JP4438609B2 - ピストン - Google Patents

Description

本発明は、ピストンに関し、特に、小型軽量化されたピストンの要求特性を向上させることができるピストンに関する。

近年、内燃機関用ピストンにおいては、燃費向上の観点から軽量化が望まれ、ピストンの小型軽量化が進んでいるが、その反面、耐摩耗性、耐焼付き性、低フリクション性等の要求特性が厳しくなっている。そのため、従来のピストンでは、アルミニウムやアルミニウム合金等の軽量材料を用い、その表面を強化することによって、軽量化と、耐摩耗や耐焼付き性等の特性の向上が図られている（例えば、特許文献１〜５参照）。

特開平１０−３３１９７０号公報 特開平１１−０２２５４５号公報 特開２００１−７３８６９号公報 特開２００３−０１３８０２号公報 特開２００１−２７１７０４号公報 特開２０００−３４５３７０号公報

特許文献１に記載のピストンでは、Ｓｉを含有するアルミニウム合金鋳物の表面に固体潤滑剤を含む樹脂焼成膜で覆うことによって、耐アルミニウム凝着性、耐剥離性、耐摩耗性を向上させることができるとしているが、これでは燃焼時の温度上昇により樹脂焼成膜が炭化してしまい、耐久性が不十分である。

特許文献２、３に記載されたピストンでは、アルミニウム合金製のピストンのトップリング溝に鉄系焼結合金やアルミニウム合金からなる耐摩環を鋳包むことによって、耐摩耗性等を向上させることができるとしているが、鋳包んだ後、所定の製品形状に仕上げる際、切削加工が困難になり、機械加工費が上がるばかりでなく、重量増加や、熱伝導性が悪くなるといった欠点がある。

特許文献４、５に記載されたピストンでは、アルミ合金製のピストンの表面に陽極酸化被膜を形成し、当該陽極酸化被膜の微細な孔に潤滑材や熱硬化樹脂を含浸させることによって、耐摩耗性等を向上させるとしているが、陽極酸化被膜の硬度は最大でＨＶ４００程度であり、現状の小型化ニーズに対し耐摩耗性、耐焼付き性が不十分である。また、Ｓｉ含有量が多い鋳物材料では、陽極酸化被膜自体の成膜が困難である。さらに、陽極酸化被膜は、柱状に結晶が成長するため（図６（Ｂ）の１１０参照）、膜厚を厚くすると面の平滑度や面粗度が悪くなりやすく、ピストンリング溝部分やスカート部分のガスシール性が低下する。

本発明の課題は、小型軽量化されたピストンの要求特性を向上させることである。

本発明の一視点においては、アルミニウム及びアルミニウム合金のいずれか１つの材料よりなるピストンにおいて、表面の全体又は所定の部分がプラズマ酸化被膜で覆われており、前記プラズマ酸化皮膜はα−Ａｌ _２ Ｏ _３ とγ−Ａｌ _２ Ｏ _３ とを含む１層であり、前記α−Ａｌ _２ Ｏ _３ の一部はアモルファス化していることを特徴とする。
本発明の前記ピストンにおいて、前記プラズマ酸化被膜は、α−アルミナを０．５質量％以上９５質量％以下含むことが好ましい。
本発明の前記ピストンにおいて、前記所定の部分は、ピストンリングと接触するピストンリング溝部分、シリンダーと接触するピストンカート部分、及びピストンピンと接触するピンボス部分のいずれか１つ以上の部分であることが好ましい。
本発明の前記ピストンにおいて、前記プラズマ酸化被膜の膜厚は、１μｍ以上３０μｍ未満であることが好ましい。

本発明（請求項１〜３）によれば、ピストンの表面をプラズマ酸化被膜で被覆することにより、耐摩耗性、低フリクション性等の要求特性を向上させることができるので、長期間にわたって所望のエンジン出力特性を得ることができる。また、プラズマ酸化被膜で被覆することで、プラズマ酸化被膜の表面に樹脂などを含浸させなくても耐摩耗性を有するので、耐焼付き性にも優れる。さらに、プラズマ酸化被膜で被覆することで、被膜の平滑度や面粗度がよくなるので、短い慣らし運転で所望のエンジン出力特性を得ることができる。

本発明（請求項３）によれば、耐摩耗性の向上の結果、ピストンリング溝部分をプラズマ酸化被膜で覆うことで、より燃焼効率を高めるようにピストンリング溝の位置を燃焼室側に近づけることが可能になり、燃費向上及び小型軽量化につながる。つまり、ピストンとピストンリングとシリンダの３面によって形成される隙間に入った燃料ガスはプラグ点火によっても燃焼せずに排気されてしまうが、ピストンリング溝の位置を燃焼室側に近づけることで当該隙間が小さくなり、燃焼しないで排出される燃料ガスが減少し、その結果、燃費の向上につながる。

本発明（請求項３）によれば、スカート部分やピンボス部分をプラズマ酸化被膜で覆うことにより、フリクションが低下し、エンジンのフリクションロスの低減による燃費向上につながる。

本発明の実施形態１について図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態１に係るピストンの構成を模式的に示した正面図である。

ピストン１は、内燃機関で用いられるものであり、Ｓｉ（シリコン）系アルミニウム合金で形成した部材である。なお、Ｓｉ系アルミニウム合金以外にも、アルミニウム、マグネシウム、マグネシウム合金を用いてもよい。ピストン１は、上面部１１近傍の円筒面に複数のピストンリング溝部分（トップリング溝１２、セカンドリング溝１３及びオイルリング溝１４）が形成されている。ピストン１は、オイルリング溝１４の下側にスカート部分１５を有する。ピストン１は、スカート部分１５の所定の位置にピストンピン（図示せず）と連結するためのピンボス部分１６が形成されている。

ピストンリング溝部分のトップリング溝１２の表面には、プラズマ酸化被膜１７が覆われている。なお、プラズマ酸化被膜１７は、トップリング溝１２の表面以外にも、ピストン１の全表面を覆ってもよく、セカンドリング溝１３、オイルリング溝１４、スカート部分１５、及びピンボス部分１６のいずれかの表面を覆ってもよい。プラズマ酸化被膜１７は、後述するプラズマ酸化処理を行うことによって形成される。プラズマ酸化処理によれば、溶解と凝固を繰り返しながら成膜していくため、平滑性が高く、面粗度に優れ、フリクションを低下させることができる（図６（Ａ）参照）。プラズマ酸化処理によれば、アルミニウムの場合はＳｉ含有量が２５質量％まで処理が可能である。一方、通常の陽極酸化処理では、Ｓｉ含有量が１２質量％程度までのものしか処理できない。つまり、本発明のピストンにおいては、アルミニウム合金のＳｉ含有量を２５質量％程度まで増加させることができるという効果がある。Ｓｉの含有量を増加させることで、ピストンの剛性を向上させることができ、ピストンの薄肉軽量化に貢献できる。さらに、Ｓｉの含有量を増加させることで、ピストンの熱膨張が小さくなり、シリンダやピストンピンのクリアランスを小さくすることができるので、ピストンの振動や音を軽減することができる。この場合、アルミニウム合金のＳｉ含有量は、特に１２質量％以上２５質量％以下とすることができる。

プラズマ酸化被膜１７は、α−Ａｌ_２Ｏ_３（α−アルミナ）と、γ−Ａｌ_２Ｏ_３（γ−アルミナ）と、を含む。ここで、プラズマ酸化処理被膜１７中におけるα−Ａｌ_２Ｏ_３
の含有量は０．５〜９５質量％とすることができる。プラズマ酸化被膜１７の組成について、プラズマ酸化被膜１７のＸ線回折図形と、標準試薬（α−Ａｌ_２Ｏ_３とγ−Ａｌ_２Ｏ_３を所定の割合で混合したもの）のＸ線回折図形と、をα−Ａｌ_２Ｏ_３に対応する２θ＝４３．３１°と、γ−Ａｌ_２Ｏ_３に対応する２θ＝４５．７８°及び６６．８６°にて面積比を計算してプラズマ酸化被膜１７の組成を推定したところ、プラズマ酸化被膜１７の組成は、α−Ａｌ_２Ｏ_３が０．５〜９５質量％、γ−Ａｌ_２Ｏ_３が５〜９９．５質量％と推定される。プラズマ酸化被膜１７においてα−Ａｌ_２Ｏ_３がこのような割合で生成されることにより、非常に高硬度（ＨＶ１２００〜１４００）となり、ピストンリング溝部分（特に、トップリング溝１２）の位置を燃焼室側に近づけることが可能になる。なお、プラズマ酸化被膜１７は、α−Ａｌ_２Ｏ_３の一部がアモルファス化（非晶質化）しているため、Ｘ線回折ではα−Ａｌ_２Ｏ_３が微量しか検出できないが、実際には数倍の割合のα−Ａｌ_２Ｏ_３が含まれていると考えられる。図５を参照すると、プラズマ酸化被膜１７は、従来の陽極酸化被膜よりも、割合的にみて明らかにα−Ａｌ_２Ｏ_３に対応するピーク（図５の丸印参照）が多いことがわかる。

プラズマ酸化被膜１７の膜厚は、１〜１００μｍであり、好ましくは１０〜２０μｍである。１μｍより小さいと、十分なエネルギーが得られずα相が生成しない、あるいは生成し難いため、十分な膜の強度が得られない。１００μｍより大きいと膜の粗さが粗くなり本発明の特徴である、ガスシール性が損なわれる。

次に、プラズマ酸化処理について説明する。

プラズマ酸化処理では、脱脂工程、荒洗浄工程、仕上洗浄工程、プラズマ酸化工程、洗浄工程、乾燥工程の順に行なわれる。

脱脂工程では、例えば、アルカリ溶液を用いてピストンの表面に付着した加工油等の洗浄除去を行う。荒洗浄工程では、例えば、洗剤による超音波洗浄を行う。仕上洗浄工程では、例えば、脱イオン水（又は超純水）を用いて超音波洗浄を行う。仕上洗浄工程の後、ピストンのプラズマ酸化被膜を形成する領域以外の表面にマスクを形成する。なお、ピストンの全表面にプラズマ酸化皮膜を形成する場合はマスクをしない。

プラズマ酸化工程では、ワークとなるピストンを処理液に浸漬し、プラズマ酸化処理を行って、プラズマ酸化被膜を形成する。ここで、処理液は、弱アルカリ電解液であり、水を主成分に（１）リン酸ナトリウム（Ｎａ_３ＰＯ_４）を１〜１０ｇ／ｌ、（２）ケイ酸ナトリウム（Ｎａ_２ＳｉＯ_３）を１〜２０ｇ／ｌ、（３）水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を１〜１０ｇ／ｌ、（４）過酸化水素水（Ｈ_２Ｏ_２；３０％）を１〜３０ｍｌ／ｌを添加したものである。プラズマ酸化処理では、上記のような処理液内で、高い電流密度の交流パルス電流を流すことにより、プラズマ酸化処理膜を成膜することができる。

洗浄工程では、例えば、脱イオン水（又は超純水）を用いて超音波洗浄を行う。乾燥工程では、洗浄液（脱イオン水又は超純水）を蒸発させる。

次に、本発明の実施例に係るピストンの試験について、比較例と対比しながら、図面を用いて説明する。図２は、ブロックオンリング型摩耗試験による荷重と摩耗量の関係を模式的に示したグラフである。図３は、ブロックオンリング型摩耗試験による摩擦係数の経時変化を模式的に示したグラフである。図４は、エンジン耐久摩耗試験によるピストンのピストンリング溝部分の摩耗量を示したグラフである。なお、試験内容は、（１）テストピースによるブロックオンリング型摩耗試験、（２）ピストンによるエンジン耐久摩耗試験である。

（ブロックオンリング型摩耗試験）
ブロックオンリング型摩耗試験では、単体摩耗試験機にてテストピースの摩擦係数の経時変化を測定した後、テストピースの摩耗量を測定した。ピストンに相当するテストピースについて、実施例にはアルミニウム合金（ＪＩＳ Ａ６０６１）をプラズマ酸化処理したもの（プラズマ酸化皮膜の膜厚１０μｍ）を用い、比較例にはアルミニウム合金（ＪＩＳ Ａ６０６１）を陽極酸化処理したものを用いた。テストピースは、実施例及び比較例ともにブロック状（直方体）で同じサイズである。テストピースに対する相手材（リング材）には高炭素鋼（ＪＩＳ ＳＵＪ２）を用いた。ブロックオンリング型摩耗試験は、エンジンオイル中にて荷重を１５〜６０ｋｇｆとし、一定の摺動速度、一定の摺動距離の条件の下で行った。

図２を参照すると、実施例は、比較例に比べ、荷重６０ｋｇｆのときに摩耗量が約６０％低減した。図３を参照すると、実施例は、比較例に比べ、平均摩擦係数が１８％低減するとともに、摩擦係数の変動幅が１／４に低減した。

（エンジン耐久摩耗試験）
エンジン耐久摩耗試験では、テスト部材となるピストンを組み込んだエンジンを一定回転数、一定時間の条件の下で試験した後、エンジンからピストンを取り出して、ピストンのピストンリング溝部分の摩耗量を測定した。ピストンについて、実施例にはアルミニウム合金鋳物（ＪＩＳ ＡＣ８Ａ）製のピストンのピストンリング溝部分（トップリング溝）をプラズマ酸化処理したもの（プラズマ酸化皮膜の膜厚１０μｍ）を用い、比較例にはアルミニウム合金鋳物（ＪＩＳ ＡＣ８Ａ）製のピストンを陽極酸化処理したものを用いた。ピストンは、実施例及び比較例ともに同じ形状、サイズのものである。図４を参照すると、実施例は、比較例に比べ、ピストンリング溝部分の摩耗量が約６０％低減した。

また、比較例の表面粗さ（十点平均粗さ）を測定したところ、１６Ｒｚであった。一方、実施例の表面粗さ（十点平均粗さ）を測定したところ、５．５Ｒｚであった。このように本発明のピストンにおいては、表面の平滑度が従来のピストンに比べて良好であることを確認している。

本発明の実施形態１に係るピストンの構成を模式的に示した正面図である。 ブロックオンリング型摩耗試験による荷重と摩耗量の関係を模式的に示したグラフである。 ブロックオンリング型摩耗試験による摩擦係数の経時変化を模式的に示したグラフである。 エンジン耐久摩耗試験によるピストンのピストンリング溝部分の摩耗量を示したグラフである。 ピストンの表面に形成された酸化被膜のＸ線回折パターンであり、（Ａ）はプラズマ酸化被膜を有するもの、（Ｂ）は陽極酸化被膜を有するものである。 ピストンの表面状態を模式的に示した部分断面図であり、（Ａ）はプラズマ酸化被膜を有するもの、（Ｂ）は陽極酸化被膜を有するものである。

符号の説明

１ ピストン
１０、１１０ アルミニウム合金
１１ 上面部
１２ トップリング溝
１３ セカンドリング溝
１４ オイルリング溝
１５ スカート部分
１６ ピンボス部分
１７ プラズマ酸化被膜
１１７ 陽極酸化被膜

Claims (3)

1. アルミニウム及びアルミニウム合金のいずれか１つの材料よりなるピストンにおいて、表面の全体又は所定の部分がプラズマ酸化被膜で覆われており、前記プラズマ酸化皮膜はα−Ａｌ_２Ｏ_３とγ−Ａｌ_２Ｏ_３とを含む１層であり、前記α−Ａｌ_２Ｏ_３の一部はアモルファス化していることを特徴とするピストン。
2. 前記プラズマ酸化被膜は、α−アルミナを０．５質量％以上９５質量％以下含むことを特徴とする請求項１記載のピストン。
3. 前記所定の部分は、ピストンリングと接触するピストンリング溝部分、シリンダーと接触するピストンカート部分、及びピストンピンと接触するピンボス部分のいずれか１つ以上の部分であることを特徴とする請求項１又は２記載のピストン。

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