JP2022143860A - 内燃機関用ピストン及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 Ｃｕが従来よりも多く含まれるアルミニウム合金を母材しても、トップリング溝における断熱性を向上でき、トップリング溝の内面の平滑度を維持してピストンリングとのシール性を維持できる内燃機関用ピストン及びその製造方法を提供する。【解決手段】 本発明に係る内燃機関用ピストンの製造方法は、５．０～２０．０％のＳｉ及び１．３％を超えて５．０％以下のＣｕを含有するアルミニウム合金を母材１０として形成されたピストン本体について、トップリング溝の内面を露出させるように、マスキングを施し、ピストン本体を混酸の水溶液中に浸漬させ、トップリング溝の内面に、その表面から、形成を予定する陽極酸化皮膜の膜厚の１／２超に相当する深さまでの領域２７ａのＣｕを溶出させた後、陽極酸化皮膜を形成する。これにより、母材１０と陽極酸化皮膜２０との間に、母材よりもＣｕの含有量が少ない断熱層２７ｂを備える内燃機関用ピストンを得ることができる。【選択図】 図２

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、トップ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。

近年、環境規制対応に伴い、自動車用エンジン等の内燃機関の高効率化や高圧縮比化の要望や、過給エンジンの要望が高まってきており、内燃機関の最高燃焼圧力が上昇している。このような背景に伴って、内燃機関用ピストンのピストンリング溝（特に、トップリング溝）やランド部（特に、第１ランド、第２ランド）の温度が、従来の同排気量の内燃機関のものよりも高くなってきている。ピストンのトップリング溝には、耐摩耗性を付与するために陽極酸化皮膜が成膜される場合がある。これは、陽極酸化皮膜が、ピストンの母材であるアルミニウム合金に対して２倍以上の硬さを有しており、耐摩耗性に優れた特性を有するためである。

このような陽極酸化皮膜としては、例えば、特許文献１に、耐食性に優れ、不純物及び／又は添加物（ケイ素（Ｓｉ）等）の析出が多いアルミニウム合金を母材とするピストンにおいて、膜厚が均一で緻密な皮膜を有し、耐衝撃性の高い陽極酸化皮膜を提供するために、陽極酸化皮膜のセルがアルミニウム合金の表面に対してランダムな方向に成長し、配向性を持たず、且つ前記セルが、前記不純物及び／又は添加物の周囲を包囲して、球もしくは楕円形状を形作り、そのセルが寄り集まってぶどうの房状に形成した構造の陽極酸化皮膜が記載されている。

特開２００６－８３４６７号公報

しかしながら、近年採用が増加している高強度材料と呼ばれる、高温域までの機械的特性（疲労強度、引っ張り強さなど）を向上させたアルミニウム合金においては、従来のＪＩＳ（日本工業規格）－ＡＣ８Ａ（Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ－Ｎｉ－Ｍｇ系）合金を代表するアルミニウム合金よりも、銅（Ｃｕ）やニッケル（Ｎｉ）等の添加元素が多く含まれている場合がある。特に銅は、熱伝導率がアルミニウム（Ａｌ）の１．５倍以上高いため、このような銅の添加量が多い高強度材料のアルミニウム合金を母材としてピストンを形成するとなると、断熱性を低下させてしまうおそれがある。

内燃機関における燃焼室で生じる熱は、ピストンとシリンダボアとの隙間を伝わって、更にピストンリングからシリンダボア側の母材及びトップリング溝側の母材へと伝わる。トップリング溝側の母材が高温になると、母材が軟化して、トップリング溝の平滑度が損われるおそれがある。平滑度が損なわれると、ピストンリングとトップリング溝とのシール性が低下し、内燃機関の潤滑等に用いられるオイルが燃焼室側へ流入する現象（オイル上り）が発生して、燃焼室内でオイルが燃焼し、ＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）といった欧州環境規制対象物質の発生要因や、ＰＮ（Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｎｕｍｂｅｒ）といったこの物質の数を増大させる要因となるおそれがある。

そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、Ｃｕが従来よりも多く含まれるアルミニウム合金を母材としても、トップリング溝における断熱性を向上することができ、トップリング溝の内面の平滑度を維持してピストンリングとの良好なシール性を維持することができ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。

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、５．０～２０．０質量％のＳｉ及び１．３質量％を超えて５．０質量％以下のＣｕを含有するアルミニウム合金を母材として形成された内燃機関用ピストン本体について、少なくともトップリング溝の内面を露出させるように、マスキングを施すマスキング工程と、前記マスキングしたピストン本体を混酸の水溶液中に浸漬させて、前記露出させたトップリング溝の内面において、その表面から、形成を予定する陽極酸化皮膜の膜厚の１／２超に相当する深さまでの領域のＣｕを溶出させる混酸浸漬処理工程と、前記混酸の水溶液から取り出したピストン本体のトップリング溝の内面に、前記予定する膜厚で、陽極酸化皮膜を形成する陽極酸化処理工程とを含む。

また、本発明は、別の態様として、トップリング溝を有する内燃機関用ピストンであって、５．０～２０．０質量％のＳｉ及び１．３質量％を超えて５．０質量％以下のＣｕを含有するアルミニウム合金を母材として備えるとともに、前記トップリング溝の内面に位置する、前記母材よりもＣｕの含有量が少ないアルミニウム合金組成の断熱層と、前記断熱層の表面に位置する陽極酸化皮膜とを備える。

このように本発明によれば、Ｃｕが従来よりも多く含まれるアルミニウム合金を母材としても、トップリング溝には、母材よりもＣｕ含有量が少ないアルミニウム合金組成の断熱層を介して、陽極酸化皮膜が形成されているので、トップリング溝における母材への断熱性を向上できる。よって、トップリング溝における母材の軟化を防ぎ、平滑性を維持し、ピストンリングとの良好なシール性を維持することができる。

本発明に係る内燃機関用ピストンの一実施の形態であって、トップリング溝の周辺を模式的に示す断面図である。 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、トップリング溝の内面付近を模式的に示す拡大断面図である。 本発明に係る内燃機関用ピストンの製造方法の一実施の形態に示すフロー図である。 図３に示す内燃機関用ピストンの製造方法における混酸浸漬処理工程を更に詳しく示すフロー図である。 実施例１及び比較例１の混酸浸漬時間とトップリング溝の表面粗さとの関係を示すグラフである。 実施例１の混酸浸漬前後のトップリング溝の表面を示す写真である。 比較例１の混酸浸漬前後のトップリング溝の表面を示す断面写真である。 実施例２の陽極酸化皮膜の表面を示す写真である。 比較例２の陽極酸化皮膜の表面を示す写真である。 実施例２の陽極酸化皮膜を形成したトップリング溝の断面写真である。 比較例２の陽極酸化皮膜を形成したトップリング溝の断面写真である。

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。

図１に示すように、本実施の形態に係る内燃機関用ピストン１は、５．０～２０．０質量％のＳｉ及び１．３質量％を超えて５．０質量％以下のＣｕを含有する機械的特性が向上されたアルミニウム合金を母材１０として形成されており、そのトップリング溝１３の母材表面において、断熱層（図示省略）を介して陽極酸化皮膜２０が形成されている。

母材１０のアルミニウム合金において、Ｓｉは、初晶シリコンや共晶シリコンとして晶出し、耐熱性及び耐摩耗性を改善する成分である。また、Ｓｉは熱膨張率を低下させる。Ｓｉ含有量が５．０質量％以上であれば、熱膨張率が低く、耐摩耗性や高温域での強度を向上することができ、２０．０質量％以下であれば、初晶シリコンが小さくなり、合金の伸びを良好にすることができる。Ｓｉ含有量は、１０．０～１３．０質量％がより好ましい。

Ｃｕは、室温及び高温域における機械的強度及び耐摩耗性を改善する成分である。Ｃｕ含有量が１．３質量％超であれば、強度や耐摩耗性を改善する効果を発現することができ、５．０質量％以下であれば、合金の著しい伸び低下はなく、合金の比重が小さい。一方、５．０質量％を超えると、伸びが著しく低下し、合金の比重が大きくなる。Ｃｕ含有量は、２．５～５．０質量％がより好ましい。

なお、ピストン１の外周面１２には、ピストン冠面１１側から順に、ピストンリング溝として、トップリング溝（第１リング溝）１３、第２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。トップリング溝１３にはトップリング（第１リング）３０が嵌め込まれ、第２リング溝には第２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。また、ピストン１の外周面１２に沿って、ピストン冠面１１とトップリング溝１３との間を第１ランド１２ａと呼び、トップリング溝１３と第２リング溝（図示省略）との間を第２ランド１２ｂと呼び、第２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。

トップリング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。トップリング３０等のリングは、その周方向の一箇所が開口した略Ｃ字形を有しており、弾性的に拡径された状態でトップリング溝１３等のリング溝内に入れた後、その弾性復元力により縮径して、リング溝の内部に嵌め込まれる。トップリング３０の外周面３３は、ピストン１の外周面１２よりも外方に突出しており、図示しない他のリングの外周面も、外周面１２よりも外方に突出している。このため、各リングを装着したピストン１をシリンダ４０内に挿入する際には、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。ピストン１をシリンダ４０内に挿入した状態では、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、トップリング３０及び第２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。

トップリング溝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、第２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。トップリング溝１３の上面１３ａ、側面１３ｂ及び下面１３ｃに、陽極酸化皮膜２０が形成されている。トップリング溝１３の下面１３ｃには、ピストン１の圧縮工程及び膨張工程によりピストン冠面１１側の燃焼室内が高圧となるため、トップリング３０の下面３２が強く密着する。一方、図示しないが、トップリング溝１３の上面１３ａには、吸入工程によりトップリング３０の上面３１が密着する。これら工程を繰り返す度にトップリング溝１３の上面１３ａと下面１３ｃとの間をトップリング３０が移動するため、トップリング溝１３の内面とトップリング３０との間では摩耗が発生し易い。したがって、ピストン１のトップリング溝１３の上面１３ａと下面１３ｃを含む内面に陽極酸化皮膜２０を形成する。なお、陽極酸化皮膜２０は、トップリング溝１３の内面の他、ピストン冠面１１にも形成してもよいし、その場合、その間の第１ランド１２ａにも形成してよい。さらには、陽極酸化皮膜２０は、第２リング溝（図示省略）にも形成してよい。その場合、第２ランド１２ｂに形成してよい。

上記のような母材表面に断熱層を介して陽極酸化皮膜を形成したトップリング溝の構成について、図２を参照して、より詳細に説明する。

図２（ａ）に示すように、内燃機関用ピストンは、母材１０として、上述したように、従来よりもＣｕを多く含有するアルミニウム合金から形成されており、母材１０は、α相１４中に、初晶シリコン１５と、針状シリコン１６が晶出している。α相１４は、アルミニウム（Ａｌ）にＣｕ等の他の元素が固溶した相である。初晶シリコン１５は、ピストン本体の製造過程でＳｉが晶出した比較的大きい塊である。初晶シリコン１５の粒径は、例えば３０～４０μｍ程度である。針状シリコン１６は、同様にピストン本体の製造過程でＳｉが晶出したものであるが、銅成分も含有するものである。

次に、図２（ｂ）に示すように、トップリング溝の内面１３ｓが、詳しくは後述する混酸浸漬処理されることにより、母材１０の表面部分において、Ｃｕを含有する針状シリコン１６が溶出され、且つα相１４からもＣｕ成分が溶出する。これにより、母材よりもＣｕの濃度が低減されたアルミニウム合金組成の断熱層２７ａが形成される。なお、断熱層２７ａでは、初晶シリコン１５も溶出されるが、一部の初晶シリコン１５は溶出されずに残存する。

そして、図２（ｃ）に示すように、断熱層２７ａが陽極酸化処理されることにより、詳しくは後述するが、断熱層２７ｂの表面に陽極酸化皮膜２０が形成される。陽極酸化皮膜２０は、断熱層２７ｂ中のアルミニウムを酸化して形成される皮膜であり、非晶質の酸化アルミニウム（Ａl_２Ｏ_３）を主成分とし、優れた耐摩耗性を有する。陽極酸化皮膜２０のセルの状態は、電解条件により異なる様々な構造を有することができるが、セルがランダムな方向に枝分かれた状態で、皮膜内の初晶シリコンの周囲を包囲している構造が好ましい。このような構造は、詳しくは後述する交直重畳電解法により形成された皮膜（交直重畳電解皮膜）の構造である。これによって、例えば直流電解法で形成するよりも、表面平滑性が向上した皮膜が得られる。陽極酸化皮膜２０の良好な表面平滑性は、ピストンリングとのシール性を向上させる。また、陽極酸化皮膜２０は、上記の断熱層２７の表面に形成することで、その表面に多数の微細孔を有するものとなる。この微細孔中の空気により、陽極酸化皮膜２０は、トップリング溝における断熱性をより向上させることができる。

陽極酸化皮膜２０の厚さは、エンジン運転時のピストンリング３０との摩耗によって減少するため、５．０μｍ以上が好ましく、１０μｍ以上がより好ましい。陽極酸化皮膜２０の厚さの上限は、特に限定されないが、４０μｍ以下が好ましく、３０μｍ以下がより好ましい。

断熱層２７は、トップリング溝において母材１０よりもＣｕの量が少ない層である。例えば、断熱層２７では、α相１４においてＣｕ成分を実質的に含まれず、且つ針状シリコン１６も実質的に存在しないことが好ましい。なお、初晶シリコン１５は母材よりも少ない量で存在することが好ましい。

Ｃｕは、表１に示すように、内燃機関用ピストンの構成材料の中でも高い熱伝導率、例えばＡｌの１．５倍以上の熱伝導率を有する。このため、断熱層２７及び母材１０のＣｕ含有量は、トップリング溝における断熱性能に大きな影響を与える。断熱層２７は、母材１０よりもＣｕ含有量が少ないことから熱伝導率が低く、これによって優れた断熱性を有する。陽極酸化処理後の断熱層２７ｂの厚さは、母材１０に対して十分な断熱性を発揮するために、例えば、１．０μｍ以上が好ましく、５．０μｍ以上がより好ましく、１０μｍ以上が更に好ましい。断熱層２７ｂの厚さの上限は、特に限定されないが、断熱層を形成する混酸浸漬処理の浸漬時間が長くなると、トップリング溝の表面平滑性への影響が大きくなることから、３０μｍ以下が好ましく、２０μｍ以下がより好ましい。

トップリング溝において断熱性が向上することにより、母材１０の軟化を抑制することができるので、トップリング溝の表面の平滑性を維持でき、トップリングに対するシール性を維持することができる。よって、トップリング溝とトップリングの間を介してオイルが燃焼室側に流入するオイル上がりが発生し、燃焼室内でオイルが燃焼することを防ぐことができるので、ＰＭやＰＮの欧州環境規制対象物質の発生、これらの物質の数の増大を抑制することができる。

続いて、本発明に係る内燃機関用ピストンの製造方法の一実施の形態について、図３及び図４を参照して説明する。本発明に係る製造方法は、図３に示すように、アルミニウム合金を母材としてピストン本体を鋳造する工程３１と、鋳造したピストン本体を熱処理する工程３２と、熱処理したピストンを更に加工し、トップリング溝を含むピストンリング溝などを形成する工程３３と、このピストン本体のトップリング溝を混酸浸漬処理する工程３４と、トップリング溝に陽極酸化処理する工程３５とを少なくとも含む。

上記の鋳造、熱処理、加工の各工程３１、３２、３３は、一般的な内燃機関用ピストンを製造する際に用いられる工程と同様であるので、ここでの詳しい説明は省略する。

混酸浸漬処理する工程３４は、更に、図４に示すように、ピストン本体にマスキングをする工程４１と、マスキングで露出した箇所を脱脂する工程４２と、同箇所を水洗する工程４３と、同箇所を乾燥する工程４４と、同箇所を混酸浸漬処理する工程４５と、混酸処理後のピストンを水洗する工程４６と、マスキングを外す工程４７とを含む。

マスキング工程４１では、断熱層を形成したい部分以外に断熱層が形成されないように、対象箇所の周囲をマスキング部材で覆う。例えば、図１において、トップリング溝１３の内面のみに断熱層を形成する場合、ピストン１の第１ランド１２ａと第２ランド１２ｂの位置をマスキング部材で覆うことにより、トップリング溝１３の内面を露出する。マスキング部材の材料は、天然ゴム、ブタジエンゴム、スチレンゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム、ニトリルゴム、シリコーンゴム等の混酸等に耐薬品性のあるゴム材料を使用でき、ニトリルゴム又はシリコーンゴムがより好ましい。ニトリルゴム又はシリコーンゴムは、陽極酸化処理工程３５で用いる処理液である硫酸等の薬品にも十分な耐性を有するため、マスキング部材を付けたまま陽極酸化処理工程３５を行うことができる。

マスキング工程４１後は、脱脂工程４２、水洗工程４３、乾燥工程４４を順に行う。これらは、処理対象箇所における不純物などを除去するために一般的に行われている処理と同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。

混酸浸漬処理工程４５では、マスキング部材から露出したトップリング溝を混酸処理液に浸漬することにより、トップリング溝の加工面から所定の処理深さまでの領域のＣｕ成分を溶出させる。混酸処理液は、アルミニウム合金からＣｕ成分を溶出できる液であればよく、例えば、硝酸、フッ酸、硫酸等のうちの少なくとも２種類の酸が混合された混酸の水溶液を使用でき、特に、銅やシリコン成分の溶出性が良好な、硝酸とフッ酸の混酸の水溶液が好ましい。混酸処理液中の硝酸の濃度は、４０～６０質量％が好ましく、フッ酸の濃度は、５～１５質量％が好ましい。また、硝酸とフッ酸の混合比は、質量で、硝酸：フッ酸＝３：１から１０：１が好ましい。

混酸浸漬処理工程４５では、混酸処理液に浸漬することにより、図２（ｂ）に示した通り、所定の処理深さにおいて、α相１４中のＣｕ成分が溶出するとともに、針状シリコン１６も溶出する。なお、初晶シリコン１５も溶出するが、全てではなく、一部の初晶シリコン１５はトップリング溝の表面１３ｓに残存する。このように初晶シリコン１５と針状シリコン１６の溶出によって、断熱層２７ａは、凹凸部を有する表面１７が形成される。断熱層２７ａに初晶シリコン１５が一部残存することにより、初晶シリコン１５は大きな塊状であることから、大きな凹部の発生を低減でき、断熱層２７ａの表面粗さの大幅な増大を防止することができる。一方で、トップリング溝表面の初晶シリコンや針状シリコンの存在は、表面が平滑な陽極酸化皮膜の形成を妨げることから、断熱層２７ａ表面における初晶シリコンや針状シリコンの減少は、陽極酸化皮膜の表面の平滑性を向上させることができる。

このような陽極酸化皮膜の表面の平滑性の向上は、上述したＰＭやＰＮの欧州環境規制対象物質の発生、これらの物質の数の増大の抑制に大きく寄与することができる。更に、この陽極酸化皮膜の表面の平滑性の向上は、トップリング溝におけるシール性を更に向上させるため、ブローバイガス量の低減による燃費向上にも寄与することができる。

このような初晶シリコン１５の一部を残すことができる混酸浸漬処理は、詳しくは後述する混酸浸漬処理による母材の処理深さを、３０μｍ以下にすることが好ましい。これは、本発明者らの知見によれば、混酸浸漬処理による母材の処理深さは、混酸浸漬処理により形成される断熱層２７ａ表面の初晶シリコン１５の量に比例するからである。混酸浸漬処理による母材の処理深さは、２０μｍ以下にすることがより好ましく、１５μｍ以下にすることが更に好ましい。

混酸浸漬処理工程４５での母材の処理深さは、陽極酸化処理工程３５で予定する陽極酸化皮膜の膜厚の１／２の値を超えた深さである。これは、陽極酸化皮膜は、アルミニウムの酸化皮膜であり、図２（ｂ）及び（ｃ）に示すように、陽極酸化処理前の断熱層２７ａに対して、表面処理後の陽極酸化皮膜２０の表面は、陽極酸化皮膜２０の膜厚の１／２程度の寸法が上昇するからである。すなわち、表面処理後の断熱層２７ｂの表面（陽極酸化皮膜２０との界面）は、陽極酸化皮膜２０の膜厚の１／２程度、下降する。よって、陽極酸化処理後に断熱層２７を残すためには、母材の処理深さを、予定する陽極酸化皮膜２０の膜厚の１／２の値を超えた深さにする。具体的には、母材の処理深さは、２．５μｍ超が好ましく、５．０μｍ超がより好ましく、７．５μｍ超が更に好ましい。なお、母材の処理深さは、予定する陽極酸化皮膜の膜厚の１／２の値と、陽極酸化処理後に残す予定の断熱層２７ｂの厚さの値の合計の深さにすることがより好ましい。この場合、母材の処理深さの上限は、具体的には、３０μｍ以下が好ましく、２０μｍ以下がより好ましく、１５μｍ以下が更に好ましい。

混酸浸漬処理による母材の処理深さは、混酸処理液への浸漬時間により制御することができる。混酸処理液の濃度や母材のアルミニウム合金の組成に左右されるものの、浸漬時間を１０秒以上にすることで、母材の処理深さを２．５μｍ超にすることができ、浸漬時間を３０秒以上にすることで、母材の処理深さを７．５μｍ超にすることができる。また、浸漬時間を１２０秒以内にすることで、母材の処理深さを３０μｍ以下にすることができ、浸漬時間を８０秒以内にすることで、母材の処理深さを２０μｍ以下にすることができ、浸漬時間を６０秒以内にすることで、母材の処理深さを１５μｍ以下にすることができる。

混酸浸漬処理工程４５の混酸処理の度合いは、混酸浸漬処理後の断熱層２７ａの表面１７の表面粗さ（特に、表面粗さＲａ）で表すことができる。表面粗さＲａは、ＪＩＳ Ｂ０６０１で規格されているように、輪郭曲線の算術平均粗さを表すものである。混酸処理での母材の処理深さが深くなる程、混酸浸漬処理後の断熱層の表面粗さＲａの値が大きくなる傾向がある。表面粗さＲａの下限は、例えば、０．３μｍ以上が好ましく、０．５μｍ以上がより好ましく、０．８μｍ以上が更に好ましい。また、表面深さＲａの上限は、例えば、３．２μｍ以下が好ましく、２．４μｍ以下がより好ましく、１．６μｍ以下が更に好ましい。

混酸浸漬処理工程４５の後、水洗工程４６を行った後、マスキング部材を外す工程４７を行う。そして、図３に示すように、陽極酸化処理工程３５を行う。なお、上述したように、所定のマスキング部材を用いた場合は、マスキングしたまま陽極酸化処理工程３５にて陽極酸化皮膜を形成し、その後にマスキング部材を外す。

陽極酸化処理工程３５では、図示しないが、電解槽内の硫酸やシュウ酸などの電解液に、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、電源から電気を流すことで、電解処理が行われ、内燃機関用ピストンのトップリング溝内面が酸化される。電解処理後、図２（ｃ）に示すように、断熱層２７ｂの表面に陽極酸化皮膜２０が形成される。陽極酸化処理後の断熱層２７ｂの厚さは、陽極酸化処理前の断熱層２７ａの厚さから、陽極酸化皮膜２０の厚さの１／２分が減った厚さとなる。

陽極酸化処理工程４５は、トップリング溝の内面に陽極酸化皮膜を形成する従来の電解処理を広く採用できる。電解処理液としては、硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）、シュウ酸（Ｈ_２Ｃ_２Ｏ_４）、リン酸（Ｈ_３ＰＯ_４）、クロム酸（Ｈ_２ＣｒＯ_４）等の酸性の処理液、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、リン酸ナトリウム（Ｎａ_３ＰＯ_４）、フッ化ナトリウム（ＮａＦ）等の塩基性の処理液を使用でき、実用的な観点より硫酸が好ましい。陰極板は、チタン板、カーボン板、アルミニウム板、ステンレス板等を使用できる。電解法としては、直流電解法、直流電流に交流電流を重畳させた交直重畳電解法等を採用でき、交直重畳電解法が好ましい。交直重畳電解法であれば、皮膜を成膜する正電圧印加と、皮膜に蓄積した電荷を除去する負電圧印加とを交互に繰り返すことで、電気が特定の箇所に集中して流れることを抑制でき、結果として、膜厚が均一で表面粗さの小さい皮膜が得られる。陽極酸化皮膜の表面の良好な平滑性は、ピストンリング溝とピストンリング間のシール性を向上させる。

また、本実施の形態では、母材としてのアルミニウム合金は、上記したＳｉ及びＣｕに加えて、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、リン（Ｐ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）及びマグネシウム（Ｍｇ）からなる群より選択される少なくとも一以上の元素を含み、残部が実質的にＡｌ及び不可避的不純物からなる合金とすることができる。好ましくは、アルミニウム合金の母材は、上記したＳｉ及びＣｕの各含有量の範囲に加えて、１．５～３．５質量％のＮｉ、０．０５～０．１５質量％のＣｒ、０．０５～０．２０質量％のＴｉ、０．０５～０．３０質量％のＺｒ、０．１０～０．３１質量％のＦｅ、０．０５質量％以下のＭｎ及び０．５～１．１質量％のＭｇを含み、残部が実質的にＡｌ及び不可避的不純物からなる。Ｓｉ及びＣｕについては既に説明したので、その他の各成分とその含有量等について説明する。

Ｎｉは、主に高温域での強度及び耐摩耗性を向上させ、熱膨張率を低下させる成分であり、Ｎｉ含有量が１．５質量％以上であれば、その効果が好適に発現し、３．５質量％以下であれば、良好な伸びが得られる。

Ｃｒは、主に合金中に晶出した金属間化合物、初晶シリコン、針状シリコン等の結晶粒の間にある結晶粒界を強化させ、高温域での強度を向上させる成分であり、Ｃｒ含有量が０．０５質量％以上であれば、結晶粒界を好適に強化させて高温域での強度を向上させ、０．１５質量％以下であれば、良好な靱性及び切削性が得られる。

Ｔｉは、主に結晶粒を微細化させて、耐熱性、鋳造性、強度を向上させる成分であり、Ｔｉ含有量が０．０５～０．２０質量％の範囲であれば、その効果が好適に発現する。Ｔｉ含有量は、好ましくは０．０５～０．１５ｗｔ％である。

Ｚｒは、主に合金中の結晶粒を微細化する効果を有し、耐熱性、鋳造性及び強度の向上に寄与する成分であり、Ｚｒ含有量が０．０５～０．３０質量％の範囲であれば、その効果が好適に発現する。Ｚｒ含有量は、好ましくは０．０５～０．１５ｗｔ％である。

Ｆｅは、主に金属間化合物を晶出し、耐摩耗性及び高温域での強度を向上させる成分である。なお、この金属間化合物の大きさが粗大であると、強度の低下が起こる。Ｆｅ含有量が０．１０～０．３１質量％の範囲であれば、Ｆｅ－Ｍｎ系金属間化合物の大きさを小さくできる。

Ｍｎは、主に金属間化合物を晶出し、耐摩耗性及び高温域での強度を向上させる成分である。なお、この金属間化合物の大きさが粗大であると、強度の低下が起こる。Ｍｎ含有量が０．０５質量％以下であれば、Ｆｅ－Ｍｎ系金属間化合物の大きさを小さくできる。Ｍｎ含有量の下限値は、全く含有しなくてもよく、又は不純物程度に極少量で含有していてもよく、例えば０．００１質量％である。

Ｍｇは、主に強度及び靱性を向上させる成分であり、Ｍｇ含有量が０．５質量％以上であれば、強度を向上させる効果が発現し、１．１質量％以下であれば、良好な靱性が得られる。

なお、本実施の形態では、第１ランドと第２ランドの位置でマスキングして、トップリング溝の内面に断熱層と陽極酸化皮膜を形成する例を示したが、本発明は、これに限定されない。例えば、断熱層と陽極酸化皮膜は、マスキング工程にて、第２ランドの位置でマスキングしてトップリング溝の内面とピストン冠面に形成してもよく、第１ランドと第３ランドの位置でマスキングしてトップリング溝と第２リング溝の各内面に形成してもよく、第３ランドの位置でマスキングしてトップリング溝と第２リング溝の各内面とピストン冠面に形成してもよい。いずれの場合も、優れた断熱効果が得られるため、ピストンの冷却損失を低減できる。

また、本実施の形態では、内燃機関用ピストンとして、ポート噴射方式の火花点火燃焼エンジン用ピストンを想定して説明したが、本発明は、これに限定されず、本発明に係る内燃機関用ピストンは、直噴方式の火花点火燃焼エンジンピストン、ディーゼルエンジン用ピストン、予混合圧縮着火燃焼エンジン用ピストン、ＣＮＧ（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ）エンジン用ピストン、汎用エンジン用ピストン等にも好適に適用できる。

以下、本発明に係る実施例及び比較例について説明する。なお、本発明に係る内燃機関用ピストン及びその製造方法は、以下の実施例及び比較例によって限定されない。

［実施例１］
表２に示す組成を有するＡｌ－Ｓｉ系のアルミニウム合金の鋳造材を用いた。そして、この鋳造材に、ピストン用のアルミニウム合金に広く用いられるＴ６処理と呼ばれる熱処理を行い、その後、加工により内燃機関用ピストンを模擬したテストピースを作製した（以下、高強度材料ともいう）。トップリング溝の内面は、切削加工により仕上げ、表面粗さＲａは０．０７μｍと非常に平滑な性状であった。

［比較例１］
従来のＡＣ８Ａのアルミニウム合金を用いて、実施例１と同様にして内燃機関用ピストンを模擬したテストピースを作製した（以下、通常材料ともいう）。

（混酸浸漬時間に対する表面粗さの測定）
実施例１及び比較例１の各テストピースを、室温で、混酸処理液に浸漬しながら所定の時間毎に表面粗さを測定し、混酸浸漬時間に対する表面粗さの変化を評価した。表面粗さについては、テストピース表面の算術平均粗さ（表面粗さＲａ）を、ＪＩＳ Ｂ ０６０１－２００１に準拠した方法により、４ｍｍの測定長さ、０．８ｍｍのカットオフで測定した。混酸処理液は、硝酸とフッ酸と水を所定の比（質量％で、５０：６：４４）で混合した液を用いた。その結果を、図５に示す。

図５に示すように、高強度材料（実施例１）の混酸浸漬時間に対する表面粗さＲａは、通常材料（比較例１）に比べて、より増大する傾向にあることが確認された。これは、高強度材料中の銅等の溶出しやすい金属の含有量が、通常材料よりも多いからと推測できる。また、実施例１も比較例１も、浸漬時間に比例して表面粗さＲａが増大することが確認された。これは、浸漬時間が長い程、処理表面の針状シリコン（Ｃｕも含まれている）が多く溶出するとともに、針状シリコンよりも溶出しにくい初晶シリコンも多く溶出するからと推測できる。なお、浸漬時間が１０秒以上であると、表面粗さＲａは０．４μｍ以上であり、浸漬時間が３０秒以上であると表面粗さＲａは０．８μｍ以上であり、浸漬時間が６０秒の際の表面粗さＲａは１．６μｍであった。また、浸漬時間が１０秒の際の処理深さは２．５μｍであり、浸漬時間が３０秒の際の処理深さは７．５μｍであり、浸漬時間が６０秒の際の処理深さは１５μｍであった。

（混酸浸漬処理前後のトップリング溝の加工面の観察）
実施例１のテストピースについて、上記混酸処理液を用いて、混酸浸漬処理前のトップリング溝の加工面と、浸漬時間が３０秒の混酸浸漬処理後のトップリング溝の加工面と、これら加工面の断面を観察し、混酸浸漬処理前後によるトップリング溝の加工面の変化を評価した。表面観察は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて行い、トップリング溝の加工面の断面観察は、テストピースを切断して行った。表面粗さＲａは、前述した表面粗さの測定と同様に測定した。図６（ａ）に混酸浸漬処理前の加工面の表面写真を示し、図６（ｂ）に混酸浸漬処理後の加工面の表面写真を示す。また、図７（ａ）に混酸浸漬処理前の加工面の断面写真を示し、図７（ｂ）に混酸浸漬処理後の加工面の断面写真を示す。

図６（ａ）に示すように、混酸浸漬処理前のトップリング溝の加工面は、非常に平滑である一方、図６（ｂ）に示すように、混酸浸漬処理後のトップリング溝の加工面には、凹凸部が確認された。これは、α相中のＣｕが溶出したと推測される部分１４ａが多く観察されたとともに、Ｃｕ成分を含む針状シリコンが溶出したと推測される部分１６ａも多く観察されたことに基づく。なお、残存した初晶シリコン１５が確認された。また、図７（ａ）に示すように、混酸浸漬処理前のトップリング溝の加工面の断面は、非常に平滑であり、表面粗さＲａは０．０７μｍであった。一方、図７（ｂ）に示すように、混酸浸漬処理後のトップリング溝の加工面の断面には、混酸浸漬処理により、α相中のＣｕの溶出や針状シリコン（Ｃｕも含まれる）の溶出、及び一部の初晶シリコンの溶出に起因する凹部が多く観察された。表面粗さＲａは０．８５であった。

［実施例２］
実施例１のテストピースについて、上記混酸処理液を用いて、トップリング溝の加工面に、室温で３０秒間、混酸浸漬処理を施した。次いで、混酸浸漬処理後のトップリング溝に陽極酸化処理を施した。陽極酸化処理は、電解液として５℃の硫酸を用い、耐薬品性を向上させるために表面処理したチタンを陰極板とし、テストピースを陽極板に取り付け、トップリング溝のみに電解液が流れる治具を用いて行った。電解法として交直重畳電解法を用い、プラス電圧を６５Ｖとし、マイナス電圧を－２Ｖとし、周波数を１２ｋＨｚに設定した定電圧電解で、４０秒間、陽極酸化処理を行った。

［比較例２］
混酸浸漬処理を行わなかった点を除いて、実施例２と同様にして、実施例１のテストピースに陽極酸化処理を施した。

（陽極酸化皮膜が形成されたトップリング溝の評価）
実施例２及び比較例２について、陽極酸化皮膜が形成されたトップリング溝の表面を観察するとともに、陽極酸化皮膜の膜厚及び表面粗さを測定し、混酸浸漬処理の有無による陽極酸化皮膜の差異を評価した。表面観察及び表面粗さの測定は、前述と同様に行った。また、陽極酸化皮膜の膜厚は、テストピースを切断し、光学顕微鏡を用いて、陽極酸化皮膜の断面を等間隔に１０点測定し、得られた値の平均により算出した。図８に実施例２の陽極酸化皮膜の表面写真を示し、図９に比較例２の陽極酸化皮膜の表面写真を示す。また、図１０に実施例２の陽極酸化皮膜を形成したトップリング溝の断面写真を示し、図１１に比較例２の陽極酸化皮膜を形成したトップリング溝の断面写真を示す。

図８に示すように、実施例２の陽極酸化皮膜の表面は、多数の微細孔が確認された。一方、図９に示すように、比較例２の陽極酸化皮膜の表面には、微細孔が確認されたものの、実施例２よりも少なかった。これらの結果より、混酸浸漬処理により、陽極酸化皮膜の表面に断熱性を向上させる微細孔が多数形成されることを確認した。

また、図１０に示すように、実施例２のトップリング溝の断面には、陽極酸化皮膜２０と母材１０との間に、初晶シリコンや針状シリコンが確認されない厚さ数μｍの断熱層２７が確認された。一方、図１１に示すように、比較例２のトップリング溝の断面には、陽極酸化皮膜２０の下に、初晶シリコン１５や針状シリコン１６が観察され、実施例２のような母材１０と異なる層は確認されなかった。実施例２の陽極酸化皮膜の表面粗さＲａは０．７７μｍであり、膜厚は１２．０μｍであった。比較例２の陽極酸化皮膜の表面粗さＲａは１．７５μｍであり、膜厚は１４．１μｍであった。これらの結果より、混酸浸漬処理の有無により、膜厚に大きな差異がない一方で、表面粗さは半分近く低下している。このことから、混酸浸漬処理は、陽極酸化皮膜の表面平滑性に大きく寄与すると推測できる。これは、混酸浸漬処理によって、陽極酸化皮膜の凹凸発生の要因となる初晶シリコンや針状シリコン（Ｃｕも含まれる）が溶出されたことに由来すると推測できる。

１ 内燃機関用ピストン
１０ ピストン母材
１１ ピストン冠面
１２ ピストンの外周面
１２ａ 第１ランド
１２ｂ 第２ランド
１３ トップリング溝
１３ａ トップリング溝の上面
１３ｂ トップリング溝の側面
１３ｃ トップリング溝の下面
１４ α相
１５ 初晶シリコン
１６ 針状シリコン
１７ 混酸浸漬処理後の断熱層の表面
２０ 陽極酸化皮膜
２７ 断熱層
３０ トップリング
４０ シリンダ

Claims (7)

1. ５．０～２０．０質量％のＳｉ及び１．３質量％を超えて５．０質量％以下のＣｕを含有するアルミニウム合金を母材として形成された内燃機関用ピストン本体について、少なくともトップリング溝の内面を露出させるように、マスキングを施すマスキング工程と、
   前記マスキングしたピストン本体を混酸の水溶液中に浸漬させて、前記露出させたトップリング溝の内面において、その表面から、形成を予定する陽極酸化皮膜の膜厚の１／２超に相当する深さまでの領域のＣｕを溶出させる混酸浸漬処理工程と、
   前記混酸の水溶液から取り出したピストン本体のトップリング溝の内面に、前記予定する膜厚で、陽極酸化皮膜を形成する陽極酸化処理工程と
   を含む、内燃機関用ピストンの製造方法。
2. 前記混酸浸漬処理工程では、前記領域において、針状シリコンを溶出させ、アルミニウム合金のα相からＣｕを溶出させるとともに、初晶シリコンの一部を残す、請求項１に記載の内燃機関用ピストンの製造方法。
3. 前記混酸浸漬処理工程で、Ｃｕを溶出させたトップリング溝の表面粗さＲａが、０．４～３．２μｍである、請求項１又は２に記載の内燃機関用ピストンの製造方法。
4. 前記陽極酸化処理工程では、交直重畳電解法により陽極酸化皮膜を形成する、請求項１～３のいずれか１項に記載の内燃機関用ピストンの製造方法。
5. トップリング溝を有する内燃機関用ピストンであって、
   ５．０～２０．０質量％のＳｉ及び１．３質量％を超えて５．０質量％以下のＣｕを含有するアルミニウム合金を母材として備えるとともに、
   前記トップリング溝の内面に位置する、前記母材よりもＣｕの含有量が少ないアルミニウム合金組成の断熱層と、
   前記断熱層の表面に位置する陽極酸化皮膜と
   を備える、内燃機関用ピストン。
6. 前記断熱層の厚さが、１．０μｍ以上５０μｍ以下である、請求項５に記載の内燃機関用ピストン。
7. 前記陽極酸化皮膜は、そのセルが、前記トップリング溝の内面に対してランダムな方向に延びているとともに、前記セルが、ランダムな方向に枝分かれした状態で前記陽極酸化皮膜内のシリコンの周囲を包囲している、請求項５又は６に記載の内燃機関用ピストン。

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