JP7095010B2 - 酸化被膜及び酸化被膜付部品 - Google Patents

Description

本発明は、酸化被膜及び酸化被膜付部品に関する。

内燃機関の燃焼室を形成するピストン等の部品表面から外部に流出する熱量は、熱損失となり、内燃機関の熱効率の低下につながる。部品表面における熱の流出を抑制する方法としては、部品表面の熱容量を小さくし、部品表面の温度を燃焼ガス温度に追従しやすくして温度差を小さくすることや、部品表面の断熱性を高めることが効果的である。特許文献１には、陽極酸化被膜の厚さ方向に延びる複数の孔の上方の開口をスパッタリング被膜によって封じ、複数の空孔部を形成した被膜を、ピストンの上面に形成して断熱性を高めることが開示されている。

特開２０１７－６１７２２号公報

しかし、特許文献１のように、陽極酸化処理によって形成した孔をスパッタリング処理によって封じる方法は、工程数が多く煩雑で、コスト増につながる課題がある。

本発明は、低コストで容易に形成でき、部品表面における熱の流出を抑制できる酸化被膜、及び前記酸化被膜を備える酸化被膜付部品を提供することを目的とする。

上記課題の解決手段として、請求項１に記載した発明は、アルミニウム母材からなる部品（１２）の表面（１２ａ）に形成される酸化被膜（１８）であって、束状に密集しているＡｌ_２Ｏ_３からなる中実の柱状組織（２２）を含み、隣接する前記柱状組織（２２）同士の境界（２３）に沿って複数の粒状の空孔（２４）が形成されている。
この構成によれば、複数の粒状の空孔（２４）、すなわち複数の閉じた気泡が柱状組織（２２）同士の境界（２３）に沿って存在していることで、酸化被膜（１８）の熱容量がアルミニウム母材よりも小さくなり、また断熱性が高まるため、酸化被膜（１８）が断熱層として機能する。また、空孔（２４）の形成にはスパッタリングによる封孔処理が必要ないため、酸化被膜（１８）の形成が容易でコストを低減できる。

請求項２に記載した発明は、複数の柱状組織（２２）が束状に密集した柱状組織束領域（２６）が前記部品（１２）の表面（１２ａ）の面方向に複数形成されており、各々の前記柱状組織束領域（２６）は少なくとも隣接する前記柱状組織束領域（２６）と一部が重なり、前記柱状組織束領域（２６）同士が重なる部分に境界（２７）が存在している。
この構成によれば、柱状組織束領域（２６）同士が重なっている境界（２７）近傍に空孔（２４）が多く形成されるため、酸化被膜（１８）の断熱性が向上する。

請求項３に記載した発明は、酸化被膜（１８）の平均膜厚（Ｈ）が１０μｍ以上７５μｍ以下である。
この構成によれば、断熱性の維持と、酸化被膜（１８）が熱を放出しやすくなることによる、燃焼ガス温度に対する表面温度の追従性の向上とを両立できる。

請求項４に記載した発明は、柱状組織（２２）の平均幅（Ｄ）が１．１μｍ以下である。
この構成によれば、酸化被膜（１８）の断熱効果が向上する。

請求項５に記載した発明は、アルミニウム母材からなる部品（１２）の表面（１２ａ）に酸化被膜（１８）が形成されている酸化被膜付部品（２０）である。
この構成によれば、低コストで容易に製造できる、優れた断熱効果を有する酸化被膜付部品（２０）を提供できる。

請求項６に記載した発明は、部品はピストン（１２）であり、前記酸化被膜（１８）は、前記ピストン（１２）の上面（１２ａ）における、平面視での前記ピストン（１２）の輪郭に沿った所定の幅（ｄ）の環状領域（Ａ）よりも内側の領域（Ｂ）に形成されている。
この構成によれば、低コストで容易に製造できる、優れた断熱効果を有するピストン（１２）となる。また、燃焼室（２）内のスキッシュエリアの面粗度管理が容易になるため、自己着火（ノッキング）を抑制しやすい。

本発明によれば、低コストで容易に形成でき、部品表面における熱の流出を抑制できる酸化被膜、及び前記酸化被膜を備える酸化被膜付部品を提供することができる。

実施形態に係る酸化被膜付きのピストン（酸化被膜付部品）を備えるエンジンの主要部を示す概略図である。 図１のエンジンが備えるピストンの平面図である。 図２のピストンの上部のＩ－Ｉ断面図である。 図３における酸化被膜の一部を拡大して示した拡大図である。 ピストンの上面にレーザーを走査しながら照射して酸化被膜を形成する様子を示した説明図である。 他の実施形態の酸化被膜の一部を拡大して示した拡大図である。 実施例１の酸化被膜の厚さ方向の断面の顕微鏡写真である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において例示される図の寸法等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

実施形態の酸化被膜は、アルミニウム母材からなる部品の表面に形成される酸化被膜である。図１は、実施形態に係るエンジン１の主要部を示す概略図である。
エンジン１は、シリンダ１０と、ピストン１２と、吸気バルブ１４と、排気バルブ１６と、を備えている。エンジン１の内部におけるシリンダ１０の壁面１０ａ、シリンダヘッドの燃焼室の壁面１１、吸気バルブ１４、排気バルブ１６、及びピストン１２の上面１２ａに囲まれた領域が燃焼室２になっている。

ピストン１２は、アルミニウムによって構成されている。すなわち、ピストン１２は、アルミニウム母材からなる部品である。
ピストン１２は、ピストンリング１５を収容するピストンリング収容溝１３を備えている。ピストンリング収容溝１３は、ピストン軸線Ｏ１周りに周回するようにピストン１２の外周面に形成されている。ピストン１２のピストンリング収容溝１３の下側には、ピストン軸線Ｏ１周りに周回するようにオイルリング収容溝１７が形成されている。

ピストンリング収容溝１３のピストン軸線Ｏ１に略直行する一対の側面部１３ａ，１３ｂには、耐摩擦用のメッキを形成し、ピストンの摩擦を抑制するが知られている。しかし、この方法は専用のメッキ行程が必要となり、工程数が増えるうえ、メッキ設備が必要となりコストの増加に繋がる。

本実施形態では、ピストンリング収容溝１３のピストン１２の往復運動方向に対して略直交し、互いに向かい合う一対の側面部１３ａ，１３ｂは、バニッシング加工が施されて表面仕上げされている。これにより、メッキ設備が必要なくなり、一連の機械加工の行程内でピストンリング収容溝１３を成型する切削加工とピストンリング収容溝１３の表面仕上げが可能となるため、コストを抑えつつ側面部１３ａ，１３ｂの耐摩耗性を向上させることができる。

なお、ピストンリング収容溝１３の底面（ピストン軸線Ｏ１に略平行な円周面）にもバニッシング加工が施されていてもよい。ピストンリング収容溝１３の対向する一対の側面部１３ａ，１３ｂは、互いに厳密な平行面である必要はなく、例えば底面部から半径方向外側に向けて互いに遠ざかるテーパー面からなる一対の側面部１３ａ，１３ｂであってもよい。
オイルリング収容溝１７は、バニッシング加工を施してもよく、施さなくてもよい。

図１及び図２に示すように、アルミニウム母材からなる部品の表面、すなわちピストン１２の上面１２ａには酸化被膜１８が形成されている。このように、エンジン１は、酸化被膜１８付きのピストン１２である酸化被膜付部品２０を備えている。

図３及び図４に示すように、酸化被膜１８は、束状に密集している複数の柱状組織２２を含む。柱状組織２２は、Ａｌ_２Ｏ_３からなる中実の柱状の組織である。隣接する柱状組織２２同士の境界２３には、粒状の空孔２４、すなわち閉じた気泡が境界２３に沿って複数形成されている。

なお、「柱状組織が中実である」とは、組織内部に長さ方向に延びる中空部がある筒状ではなく、内部が実質的にＡｌ_２Ｏ_３で満たされている柱状組織を意味する。「中実の柱状組織」には、製造上、不可避的に内部に気泡が僅かに形成されている柱状組織も含まれ得る。

酸化被膜１８は、ピストン１２の上面１２ａに酸素を吹き付けながらレーザーを照射することで形成される。酸素を吹き付けながらレーザーを照射することで、ピストン１２の上面１２ａが急速加熱、急速冷却される。これにより、アルミニウム母材が溶解し、酸素と反応してＡｌ_２Ｏ_３となり、冷却時に柱状に成長することで、束状に密集した柱状組織２２が形成される。また、柱状組織２２同士の境界２３に、吹き付けている酸素、又は大気よりも酸素濃度の濃い空気が混入し、境界２３に沿って複数の空孔２４が形成される。空孔２４には、酸素、又は大気よりも酸素濃度の濃い空気が含まれる。

柱状組織２２の平均幅Ｄ（図３）は、１．１μｍ以下が好ましく、０．７μｍ以下がより好ましい。柱状組織２２の平均幅Ｄが前記上限値以下であれば、酸化被膜１８の断熱効果が向上する。柱状組織２２の形成が容易な点では、柱状組織２２の平均幅Ｄは、０．２μｍ以上が好ましい。
なお、柱状組織２２の平均幅Ｄは、酸化被膜１８を厚さ方向に切断した任意の断面において、無作為に選択した５０個の柱状組織２２について測定した幅の平均値を意味する。

空孔２４の平均直径は、０．０５μｍ以上０．１３μｍ以下が好ましく、０．０９μｍ以上０．１３μｍ以下がより好ましい。空孔２４の平均直径が前記範囲内であれば、酸化被膜１８の断熱効果が向上し、かつ熱容量が小さくなるため、表面温度が燃焼ガスの温度に追従しやすくなる。
なお、空孔２４の平均直径は、酸化被膜１８を厚さ方向に切断した任意の断面において、無作為に選択した２００個の空孔２４について測定した最大径の平均値を意味する。空孔の平均直径や数は、レーザーの走査速度やピッチ等の条件によって変化する。

図２に示すように、酸化被膜１８は、ピストン１２の上面１２ａにおける、平面視でのピストン１２の輪郭に沿った所定の幅ｄの環状領域Ａよりも内側の領域Ｂに形成されている。ピストン１２の上面１２ａにおける環状領域Ａには酸化被膜１８は形成されていない。これにより、燃焼室２内のスキッシュエリアの面粗度管理が容易になり、自己着火（ノッキング）を抑制しやすい。
環状領域Ａの幅ｄは、２．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下が好ましい。

図２～４に示すように、この例の酸化被膜１８では、複数の柱状組織２２が束状に密集している柱状組織束領域２６がピストン１２の上面１２ａの面方向に複数形成されている。また、各々の柱状組織束領域２６は、少なくとも隣接する柱状組織束領域２６と一部が重なっている。柱状組織束領域２６同士が重なっている部分には、柱状組織束領域２６同士の境目である境界２７が存在している。この例では、酸化被膜１８において部分的に３つ又は４つの柱状組織束領域２６が重なって層状になっている。

なお、酸化被膜１８における柱状組織束領域２６が重なり合う態様は、この例のように３層又は４層になっている態様には限定されない。例えば、各々の柱状組織束領域２６が隣接する柱状組織束領域２６のみと重なり２層になっている部分を含む態様であってもよく、柱状組織束領域２６が５層以上重なっている部分を含む態様であってもよい。

複数の柱状組織束領域２６が部分的に層状に重なり合っている酸化被膜１８の形成方法は、特に限定されない。例えば、図５に示すように、ピストン１２の上面１２ａの環状領域Ｂに対し、酸素を吹き付けつつ、矢印Ｙ方向に所定の間隔をあけて矢印Ｘ方向及び矢印Ｘ方向と逆方向に走査しながらレーザーＬを照射する方法を例示できる。レーザーＬを走査しながら照射し、照射が重なった範囲では、前のレーザーＬの照射によって溶解して固化した部分が一部再溶解し、柱状組織２２が成長して層状に重なりながら柱状組織束領域２６が順に形成されていく。
なお、図５で説明した実施例では、レーザーを図５の左右方向に往復するように走査させているが、走査方向を一方向（例えば、図５の左から右に向く向き（矢印ｘ方向））のみとし、矢印Ｙ方向に所定の間隔をあけてレーザーを複数回走査させる方法であってもよい。

走査するレーザーＬの矢印Ｙ方向のピッチ（間隔）Ｐが小さく、走査速度が遅いほど、被膜が再溶解する影響が大きく、柱状組織束領域２６同士の境界２７の傾きが大きくなる傾向がある。また、走査するレーザーＬの矢印Ｙ方向のピッチＰが大きく、走査速度が速いほど、柱状組織束領域２６同士の境界２７の傾きが小さくなる傾向がある。

各々の柱状組織束領域２６間において、各柱状組織２２の中心軸の方向は同じであってもよく、異なっていてもよい。１つの柱状組織束領域２６内における各柱状組織２２の中心軸の方向も、同じであってもよく、異なっていてもよい。

図４に示すように、柱状組織束領域２６同士の境界２７におけるピストン１２側（母材側）の柱状組織束領域２６の境界２７に面する表層部分は、柱状組織２２よりも細かい微小柱状組織２８が複数形成されてうろこ状になっている。微小柱状組織２８同士の境界や微小柱状組織２８と柱状組織２２との間の境界にも、複数の粒状の空孔２４が当該境界に沿って形成されている。このようなうろこ状の構造が形成されると、柱状組織束領域２６の境界２７に面する表層部分に多くの空孔２４が形成されているため、酸化被膜１８の断熱層としての機能が向上する。

このようなうろこ状の構造は、照射範囲が部分的に重なるようにレーザーを走査しながら照射することで形成される。これは、必ずしも明らかではないが、柱状組織束領域２６の上にさらに重なる柱状組織束領域２６が形成される際の熱が影響し、既に柱状組織２２が形成されていた部分に微小柱状組織２８が形成されると考えられる。

酸化被膜１８の平均膜厚Ｈ（図１）は、１０μｍ以上７５μｍ以下が好ましく、５０μｍ以上７５μｍ以下がより好ましい。酸化被膜１８の平均膜厚が前記下限値以上であれば、断熱性を維持しやすい。酸化被膜１８の平均膜厚が前記上限値以下であれば、酸化被膜１８が熱を放出しやすくなり、燃焼ガス温度に対する表面温度の追従性が向上する。
なお、酸化被膜１８の平均膜厚Ｈは、酸化被膜１８における無作為に選択した２０箇所について測定した膜厚の平均値を意味する。酸化被膜１８の平均膜厚Ｈは、レーザーの走査速度、ピッチＰ等の条件によって調整できる。

酸化被膜付部品２０の製造方法としては、例えば、前述のように、ピストン１２の上面１２ａに酸素を吹き付けながらレーザーを走査して照射し、酸化被膜１８を形成する方法が挙げられる。
使用するレーザーは、特に限定されず、例えば、イットリウムを含む固体レーザーを例示できる。レーザーの走査速度、ピッチＰ、エネルギー密度等の条件は、適宜設定できる。

以上説明したように、エンジン１では、燃焼室２に面するピストン１２の上面１２ａに酸化被膜１８が形成されている。そして、酸化被膜１８は、束状に密集したＡｌ_２Ｏ_３からなる複数の中実の柱状組織２２を含み、柱状組織２２同士の境界２３に沿って複数の空孔２４が形成されている。空孔２４に含まれる酸素、又は大気よりも酸素濃度の濃い空気は、アルミニウムに比べて熱容量が小さい。そのため、酸化被膜１８はピストン１２よりも熱容量が小さく、表面温度が燃焼ガス温度に追従しやすくなる。また、酸素、又は大気よりも酸素濃度の濃い空気は、アルミニウムに比べて断熱性に優れるため、酸化被膜１８はピストン１２よりも断熱性に優れている。これらのことから、ピストン１２の上面１２ａに酸化被膜１８を形成することにより、ピストン１２を介した燃焼室２からの熱の流出量を低減することができる。

また、空孔（気泡）２４は、酸素を吹き付けながらレーザーを照射することで柱状組織２２間に閉じた状態で形成される。そのため、従来技術のような封孔工程が必要なく、容易に低コストで酸化被膜１８を形成できる。

本発明の酸化被膜は、特に単気筒エンジンを搭載した二輪車等の鞍乗り型車両等、比較的車両価格を低く抑える必要のある車両のエンジンに好適である。さらに、空冷エンジンはエンジンの冷却量を積極的に変化させることが難しいため、本発明の酸化被膜は空冷エンジンの燃焼室外部への熱の拡散量を低減するのに特に適している。

なお、本発明の酸化被膜は、ピストンの上面に形成する態様には限定されない。例えば、エンジンのシリンダヘッドの燃焼室側の壁面に酸化被膜を形成した酸化被膜付部品としてもよい。

例えば、図６に示すように、ピストン１２の上面１２ａに、酸化被膜１８の代わりに酸化被膜１８Ａを形成してもよい。酸化被膜１８Ａは、柱状組織束領域２６内の他の柱状組織２２とは中心軸方向が異なる柱状組織２２の塊３０が柱状組織束領域２６同士の境界２７を跨ぐように存在し、塊３０の周囲の粒界３１に沿って複数の空孔２４が形成されている以外は、酸化被膜１８と同様の態様である。

酸化被膜１８Ａも、複数の中実の柱状組織２２を含み、柱状組織２２同士の境界２３や塊３０の粒界３１に沿って複数の空孔２４が形成されているため、断熱効果が高い。酸化被膜１８Ａは、例えば、ピストン１２の上面１２ａに対し、酸素を吹き付けながらレーザー照射を２度以上行うことで形成される。

以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の記載によっては限定されない。

［実施例１］
アルミニウム製の板状の試験片（縦２０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ１０ｍｍ）の表面に、酸素を吹き付けつつ、横方向に０．０７５ｍｍのピッチで間隔をあけて縦方向にレーザー（エネルギー密度：５００Ｊ／ｃｍ^２）を５０ｍｍ／ｓで走査させながら照射し、Ａｌ_２Ｏ_３からなる酸化被膜を形成した。前記試験片の縦方向に垂直な面で酸化被膜を切断した断面をＦＥ－ＳＥＭによって観察した顕微鏡写真を図７に示す。

酸化被膜の平均膜厚は５０μｍ、柱状組織の平均幅は０．７μｍ、空孔の平均直径は０．０６μｍであった。レーザーフラッシュ法によって酸化被膜の熱伝導率を測定したところ、６．０Ｗ／ｍ・Ｋであり、断熱性に優れていた。

１ エンジン１
１０ シリンダ
１２ ピストン（部品）
１２ａ ピストンの上面（部品の表面）
１４ 吸気バルブ
１６ 排気バルブ
１８，１８Ａ 酸化被膜
２０ 酸化被膜付部品
２２ 柱状組織
２３ 柱状組織同士の境界
２４ 空孔
２６ 柱状組織束領域
２７ 柱状組織束領域同士の境界
２８ 微小柱状組織
３０ 塊
３１ 粒界

Claims (5)

1. アルミニウム母材からなる部品（１２）の表面（１２ａ）に形成される酸化被膜（１８）であって、
   束状に密集しているＡｌ_２Ｏ_３からなる中実の柱状組織（２２）を含み、
   隣接する前記柱状組織（２２）同士の境界（２３）に沿って複数の粒状の空孔（２４）が形成されており、
   前記柱状組織（２２）の平均幅（Ｄ）が１．１μｍ以下である、酸化被膜。
2. 複数の柱状組織（２２）が束状に密集した柱状組織束領域（２６）が前記部品（１２）の表面（１２ａ）の面方向に複数形成されており、
   各々の前記柱状組織束領域（２６）は少なくとも隣接する前記柱状組織束領域（２６）と一部が重なり、前記柱状組織束領域（２６）同士が重なる部分に境界（２７）が存在している、請求項１に記載の酸化被膜。
3. 平均膜厚（Ｈ）が１０μｍ以上７５μｍ以下である、請求項１又は２に記載の酸化被膜。
4. アルミニウム母材からなる部品（１２）の表面（１２ａ）に、請求項１～３のいずれか一項に記載の酸化被膜（１８）が形成されている、酸化被膜付部品。
5. 前記部品はピストン（１２）であり、
   前記酸化被膜は、前記ピストン（１２）の上面（１２ａ）における、平面視での前記ピストン（１２）の輪郭に沿った所定の幅（ｄ）の環状領域（Ａ）よりも内側の領域（Ｂ）に形成されている、請求項４に記載の酸化被膜付部品。

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