JP2013164035A

JP2013164035A - 内燃機関のピストンの製造方法

Info

Publication number: JP2013164035A
Application number: JP2012027932A
Authority: JP
Inventors: Masato Sasaki; 正登佐々木
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2012-02-13
Filing date: 2012-02-13
Publication date: 2013-08-22

Abstract

【課題】被膜形成時間を短縮し得る内燃機関のピストンの製造方法を提供する。
【解決手段】ピストン素材を成形する成形工程Ｓ１と、該成形工程Ｓ１の後、ピストン素材を洗浄・乾燥させる洗浄工程Ｓ２と、該洗浄工程Ｓ２の後、ピストン素材の各スカート部に、下層となる第１固体潤滑被膜の形成に供する第１被膜形成塗料をスクリーン印刷によって塗布する第１被膜形成工程Ｓ３と、該第１被膜形成工程Ｓ３の後、前記第１被膜形成塗料が乾燥する前に、上層となる第２固体潤滑被膜の形成に供する第２被膜形成塗料を、被塗布体に対して非接触となるエアスプレーにより塗布する第２被膜形成工程Ｓ４と、該第２被膜形成工程Ｓ４の後、前記両被膜形成塗料を乾燥して硬化させる焼成工程Ｓ５と、からなる方法によって、複層固体潤滑被膜を有するピストンを製造することとした。
【選択図】図４

Description

本発明は、例えば自動車の内燃機関に適用される内燃機関のピストンの製造方法であって、主として、複層固体潤滑被膜の形成方法に関する。

複層固体潤滑被膜が形成される従来の内燃機関用ピストンの製造方法としては、例えば以下の特許文献１に記載されたものが知られている。

すなわち、従来では、まず、切削加工が施されたピストンを水洗洗浄した後、これを乾燥させる。そして、ピストンのスカート部について、摩耗量の少ない組成を有する第１被膜組成物をいわゆるスクリーン印刷によって塗布した後、これを焼成して乾燥させることで、下層となる第１固体潤滑被膜を形成する。続いて、当該焼成後のピストンを冷却し、その後に、前記第１固体潤滑被膜の上面に摩耗量の多い組成を有する第２被膜組成物を前記スクリーン印刷により重ねて塗布し、これを焼成して乾燥させることによって、上層となる第２固体潤滑被膜を形成する。

このような方法をもってピストンのスカート部に複層の固体潤滑被膜を形成することで、当該スカート部に残る条痕の凹凸が低減され、これによってフリクションの低減を図っている。

特開２０１０−２１６３６２号公報

しかしながら、前記従来のピストンの製造方法では、前記複層固体潤滑被膜を形成するにあたって、被膜形成工程にて前記焼成を繰り返す必要があることから、当該被膜の形成時間が長くかかってしまうという問題があった。

そこで、本発明は、前記従来の内燃機関用ピストンの製造方法の技術的課題に鑑みて案出されたものであって、被膜形成時間を短縮し得る内燃機関のピストンの製造方法を提供することを目的としている。

本願発明は、スカート部に第１固体潤滑被膜が形成されると共に、該第１固体潤滑被膜の上面に第２固体潤滑被膜が形成される内燃機関のピストンの製造方法であって、とりわけ、前記スカート部に、前記第１固体潤滑被膜の形成に供する第１被膜組成物をスクリーン印刷によって塗布する工程と、該工程にて塗布された前記第１被膜組成物が乾燥する前に、前記第２固体潤滑被膜の形成に供する第２被膜組成物をスプレーによって重ねて塗布する工程と、前記第１被膜組成物及び第２被膜組成物を焼成する工程と、によって前記第１固体潤滑被膜及び第２固体潤滑被膜を形成することを特徴としている。

なお、前記第１被膜組成物については、第２被膜組成物と同様、スプレーによって塗布することとしてもよい。

本願発明によれば、第１被膜組成物の焼成あるいは乾燥を省略して、当該第１被膜組成物が乾燥する前に第２被膜組成物を塗布するようにしたことから、両被膜組成物からなる複層固体潤滑被膜をより短時間で形成することができ、生産性の向上等に供される。

また、第１被膜形成塗料が乾燥する前に第２被膜形成塗料を塗布するようにしたことによって、前記両固体潤滑被膜間の境界が認められない構成となり、当該固体潤滑被膜同士の結合力を高めることが可能となる。これにより、複層固体潤滑被膜としての耐久性の向上も図ることができる。

本発明に係るピストンを内燃機関に適用した状態を示す要部縦断面図である。同ピストンの半断面図である。図２に示すスカート部の要部拡大図である。本発明の第１実施形態に係るピストンの製造工程の工程順を表した工程図である。本発明の第１実施形態に係る第１被膜形成塗料の塗布態様を表した概略図である。同実施形態に係る第２被膜形成塗料の塗布態様を表した概略図である。本発明の第２実施形態に係るピストンの製造工程の工程順を表した工程図である。

以下に、本発明に係る内燃機関のピストンの製造方法の各実施形態につき、図面に基づいて詳述する。なお、下記の各実施形態では、当該製造方法を自動車用エンジンのピストンについて適用した例を基に説明する。

本発明に係る製造方法によって製造されるピストン１は、図１に示すように、シリンダブロック２に形成されたほぼ円筒状のシリンダ壁３に対して摺動自在に設けられ、該シリンダ壁３と図外のシリンダヘッドとの間に燃焼室Ｃを形成するようになっていて、ほぼ径方向に沿って挿通されるピストンピン４に連結されるコンロッド５を介して図外のクランクシャフトに連係されている。

このピストン１は、全体が例えばＡＣ８ＡなどＡｌ−Ｓｉ系のアルミニウム合金材をもってほぼ円筒状に一体に鋳造され、図１、図２に示すように、冠面６ａ上に前記燃焼室Ｃを画成する冠部６と、該冠部６の下端側外周に一体に設けられた一対のスラスト側スカート部７及び反スラスト側スカート部８と、該各スカート部７，８の周方向の両端部に接続される一対のエプロン部９，９と、を備えている。

前記冠部６は、比較的厚肉に形成された円盤状を呈し、冠面６ａには、図外の吸排気弁との干渉の回避に供するバルブリセス（図示外）が穿設されている。また、この冠部６の外周部には、プレッシャリングやオイルリングなど３つのピストンリングＰＬ１〜ＰＬ３の保持に供するリング溝６ｂ〜６ｄが切欠形成されている。

前記各スカート部７，８は、ピストン１の軸心を中心として左右対称に配置され、比較的薄肉の厚さ幅をもって横断面ほぼ円弧状となるように形成されている。そして、スラスト側スカート部７については、膨張行程時などにおいてピストン１が下降ストロークした際に、コンロッド５の角度との関係からシリンダ壁３に対し傾きながら圧接する一方、反スラスト側スカート部８については、圧縮行程時などにおいてピストン１が上昇ストロークした際に、シリンダ壁３に対し反対に傾きながら圧接することとなる。なお、前記各スカート部７，８のシリンダ壁３に対する圧接荷重については、燃焼圧力を受けてシリンダ壁３に圧接する前記スラスト側スカート部７の方が大きくなる。

また、前記各スカート部７，８の表面には、図１、図３に示すように、複層固体潤滑被膜１０が形成されている。この複層固体潤滑被膜１０は、下層に形成される第１被膜組成物からなる第１固体潤滑被膜１１と、上層に形成される第２被膜組成物からなる第２固体潤滑被膜１２と、からなるもので、当該両被膜１１，１２の結合樹脂としては、耐熱性、耐摩耗性及び密着性に優れるエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂又はポリアミドイミド樹脂のいずれか１種又は２種を使用する。

具体的に説明すれば、前記第１固体潤滑被膜１１（前記第１被膜組成物）については、前記結合樹脂であるエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂又はポリアミドイミド樹脂（ＰＡＩ）の１種が５０ｗｔ％以上となるように設定されると共に、前記被膜自体の形成に供する固体潤滑剤であるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、二硫化モリブデン（ＭｏＳ₂）又はグラファイト（ＧＦ）のいずれか１種以上が５０ｗｔ％以下となるように設定されている。

ここで、第１被膜組成物につき前記結合樹脂が５０ｗｔ％以上となるように設定したのは、前記従来の特許公開公報（特開２０１０−２１６３６２号公報）に記載されているように、前記結合樹脂が５０ｗｔ％未満の場合にはピストン１との密着性が低下することとなるためである。

一方、前記第２固定潤滑被膜１２（前記第２被膜組成物）については、前記第１被膜組成物と同様に、結合樹脂であるエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂又はポリアミドイミド樹脂のいずれか１種が５〜５０ｗｔ％となるように設定されると共に、前記固体潤滑剤である二硫化モリブデンが５０〜９５ｗｔ％となるように設定されている。

ここで、第２被膜組成物につき前記結合樹脂が５〜５０ｗｔ％となるように設定したのは、前記従来の特許公開公報（特開２０１０−２１６３６２号公報）に記載されているように、結合樹脂が５ｗｔ％未満の場合には、結合力の低下によって第１被膜組成物との密着性が低下し、反対に５０ｗｔ％を超えると、固体潤滑剤が相対的に少なくなることによって初期馴染み性が低下することとなるためである。

そして、以上のようにして構成される前記第１、第２被膜組成物については、有機溶剤によって希釈され、塗料としてピストン１に塗布される。すなわち、ピストン１（前記両スカート部７，８）の外周面に、第１被膜組成物と第２被膜組成物とが順次重ねて塗布され、これを焼成し硬化させることによって、前記複層固体潤滑被膜１０が形成されることとなる。

また、前記第１被膜組成物と第２被膜組成物を調整するには、例えば、前記結合樹脂であるエポキシ樹脂や、ポリイミド樹脂及びポリアミドイミド樹脂に有機溶剤を配合し、その樹脂溶液に固体潤滑剤を加え、必要に応じて、さらに硬質粒子を添加して、ビーズミル等を用いて混合分散すればよい。なお、この際、前記結合樹脂と、前記ポリテトラフルオロエチレンや二硫化モリブデン、グラファイトの固体潤滑剤と、硬質粒子との配合量は、合わせて１００ｗｔ％となるように調整する。

以下、図４〜図６に基づいて前記ピストン１の製造方法について説明する。

まず、鋳造など所定の製法によってピストン１を成形する（図４に示す成形工程Ｓ１）。続いて、当該ピストン１をスチーム洗浄により水洗し、表面に付着している加工潤滑剤等を除去した後、これを乾燥させる（図４に示す洗浄工程Ｓ２）。

次に、この洗浄・乾燥させたピストン１の前記両スカート部７，８の表面に、いわゆるスクリーン印刷によって、前記第１被膜組成物を所定の有機溶剤に溶かしてなる第１被膜形成塗料１１ａを塗布する（図４に示す第１被膜形成工程Ｓ３）。具体的には、図５に示すように、枠部材２１に張ったスクリーン２２に第１被膜形成塗料１１ａを載せ、スクリーン２２を擦るように当該スクリーン２２に対してスキージ２３を圧接させつつ移動させることによって、当該第１被膜形成塗料１１ａを、スクリーン２２を通じて前記各スカート部７，８の表面に転写させる。

続いて、この転写させた第１被膜形成塗料１１ａを硬化させるための焼成を行わず、当該第１被膜形成塗料１１ａが乾燥する前に、この第１被膜形成塗料１１ａが塗布された各スカート部７，８の表面に対し非接触となる塗布手段、すなわちエアスプレーによって、前記第２被膜組成物を所定の有機溶剤に溶かしてなる第２被膜形成塗料１２ａを塗布する（図４に示す第２被膜形成工程Ｓ４）。具体的には、図６に示すように、前記第１被膜形成塗料１１ａが塗布されたピストン１を回転台２４に載置し、当該回転台２４を回しながらタンク３０ａに注入した第２被膜形成塗料１２ａをスプレーガン３０により噴霧することで、前記各スカート部７，８に塗着されている第１被膜形成塗料１１ａの表面に、当該第２被膜形成塗料１２ａを重ねて塗布する。

このように、第２被膜形成塗料１２ａの塗布手段を、被塗布体に対し非接触となる上記エアスプレーによって行うことで、第１被膜形成塗料１１ａが乾燥する前に、当該第２被膜形成塗料１２ａを塗布することが可能となる。これにより、従来行っていた第１被膜形成塗料１１ａの焼成（乾燥）工程を省略することができ、当該工程における所定の加熱時間や、次の第２被膜形成塗料１２ａの塗布準備に係る冷却時間に要していた作業時間の短縮が図れる。

その後、この両被膜形成塗料１１ａ，１２ａが塗布されたピストン１につき、焼成を行う（図４に示す焼成工程Ｓ５）。具体的には、当該両被膜形成塗料１１ａ，１２ａが塗布されたピストン１を乾燥炉に投入し、１８０℃で３０分あるいは２００℃で２０分等の条件で加熱することによって、前記両被膜形成塗料１１ａ，１２ａにつき、前記有機溶剤を揮発させつつ前記各被膜組成物を硬化させて、前記複層固体潤滑被膜１０を形成する。

以上のように、本実施形態では、従来に行っていた第１被膜形成塗料１１ａの焼成あるいは乾燥を省略して、当該第１被膜形成塗料１１ａが乾燥する前に第２被膜形成塗料１２ａを塗布するようにしたことから、両被膜形成塗料１１ａ，１２ａを硬化させてなる複層固体潤滑被膜１０を、より短時間で形成することが可能となる。この結果、ピストン１の生産性の向上が図れ、製造コストの低廉化に供される。

また、上述のように、第１被膜形成塗料１１ａが乾燥する前に第２被膜形成塗料１２ａを塗布するようにしたことで、前記両固体潤滑被膜１１，１２間の境界が認められない構成とすることが可能となる。これにより、当該固体潤滑被膜１１，１２同士の結合力を高めることが可能となって、複層固体潤滑被膜１２の耐久性の向上も図ることができる。

さらには、上述したとおり、前記第１固体潤滑被膜１１に係る固体潤滑剤の含有量が５０ｗｔ％以下となるように設定したことによって、ピストン１に対する第１固体潤滑被膜１１の良好な密着性が得られると共に、前記第２固体潤滑被膜１２に係る固体潤滑剤の含有量が５０〜９５ｗｔ％となるように設定したことによって、当該第２固体潤滑被膜１２の表面が短時間で摩耗することにより滑らかな摺動面が速やかに形成されることとなって、シリンダ壁３に対する前記各スカート部７，８の良好な初期馴染み性が得られる。

図７は、本発明に係る内燃機関のピストンの製造方法の第２実施形態を示し、前記第１実施形態における複層固体潤滑被膜１０の形成方法を変更したものである。

すなわち、この実施形態では、前記第１実施形態におけるピストン１の製造工程において、ピストン１を成形して（同図に示す成形工程Ｓ１）、これを前記洗浄・乾燥処理した後（同図に示す洗浄工程Ｓ２）、前記各スカート部７，８の表面に、前記スクリーン印刷ではなく、前記エアスプレーにより第１被膜形成塗料１１ａを塗布する（同図に示す第１被膜形成工程Ｓ３）。

続いて、この塗布された第１被膜形成塗料１１ａが乾燥する前に、当該第１被膜形成塗料１１ａの表面に、同エアスプレーにより第２被膜形成塗料１２ａを塗布する（同図に示す第２被膜形成工程Ｓ４）。その後、前記第１実施形態と同様、この両被膜形成塗料１１ａ，１２ａが塗布されたピストン１を乾燥炉に投入して、前記第１実施形態と同様の条件で焼成を行う（同図に示す焼成工程Ｓ５）。

以上のように、本実施形態においても、第１被膜形成塗料１１ａについての焼成（乾燥）工程を省略することにより、前記第１実施形態と同様の作用効果が奏せられる。

本発明は、前記各実施形態の構成に限定されるものではなく、例えば前記各被膜形成塗料１１ａ，１２ａを塗布した後の焼成に係る条件については、固体潤滑被膜１０の仕様や設備の能力等に応じて任意に設定することができる。

また、前記被膜形成工程前の洗浄工程についても、必ずしも前記水洗洗浄に限定されるものではなく、例えば加工工程において潤滑油を使用する場合等は、脱脂処理及び化成処理を行うこととしてもよい。

前記各実施形態から把握される特許請求の範囲に記載した発明以外の技術的思想について、以下に説明する。

（ａ）請求項１に記載の内燃機関のピストンの製造方法であって、
前記ピストンの成形後にこれを洗浄し、その後に前記第１被膜組成物を塗布することを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。

（ｂ）請求項１に記載の内燃機関のピストンの製造方法であって、
前記第１被膜組成物及び第２被膜組成物は、
結合樹脂であるポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂又はエポキシ樹脂の少なくとも１種と、
グラファイト又は二硫化モリブデンの少なくともいずれか一方からなる固体潤滑剤と、
を含んでいることを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。

（ｃ）前記（ｂ）に記載の内燃機関のピストンの製造方法であって、
前記第１被膜組成物は、前記固体潤滑剤の含有量が５０ｗｔ％以下となるように設定され、
前記第２被膜組成物は、前記固体潤滑剤の含有量が５０〜９５ｗｔ％となるように設定されていることを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。

１…ピストン
７…スラスト側スカート部（スカート部）
８…反スラスト側スカート部（スカート部）
１０…複層固体潤滑被膜
１１…第１固体潤滑被膜
１１ａ…第１被膜形成塗料（第１被膜組成物）
１２…第２固体潤滑被膜
１２ａ…第２被膜形成塗料（第２被膜組成物）

Claims

スカート部に第１固体潤滑被膜が形成されると共に、該第１固体潤滑被膜の上面に第２固体潤滑被膜が形成される内燃機関のピストンの製造方法であって、
前記ピストンを成形する工程と、
前記スカート部に、前記第１固体潤滑被膜の形成に供する第１被膜組成物をスクリーン印刷によって塗布する工程と、
該工程にて塗布された前記第１被膜組成物が乾燥する前に、前記第２固体潤滑被膜の形成に供する第２被膜組成物をスプレーによって重ねて塗布する工程と、
前記第１被膜組成物及び第２被膜組成物を焼成する工程と、
によって前記第１固体潤滑被膜及び第２固体潤滑被膜を形成することを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。
スカート部に第１固体潤滑被膜が形成されると共に、該第１固体潤滑被膜の上面に第２固体潤滑被膜が形成される内燃機関のピストンの製造方法であって、
前記ピストンを成形する工程と、
前記スカート部に、前記第１固体潤滑被膜の形成に供する第１被膜組成物をスプレーによって塗布する工程と、
該工程にて塗布された前記第１被膜組成物が乾燥する前に、前記第２固体潤滑被膜の形成に供する第２被膜組成物をスプレーによって重ねて塗布する工程と、
前記第１被膜組成物及び第２被膜組成物を焼成する工程と、
によって前記第１固体潤滑被膜及び第２固体潤滑被膜を形成することを特徴とする内燃機関のピストンの製造方法。