same conditions as in Example 1, the Fe 2 O 3 in each of the two cast iron test piece surface A film was formed. When the outside and inside of the film of one of the test pieces was observed in the same manner as in Example 1, defects such as cracks were not observed, and it was confirmed that the film was good. The porosity in the film was measured with a porosimeter, and it was about 13
A large amount of pores of vol% was measured. And Example 1
A thermal cycle test was performed using the other test piece under the same conditions as in. As a result, as in Example 1, the film on the test piece did not peel off even after 500 cycles, and
e 2 O 3 thermal spray coating formed by thermal spray material-
It was confirmed that a good adhesive force was exhibited under the condition of repeated cooling.
【0014】実施例1〜3の溶射皮膜の熱膨張率を測定
するために、各々からφ10mm×20mmの試料を切
り出した。熱膨張率は、2℃/minの割合で昇温し、
試料の伸びを測定し、これより算出した。その結果を表
2に示す。In order to measure the coefficient of thermal expansion of the sprayed coatings of Examples 1 to 3, samples of φ10 mm × 20 mm were cut out from each. The coefficient of thermal expansion rises at a rate of 2 ° C / min,
The elongation of the sample was measured and calculated from this. The results are shown in Table 2.
【0015】[0015]
【表2】 [Table 2]
【0016】表1と表2を比較してみると、実施例1〜
3の皮膜の方が大きな熱膨張率を示していることがわか
る。 (実施例4)Ni系合金(Ni−14wt%Cr−6w
t%Fe)から成る直径30mm、高さ20mmの形状
のテストピースを2個製造し、それぞれの頂面にショッ
トブラスト処理を施した。ブラスト材には直径が120
0〜1400μmの焼成アルミナを用いた。次に、この
処理面にZrO2 −8wt%Y2 O3 粉末(粒度10〜
74μm、純度99%)を40wt%、Fe3 O4 粉末
(粒度10〜74μm、純度99%)を60wt%混粉
した粉末をプラズマ溶射し、厚さ0.5mmの皮膜を形
成した。Comparing Table 1 and Table 2, Examples 1 to 1
It can be seen that the film of No. 3 has a larger coefficient of thermal expansion. (Example 4) Ni-based alloy (Ni-14 wt% Cr-6w
Two test pieces made of t% Fe) having a diameter of 30 mm and a height of 20 mm were manufactured, and the top surface of each test piece was shot blasted. Blast material has a diameter of 120
A calcined alumina of 0 to 1400 μm was used. Next, ZrO 2 -8 wt% Y 2 O 3 powder (particle size 10 to 10
A powder obtained by mixing 40 wt% of 74 μm, purity 99%) and 60 wt% of Fe 3 O 4 powder (particle size: 10 to 74 μm, purity 99%) was plasma sprayed to form a film having a thickness of 0.5 mm.
【0017】2種以上の溶射材料を混粉してなる溶射材
料の熱膨張率は、各々が有する熱膨張率と各々の含有割
合の積の総和により求められる。従って、上記のよう
に、熱膨張率が10×10-6℃-1であるZrO2 −8w
t%Y2 O3 を40wt%、熱膨張率が、16.6×1
0-6℃-1であるFe3 O4 を60wt%混粉して得られ
る溶射材料の熱膨張率は13.96×10-6℃-1とな
る。本実施例に用いられたNi系合金の熱膨張率は1
4.0×10-6℃-1であり、溶射材料とNi系合金の熱
膨張率の差をかなり小さくすることができた。The thermal expansion coefficient of the thermal spray material formed by mixing two or more kinds of thermal spray materials is determined by the sum of the products of the thermal expansion coefficient of each and the content ratio of each. Therefore, as described above, ZrO 2 -8w having a coefficient of thermal expansion of 10 × 10 -6 ° C -1
t% Y 2 O 3 is 40 wt% and the thermal expansion coefficient is 16.6 × 1.
The thermal expansion coefficient of the thermal spray material obtained by mixing 60 wt% of Fe 3 O 4 at 0 -6 ° C -1 is 13.96 × 10 -6 ° C -1 . The coefficient of thermal expansion of the Ni-based alloy used in this example is 1
It was 4.0 × 10 -6 ° C -1 , and the difference in the coefficient of thermal expansion between the thermal spray material and the Ni-based alloy could be made considerably small.
【0018】混粉材料は本実施例に限らず、Fe3 O4
を50wt%、FeOを50wt%混粉することによっ
ても、Ni系合金の熱膨張率14.0×10-6℃-1に近
い値を有する溶射材料が得られる。また、本実施例で
は、Fe3 O4 にZrO2 −8wt%Y2 O3 を混粉さ
せたが、これに限らず、耐熱性を有し、酸化鉄と混粉す
ることで被溶射材の熱膨張率に近似させることができる
セラミックであれば何でもよく、例えば、Al2 O3、
SiO2 、3Al2 O3 ・2SiO2 、CeO2 、Cr
2 O3 等があげられる。一方のテストピースの皮膜の外
部および内部を実施例1と同様に観察したところ、亀裂
等の不具合は認められず、良好な皮膜であることが確認
された。そして、実施例1と同様の条件で、もう一方の
テストピースを用いて熱サイクル試験を行った。その結
果を図1に示す。 (比較例2)ZrO2 −8wt%Y2 O3 粉末とFe3
O4 粉末の混粉の代わりに、ZrO 2 −8wt%Y2 O
3 粉末を用いること以外は実施例1と同様にして、2個
のNi合金製のテストピースの頂面のそれぞれにZrO
2 −8wt%Y2 O3 の皮膜を形成した。一方のテスト
ピースの皮膜の外部および内部を実施例1と同様に観察
したところ、亀裂等の不具合は認められず、良好な皮膜
であることが確認された。そして、実施例1と同じ条件
で、もう一方のテストピースを用いて熱サイクル試験を
行った。その結果を図1に示す。The mixed powder material is not limited to this embodiment, but Fe3OFour
By mixing 50 wt% of FeO and 50 wt% of FeO
However, the coefficient of thermal expansion of the Ni-based alloy is 14.0 × 10-6℃-1Close to
A thermal spray material having a high value can be obtained. In addition, in this embodiment
Is Fe3OFourTo ZrO2-8wt% Y2O3Mixed with
However, it is not limited to this, it has heat resistance and is mixed with iron oxide.
By doing so, it is possible to approximate the thermal expansion coefficient of the material to be sprayed.
Any ceramic may be used, for example, Al2O3,
SiO23 Al2O3・ 2SiO2, CeO2, Cr
2O3Etc. Outside the film on one test piece
When the portion and the inside were observed in the same manner as in Example 1, cracks were found.
It was confirmed that there was no problem such as
Was done. Then, under the same conditions as in Example 1, the other
A heat cycle test was conducted using the test piece. That conclusion
The results are shown in FIG. (Comparative Example 2) ZrO2-8wt% Y2O3Powder and Fe3
OFourInstead of powder mixture, ZrO 2-8wt% Y2O
3Two as in Example 1 except that powder is used
ZrO on each of the top surfaces of the Ni alloy test pieces of
2-8wt% Y2O3Was formed. One test
Observation of the exterior and interior of the film of the piece as in Example 1.
However, no defects such as cracks were found, and a good film
Was confirmed. Then, the same conditions as in Example 1
Then, perform the thermal cycle test using the other test piece.
went. The result is shown in FIG.
【0019】図1からわかるように、実施例4のテスト
ピース上の皮膜は、500サイクルでも剥離しなかった
のに対し、比較例2の皮膜は90サイクルで剥離してし
まった。これより、従来用いられていた、ZrO2 −8
wt%Y2 O3 より、Fe3O4 を60wt%、残部が
ZrO2 −8wt%Y2 O3 からなる溶射材料を溶射し
て形成する皮膜の方が、加熱−冷却を繰り返す条件下
で、Ni系合金との優れた接着力を示すことが確認され
た。 (実施例5)アルミニウム合金(Al−12wt%S
i)で形状が直径80mmのピストンを製造し、頂面に
ショットブラスト処理を施した。ブラスト材には直径が
1200〜1400μmの焼成アルミナを用いた。次
に、この処理面にNi−Cr−Al(Ni−20wt%
Cr−5.0wt%Al)粉末をプラズマ溶射し、厚さ
0.1mmの皮膜を形成した。次にこの上に、Fe3 O
4 粉末をプラズマ溶射し、厚さ0.5mmの皮膜を形成
した。Ni−Cr−Alの熱膨張率は15.0×10-6
℃-1、Fe3 O4 の熱膨張率は16.6×10-6℃-1と
互いの熱膨張率が近似しているため、溶射材料は混粉す
ることなく、100wt%Fe3 O4 粉末を用いた。As can be seen from FIG. 1, the coating on the test piece of Example 4 did not peel off even after 500 cycles, whereas the coating of Comparative Example 2 peeled off after 90 cycles. Therefore, ZrO 2 -8, which has been conventionally used,
than wt% Y 2 O 3, Fe 3 O 4 to 60 wt%, the balance is towards the film formed by spraying a spray material comprising a ZrO 2 -8wt% Y 2 O 3 , heating - under conditions repeating cooling , It was confirmed that it exhibits excellent adhesion with Ni-based alloys. (Example 5) Aluminum alloy (Al-12 wt% S
In i), a piston having a shape of 80 mm in diameter was manufactured, and the top surface was shot blasted. As the blast material, calcined alumina having a diameter of 1200 to 1400 μm was used. Next, Ni-Cr-Al (Ni-20 wt%
Cr-5.0 wt% Al) powder was plasma sprayed to form a film having a thickness of 0.1 mm. Next, on this, Fe 3 O
The 4 powders were plasma sprayed to form a film having a thickness of 0.5 mm. The coefficient of thermal expansion of Ni-Cr-Al is 15.0 x 10 -6.
The thermal expansion coefficients of ℃ -1 and Fe 3 O 4 are 16.6 × 10 -6 ℃ -1, which are similar to each other, so that the thermal spraying material does not mix with 100 wt% Fe 3 O 4. 4 powders were used.
【0020】このようにして製造されたピストンを排気
量2200ccの4気筒ディーゼルエンジンに組み込
み、〔過給圧650mmHg、400rpm:6分〕→
〔アイドル:1分〕→〔停止:1分〕→〔アイドル:1
分〕を1サイクルとして、このサイクルを繰り返すこと
により、実機耐久評価を行った。その結果を表3に示
す。尚、本実施例ではアルミニウム合金と、Fe3 O4
の溶射皮膜の間にNi−Cr−Al粉末を溶射させてい
るが、これは、アルミニウム合金とFe3 O4 の溶射皮
膜の熱膨張率の差を緩和させるためであり、一般的に用
いられるものとして、他には、Ni−Cr、Ni−A
l、Co−Cr等がある。The piston thus manufactured was incorporated into a 4-cylinder diesel engine having a displacement of 2200 cc, and [supercharging pressure 650 mmHg, 400 rpm: 6 minutes] →
[Idle: 1 minute] → [Stop: 1 minute] → [Idle: 1 minute]
Minutes] as one cycle, and this cycle was repeated to evaluate the durability of the actual machine. The results are shown in Table 3. In this example, an aluminum alloy and Fe 3 O 4 were used.
Although by spraying Ni-Cr-Al powder during the thermal spray coating, which is for alleviating the difference in the thermal expansion coefficient of the thermal spray coating of aluminum alloy and Fe 3 O 4, commonly used Others include Ni-Cr and Ni-A.
1, Co-Cr, etc.
【0021】[0021]
【表3】 [Table 3]
【0022】(比較例3)Fe3 O4 粉末を用いる代わ
りにZrO2 −8wt%Y2 O3 粉末を用いること以外
は、実施例5と同様にしてピストンを製造した。Comparative Example 3 A piston was manufactured in the same manner as in Example 5 except that ZrO 2 -8 wt% Y 2 O 3 powder was used instead of Fe 3 O 4 powder.
【0023】製造されたピストンを実施例5と同様な条
件により、実機耐久評価を行い、その結果を表3に示
す。表3より明らかであるように、比較例3のピストン
が評価途中で皮膜が剥離してしまったのに対し、実施例
5のピストンは700時間後も良好な状態であった。The produced piston was evaluated for durability in the actual machine under the same conditions as in Example 5, and the results are shown in Table 3. As is clear from Table 3, the coating of the piston of Comparative Example 3 was peeled off during the evaluation, whereas the piston of Example 5 was in a good state even after 700 hours.
【0024】Fe3 O4 とZrO2 −8wt%Y2 O3
の単体での熱伝導率は、Fe3 O4が約10W/mK、
ZrO2 −8wt%Y2 O3 が約1W/mKと、断熱性
は、はるかにZrO2 −8wt%Y2 O3 の方が優れ
る。しかし、実機耐久評価終了後、それぞれのピストン
より皮膜を強制的に剥離させ、アルミニウム合金を露出
させ、その露出したアルミニウム合金の上面の最高到達
温度を測定した結果、実施例5のピストン、比較例3の
ピストンのいずれも250℃±30℃であり、差異は認
められなかった。これは、実施例1〜3にて測定してわ
かっているように、Fe3 O4 の溶射皮膜は、多くの気
孔が存在しており、この気孔の熱伝導率が小さいため、
Fe3 O4 自身の高い熱伝導率に影響されずに、ZrO
2 −8wt%Y2 O3 と同等の低い熱伝導率を示すと考
えられる。尚、Fe3 O4 のみならず、FeOおよびF
e2 O3 についても同等の結果が得られることが確認さ
れている。 (実施例6)Fe3 O4 とAl2 O3 の粉末混合比を種
々に設定し、皮膜強度との関係について調査した結果を
図2に示す。尚、溶射条件は、プラズマ溶射(70k
w)を用い、溶射距離130mmとした。図2より、F
e3 O4 の混合率を変えることにより、皮膜強度が変化
することが明らかになった。皮膜強度は一般に、20M
Pa以上であることが必要とされるが、図2より、Fe
3 O4 の混合率が16wt%以上25wt%未満では2
0MPa以上の皮膜強度が得られないことがわかる。Fe 3 O 4 and ZrO 2 -8 wt% Y 2 O 3
The thermal conductivity of Fe 3 O 4 is about 10 W / mK,
With ZrO 2 -8 wt% Y 2 O 3 being about 1 W / mK, ZrO 2 -8 wt% Y 2 O 3 is far superior in heat insulation. However, after the endurance evaluation of the actual machine, the coating was forcibly peeled off from each piston to expose the aluminum alloy, and the highest temperature reached on the upper surface of the exposed aluminum alloy was measured. All of the 3 pistons had a temperature of 250 ° C. ± 30 ° C., and no difference was observed. This is because the thermal spray coating of Fe 3 O 4 has many pores, and the thermal conductivity of these pores is small, as is known by measuring in Examples 1 to 3.
ZrO is not affected by the high thermal conductivity of Fe 3 O 4 itself.
It is considered to have a low thermal conductivity equivalent to 2-8 wt% Y 2 O 3 . Not only Fe 3 O 4 but also FeO and F
It has been confirmed that similar results can be obtained with e 2 O 3 . (Example 6) Set the Fe 3 O 4 powder mixing ratio of Al 2 O 3 in various, Figure 2 shows the results of investigating the relationship between film strength. The spraying conditions are plasma spraying (70 k
w) was used and the spraying distance was 130 mm. From Figure 2, F
It was clarified that the film strength was changed by changing the mixing ratio of e 3 O 4 . The film strength is generally 20M
Although it is required that the pressure is not less than Pa, from FIG.
2 when the mixing ratio of 3 O 4 is 16 wt% or more and less than 25 wt%
It can be seen that the film strength of 0 MPa or more cannot be obtained.
【0025】酸化鉄(FeO、Fe2 O3 、Fe
3 O4 )は、他のセラミックとの反応性に非常に優れる
一方、同一材粒子間の反応性は、他のセラミックの同一
材粒子間の反応性と比較すると劣るという特徴を有して
いる。Iron oxide (FeO, Fe 2 O 3 , Fe
3 O 4 ) is very excellent in reactivity with other ceramics, but has a feature that reactivity between particles of the same material is inferior to reactivity between particles of the same material of other ceramics. .
【0026】Al2 O3 中にFe3 O4 を25wt%以
上含むセラミックからなる溶射材料を溶射した場合、前
述したように、酸化鉄であるFe3 O4 は粒子間の反応
性が劣るため、粒子間には数ミクロン程度の大きさのク
ラックや、未結合部が存在することになる。しかし、こ
れらは、皮膜強度に何ら悪影響を与えることなく、むし
ろ、皮膜が膨張する際の変形量を調整するという良い効
果をもたらす。そして、Al2 O3 と接しているFe3
O4 は、Al2 O3 と反応し、Fe3O4 とAl2 O3
の界面にFeAl2 O4 を生成する。この、Fe3 O4
やAl 2 O3 とは結晶構造の異なるFeAl2 O4 の生
成により体積変化が起こるため、FeAl2 O4 が基点
となって、クラックが発生する。しかしこのクラック
は、Fe3 O4 が隣接してなる部分にみられる、数ミク
ロン程度のクラック、および未結合部分で、その進展が
止められてしまう。従って、Al2 O3 中にFe3O4
を25wt%以上含むセラミックからなる溶射材料を溶
射することにより得られる皮膜は、強い皮膜強度を有す
ると考えられる。Al2O3Fe in3OFour25 wt% or less
When spraying the thermal spray material consisting of the above ceramic,
As mentioned above, Fe that is iron oxide3OFourIs the reaction between particles
Due to its poor property, particles with a size of several microns are
There will be racks and unbonded parts. But this
They do not have any adverse effect on the film strength.
The good effect of adjusting the amount of deformation when the film expands
Bring fruit. And Al2O3Fe in contact with3
OFourIs Al2O3Reacts with Fe3OFourAnd Al2O3
On the interface of FeAl2OFourTo generate. This, Fe3OFour
And Al 2O3Has a different crystal structure from FeAl2OFourRaw
As the volume changes due to growth, FeAl2OFourIs the base point
Then, a crack occurs. But this crack
Is Fe3OFourA few Miku that are seen in the adjacent areas
Ron cracks and unbonded parts
It will be stopped. Therefore, Al2O3Fe in3OFour
A thermal spray material made of ceramic containing 25 wt% or more of
The film obtained by irradiation has a strong film strength
It is thought to be.
【0027】Al2 O3 中にFe3 O4 を16wt%以
上25wt%未満含むセラミックからなる溶射材料を溶
射した場合、Fe3 O4 粒子の周囲をAl2 O3 粒子が
覆い、Fe3 O4 とAl2 O3 の間に、FeAl2 O4
が反応により生成される。この、Fe3 O4 やAl2 O
3 とは結晶構造の異なるFeAl2 O4 の生成に伴っ
て、Fe3 O4 とAl2 O3 の界面に体積変化が生じ、
良好な状態で密着しているAl2 O3 粒子内に大きなク
ラックを発生させるために、皮膜強度が低下すると考え
られる。[0027] When spraying the thermal spraying material consisting of a ceramic containing less than Fe 3 O 4 to 16 wt% or more 25 wt% in Al 2 O 3, the periphery of the Fe 3 O 4 particles Al 2 O 3 particles covers, Fe 3 O FeAl 2 O 4 between 4 and Al 2 O 3
Is produced by the reaction. This Fe 3 O 4 and Al 2 O
3 A with the formation of different crystal structures FeAl 2 O 4, the interface to the volume change of the Fe 3 O 4 and Al 2 O 3 is generated,
It is considered that the film strength is lowered because large cracks are generated in the Al 2 O 3 particles which are adhered in a good state.
【0028】Al2 O3 中にFe3 O4 を16wt%未
満含むセラミックからなる溶射材料を溶射した場合、皮
膜内のほとんどを、同一材粒子間の反応性に優れるセラ
ミックであるAl2 O3 が占めるため、粒子間の密着性
に優れた皮膜となり、強い皮膜強度を有すると考えられ
る。しかし、Fe3 O4 を溶射材料中に20wt%未満
含有させただけでは、本来の高い熱膨張率は期待できな
いため、Fe3 O4 は、皮膜中に20wt%以上含ませ
ることが必要となる。もちろんFe3 O4 のみならず、
他の高い熱膨張率を有するFeO、Fe2 O3 も同じこ
とが言える。When a thermal spraying material consisting of ceramic containing Fe 3 O 4 in an amount of less than 16 wt% in Al 2 O 3 is sprayed, most of the inside of the coating is Al 2 O 3 which is a ceramic excellent in reactivity between the same material particles. It is considered that the film has excellent adhesion between particles and has strong film strength. However, the original high thermal expansion coefficient cannot be expected only by containing Fe 3 O 4 in an amount of less than 20 wt% in the thermal spray material. Therefore, Fe 3 O 4 needs to be included in the coating in an amount of 20 wt% or more. . Of course, not only Fe 3 O 4
The same can be said for other FeO and Fe 2 O 3 having a high coefficient of thermal expansion.
【0029】本実施例では、Fe3 O4 −Al2 O3 系
の場合について述べたが、これに限らず、他の酸化鉄
(FeO、Fe2 O3 )もしくは、FeO、Fe
2 O3 、Fe 3 O4 を種々に混合したものと他のセラミ
ックについても、同様の結果が得られることが確認され
ている。以上のことから、高い熱膨張率を備え、かつ、
20MPa以上の皮膜強度を得るためには、溶射材料中
に、FeO、Fe2 O3 、Fe3 O4 の一種以上を含ま
せ、その総含有量を25wt%以上にすることが必要と
なる。さらに好ましくは、28wt%以上含有させるこ
とにより、30MPa以上の皮膜強度を得ることができ
る。In this embodiment, Fe3OFour-Al2O3system
However, not limited to this, other iron oxides
(FeO, Fe2O3) Or FeO, Fe
2O3, Fe 3OFourVarious mixtures of other ceramics
It was confirmed that similar results can be obtained for
ing. From the above, with a high coefficient of thermal expansion, and
In order to obtain a coating strength of 20 MPa or more,
, FeO, Fe2O3, Fe3OFourIncluding one or more of
It is necessary to make the total content 25 wt% or more.
Become. More preferably, the content is 28 wt% or more.
By, the film strength of 30 MPa or more can be obtained.
It
【0030】本発明の溶射材料は、断熱性を必要とする
あらゆる金属製部材に溶射することができるが、特に内
燃機関の燃焼室のピストン頂面に溶射することにより得
られる、ピストン頂面の断熱性の向上の効果は大きい。The thermal spray material of the present invention can be sprayed on any metal member which requires heat insulation, but especially on the piston top surface obtained by spraying on the piston top surface of the combustion chamber of an internal combustion engine. The effect of improving heat insulation is great.
【0031】[0031]
【発明の効果】本発明の溶射材料は、母材との熱膨張率
の差が小さいため、加熱−冷却を繰り返す条件下におい
ても、母材からの溶射皮膜の剥離が起きにくい。また、
溶射の場合、製品コストに占める材料費の割合は高い。
ZrO2 粉末は一般に1000円〜2000円/kgで
あり、一般の溶射粉末に比べ極めて高額である。これに
対し、Fe3 O4 等の酸化鉄は安価であり、100円/
kgの物も存在する。これらのことより、本発明は溶射
にかかるコストを半減以下にすることができる。Since the thermal spray material of the present invention has a small difference in coefficient of thermal expansion from the base material, peeling of the thermal spray coating from the base material does not easily occur even under repeated heating and cooling conditions. Also,
In the case of thermal spraying, the ratio of material cost to product cost is high.
ZrO 2 powder is generally 1000 yen to 2000 yen / kg, which is extremely expensive as compared with general thermal spray powder. On the other hand, iron oxide such as Fe 3 O 4 is inexpensive and costs 100 yen /
Some kg are also present. From these things, the present invention can reduce the cost required for thermal spraying to half or less.
【図1】 熱サイクル試験の結果、皮膜が被溶射部材か
ら剥離してしまうまでのサイクル数を表したグラフ。FIG. 1 is a graph showing the number of cycles until a coating is peeled off from a member to be sprayed as a result of a heat cycle test.
【図2】 Al2 O3 中に含有するFe3 O4 の量を種
々に変えた場合の皮膜強度を示すグラフ。FIG. 2 is a graph showing the film strength when the amount of Fe 3 O 4 contained in Al 2 O 3 is variously changed.
Claims (2)
くとも1種類以上から成る、金属製部材に溶射するため
の断熱性溶射材料。1. An adiabatic thermal spray material for thermal spraying on a metal member, which is composed of at least one of FeO, Fe 2 O 3 and Fe 3 O 4 .
くとも1種類以上含み、その総含有量を25wt%以上
とし、残部が前記FeO、Fe2 O3 、Fe 3 O4 以外
のセラミックから成ることを特徴とする金属製部材に溶
射するための断熱性溶射材料。2. FeO, Fe2O3, Fe3OFourA little
Contains at least one kind, and its total content is 25 wt% or more
And the balance is FeO, Fe2O3, Fe 3OFourOther than
Melts into metal parts characterized by
Insulating thermal spray material for spraying.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4228378A JPH0673522A (en) | 1992-08-27 | 1992-08-27 | Heat insulating thermal spraying material |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP4228378A JPH0673522A (en) | 1992-08-27 | 1992-08-27 | Heat insulating thermal spraying material |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0673522A true JPH0673522A (en) | 1994-03-15 |
Family
ID=16875530
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4228378A Pending JPH0673522A (en) | 1992-08-27 | 1992-08-27 | Heat insulating thermal spraying material |
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Country | Link |
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JP (1) | JPH0673522A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2001090435A1 (en) * | 2000-05-23 | 2001-11-29 | Joma Chemicals As | Material and method for producing a corrosion and abrasion-resistant layer by thermal spraying |
JP2004190056A (en) * | 2002-12-09 | 2004-07-08 | Shin Etsu Chem Co Ltd | Heat-resistant coated member |
US7507481B2 (en) | 2002-11-20 | 2009-03-24 | Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. | Heat resistant coated member, making method, and treatment using the same |
WO2016076341A1 (en) * | 2014-11-14 | 2016-05-19 | 株式会社日立製作所 | Heat-resistant member provided with heat-shielding coating, and method for manufacturing same |
-
1992
- 1992-08-27 JP JP4228378A patent/JPH0673522A/en active Pending
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JPWO2016076341A1 (en) * | 2014-11-14 | 2017-08-31 | 株式会社日立製作所 | Heat-resistant member with thermal barrier coating and method for manufacturing the same |
EP3219827A4 (en) * | 2014-11-14 | 2018-04-11 | Hitachi, Ltd. | Heat-resistant member provided with heat-shielding coating, and method for manufacturing same |
US10267260B2 (en) | 2014-11-14 | 2019-04-23 | Hitachi, Ltd. | Heat-resistant member provided with heat-shielding coating, and method for manufacturing same |
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