JP3751498B2 - アルミ合金製内燃機関用ピストン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はアルミ合金で鋳造した内燃機関用のピストンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の燃費やエンジン出力を向上させるために、燃焼室内で発生するカーボンをピストン天井面に付着させないようにした内燃機関用のピストンが知られている。このピストンの代表的な例として、特開平９−１５２０３２号公報「レシプロエンジン用のアルミ合金ピストン」が提案されている。この技術を、次図で詳しく説明する。
【０００３】
図９は従来のアルミ合金製ピストンの天井面に陽極酸化皮膜を形成する方法の説明図である。
電解液１２０中に陰極体１２１を配置し、ピストン１２４の天井面（以下、「ピストン天井面」という）１２５を電解液１２０に漬け、ピストン１２４を陽極に接続することで電解液１２０中に直流を流し、ピストン天井面１２５に陽極酸化皮膜１２７を一定の膜厚に形成する。次に、陽極酸化皮膜１２７の微細な孔に触媒金属（図示しない）を含浸させる。
この金属触媒で燃焼室内に発生したカーボンを分解し、カーボンがピストン天井面に付着することを防ぐ。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このアルミ合金製ピストンにおいて、ピストン天井面１２５の表面近傍にＳｉ粒子が分布している場合、陽極酸化皮膜処理の際にＳｉ粒子が通電を妨げる。Ｓｉ粒子が陽極酸化皮膜１２７に悪影響を及ぼして、陽極酸化皮膜１２７の表面が凹凸になる。また、普通の陽極酸化皮膜１２７は表面にできる微細な孔が小さ過ぎて、触媒金属を十分に含浸させることができない。
このため、燃焼室内に発生したカーボンがピストン天井面に付着することを十分に防ぐことはできない。従って、エンジンの燃費や出力を十分に向上させることはできない。
【０００５】
一方、燃焼室の混合気は、通常スパークプラグによる着火から末端の混合気まで順に燃焼するが、時として燃焼室の壁の熱で混合気の異常燃焼が発生することがある。この異常燃焼が発生すると、その領域（すなわち、燃焼室の壁の近傍）の温度が高くなり、ピストン天井面１２５の外周１２６に沿った領域Ｅが高温になる。従って、この領域Ｅのピストン母材が熱で劣化することを防ぐために、陽極酸化皮膜１２７を比較的厚く形成する必要がある。
【０００６】
しかし、図９の陽極酸化皮膜処理方法では、陽極酸化皮膜１２７をピストン天井面１２５に一定の膜厚で形成するので、ピストン天井面１２５の全域において陽極酸化皮膜１２７を比較的厚く設定する必要がある。
このため、ピストン天井面１２５の中央部の膜厚が厚くなり過ぎて、燃焼室内の熱をピストン天井面１２５の中央部からクランク室側に大きく逃がすことはできない。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、エンジンの燃費や出力を十分に向上させることができ、かつピストンの劣化を防ぐとともに、燃焼室内の熱をクランク室側に十分に逃がすことができるアルミ合金製内燃機関用ピストンを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の請求項１は、ピストン天井面に、りん酸塩並びにふっ化物を混合した電解液で陽極酸化皮膜を形成し、陽極酸化皮膜の微細な孔に潤滑剤を含浸させたアルミ合金製内燃機関用ピストンであって、前記陽極酸化皮膜は、ピストン天井面の外周に沿った領域をその他の領域より膜厚が大きくなるように設定したことを特徴とする。
【０００９】
陽極酸化皮膜をりん酸塩並びにふっ化物を混合した電解液で形成した。りん酸塩には陽極酸化皮膜の微細な孔の孔径を大きくする作用があり、ふっ化物には陽極酸化皮膜を平坦にする作用がある。このため、平坦な陽極酸化皮膜の微細な孔に多量の潤滑剤を含浸させる。ピストン天井面に多量の潤滑剤を備えることで、燃焼室内で発生したカーボンがピストン天井面に付着することを効率よく防ぐ。
【００１０】
また、請求項１によれば、耐熱性の高い陽極酸化皮膜の膜厚をピストン天井面の外周に沿った領域で大きく設定した。このため、万一燃焼室内で混合気の異常燃焼が発生して、ピストン天井面の外周に沿った領域が高温になっても、この領域のピストン母材の劣化を防ぐ。
さらに、陽極酸化皮膜の膜厚をピストン天井面の外周に沿った領域以外の領域で小さく設定した。このため、燃焼室内の熱をピストン天井面からクランク室側に十分に逃がす。
【００１１】
請求項２は、ピストン天井面に、りん酸塩並びにふっ化物を混合した電解液で陽極酸化皮膜を形成し、陽極酸化皮膜の微細な孔にふっ素系樹脂を含浸させたアルミ合金製内燃機関用ピストンであって、前記陽極酸化皮膜は、ピストン天井面の外周に沿った領域をその他の領域より膜厚が大きくなるように設定したことを特徴とする。
潤滑剤にふっ素系樹脂を採用した。ふっ素系樹脂は非粘着性に優れている。従って、ピストン天井面に使用することで、燃焼室内に発生したカーボンがピストン天井面に付着することを効率よく防ぐ。
加えて、ふっ素系樹脂は、耐摩耗性や耐熱性に優れており、高温において使用するピストンの品質を高める。
【００１２】
また、請求項２によれば、耐熱性の高い陽極酸化皮膜の膜厚をピストン天井面の外周に沿った領域で大きく設定した。このため、万一燃焼室内で混合気の異常燃焼が発生して、ピストン天井面の外周に沿った領域が高温になっても、この領域のピストン母材の劣化を防ぐ。
さらに、陽極酸化皮膜の膜厚をピストン天井面の外周に沿った領域以外の領域で小さく設定した。このため、燃焼室内の熱をピストン天井面からクランク室側に十分に逃がす。
【００１３】
請求項３は、燃焼室の天井が左右の水平面とこの水平面から立上り左右の斜面とで逆Ｖ字断面にしたときに、左右の水平面の幅に略同一幅となる様に、前記膜厚の大きいピストン天井面の外周に沿った領域の幅を決定したことを特徴とする。
【００１４】
燃焼室の左右の水平面と略同一にピストン天井面の外周に沿った領域の幅を決定し、この領域の膜厚を大きく設定した。このため、圧縮工程の終り近くで、この領域と水平面との隙間から混合気を押し出して混合気の渦流を発生させることにより、混合気の燃焼速度を速め、燃費をよくする。
一方、この領域は、燃焼室の壁の近傍に存在するため、万一混合気に異常燃焼が発生すると高温になりやすく、ピストン母材が劣化する虞がある。そこで、この領域の陽極酸化皮膜の膜厚を大きく設定することで、ピストン母材の劣化を防ぐことにした。
【００１５】
請求項４は、膜厚の大きい領域と膜厚の小さな領域とを斜面で結んだことを特徴とする。
【００１６】
膜厚の大きい領域と膜厚の小さな領域とを斜面で結んだことで、膜厚の大きい領域と膜厚の小さな領域との熱膨張差を斜面で緩和する。このため、膜厚の大きい領域と膜厚の小さな領域との境界で陽極酸化皮膜が破損することを防ぐ。
加えて、膜厚の大きい領域と膜厚の小さな領域とを斜面で結んだことで、混合気の流れを妨げないで円滑に流す。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１は本発明に係るアルミ合金製内燃機関用ピストンの斜視図である。
アルミ合金製内燃機関用ピストン１０は、ピストン頭部１２にピストンリング溝１３，１４及びオイルリング溝１５を形成し、オイルリング溝１５の下側に一対のスカート部１６，１６を形成し、一対のスカート部１６，１６の間に一対のピンボス部１７，１７（奥側のピンボス部１７は図示せず）を形成したＳｉ（シリコン）系アルミニウム合金で形成した部材である。
【００１８】
このアルミ合金製内燃機関用ピストン１０は、ピストン天井面２０（網目で示す領域）に、りん酸塩並びにふっ化物を混合した電解液で陽極酸化皮膜（特殊な陽極酸化皮膜）５０，５０を形成し、特殊な陽極酸化皮膜５０の微細な孔に潤滑剤（図３に示す）を含浸させた部材である。
【００１９】
陽極酸化皮膜５０は、ピストン天井面２０の外周２３に沿った領域（想像線３０の外側の領域）２４，２５，２６，２７をその他の領域（想像線３０の内側の領域）２８より膜厚が大きくなるように設定したことを特徴とする。
以下、ピストン天井面２０の外周２３に沿った領域２４，２５について説明し、領域２６，２７の説明は省略する。
１８はピストンピン、１９はコンロッドである。２１，２１は吸気バルブとの干渉を避けるための凹み、２２，２２は排気バルブとの干渉を避けるための凹みである。
【００２０】
図２は図１の２−２線断面図であり、ピストン天井面２０の外周２３に沿った領域２４，２５の膜厚ｔ１をその他の領域２８の膜厚ｔ２より大きく設定し、ピストン天井面２０の外周２３に沿った領域（すなわち、膜厚の大きい領域）２４，２５とその他の領域（すなわち、膜厚の小さな領域）２８とを斜面２９で結んだ状態を示す。
【００２１】
膜厚ｔ１は８〜１２μｍの範囲に設定することが好ましく、膜厚ｔ２は１〜５μｍの範囲に設定することが好ましい。
耐熱性の高い陽極酸化皮膜５０の膜厚ｔ１を８μｍ以上に設定することで、ピストン母材の劣化を確実に防ぐようにした。
また、膜厚ｔ１を１２μｍ以下に設定することで、陽極酸化皮膜処理の時間を抑えて生産性を高めるようにした。
【００２２】
膜厚ｔ２を１μｍ以上に設定することで、燃焼室に発生したカーボンがピストン天井面２０に付かないようにした。
また、膜厚ｔ２を５μｍ以下に設定することで、燃焼室内の熱をピストン天井面２０からクランク室側に十分に逃がすようにした。
【００２３】
また、ピストン天井面２０の外周２３に沿った領域２４，２５を、燃焼室３２の天井（シリンダヘッド）３３が左右の水平面３４，３５とこの水平面３４，３５から立上り左右の斜面３６，３７とで逆Ｖ字断面にしたときに、左右の水平面３４，３５の幅に略同一幅Ｗとなる様に決定した。
【００２４】
すなわち、ピストン天井面２０の外周２３に沿った領域２４，２５、及びシリンダヘッド３３の左右の水平面３４，３５はスキッシュ領域である。ここで、スキッシュ（squash）とは、アルミ合金製内燃機関用ピストン１０を上死点まで上昇させて混合気を圧縮する際に（すなわち、圧縮工程の終り近くで）、アルミ合金製内燃機関用ピストン１０のスキッシュ領域２４，２５とシリンダヘッド３３のスキッシュ領域３４，３５との隙間から混合気を矢印の如く押し出すことにより、混合気に発生する渦流をいう。
スキッシュを発生させることにより、混合気の燃焼速度を速め、燃費をよくすることができる。なお、４１は吸気バルブ、４２は排気バルブである。
【００２５】
ところで、燃焼室３２の混合気は、通常スパークプラグ（図示しない）による着火から末端の混合気まで順に燃焼するが、時として燃焼室３２の壁（例えば、水平面３４，３５）の熱で混合気が異常燃焼が発生することがある。この異常燃焼が発生すると、アルミ合金製内燃機関用ピストン１０のスキッシュ領域２４，２５が高温になる。従って、ピストン天井面２０の外周２３に沿ったスキッシュ領域２４，２５の皮膜が薄いと、ピストン母材が劣化する虞がある。そこで、スキッシュ領域２４，２５の皮膜を厚く設定することでピストン母材が劣化することを防ぐことにした。
【００２６】
一方、ピストン天井面２０の中央領域では陽極酸化皮膜５０の膜厚を厚くすると、燃焼室３２内の熱をピストン天井面２０の中央部からクランク室側に十分に逃がすことはできない。
そこで、ピストン天井面２０の中央領域を膜厚の小さな領域２８として、燃焼室３２内の熱をクランク室側に十分に逃がすことにした。
【００２７】
図３は図２の３部拡大図であり、ピストン天井面２０に形成した特殊な陽極酸化皮膜５０を示す。なお、潤滑剤５４として熱硬化性樹脂を使用した例を説明する。
特殊な陽極酸化皮膜５０は、膜厚ｔ３が略一定で皮膜面５０ａを平坦に形成し、皮膜面５０ａに微細な孔５２・・・（・・・は複数個を示す。以下同様。）を備えたものである。孔５２・・・は孔径ｄ１が比較的大きい孔である。このため、孔５２・・・に十分な量の潤滑剤（熱硬化性樹脂）５４を含浸することができ、含浸した熱硬化性樹脂５４を孔５２・・・内に確実に固着することができる。
ピストン天井面２０に十分な熱硬化性樹脂５４を備えることで、燃焼室内で発生したカーボンがピストン天井面２０に付着することをより効率よく防ぐことができる。
【００２８】
以下、図４で普通の陽極酸化皮膜の形成方法を比較例として説明する。
図４（ａ）〜（ｃ）は内燃機関用ピストンのスカート部に普通の陽極酸化皮膜を形成した比較例を示す。
（ａ）は、硫酸電解液で生成した普通の陽極酸化皮膜を示す。母材としてのアルミ合金製内燃機関用ピストンの天井面１００にＳｉ粒１１１・・・が分布し、そのうちの表面近傍のＳｉ粒１１２・・・が陽極酸化皮膜１１３に悪影響を及ぼして、陽極酸化皮膜１１３が全体的に凹凸となっている。
【００２９】
（ｂ）は、（ａ）の拡大図であり、たまたま表面に出ていたＳｉ粒１１５の部分には陽極酸化皮膜を形成できずに大きな窪みＤ１となり、また、表面にごく近いＳｉ粒１１６の部分には陽極酸化皮膜１１７が形成できたけれども、膜厚は周囲の陽極酸化皮膜１１３と比べると小さく、窪みＤ２ができている。
すなわち、Ｓｉを含むアルミニウム合金製ピストン１００を硫酸電解液で陽極酸化処理をしても、平坦な陽極酸化皮膜１１３が得られないことが分かった。
また、硫酸電解液では、微細な孔１１８・・・の孔径をｄ２とすると、ｄ２は一般的に１５ｎｍ程度と小さいことが分かった。
【００３０】
（ｃ）は、液状の熱硬化性樹脂を微細な孔１１８・・・に含浸させ、含浸した液状の熱硬化性樹脂を加熱して硬化樹脂１１９・・・に変えた状態を示す。
樹脂はカーボンを付着させない材質なので、陽極酸化皮膜１１３，１１７に硬化樹脂１１９・・・を含浸させることで、ピストン天井面へのカーボンの付着をある程度防ぐことができる。
【００３１】
しかし、（ｂ）に示したように、陽極酸化皮膜１１３に窪みＤ１，Ｄ２が発生して陽極酸化皮膜１１３を平坦に生成することが困難であり、また、陽極酸化皮膜１１３に発生した微細な孔１１８・・・の孔径ｄ２が小さいので陽極酸化皮膜１１３に樹脂１１９を十分に含有することはできない。
陽極酸化皮膜１１３に窪みＤ１，Ｄ２が発生し、かつピストン天井面２０に十分な熱硬化性樹脂１１９・・・を備えることができないので、燃焼室内で発生したカーボンがピストン天井面に付着することを確実に防ぐことはできない。
【００３２】
以下、図３の断面拡大図に示した特殊な陽極酸化皮膜を形成する方法を説明する。
図５は本発明に係るアルミ合金製内燃機関用ピストンの特殊な陽極酸化皮膜処理方法を説明するフローチャートであり、図中ＳＴ××はステップ番号を示す。
ＳＴ１０；アルミ合金製内燃機関用ピストン（すなわち、Ｓｉ系アルミニウム合金としてのＡＣ８Ｃアルミニウム合金製ピストン）のピストン天井面を脱脂する。
ＳＴ１１；りん酸塩としてのりん酸３ナトリウム及びふっ化物としてのふっ化カリウムの混合水溶液中で電気分解して、ピストン天井面の外表面に特殊な陽極酸化皮膜を生成する。この陽極酸化皮膜の表面に微細な孔が生成する。
【００３３】
ＳＴ１２；ふっ素樹脂を含有する液状の熱硬化性樹脂（ふっ素系樹脂）を準備し、この液状の熱硬化性樹脂を陽極酸化皮膜の微細な孔に含浸させる。
ＳＴ１３；微細な孔に含浸した液状の熱硬化性樹脂を加熱することにより硬化させる。これで、本発明に係るアルミニウム合金製ピストンの陽極酸化処理が完了する。
以下、Ｓｉ系アルミニウム合金の陽極酸化処理方法のＳＴ１０〜ＳＴ１３を図６〜図８で詳しく説明する。
【００３４】
図６（ａ），（ｂ）は本発明に係るアルミ合金製内燃機関用ピストンの特殊な陽極酸化皮膜処理方法の第１説明図であり、ＳＴ１０及びＳＴ１１の工程を示す。なお、ＳＴ１０及びＳＴ１１の工程は図７で詳しく説明する。
（ａ）において、電解液槽６０に電解液６１を充填した陽極酸化皮膜処理装置を準備する。次に、環状の陰極筒体６３に絶縁性筒体６４を差し込み、陰極筒体６３及び絶縁性筒体６４を電解液６１に漬ける。次いで、アルミ合金製内燃機関用ピストン１０のトップリング溝１１に絶縁性の環状部材（マスク）６５を嵌め込み、ピストン天井面２０を脱脂する。続いて、ピストン天井面２０を矢印の如く電解液６１に漬ける。
【００３５】
（ｂ）において、アルミ合金製内燃機関用ピストン１０を陽極に接続することにより、ピストン天井面２０と陰極筒体６３との間に電流を流す。
ここで、陰極筒体６３は、外径Ｄをアルミ合金製内燃機関用ピストン１０の外径と同じに設定し、厚さＴをピストン天井面２０の外周２３に沿った領域２４，２５の幅Ｗ（図２参照）と同じに設定した。このため、陰極筒体６３からピストン天井面２０の外周２３に沿った領域２４，２５に向って多量の電流が矢印▲１▼の如く流れる。従って、ピストン天井面２０の外周２３に沿った領域２４，２５を膜厚の大きい領域とすることができる。
【００３６】
一方、陰極筒体６３には絶縁性筒体６４が差し込まれているので、陰極筒体６３からピストン天井面２０の中央（すなわち、その他の領域）２８に向う電流の流れを絶縁性筒体６４で遮る。このため、絶縁性筒体６４を回避した電流のみがピストン天井面２０のその他の領域２８に向けて流れるので、ピストン天井面２０のその他の領域２８には矢印▲２▼のごとく少量の電流しか流れない。従って、ピストン天井面２０のその他の領域２８を膜厚の小さな領域とすることができる。
【００３７】
図７（ａ），（ｂ）は本発明に係るアルミ合金製内燃機関用ピストンの特殊な陽極酸化皮膜処理方法の第２説明図である。
（ａ）は、ＳＴ１０（脱脂）後の状態を示す図であり、ピストン天井面２０の外表面２０ａを脱脂した状態を示す。
ピストン天井面２０の外表面２０ａの近傍にはアルミニウムにＳｉ粒５５，５６，５７が分散している。
【００３８】
（ｂ）は、ＳＴ１１（特殊な陽極酸化皮膜処理）後の状態を示す図であり、りん酸３ナトリウム及びふっ化カリウムの混合水溶液中で電気分解して陽極酸化皮膜５０を生成した状態を示す。
りん酸３ナトリウムの腐食作用でピストン天井面２０の外表面２０ａ（（ａ）に示す）が溶解して、Ｓｉ粒５５，５６，５７が露出する。露出したＳｉ粒５５，５６，５７がふっ化カリウムの作用で溶解して小さくなる。
【００３９】
このため、ピストン天井面２０の外表面２０ａにＳｉ粒５５，５６，５７が存在するにも拘らず、陽極酸化皮膜５０が良好に成長する。この結果、陽極酸化皮膜５０の皮膜面５０ａが揃うので、面粗度は小さくなり、膜厚ｔ３はほぼ一定となる。
また、電解液にはりん酸３ナトリウムを含むため、りん酸３ナトリウムの孔径を大きくする作用で、微細な孔５２・・・の孔径ｄ１は略１００ｎｍと十分に大きくなる。
【００４０】
図８（ａ），（ｂ）は本発明に係るアルミ合金製内燃機関用ピストンの特殊な陽極酸化皮膜処理方法の第３説明図である。
（ａ）は、ＳＴ１２（樹脂含浸処理）後の状態を示す図であり、ふっ素樹脂を含有する液状の熱硬化性樹脂（ふっ素系樹脂）５３を準備し、この液状の熱硬化性樹脂５３を陽極酸化皮膜５０の孔５２・・・に含浸した状態を示す。
孔５２・・・の孔径ｄ１が１００ｎｍと大きいので、多量の熱硬化性樹脂５３を孔５２・・・内に含浸させることができる。
なお、熱硬化性樹脂５３は溶媒希釈しなくても液状をなす樹脂である。
【００４１】
（ｂ）は、ＳＴ１３（樹脂硬化処理）後の状態を示す図であり、オーブンのコイル５８から矢印の如く熱を伝えることにより液状の熱硬化性樹脂５３を加熱する。液状の熱硬化性樹脂５３が硬化して熱硬化性樹脂５４となる。
これで、図３に示す特殊な陽極酸化皮膜５０に熱硬化性樹脂５４を含浸させた状態になる。
【００４２】
本発明によれば、りん酸３ナトリウムには微細な孔５２・・・の孔径を大きくする作用がある。このため、陽極酸化皮膜５０の微細な孔５２・・・を大きな孔径ｄ１にすることができる。従って、陽極酸化皮膜５０に多量の熱硬化性樹脂５４を含浸することができ、且つ含浸した熱硬化性樹脂５４を孔５２・・・内に確実に固着することができる。
この結果、ピストン天井面２０に十分な熱硬化性樹脂５４を備えることで、燃焼室内で発生したカーボンがピストン天井面２０に付着することをより効率よく防ぐことができる。
【００４３】
また、熱硬化性樹脂５４に含有したふっ素樹脂は、耐摩耗性や耐熱性に優れており、熱硬化性樹脂５４を耐摩耗性や耐熱性に優れた樹脂にすることができる。従って、熱硬化性樹脂５４を、例えば１００℃〜３００℃以上の高温において使用することができるので、ピストンのような高温状態で使用する部材に好適である。
加えて、熱硬化性樹脂５４に含有したふっ素樹脂は、非粘着性に優れている。従って、ピストン天井面に使用することで、燃焼室内に発生したカーボンがピストン天井面に付着することを効率よく防ぐことができる。
【００４４】
【実施例】
本発明に係る実施例及び比較例を表１、表２及び図９に基づいて説明する。
共通条件：
供試材 ＡＣ８Ｃ（ＪＩＳ Ｈ ５２０２ アルミニウム合金鋳物）
成分は表１に示すが、約１０％のＳｉを含む鋳物である。
【００４５】
【表１】
【００４６】
【表２】
【００４７】
実施例：
アルミ合金製内燃機関用ピストンのピストン天井面の外表面を脱脂した後、０．４モル／ｌりん酸３ナトリウム及び０．１２５モル／ｌふっ化カリウムの混合電解液で、電解液温度を２２℃、電圧を７０Ｖとして３０分間電気分解して、ピストン天井面の外表面に特殊な陽極酸化皮膜を生成した。
特殊な陽極酸化皮膜の微細な孔は孔径ｄ１（図８（ａ）参照）が１００ｎｍと大きく、陽極酸化皮膜の表面最大粗さＲｍａｘは２〜３μｍと平坦である。
なお、Ｒｍａｘは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１で定義する表面粗さの最大高さであるが、便宜上「表面最大粗さＲｍａｘ」を表記した。
【００４８】
次に、生成した陽極酸化皮膜を１０ｍｍＨｇの減圧状態で、パーフロロオクチルエチルメタクレート（熱硬化性樹脂）液中に５分間浸漬した後、大気開放して９８℃の温水に１０分間浸漬した。温水から取り出した後、オーブンで５分間加熱してパーフロロオクチルエチルメタクレートを硬化した。
この結果、ピストン天井面に十分な熱硬化性樹脂を備えることで、燃焼室内で発生したカーボンがピストン天井面に付着することをより効率よく防ぐことができた。
なお、パーフロロオクチルエチルメタクレートの化学式は以下の通りである。
【００４９】
【化１】
【００５０】
比較例：
アルミ合金製内燃機関用ピストンのピストン天井面の外表面を脱脂した後、１５％硫酸の電解液で、電解液温度を０℃、電圧を１５Ｖとして２０分間電気分解して、アルミニウム合金製ピストンの表面に普通の陽極酸化皮膜を生成した。
普通の陽極酸化皮膜の微細な孔は孔径ｄ２（図４（ｂ）参照）が１５ｎｍと小さく、陽極酸化皮膜の表面最大粗さＲｍａｘは１２〜１３μｍと凸凹である。
【００５１】
次に、生成した陽極酸化皮膜を１０ｍｍＨｇの減圧状態でパーフロロオクチルエチルメタクレート液中に５分間浸漬した後、大気開放して９８℃の温水に１０分間浸漬した。温水から取り出した後、オーブンで５分間加熱してパーフロロオクチルエチルメタクレートを硬化した。
この結果、陽極酸化皮膜の表面が凹凸になり、かつ陽極酸化皮膜の微細な孔に熱硬化性樹脂を十分に備えることができないので、燃焼室内で発生したカーボンがピストン天井面に付着することを確実に防ぐことはできなかった。
【００５２】
なお、前記実施の形態では、りん酸塩としてりん酸３ナトリウムを使用した例を示したが、その他にりん酸ナトリウムなどを使用してもよい。
また、ふっ化物としてふっ化カリウムを使用した例を示したが、その他にふっ化ナトリウムなどを使用してもよく、アルカリ金属系ふっ化物であれば同等の作用効果がある。
【００５３】
さらに、液状の熱硬化性樹脂としてパーフロロオクチルエチルメタクレート液を使用した例を説明したが、ふっ素を含んだその他の熱硬化性樹脂を使用してもよい。
なお、潤滑剤として熱硬化性樹脂を使用した例を説明したが、光硬化性樹脂などのその他の樹脂を使用しても同様の効果を得ることができる。また、光硬化性樹脂は、例えば紫外線硬化性樹脂や可視光硬化性樹脂が該当する。
【００５４】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１は、陽極酸化皮膜をりん酸塩並びにふっ化物を混合した電解液で形成した。りん酸塩には陽極酸化皮膜の微細な孔の孔径を大きくする作用があり、ふっ化物には陽極酸化皮膜を平坦にする作用がある。このため、平坦な陽極酸化皮膜の微細な孔に多量の潤滑剤を含浸させることができる。ピストン天井面に多量の潤滑剤を備えることで、燃焼室内で発生したカーボンがピストン天井面に付着することを効率よく防ぐことができる。従って、燃費やエンジン出力を向上させることができる。
また、請求項１は、耐熱性の高い陽極酸化皮膜の膜厚をピストン天井面の外周に沿った領域で大きく設定した。このため、万一燃焼室内で混合気の異常燃焼が発生して、ピストン天井面の外周に沿った領域が高温になっても、この領域のピストン母材の劣化を防ぐことができる。従って、ピストンの耐久性を高めることができる。
さらに、陽極酸化皮膜の膜厚をピストン天井面の外周に沿った領域以外の領域で小さく設定した。このため、燃焼室内の熱をピストン天井面からクランク室側に十分に逃がすことができる。従って、エンジンの性能を高めることができる。
【００５５】
請求項２は、潤滑剤にふっ素系樹脂を採用した。ふっ素系樹脂は非粘着性に優れている。従って、ピストン天井面に使用することで、燃焼室内に発生したカーボンがピストン天井面に付着することをより効率よく防ぐことができる。
加えて、ふっ素系樹脂は、耐摩耗性や耐熱性に優れており、高温において使用するピストンの品質を高めることができる。
【００５６】
また、請求項２は、耐熱性の高い陽極酸化皮膜の膜厚をピストン天井面の外周に沿った領域で大きく設定した。このため、万一燃焼室内で混合気の異常燃焼が発生して、ピストン天井面の外周に沿った領域が高温になっても、この領域のピストン母材の劣化を防ぐことができる。従って、ピストンの耐久性を高めることができる。
さらに、陽極酸化皮膜の膜厚をピストン天井面の外周に沿った領域以外の領域で小さく設定した。このため、燃焼室内の熱をピストン天井面からクランク室側に十分に逃がすことができる。従って、エンジンの性能を高めることができる。
【００５７】
請求項３は、燃焼室の左右の水平面と略同一にピストン天井面の外周に沿った領域の幅を決定し、この領域の膜厚を大きく設定した。このため、圧縮工程の終り近くで、この領域と水平面との隙間から混合気を押し出して混合気の渦流を発生させることにより、混合気の燃焼速度を速め、燃費をよくすることができる。
一方、この領域は、燃焼室の壁の近傍に存在するため、万一混合気に異常燃焼が発生すると高温になりやすく、ピストン母材が劣化する虞がある。そこで、この領域の陽極酸化皮膜の膜厚を大きく設定することで、ピストン母材の劣化を防ぐことにした。これにより、ピストンの耐久性をより高めることができる。
【００５８】
請求項４は、膜厚の大きい領域と膜厚の小さな領域とを斜面で結んだことで、膜厚の大きい領域と膜厚の小さな領域との熱膨張差を斜面で緩和することができる。このため、膜厚の大きい領域と膜厚の小さな領域との境界で陽極酸化皮膜が破損することを防ぐことができる。従って、ピストンの耐久性をより高めることができる。
加えて、膜厚の大きい領域と膜厚の小さな領域とを斜面で結んだことで、混合気の流れを妨げないで円滑に流すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るアルミ合金製内燃機関用ピストンの斜視図
【図２】図１の２−２線断面図
【図３】図２の３部拡大図
【図４】内燃機関用ピストンのスカート部に普通の陽極酸化皮膜を形成した比較例
【図５】本発明に係るアルミ合金製内燃機関用ピストンの特殊な陽極酸化皮膜処理方法を説明するフローチャート
【図６】本発明に係るアルミ合金製内燃機関用ピストンの特殊な陽極酸化皮膜処理方法の第１説明図
【図７】本発明に係るアルミ合金製内燃機関用ピストンの特殊な陽極酸化皮膜処理方法の第２説明図
【図８】本発明に係るアルミ合金製内燃機関用ピストンの特殊な陽極酸化皮膜処理方法の第３説明図
【図９】従来のアルミ合金製ピストンの天井面に陽極酸化皮膜を形成する方法の説明図
【符号の説明】
１０…アルミ合金製内燃機関用ピストン、２０…ピストン天井面、２３…外周、２４，２５，２６，２７…ピストン天井面の外周に沿った領域（膜厚の大きな領域）、２８…その他の領域（膜厚の小さな領域）、２９…斜面、３２…燃焼室、３３…天井（シリンダヘッド）、３４，３５…水平面、３６，３７…斜面、５０…陽極酸化皮膜、５２…微細な孔、５４…潤滑剤（熱硬化樹脂）、ｔ１，ｔ２…膜厚。
【発明の属する技術分野】
本発明はアルミ合金で鋳造した内燃機関用のピストンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の燃費やエンジン出力を向上させるために、燃焼室内で発生するカーボンをピストン天井面に付着させないようにした内燃機関用のピストンが知られている。このピストンの代表的な例として、特開平９−１５２０３２号公報「レシプロエンジン用のアルミ合金ピストン」が提案されている。この技術を、次図で詳しく説明する。
【０００３】
図９は従来のアルミ合金製ピストンの天井面に陽極酸化皮膜を形成する方法の説明図である。
電解液１２０中に陰極体１２１を配置し、ピストン１２４の天井面（以下、「ピストン天井面」という）１２５を電解液１２０に漬け、ピストン１２４を陽極に接続することで電解液１２０中に直流を流し、ピストン天井面１２５に陽極酸化皮膜１２７を一定の膜厚に形成する。次に、陽極酸化皮膜１２７の微細な孔に触媒金属（図示しない）を含浸させる。
この金属触媒で燃焼室内に発生したカーボンを分解し、カーボンがピストン天井面に付着することを防ぐ。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このアルミ合金製ピストンにおいて、ピストン天井面１２５の表面近傍にＳｉ粒子が分布している場合、陽極酸化皮膜処理の際にＳｉ粒子が通電を妨げる。Ｓｉ粒子が陽極酸化皮膜１２７に悪影響を及ぼして、陽極酸化皮膜１２７の表面が凹凸になる。また、普通の陽極酸化皮膜１２７は表面にできる微細な孔が小さ過ぎて、触媒金属を十分に含浸させることができない。
このため、燃焼室内に発生したカーボンがピストン天井面に付着することを十分に防ぐことはできない。従って、エンジンの燃費や出力を十分に向上させることはできない。
【０００５】
一方、燃焼室の混合気は、通常スパークプラグによる着火から末端の混合気まで順に燃焼するが、時として燃焼室の壁の熱で混合気の異常燃焼が発生することがある。この異常燃焼が発生すると、その領域（すなわち、燃焼室の壁の近傍）の温度が高くなり、ピストン天井面１２５の外周１２６に沿った領域Ｅが高温になる。従って、この領域Ｅのピストン母材が熱で劣化することを防ぐために、陽極酸化皮膜１２７を比較的厚く形成する必要がある。
【０００６】
しかし、図９の陽極酸化皮膜処理方法では、陽極酸化皮膜１２７をピストン天井面１２５に一定の膜厚で形成するので、ピストン天井面１２５の全域において陽極酸化皮膜１２７を比較的厚く設定する必要がある。
このため、ピストン天井面１２５の中央部の膜厚が厚くなり過ぎて、燃焼室内の熱をピストン天井面１２５の中央部からクランク室側に大きく逃がすことはできない。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、エンジンの燃費や出力を十分に向上させることができ、かつピストンの劣化を防ぐとともに、燃焼室内の熱をクランク室側に十分に逃がすことができるアルミ合金製内燃機関用ピストンを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の請求項１は、ピストン天井面に、りん酸塩並びにふっ化物を混合した電解液で陽極酸化皮膜を形成し、陽極酸化皮膜の微細な孔に潤滑剤を含浸させたアルミ合金製内燃機関用ピストンであって、前記陽極酸化皮膜は、ピストン天井面の外周に沿った領域をその他の領域より膜厚が大きくなるように設定したことを特徴とする。
【０００９】
陽極酸化皮膜をりん酸塩並びにふっ化物を混合した電解液で形成した。りん酸塩には陽極酸化皮膜の微細な孔の孔径を大きくする作用があり、ふっ化物には陽極酸化皮膜を平坦にする作用がある。このため、平坦な陽極酸化皮膜の微細な孔に多量の潤滑剤を含浸させる。ピストン天井面に多量の潤滑剤を備えることで、燃焼室内で発生したカーボンがピストン天井面に付着することを効率よく防ぐ。
【００１０】
また、請求項１によれば、耐熱性の高い陽極酸化皮膜の膜厚をピストン天井面の外周に沿った領域で大きく設定した。このため、万一燃焼室内で混合気の異常燃焼が発生して、ピストン天井面の外周に沿った領域が高温になっても、この領域のピストン母材の劣化を防ぐ。
さらに、陽極酸化皮膜の膜厚をピストン天井面の外周に沿った領域以外の領域で小さく設定した。このため、燃焼室内の熱をピストン天井面からクランク室側に十分に逃がす。
【００１１】
請求項２は、ピストン天井面に、りん酸塩並びにふっ化物を混合した電解液で陽極酸化皮膜を形成し、陽極酸化皮膜の微細な孔にふっ素系樹脂を含浸させたアルミ合金製内燃機関用ピストンであって、前記陽極酸化皮膜は、ピストン天井面の外周に沿った領域をその他の領域より膜厚が大きくなるように設定したことを特徴とする。
潤滑剤にふっ素系樹脂を採用した。ふっ素系樹脂は非粘着性に優れている。従って、ピストン天井面に使用することで、燃焼室内に発生したカーボンがピストン天井面に付着することを効率よく防ぐ。
加えて、ふっ素系樹脂は、耐摩耗性や耐熱性に優れており、高温において使用するピストンの品質を高める。
【００１２】
また、請求項２によれば、耐熱性の高い陽極酸化皮膜の膜厚をピストン天井面の外周に沿った領域で大きく設定した。このため、万一燃焼室内で混合気の異常燃焼が発生して、ピストン天井面の外周に沿った領域が高温になっても、この領域のピストン母材の劣化を防ぐ。
さらに、陽極酸化皮膜の膜厚をピストン天井面の外周に沿った領域以外の領域で小さく設定した。このため、燃焼室内の熱をピストン天井面からクランク室側に十分に逃がす。
【００１３】
請求項３は、燃焼室の天井が左右の水平面とこの水平面から立上り左右の斜面とで逆Ｖ字断面にしたときに、左右の水平面の幅に略同一幅となる様に、前記膜厚の大きいピストン天井面の外周に沿った領域の幅を決定したことを特徴とする。
【００１４】
燃焼室の左右の水平面と略同一にピストン天井面の外周に沿った領域の幅を決定し、この領域の膜厚を大きく設定した。このため、圧縮工程の終り近くで、この領域と水平面との隙間から混合気を押し出して混合気の渦流を発生させることにより、混合気の燃焼速度を速め、燃費をよくする。
一方、この領域は、燃焼室の壁の近傍に存在するため、万一混合気に異常燃焼が発生すると高温になりやすく、ピストン母材が劣化する虞がある。そこで、この領域の陽極酸化皮膜の膜厚を大きく設定することで、ピストン母材の劣化を防ぐことにした。
【００１５】
請求項４は、膜厚の大きい領域と膜厚の小さな領域とを斜面で結んだことを特徴とする。
【００１６】
膜厚の大きい領域と膜厚の小さな領域とを斜面で結んだことで、膜厚の大きい領域と膜厚の小さな領域との熱膨張差を斜面で緩和する。このため、膜厚の大きい領域と膜厚の小さな領域との境界で陽極酸化皮膜が破損することを防ぐ。
加えて、膜厚の大きい領域と膜厚の小さな領域とを斜面で結んだことで、混合気の流れを妨げないで円滑に流す。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１は本発明に係るアルミ合金製内燃機関用ピストンの斜視図である。
アルミ合金製内燃機関用ピストン１０は、ピストン頭部１２にピストンリング溝１３，１４及びオイルリング溝１５を形成し、オイルリング溝１５の下側に一対のスカート部１６，１６を形成し、一対のスカート部１６，１６の間に一対のピンボス部１７，１７（奥側のピンボス部１７は図示せず）を形成したＳｉ（シリコン）系アルミニウム合金で形成した部材である。
【００１８】
このアルミ合金製内燃機関用ピストン１０は、ピストン天井面２０（網目で示す領域）に、りん酸塩並びにふっ化物を混合した電解液で陽極酸化皮膜（特殊な陽極酸化皮膜）５０，５０を形成し、特殊な陽極酸化皮膜５０の微細な孔に潤滑剤（図３に示す）を含浸させた部材である。
【００１９】
陽極酸化皮膜５０は、ピストン天井面２０の外周２３に沿った領域（想像線３０の外側の領域）２４，２５，２６，２７をその他の領域（想像線３０の内側の領域）２８より膜厚が大きくなるように設定したことを特徴とする。
以下、ピストン天井面２０の外周２３に沿った領域２４，２５について説明し、領域２６，２７の説明は省略する。
１８はピストンピン、１９はコンロッドである。２１，２１は吸気バルブとの干渉を避けるための凹み、２２，２２は排気バルブとの干渉を避けるための凹みである。
【００２０】
図２は図１の２−２線断面図であり、ピストン天井面２０の外周２３に沿った領域２４，２５の膜厚ｔ１をその他の領域２８の膜厚ｔ２より大きく設定し、ピストン天井面２０の外周２３に沿った領域（すなわち、膜厚の大きい領域）２４，２５とその他の領域（すなわち、膜厚の小さな領域）２８とを斜面２９で結んだ状態を示す。
【００２１】
膜厚ｔ１は８〜１２μｍの範囲に設定することが好ましく、膜厚ｔ２は１〜５μｍの範囲に設定することが好ましい。
耐熱性の高い陽極酸化皮膜５０の膜厚ｔ１を８μｍ以上に設定することで、ピストン母材の劣化を確実に防ぐようにした。
また、膜厚ｔ１を１２μｍ以下に設定することで、陽極酸化皮膜処理の時間を抑えて生産性を高めるようにした。
【００２２】
膜厚ｔ２を１μｍ以上に設定することで、燃焼室に発生したカーボンがピストン天井面２０に付かないようにした。
また、膜厚ｔ２を５μｍ以下に設定することで、燃焼室内の熱をピストン天井面２０からクランク室側に十分に逃がすようにした。
【００２３】
また、ピストン天井面２０の外周２３に沿った領域２４，２５を、燃焼室３２の天井（シリンダヘッド）３３が左右の水平面３４，３５とこの水平面３４，３５から立上り左右の斜面３６，３７とで逆Ｖ字断面にしたときに、左右の水平面３４，３５の幅に略同一幅Ｗとなる様に決定した。
【００２４】
すなわち、ピストン天井面２０の外周２３に沿った領域２４，２５、及びシリンダヘッド３３の左右の水平面３４，３５はスキッシュ領域である。ここで、スキッシュ（squash）とは、アルミ合金製内燃機関用ピストン１０を上死点まで上昇させて混合気を圧縮する際に（すなわち、圧縮工程の終り近くで）、アルミ合金製内燃機関用ピストン１０のスキッシュ領域２４，２５とシリンダヘッド３３のスキッシュ領域３４，３５との隙間から混合気を矢印の如く押し出すことにより、混合気に発生する渦流をいう。
スキッシュを発生させることにより、混合気の燃焼速度を速め、燃費をよくすることができる。なお、４１は吸気バルブ、４２は排気バルブである。
【００２５】
ところで、燃焼室３２の混合気は、通常スパークプラグ（図示しない）による着火から末端の混合気まで順に燃焼するが、時として燃焼室３２の壁（例えば、水平面３４，３５）の熱で混合気が異常燃焼が発生することがある。この異常燃焼が発生すると、アルミ合金製内燃機関用ピストン１０のスキッシュ領域２４，２５が高温になる。従って、ピストン天井面２０の外周２３に沿ったスキッシュ領域２４，２５の皮膜が薄いと、ピストン母材が劣化する虞がある。そこで、スキッシュ領域２４，２５の皮膜を厚く設定することでピストン母材が劣化することを防ぐことにした。
【００２６】
一方、ピストン天井面２０の中央領域では陽極酸化皮膜５０の膜厚を厚くすると、燃焼室３２内の熱をピストン天井面２０の中央部からクランク室側に十分に逃がすことはできない。
そこで、ピストン天井面２０の中央領域を膜厚の小さな領域２８として、燃焼室３２内の熱をクランク室側に十分に逃がすことにした。
【００２７】
図３は図２の３部拡大図であり、ピストン天井面２０に形成した特殊な陽極酸化皮膜５０を示す。なお、潤滑剤５４として熱硬化性樹脂を使用した例を説明する。
特殊な陽極酸化皮膜５０は、膜厚ｔ３が略一定で皮膜面５０ａを平坦に形成し、皮膜面５０ａに微細な孔５２・・・（・・・は複数個を示す。以下同様。）を備えたものである。孔５２・・・は孔径ｄ１が比較的大きい孔である。このため、孔５２・・・に十分な量の潤滑剤（熱硬化性樹脂）５４を含浸することができ、含浸した熱硬化性樹脂５４を孔５２・・・内に確実に固着することができる。
ピストン天井面２０に十分な熱硬化性樹脂５４を備えることで、燃焼室内で発生したカーボンがピストン天井面２０に付着することをより効率よく防ぐことができる。
【００２８】
以下、図４で普通の陽極酸化皮膜の形成方法を比較例として説明する。
図４（ａ）〜（ｃ）は内燃機関用ピストンのスカート部に普通の陽極酸化皮膜を形成した比較例を示す。
（ａ）は、硫酸電解液で生成した普通の陽極酸化皮膜を示す。母材としてのアルミ合金製内燃機関用ピストンの天井面１００にＳｉ粒１１１・・・が分布し、そのうちの表面近傍のＳｉ粒１１２・・・が陽極酸化皮膜１１３に悪影響を及ぼして、陽極酸化皮膜１１３が全体的に凹凸となっている。
【００２９】
（ｂ）は、（ａ）の拡大図であり、たまたま表面に出ていたＳｉ粒１１５の部分には陽極酸化皮膜を形成できずに大きな窪みＤ１となり、また、表面にごく近いＳｉ粒１１６の部分には陽極酸化皮膜１１７が形成できたけれども、膜厚は周囲の陽極酸化皮膜１１３と比べると小さく、窪みＤ２ができている。
すなわち、Ｓｉを含むアルミニウム合金製ピストン１００を硫酸電解液で陽極酸化処理をしても、平坦な陽極酸化皮膜１１３が得られないことが分かった。
また、硫酸電解液では、微細な孔１１８・・・の孔径をｄ２とすると、ｄ２は一般的に１５ｎｍ程度と小さいことが分かった。
【００３０】
（ｃ）は、液状の熱硬化性樹脂を微細な孔１１８・・・に含浸させ、含浸した液状の熱硬化性樹脂を加熱して硬化樹脂１１９・・・に変えた状態を示す。
樹脂はカーボンを付着させない材質なので、陽極酸化皮膜１１３，１１７に硬化樹脂１１９・・・を含浸させることで、ピストン天井面へのカーボンの付着をある程度防ぐことができる。
【００３１】
しかし、（ｂ）に示したように、陽極酸化皮膜１１３に窪みＤ１，Ｄ２が発生して陽極酸化皮膜１１３を平坦に生成することが困難であり、また、陽極酸化皮膜１１３に発生した微細な孔１１８・・・の孔径ｄ２が小さいので陽極酸化皮膜１１３に樹脂１１９を十分に含有することはできない。
陽極酸化皮膜１１３に窪みＤ１，Ｄ２が発生し、かつピストン天井面２０に十分な熱硬化性樹脂１１９・・・を備えることができないので、燃焼室内で発生したカーボンがピストン天井面に付着することを確実に防ぐことはできない。
【００３２】
以下、図３の断面拡大図に示した特殊な陽極酸化皮膜を形成する方法を説明する。
図５は本発明に係るアルミ合金製内燃機関用ピストンの特殊な陽極酸化皮膜処理方法を説明するフローチャートであり、図中ＳＴ××はステップ番号を示す。
ＳＴ１０；アルミ合金製内燃機関用ピストン（すなわち、Ｓｉ系アルミニウム合金としてのＡＣ８Ｃアルミニウム合金製ピストン）のピストン天井面を脱脂する。
ＳＴ１１；りん酸塩としてのりん酸３ナトリウム及びふっ化物としてのふっ化カリウムの混合水溶液中で電気分解して、ピストン天井面の外表面に特殊な陽極酸化皮膜を生成する。この陽極酸化皮膜の表面に微細な孔が生成する。
【００３３】
ＳＴ１２；ふっ素樹脂を含有する液状の熱硬化性樹脂（ふっ素系樹脂）を準備し、この液状の熱硬化性樹脂を陽極酸化皮膜の微細な孔に含浸させる。
ＳＴ１３；微細な孔に含浸した液状の熱硬化性樹脂を加熱することにより硬化させる。これで、本発明に係るアルミニウム合金製ピストンの陽極酸化処理が完了する。
以下、Ｓｉ系アルミニウム合金の陽極酸化処理方法のＳＴ１０〜ＳＴ１３を図６〜図８で詳しく説明する。
【００３４】
図６（ａ），（ｂ）は本発明に係るアルミ合金製内燃機関用ピストンの特殊な陽極酸化皮膜処理方法の第１説明図であり、ＳＴ１０及びＳＴ１１の工程を示す。なお、ＳＴ１０及びＳＴ１１の工程は図７で詳しく説明する。
（ａ）において、電解液槽６０に電解液６１を充填した陽極酸化皮膜処理装置を準備する。次に、環状の陰極筒体６３に絶縁性筒体６４を差し込み、陰極筒体６３及び絶縁性筒体６４を電解液６１に漬ける。次いで、アルミ合金製内燃機関用ピストン１０のトップリング溝１１に絶縁性の環状部材（マスク）６５を嵌め込み、ピストン天井面２０を脱脂する。続いて、ピストン天井面２０を矢印の如く電解液６１に漬ける。
【００３５】
（ｂ）において、アルミ合金製内燃機関用ピストン１０を陽極に接続することにより、ピストン天井面２０と陰極筒体６３との間に電流を流す。
ここで、陰極筒体６３は、外径Ｄをアルミ合金製内燃機関用ピストン１０の外径と同じに設定し、厚さＴをピストン天井面２０の外周２３に沿った領域２４，２５の幅Ｗ（図２参照）と同じに設定した。このため、陰極筒体６３からピストン天井面２０の外周２３に沿った領域２４，２５に向って多量の電流が矢印▲１▼の如く流れる。従って、ピストン天井面２０の外周２３に沿った領域２４，２５を膜厚の大きい領域とすることができる。
【００３６】
一方、陰極筒体６３には絶縁性筒体６４が差し込まれているので、陰極筒体６３からピストン天井面２０の中央（すなわち、その他の領域）２８に向う電流の流れを絶縁性筒体６４で遮る。このため、絶縁性筒体６４を回避した電流のみがピストン天井面２０のその他の領域２８に向けて流れるので、ピストン天井面２０のその他の領域２８には矢印▲２▼のごとく少量の電流しか流れない。従って、ピストン天井面２０のその他の領域２８を膜厚の小さな領域とすることができる。
【００３７】
図７（ａ），（ｂ）は本発明に係るアルミ合金製内燃機関用ピストンの特殊な陽極酸化皮膜処理方法の第２説明図である。
（ａ）は、ＳＴ１０（脱脂）後の状態を示す図であり、ピストン天井面２０の外表面２０ａを脱脂した状態を示す。
ピストン天井面２０の外表面２０ａの近傍にはアルミニウムにＳｉ粒５５，５６，５７が分散している。
【００３８】
（ｂ）は、ＳＴ１１（特殊な陽極酸化皮膜処理）後の状態を示す図であり、りん酸３ナトリウム及びふっ化カリウムの混合水溶液中で電気分解して陽極酸化皮膜５０を生成した状態を示す。
りん酸３ナトリウムの腐食作用でピストン天井面２０の外表面２０ａ（（ａ）に示す）が溶解して、Ｓｉ粒５５，５６，５７が露出する。露出したＳｉ粒５５，５６，５７がふっ化カリウムの作用で溶解して小さくなる。
【００３９】
このため、ピストン天井面２０の外表面２０ａにＳｉ粒５５，５６，５７が存在するにも拘らず、陽極酸化皮膜５０が良好に成長する。この結果、陽極酸化皮膜５０の皮膜面５０ａが揃うので、面粗度は小さくなり、膜厚ｔ３はほぼ一定となる。
また、電解液にはりん酸３ナトリウムを含むため、りん酸３ナトリウムの孔径を大きくする作用で、微細な孔５２・・・の孔径ｄ１は略１００ｎｍと十分に大きくなる。
【００４０】
図８（ａ），（ｂ）は本発明に係るアルミ合金製内燃機関用ピストンの特殊な陽極酸化皮膜処理方法の第３説明図である。
（ａ）は、ＳＴ１２（樹脂含浸処理）後の状態を示す図であり、ふっ素樹脂を含有する液状の熱硬化性樹脂（ふっ素系樹脂）５３を準備し、この液状の熱硬化性樹脂５３を陽極酸化皮膜５０の孔５２・・・に含浸した状態を示す。
孔５２・・・の孔径ｄ１が１００ｎｍと大きいので、多量の熱硬化性樹脂５３を孔５２・・・内に含浸させることができる。
なお、熱硬化性樹脂５３は溶媒希釈しなくても液状をなす樹脂である。
【００４１】
（ｂ）は、ＳＴ１３（樹脂硬化処理）後の状態を示す図であり、オーブンのコイル５８から矢印の如く熱を伝えることにより液状の熱硬化性樹脂５３を加熱する。液状の熱硬化性樹脂５３が硬化して熱硬化性樹脂５４となる。
これで、図３に示す特殊な陽極酸化皮膜５０に熱硬化性樹脂５４を含浸させた状態になる。
【００４２】
本発明によれば、りん酸３ナトリウムには微細な孔５２・・・の孔径を大きくする作用がある。このため、陽極酸化皮膜５０の微細な孔５２・・・を大きな孔径ｄ１にすることができる。従って、陽極酸化皮膜５０に多量の熱硬化性樹脂５４を含浸することができ、且つ含浸した熱硬化性樹脂５４を孔５２・・・内に確実に固着することができる。
この結果、ピストン天井面２０に十分な熱硬化性樹脂５４を備えることで、燃焼室内で発生したカーボンがピストン天井面２０に付着することをより効率よく防ぐことができる。
【００４３】
また、熱硬化性樹脂５４に含有したふっ素樹脂は、耐摩耗性や耐熱性に優れており、熱硬化性樹脂５４を耐摩耗性や耐熱性に優れた樹脂にすることができる。従って、熱硬化性樹脂５４を、例えば１００℃〜３００℃以上の高温において使用することができるので、ピストンのような高温状態で使用する部材に好適である。
加えて、熱硬化性樹脂５４に含有したふっ素樹脂は、非粘着性に優れている。従って、ピストン天井面に使用することで、燃焼室内に発生したカーボンがピストン天井面に付着することを効率よく防ぐことができる。
【００４４】
【実施例】
本発明に係る実施例及び比較例を表１、表２及び図９に基づいて説明する。
共通条件：
供試材 ＡＣ８Ｃ（ＪＩＳ Ｈ ５２０２ アルミニウム合金鋳物）
成分は表１に示すが、約１０％のＳｉを含む鋳物である。
【００４５】
【表１】
【表２】
実施例：
アルミ合金製内燃機関用ピストンのピストン天井面の外表面を脱脂した後、０．４モル／ｌりん酸３ナトリウム及び０．１２５モル／ｌふっ化カリウムの混合電解液で、電解液温度を２２℃、電圧を７０Ｖとして３０分間電気分解して、ピストン天井面の外表面に特殊な陽極酸化皮膜を生成した。
特殊な陽極酸化皮膜の微細な孔は孔径ｄ１（図８（ａ）参照）が１００ｎｍと大きく、陽極酸化皮膜の表面最大粗さＲｍａｘは２〜３μｍと平坦である。
なお、Ｒｍａｘは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１で定義する表面粗さの最大高さであるが、便宜上「表面最大粗さＲｍａｘ」を表記した。
【００４８】
次に、生成した陽極酸化皮膜を１０ｍｍＨｇの減圧状態で、パーフロロオクチルエチルメタクレート（熱硬化性樹脂）液中に５分間浸漬した後、大気開放して９８℃の温水に１０分間浸漬した。温水から取り出した後、オーブンで５分間加熱してパーフロロオクチルエチルメタクレートを硬化した。
この結果、ピストン天井面に十分な熱硬化性樹脂を備えることで、燃焼室内で発生したカーボンがピストン天井面に付着することをより効率よく防ぐことができた。
なお、パーフロロオクチルエチルメタクレートの化学式は以下の通りである。
【００４９】
【化１】
比較例：
アルミ合金製内燃機関用ピストンのピストン天井面の外表面を脱脂した後、１５％硫酸の電解液で、電解液温度を０℃、電圧を１５Ｖとして２０分間電気分解して、アルミニウム合金製ピストンの表面に普通の陽極酸化皮膜を生成した。
普通の陽極酸化皮膜の微細な孔は孔径ｄ２（図４（ｂ）参照）が１５ｎｍと小さく、陽極酸化皮膜の表面最大粗さＲｍａｘは１２〜１３μｍと凸凹である。
【００５１】
次に、生成した陽極酸化皮膜を１０ｍｍＨｇの減圧状態でパーフロロオクチルエチルメタクレート液中に５分間浸漬した後、大気開放して９８℃の温水に１０分間浸漬した。温水から取り出した後、オーブンで５分間加熱してパーフロロオクチルエチルメタクレートを硬化した。
この結果、陽極酸化皮膜の表面が凹凸になり、かつ陽極酸化皮膜の微細な孔に熱硬化性樹脂を十分に備えることができないので、燃焼室内で発生したカーボンがピストン天井面に付着することを確実に防ぐことはできなかった。
【００５２】
なお、前記実施の形態では、りん酸塩としてりん酸３ナトリウムを使用した例を示したが、その他にりん酸ナトリウムなどを使用してもよい。
また、ふっ化物としてふっ化カリウムを使用した例を示したが、その他にふっ化ナトリウムなどを使用してもよく、アルカリ金属系ふっ化物であれば同等の作用効果がある。
【００５３】
さらに、液状の熱硬化性樹脂としてパーフロロオクチルエチルメタクレート液を使用した例を説明したが、ふっ素を含んだその他の熱硬化性樹脂を使用してもよい。
なお、潤滑剤として熱硬化性樹脂を使用した例を説明したが、光硬化性樹脂などのその他の樹脂を使用しても同様の効果を得ることができる。また、光硬化性樹脂は、例えば紫外線硬化性樹脂や可視光硬化性樹脂が該当する。
【００５４】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１は、陽極酸化皮膜をりん酸塩並びにふっ化物を混合した電解液で形成した。りん酸塩には陽極酸化皮膜の微細な孔の孔径を大きくする作用があり、ふっ化物には陽極酸化皮膜を平坦にする作用がある。このため、平坦な陽極酸化皮膜の微細な孔に多量の潤滑剤を含浸させることができる。ピストン天井面に多量の潤滑剤を備えることで、燃焼室内で発生したカーボンがピストン天井面に付着することを効率よく防ぐことができる。従って、燃費やエンジン出力を向上させることができる。
また、請求項１は、耐熱性の高い陽極酸化皮膜の膜厚をピストン天井面の外周に沿った領域で大きく設定した。このため、万一燃焼室内で混合気の異常燃焼が発生して、ピストン天井面の外周に沿った領域が高温になっても、この領域のピストン母材の劣化を防ぐことができる。従って、ピストンの耐久性を高めることができる。
さらに、陽極酸化皮膜の膜厚をピストン天井面の外周に沿った領域以外の領域で小さく設定した。このため、燃焼室内の熱をピストン天井面からクランク室側に十分に逃がすことができる。従って、エンジンの性能を高めることができる。
【００５５】
請求項２は、潤滑剤にふっ素系樹脂を採用した。ふっ素系樹脂は非粘着性に優れている。従って、ピストン天井面に使用することで、燃焼室内に発生したカーボンがピストン天井面に付着することをより効率よく防ぐことができる。
加えて、ふっ素系樹脂は、耐摩耗性や耐熱性に優れており、高温において使用するピストンの品質を高めることができる。
【００５６】
また、請求項２は、耐熱性の高い陽極酸化皮膜の膜厚をピストン天井面の外周に沿った領域で大きく設定した。このため、万一燃焼室内で混合気の異常燃焼が発生して、ピストン天井面の外周に沿った領域が高温になっても、この領域のピストン母材の劣化を防ぐことができる。従って、ピストンの耐久性を高めることができる。
さらに、陽極酸化皮膜の膜厚をピストン天井面の外周に沿った領域以外の領域で小さく設定した。このため、燃焼室内の熱をピストン天井面からクランク室側に十分に逃がすことができる。従って、エンジンの性能を高めることができる。
【００５７】
請求項３は、燃焼室の左右の水平面と略同一にピストン天井面の外周に沿った領域の幅を決定し、この領域の膜厚を大きく設定した。このため、圧縮工程の終り近くで、この領域と水平面との隙間から混合気を押し出して混合気の渦流を発生させることにより、混合気の燃焼速度を速め、燃費をよくすることができる。
一方、この領域は、燃焼室の壁の近傍に存在するため、万一混合気に異常燃焼が発生すると高温になりやすく、ピストン母材が劣化する虞がある。そこで、この領域の陽極酸化皮膜の膜厚を大きく設定することで、ピストン母材の劣化を防ぐことにした。これにより、ピストンの耐久性をより高めることができる。
【００５８】
請求項４は、膜厚の大きい領域と膜厚の小さな領域とを斜面で結んだことで、膜厚の大きい領域と膜厚の小さな領域との熱膨張差を斜面で緩和することができる。このため、膜厚の大きい領域と膜厚の小さな領域との境界で陽極酸化皮膜が破損することを防ぐことができる。従って、ピストンの耐久性をより高めることができる。
加えて、膜厚の大きい領域と膜厚の小さな領域とを斜面で結んだことで、混合気の流れを妨げないで円滑に流すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るアルミ合金製内燃機関用ピストンの斜視図
【図２】図１の２−２線断面図
【図３】図２の３部拡大図
【図４】内燃機関用ピストンのスカート部に普通の陽極酸化皮膜を形成した比較例
【図５】本発明に係るアルミ合金製内燃機関用ピストンの特殊な陽極酸化皮膜処理方法を説明するフローチャート
【図６】本発明に係るアルミ合金製内燃機関用ピストンの特殊な陽極酸化皮膜処理方法の第１説明図
【図７】本発明に係るアルミ合金製内燃機関用ピストンの特殊な陽極酸化皮膜処理方法の第２説明図
【図８】本発明に係るアルミ合金製内燃機関用ピストンの特殊な陽極酸化皮膜処理方法の第３説明図
【図９】従来のアルミ合金製ピストンの天井面に陽極酸化皮膜を形成する方法の説明図
【符号の説明】
１０…アルミ合金製内燃機関用ピストン、２０…ピストン天井面、２３…外周、２４，２５，２６，２７…ピストン天井面の外周に沿った領域（膜厚の大きな領域）、２８…その他の領域（膜厚の小さな領域）、２９…斜面、３２…燃焼室、３３…天井（シリンダヘッド）、３４，３５…水平面、３６，３７…斜面、５０…陽極酸化皮膜、５２…微細な孔、５４…潤滑剤（熱硬化樹脂）、ｔ１，ｔ２…膜厚。
Claims (4)
- ピストン天井面に、りん酸塩並びにふっ化物を混合した電解液で陽極酸化皮膜を形成し、陽極酸化皮膜の微細な孔に潤滑剤を含浸させたアルミ合金製内燃機関用ピストンであって、
前記陽極酸化皮膜は、ピストン天井面の外周に沿った領域をその他の領域より膜厚が大きくなるように設定したことを特徴とするアルミ合金製内燃機関用ピストン。 - ピストン天井面に、りん酸塩並びにふっ化物を混合した電解液で陽極酸化皮膜を形成し、陽極酸化皮膜の微細な孔にふっ素系樹脂を含浸させたアルミ合金製内燃機関用ピストンであって、
前記陽極酸化皮膜は、ピストン天井面の外周に沿った領域をその他の領域より膜厚が大きくなるように設定したことを特徴とするアルミ合金製内燃機関用ピストン。 - 燃焼室の天井が左右の水平面とこの水平面から立上り左右の斜面とで逆Ｖ字断面にしたときに、左右の水平面の幅に略同一幅となる様に、前記膜厚の大きいピストン天井面の外周に沿った領域の幅を決定したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のアルミ合金製内燃機関用ピストン。
- 前記膜厚の大きい領域と膜厚の小さな領域とを斜面で結んだことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のアルミ合金製内燃機関用ピストン。
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