JP2022074388A - Piston for internal combustion engine and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関用ピストン及びその製造方法に関し、より詳しくは、ピストンリング溝の内面に陽極酸化皮膜を備える内燃機関用ピストン及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a piston for an internal combustion engine and a method for manufacturing the same, and more particularly to a piston for an internal combustion engine having an anodic oxide film on the inner surface of a piston ring groove and a method for manufacturing the piston.
近年、自動車の内燃機関は高出力化が進み、ピストンの熱負荷が増大する傾向にある。ピストンには、燃焼室の気密性を保持したりする等のために、ピストンリングが外周面に装着されている。ピストンリングは、ピストンの外周面に形成されたリング溝に嵌め込まれている。リング溝の内面は、ピストンリングに叩かれて、摩耗し、シール性が阻害され易い。よって、リング溝の内面の耐摩耗性を向上させるために、リング溝の内面に陽極酸化処理を施すことが行われている。 In recent years, the internal combustion engine of an automobile has been increasing in output, and the heat load of the piston tends to increase. A piston ring is attached to the outer peripheral surface of the piston in order to maintain the airtightness of the combustion chamber. The piston ring is fitted in a ring groove formed on the outer peripheral surface of the piston. The inner surface of the ring groove is struck by the piston ring and wears, and the sealing property is easily impaired. Therefore, in order to improve the wear resistance of the inner surface of the ring groove, the inner surface of the ring groove is anodized.
しかしながら、ピストン素材として用いられるアルミニウム合金は、鋳造性や耐摩耗性を向上させるためシリコンを含有しており、それらシリコンが晶出した金属組織となっている。シリコンはリング溝の内面に部分的に露出しているため、陽極酸化処理でアルミニウムが酸化されて生成する陽極酸化皮膜も部分的に生成が阻害され、表面に凹凸のある不均一な皮膜となってしまう。このような陽極酸化皮膜では、ピストンリングとの間に隙間が生じてしまい、シール性の低下に伴いブローバイガスの流量の増大やオイル上がりが発生し、燃費の悪化や、PM(Particulate Matter:粒子状物質)といった欧州環境規制対象物質の発生の要因、PN(Particle Number:粒子数)といったその数の増加の要因となるという問題がある。 However, the aluminum alloy used as the piston material contains silicon in order to improve castability and wear resistance, and the silicon has a crystallized metal structure. Since silicon is partially exposed on the inner surface of the ring groove, the formation of the anodic oxide film formed by oxidizing aluminum by the anodic oxidation treatment is also partially inhibited, resulting in a non-uniform film with irregularities on the surface. It ends up. In such an anodized film, a gap is created between the anodic oxide film and the piston ring, and as the sealing property deteriorates, the flow rate of blow-by gas increases and the oil rises, resulting in deterioration of fuel efficiency and PM (Particulate Matter: particles). There is a problem that it becomes a factor of the generation of substances subject to European environmental regulations such as (particulate matter) and an increase in the number of substances such as PN (Particulate Number).
一方で、特許文献1には、アルミニウム合金の表面に形成された陽極酸化皮膜の耐食性を向上させるとともに、短時間で可能な処理方法として、アルミニウム合金の表面に形成された陽極酸化皮膜の表面を、0.02~20g/Lのリチウムイオンを含み、pH値が10.5以上で、温度を65℃以下とする封孔処理液で封孔処理することが記載されている。 On the other hand, Patent Document 1 describes the surface of the anodic oxide film formed on the surface of the aluminum alloy as a treatment method capable of improving the corrosion resistance of the anodic oxide film formed on the surface of the aluminum alloy and in a short time. , 0.02 to 20 g / L of lithium ion, a pH value of 10.5 or more, and a sealing treatment liquid having a temperature of 65 ° C. or less are described for sealing treatment.
アルミニウム合金製の内燃機関用ピストンのピストンリング溝の内面に形成した陽極酸化皮膜の表面を、後処理で機械的に平滑化することは、ピストンリング溝の幅が数mmであることから困難である。 It is difficult to mechanically smooth the surface of the anodic oxide film formed on the inner surface of the piston ring groove of the piston for internal combustion engine made of aluminum alloy by post-treatment because the width of the piston ring groove is several mm. be.
そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、ピストンリング溝の内面に、耐摩耗性を向上することができるとともに、ピストンリングとの密着性も良好にすることができる陽極酸化皮膜を備える内燃機関用ピストン及びその製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, in view of the above problems, the present invention has an internal combustion engine provided with an anodic oxide film on the inner surface of the piston ring groove, which can improve wear resistance and also have good adhesion to the piston ring. It is an object of the present invention to provide a piston for use and a method for manufacturing the same.
上記の目的を達成するために、本発明は、その一態様として、内燃機関用ピストンの製造方法であって、この方法は、アルミニウム合金製の内燃機関用ピストンのピストンリング溝の内面に陽極酸化皮膜を形成する工程と、リチウムイオンを含む封孔処理液で前記陽極酸化皮膜を封孔処理し、封孔処理後の陽極酸化皮膜の表面のビッカース硬さHVを320未満とする工程とを含む。 In order to achieve the above object, the present invention is, as one aspect, a method for manufacturing a piston for an internal combustion engine, in which the method anodizes the inner surface of the piston ring groove of the piston for an internal combustion engine made of an aluminum alloy. It includes a step of forming a film and a step of sealing the anodic oxide film with a sealing liquid containing lithium ions so that the Vickers hardness HV of the surface of the anodic oxide film after the sealing treatment is less than 320. ..
また、本発明は、別の態様として、外周面にピストンリング溝を有する内燃機関用ピストンであって、この内燃機関用ピストンは、前記ピストンリング溝の内面に陽極酸化皮膜を備え、前記陽極酸化皮膜の表面部分の孔は塞がれており、前記孔が塞がれている表面部分には、リチウムとアルミニウムと酸素の化合物が存在し、前記陽極酸化皮膜の表面のビッカース硬さHVは、320未満である。 Further, another aspect of the present invention is an internal combustion engine piston having a piston ring groove on the outer peripheral surface, wherein the internal combustion engine piston is provided with an anodic oxide film on the inner surface of the piston ring groove, and the anodic oxidation is performed. The pores on the surface of the film are closed, and compounds of lithium, aluminum, and oxygen are present on the surface where the holes are closed, and the Vickers hardness HV on the surface of the anodized film is It is less than 320.
このように本発明によれば、アルミニウム合金製の内燃機関用ピストンのピストンリング溝の内面に形成した陽極酸化皮膜を、リチウムイオンを含む封孔処理液で封孔処理して、封孔処理後の陽極酸化皮膜の表面のビッカース硬さHVを320未満とすることで、封孔処理後の陽極酸化皮膜の表面が凹凸で不均一であっても、エンジン始動時のピストンリングの上下方向の圧力によって凹凸が均され、ピストンリングとの密着性が良好となる。よって、内燃機関用ピストンのピストンリング溝のシール性が高まることで、ブローバイガスの流量の低減や、オイル上がりを抑制でき、よって、燃費の向上や、PMやPNの環境規制の対応に貢献することができる。 As described above, according to the present invention, the anodic oxide film formed on the inner surface of the piston ring groove of the piston for an internal combustion engine made of an aluminum alloy is sealed with a sealing liquid containing lithium ions, and after the sealing treatment. By setting the Vickers hardness HV of the surface of the anodic oxide film to less than 320, even if the surface of the anodic oxide film after the sealing treatment is uneven and uneven, the vertical pressure of the piston ring at the time of starting the engine The unevenness is smoothed out, and the adhesion with the piston ring is improved. Therefore, by improving the sealing performance of the piston ring groove of the piston for internal combustion engine, it is possible to reduce the flow rate of blow-by gas and suppress the rise of oil, which contributes to the improvement of fuel efficiency and the compliance with environmental regulations of PM and PN. be able to.
以下、添付図面を参照して、本発明に係る内燃機関用ピストン及びその製造方法の一実施の形態について説明する。なお、図面は、理解のし易さを優先にして描かれており、縮尺通りに描かれたものではない。 Hereinafter, an embodiment of a piston for an internal combustion engine and a method for manufacturing the piston according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The drawings are drawn with priority given to ease of understanding, and are not drawn according to the scale.
図1に示すように、本実施の形態の内燃機関用ピストン10は、その外周面12に第1ピストンリング溝13が形成されている。ピストンリング溝としては、ピストン冠面11側から順に、第1ピストンリング溝13、第2ピストンリング溝(図示省略)、オイルリング溝(図示省略)の3つのリング溝が形成されている。第1ピストンリング溝13には第1ピストンリング30が嵌め込まれ、第2ピストンリング溝には第2ピストンリング(図示省略)が嵌め込まれ、オイルリング溝にはオイルリング(図示省略)が嵌め込まれる。
As shown in FIG. 1, the internal
内燃機関用ピストン10は、アルミニウム合金で形成されている。アルミニウム合金は、耐摩耗性および耐アルミ凝着性に寄与する成分として、一般に、シリコン(Si)が含有されている。このようなアルミニウム合金としては、例えば、ピストンとしてAC4、AC8、AC8A、AC9等のAC材、ADC10~ADC14等のADC材、A4000等がある。一方、第1ピストンリング30等のリングは、例えば高炭素鋼やマルテンサイト系ステンレス鋼等により形成されている。第1ピストンリング30等のリングは、周方向の一箇所が開口している略C字形を有しており、弾性的に拡径された状態でピストン10の第1ピストンリング溝13等のリング溝内に入れた後、弾性復元力によって縮径して、リング溝の内部に嵌め込まれる。
The
第1ピストンリング30の外周面33は、内燃機関用ピストン10の外周面12よりも外周側に突出した状態になっている。ピストン10の外周面12は、ピストン冠面11と第1ピストンリング溝13との間を第1ランド12aと呼び、第1ピストンリング溝13と第2ピストンリング溝(図示省略)との間を第2ランド12bと呼び、第2ピストンリング溝とオイルリング溝(図示省略)との間を第3ランド(図示省略)と呼ぶ。第1ピストンリング30等の各リングの外周面は、内燃機関用ピストン10の外周面12よりも外方に突出した状態になっていることから、第1ピストンリング30等の各リングを装着した内燃機関用ピストン10を、シリンダ40内に挿入する際には、第1ピストンリング30等の各リングを弾性的に縮径させた状態でシリンダ40内に挿入することになる。よって、内燃機関用ピストン10をシリンダ40内に挿入した状態では、第1ピストンリング30等の各リングはその弾性力によってシリンダ40の内壁面41に押し付けられた状態となり、第1ピストンリング30及びセカンドリングは燃焼室の気密性を保持する機能を果たし、オイルリングはシリンダ40の内壁面41に残存するオイルを掻き落とす機能を果たす。
The outer
内燃機関用ピストン10の外周面12に形成された第1ピストンリング溝13の内面のうち、ピストン冠面11側の内面を上面13aと呼び、セカンドリング溝(図示省略)側の内面を下面13cと呼び、その間の溝の底の側の内面を側面13bと呼ぶ。そして、本実施の形態では、第1ピストンリング溝13の上面13a、側面13bおよび下面13cに、本発明に係る封孔処理により硬さが低下した陽極酸化皮膜20(以下、「軟化陽極酸化皮膜」という)が形成されている。なお、第1ピストンリング溝13の内面のうち、下面13cにのみ軟化陽極酸化皮膜20を設けてもよい。
Of the inner surfaces of the first
このように第1ピストンリング溝13の下面13cに軟化陽極酸化皮膜20を形成するのは、図1に示すように、内燃機関用ピストン10は、圧縮工程および膨張工程ではピストン冠面11側の燃焼室内が高圧になるため、第1ピストンリング30の下面32が第1ピストンリング溝13の下面13cに強く密着する。一方、図示しないが、吸入工程では、内燃機関用ピストン10は、第1ピストンリング30の上面31が第1ピストンリング溝13の上面13aに密着し、これら工程を繰り返す度に内燃機関用ピストン10は第1ピストンリング溝13の上面13aと下面13cとの間を移動する。よって、第1ピストンリング溝13の下面13cは、第1ピストンリング30との間で摩耗が発生し易いことから、耐摩耗性およびシール性を向上させるために軟化陽極酸化皮膜20を形成する必要がある。
As shown in FIG. 1, the softened
もちろん、第1ピストンリング溝13の上面13aにも軟化陽極酸化皮膜20を形成してよい。また、第1ピストンリング30は、その張力によってシリンダ40にも密着しているので、第1ピストンリング溝13の側面13bに接することはなく、よって、第1ピストンリング溝13の側面13bに軟化陽極酸化皮膜20を形成することは必須ではないが、もちろん、第1ピストンリング溝13の側面13bに軟化陽極酸化皮膜20を形成してもよい。
Of course, the softened
本実施の形態の軟化陽極酸化皮膜20は、図2に示すように、第1ピストンリング溝13の下面13cのアルミニウム合金15を陽極酸化処理することによって生成した陽極酸化皮膜の多孔質部21と、陽極酸化皮膜を、リチウムイオンを含む封孔処理液で封孔処理することによって陽極酸化皮膜の表面部分の孔が塞がれた封孔処理部22とを備える構造を有する。
As shown in FIG. 2, the softened
陽極酸化処理で形成される陽極酸化皮膜は、通常、陽極酸化処理の対象であるアルミニウム合金15の表面に対して垂直方向に成長することから、アルミニウム合金15の表層にシリコン16等が晶出している箇所では、陽極酸化皮膜の成長が阻害され、表面に多数の凹凸が発生してしまう。この陽極酸化皮膜の表面の凹凸は、封孔処理によって平滑化できるものではない。本発明は、リチウムイオンを含む封孔処理液で封孔処理することによって、陽極酸化皮膜の優れた耐摩耗性を維持しつつ、陽極酸化皮膜の表面硬さを軟化させることができるという新たな知見に基づくものである。
Since the anodizing film formed by the anodizing treatment usually grows in the direction perpendicular to the surface of the
封孔処理によって陽極酸化皮膜の表面部分の孔が塞がれた封孔処理部22は、陽極酸化皮膜よりも硬さが低く、ピストンリング30との初期馴染み性に優れている。すなわち、封孔処理後の軟化陽極酸化皮膜20の表面が凹凸で不均一であっても、エンジン始動時のピストンリング30の上下方向の圧力によって凹凸が均され、図2に示すように、平滑化する。よって、ピストンリング溝の下面13cとピストンリング30との密着性が良好となり、ブローバイガスの流量を低減し、燃費を向上することができる。また、シール性が向上して、オイル上がりも抑制でき、よって、PMやPNを要求値内に抑えることができる。
The pore-sealing
封孔処理部22の硬さ、すなわち、軟化陽極酸化皮膜20の表面の硬さは、ビッカース硬さHVで、320未満であれば、エンジン始動時のピストンリング30の上下方向の圧力によって、ピストンリングとの密着性が良好となる程度に表面の凹凸を平滑化することができる。好ましい軟化陽極酸化皮膜20の表面の硬さは、ビッカース硬さHVで、好ましくは130以上320未満であり、より好ましくは150以上320未満である。軟化陽極酸化皮膜20の表面の硬さの下限は、ビッカース硬さHVで、アルミニウム合金の硬さである130以上が好ましい。130未満となってしまうと、陽極酸化皮膜を形成する目的である耐摩耗性に影響を与え得る。
The hardness of the sealing
このような軟化陽極酸化皮膜を備える内燃機関用ピストンを製造する方法としては、アルミニウム合金製の内燃機関用ピストンのピストンリング溝の内面に陽極酸化皮膜を形成する陽極酸化処理工程を行い、次に、リチウムイオンを含む封孔処理液で陽極酸化皮膜を封孔処理する封孔処理工程を行うことを含む。以下に各工程について説明する。 As a method for manufacturing a piston for an internal combustion engine having such a softened anodic oxide film, an anodic oxidation treatment step of forming an anodic oxide film on the inner surface of the piston ring groove of the piston for an internal combustion engine made of an aluminum alloy is performed, and then the anodic oxidation treatment step is performed. , Including performing a sealing treatment step of sealing an anodized film with a sealing treatment liquid containing lithium ions. Each process will be described below.
陽極酸化処理工程では、アルミニウム合金の表面に陽極酸化皮膜を形成することができる従来の陽極酸化処理を広く採用することができる。例えば、硫酸、シュウ酸、リン酸、クロム酸等の酸性の処理浴や、水酸化ナトリウム、リン酸ナトリウム、フッ化ナトリウム等の塩基性の処理浴に、陰極としてチタンやカーボンなどの電極板と、陽極として内燃機関用ピストンを浸漬し、電気分解を行うことで、内燃機関用ピストンのピストンリング溝の内面のアルミニウム合金を酸化させて、陽極酸化皮膜を形成することができる。電解法としては、直流電解、交流電解、交直重畳電解などのうち、いずれを用いてもよい。本発明の封孔処理の対象となる陽極酸化皮膜は、特定の陽極酸化処理に限定されない。 In the anodizing treatment step, a conventional anodizing treatment capable of forming an anodizing film on the surface of an aluminum alloy can be widely adopted. For example, in an acidic treatment bath such as sulfuric acid, oxalic acid, phosphoric acid, chromic acid, or a basic treatment bath such as sodium hydroxide, sodium phosphate, sodium fluoride, and an electrode plate such as titanium or carbon as a cathode. By immersing the piston for an internal combustion engine as an anode and performing electrolysis, the aluminum alloy on the inner surface of the piston ring groove of the piston for an internal combustion engine can be oxidized to form an anodized film. As the electrolysis method, any of DC electrolysis, AC electrolysis, AC / DC superimposition electrolysis and the like may be used. The anodizing film to be treated for the pores of the present invention is not limited to the specific anodizing treatment.
陽極酸化処理工程で形成する陽極酸化皮膜の膜厚は、特に限定されないが、例えば、5~20μmが好ましく、5~10μmがより好ましい。 The film thickness of the anodic oxide film formed in the anodic oxidation treatment step is not particularly limited, but is preferably 5 to 20 μm, more preferably 5 to 10 μm, for example.
封孔処理工程では、陽極酸化皮膜を形成した内燃機関用ピストンに対し、リチウムイオンを含む封孔処理液を塗布またはスプレーしたり、封孔処理液に浸漬することで、陽極酸化皮膜の表面部分の孔が塞がれる。より詳しくは、封孔処理液によって陽極酸化皮膜の表面部分が溶けた後、再析出することで、孔が塞がれた封孔処理部が、陽極酸化皮膜の表面部分に形成される。この封孔処理部には、酸化アルミニウムの他に、リチウムとアルミニウムと酸素の化合物が存在する。この封孔処理部は、内燃機関用ピストンが暴露される高温環境下においても、分解して封孔状態が解除されるということはない。 In the sealing process, the surface portion of the anodic oxide film is applied or sprayed on the piston for an internal combustion engine on which the anodic oxide film is formed, or immersed in the sealing solution. The hole is closed. More specifically, the surface portion of the anodic oxide film is melted by the pore-sealing treatment liquid and then reprecipitated to form a sealing-treated portion in which the pores are closed on the surface portion of the anodic oxide film. In addition to aluminum oxide, compounds of lithium, aluminum, and oxygen are present in this sealing treatment portion. This sealing processing unit is not disassembled to release the sealing state even in a high temperature environment where the piston for the internal combustion engine is exposed.
封孔処理液は、リチウムイオンを含む水溶液であり、リチウムイオン源となる化合物としては、硫酸リチウム、塩化リチウム、ケイ酸リチウム、硝酸リチウム、炭酸リチウム、リン酸リチウム、水酸化リチウムなどを使用することができる。これらのうち、水溶液が塩基性を示すものとして水酸化リチウム、炭酸リチウム、ケイ酸リチウムが好ましい。但し、ケイ酸リチウムは毒性が強く、水に溶けにくいため、実用的ではない。よって、炭酸リチウムと水酸化リチウムがより好ましい。 The sealing liquid is an aqueous solution containing lithium ions, and lithium sulfate, lithium chloride, lithium silicate, lithium nitrate, lithium carbonate, lithium phosphate, lithium hydroxide and the like are used as compounds that serve as lithium ion sources. be able to. Of these, lithium hydroxide, lithium carbonate, and lithium silicate are preferable as the aqueous solution exhibits basicity. However, lithium silicate is not practical because it is highly toxic and difficult to dissolve in water. Therefore, lithium carbonate and lithium hydroxide are more preferable.
封孔処理液のリチウムイオン濃度は、1~15g/Lが好ましく、1~12g/Lがより好ましい。1g/L以上の濃度のリチウムイオンで、封孔処理の反応が促進され、硬さが十分に低下した封孔処理部を得ることができる。リチウムイオン濃度の上限は、特に限定されないが、15g/L以下とすることが好ましい。リチウムイオン濃度が15g/Lを超えると、急速に反応が進み、好ましくない。 The lithium ion concentration of the pore-sealing treatment liquid is preferably 1 to 15 g / L, more preferably 1 to 12 g / L. With lithium ions having a concentration of 1 g / L or more, the reaction of the sealing treatment is promoted, and a sealing treatment portion having a sufficiently reduced hardness can be obtained. The upper limit of the lithium ion concentration is not particularly limited, but is preferably 15 g / L or less. When the lithium ion concentration exceeds 15 g / L, the reaction proceeds rapidly, which is not preferable.
封孔処理液の温度は、10~70℃が好ましく、10~60℃がより好ましい。10℃以上の高い温度で封孔処理を行うと、活性および反応性が高く、短時間でも、硬さが十分に低下した封孔処理部を得ることができる。一方、70℃を超える温度では、陽極酸化皮膜表面からの皮膜の溶解が急速に進み、好ましくない。 The temperature of the sealing liquid is preferably 10 to 70 ° C, more preferably 10 to 60 ° C. When the sealing treatment is performed at a high temperature of 10 ° C. or higher, a sealing treatment portion having high activity and reactivity and sufficiently reduced hardness can be obtained even in a short time. On the other hand, at a temperature higher than 70 ° C., the dissolution of the film from the surface of the anodic oxide film proceeds rapidly, which is not preferable.
封孔処理の処理時間は、0.5~4分が好ましく、0.5~2分がより好ましい。処理時間を0.5分以上とすることで、陽極酸化皮膜の表面が溶け、硬さが十分に低下した封孔処理部を再析出することができる。一方、4分を超える時間では、陽極酸化皮膜表面からの皮膜の溶解が急速に進み、好ましくない。 The treatment time for the sealing treatment is preferably 0.5 to 4 minutes, more preferably 0.5 to 2 minutes. By setting the treatment time to 0.5 minutes or more, the surface of the anodic oxide film is melted, and the sealing treated portion having a sufficiently reduced hardness can be reprecipitated. On the other hand, if the time exceeds 4 minutes, the dissolution of the film from the surface of the anodic oxide film proceeds rapidly, which is not preferable.
封孔処理工程では、封孔処理液による封孔処理を行った後、水洗、乾燥することが好ましい。 In the sealing treatment step, it is preferable to perform the sealing treatment with the sealing treatment liquid, then wash with water and dry.
なお、第1ピストンリング溝13に軟化陽極酸化皮膜20を形成することについて説明してきたが、本発明は、第1ピストンリング溝13に限定されることなく、第2ピストンリング溝などの他のピストンリング溝に軟化陽極酸化皮膜20を形成してもよい。ピストンリングとの密着性が高まることで、ブローバイガスの流量やオイル上がりを低減し、燃費向上、環境規制対応に貢献できる。また、耐摩耗性が向上することで、ピストンリングとのシール性を良好に保つことができる。更に、ピストンリング溝のうち、第1ピストンリング溝13に軟化陽極酸化皮膜20を形成することで、第1ピストンリング溝13よりも下への熱逃げ抑制より、燃費が向上する。これは、冷却損失の低減ともいえる。
Although the formation of the softened
以下、本発明の実施例および比較例について説明する。 Hereinafter, examples and comparative examples of the present invention will be described.
[試験例1]
アルミニウム合金製の内燃機関用ピストンを模擬したアルミニウム材A1050のテストピースに、硫酸浴の陽極酸化処理(電気分解の条件:0.5A、10min)を施し、表面に約20μmの陽極酸化皮膜を形成した。このテストピースを、リチウムイオン濃度が10g/Lである封孔処理液に浸漬して、陽極酸化皮膜の封孔処理を行った。封孔処理液の温度は30℃で、処理時間は1分間とした。そして、封孔処理後の陽極酸化皮膜の硬さを、島津製作所社製のダイナミック超微小硬度計DUH-211で測定した。測定条件は、荷重100mNとした。硬さの評価は、ビッカース硬さHVで行った。5つのテストピースの封孔処理後の陽極酸化皮膜について硬さを測定し、その平均値を図3に示す(実施例)。なお、比較例として、封孔処理前の陽極酸化皮膜についても上記と同様にして硬さを測定した。その結果を図3に示す。
[Test Example 1]
A test piece of aluminum material A1050 simulating a piston for an internal combustion engine made of an aluminum alloy is subjected to anodic oxidation treatment of a sulfuric acid bath (electrolysis conditions: 0.5A, 10 min) to form an anodic oxide film of about 20 μm on the surface. bottom. This test piece was immersed in a sealing liquid having a lithium ion concentration of 10 g / L to seal the anodic oxide film. The temperature of the sealing liquid was 30 ° C., and the treatment time was 1 minute. Then, the hardness of the anodic oxide film after the pore sealing treatment was measured with a dynamic ultrafine hardness tester DUH-211 manufactured by Shimadzu Corporation. The measurement conditions were a load of 100 mN. The hardness was evaluated by Vickers hardness HV. The hardness of the anodic oxide film after the sealing treatment of the five test pieces was measured, and the average value thereof is shown in FIG. 3 (Example). As a comparative example, the hardness of the anodic oxide film before the sealing treatment was measured in the same manner as described above. The results are shown in FIG.
図3に示すように、封孔処理をしていない陽極酸化皮膜(比較例)の硬さは、ビッカース硬さHVで320であったものが、封孔処理後の陽極酸化皮膜(実施例)の硬さは、ビッカース硬さHVで270と大幅に低下した。このように陽極酸化皮膜の硬さをビッカース硬さHVで270と大幅に低い値にまで軟化させることで、陽極酸化皮膜の表面が凹凸で不均一なものであっても、エンジン始動時のピストンリングの上下方向の圧力によって凹凸を均して平滑化させることができる。 As shown in FIG. 3, the hardness of the anodic oxide film (comparative example) without the sealing treatment was 320 in Vickers hardness HV, but the anodic oxide film after the sealing treatment (example). The hardness of Vickers hardness HV was significantly reduced to 270. By softening the hardness of the anodic oxide film to a significantly low value of 270 with Vickers hardness HV in this way, even if the surface of the anodic oxide film is uneven and uneven, the piston at the time of engine start The unevenness can be smoothed by the pressure in the vertical direction of the ring.
[試験例2]
封孔処理液のリチウムイオン濃度を10g/Lから1、20、30g/Lに変えた点を除いて、試験例1と同様にしてテストピースに陽極酸化処理および封孔処理を施し、封孔処理後の陽極酸化皮膜の硬さを測定した。その結果を図4に示す。
[Test Example 2]
The test piece was anodized and sealed in the same manner as in Test Example 1 except that the lithium ion concentration of the sealing solution was changed from 10 g / L to 1, 20, 30 g / L to seal the holes. The hardness of the anodic oxide film after the treatment was measured. The results are shown in FIG.
図4に示すように、いずれのリチウムイオン濃度の封孔処理液によっても、封孔処理後の陽極酸化皮膜(実施例)の硬さは、封孔処理をしていない陽極酸化皮膜(比較例)の硬さよりも大幅に低下させることができた。特に、リチウムイオン濃度が1g/L及び10g/Lの場合では、封孔処理後の陽極酸化皮膜の硬さは、ビッカース硬さHVで200程度までしか低下しなかったが、リチウムイオン濃度が20g/L及び30g/Lの場合では、封孔処理後の陽極酸化皮膜の硬さが、ビッカース硬さHVで100以下にまで低下した。よって、ビッカース硬さHVの好ましい範囲の下限値である130はリチウムイオン濃度が10~20g/Lの間にあるため、好ましいリチウムイオン濃度の範囲は1~15g/Lであり、より好ましいリチウムイオン濃度の範囲は1~12g/Lであることがわかる。 As shown in FIG. 4, the hardness of the anodic oxide film (Example) after the pore-sealing treatment is the same as that of the anodic oxide film without the pore-sealing treatment (Comparative Example) regardless of the lithium ion concentration of the pore-sealing treatment liquid. ) Could be significantly lower than the hardness. In particular, when the lithium ion concentration was 1 g / L and 10 g / L, the hardness of the anodic oxide film after the sealing treatment decreased only to about 200 at the Vickers hardness HV, but the lithium ion concentration was 20 g. In the case of / L and 30 g / L, the hardness of the anodic oxide film after the sealing treatment was reduced to 100 or less in Vickers hardness HV. Therefore, since 130, which is the lower limit of the preferable range of Vickers hardness HV, has a lithium ion concentration of 10 to 20 g / L, the preferred lithium ion concentration range is 1 to 15 g / L, which is more preferable. It can be seen that the concentration range is 1 to 12 g / L.
[試験例3]
封孔処理液の温度を30℃から10、50、70℃に変えた点を除いて、試験例1と同様にしてテストピースに陽極酸化処理および封孔処理を施し、封孔処理後の陽極酸化皮膜の硬さを測定した。その結果を図5に示す。
[Test Example 3]
The test piece was anodized and sealed in the same manner as in Test Example 1 except that the temperature of the sealing liquid was changed from 30 ° C to 10, 50, 70 ° C, and the anode after the sealing treatment was performed. The hardness of the oxide film was measured. The results are shown in FIG.
図5に示すように、いずれの温度の封孔処理液によっても、封孔処理後の陽極酸化皮膜(実施例)の硬さは、封孔処理をしていない陽極酸化皮膜(比較例)の硬さよりも大幅に低下させることができた。よって、処理温度は10~70℃が好ましく、10~60℃がより好ましいことがわかる。 As shown in FIG. 5, the hardness of the anodic oxide film (Example) after the pore-sealing treatment is the same as that of the anodic oxide film (Comparative Example) without the pore-sealing treatment, regardless of the temperature of the pore-sealing treatment liquid. It was possible to reduce the hardness significantly. Therefore, it can be seen that the treatment temperature is preferably 10 to 70 ° C, more preferably 10 to 60 ° C.
[試験例4]
封孔処理の処理時間を1分から0.5、5、10分に変えた点を除いて、試験例1と同様にしてテストピースに陽極酸化処理および封孔処理を施し、封孔処理後の陽極酸化皮膜の硬さを測定した。その結果を図6に示す。
[Test Example 4]
The test piece was anodized and sealed in the same manner as in Test Example 1 except that the sealing treatment time was changed from 1 minute to 0.5, 5 and 10 minutes. The hardness of the anodized film was measured. The results are shown in FIG.
図6に示すように、いずれの処理時間の封孔処理によっても、封孔処理後の陽極酸化皮膜(実施例)の硬さは、封孔処理をしていない陽極酸化皮膜(比較例)の硬さよりも大幅に低下させることができた。特に、処理時間が1分の場合では、封孔処理後の陽極酸化皮膜の硬さは、ビッカース硬さHVで180程度までしか低下しなかったが、処理時間が4分以上の場合では、封孔処理後の陽極酸化皮膜の硬さが、ビッカース硬さHVで100以下にまで低下した。よって、封孔処理の処理時間は、0.5~4分が好ましく、0.5~2分がより好ましいことがわかる。 As shown in FIG. 6, the hardness of the anodic oxide film (Example) after the pore-sealing treatment is the same as that of the anodic oxide film (Comparative Example) without the pore-sealing treatment, regardless of the sealing treatment time. It was possible to reduce the hardness significantly. In particular, when the treatment time was 1 minute, the hardness of the anodic oxide film after the pore-sealing treatment decreased only to about 180 in Vickers hardness HV, but when the treatment time was 4 minutes or more, the sealing was performed. The hardness of the anodic oxide film after the pore treatment was reduced to 100 or less in Vickers hardness HV. Therefore, it can be seen that the processing time for the sealing treatment is preferably 0.5 to 4 minutes, more preferably 0.5 to 2 minutes.
10 内燃機関用ピストン
11 ピストン冠面
12a 第1ランド
12b 第2ランド
13 第1ピストンリング溝
13c 第1ピストンリング溝の下面
15 アルミニウム合金
16 シリコン
20 封孔処理後の陽極酸化皮膜(軟化陽極酸化皮膜)
21 多孔質部
22 封孔処理部
30 トップリング
40 シリンダ
10 Piston for
21
Claims (6)
リチウムイオンを含む封孔処理液で前記陽極酸化皮膜を封孔処理し、封孔処理後の陽極酸化皮膜の表面のビッカース硬さHVを320未満とする工程と
を含む内燃機関用ピストンの製造方法。 The process of forming an anodic oxide film on the inner surface of the piston ring groove of an aluminum alloy piston for an internal combustion engine,
A method for manufacturing a piston for an internal combustion engine, which comprises a step of sealing the anodic oxide film with a sealing liquid containing lithium ions so that the Vickers hardness HV of the surface of the anodic oxide film after the sealing treatment is less than 320. ..
前記ピストンリング溝の内面に陽極酸化皮膜を備え、
前記陽極酸化皮膜の表面部分の孔が塞がれており、前記孔が塞がれている表面部分には、リチウムとアルミニウムと酸素の化合物が存在し、前記陽極酸化皮膜の表面のビッカース硬さHVが、320未満である内燃機関用ピストン。 A piston for an internal combustion engine having a piston ring groove on the outer peripheral surface.
An anodic oxide film is provided on the inner surface of the piston ring groove.
The pores on the surface of the anodic oxide film are closed, and compounds of lithium, aluminum, and oxygen are present on the surface portion where the pores are closed, and the Vickers hardness of the surface of the anodic oxide film is present. A piston for an internal combustion engine having an HV of less than 320.
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