JP2015086766A - ピストンおよびピストンの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンのさらなる軽量化のためにさらなる薄肉化を行った場合にも、ピストンに要求される高温環境下での疲労強度を十分に確保することが可能なピストンを提供する。
【解決手段】このピストン１００は、内燃機関に用いられ、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるピストン本体１と、ピストン本体１の強度補強部分の表面１ａに形成され、プラズマ酸化による酸化アルミニウムからなる表面２ａを有し、かつ、圧縮残留応力が付与された改質層２とを備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、ピストンおよびピストンの製造方法に関する。

従来、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるピストン本体を備えるピストンおよびそのピストンの製造方法が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１には、アルミニウム−珪素合金からなるピストン本体の表面に、強化元素や光触媒元素を含む噴射紛体を噴射することによって、ショットピーニング処理が行われた内燃機関用ピストンが開示されている。この内燃機関用ピストンでは、ショットピーニング処理が行われることによって、ピストン本体の表面付近のアルミニウム−珪素合金が改質されて、ある程度強度が向上される。

ここで、近年では、ピストンの軽量化の要求が著しいため、ピストンのさらなる薄肉化を図る必要がある。また、ピストンのさらなる薄肉化を行った場合にも、ピストンに要求される高温環境下での疲労強度を確保する必要がある。

特開２００８−５１０９１号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された内燃機関用ピストンで行われたショットピーニング処理では、ピストン本体の表面に加えられる圧力が弱いことから、ピストン本体の表面付近のアルミニウム−珪素合金の改質層が浅いため、ピストンのさらなる軽量化のためにさらなる薄肉化を行った場合に、ピストンに要求される高温環境下での疲労強度を確保するのが困難であるという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、ピストンのさらなる軽量化のためにさらなる薄肉化を行った場合にも、ピストンに要求される高温環境下での疲労強度を十分に確保することが可能なピストンおよびピストンの製造方法を提供することである。

上記目的を達成するために本願発明者が鋭意検討した結果、上記課題を解決するために以下のような構成を見出した。すなわち、この発明の第１の局面におけるピストンは、内燃機関に用いられ、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるピストン本体と、ピストン本体の強度補強部分の表面に形成され、プラズマ酸化による酸化アルミニウムからなる表面を有し、かつ、圧縮残留応力が付与された改質層とを備える。

この発明の第１の局面におけるピストンでは、上記のように、ピストン本体の強度補強部分の表面に、プラズマ酸化による酸化アルミニウムからなる表面を有し、かつ、圧縮残留応力が付与された改質層を形成することによって、改質層の表面がプラズマ酸化による高硬度の酸化アルミニウムからなることにより、改質層の表面の硬度を向上させることができる。さらに、圧縮残留応力が付与された改質層により塑性変形が発生するために必要な応力を大きくすることができるので、常温時だけでなく約２５０℃以上の高温環境下においても、ピストンの機械的強度を十分に向上させることができる。これにより、ピストンに対してさらなる薄肉化を行った場合にも、ピストンに要求される高温環境下での疲労強度を十分に確保することができる。なお、このことは、後述する本発明の効果を確認するために行った実験により確認済みである。また、ピストンのさらなる薄肉化および軽量化を行うことができるので、ピストンの重量に応じて重量調整されるエンジンの他の部材（コンロッド、フライホイールなど）も軽量化することができる。この結果、エンジン全体を軽量化することができるので、エンジンの燃費を向上させることができる。

上記第１の局面におけるピストンにおいて、好ましくは、改質層は、ピストン本体の母材の硬度よりも大きい硬度を有する。このように構成すれば、改質層のうち、プラズマ酸化による高硬度の酸化アルミニウムからなる表面近傍だけでなく、表面以外の改質層の硬度も母材の硬度より大きくすることができるので、改質層の硬度をより向上させることができる。この結果、ピストンに対してさらなる薄肉化を行った場合にも、容易に、ピストンに要求される高温環境下での疲労強度を向上させることができる。

上記第１の局面におけるピストンにおいて、好ましくは、ピストン本体は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の鋳物により形成されており、改質層は、鋳物からなるピストン本体の強度補強部分の鋳肌面が溶融されて再凝固されることにより形成されている。このように構成すれば、鋳肌面を溶融して再凝固することによって、鋳肌面に形成された湯境や鋳巣などの微細な欠陥を除去することができるので、高温環境下での改質層の疲労強度をより向上させることができる。

上記第１の局面におけるピストンにおいて、好ましくは、改質層は、レーザーピーニング処理により形成されている。このように構成すれば、容易に、ピストン本体の強度補強部分の表面に、プラズマ酸化による酸化アルミニウムからなる表面を有し、かつ、圧縮残留応力が付与された改質層を形成することができる。また、レーザーピーニング処理を用いることによって、照射位置などの照射条件を制御してレーザー光を照射することができるので、粒子がランダムに表面に噴射されるショットピーニング処理と比べて、ピストン本体の強度補強部分の表面により均一な改質層を形成することができる。

上記第１の局面におけるピストンにおいて、好ましくは、ピストン本体の強度補強部分の表面は、少なくともピストン本体の頂部の内表面を含む。このように構成すれば、大きな負荷が加えられるピストン本体の頂部の内表面の硬度を十分に向上させることができるので、ピストン本体の頂部についても、薄肉化（軽量化）を行いながら、ピストンに要求される高温環境下での疲労強度を確保することができる。

この発明の第２の局面におけるピストンの製造方法は、内燃機関に用いられる、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるピストン本体を準備する工程と、ピストン本体の強度補強部分の表面に対して、パルス幅が１００ナノ秒以下の超短パルス高ピーク出力密度のレーザー光を所定の照射条件で照射することによりプラズマを発生させて、発生したプラズマの圧力によりピストン本体の強度補強部分にレーザーピーニング処理を施すことによって、ピストン本体の強度補強部分の表面に、プラズマ酸化による酸化アルミニウムからなる表面を有するとともに、圧縮残留応力が付与された改質層を形成する工程とを備える。

この発明の第２の局面におけるピストンの製造方法では、上記のように、ピストン本体の強度補強部分の表面に、プラズマ酸化による酸化アルミニウムからなる表面を有し、かつ、圧縮残留応力が付与された改質層を形成することによって、改質層の表面がプラズマ酸化による高硬度の酸化アルミニウムからなることにより、改質層の表面の硬度を向上させることができる。さらに、圧縮残留応力が付与された改質層により塑性変形が発生するために必要な応力を大きくすることができるので、常温時だけでなく約２５０℃以上の高温環境下においても、ピストンの機械的強度を十分に向上させることができる。これにより、ピストンに対してさらなる薄肉化を行った場合にも、ピストンに要求される高温環境下での疲労強度を十分に確保することができる。したがって、ピストンを薄肉化して軽量化することができるので、ピストンの重量に応じて重量調整されるエンジンの他の部材（コンロッド、フライホイールなど）も軽量化することができる。この結果、エンジン全体を軽量化することができるので、エンジンの燃費を向上させることができる。また、レーザーピーニング処理を用いることによって、照射位置などの照射条件を制御してレーザー光を照射することができるので、粒子がランダムに表面に噴射されるショットピーニング処理と比べて、ピストン本体の強度補強部分の表面により均一な改質層を形成することができる。

上記第２の局面におけるピストンの製造方法において、好ましくは、改質層を形成する工程は、ピストン本体の強度補強部分の表面に液体の膜が配置された状態で、ピストン本体の強度補強部分にレーザーピーニング処理を施すことによって、ピストン本体の強度補強部分の表面に、プラズマ酸化による酸化アルミニウムからなる表面を有するとともに、圧縮残留応力が付与された改質層を形成する工程を含む。このように構成すれば、ピストン本体の強度補強部分の表面に配置された液体の膜によって、発生したプラズマによる衝撃波が拡散するのを抑制することができるので、ピストン本体の強度補強部分の表面からピストン本体の内部に向かって衝撃波を集中して伝播することができる。これにより、ピストン本体の強度補強部分の深い領域にまで、改質層を形成することができるので、ピストンの薄肉化（軽量化）を行った場合にも、容易に、ピストンに要求される高温環境下での疲労強度を確保することができる。

上記第２の局面におけるピストンの製造方法において、好ましくは、改質層は、ピストン本体の母材の硬度よりも大きい硬度を有する。このように構成すれば、改質層のうち、プラズマ酸化による高硬度の酸化アルミニウムからなる表面近傍だけでなく、表面以外の改質層の硬度も母材の硬度よりも大きくすることができるので、改質層の硬度をより向上させることができる。この結果、ピストンに対してさらなる薄肉化を行った場合にも、容易に、ピストンに要求される高温環境下での疲労強度を向上させることができる。

上記第２の局面におけるピストンの製造方法において、好ましくは、ピストン本体は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の鋳物により形成されており、改質層を形成する工程は、ピストン本体の強度補強部分にレーザーピーニング処理を施すことによって、鋳物からなるピストン本体の強度補強部分の鋳肌面を溶融して再凝固させるとともに、プラズマ酸化による酸化アルミニウムからなる表面を有し、かつ、圧縮残留応力が付与された改質層を形成する工程を含む。このように構成すれば、鋳肌面を溶融して再凝固することによって、鋳肌面に形成された湯境や鋳巣などの微細な欠陥を除去することができるので、高温環境下での改質層の疲労強度をより向上させることができる。

なお、本出願では、上記第１の局面によるピストンとは別に、以下のような構成も考えられる。

（付記項）
すなわち、本出願の他の構成によるピストンは、内燃機関に用いられ、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるアルミ部分を含むピストン本体と、ピストン本体のアルミ部分の強度補強部分の表面にレーザーピーニング処理により形成され、プラズマ酸化による酸化アルミニウムからなる表面を有し、かつ、圧縮残留応力が付与された改質層とを備える。このように構成すれば、改質層の表面がプラズマ酸化による高硬度の酸化アルミニウムからなることにより、改質層の表面の硬度を向上させることができる。さらに、圧縮残留応力が付与された改質層により塑性変形が発生するために必要な応力を大きくすることができるので、常温時だけでなく約２５０℃以上の高温環境下においても、ピストンの機械的強度を十分に向上させることができる。これにより、ピストンに対してさらなる薄肉化を行った場合にも、ピストンに要求される高温環境下での疲労強度を十分に確保することができる。また、ピストンを薄肉化して軽量化することができるので、ピストンの重量に応じて重量調整されるエンジンの他の部材（コンロッド、フライホイールなど）も軽量化することができるので、エンジンの燃費を向上させることができる。この結果、エンジン全体を軽量化することができる。また、レーザーピーニング処理を用いることによって、照射位置などの照射条件を制御してレーザー光を照射することができるので、粒子がランダムに表面に噴射されるショットピーニング処理と比べて、ピストン本体のアルミ部分の強度補強部分の表面により均一な改質層を形成することができる。

本発明によれば、上記のように、ピストンのさらなる軽量化のためにさらなる薄肉化を行った場合にも、ピストンに要求される高温環境下での疲労強度を十分に確保することが可能なピストンおよびピストンの製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態によるピストンを示した断面図である。 図１の２００−２００線に沿ったピストンの断面図である。 図２の３００−３００線に沿ったピストンの断面図である。 本発明の一実施形態によるピストンの改質層および母材を示した断面図である。 本発明の一実施形態によるピストンの改質層を示した拡大断面図である。 本発明の一実施形態によるピストンの製造方法を説明するための模式図である。 本発明の効果を確認するために行った回転曲げ試験（疲労強度）の結果を示した図である。 本発明の効果を確認するために行った引張試験における０．２％耐力の結果を示した図である。 本発明の効果を確認するために行った引張試験における引張強度の結果を示した図である。 本発明の効果を確認するために行った残留応力測定の結果を示した図である。 本発明の効果を確認するために行った硬度測定の結果を示した図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１〜図５を参照して、本発明の一実施形態によるピストン１００の構成について説明する。

本発明の一実施形態によるピストン１００は、図示しない車両の内燃機関（エンジン）に用いられる機械部品である。このピストン１００は、ピストン本体１の上部の頂部１０側（図１参照）の燃焼室において混合気が燃焼されることにより、約２５０℃以上の高温環境下に配置される。さらに、図１に示すように、頂部１０には、燃焼室において混合気が燃焼された際に大きな燃焼圧が応力として加えられる。また、ピストン本体１の側部のスカート部１１が図示しないシリンダの内面に対して摺動することによって、スカート部１１には摩擦力などに起因する応力が発生する。

この結果、図２および図３に示すように、ピストン本体１の頂部１０の外表面１０ａおよび内表面１０ｂと、スカート部１１の外表面１１ａおよび内表面１１ｂ（強度補強部分の表面１ａ（図４参照））とでは、高い硬度（高温環境下における高い疲労強度）が必要とされる。特に、頂部１０の内表面１０ｂおよびスカート部１１の内表面１１ｂの上側領域（図１〜図３における一点鎖線の領域）には、他の強度補強部分の表面１ａ（図１〜図３における破線の領域）と比べて、特に大きな応力（負荷）が加えられるため、高温環境下において特に高い硬度が必要とされる。

また、ピストン本体１は、微量元素としてＭｇやＴｉなどが含まれたＡｌ−１２Ｓｉ−Ｃｕ−Ｎｉ合金（アルミニウム合金）の鋳物により形成されている。また、ピストン本体１では、図示しない鋳型から取り出された後に、ピストン本体１の頂部１０の中央部などの所定部分が切削されることによって、鋳肌面の所定部分には切削面が形成されている。

また、ピストン本体１の強度補強部分の表面１ａ（頂部１０の外表面１０ａおよび内表面１０ｂ、スカート部１１の外表面１１ａおよび内表面１１ｂ）には、後述するレーザーピーニング処理が鋳肌面および切削面に施されることにより、図４に示すように、改質層２が形成されている。この改質層２は、改質層２以外の部分（母材３）とは異なる性質を有しており、表面２ａからの厚み（深さ）方向（Ｚ方向）に約５００μｍ以上の厚み（深さ）ｔ１を有している。なお、改質層２が形成されていない部分（強度補強部分の表面１ａ以外の部分や、強度補強部分（頂部１０、スカート部１１）の改質層２よりも内側の部分）には、母材３が位置している。

ここで、本実施形態では、改質層２は、図５に示すように、表面２ａおよびその近傍に形成された酸化アルミ膜２ｂと、酸化アルミ膜２ｂの内側の部分に形成された内部層２ｃとから構成されている。酸化アルミ膜２ｂは、Ａｌ−１２Ｓｉ−Ｃｕ−Ｎｉ合金（ピストン本体１の母材３）よりも硬度の高い白色の酸化アルミニウムからなり、プラズマ酸化により形成されている。具体的には、酸化アルミ膜２ｂは、レーザーピーニング処理において強度補強部分の表面１ａにプラズマを発生させた際に、陽イオン化したＡｌが酸素と結びつくことによって形成されている。このプラズマ酸化により形成された酸化アルミ膜２ｂは、アルマイト処理（陽極酸化処理）による厚み方向に延びる柱状の酸化膜とは異なり、厚み（深さ）方向に延びる柱状には形成されていない。また、酸化アルミ膜２ｂは、厚み方向（Ｚ方向）に約１μｍの厚み（深さ）ｔ２を有している。なお、図４および図５では、理解容易のため、改質層２と母材３との境界、および、酸化アルミ膜２ｂと内部層２ｃとの境界をそれぞれ明確に図示しているものの、実際には、図４および図５のようには明確でない。

また、改質層２は、レーザーピーニング処理において発生したプラズマの体積膨張が圧力（衝撃波）となり、ピストン本体１の強度補強部分の表面１ａおよび強度補強部分の内部（内部層２ｃ）が塑性変形されることによって形成されている。この結果、酸化アルミ膜２ｂだけでなく内部層２ｃにも、プラズマの圧力による圧縮残留応力が付与されている。また、衝撃波による塑性変形に伴い、改質層２には多くの転位が形成されていると考えられる。

また、改質層２の硬度は、レーザーピーニング処理を施さないＡｌ−１２Ｓｉ−Ｃｕ−Ｎｉ合金（ピストン本体１の母材３）の硬度よりも大きい硬度を有している。具体的には、ピストン１００の実際の使用環境である約２５０℃の高温環境下にピストン１００が所定時間配置された場合、ピストン本体１の母材３のビッカース硬度は、約７０ＨＶであり、改質層２のビッカース硬度は、約７５ＨＶ以上である。なお、約２５０℃の高温環境下に配置される前（熱処理が行われていない状態）での、ピストン本体１の母材３のビッカース硬度は、約１１０ＨＶであり、改質層２のビッカース硬度は、約１２０ＨＶ以上である。

また、鋳物からなるピストン本体１の強度補強部分の表面１ａ（鋳肌面および切削面）がプラズマにより瞬間的に約５０００℃以上の超高温にされることにより、改質層２の表面２ａは、鋳肌面および切削面が一度溶融されて再凝固されている。これにより、改質層２の表面２ａでは、鋳肌面の湯境や鋳巣などに存在する微細な欠陥が修復されているとともに、切削面の表面粗さが変化されている。

また、レーザー光が照射されたピストン本体１の表面１ａが衝撃波により塑性変形して若干窪むことによって、図４に示すように、改質層２の表面２ａには、微細な凹凸が形成されている。この際、微細な凹凸が形成された改質層２の表面２ａの表面粗さは、レーザーピーニング処理を施す前の切削面の表面粗さよりも、大きく変化する場合と小さく変化する場合とがある。つまり、切削面の表面粗さが十分に小さい場合には、微細な凹凸が形成された改質層２の表面２ａの表面粗さは、切削面の表面粗さよりも大きくなりやすい。一方、切削面の表面粗さが大きい場合には、微細な凹凸が形成された改質層２の表面２ａの表面粗さは、切削面の表面粗さよりも小さくなりやすい。つまり、上記した「切削面の表面粗さが変化する」というのは、切削面の表面粗さが大きく変化する場合と小さく変化する場合とのどちらも含んでいる。

上記実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

本実施形態では、上記のように、ピストン本体１の強度補強部分の表面１ａ（頂部１０の外表面１０ａおよび内表面１０ｂ、スカート部１１の外表面１１ａおよび内表面１１ｂ）に、プラズマ酸化による酸化アルミニウムからなる表面２ａを有し、かつ、圧縮残留応力が付与された改質層２を形成することによって、改質層２の表面２ａがプラズマ酸化による高硬度の酸化アルミニウムからなることにより、改質層２の表面２ａの硬度を向上させることができる。さらに、圧縮残留応力が付与された改質層２により塑性変形が発生するために必要な応力を大きくすることができるので、常温時だけでなく約２５０℃以上の高温環境下においても、ピストン１００の機械的強度を十分に向上させることができる。これにより、ピストン１００に対してさらなる薄肉化を行った場合にも、ピストン１００に要求される高温環境下での疲労強度を十分に確保することができる。また、ピストン１００のさらなる薄肉化および軽量化を行うことができるので、ピストン１００の重量に応じて重量調整されるエンジンの他の部材（コンロッド、フライホイールなど）も軽量化することができる。この結果、エンジン全体を軽量化することができるので、エンジンの燃費を向上させることができる。

また、本実施形態では、改質層２の硬度を、常温時だけでなく、約２５０℃以上の高温環境下に配置された際においても、レーザーピーニング処理を施さないＡｌ−１２Ｓｉ−Ｃｕ−Ｎｉ合金（ピストン本体１の母材３）の硬度よりも大きい硬度を有するように構成する。これにより、改質層２のうち、プラズマ酸化による酸化アルミニウムからなる表面２ａ近傍の酸化アルミ膜２ｂだけでなく、表面２ａ以外の改質層２（内部層２ｃ）の硬度も母材３の硬度より大きくすることができるので、改質層２の硬度をより向上させることができる。この結果、ピストン１００に対してさらなる薄肉化を行った場合にも、容易に、ピストン１００に要求される高温環境下での疲労強度を向上させることができる。

また、本実施形態では、鋳物からなるピストン本体１の強度補強部分の表面１ａ（鋳肌面および切削面）がプラズマにより瞬間的に約５０００℃以上の超高温にされることにより、改質層２の表面２ａを、鋳肌面および切削面が一度溶融して再凝固することにより形成する。これにより、鋳肌面および切削面を溶融して再凝固することによって、鋳肌面に形成された湯境や鋳巣などの微細な欠陥を除去することができるとともに、切削面の表面粗さを変化させることができるので、高温環境下での改質層２の疲労強度をより向上させることができる。

また、本実施形態では、改質層２をレーザーピーニング処理により形成することによって、容易に、ピストン本体１の強度補強部分の表面１ａに、プラズマ酸化による酸化アルミニウムからなる表面２ａ（酸化アルミ膜２ｂ）を有し、かつ、圧縮残留応力が付与された改質層２を形成することができる。また、レーザーピーニング処理を用いることによって、照射位置などの照射条件を制御してレーザー光を照射することができるので、紛体がランダムに表面に噴射されるショットピーニング処理と比べて、ピストン本体１の強度補強部分の表面１ａにより均一な改質層２を形成することができる。

また、本実施形態では、ピストン本体１の頂部１０の内表面１０ｂに、酸化アルミ膜２ｂを有する改質層２を形成することによって、大きな負荷が加えられるピストン本体１の頂部１０の内表面１０ｂの硬度を十分に向上させることができるので、ピストン１００の機械的強度を十分に向上させることができるので、ピストン本体１の頂部１０についても、薄肉化（軽量化）を行いながら、ピストン１００に要求される高温環境下での疲労強度を確保することができる。

次に、図１〜図６を参照して、本実施形態によるピストン１００の製造方法（表面加工方法）について説明する。

まず、溶融したＡｌ−１２Ｓｉ−Ｃｕ−Ｎｉ合金（アルミニウム合金）を鋳型に流し込むことによって、ピストン本体１（図１〜図３参照）を鋳造して、鋳型から取り出す。この際、ピストン本体１の鋳肌面からなる表面１ａには、微細な欠陥を有する湯境や鋳巣などが形成されている。その後、ピストン本体１の頂部１０の中央部などの所定部分を切削する。これにより、ピストン本体１の所定部分に切削面が形成される。そして、ピストン本体１の強度補強部分の鋳肌面または切削面からなる表面１ａ（頂部１０の外表面１０ａおよび内表面１０ｂ、スカート部１１の外表面１１ａおよび内表面１１ｂ）にレーザーピーニング処理を施す。

具体的には、図６に示すように、まず、水中にピストン本体１を配置する。そして、Ｑ−ｓｗｉｔｃｈ ＹＡＧパルスレーザー発生装置（Ｔｈａｌｅｓ Ｌａｓｅｒ製 ＳＡＧＡ）を用いて、ピストン本体１の強度補強部分（頂部１０、スカート部１１）に約５３０ｎｍの波長を有するレーザー光を照射する。ここで、レーザー光の照射条件として、レーザー光のパルス幅を約８ナノ秒の超短パルスに設定するとともに、レーザー光のパワー密度（１平方センチメートルあたりに照射されるレーザー光の出力）を約２．５ＧＷ／ｃｍ^２以上約１０ＧＷ／ｃｍ^２以下の高ピーク出力密度に設定する。また、レーザー光のスポット径（レーザー光が照射される領域の径）が約４００μｍ以上約８００μｍ以下になるように、レンズ１０１を調整する。

これにより、レーザー光が照射された水中におけるピストン本体１の表面１ａにおいて、Ａｌ−１２Ｓｉ−Ｃｕ−Ｎｉ合金（ピストン本体１の母材３）が気化および電離してプラズマが発生する。このプラズマにより、レーザー光が照射された水中のピストン本体１の表面１ａは、約５０００℃以上の超高温になる。しかしながら、この昇温は局所的、かつ、瞬間的であるとともに、周辺に急速に放熱されて冷却されるため、昇温は、レーザー光が照射されたピストン本体１の表面１ａに限定される。

また、発生したプラズマにより、レーザー光が照射されたピストン本体１の表面１ａにおいて急激な体積の膨張が生じる。この際、ピストン本体１の表面１ａに配置された水は急には移動できないので、発生したプラズマによる衝撃波がピストン本体１の強度補強部分から拡散するのが抑制される。これにより、プラズマの圧力は数万気圧になってピストン本体１の表面１ａからピストン本体１の内部の深い領域にまで衝撃波が集中して伝播する。この結果、衝撃波により塑性変形されて、レーザー光が照射されたピストン本体１の表面１ａに圧縮残留応力が付与されるとともに、微細な凹部が形成される。これにより、レーザー光が照射されたピストン本体１の表面１ａ（２ａ）に、図４に示すような改質層２が容易に形成される。なお、改質層２は、約５００μｍ以上の厚み（深さ）ｔ１になるように形成される。

また、図５に示すように、ピストン本体１の表面１ａにプラズマを発生させた際に、陽イオン化したＡｌが酸素と結びつくプラズマ酸化によって、改質層２の表面２ａに酸化アルミ膜２ｂが形成される。また、ピストン本体１の強度補強部分の表面１ａ（鋳肌面および切削面）は、プラズマにより瞬間的に約５０００℃以上の超高温になることによって、一度溶融され、急冷されて再凝固する。これにより、鋳肌面の湯境や鋳巣などに存在する微細な欠陥が修復されるとともに、切削面の表面粗さが変化された改質層２の表面２ａが形成される。

そして、ピストン本体１の強度補強部分の表面１ａ（頂部１０の外表面１０ａおよび内表面１０ｂ、スカート部１１の外表面１１ａおよび内表面１１ｂ）の全体にレーザー光を照射する。なお、レーザー光の照射条件として、ガバレージ（走査回数）が複数回（たとえば、３回や７回）になるようにレーザー光を照射する。これにより、改質層２の表面２ａに、微細な凹凸が形成される。この結果、ピストン本体１の強度補強部分の表面１ａへの表面加工が終了して、図１〜図３に示すピストン１００が製造される。

[実施例]
次に、図７〜図１１を参照して、上述した実施形態の効果を確認するために行った確認実験（実施例）について説明する。以下、確認実験として行った回転曲げ試験、引張試験、残留応力測定および硬度分布測定について説明する。

（回転曲げ試験、引張試験）
まず、回転曲げ試験について説明する。この回転曲げ試験では、Ａｌ−１２Ｓｉ−Ｃｕ−Ｎｉ合金（アルミニウム合金）からなる試験片を準備した。この試験片は、回転曲げ試験に関するＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｚ ２２７４）に適合する形状および寸法で作成した。そして、作成した試験片に対して、上記実施形態におけるピストン本体１の強度補強部分の表面１ａへの表面加工と同様の表面加工を行った。具体的には、ピストン本体１の強度補強部分（頂部１０、スカート部１１）に約５３０ｎｍの波長を有するレーザー光を照射した。ここで、レーザー光の照射条件として、レーザー光のパルス幅を約８ナノ秒の超短パルスに設定するとともに、レーザー光のパワー密度を約１０ＧＷ／ｃｍ^２の高ピーク出力密度に設定した。また、レーザー光のスポット径を約４００μｍにした。さらに、ガバレージが７回になるようにレーザー光を照射した。このようなレーザーピーニング処理（ＬＰ処理）を、試験片の表面の略全面に亘って施すことによって、上記実施形態に対応する実施例１の試験片を作製した。

また、実施例１に対する比較例１では、実施例１の試験片とは異なり、レーザーピーニング処理ではなく、一般的なショットピーニング処理（ＳＰ処理）を施した試験片を作製した。具体的には、Ａｌ−１２Ｓｉ−Ｃｕ−Ｎｉ合金の表面に金属粒子を所定の圧力で噴射することによって、Ａｌ−１２Ｓｉ−Ｃｕ−Ｎｉ合金の表面に圧縮応力を加えることによって、実施例１に対する比較例１の試験片を作製した。また、実施例１に対する比較例２として、実施例１および比較例１の試験片とは異なり、レーザーピーニング処理およびショットピーニング処理のいずれも施さない未処理の試験片をそのまま用いた。

そして、実施例１、比較例１および２の試験片を２５０℃の温度条件下で１００時間熱処理を行うことによって、高温環境下に所定時間配置した。その後、回転曲げ試験として、実施例１、比較例１および２の試験片に回転曲げを連続的に繰り返し加え、実施例１、比較例１および２の試験片が破壊するまでのサイクル数を疲労強度（高温環境下での疲労強度）として求めた。なお、疲労強度は引張強さに正比例して大きくなる傾向があるとともに、硬度は引張強さに正比例して高くなる傾向があることから、硬度が大きい場合には、疲労強度が高くなる傾向がある。

比較例２を基準（１００％）とした場合の、実施例１および比較例１のサイクル数の割合（％）を図７に示す。図７に示した回転曲げ試験の結果としては、実施例１の試験片では、未処理の試験片（比較例２の試験片）に対して、サイクル数が１２０％に増加した。つまり、実施例１の試験片では、未処理の試験片よりも高温環境下での疲労強度が大幅に向上した。一方、比較例１の試験片では、未処理の試験片に対して、サイクル数が１１１％に増加した。この結果、レーザーピーニング処理を施すことによって、ショットピーニング処理を施すよりも、ピストン１００の実際の使用環境である高温環境下での疲労強度を大幅に向上させることが可能であることが判明した。

次に、引張試験について説明する。この引張試験では、レーザーピーニング処理を施した上記実施例１の試験片、および、ピーニング処理を施していない上記比較例２の未処理の試験片と同様の試験片を用いた。そして、試験片に対して、２５０℃の温度条件下で１００時間加熱処理を行うことによって、高温環境下に所定時間配置した。その後、実施例１および比較例２の試験片を、引張試験機を用いて両端から引っ張った。そして、塑性ひずみが０．２％になる際の応力（０．２％耐力（高温環境下での０．２％耐力））と、加えることが可能な最大の応力（引張強度（高温環境下での引張強度））とを測定した。

比較例２を基準（１００％）とした場合の、実施例１の０．２％耐力および引張強度をそれぞれ図８および図９に示す。図８に示した高温環境下での０．２％耐力の結果としては、実施例１の試験片では、未処理の試験片（比較例２の試験片）に対して、高温環境下での０．２％耐力が１１０％に増加した。また、図９に示した高温環境下での引張強度の結果としては、実施例１の試験片では、未処理の試験片に対して、高温環境下での引張強度が１０１％に増加した。この結果、レーザーピーニング処理を施すことによって、未処理の場合よりも、ピストン１００の実際の使用環境である高温環境下での０．２％耐力および引張強度を共に向上させることが可能であることが判明した。

これらの結果から、レーザーピーニング処理により改質層を形成することによって、ショットピーニング処理により改質層を形成する場合（比較例１）や、改質層を形成しない場合（比較例２）と比べて、機械的強度を向上させることが可能であることが判明した。これは、硬度の高い酸化アルミニウムからなる酸化アルミ膜と圧縮残留応力とにより、改質層の硬度が向上したからであると考えられる。この結果、レーザーピーニング処理を施すことにより、２５０℃以上の高温環境下においても、ピストンの機械的強度を十分に向上させることができ、その結果、ピストンに対してさらなる薄肉化を行った場合にも、ピストンに要求される高温環境下での疲労強度を十分に確保することができることが確認できた。

（残留応力測定）
次に、残留応力測定について説明する。この残留応力測定では、Ａｌ−１２Ｓｉ−Ｃｕ−Ｎｉ合金（アルミニウム合金）からなるピストン本体を準備した。そして、上記実施例１と同様の照射条件で、４つのピストン本体１の強度補強部分の表面１ａ（頂部１０の外表面１０ａおよび内表面１０ｂ、スカート部１１の外表面１１ａおよび内表面１１ｂ）にレーザーピーニング処理（ＬＰ処理）を施した。このようにして、実施例２として、レーザーピーニング処理を施すことにより改質層が形成されたピストンを４つ作製した。

一方、実施例２に対する比較例３として、上記比較例１と同様に、一般的なショットピーニング処理（ＳＰ処理）を施すことにより改質層が形成されたピストンを２つ作製した。

そして、１つの実施例２（実施例２−１）のピストンと、１つの比較例３（比較例３−１）のピストンとには熱処理は行わなかった。また、１つの実施例２（実施例２−２）のピストンと、１つの比較例３（比較例３−２）のピストンとを２５０℃の温度条件下で１００時間熱処理を行った。また、１つの実施例２（実施例２−３）のピストンを３００℃の温度条件下で１００時間熱処理を行うとともに、１つの実施例２（実施例２−４）のピストンを４００℃の温度条件下で１００時間熱処理を行った。つまり、実施例２−２〜実施例２−４と比較例３−２とを、高温環境下に所定時間（１００時間）配置した。

その後、４つの実施例２のピストンと、２つの比較例３のピストンとの改質層が形成された強度補強部分をＸ線回折測定装置を用いて測定することによって、ピストン本体の表面からの深さ位置（μｍ）における残留応力（ＭＰａ）を求めた。

実施例２および比較例３の残留応力を図１０に示す。なお、図１０では、残留応力が負の値である場合には、圧縮応力が残留しており、残留応力が正の値である場合には、引張応力が残留していることを示している。図１０に示した残留応力測定の結果としては、熱処理が行われていない場合において、レーザーピーニング処理を施した実施例２−１では、１００μｍの深さ位置における残留応力は−３１２ＭＰａになり、２００μｍの深さ位置であっても、残留応力は−２４２ＭＰａになった。一方、ショットピーニング処理を施した比較例３−１では、表面から５０μｍの深さ位置までにはある程度の大きさの圧縮残留応力が測定されるものの、１００μｍ以上の深さ位置においては、圧縮残留応力は測定されなかった。これは、ショットピーニング処理では、ピストン本体の表面に加えられる圧力が弱く、ピストン本体の内部まで十分に改質することができなかったからであると考えられる。これにより、レーザーピーニング処理を施すことによって、最表面だけでなく、１００μｍ以上のピストン本体の内部においても、圧縮残留応力を加えることが可能であることが判明した。

また、熱処理が行われた実施例２−２〜２−４と比較例３−２とにおいては、ショットピーニング処理を施した比較例３−２では、略０ＭＰａになった。これは、熱処理により圧縮残留応力が略解放されたからであると考えられる。一方、レーザーピーニング処理を施した実施例２−２〜２−４では、熱処理によっても、圧縮残留応力が一部残存した。これにより、レーザーピーニング処理を施すことによって、熱処理を行ったとしても（高温環境下に配置された場合にも）圧縮残留応力が一部残存して、硬度の低下をある程度抑制することが可能であることが判明した。なお、２５０℃で熱処理が行われた実施例２−２は、３００℃および４００℃でそれぞれ熱処理が行われた実施例２−３および２−４と比べて、圧縮残留応力が多く残存した。これにより、高温になるにつれて残留応力が開放されやすいことが判明した。これは、高温になるにつれて改質層における金属原子の熱運動が大きくなり、再結晶化がより行われることによって、圧縮残留応力が周囲に開放されやすくなるからであると考えられる。

（硬度測定）
次に、硬度測定について説明する。この硬度測定では、強度補強部分の表面１ａにレーザーピーニング処理（ＬＰ処理）を施しただけで熱処理が行われていない、上記残留応力測定の実施例２−１のピストンを用いた。そして、熱処理が行われていない実施例２−１のピストンのうち、レーザーピーニング処理を施して改質層を形成した部分と、改質層が形成されていない部分（レーザーピーニング処理を施していない部分）とを厚み（深さ）方向に切断および研磨することによって、それぞれ、切断片１および２を作製した。また、強度補強部分の表面１ａにレーザーピーニング処理（ＬＰ処理）を施した後に２５０℃で熱処理が行われた、上記残留応力測定の実施例２−２のピストンを用いた。そして、熱処理が行われた実施例２−２のピストンのうち、レーザーピーニング処理を施して改質層を形成した部分と、改質層が形成されていない部分とを厚み方向に切断および研磨することによって、それぞれ、切断片３および４を作製した。

そして、切断片１および３の複数の深さ位置において、２０ｇｆの荷重で微小硬さ測定用の圧子を押しあて、形成されたへこみの表面積からビッカース硬さを求めた。なお、切断片２および４では、硬度は深さ位置に拘わらず一定であると考えられるので、一箇所だけビッカース硬さを求めた。

図１１に示したビッカース硬さの結果としては、熱処理が行われていない切断片１および２を比較した場合、表面から少なくとも５００μｍの深さ位置までの範囲において、レーザーピーニング処理を施した切断片１のビッカース硬度は、レーザーピーニング処理を施していない切断片２のビッカース硬度よりも大きくなった。これにより、表面から少なくとも５００μｍの深さ位置までの範囲において、レーザーピーニング処理に因る改質層が形成されており、ビッカース硬度を向上させることが可能であることが判明した。また、熱処理が行われた切断片３および４を比較した場合、レーザーピーニング処理を施した切断片３のビッカース硬度は、レーザーピーニング処理を施していない切断片４のビッカース硬度よりも大きくなった。これにより、表面から少なくとも５００μｍの深さ位置までの範囲において、高温環境下においても、レーザーピーニング処理に因る改質層が残存しており、ビッカース硬度を向上させることが可能であることが判明した。

また、レーザーピーニング処理を施した切断片１および３を比較した場合、熱処理が行われた切断片３のビッカース硬度は、熱処理が行われていない切断片１のビッカース硬度よりも小さくなった。また、レーザーピーニング処理を施していない切断片２および４を比較した場合、熱処理が行われた切断片４のビッカース硬度は、熱処理が行われていない切断片２のビッカース硬度よりも小さくなった。これは、熱処理による再結晶化により、圧縮残留応力の一部が開放されたからであると考えられる。

一方、表面から１０００μｍの深さ位置よりも深い深さ位置においては、熱処理が行われていない切断片１および２のビッカース硬度は略等しくなるとともに、熱処理が行われた切断片３および４のビッカース硬度は略等しくなった。これにより、表面から１０００μｍの深さ位置よりも深い深さ位置においては、改質層はほとんど形成されていないと考えられる。

なお、今回開示された実施形態および実施例は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態および実施例の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、車両の内燃機関（エンジン）に用いられるピストン１００に本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、船舶や航空機などの内燃機関に用いるピストンに本発明を適用してもよい。

また、上記実施形態では、強度補強部分の表面としての、ピストン本体１の頂部１０の外表面１０ａおよび内表面１０ｂと、スカート部１１の外表面１１ａおよび内表面１１ｂとにレーザーピーニング処理を施すことによって改質層２を形成した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、ピストン本体１の頂部１０の外表面１０ａおよび内表面１０ｂと、スカート部１１の外表面１１ａおよび内表面１１ｂとの全てにレーザーピーニング処理を施さなくてもよく、任意のいずれかにのみ、レーザーピーニング処理を施すことによって改質層２を形成してもよい。この際、特に大きな応力（負荷）が加えられる頂部１０の内表面１０ｂおよびスカート部１１の内表面１１ｂの上側領域（図１〜図３における一点鎖線の領域）に、少なくともレーザーピーニング処理を施すのが好ましい。また、ピストン本体１の全面に亘ってレーザーピーニング処理を施してもよい。さらに、上記した強度補強部分の表面としての、ピストン本体１の頂部１０の外表面１０ａおよび内表面１０ｂと、スカート部１１の外表面１１ａおよび内表面１１ｂと以外のうち、補強する必要のある所定の部分の表面にレーザーピーニング処理を施してもよい。また、レーザーピーニング処理を鋳肌面および切削面の両方に施す例を示したが、本発明はこれに限られず、レーザーピーニング処理を鋳肌面または切削面のいずれか一方にのみに施してもよい。

また、上記実施形態では、レーザーピーニング処理を施す際に、水中にピストン本体１を配置した状態で、ピストン本体１の強度補強部分にレーザー光を照射した例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、レーザーピーニング処理を施す際に、ピストン本体の強度補強部分の表面に液体の膜が形成されていればよい。たとえば、水中ではなく、油の中にピストン本体を配置した状態でレーザーピーニング処理を施してもよいし、ピストン本体の強度補強部分の表面に液体（水や油）を連続的に流しながら、レーザーピーニング処理を施してもよい。

また、上記実施形態では、ピストン本体１がＡｌ−１２Ｓｉ−Ｃｕ−Ｎｉ合金（アルミニウム合金）からなる例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、アルミニウム合金として、たとえば、Ａｌ−１２Ｓｉ−Ｃｕ−Ｎｉ合金以外のＡｌ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｍｇ合金などのアルミニウム合金を用いてもよい。また、ピストン本体がＡ１０００系の純アルミニウムからなるように構成してもよい。

また、上記実施形態では、レーザーピーニング処理の照射条件として、レーザー光のパルス幅を約８ナノ秒の超短パルスに設定するとともに、レーザー光のパワー密度を約２．５ＧＷ／ｃｍ^２以上約１０ＧＷ／ｃｍ^２以下の高ピーク出力密度に設定した。また、レーザー光のスポット径を約４００μｍ以上約８００μｍ以下にするとともに、ガバレージを複数回にした例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、プラズマ酸化による酸化アルミニウムからなる表面を有し、かつ、圧縮残留応力が付与された改質層が形成可能であれば、レーザーピーニング処理におけるレーザー光の照射条件を変更してもよい。たとえば、レーザー光のパルス幅は、約１００ナノ秒以下の超短パルスであれば、約８ナノ秒以外のパルス幅であってもよい。

１ ピストン本体
１ａ 強度補強部分の表面
２ 改質層
１０ 頂部（強度補強部分）
１０ａ （頂部の）外表面（（強度補強部分の）表面）
１０ｂ （頂部の）内表面（（強度補強部分の）表面）
１１ スカート部（強度補強部分）
１１ａ （スカート部の）外表面（（強度補強部分の）表面）
１１ｂ （スカート部の）内表面（（強度補強部分の）表面）
１００ ピストン

Claims (9)

1. 内燃機関に用いられ、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるピストン本体と、
   前記ピストン本体の強度補強部分の表面に形成され、プラズマ酸化による酸化アルミニウムからなる表面を有し、かつ、圧縮残留応力が付与された改質層とを備えた、ピストン。
2. 前記改質層は、前記ピストン本体の母材の硬度よりも大きい硬度を有する、請求項１に記載のピストン。
3. 前記ピストン本体は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の鋳物により形成されており、
   前記改質層は、鋳物からなる前記ピストン本体の強度補強部分の鋳肌面が溶融されて再凝固されることにより形成されている、請求項１または２に記載のピストン。
4. 前記改質層は、レーザーピーニング処理により形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のピストン。
5. 前記ピストン本体の強度補強部分の表面は、少なくとも前記ピストン本体の頂部の内表面を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載のピストン。
6. 内燃機関に用いられる、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるピストン本体を準備する工程と、
   前記ピストン本体の強度補強部分の表面に対して、パルス幅が１００ナノ秒以下の超短パルス高ピーク出力密度のレーザー光を所定の照射条件で照射することによりプラズマを発生させて、発生したプラズマの圧力により前記ピストン本体の強度補強部分にレーザーピーニング処理を施すことによって、前記ピストン本体の強度補強部分の表面に、プラズマ酸化による酸化アルミニウムからなる表面を有するとともに、圧縮残留応力が付与された改質層を形成する工程とを備えた、ピストンの製造方法。
7. 前記改質層を形成する工程は、前記ピストン本体の強度補強部分の表面に液体の膜が配置された状態で、前記ピストン本体の強度補強部分にレーザーピーニング処理を施すことによって、前記ピストン本体の強度補強部分の表面に、プラズマ酸化による前記酸化アルミニウムからなる表面を有するとともに、圧縮残留応力が付与された前記改質層を形成する工程を含む、請求項６に記載のピストンの製造方法。
8. 前記改質層は、前記ピストン本体の母材の硬度よりも大きい硬度を有する、請求項６または７に記載のピストンの製造方法。
9. 前記ピストン本体は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の鋳物により形成されており、
   前記改質層を形成する工程は、前記ピストン本体の強度補強部分にレーザーピーニング処理を施すことによって、鋳物からなる前記ピストン本体の強度補強部分の鋳肌面を溶融して再凝固させるとともに、プラズマ酸化による前記酸化アルミニウムからなる前記表面を有し、かつ、圧縮残留応力が付与された前記改質層を形成する工程を含む、請求項６〜８のいずれか１項に記載のピストンの製造方法。

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