JP3113643B2 - 磨耗及びスカッフィングに耐性を持つアルミニウム製ピストン及びアルミニウム製ボアを備えたエンジン - Google Patents
磨耗及びスカッフィングに耐性を持つアルミニウム製ピストン及びアルミニウム製ボアを備えたエンジンInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウム製シ
リンダーボアと、磨耗及びスカッフィング（scuffing）
に耐性を有するアルミニウム製ピストンとを備えたレシ
プロエンジン（reciprocating engine）に関する。
リンダーボアと、磨耗及びスカッフィング（scuffing）
に耐性を有するアルミニウム製ピストンとを備えたレシ
プロエンジン（reciprocating engine）に関する。
【０００２】
【従来技術】例えばＡｌ−Ｓｉ（アルミニウムとシリコ
ンの）合金などのアルミニウム合金からレシプロエンジ
ンのブロックを製作することが知られている。以前に
は、共晶（eutectic）及び亜共晶(hypoeutectic)のアル
ミニウムとシリコンの合金からなるエンジンブロック
は、アルミニウムとシリコンの合金のピストンを用いる
鉄製シリンダーライナーから作られていた。しかしなが
ら、鉄製ライナーは、エンジンに重量を付加しコストが
かかる上、望ましくないことに、アルミニウム製ブロッ
ク及びピストンとは異なる熱膨張率を有する。その代わ
りに、１人のエンジン製造者が、酸化アルミニウム繊維
及びシリコン炭化物粒子からなる予め形成された多孔性
のライナーを型の中に設置し、この予め形成されたライ
ナーを侵入させてシリンダー壁を形成するようにその回
りに亜共晶のアルミニウムとシリコンの合金の鋳物を押
し込めることによってエンジンブロックを製作してい
た。このエンジンは、スカッフィングを避けるため鉄製
プレートのピストンで駆動される。最終的には、ブロッ
クは、亜共晶のアルミニウムとシリコンの合金（例えば
３９０合金）から鋳造され、シリンダー壁の表面には硬
質シリコンが露出するようにアルミニウム地がエッチン
グされている。これらの亜共晶のアルミニウム製ボアか
らなるエンジンは、鉄、クロム、ニッケル、ＭｏＳ2若
しくはグラファイトを含むワニス、或いは、エポキシ樹
脂マトリックス（メイズ（Meise）に付与された特許第
4,395,442号を見よ）中の酸化セラミック粒子で被覆さ
れたアルミニウム製ピストンで駆動される。そしてスカ
ート（skirt）部とシリンダー壁との間の摺動摩擦を減
少させるため滑らかなフィルムで被覆されたピストンに
対しては、ラオ（Rao）に付与された特許第５，３１
３，９１９号及びその他、同じくラオに付与された特許
第５，２３９，９５５号、プレスウッド（Presswood）
に付与された特許第４，８３１，９７７号、ハルデマン
（Haldeman）に付与された特許第３，８９０，９５０
号、及びフレミングに付与された特許第２，８１７，５
６２号及びその他もまた見なさい。それらの滑らかなフ
ィルムの中には、耐熱性ポリマーマトリックスに運ばれ
る固体潤滑粒子を含むものがあり、これらは「固体フィ
ルム減摩剤（solid film lubricants）」若しくは「複
合ポリマーコーティング（composite polymer coating
s）」として知られている。過共晶合金よりむしろ共晶
又は亜共晶のアルミニウムとシリコンの合金からエンジ
ンブロックを製作するのが望ましい。共晶又は亜共晶の
合金は、より安価で良好な鋳造性能及び機械加工性能を
具備しているからである。更に、重量及びコストを削減
し、並びに、熱変換性能を改善するためには、以前から
共晶又は亜共晶の合金ブロックと共に使用されていた鉄
製ライナー及びＡｌ2Ｏ3−ＳｉＣの粗作り製品を排除す
るのが望ましい。しかしながら、アルミニウム製シリン
ダー壁に対してアルミニウム製ピストンを駆動すること
は、シリンダー壁及びピストンのスカート部が大きく擦
り切れる結果となる（即ち、潤滑油が切れた状態で一緒
に摺動する２つの部品間の粘着性磨耗）。このようなス
カッフィングに対する優れた耐性は、共晶及び亜共晶の
ブロックと、ピストンスカート部を固体フィルム潤滑油
で被覆されたアルミニウム製ピストンと、の間で得られ
る。しかしながら、本応用におけるそのような被覆の磨
耗耐性及び耐久性は、長寿命のエンジンに対しては不適
切である。
ンの）合金などのアルミニウム合金からレシプロエンジ
ンのブロックを製作することが知られている。以前に
は、共晶（eutectic）及び亜共晶(hypoeutectic)のアル
ミニウムとシリコンの合金からなるエンジンブロック
は、アルミニウムとシリコンの合金のピストンを用いる
鉄製シリンダーライナーから作られていた。しかしなが
ら、鉄製ライナーは、エンジンに重量を付加しコストが
かかる上、望ましくないことに、アルミニウム製ブロッ
ク及びピストンとは異なる熱膨張率を有する。その代わ
りに、１人のエンジン製造者が、酸化アルミニウム繊維
及びシリコン炭化物粒子からなる予め形成された多孔性
のライナーを型の中に設置し、この予め形成されたライ
ナーを侵入させてシリンダー壁を形成するようにその回
りに亜共晶のアルミニウムとシリコンの合金の鋳物を押
し込めることによってエンジンブロックを製作してい
た。このエンジンは、スカッフィングを避けるため鉄製
プレートのピストンで駆動される。最終的には、ブロッ
クは、亜共晶のアルミニウムとシリコンの合金（例えば
３９０合金）から鋳造され、シリンダー壁の表面には硬
質シリコンが露出するようにアルミニウム地がエッチン
グされている。これらの亜共晶のアルミニウム製ボアか
らなるエンジンは、鉄、クロム、ニッケル、ＭｏＳ2若
しくはグラファイトを含むワニス、或いは、エポキシ樹
脂マトリックス（メイズ（Meise）に付与された特許第
4,395,442号を見よ）中の酸化セラミック粒子で被覆さ
れたアルミニウム製ピストンで駆動される。そしてスカ
ート（skirt）部とシリンダー壁との間の摺動摩擦を減
少させるため滑らかなフィルムで被覆されたピストンに
対しては、ラオ（Rao）に付与された特許第５，３１
３，９１９号及びその他、同じくラオに付与された特許
第５，２３９，９５５号、プレスウッド（Presswood）
に付与された特許第４，８３１，９７７号、ハルデマン
（Haldeman）に付与された特許第３，８９０，９５０
号、及びフレミングに付与された特許第２，８１７，５
６２号及びその他もまた見なさい。それらの滑らかなフ
ィルムの中には、耐熱性ポリマーマトリックスに運ばれ
る固体潤滑粒子を含むものがあり、これらは「固体フィ
ルム減摩剤（solid film lubricants）」若しくは「複
合ポリマーコーティング（composite polymer coating
s）」として知られている。過共晶合金よりむしろ共晶
又は亜共晶のアルミニウムとシリコンの合金からエンジ
ンブロックを製作するのが望ましい。共晶又は亜共晶の
合金は、より安価で良好な鋳造性能及び機械加工性能を
具備しているからである。更に、重量及びコストを削減
し、並びに、熱変換性能を改善するためには、以前から
共晶又は亜共晶の合金ブロックと共に使用されていた鉄
製ライナー及びＡｌ2Ｏ3−ＳｉＣの粗作り製品を排除す
るのが望ましい。しかしながら、アルミニウム製シリン
ダー壁に対してアルミニウム製ピストンを駆動すること
は、シリンダー壁及びピストンのスカート部が大きく擦
り切れる結果となる（即ち、潤滑油が切れた状態で一緒
に摺動する２つの部品間の粘着性磨耗）。このようなス
カッフィングに対する優れた耐性は、共晶及び亜共晶の
ブロックと、ピストンスカート部を固体フィルム潤滑油
で被覆されたアルミニウム製ピストンと、の間で得られ
る。しかしながら、本応用におけるそのような被覆の磨
耗耐性及び耐久性は、長寿命のエンジンに対しては不適
切である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、ピストンに
適用される複合ポリマーコーティングの磨耗耐性を増加
させることによって、シリンダー壁が亜共晶、共晶、或
いは過共晶のアルミニウムとシリコンの合金のいずれを
含むものであるかに係わらず、アルミニウムとシリコン
のシリンダー壁に対して駆動されるアルミニウム製ピス
トン間の長期間に亘るスカッフィング耐性を提供するこ
とを目的とする。
適用される複合ポリマーコーティングの磨耗耐性を増加
させることによって、シリンダー壁が亜共晶、共晶、或
いは過共晶のアルミニウムとシリコンの合金のいずれを
含むものであるかに係わらず、アルミニウムとシリコン
のシリンダー壁に対して駆動されるアルミニウム製ピス
トン間の長期間に亘るスカッフィング耐性を提供するこ
とを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、アルミ
ニウムとシリコンの合金からなるブロックを有するレシ
プロエンジンが提供され、このブロックは、シリンダー
ボアを画定し且つこのブロック台と同じ組成を有する少
なくとも１つの内部シリンダーを備えている。従って、
ブロックが亜共晶のアルミニウムとシリコンの合金から
鋳造される場合、シリンダー壁はこれと同じ組成を持つ
であろう。このシリンダー壁は、平均して約０．０９乃
至約０．２５ミクロンの表面粗さＲaを有する表面仕上
げを提供するように機械加工される。このエンジンは、
シリンダー壁に直面する外側表面を有するスカート部を
備えたアルミニウムとシリコンの合金製ピストンもまた
備えている。このスカート部の表面は、該表面に付着さ
れた硬質陽極処理コーティングと、この硬質陽極処理コ
ーティングの上に形成された複合ポリマーコーティング
と、を有する。複合ポリマーコーティングは、エンジン
の動作温度に耐えられる耐熱性ポリマーを含み、更にそ
の中に複数の固体潤滑粒子を含む。複合ポリマーコーテ
ィングの下にある硬質陽極処理コーティングは、アルミ
ニウム製シリンダー壁の遥かに低い磨耗率及びより一定
した磨耗、並びに、ピストン上の複合ポリマーコーティ
ングの遥かに低い磨耗率を実現するように促し、これに
よってエンジンの有効寿命を延長する。硬質陽極処理さ
れた下層が、陽極処理された下層が存在しない複合ポリ
マーコーティングのみを有するピストンと比較して３０
％程度まで複合ポリマーコーティングの磨耗率を減少さ
せることをテストは示した。シリンダー壁の磨耗率の大
きな減少も観察されている。本発明の好ましい実施形態
によれば、硬質陽極処理コーティングは、約１５乃至約
２５ミクロン（最も好ましくは２０ミクロン）の厚さを
有する。そして、複合ポリマーコーティングは、好まし
くは、グラファイトと、一フッ化炭素（carbon monoflu
oride）と、窒化ホウ素と、モリブデン、タングステン
及びチタニウムを含む硫化物、セレン化物及びテルル化
物とを含むグループから選択された固体潤滑粒子を含む
のがよい。これらの固体潤滑粒子は、高温エポキシ（he
at temperature epoxy）、熱硬化性ポリイミド類（heat
curable polyimides）、ポリアミドイミド（polyamide
imide）、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリールス
ルホン（polyaryl sulfone）を含むグループから選択さ
れるポリマーマトリックスの中に保有される。
ニウムとシリコンの合金からなるブロックを有するレシ
プロエンジンが提供され、このブロックは、シリンダー
ボアを画定し且つこのブロック台と同じ組成を有する少
なくとも１つの内部シリンダーを備えている。従って、
ブロックが亜共晶のアルミニウムとシリコンの合金から
鋳造される場合、シリンダー壁はこれと同じ組成を持つ
であろう。このシリンダー壁は、平均して約０．０９乃
至約０．２５ミクロンの表面粗さＲaを有する表面仕上
げを提供するように機械加工される。このエンジンは、
シリンダー壁に直面する外側表面を有するスカート部を
備えたアルミニウムとシリコンの合金製ピストンもまた
備えている。このスカート部の表面は、該表面に付着さ
れた硬質陽極処理コーティングと、この硬質陽極処理コ
ーティングの上に形成された複合ポリマーコーティング
と、を有する。複合ポリマーコーティングは、エンジン
の動作温度に耐えられる耐熱性ポリマーを含み、更にそ
の中に複数の固体潤滑粒子を含む。複合ポリマーコーテ
ィングの下にある硬質陽極処理コーティングは、アルミ
ニウム製シリンダー壁の遥かに低い磨耗率及びより一定
した磨耗、並びに、ピストン上の複合ポリマーコーティ
ングの遥かに低い磨耗率を実現するように促し、これに
よってエンジンの有効寿命を延長する。硬質陽極処理さ
れた下層が、陽極処理された下層が存在しない複合ポリ
マーコーティングのみを有するピストンと比較して３０
％程度まで複合ポリマーコーティングの磨耗率を減少さ
せることをテストは示した。シリンダー壁の磨耗率の大
きな減少も観察されている。本発明の好ましい実施形態
によれば、硬質陽極処理コーティングは、約１５乃至約
２５ミクロン（最も好ましくは２０ミクロン）の厚さを
有する。そして、複合ポリマーコーティングは、好まし
くは、グラファイトと、一フッ化炭素（carbon monoflu
oride）と、窒化ホウ素と、モリブデン、タングステン
及びチタニウムを含む硫化物、セレン化物及びテルル化
物とを含むグループから選択された固体潤滑粒子を含む
のがよい。これらの固体潤滑粒子は、高温エポキシ（he
at temperature epoxy）、熱硬化性ポリイミド類（heat
curable polyimides）、ポリアミドイミド（polyamide
imide）、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリールス
ルホン（polyaryl sulfone）を含むグループから選択さ
れるポリマーマトリックスの中に保有される。
【０００５】
【発明の実施の形態】本発明は、以下に図面を参照して
与えられる本発明のある特定の実施形態についての以下
に続く詳細な説明を照らし合わせて考慮されるとき、よ
り良く理解されるであろう。図１は、頂部４と該頂部４
から垂れ下がったスカート部６とを有するアルミニウム
製ピストン２、並びに、番号が附与されていない内部強
化構造及びピストンロッドをピストン２に取りつけるた
めのピストンピンを収容するボアを表している。一対の
上部リング溝８及び１０が圧縮リング１２及び１４を受
け入れており、そのより下方にあるリング溝１６がオイ
ルリング１８を受け入れている。ピストン２はエンジン
ブロック２４中の環状シリンダー壁２２によって画定さ
れるシリンダーボア２０の中で往復運動する。エンジン
ブロック２４はアルミニウムとシリコンの合金から鋳造
され、また、それは過共晶の合金からも製作できるけれ
ども、好ましくは、共晶又は亜共晶のアルミニウムとシ
リコンの合金から鋳造されるのがよい。本発明によれ
ば、図２に最も好ましい実施形態を示すように、スカー
ト部６は外側表面２６を有しており、該表面２６上に濃
い酸化アルミニウム層２８が形成されるように硬質陽極
処理を施されている。硬質陽極処理コーティングは、本
来の場所であるアルミニウムの表面上に、電気化学的に
形成され、且つ、少なくとも５４０マイクロヌープ硬度
（５グラム重において）を有する酸化アルミニウム層で
ある。本発明に係る酸化層は、約５４０乃至約６００の
間、好ましくは約５６０マイクロヌープ硬度（即ち、５
グラム重）を有する。アルミニウム陽極処理は周知のプ
ロセスである。このプロセスによってアルミニウム基体
が電解液中で陽極を形成し、電流が流れた状態で水の電
気分解により提供された酸素と反応し、この陽極表面で
酸化アルミニウムに電気化学的に転換されるプロセスを
経る。多くの異なる酸性物が用いられるが、中でもクロ
ム酸、硫酸、及びしゅう酸が最も一般的な電解液であ
り、特に硫酸が最も多く用いられる。硫酸は、低コス
ト、迅速処理である上、硫酸の高伝導率及びフィルムを
その下にある金属まで浸透する能力のために比較的低い
作動電圧で処理できるからである。陽極コーティングの
特性は、使用される電解液、電解液の濃度及び温度、使
用する電流、処理時間に依存する。硬質コーティングに
対しては、周囲の温度（例えば、おおよそ−２℃〜５
℃）及び適切に濃縮された硫酸電解液が好ましい（例え
ば、重量にして約１０％〜２０％）。特に、重量にして
１２％〜１５％のＨ2ＳＯ4が好ましい。好ましいプロセ
スに従って適正な硬質コーティングを形成するため、ま
ず、ピストンが、グリース、腐食物質、自生の（即ち、
自然に発生した）酸化物をすべて除去するように化学的
に清掃される。ある一つの適正な清掃技術は、室温の石
鹸溶液でピストンをごしごしこすり、その次に冷水です
すぎ、さらに、一般には市販されていないアルカリ清掃
溶液中に約３分間、約６０℃の状態で浸漬する。それか
ら、冷すすぎで清掃作業が完了する。同じ結果を達成す
る他の清掃管理も有効である。次に、清掃されたピスト
ンは、１２％のＨ2ＳＯ4を含む０℃の電解液に浸漬さ
れ、どのくらいの厚さのコーティングが必要とされるか
に応じて約８分間から約２０分間の間、約３Ａ／ｄｍ2
の電流密度で陽極処理される。コーティングの厚さは一
般に約８ミクロンから約２０ミクロンの範囲内にあり、
約２０ミクロン程度が好ましい。前述した温度、濃度及
び電流密度の条件下で、約２０ミクロンの厚さを持つ酸
化物を生成するのに約１０分かかる。陽極処理する前
に、ピストンは、酸化物が形成される場所を制御し、酸
化物が形成されるべきでない場所を排除するため適当に
マスクされる。この点に関して、典型的には少なくとも
頂部がマスク部材で覆われ、その結果スカート部のみが
陽極処理される。他方、リング１２と溝８との間で、高
温スカッフィング即ち微小溶接に対する耐性を増加させ
るため頂部の圧縮リング溝８の内側を陽極処理すること
が知られている。従って、どのようなマスクがなされて
も頂部の圧縮リング溝８は露出された状態に残され、そ
の結果、酸化物層３０はスカート部６が被膜されるとき
と同時に該溝の中に形成される。陽極処理に続いて、ピ
ストンが汚れた環境に曝された場合、このピストンは複
合ポリマーコーティング３２が適用される前に石鹸及び
水で清掃された後、乾燥される。清掃の後、複合ポリマ
ーコーティングは、陽極処理された層の上に被覆され
る。好ましくは、このようなコーティングは約１２ミク
ロン乃至約８ミクロンの厚さを持ち、滑らかな固体粒子
（例えば、グラファイトと、一フッ化炭素と、窒化ホウ
素と、モリブデン、タングステン及びチタニウムを含む
硫化物、セレン化物及びテルル化物）を含む。これらの
固体粒子は、例えば高温エポキシ、熱硬化性ポリイミド
類、ポリアミドイミド、ポリフェニレンスルフィド、ポ
リアリールスルホンなどの耐熱性（即ち、エンジンの動
作温度で性能維持するのに十分な耐性）ポリマーに含ま
れる。本発明で役立つそのようなコーティングの一つ
は、ポリアミドイミド中に体積にして約５％から約３０
％のグラファイトを含む。他の適切な複合ポリマーコー
ティングは、ポリアミドイミド中に、体積にして約２％
から約２０％のグラファイト粒子及び体積にして約２％
から約２０％のＭｏＳ 2を含む。複合ポリマーコーティ
ングを被覆するための溶液は市販されている。そのよう
なコーティング溶液のうちの一つは、重量にして、３１
％のポリアミドイミド、１７％のグラファイト、５１％
のＮ−メチル基ピロリドン（N-metylpyrolidone）を含
み、ドウ・コーニング（Dow Corning Corporation）会
社から入手できる。そのような溶液の他のものは、１０
Ｍｇ／ｍ3のＭｏＳ２、２５Ｍｇ／ｍ3のグラファイト、
４３４Ｍｇ／ｍ3のキシレン、９０Ｍｇ／ｍ3のジオキサ
ン及び３５Ｍｇ／ｍ3のジメチルアセチレンを含み、カ
ワムラ・リサーチ研究所から入手できる。滑らかな粒子
は、長さが約３乃至約１５ミクロンで直径が約１乃至５
ミクロンの範囲にある繊維の形態において等軸或いは細
長く延びた形状のいずれかをとり得る。本発明の複合ポ
リマーコーティングは、当業者に知られている、噴霧、
シルクスクリーン（silk screen）、パッドプリンティ
ング（pad printing）などの技術を含む様々な方法で適
用することができる。そのような方法を適用している間
に、ポリマーは、それに適した溶剤の中で溶解される。
コーティング処理に引き続いて、被覆されたピストンは
溶液を取り除くため乾燥される。ポリアミドイミドがポ
リマーマトリックスとして使用されるとき、ポリマーを
硬化させるためピストンは約１５分乃至６０分の間、約
１８０℃乃至約２００℃で焼かれる。他の結合剤は、硬
化のため異なる時間及び温度を適宜要する。本発明の重
要な様相は、シリンダー壁表面の滑らかさである。この
点に関して、シリンダー壁表面は、シリンダー壁による
複合ポリマーコーティングの摩滅を減じるため平均した
表面粗さＲaが約０．０９乃至約０．２５になるまで研
磨される。これとは対照的に、鋳鉄製シリンダー壁は、
典型的に、平均した表面粗さＲ aが約０．３２乃至約
０．８０になるまで研磨され、エッチングされた過共晶
のアルミニウムとシリコンの合金からなるシリンダー壁
は約０．２０〜０．３０の表面粗さＲaを持つ。機械加
工されるがエッチングされていない過共晶の合金である
ならば、本発明において首尾良く使用することができ
る。ボアの表面が０．２５ミクロンより小さい粗さを有
するとき、このボア表面は、これに抗するピストンの持
続的な駆動により段々とより滑らかになっていく。しか
し、これとは逆に、ボア表面の粗さが０．２５ミクロン
より大きいとき、このボア表面は、これに抗するピスト
ンの持続的な駆動により段々とより粗くなっていき、複
合ポリマーコーティングの磨耗率が大きく増加する。ボ
ア表面が０．０９ミクロンより小さいとき、オイルの保
有能力が良好でなくなり、適切な滑らかさを実現する上
で不十分なオイルしか得られない。加速されたベンチテ
スト（即ち、キャメロン・プリント・レシプロマシーン
（Cameron Plint Reciprocating Machine）を使用し
て）及びエンジン動力測定テストが、磨耗及びスカッフ
ィングの耐性を評価するために遂行された。これらのテ
ストは、（１）複合ポリマーコーティングのみで被覆さ
れたピストン、（２）ピストン表面に硬質陽極処理され
た基層の上に複合ポリマーコーティングで被覆されたピ
ストンに対して各々実行された。このピストンは、重量
にして７％乃至１８％のシリコン含有物を有するアルミ
ニウム製シリンダーのボア表面に対して駆動された。キ
ャメロン・プリント・ベンチテストでは、ピストンのス
カート部の一部分が往復移動されながらシリンダーのボ
ア表面の一部分に対して擦り付けられた。このテストが
潤滑油を用いて実行されるとき、それは磨耗テストとな
る。このテストが潤滑油無しに実行されるとき、それは
スカッフィングテストとなる。磨耗テストでは、最大往
復周波数ヘルツで１０Ｍｐａの接触応力を付加する荷重
が１２５℃で適用された。潤滑油は「ＳＡＥ５Ｗ３０」
であった。ストロークは１０Ｈｚの往復周波数の状態で
６．７７ｍｍであった。テスト期間は２０時間であっ
た。次に、テストされたサンプルの磨耗の深さが測定さ
れた。スカッフィングテストでは、ピストンのスカート
部の一部分が最大往復周波数ヘルツで４〜１０Ｍｐａの
範囲にある接触応力を付加する様々な荷重を与えた状態
でシリンダーのボア表面の一部分に対して擦り付けられ
た。このテスト時の温度は８５℃であり、テスト期間は
１５分間であった。２つのサンプル間の摩擦及び接触電
気抵抗における変化が常時監視された。摩擦の増加及び
接触電気抵抗の減少は、スカッフィングがテスト期間中
に発生したことを示した。スカッフィング開始に至る荷
重及び時間が、スカッフィング耐性をランク付けするた
めに使用された。これらのテストは、複合ポリマーコー
ティングのみ（即ち陽極された下塗りコーティングが無
い場合）又は硬質陽極処理コーティングの上の複合ポリ
マーコーティングが、亜共晶、過共晶或いは共晶の合金
ボアに抗して駆動されるとき鉄若しくはニッケルをベー
スとする合金でメッキされたピストンを超える優れたス
カッフィング耐性を有することを示した。これらのテス
トは、硬質陽極処理コーティングの上の複合ポリマーコ
ーティングが、アルミニウムの上に直接被膜した複合ポ
リマーコーティングよりも遥かに低く（約１／５乃至約
１／３）且つ一定した磨耗を生成することも示した。こ
の点に関して、磨耗ベンチテストの２０時間後には、複
合ポリマーコーティングの厚さが測定され、その開始時
における厚さと比較された。これらのテストは、硬質陽
極処理されたアンダーコーティングを有するピストンが
酸化物の下層が無いピストンよりも平均して約３０％低
い磨耗率であることを示した。最終的に、陽極処理され
た下層の上に複合ポリマーコーティングを備えたピスト
ン及び亜共晶及び過共晶の両方からなるアルミニウムと
シリコンの合金のシリンダー壁表面から組み立てられた
エンジンが、レイノルズ金属会社による低温スカッフィ
ングテスト及びジェネラルモーターズ株式会社による高
温スカッフィングテストの両方にパスした。陽極処理コ
ーティングに起因すると考えられる磨耗耐性の増加の要
因はあまり良く分かっていないが、（ａ）硬質陽極処理
は被膜されていないアルミニウムよりも柔らかいポリマ
ーコーティングを更に良好に支持する堅い固体の基体を
提供するという要因、或いは（ｂ）硬質陽極処理は、ピ
ストンへの複合ポリマーコーティングのより良好な粘着
を促進する複合ポリマーコーティングを受け入れる僅か
に粗い表面を提供するという要因のいずれかが生じるか
らであると考えられている。本発明は、本発明のある特
定の実施形態の観点から開示されたが、本発明はこれの
みに限定されるものではなく、請求の範囲に設定された
範囲によってのみ画定される。
与えられる本発明のある特定の実施形態についての以下
に続く詳細な説明を照らし合わせて考慮されるとき、よ
り良く理解されるであろう。図１は、頂部４と該頂部４
から垂れ下がったスカート部６とを有するアルミニウム
製ピストン２、並びに、番号が附与されていない内部強
化構造及びピストンロッドをピストン２に取りつけるた
めのピストンピンを収容するボアを表している。一対の
上部リング溝８及び１０が圧縮リング１２及び１４を受
け入れており、そのより下方にあるリング溝１６がオイ
ルリング１８を受け入れている。ピストン２はエンジン
ブロック２４中の環状シリンダー壁２２によって画定さ
れるシリンダーボア２０の中で往復運動する。エンジン
ブロック２４はアルミニウムとシリコンの合金から鋳造
され、また、それは過共晶の合金からも製作できるけれ
ども、好ましくは、共晶又は亜共晶のアルミニウムとシ
リコンの合金から鋳造されるのがよい。本発明によれ
ば、図２に最も好ましい実施形態を示すように、スカー
ト部６は外側表面２６を有しており、該表面２６上に濃
い酸化アルミニウム層２８が形成されるように硬質陽極
処理を施されている。硬質陽極処理コーティングは、本
来の場所であるアルミニウムの表面上に、電気化学的に
形成され、且つ、少なくとも５４０マイクロヌープ硬度
（５グラム重において）を有する酸化アルミニウム層で
ある。本発明に係る酸化層は、約５４０乃至約６００の
間、好ましくは約５６０マイクロヌープ硬度（即ち、５
グラム重）を有する。アルミニウム陽極処理は周知のプ
ロセスである。このプロセスによってアルミニウム基体
が電解液中で陽極を形成し、電流が流れた状態で水の電
気分解により提供された酸素と反応し、この陽極表面で
酸化アルミニウムに電気化学的に転換されるプロセスを
経る。多くの異なる酸性物が用いられるが、中でもクロ
ム酸、硫酸、及びしゅう酸が最も一般的な電解液であ
り、特に硫酸が最も多く用いられる。硫酸は、低コス
ト、迅速処理である上、硫酸の高伝導率及びフィルムを
その下にある金属まで浸透する能力のために比較的低い
作動電圧で処理できるからである。陽極コーティングの
特性は、使用される電解液、電解液の濃度及び温度、使
用する電流、処理時間に依存する。硬質コーティングに
対しては、周囲の温度（例えば、おおよそ−２℃〜５
℃）及び適切に濃縮された硫酸電解液が好ましい（例え
ば、重量にして約１０％〜２０％）。特に、重量にして
１２％〜１５％のＨ2ＳＯ4が好ましい。好ましいプロセ
スに従って適正な硬質コーティングを形成するため、ま
ず、ピストンが、グリース、腐食物質、自生の（即ち、
自然に発生した）酸化物をすべて除去するように化学的
に清掃される。ある一つの適正な清掃技術は、室温の石
鹸溶液でピストンをごしごしこすり、その次に冷水です
すぎ、さらに、一般には市販されていないアルカリ清掃
溶液中に約３分間、約６０℃の状態で浸漬する。それか
ら、冷すすぎで清掃作業が完了する。同じ結果を達成す
る他の清掃管理も有効である。次に、清掃されたピスト
ンは、１２％のＨ2ＳＯ4を含む０℃の電解液に浸漬さ
れ、どのくらいの厚さのコーティングが必要とされるか
に応じて約８分間から約２０分間の間、約３Ａ／ｄｍ2
の電流密度で陽極処理される。コーティングの厚さは一
般に約８ミクロンから約２０ミクロンの範囲内にあり、
約２０ミクロン程度が好ましい。前述した温度、濃度及
び電流密度の条件下で、約２０ミクロンの厚さを持つ酸
化物を生成するのに約１０分かかる。陽極処理する前
に、ピストンは、酸化物が形成される場所を制御し、酸
化物が形成されるべきでない場所を排除するため適当に
マスクされる。この点に関して、典型的には少なくとも
頂部がマスク部材で覆われ、その結果スカート部のみが
陽極処理される。他方、リング１２と溝８との間で、高
温スカッフィング即ち微小溶接に対する耐性を増加させ
るため頂部の圧縮リング溝８の内側を陽極処理すること
が知られている。従って、どのようなマスクがなされて
も頂部の圧縮リング溝８は露出された状態に残され、そ
の結果、酸化物層３０はスカート部６が被膜されるとき
と同時に該溝の中に形成される。陽極処理に続いて、ピ
ストンが汚れた環境に曝された場合、このピストンは複
合ポリマーコーティング３２が適用される前に石鹸及び
水で清掃された後、乾燥される。清掃の後、複合ポリマ
ーコーティングは、陽極処理された層の上に被覆され
る。好ましくは、このようなコーティングは約１２ミク
ロン乃至約８ミクロンの厚さを持ち、滑らかな固体粒子
（例えば、グラファイトと、一フッ化炭素と、窒化ホウ
素と、モリブデン、タングステン及びチタニウムを含む
硫化物、セレン化物及びテルル化物）を含む。これらの
固体粒子は、例えば高温エポキシ、熱硬化性ポリイミド
類、ポリアミドイミド、ポリフェニレンスルフィド、ポ
リアリールスルホンなどの耐熱性（即ち、エンジンの動
作温度で性能維持するのに十分な耐性）ポリマーに含ま
れる。本発明で役立つそのようなコーティングの一つ
は、ポリアミドイミド中に体積にして約５％から約３０
％のグラファイトを含む。他の適切な複合ポリマーコー
ティングは、ポリアミドイミド中に、体積にして約２％
から約２０％のグラファイト粒子及び体積にして約２％
から約２０％のＭｏＳ 2を含む。複合ポリマーコーティ
ングを被覆するための溶液は市販されている。そのよう
なコーティング溶液のうちの一つは、重量にして、３１
％のポリアミドイミド、１７％のグラファイト、５１％
のＮ−メチル基ピロリドン（N-metylpyrolidone）を含
み、ドウ・コーニング（Dow Corning Corporation）会
社から入手できる。そのような溶液の他のものは、１０
Ｍｇ／ｍ3のＭｏＳ２、２５Ｍｇ／ｍ3のグラファイト、
４３４Ｍｇ／ｍ3のキシレン、９０Ｍｇ／ｍ3のジオキサ
ン及び３５Ｍｇ／ｍ3のジメチルアセチレンを含み、カ
ワムラ・リサーチ研究所から入手できる。滑らかな粒子
は、長さが約３乃至約１５ミクロンで直径が約１乃至５
ミクロンの範囲にある繊維の形態において等軸或いは細
長く延びた形状のいずれかをとり得る。本発明の複合ポ
リマーコーティングは、当業者に知られている、噴霧、
シルクスクリーン（silk screen）、パッドプリンティ
ング（pad printing）などの技術を含む様々な方法で適
用することができる。そのような方法を適用している間
に、ポリマーは、それに適した溶剤の中で溶解される。
コーティング処理に引き続いて、被覆されたピストンは
溶液を取り除くため乾燥される。ポリアミドイミドがポ
リマーマトリックスとして使用されるとき、ポリマーを
硬化させるためピストンは約１５分乃至６０分の間、約
１８０℃乃至約２００℃で焼かれる。他の結合剤は、硬
化のため異なる時間及び温度を適宜要する。本発明の重
要な様相は、シリンダー壁表面の滑らかさである。この
点に関して、シリンダー壁表面は、シリンダー壁による
複合ポリマーコーティングの摩滅を減じるため平均した
表面粗さＲaが約０．０９乃至約０．２５になるまで研
磨される。これとは対照的に、鋳鉄製シリンダー壁は、
典型的に、平均した表面粗さＲ aが約０．３２乃至約
０．８０になるまで研磨され、エッチングされた過共晶
のアルミニウムとシリコンの合金からなるシリンダー壁
は約０．２０〜０．３０の表面粗さＲaを持つ。機械加
工されるがエッチングされていない過共晶の合金である
ならば、本発明において首尾良く使用することができ
る。ボアの表面が０．２５ミクロンより小さい粗さを有
するとき、このボア表面は、これに抗するピストンの持
続的な駆動により段々とより滑らかになっていく。しか
し、これとは逆に、ボア表面の粗さが０．２５ミクロン
より大きいとき、このボア表面は、これに抗するピスト
ンの持続的な駆動により段々とより粗くなっていき、複
合ポリマーコーティングの磨耗率が大きく増加する。ボ
ア表面が０．０９ミクロンより小さいとき、オイルの保
有能力が良好でなくなり、適切な滑らかさを実現する上
で不十分なオイルしか得られない。加速されたベンチテ
スト（即ち、キャメロン・プリント・レシプロマシーン
（Cameron Plint Reciprocating Machine）を使用し
て）及びエンジン動力測定テストが、磨耗及びスカッフ
ィングの耐性を評価するために遂行された。これらのテ
ストは、（１）複合ポリマーコーティングのみで被覆さ
れたピストン、（２）ピストン表面に硬質陽極処理され
た基層の上に複合ポリマーコーティングで被覆されたピ
ストンに対して各々実行された。このピストンは、重量
にして７％乃至１８％のシリコン含有物を有するアルミ
ニウム製シリンダーのボア表面に対して駆動された。キ
ャメロン・プリント・ベンチテストでは、ピストンのス
カート部の一部分が往復移動されながらシリンダーのボ
ア表面の一部分に対して擦り付けられた。このテストが
潤滑油を用いて実行されるとき、それは磨耗テストとな
る。このテストが潤滑油無しに実行されるとき、それは
スカッフィングテストとなる。磨耗テストでは、最大往
復周波数ヘルツで１０Ｍｐａの接触応力を付加する荷重
が１２５℃で適用された。潤滑油は「ＳＡＥ５Ｗ３０」
であった。ストロークは１０Ｈｚの往復周波数の状態で
６．７７ｍｍであった。テスト期間は２０時間であっ
た。次に、テストされたサンプルの磨耗の深さが測定さ
れた。スカッフィングテストでは、ピストンのスカート
部の一部分が最大往復周波数ヘルツで４〜１０Ｍｐａの
範囲にある接触応力を付加する様々な荷重を与えた状態
でシリンダーのボア表面の一部分に対して擦り付けられ
た。このテスト時の温度は８５℃であり、テスト期間は
１５分間であった。２つのサンプル間の摩擦及び接触電
気抵抗における変化が常時監視された。摩擦の増加及び
接触電気抵抗の減少は、スカッフィングがテスト期間中
に発生したことを示した。スカッフィング開始に至る荷
重及び時間が、スカッフィング耐性をランク付けするた
めに使用された。これらのテストは、複合ポリマーコー
ティングのみ（即ち陽極された下塗りコーティングが無
い場合）又は硬質陽極処理コーティングの上の複合ポリ
マーコーティングが、亜共晶、過共晶或いは共晶の合金
ボアに抗して駆動されるとき鉄若しくはニッケルをベー
スとする合金でメッキされたピストンを超える優れたス
カッフィング耐性を有することを示した。これらのテス
トは、硬質陽極処理コーティングの上の複合ポリマーコ
ーティングが、アルミニウムの上に直接被膜した複合ポ
リマーコーティングよりも遥かに低く（約１／５乃至約
１／３）且つ一定した磨耗を生成することも示した。こ
の点に関して、磨耗ベンチテストの２０時間後には、複
合ポリマーコーティングの厚さが測定され、その開始時
における厚さと比較された。これらのテストは、硬質陽
極処理されたアンダーコーティングを有するピストンが
酸化物の下層が無いピストンよりも平均して約３０％低
い磨耗率であることを示した。最終的に、陽極処理され
た下層の上に複合ポリマーコーティングを備えたピスト
ン及び亜共晶及び過共晶の両方からなるアルミニウムと
シリコンの合金のシリンダー壁表面から組み立てられた
エンジンが、レイノルズ金属会社による低温スカッフィ
ングテスト及びジェネラルモーターズ株式会社による高
温スカッフィングテストの両方にパスした。陽極処理コ
ーティングに起因すると考えられる磨耗耐性の増加の要
因はあまり良く分かっていないが、（ａ）硬質陽極処理
は被膜されていないアルミニウムよりも柔らかいポリマ
ーコーティングを更に良好に支持する堅い固体の基体を
提供するという要因、或いは（ｂ）硬質陽極処理は、ピ
ストンへの複合ポリマーコーティングのより良好な粘着
を促進する複合ポリマーコーティングを受け入れる僅か
に粗い表面を提供するという要因のいずれかが生じるか
らであると考えられている。本発明は、本発明のある特
定の実施形態の観点から開示されたが、本発明はこれの
みに限定されるものではなく、請求の範囲に設定された
範囲によってのみ画定される。
【図１】ピストン及びその周囲にあるブロックの側断面
図である。
図である。
【図２】図１の附番号２で指し示された領域におけるピ
ストン表面の拡大図である。
ストン表面の拡大図である。
２ ピストン ６ スカート部 ２０ シリンダーボア ２２ 内部シリンダー壁 ２８ 硬質陽極処理コーティング ３２ 複合ポリマーコーティング
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ピーター・ヴァーニア アメリカ合衆国ミシガン州48306，ロチ ェスター・ヒルズ，トーラハッセ・ドラ イブ 2763 (72)発明者 シモン・チン−ユー・トゥン アメリカ合衆国ミシガン州48306，ロチ ェスター・ヒルズ，ハヴァーヒル・ドラ イブ 1871 (56)参考文献 特開 平２−78752（ＪＰ，Ａ) 特表 平８−503058（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02F 3/10
Claims (3)
- 【請求項１】 第１のアルミニウム合金製ブロック（２
４）と、前記第１のアルミニウム合金製ブロック（２
４）内でシリンダーボア（２０）を画定するように形成
された、少なくとも１つの内部シリンダー壁（２２）
と、前記ボア（２０）内で往復運動する第２のアルミニ
ウム合金製ピストン（２）と、を有するレシプロエンジ
ンであって、前記壁（２２）は、平均して約０．０９乃
至約０．２５ミクロンの表面粗さＲaを有し、前記ピス
トン（２）は、前記壁に直面する外側表面（２６）を有
するスカート部（６）を備え、前記表面は、該表面に付
着された第１の硬質陽極処理コーティング（２８）と、
前記硬質陽極処理コーティング（２８）上の第２の複合
ポリマーコーティング（３２）とを有し、前記第２の複
合ポリマーコーティングは、前記エンジンの動作温度に
耐えられる耐熱性ポリマーマトリックスに複数の固体潤
滑粒子を含む、前記レシプロエンジン。 - 【請求項２】 前記硬質陽極処理コーティング（２８）
は、約８ミクロン乃至約２５ミクロンの厚さを有し、前
記複合ポリマーコーティング（３２）は約１２ミクロン
乃至約１８ミクロンの厚さを有する、請求項１に記載の
エンジン。 - 【請求項３】 前記固体潤滑粒子は、グラファイトと、
一フッ化炭素と、窒化ホウ素と、モリブデン、タングス
テン及びチタニウムを含む硫化物、セレン化物及びテル
ル化物とを含むグループから選択され、前記ポリマーマ
トリックスは、高温エポキシ、熱硬化性ポリイミド類、
ポリアミドイミド、ポリフェニレンスルフィド及びポリ
アリールスルホンを含むグループから選択される、請求
項１に記載のエンジン。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/027,327 US5884600A (en) | 1998-02-20 | 1998-02-20 | Aluminum bore engine having wear and scuff-resistant aluminum piston |
| US27327 | 1998-02-20 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11324793A JPH11324793A (ja) | 1999-11-26 |
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|---|---|---|---|
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