JP2017115193A

JP2017115193A - アルミニウム成形品及びその製造方法

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Publication number: JP2017115193A
Application number: JP2015250462A
Authority: JP
Inventors: 大之小林; Hiroyuki Kobayashi; 恵実杉澤; Emi Sugisawa
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2017-06-29
Anticipated expiration: 2035-12-22
Also published as: JP6327242B2

Abstract

【課題】空孔内の空気層を存在させたままでアルマイト層の表面の開口を封止することができ、且つ、断熱機能と遮熱機能を有する皮膜を備えたアルミニウム成形品及びその製造方法を提供する。
【解決手段】アルミニウム成形品４０は、少なくともその一部において、アルミニウム基材４２の表面に形成されているアルマイト層４４と、アルマイト層４４の上に、スパッタリングにより形成され、断熱機能と遮熱機能を有する皮膜４６と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルミニウム成形品及びその製造方法に関する。

従来、アルミニウム成形品である内燃機関のピストンの頂面などにアルマイト層（陽極酸化皮膜）を形成し、断熱性を高めて冷却損失を低減する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。冷却損失を低減できるのは、アルマイト層に形成される空孔内の空気によって熱伝導率が低減され、アルミニウム基材に熱が伝導され難くなると共に、放熱され易くなるからである。

ただし、アルマイト層の空孔が開口しているとエンジンオイル等が空孔内に浸入して空孔内の空気がなくなるので、熱伝導率が高くなる。そのため、アルマイト層の空孔の表面は開口が封止されて内部の空気層が維持されることが望ましい。

特許文献１には、燃焼室の少なくとも一部の壁面に陽極酸化皮膜を形成し、その表面に封止剤を塗布して空孔を封止する内燃機関が開示されている。特許文献１においては、封止剤としてポリシロキサンやポリシラザン、ケイ酸ナトリウムといった無機物を含んだ塗料を用い、それをスプレー法、ブレードコート法、スピンコート法、刷毛塗り法などの方法により塗布している。

特許文献２には、ピストン本体に耐熱性断熱材からなるピストンヘッドを固定して構成されたエンジンの遮熱型ピストンが開示されている。該ピストンにおいて、ピストン本体は、リングランド部とスカート部とを一体にして筒状に形成されている。ピストンヘッドは、その周縁下端面が断熱パッキンを介してリングランド部の周縁上端面に固定されている。

特開２０１５−０３１２２６号公報特開平１１−２７０４０５号公報

特許文献１の内燃機関においては、封止剤は流体であるため、壁面の表面に塗布したときに陽極酸化皮膜の空孔内に封止剤が浸入してしまい空気層がなくなるおそれがあった。空気層がなくなると、空気の存在による熱伝導率の低減は難しい。また、この封止剤には断熱機能（封止剤の内部を伝わる熱の量を小さくする性能）はあるが、遮熱機能（封止剤の内部に熱が侵入しないようにする機能）は有していない。そのため、十分な低熱伝導化を実現することは困難であった。

特許文献２の遮熱型ピストンにおいては、ビストンヘッドを耐熱性断熱材からなる別部材で構成して断熱機能を達成しているので、製造コストが増加するおそれがある。また、このピストンヘッドにも断熱機能はあるが、遮熱機能は有していない。そのため、十分な低熱伝導化を実現することは困難であった。

このように、空孔内の空気層を存在させたままでアルマイト層（陽極酸化皮膜）の表面の開口を封止することができ、且つ、断熱機能と遮熱機能を有する皮膜を備えたアルミニウム成形品及びその製造方法が求められている。

本発明に係るアルミニウム成形品の１つの実施形態は、少なくとも一部において、アルミニウム基材の表面に形成されているアルマイト層と、前記アルマイト層の上に、スパッタリングにより形成され、断熱機能と遮熱機能を有する皮膜と、を備えている。

スパッタリングにより皮膜を形成すると、原子が積層されて皮膜が形成されるので、流体を塗布する場合と比較して、アルマイト層（陽極酸化皮膜）の空孔内に皮膜が入り込むことがなく、空孔内の空気層を保持したまま表面の開口を封止することができる。また、別部品を用いるものではないので、安価にアルミニウム成形品を製造することができる。

また、アルミニウム成形品の１つの実施形態において、前記皮膜は低熱伝導セラミック材料からなる。

低熱伝導セラミック材料はその材料特性として断熱機能と遮熱機能の両方の機能を有している。そのため、皮膜に低熱伝導セラミック材料を用いることにより、確実に断熱機能と遮熱機能を有するアルミニウム成形品を得ることができる。

また、アルミニウム成形品の１つの実施形態において、前記皮膜は厚みが０．２μｍ〜５μｍである。

皮膜の厚さが０．２μｍより薄いとアルマイト層の空孔の表面の開口を十分に封止することができず、厚さが５μｍより厚いと成膜に時間がかかり生産性が悪くなる。皮膜の厚みが０．２μｍ〜５μｍであれば、これらの相反条件を両立させることができる。

本発明に係るアルミニウム成形品の製造方法の１つの実施形態は、少なくとも一部において、アルミニウム基材の表面にアルマイト層を形成するステップと、前記アルマイト層の上に、スパッタリング法により前記表面に対して斜方より原子を打ち込んで断熱機能と遮熱機能を有する皮膜を形成するステップと、を有する。

通常、アルマイト層の空孔は、アルミニウム基材の表面に対して垂直に形成されている。そのため、スパッタリングの原子をアルミニウム基材の表面に対して垂直な方向から打ち込むと、原子が空孔に入り込み、空孔内の空気層がなくなり、空気層を保持したまま開口を封止することができなくなる。そこで、スパッタリングの原子を表面に対して斜めから打ち込むことにより、空孔内に原子が入り込むことなく空孔の表面の開口を封止して皮膜を形成することができる。

本実施形態に係るピストンに皮膜を形成するためのスパッタリング装置の構成を表す模式図である。皮膜を形成する工程を表す模式図である。ピストンの断面のＳＥＭ画像である。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。

図１には、本実施形態に係るエンジンのピストン４０の基材４２の頂部４２ａに断熱機能と遮熱機能を有する断熱性／遮熱性皮膜（以下、単に皮膜と称する）４６を形成するための、スパッタリング装置１０を示す。スパッタリング装置１０は、真空チャンバー１２内に、アルゴンイオンを発生させるイオン源２０と、酸化チタン（ＴｉＯ_２）からなる固体のターゲット３０と、成膜対象物であるピストン４０を収容している。なお、ピストン４０はアルミニウム成形品の一例であり、基材４２はアルミニウム基材の一例であり、断熱性／遮熱性皮膜４６は皮膜の一例であり、酸化チタンは低熱伝導セラミック材料の一例である。

スパッタリング装置１０において、イオン源２０は、アルゴンガス源２２から供給されたアルゴンガスをイオン化し、アルゴンイオン（Ａｒ^＋）ビームをターゲット３０に照射する。ターゲット３０の表面に衝突したアルゴンイオンはその運動エネルギーによりターゲット３０の表面の酸化チタン原子４６ａ（図２参照）を弾き飛ばす。弾き飛ばされた酸化チタン原子４６ａは、真空チャンバー１２内を飛行し、基材４２の頂部４２ａに形成されたアルマイト層４４の表面に付着する。これを長時間行うことにより酸化チタン原子４６ａがアルマイト層４４の表面に堆積し、酸化チタンの皮膜４６が形成される。なお、酸化チタン原子４６ａは原子の一例である。

次に、図２を用いて、本実施形態に係るピストン４０の頂部４２ａに皮膜４６を形成する工程について説明する。

〔第一工程〕
まず、基材４２を陽極電極として陰極電極と共に電解液に浸漬し、直流電流を通電する。これにより、ピストン４０の基材４２の表面にアルマイト層（陽極酸化皮膜）４４が形成される。アルマイト層４４の表面には厚さ方向に平行な複数の空孔４４ａが形成されており、アルマイト層４４の厚さは６０μｍ〜１００μｍである。

基材４２としては、アルミニウム又はアルミニウム合金からなり、例えば、ダイカスト等のアルミニウム鋳造材、アルミニウム鍛造材等を用いることができる。アルミニウム合金は、銅、マンガン、珪素、マグネシウム、亜鉛、ニッケル、錫、鉛、チタン、クロム、ジクロニウムなどの１種又は複数種との合金である。本実施形態のピストン４０の基材４２には、珪素含有のアルミニウム合金のダイカストを用いている。

電解液には、希硫酸、シュウ酸、リン酸、クロム酸、その他有機酸などが単独で又は２種以上を混合して使用する。なお、陰極には、鉛、白金などが使用されるが、特に限定されるものではない。本実施形態においては、電解液としてシュウ酸を用いている。

〔第二工程〕
アルマイト層４４の空孔４４ａの空孔率（アルマイト層４４の体積の内、空孔４４ａ内の空気の体積が占める割合）は第一工程終了時で約８％であり、空孔４４ａの内径も３０μｍ〜５０μｍである。アルマイト層４４の空孔４４ａの空孔率が高いほど、層内に多くの空気を保持することができるので、断熱性能が向上する。そこで、空孔４４ａの内径を大きくして空孔率を高めるために、アルマイト層４４について、ポアワイド処理を行う。

ポアワイド処理とは、アルマイト層４４を硫酸やリン酸溶液等の酸性溶液又はアルカリ溶液に浸漬させることにより、アルマイト層４４の内側（空孔４４ａの内周面）を溶解させ、空孔４４ａの内径を拡大する処理のことである。浸漬時間は、熱伝導率の仕様を充足する空孔４４ａの内径まで拡大することができる時間に設定される。浸漬時間が長すぎると、アルマイト層４４の全体が溶解してしまう。本実施形態においては、リン酸溶液を用いて、空孔４４ａの内径が１００μｍ〜１５０μｍとなるようにポアワイド処理が行われる。これにより空孔率が３０％〜６０％に増加する。

〔第三工程〜第五工程〕
ポアワイド処理が完了したピストン４０の基材４２と酸化チタンのターゲット３０をスパッタリング装置１０の真空チャンバー１２内に取付けて、アルゴンイオンによるスパッタリングを行う。このとき、基材４２は、スパッタリングされた酸化チタン原子４６ａの平均入射角が頂部４２ａの表面に対して約４０度になるように配置される（図１参照）。本実施形態におけるスパッタリングの条件は、アルゴンガスの流量が３５ｓｃｃｍ、出力電力が５ｋＷである。スパッタリングにより、アルゴンイオンに弾き飛ばされたターゲット３０の酸化チタン原子４６ａが基材４２の頂部４２ａに向けて飛来し、アルマイト層４４の表面に順次酸化チタン原子４６ａが付着して堆積する。これにより、空孔４４ａの開口４４ｂを封止しつつ、皮膜４６が形成される。

このように、頂部４２ａの表面に対して斜方から酸化チタン原子４６ａを打ち込むことにより、酸化チタン原子４６ａが空孔４４ａの内部に入り込むことが抑制されるので、空孔４４ａの空気層を維持したまま、空孔４４ａの表面の開口４４ｂを封止して皮膜４６を生成することができる。また、酸化チタン原子４６ａがスパッタリングされる間、基材４２はその軸心周りに１２０ｒｐｍで回転しており（図１参照）、これにより、頂部４２ａの全体に亘って均一な膜厚の皮膜４６が形成される。

本実施形態において、皮膜４６の膜厚は０．２μｍ〜５μｍである。皮膜４６の厚さが０．２μｍより薄いとアルマイト層４４の空孔４４ａの表面の開口４４ｂを十分に封止することができず、ピストン４０の作動中に、燃焼室に残存するオイルミスト等が空孔４４ａ内への浸入を許してしまう。オイルミスト等が空孔４４ａに浸入すると、空孔４４ａ内の空気の量が減少し、断熱性能が低下してしまう。また、厚さが５μｍより厚いと皮膜４６の成膜に時間がかかり、ピストン４０の生産性が悪くなってしまう。皮膜４６の厚みが０．２μｍ〜５μｍであれば、これらの相反条件を両立させることができる。図３に本実施形態に係るピストン４０の断面を走査型電子顕微鏡により撮影した画像を示す。図３より、アルミニウムの基材４２の頂部４２ａの表面にアルマイト層４４が形成され、さらにその表面に薄く皮膜４６が形成されているのが観察できる。また、アルマイト層４４には白く写っている空孔４４ａを観察することができる。

図３では視認できないが、実際のアルマイト層４４の表面は微小な凹凸があり、酸化チタン原子４６ａはその微小な凹凸に入り込んでアルマイト層４４と密着している（アンカー効果）。これにより、アルマイト層４４と皮膜４６の間の密着性は良好なものとなっている。

酸化チタンはそれ自身が断熱機能と遮熱機能を備えている。このため、エンジンが高回転により燃焼室が高温状態となっても、燃焼室で発生した熱の大半は皮膜４６で反射されて遮熱される。また、皮膜４６を透過してアルマイト層４４へ伝達された一部の熱も、低熱伝導率である空孔４４ａによって熱が基材４２にまで到達するのを抑制することができ、これによりピストン４０が高温になるのを防ぐことができる。これにより、エンジンの冷却損失を低減することができる。

本実施形態において、皮膜４６を形成する前（第二工程終了時）のアルマイト層４４だけのときの熱伝導率は１．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）であるのに対し、皮膜４６を形成した後（第五工程終了時）では、皮膜４６とアルマイト層４４による熱伝導率が０．２６Ｗ／（ｍ・Ｋ）まで低下したことが確認された。

本実施形態では皮膜４６に酸化チタンを用いたが、酸化チタンに換えて、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）や二酸化珪素（ＳｉＯ_２）を皮膜４６として形成すべくスパッタリング装置１０のターゲット３０に用いることができる。これらの材料も断熱機能と遮熱機能を備えている。なお、窒化珪素と二酸化珪素も低熱伝導セラミック材料の一例である。

本発明は、アルミニウム成形品及びその製造方法に利用することが可能である。

４０ピストン（アルミニウム成形品）
４２アルミニウム基材（基材）
４４アルマイト層
４６断熱性／遮熱性皮膜（皮膜）
４６ａ酸化チタン原子（原子）

Claims

少なくとも一部において、アルミニウム基材の表面に形成されているアルマイト層と、
前記アルマイト層の上に、スパッタリングにより形成され、断熱機能と遮熱機能を有する皮膜と、を備えたアルミニウム成形品。
前記皮膜は低熱伝導セラミック材料からなる、請求項１に記載のアルミニウム成形品。
前記皮膜は厚みが０．２μｍ〜５μｍである、請求項１又は２に記載のアルミニウム成形品。
少なくとも一部において、アルミニウム基材の表面にアルマイト層を形成するステップと、
前記アルマイト層の上に、スパッタリング法により前記表面に対して斜方より原子を打ち込んで断熱機能と遮熱機能を有する皮膜を形成するステップと、
を有する、アルミニウム成形品の製造方法。