DE102021128324A1

DE102021128324A1 - Kolben für verbrennungsmotor und dessen herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102021128324A1
Application number: DE102021128324.8A
Authority: DE
Inventors: Hiroomi Tanaka
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2021-10-29
Publication date: 2022-05-05
Also published as: JP2022072859A

Abstract

[Zu lösendes Problem] Bereitstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor mit einem auf der Oberfläche des Kolbenbodens gebildeten anodisierten Film, der in der Lage ist, in einer Hochtemperaturumgebung bei der Verbrennung im Verbrennungsmotor einen abgedichteten Zustand aufrechtzuerhalten, und der ausgezeichnete wärmeisolierende Eigenschaften aufweist, sowie dessen Herstellungsverfahren.[Lösung] Das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung implementiert den Prozess zum Versiegeln des anodisierten Films, der auf der Kolbenbodenfläche 11 des aus einer Aluminiumlegierung 15 hergestellten Kolbens 10 für einen Verbrennungsmotor gebildet ist, unter Verwendung einer Versiegelungsflüssigkeit, die Lithiumionen enthält. Der anodisierte Film 20A auf der Kolbenbodenoberfläche des Kolbens für einen Verbrennungsmotor der vorliegenden Erfindung umfasst einen porösen Abschnitt 21A und einen versiegelten Abschnitt 22A, der durch Versiegeln der Pore im Oberflächenteil des anodisierten Films in Beisein der Verbindung aus Lithium, Aluminium und Sauerstoff gebildet wird. Ein umschlossener Raum 23A ist zwischen dem versiegelten Abschnitt 22A und der Kolbenbodenfläche 11 gebildet.

Description

[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, wobei der Kolben einen anodisierten Film auf einer Kolbenbodenoberfläche aufweist, und betrifft ein Herstellungsverfahren für denselben.
[Technischer Hintergrund]
Kühlungsverluste machen einen großen Teil der verschiedenen Arten von Verlusten aus, die in Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen auftreten. Es hat viele Versuche gegeben, den Kühlverlust durch Abschirmen des Brennraums zu verringern. So wurde beispielsweise versucht, eine Hitzeschutzbeschichtung auf einer Bodenfläche eines Kolbens aus einer Aluminiumlegierung zu bilden, die zur Verbesserung der wärmeisolierenden Eigenschaften erforderlich ist, damit der Kühlverlust während der Verbrennung verringert werden kann. Es gibt eine Hitzeschutzbeschichtung, die für den Oberflächenschutz unter Verwendung von Lack, der mit einer anorganischen Verbindung gemischt ist, oder für einen Oberflächenschutz unter Verwendung eines anodisierten Films, der Versiegelungsprozessen unter Verwendung von kochendem Wasser unterzogen wurde, gebildet wird. In einer Hochtemperaturumgebung, die durch die Verbrennung in einem Motor verursacht wird, wird beim ersteren Oberflächenschutz die Lackkomponente verbrannt, was das Zurückhalten der anorganischen Verbindung erschwert. Beim letztgenannten Oberflächenschutz wird das Hydrat zur Versiegelung des anodisierten Films zersetzt, was das Problem der Zersetzung des versiegelten Zustands verursacht. Die Auflösung des versiegelten Zustands kann die wärmeisolierende Wirkung aufgrund der Porosität der anodisierten Folie verschlechtern.
Darüber hinaus offenbart die Patentschrift 1 die Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit des anodisierten Films, der auf der Oberfläche der Aluminiumlegierung gebildet wurde, und das Verfahren zur Versiegelung der Oberfläche des anodisierten Films, der auf der Oberfläche der Aluminiumlegierung gebildet wurde, unter Verwendung der Versiegelungsflüssigkeit, die Lithiumionen in einer Menge von 0,02 bis 20 g/L enthält und einen pH-Wert von 10,5 oder mehr hat, bei einer Temperatur von bis zu 65 °C. Dieses Verfahren kann in einem kurzen Zeitraum ausgeführt werden.
[Patentliteratur]
[Patentschrift 1] JP 2010-077532 A
[Offenbarung der Erfindung]
[Problem, das durch die Erfindung gelöst werden soll]
In Anbetracht dieser Probleme ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, wobei der Kolben einen anodisierten Film auf der Kolbenbodenoberfläche aufweist, der die Aufrechterhaltung des abgedichteten Zustands auch unter einer Hochtemperaturumgebung aufgrund der Verbrennung im Verbrennungsmotor sicherstellt und hervorragende Wärmeisolierungseigenschaften aufweist. Ferner soll ein Herstellungsverfahren dafür angegeben werden.
[Mittel zur Lösung des Problems]
Um das Ziel zu erreichen, schafft die vorliegende Erfindung in einem Aspekt ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, das umfasst die Bildung eines anodisierten Films auf einer Kolbenbodenfläche eines aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Kolbens für einen Verbrennungsmotor, und Ausführen eines Versiegelungsprozesses an einer Oberfläche des anodisierten Films unter Verwendung einer Versiegelungsflüssigkeit, die Lithiumionen enthält, um einen umschlossenen Raum in dem versiegelten anodisierten Film zu bilden.
Darüber schafft die vorliegende Erfindung, in einem anderen Aspekt, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einer Kolbenbodenoberfläche, der Folgendes umfasst: einen anodisierten Film auf der Oberfläche des Kolbenbodens, wobei eine Öffnung einer Pore in einem Oberflächenteil des anodisierten Films versiegelt ist, eine Verbindung aus Lithium, Aluminium und Sauerstoff in dem Oberflächenteil einschließlich der versiegelten Öffnung der Pore vorhanden ist und ein umschlossener Raum zwischen dem Oberflächenteil einschließlich der versiegelten Öffnung der Pore und der Kolbenbodenoberfläche besteht. [Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung]
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Versiegelungsprozess auf dem anodisierten Film auf der Oberfläche des Kolbenbodens mit der Versiegelungsflüssigkeit durchgeführt, die Lithiumionen enthält, um die Öffnungen der Poren im Oberflächenteil des Films zu versiegeln, so dass umschlossene Räume in dem Film gebildet werden. Der Oberflächenteil, in dem die Porenöffnungen versiegelt sind, zersetzt sich auch in einer Umgebung mit hohen Temperaturen nicht. Die resultierende Oberfläche des Kolbenbodens gewährleistet die Aufrechterhaltung der umschlossenen Räume und weist hohe Wärmeisolationseigenschaften auf.
Figurenliste

1 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die schematisch einen Teil einer Kolbenbodenfläche des Kolbens für eine Brennkraftmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die schematisch einen Teil der Kolbenbodenfläche des Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die schematisch einen Teil der Kolbenbodenfläche des Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 zeigt vergrößerte Querschnittsansichten, die schematisch ein Herstellungsverfahren eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen, bei dem ein anodisierter Film als AC/DC-Überlagerungselektrolysefilm gebildet wird.
5 zeigt vergrößerte Querschnittsansichten, die schematisch ein Herstellungsverfahren eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen, wenn der anodisierte Film als Gleichstromelektrolysefilm ausgebildet ist.
6 ist ein Diagramm, das jedes Korrosionsflächenverhältnis der anodisierten Filme gemäß einem Beispiel und einem Vergleichsbeispiel bei Behandlungstemperaturen zeigt.

[Weg zum Ausführen der Erfindung]
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden eine Ausführungsform des Kolbens für einen Verbrennungsmotor und dessen Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet, da sie das Verständnis erleichtern sollen.
Wie in 1 dargestellt, weist ein Kolben 10 für einen Verbrennungsmotor gemäß dieser Ausführungsform einen anodisierten Film 20A auf, die auf einer Kolbenbodenfläche 11 ausgebildet ist. Die eloxierte Schicht 20A umfasst einen porösen Abschnitt 21A, der den Zustand beibehält, in dem Zellen durch Eloxieren aus dem Grundmaterial einer Aluminiumlegierung 15 gewachsen sind, und einen versiegelten Abschnitt 22A mit Porenöffnungen in einem Oberflächenteil des Films, der durch einen Versiegelungsprozess versiegelt ist. Zwischen den Zellen im porösen Abschnitt 21A befinden sich jeweils Zwischenräume. Der Raum wird als umschlossener Raum 23A bezeichnet, da er zwischen dem abgedichteten Abschnitt 22A des Oberflächenteils und der Kolbenbodenfläche 11 abgedichtet ist. Der umschlossene Raum 23A wird auch als Luftraum bezeichnet, da Luft vorhanden ist.
Der Kolben 10 für einen Verbrennungsmotor wird üblicherweise aus einer Aluminiumlegierung hergestellt. Die Aluminiumlegierung enthält im Allgemeinen Silizium (Si) als Bestandteil, der die Verschleißfestigkeit und die Haftfestigkeit des Aluminiums gewährleistet. Beispiele für diese Aluminiumlegierungen sind AC-Werkstoffe wie die Serien AC4, AC8, AC8A und AC9, ADC-Werkstoffe wie ADC10 bis ADC14 und die Serie A4000.
Die Kolbenbodenfläche 11 des Kolbens 10 für einen Verbrennungsmotor muss wärmeisolierende Eigenschaften aufweisen, um den Kühlverlust bei der Verbrennung zu verringern. Die Verbesserung der wärmeisolierenden Eigenschaften ermöglicht eine Verringerung des Kühlverlustes und eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors. Die Kolbenbodenoberfläche 11 muss eine glatte Oberfläche aufweisen. Wenn die Oberflächenrauheit abnimmt, verbessert sich die Strömung im Brennraum (es ist wahrscheinlich, dass die Strömung wie vorgesehen erfolgt). Insbesondere bei Motoren mit Direkteinspritzung (Motoren, bei denen der Kraftstoff direkt in den Brennraum eingespritzt wird) verringert sich mit abnehmender Oberflächenrauheit die Menge des am Kolben haftenden Kraftstoffs, was den Kraftstoffverbrauch verbessert. Die Verringerung der Kolbenbodenoberfläche 11 unterdrückt den Kühlverlust.
Der versiegelte Abschnitt 22A des Oberflächenteils der eloxierten Schicht 20A der Ausführungsform wird unter Verwendung der Versiegelungsflüssigkeit gebildet, die Lithiumionen in Gegenwart einer Lithium, Aluminium und Sauerstoff enthaltenden Verbindung enthält. Im Gegensatz zu herkömmlichen Versiegelungsprozessen mit kochendem Wasser wird der versiegelte Abschnitt der Ausführungsform in der Hochtemperaturumgebung bei der Motorverbrennung nicht zersetzt. Die umschlossenen Räume (Lufträume) 23A, die zwischen dem Versiegelungsabschnitt 22A und der Kolbenbodenfläche 11 abgedichtet sind, bleiben auch in der Hochtemperaturumgebung erhalten. Dadurch kann die Kolbenbodenfläche hohe Wärmedämmeigenschaften aufweisen.
Ein Verfahren zur Herstellung des Kolbens für einen Verbrennungsmotor mit dem oben erwähnten anodisierten Film, der auf der Oberfläche des Kolbenbodens gebildet wird, umfasst: einen Anodisierungsschritt der Bildung eines anodisierten Films auf der Oberfläche des Kolbenbodens eines aus einer Aluminiumlegierung hergestellten Kolbens für einen Verbrennungsmotor, und dann einen Versiegelungsschritt der Versiegelung von Poren in dem anodisierten Film unter Verwendung einer Versiegelungsflüssigkeit, die Lithiumionen enthält. Diese Schritte werden im Folgenden beschrieben.
Es ist möglich, für den Anodisierungsschritt ein allgemein angewandtes Anodisierungsverfahren zu verwenden, das in der Lage ist, einen anodisierten Film auf der Oberfläche einer Aluminiumlegierung zu bilden. Zum Beispiel werden eine Elektrodenplatte aus Titan, Kohlenstoff oder ähnlichem als Kathode und der Kolben für einen Verbrennungsmotor als Anode in ein saures Behandlungsbad aus Schwefelsäure, Oxalsäure, Phosphorsäure, Chromsäure oder ähnlichem oder in ein basisches Behandlungsbad aus Natriumhydroxid, Natriumphosphat, Natriumfluorid oder ähnlichem eingetaucht. Anschließend wird eine Elektrolyse durchgeführt wird, um die Aluminiumlegierung auf der Oberfläche des Kolbens für einen Verbrennungsmotor zu oxidieren, so dass der anodisierte Film gebildet werden kann.
Als Elektrolyseverfahren kann ein Gleichstrom-Elektrolyseverfahren, ein AC/DC-Überlagerungselektrolyseverfahren oder ähnliches verwendet werden. Das AC/DC-Überlagerungselektrolyseverfahren ist vorzuziehen, da die resultierende Eloxalschicht der anodisierte Film eine geringere Wärmeleitfähigkeit und eine glattere Oberfläche aufweist. Die Unterschiede in der Struktur der Eloxalschicht, die sich aus dem elektrolytischen Verfahren ergeben, und die sich daraus ergebenden Auswirkungen werden im Einzelnen erläutert. Sowohl das Gleichstrom-Elektrolyseverfahren als auch das AC/DC-(Wechselstrom-Gleichstrom-)Überlagerungs-Elektrolyseverfahren ermöglichen die Bildung einer porösen Eloxalschicht, bei der die Zelle aus der Aluminiumlegierung wächst.
Obwohl nicht spezifisch begrenzt, liegt die Dicke des anodisierten Films, der im Anodisierungsschritt gebildet wird, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 500 µm, und noch bevorzugter von 10 bis 200 µm.
Bei dem Versiegelungsverfahren werden die Poren im Oberflächenteil der eloxierten Schicht durch Auftragen oder Aufsprühen der Versiegelungsflüssigkeit, die Lithiumionen enthält, auf den Kolben für einen Verbrennungsmotor mit der eloxierten Schicht oder durch Eintauchen des Kolbens in die Versiegelungsflüssigkeit versiegelt. Genauer gesagt, wird der Oberflächenteil der eloxierten Schicht in der Versiegelungsflüssigkeit aufgelöst und neu abgeschieden, so dass der versiegelte Abschnitt mit den versiegelten Poren auf der Oberfläche der eloxierten Schicht gebildet wird. In dem Oberflächenteil mit den versiegelten Poren ist neben dem Aluminiumoxid auch die Verbindung aus Lithium, Aluminium und Sauerstoff vorhanden. Der Oberflächenteil mit versiegelten Poren wird selbst in der Hochtemperaturumgebung, die an dem Kolben für einen Verbrennungsmotor herrscht, nicht zersetzt, so dass der versiegelte Zustand nicht aufgehoben wird.
Die Versiegelungsflüssigkeit ist eine wässrige Lösung, die Lithiumionen enthält. Als Lithiumionenquelle können Lithiumsulfat, Lithiumchlorid, Lithiumsilikat, Lithiumnitrat, Lithiumcarbonat, Lithiumphosphat, Lithiumhydroxid und dergleichen verwendet werden. Als wässrige Lösung, die Basizität aufweist, werden vorzugsweise Lithiumhydroxid, Lithiumcarbonat und Lithiumsilikat verwendet. Die Verwendung von hochgiftigem Lithiumsilikat ist nicht praktikabel, da es in Wasser unlöslich ist. Dementsprechend ist es besser, Lithiumcarbonat und Lithiumhydroxid zu verwenden.
Die Lithiumionenkonzentration der Versiegelungsflüssigkeit beeinflusst die Dicke der anodisierten Filmoberfläche, die dem Versiegelungsprozess unterzogen wird. Mit zunehmender Lithiumionenkonzentration nimmt die Dicke der dem Versiegelungsprozess unterzogenen eloxierten Schicht zu. Auch die Temperatur der Versiegelungsflüssigkeit beeinflusst die Dicke der dem Versiegelungsprozess unterzogenen anodisierten Filmoberfläche. Mit zunehmender Temperatur der Versiegelungsflüssigkeit nimmt die Dicke der dem Versiegelungsprozess unterzogenen eloxierten Schicht zu. In den 1 bis 3 sind drei typische Muster dargestellt, die jeweils eine unterschiedliche Dicke des dem Versiegelungsprozess unterzogenen anodisierten Films anzeigen.
Vorzugsweise beträgt die untere Grenze der Lithiumionenkonzentration der Versiegelungsflüssigkeit 0,02 g/L oder mehr und die untere Grenze der Temperatur der Versiegelungsflüssigkeit 10 °C oder mehr. Die Verwendung der Versiegelungsflüssigkeit mit einer Lithiumionenkonzentration von 0,02 g/L oder mehr bei einer Temperatur von 10 °C oder mehr beschleunigt die Reaktion des Versiegelungsprozesses, so dass die Poren im Oberflächenteil der anodisierten Folie 21A ausreichend versiegelt werden. Dies ermöglicht es, die umschlossenen Räume 23A, die wärmeisolierende Eigenschaften aufweisen, zwischen dem abgedichteten Abschnitt 22A und der Kolbenbodenfläche 11 zu schaffen.
Vorzugsweise liegt die Obergrenze der Lithiumionenkonzentration bei 10 g/L oder weniger, noch bevorzugter bei 2 g/L oder weniger und noch bevorzugter bei 0,08 g/L oder weniger. Vorzugsweise beträgt die Obergrenze der Temperatur der Versiegelungsflüssigkeit 50° C oder weniger, und noch bevorzugter 25° C oder weniger. Wenn die Versiegelungsflüssigkeit mit einer Lithiumionenkonzentration von 0,08 g/L oder weniger bei einer Temperatur von 25° C oder weniger verwendet wird, wird der umschlossene Raum 23A, der wärmeisolierende Eigenschaften aufweist, in einem größeren Raum gebildet, was zu hervorragenden wärmeisolierenden Eigenschaften führt. Es ist möglich, den versiegelten Abschnitt 22A mit einer Dicke auszubilden, die 10 bis 20 % der Dicke der eloxierten Schicht 20A nach Ausführung des Versiegelungsprozesses ausmacht.
Unter den Bedingungen, bei denen die Lithiumionenkonzentration 0,08 g/L oder weniger beträgt, nimmt bei einer Temperatur der Versiegelungsflüssigkeit von mehr als 25° C, aber nicht mehr als 50° C, die Dicke des Oberflächenteils der eloxierten Schicht 21A, die dem Versiegelungsprozess unterzogen wird, zu, und der umschlossene Raum 23A, der zwischen dem abgedichteten Abschnitt 22A und der Kolbenbodenfläche 11 abgedichtet wird, ist kürzer. Dies kann zu einer Verringerung der Wärmeisolationseigenschaften im Vergleich zu dem in 1 dargestellten Fall führen. Eine hohe Wärmedämmung ist jedoch weiterhin gewährleistet. Unter Bedingungen, bei denen die Lithiumionenkonzentration 0,08 g/L, aber nicht mehr als 2 g/L übersteigt, wird der umschlossene Raum genauso lang wie der oben beschriebene, so dass er hohe Wärmeisolationseigenschaften aufweist, vorausgesetzt, die Temperatur der Versiegelungsflüssigkeit beträgt 25 °C oder weniger.
Darüber hinaus wird unter Bedingungen, bei denen die Lithiumionenkonzentration 2 g/L, aber nicht mehr als 10 g/L übersteigt, und die Temperatur der Versiegelungsflüssigkeit 25° C, aber nicht mehr als 50° C übersteigt, die Dicke des Oberflächenteils eines anodisierten Films 21C, der dem Versiegelungsprozess unterzogen wird, erheblich größer, um einen umschlossenen Raum 23C zu verkürzen, der zwischen einem Versiegelungsabschnitt 22C und der Kolbenbodenfläche 11 abgedichtet wird. Dennoch kann der umschlossene Raum 23C, der wärmeisolierende Eigenschaften aufweist, gebildet werden. Zum Beispiel ist es möglich, den versiegelten Abschnitt 22C mit der Dicke zu bilden, die 80 bis 90% der Dicke des versiegelten anodisierten Films 20C nach Ausführung des Versiegelungsprozesses ausmacht.
Unter den Bedingungen, bei denen die Lithiumionenkonzentration 2 g/L, aber nicht mehr als 10 g/L übersteigt und die Temperatur der Versiegelungsflüssigkeit 25° C oder weniger beträgt, nimmt die Dicke des Oberflächenteils einer anodisierten Folie 21B, die dem Versiegelungsprozess unterzogen wird, bis zu einem gewissen Grad zu, wie 2 zeigt. Ein umschlossener Raum 23B, der zwischen einem versiegelten Abschnitt 22B und der Kolbenbodenfläche 11 abgedichtet ist, gewährleistet jedoch hohe Wärmeisolationseigenschaften. Unter Bedingungen, bei denen die Lithiumionenkonzentration mehr als 0,08 g/L, aber nicht mehr als 2 g/L beträgt, und die Temperatur der Versiegelungsflüssigkeit mehr als 25 °C, aber nicht mehr als 50 °C beträgt, gewährleistet der umschlossene Raum 23B, wie er in 2 dargestellt ist, hohe Wärmeisolationseigenschaften. Zum Beispiel ist es möglich, den versiegelten Abschnitt 22B mit einer Dicke auszubilden, die 50 bis 60 % der Dicke des anodisierten Films 20B nach Ausführung des Versiegelungsprozesses ausmacht.
Vorzugsweise liegt die untere Grenze der Versiegelungszeit bei 0,5 Minuten oder mehr und die obere Grenze bei 5 Minuten oder weniger. Wenn die Verarbeitungszeit auf 0,5 Minuten oder mehr eingestellt wird, kann der Oberflächenteil des anodisierten Films aufgelöst und der versiegelte Abschnitt mit versiegelten Poren neu niedergeschlagen werden. Die Einstellung der Verarbeitungszeit auf 5 Minuten oder weniger verhindert, dass die anodisierte Folie vollständig aufgelöst wird, um den umschlossenen Raum mit wärmeisolierenden Eigenschaften zu sichern.
Die Struktur des umschlossenen Raums, der durch den Versiegelungsprozess gebildet wird, unterscheidet sich je nach dem Elektrolyseverfahren für den Anodisierungsschritt, d.h. AC/DC-Überlagerungselektrolyseverfahren oder Gleichstromelektrolyseverfahren. Das AC/DC-Überlagerungselektrolyseverfahren wird für die Anodisierungsbehandlung durch wiederholte Ausführung des Verfahrensschritts zum Anlegen einer positiven Spannung an das elektrolytisch zu bearbeitende Aluminiumlegierungselement und des Verfahrensschritts zum Entfernen elektrischer Ladungen durchgeführt. Im Falle der Anodisierungsbehandlung durch das AC/DC-Superpositions-Elektrolyseverfahren wächst der anodisierte Film (AC/DC-Superpositions-Elektrolysefilm) 21D, der durch das AC/DC-Superpositions-Elektrolyseverfahren gebildet wird, in einer zufälligen Richtung in Bezug auf die Kolbenbodenoberfläche 11 aus der Aluminiumlegierung 15 und weist keine Orientierung auf, wie 4(a) zeigt. Der Film wächst, während er das in der Aluminiumlegierung 15 enthaltene Silizium 16 hält, das elektrolytisch in der verzweigten Struktur in zufälliger Richtung verarbeitet wird. Dies ermöglicht die Bildung der anodisierten Schicht 21D mit einer dichten und glatten Oberfläche.
Das Gleichstrom-Elektrolyseverfahren ist das Verfahren zur Durchführung einer Eloxalbehandlung des Aluminiumlegierungselements, das bei konstanter Gleichspannung elektrolytisch bearbeitet wird. Im Falle der Eloxalbehandlung durch das Gleichstrom-Elektrolyseverfahren wächst, wie in 5(a) dargestellt, ein durch das Gleichstrom-Elektrolyseverfahren gebildeter Eloxalfilm (Gleichstrom-Elektrolysefilm) 21E vertikal auf die aus der Aluminiumlegierung 15 hergestellte Kolbenbodenfläche 11. Das Wachstum des Eloxalfilms 21E wird durch eine in der elektrolytisch zu verarbeitenden Aluminiumlegierung 15 enthaltene Ausscheidungsphase, z. B. Silizium 16, behindert, so dass sich auf der Oberfläche eine Vielzahl großer Hohlräume 24 bildet.
4(b) veranschaulicht den Versiegelungsprozess des AC/DC-Überlagerungselektrolysefilms 21D. 5(b) zeigt den Versiegelungsprozess für den DC-Elektrolysefilm 21E. Im Vergleich zum Versiegelungsprozess mit dem Gleichstromelektrolysefilm 21E wächst die Zelle beim Versiegelungsprozess mit dem AC/DC-Überlagerungselektrolysefilm 21D in einer zufälligen Richtung, während sie sich in eine Maschenstruktur verzweigt, und die Länge (oder der Abstand) der Zelle von der Kolbenbodenfläche 11 bis zum versiegelten Abschnitt 22D wird deutlich länger als die lineare Zelle im Fall des Gleichstromelektrolyseprozesses. Da die Zelle eine Maschenstruktur aufweist, ist der umschlossene Raum 23D zwischen dem abgedichteten Abschnitt 22D und der Kolbenbodenfläche 11 in eine Vielzahl von Abschnitten unterteilt. Dadurch wird verhindert, dass die bei der Verbrennung im Motor erzeugte Wärme auf die Oberfläche des Kolbenbodens 11 übertragen wird (mit anderen Worten, die Wärmeleitfähigkeit wird weiter reduziert). Es ist möglich, den Kühlverlust weiter zu unterdrücken.
Wie 5(b) zeigt, kann in dem Bereich, in dem der große Hohlraum 24 aufgrund der abgeschiedenen Phase von z. B. Silizium 16 entsteht und der Gleichstromelektrolysefilm 21E nicht an der Oberfläche gebildet wird, kein abgedichteter Abschnitt 22E gebildet werden, selbst wenn der Versiegelungsvorgang durchgeführt wird. Dementsprechend kann ein umschlossener Raum 23E in dem Bereich nicht gebildet werden. Selbst in dem Bereich, in dem der Gleichstromelektrolysefilm 21E an der Oberfläche gebildet wird, ist der Abstand zwischen dem abgedichteten Abschnitt 22E und der Kolbenbodenfläche 11 kurz, was zu dem kleinen umschlossenen Raum 23E führt. Die Wärmeleitfähigkeit der Eloxalschicht 20E ist tendenziell größer als die des AC/DC-Überlagerungselektrolyseverfahrens.
Die Oberfläche des AC/DC-Überlagerungselektrolysefilms 21D ist weniger rau und glatter als die Oberfläche des DC-Elektrolysefilms 21E. Dadurch ist es möglich, die Oberfläche des Kolbenbodens 11 zu verringern und den Kühlverlust weiter zu unterdrücken. Die Kraftstoffanhaftung an der Kolbenbodenfläche 11 wird reduziert, so dass der Kraftstoffverbrauch verbessert werden kann. Infolgedessen ist das elektrolytische AC/DC-Superpositionsverfahren für die Eloxalbehandlung vorteilhafter.
Bei der Versiegelung ist es vorteilhaft, den Prozess des Waschens mit Wasser und des Trocknens nach der Versiegelung mit der Versiegelungsflüssigkeit durchzuführen.
[Beispiel]
Ein Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung und ein Vergleichsbeispiel werden im Folgenden beschrieben.
Ein Prüfkörper aus einer Aluminiumlegierung (Material: ADC12) wurde einer Eloxalbehandlung im Sulfatbad (Elektrolysebedingung: 35 V, 15 Minuten) unterzogen, um auf der Oberfläche eine Eloxalschicht mit einer Dicke von etwa 10 µm zu bilden. Zur Versiegelung der Eloxalschicht wurde das Prüfstück in die Versiegelungsflüssigkeit mit einer Lithiumionenkonzentration von 5 g/L getaucht. Die Temperatur der Versiegelungsflüssigkeit betrug 25° C, und die Verarbeitungszeit betrug 1 Minute. Es wurde ein Korrosionstest der versiegelten Eloxalschicht durchgeführt. Bei der Korrosionsprüfung wurde das Prüfstück 240 Stunden lang Temperaturen zwischen 120 und 400° C ausgesetzt. Anschließend wurde die korrodierte Fläche auf der Oberfläche des Prüfstücks gemessen und als Korrosionsflächenverhältnis bei den jeweiligen Temperaturen bewertet. 6 zeigt die Ergebnisse des Korrosionstests.
Das Korrosionsflächenverhältnis ist ursprünglich als einer der Indizes für die Bewertung der Korrosionsbeständigkeit angegeben. Das äußere Erscheinungsbild des Prüfkörpers, der den Hochtemperaturbedingungen ausgesetzt war, wurde digital fotografiert. Der korrodierte Bereich wurde gemessen und mit Hilfe einer Bildverarbeitungssoftware als Prozentsatz des gesamten zu bewertenden Bereichs bewertet.
Im Vergleichsbeispiel wurde die Korrosionsprüfung des Prüfkörpers mit dem anodisierten Film, die mit einem konventionellen Versiegelungsverfahren aufgebracht wurde, in ähnlicher Weise wie im Beispiel durchgeführt. Bei der konventionellen Versiegelung wurde der Probekörper mit dem anodisierten Film in die Versiegelungsflüssigkeit auf Nickelazetatbasis zur Versiegelung des anodisierten Films (Konzentration: 40 mL/L, Temperatur: 90 °C, Verarbeitungszeit: 15 Minuten) in ähnlicher Weise wie im Beispiel eingetaucht. 6 zeigt die Testergebnisse.
Wie aus 6 hervorgeht, ist das Korrosionsflächenverhältnis des konventionell versiegelten anodisierten Films bei einer Behandlungstemperatur von über 200° C um 15 % oder mehr erhöht. Darüber hinaus hat der anodisierte Film, der unter Verwendung der lithiumionenhaltigen Versiegelungsflüssigkeit gemäß dem Beispiel gebildet wurde, sein Korrosionsflächenverhältnis bei im Wesentlichen 0 % gehalten, selbst bei der Behandlungstemperatur von 400°C. Da der Film des Beispiels eine hohe Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen aufweist, wird davon ausgegangen, dass der versiegelte Zustand beibehalten wird.
Bezugszeichenliste

10: Kolben für Verbrennungsmotor
11: Kolbenbodenfläche
15: Aluminiumlegierung
16: Silizium
20: Anodisierter Film (eloxierte Schicht)
21: Poröser Abschnitt
22: Versiegelter Abschnitt
23: Umschlossener Raum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2010077532 A [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, das die folgenden Schritte umfasst: Bildung eines anodisierten Films auf einer Kolbenbodenfläche eines aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Kolbens für einen Verbrennungsmotor, und Ausführen eines Versiegelungsprozesses an einer Oberfläche des anodisierten Films unter Verwendung einer Versiegelungsflüssigkeit, die Lithiumionen enthält, um einen umschlossenen Raum in dem versiegelten anodisierten Film zu bilden.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem die Lithiumionenkonzentration der Versiegelungsflüssigkeit in einem Bereich von 0,02 bis 10 g/L liegt und die Temperatur der Versiegelungsflüssigkeit in einem Bereich von 10 bis 50°C liegt.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem die Lithiumionenkonzentration der Versiegelungsflüssigkeit in einem Bereich von 0,02 bis 0,08 g/L liegt und die Temperatur der Versiegelungsflüssigkeit in einem Bereich von 10 bis 25°C liegt.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Bearbeitungszeit für den Versiegelungsprozess im Bereich von 0,5 bis 5 Minuten liegt.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der anodisierte Film durch ein AC/DC-Superpositions-Elektrolyseverfahren gebildet wird.
Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einer Kolbenbodenfläche, der Folgendes umfasst: einen anodisierten Film auf der Oberfläche des Kolbenbodens, wobei eine Öffnung einer Pore in einem Oberflächenteil des anodisierten Films versiegelt ist, eine Verbindung aus Lithium, Aluminium und Sauerstoff in dem Oberflächenteil einschließlich der versiegelten Öffnung der Pore vorhanden ist und ein umschlossener Raum zwischen dem Oberflächenteil einschließlich der versiegelten Öffnung der Pore und der Kolbenbodenoberfläche besteht.
Kolben für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, bei dem sich eine Zelle des anodisierten Films in einer zufälligen Richtung in Bezug auf die Kolbenbodenoberfläche erstreckt und einen Umfang von in dem anodisierten Film enthaltenem Silizium umschließt, während sie sich in einer zufälligen Richtung verzweigt.