JP5190473B2

JP5190473B2 - 複層潤滑被膜用組成物及び内燃機関のピストン

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Publication number: JP5190473B2
Application number: JP2010026909A
Authority: JP
Inventors: 建次須藤; 智則斉藤; 広太 ▲徳▼備; 由巳黒田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Sumico Lubricant Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Sumico Lubricant Co Ltd
Priority date: 2010-02-09
Filing date: 2010-02-09
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2030-02-09
Also published as: US8960072B2; JP2011162660A; CN102189725B; US20110192279A1; CN102189725A

Description

本発明は、内燃機関のアルミニウム合金製ピストンに好適な複層潤滑被膜用組成物に関する。

ピストンのスカート部は、不可避的に内燃機のシリンダスリーブ内面に接触する。そのため、ピストンの外周部に耐摩耗性や耐焼き付き性を改善することが求められる。

そのための改善策が種々提案されてきた（例えば、特許文献１（請求項１）参照。）。

特許文献１の請求項１に「上層被膜組成物と下層被膜組成物からなる複層潤滑被膜用組成物であって、該上層被膜組成物が結合樹脂であるエポキシ樹脂及びポリアミドイミド樹脂の少なくとも１種５０〜７０ｗｔ％と、固体潤滑剤である窒化ホウ素５〜２０ｗｔ％と、硬質粒子である窒化珪素及びアルミナの少なくとも１種１５〜３０ｗｔ％とからなり、該下層被膜塑性が結合樹脂であるエポキシ樹脂及びポリアミドイミド樹脂の少なくとも１種５０〜７０ｗｔ％と、固体潤滑剤であるポリテトラフルオロエチレン１５〜３０ｗｔ％、二硫化モリブデン５〜２０ｗｔ％とからなることを特徴とする複層潤滑被膜用組成物。」との記載がある。
二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤の作用により、耐摩耗性や耐焼き付き性を改善することができる。

上記構成の上層被膜組成物と下層被膜組成物からなる複層潤滑被膜用組成物が、健全である場合には、耐摩耗性や耐焼き付き性が発揮される。
ところで、エンジンの種類や使用環境によっては、潤滑油中に砂等の異物が混入することがある。低コストを目的に、フィルタを省いた汎用エンジンで且つ砂塵内で作業するような汎用エンジンにその懸念がある。

潤滑油中に異物が混入すると、この異物が研削材となって、複層潤滑被膜用組成物を傷つけ、アルミ地が露出する。すると、摩耗や焼き付けが進行し、ピストンの寿命が短くなるという不具合が発生する。また、ピストンとシリンダスリーブとの接触圧力が、許容値を超えると、複層潤滑被膜用組成物が傷つけられ、アルミ地が露出し、同様の不具合が発生する。
そこで、複層潤滑被膜用組成物が傷ついても、この複層潤滑被膜用組成物に被覆される金属製品の寿命を延ばすことができる技術が必要となる。

特開２００８−５６７５０公報

本発明は、複層潤滑被膜用組成物が傷ついても、この複層潤滑被膜用組成物に被覆される金属製品の寿命を延ばすことができる技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、被覆対象物に被せられる下層被膜と、この下層被膜に被せられる上層被膜とからなる複層潤滑被膜を組成し、
前記上層被膜を組成する上層被膜組成物は、結合樹脂であるエポキシ樹脂とポリアミドイミド樹脂の少なくとも１種５０〜７０質量％と、固体潤滑剤である窒化ホウ素５〜２０質量％と、硬質粒子である窒化珪素とアルミナの少なくとも１種１５〜３０質量％とからなり、
前記下層被膜を組成する下層被膜組成物は、前記被覆対象物のビッカース硬度よりも高いビッカース硬度である複層潤滑被膜用組成物であって、
前記被覆対象物は、アルミニウム合金であり、
前記下層被膜は、鉄めっき膜と陽極酸化膜とのうちの１種であることを特徴とする。

請求項２に係る発明によれば、請求項１記載の複層潤滑被膜用組成物からなる複層潤滑被膜が、外周部に被覆されている内燃機関のピストンが提供される。

請求項１に係る発明では、下層被膜組成物は、被覆対象物のビッカース硬度よりも高いビッカース硬度である。ビッカース硬度の高い下層被膜は、傷がつきにくい。下層被膜が傷つきにくいことで、被覆対象物の露出を防ぎやすくなる。露出を防ぐことで、被覆された金属製品の長寿命化を図ることができる。

加えて、請求項１に係る発明では、被覆対象物は、アルミニウム合金であり、下層被膜は、鉄めっき膜と陽極酸化膜とのうちの１種である。鉄めっき膜、陽極酸化膜のいずれかからなる下層被膜は、アルミニウム合金に強く密着する。アルミニウム合金に強く密着することで、さらに被覆対象物の露出を防ぐことができる。さらに複層潤滑被膜用組成物で被覆された金属製品の長寿命化を図ることができる。

請求項２に係る発明では、複層潤滑被膜が外周部に被覆されている内燃機関のピストンが提供される。複層潤滑被膜用組成物からなる複層潤滑被膜は、傷が付きにくいため、複層潤滑被膜で被覆されているピストンも、傷が付きにくい。このような傷の付きにくいピストンを内燃機関に搭載することで、様々な環境下で内燃機関を用いることができ、有益である。

実施例１に係るピストンの製造方法を説明する図である。実施例と比較例とを比較する図である。実施例２に係るピストンの製造方法を説明する図である。

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。

先ず、本発明の実施例１を図面に基づいて説明する。
図１（ａ）に示されるように、まずアルミニウム合金製の被覆対象物１１に、鉄めっきを施す。
具体的には、陰極１２に被覆対象物１１を接続し、陽極１３に鉄（Ｆｅ）板１４を接続し、これらをめっき槽１６内の電解液１７に浸す。
電解液１７に浸した状態で、電流を流し、被覆対象物１１に鉄めっきを施す。

例えば、電解液１７は、３００ｇ／ｌの塩化第一鉄（ＦｅＣｌ_２）と、２０ｇ／ｌの塩化アンモニウム（ＮＨ_４Ｃｌ）との混合液を用いることができる。
電解液１７の温度を５０℃、陰極電流密度を６Ａ／ｄｍ^２として、鉄めっきを施すことができる。

なお、めっき処理に先立って、被覆対象物１１表面を脱脂することや酸化膜を除去する等の前処理を行っておくことが望ましい。前処理を行うことで鉄めっき膜（図１（ｃ）、符号１９）の被覆対象物１１への密着性がさらに高まる。

被覆対象物１１に鉄めっきを施すことで、（ｂ）に示すように中間品１８を得ることができる。
この中間品１８のｃ部拡大図である（ｃ）に示すように、鉄めっきを施すことで、被覆対象物１１の表面には、下層被膜としての鉄めっき膜１９が被せられている。

鉄めっき膜１９の厚さｔ１は、例えば２０μｍである。この厚さｔ１は、（ａ）に示されるめっき処理の条件を変更することで調節することができる。厚さｔ１は、５μｍ〜３０μｍの範囲であれば差し支えない。

また、鉄めっき膜１９のビッカース硬度は、Ｈｖ４００〜５００である。
一方、ピストンを始めとする金属製品には、アルミニウム合金の１つである、アルミニウム−珪素（Ａｌ−Ｓｉ）系合金が用いられることがある。この、Ａｌ−Ｓｉ系合金のビッカース硬度はＨｖ７０〜１４０である。
即ち、下層被膜である鉄めっき膜１９のビッカース硬度は、アルミニウム合金（Ａｌ−Ｓｉ系合金）のビッカース硬度よりも高いということができる。

次に、中間品１８の表面に、上層被膜組成物を塗布する。
上層被膜組成物の混合割合は、結合樹脂であるエポキシ樹脂（ＥＰ）とポリアミドイミド樹脂（ＰＡＩ）の少なくとも１種を５０〜７０質量％、固体潤滑剤である窒化ホウ素（ＢＮ）を５〜２０質量％、硬質粒子である窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）とアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）の少なくとも１種１５〜３０質量％とすることができる。

例えば、エポキシ樹脂６２．５質量％、窒化ホウ素１２．５質量％、窒化珪素２５．０質量％の割合で混合する。この混合物を有機溶剤に溶いて、中間品１８の表面に塗布し、焼成する。

これで、（ｄ）に示すように、金属製品としてのピストン２０が得られる。
（ｄ）のｅ部拡大図である（ｅ）に示すように、鉄めっき膜１９の上層に、焼成された上層被膜２２が組成される。ピストン２０の外周部２４を被覆する複層潤滑被膜２３は、鉄めっき膜１９と、上層被膜２２とからなる。

上層被膜２２の厚さｔ２は、例えば１０μｍである。上層被膜２２の厚さｔ２は、５〜１０μｍの範囲であれば差し支えない。

汎用エンジンでは、潤滑油中に砂などの異物が混じることがある。この異物に対する耐久性について、本発明のピストンと従来のピストンとを比較しながら説明する。

比較例である図２（ａ）に示すように、ピストン１００は、アルミニウム合金製の被覆対象物１０１の外周部１０２に、下層被膜１０３及び上層被膜１０４を被覆してなる。
下層被膜１０３及び上層被膜１０４の被膜組成物は、共に、エポキシ樹脂（ＥＰ）６２．５質量％、窒化ホウ素（ＢＮ）１２．５質量％、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）２５．０質量％の割合で混合した混合物である。

このようなピストン１００を内燃機関で用いると、（ｂ）に示すように、潤滑油中に混じった異物によって、下層被膜１０３、上層被膜１０４が研削されることがある。研削されることで被覆対象物１０１が外部に露出し、今度は、外部に露出された被覆対象物が異物に研削される。

実施例である（ｃ）に示すように、ピストン２０は、アルミニウム合金製の被覆対象物１１の外周部２４に、複層潤滑被膜２３を被覆してなる。
複層潤滑被膜２３のうち、下層被膜の被膜組成物は、鉄めっき膜１９である。
上層被膜２２の被膜組成物は、エポキシ樹脂（ＥＰ）６２．５質量％、窒化ホウ素（ＢＮ）１２．５質量％、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）２５．０質量％の割合で混合した混合物である。

このようなピストン２０を内燃機関で用いると、（ｄ）に示すように、潤滑油中に混じった異物によって、上層被膜２２が研削されることがある。しかし、ビッカース硬度の高い鉄めっき膜１９は、硬度が高いことで異物に研削されにくい。

即ち、以下のようにいうことができる。下層被膜組成物は、被覆対象物１１のビッカース硬度よりも高いビッカース硬度の鉄めっき膜１９（下層被膜）からなる。ビッカース硬度の高い鉄めっき膜１９は、傷がつきにくい。鉄めっき膜１９が傷つきにくいことで、被覆対象物１１の露出を防ぎやすくなる。被覆対象物１１の露出を防ぐことで、複層潤滑被膜２３で被覆されたピストン２０（金属製品）の長寿命化を図ることができる。

加えて、被覆対象物１１は、アルミニウム合金であり、下層被膜は、鉄めっき膜１９である。鉄めっき膜１９からなる下層被膜は、被覆対象物１１であるアルミニウム合金に強く密着する。アルミニウム合金に強く密着することで、さらに被覆対象物１１の露出を防ぐことができる。さらに複層潤滑被膜用組成物で被覆されたピストン２０の長寿命化を図ることができる。

次に、本発明の実施例２を図面に基づいて説明する。
図３（ａ）に示されるように、まずアルミニウム合金製の被覆対象物１１に、陽極酸化処理を行う。
具体的には、陰極１２にカーボン製の板２７を接続し、陽極１３に被覆対象物１１を接続し、これらをめっき槽１６内の電解液２８に浸す。
電解液２８に浸した状態で、電流を流し、被覆対象物１１に陽極酸化処理を行う。

例えば、電解液２８は、６５．６ｇ／ｌのリン酸三ナトリウム（Ｎａ_３ＰＯ_４）と、７．３ｇ／ｌのフッ化カリウム（ＫＦ）との混合液を用いることができる。
電解液の温度を２２℃、電圧を７０Ｖ、期間を３０分として、陽極酸化処理を行うことができる。

なお、陽極酸化処理は、このような方法の他、プラズマ放電を行いながらの陽極酸化処理等任意の方法を用いることができる。即ち、被覆対象物１１の表面に陽極酸化膜（（ｃ）符号、３１）を被覆させることができれば、任意の方法を選択することができる。

陽極酸化処理を行った後は、図１で説明したのと同様に、上層被膜組成物を中間品の表面に塗布し、焼成させる。
このようにして、（ｂ）に示すようなピストン３０が完成する。

（ｂ）のｃ部拡大図である（ｃ）に示すように、陽極酸化処理することで被覆対象物１１に下層被膜としての陽極酸化膜（アルマイト：Ａｌ_２Ｏ_３）３１が被覆される。
陽極酸化膜３１の厚さｔ２は、例えば１０μｍである。この厚さｔ２は、（ａ）に示されるめっき処理の条件を変更することで調節することができる。厚さｔ２は、５μｍ〜２０μｍの範囲であれば差し支えない。

また、陽極酸化膜３１のビッカース硬度は、Ｈｖ２５０〜４００である。
一方、アルミニウム合金の１つであり、ピストンによく用いられるＡｌ−Ｓｉ系合金のビッカース硬度はＨｖ７０〜１４０である。
即ち、下層被膜組成物である陽極酸化膜３１のビッカース硬度は、アルミニウム合金（Ａｌ−Ｓｉ系合金）のビッカース硬度よりも高いということができる。

陽極酸化膜３１の上層に、焼成された上層被膜３２が組成される。ピストン３０の外周部を被覆する複層潤滑被膜３３は、陽極酸化膜３１と、上層被膜３２とからなる。
陽極酸化膜３１の表面には、微細な凹凸部３４が形成される。この微細な凹凸部３４がアンカーの役割をすることで、陽極酸化膜３１と上層被膜３２との密着性を高めている。

実施例２に係るピストン３０でも以下のことがいえる。
下層被膜組成物は、被覆対象物１１のビッカース硬度よりも高いビッカース硬度の陽極酸化膜３１（下層被膜）からなる。ビッカース硬度の高い陽極酸化膜３１からなる下層被膜組成物は、傷がつきにくい。下層被膜組成物が傷つきにくいことで、被覆対象物１１の露出を防ぎやすくなる。被覆対象物１１の露出を防ぐことで、複層潤滑被膜用組成物で被覆されたピストン３０（金属製品）の長寿命化を図ることができる。

本発明者らは、本発明の効果について確認すべく、実験を行った。以下に実験について説明する。
（実験例）
本発明に係る実験例を以下に述べる。なお、本発明は実験例に限定されるものではない。実験について表１に沿って説明する。

実験番号１では、従来の技術でピストンを作成した。
即ち、母材にアルミニウム合金を用い、この母材の表面に、下層被膜を被覆させた。この下層被膜の下層被膜組成物は、エポキシ樹脂、窒化ホウ素、窒化珪素からなる混合物である。この混合物を母材の表面に塗布した上で焼成した。

下層被膜の被覆後に、上層被膜を被覆させた。この上層被膜の上層被膜組成物は、エポキシ樹脂、窒化ホウ素、窒化珪素からなる混合物である。この混合物を下層被膜の表面に塗布した上で焼成した。

以上の条件により作成したピストンを、単気筒１６０ｃｃの汎用エンジンに取付け実験を行った。
潤滑油中に、砂としてＪＩＳＺ８９０１試験用粉体を混合させ、エンジンを作動させた。エンジンは、３６００ｒｐｍで１００時間作動させた。

エンジンを止め、外観を観察することで評価を行った。実験番号１では、ピストンの表面に深い疵が生じ、評価は×であった。

実験番号２では、母材を陽極酸化膜で被覆した。その他の条件は実験番号１と同様である。即ち、実験番号２では、図３で説明した条件でピストンを作成した。

実験番号２では、ピストンの表面に浅い疵が生じていたものの、問題とはならない程度の疵であったため、評価は○であった。

実験番号３では、母材を鉄めっき膜で被覆した。その他の条件は実験番号１と同様である。即ち、実験番号３では、図１で説明した条件でピストンを作成した。

実験番号３では、ピストンの表面に疵が生じなかったため、評価は◎であった。

下層被膜のビッカース硬度が最も低い実験番号１では、ピストンの表面に深い疵が生じた。一方、下層被膜のビッカース硬度が最も高い実験番号３では、ピストンの表面に疵が生じなかった。

このことから、複層潤滑被膜用組成物からなる、複層潤滑被膜は、傷が付きにくいため、複層潤滑被膜で被覆されているピストンも、傷が付きにくい。このような傷の付きにくいピストンを内燃機関に搭載することで、様々な環境下で内燃機関を用いることができ、有益であるということができる。

尚、本発明にかかる複層潤滑被膜用組成物は、実施の形態ではピストンの被覆に用いたが、その他の金属製品にも適用可能であり、その他の金属製品に適用することは差し支えない。

本発明にかかる複層潤滑被膜用組成物は、ピストンの被覆に好適であり、本発明のピストンは、汎用エンジンに好適である。

１１…被覆対象物、１９…鉄めっき膜（下層被膜）、２０、３０…ピストン（金属製品）、２２、３２…上層被膜、２３、３３…複層潤滑被膜、２４…外周部、３１…陽極酸化膜（下層被膜）。

Claims

被覆対象物に被せられる下層被膜と、この下層被膜に被せられる上層被膜とからなる複層潤滑被膜を組成し、
前記上層被膜を組成する上層被膜組成物は、結合樹脂であるエポキシ樹脂とポリアミドイミド樹脂の少なくとも１種５０〜７０質量％と、固体潤滑剤である窒化ホウ素５〜２０質量％と、硬質粒子である窒化珪素とアルミナの少なくとも１種１５〜３０質量％とからなり、
前記下層被膜を組成する下層被膜組成物は、前記被覆対象物のビッカース硬度よりも高いビッカース硬度である複層潤滑被膜用組成物であって、
前記被覆対象物は、アルミニウム合金であり、
前記下層被膜は、鉄めっき膜と陽極酸化膜とのうちの１種であることを特徴とする複層潤滑被膜用組成物。
請求項１記載の複層潤滑被膜用組成物からなる複層潤滑被膜が外周部に、被覆されていることを特徴とする内燃機関のピストン。