CN108291311A - 内燃机用活塞以及内燃机用活塞的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种内燃机用活塞，将表面处理部设置于活塞顶面的活塞母材，表面处理部从表面侧向深度方向地具有：第1层，其由第1金属的层或者含有第1金属的层构成；第2层，其含有含氧的第2金属或者第2金属的氧化物以及低热导率材料；以及第3层，其由第3金属与低热导率材料的混合物构成。

Description

内燃机用活塞以及内燃机用活塞的制造方法
技术领域
本发明涉及一种内燃机用活塞以及内燃机用活塞的制造方法。
背景技术
以往，已知作为内燃机用活塞的顶面上的一部分、包含燃料以液体状态进行碰撞的燃料碰撞部并且包含主要的燃烧区域的区域由低热导率且低比热的部件或者构造体构成。根据该活塞的结构，能够提高燃料碰撞部处的升温效果，促进碰撞到活塞的燃料的燃烧，使燃料向活塞顶面的附着减少，并且抑制碳沉积物、烟气的排出(专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平11－193721号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
然而，在专利文献1所公开的内燃机用的活塞中，未记载低热导率的部件的具体构成方法。另外，由于在低热导率部件与活塞母材之间产生的温度分布，存在低热导率部件与活塞母材的界面处的接合或者粘接强度不足够这样的问题。
解决技术问题的技术手段
根据本发明的第1方式，一种内燃机用活塞，其中，将表面处理部设置于活塞顶面的活塞母材，所述表面处理部从表面侧向深度方向地具有：第1层，其由第1金属的层或者包含所述第1金属的层构成；第2层，其包含：含氧的第2金属或者所述第2金属的氧化物、以及低热导率材料；以及第3层，其由第3金属与所述低热导率材料的混合物构成。
根据本发明的第2方式，一种内燃机用活塞的制造方法，该内燃机用活塞在顶面具备表面处理部，其中，所述表面处理部的形成工序至少具有：凹部形成工序，其在所述活塞的活塞母材的顶面形成凹部；第1填充工序，其将作为粉末或者粉末的成形体的第1成形材料填充到所述凹部；第1搅拌接合工序，其使旋转工具抵接到所述第1成形材料，由于摩擦热而使所述第1成形材料软化，将所述第1成形材料固相接合到所述凹部，并且形成所述第1成形材料与所述活塞母材的搅拌部；第2填充工序，其将作为粉末或者粉末的成形体的第2成形材料填充到通过所述第1搅拌接合工序进行固相接合而形成的形成层之上；以及第2搅拌接合工序，其使旋转工具抵接到所述第2成形材料，由于摩擦热而使所述第2成形材料软化，将所述第2成形材料固相接合到所述凹部，并且形成所述第2成形材料与所述活塞母材的搅拌部。
发明效果
根据本发明，由于具有上述结构的表面处理部，从而能够提供一种利用优良的绝热特性来抑制碳沉积物、烟气的排出、并且燃油经济性良好的内燃机用活塞。另外，表面处理部与活塞母材牢固地接合，所以，能够提供一种耐久性优良的内燃机用活塞。
附图说明
图1是示出本发明的一个实施方式的内燃机用活塞的截面构造的概念图。
图2是示出本发明的其他实施方式的内燃机用活塞的截面构造的概念图。
图3是示出本发明的一个实施方式的表面处理部的截面构造的图，图3的(A)示出表面处理部的所有层为相同的面积的构造，图3的(B)示出表面处理部的各层的面积相互不同的构造。
图4是示出本发明的一个实施方式的表面处理部的截面构造的图。
图5是示出本发明的一个实施方式的内燃机用活塞的制造方法的一个例子的流程图。
图6是示出在本发明的一个实施方式的内燃机用活塞的制造方法中通过摩擦搅拌接合而形成表面处理部的次序的概念图，图6的(A)以及图6的(C)示出材料填充，图6的(B)以及图6的(D)示出旋转工具的抵接，图6的(E)示出所形成的表面处理部。
图7是通过光学显微镜拍摄作为实施例1－2形成的表面处理部的截面而得到的像。
图8是通过扫描型电子显微镜拍摄作为实施例1－2形成的表面处理部的最下层截面而得到的像，图8的(B)是以更高倍率拍摄图8的(A)所示的由虚线包围的区域而得到的像。
图9是通过扫描型电子显微镜拍摄作为实施例1－2形成的表面处理部的截面而得到的像，图9的(B)是以更高倍率拍摄图9的(A)所示的由虚线包围的区域而得到的像。
图10是示出通过能量色散型X射线光谱法从表面处理部表面向深度方向直线状地对作为实施例1－2形成的表面处理部进行氧分析而得到的结果的图表。
图11是示出表面处理部的绝热特性的评价方法的概念图。
图12是示出绝热特性的评价中的、激光的射出模式与表面处理部的表面温度的关系的概念图，图12的(A)示出从激光光源向表面处理部射出的激光的射出模式，图12的(B)示出通过红外线摄像机测定表面处理部的表面温度而得到的结果。
图13是说明用于形成表面处理部的接合用工具与活塞的配置关系的图，图13的(A)是从上方观察活塞顶面的俯视图，图13的(B)是图13的(A)的侧视图。
图14是示出实施例1－1～实施例1－8中的、粉末51的材料、粉末52的材料以及旋转工具的材料的组合的表。
图15是示出实施例1－9～实施例1－17以及比较例1－1、1－2的粉末51以及52的材料以及针对使用这些材料而形成的表面处理部的拉伸试验的结果的表。
图16是示出关于实施例以及比较例的试验片而在绝热特性的评价中测定出的峰值温度T1以及T3的表。
具体实施方式
下面，参照附图，说明本发明的实施方式。图1是示出本发明的一个实施方式的内燃机用活塞的截面构造的概念图。如图1所示，在该内燃机用活塞的顶面，构成有由多层构成的表面处理部，该表面处理部从表面侧向深度方向地具有：第1金属的层或者包含第1金属的层22(下面称为第1层)、由含氧的第2金属或者第2金属的氧化物与低热导率材料的混合物构成的层23(下面称为第2层)以及由第3金属与低热导率材料的混合物构成的层21(下面称为第3层)。
内燃机用活塞通常是对以铝合金为代表的金属进行加工而制造的。在活塞顶面，为了促进燃料的燃烧，期望使参与燃烧的区域充分地绝热而防止燃烧时的温度降低。但是，当在活塞顶面仅由绝热特性高的低热导率材料而形成包覆层的情况下，低热导率材料与活塞母材的粘接性或者接合性不足，存在无法确保两者的界面的接合强度这样的技术问题。
另外，为了促进活塞顶面附近的燃料的燃烧，需要使参与燃烧的区域均匀地高温化。但是，存在如下这样的问题：当在活塞顶面仅由绝热特性高的低热导率材料而形成有包覆层的情况下，存在在包覆层表面局部地产生温度变高的区域的倾向。
关于这一点，当在活塞顶面形成有由金属与低热导率材料的复合材料构成的单层的情况下，在所形成的层与活塞母材之间能够得到足够的接合强度，并且由于燃烧而产生的热在活塞母材内传导，能够均匀地对活塞顶面进行加热。但是，活塞母材内的热传导高，其结果，存在绝热特性不足而无法将活塞顶面保持于足够高的温度这样的问题。
因此，如图1所示，通过将具有第1层、第2层以及第3层的表面处理部设置于活塞顶面，能够解决上述问题。第2层由包含含氧的金属或者金属的氧化物以及低热导率材料的材料构成，从而实现低的热导率，具有抑制向表面处理部的厚度方向的热传导的功能。另外，对于表面处理部的表面的第1层来说，由于其下部的第2层具有热传导抑制功能，所以，能够以均匀的温度分布高温化，有助于促进燃料的燃烧。进一步地，第3层具有在得到高的与活塞母材的接合强度的同时抑制向母材的热传导的功能。
作为用于第3层的金属，优选是铝、镁、铁、铜、锌、钛、镍中的某一种或者包含这些金属中的至少一种的合金。这些金属是能够与用于活塞母材的金属材料进行固相接合的金属，容易得到高的向活塞母材的接合强度。
如上所述，活塞母材通常是铝合金，因此，作为用于与活塞母材相接的第3层的金属，优选是铝或者铝合金。这是由于，铝或者铝合金通过固相接合法能够得到与铝合金的高的接合强度。另外，作为用于第1层的金属，优选也是铝或者铝合金。由此，第1层以及第3层能够通过固相接合法以高的粘接强度与铝合金的活塞母材进行接合，并且在表面处理部的表层也容易得到均匀的加热状态。
图2是示出本发明的其他实施方式的内燃机用活塞的截面构造的概念图。如图2所示，在该内燃机用活塞的顶面，也构成有由多层构成的表面处理部。在本实施方式中，第1层是由金属与低热导率材料的混合物构成的层。通过这样的结构，能够进一步地提高表面处理部的绝热特性。
第2层的作为含氧的状态或者氧化物的状态而包含的金属优选与在第3层中包含的金属相同。本发明的实施方式的内燃机用活塞还能够做成在顶面具有凹部的形状，按填埋该凹面的构造设置表面处理部。
图3是示出上述说明的形成于设置于活塞顶面11的凹面的表面处理部的截面构造的图。图3的(A)示出构成表面处理部的多层全部形成为相同的面积的情况。另外，图3的(B)示出构成表面处理部的多层中的第1层以及第2层的一部分欠缺的情况。即，表面处理部的各层的面积相互不同。在图3的(A)、图3的(B)中的任一方的情况下，都能够提供燃油经济性良好且耐久性优良的内燃机用活塞。此外，在图3的(B)所示的结构中，如上所述，第1层以及第2层未形成于表面处理部的整个区域，只要第2层形成于表面处理部的表面积的50％以上，就能够提供燃油经济性良好且耐久性优良的内燃机用活塞。
在上述各实施方式的内燃机用活塞中，为了形成表面处理部，在形成于活塞顶面11的凹部，侧面与底面相接的连接部分优选由曲面构成。通过构成这样的曲面，能够在凹部的整个区域对成形材料良好地进行固相接合。在该部分不是曲面的情况下，成形材料在不进行固相粘接的状态下残留于连接部分，成为产生固相接合不良的部分的原因。
第2层优选为周边部的厚度比中央部的厚度大。在活塞的周边部，产生向活塞侧面的热传导。通过使第2层的厚度在周边部比中央部厚，能够抑制向活塞侧面的热传导而提高绝热效果。另外，优选具有在表面处理部的外周部具有搅拌部的构造。搅拌部是指材料进行塑性流动的部分。表面处理部的外周部存在难以确保接合强度的倾向，但通过设置使活塞母材的材料与表面处理部的材料进行搅拌的区域，能够确保接合强度。
第2层即使是一层，也能够得到足够的绝热效果，但通过做成具有多个第2层的结构，能够期待更高的绝热效果，是优选的。关于表面处理部的面积，优选与活塞顶面侧(上部侧)相比，下部侧(下部侧)较小。
图4示出以在第1层之下第2层与第3层交替地重复3次的方式设置的表面处理部的截面构造。如图4所示，关于各层的面积，越是构成于上部的层则越大。做成这样的结构的优点如下所述。绝热效果优选为越是表面处理部的上部则越高，但另一方面，在表面处理部的下部，需要排出在表面处理部的上部没能被隔断而传递来的热。关于这一点，通过减小表面处理部的下部的层的面积，能够确保没能被隔断而传递来的热的移动路径。
形成表面处理部的位置没有特别限定，优选是喷射燃料的区域附近的活塞顶面。在喷射燃料的区域中，液体燃料气化而燃烧，所以，通过在该位置形成表面处理部，能够提高燃烧促进效果。
关于低热导率材料，没有特别限定，优选将氧化锆、堇青石、莫来石、硅、二氧化硅、云母、滑石、硅酸盐玻璃、丙烯酸玻璃、有机玻璃、二氧化硅气凝胶、空心陶瓷珠、空心玻璃珠、空心金属球、有机硅化合物、陶瓷纤维中的某一种或者多种组合来使用。
在第2层以及第3层中含有的低热导率材料的体积比率优选是45％以上。在低热导率材料的体积比率是45％以上的情况下，能够得到高的绝热特性，所以，能够在更短时间内使活塞顶面的温度上升，由此，能够期待高的燃烧促进效果。
图5是示出本发明的一个实施方式的内燃机用活塞的制造方法的一个例子的流程图。在步骤S1中，进行活塞的铸造。活塞的铸造是通过压铸法等公知的方法来铸造铝合金制的活塞的粗材。接下来，在步骤S2中，进行一次机械加工，针对活塞的粗材，实施包含环槽脊的外径切削、针孔加工等的规定的机械加工。用于在活塞顶面形成表面处理部的凹部既可以在进行步骤S1中的活塞铸造时通过铸造而形成，或者也可以在进行步骤S2中的一次机械加工时通过机械加工而形成。
在步骤S3中，将用于形成表面处理部的材料填充到形成于活塞顶面的凹部。在该情况下，材料既可以在粉末的状态下填充，或者也可以对粉末施加压力而制作变坚固的成形体(团块)，填充该成形体。
接下来，在步骤S4中，在使旋转工具抵接到填充于凹部的材料的状态下，使该旋转工具在规定的时间内进行旋转。接下来，在步骤S5中，从凹部抽出旋转工具。通过步骤S3至步骤S5的一连串的工序，进行摩擦搅拌接合(FSW：Friction-Stir-Welding)。步骤S3至步骤S5的工序按需要重复进行与层数相应的次数。关于摩擦搅拌接合，详细情况在后面叙述。
在步骤S6中，取出形成有表面处理部的活塞，实施热处理。该热处理的目的在于，去除在摩擦搅拌接合时伴随着材料进行塑性流动而产生的变形，使表面处理部的强度均匀化。作为热处理，例如存在固溶时效处理、人工时效处理。当在步骤S6中进行热处理之后，在步骤S7中实施二次机械加工。作为二次机械加工，实施精加工的切削加工，作为产品的活塞完成。
详细说明步骤S3～S5。在步骤S3中，首先，将用于形成表面处理部中的第3层的材料填充到活塞顶面的凹部。接下来，当在步骤S4中如上所述使旋转工具旋转之后，在步骤S5中从凹部抽出旋转工具。由此，形成第3层。此时，第3层的表层是第2层。接下来，返回到步骤S3，将用于形成第1层的材料填充到第2层之上。接下来，当在步骤S4中使旋转工具旋转之后，在步骤S5中从凹部抽出旋转工具。由此，在第2层之上形成第1层。此外，关于第2层的形成过程，详细情况在后面叙述。
如上所述，步骤S3～S5的工序按照想要形成的表面处理部的结构，根据需要而重复进行。例如，在图4所示的第3层与第2层交替地重复的结构的情况下，按与该重复数相应的次数重复进行步骤S3～S5的工序，形成第3层。由此，成为第3层与第2层交替地重复的结构。在形成所需的重复数的第3层与第2层之后，通过步骤S3～S5，在最后形成的第2层之上形成第1层。
图6是示出用于在活塞顶面形成表面处理部的摩擦搅拌接合的次序的一个例子的概念图。图6的(A)示出在形成于活塞顶面的凹部进行第1次材料填充(粉末51的填充)的状态。即，示出在凹部填充有用于形成第3层的材料(粉末或者粉末的成形体)的状态。
图6的(B)示出在将旋转工具4插入到凹部并抵接到所填充的材料的状态下使该旋转工具4进行旋转的状态。由此，用于形成第3层的材料由于摩擦热而软化，摩擦搅拌接合到凹部的底部以及侧部。即，进行第1次摩擦搅拌接合。此时，如上所述，第2层也同时形成。
图6的(C)示出进行了第2次材料填充(粉末52的填充)的状态。即，示出在形成于凹部的第2层之上填充有用于形成第1层的材料(粉末或者粉末的成形体)的状态。图6的(D)示出在将旋转工具4插入到凹部并抵接到所填充的材料的状态下使该旋转工具4进行旋转的状态。由此，用于形成第1层的材料由于摩擦热而软化，摩擦搅拌接合于已经形成的第2层以及凹部侧部。即，进行第2次摩擦搅拌接合。图6的(E)示出通过一连串的工序而在活塞顶面的凹部形成有表面处理部的状态。
接下来，说明摩擦搅拌接合。摩擦搅拌接合是将金属与金属接合的固相接合方法之一。为了进行摩擦搅拌接合，使旋转工具在推压于想要接合的金属材料的状态下进行旋转，通过所产生的摩擦热进行加热，从而在金属材料中引起塑性流动(即搅拌)，对金属材料进行接合。
作为用于对金属材料进行接合的其他方法，还存在电弧焊接等熔融焊接法。但是，在熔融焊接法中，由于经过在金属材料熔融之后凝固这样的工序，所以，在接合部处形成伴随于凝固的组织，成为强度特性等劣化的原因。与此相对地，在摩擦搅拌接合中，由于不发生材料的熔融(熔化)、凝固，所以，不产生上述强度问题，能够更牢固地对材料进行接合。本发明的表面处理部优选通过摩擦搅拌接合而形成。
另外，摩擦搅拌接合在如大气中那样的含氧的环境中，能够几乎不受到由于材料氧化引起的对接合强度的不良影响地对金属材料进行接合。关于摩擦搅拌接合，不仅是金属材料，只要是包含金属的材料，则能够不在接合部位产生伴随着材料的氧化的结合不良地进行接合。
在摩擦搅拌接合中，在使旋转工具抵接到想要接合的材料并进行旋转时，在旋转工具所抵接的材料的表面，成为氧容易与材料中包含的金属结成一体的状态。因此，被接合的层的表层部是包含含氧的金属或者金属的氧化物的其他组成的层。
即，在通过第1次摩擦搅拌接合工序而形成第3层时，第3层的表层部是由含氧的金属或者金属的氧化物与低热导率材料的混合物构成的层。即，能够同时形成第2层。其后，通过第2次摩擦搅拌接合，能够形成第1层。
因此，在表面处理部的第1层的表层部，也有时生成较多地包含氧的区域。在生成有这样的区域的情况下，能够通过作为二次机械加工工序而示出的切削加工来去除。此外，通过在氩气中、真空中等不含氧的环境中实施最表面的层(第1层)的摩擦搅拌接合工序，能够抑制生成含氧的区域。
在第1次材料填充工序中，使用包含金属与低热导率材料的混合粉末或者其成形体。由此，如图1、图2所示，能够形成使低热导率材料分散而成的第3层。
在电弧焊接等熔融焊接法中，如果想要使用混合粉末或其成形体来形成表面处理部，则由于在金属与低热导率材料之间熔点、比重不同，所以，存在这些材料相分离这样的问题。关于这一点，也通过具有机械搅拌作用的摩擦搅拌接合而形成表面处理部，从而能够遍及全体层地形成金属与低热导率材料均匀分散的层。
在使用混合有金属粉末与低热导率材料粉末的材料来进行摩擦搅拌接合的情况下，仅金属粉末与活塞母材进行接合，从而所形成的层固定于活塞母材。即，低热导率材料与活塞母材不直接接合。因此，在决定低热导率材料的含有比率时，需要留意接合强度。根据本发明者们的研究，混合粉末中的低热导率材料的体积比率优选设为80％以下。在体积比率超过80％的情况下，接合强度不足，暂时形成的表面处理部有可能发生剥离。
(实施例1)
制作模拟活塞顶面的试验片，并在其表面形成表面处理部。由与活塞母材的材料相同的铝合金(4032－T6)制作圆盘状的试验片，在其上表面形成有直径30mm、深度5mm的凹部。当在凹部处将粉末51按规定量填充到凹部之后，在使直径30mm的旋转工具以800rpm进行旋转的同时施加载荷地将粉末51压入到试验片的凹部。在以旋转工具的下端处于从凹部的底面起1.5mm的高度的位置的方式将旋转工具保持规定时间之后，从凹部抽出旋转工具。
接下来，将粉末52按规定量填充到凹部，使直径34mm的旋转工具以800rpm进行旋转，同时施加载荷。由此，一边将试验片的凹部周边压碎，一边用旋转工具将粉末52压入。在将旋转工具以其前端处于从凹部的底面起3.0mm的高度的位置的方式保持规定时间之后，将旋转工具提起，结束摩擦搅拌接合。
通过上述次序，在试验片的凹部形成有厚度约3.0mm的表面处理部。接下来，通过车床加工，去除0.1mm的表面处理部的表层，使圆盘状试验片的上表面平坦化。此外，在凹部的周围，将旋转工具压入而进行加工，从而形成有试验片母材的毛刺，但通过车床加工来除掉毛刺。
对上述粉末51以及粉末52的材料进行各种变更，在试验片的凹部形成多种表面处理部，得到实施例1－1～实施例1－8。实施例1－1～实施例1－8中的、粉末51以及粉末52的材料和旋转工具的材料如图14所示。此外，粉末51是指通过第1次材料填充工序填充的粉末材料，粉末52是指通过第2次材料填充工序填充的粉末材料。
作为金属粉末，使用通过雾化法制作的粉末。在图14中，Al表示平均粒径30μm的纯铝粉末，Mg表示平均粒径30μm的纯镁粉末，Cu表示平均粒径30μm的纯铜粉末，Zn表示平均粒径50μm的纯锌粉末，Fe表示平均粒径50μm的纯铁粉末，Ti表示平均粒径30μm的纯钛粉末，并且Ni表示平均粒径30μm的纯镍粉末。另外，作为低热导率材料，ZrO2表示成形为平均粒径30μm的球形的氧化钇稳定氧化锆的粉末。此外，图14所示的百分率的数值表示低热导率材料占粉末材料整体的体积比率。
在摩擦搅拌接合法中使用的旋转工具优选根据在想要接合的材料中包含的金属材料的种类来选择旋转工具的材料。在金属材料是熔点较低的Al、Zn的情况下，能够使用以工具钢SKD61作为材料的旋转工具。
在金属材料是反应性高的Mg、熔点为中等程度的Cu的情况下，优选使用以由WC－Co合金(碳化钨与钴的混合烧结材料)构成的超硬合金作为材料的旋转工具。另外，针对金属材料是熔点高的Fe、Ti、Ni，优选使用以氮化硅作为材料的旋转工具。
图7是通过光学显微镜拍摄实施例1－2的表面处理部的截面而得到的像。在图7中，左侧是与活塞的侧面接近的一侧，右侧是与活塞的中央部接近的一侧。可知作为表面处理部而形成第3层21和第1层22，在这些层之间形成有第2层23。另外，可知在第3层以及第1层中，作为低热导率材料31的氧化锆均匀地分散。
另外，根据图7可知，关于第2层23的厚度，在与活塞中央部接近的左侧，与活塞中央部侧的右侧相比较厚。这是由于在进行摩擦搅拌接合时，在旋转工具的外侧，与内侧相比周向速度较大，所以，产生更多的摩擦热，温度容易变高，另外，由于氧的获取量也多，所以，在旋转工具的外侧的第2层相对较厚地形成。
图8以及图9是通过扫描型电子显微镜拍摄图7所示的实施例1－2的表面处理部的截面而得到的像。图8是对活塞母材1与表面处理部的最下层即第3层21的界面进行放大拍摄而得到的，图8的(B)是以更高倍率拍摄由图8的(A)所示的虚线包围的区域而得到的像。另外，图9是夹着第2层23而对第1层、第2层以及第3层进行放大拍摄而得到的。图9的(B)是将由图9的(A)所示的虚线包围的区域放大而得到的像。
根据图8可知，作为活塞母材1的材料的铝合金与表面处理部的最下层即第3层的铝完全结合，两者的界面不清晰。即，可知表面处理部的金属材料是与活塞母材一体化的构造。
如实施例1－1以及实施例1－2所示，通过将作为第1次填充材料的粉末51含有的金属粉末设为铝，从而所形成的层针对铝合金制的活塞母材以高的密合强度进行接合。但是，即使粉末51含有的金属粉末是铝以外的金属，只要是与铝进行合金化或者形成金属间化合物的材料，则所形成的层也针对铝合金制的活塞母材以足够的密合强度进行接合。如实施例1－3～实施例1－8所示，例如能够使用镁、铜、铁、锌、钛、镍等。
另外，根据图9可知，能够确认到在通过第1次摩擦搅拌接合形成的第3层与通过第2次摩擦搅拌接合形成的第1层之间形成有第2层。
图10是示出通过能量色散型X射线光谱法从表面处理部表面向深度方向直线状地对作为实施例1－2而形成的表面处理部进行氧分析的结果的图表。可知在从表面处理部的表面起比约26μm深的区域中氧浓度高。该区域对应于第2层，可知在第2层中较多地包含氧。
另外，当在第1次摩擦搅拌接合中使用的粉末51与在第2次摩擦搅拌接合中使用的粉末52中含有的金属材料是相同种类的情况下，在第1层与第2层、第2层与第3层之间的界面，能够得到更高的密合性。在第1层与第3层之间形成含氧的第2层，但只要在第1层与第3层中包含的金属材料是相同种类，则根据晶体构造的类似性，能够得到更牢固地结合的状态。
为了确认表面处理部的密合强度，实施在JIS－H8402中规定的拉伸密合性试验。从试验片包含形成于其表面的表面处理部地切出直径25mm的圆柱状的部分。准备2个直径25mm的圆柱状夹具。分别在形成有表面处理部的试验片上表面和下表面，通过环氧系粘接剂来分别粘接上述2个夹具。
通过拉伸试验机对2个圆柱状夹具进行拉伸，在与表面处理部垂直的方向上产生拉伸应力，测定出表面处理膜破裂或者从试验片母材剥离时的应力。将该应力作为表面处理部的密合强度来进行评价。此外，环氧系粘接剂的破裂强度是80MPa，所以，在表面处理部的密合强度为80MPa以上的情况下，环氧系粘接剂部分破裂。在这样的情况下，不能测定表面处理部的真实的密合强度，所以设为密合强度80MPa以上。在关于实施例1－1～实施例1－8进行评价后，在任意的情况下，环氧树脂部都破裂。即，密合强度是80MPa以上。
接下来，使用在粉末51以及52中改变低热导率材料的种类及其含有率而得到的物质，通过摩擦搅拌接合，在试验片形成表面处理部，得到实施例1－9～实施例1－17。关于这些试验片，也通过与关于实施例1－1～实施例1－8的上述说明相同的次序，评价密合强度。此外，各实施例中的粉末51和52使用相同的材料。
另外，作为比较例，关于比较例1－1以及比较例1－2也进行评价，在比较例1－1中粉末51以及52将氧化锆的含有率设为体积比率85％而使用铝与氧化锆的混合粉末来形成表面处理部，在比较例1－2中粉末51以及52将二氧化硅的含有率设为体积比率85％而使用铝与二氧化硅的混合粉末来形成表面处理部。在图15中示出实施例1－9～实施例1－17和比较例1－1、1－2的在制作中使用的粉末51和52以及针对使用这些材料而形成的表面处理部的拉伸试验的结果。
在图15中示出实施例1－9～实施例1－17和比较例1－1、1－2的表面处理部的密合强度的评价结果(为了进行参考，也一并显示出实施例1－2)。根据图15可知，低热导率材料即使含有直至体积比率80％，也能够得到规定的密合强度。但是，可知在含有体积比率85％的低热导率材料的情况下，由于摩擦搅拌接合，表面处理部不固定，粉末脱落。
在低热导率材料的含有率为体积比率60％以下的情况下，环氧系粘接剂的部分破裂，密合强度为80MPa以上。在低热导率材料的含有率为体积比率70％的情况下，在低热导率材料是氧化锆的实施例1－12中，在表面处理部的内部(层界面)破裂，在低热导率材料是二氧化硅的实施例1－16中，表面处理部在与试验片母材的界面处破裂。这些实施例的密合强度分别是70MPa和65MPa。在低热导率材料的含有率为体积比率75％的情况下(实施例1－13：低热导率材料是氧化锆)，密合强度是60MPa以上。
在低热导率材料的含有率为体积比率80％的情况下，表面处理部在与试验片母材的界面处破裂。在低热导率材料是氧化锆的实施例1－14中，密合强度是18MPa。另外，在低热导率材料是二氧化硅的实施例1－17中，密合强度是21MPa。即，都示出规定的密合强度。此外，在低热导率材料的含有率达到体积比率75％的情况下，能够得到大的密合强度，所以更优选。
(实施例2)
评价表面处理部处的绝热特性。参照图11，说明具体的评价方法。图11是示出评价方法的概念图。在真空腔62的内部，配置形成有表面处理部的实施例以及比较例的试验片61，使激光从激光光源64射出，照射到试验片61的表面各部分。在该状态下，通过红外线摄像机63来测定试验片的表面温度的变化。
图12是示出激光的射出模式与表面处理部的表面温度的关系的概念图。图12的(A)示出从激光光源64向表面处理部射出的激光的射出模式，图12的(B)示出通过红外线摄像机63测定此时的表面处理部的表面温度的随时间变化的结果。将在第1次激光照射时测定出的峰值温度设为T1，将在第3次激光照射时测定出的峰值温度设为T3。
在图16的表中示出关于实施例以及比较例的试验片测定出的峰值温度T1以及T3。在图16中，实施例2－1～实施例2－8是通过摩擦搅拌接合而在试验片形成表面处理部。此外，将黑体涂料涂敷于全部的试验片的表面。
在比较例2－1中是未实施表面处理的试验片。在比较例2－2中不通过摩擦搅拌接合而形成有1层由厚度2.9mm的Al－55％ZrO2构成的层。在比较例2－3中在试验片表面通过阳极氧化而设置有厚度20μm的氧化铝层。在比较例2－4中在试验片表面通过等离子体热喷涂而设置有厚度1.5mm的氧化锆层。此外，实施例以及比较例的试验片的材料全部使用与活塞母材相同的铝合金(4032－T6)。
在绝热特性的评价中，需要考虑内燃机中的燃烧反应。下面，说明这一点。在促进内燃机中的燃烧反应这方面，使活塞顶面的表面温度上升是重要的。例如，轻油以及重油的自然着火点是250℃～350℃，对汽油进行点火时的温度是300℃左右。因此，为了促进这些燃料的燃烧，需要使活塞顶面的表面温度升温至300℃附近。
在本实施例的绝热特性的评价中，为了模拟地实现内燃机的燃烧室内部的环境，设定在将激光照射到比较例2－1的试验片时的峰值温度为约200℃那样的激光光源64的激光的射出条件。具体来说，如图12的(A)所示，将在将强度800W的激光照射1秒钟之后停止照射5秒这样的照射模式设为1组，对比较例2－1的试验片进行合计3组的照射。
试验片的表面温度在照射激光的期间内上升，但当停止激光的照射后，由于自然散热而降低。图12的(B)示出这样的温度变化的时间经过。
从激光光源64如上所述地将激光照射到多个试验片，测定其温度变化，将能够使表面温度达到300℃以上的试验片认为是升温效果优良的试验片。
根据图16可知，比较例2－2的试验片由于T3上升至285℃，所以，一定程度的绝热效果得到肯定，但不足够。这被认为是因为未形成有相当于第2层的层。另外，在比较例2－3的试验片的情况下，没有足够的绝热效果。即，氧化铝层的绝热效果不足够。
与此相对地，在实施例2－1～实施例2－8的试验片的情况下，可知T3均为300℃以上，示出足够的绝热效果。即，可知通过本发明的实施方式的表面处理部而发挥足够的绝热效果。
特别是，在实施例2－3～实施例2－8的试验片中，第1次激光照射的峰值温度T1是300℃以上，更优良的绝热效果得到肯定。这被认为是由于在表层侧的第1层也含有体积比率50％以上的低热导率材料。
此外，比较例2－4的试验片示出T1为510℃、T3为650℃这样的非常高的温度。但是，通过等离子体热喷涂而形成的氧化锆层与试验片母材的界面处的密合性差。另外，在绝热效果过高的情况下，温度上升变成过于局部性的。因此，即使在活塞顶面通过等离子体热喷涂而形成氧化锆被膜，耐久性也差，并且得不到良好的燃烧状态，所以实用是困难的。
另一方面，在将实施例2－1～实施例2－8所示的表面处理部施加到活塞顶面的情况下，针对表面处理部的深度方向，具有隔热效果，并且沿着活塞顶面的表面，得到适度的热传导，所以，能够对适当的范围均匀地进行加热而得到适当的温度分布，能够在宽的范围内得到足够的燃烧促进的效果。
(实施例3)
说明在活塞顶面形成表面处理部的次序。按照图5所示的流程图，如作为步骤S1而进行说明的那样，作为进行了活塞的铸造的活塞的母材，将铝合金(AC8A)用于材料。接下来，如作为步骤S2而进行说明的那样，对活塞的粗材实施一次机械加工。接下来，如作为步骤S3～S5而进行说明的那样，将材料填充、摩擦搅拌接合以及旋转工具的抽出的一连串的工序重复进行2次，形成表面处理部。接下来，在作为步骤S6而实施热处理之后，作为步骤S7，通过二次机械加工而加工成精加工形状，制作规定的活塞。此外，在一次机械加工时，加工成直径30mm且深度5mm的孔状，从而形成填充粉末的凹部。
图13是说明在针对活塞的粗材通过摩擦搅拌接合而形成表面处理部时使用的接合用工具70与活塞的配置关系的图。图13的(A)是从上方观察活塞顶面的俯视图，图13的(B)是图13的(A)的侧视图。
接合用工具70由基座73、配置于基座73的上表面并且用于支撑活塞1的中心夹具71以及能够移动地安装于基座73的上表面并且从侧面固定活塞1的一对侧夹具72等构成。在中心夹具71的上表面形成有凸部。另外，一对侧夹具72各自的中心夹具71侧的侧面形成有半径与活塞1的侧面相同的圆筒面，在该圆筒面形成有凸部72a。
当在活塞1的顶面通过摩擦搅拌接合而形成表面处理部时，以如下方式固定活塞1。首先，使活塞1的下表面的凹部嵌合于中心夹具71的凸部，将活塞1保持于中心夹具1。接下来，使一对侧夹具72分别向活塞1移动，将一对凸部72a插入到活塞1的侧面的孔部，在一对侧夹具72的圆筒面，从两侧对活塞1的侧面进行加压并固定。由此，在摩擦搅拌接合时，将活塞1定位于旋转工具进行旋转的位置并固定。
(实施例4)
说明形成图4所示的结构的表面处理部的次序。图4所示的表面处理部构成为在形成于活塞顶面的凹部的表面，将第3层与第2层按该顺序交替重复3次地形成之后，作为最上层而设置第1层。
在顶面形成有这样的结构的表面处理部的活塞1依照图5所示的流程图来制作。首先，对活塞1的粗材进行铸造，接下来，对该活塞粗材实施一次机械加工。用于形成表面处理部的活塞顶面的凹部通过一次机械加工，形成为直径28mm、深度7.5mm。
接下来，在将粉末51填充到凹部之后，一边使直径30mm的旋转工具进行旋转，一边施加载荷。由此，一边将凹部的周边压碎，一边通过旋转工具将粉末51压入，进行第1次摩擦搅拌接合，依次形成第3层与第2层。接下来，在将粉末51填充到所形成的第2层之上之后，一边使直径32mm的旋转工具进行旋转，一边施加载荷。由此，在已经形成的第3层和第2层之上，通过第2次摩擦搅拌接合，进一步地依次形成第3层与第2层。同样地，使用直径34mm的旋转工具来进行第3次摩擦搅拌接合，第3层与第2层以按该顺序交替地重复3次的方式形成。接下来，在将粉末52填充到最上部的第2层之上之后，一边使直径36mm的旋转工具进行旋转，一边同样地进行摩擦搅拌接合，作为最上层而形成第1层。其后，实施热处理二次机械加工，制作活塞1。
通过上述工序，在用于形成表面处理部的活塞顶面的凹部，第3层与第2层按该顺序交替重复3次地形成之后形成第1层，形成由合计7层的结构构成的表面处理部。关于多个第3层以及第2层的面积，越是上部则直径越大，第1层的面积最大。通过1次摩擦搅拌接合，形成1mm的厚度的层，从而通过4次摩擦搅拌接合，形成合计4mm的厚度的表面处理部。此外，在上述各摩擦搅拌接合中，与凹部的直径相比，旋转工具的直径较大，但凹部的直径与旋转工具的直径也可以相同。
关于在摩擦搅拌接合中使用的旋转工具的直径，用于第1次摩擦搅拌接合时是30mm，用于第2次摩擦搅拌接合时是32mm，用于第3次摩擦搅拌接合时是34mm，用于第4次摩擦搅拌接合时是36mm。在第1次至第3次的摩擦搅拌接合中，作为成形材料而使用粉末51，在第4次摩擦搅拌接合中，作为成形材料而使用粉末52。
通过1次摩擦搅拌接合形成的层设为1.0mm，将作为表面处理部整体的合计厚度设为4.0mm。通过第4次摩擦搅拌接合而形成的形成于第1层的上部的含氧的最表层通过二次机械加工来切除。
通过以上的次序，制作出图4所示的活塞1。在该活塞1中，第3层和第2层各具备3层，作为最上层而具备第2层，各层的表面积越是上层则越大。
此外，在上述中说明了如下意思：在形成表面处理部的凹部的侧面与底面相接的连接部分不是曲面的情况下，成形材料在不进行固相粘接的状态下残留于该部分，成为产生固相接合不良的部分的原因。作为该理由，认为在上述连接部分，热容易排出，另外，在摩擦搅拌接合时，产生与旋转工具之间的间隙，针对该部分的成形材料，难以附加足够的载荷。
为了解决该问题，还考虑提高中心夹具71的凸部与活塞下部的凹部的尺寸精度来改善嵌合状态的方法，但与这样的解决方法相比，将上述连接部分做成曲面的方法更简便。
如以上说明所述，根据本发明，能够提供一种利用优良的绝热特性来抑制碳沉积物、烟气的排出、并且燃油经济性良好的内燃机用活塞。另外，表面处理部与活塞母材牢固地接合，所以，能够提供耐久性优良的内燃机用活塞。
此外，本发明不限定于以上说明的实施方式。在不变更本发明的主旨的范围内，也可以变更具体的构成材料、构件等。另外，只要包含本发明的结构要素，则还能够追加公知的技术或者用公知的技术来置换。
如下的优先权基础申请的公开内容作为引用文并入到本文中。
日本专利申请2015年第233208号(2015年11月30日申请)
符号说明
1 活塞母材
2 表面处理部
4 旋转工具
11 活塞顶面
21 第3层
22 第1层
23 第2层
31 低热导率材料
32 金属
33 含氧的金属或者金属的氧化物
34 金属
51、52 粉末
61 试验片
62 真空腔
63 红外线摄像机
64 激光光源
70 接合用工具
71 中心夹具
72 侧夹具
73 基座。

Claims (14)

1.一种内燃机用活塞，其特征在于，
将表面处理部设置于活塞顶面的活塞母材，
所述表面处理部从表面侧向深度方向地具有：
第1层，其由第1金属的层或者含有所述第1金属的层构成；
第2层，其含有：含氧的第2金属或者所述第2金属的氧化物、以及低热导率材料；以及
第3层，其由第3金属与所述低热导率材料的混合物构成。
2.根据权利要求1所述的内燃机用活塞，其特征在于，
所述第3金属是铝、镁、铁、铜、锌、钛、镍中的某一种、或者含有这些金属中的至少一种的合金。
3.根据权利要求1或者2所述的内燃机用活塞，其特征在于，
所述第1金属和所述第3金属均是铝或者铝合金。
4.根据权利要求1所述的内燃机用活塞，其特征在于，
所述第1层除了所述第1金属之外，还含有所述低热导率材料。
5.根据权利要求1所述的内燃机用活塞，其特征在于，
所述第2层的周边部的厚度比中央部的厚度大。
6.根据权利要求1所述的内燃机用活塞，其特征在于，
所述第2金属与所述第3金属相同。
7.根据权利要求1所述的内燃机用活塞，其特征在于，
所述第1金属与所述第2金属相同。
8.根据权利要求1所述的内燃机用活塞，其特征在于，
在所述第3层中，与相接于所述第2层的面对置的面和外周面相接的部分由曲面构成。
9.根据权利要求1所述的内燃机用活塞，其特征在于，
在所述表面处理部的外周部与所述活塞母材之间，具有构成所述表面处理部的材料与构成所述活塞母材的材料的搅拌部。
10.根据权利要求1所述的内燃机用活塞，其特征在于，
具有多个所述第2层。
11.根据权利要求1所述的内燃机用活塞，其特征在于，
所述第3层的面积小于所述第1层的面积。
12.根据权利要求1所述的内燃机用活塞，其特征在于，
在所述第2层以及所述第3层中，所述低热导率材料的体积比率为50％以上。
13.根据权利要求1所述的内燃机用活塞，其特征在于，
所述低热导率材料是含有氧化锆、堇青石、莫来石、硅、二氧化硅、云母、滑石、硅酸盐玻璃、丙烯酸玻璃、有机玻璃、二氧化硅气凝胶、空心陶瓷珠、空心玻璃珠、空心金属球、有机硅化合物、陶瓷纤维、钛合金、低合金钢、铸铁中的至少某一方的材料。
14.一种内燃机用活塞的制造方法，该内燃机用的活塞在顶面具备表面处理部，
所述内燃机用活塞的制造方法的特征在于，
所述表面处理部的形成工序至少具有：
凹部形成工序，其在所述活塞的活塞母材的顶面形成凹部；
第1填充工序，其将作为粉末或者粉末的成形体的第1成形材料填充到所述凹部；
第1搅拌接合工序，其使旋转工具抵接到所述第1成形材料，由于摩擦热而使所述第1成形材料软化，将所述第1成形材料固相接合到所述凹部，并且形成所述第1成形材料与所述活塞母材的搅拌部；
第2填充工序，其将作为粉末或者粉末的成形体的第2成形材料填充到通过所述第1搅拌接合工序进行固相接合而形成的形成层之上；以及
第2搅拌接合工序，其使旋转工具抵接到所述第2成形材料，由于摩擦热而使所述第2成形材料软化，将所述第2成形材料固相接合到所述凹部，并且形成所述第2成形材料与所述活塞母材的搅拌部。
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