CN113444997A - 氧化覆膜以及带有氧化覆膜的部件 - Google Patents

Abstract

本发明形成能够以低成本且容易地在由铝母材构成的部件的表面形成、并能够抑制热量在部件表面的流出的氧化覆膜。氧化覆膜(18)形成于由铝母材构成的部件(12)的表面(12a)，且包括呈束状密集的由Al₂O₃构成的实心的柱状组织(22)，在相邻的柱状组织(22)彼此的边界(23)，沿着边界(23)形成有多个粒状的空孔(24)。

Description

氧化覆膜以及带有氧化覆膜的部件

技术领域

本发明涉及氧化覆膜以及带有氧化覆膜的部件。

背景技术

从形成内燃机的燃烧室的活塞等的部件表面向外部流出的热量成为热损失，并带来内燃机的热效率的下降。作为抑制热量在部件表面的流出的方法，减小部件表面的热容量使部件表面的温度容易追随燃烧气体温度而减小温度差、提高部件表面的隔热性是有效的。在专利文献1中，公开有：利用溅射覆膜将沿阳极氧化覆膜的厚度方向延伸的多个孔的上方的开口封闭，将形成有多个空孔部的覆膜形成于活塞的上表面而提高隔热性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2017-61722号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，如专利文献1那样，通过溅射处理将由阳极氧化处理而形成的孔封闭的方法存在工序数量多并繁琐，且带来成本增加的课题。

本发明的目的在于，提供能够以低成本容易地形成、且能够抑制热量在部件表面的流出的氧化覆膜以及具备所述氧化覆膜的带有氧化覆膜的部件。

用于解决课题的方案

作为上述课题的解决方案，技术方案1所记载的发明是在由铝母材构成的部件12的表面12a形成的氧化覆膜18，其中，所述氧化覆膜包括呈束状密集的由Al₂O₃构成的实心的柱状组织22，沿着相邻的所述柱状组织22彼此的边界23形成有多个粒状的空孔24。

根据该结构，多个粒状的空孔24、即多个封闭的气泡沿着柱状组织22彼此的边界23存在，由此氧化覆膜18的热容量与铝母材相比较小，另外隔热性较高，因此氧化覆膜18作为隔热层而发挥功能。另外，无需在空孔24的形成中进行利用溅射的封孔处理，因此氧化覆膜18的形成容易且能够降低成本。

在技术方案2所记载的发明中，多个柱状组织22呈束状密集而得到的柱状组织束区域26沿所述部件12的表面12a的面方向形成有多个，各个所述柱状组织束区域26至少与相邻的所述柱状组织束区域26一部分重叠，在所述柱状组织束区域26彼此重叠的部分存在边界27。

根据该结构，在柱状组织束区域26彼此重叠的边界27附近形成较多的空孔24，因此氧化覆膜18的隔热性提升。

在技术方案3所记载的发明中，氧化覆膜18的平均膜厚H为10μm以上且75μm以下。

根据该结构，能够兼顾隔热性的维持、以及由氧化覆膜18容易将热量释放出带来的表面温度对燃烧气体温度的追随性的提升。

在技术方案4所记载的发明中，柱状组织22的平均宽度D为1.1μm以下。

根据该结构，氧化覆膜18的隔热效果提升。

技术方案5所记载的发明是在由铝母材构成的部件12的表面12a形成有氧化覆膜18的带有氧化覆膜的部件20。

根据该结构，能够提供能够以低成本容易地制造的、具有优异的隔热效果的带有氧化覆膜的部件20。

在权利要求6所记载的发明中，部件是活塞12，所述氧化覆膜18形成于所述活塞12的上表面12a的、比沿着俯视下的所述活塞12的轮廓的规定的宽度d的环状区域A靠内侧的区域B。

根据该结构，成为能够以低成本容易地制造的、具有优异的隔热效果的活塞12。另外，燃烧室2内的挤气区(squish area)的面粗糙度管理变得容易，因此容易抑制自发点火(爆震(knocking))。

发明效果

根据本发明，能够提供能够以低成本容易地形成、且能够抑制热量在部件表面的流出的氧化覆膜以及具备所述氧化覆膜的带有氧化覆膜的部件。

附图说明

图1是示出具备带有实施方式的氧化覆膜的活塞(带有氧化覆膜的部件)的发动机的主要部分的概要图。

图2是图1的发动机所具备的活塞的俯视图。

图3是图2的活塞的上部的I-I剖视图。

图4是将图3的氧化覆膜的一部分放大而示出的放大图。

图5是示出向活塞的上表面一边扫描激光一边照射激光而形成氧化覆膜的情形的说明图。

图6是将其他实施方式的氧化覆膜的一部分放大而示出的放大图。

图7是实施例1的氧化覆膜的厚度方向的剖面的显微镜照片。

附图标记说明：

1 发动机1

10 工作缸

12 活塞(部件)

12a 活塞的上表面(部件的表面)

14 吸气阀

16 排气阀

18、18A 氧化覆膜

20 带有氧化覆膜的部件

22 柱状组织

23 柱状组织彼此的边界

24 空孔

26 柱状组织束区域

27 柱状组织束区域彼此的边界

28 微小柱状组织

30 块

31 晶界。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。需要说明的是，在以下的说明中例示的图的尺寸等为一例，本发明不必限定于此，能够在不变更其主旨的范围内适当变更而实施。

实施方式的氧化覆膜是在由铝母材构成的部件的表面形成的氧化覆膜。图1是示出实施方式的发动机1的主要部分的概要图。

发动机1具备工作缸10、活塞12、吸气阀14以及排气阀16。发动机1的内部的由工作缸10的壁面10a、气缸盖的燃烧室的壁面11、吸气阀14、排气阀16以及活塞12的上表面12a包围的区域成为燃烧室2。

活塞12由铝构成。即，活塞12是由铝母材构成的部件。

活塞12具备收容活塞环15的活塞环收容槽13。活塞环收容槽13以绕活塞轴线O1的周围环绕的方式形成于活塞12的外周面。在活塞12的活塞环收容槽13的下侧以绕活塞轴线O1环绕的方式形成有油环收容槽17。

已知在活塞环收容槽13的与活塞轴线O1大致正交的一对侧面部13a、13b形成有耐摩擦用的镀层，而抑制活塞的摩擦。但是，该方法需要专用的镀敷流程(日文：メツキ行程)，工序数量增加且需要镀敷设备，而带来成本的增加。

在本实施方式中，活塞环收容槽13的与活塞12的往复运动方向大致正交且相互面对的一对侧面部13a、13b实施抛光(burnishing)加工而进行了表面精加工。由此，无需镀敷设备，能够在一系列的机械加工的流程内进行成型活塞环收容槽13的切削加工以及活塞环收容槽13的表面精加工，因此能够抑制成本并且提升侧面部13a、13b的耐磨损性。

需要说明的是，也可以还对活塞环收容槽13的底面(与活塞轴线O1大致平行的圆周面)实施抛光加工。活塞环收容槽13的对置的一对侧面部13a、13b无需是相互严密平行的面，例如也可以是由从底面部朝向半径方向外侧而相互远离的锥面构成的一对侧面部13a、13b。

油环收容槽17也可以实施抛光加工，也可以不实施抛光加工。

如图1以及图2所示，在由铝母材构成的部件的表面、即活塞12的上表面12a形成有氧化覆膜18。这样，发动机1具备带有氧化覆膜18的活塞12即带有氧化覆膜的部件20。

如图3以及图4所示，氧化覆膜18包括呈束状密集的多个柱状组织22。柱状组织22是由Al₂O₃构成的实心的柱状的组织。在相邻的柱状组织22彼此的边界23，沿着边界23形成有多个粒状的空孔24、即封闭的气泡。

需要说明的是，“柱状组织为实心”不是指在组织内部具有沿长度方向延伸的中空部的筒状，而是指内部实质上被Al₂O₃充满的柱状组织的意思。在“实心的柱状组织”中也能包括在制造上不可避免地在内部形成有少量气泡的柱状组织。

氧化覆膜18通过向活塞12的上表面12a一边吹送氧一边照射激光而形成。通过一边吹送氧一边照射激光，从而活塞12的上表面12a被急速加热、急速冷却。由此，铝母材熔解，与氧发生反应而成为Al₂O₃，并在冷却时呈柱状成长，从而形成呈束状密集的柱状组织22。另外，向柱状组织22彼此的边界23混入吹送的氧、或者氧浓度比大气高的空气，沿着边界23形成多个空孔24。在空孔24中含有氧、或者氧浓度比大气高的空气。

柱状组织22的平均宽度D(图3)优选为1.1μm以下，更优选为0.7μm以下。若柱状组织22的平均宽度D为所述上限值以下，则氧化覆膜18的隔热效果提升。基于柱状组织22的形成容易这点，柱状组织22的平均宽度D优选为0.2μm以上。

需要说明的是，柱状组织22的平均宽度D是指，在将氧化覆膜18沿厚度方向切断而得到的任意的剖面中对随机地选择出的50个柱状组织22测定出的宽度的平均值。

空孔24的平均直径优选为0.05μm以上且0.13μm以下，更优选为0.09μm以上且0.13μm以下。若空孔24的平均直径为所述范围内，则氧化覆膜18的隔热效果提升，并且热容量变小，因此表面温度容易追随燃烧气体的温度。

需要说明的是，空孔24的平均直径是指，在将氧化覆膜18沿厚度方向切断而得到的任意的剖面中对随机地选择出的200个空孔24测定出的最大直径的平均值。空孔的平均直径、数量根据激光的扫描速度、间距等条件而变化。

如图2所示，氧化覆膜18形成于活塞12的上表面12a的、比沿着俯视下的活塞12的轮廓的规定的宽度d的环状区域A靠内侧的区域B。在活塞12的上表面12a的环状区域A没有形成氧化覆膜18。由此，燃烧室2内的挤气区的面粗糙度管理变得容易，容易抑制自发点火(爆震)。

环状区域A的宽度d优选为2.5mm以上且3.0mm以下。

如图2～4所示，在该例子的氧化覆膜18中，多个柱状组织22呈束状密集而得到的柱状组织束区域26沿活塞12的上表面12a的面方向形成有多个。另外，各个柱状组织束区域26至少与相邻的柱状组织束区域26一部分重叠。在柱状组织束区域26彼此重叠的部分存在柱状组织束区域26彼此的分界线即边界27。在该例子中，在氧化覆膜18中，局部地三个或者四个柱状组织束区域26重叠而成为层状。

需要说明的是，氧化覆膜18中的柱状组织束区域26重合的方案并不限定于如该例子那样成为三层或者四层的方案。例如，也可以是包括各个柱状组织束区域26仅与相邻的柱状组织束区域26重叠而成为两层的部分的方案，也可以是包括柱状组织束区域26重叠有五层以上的部分的方案。

多个柱状组织束区域26局部地呈层状重叠的氧化覆膜18的形成方法没有特别限定。例如，能够例示如下方法：如图5所示，对活塞12的上表面12a的环状区域B在吹送氧的同时，一边沿箭头Y方向隔开规定的间隔地向箭头X方向以及与箭头X方向相反的方向扫描激光L一边照射激光L。一边扫描激光L一边照射激光L，从而在照射重叠的范围内，由于之前的激光L的照射而熔解并固化了的部分的一部分再熔解，柱状组织22成长而呈层状重叠并且柱状组织束区域26依次形成。

需要说明的是，在图5中说明的实施例中，使激光以沿图5的左右方向往复的方式扫描，但也可以是将扫描方向设为仅在一方向(例如，从图5的左朝向右的朝向(箭头x方向))上，并沿箭头Y方向隔开规定的间隔地使激光扫描多次的方法。

存在如下倾向：扫描的激光L的箭头Y方向上的间距(间隔)P越小，扫描速度越慢，则覆膜再熔解的影响越大，柱状组织束区域26彼此的边界27的倾斜越大。另外，存在如下倾向：扫描的激光L的箭头Y方向上的间距P越大，扫描速度越快，则柱状组织束区域26彼此的边界27的倾斜越小。

在各个柱状组织束区域26之间，各柱状组织22的中心轴的方向既可以相同，也可以不同。一个柱状组织束区域26内的各柱状组织22的中心轴的方向也是既可以相同，也可以不同。

如图4所示，柱状组织束区域26彼此的边界27处的、活塞12侧(母材侧)的柱状组织束区域26的面向边界27的表层部分形成有多个比柱状组织22细小的微小柱状组织28而成为鳞状。在微小柱状组织28彼此的边界、微小柱状组织28与柱状组织22之间的边界，也沿着该边界形成有多个粒状的空孔24。当形成这样的鳞状的构造时，由于在柱状组织束区域26的面向边界27的表层部分形成有较多的空孔24，因此氧化覆膜18的作为隔热层的功能提升。

这样的鳞状的构造通过以照射范围局部地重叠的方式一边扫描激光一边照射激光而形成。虽然未必明确，但认为这是，在柱状组织束区域26之上进一步形成重叠的柱状组织束区域26时的热量产生影响，在已经形成了柱状组织22的部分形成微小柱状组织28。

氧化覆膜18的平均膜厚H(图1)优选为10μm以上且75μm以下，更优选为50μm以上且75μm以下。若氧化覆膜18的平均膜厚为所述下限值以上，则容易维持隔热性。若氧化覆膜18的平均膜厚为所述上限值以下，则氧化覆膜18容易将热量释放出，从而表面温度对燃烧气体温度的追随性提升。

需要说明的是，氧化覆膜18的平均膜厚H是指对氧化覆膜18的随机地选择出的20个部位测定出的膜厚的平均值。氧化覆膜18的平均膜厚H能够根据激光的扫描速度、间距P等条件而调整。

作为带有氧化覆膜的部件20的制造方法，例如能够举出如前述那样向活塞12的上表面12a一边吹送氧一边扫描并照射激光，而形成氧化覆膜18的方法。

使用的激光没有特别限定，例如，能够例示含有钇的固体激光。激光的扫描速度、间距P、能量密度等条件能够适当设定。

如以上说明的那样，在发动机1中，在面向燃烧室2的活塞12的上表面12a形成有氧化覆膜18。并且，氧化覆膜18包括呈束状密集的由Al₂O₃构成的多个实心的柱状组织22，且沿着柱状组织22彼此的边界23形成有多个空孔24。空孔24中含有的氧、或者氧浓度比大气高的空气与铝相比热容量较小。因此，氧化覆膜18与活塞12相比热容量较小，表面温度容易追随燃烧气体温度。另外，氧、或者氧浓度比大气高的空气与铝相比隔热性优异，因此氧化覆膜18与活塞12相比隔热性优异。由此，通过在活塞12的上表面12a形成氧化覆膜18，能够降低热量经由活塞12而从燃烧室2流出的流出量。

另外，空孔(气泡)24通过一边吹送氧一边照射激光从而在柱状组织22间以封闭的状态形成。因此，无需以往技术那样的封孔工序，能够容易地以低成本形成氧化覆膜18。

本发明的氧化覆膜特别适于搭载有单缸发动机的二轮车等跨骑型车辆等、需要将车辆价格抑制得比较低的车辆的发动机。并且，由于空冷发动机难以使发动机的冷却量积极地变化，因此本发明的氧化覆膜特别适于降低热量向空冷发动机的燃烧室外部的扩散量的情况。

需要说明的是，本发明的氧化覆膜并不限定于在活塞的上表面形成的方案。例如，也可以设为在发动机的气缸盖的燃烧室侧的壁面形成有氧化覆膜的带有氧化覆膜的部件。

例如，如图6所示，也可以在活塞12的上表面12a代替氧化覆膜18而形成氧化覆膜18A。氧化覆膜18A除了中心轴向与柱状组织束区域26内的其他柱状组织22不同的柱状组织22的块30以跨越柱状组织束区域26彼此的边界27的方式存在，且沿着块30的周围的晶界31形成有多个空孔24以外，是与氧化覆膜18相同的方案。

氧化覆膜18A也包括多个实心的柱状组织22，且也沿着柱状组织22彼此的边界23、块30的晶界31形成有多个空孔24，因此隔热效果高。氧化覆膜18A例如通过对活塞12的上表面12a一边吹送氧一边进行两次以上激光照射而形成。

以下，通过实施例具体地说明本发明，但本发明并不被以下的记载限定。

[实施例1]

向铝制的板状的试验片(纵20mm×横20mm×厚度10mm)的表面，在吹送氧的同时，一边沿横向以0.075mm的间距隔开间隔地在纵方向上以50mm/s扫描激光(能量密度：500J/cm²)一边照射激光(能量密度：500J/cm²)，从而形成了由Al₂O₃构成的氧化覆膜。在图7中示出利用FE-SEM对以与所述试验片的纵方向垂直的面将氧化覆膜切断得到的剖面进行观察而得到的显微镜照片。

氧化覆膜的平均膜厚为50μm，柱状组织的平均宽度为0.7μm，空孔的平均直径为0.06μm。在利用激光闪光(laser flash)法对氧化覆膜的热传导率进行测定后，为6.0W/m·K，隔热性优异。

Claims (6)

1.一种氧化覆膜，其是在由铝母材构成的部件(12)的表面(12a)形成的氧化覆膜(18)，其中，

所述氧化覆膜包括呈束状密集的由Al₂O₃构成的实心的柱状组织(22)，

沿着相邻的所述柱状组织(22)彼此的边界(23)形成有多个粒状的空孔(24)。

2.根据权利要求1所述的氧化覆膜，其中，

多个柱状组织(22)呈束状密集而得到的柱状组织束区域(26)沿所述部件(12)的表面(12a)的面方向形成有多个，

各个所述柱状组织束区域(26)至少与相邻的所述柱状组织束区域(26)一部分重叠，在所述柱状组织束区域(26)彼此重叠的部分存在边界(27)。

3.根据权利要求1或2所述的氧化覆膜，其中，

平均膜厚(H)为10μm以上且75μm以下。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的氧化覆膜，其中，

所述柱状组织(22)的平均宽度(D)为1.1μm以下。

5.一种带有氧化覆膜的部件，其中，

所述带有氧化覆膜的部件在由铝母材构成的部件(12)的表面(12a)形成有权利要求1～4中任一项所述的氧化覆膜(18)。

6.根据权利要求5所述的带有氧化覆膜的部件，其中，

所述部件是活塞(12)，

所述氧化覆膜形成于所述活塞(12)的上表面(12a)的、比沿着俯视下的所述活塞(12)的轮廓的规定的宽度(d)的环状区域(A)靠内侧的区域(B)。

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