DE112012001598B4

DE112012001598B4 - Gleitelement und Verfahren zur Herstellung des Gleitelements

Info

Publication number: DE112012001598B4
Application number: DE112012001598.3T
Authority: DE
Inventors: Ryotaro Takada; Yoshitaka Tsujii; Takahisa Tashiro; Mayumi Saruyama; Yuki Furukawa
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-04-06
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2022-09-29
Anticipated expiration: 2032-03-01
Also published as: US9181897B2; US20140014059A1; CN103370144B; WO2012137562A1; CN103370144A; DE112012001598T5

Abstract

Gleitelement mit einer Gleitfläche, die in einem Gleitzielelement gleitet,
wobei die Gleitfläche aus wenigstens einer Art von Material gebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Silber, Silberlegierung, Kupfer und Kupferlegierung besteht,
eine Grundierungsschicht, die ein Harzmaterial enthält und auf der Oberfläche
eines Basiselements bereitgestellt ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Feststoffschmierabschnitt, der auf der Oberfläche der Grundierungsschicht ausgebildet ist die Gleitfläche bereitstellt, und
eine Mischschicht, in der sowohl die Grundierungsschicht als auch der Feststoffschmierabschnitt miteinander vermischt sind, zwischen der Grundierungsschicht und dem Feststoffschmierabschnitt eingefügt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitelement, das ein Basiselement und eine auf der Oberfläche des Basiselements bereitgestellte metallische Beschichtung umfasst, um eine Gleitfläche zu bilden, und ein Verfahren zur Herstellung des Gleitelements und insbesondere ein Verfahren zu Verbesserung der Haftung zwischen dem Basiselement und der metallischen Beschichtung.
Hintergrundtechnik
Die Verringerung der Kohlendioxid- (CO₂-Gas-) Emission als Treibhausgase wurde in der letzten Zeit ein globales Problem, und die Verringerung der Kohlendioxidemission wurde ebenfalls für Fahrzeuge als Emissionsquellen für Kohlendioxid dringend gefordert. Daher wird die Reibung zwischen einem Gleitelement und einem Gleitzielelement als einem Partnerelement für das Gleitelement in einem Fahrzeug verringert. Zum Beispiel hat sich gezeigt, dass die Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs, die Verhinderung von Festbacken und die Verhinderung des Auftretens anormaler Geräusche durchgeführt werden können, indem die Gleitfläche eines Kolbens (Gleitelement) einer Brennkraftmaschine einer Oberflächenbehandlung unterzogen wird.
Als diese Art von Oberflächenbehandlungsverfahren wurde ein Verfahren zum Imprägnieren eines Basiselements aus Aluminium (das Aluminiumlegierung enthält) mit einer chemischen Umwandlungsbehandlungsflüssigkeit, die Ätzflüssigkeit und wasserlöslichem metallischem Salz (zum Beispiel Silber) enthält, vorgeschlagen, um mit dieser Ätzflüssigkeit eine Oberflächenaufraubehandlung auf der Oberfläche des Aluminiumbasiselements auszuführen und im Wesentlichen gleichzeitig eine metallische Beschichtung auf der Oberfläche des Aluminiumbasiselements mit Metall zu bilden, wobei das wasserlösliche metallische Salz gebildet wird (siehe zum Beispiel JP-A-2005 - 305395 ).
Die DE 43 10 491 A1 offenbart einen Hubkolben eines Verbrennungsmotors, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung als Grundmaterial, der für einen Motor mit aus einer Aluminiumlegierung gebildeter Zylinderlauffläche bestimmt ist. Die bislang verwendeten, galvanisch aufgebrachten Eisen-, Nickel- oder Chromschichten werden durch eine kunstharzgebundene Graphitschicht mit eingebrachten Metallpartikeln ersetzt. Die Metallpartikel können aus Nickel, Eisen, Bronze, Chrom, Silber oder Legierungen dieser Metalle bestehen. Die Laufschicht kann auch durch eine dünne aufgeklebte Metallfolie oder aus auf dem Kolbenschaft mechanisch verankerten Metallplatten gebildet sein.
Zusammenfassung der Erfindung
Problem, das von der Erfindung gelöst werden soll
Jedoch ist die Haftung zwischen dem Aluminiumbasiselement und der metallischen Beschichtung in dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik schwach, und folglich hat der Stand der Technik das folgende Problem. Wenn zum Beispiel das Aluminiumbasiselement mit der darauf ausgebildeten metallischen Beschichtung tatsächlich unter einer rauen Umgebung, wie etwa einem Kolben einer Brennkraftmaschine oder ähnlichem, verwendet wird, findet aufgrund der unzureichenden Haftung zwischen dem Aluminiumbasiselement und der metallischen Beschichtung ein Ablösen der metallischen Beschichtung statt.
Außerdem wurde als ein Verfahren zur Bildung einer Silber- (Metall-) Beschichtung auf der Oberfläche des Basiselements ein Galvanisierungsverfahren zum Imprägnieren des Aluminiumbasiselements mit Metallisierungsflüssigkeit aus Kaliumsilbercyanid verwendet, in dem Strom zugeführt wird, während das Aluminiumbasiselement als eine Kathode verwendet wird, wodurch eine Silberbeschichtung auf der Oberfläche des Basiselements gebildet wird. Wenn die Beschichtung unter Verwendung einer Galvanisierung ausgebildet wird, ist im Allgemeinen eine dedizierte Leistungsversorgung notwendig, so dass das Ausmaß der Anlagen groß ist und auch hohe Kosten für eine Abwasserbehandlung notwendig sind, weil Cyansalz verwendet werden. Wenn außerdem eine chemische Konversionsschicht auf dem Aluminiumbasiselement ausgebildet wird, enthält sie eine große Menge an Verunreinigungen, so dass die Reinheit der Beschichtung abnimmt und die Wärmeleitfähigkeit der Beschichtung ebenfalls abnimmt. Daher besteht ein Problem, dass die Gleitcharakteristik der Beschichtung sich verschlechtert.
Daher wurde die vorliegende Erfindung angesichts der vorangehenden Situation implementiert und hat eine Aufgabe, ein Gleitelement, für das die Haftung zwischen der Oberfläche des Basiselements und der metallischen Beschichtung mit einem einfachen Aufbau verbessert wird, und ein Verfahren zur Herstellung des Gleitelements bereitzustellen. Außerdem hat die vorliegende Erfindung eine andere Aufgabe, mit einem einfachen Verfahren eine optimale Gleitsilberbeschichtung mit hoher Reinheit auszubilden, die hohe Haftung sicherzustellen und die Verwendung schädlicher Materialien aus einem Herstellungsverfahren auszuschließen.
Mittel zum Lösen des Problems
Um die vorstehende Aufgabe zu lösen, ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Gleitelement mit einer Gleitfläche, die in einem Gleitzielelement gleitet, dadurch gekennzeichnet, dass eine Grundierungsschicht, die ein Harzmaterial enthält, auf der Oberfläche eines Basiselements bereitgestellt ist, ein Feststoffschmierabschnitt, der auf der Oberfläche der Grundierungsschicht ausgebildet ist und die Gleitfläche aus wenigstens einer Art von Material bildet, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Silber, Silberlegierung, Kupfer und Kupferlegierung besteht, bereitgestellt ist, und eine Mischschicht, in der sowohl die Grundierungsschicht als auch der Feststoffschmierabschnitt miteinander vermischt sind, zwischen der Grundierungsschicht und dem Feststoffschmierabschnitt eingefügt ist.
Gemäß diesem Aufbau wird die Mischschicht, in der sowohl die Grundierungsschicht als auch die Feststoffschmierschicht miteinander vermischt sind, zwischen der Grundierungsschicht und dem Feststoffschmierabschnitt eingefügt. Daher wird der untere Abschnitt des Feststoffschmierabschnitts derart gehalten, dass er in den oberen Endabschnitt der Grundierungsschicht in der Mischschicht eindringt. Daher wird die sogenannte Verankerungswirkung zwischen der Grundierungsschicht und dem Feststoffschmierabschnitt ausgeübt, wodurch die Bindekraft zwischen dem Feststoffschmierabschnitt und der Grundierungsschicht vergrößert wird und es schwierig ist, den Feststoffschmierabschnitt von der Grundierungsschicht abzuschälen oder sie abfallen zu lassen.
In diesem Aufbau kann die Porosität des Feststoffschmierabschnitts gleich 2% oder weniger sein und die Dicke der Mischschicht kann gleich 10 nm oder mehr sein. Gemäß diesem Aufbau kann der Feststoffschmierabschnitt fest mit der Grundierungsschicht verbunden werden.
Außerdem kann die Grundierungsschicht ferner ein Feststoffschmiermittel enthalten, und das Mischungsverhältnis des Harzmaterials und des Feststoffschmiermittels kann in dem Bereich von 1:9 bis 9:1 in Gewichts-% festgelegt werden. Neben dem Harzmaterial ist das Feststoffschmiermittel ferner in der Grundierungsschicht enthalten. Selbst wenn daher der Feststoffschmiermittelanteil von der Grundierung abfällt und diese somit freiliegt, kann die Schmierleistung durch das in der Grundierungsschicht enthaltene Feststoffschmiermittel aufrecht erhalten werden. Außerdem kann durch Festlegen des Mischverhältnisses des Harzmaterials in dem Bereich von 1:9 bis 9:1 in Gewichts-% die Mischschicht zwischen der Grundierungsschicht und dem Feststoffschmierabschnitt leicht ausgebildet werden, und die Grundierungsschicht kann mit einer ausreichenden Schmierleistung versehen werden.
Außerdem kann das Feststoffschmiermittel wenigstens eine Art von Material haben, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Molybdändisulfid, Bornitrid und Graphit besteht. Außerdem kann wenigstens der Feststoffschmierabschnitt in einer linearen Form oder punktartigen Form aufgebaut sein. Der Feststoffschmierabschnitt kann als eine Beschichtungsschicht ausgebildet sein, welche die Grundierungsschicht durch die Mischschicht bedeckt. Außerdem kann das Gleitelement ein Kolben für eine Brennkraftmaschine sein, der Kolben kann einen Mantelabschnitt haben, dessen Oberfläche flach und glatt ist, und die Grundierungsschicht kann auf der flachen und glatten Oberfläche ausgebildet sein.
Noch weiter ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements durch Ausbilden der Beschichtung aus Silber, Silberlegierung, Kupfer oder Kupferlegierung auf einer Oberfläche eines Grundmaterials, um eine Gleitfläche auszubilden, dadurch gekennzeichnet, dass es aufweist: Auftragen eines Harzmaterials mit einer Wärmeaushärtungseigenschaft auf die Oberfläche des Basiselements, Beschichten des Harzmaterials mit einer Suspensionslösung, die feine Partikel aus Silber, Silberlegierung, Kupfer oder Kupferlegierung enthält, die in einem polaren Lösungsmittel verteilt sind, bevor das Harzmaterial gehärtet wird, und Heizen der aufgetragenen Suspensionslösung, des Harzmaterials und des Basiselements, um das Harzmaterial zu härten, das polare Lösungsmittel zu entfernen und die feinen Partikel auf der Oberfläche des Harzmaterials miteinander zu verschmelzen und zu verschweißen.
Bevor das Harzmaterial gehärtet wird, können in diesem Aufbau Schwingungen auf die aufgetragene Suspensionslösung und das Harzmaterial angewendet werden, so dass eine Mischschicht, in der sowohl die feinen Partikel als auch das Harzmaterial miteinander vermischt sind, zwischen der Suspensionslösung und dem Harzmaterial ausgebildet wird. Außerdem kann die Ultraschallschwingung auf die Suspensionslösung und das Harzmaterial angewendet werden.
Außerdem ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements durch Ausbilden einer Beschichtung aus Silber, Silberlegierung, Kupfer oder Kupferlegierung auf der Oberfläche eines Grundmaterials zum Ausbilden einer Gleitfläche, dadurch gekennzeichnet, dass es aufweist: Ausbilden einer Harzschicht auf einer Oberfläche des Basiselements, Beschichten der Harzschicht mit einer Suspensionslösung, in der feine Partikel aus Silber, Silberlegierung, Kupfer oder Kupferlegierung in Lösungsmittel verteilt sind, zum Anschwellen einer Oberfläche der Harzschicht und Heizen der Suspensionslösung, der Harzschicht und des Basiselements, während eine Mischschicht, in der feine Partikel und das Harzmaterial miteinander vermischt sind, zwischen der aufgetragenen Suspensionslösung und der Harzschicht ausgebildet wird, wodurch die feinen Partikel in der Suspensionslösung miteinander verschmolzen und verschweißt werden, während das Lösungsmittel entfernt wird, wodurch die Gleitfläche gebildet wird.
Der mittlere Partikeldurchmesser der feinen Partikel aus Silber, Silberlegierung, Kupfer oder Kupferlegierung, die in dem Lösungsmittel verteilt werden sollen, kann in dem Bereich von 1 nm bis 80 nm festgelegt werden. Die Heiztemperatur für die Heizung kann in dem Bereich von 160°C bis 240°C festgelegt werden. Außerdem können Partikel der gleichen Metallart wie die in dem Lösungsmittel verteilten feinen Partikel in dem Harzmaterial verteilt werden. Der mittlere Partikeldurchmesser der in dem Harzmaterial verteilten Partikel kann in dem Bereich von 4 µm bis 30 µm festgelegt werden.
Wirkung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Mischschicht, in welcher die Grundierungsschicht und der Feststoffschmierabschnitt miteinander vermischt sind, zwischen der Grundierungsschicht und dem Feststoffschmierabschnitt eingefügt. Daher wird in der Mischschicht der untere Endabschnitt des Feststoffschmierabschnitts erhalten, so dass er in den oberen Endabschnitt der Grundierungsschicht eindringt. Daher tritt die sogenannte Verankerungswirkung zwischen der Grundierung und dem Feststoffschmierabschnitt auf, wodurch die Bindekraft zwischen dem Feststoffschmierabschnitt und der Grundierungsschicht verbessert werden kann und es schwierig ist, den fixierten Schmierabschnitt von der Grundierungsschicht abzuschälen oder sie abfallen zu lassen.
Figurenliste

1 ist eine Perspektivansicht, die den gesamten Körper eines Kolbens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Seitenansicht, die den in 1 gezeigten Kolben zeigt.
3 ist eine vergrößerte Querschnittansicht, welche die Nachbarschaft eines Oberflächenschichtabschnitts eines Kolbenmantels zeigt, der den Kolben bildet.
4 eine REM-Fotografie, die erhalten wird, indem die Nachbarschaft der Grenze zwischen einer Grundierungsschicht und einem Feststoffschmierabschnitt, die auf eine Gleitkontaktoberfläche des Kolbenmantels laminiert sind, abgebildet wird.
5 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Dicke einer in 4 gezeigten erodierten Schicht und der Haftrate des Feststoffschmierabschnitts zeigt.
6 ist eine REM-Fotografie der Nachbarschaft der Grenze zwischen der Grundierungsschicht und dem Feststoffschmierabschnitt, wenn keine erodierte Schicht vorhanden ist.
7 zeigt ein Bild, das erhalten wird, indem die Bildverarbeitung auf dem Feststoffschmierabschnitt von 4 ausgeführt wird.
8 zeigt ein Bild, das erhalten wird, indem die Bildverarbeitung auf dem Feststoffschmierabschnitt von 6 ausgeführt wird.
9 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Porosität des Feststoffschmierabschnitts und der Haftrate des Feststoffschmierabschnitts zeigt.
10 ist eine Seitenansicht, die einen Kolben gemäß einer Modifikation zeigt.
11 ist eine vergrößerte Querschnittansicht, welche die Nachbarschaft des Oberflächenschichtabschnitts eines Kolbenmantels zeigt, der einen Kolben gemäß einer anderen Modifikation bildet.
12 ist eine Seitenansicht, die einen Kolben gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.
13 ist eine seitliche Querschnittansicht, die eine Beschichtungsschicht des Kolbens zeigt.
14 ist ein schematisches Diagramm, das Silberpartikel, die in einem flüssigen Brei verteilt sind, zeigt.
15 ist ein schematisches Diagramm, das eine Silberbeschichtungsschicht zeigt, die durch das Verschmelzen von Silberpartikeln gebildet wird.
16 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der spezifischen Festigkeit einer Aluminiumlegierung und der Heiztemperatur zeigt.
17 ist ein Diagramm, das eine Änderung des flüssigen Breigewichts und der erzeugten Wärmemenge in Bezug auf die Änderung der Heiztemperatur des flüssigen Breis, der Silberpartikel enthält, zeigt.
18 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Silberpartikeldurchmesser und der Silberreinheit zeigt.
19 ist ein Elektronenmikrogramm, das die Beschichtungsschicht des Kolbens zeigt.
20 ist ein Diagramm, das ein Vergleichsergebnis der Schälflächenrate der Silberbeschichtungsschicht zeigt, wenn mit flüssigem Brei beschichtet wird, bevor und nachdem das Harzmaterial gehärtet ist.
21 zeigt ein Beispiel einer Ultraschallschwingvorrichtung zum Anwenden von Ultraschallschwingungen an Polyamidimidharz und flüssigen Brei, um eine Mischschicht an der Grenzfläche zu bilden.
22 ist ein Diagramm, das ein Vergleichsergebnis der Scher-Schälfestigkeit zwischen einem Kolben, der ohne die Anwendung von Ultraschallschwingungen ausgebildet wird, und einem Kolben, der durch Anwenden von Ultraschallschwingungen ausgebildet wird, zeigt.
23 zeigt ein Beispiel für eine Schwingvorrichtung für die Anwendung von Schwingungen auf Polyamidimidharz und flüssigen Brei, um eine Mischschicht an der Grenzfläche zu bilden.
24 ist ein Diagramm eines Vergleichsergebnisses der Scher-Schälfestigkeit zwischen einem Kolben, der ohne die Anwendung von Schwingungen ausgebildet wird, und einem Kolben, der mit Anwendung von Schwingungen ausgebildet wird.
25 ist eine seitliche Querschnittansicht, die eine Beschichtungsschicht eines Kolbens gemäß einer sechsten Ausführungsform zeigt.
26 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Partikeldurchmesser von Silberpartikeln in einer Harzschicht und die Haftung zwischen einer Silberbeschichtungsschicht und einer Harzschicht zeigt.
27 ist eine schematische Querschnittansicht, die einen Zustand zeigt, in dem die Silberpartikel in der Harzschicht mit der Silberbeschichtungsschicht verschmolzen sind.

Arten zum Ausführen der Erfindung
Bevorzugte Ausführungsformen eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine (auf dem hier nachstehend lediglich als „Kolben“ Bezug genommen wird) als ein Gleitelement gemäß der vorliegenden Erfindung welcher unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben.
Erste Ausführungsform
1 ist eine Perspektivansicht des gesamten Körpers eines Kolbens 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 2 ist eine Seitenansicht des Kolbens. Der Kolben (Basiselement) 10 hat ein Paar von Kolbenmänteln (Mantelabschnitten) 12, 12 in seinem unteren Abschnitt, und Wandabschnitte 14, 14, die sich im Wesentlichen in der Vertikalrichtung erstrecken, sind zwischen den Kolbenmänteln 12, 12 eingefügt. Bolzenaugabschnitte 16, 16 sind jeweils an den Wandabschnitten 14, 14 bereitgestellt, so dass sie in die Horizontalrichtung vorstehen, und die Kolbenbolzenlöcher 17, 17, in die ein (nicht gezeigter) Kolbenbolzen eingesetzt ist, sind in den jeweiligen Bolzenaugabschnitten 16, 16 ausgebildet, so dass sie die Bolzenaugabschnitte 16, 16 durchdringen. Der Kolbenbolzen ist in ein Durchgangsloch eingesetzt, das an einem kleinen Endabschnitt einer Verbindungsstange (Pleuelstange) (nicht gezeigt) ausgebildet ist, wodurch die Pleuelstange schwenkbar gehalten wird.
Eine Ölringnut 18, eine erste Kolbenringnut 20 und eine zweite Kolbenringnut 22 sind in dieser Reihenfolge in der Richtung von der Unterseite zu der Oberseite über den Kolbenmänteln 12, 12 ausgebildet. Es ist unnötig zu sagen, dass die Ölringnut 18, die erste Kolbenringnut 20 und der zweite Kolbenring 22 derart ausgebildet sind, dass sie dem Umfang nach um den Bodenabschnitt des Kolbens 10 gehen.
Der auf diese Weise aufgebaute Kolben 10 ist aus AC2A, AC2B, AC4B, AC4C, AC4D, AC8H, A1100 (alle sind in JIS definierte Aluminiumlegierungen) oder einer Aluminiumlegierung, wie etwa Al-Cu-Legierung oder ähnlichem, aufgebaut.
Wie in 3 vergrößert dargestellt, ist die Gleitkontaktoberfläche (Oberfläche) des Kolbenmantels 12 als eine glatte Fläche ausgebildet, und eine Grundierungsschicht 24 ist fest an der glatten Gleitkontaktoberfläche fixiert. Die Grundierungsschicht 24 ist über die gesamte Gleitkontaktoberfläche des Kolbenmantels 12 beschichtet, und die Dicke der Grundierungsschicht 24 ist im Wesentlichen gleichmäßig.
Die Grundierungsschicht 24 verbessert die Haftung zwischen den vorstehend beschriebenen Feststoffschmierabschnitten und dem Kolbenmantel 12 und enthält Harzmaterial mit einer Wärmebeständigkeitseigenschaft. Polyimidharz, Polyamidimidharz, Epoxidharz, Nylon-6-Harz, Nylon-6, 6-Harz oder ähnliche können vorzugsweise für diese Art von Harzmaterial verwendet werden.
Die Grundierungsschicht 24 kann nur mit Harzmaterial ausgebildet werden, ihr kann aber ferner neben dem Harzmaterial Feststoffschmiermittel zugesetzt werden. Öffentlich bekannte Materialien können als das Feststoffschmiermittel gemischt werden, und Molybdändisulfid (MoS₂), Bornitrid (BN), Graphit (C) oder ähnliches wird vorzugsweise als das Feststoffschmiermittel verwendet.
Wenn die Grundierungsschicht 24 das Feststoffschmiermittel enthält, kann das Mischverhältnis zwischen dem Harzmaterial und dem Feststoffschmiermittel derart festgelegt werden, dass das Harzmaterial : Feststoffschmiermittel ein Gewichtsverhältnis im Bereich von 1:9 bis 9:1 hat. Wenn das Gewichtsverhältnis des Harzmaterials weniger als 1 ist, wäre es schwierig, eine erodierte Schicht 28 (Mischschicht, siehe 4), die später beschrieben wird, zu erzeugen. Wenn das Gewichtsverhältnis des Feststoffschmiermittels kleiner als 1 ist, wäre die Wirkung der Verbesserung der Schmierungseigenschaft durch Mischen des Feststoffschmiermittels unzureichend.
Mehrere Feststoffschmierabschnitte 26, die sich linear erstrecken, sind entlang der Umfangsrichtung des Kolbenmantels 12 auf der Grundierungsschicht 24 bereitgestellt (siehe 1 und 2). Jeder Feststoffschmierabschnitt 26 hebt sich von der Grundierungsschicht 24 entlang der Horizontalrichtung hervor. Daher werden durch die mehreren Feststoffschmierabschnitte 26 mit linearen Formen Streifenformen ausgebildet.
Die Feststoffschmierabschnitte 26 sind aus irgendeinem Material aus Silber, Silberlegierung, Kupfer oder Kupferlegierung ausgebildet. Diese Materialien haben eine hervorragende Schmierungsleistung, wenn der Kolbenmantel 12 in Gleitkontakt mit der Innenwand der Bohrung eines Zylinderblocks oder der Innenwand einer Zylinderhülse ist. In diesem Aufbau wirken die Oberflächen der Feststoffschmierabschnitte 26 als Gleitflächen. Ag-Sn-Legierung oder Ag-Cu-Legierung wird vorzugsweise als Silberlegierung verwendet, und Cu-Sn-Legierung, Cu-Zn-Legierung, Cu-P-Legierung oder ähnliches wird vorzugsweise als Silberlegierung verwendet.
Wenn die Feststoffschmierabschnitte 26 aus Silber oder Silberlegierung ausgebildet sind, ist die Reinheit des Silbers vorzugsweise gleich oder mehr als 60 Gewichts-%. Wenn die Reinheit des Silbers weniger als 60 Gewichts-% ist, ist die Wärmeleitfähigkeit der Feststoffschmierabschnitte 26 ein wenig niedrig und es ist nicht leicht, eine glatte Reibungsoberfläche zu bilden, so dass die Wirkung der Verringerung des Reibungsverlusts (Psf) der Brennkraftmaschine dazu neigt, unzureichend zu sein. Es ist besser, wenn die Reinheit des Silbers gleich oder größer 80 Gewichtsprozent ist.
Wenn die Feststoffschmierabschnitte 26 aus Kupfer oder Kupferlegierung ausgebildet sind, ist die Reinheit des Kupfers aus dem gleichen Grund vorzugsweise gleich oder größer 70 Gewichts-% und besser gleich oder größer 80 Gewichts-%.
Hier ist die Reinheit des Silbers als „die Gewichts-% des in den Feststoffschmierabschnitten 26 enthaltenen Silbers“ definiert. Wenn die Feststoffschmierabschnitte 26 zum Beispiel aus Silberlegierung ausgebildet sind, wird die Reinheit des Silbers als die Gesichts-% des in dem Feststoffschmierabschnitt 26 enthaltenen Silbers bestimmt. Das Gleiche gilt für die Reinheit von Kupfer.
Es ist nicht notwendig, dass alle Feststoffschmierabschnitte 26 aus dem gleichen Metall ausgebildet sind. Zum Beispiel kann ein Feststoffschmierabschnitt 26 aus Silber ausgebildet sein, während ein anderer Feststoffschmierabschnitt 26 benachbart zu dem ersteren Feststoffschmierabschnitt 26 aus einer anderen Metallart, wie etwa Kupferlegierung oder ähnlichem ausgebildet ist.
Die Dicke des Feststoffschmierabschnitts 26 ist nicht auf eine Spezifische beschränkt. Wenn die Dicke jedoch übermäßig klein ist, würden die Feststoffschmierabschnitte 26 in einer relativ kurzen Zeit abgenutzt. Wenn andererseits die Dicke übermäßig groß ist, nimmt das Gewicht der Feststoffschmierabschnitte 26 zu, was zu einer Vergrößerung der Antriebskraft zum Hin- und Herbewegen des Kolbens 10 führt. Um das Auftreten des vorstehenden Nachteils zu vermeiden, wird die Dicke des Feststoffschmierabschnitts 26 vorzugsweise in dem Bereich von 0,5 bis 100 µm festgelegt.
Hier zeigt 4 eine REM-Fotografie, die erhalten wird, indem die Nachbarschaft der Grenze zwischen der Grundierungsschicht 24 und dem Feststoffschmierabschnitt 26, der wir vorstehend beschrieben aufgebaut ist, mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) abgebildet wird. Wie aus 4 offensichtlich ist, sind konkave Abschnitte und konvexe Abschnitte derart vorhanden, dass sie an dem oberen Endabschnitt der Grundierungsschicht 24 in einem Bereich zwischen den Linien L1 und L2 wechselseitig miteinander zusammenhängend sind, und der untere Endabschnitt des Feststoffschmierabschnitts 26 wird in die Vertiefungsabschnitte gefüllt, während die Vorsprungabschnitte in dem unteren Endabschnitt des Feststoffschmierabschnitts 26 verborgen sind.
Das heißt, der Bereich zwischen den Linien L1 und L2 wirkt als eine Mischschicht, in der sowohl das Material, das die Grundierungsschicht 24 bildet, als auch das Material, das den Feststoffschmierabschnitt 26 bildet, miteinander vermischt sind. Die Mischschicht entspricht einem Zustand, in dem der untere Endabschnitt des Feststoffschmierabschnitts 26 offenbar erodiert und in den oberen Endabschnitt der Grundierungsschicht 24 eindringt. Daher wird in der folgenden Beschreibung auf die Mischschicht als „erodierte Schicht“ Bezug genommen, und sie wird durch die Bezugsnummer 28 dargestellt.
In der erodierten Schicht 28 wird eine sogenannte Verankerungswirkung zwischen der Grundierungsschicht 24 und den Feststoffschmierabschnitten 26 ausgeübt. Dies liegt daran, dass die unteren Endabschnitte der Feststoffschmierabschnitte 26 in den oberen Endabschnitt der Grundierungsschicht 24 eindringen. Daher sind die Feststoffschmierabschnitte 26 fest mit der Grundierungsschicht 24 verbunden. Mit anderen Worten ist es schwierig, die Feststoffschmierabschnitte 26 von der Grundierungsschicht 24 abzublättern oder sie abfallen zu lassen.
Teile der unteren Endabschnitte des Feststoffschmierabschnitts 26, die am nächsten zu dem flachen Abschnitt der Grundierungsschicht 24 sind, befinden sich im Wesentlichen auf der gleichen Höhe, und die Linie L1 ist eine Tangentenlinie an die Spitzenabschnitte dieser unteren Endabschnitte der Feststoffschmierabschnitte 26. Außerdem befinden sich Teile des oberen Endabschnitts der Grundierungsschicht 24, die am nächsten zu dem flachen Abschnitt der Feststoffschmierabschnitte 26 sind, im Wesentlichen auf der gleichen Höhe, und die Linie L2 ist eine Tangentenlinie an die Spitzenabschnitte des oberen Abschnitts der Grundierungsschicht 24. Die Linien L1 und L2 sind im Wesentlichen parallel zueinander.
Der Abstand T zwischen den Linien L1 und L2 ist als die Dicke der erodierten Schicht 28 definiert. Hier ist 5 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Dicke der erodierten Schicht 28 und der Haftrate der Feststoffschmierabschnitte 26 zeigt. Die Haftrate stellt ein Scheuerprüfungsergebnis für mehrere Teststücke dar. Das heißt, eine Eisenkugel wird dazu gebracht, unter einer vorgegebenen Bedingung auf den Feststoffschmierabschnitt 26 aufzuprallen, und dann wird ein Klebeband klebend an der Gesamtheit des Feststoffschmierabschnitts 26 befestigt und davon abgeblättert. Dann wird die Klebebandhaftungsgröße des Feststoffschmierabschnitts 26 unter Verwendung von Photoshop (Name der Software), das von der Firma Adobe hergestellt wird, binarisiert, um die Flächenrate der Klebebandhaftgröße des Feststoffschmierabschnitts 26 zu bestimmen. Wenn die Flächenrate gleich 0% ist, ist die Haftrate als 100% definiert. Wenn die Flächenrate gleich 20%, 50% oder 80% ist, ist die Haftrate gleich 80%, 50% oder 20%.
Wenn, wie in 6 gezeigt, die klare Grenzlinie L3 zwischen der Grundierungsschicht 24 und dem Feststoffschmierabschnitt 26 erscheint und keine erodierte Schicht 28 vorhanden ist (das heißt, die Dicke der erodierten Schicht 28 ist gleich null), ist die Haftrate, wie aus 5 offensichtlich ist, 60%. Wenn die Dicke der erodierten Schicht 28 zunimmt, nimmt auch die Haftrate zu, und sie erreicht 100%, wenn die Dicke 10 nm übersteigt.
Die Haftrate ändert sich mit der Porosität des Feststoffschmierabschnitts 26. Hier in dieser Ausführungsform wird die Porosität bestimmt, indem ein SEM-Beobachtungsergebnis des Feststoffschmierabschnitts 26 der Bildverarbeitung unterzogen wird.
Insbesondere wird ein Abschnitt des Feststoffschmierabschnitts 26, der von jedem der rechteckigen Rahmen F1, F2 in 4 und 6 umgeben ist, auf der Basis seines Kontrasts binarisiert, um in 7 und 8 gezeigte Ergebnisse zu gewinnen. In 7 wird der relative Wert der Fläche in dem weißen Abschnitt des Hintergrunds als 101850 bestimmt, und der gesamte relative Wert des Bereichs der gefleckten schwarzen Abschnitte (den Poren entsprechend) wird als 1134 bestimmt. In diesem Fall wird die Porosität gemäß der folgenden Gleichung (1) bestimmt und ihr Berechnungswert ist gleich 1,11 %. $(1134/101850) \times 100 = 1,11$
Andererseits wird in 8 der relative Wert der Fläche des weißen Abschnitts des Hintergrunds als 103872 bestimmt, und der gesamte relative Wert der Fläche der gefleckten schwarzen Abschnitte wird als 2196 bestimmt. Daher wird die Porosität gemäß der folgenden Gleichung (2) berechnet, und ihr Berechnungswert ist gleich 2,11 %. $(2196 / 103872) \times 100 = 2,11$
Photoshop (der Name der Software), das von der Firma Adobe hergestellt wird, kann für die Bildverarbeitung und Binarisierung verwendet werden.
Wenn, wie in 9 gezeigt, die Porigkeit nicht mehr als 2% ist, ist die Haftrate gleich 100%. Wenn die Porosität mehr als 2% ist, nimmt die Haftrate ab. Folglich ist die Porosität des Feststoffschmierabschnitts 26 in dieser Ausführungsform auf gleich oder kleiner 2% festgelegt.
Wie vorstehend beschrieben, kann durch geeignetes Festlegen der Dicke der erodierten Schicht 28 und der Porosität des Feststoffschmierabschnitts 26 wirksam verhindert werden, dass der Feststoffschmierabschnitt 26 von der Grundierungsschicht 24 abblättert.
Die Dicke der erodierten Schicht 28 kann durch Auswählen eines geeigneten Materials als Dispersionsmedium, das verwendet wird, wenn der Feststoffschmierabschnitt 26 bereitgestellt wird, geändert werden. Die Porosität des Feststoffschmierabschnitts 26 wird abhängig von der Zusatzmenge des Dispersionsmittels geändert.
Wenn die Brennkraftmaschine montiert ist und betrieben wird, kommt der Schmierabschnitt 26 im Wesentlichen durch Schmieröl mit der Innenwand des Zylinders (die Innenwand der Zylinderbohrung oder die Innenwand der Zylinderhülse) in Gleitkontakt (gleitet darauf). Wenn zum Beispiel der Feststoffschmierabschnitt 26 in Gleitkontakt mit der Innenwand einer FC-(Grauguss-) Hülse oder AI-Hülse kommt, ist die Summe der Wärmeleitfähigkeit des Feststoffschmierabschnitts 26 und der Wärmeleitfähigkeit der FC-Hülse oder Al-Hülse gleich 350 W/m·K oder mehr, und der absolute Betrag der Differenz zwischen dem Elastizitätsmodul des Feststoffschmierabschnitts 26 und der FC-Hülse oder der AI-Hülse ist gleich 10 GPa oder mehr. Gemäß der enthusiastischen Betrachtung der Erfinder dieser Anmeldung wird das Schmieröl in einem winzigen Spielraum zwischen der Hülse und dem Kolbenmantel 12 hervorragend gehalten und auch das Auftreten der Haftung zwischen der Hülse und dem Kolbenmantel 12 kann vermieden werden. Daher kann das Auftreten von Festbacken wirksam vermieden werden, und der Reibungsverlust der Brennkraftmaschine kann erheblich verringert werden.
Außerdem ist gemäß dieser Ausführungsform der Feststoffschmierabschnitt 26 fest mit der Grundierungsschicht 24 verbunden. Dies liegt daran, dass die Porosität des Feststoffschmierabschnitts 26 gleich einem kleinen Wert, das heißt 2% oder weniger, ist und auch die erodierte Schicht 28 mit einer Dicke von 10 nm oder mehr zwischen dem Feststoffschmierabschnitt 26 und der Grundierungsschicht 24 vorhanden ist.
Daher ist der Feststoffschmierabschnitt 26 schwer von der Grundierungsschicht 24 abzublättern. Mit anderen Worten wird der Feststoffschmierabschnitt 26 lange Zeit auf der Gleitkontaktoberfläche des Kolbenmantels 12 gehalten. Daher kann die Wirkung, die durch das Vorhandensein des Feststoffschmierabschnitts 26 in dem Kolben 10 erhalten wird, lange Zeit andauern.
Der Feststoffschmierabschnitt 26 ist schwer, von der Grundierungsschicht 24 abzublättern. Selbst wenn sich daher der Kolben 10 erheblich hin und her bewegt, kann die vorangehende Wirkung unter der Tätigkeit des Feststoffschmierabschnitts 26 erhalten werden. Das heißt, diese Ausführungsform kann selbst für ein Rennauto oder ähnliches, das unter einer rauen Umgebung gefahren wird, als eine Brennkraftmaschine mit hervorragender Härte geliefert werden.
Außerdem werden gemäß dieser Ausführungsform nur mehrere lineare Feststoffschmierabschnitte 26 bereitgestellt. Das Feststoffschmiermittel und die Harzmaterialien, wie vorstehend beschrieben, sind günstig und leichtgewichtig. Selbst wenn daher die gesamte Gleitkontaktoberfläche des Kolbenmantels 12 mit der Grundierungsschicht 24 beschichtet ist und die Feststoffschmierabschnitte 26 auf der Grundierungsschicht 24 bereitgestellt sind, kann vermieden werden, dass die Kosten drastisch ansteigen und es kann vermieden werden, dass das Gewicht des Kolbens 10 übermäßig zunimmt.
Wie vorstehend beschrieben, ist die erodierte Schicht 28 mit 10 nm oder mehr Dicke zwischen der Grundierungsschicht 24 und dem Feststoffschmierabschnitt 26 mit einer Porosität von 2% oder weniger eingefügt, und die linearen Feststoffschmierabschnitte 26 sind nur an einer vorgegebenen Stelle der Grundierungsschicht 24 bereitgestellt, wodurch eine ausreichende Schmiertätigkeit ausgeübt werden kann, wobei die Kosten verringert werden und die Gewichtszunahme des Kolbens 10 unterdrückt wird.
Wenn außerdem eine Situation auftritt, in welcher der Feststoffschmierabschnitt 26 von der Grundierungsschicht 24 abfällt und die Grundierungsschicht 24 in Gleitkontakt mit der Innenwand des Zylinders kommt, kann die Schmierleistung durch das Feststoffschmiermittel aufrecht erhalten werden, wenn das Feststoffschmiermittel in der Grundierungsschicht 24 enthalten ist.
Die Grundierungsschicht 24 und der Feststoffschmierabschnitt 26 können an der Gleitkontaktoberfläche des Kolbenmantels 12 bereitgestellt sein.
Zuerst wird das Harzmaterial, wie vorstehend beschrieben, für die Grundierungsschicht 24 vorbereitet und geschmolzen. Dieses geschmolzene Material kann mit dem Feststoffschmiermittel wie vorstehend beschrieben vermischt werden. In diesem Fall wird die Mischung derart ausgeführt, dass sie Harzmateriel : Feststoffschmiermittel = 1:9 bis 9:1 (Gewichtsverhältnis) erfüllt.
Als nächstes wird das geschmolzene Material auf die Gleitkontaktoberfläche des Kolbenmantels 12 zugeführt. Zu diesem Zweck kann zum Beispiel eine Einspritzung durchgeführt werden. Oder das geschmolzene Material kann aufgetragen werden. Das geschmolzene Material wird vorzugsweise auf die gesamte Gleitkontaktoberfläche des Kolbenmantels 12 beschichtet. In diesem Fall ist die Arbeit im Vergleich zu einem Fall, in dem das geschmolzene Material wahlweise auf einen Teil der Gleitkontaktoberfläche des Kolbenmantels 12 beschichtet wird, leichter und einfacher. Mit anderen Worten kann die Grundierungsschicht 24 leicht ausgebildet werden.
Das auf diese Weise aufgetragene geschmolzene Material wird gekühlt und verfestigt, wodurch die Grundierungsschicht 24 auf der Gleitkontaktoberfläche des Kolbenmantels 12 ausgebildet wird.
Außerdem wird durch Verteilen von feinen Partikeln aus Silber, Silberlegierung, Kupfer oder Kupferlegierung, vorzugsweise sogenannten Nanopartikeln von 1 bis 80 nm, besser 30 bis 80 nm, mittlerem Partikeldurchmesser, in einem Dispersionsmedium eine Paste hergestellt. Dieser Paste wird Dispersionsmittel zugesetzt.
Wenn hier Terpineol verwendet wird, das häufig als Dispersionsmedium für Tinte im Tintenstrahldruck verwendet wird, erscheint, wie in 6 gezeigt, eine deutliche Grenzlinie L3 zwischen der Grundierungsschicht 24 und dem Feststoffschmierabschnitt 26, so dass keine erodierte Schicht 28 ausgebildet wird. Wie aus dieser Tatsache offensichtlich, ist es erforderlich, dass das geeignete Dispersionsmedium verwendet wird, um die erodierte Schicht 28 zu bilden.
Insbesondere wird das Dispersionsmedium, das die Grundierungsschicht 24 ausreichend anschwellen lässt, ausgewählt. Wenn in diesem Fall Paste zum Ausbilden des Feststoffschmierabschnitts 26 auf die Grundierungsschicht 24 beschichtet wird, schwillt die Grundierungsschicht 24 (Harzmaterial) unter der Wirkung des Dispersionsmediums an. In Verbindung mit diesem Anschwellen werden auf dem oberen Endabschnitt der Grundierungsschicht 24 konkave Abschnitte und konvexe Abschnitte ausgebildet, und die Paste dringt in die konkaven Abschnitte ein, um in die konkaven Abschnitte gefüllt zu werden. Als ein Ergebnis wird die erodierte Schicht 28, in der beide Materialien der Grundierungsschicht 24 und die Paste miteinander vermischt sind, zwischen der Grundierungsschicht 24 und der Paste ausgebildet.
Ein aromatischer Alkohol, wie etwa Benzylalkohol oder ähnliches kann als geeignetes Beispiel für das Dispersionsmedium mit der Wirkung, wie vorstehend beschrieben, verwendet werden. Oder es kann Propylenglykolmonomehtyletheracetat, das als PGMEA bezeichnet wird, verwendet werden.
Um den Feststoffschmierabschnitt 26 auszubilden, wird die Paste, die das Dispersionsmedium, wie vorstehend beschrieben, enthält, durch ein öffentlich bekanntes Beschichtungsverfahren, wie etwa zum Beispiel Siebdruck, Tampondruck oder ähnliches, auf die Grundierungsschicht 24 beschichtet. Danach wird die Paste zusammen mit dem Kolben 10 zum Beispiel auf 160 bis 240°C geheizt, wodurch das Dispersionsmedium in der Paste sich verflüchtigt und auch Nanopartikel miteinander verschmelzen. Das heißt, das Sintern findet statt, und der aus dem gesinterten Material aus den Nanopartikeln ausgebildete Feststoffschmierabschnitt 26 wird erhalten.
Die Porosität des Feststoffschmierabschnitts 26 ändert sich mit der Zusatzmenge des Dispersionsmittels in der Paste. Folglich wird die Zusatzmenge des Dispersionsmittels derart festgelegt, dass die Porosität des Feststoffschmierabschnitts 26 gleich oder kleiner 2% ist.
Wenn Nanopartikel verwendet werden, können die Nanopartikel in einem relativ niedrigen Temperaturbereich von 160 bis 240°C gesintert werden, um die Beschichtung, wie vorstehend beschrieben, auszubilden. Folglich wird vermieden, dass der aus Aluminiumlegierung ausgebildete Kolbenmantel 12 auf einer hohen Temperatur gehalten wird. Daher kann vermieden werden, dass die mechanische Festigkeit, etc. des Kolbenmantels 12 beeinflusst wird.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehende Ausführungsform beschränkt, und es können vielfältige Modifikationen vorgenommen werden, ohne von dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Zum Beispiel sind in der vorstehenden Ausführungsform die Feststoffschmierabschnitte 26 in einer linearen Form konstruiert. Jedoch können sie, wie in 10 gezeigt, in einer punktartigen Form konstruiert werden. In diesem Fall dient der konkave Abschnitt, der zwischen den punktartigen Feststoffschmierabschnitten 26, 26 ausgebildet ist, dazu, Schmieröl aufzunehmen.
In dieser Modifikation wird die Verwendung der Paste zum Ausbilden der Feststoffschmierabschnitte 26 und somit die Verwendung von Metall (Silber, Silberlegierung, Kupfer oder Kupferlegierung) weiter verringert, so dass die Kosten weiter verringert werden können. Außerdem kann die Zunahme des Gewichts des Kolbens 10 unterdrückt werden.
Außerdem kann die Grundierungsschicht 25 selektiv nur an einer Stelle auf dem Kolbenmantel 12 bereitgestellt werden, wo der Feststoffschmierabschnitt 26 ausgebildet ist. Oder die gesamte Gleitkontaktoberfläche des Kolbenmantels 12 kann mit der Grundierungsschicht 24 beschichtet werden, während die gesamte Grundierungsschicht 24 mit dem Feststoffschmierabschnitt 26 beschichtet wird.
Außerdem werden mehrere Streifen auf der Gleitkontaktoberfläche des Kolbenmantels 12 bereitgestellt, die Streifen werden selektiv mit der Grundierungsschicht 24 versehen, und der Feststoffschmierabschnitt 26 wird nur auf der Grundierungsschicht 24 selektiv bereitgestellt. Oder es werden, wie in 11 gezeigt, vorstehende Abschnitte 30 vorstehend auf der Grundierungsschicht 24 bereitgestellt, um mehrere Linien zu bilden, die um die Gleitkontaktoberfläche herum gehen, und lineare oder punktartige Feststoffschmierabschnitte 26 werden auf den vorstehenden Abschnitten 30 bereitgestellt.
[Zweite Ausführungsform]
12 ist eine Seitenansicht, die einen Kolben gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt, und 13 ist eine seitliche Querschnittansicht, die eine Beschichtungsschicht des Kolbens zeigt. In 12 ist die Beschichtungsschicht als teilweise aufgebrochen dargestellt. In 13 ist ein Teil einer Zylinderbohrung, in welcher sich der Kolben hin und her bewegt, ebenfalls dargestellt.
Der Kolben (das Gleitelement) 101 hat einen Hauptkörper (Basiselement) 110, der, wie in 12 gezeigt, aus Aluminiumlegierung ausgebildet ist. Der Hauptkörper 110 hat einen Bodenabschnitt 110A und einen Mantelabschnitt (Kolbenmantel) 110B und ist in einer im Wesentlichen zylindrischen Form konstruiert. Eine Beschichtungsschicht 102 ist auf der Außenumfangsoberfläche (Oberfläche) 111 des Hauptkörpers 110 des Mantelabschnitts 110B ausgebildet. Wie in 13 gezeigt, hat die Beschichtungsschicht 102 eine Harzschicht (Grundierungsschicht) 120, die eng an der anderen Umfangsoberfläche 111 des Hauptkörpers 110 haftet, und eine Silberbeschichtungsschicht 111 (Fixierschmierabschnitt) 121, die eng an der Außenumfangsoberfläche (Oberfläche) 120A der Harzschicht 120 haftet. Eine Mischschicht 126, in der Silber der Silberbeschichtungsschicht 121 und Harzmaterial der Harzschicht 120 vorhanden sind, während sie wechselseitig physikalisch miteinander vermischt sind, ist zwischen der Silberbeschichtungsschicht 121 und der Harzschicht 120 ausgebildet. In der Mischschicht 126 binden sich Silber und das Harzmaterial nicht chemisch miteinander, aber die Außenumfangsoberfläche 120A der Harzschicht 120 wird angeschwollen oder ähnliches, um einen konkav-konvexen Abschnitt auf der Außenumfangsoberfläche 120A zu bilden, und Silber wird dazu gebracht, in den konkav-konvexen Abschnitt einzudringen, wodurch eine Verankerungswirkung erzeugt wird.
Die Silberbeschichtungsschicht 121 bildet eine Gleitfläche 122, die auf der Innenwand 103A einer Zylinderbohrung 103 des Eisengusses als ein Gleitzielelement gleitet, und wenn der Kolben 101 (Mantelabschnitt 110B) sich in die Richtung eines Pfeils X bewegt, kommt die Gleitfläche 122 durch (nicht gezeigtes) Schmieröl in Gleitkontakt (gleitet auf) der Innenwand 103A der Zylinderbohrung 103.
Silber ist Metall, das im Allgemeinen eine weiche Härte und eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit hat. Wenn daher die Silberbeschichtungsschicht 121 als die Gleitfläche 122 des Kolbens 101 ausgebildet wird, wird die Silberbeschichtungsschicht 121 leicht abgenutzt (anfänglich abgerieben) und verformt, wenn die Silberbeschichtungsschicht 121 in der Anfangsbewegung in Gleitkontakt mit der Innenwand 103A der Zylinderbohrung 103 kommt, und somit kann die Gleitfläche 122, deren Reibung an der Innenwand 103A verringert ist und die eine hervorragende Gleitcharakteristik hat, leicht implementiert werden. Außerdem kann die auf die Silberbeschichtungsschicht 121 übertragene Wärme durch das Schmieröl unverzüglich nach außen abgegeben werden, wodurch der Kühlwirkungsgrad des Hauptkörpers 110 verbessert wird. 13 zeigt die Beschichtungsschicht 102 schematisch und stellt die relative Beziehung zwischen der Dicke jeder der Harzschicht 120, der Silberbeschichtungsschicht 121 und der Mischschicht 126 und die Größe (Tiefe) der konkaven Abschnitte 111A nicht dar.
Winzige konkave Abschnitte 111A sind auf der Außenumfangsoberfläche 111 des Hauptkörpers 110 (Mantelabschnitt 11 OB) ausgebildet. Insbesondere werden die konkaven Abschnitte 111A durch ein Kurzblaseverfahren ausgebildet, mit dem Vorsprungelemente, deren Partikeldurchmesser auf einen vorgegebenen Partikeldurchmesser (zum Beispiel 10 µm) festgelegt sind, mit Druckluft oder ähnlichem zu der Außenumfangsoberfläche 111 zum Vorstehen gebracht werden. Diese konkaven Abschnitte 111A dienen dazu, die Kontaktfläche zwischen der Außenumfangsoberfläche 111 des Hauptkörpers 110 und der Harzschicht 120 zu erhöhen. Wenn folglich die Harzschicht 120 auf der Außenumfangsoberfläche 111 des Hauptkörpers 110 ausgebildet wird, dringt die Harzschicht 120 in die konkaven Abschnitte 111A ein, und die sogenannte Verankerungswirkung wird ausgeübt, wodurch die Haftfähigkeit zwischen dem Hauptkörper 110 und der Harzschicht 120 vergrößert werden kann.
Der Hauptkörper 110 wird eine vorgegebene Zeit lang (10 Minuten) einer Ultraschallreinigung unterzogen, während er in eine Azetonlösung eingetaucht ist, wodurch Öl- und Fettgehalt, der an der Außenumfangsoberfläche 111 haftet, entfernt wird, und dann wird die Harzschicht 120 auf der Außenumfangsoberfläche 111 ausgebildet. Außerdem wird es in diesem Aufbau bevorzugt, wenigstens einen Teil des Oxidfilms, der sich auf der Außenumfangsoberfläche 111 bildet, zu entfernen, bevor die Harzschicht 120 ausgebildet wird. Folglich wird eine neu ausgebildete Oberfläche aus Aluminiumlegierung auf der Außenumfangsoberfläche 111 des Hauptkörpers 110 ausgebildet, so dass die Haftung zwischen der neu ausgebildeten Oberfläche und der Harzschicht 120 vergrößert wird.
Die Harzschicht 120 wird aus Polyamidimid- (PAI: Polyamidimid) Harz 124 ausgebildet, das ein wärmeaushärtendes Harzmaterial mit hervorragender Wärmebeständigkeit ist, und das Polyamidimid wird auf die Außenumfangsoberfläche 111 des Hauptkörpers 110 beschichtet und gehärtet, wodurch die Harzschicht 120 ausgebildet wird. Die Harzschicht 120 wirkt als eine Zwischenverbindungsschicht, um den Hauptkörper 110 des Kolbens 101 als das Basiselement und die Silberbeschichtungsschicht 121 als die Gleitfläche 122 eng aneinander haften zu lassen. Die Dicke t1 der Harzschicht 120 ist auf 1 µm bis 6 µm festgelegt. Die Dicke t1 ist in diesem Bereich festgelegt, da die Harzschicht 120 aufgrund des Schrumpfens der Harzschicht 120, das durch Temperaturänderung verursacht wird, dazu neigt, dass ein Riss oder ähnliches auftritt, wenn die Dicke t1 der Harzschicht 120 größer als 6 µm ist.
In dieser Ausführungsform wird Polyamidimidharz als das Harzmaterial verwendet, aber das Harzmaterial ist nicht auf dieses Material beschränkt. Polyimid als das Harz auf Imidbasis vom gleichen Typ, Epoxid als das Epoxidbasierte Harz oder Nylon 6, Nylon 6, 6 als Nylon-basiertes Harz können verwendet werden.
In diesem Zustand werden die Harzschicht 120 und der Hauptkörper 110 derart geheizt, dass N-Methyl-Pyrrolidon in flüssigem Brei verdampft wird, und auch Silberpartikel in dem flüssigen Brei werden verschmolzen und verschweißt. Wie in 14 gezeigt, sind insbesondere die Silberpartikel 123 in dem flüssigen Brei in dem Zustand vorhanden, in dem sie an Kontaktpunkten 123A in Kontakt miteinander kommen. Wenn dieser flüssige Brei geheizt wird, werden die Silberpartikel 123 an den Kontaktpunkten 123A miteinander verschmolzen und verschweißt und miteinander integriert, wodurch die Silberbeschichtungsschicht 121 ausgebildet wird.
In der Mischschicht 126 werden die Silberpartikel 123, die vorhanden sind, während sie mit dem Polyamidimidharz 124 vermischt sind, verschmolzen und mit den Silberpartikeln 123 in dem flüssigen Brei vermischt, wodurch die Silberbeschichtungsschicht 121 ausgebildet wird. Folglich bringt Silber, das in die Mischschicht 126 eindringt, die sogenannte Verankerungswirkung und vergrößert die Haftung zwischen der Silberbeschichtungsschicht 121 und der Harzschicht 120. Die Dicke T3 (13) der zwischen der Silberbeschichtungsschicht 121 und der Harzschicht 126 ausgebildeten Mischschicht 126 wird auf 0,5 µm bis 1 µm eingestellt.
In dieser Ausführungsform wird die Silberbeschichtungsschicht 121 unter Verwendung von Silberpartikeln 123 ausgebildet. Jedoch kann Silberlegierung, Kupfer oder Kupferlegierung als feine Partikel verwendet werden, deren mittlerer Partikeldurchmesser, wie vorstehend beschrieben, auf das vorstehende Nanogrößenniveau eingestellt wird.
Als nächstes wird eine Heiztemperaturbedingung, wenn die Silberbeschichtungsschicht 121 beschrieben.
16 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der spezifischen Festigkeit von Aluminiumlegierung und der Heiztemperatur zeigt. 16 zeigt die Änderung der spezifischen Festigkeit im Bereich von 200°C oder mehr, wenn die spezifische Festigkeit (die Festigkeit pro Einheitsgewicht) von Aluminiumlegierung von 0 bis 200°C auf 1,0 festgelegt ist. Die Festigkeit von Aluminiumlegierung wird auf der Basis der Rockwell-Härteprüfung berechnet.
Es wurde herausgefunden, dass die spezifische Festigkeit (die Festigkeit pro Einheitsgewicht) von Aluminiumlegierung, die den Hauptkörper 110 bildet, dazu neigt, abzunehmen, wenn die Heiztemperatur zunimmt. Wie in 16 gezeigt, besteht insbesondere eine Neigung, dass die spezifischen Festigkeitsübergänge, wenn sie in dem Bereich von 0 bis 200°C auf 1,0 gehalten werden, jedoch allmählich abnehmen, wenn die Temperatur gleich 200°C oder mehr ist. Im Allgemeinen wird in einer rauen Umgebung, wie etwa einem Kolben einer Brennkraftmaschine oder ähnlichem die minimale Festigkeit von Aluminiumlegierung verlangt, die als das Basiselement dient. Daher hat der Anmelder den unteren Grenzwert für die spezifische Festigkeit einer Aluminiumlegierung gemäß den Normen seiner Firma festgelegt, wenn die Aluminiumlegierung für einen Kolben oder ähnliches verwendet wird, und dieser untere Grenzwert wird unter der Bedingung, dass die spezifische Festigkeit in dem Bereich von 0 bis 200°C ist, auf 1,0 festgelegt. Folglich wird in dieser Ausführungsform die Heiztemperatur von Aluminiumlegierung auf nicht mehr als 240°C festgelegt, was der spezifischen Festigkeit von 0,9 entspricht, die größer als der unterste Grenzwert von 0,85 der spezifischen Festigkeit ist.
17 ist ein Diagramm, das die Änderung des flüssigen Breigewichts und der erzeugten Wärmemenge in Bezug auf die Änderung der Heiztemperatur von flüssigem Brei, der Silberpartikel enthält, zeigt. Wie in 17 gezeigt, nimmt die erzeugte Wärmemenge des flüssigen Breis in dem Bereich zwischen 160°C und 200°C zu, wobei sie ihre Spitze bei 185°C hat. Dies stellt dar, dass durch Schmelzen und Verschweißen (Polymerisation) von Silberpartikeln in dem flüssigen Brei Reaktionswärme auftritt. Mit anderen Worten kann die Silberbeschichtungsschicht 121 durch Verschmelzen und Verschweißen der Silberpartikel in dem Brei ausgebildet werden.
Daher wird in diesem Aufbau die Heiztemperatur in dem Bereich von 160°C bis 240°C, besser in dem Bereich von 160°C bis 200°C, festgelegt, wobei die Silberpartikel, die auf Nanogröße angepasst sind, thermisch verschmolzen und miteinander verbunden werden, ohne die spezifische Festigkeit des Basiselements zu verringern.
Außerdem wird gemäß dieser Ausführungsform Polyamidimidharz als das Harzmaterial verwendet, und die Wärmeaushärtung dieses Polyamidimidharzes wird innerhalb der Zeit abgeschlossen, in der die Silberpartikel in dem Bereich von 160°C bis 200°C geheizt werden, um miteinander verschmolzen und verschweißt zu werden. Folglich können in diesem Aufbau ein Schritt, in dem ein flüssiger Brei, in dem Silberpartikel verteilt sind, auf flüssiges Harzmaterial beschichtet wird und sie dann geheizt werden, um das Harzmaterial zu härten, wodurch die Harzschicht 120 ausgebildet wird, und ein Schritt, in dem die Silberbeschichtungsschicht 121 auf der Außenumfangsoberfläche 120A der Harzschicht 120 ausgebildet (eingebacken) wird, in einem einzigen Schritt durchgeführt werden. Daher können das Herstellungsverfahren und die Herstellungszeit verkürzt werden.
Das Gewicht des flüssigen Breis, beginnt, bei der Heiztemperatur von etwa 80°C abzunehmen und sein Abnahmegrad mäßigt sich wieder in der Nähe von 180°C. Jedoch nimmt das Gewicht des flüssigen Breis in der Nähe von 140°C wieder ab und wird in der Nähe von 200°C nahezu eben. Diese Abnahmemenge entspricht dem Lösungsmittelgewicht W von N-Methyl-Pyrrolidon als Lösungsmittel, und es ist erwünscht, dass fast das gesamte Lösungsmittel verdampft, wenn die Heiztemperatur auf 200°C festgelegt wird. Außerdem wird in diesem Aufbau der flüssige Brei bei Normaltemperatur auf die Harzschicht 120 beschichtet, und somit ist es auch erwünscht, dass das Lösungsmittel bei Normaltemperatur schwer zu verdampfen ist. In dieser Ausführungsform wird N-Methyl-Pyrrolidon als Lösungsmittel verwendet, und die Gewichtsänderung bei Normaltemperatur ist, wie in 17 gezeigt, gering. Daher ist es selten, dass das Lösungsmittel in dem flüssigen Brei verdampft und folglich ändern sich die Viskosität und Konzentration des flüssigen Breis in dem Beschichtungsschritt. Folglich kann die Beschichtung mit einer stabilen Qualität ausgeführt werden. Außerdem verdampft fast das gesamte N-Methyl-Pyrrolidon in dem Zustand, in dem es auf 200°C erhitzt wird, und somit kann der Anteil von Silber in der Silberbeschichtungsschicht 121 erhöht werden.
In dieser Ausführungsform wird N-Methyl-Pyrrolidon als Lösungsmittel auf Pyrrolidonbasis verwendet, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf dieses Material beschränkt. Polyvinylpyrrolidon als das gleiche Lösungsmittel auf Pyrrolidonbasis oder ein Lösungsmittel auf Chlorbasis, wie etwa Trichlorethylen, Tetrachlorkohlenstoff oder ähnliche oder Azetonlösungsmittel als andere Lösungsmittel, die Imid-basiertes Harz, Epoxid-basiertes Harz oder Nylon-basiertes Harz anschwellen lassen, können verwendet werden.
Als nächstes wird der Partikeldurchmesser von Silberpartikeln in flüssigem Brei beschrieben.
18 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Silberpartikeldurchmesser und der Silberreinheit zeigt. Hier ist die Silberreinheit als der Volumenanteil des in der Silberbeschichtungsschicht 121 vorhandenen Silbermetalls pro Einheitsvolumen definiert. Wie vorstehend beschrieben, wird die Silberbeschichtungsschicht 121 ausgebildet, indem die Silberpartikel 123 geheizt werden, so dass die Silberpartikel 123 miteinander verschmolzen und verschweißt werden. Wenn daher der mittlere Partikeldurchmesser der Silberpartikel 123 zunimmt, besteht eine Neigung, dass Leerräume zwischen den Silberpartikeln 123 sich vergrößern und somit die Silberreinheit, wie in 18 gezeigt, abnimmt.
Wenn die Silberreinheit abnimmt, nimmt die Wärmeleitfähigkeit der Silberbeschichtungsschicht 121 ab, und die Gleitleistung verschlechtert sich. Um daher die vorgegebene Wärmeleitfähigkeit, die für das Gleiten passend ist, sicherzustellen, ist es erforderlich, dass die Silberreinheit gleich einem vorgegebenen Schwellwert (Silberreinheit von 90%) oder mehr ist. In dieser Ausführungsform ist der mittlere Partikeldurchmesser der Silberpartikel 123 innerhalb des Bereichs von 1 nm bis 80 nm festgelegt. Wenn daher der mittlere Partikeldurchmesser auf den maximalen mittleren Partikeldurchmesser von 80 nm festgelegt wird, kann die Silberreinheit in der Silberbeschichtungsschicht 121 auf einem vorgegebenen Referenzwert oder mehr gehalten werden, der für das Gleiten passend ist, und der Kolben 101 mit hoher Wärmeleitfähigkeit kann ausgebildet werden.
Wie in 13 gezeigt, ist außerdem die Dicke t2 der Silberbeschichtungsschicht 121 in dem Bereich von 1 µm bis 20 µm festgelegt. Es ist in dem Siebdruckverfahren schwierig, die Dicke t2 der Silberbeschichtungsschicht 121 kleiner als 1 µm zu machen. Wenn die Dicke t2 außerdem kleiner als 1 µm ist, liegen der Hauptkörper 110 oder die Harzschicht 120 frei, und somit kann die Gleitfläche 122 nicht flach und glatt ausgebildet werden. Andererseits steigen, selbst wenn die Silberbeschichtung 121 größer als 20 µm festgelegt wird, lediglich die Verarbeitungskosten, und es wird keine große Änderung in der Gleitcharakteristik festgestellt. Außerdem wurde auch festgestellt, dass eine ausreichend kleine Reibung implementiert werden kann, indem die Dicke t2 der Silberbeschichtungsschicht 121 in dem vorstehenden Bereich festgelegt wird. Folglich wird in dieser Ausführungsform die Dicke t2 der Silberbeschichtungsschicht 121 in dem Bereich von 1 µm bis 20 µm festgelegt, wobei der Kolben 101 mit der Gleitfläche 122, deren Reibung durch die Silberbeschichtungsschicht verringert ist, mit einem kostengünstigen Aufbau realisiert werden kann.
19 ist eine Elektronenmikroskopfotografie, die einen vergrößerten Querschnitt des Kolbens 101 zeigt, der durch das vorstehend beschriebene Herstellungsverfahren hergestellt wird. In 19 ist der Hauptkörper 110 auf der Unterseite angeordnet und die Harzschicht 120 und die Silberbeschichtungsschicht 121 sind auf die Außenumfangsoberfläche (die obere Oberfläche in 19) 111 des Hauptkörpers 110 laminiert. Die Konkavität und Konvexität sind, wie in 19 gezeigt, an der Grenzfläche 130 zwischen der Harzschicht 120 und der Silberbeschichtungsschicht 121 komplex ausgebildet, das Harzmaterial und das Silber sind wechselseitig miteinander vermischt, und die Mischschicht 126 ist an diesem Abschnitt ausgebildet. In der Mischschicht 126 sind das Harzmaterial und Silber komplex miteinander in Eingriff, so dass die sogenannte Verankerungswirkung erzeugt wird und die Haftung zwischen der Silberbeschichtungsschicht 121 und der Harzschicht 120 vergrößert wird.
Wie vorstehend beschrieben, wird gemäß dieser Ausführungsform in einem Verfahren zur Herstellung eines Kolbens 101 durch Ausbilden der Silberbeschichtung auf der Außenumfangsoberfläche 111 eines aus Aluminiumlegierung ausgebildeten Hauptkörpers 110, um eine Gleitfläche 122 zu bilden, unter Verwendung von Polyamidimidharz eine Harzschicht 120 auf der Außenumfangsoberfläche 111 des Hauptkörpers 110 ausgebildet, auf die Harzschicht 120 wird ein dünner Brei mit in N-Methyl-Pyrrolidon verteilten Silberpartikeln 123 zum Anschwellenlassen der Oberfläche der Harzschicht 120 beschichtet und der flüssige Brei, die Harzschicht 120 und der Hauptkörper 110 werden geheizt, während an der Grenzfläche 130 zwischen dem beschichteten flüssigen Brei und der Harzschicht 120 eine Mischschicht 126 gebildet wird, in der Silberpartikel 123 und Polyamidimidharz wechselseitig miteinander vermischt sind, wodurch die Silberpartikel 123 in dem flüssigen Brei miteinander verschmolzen und verschweißt werden, während N-Methyl-Pyrrolidon entfernt wird, wodurch die Gleitfläche 122 ausgebildet wird. Daher werden die Silberbeschichtungsschicht 121 und der Hauptkörper 110 durch die Harzschicht 120 miteinander verbunden. Daher kann die Haftspannung verbessert werden, indem in dem Herstellungsverfahren kein raues Material verwendet wird, und der Kolben 101, auf dem die Silberbeschichtungsschicht 121 mit hervorragender mechanischer Festigkeit aufgetragen ist, kann einfach ausgebildet werden.
Außerdem lässt das N-Methyl-Pyrrolidon gemäß dieser Ausführungsform die Außenumfangsoberfläche 120A der Harzschicht 120 anschwellen, wodurch die Mischschicht 126, in der Silber und Polyamidimidharz miteinander vermischt sind, an der Grenzfläche zwischen dem flüssigen Brei und der Harzschicht 120 ausgebildet wird und die Silberbeschichtungsschicht 121 und die Harzschicht 120 durch die Mischschicht 126 eng aneinander haften, so dass die Haftung zwischen der Silberbeschichtungsschicht 121 und der Harzschicht 120 vergrößert werden kann.
Außerdem ist das mittlere Partikel der in N-Methyl-Pyrrolidon verteilten Silberpartikel 123 gemäß dieser Ausführungsform in dem Bereich zwischen 1 nm und 80 nm festgelegt. Selbst wenn daher die Partikelgröße auf die maximale mittlere Partikelgröße von 80 nm festgelegt wird, kann die Reinheit des Silbers in der Silberbeschichtungsschicht 121 derart gehalten werden, dass sie nicht kleiner als ein vorgegebener Referenzwert, der für das Gleiten geeignet ist, ist, und der Kolben 101 mit hoher Wärmeleitfähigkeit kann ausgebildet werden.
Noch weiter wird gemäß dieser Ausführungsform die Heiztemperatur, wenn das Heizen durchgeführt wird, in dem Bereich zwischen 160°C und 240°C festgelegt. Daher können die Silberpartikel thermisch miteinander verschmolzen und verschweißt werden, ohne die spezifische Festigkeit des Hauptkörpers 110 zu verringern, wodurch die Silberbeschichtungsschicht 121 gebildet wird.
Noch weiter werden gemäß dieser Ausführungsform die Konkavität und die Konvexität wenigstens auf einem Teil der Außenumfangsoberfläche 111 des Hauptkörpers 110 ausgebildet, bevor die Harzschicht 120 ausgebildet wird. Daher kann die Kontaktfläche zwischen der Außenumfangsoberfläche 111 des Hauptkörpers 110 und der Harzschicht 120 vergrößert werden. Außerdem dringt die Harzschicht 120 in die konkaven Abschnitte 111A ein, um die sogenannte Verankerungswirkung auszuüben, so dass die Haftung zwischen dem Hauptkörper 110 und der Harzschicht 120 verbessert werden kann.
Da gemäß dieser Ausführungsform außerdem die Beschichtung mit dem Siebdruckverfahren durchgeführt wird, kann flüssiger Brei mit darin verteilten Silberpartikeln 123 einfach auf die Harzschicht 120 beschichtet werden.
Noch weiter wird gemäß dieser Ausführungsform die Dicke t2 der Silberbeschichtungsschicht 121 in dem Bereich zwischen 1 µm und 20 µm festgelegt, wodurch der Kolben 101 mit der Gleitfläche 122, deren Reibung durch die Silberbeschichtungsschicht 121 verringert ist, mit einem kostengünstigen Aufbau ausgebildet werden kann.
[Dritte Ausführungsform]
In der dritten Ausführungsform hat diese Ausführungsform in der Hinsicht den gleichen Aufbau wie der Kolben 101 gemäß der zweiten Ausführungsform, dass die Mischschicht 126 zwischen der Harzschicht (Grundierungsschicht) 120 und der Silberbeschichtungsschicht (Feststoffschmierschicht) 121 eingefügt ist. Jedoch unterscheidet sich diese Ausführungsform in dem Verfahren zum Ausbilden der Mischschicht 126, und folglich wird das Verfahren zum Ausbilden der Mischschicht 126 beschrieben.
Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform darin, dass Terpineol als alkoholbasiertes Lösungsmittel als polares Lösungsmittel zum Verteilen von Silberpartikeln 123 verwendet wird, aber die dritte Ausführungsform hat, abgesehen von dem vorangehenden Thema, den gleichen Aufbau.
Diese Ausführungsform verwendet Terpineol, aber das Lösungsmittel ist nicht auf Terpineol beschränkt. Nonanol oder Ethylenglykol, wie etwa das gleiche alkoholbasierte Lösungsmittel, PGMEA (Propylenglykolmonomethyletheracetat), wie etwa wässriges Lösungsmittel oder Methyl-Ethyl-Keton als Keton-basiertes Lösungsmittel können verwendet werden.
Normalerweise kann einfach ein Kolben ausgebildet werden, in dem die Harzschicht zwischen dem Hauptkörper und der Silberbeschichtungsschicht bereitgestellt ist, der Hauptkörper und die Silberbeschichtungsschicht werden durch die Harzschicht miteinander verbunden, um die Haftung zwischen dem Hauptkörper und der Silberbeschichtungsschicht zu vergrößern, und die Silberbeschichtung mit hervorragender mechanischer Festigkeit wird bereitgestellt.
Hier wird der Kolben in einer rauen Umgebung verwendet, zum Beispiel wird er in einer Zylinderbohrung eines Verbrennungsmotors verwendet. Daher ist es notwendig, dass die Haftung der Silberbeschichtungsschicht höher ist, und der Anmelder hat ein Fertigungsverfahren angestrebt, um die Haftung zwischen dem Hauptkörper und der Silberbeschichtungsschicht erheblich zu vergrößern.
Als ein Ergebnis der wiederholten Experimente des Anmelders wurde herausgefunden, dass die Haftungsfestigkeit zwischen der Silberbeschichtungsschicht 121 und der Harzschicht 120 in einem Verfahren (2), in dem der flüssige Brei mit darin verteilten Silberpartikeln auf ungehärtetes (flüssiges) Harzmaterial beschichtet wird und der flüssige Brei und das Harzmaterial erhitzt werden, höher ist als in einem Verfahren (1), in dem flüssiger Brei auf die gehärtete Harzschicht beschichtet wird und der flüssige Brei geheizt wird, um eine Silberbeschichtungsschicht auf der Außenumfangsoberfläche der Harzschicht zu bilden.
20 ist ein Diagramm, das ein Vergleichsergebnis der Schälflächenrate der Silberbeschichtungsschicht 121 zeigt, wenn mit flüssigem Brei beschichtet wird, bevor und nachdem das Harzmaterial gehärtet ist. Die Schälflächenrate ist wie folgt definiert. Eine Klebebandabschälprüfung, in der ein Klebeband an dem mit einer Silberbeschichtung beschichteten Hauptkörper 110 befestigt wird und das Band dann von dem Hauptkörper 110 abgeblättert wird, wird ausgeführt. Zu dieser Zeit ist die Schälflächenrate als das Verhältnis der Fläche der Silberbeschichtung definiert, die von dem Hauptkörper 110 abblättert und an der Klebeoberfläche des Klebebands haftet, zu der Fläche der Klebeoberfläche des Klebebands.
In dieser Ausführungsform wird die Schälflächenrate der Silberbeschichtungsschicht 121 bestimmt, indem die Klebebandabschälprüfung nach der Scheuerprüfung ausgeführt wird und die Fläche der Silberbeschichtung bestimmt wird, die von dem Hauptkörper abblättert und an der Klebeoberfläche des Klebebands haftet. Die Scheuerprüfung ist die folgende Prüfung. Stahlkugeln mit Durchmessern von 2 bis 5 mm und einem Gesamtgewicht von mehreren kg und ein Bewertungswerkstück (hier ein mit der Silberbeschichtung beschichteter Hauptkörper 110) werden in einen zylindrischen Behälter verbracht, und der zylindrische Behälter wird 20 bis 30 Minuten lang mit 50 bis 10 U/min rotiert, wodurch die Stahlkugeln dazu gebracht werden, gegen die Oberfläche des Werkstücks aufzuprallen und die Silberbeschichtung absichtlich beschädigt wird.
Wenn (1) die Abschälflächenrate der Silberbeschichtungsschicht, die in dem Verfahren hergestellt wird, in dem flüssiger Brei aufgetragen wird, nachdem das Harzmaterial (PAI) gehärtet ist, auf 100% festgelegt wird, wurde gemäß 20 als ein Ergebnis herausgefunden, dass (2) die Abschälflächenrate der Silberbeschichtungsschicht 121, die in dem Verfahren hergestellt wird, in dem der flüssige Brei aufgetragen wird, bevor das Harzmaterial gehärtet ist, gleich 5% ist, und somit wird die Abschälmenge um 95% verringert.
Polyamidimidharz löst sich weder in Terpineol noch reagiert es chemisch mit Terpineol. Jedoch wird geschätzt, dass, wenn flüssiger Brei mit darin verteilten Silberpartikeln 123 auf ungehärtetes (flüssiges) Polyamidimidharz beschichtet wird, aufgrund der Brownschen Bewegung der Silberpartikel 123 oder der Differenz in dem spezifischen Gewicht zwischen Terpineol und dem Polyamidimidharz 124 eine Mischschicht 126 (13), in der flüssiger Brei und Polyamidimidharz 124 miteinander vermischt sind, an der Grenzfläche 130 zwischen dem Polyamidimidharz 124 und dem flüssigen Brei ausgebildet wird.
Daher wird der flüssige Brei mit den darin verteilten Silberpartikeln 123 auf das ungehärtete (flüssige) Harzmaterial beschichtet, und der flüssige Brei und das Harzmaterial werden erhitzt, wodurch das Harzmaterial und Silber in der Mischschicht 126 komplex miteinander verzahnen, wodurch die sogenannte Verankerungswirkung ausgeübt wird und die Haftung zwischen der Silberbeschichtungsschicht 121 und der Harzschicht 120 verbessert werden kann.
Gemäß dieser Ausführungsform wird in einem Verfahren zur Herstellung eines Kolbens 101 durch Ausbilden einer Silberbeschichtung auf der Außenumfangsoberfläche 111 eines aus Aluminiumlegierung ausgebildeten Hauptkörpers 110, um eine Gleitfläche 122 auszubilden, Polyamidimidharz 124 mit einer Wärmeaushärtungseigenschaft auf die Außenumfangsoberfläche 111 des Hauptkörpers 110 beschichtet, flüssiger Brei mit in Terpineol verteilten Silberpartikeln 123 wird auf das Polyamidimidharz 124 beschichtet, bevor das Polyamidimidharz 124 gehärtet ist, und der beschichtete flüssige Brei, das Polyamidimidharz 124 und der Hauptkörper 110 werden erhitzt, so dass das Polyamidimidharz 124 gehärtet wird, Terpineol wird entfernt und die Silberpartikel 123 werden auf der Oberfläche des Polyamidimidharzes 124 miteinander verschmolzen und verschweißt, um die Gleitfläche 122 zu bilden. Daher werden die Silberbeschichtungsschicht 121 und der Hauptkörper 110, welche die Gleitfläche 122 bilden, durch die Harzschicht 120, die durch Härten des Polyamidimidharzes 124 erhalten wird, miteinander verbunden. Daher wird in dem Herstellungsverfahren kein schädliches Material verwendet, die Haftspannung zwischen dem Hauptkörper 110 und der Silberbeschichtungsschicht 121 kann vergrößert werden, und der Kolben 101, auf den die Silberbeschichtungsschicht 121 mit hervorragender mechanischer Festigkeit aufgetragen ist, kann ohne Weiteres ausgebildet werden.
Außerdem wird gemäß dieser Ausführungsform flüssiger Brei auf ungehärtetes Polyamidimidharz 124 in flüssigem Zustand beschichtet, wodurch an der Grenzfläche zwischen dem Polyamidimidharz 124 und dem flüssigen Brei die Mischschicht 126, in der Silber und Polyamidimidharz miteinander vermischt sind, ausgebildet wird, und die Silberbeschichtungsschicht 121 und die Harzschicht 120 werden dazu gebracht, durch die Mischschicht 126 eng aneinander zu haften. Daher kann die Haftfestigkeit zwischen der Silberbeschichtungsschicht 121 und der Harzschicht 120 vergrößert werden. Außerdem wird der flüssige Brei auf das flüssige Polyamidimidharz 124 beschichtet, und sie werden erhitzt, wodurch der Schritt zum Ausbilden der Harzschicht 120 durch Härten von Polyamidimidharz 124 und der Schritt zum Ausbilden der Silberbeschichtungsschicht 121 auf der Außenumfangsoberfläche 120A der Harzschicht 120 durch einen einzigen Schritt implementiert werden kann. Daher können die Anzahl von Verfahrensschritten und die Herstellungszeit verringert werden.
[Vierte Ausführungsform]
In der vierten Ausführungsform ist die Mischschicht 126 massiver ausgebildet. Die vierte Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform darin, dass wie in dem Fall der dritten Ausführungsform Terpineol als alkoholbasiertes Lösungsmittel als polares Lösungsmittel zum Verteilen von Silberpartikeln 123 verwendet wird und ist in den anderen Aufbauten die Gleiche wie die zweite Ausführungsform.
Wie vorstehend beschrieben, wird die Mischschicht 126 an der Grenzfläche 130 zwischen dem Polyamidimidharz 124 und dem flüssigen Brei ausgebildet, indem der flüssige Brei auf das ungehärtete (flüssige) Polyamidimidharz geschichtet wird, und das Polyamidimidharz 124 und Silber verzahnen in der Mischschicht 126 komplex miteinander, wodurch die sogenannte Verankerungswirkung ausgeübt wird und folglich die Haftung zwischen der Silberbeschichtungsschicht und der Harzschicht 120 vergrößert wird.
Der Anmelder hat erwartet, dass die Mischschicht 126 mit einer höheren Haftfähigkeit stabiler und früh ausgebildet werden könnte, indem eine äußere Kraft auf das Polyamidimidharz 124 und den flüssigen Brei angewendet wird, so dass das Polyamidharz 124 und der flüssige Brei an der Grenzfläche 130 miteinander vermischt werden, und hat ein Verfahren zum Beschichten von flüssigem Brei auf ungehärtetes (flüssiges) Polyamidimidharz und dann Anwenden von Ultraschallschwingungen auf das Polyamidimidharz und den flüssigen Brei gefunden.
21 zeigt ein Beispiel für eine Ultraschallschwingvorrichtung zum Anwenden von Ultraschallschwingungen auf Polyamidimidharz und flüssigen Brei, um eine Mischschicht 12 an der Grenzfläche dazwischen auszubilden.
Die Ultraschallschwingvorrichtung 145 hat einen aus Kunststoff, Glas oder ähnlichem ausgebildeten Wassertank 142 und einen in dem Wassertank 140 angeordneten Ultraschallgenerator 142. Der Wassertank 142 hat eine obere Platte 140A, und Wasser (Flüssigkeit) 143 wird von der Bodenplatte 140B bis zu der oberen Platte 140A in den Innenraum 141 des Wassertanks 140 gefüllt. Ein Hauptkörper 110 mit ungehärtetem (flüssigem) Polyamidimidharz 124 und auf das ungehärtete Polyamidimidharz 124 beschichtetem flüssigem Brei 128 wird auf der oberen Platte 140A angeordnet. In diesem Fall dient die untere Oberfläche des Hauptkörpers 110 als eine Kontaktfläche mit der oberen Platte 140A und somit werden das Polyamidimidharz 124 und der flüssige Brei 128 nicht auf die untere Oberfläche beschichtet.
Außerdem ist der Ultraschallgenerator 142 auf der unteren Platte 140B des Wassertanks 140 angeordnet, um von der oberen Platte 140A um einen vorgegebenen Abstand L beabstandet zu sein. Der Ultraschallgenerator 142 ist aufgebaut, um Ultraschallwellen auszugeben, während die Frequenz der Ultraschallwelle in einem vorgegebenen Frequenzbereich geändert wird, und die Ausgabe der Ultraschallwellen wird durch Wasser 143 in dem Wasserbehälter 140 und der oberen Platte 140A an den Hauptkörper 110 übertragen.
In dieser Ausführungsform wird die Wassertemperatur in dem Wassertank 140 auf 20°C bis 65°C festgelegt, und die Ultraschallwelle wird 3 Minuten lang auf den Hauptkörper 110 angewendet, während die Ausgangsleistung des Ultraschallgenerators 142 auf 900 W festgelegt wird und die Frequenz auf 35 kHz festgelegt wird.
Die an den Hauptkörper 110 angelegte Ultraschallschwingung wird von dem Hauptkörper 110 auf das Polyamidimidharz 124 und den flüssigen Brei 128 übertragen, wodurch das Polyamidimidharz 124 und der flüssige Brei 128 an der Grenzfläche 130 dazwischen durch die übertragene Ultraschallschwingung bewegt werden, wodurch die Mischschicht 126 (13) gebildet wird, in welcher das Polyamidimidharz 124 und der flüssige Brei 128 miteinander vermischt sind.
22 ist ein Diagramm, das ein Vergleichsergebnis der Scher-Schälfestigkeit zwischen einem Kolben, der durch Anwenden von Ultraschallschwingungen ausgebildet wird und einem Kolben, der ohne die Anwendung von Ultraschallschwingungen ausgebildet wird, zeigt.
Die Scher-Schälfestigkeit entspricht einem numerischen Wert, bei dem die Haftfestigkeit zwischen der Beschichtung und dem Basiselement durch eine SAICAS- (Surface And Interfacial Cutting Analysis System: Oberflächen- und Grenzflächen-Schnittanalysesystem) Prüfvorrichtung dargestellt wird.
Aus 22 wird der Wert der Scher-Schälfestigkeit, der gleich 0,03 N/m ist, in dem Kolben, auf den keine Ultraschallschwingung angewendet wird, auf 0,22 N/m erhöht, indem Ultraschallschwingungen angewendet werden, das heißt, der Wert der Scher-Abschälfestigkeit des Kolbens, auf den die Ultraschallschwingung angewendet wird, ist etwa sieben Mal so hoch wie des Kolbens, auf den keine Ultraschallschwingung angewendet wird.
Als der Grund dafür wird geschätzt, dass das Polyamidimidharz 124 und der flüssige Brei 128 an der Grenzfläche 130 dazwischen formschlüssig miteinander vermischt werden, indem Ultraschallschwingungen auf das Polyamidimidharz 124 und den flüssigen Brei 128 angewendet werden, so dass eine Mischschicht 126 (13) mit einer größeren Dicke als der, auf die keine Ultraschallschwingung angewendet wird, ausgebildet wird.
Außerdem wird in dieser Ausführungsform die Ultraschallschwingung durch den Hauptkörper 110 auf das Polyamidimidharz 124 und den flüssigen Brei 128 übertragen. Daher kann im Wesentlichen die gleichmäßige Schwingung auf die Grenzfläche 130 zwischen dem Polyamidimidharz 124 und dem flüssigen Brei 128 übertragen werden. Daher kann die Dicke der an der Grenzfläche 130 ausgebildeten Mischschicht 126 derart eingestellt werden, dass sie im Wesentlichen gleichmäßig ist. Folglich kann der Kolben 101, in dem die Verbindungsfestigkeit zwischen der Silberbeschichtungsschicht 121 und der Harzschicht 120 im Wesentlichen gleichmäßig ist, ausgebildet werden.
Gemäß dieser Ausführungsform wird der flüssige Brei auf das vorhärtende Polyamidimidharz 124 in dem flüssigen Zustand beschichtet, die Ultraschallschwingung wird auf den beschichteten flüssigen Brei 128 und das Polyamidimidharz 124 angewendet, wodurch die Mischschicht 126, in der das Polyamidimidharz 124 und der flüssige Brei 128 kraftschlüssig miteinander vermischt sind, an der Grenzfläche 130 zwischen dem Polyamidimidharz 124 und dem flüssigen Brei 128 ausgebildet wird und die Silberbeschichtungsschicht 121 und die Harzschicht 120 durch die Mischschicht 126 eng aneinander haften, so dass die Bindefestigkeit zwischen der Silberbeschichtungsschicht 121 und der Harzschicht 120 vergrößert werden kann.
Diese Ausführungsform wurde einhergehend mit dem Verfahren zum Anwenden von Ultraschallschwingungen auf das Polyamidimidharz 124 und den flüssigen Brei 128 und dann dem Erhitzen des flüssigen Breis 128, des Polyamidimidharzes 124 und des Hauptkörpers 110 beschrieben. Wenn die Ultraschallschwingung jedoch angewendet werden kann, während das Erhitzen in einem Heizofen durchgeführt wird, kann das Verfahren zum Heizen des dünnen Breis 128, des Polyamidimidharzes 124 und des Hauptkörpers 110, während Ultraschallwellen auf das Polyamidimidharz 124 und den flüssigen Brei angewendet werden, verwendet werden. In diesem Fall können die Anzahl von Verfahrensschritten und die Verfahrensdauer weiter verringert werden.
[Fünfte Ausführungsform]
In einer fünften Ausführungsform werden anstelle von Ultraschallschwingungen direkt Schwingungen auf ungehärtetes (flüssiges) Polyamidimidharz und flüssigen Brei angewendet, um eine Mischschicht 126 an der Grenzfläche 130 dazwischen auszubilden. Die fünfte Ausführungsform unterscheidet sich auch von der zweiten Ausführungsform in dem Aufbau darin, dass wie in dem Fall der dritten Ausführungsform Terpineol als alkoholbasiertes Lösungsmittel als polares Lösungsmittel zum Verteilen von Silberpartikeln 123 verwendet wird, und ihre anderen Aufbauten sind die Gleichen wie in der zweiten Ausführungsform.
23 zeigt ein Beispiel für eine Schwingvorrichtung zum Anwenden von Schwingungen auf Polyamidimidharz und flüssigen Brei, um eine Mischschicht 126 an der Grenzfläche dazwischen auszubilden.
Die Schwingvorrichtung 155 hat einen Rüttler 150, mehrere nadelartige Stäbe (Schwingkörper) 151, 151, .., die mit dem Rüttler 150 verbunden sind, und einen (nicht gezeigten) Bewegungsmechanismus zum Bewegen des Rüttlers 150 in einer sich an den Hauptkörper 110 annähernden Richtung (XI in 23) oder in einer von dem Hauptkörper 110 zurückweichenden Richtung (X2 in 23). Der Hauptkörper 110 ist auf einer (nicht gezeigten) Stufe montiert, während ungehärtetes (flüssiges) Polyamidimidharz 124 und flüssiger Brei 128 auf die Außenumfangsoberfläche 111 des Hauptkörpers 110 beschichtet werden, und der Rüttler 150 ist derart angeordnet, dass die Spitzen 151A der Drahtstäbe 151 dem Hauptkörper 110 zugewandt sind.
Der Rüttler 150 hat ein Gewicht, das exzentrisch an der rotierenden Welle eines elektrisch angetriebenen Motors in einem Gehäuse bereitgestellt ist, und das Gewicht wird exzentrisch rotiert, um Schwingungen zu erzeugen. Die Drahtstäbe 151 sind nadelartige Elemente, die derart konstruiert sind, dass sie einen vorgegebenen Drahtdurchmesser (zum Beispiel 0,5 mm) haben. In dieser Ausführungsform sind die Drahtstäbe 151 an dem Gehäusekörper befestigt, so dass sie in einem vorgegebenen Abstand (zum Beispiel 12 mm) voneinander beabstandet sind.
Wenn der Rüttler 110 in der sich an den mit dem Polyamidimidharz 124 und dem flüssigen Brei 128 beschichteten Hauptkörper 110 annähernden Richtung (X1 in 23) bewegt wird, werden die Drahtstäbe 151 in den flüssigen Brei 128 und das Polyamidimidharz 124 hinein gesteckt. In diesem Fall ist es erwünscht, dass die Spitzen 151A der Drahtstäbe 151 sich in dem Polyamidimidharz 124 befinden und nicht in Kontakt mit der Außenumfangsoberfläche 111 des Hauptkörpers 110 kommen. Wenn die Spitzen 151A in Kontakt mit der Außenumfangsoberfläche 111 kommen, dienen die Spitzen 151A als feste Enden bei der Übertragung von Schwingungen auf die Drahtstäbe 151, so dass die Amplitude der Spitzen 151A sich verringert.
Anschließend wird der Rüttler 150 in dem Zustand betätigt, in dem die Drahtstäbe 151 in den flüssigen Brei 128 und das Polyamidimidharz 124 eingesetzt sind. Zu dieser Zeit wird die Schwingung des Rüttlers 150 durch die Drahtstäbe 151 zu dem Polyamidimidharz 124 und dem feuchten Brei 128 übertragen. In dieser Ausführungsform wird der Rüttler 150 derart gesteuert, dass er 3 Minuten lang betätigt wird, während die Schwingleistung des elektrisch betriebenen Motors auf 50 W festgelegt ist und die Frequenz auf 30 Hz festgelegt ist.
Entsprechend werden das ungehärtete Polyamidimidharz 124 und der flüssige Brei 128 durch den Betrieb der Drahtstäbe 151 an der Grenzfläche 130 dazwischen geschüttelt, und das Polyamidimidharz 124 und der flüssige Brei 128 werden auch bewegt und miteinander vermischt, wodurch die Mischschicht 126 (13) ausgebildet wird.
In dieser Ausführungsform werden zwei Schwingvorrichtungen 155 bereitgestellt, um den Hauptkörper 110 dazwischen einzuschieben, und die (nicht gezeigte) Stufe, auf welcher der Hauptkörper 110 montiert ist, wird um jeden vorgegebenen Winkel rotiert, wodurch die Mischschicht 126 über den gesamten Umfang des Hauptkörpers 110 ausgebildet wird. Nur eine Schwingvorrichtung 155 kann bereitgestellt werden, oder mehrere Schwingvorrichtungen 155 können um den Hauptkörper 110 herum angeordnet werden.
24 ist ein Diagramm, das ein Vergleichsergebnis der Scher-Schälfestigkeit zwischen einem Kolben, der ohne die Anwendung von Ultraschallschwingungen ausgebildet wird, und einem Kolben, der durch Anwenden von Ultraschallschwingungen ausgebildet wird, zeigt.
Die Scher-Schälfestigkeit entspricht einem numerischen Wert, mit dem die Haftfestigkeit zwischen der Beschichtung und dem Basiselement durch eine SAICAS- (Surface And Interfacial Cutting Analysis System) Prüfvorrichtung dargestellt wird.
Aus 24 wird der Wert der Scher-Schälfestigkeit, die bei dem Kolben, auf den keine Schwingungen angewendet wurden, gleich 0,03 N/m ist, durch Anwenden von Schwingungen auf 0,36 N/m vergrößert, das heißt, der Wert der Scher-Schälfestigkeit des Kolbens, auf den die Schwingungen angewendet werden, ist etwa 12 mal so groß wie des Kolbens, auf den keine Schwingungen angewendet werden.
Als Grund dafür wird geschätzt, dass das Polyamidimidharz 124 und der flüssige Brei 128 an der Grenzfläche 130 dazwischen kraftschlüssig miteinander vermischt werden, indem Schwingungen auf das Polyamidimidharz 124 und den feuchten Brei 128 angewendet werden, so dass die Mischschicht 126 (13) mit einer größeren Dicke als der, auf die keine Schwingungen angewendet werden, ausgebildet wird.
Außerdem werden in dieser Ausführungsform die Drahtstäbe 151 geschwungen, während sie direkt in dem dünnen Brei 128 und dem Polyamidimidharz 124 stecken, der flüssige Brei 128 und das Polyamidimidharz 124 werden stärker miteinander vermischt, wenn sie näher an den Drahtstäben 151 sind, wodurch teilweise die Mischschicht mit höherer Bindefestigkeit ausgebildet werden kann. Daher kann durch Einstellen der Position der Drahtstäbe 151 die Bindefestigkeit zwischen der Silberbeschichtungsschicht 121 und der Harzschicht 120 an einer Nadelspitze vergrößert werden.
Gemäß dieser Ausführungsform wird der flüssige Brei auf das ungehärtete flüssige Polyamidimidharz 124 beschichtet, die Drahtstäbe 151 werden in den beschichteten flüssigen Brei 128 und das Polyamidimidharz 124 eingesetzt, und Schwingungen werden auf den flüssigen Brei 128 und das Polyamidimidharz 124 angewendet, wodurch die Mischschicht 120, in der das Polyamidimidharz 124 und der flüssige Brei 128 kraftschlüssig miteinander vermischt sind, an der Grenzfläche 130 zwischen dem Polyamidimidharz 124 und dem flüssigen Brei 128 ausgebildet wird. Die Silberbeschichtungsschicht 121 und die Harzschicht 120 haften durch die Mischschicht 126 eng aneinander, so dass die Haftfestigkeit zwischen der Silberbeschichtungsschicht und der Harzschicht 120 verbessert werden kann.
In dieser Ausführungsform wurde die Schwingvorrichtung 155 als ein Aufbau zum Anlegen der Schwingungen an das Polyamidimidharz 124 und den flüssigen Brei 128 als ein Beispiel beschrieben. Jedoch kann ein anderer Aufbau verwendet werden, sofern er Schwingungen auf das Polyamidimidharz 124 und den flüssigen Brei 128 anwendet.
Das Verfahren zum Ausbilden der Mischschicht 126, das unter Bezug auf die dritten bis fünften Ausführungsformen beschrieben wurde, kann für den Kolben 10 gemäß der ersten Ausführungsform verwendet werden.
[Sechste Ausführungsform]
25 ist eine seitliche Querschnittansicht, die eine Beschichtungsschicht 202 eines Kolbens 201 gemäß einer sechsten Ausführungsform zeigt. In dieser Ausführungsform ist eine Harzschicht 220 derart aufgebaut, dass Silberpartikel 225, deren mittlerer Partikeldurchmesser auf einen vorgegebenen mittleren Partikeldurchmesser (1 µm bis 30 µm) festgelegt ist, in Polyamidimidharz 12 vermischt werden, und die anderen Aufbauten dieser Ausführungsform sind die Gleichen wie die zweiten bis fünften Ausführungsformen. Die gleichen Aufbauten werden durch die gleichen Bezugsnummern dargestellt und ihre Beschreibung wird wegelassen. In diesem Aufbau wird der maximale Wert des mittleren Partikeldurchmessers der Silberpartikel 225 größer festgelegt als die Dicke t1 der Harzschicht 220. Die Silberpartikel 225 stehen von der Außenumfangsoberfläche 220A der Harzschicht 220 vor. Daher werden die Silberpartikel 225 in dem Verfahren zum Ausbilden der Silberbeschichtungsschicht 121mit der Silberbeschichtungsschicht 121 verschmolzen und verschweißt und wirken, um die Haftfähigkeit zwischen der Silberbeschichtungsschicht 121 und der Harzschicht 220 stärker zu vergrößern.
In dieser Ausführungsform wird die Silberbeschichtungsschicht 121 an der Außenseite der Harzschicht 220 bereitgestellt, und die Silberpartikel 225, die das gleiche Material wie die Silberbeschichtungsschicht 121 sind, werden in dem Polyamidimidharz 124 vermischt. Jedoch können Kupferpartikel in dem Polyamidimidharz vermischt werden, sofern eine Kupferbeschichtungsschicht an der Außenseite der Harzschicht bereitgestellt ist.
26 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Partikeldurchmesser der Silberpartikel 225 in der Harzschicht 220 und der Haftfestigkeit zwischen der Silberbeschichtungsschicht 121 und der Harzschicht 220 zeigt. 27 ist eine Querschnittansicht, die den Zustand zeigt, in dem die Silberpartikel 225 in der Harzschicht 220 und der Silberbeschichtungsschicht 121 in der Mischschicht 126 miteinander verschmolzen und verschweißt werden.
Die Bindefestigkeit zwischen der Silberbeschichtungsschicht 121 und der Harzschicht 220 wird unter Verwendung eines Kratzprüfverfahrens wie folgt gemessen. Ein Kontaktkern wird unter einer konstanten Last gegen die Beschichtung gepresst und Kraft, mit der das Abschälen stattfindet, wird auf der Basis der Verschiebung des Kontaktkerns gemessen, wenn der Kontaktkern in dem Zustand, in dem der Kontaktkern die Beschichtung durchdringt, von der Spitze des Kontaktkerns vertikal bewegt wird, und die Bindefestigkeit wird auf der Basis der gemessenen Kraft gemessen.
Wie vorstehend beschrieben, haften die Silberbeschichtungsschicht 121 und die Harzschicht 220 durch die Mischschicht 126 zwischen der Silberbeschichtungsschicht 121 und der Harzschicht 220 fest aneinander, und die Silberpartikel 225 in der Harzschicht 220 werden mit den Silberpartikeln 123 in dem flüssigen Brei verschmolzen und verschweißt, wenn die Silberbeschichtungsschicht 121 ausgebildet wird, wodurch die Silberpartikel 225 eng an den Silberpartikeln 123 haften. Wie in 27 gezeigt, wird insbesondere der Silberpartikel 225, der zu der Außenumfangsoberfläche 220A der Harzschicht 220 freiliegt, an der freiliegenden Oberfläche 225A mit der Beschichtungsschicht 121 (dem Silberpartikel 123, der die Silberbeschichtungsschicht 121 bildet) verschmolzen und verschweißt, wodurch die Silberbeschichtungsschicht 121 und die Harzschicht 220 eng aneinander haften. Hier in dieser Ausführungsform ist der mittlere Partikeldurchmesser der in der Harzschicht 220 enthaltenen Silberpartikel 225 in dem Bereich von 4 µm bis 30 µm festgelegt. Wenn der mittlere Partikeldurchmesser der Silberpartikel 225 in der Harzschicht 220 kleiner als 4 µm ist, wird die Kontaktfläche zwischen dem Silberpartikel 225 und dem Silberpartikel 123, der die Silberbeschichtungsschicht 121 bildet, verringert, und folglich wird die Bindekraft zwischen der Harzschicht 220 und der Silberbeschichtungsschicht 121 verringert. Wenn andererseits der mittlere Partikeldurchmesser der Silberpartikel 225 in der Harzschicht 220 größer als 30 µm ist, ist es schwierig, die Silberpartikel 225 in der Harzschicht 220 zu verteilen. Daher wird in dieser Ausführungsform der mittlere Partikeldurchmesser der Silberpartikel 225 in der Harzschicht 220 auf den Bereich von 4 µm bis 30 µm festgelegt, wodurch die Bindekraft zwischen den Silberpartikeln 225 in der Harzschicht 220 und der Silberbeschichtungsschicht 121 vergrößert werden kann.
Wenn hier der mittlere Partikeldurchmesser der Silberpartikel 225 auf 30 µm festgelegt wird, stehen die Silberpartikel 225 von der Gleitfläche 122 der Silberbeschichtungsschicht 121, die auf der Außenumfangsoberfläche 220A der Harzschicht 220 ausgebildet ist, vor. In diesem Fall kommt der vorstehende Abschnitt unter der Anfangsbewegung in Gleitkontakt mit der Innenwand 103A der Zylinderbohrung 103 und wird somit abgenutzt (anfänglich abgenutzt). Daher wird die Gleitfläche 122 als eine Fläche, bei der Reibung mit der Innenwand 103A verringert wird, ausgebildet.
Gemäß dieser Ausführungsform werden die Silberpartikel 225 in der Harzschicht 220 verteilt, so dass nur die Silberbeschichtungsschicht 121 und die Harzschicht 220 durch die Mischschicht 126 fest aneinander haften, aber auch die Silberpartikel 225 in der Harzschicht 220 mit den Silberpartikeln 123 in dem flüssigen Brei verschmolzen und verschweißt werden. Daher kann die Bindekraft zwischen der Silberbeschichtungsschicht 121 und der Harzschicht 220 stärker vergrößert werden. Außerdem wird gemäß dieser Ausführungsform der mittlere Partikeldurchmesser der Silberpartikel 225 in der Harzschicht 220 in dem Bereich von 4 µm bis 30 µm festgelegt, wodurch die Bindekraft zwischen den Silberpartikeln 225 in der Harzschicht 220 und der Silberbeschichtungsschicht 121 vergrößert werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt, und vielfältige Aufbauten können verwendet werden, ohne von dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel ist in dieser Ausführungsform der Hauptkörper 110 des Kolbens 101 aus Aluminiumlegierung ausgebildet. Jedoch kann der Hauptkörper aus Aluminiummetall ausgebildet sein.
Außerdem ist in den Ausführungsformen der Feststoffschmierabschnitt (Silberbeschichtungsschicht) 26, 121 auf dem Kolbenmantel (Mantelabschnitt) 12, 110B des Kolbens 10, 101 als dem Gleitelement ausgebildet. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführungsformen beschränkt. Der Feststoffschmierabschnitt (Silberbeschichtungsschicht 26, 121) kann auf der Gleitfläche eines Lagermetalls, einer Nockenwelle oder ähnlichem ausgebildet werden.
Bezugszeichenliste

10, 101, 201: Kolben (Gleitelement)
24: Grundierungsschicht
26: Feststoffschmierabschnitt
28: erodierte Schicht
102, 202: Beschichtungsschicht
103: Zylinderbohrung (Gleitzielelement)
110: Hauptkörper (Basiselement)
111: Außenumfangsoberfläche (Oberfläche)
120, 220: Harzschicht (Grundierungsschicht)
121: Silberbeschichtungsschicht (fixierter Schmierabschnitt)
122: Gleitfläche
123: Silberpartikel
126: Mischschicht

Claims

Gleitelement mit einer Gleitfläche, die in einem Gleitzielelement gleitet, wobei die Gleitfläche aus wenigstens einer Art von Material gebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Silber, Silberlegierung, Kupfer und Kupferlegierung besteht, eine Grundierungsschicht, die ein Harzmaterial enthält und auf der Oberfläche eines Basiselements bereitgestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Feststoffschmierabschnitt, der auf der Oberfläche der Grundierungsschicht ausgebildet ist die Gleitfläche bereitstellt, und eine Mischschicht, in der sowohl die Grundierungsschicht als auch der Feststoffschmierabschnitt miteinander vermischt sind, zwischen der Grundierungsschicht und dem Feststoffschmierabschnitt eingefügt ist.
Gleitelement nach Anspruch 1, wobei die Porosität des Feststoffschmierabschnitts gleich 2% oder weniger ist und die Dicke der Mischschicht gleich 10 nm oder mehr ist.
Gleitelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Grundierungsschicht ferner ein Feststoffschmiermittel enthält, und das Mischungsverhältnis des Harzmaterials und des Feststoffschmiermittels in dem Bereich von 1:9 bis 9:1 in Gewichts-% festgelegt ist.
Gleitelement nach Anspruch 3, wobei das Feststoffschmiermittel wenigstens eine Art von Material hat, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Molybdändisulfid, Bornitrid und Graphit besteht.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei wenigstens der Feststoffschmierabschnitt in einer linearen Form oder punktartigen Form aufgebaut ist.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Feststoffschmierabschnitt als eine Beschichtungsschicht ausgebildet ist, welche die Grundierungsschicht durch die Mischschicht bedeckt.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Gleitelement ein Kolben für eine Brennkraftmaschine ist, der Kolben einen Mantelabschnitt hat, dessen Oberfläche flach und glatt ist, und die Grundierungsschicht auf der flachen und glatten Oberfläche ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durch Ausbilden einer Beschichtung aus Silber, Silberlegierung, Kupfer oder Kupferlegierung auf einer Oberfläche eines Grundmaterials, um eine Gleitfläche auszubilden, das Verfahren weist die Schritte auf: Auftragen eines Harzmaterials mit einer Wärmeaushärtungseigenschaft auf die Oberfläche des Basiselements, Beschichten des Harzmaterials mit einer Suspensionslösung, die feine Partikel aus Silber, Silberlegierung, Kupfer oder Kupferlegierung enthält, die in einem polaren Lösungsmittel verteilt sind, bevor das Harzmaterial gehärtet wird, und Heizen der aufgetragenen Suspensionslösung, des Harzmaterials und des Basiselements, um das Harzmaterial zu härten, das polare Lösungsmittel zu entfernen und die feinen Partikel auf der Oberfläche des Harzmaterials miteinander zu verschmelzen und zu verschweißen.
Verfahren zur Herstellung des Gleitelements nach Anspruch 8, wobei, bevor das Harzmaterial gehärtet wird, Schwingungen auf die aufgetragene Suspensionslösung und das Harzmaterial angewendet werden, so dass eine Mischschicht, in der sowohl die feinen Partikel als auch das Harzmaterial miteinander vermischt sind, zwischen der Suspensionslösung und dem Harzmaterial ausgebildet wird.
Verfahren zur Herstellung des Gleitelements nach Anspruch 8, wobei Ultraschallschwingungen auf die Suspensionslösung und das Harzmaterial angewendet werden.
Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durch Ausbilden einer Beschichtung aus Silber, Silberlegierung, Kupfer oder Kupferlegierung auf der Oberfläche eines Grundmaterials zum Ausbilden einer Gleitfläche, das Verfahren weist die Schritte auf: Ausbilden einer Harzschicht auf einer Oberfläche des Basiselements, Beschichten der Harzschicht mit einer Suspensionslösung, in der feine Partikel aus Silber, Silberlegierung, Kupfer oder Kupferlegierung in Lösungsmittel verteilt sind, zum Anschwellen einer Oberfläche der Harzschicht und Heizen der Suspensionslösung, der Harzschicht und des Basiselements, während eine Mischschicht, in der feine Partikel und das Harzmaterial miteinander vermischt sind, zwischen der aufgetragenen Suspensionslösung und der Harzschicht ausgebildet wird, wodurch die feinen Partikel in der Suspensionslösung miteinander verschmolzen und verschweißt werden, während das Lösungsmittel entfernt wird, wodurch die Gleitfläche gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung des Gleitelements nach Anspruch 8 oder 11, wobei der mittlere Partikeldurchmesser der feinen Partikel aus Silber, Silberlegierung, Kupfer oder Kupferlegierung, die in dem Lösungsmittel verteilt werden sollen, in dem Bereich von 1 nm bis 80 nm festgelegt ist.
Verfahren zur Herstellung des Gleitelements nach Anspruch 8 bis 11, wobei die Heiztemperatur für die Heizung in dem Bereich von 160°C bis 240°C festgelegt ist.
Verfahren zur Herstellung des Gleitelements nach Anspruch 8 oder 11, wobei Partikel der gleichen Metallart wie die in dem Lösungsmittel verteilten feinen Partikel in dem Harzmaterial verteilt werden.
Verfahren zur Herstellung des Gleitelements nach Anspruch 14, wobei der mittlere Partikeldurchmesser der in dem Harzmaterial verteilten Partikel in dem Bereich von 4 µm bis 30 (am festgelegt ist.