JP2023178766A - Method of manufacturing piston for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関用ピストンの製造方法に関し、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の製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a piston for an internal combustion engine, and more particularly, to a method of manufacturing a piston for an internal combustion engine that includes an anodized film on the inner surface of a top ring groove.
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、トップランド、セカンドランド)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。 In recent years, in response to environmental regulations, there have been increasing demands for higher efficiency and higher compression ratios in internal combustion engines such as automobile engines, as well as demands for supercharged engines, and the maximum combustion pressure of internal combustion engines has increased. . Due to this background, the temperature of the piston ring groove (especially the top ring groove) and land portion (especially the top land, second land) of a piston for an internal combustion engine is higher than that of a conventional internal combustion engine of the same displacement. is also getting higher. An anodized film is sometimes formed on the top ring groove of the piston to impart wear resistance. This is because the anodic oxide film has a hardness more than twice that of the aluminum alloy that is the base material of the piston, and has excellent wear resistance.
このような陽極酸化皮膜としては、例えば、特許文献1に、トップリング溝の内面のうち、少なくともセカンドリング溝側の内面であって、トップリングが接する領域の内面に、陽極酸化皮膜を備え、この陽極酸化皮膜のJIS B0671-2に準拠する表面粗さRpkが1.00μm以下である内燃機関用ピストンが記載されており、このような表面粗さの陽極酸化皮膜によって、トップリングとの気密性を向上することができ、ブローバイガス流量および排出微粒子の粒子数を低減することができると記載されている。 As such an anodic oxide film, for example, Patent Document 1 discloses that an anodic oxide film is provided on the inner surface of the top ring groove, at least on the inner surface on the second ring groove side, in the area where the top ring contacts, A piston for internal combustion engines is described in which the anodic oxide film has a surface roughness Rpk of 1.00 μm or less according to JIS B0671-2. It is stated that the performance can be improved, and the blow-by gas flow rate and the number of discharged particulates can be reduced.
しかしながら、近年採用が増加している高強度材と呼ばれる、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、AC8A(Al-Si-Cu-Ni-Mg系)合金に代表される従来の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。このような高強度材には、従来よりも粒状の粗大な初晶シリコン(Si)が多く析出しており(Si粒径が30~40μm程度)、このような粒状のSiは陽極酸化皮膜の成膜に強い影響を及ぼし、凹凸の大きな皮膜が形成されやすい。本願発明者は、このような高強度材を用いた場合には、特許文献1に記載されている陽極酸化処理を行っても、陽極酸化皮膜の膜厚10μmのときに表面粗さRpkが1.0μmを超える皮膜となってしまうという新たな知見を得た。 However, AC8A (Al-Si-Cu-Ni- It may contain more additive elements such as copper (Cu) and nickel (Ni) than conventional aluminum alloys such as Mg-based alloys. In such high-strength materials, more granular and coarse primary crystal silicon (Si) is precipitated than in the past (Si grain size is approximately 30 to 40 μm), and such granular Si can cause damage to the anodic oxide film. It has a strong influence on film formation, and a film with large irregularities is likely to be formed. The inventor of the present application found that when such a high-strength material is used, even if the anodization treatment described in Patent Document 1 is performed, the surface roughness Rpk is 1 when the thickness of the anodic oxide film is 10 μm. A new finding was obtained that the film thickness exceeds .0 μm.
陽極酸化皮膜の表面粗さが悪化すると、トップリングとのシール性が低下し、これに伴うブローバイガスの増大や燃費の悪化が発生する。また、エンジン部品の潤滑に用いられるエンジンオイルが燃焼室側へ流入する現象(オイル上り)が発生しやすくなり、燃焼室内でエンジンオイルが燃焼することで、PM(Particulate Matter)やPN(Particle Number)といった欧州環境規制対象物質またはその数が増加する要因となるため、陽極酸化皮膜の表面には平滑性が求められている。 When the surface roughness of the anodic oxide film deteriorates, the sealing performance with the top ring deteriorates, resulting in an increase in blow-by gas and deterioration in fuel efficiency. In addition, a phenomenon in which engine oil used to lubricate engine parts flows into the combustion chamber (oil upflow) is likely to occur, and as engine oil burns within the combustion chamber, PM (Particulate Matter) and PN (Particle Number ), which is a factor that increases the number of substances subject to European environmental regulations, such as substances, so the surface of the anodic oxide film is required to be smooth.
そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、高強度材をピストン母材に用いても、トップリング溝の内面に形成される陽極酸化皮膜と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の製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention aims to maintain good sealing between the piston ring and the anodic oxide film formed on the inner surface of the top ring groove even if a high-strength material is used for the piston base material. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a piston for an internal combustion engine.
上記の目的を達成するために、本発明は、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、1.3質量%を超えて5.0質量%以下のCu、及び1.5質量%を超えて3.5質量%以下のNiを含有するアルミニウム合金を母材とし、外周面にトップリング溝を有する内燃機関用ピストン本体について、前記トップリング溝とピストン冠面との間の外周面の部分を保持部材で保持した状態で、前記内燃機関用ピストン本体をその軸を中心に回転させながら、前記トップリング溝の内面の少なくともトップリングが接する領域をウォータージェット処理して、前記領域に露出するシリコンを除去する工程と、少なくとも前記ウォータージェット処理をした領域に陽極酸化皮膜を形成する工程とを含む。 In order to achieve the above object, the present invention provides a method for manufacturing a piston for an internal combustion engine, comprising 5.0 to 20.0 mass% Si, more than 1.3 mass% and 5.0 mass% or less. Regarding a piston body for an internal combustion engine, the base material is an aluminum alloy containing more than 1.5% by mass and 3.5% by mass of Ni, and has a top ring groove on the outer peripheral surface. While rotating the piston body for an internal combustion engine around its axis while holding the portion of the outer circumferential surface between it and the piston crown surface with a holding member, at least the area of the inner surface of the top ring groove that is in contact with the top ring is The method includes a step of performing water jet treatment to remove silicon exposed in the area, and a step of forming an anodic oxide film on at least the area subjected to the water jet treatment.
このように本発明によれば、トップリング溝の内面に、陽極酸化処理を行う前にウォータージェット処理を行うことで、表面に露出するシリコンが除去されることから、平滑な表面の陽極酸化皮膜が形成され、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。 As described above, according to the present invention, by performing water jet treatment on the inner surface of the top ring groove before anodizing treatment, silicon exposed on the surface is removed, resulting in a smooth anodic oxide film. is formed, and good sealing performance with the piston ring can be maintained.
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。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of a method for manufacturing a piston for an internal combustion engine according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. Note that the drawings are drawn with priority given to ease of understanding and are not drawn to scale.
先ず、本実施の形態の方法によって製造される内燃機関用ピストンについて説明する。図1に示すように、内燃機関用ピストン10は、シリンダブロックのボア内周面21に面する外周面に、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13、セカンドリング溝15、オイルリング溝17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(図示省略)が嵌め込まれ、セカンドリング溝15にはセカンドリング(図示省略)、オイルリング溝17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10の外周面は、ピストン冠面11とトップリング溝13との間をトップランド12と呼び、トップリング溝13とセカンドリング溝15との間をセカンドランド14と呼び、セカンドリング溝15とオイルリング溝17との間をサードランド16と呼び、オイルリング溝17以降をスカート部18と呼ぶ。
First, a piston for an internal combustion engine manufactured by the method of this embodiment will be described. As shown in FIG. 1, the
トップリング溝13について更に詳しく説明すると、図2に示す通り、トップリング溝13に嵌め込まれたトップリング22は、シリンダブロック20内に内燃機関用ピストン10が挿入された状態では、トップリング22の外周面が、ピストン外周面であるトップランド12及びセカンドランド14よりも外側に突出する。トップリング22はその弾性力によってシリンダブロック20のボア内周面21に押し付けられた状態となり、トップリング22は燃焼室の気密性を保持する機能を果たす。
To explain the
セカンドリング(図示省略)も同様の構成および機能を有するが、ピストンの圧縮工程及び膨張工程によってピストン冠面11側の燃焼室内が高圧となり、特にトップリング溝13の内面がトップリング22と強く密着するため、トップリング溝13の内面に摩耗が発生し易い。よって、トップリング溝13の内面に陽極酸化皮膜(図示省略)を形成して、トップリング溝13の内面の耐摩耗性を向上させている。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、その反対側(セカンドリング側)の内面を下面13cと呼び、その間の溝の底の側の内面を底面13bと呼ぶ。図2に示すように、トップリング22は、トップリング溝13の内面全体と必ず接するものではないことから、陽極酸化皮膜は、トップリング溝13の内面のうちのトップリング22が接する領域に形成されていればよい。この領域は、ピストンの設計によって異なるものの、例えば、トップリング溝13の上面13a又は下面13cのうち、トップランド12又はセカンドランド14側の端から底面13b側の端までの長さ(すなわち、溝の深さ)を100%とすると、トップランド12又はセカンドランド14側の端から少なくとも90%までの領域が好ましく、少なくとも80%までの領域がより好ましく、少なくとも70%までの領域が更に好ましい。もちろん、トップリング溝13の内面全体に陽極酸化皮膜が形成されていてもよい。トップリング溝13の内面のうち、上面13aのみ、下面13cのみ、又は上面13a及び下面13cの両面とするか、また、どの程度の領域とするかは、燃焼ガスに対するシール性、ブローバイガス量の低減、オイル上りの起因となるPMやPNの抑制などの要件を鑑みて決定することが望ましい。
The second ring (not shown) has the same structure and function, but the compression and expansion steps of the piston create high pressure in the combustion chamber on the
陽極酸化皮膜が形成される内燃機関用ピストン本体は、5.0~20.0質量%のシリコン(Si)、1.3質量%を超えて5.0質量%以下の銅(Cu)、及び1.5質量%を超えて3.5質量%以下のニッケル(Ni)を含有するアルミニウム合金(以下、高強度材ともいう)を母材として形成されている。 The internal combustion engine piston body on which the anodized film is formed contains 5.0 to 20.0 mass% silicon (Si), more than 1.3 mass% and 5.0 mass% copper (Cu), and It is formed using an aluminum alloy (hereinafter also referred to as a high-strength material) containing nickel (Ni) in an amount exceeding 1.5% by mass and not more than 3.5% by mass as a base material.
高強度材において、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。 In high-strength materials, Si is a component that crystallizes as primary silicon or eutectic silicon and improves heat resistance and wear resistance. Moreover, Si lowers the coefficient of thermal expansion. If the Si content is 5.0% by mass or more, the coefficient of thermal expansion is low, and wear resistance and strength in high temperature ranges can be improved. If the Si content is 20.0% by mass or less, primary silicon is This makes it possible to improve the elongation of the alloy. The Si content is more preferably 10.0 to 13.0% by mass.
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。 Cu is a component that improves mechanical strength and wear resistance at room temperature and high temperature range. If the Cu content exceeds 1.3 mass%, it can exhibit the effect of improving strength and wear resistance, and if it is 5.0 mass% or less, there will be no significant decrease in elongation of the alloy, and the alloy will improve. Specific gravity is small. On the other hand, when it exceeds 5.0% by mass, the elongation decreases significantly and the specific gravity of the alloy increases. The Cu content is more preferably 2.5 to 5.0% by mass.
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%超であれば、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。 Ni is a component that mainly improves strength and wear resistance in high temperature ranges and reduces the coefficient of thermal expansion, and if the Ni content exceeds 1.5% by mass, the effect is suitably expressed, If it is 3.5% by mass or less, good elongation can be obtained.
また、本実施の形態では、母材に用いるアルミニウム合金は、上記したSi、Cu、及びNiに加えて、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してもよい。好ましくは、アルミニウム合金の母材は、上記したSi、Cu、Niの各含有量の範囲に加えて、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、Cu、Ni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。 Furthermore, in this embodiment, in addition to the above-mentioned Si, Cu, and Ni, the aluminum alloy used for the base material contains chromium (Cr), titanium (Ti), zirconium (Zr), phosphorus (P), and iron ( It may also be an alloy containing at least one element selected from the group consisting of Fe), manganese (Mn), and magnesium (Mg), with the remainder consisting essentially of Al and inevitable impurities. Preferably, the base material of the aluminum alloy contains 0.05 to 0.15% by mass of Cr and 0.05 to 0.20% by mass of Ti in addition to the above-mentioned Si, Cu, and Ni content ranges. , 0.05-0.30% by mass of Zr, 0.10-0.31% by mass of Fe, 0.05% by mass or less of Mn, and 0.5-1.1% by mass of Mg, the balance being It consists essentially of Al and inevitable impurities. Since Si, Cu, and Ni have already been explained, the other components and their contents will be explained.
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。 Cr is a component that mainly strengthens the grain boundaries between crystal grains of intermetallic compounds, primary silicon, acicular silicon, etc. crystallized in the alloy, and improves strength in high temperature ranges. When the content is 0.05% by mass or more, grain boundaries are suitably strengthened and strength in a high temperature range is improved, and when the content is 0.15% by mass or less, good toughness and machinability can be obtained. .
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。 Ti is a component that mainly refines crystal grains and improves heat resistance, castability, and strength, and this effect is suitable if the Ti content is in the range of 0.05 to 0.20% by mass. It is expressed in The Ti content is preferably 0.05 to 0.15 wt%.
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。 Zr is a component that mainly has the effect of refining crystal grains in the alloy and contributes to improving heat resistance, castability, and strength, and the Zr content is in the range of 0.05 to 0.30% by mass. If so, the effect will be suitably expressed. The Zr content is preferably 0.05 to 0.15 wt%.
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。 Fe is a component that mainly crystallizes intermetallic compounds and improves wear resistance and strength in high temperature ranges. Note that if the size of this intermetallic compound is large, the strength will decrease. If the Fe content is in the range of 0.10 to 0.31% by mass, the size of the Fe--Mn-based intermetallic compound can be reduced.
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。 Mn is a component that mainly crystallizes intermetallic compounds and improves wear resistance and strength in high temperature ranges. Note that if the size of this intermetallic compound is large, the strength will decrease. If the Mn content is 0.05% by mass or less, the size of the Fe--Mn-based intermetallic compound can be reduced. The lower limit of the Mn content may not be contained at all, or may be contained in a very small amount comparable to an impurity, for example, 0.001% by mass.
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。 Mg is a component that mainly improves strength and toughness, and when the Mg content is 0.5% by mass or more, the effect of improving strength is expressed, and when it is 1.1% by mass or less, it has a good effect. Provides toughness.
このような高強度材と呼ばれるアルミニウム合金を母材として用いてピストン素材を製造すると、従来から使用されているアルミニウム合金を用いて製造した場合と比べて、その製造過程で粒状の粗大な初晶シリコンが多く析出してしまう。図3は、従来のアルミニウム合金(AC8A)を用いた場合のピストン母材の金属組織の光学顕微鏡写真であり、図4は、本発明で用いる高強度材のアルミニウム合金(AC8AよりもCu、Niを多く含む組成)を用いた場合のピストン母材の金属組織の光学顕微鏡写真である。図3に示すように、従来のアルミニウム合金30Aも、マトリックス31中に粒状の初晶シリコン32が析出しているものの、図4に示すように、高強度材のアルミニウム合金30Bは、これよりもマトリックス31中に析出している粒状の初晶シリコン32が顕著に大きいことがわかる。
When piston materials are manufactured using aluminum alloys, which are known as high-strength materials, as the base material, coarse granular primary crystals are produced during the manufacturing process, compared to when manufacturing piston materials using conventionally used aluminum alloys. A large amount of silicon will precipitate. FIG. 3 is an optical micrograph of the metal structure of the piston base material when a conventional aluminum alloy (AC8A) is used, and FIG. This is an optical micrograph of the metal structure of the piston base material when a piston base material (composition containing a large amount of As shown in FIG. 3, although the conventional aluminum alloy 30A also has granular
粒状の初晶シリコンが析出しているアルミニウム合金に対して、直流電解法により陽極酸化処理を行うと、処理対象の表面に対して陽極酸化皮膜を構成するセルが一方向に成長することから、シリコンにより陽極酸化皮膜の成長が阻害されて、表面の凹凸が大きい皮膜が形成されてしまう。一方、交直重畳電解法は、処理対象の表面に対してランダムな方向にセルが成長し、配向性を持たないことから、マトリックス中に析出する粒状の初晶シリコン粒子であってもランダムな方向に枝分かれした状態で内包しながら成長することから、平滑な表面の陽極酸化皮膜を得ることができる。しかしながら、高強度材の初晶シリコンの粒径は30~40μm程度と非常に大きく、交直重畳電解法を用いても、得られる陽極酸化皮膜の表面粗さRpkが1.0μmを超え、ピストンリングとの良好なシール性を維持できないという問題がある。 When an aluminum alloy on which granular primary crystal silicon is precipitated is anodized by direct current electrolysis, the cells that make up the anodic oxide film grow in one direction on the surface of the treatment target. This inhibits the growth of the anodic oxide film, resulting in the formation of a film with large surface irregularities. On the other hand, in the AC/DC superimposition electrolysis method, cells grow in random directions with respect to the surface of the treatment target and have no orientation, so even granular primary silicon particles precipitated in the matrix are grown in random directions. Since it grows in a branched state and encapsulates it, it is possible to obtain an anodic oxide film with a smooth surface. However, the grain size of the primary crystal silicon used in high-strength materials is extremely large, approximately 30 to 40 μm, and even if AC/DC superposition electrolysis is used, the surface roughness Rpk of the resulting anodic oxide film exceeds 1.0 μm, resulting in piston ring There is a problem in that it is not possible to maintain good sealing performance with.
このような問題を解決するため、本実施の形態の内燃機関用ピストンの製造方法40では、図5に示すように、ピストン本体を鋳造する工程41と、鋳造したピストン本体を熱処理する工程42と、熱処理したピストン本体を機械加工する工程43と、ピストン本体のトップリング溝の内面にウォータージェット処理を行う工程44と、トップリング溝の内面に陽極酸化処理を行う工程45と、ピストンのスカート部に樹脂コートを被膜する樹脂コート処理を行う工程46とを順次行う。各工程について、以下に説明する。
In order to solve such problems, a
上記の鋳造、熱処理、機械加工の各工程41、42、43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。例えば、鋳造工程41は、ピストン形状に空洞を有した金型に、溶融させた高強度材(アルミ溶湯)を流し込んで鋳造を行う重力鋳造法などが一般的である。熱処理工程42としては、例えば、T5処理、T6処理などがあり、T5処理は、鋳造後、人工時効硬化処理のみ行うもの(強度増大、寸法の安定化等が目的)、T6処理は、鋳造後、溶体化処理、人工時効硬化処理(強度・硬さの増大等が目的)を行うものである。機械加工工程43では、例えば、切削によってトップリング溝などのリング溝が作製される。トップリング溝の幅および深さは、一般的な内燃機関用ピストンのトップリング溝の寸法と同様である。
The casting, heat treatment, and machining
ウォータージェット処理工程44は、機械加工工程43で作製されたトップリング溝の内面には、陽極酸化皮膜の成膜に強い影響を及ぼす粗大なシリコン粒子が露出していることから、これを除去することを目的とするものである。例えば、図6に示すように、ウォータージェット処理装置50の保持部材55に、ピストン本体10Aのトップランド12をチャック54で把持させて、ピストン本体10Aをその軸を中心に回転させながら、噴射ノズル51からトップリング溝13に対して水52を噴射させる。このようにトップリング溝13に隣接するトップランド12を保持することで、トップリング溝13がウォータージェット処理によって高圧負荷を受けた状態でも、ピストン本体10Aを良好に保持することができる。
The water
なお、露出したシリコンを除去する方法として、混酸で表面処理する方法や、レーザ照射も考えられるが、混酸処理では、条件によってはシリコンの溶解と共にアルミニウム素地も溶解してトップリング溝等の形状が変形するおそれがある。レーザ照射は、レーザ照射を受けたアルミニウム合金の成膜速度が顕著に遅くなるなど、その後の陽極酸化処理に影響を及ぼし、また、エネルギーの消費量が大きく、設備コストも高い。これに対し、ウォータージェット処理によれば、トップリング溝等の形状変化を抑制でき、また、その後の陽極酸化工程に影響を及ぼさず、低エネルギー、低設備コストで、露出したシリコンを除去することができる。更には、ウォータージェット処理を行うことで、陽極酸化処理の前に必要な脱脂を不要にすることもできる。 In addition, surface treatment with a mixed acid or laser irradiation may be considered as a method for removing exposed silicon, but depending on the conditions, mixed acid treatment may dissolve the silicon and the aluminum base, resulting in the shape of the top ring groove etc. There is a risk of deformation. Laser irradiation affects the subsequent anodic oxidation treatment, such as significantly slowing down the film formation rate of the aluminum alloy that has been irradiated with the laser, and also consumes a large amount of energy and increases equipment costs. On the other hand, water jet treatment can suppress changes in the shape of top ring grooves, etc., and can remove exposed silicon with low energy and equipment costs without affecting the subsequent anodizing process. I can do it. Furthermore, by performing water jet treatment, it is also possible to eliminate the need for degreasing, which is necessary before anodizing treatment.
ウォータージェット処理では、トップリング溝13に対して、ピストン本体10Aの中心軸に対して垂直方向から水を噴射させてもよいが、水が直接吹き付けられるのは主にトップリング溝13の底面となり、噴射方向と平行の位置関係にあるトップリング溝13の上面や下面には、ほとんど直接吹き付けられない。そこで、例えば、図7に示すように、噴射ノズル51aの水52aの噴射方向A1を、トップリング溝13の下面13cの平行面Xに対してスカート部側の方向Yに傾斜させることが好ましい。これにより、トップリング溝13の内面のうち、トップリング22が接する領域である下面13cに、噴射ノズル51aから水52aが直接吹き付けられることから、陽極酸化皮膜の成膜に影響を及ぼすシリコンを効率的に除去することができる。
In the water jet treatment, water may be sprayed onto the
下面13cの平行面Xに対する噴射ノズル51aの水52aの噴射方向A1の傾斜角度αは、0°超から90°未満の範囲で適宜設定できるが、トップリング溝13の幅(図7における底面13bの長さ)をa、トップリング溝13の深さ(図7における下面13cの長さ)をbとした時に、以下の関係式となる角度とすることが好ましい。
The inclination angle α of the injection direction A1 of the
上記の関係式が成立している時、トップリング溝13の下面13c全体に噴射ノズル51aから水52aが直接吹き付けられ、シリコンを効率的に除去できる。具体例として、トップリング溝の幅が1mm、深さが3mmの場合、上記の関係式はtanα≦1/3となる。つまり、傾斜角度αは、0°より大きく18°以下となる。
When the above relational expression is established, the
なお、トップリング溝13の下面13cをウォータージェット処理する場合について説明してきたが、トップリング溝13の上面13aもトップリング22が接する領域であることから、図7に示すように、上記とは反対方向に噴射ノズル51bの水52bの噴射方向を傾斜させることで、上面13aに噴射ノズル51bから水52bを直接吹き付けることができる。この場合の傾斜角度αは、噴射ノズル51bの水52bの噴射方向を、トップリング溝13の上面13aの平行面に対してピストン冠面11側の方向に傾斜させる角度である。また、上記の関係式は、上面13aの場合も同様に成立し、上面13a全体に噴射ノズル51bから水52bを直接吹き付けることができる。
Although we have described the case where the
なお、このようにウォータージェット処理でトップリング溝13の上面13aまたは下面13cに直接吹き付けられた水は、ウォータージェット処理の噴射圧力や、噴射ノズル51からトップリング溝13までの距離(吹き付け距離)によるものの、反射して他の内面に露出しているシリコンも除去することができる。また、このように吹き付けられた水は反射することから、噴射ノズル51の水52の噴射方向をトップリング溝13の上面13aまたは下面13cに対して平行な方向とした場合でも、トップリング溝13の底面13bに直接吹き付けられた水が反射して、上面13a及び下面13cの表面に露出しているシリコンを除去することは可能である。
In addition, the water sprayed directly onto the
また、ウォータージェット処理工程44では、上記の傾斜角度αの傾斜に加えて、図8に示すように、噴射ノズル51eの水52eの噴射方向A2を、ピストン本体10Aの半径方向Rに対して、保持部材(図示省略)によるピストン本体10Aの回転方向に対向する向きにずらすことが好ましい。これにより、トップリング溝13の上面13aまたは下面13cに水を直接吹き付けることができるとともに、同一の噴射圧力でピストン本体10Aの半径方向Rに噴射ノズル51dから水52dを噴射した場合と比べて、ピストン本体10Aの回転により上面13aまたは下面13cへの噴射圧力が増して、シリコンの除去効果を高めることができる。
In the water
ピストン本体10Aの半径方向Rに対する噴射ノズル51eの水52eの噴射方向A2の方向ずれ角度βは、0°超から90°未満の範囲で適宜設定できるが、特に図9に示すように、噴射ノズルの水52fの噴射方向が、略円筒形状のピストン本体10Aの外周の接線方向T(すなわち、半径方向R2に対して垂直方向)となる角度とすることが好ましい。
The direction deviation angle β of the injection direction A2 of the
これについて説明すると、先ず、図9に示すように、円筒形状の噴射ノズルから上記の傾斜角度αで水52d、52e、52fを噴霧すると、ピストン本体10Aのトップリング溝の下面13cにおけるウォータージェット処理の施工面53d、53e、53fは楕円形状になる。この施工面における圧力は、楕円形状の中心が最も強く、外周に向って徐々に弱くなっていくため、下面13cのトップリングが接する領域に露出しているシリコンを確実に除去するためには、この楕円形状の施工面53d、53e、53fの中心を、下面13cのトップリングが接する領域の端から端へと移るように噴射ノズルを移動させることが好ましい。よって、噴射ノズルの水52dの噴霧方向をピストン本体10Aの半径方向R1とした場合、楕円形状の施工面53dの中心を下面13cの外縁付近に移動させると、施工面53dの半分近くの面積がウォータージェット処理の不要なセカンドランドに当たってしまう。これに対し、噴射ノズルの水52fの噴射方向A2を上記の接線方向Tとした場合、楕円形の施工面53fの中心を下面13cの外縁付近に移動させても、施工面53fのほぼ全ての面積が下面13cに当たる。よって、効率的にウォータージェット処理を行うことができる。
To explain this, first, as shown in FIG. 9, when the
噴射ノズルの水の噴霧方向A2の方向ずれ角度βの好ましい範囲は、吹き付け距離によるものの、例えば、ピストン本体10Aの外周の接線方向Tとなる角度から、±10°とすること好ましく、±5°とすることがより好ましい。
The preferable range of the deviation angle β of the water spray direction A2 of the injection nozzle depends on the spraying distance, but for example, it is preferably ±10° from the angle that is the tangential direction T of the outer circumference of the
なお、トップリング溝13の下面13cを処理する場合について説明してきたが、上面13aを処理する際も同様に噴射ノズルの水の噴射方向をピストン本体10Aの回転方向に対向する向きに、方向ずれ角度βずらすことで同様の効果を得ることができる。また、ウォータージェット処理は、トップリング溝13の内面に限らず、必要により、セカンドリング溝15の内面、オイルリング溝17の内面、スカート部18の表面に対して行ってもよい。
Although the case of treating the
ウォータージェット処理の条件は、トップリング溝13の内面に露出するシリコンの除去状態を確認して決定することが望ましい。例えば、噴射圧力は50~200MPa、吹き付け距離は10~50mm、ピストン本体の回転数は500~2000rpm、噴射ノズルの移動速度は10~200mm/minの範囲とすることが好ましい。また、ノズル径については、例えば、0.1~2.0mmの範囲が好ましいが、トップリング溝13の幅を考慮して設定することが望ましい。噴射ノズルからの超高圧の水がトップリング溝13内に効率よく吹き付けられるように、ノズル径は溝の幅以下(溝の幅が1mmであればノズル径は1mm以下)とすることが好ましく、噴射ノズルからトップリング溝までの間に、噴射された水は完全に直線状ではなく扇状に若干広がることも考慮すると、ノズル径は溝の幅の半分以下(溝の幅が1mmであればノズル径は0.5mm以下)とすることがより好ましい。
It is desirable to determine the conditions for the water jet treatment by checking the state of removal of silicon exposed on the inner surface of the
陽極酸化処理工程45は、硫酸、リン酸、シュウ酸などの汎用的に使用されている電解液に、アルミニウム合金製のピストン本体10Aを浸漬し、ピストン本体10Aを陽極、チタンやカーボンなどの電極板を陰極として電気を流すことで、ピストン本体10Aの表面を酸化させて陽極酸化皮膜を形成する工程である。電解方法としては、直流電解法、交流電解法、交直重畳電解法などのいずれの電解方法を用いてもよいが、より平滑な陽極酸化皮膜を得ることができ、また成膜速度が速く、製造効率を高めることができるため、交直重畳電解法で処理することが好ましい。
In the
図10に、本実施の形態であるウォータージェット処理工程44を行った後に陽極酸化処理工程45を行う場合のトップリング溝の内面の状態の変化を示す。図10(a)に示すように、ウォータージェット処理工程44前のトップリング溝の下面13cは母材の高強度材30Bであり、マトリックス31中の粒状の初晶シリコン32などのシリコン粒子が下面13cに露出した状態である。このような状態の下面13cにウォータージェット処理工程44を施すと、図10(b)に示すように、露出したシリコンが除去され、窪み部34が多数された下面13cの状態になる。この状態の下面13cに陽極酸化処理工程45を施すと、下面13cに陽極酸化皮膜の成膜に影響を及ぼすシリコンが除去されていることから、図10(c)に示すように、下面13cには表面が平滑な陽極酸化皮膜35aが形成される。
FIG. 10 shows changes in the state of the inner surface of the top ring groove when the
これに対し、図11に、比較例としてウォータージェット処理工程44を行わずに陽極酸化処理工程45を行った場合のトップリング溝の内面の状態の変化を示す。図11(a)に示すように、陽極酸化処理工程45を施す前のトップリング溝の下面13cにはマトリックス31中に析出した粒状の初晶シリコン32などのシリコン粒子が露出している。この状態の下面13cに陽極酸化処理工程45を施すと、下面13cに露出している粒状の初晶シリコン32などのシリコン粒子によってアルミニウムの酸化および皮膜の成長が阻害され、特に粗大な初晶シリコン32のある箇所では皮膜表面に凹部が発生することから、下面13cには表面粗さの大きい陽極酸化皮膜35bが形成される。
On the other hand, FIG. 11 shows a change in the state of the inner surface of the top ring groove when the
従来のアルミニウム合金組成であれば、上述したように交直重畳電解法による陽極酸化処理によって、粒状の初晶シリコンが露出していても平滑な表面の陽極酸化皮膜を得ることが可能であるが、高強度材のようなアルミニウム合金組成では従来よりも粗大な初晶シリコンが析出するため、交直重畳電解法であっても充分な平滑性を得ることはできない。本実施の形態では、粗大な初晶シリコンが処理対象面に露出していても、図10に示すようにウォータージェット処理工程44でシリコンを除去するため、表面が平滑な陽極酸化皮膜を形成することができる。
With a conventional aluminum alloy composition, it is possible to obtain an anodic oxide film with a smooth surface even if granular primary silicon is exposed by anodizing treatment using the AC/DC superposition electrolysis method as described above. In the case of aluminum alloy compositions such as high-strength materials, coarser primary crystal silicon is precipitated than before, and therefore sufficient smoothness cannot be obtained even with the AC/DC superposition electrolysis method. In this embodiment, even if coarse primary silicon is exposed on the surface to be treated, the silicon is removed in the water
樹脂コート処理工程46は、ピストン本体10Aのスカート部18の外表面に、樹脂コートを成膜する任意の工程である。例えば、スプレー法やスクリーン印刷法などによって、スカート部18の外表面に樹脂コート薬剤を塗布し、焼成を行うことで、樹脂コートを成膜することができる。樹脂コート薬剤としては、内燃機関用ピストンのスカート部18に用いられている公知の薬剤を用いることができ、例えば、近年、樹脂コートの耐摩耗性とフリクション低減を両立することを目的に開発された樹脂コート薬剤(ベース樹脂を従来広く用いられてきたポリアミドイミドから変更したものや、微小硬質粒子を添加したものなど)を使用してもよい。なお、樹脂コートがなくても耐焼付き性、フリクション低減を両立できる場合は、樹脂コート処理工程46を行わなくてもよい。
The resin
このように本実施の形態の内燃機関用ピストンの製造方法40によれば、ピストンリング溝13の内面に形成された陽極酸化皮膜35aは、ピストン本体10Aが高強度材のアルミニウム合金を母材とするものであっても、例えば、表面粗さRpkが1.0μm以下、又は表面粗さRa及び表面粗さRpkがともに1.0μm以下のような平滑な表面とすることができる。なお、表面粗さRaは、JIS B0601-2001に準拠し、輪郭曲線の算術平均粗さの特性に関する指標である。表面粗さRpkは、JIS B0671-2000に準拠し、粗さ曲線のコア部の上にある突出山部の平均高さの特性に関する指標であり、陽極酸化皮膜の気密性を評価することができる。このような表面粗さの陽極酸化皮膜を形成することで、ピストンリングとのシール性が向上し、ブローバイガスの低減や燃費を向上させることができる。また、オイル上りに起因する環境規制対象物質であるPMおよびその数であるPNを抑制することができる。
As described above, according to the
なお、本発明に係る内燃機関用ピストンの製造方法は、上記の実施形態に限定されず、工程を入れ替えたり、工程を省いたり、その他の工程を含むことができる。例えば、機械加工工程43の後に、樹脂コート処理工程46、ウォータージェット処理工程45、陽極酸化処理工程46の順に行ってもよいし、又は、ウォータージェット処理工程45をリング溝の他にスカート部まで行い、その後、樹脂コート処理工程46、陽極酸化処理工程45の順に行ってもよい。また、上述したように、樹脂コート処理工程46を省略してもよい。
Note that the method for manufacturing a piston for an internal combustion engine according to the present invention is not limited to the above-described embodiments, and may include replacing steps, omitting steps, or including other steps. For example, after the
ウォータージェット処理によるシリコンの除去効果を確認するために、ピストンリング溝を模擬して、ピストン本体のスカート部にウォータージェット処理を行った。ピストン本体は、表1に示す組成を有するAl-Si-Cu-Ni系のアルミニウム合金(以下、高強度材ともいう)を母材として作製した。 In order to confirm the silicon removal effect of water jet treatment, water jet treatment was applied to the skirt portion of the piston body, simulating the piston ring groove. The piston body was manufactured using an Al-Si-Cu-Ni-based aluminum alloy (hereinafter also referred to as high-strength material) having the composition shown in Table 1 as a base material.
そして、ピストン本体のスカート部に対して、噴射圧力160MPaにてウォータージェット処理を行い、処理を施した表面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察(300倍)するととも、エネルギー分散型X線分光装置(EDS)によるシリコン分布の分析を行った(実施例1)。なお、これらを評価するために、ウォータージェット処理前のスカート部についても同様の観察および分析を行った(比較例1)。観察結果であるSEM写真を図12、図13に示す。 Then, water jet treatment was applied to the skirt portion of the piston body at an injection pressure of 160 MPa, and the treated surface was observed using a scanning electron microscope (SEM) (300x magnification) and energy dispersive X-ray spectroscopy. Silicon distribution was analyzed using a device (EDS) (Example 1). In addition, in order to evaluate these, similar observation and analysis were performed on the skirt portion before the water jet treatment (Comparative Example 1). SEM photographs showing the observation results are shown in FIGS. 12 and 13.
図12は、比較例1のウォータージェット処理前の高強度材の表面を示すSEM写真であり、平らな表面であり、特に凹凸は確認できなかった。これに対し、図13は、実施例1のウォータージェット処理後の高強度材の表面であり、多数の窪み部が形成されていることが確認された。これらは、ウォータージェット処理によってシリコンが塊で除去された箇所であると考えられる。EDSの分析結果では、比較例1の平滑な表面には数十μmの大きさのシリコンの塊が検出されており、この箇所が初晶シリコンである。一方、実施例1のEDSの分析結果では、SEM写真で確認された窪み部の奥に相当する箇所でシリコンが検出された。このことから、窪み部の奥には、初晶シリコンの一部は残存しているものの、表面部分は除去されたと推測される。よって、ウォータージェット処理の条件(特に噴射ノズルの水の噴射方向、噴射圧力、ノズル径など)により、シリコンの除去量をコントロールできることが示唆された。 FIG. 12 is a SEM photograph showing the surface of the high-strength material before water jet treatment of Comparative Example 1, and the surface was flat, with no particular irregularities observed. On the other hand, FIG. 13 shows the surface of the high-strength material after the water jet treatment of Example 1, and it was confirmed that many depressions were formed. These are considered to be locations where silicon was removed in chunks by water jet treatment. According to the EDS analysis results, a lump of silicon with a size of several tens of μm was detected on the smooth surface of Comparative Example 1, and this location is primary silicon. On the other hand, in the EDS analysis results of Example 1, silicon was detected at a location corresponding to the depth of the depression confirmed in the SEM photograph. From this, it is presumed that although some primary silicon remains in the depths of the recess, the surface portion has been removed. Therefore, it has been suggested that the amount of silicon removed can be controlled by adjusting the water jet treatment conditions (particularly the water jet direction, jet pressure, nozzle diameter, etc.) of the jet nozzle.
次に、ウォータージェット処理後に形成した陽極酸化皮膜の平滑性を確認する試験を行った。先ず、上記と同様のピストン本体について、機械加工によってトップリング溝(溝の幅:1mm、溝の深さ:3mm)を作製し、トップリング溝の内面にウォータージェット処理を行った。ウォータージェット処理の条件は、噴射圧力を160MPa、ノズル径を0.25mm(溝の幅に対して1/4のノズル径)とした。そして、トップリング溝の内面に陽極酸化処理を実施した。陽極酸化処理の条件は、18vol%の硫酸を電解液として用い、陰極板にチタン系材料、陽極にピストン本体を取り付けた。電解方法は交直重畳電解法とし、プラス電圧が65V、マイナス電圧が-2V、周波数が12kHzで設定した定電圧電解で40秒間、陽極酸化処理を行った(実施例2)。 Next, a test was conducted to confirm the smoothness of the anodic oxide film formed after the water jet treatment. First, a top ring groove (groove width: 1 mm, groove depth: 3 mm) was created by machining on the same piston body as above, and a water jet treatment was performed on the inner surface of the top ring groove. The conditions for the water jet treatment were a jetting pressure of 160 MPa and a nozzle diameter of 0.25 mm (a nozzle diameter that is 1/4 of the width of the groove). Then, the inner surface of the top ring groove was anodized. The conditions for the anodizing treatment were as follows: 18 vol % sulfuric acid was used as the electrolytic solution, a titanium-based material was attached to the cathode plate, and a piston body was attached to the anode. The electrolysis method was an AC/DC superposition electrolysis method, and anodization was performed for 40 seconds using constant voltage electrolysis with a positive voltage of 65 V, a negative voltage of -2 V, and a frequency of 12 kHz (Example 2).
実施例2により成膜された陽極酸化皮膜の断面膜厚、表面粗さRa、及び表面粗さRpkを測定した。なお、断面膜厚は、ピストンの内燃機関のフロント側とリア側の2方向で、トップリング溝の下面の断面を光学顕微鏡で観察(400倍)し、30μm間隔で各10点測定し、その20点の平均値とした。 The cross-sectional film thickness, surface roughness Ra, and surface roughness Rpk of the anodic oxide film formed in Example 2 were measured. The cross-sectional film thickness was determined by observing the cross-section of the bottom surface of the top ring groove with an optical microscope (400x magnification) in two directions, the front side and the rear side of the internal combustion engine. The average value of 20 points was used.
比較のため、ウォータージェット処理をしなかった点を除いて実施例2と同様にして陽極酸化処理を行った(比較例2)。そして、比較例2により成膜された陽極酸化皮膜の断面膜厚、表面粗さRa、及び表面粗さRpkを実施例2と同様に測定した。実施例2および比較例2の断面膜厚、表面粗さRa、及び表面粗さRpkの測定結果を表2に示す。なお、参考例として、市販されている他社製のピストンリング溝に形成された陽極酸化皮膜について同様に測定し、その結果を表2に示す。また、測定時に撮影したトップリング溝の下面の断面の光学顕微鏡写真を図14、図15に示す。 For comparison, anodization treatment was performed in the same manner as in Example 2 except that water jet treatment was not performed (Comparative Example 2). Then, the cross-sectional film thickness, surface roughness Ra, and surface roughness Rpk of the anodic oxide film formed in Comparative Example 2 were measured in the same manner as in Example 2. Table 2 shows the measurement results of the cross-sectional film thickness, surface roughness Ra, and surface roughness Rpk of Example 2 and Comparative Example 2. As a reference example, a commercially available anodized film formed on a piston ring groove made by another company was similarly measured, and the results are shown in Table 2. Further, optical micrographs of the cross section of the bottom surface of the top ring groove taken during the measurement are shown in FIGS. 14 and 15.
表2に示すように、比較例2と実施例2とでは陽極酸化皮膜の膜厚は同等であった。比較例2では、表面粗さRaが1.5μm、表面粗さRpkが1.8μmであったのに対し、実施例2では、表面粗さRaが1.2μm、表面粗さRpkが0.4μmであった。これは、ウォータージェット処理によって予め初晶シリコンの一部を除去しておいた結果、陽極酸化皮膜の表面がより突出部の少ない平滑な状態になったことを示している。また、参考例として、他社製のピストンのトップリング溝に形成された陽極酸化皮膜について同様に断面膜厚、表面粗さRa、及び表面粗さRpkを測定した。その結果を表2に示している。なお、断面膜厚は測定方法が異なるため括弧書きで示した。直流電解法で形成されたであろうこの陽極酸化皮膜の表面粗さRaは2.1μmで、表面粗さRpkは2.2μmであった。ウォータージェット処理後に交直重畳電解法で作製した実施例2の陽極酸化皮膜が大幅に平滑な表面になったことがわかる。 As shown in Table 2, the thicknesses of the anodic oxide films in Comparative Example 2 and Example 2 were the same. In Comparative Example 2, the surface roughness Ra was 1.5 μm and the surface roughness Rpk was 1.8 μm, whereas in Example 2, the surface roughness Ra was 1.2 μm and the surface roughness Rpk was 0. It was 4 μm. This indicates that as a result of previously removing a portion of the primary silicon by water jet treatment, the surface of the anodic oxide film became smooth with fewer protrusions. Further, as a reference example, the cross-sectional film thickness, surface roughness Ra, and surface roughness Rpk were similarly measured for an anodized film formed on the top ring groove of a piston manufactured by another company. The results are shown in Table 2. Note that the cross-sectional film thickness is shown in parentheses because the measurement method is different. The surface roughness Ra of this anodic oxide film, which would have been formed by direct current electrolysis, was 2.1 μm, and the surface roughness Rpk was 2.2 μm. It can be seen that the anodic oxide film of Example 2, which was produced by the AC/DC superposition electrolysis method after the water jet treatment, had a significantly smoother surface.
このことは比較例2と実施例2の断面写真からもわかる。図14が比較例2の断面写真であり、図15が実施例2の断面写真である。なお、陽極酸化皮膜35a、35bの上に見えるのは、光学顕微鏡で観察するために使用した埋込樹脂36であり、その境界を点線で示している。図14に示すように、比較例2では、高強度材のマトリックス31中の一部の初晶シリコン32の上では陽極酸化皮膜35bがほとんど成長しておらず、それにより表面に凹凸が発生している様相であった。これに対し、図15に示すように、実施例2の陽極酸化皮膜35aは表面が比較例2より平滑であった。
This can also be seen from the cross-sectional photographs of Comparative Example 2 and Example 2. FIG. 14 is a cross-sectional photograph of Comparative Example 2, and FIG. 15 is a cross-sectional photograph of Example 2. Note that what is visible on the
また、図15では、高強度材のマトリックス31の陽極酸化皮膜35aとの界面にはウォータージェット処理によってシリコンが塊で除去されたと推測される窪み部34があり、その場所には陽極酸化皮膜が成長している様相が確認できた。これは、ウォータージェット処理によって初晶シリコンの表面部分が除去されて、シリコンとアルミニウムの間に隙間ができたところに、陽極酸化処理によってその隙間に電解液が染み込み、周囲のアルミニウムが陽極酸化される際に、交直重畳電解法ではシリコンを回り込むような形で陽極酸化皮膜を構成するセルが成長することにより発現した特徴部と推測される。
In addition, in FIG. 15, there is a
なお、実施例1、2では、ウォータージェット処理の噴射ノズルの水の噴射方向を、ピストン本体の中心軸に対して垂直方向、すなわちトップリング溝の下面に対して平行方向としたが、上述した平行方向に対して傾斜角度αをつけたり、更にピストン本体の半径方向に対して方向ずれ角度βをつけて水を噴射させることで、初晶シリコンをより多く除去することが可能であり、より平滑な、例えば、表面粗さRaと表面粗さRpkがともに1.0μm以下の陽極酸化皮膜を得ることができると考えられる。 In Examples 1 and 2, the water jet direction of the water jet treatment jet nozzle was perpendicular to the central axis of the piston body, that is, parallel to the lower surface of the top ring groove. By jetting water at an inclination angle α to the parallel direction, or at a misdirection angle β to the radial direction of the piston body, it is possible to remove more primary silicon, resulting in a smoother surface. For example, it is possible to obtain an anodic oxide film in which both the surface roughness Ra and the surface roughness Rpk are 1.0 μm or less.
10 内燃機関用ピストン
10A ピストン本体
13 トップリング溝
20 シリンダブロック
22 トップリング
30A 従来のアルミニウム合金
30B 高強度材のアルミニウム合金
31 マトリックス
32 初晶シリコン
34 窪み部
35a、35b 陽極酸化皮膜
40 内燃機関用ピストンの製造方法
50 ウォータージェット処理装置
51 噴射ノズル
52 水
53 施工面
54 チャック
55 保持部材
10 Piston for
Claims (5)
5.0~20.0質量%のSi、1.3質量%を超えて5.0質量%以下のCu、及び1.5質量%を超えて3.5質量%以下のNiを含有するアルミニウム合金を母材とし、外周面にトップリング溝を有する内燃機関用ピストン本体について、前記トップリング溝とピストン冠面との間の外周面の部分を保持部材で保持した状態で、前記内燃機関用ピストン本体をその軸を中心に回転させながら、前記トップリング溝の内面の少なくともトップリングが接する領域をウォータージェット処理して、前記領域に露出するシリコンを除去する工程と、
少なくとも前記ウォータージェット処理をした領域に陽極酸化皮膜を形成する工程と
を含む、内燃機関用ピストンの製造方法。 A method for manufacturing a piston for an internal combustion engine, the method comprising:
Aluminum containing 5.0 to 20.0 mass% Si, more than 1.3 mass% to 5.0 mass% Cu, and more than 1.5 mass% to 3.5 mass% Ni Regarding a piston body for an internal combustion engine that has an alloy as a base material and has a top ring groove on the outer circumferential surface, the piston body for the internal combustion engine is prepared with a holding member holding a portion of the outer circumferential surface between the top ring groove and the crown surface of the piston. While rotating the piston body around its axis, at least a region of the inner surface of the top ring groove in contact with the top ring is subjected to a water jet treatment to remove silicon exposed in the region;
A method for manufacturing a piston for an internal combustion engine, comprising the step of forming an anodized film on at least the area subjected to the water jet treatment.
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