JP2017101269A - 内燃機関用ピストンおよび内燃機関用ピストンの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた断熱特性によりデポジットやスモークの排出が抑制され、燃費が良好であり、かつ、耐久性に優れた内燃機関用ピストンを提供する。
【解決手段】ピストン冠面のピストン母材１に、表面側から深さ方向に向かって、第１の金属の層２２又は第１の金属を含む層による第１層２、酸素を含有した第２の金属又は前記第２の金属の酸化物３３と、低熱伝導率材料３１とを含む第２層２３及び、第３の金属と低熱伝導率材料３１との混合物による第３層２１を有する表面処理部２が設けられる内燃機関用ピストン。第３の金属がＡｌ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｔｉ又はＮｉの１種類の金属或いは前記金属類の１種類以上を含む合金からなる内燃機関用ピストン。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関用ピストンと内燃機関用ピストンの製造方法に関する。

従来、内燃機関用ピストンの冠面上の一部であって、燃料が液体で衝突する燃料衝突部を含み且つ主たる燃焼領域を含む領域が、低熱伝導率かつ低比熱の部材または構造体により構成されているものが知られている。このピストンの構成によれば、燃料衝突部での昇温効果を高めてピストンに衝突する燃料の燃焼を促進し、ピストン冠面への燃料の付着を減少させデポジットやスモークの排出を抑制することができるとされている（特許文献１）。

特開平１１−１９３７２１号公報

しかしながら、特許文献１に開示された内燃機関用のピストンにおいては、低熱伝導率の部材の具体的な構成方法に関して記載されていない。また、低熱伝導率部材とピストン母材との間に発生する温度分布により、低熱伝導率部材とピストン母材との界面における接合あるいは接着強度が十分でないという問題がある。

本発明の第１の態様によれば、内燃機関用ピストンは、ピストン冠面のピストン母材に、表面側から深さ方向に向かって、第１の金属の層または前記第１の金属を含む層による第１層、酸素を含有した第２の金属または前記第２の金属の酸化物と、低熱伝導率材料とを含む第２層、および、第３の金属と前記低熱伝導率材料との混合物による第３層を有する表面処理部が設けられている。
本発明の第２の態様によれば、内燃機関用ピストンの製造方法は、冠面に表面処理部を備えた内燃機関用ピストンの製造方法において、前記表面処理部の形成工程は、前記ピストンのピストン母材の冠面に凹部を形成する凹部形成工程と、前記凹部に粉末または粉末の成形体である第１成形材料を充填する第１充填工程と、前記第１成形材料に回転工具を当接させて前記第１成形体材料を摩擦熱により軟化させ前記凹部に前記第１成形材料を固相接合し、かつ、前記第１成形材料と前記ピストン母材との撹拌部を形成する第１撹拌接合工程と、前記第１撹拌接合工程により固相接合されて形成された形成層の上に、粉末または粉末の成形体である第２成形材料を充填する第２充填工程と、前記第２成形材料に回転工具を当接させて前記第２成形材料を摩擦熱により軟化させ前記凹部に前記第２成形材料を固相接合し、かつ、前記第２成形材料と前記ピストン母材との撹拌部を形成する第２撹拌接合工程と、を少なくとも有する。

本発明によれば、上述の構成の表面処理部を有することで優れた断熱特性によりデポジットやスモークの排出が抑制され燃費が良好な内燃機関用ピストンを提供できる。また、表面処理部とピストン母材とは強固に接合されるため、耐久性に優れた内燃機関用ピストンを提供できる。

図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関用ピストンの断面構造を示す概念図である。 図２は、本発明の別の実施形態に係る内燃機関用ピストンの断面構造を示す概念図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る表面処理部の断面構造を示す図であり、図３（Ａ）は、表面処理部の全層が同じ面積のもの、図３（Ｂ）は、表面処理部の各層の面積が互いに異なるものを示す。 図４は、本発明の一実施形態に係る表面処理部の断面構造を示す図である。 図５は、本発明の一実施形態に係る内燃機関用ピストンの製造方法の一例を示すフローチャートである。 図６は、本発明の一実施形態に係る内燃機関用ピストンの製造方法において、摩擦撹拌接合により表面処理部を形成する手順を示す概念図であり、図６（Ａ）および図６（Ｃ）は材料充填、図６（Ｂ）および図６（Ｄ）は回転工具の当接、図６（Ｅ）は形成された表面処理部を示す。 図７は、実施例１−２として形成した表面処理部の断面を光学顕微鏡により撮影した像である。 図８は、実施例１−２として形成した表面処理部の最下層断面を走査型電子顕微鏡により撮影した像であり、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示された破線で囲まれた領域をより高倍率で撮影した像である。 図９は、実施例１−２として形成した表面処理部の断面を走査型電子顕微鏡により撮影した像であり、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）に示された破線で囲まれた領域をより高倍率で撮影した像である 図１０は、実施例１−２として形成した表面処理部に対して、エネルギー分散型Ｘ線分光法により表面処理部表面から深さ方向に直線状に酸素分析した結果を示すグラフである。 図１１は、表面処理部の断熱特性の評価方法を示す概念図である。 図１２は、断熱特性の評価における、レーザー光の出射パターンと表面処理部の表面温度との関係を示す概念図であり、図１２（Ａ）は、レーザー光源から表面処理部に向けて出射させたレーザー光の出射パターンを示し、図１２（Ｂ）は、表面処理部の表面温度を赤外線カメラにより測定した結果を示す。 図１３は、表面処理部を形成するために用いた接合用工具とピストンの配置関係を説明する図であり、図１３（Ａ）は、ピストン冠面を上方から見た平面図、図１３（Ｂ）は、図１３（Ａ）の側面図である。 図１４は、実施例１−１〜実施例１−８における、粉末５１の材料、粉末５２の材料、および回転工具の材料の組み合わせを示す表である。 図１５は、実施例１-９〜実施例１-１７、および比較例１-１、１−２の粉末５１および５２の材料と、これらの材料を用いて形成された表面処理部に対する引張試験の結果を示す表である。 図１６は、実施例および比較例の試験片について、断熱特性の評価において測定されたピーク温度Ｔ１およびＴ３を示す表である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る内燃機関用ピストンの断面構造を示す概念図である。図１に示す通り、この内燃機関用ピストンの冠面には、複数の層からなる表面処理部が構成されている、この表面処理部は、表面側から深さ方向に向かって、第１の金属の層または第１の金属を含む層２２（以下、第１層と呼ぶ）、酸素を含有した第２の金属または第２の金属の酸化物と、低熱伝導率材料との混合物による層２３（以下、第２層と呼ぶ）、および、第３の金属と低熱伝導率材料との混合物による層２１（以下、第３層と呼ぶ）を有する。

内燃機関用ピストンは、通常、アルムニウム合金に代表される金属を加工して製造される。ピストン冠面においては、燃料の燃焼を促進するために、燃焼に関与する領域を十分に断熱して燃焼時の温度低下を防止することが望まれる。しかし、ピストン冠面に、断熱特性が高い低熱伝導率材料のみで被覆層を形成した場合、低熱伝導率材料とピストン母材との接着性あるいは接合性が不足して、両者の界面の接合強度を確保できないという課題がある。

また、ピストン冠面近傍における燃料の燃焼を促進するためには、燃焼に関与する領域を均一に高温化する必要がある。しかし、ピストン冠面に、断熱特性の高い低熱伝導率材料のみで被覆層を形成した場合、被覆層表面には局所的に高温となる領域が発生する傾向があるという問題がある。

この点に関して、ピストン冠面に金属と低熱伝導率材料との複合材による単層を形成した場合、形成された層とピストン母材との間で十分な接合強度が得られ、かつ、燃焼により発生した熱はピストン母材内を伝導して、ピストン冠面を均一に加熱できる。しかし、ピストン母材内の熱伝導は高く、その結果、断熱特性が不足してピストン冠面を十分高い温度に保てないという問題がある。

そこで、図１に示すように、第１層、第２層および第３層を有する表面処理部をピストン冠面に設けることで、上記の問題を解決できる。第２層は、酸素を含む金属または金属の酸化物と、低熱伝導率材料と、を含む材料により構成することで、低い熱伝導率を実現し、表面処理部の厚さ方向への熱伝導を抑制する機能を有する。また、表面処理部の表面の第１層は、その下部の第２層が熱伝導抑制機能を有するために均一な温度分布で高温化することができ、燃料の燃焼を促進することに寄与する。さらに、第３層は、ピストン母材との高い接合強度を得ると同時に、母材への熱伝導を抑制する機能を有する。

第３層に用いる金属としては、アルミニウム、マグネシウム、鉄、銅、亜鉛、チタン、ニッケルのいずれか１種類、またはこれらの金属のうちの少なくとも１種類を含む合金であること好ましい。これらの金属は、ピストン母材に使用される金属材料と固相接合が可能な金属であり、ピストン母材への高い接合強度を得やすい。

上記の通り、ピストン母材は通常はアルミニウム合金であり、従って、ピストン母材に接する第３層に用いる金属としては、アルミニウムまたはアルミニウム合金であることが好ましい。アルミニウムあるいはアルミニウム合金は、固相接合法によりアルミニウム合金に対して高い接合強度を得ることができるからである。また、第１層に用いる金属としても、アルミニウムまたはアルミニウム合金であることが好ましい。これにより、第１層および第３層は、アルミニウム合金のピストン母材に対して固相接合法により高い接着強度で接合でき、かつ、表面処理部の表層で均一な加熱状態も得やすくなる。

図２は、本発明の別の実施形態に係る内燃機関用ピストンの断面構造を示す概念図である。図２に示す通り、この内燃機関用ピストンの冠面にも、複数の層からなる表面処理部が構成されている。本実施の形態においては、第１層は、金属と低熱伝導率材料との混合物による層である。このような構成により、表面処理部の断熱特性をさらに向上させることができる。

第２層の、酸素を含有した状態または酸化物の状態として含まれる金属は、第３層に含まれる金属と同一であることが好ましい。本発明の実施形態に係る内燃機関用ピストンは、冠面に凹部を有した形状とし、この凹面を埋める構造で表面処理部を設けることも可能である。

図３は、上記説明のピストン冠面１１に設けた凹面に形成された表面処理部の断面構造を示す図である。図３（Ａ）は、表面処理部を構成する複数の層の全てが同じ面積に形成されている場合を示している。また、図３（Ｂ）は、表面処理部を構成する複数のうち、第１層および第２層の一部が欠けている場合を示している。すなわち、表面処理部の各層の面積は互いに異なる。図３（Ａ）、図３（Ｂ）いずれの場合にも、燃費が良好で耐久性に優れたな内燃機関用ピストンが提供される。なお、図３（Ｂ）に示す構成では、上記の通り、第１層および第２層は表面処理部の領域全体に形成されていないが、第２層が表面処理部の表面積の５０％以上に形成されていれば、燃費が良好で耐久性に優れたな内燃機関用ピストンを提供することができる。

上記各実施の形態の内燃機関用ピストンにおいては、表面処理部を形成するためにピストン冠面１１に形成する凹部において、側面と底面とが接する接続部分は、曲面により構成されることが好ましい。このような曲面を構成することにより、凹部全域で成形材料を良好に固相接合することができる。この部分が曲面でない場合、成形材料が固相接着されない状態で接続部分に残り、固相接合不良の部分を生じる原因となる。

第２層は、中央部における厚さに比べて周辺部における厚さが大きいことが好ましい。ピストンの周辺部ではピストン側面への熱伝導が発生する。第２層の厚さを中央部に比べて周辺部で厚くすることで、ピストン側面への熱伝導を抑制し断熱効果を高めることができる。また、表面処理部の外周部には撹拌部を有する構造を有することが好ましい。撹拌部とは材料が組成流動した部分を指す。表面処理部の外周部は、接合強度を確保しにくい傾向があるが、ピストン母材の材料と表面処理部の材料とを撹拌させた領域を設けることで接合強度を確保することができる。

第２層は一層であっても十分な断熱効果が得られるが、第２層を複数有する構成とすることにより、さらに高い断熱効果が期待でき好ましい。表面処理部の面積は、ピストン冠面側（上部側）に比べて、下部側（下部側）が小さいことが好ましい。

図４は、第１層の下に第２層と第３層とが交互に３回繰り返すように設けた表面処理部の断面構造を示す。図４に示す通り、各層の面積は、上部に構成された層ほど大きい。このような構成とする利点は次の通りである。断熱効果は表面処理部の上部ほど高いことが好ましいが、反面、表面処理部の下部では、表面処理部の上部で遮断されずに伝わった熱を逃がす必要がある。この点について、表面処理部の下部の層の面積を小さくすることにより、遮断されずに伝わった熱の移動経路を確保することができる。

表面処理部が形成される位置は特に限定されないが、燃料が噴射される領域近傍のピストン冠面であることが好ましい。燃料が噴射される領域では液体燃料が気化して燃焼するので、この位置に表面処理部を形成することにより、燃焼促進効果を高めることができる。

低熱伝導率材料については特に限定されないが、ジルコニア、コージェライト、ムライト、シリコン、シリカ、雲母、タルク、ケイ酸塩ガラス、アクリルガラス、有機ガラス、シリカエアロゲル、中空のセラミックビーズ、中空のガラスビーズ、中空の金属球、有機珪素化合物、セラミック繊維のいずれか１種または複数種を組み合わせて用いることが好ましい。

第２層および第３層において、含有する低熱伝導率材料の体積比率は４５％以上であることが好ましい。低熱伝導率材料の体積比率が４５％以上の場合には、高い断熱特性が得られるため、ピストン冠面をより短時間で温度上昇させることが可能であり、これにより高い燃焼促進効果が期待できる。

図５は、本発明の一実施形態に係る内燃機関用ピストンの製造方法の一例を示すフローチャートである。ステップＳ１ではピストンの鋳造を行う。ピストンの鋳造は、ダイキャスト法等の公知の方法により、アルミニウム合金製のピストンの粗材を鋳造する。続く、ステップＳ２では、一次機械加工を行い、ピストンの粗材に対して、ランド部の外径切削やピン穴加工等を含む所定の機械加工を施す。ピストン冠面に表面処理部を形成するための凹部は、ステップＳ１におけるピストン鋳造の際に鋳抜きにより形成してもよく、あるいはステップＳ２における一次機械加工の際に機械加工により形成してもよい。

ステップＳ３では、表面処理部を形成するための材料をピストン冠面に形成された凹部に充填する。この場合、材料は粉末の状態で充填してもよいし、あるいは、粉末に圧力を加えて固めた成形体（ブリケット）を作製し、この成形体を充填してもよい。

次に、ステップＳ４では、凹部に充填された材料に回転工具を当接させた状態で所定の時間だけ回転させる。次に、ステップＳ５では、回転工具を凹部から引き抜く。ステップＳ３からステップＳ５の一連の工程により、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ：Friction-Stir-Welding）が行われる。ステップＳ３からステップＳ５の工程は、必要に層数に応じた回数だけ繰り返す。摩擦撹拌接合に関しては詳細を後述する。

ステップＳ６では、表面処理部が形成されたピストンを取り出し熱処理を施す。この熱処理は摩擦撹拌接合の際に材料が塑性流動したことに伴って発生した歪を除去し、表面処理部の強度を均一化することを目的とするものである。熱処理としては、例えば、溶体化時効処理や人工時効処理がある。ステップＳ６において熱処理を行った後、ステップＳ７で二次機械加工を施す。二次機械加工として、仕上げの切削加工を施し、製品としてのピストンが完成する。

ステップＳ３〜Ｓ５について詳しく説明する。ステップＳ３においては、まず、表面処理部のうちの第３層を形成するための材料をピストン冠面の凹部に充填する。次に、ステップＳ４で上記の通り回転工具を回転させた後、ステップＳ５で回転工具を凹部から引き抜く。これにより第３層が形成される。この時、第３層の表層は第２層となる。次に、ステップＳ３に戻り、第１層を形成するための材料を第２層の上に充填する。続いて、ステップＳ４で回転工具を回転させた後、ステップＳ５で回転工具を凹部から引き抜く。これにより、第２層の上に第１層が形成される。なお、第２層の形成過程については詳細を後述する。

上記の通り、ステップＳ３〜Ｓ５の工程は、形成しようとする表面処理部の構成により必要に応じて繰り返す。例えば、図４に示されたような、第３層と第２層が交互に繰り返される構成の場合、その繰り返し数に応じた回数だけ、ステップＳ３〜Ｓ５の工程を繰り返して第３層を形成する。これにより、第３層と第２層交互に繰り返される構成となる。必要な繰り返し数の第３層と第２層が形成された後、ステップＳ３〜Ｓ５により、最後に形成された第２層の上に第１層を形成する。

図６は、ピストン冠面に表面処理部を形成するための、摩擦撹拌接合の手順の一例を示す概念図である。図６（Ａ）は、ピストン冠面に形成された凹部に１回目の材料充填（粉末５１の充填）が行われた状態を示す。すなわち、凹部に第３層を形成するための材料（粉末または粉末の成形体）が充填された状態を示す。

図６（Ｂ）は、凹部に回転工具４を挿入し充填された材料に当接させた状態で回転させている状態を示す。これにより、第３層を形成するための材料は摩擦熱により軟化して凹部の底部および側部に摩擦撹拌接合される。すなわち、１回目の摩擦撹拌接合が行わる。この時、上記の通り、第２層も同時に形成される。

図６（Ｃ）は、２回目の材料充填（粉末５２の充填）が行われた状態を示す。すなわち、凹部に形成された第２層の上に第１層を形成するための材料（粉末または粉末の成形体）が充填された状態を示す。図６（Ｄ）は、凹部に回転工具４を挿入し充填された材料に当接させた状態で回転させている状態を示す。これにより、第１層を形成するための材料は摩擦熱により軟化して既に形成されている第２層および凹部側部に摩擦撹拌接合される。すなわち、２回目の摩擦撹拌接合が行われる。図６（Ｅ）は、一連の工程により、ピストン冠面の凹部に表面処理部が形成された状態を示す。

次に、摩擦攪拌接合について説明する。摩擦攪拌接合は金属と金属とを接合する固相接合手法の一つである。摩擦攪拌接合を行うには、回転工具を接合しようとする金属材料に押し当てた状態で回転させ、発生した摩擦熱により加熱することで、金属材料に組成流動を起こし（すなわち攪拌する）、金属材料を接合する。

金属材料を接合するための別の方法として、アーク溶接などの溶融溶接法もある。しかし、溶融溶接法では、金属材料が溶融した後に凝固するという工程を経るため、接合部に凝固に伴う組織が形成され、強度特性などの劣化の原因となる。これに対して、摩擦撹拌接合では、材料の溶融（融解）・凝固が起きないため、上記のような強度問題が発生せず、材料をより強固に接合することが可能である。本発明に係る表面処理部は摩擦撹拌接合により形成することが好ましい。

また、摩擦撹拌接合は、大気中のように酸素を含む環境において、材料が酸化されることによる接合強度への悪影響をほとんど受けることなく金属材料を接合することが可能である。摩擦撹拌接合は、金属材料のみならず、金属を含む材料であれば、接合箇所に材料の酸化に伴う結合不良が発生することなく接合できる。

摩擦撹拌接合においては、接合しようとする材料に回転工具を当接させて回転させる際、回転工具が当接している材料の表面においては、材料に含まれる金属に酸素が結びつきやすい状態となる。このため、接合された層の表層部は、酸素を含有した金属あるいは金属の酸化物が含まれる別の組成の層となる。

すなわち、１回目の摩擦撹拌接合工程により第３層を形成する際、第３層の表層部は、酸素を含有する金属あるいは金属の酸化物と、低熱伝導率材料との混合物による層となる。すなわち、第２層を同時に形成することができる。その後、２回目の摩擦撹拌接合により、第１層を形成することができる。

従って、表面処理部の第１層の表層部にも酸素を多く含む領域が生成されることがある。このような領域が生成された場合には、二次機械加工工程として示される切削加工により除去することが可能である。なお、最表面の層（第１層）の摩擦撹拌接合工程を、アルゴンガス中や真空中などの酸素を含まない雰囲気で実施することにより、酸素を含む領域の生成を抑制することが可能である。

１回目の材料充填工程においては、金属と低熱伝導率材料とを含む混合粉末またはその成形体を使用する。これにより、図１や図２に示すように、低熱伝導率材料を分散させた第３層を形成することが可能である。

アーク溶接などの溶融溶接法では、混合粉末やその成形体を用いて表面処理部を形成しようすると、金属と低熱伝導率材料とで融点や比重が異なるため、これらの材料が分離するという問題がある。この点についても、表面処理部を、機械的な撹拌作用のある摩擦撹拌接合により形成することにより、層全体にわたって金属と低熱伝導率材料とが均一に分散した層を形成することが可能である。

金属粉末と低熱伝導率材料粉末とを混合した材料を用いて摩擦撹拌接合を行う場合、金属粉末のみがピストン母材と接合することにより、形成された層はピストン母材に固定される。すなわち、低熱伝導率材料とピストン母材とは直接的に接合されない。このため、低熱伝導率材料の含有比率を決定する際には、接合強度に留意する必要がある。本発明者らの研究によれば、混合粉末中の低熱伝導率材料の体積比率は８０％以下とすることが好ましい。体積比率が８０％を超えた場合は接合強度が不足して、一旦形成した表面処理部が剥離するおそれがある。

（実施例１）
ピストン冠面に見立てた試験片を作製し、その表面に表面処理部を形成する。ピストン母材の材料と同様のアルミニウム合金（４０３２−Ｔ６）から円盤状の試験片を作製し、その上面に直径３０ｍｍ、深さ５ｍｍの凹部を形成した。凹部に粉末５１を所定量だけ凹部に充填した後、直径３０ｍｍの回転工具を８００ｒｐｍで回転させながら荷重をかけて粉末５１を試験片の凹部に押込んだ。回転工具の下端が凹部の底面から１．５ｍｍの高さの位置となるように回転工具を所定時間保持した後、回転工具を凹部から引き抜いた。

次に、粉末５２を所定量だけ凹部に充填し、直径３４ｍｍの回転工具を８００ｒｐｍで回転させながら荷重をかけた。これにより、試験片の凹部周辺を押し潰しながら粉末５２を回転工具で押込んだ。回転工具を、その先端が凹部の底面から３．０ｍｍの高さの位置となるように所定時間保持した後、回転工具を引き上げて摩擦撹拌接合を終了した。

上記手順により、試験片の凹部には、厚さ約３．０ｍｍの表面処理部が形成された。次に、表面処理部の表層を旋盤加工により０．１ｍｍ除去し、円盤状試験片の上面を平坦化した。なお、凹部の周囲には、回転工具を押し込んで加工したことにより、試験片母材のバリが形成されたが、旋盤加工によりバリは取り除いた。

上記の粉末５１および粉末５２の材料を種々変更して試験片の凹部に複数種類の表面処理部を形成し、実施例１−１〜実施例１−８とした。実施例１−１〜実施例１−８における、粉末５１および粉末５２の材料と回転工具の材料は、図１４に示す通りである。なお、粉末５１とは１回目の材料充填工程により充填した粉末材料であり、粉末５２とは２回目の材料充填工程により充填した粉末材料である。

金属粉末としてはアトマイズ法により作製された粉末を用いた。図１４において、Ａｌは平均粒径３０μｍの純アルミニウム粉末、Ｍｇは平均粒径３０μｍの純マグネシウム粉末、Ｃｕは平均粒径３０μｍの純銅粉末、Ｚｎは平均粒径５０μｍの純亜鉛粉末、Ｆｅは平均粒径５０μｍの純鉄粉末、Ｔｉは平均粒径３０μｍの純チタン粉末、およびでＮｉは平均粒径３０μｍの純ニッケル粉末を表す。また、低熱伝導率材料としては、ＺｒＯ_２は、平均粒径３０μｍの球形に成形したイットリア安定化ジルコニアの粉末を表す。なお、図１４に示された百分率の数値は、粉末材料全体に示す低熱伝導率材料の体積比率を表している。

摩擦撹拌接合法に用いる回転工具は、接合しようとする材料に含まれる金属材料の種類により、その材料を選択することが好ましい。金属材料が、融点の比較的低いＡｌやＺｎの場合には、工具鋼ＳＫＤ６１を材料とする回転工具を用いることが可能である。

金属材料が、反応性の高いＭｇや融点が中程度のＣｕの場合には、ＷＣ−Ｃｏ合金（タングステン・カーバイドとコバルトとの混合焼結材）からなる超硬合金を材料とする回転工具を用いることが好ましい。また、金属材料が、融点の高いＦｅ、Ｔｉ、Ｎｉに対しては、窒化珪素を材料とする回転工具を用いることが好ましい。

図７は、実施例１−２の表面処理部の断面を光学顕微鏡により撮影した像である。図７において、左側はピストンの側面に近い側であり、右側はピストンの中央部に近い側である。表面処理部として第３層２１と第１層２２が形成され、これらの層の間には第２層２３が形成されているのがわかる。また、第３層および第１層において、低熱伝導率材料３１としてのジルコニアが均一に分散していることがわかる。

また、図７からわかるように、第２層２３の厚さに関して、ピストン中央部に近い左側では、ピストン中央部側の右側に比べて厚い。これは、摩擦撹拌接合を行う際、回転工具の外側では内側に比べて周速度が大きいために、より多くの摩擦熱が発生して高温になりやすく、また、酸素の取り込み量も多いために、第２層がより厚く形成される。

図８および図９は、図７に示した実施例１−２の表面処理部の断面を走査型電子顕微鏡により撮影した像である。図８は、ピストン母材１と表面処理部の最下層である第３層２１の界面を拡大撮影したものであり、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示された破線で囲まれた領域をより高倍率で撮影した像である。また、図９は、第２層２３を挟んで第１層、第２層および第３層を拡大撮影したものである。図９（Ｂ）は、図９（Ａ）に示された破線で囲まれた領域を拡大した像である。

図８からわかるように、ピストン母材１の材料であるアルミニウム合金と、表面処理部の最下層である第３層のアルミニウムとは完全に結合され、両者の界面は不明瞭である。すなわち、表面処理部の金属材料はピストン母材に一体化された構造となっていることがわかる。

実施例１−１および実施例１−２のように、１回目の充填材料としての粉末５１が含有する金属粉末をアルミニウムとすることで、形成される層は、アルミニウム合金製のピストン母材に対して高い密着強度で接合される。しかし、粉末５１が含有する金属粉末がアルミニウム以外の金属であっても、アルミニウムと合金化あるいは金属間化合物を形成する材料であれば、形成される層は、アルミニウム合金製のピストン母材に対して十分な密着強度で接合される。実施例１−３〜実施例１−８のように、例えば、マグネシウム、銅、鉄、亜鉛、チタン、ニッケルなどは使用可能である。

また、図９からわかるように、１回目の摩擦撹拌接合により形成された第３層と２回目の摩擦撹拌接合により形成された第１層との間には第２層が形成されていることが確認できる。

図１０は、実施例１−２として形成した表面処理部に対して、エネルギー分散型Ｘ線分光法により表面処理部表面から深さ方向に直線状に酸素分析した結果を示すグラフである。表面処理部の表面から約２６μｍより深い領域で酸素濃度が高いことが分かる。この領域は第２層に対応しており、第２層には酸素が多く含まることがわかる。

また、１回目の摩擦撹拌接合に用いる粉末５１と２回目の摩擦撹拌接合に用いる粉末５２とで、含有する金属材料が同種である場合、第１層と第２層、第２層と第３層の間の界面において、より高い密着性を得ることができる。第１層と第３層との間には、酸素を含む第２層が形成されるが、第１層と第３層とに含まれる金属材料が同種であれば、結晶構造の類似性から、より強固に結合した状態を得ることができる。

表面処理部の密着強度を確認するため、ＪＩＳ−Ｈ８４０２に規定される引張密着性試験を実施した。試験片から、その表面に形成した表面処理部を含んで直径２５ｍｍの円柱状の部分を切り出す。直径２５ｍｍの円柱状治具を２個用意する。表面処理部が形成されている試験片上面と下面のそれぞれに、上記２個の治具のそれぞれをエポキシ系接着剤により接着する。

引張試験機により２個の円柱状治具を引張り、表面処理部に対して垂直の方向に引張り応力を発生させ、表面処理膜が破断するかまたは試験片母材から剥離する際の応力を測定した。この応力を表面処理部の密着強度として評価した。なお、エポキシ系接着剤の破断強度は８０ＭＰａであるため、表面処理部の密着強度が８０ＭＰａ以上である場合は、エポキシ系接着剤部分が破断する。このような場合には、表面処理部の真の密着強度は測定されないので、密着強度８０ＭＰａ以上とした。実施例１−１〜実施例１−８について評価したところ、いずれの場合もエポキシ樹脂部が破断した。すなわち、密着強度は８０ＭＰａ以上であった。

次に、粉末５１および５２において、低熱伝導率材料の種類とその含有率を変えたものを用いて摩擦撹拌接合により試験片に表面処理部を形成し、実施例１-９〜実施例１-１７とした。これらの試験片についても、実施例１−１〜実施例１−８についての上記説明と同様の手順により密着強度を評価した。なお、各実施例における粉末５１と５２とは同じ材料を用いた。

また、比較例として、粉末５１および５２が、ジルコニアの含有率を体積比率で８５％としてアルミニウムとジルコニアの混合粉末を用いて表面処理部を形成した比較例１-１と、シリカの含有率を体積比率で８５％としてアルミニウムとシリカの混合粉末を用いて表面処理部を形成した比較例１-２についても評価を行った。実施例１-９〜実施例１-１７、および比較例１-１、１−２の作製に用いた粉末５１および５２と、これらの材料を用いて形成された表面処理部に対する引張試験の結果については図１５に示す。

図１５に、実施例１-９〜実施例１-１７、および比較例１-１、１−２の表面処理部の密着強度の評価結果を示す（参考のために実施例１−２も併せて表示した）。図１５からわかるように、低熱伝導率材料は体積比率で８０％まで含有させても、所定の密着強度が得られることがわかる。しかし、低熱伝導率材料を体積比率で８５％含有させた場合は、摩擦撹拌接合により表面処理部が固定せず、粉末が脱落することがわかった。

低熱伝導率材料の含有率が体積比率で６０％以下の場合には、エポキシ系接着剤の部分が破断し、密着強度は８０ＭＰａ以上であった。低熱伝導率材料の含有率が体積比率で７０％の場合には、低熱伝導率材料がジルコニアの実施例１−１２では、表面処理部の内部（層界面）で破断し、低熱伝導率材料がシリカの実施例１−１６では、表面処理部は試験片母材との界面で破断した。これらの実施例の密着強度はそれぞれ、７０ＭＰａと６５ＭＰａであった。低熱伝導率材料の含有率が体積比率で７５％の場合（実施例１−１３：低熱伝導率材料はジルコニア）、密着強度は６０ＭＰａ以上であった。

低熱伝導率材料の含有率が体積比率で８０％の場合には、表面処理部は試験片母材との界面で破断した。低熱伝導率材料がジルコニアの実施例１−１４では、密着強度は１８ＭＰａであった。また、低熱伝導率材料がシリカの実施例１−１7では、密着強度は２１ＭＰａであった。すなわち、共に所定の密着強度を示した。なお、低熱伝導率材料の含有率は体積比率で７５％までの場合には大きな密着強度が得られるので、より好ましい。

（実施例２）
表面処理部における断熱特性を評価した。具体的な評価方法について図１１を参照して説明する。図１１は評価方法を示す概念図である。真空チャンバ６２の内部に表面処理部を形成した実施例および比較例の試験片６１を配置し、レーザー光源６４からレーザー光を出射させ、試験片６１の表面諸部に照射する。この状態で、赤外線カメラ６３により試験片の表面温度の変化を測定する。

図１２は、レーザー光の出射パターンと表面処理部の表面温度との関係を示す概念図である。図１２（Ａ）は、レーザー光源６４から表面処理部に向けて出射させたレーザー光の出射パターンを示し、図１２（Ｂ）は、その際の表面処理部の表面温度の時間的変化を赤外線カメラ６３により測定した結果を示す。１回目のレーザー照射時に測定されたピーク温度をＴ１、３回目のレーザー照射時に測定されたピーク温度をＴ３とした。

実施例および比較例の試験片について、測定されたピーク温度Ｔ１およびＴ３を図１６の表に示す。図１６において、実施例２−１〜実施例２−８は、摩擦撹拌接合により試験片に表面処理部を形成したものである。なお、全ての試験片の表面には黒体塗料が塗布されている。

比較例２−１は表面処理を施していない試験片である。比較例２−２は、摩擦撹拌接合によらずに厚さ２．９ｍｍのＡｌ-５５％ＺｒＯ_２による層を１層形成したものである。比較例２−３は、試験片表面に陽極酸化により厚さ２０μｍのアルミナ層を設けたものである。比較例２−４は、試験片表面にプラズマ溶射により厚さ１．５ｍｍのジルコニア層を設けたものである。なお、実施例および比較例による試験片の材料は全て、ピストン母材と同様のアルミニウム合金（４０３２−Ｔ６）を用いた。

断熱特性の評価には内燃機関における燃焼反応を考慮する必要がある。以下、この点について説明する。内燃機関における燃焼反応を促進する上で、ピストン冠面の表面温度を上昇させることが重要である。例えば、軽油および重油の自然発火点は２５０℃〜３５０℃であり、ガソリンを点火する際の温度は３００℃程度である。よって、これらの燃料の燃焼を促進するためには、ピストン冠面の表面温度を３００℃付近まで昇温させる必要がある。

本実施例の断熱特性の評価においては、内燃機関の燃焼室内部の環境を模擬的に実現するために、比較例２−１の試験片にレーザー光を照射した際のピーク温度が約２００℃となるようなレーザー光源６４のレーザー光の出射条件を設定した。具体的には、図１２（Ａ）に示すように、強度８００Ｗのレーザー光を１秒間照射した後、５秒間照射を停止するという照射パターンを１セットとし、合計３セットの照射を比較例２−１の試験片に対して行った。

試験片の表面温度は、レーザー光が照射されている間は上昇するが、レーザー光の照射が停止されると自然放熱により低下する。図１２（Ｂ）は、このような温度変化の時間経過を示している。

レーザー光源６４から上記のようにレーザー光を複数の試験片に照射して、その温度変化を測定し、表面温度を３００℃以上とすることができるものを、昇温効果が優れたものとする。

図１６からわかる通り、比較例２−２の試験片は、Ｔ３が２８５℃まで上昇することから、ある程度の断熱効果は認められるものの十分ではない。これは第２層に相当する層が形成されていないことが原因と考えられる。また、比較例２−３の試験片では十分な断熱効果がない。すなわち、アルミナ層の断熱効果は十分でない。

これに対して、実施例２−１〜実施例２−８の試験片ではいずれもＴ３が３００℃以上であり、十分な断熱効果を示すことがわかる。すなわち、本発明の実施の形態に係る表面処理部により十分な断熱効果が発揮されていることがわかる。

特に、実施例２−３〜実施例２−８の試験片においては、レーザー照射１回目のピーク温度Ｔ１が３００℃以上であり、より優れた断熱効果が認められる。これは、表層側の第１層にも体積比率で５０％以上の低熱伝導率材料を含有させているためと考えられる。

なお、比較例２−４の試験片はＴ１が５１０℃、Ｔ３が６５０℃と非常に高い温度を示している。ただし、プラズマ溶射により形成したジルコニア層は、試験片母材との界面における密着性が悪い。また、断熱効果があまりに高い場合、温度上昇が過剰に局所的となる。このため、ピストン冠面にプラズマ溶射によりジルコニア被膜を形成しても、耐久性が悪く、また、良好な燃焼状態を得られないため、実用は困難である。

一方、実施例２−１〜実施例２−８に示す表面処理部をピストン冠面に施した場合、表面処理部の深さ方向に対して遮熱効果を有するとともに、ピストン冠面の表面に沿って適度な熱伝導が得られるため、適切な範囲を均一に加熱して適切な温度分布とすることが可能であり、広い範囲で十分な燃焼促進の効果が得られる。

（実施例３）
ピストン冠面に表面処理部を形成する手順について説明する。図５に示したフローチャートに沿って、ステップＳ１として説明した通り、ピストンの鋳造を行った、ピストンの母材としてはアルミニウム合金（ＡＣ８Ａ）を材料に用いた。次に、ステップＳ２として説明した通り、ピストンの粗材に対して一次機械加工を施した。次に、ステップＳ３〜Ｓ５として説明した通り、材料充填、摩擦撹拌接合、および回転工具の引抜きの一連の工程を２回繰り返し、表面処理部を形成した。次に、ステップＳ６として熱処理を施した後、ステップＳ７として二次機械加工により仕上げ形状に加工し、所定のピストンを作製した。なお、粉末を充填する凹部は一次機械加工時に直径３０ｍｍで深さ５ｍｍの穴状に加工することにより形成した。

図１３はピストンの粗材に対して摩擦撹拌接合により表面処理部を形成する際に使用した接合用工具７０とピストンの配置関係を説明する図である。図１３（Ａ）は、ピストン冠面を上方から見た平面図、図１３（Ｂ）は図１３（Ａ）の側面図である。

接合用工具７０は、ベース７３、ベース７３の上面に配置されてピストン１を支持するためのセンタ治具７１と、ベース７３の上面に移動可能に取り付けられてピストン１を側面から固定する一対のサイド治具７２等により構成される。センタ治具７１の上面には凸部が形成されている。また、一対のサイド治具７２のそれぞれのセンタ治具７１側の側面は、ピストン１の側面と同一半径の円筒面が形成されており、この円筒面には凸部７２ａが形成されている。

ピストン１の冠面に摩擦撹拌接合により表面処理部を形成する際には、ピストン１を次のように固定する。まず、ピストン１の下面の凹部をセンタ冶具７１の凸部に嵌合させて、ピストン１をセンタ治具１に保持する。次に、一対のサイド治具７２をそれぞれピストン１の方に移動させ、一対の凸部７２ａをピストン１の側面の穴部に挿入し、一対のサイド冶具７２の円筒面にてピストン１の側面を両側から加圧して固定する。これにより、摩擦撹拌接合の際に回転工具が回転する位置に、ピストン１を位置決めして固定する。

（実施例４）
図４に示した構成の表面処理部を形成する手順について説明する。図４に示した表面処理部は、ピストン冠面に形成された凹部の表面に、第３層と第２層をこの順序で交互に３回繰り返して形成された上に最上層として第１層が設けられた構成である。

このような構成の表面処理部が冠面に形成されたピストン１は、図５に示されたフローチャートに従って作製した。まず、ピストン１の粗材を鋳造し、次に、このピストン粗材に一次機械加工を施した。表面処理部を形成するためのピストン冠面の凹部は一次機械加工により、直径２８ｍｍ、深さ７．５ｍｍとなるように形成した。

次に、凹部に粉末５１を充填した後、直径３０ｍｍの回転工具を回転させながら荷重をかけた。これにより、凹部の周辺を押し潰しながら粉末５１を回転工具により押し込んで１回目の摩擦撹拌接合を行い、第３層と第２層とをこの順序で形成した。次に、形成された第２層の上に粉末５１を充填した後、直径３２ｍｍの回転工具を回転させながら荷重をかけた。これにより、既に形成されている第３層と第２層との上に、２回目の摩擦撹拌接合により、さらに第３層と第２層がこの順序で形成した。同様にして、直径３４ｍｍの回転工具を用いて３回目の摩擦撹拌接合を行い、第３層と第２層がこの順序で交互に３回繰り返すように形成した。次に、粉末５２を最も上部の第２層の上に充填した後、直径３６ｍｍの回転工具を回転させながら同様に摩擦撹拌接合を行い、最上層として第１層を形成した。その後、熱処理二次機械加工を施し、ピストン１を作製した。

上記の工程により、表面処理部を形成するためのピストン冠面の凹部には、第３層と第２層がこの順序で交互に３回繰り返して形成された上に第１層が形成され、合計７層の構成による表面処理部が形成された。複数の第３層および第２層の面積は、上部ほど直径が大きく、第１層の面積は最も大きい。１回の摩擦撹拌接合により１ｍｍの厚さの層を形成することで、４回の摩擦撹拌接合により合計４ｍｍの厚さ表面処理部を形成した。なお、上記の各摩擦撹拌接合においては、凹部の径に比べて回転工具の径は大きいが、凹部の径と回転工具の径は同じであってもよい。

摩擦撹拌接合に用いた回転工具の直径は、１回目の摩擦撹拌接合用として３０ｍｍ、２回目の摩擦撹拌接合用として３２ｍｍ、３回目の摩擦撹拌接合用として３４ｍｍ、４回目の摩擦撹拌接合用として３６ｍｍであった。１回目から３回目までの摩擦撹拌接合には成形材料として粉末５１を用い、４回目の摩擦撹拌接合には成形材料として粉末５２を用いた。

１回の摩擦撹拌接合で形成される層は１．０ｍｍとし、表面処理部全体としての合計厚さを４．０ｍｍとした。４回目の摩擦撹拌接合により形成された第１層の上部に形成された酸素を含む最表層は、二次機機械加工により切除した。

以上の手順により、図４に示すようなピストン１を作成した。このピストン１は、第３層と第２層をそれぞれ３層ずつ、最上層として第２層を備え、各層の表面積は上層ほど大きい

なお、上記で、表面処理部を形成する凹部の側面と底面とが接する接続部分が曲面でない場合、成形材料が固相接着されない状態でこの部分に残り、固相接合不良の部分を生じる原因となる旨説明した。この理由として、上記接続部分では、熱が逃げやすく、また摩擦撹拌接合の際に回転工具との間の隙間が生じ、この部分の成形材料に対して十分な荷重が付加されにくいことが考えられる。

この問題を解決するために、センタ冶具７１の凸分とピストン下部の凹部と寸法精度を高めて嵌合状態を改善する方法も考えられるが、このような解決方法に比べて、上記接続部分を曲面とする方法はより簡便である。

以上説明した通り、本発明によれば、優れた断熱特性によりデポジットやスモークの排出が抑制され燃費が良好な内燃機関用ピストンを提供できる。また、表面処理部とピストン母材とは強固に接合されるため、耐久性に優れた内燃機関用ピストンを提供できる。

なお、本発明は、以上説明した実施の形態に限定されない。本発明の要旨を変更しない範囲で、具体的な構成材料、部品などを変更してもよい。また、本発明の構成要素を含んでいれば、公知の技術を追加し、あるいは公知の技術で置き換えることも可能である。

１ ピストン母材
２ 表面処理部
４ 回転工具
１１ ピストン冠面
２１ 第３層
２２ 第２層
２３ 第２層
３１ 低熱伝導率材料
３２ 金属
３３ 酸素を含有した金属または金属の酸化物
３４ 金属
５１、５２ 粉末
６１ 試験片
６２ 真空チャンバ
６２ 赤外線カメラ
６４ レーザー光源
７０ 接合用工具
７１ センタ冶具
７２ サイド冶具
７３ ベース

Claims (14)

1. ピストン冠面のピストン母材に、表面側から深さ方向に向かって、第１の金属の層または前記第１の金属を含有する層による第１層、酸素を含有する第２の金属または前記第２の金属の酸化物と、低熱伝導率材料とを含有する第２層、および、第３の金属と前記低熱伝導率材料との混合物による第３層、を有する表面処理部を設けた、内燃機関用ピストン。
2. 請求項１に記載の内燃機関用ピストンであって、
   前記第３の金属は、アルミニウム、マグネシウム、鉄、銅、亜鉛、チタン、ニッケルのいずれか１種類、またはこれらの金属のうちの少なくとも１種類を含有する合金である、内燃機関用ピストン。
3. 請求項１または請求項２に記載の内燃機関用ピストンであって、
   前記第１の金属と前記第３の金属とは、共に、アルミニウムまたはアルミニウム合金である、内燃機関用ピストン。
4. 請求項１に記載の内燃機関用ピストンであって、
   前記第１層は、前記第１の金属に加えて前記低熱伝導率材料を含有する、内燃機関用ピストン。
5. 請求項１に記載の内燃機関用ピストンであって、
   前記第２層は、中央部における厚さに比べて周辺部における厚さが大きい、内燃機関用ピストン。
6. 請求項１に記載の内燃機関用ピストンであって、
   前記第２の金属と、前記第３の金属とは同一である、内燃機関用ピストン。
7. 請求項１に記載の内燃機関用ピストンであって、
   前記第１の金属と、前記第２の金属とは同一である、内燃機関用ピストン。
8. 請求項１に記載の内燃機関用ピストンであって、
   前記第３層において、前記第２層に接する面に対向する面と外周面とが接する部分は曲面により構成されている、内燃機関用ピストン。
9. 請求項１に記載の内燃機関用ピストンであって、
   前記表面処理部の外周部と、前記ピストン母材との間には、前記表面処理部を構成する材料と前記ピストン母材を構成する材料との撹拌部を有する、内燃機関用ピストン。
10. 請求項１に記載の内燃機関用ピストンであって、
    前記第２層を複数有する、内燃機関用ピストン。
11. 請求項１に記載の内燃機関用ピストンであって、
    前記第３層の面積は、前記第１層の面積よりも小さい、内燃機関用ピストン。
12. 請求項１に記載の内燃機関用ピストンであって、
    前記第２層および前記第３層において、前記低熱伝導率材料の体積比率は５０％以上である内燃機関用ピストン。
13. 請求項１に記載の内燃機関用ピストンであって、 前記低熱伝導率材料は、ジルコニア、コージェライト、ムライト、シリコン、シリカ、雲母、タルク、ケイ酸塩ガラス、アクリルガラス、有機ガラス、シリカエアロゲル、中空のセラミックビーズ、中空のガラスビーズ、中空の金属球、有機珪素化合物、セラミック繊維、チタン合金、低合金鋼、鋳鉄、のうち少なくともいずれか一つを含有する材料である、内燃機関用ピストン。
14. 冠面に表面処理部を備えた内燃機関用のピストンの製造方法であって、
    前記表面処理部の形成工程は、
    前記ピストンのピストン母材の冠面に凹部を形成する凹部形成工程と、
    前記凹部に粉末または粉末の成形体である第１成形材料を充填する第１充填工程と、
    前記第１成形材料に回転工具を当接させて前記第１成形材料を摩擦熱により軟化させ前記凹部に前記第１成形材料を固相接合し、かつ、前記第１成形材料と前記ピストン母材との撹拌部を形成する第１撹拌接合工程と、
    前記第１撹拌接合工程により固相接合されて形成された形成層の上に、粉末または粉末の成形体である第２成形材料を充填する第２充填工程と、
    前記第２成形材料に回転工具を当接させて前記第２成形材料を摩擦熱により軟化させ前記凹部に前記第２成形材料を固相接合し、かつ、前記第２成形材料と前記ピストン母材との撹拌部を形成する第２撹拌接合工程と、を少なくとも有する、内燃機関用ピストンの製造方法。

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