JP5307208B2

JP5307208B2 - 複層被膜組成物が施された内燃機関のピストン

Info

Publication number: JP5307208B2
Application number: JP2011196701A
Authority: JP
Inventors: 正登佐々木
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2011-09-09
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2029-03-17
Also published as: JP2012017742A

Description

本発明は、内外二重の複層被膜組成物が施された内燃機関のピストンに関する。

周知のように、例えば自動車用内燃機関のピストンなどの摺動部品の表面に、耐摩耗性または耐焼き付き性を改善する方法として、バインダーとなる樹脂に固体潤滑剤を配合した組成物をピストンの表面に施す技術が種々提案されている。

その一つとして以下の特許文献１に記載された技術は、低摩擦係数と高摩耗性を達成するために、結合樹脂材としてポリアミドイミド樹脂及びポリイミド樹脂の少なくとも一方を５０〜７３ｗｔ％と、固体潤滑剤としてポリテトラフルオロエチレン３〜１５ｗｔ％、二硫化モリブデン２０〜３０ｗｔ％及びグラファイト２〜８ｗｔ％とからなり、前記固体潤滑剤の総和が２７〜５０ｗｔ％である摺動用樹脂組成物が提供されている。

しかし、耐焼き付き性の向上を図るために、前記二硫化モリブデンやグラファイトの配合量を必要以上に配合すると、樹脂被膜層自身の強度が極端に低下して、樹脂被膜層の摩耗量が増大するおそれがあった。

そこで、特許文献２に記載されているように、内燃機関のアルミニウム合金材からなるピストン基材の表面に、二重の被膜用組成物を形成する技術が提供されている。

すなわち、ピストン基材の表面に、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種を５０〜７９ｗｔ％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％の下層被膜組成物を施し、さらにこの表面に、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種を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種を１５〜３０ｗｔ％とからなる上層被膜組成物を施して二重の被膜用組成物を形成したものである。

これによって、耐摩耗性に優れると共に、初期馴染み性と耐焼き付け性を向上させるようになっている。

特開平０７−０９７５１７号公報特開２００８−５６７５０号公報

しかしながら、前記特許文献２に記載の技術は、上層被膜組成物が、特に、固体潤滑剤である窒化ホウ素５〜２０ｗｔ％に設定され、さらに、硬質粒子である窒化珪素及びアルミナの少なくとも１種を１５〜３０ｗｔ％に設定されていることから、表面がアルミニウム合金などの金属と比べて摩耗はし易くなるものの、表面が比較的硬質になっているので、平滑になるためには長時間を要し速やかな摩耗性が得られない。この結果、初期馴染み性を速やかかつ十分に得られない、といった技術的課題がある。

本発明は、例えば、アルミニウム合金製ピストンなどの基材への密着性に優れると共に、初期馴染み性の優れた内燃機関のピストンを提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、シリンダ壁面に摺動するピストンのスカート部の外周面に条痕を有すると共に、前記スカート部の外周面に、ピストン基材の表面に被膜形成された下層被膜組成物と、該下層被膜組成物の上面に被膜形成された上層被膜組成物と、によって複層潤滑被膜が形成された内燃機関のピストンであって、
前記下層被膜組成物と上層被膜組成物は、ともに結合樹脂であるポリアミドイミド樹脂かポリイミド樹脂またはエポキシ樹脂のいずれか１種あるいは２種を含み、
前記下層被膜組成物は、グラファイトまたは二硫化モリブデンのいずれか一方を含む固体潤滑剤の含有量を５０ｗｔ％以下とし、
前記上層被膜組成物は、グラファイトまたは二硫化モリブデンのいずれか一方を含む固体潤滑剤の含有量を５０〜９５ｗｔ％とし、
前記上層被膜組成物が摩耗する前の条痕高さをａとした場合に、摩耗前の前記上層被膜組成物の膜厚ｔ２がｔ２≧ａ−５μｍの式を満足するようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、ピストン基材に対する下層被膜組成物の密着性に優れると共に、特に、上層被膜組成物の固体潤滑剤を、少なくともグラファイトまたは二硫化モリブデンのいずれか一方、あるいはグラファイトと二硫化モリブデンの両方の含有量が５０〜９５ｗｔ％に設定したことによって、ピストンの外周面がシリンダ壁面に摺動した際の初期馴染み性、つまり、上層被膜組成物の表面が短時間で摩耗することによってなめらかな摺動面が速やかに形成され、優れた初期馴染み性が得られる。

本発明のピストンが内燃機関に適用された状態を示す要部縦断面図である。同ピストンの一部を断面して示す正面図である。Ａは固体潤滑剤の含有量と摩擦係数との関係を示し、Ｂは条痕高さと摩擦係数との関係を示す特性図である。Ａは本実施例における摺動による複層被膜組成物の摩耗前と摩耗後の状態を模式的に示し、Ｂは被膜が形成されていない表面無処理の摺動による摩耗前と摩耗後の状態を模式的に示す拡大断面図である。固体潤滑剤の含有量と密着力の関係を示す特性図である。

以下、本発明に係る内燃機関のピストンの実施例を図面に基づいて詳述する。なお、本実施例に供されるピストンは、４サイクル・ガソリンエンジンに適用したものである。

〔実施例１〕
ピストン１は、図２に示すように、シリンダブロック２に形成されたほぼ円柱状のシリンダ壁面３に摺動自在に設けられ、該シリンダ壁面３と図外のシリンダヘッドとの間に燃焼室４を形成するようになっていると共に、ピストンピン５に連結されたコンロッド６を介して図外のクランクシャフトに連結されている。

前記ピストン１は、全体がＡＣ８ＡＡｌ−Ｓｉ系のアルミニウム合金によって一体に鋳造され、図１及び図２に示すように、ほぼ円筒状に形成されて、冠面７ａ上に前記燃焼室４を画成する冠部７と、該冠部７の下端外周縁に一体に設けられた円弧状の一対のスラスト側スカート部８及び反スラスト側スカート９と、該各スカート部８、９の円周方向の両側端に各連結部位１０を介して連結された一対のエプロン部１１，１２と、を備えている。

前記冠部７は、比較的肉厚に形成された円盤状を呈し、冠面７ａ上に吸排気弁との干渉を防止する図外のバルブリセスが形成されていると共に、外周部にプレッシャリングやオイルリングなどの３つのピストンリングを保持するリング溝７ｂ、７ｃ、７ｄが形成されている。

前記両スカート部８，９は、ピストン１の軸心を中心とした左右の対称位置に配置されて、横断面ほぼ円弧状に形成されていると共に、それぞれの肉厚はほぼ全体が比較的薄肉に形成されている。前記スラスト側スカート部８は、膨張行程時などにピストン１が下死点方向へストロークした際に、前記コンロッド６の角度との関係で前記シリンダ壁面３に傾きながら圧接するようになっている一方、反スラスト側のスカート部９は、圧縮行程時などにピストン１が上昇ストロークした際に、シリンダ壁面３に反対に傾きながら圧接するようになっている。前記各スカート部８，９のシリンダ壁面３に対する圧接荷重は、燃焼圧力を受けてシリンダ壁面３に圧接する前記スラスト側スカート部８の方が大きくなっている。

そして、前記ピストン１のスラスト側スカート部８と反スラスト側スカート部９には、図１及び図４Ａに示すように、複層被膜組成物２０が施されている。

この複層被膜組成物２０は、上層被膜組成物２１と下層被膜組成物２２とからなり、結合樹脂として、耐熱性、耐摩耗性及び密着性に優れたエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂のいずれか１種か２種を使用する。

具体的に説明すれば、前記上層被膜組成物２１は、結合樹脂であるエポキシ樹脂とポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂のいずれか１種を５〜５０ｗｔ％に設定し、固体潤滑剤である二硫化モリブデン(ＭｏＳ₂)を５０〜９５ｗｔ％に設定した。

前記結合樹脂が５ｗｔ％未満になると、結合力の低下によって下層被膜組成物２２との密着性が低下し、逆に５０ｗｔ％を超えると固体潤滑剤が相対的に少なくなるため、初期馴染み性が低下する。

前記下層被膜組成物２２は、結合樹脂が上層被膜組成物２１と同じく、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイド樹脂の１種を５０ｗｔ％以上にした。一方、固体潤滑剤としては、基本的に、ポリテトラフルオロエチレン(ＰＴＦＥ)、二硫化モリブデン(ＭｏＳ₂)、グラファイト(ＧＦ)のいずれか１種以上を５０ｗｔ％以下にした。

前記下層被膜組成物２２において、前記結合樹脂が５０ｗｔ％未満ではピストン基材１ａとの密着性が低下する。図５に示すように、結合樹脂ＰＡＩに各々の固体潤滑剤を添加していったときの密着力の変化は固体潤滑剤が５０ｗｔ％を超えると、つまり結合樹脂が５０ｗｔ％未満では急激に低下することがわかる。

すなわち、下層被膜組成物２２は、ピストン基体１との密着性を確保することと、上層被膜組成物２１との密着性を確保する役割を有する。

したがって、下層被膜組成物２２に固体潤滑剤を含有する必要はないが、密着性が確保される範囲での固体潤滑剤の添加による被膜の特性向上は許され、前記ポリテトラフルオロエチレンが１５ｗｔ％未満では潤滑性が低下し、３０ｗｔ％を超えると摩耗量が増大する。

さらに、固体潤滑剤としての二硫化モリブデンが５ｗｔ％未満では耐焼き付き性が低下し、２０ｗｔ％を超えると被膜強度の低下により摩耗量が増大する。

また、固体潤滑剤の二硫化モリブデンについては、グラファイトとの相乗効果によって耐焼き付け性の向上を図ることができる。

すなわち、下層被膜組成物２２については、固体潤滑剤として、前記ポリテトラフルオロエチレンに加えて二硫化モリブデンとグラファイトを併用することができる。この場合、二硫化モリブデンとグラファイトは合計５〜２０ｗｔ％とし、かつ二硫化モリブデンを１〜１０ｗｔ％とすることが望ましい。

二硫化モリブデンが１ｗｔ％未満では併用による耐焼き付き性の向上の効果が得られず、１０ｗｔ％を超えると耐摩耗性が低下するからである。

また、上層被膜組成物２１の固体潤滑剤である二硫化モリブデンなどの含有量を５０〜９５ｗｔ％に設定したのは、図３に示す実験結果から５０ｗｔ％未満では初期馴染み性が低下してしまい、９５ｗｔ％を超えると、前記結合樹脂が５ｗｔ％未満になってしまい、これでは、前述したように、結合力の低下によって下層被膜組成物２２との密着性が低下してしまうからである。

複層被膜組成物２０を構成する前記上層被膜組成物２１と下層被膜組成物２２を調整するには、例えば結合樹脂であるエポキシ樹脂とポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂に有機溶剤を配合し、その樹脂溶液に固体潤滑剤を加え、必要に応じてさらに硬質粒子を添加してビーズミルなどを用いて混合分散すればよい。

なお、結合樹脂と、ＰＴＦＥやＭｏＳ₂、ＧＦの固体潤滑剤と、硬質粒子との配合量は、合わせて１００ｗｔ％となるように調整する。

また、本発明の複層被膜組成物２０は、必要に応じて有機溶剤により希釈して、塗料としてピストン基材１ａに塗布する。

すなわち、ピストン基材１ａ(スラスト側スカート部と反スラスト側スカート部)の外周面に、下層被膜組成物２２と上層被膜組成物２１を順番に塗布し、焼成して硬化させることにより、複層被膜組成物２０が得られる。

前記希釈に用いる有機溶剤は、溶剤系であっても結合樹脂を溶解させることが可能であれば、特に限定されるものではない。

焼成温度や焼成時間などの焼成条件は適宜設定すればよく、２００℃以下での焼成も可能なため、アルミニウム合金ピストン１の基材にも適用することができる。

なお、複層被膜組成物２０の膜厚は、適宜選択することができるが、塗布の作業性や費用面などを考慮すると、５〜４０μｍ程度が望ましい。

以下、ピストン基材１ａに複層被膜組成物２０を表面処理する具体的な方法について説明する。

〔第１の表面処理方法〕
まず、ピストン基材１ａの表面を、溶剤脱脂やアルカリ脱脂などの前処理により油分や汚れを除去する。

次に、このピストン基材１ａの表面にエアースプレーやスクリーン印刷などの既知の方法によって下層被膜組成物２２を塗布し、続いて、この下層被膜組成物２２の上面に上層被膜組成物２１を塗布する。

その後、乾燥させて有機溶剤を除去し、例えば、１８０℃×３０分あるいは２００℃×２０分などの既知の条件で焼成することにより、下層被膜組成物２２と上層被膜組成物２１からなる複層被膜組成物１０を形成することができる。

〔第２の表面処理方法〕
また別の表面処理方法としては、複層被膜組成物２０を形成すべきピストン基材１ａの表面を、溶剤脱脂とアルカリ脱脂などの前処理により油分や汚れを除去する。

そのピストン基材１ａの表面にエアースプレーやスクリーン印刷などの既知の方法により、まず、下層被膜組成物２２を塗布する。その後、例えば、１８０℃×３０分、あるいは２００℃×２０分などの既知の条件で焼成する。

続いて、前記ピストン基材１ａを焼成炉から取り出してピストン基材１ａの温度が５０〜１２０℃にあるときに前記下層被膜組成物２２の上面に上層被膜組成物２１を塗布する。その後、焼成しないで乾燥させることにより、下層被膜組成物２２と上層被膜組成物２１からなる複層被膜組成物１０を形成することができる。

本発明の複層被膜組成物は、オイル潤滑環境下及びドライ潤滑環境下における様々な用途の摺動部材に幅広く適用可能である。複層被膜組成物の結合樹脂であるエポキシ樹脂とポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂は密着性に優れることから、基材を選ばず、例えば、各種アルミニウム合金材の他に、鋳鉄、鋼、銅合金などの基材に適用することが可能である。その中で、前記実施例のような内燃機関のピストン１、特にスラスト側スカート部８と反スラスト側スカート部９への適用が好適である。

〔実験例〕
すなわち、外周面に条痕形状を有するピストン１において、前記下層被膜組成物２２と上層被膜組成物２１の膜厚をｔ１，ｔ２とし、条痕高さをａとした場合には、以下の式を満足する。

ｔ２≧ａ−５(μｍ) ｔ１≧２(μｍ)
結合樹脂としてポリアミドイミド樹脂(ＰＡＩ）、固体潤滑剤としてグラファイト(ＧＦ)、二硫化モリブデン(ＭｏＳ₂)、ポリテトラフルオロエチレン(ＰＴＦＥ)の含有量を０〜９５ｗｔ％まで変化させた。

下記の表１に示す上層被膜組成物及び下層被膜組成物の組成となるように配合した。

前記の試料２１を除く試料１〜５９の各被膜組成物に有機溶剤を加えて混合した後、ビーズミルにて３０分間分散し、それぞれ上層被膜用塗料と下層被膜用塗料を得た。

この各上層被膜用塗料と下層被膜用塗料を、図４に示す表面形状をもつアルミニウム合金ＡＣ８Ａ製のテストピース２０に、全ての下層被膜が３〜６μｍの塗膜厚さになるようにそれぞれ塗布し、その後、１９０℃で３０分間の焼成を行った。

続いて、全ての上層被膜が５〜１１μｍの塗膜厚さになるように塗布し、その後、焼成を行わずに自然乾燥させた。

得られた試料１〜２０の二層の表面処理されたものと、表面処理のない無処理のもの(試料２１)について、チップオンリング式摩擦摩耗試験機により、滑り速度：２ｍ／秒、相手材：ＦＣ２５０、滑り距離：６００ｍ、面圧：１．３ＭＰａ、エンジンオイルの滴下量を５ｍｇ／ｍｉｎの潤滑環境下で試験し、前記滑り距離における摩擦係数を測定した。

図３Ａ、Ｂはその結果の条痕高さと摩擦係数の関係を示している。この図から明らかなように、摩擦係数は条痕高さで一義的に決まる。条痕高さが５μｍ以下で最も低い摩擦係数となって一定値となる。

すなわち、低摩擦係数を得るためには、上層被膜を速やかに摩耗させれば良いことがわかる。したがって、摩耗し易い上層被膜組成物２１は図３Ａから明らかなように、固体潤滑剤を５０ｗｔ％以上含有すれば良く、固体潤滑剤として二硫化モリブデン(ＭｏＳ₂) が最も効果的であり、グラファイト（ＧＦ）やポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）ではその効果は小さい。

図４において、Ａは本実施例を示し、上層被膜組成物２１を摩耗し易い組成にした結果、元の条痕高さｃ０であったものが、摺動によってｃ１となる。一方、Ｃの無処理の場合、元の条痕高さａ０であったものが、摺動によってａ１となるが、アルミニウム合金の方が固体潤滑剤と結合樹脂で構成された被膜より摩耗し難いことが明らかであって、ａ１＞ｃ１となる。

すなわち、本実施例により低摩擦が得られる。また、従来材であるＢは元の条痕高さがｂ０であったものがｂ１になる。この従来材の単層被膜はアルミニウム合金より摩耗し易いがＡの上層被膜より摩耗しにくいため、ａ１＞ｂ１＞ｃ１となることが明白である。本実施例は、従来材よりも低摩擦が得られることになる。例えば、図３Ａでａ０＝１０μｍで摺動によって１μｍだけ摩耗して条痕高さａ１＝９μｍの高さになり、摩擦係数が上層被膜の固体潤滑剤０ｗｔ％のものに対して１６２％と極めて大きくなった(試料Ｎｏ．２１)。

これに対して、上層被膜のＭｏＳ₂７５ｗｔ％含有する被膜の場合は、７μｍ摩耗してｂ１＝３μｍとなって摩擦係数は６０％と極めて小さくなった(試料Ｎｏ．６)。

また、図３Ａから上層被膜が従来の特許公報に示されているように、結合樹脂が５０ｗｔ％を超える場合、すなわち、固体潤滑剤が５０ｗｔ％未満であると摩耗が促進されず、無処理よりは低摩擦が得られるが、本実施例には及ばない(試料Ｎｏ．２，３，８，９，２０参照)。

それでは、下層被膜の固体潤滑剤を５０ｗｔ％以上にした場合には、図５に記載されているように、ピストン基材１との密着性が低下して実用に適さない(試料Ｎｏ．２２〜４０参照)。

そこで、下層被膜は、ピストン基材１との密着性を確保し、同時に固体潤滑剤を５０ｗｔ％以上含有した上層被膜との密着性を確保する。

アルミニウム合金基材との密着性の無い結合樹脂５ｗｔ％、二硫化モリブデン９５ｗｔ％の被膜を上層被膜とし、下層被膜に結合樹脂ＰＡＩを固体潤滑剤として、ＰＡＩ、ＭｏＳ₂、ＰＴＦＥをそれぞれ１５，３０，５０，６０，７５，９５ｗｔ％含有した被膜構成として密着力を測定した結果(試料４１〜５９)、すべて下層被膜とアルミニウム合金基材から剥離して密着性の無い上層被膜組成物でも下層被膜の固体潤滑剤を５０ｗｔ％とすることで密着力が確保できることがわかる。

以上のように、本実施例によれば、ピストン基材１ａに対する下層被膜組成物２２の密着性に優れると共に、特に、上層被膜組成物２１の固体潤滑剤を、少なくとも二硫化モリブデン(ＭｏＳ₂)の含有量が５０ｗｔ％〜９５ｗｔ％に設定したことによって、ピストン１のスラスト側、反スラスト側スカート部８，９の外周面がシリンダ壁面３に摺動した際の初期馴染み性、つまり、上層被膜組成物２１の表面が短時間で摩耗することによってなめらかな摺動面が速やかに形成され、即座に優れた初期馴染み性が得られる。

１…ピストン
１ａ…ピストン基材
３…シリンダ壁面
８…スラスト側スカート部
９…反スラスト側スカート部
２０…複層被膜組成物
２１…上層被膜組成物
２２…下層被膜組成物

Claims

シリンダ壁面に摺動するピストンのスカート部の外周面に条痕を有すると共に、前記スカート部の外周面に、ピストン基材の表面に被膜形成された下層被膜組成物と、該下層被膜組成物の上面に被膜形成された上層被膜組成物と、によって複層潤滑被膜が形成された内燃機関のピストンであって、
前記下層被膜組成物と上層被膜組成物は、ともに結合樹脂であるポリアミドイミド樹脂かポリイミド樹脂またはエポキシ樹脂のいずれか１種あるいは２種を含み、
前記下層被膜組成物は、グラファイトまたは二硫化モリブデンのいずれか一方を含む固体潤滑剤の含有量を５０ｗｔ％以下とし、
前記上層被膜組成物は、グラファイトまたは二硫化モリブデンのいずれか一方を含む固体潤滑剤の含有量を５０〜９５ｗｔ％とし、
前記上層被膜組成物が摩耗する前の条痕高さをａとした場合に、摩耗前の前記上層被膜組成物の膜厚ｔ２がｔ２≧ａ−５μｍの式を満足するようにしたことを特徴とする内燃機関のピストン。