JP2017160532A - Surface structure of aluminum member - Google Patents
Surface structure of aluminum member Download PDFInfo
- Publication number
- JP2017160532A JP2017160532A JP2017005381A JP2017005381A JP2017160532A JP 2017160532 A JP2017160532 A JP 2017160532A JP 2017005381 A JP2017005381 A JP 2017005381A JP 2017005381 A JP2017005381 A JP 2017005381A JP 2017160532 A JP2017160532 A JP 2017160532A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- oxide film
- aluminum
- based member
- less
- surface structure
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Abstract
Description
本発明は、アルミニウム系部材の表面構造に関し、詳しくは、アルミニウム系部材の表面に多孔質の酸化皮膜を備えたアルミニウム系部材の表面構造に関する。 The present invention relates to a surface structure of an aluminum-based member, and more particularly to a surface structure of an aluminum-based member provided with a porous oxide film on the surface of the aluminum-based member.
従来より、車両等で使用されるアルミニウム系部材の断熱性や遮熱性を高めるために、該アルミニウム系部材の表面に、内部に空孔を有する陽極酸化皮膜を形成することが行われている。 2. Description of the Related Art Conventionally, in order to improve the heat insulating property and heat shielding property of an aluminum-based member used in a vehicle or the like, an anodized film having pores inside is formed on the surface of the aluminum-based member.
例えば、特許文献１には、内燃機関の燃焼室に臨む壁面の一部もしくは全部に、低熱伝導かつ低体積比熱容量の陽極酸化皮膜を具備する構成が記載されている。この特許文献１によれば、この陽極酸化皮膜は、その膜厚は３０μｍ〜１７０μｍの範囲にあり、陽極酸化皮膜の表面から内部に向かって厚み方向もしくは略厚み方向に延びる、直径がミクロサイズの第１のミクロ孔及び直径がナノサイズのナノ孔と、陽極酸化皮膜の内部にあって直径がミクロサイズの第２のミクロ孔とを有する。また、第１のミクロ孔およびナノ孔の少なくとも一部は封止物で封止されているが、第２のミクロ孔の少なくとも一部は封止されていない構造となっている。 For example, Patent Document 1 describes a configuration in which an anodic oxide film having a low thermal conductivity and a low volume specific heat capacity is provided on part or all of a wall surface facing a combustion chamber of an internal combustion engine. According to this Patent Document 1, this anodized film has a film thickness in the range of 30 μm to 170 μm, and extends in the thickness direction or substantially in the thickness direction from the surface of the anodized film to the inside. The first micropore and the nanopore having a diameter of nano-size, and the second micropore having a diameter of micro-size inside the anodized film. In addition, at least a part of the first micropores and nanopores is sealed with a sealing material, but at least a part of the second micropores is not sealed.
また、特許文献１によれば、アルミニウム系壁面を形成するアルミニウム系材料が、合金成分として、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｆｅの少なくとも一種を含むこととしている。合金成分を含ませることにより、特にアルミニウム系材料が合金成分として、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｆｅの少なくとも一種を含んでいることにより、ミクロ孔の直径や断面寸法がさらに大きくなる傾向にあり、ミクロ孔の口径拡大が促進され、気孔率の向上を図ることができることが記載されている。 According to Patent Document 1, the aluminum-based material forming the aluminum-based wall surface includes at least one of Si, Cu, Mg, Ni, and Fe as an alloy component. By including an alloy component, the aluminum-based material, in particular, contains at least one of Si, Cu, Mg, Ni, and Fe as the alloy component, so that the diameter and cross-sectional dimension of the micropores tend to be further increased. It is described that the expansion of the micropore diameter is promoted and the porosity can be improved.
しかしながら、更なる断熱性や遮熱性をアルミニウム系部材に付与するためには陽極酸化皮膜内部の空孔を多くする必要があるが、上述した特許文献１に記載の技術では、空孔を増やした場合、第１のミクロ孔と第２のミクロ孔がつながる場合が生じる。また、封止剤の表面張力の働きもあり、第２のミクロ孔のみを封止しないように封孔処理を行うことは困難である。また、第２のミクロ孔は陽極酸化皮膜の下部に多く存在しているため、陽極酸化皮膜の表面側に熱が籠もってしまうおそれがある。 However, it is necessary to increase the number of vacancies inside the anodized film in order to impart further heat insulation and heat shielding properties to the aluminum-based member. However, in the technique described in Patent Document 1 described above, the vacancies are increased. In this case, the first micropore and the second micropore may be connected. In addition, there is a function of the surface tension of the sealant, and it is difficult to perform the sealing process so as not to seal only the second micropores. Moreover, since there are many second micropores below the anodized film, heat may be trapped on the surface side of the anodized film.
また、従来の陽極酸化処理では、電圧、電流の電解条件は種々あるが、一般的に直流電解により行われる。この直流電解では、電圧をコントロールすることにより孔径をコントロールすることが可能である。これまで断熱性の効果を得る方法としては、直流電解により成長する酸化アルミの柱状組織内のナノレベルの空孔が利用され、その皮膜中の体積割合は硫酸浴で２０％程度と低かった。そのため、陽極酸化処理時の電解浴成分、電解条件、温度等を変えたり、陽極酸化処理後、薬液に浸漬することによる孔径拡大処理が従来から行われている。 In the conventional anodic oxidation treatment, there are various voltage and current electrolysis conditions. In this direct current electrolysis, the pore diameter can be controlled by controlling the voltage. Until now, as a method for obtaining the effect of heat insulation, nano-level vacancies in the columnar structure of aluminum oxide grown by direct current electrolysis have been used, and the volume ratio in the film has been as low as about 20% in a sulfuric acid bath. For this reason, a pore diameter expansion process has been conventionally performed by changing the electrolytic bath components, electrolysis conditions, temperature, etc. during the anodizing process, or by immersing in a chemical solution after the anodizing process.
このような孔径拡大処理においては、柱状組織内の空孔率を上げるため、硫酸よりもシュウ酸やリン酸が使用されていた。しかしながら、シュウ酸やリン酸を使用することは、硫酸よりも印加電圧を高めることはできるが、処理時の発熱が大きくなるため、電流密度をあまり高くすることはできず成膜速度が低下するという課題があり、厚膜化には向かなかった。しかも、孔径拡大処理は、柱状組織の酸化アルミを化学的に溶かす方法であるため皮膜表面が荒れ、また、そのための薬液処理工程と工程管理が増え、製造が煩雑となっていた。 In such a pore diameter expansion process, oxalic acid or phosphoric acid has been used rather than sulfuric acid in order to increase the porosity in the columnar structure. However, the use of oxalic acid or phosphoric acid can increase the applied voltage as compared with sulfuric acid, but the heat generation during processing increases, so the current density cannot be increased so much that the film formation rate decreases. However, it was not suitable for thickening. In addition, the pore diameter expansion process is a method of chemically dissolving columnar structure aluminum oxide, so that the surface of the film is roughened, and the chemical treatment process and process management for that purpose are increased, making the manufacturing complicated.
これ故、従来より、成膜速度の速い硫酸浴による高い空隙率（ここでは、ナノサイズとミクロサイズの空孔をあわせて空隙と呼ぶ）の陽極酸化皮膜の作製が要望されていた。こうした要望に応えるために、特許文献１に記載の技術では、合金成分として、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｆｅの少なくとも一種を含めることでミクロ孔を拡大させて高い気孔率を確保するようにしている。この場合、特にこれら合金成分の中でアルミ部品の強度を上げる目的でＳｉが含有されることが多い。しかしながら、熱の伝導率が高いこの不溶性シリコン粒子は、鋳造後の形状を維持しつつ、熱を速やかに皮膜に伝えてしまう欠点があった。 Therefore, conventionally, there has been a demand for production of an anodic oxide film having a high void ratio (here, nano-sized and micro-sized pores are collectively referred to as voids) using a sulfuric acid bath having a high deposition rate. In order to meet these demands, in the technique described in Patent Document 1, at least one of Si, Cu, Mg, Ni, and Fe is included as an alloy component to expand the micropores and ensure a high porosity. ing. In this case, among these alloy components, Si is often contained for the purpose of increasing the strength of the aluminum part. However, the insoluble silicon particles having a high thermal conductivity have a drawback of rapidly transferring heat to the film while maintaining the shape after casting.
また、合金成分として、単にＳｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｆｅの少なくとも一種を含めることでミクロ孔を拡大させただけでは、十分な断熱性及び遮熱性を付与するほどの高い空隙率を確保することが困難であった。 In addition, by simply including at least one of Si, Cu, Mg, Ni, and Fe as the alloy component, the micropores are expanded to ensure a high porosity enough to provide sufficient heat insulation and heat shielding properties. It was difficult.
本発明はこのような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、酸化皮膜の表面側に熱が籠ることを低減し、アルミニウム系部材の更なる断熱性や遮熱性を高めることができるアルミニウム系部材の表面構造を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a situation, and its purpose is to reduce the heat generated on the surface side of the oxide film, and to further improve the heat insulation and heat shielding properties of the aluminum-based member. The object is to provide a surface structure of an aluminum-based member.
上記課題を解決するため、本発明に係るアルミニウム系部材の表面構造では、質量％で、Ｓｉが８．０％以上、かつ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｚｎ、及びＦｅの合計が２．９％以上であり、残部がアルミニウムと不可避的不純物からなるアルミニウム系部材において、前記アルミニウム系部材の表面には多孔質の酸化皮膜を備え、前記酸化皮膜は表面から内部に向かって前記酸化皮膜の厚み方向に伸びる空孔と、前記酸化皮膜の厚み方向に略直交する方向に伸びるシリコン組成の内部に存在する空隙とを少なくとも有する構成としている。なお、前記Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｚｎ、及びＦｅは、前記酸化皮膜を生成する際に、処理液に溶け出す組成である。 In order to solve the above problems, in the surface structure of the aluminum-based member according to the present invention, Si is 8.0% or more by mass%, and the total of Cu, Ni, Mg, Mn, Zn, and Fe is 2. It is 9% or more, and in the aluminum-based member composed of aluminum and unavoidable impurities, the surface of the aluminum-based member is provided with a porous oxide film, and the oxide film is formed from the surface toward the inside of the oxide film. The structure has at least pores extending in the thickness direction and voids existing in the silicon composition extending in a direction substantially perpendicular to the thickness direction of the oxide film. In addition, the said Cu, Ni, Mg, Mn, Zn, and Fe are the compositions which melt | dissolve in a process liquid, when producing | generating the said oxide film.
本発明に係るアルミニウム系部材の表面構造の一態様では、前記空孔の平均直径よりも前記空隙の前記酸化皮膜の厚み方向の平均長さの方が長い構成としている。 In one aspect of the surface structure of the aluminum-based member according to the present invention, the average length of the voids in the thickness direction of the oxide film is longer than the average diameter of the pores.
本発明に係るアルミニウム系部材の表面構造の一態様では、前記アルミニウム系部材に含まれる前記シリコン組成の前記酸化皮膜の厚み方向の長さは１μｍ以上４０μｍ以下である構成としている。 In one aspect of the surface structure of the aluminum-based member according to the present invention, the length in the thickness direction of the oxide film of the silicon composition contained in the aluminum-based member is 1 μm or more and 40 μm or less.
本発明に係るアルミニウム系部材の表面構造の一態様では、前記アルミニウム系部材の前記シリコン組成が３０質量％以下である構成としている。 In one aspect of the surface structure of the aluminum-based member according to the present invention, the silicon composition of the aluminum-based member is 30% by mass or less.
本発明に係るアルミニウム系部材の表面構造の一態様では、前記酸化皮膜の密度は０．６×１０３ｋｇ／ｍ３以上１．１×１０３ｋｇ／ｍ３以下である構成としている。 In one aspect of the surface structure of the aluminum-based member according to the present invention, the density of the oxide film is 0.6 × 10 3 kg / m 3 or more and 1.1 × 10 3 kg / m 3 or less.
本発明に係るアルミニウム系部材の表面構造の一態様では、前記酸化皮膜の空隙率は７０％以上９０％以下である構成としている。 In one aspect of the surface structure of the aluminum-based member according to the present invention, the oxide film has a porosity of 70% or more and 90% or less.
本発明に係るアルミニウム系部材の表面構造の一態様では、前記酸化皮膜の熱伝導率は０．６５Ｗ／ｍ・Ｋ以下である構成としている。 In one aspect of the surface structure of the aluminum-based member according to the present invention, the oxide film has a thermal conductivity of 0.65 W / m · K or less.
本発明に係るアルミニウム系部材の表面構造の一態様では、前記空孔は封孔生成物で封孔されている構成としている。 In one aspect of the surface structure of the aluminum-based member according to the present invention, the holes are sealed with a sealing product.
本発明に係るアルミニウム系部材の表面構造の一態様では、前記アルミニウム系部材により内燃機関を構成する部材を形成している。なお、本発明に係るアルミニウム系部材は、部品の一部でも全部でもよく、また、部品は、アルミニウム合金部品でも、その他の鉄系やチタン系の部材を含む部品でもよい。 In one aspect of the surface structure of the aluminum-based member according to the present invention, a member constituting an internal combustion engine is formed by the aluminum-based member. The aluminum-based member according to the present invention may be a part or all of a component, and the component may be an aluminum alloy component or a component including other iron-based or titanium-based members.
本発明に係るアルミニウム系部材の表面構造では、質量％で、Ｓｉが８．０％以上、かつ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｚｎ、及びＦｅの合計が２．９％以上であり、残部がアルミニウムと不可避的不純物からなるアルミニウム系部材の表面の酸化皮膜は、表面から内部に向かって前記酸化皮膜の厚み方向に伸びる空孔と、前記酸化皮膜の厚み方向に略直交する方向に伸びるシリコン組成の内部に存在する空隙とを少なくとも有することによって、前記酸化皮膜の内部に多くの前記空隙を存在させることができる。これにより、前記酸化皮膜の断熱性や遮熱性を更に向上でき、前記空隙は前記シリコン組成の内部に存在するため封孔処理過程で隙間が埋まり難くすることができる。金属酸化物である酸化アルミの封止剤に対する濡れ性は、金属であるシリコンよりも高く封止剤が回り込み易いためである。さらに、前記シリコン組成は前記アルミニウム系部材に均一に存在しているため、前記空隙を前記酸化皮膜に均一に設けることができ、前記酸化皮膜の熱ごもりを皮膜内部に渡り均一的に抑えることができる。また、質量％で、アルミニウム系部材にシリコン組成が８％以上であるので、シリコン組成を粗大化することができるとともに、前記シリコン組成の内部の空隙を多く形成することができ、且つアルミニウム系部材にＣｕ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｚｎ、及びＦｅの金属組成が合計で２．９％含まれることによって、これら金属組成が前記酸化皮膜を生成する際に処理液に溶け出すことから、その部分が空隙となり、断熱性及び遮熱性に有効な空隙を多く作ることができる。 In the surface structure of the aluminum-based member according to the present invention, in mass%, Si is 8.0% or more, and the total of Cu, Ni, Mg, Mn, Zn, and Fe is 2.9% or more, and the balance The oxide film on the surface of the aluminum-based member consisting of aluminum and unavoidable impurities is composed of pores extending in the thickness direction of the oxide film from the surface to the inside, and silicon extending in a direction substantially orthogonal to the thickness direction of the oxide film By having at least voids present in the composition, a large number of voids can be present in the oxide film. As a result, the heat insulating property and heat shielding property of the oxide film can be further improved, and since the voids exist inside the silicon composition, the gaps can be hardly filled in the sealing process. This is because the wettability of the aluminum oxide, which is a metal oxide, with respect to the sealant is higher than that of silicon, which is a metal, and the sealant tends to wrap around. Furthermore, since the silicon composition is uniformly present in the aluminum-based member, the voids can be provided uniformly in the oxide film, and the thermal weight of the oxide film is uniformly suppressed throughout the film. Can do. In addition, since the silicon composition of the aluminum-based member is 8% or more by mass%, the silicon composition can be coarsened and a large number of voids can be formed inside the silicon composition, and the aluminum-based member can be formed. Since the metal composition of Cu, Ni, Mg, Mn, Zn, and Fe is included in a total of 2.9%, the metal composition dissolves into the treatment liquid when the oxide film is formed. Becomes voids, and a large number of voids effective for heat insulation and heat shielding can be formed.
本発明に係るアルミニウム系部材の表面構造の一態様では、前記空孔の平均直径よりも前記空隙の前記酸化皮膜の厚み方向の平均長さの方が長い構成としているので、前記酸化皮膜の表面から伝わる熱を効果的に前記シリコン組成の内部の前記空隙で遮ることができる。 In one aspect of the surface structure of the aluminum-based member according to the present invention, since the average length of the voids in the thickness direction of the oxide film is longer than the average diameter of the pores, the surface of the oxide film It is possible to effectively block the heat transferred from the gap in the silicon composition.
本発明に係るアルミニウム系部材の表面構造の一態様では、前記アルミニウム系部材に含まれる前記シリコン組成の前記酸化皮膜の厚み方向の長さは１μｍ以上４０μｍ以下である構成としているので、前記酸化皮膜の厚み方向の長さが４０μｍ以下とすることにより、前記シリコン組成の周囲の引張応力に対する単位面積辺りの応力を大きくすることができる。また、前記アルミニウム系部材に含まれる前記シリコン組成の厚み方向の平均長さを１μｍ以上とすることにより、前記酸化皮膜を形成する際に、前記シリコン組成の内部に前記空隙が生じ易くすることができる。 In one aspect of the surface structure of the aluminum-based member according to the present invention, since the length in the thickness direction of the oxide film of the silicon composition contained in the aluminum-based member is 1 μm or more and 40 μm or less, the oxide film By setting the length in the thickness direction to 40 μm or less, the stress per unit area with respect to the tensile stress around the silicon composition can be increased. Moreover, when the average length in the thickness direction of the silicon composition contained in the aluminum-based member is 1 μm or more, the voids are easily generated in the silicon composition when the oxide film is formed. it can.
本発明に係るアルミニウム系部材の表面構造の一態様では、前記アルミニウム系部材の前記シリコン組成が３０質量％以下である構成としているので、切削加工性等が良く、実用的である。 In one aspect of the surface structure of the aluminum-based member according to the present invention, since the silicon composition of the aluminum-based member is 30% by mass or less, cutting workability and the like are good and practical.
本発明に係るアルミニウム系部材の表面構造の一態様では、前記酸化皮膜の密度は０．６×１０３ｋｇ／ｍ３以上１．１×１０３ｋｇ／ｍ３以下である構成としているので、前記酸化皮膜の密度が０．６×１０３ｋｇ／ｍ３以上であると使用に耐えうる皮膜強度を得ることができる。また、前記酸化皮膜の密度が１．１×１０３ｋｇ／ｍ３以下であると体積比熱容量と熱伝導率を低減させることができる。 In one aspect of the surface structure of the aluminum-based member according to the present invention, the density of the oxide film is 0.6 × 10 3 kg / m 3 or more and 1.1 × 10 3 kg / m 3 or less. When the density of the oxide film is 0.6 × 10 3 kg / m 3 or more, a film strength that can withstand use can be obtained. Further, when the density of the oxide film is 1.1 × 10 3 kg / m 3 or less, the volume specific heat capacity and the thermal conductivity can be reduced.
本発明に係るアルミニウム系部材の表面構造の一態様では、前記酸化皮膜の空隙率は７０％以上９０％以下である構成としているので、前記酸化皮膜の空隙率が７０％以上であると体積比熱容量を低減させることができる。また、前記酸化皮膜の空隙率が９０％以下であると使用に耐えうる皮膜強度を得ることができる。 In one aspect of the surface structure of the aluminum-based member according to the present invention, since the porosity of the oxide film is 70% or more and 90% or less, the volume ratio is 70% or more of the porosity of the oxide film. The heat capacity can be reduced. Further, when the porosity of the oxide film is 90% or less, a film strength that can be used can be obtained.
本発明に係るアルミニウム系部材の表面構造の一態様では、前記酸化皮膜の熱伝導率は０．６５Ｗ／ｍ・Ｋ以下である構成としているので、前記酸化皮膜の断熱性・遮熱性を向上させることができる。 In one aspect of the surface structure of the aluminum-based member according to the present invention, since the thermal conductivity of the oxide film is 0.65 W / m · K or less, the heat insulating property and heat shielding property of the oxide film are improved. be able to.
本発明に係るアルミニウム系部材の表面構造の一態様では、前記空孔は封孔生成物で封孔されている構成としているので、前記アルミニウム系部材の表面から前記酸化皮膜内部に熱が伝わり難く、前記酸化皮膜の断熱性・遮熱性を向上させることができる。また、前記アルミニウム系部材の表面に腐食性物質が付着しても、前記空孔を通じて前記酸化皮膜の内部に腐食性物質が伝わりにくいので、前記酸化皮膜の耐久性を向上させることができる。 In one aspect of the surface structure of the aluminum-based member according to the present invention, since the pores are sealed with a sealing product, heat is not easily transmitted from the surface of the aluminum-based member to the inside of the oxide film. The heat insulating properties and heat shielding properties of the oxide film can be improved. In addition, even if a corrosive substance adheres to the surface of the aluminum-based member, the corrosive substance is hardly transmitted to the inside of the oxide film through the pores, so that the durability of the oxide film can be improved.
本発明に係るアルミニウム系部材の表面構造の一態様では、前記したように低熱伝導性及び低体積比熱容量を達成できた前記アルミニウム系部材により内燃機関を構成する部材を形成したことにより、前記内燃機関の熱効率を向上させることができる。 In one aspect of the surface structure of the aluminum-based member according to the present invention, the internal combustion engine is formed of the aluminum-based member that has achieved low thermal conductivity and a low volume specific heat capacity as described above. The thermal efficiency of the engine can be improved.
以下、本発明に係るアルミニウム系部材の表面構造の一実施形態について説明する。
本実施形態に係るアルミニウム系部材の表面構造では、図１〜図３に示すように、アルミ合金基材１の断熱性を向上させるため、該アルミ合金基材１の表面に陽極酸化皮膜（以下、酸化皮膜という。）２を備えている。アルミ合金基材１は、質量％で、少なくともシリコン組成３を８％以上、処理液に溶解する金属成分を合計で２．９％以上含むアルミニウム系部材であり、シリコン組成３は、例えば不溶性シリコン粒子である。
Hereinafter, an embodiment of a surface structure of an aluminum-based member according to the present invention will be described.
In the surface structure of the aluminum-based member according to the present embodiment, as shown in FIGS. 1 to 3, in order to improve the heat insulating property of the aluminum alloy substrate 1, an anodized film (hereinafter referred to as “anodized oxide film”) , Referred to as an oxide film). The aluminum alloy base material 1 is an aluminum-based member containing at least 8% or more of a silicon composition 3 and a total of 2.9% or more of metal components dissolved in a treatment liquid in mass%. The silicon composition 3 is, for example, insoluble silicon. Particles.
さらに、酸化皮膜２は、その表面から内部に向かって該酸化皮膜２の厚み方向に伸びる空孔２ａ（図３を参照）と、酸化皮膜２の厚み方向に略直交する方向に伸びるシリコン組成３の内部に存在する空隙３ａ（図３を参照）と、酸化皮膜２中に直接存在する空隙２ｂ（図３を参照）とを少なくとも有している。尚、この空隙の形状は簡略的に示しており、形状は組成によって異なり一様ではない。 Furthermore, the oxide film 2 has pores 2a (see FIG. 3) extending in the thickness direction of the oxide film 2 from the surface toward the inside thereof, and a silicon composition 3 extending in a direction substantially orthogonal to the thickness direction of the oxide film 2. At least a gap 3a (see FIG. 3) existing inside the film and a gap 2b (see FIG. 3) directly present in the oxide film 2. In addition, the shape of this space | gap is shown simply and a shape changes with compositions and is not uniform.
ここで、シリコン組成３の内部に空隙３ａが形成される仕組みについて簡単に説明する。アルミ合金基材１が陽極酸化されると、図１に示すように酸化皮膜２の体積が膨張する。図１において、ｔは、アルミ合金基材１が体積膨張することによって増した厚さ分を示している。このとき、陽極酸化されない酸化皮膜２内に含まれるシリコン組成３は、ほとんど体積膨張しないので、該シリコン組成３は酸化皮膜２の成長に引っ張られる。これにより、シリコン組成３に酸化皮膜２の成長方向（厚み方向）に略直交する方向に割れが生じる。この割れにより、酸化皮膜２の厚み方向に略直交する方向に伸びる複数の空隙３ａがシリコン組成３の内部に形成される。なお、シリコン組成３の割れ易い形状としては、通常の球状よりも楕円や針状のようにより比表面積が大きい場合程割れ易い。 Here, a mechanism for forming the void 3a in the silicon composition 3 will be briefly described. When the aluminum alloy substrate 1 is anodized, the volume of the oxide film 2 expands as shown in FIG. In FIG. 1, t represents the thickness increased by the volume expansion of the aluminum alloy substrate 1. At this time, since the silicon composition 3 contained in the oxide film 2 that is not anodized hardly expands in volume, the silicon composition 3 is pulled by the growth of the oxide film 2. Thereby, a crack occurs in the silicon composition 3 in a direction substantially orthogonal to the growth direction (thickness direction) of the oxide film 2. Due to this crack, a plurality of voids 3 a extending in a direction substantially orthogonal to the thickness direction of the oxide film 2 are formed in the silicon composition 3. In addition, as a shape which the silicon composition 3 is easy to crack, it is easy to crack, when a specific surface area is larger like an ellipse or a needle shape rather than a normal spherical shape.
本実施形態では、上記のように酸化皮膜２のシリコン組成３の内部に熱が伝わる方向と垂直方向に亀裂を入れたことにより、酸化皮膜２の密度に影響する空隙３ａが増加する。このため、空隙３ａによりシリコン組成３において熱伝導が遮られるので、結果的に、酸化皮膜２の表面からアルミ合金基材１に伝わる熱を効果的に遮られる。これにより、アルミ合金基材１は高い断熱性・遮熱性を有することになり、熱の伝導率が高いシリコン組成３において熱が速やかに内部に伝えられる従来の欠点を解消することができる。図２（ａ）は、亀裂が入る前のシリコン組成３を示し、図２（ｂ）は、亀裂３ａが入った後のシリコン組成３を示している。 In the present embodiment, as described above, cracks are formed in the direction perpendicular to the direction in which heat is transmitted to the inside of the silicon composition 3 of the oxide film 2, thereby increasing the gap 3 a that affects the density of the oxide film 2. For this reason, since heat conduction is blocked in the silicon composition 3 by the gap 3a, as a result, heat transmitted from the surface of the oxide film 2 to the aluminum alloy substrate 1 is effectively blocked. Thereby, the aluminum alloy base material 1 has high heat insulating properties and heat shielding properties, and the conventional defect that heat is quickly transferred to the inside in the silicon composition 3 having high heat conductivity can be solved. FIG. 2 (a) shows the silicon composition 3 before the crack is formed, and FIG. 2 (b) shows the silicon composition 3 after the crack 3a is entered.
また、本実施形態では、空孔２ａの直径よりも空隙３ａの酸化皮膜２の厚み方向の平均長さの方が長くなっている。これにより、酸化皮膜２の表面から底面に伝わる熱を効果的にシリコン組成３の内部の空隙３ａで遮ることができる。さらに、アルミ合金基材１中のシリコン組成３は該アルミ合金基材１中に均一に存在しているため、シリコン組成３と共に存在する空隙３ａも酸化皮膜２中に均一に存在している。これにより、酸化皮膜２の表面から基材表面まで伝わる熱を通しにくくなり、該酸化皮膜２に熱が籠もってしまう可能性を低減することができる。 Moreover, in this embodiment, the average length of the thickness direction of the oxide film 2 of the space | gap 3a is longer than the diameter of the hole 2a. Thereby, the heat transmitted from the surface of the oxide film 2 to the bottom surface can be effectively blocked by the gap 3 a inside the silicon composition 3. Furthermore, since the silicon composition 3 in the aluminum alloy substrate 1 is present uniformly in the aluminum alloy substrate 1, the voids 3 a existing together with the silicon composition 3 are also present in the oxide film 2 uniformly. Thereby, it becomes difficult to transmit the heat transmitted from the surface of the oxide film 2 to the surface of the base material, and the possibility that the heat is trapped in the oxide film 2 can be reduced.
ここで、本実施形態で採用するアルミ合金基材１であるアルミニウム系部材について説明する。
「アルミニウム系部材」は、いわゆるアルミニウムの他、シリコン、銅等の合金成分を含むアルミニウム合金又はそれらを含有するアルミ展伸材、アルミ鋳造材、アルミダイカスト材（ＡＤＣ）等のアルミニウム合金を意味する。より具体的には、ＡＣ４、ＡＣ８、ＡＣ８Ａ、ＡＣ９等のＡＣ材、ＡＤＣ１０〜ＡＤＣ１４等のＡＤＣ材、Ａ４０００等のアルミニウム合金であることが適当である。詳細なアルミニウム合金の組成については後述する。
Here, the aluminum-based member that is the aluminum alloy substrate 1 employed in the present embodiment will be described.
The “aluminum-based member” means aluminum alloys containing alloy components such as silicon and copper, or aluminum alloys containing them, such as aluminum expanded materials, aluminum cast materials, and aluminum die cast materials (ADC), in addition to so-called aluminum. . More specifically, an AC material such as AC4, AC8, AC8A, and AC9, an ADC material such as ADC10 to ADC14, and an aluminum alloy such as A4000 are suitable. A detailed composition of the aluminum alloy will be described later.
次に、本実施形態における酸化皮膜２について詳しく説明する。
酸化皮膜２は多孔質に形成されたものである。酸化皮膜２には、電解条件によりその成長過程で生じる規則正しいナノレベルの空孔と、特にアルミ合金ではミクロレベルの空孔が存在する。陽極酸化処理より得られる酸化皮膜２は、アルミ合金基材１自身を酸化させることで成長するため、アルミ合金基材１とは異なる材料を該アルミ合金基材１の表面にコーティングする方法と比較して密着性が高い。それ故に、本実施形態に係る酸化皮膜２を多孔質に形成する方法は、断熱性・遮熱性を有する皮膜の形成に好適である。
Next, the oxide film 2 in this embodiment will be described in detail.
The oxide film 2 is formed porous. The oxide film 2 has regular nano-level vacancies generated during the growth process depending on electrolytic conditions, and micro-level vacancies particularly in an aluminum alloy. Since the oxide film 2 obtained by the anodic oxidation treatment grows by oxidizing the aluminum alloy base material 1 itself, it is compared with a method of coating the surface of the aluminum alloy base material 1 with a material different from the aluminum alloy base material 1. And high adhesion. Therefore, the method of forming the oxide film 2 according to the present embodiment in a porous manner is suitable for forming a film having heat insulating properties and heat shielding properties.
なお、本実施形態では、後述するように、アルミ合金基材１に酸化皮膜２を形成する際に処理液に溶け出す溶解性金属（Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ）が含まれているので、硫酸浴を用いて直流電解するのが良い。その理由は、硫酸浴は比較的成膜速度が速く、シリコン粒子（図５の写真に破線の円で囲む部分）内の空隙率を上げる上で好ましいからである。この場合、硫酸に替えてシュウ酸やリン酸を使用しても良く、あるいは、硫酸にシュウ酸やリン酸、フッ酸、過酸化水素等の薬液を添加してもよい。溶解性が高まる、あるいは電解時の電圧が高まることにより、シリコンの割れる頻度を高くすることができる。シリコン組成３の周辺の上記した溶解性金属を、処理液及び電解の作用により溶解させることにより、その部分がナノ、ミクロ両サイズの空隙２ｂとなり、さらに高い空隙率を有する、即ち低密度な酸化皮膜２を形成することができる。直流電解のその他の条件として、より低密度の酸化皮膜を得ることができることから、電流密度は４．８［Ａ/ｄｍ２］以下にすることが好ましい。 In this embodiment, as will be described later, a soluble metal (Cu, Ni, Mg, Mn, Zn, Fe) that dissolves into the treatment liquid when the oxide film 2 is formed on the aluminum alloy substrate 1 is included. Therefore, it is better to perform direct current electrolysis using a sulfuric acid bath. The reason for this is that the sulfuric acid bath has a relatively high film formation rate and is preferable for increasing the porosity in silicon particles (portion surrounded by a broken-line circle in the photograph of FIG. 5). In this case, oxalic acid or phosphoric acid may be used instead of sulfuric acid, or a chemical solution such as oxalic acid, phosphoric acid, hydrofluoric acid, or hydrogen peroxide may be added to sulfuric acid. By increasing the solubility or increasing the voltage during electrolysis, the frequency of silicon cracking can be increased. By dissolving the above-mentioned soluble metal around the silicon composition 3 by the action of the treatment liquid and electrolysis, the portion becomes a void 2b of both nano and micro sizes, and has a higher porosity, that is, low density oxidation. The film 2 can be formed. As other conditions for direct current electrolysis, since a lower density oxide film can be obtained, the current density is preferably 4.8 [A / dm 2 ] or less.
ここで、本実施形態における酸化皮膜２の物性について簡単にまとめて説明する。
まず、酸化皮膜２の空隙率について説明する。なお、本発明における「空隙率」とは、皮膜表面から内部へと皮膜方向へと伸びる空孔２ａと、シリコン組成内の空隙３ａと、溶解性の金属成分に由来する空隙２ｂとの合計の空隙率である。
酸化皮膜２の空隙率は７０％以上、更に好ましくは７５％以上である。これにより、体積比熱容量を低減できる。また、酸化皮膜２の空隙率は、９０％、好ましくは８５％以下である。これにより、使用に耐えうる皮膜強度を得ることができる。なお、酸化皮膜２の空隙率とは酸化皮膜２のかさ密度と真密度とに基づき算出したものである。酸化皮膜２の空隙率が７０％以上であると体積比熱容量を低減でき、さらに９０％以下であると使用に耐えうる皮膜強度を得ることができる。
Here, the physical properties of the oxide film 2 in this embodiment will be briefly described.
First, the porosity of the oxide film 2 will be described. The “porosity” in the present invention is the total of the pores 2a extending from the coating surface to the inside in the coating direction, the voids 3a in the silicon composition, and the voids 2b derived from the soluble metal component. It is a porosity.
The porosity of the oxide film 2 is 70% or more, more preferably 75% or more. Thereby, the volume specific heat capacity can be reduced. The porosity of the oxide film 2 is 90%, preferably 85% or less. Thereby, the film strength that can be used can be obtained. The porosity of the oxide film 2 is calculated based on the bulk density and true density of the oxide film 2. When the porosity of the oxide film 2 is 70% or more, the volume specific heat capacity can be reduced, and when it is 90% or less, film strength that can withstand use can be obtained.
次に、酸化皮膜２の密度について説明する。
酸化皮膜２の密度は０．６×１０３ｋｇ／ｍ３以上、好ましくは０．７×１０３ｋｇ／ｍ３以上である。これにより、使用に耐えうる皮膜強度を得ることができる。また、酸化皮膜２の密度は１．１×１０３ｋｇ／ｍ３以下、好ましくは１．０×１０３ｋｇ／ｍ３以下、より好ましくは０．９×１０３ｋｇ／ｍ３以下である。このように、酸化皮膜２の密度が０．６×１０３ｋｇ／ｍ３以上であると使用に耐えうる皮膜強度を得ることができ、さらに、１．１×１０３ｋｇ／ｍ３以下であると体積比熱容量と熱伝導率を低減できる。なお、酸化皮膜２の密度ρは、「密度測定用に１０ｍｍ×１０ｍｍに切断した試験片の質量、マイクロメータを用いて各辺の長さを測定し、膜厚は試験片の断面から光学顕微鏡で観察して測定し、これらの測定値から算出したものである。
Next, the density of the oxide film 2 will be described.
The density of the oxide film 2 is 0.6 × 10 3 kg / m 3 or more, preferably 0.7 × 10 3 kg / m 3 or more. Thereby, the film strength that can be used can be obtained. Further, the density of the oxide film 2 is 1.1 × 10 3 kg / m 3 or less, preferably 1.0 × 10 3 kg / m 3 or less, more preferably 0.9 × 10 3 kg / m 3 or less. . Thus, when the density of the oxide film 2 is 0.6 × 10 3 kg / m 3 or more, it is possible to obtain a film strength that can be used, and 1.1 × 10 3 kg / m 3 or less. If it exists, volume specific heat capacity and thermal conductivity can be reduced. The density ρ of the oxide film 2 is “the mass of a test piece cut to 10 mm × 10 mm for density measurement, the length of each side is measured using a micrometer, and the film thickness is measured from the cross section of the test piece with an optical microscope. Measured by observing, and calculated from these measured values.
次に、酸化皮膜２の熱伝導率について説明する。
酸化皮膜２の熱伝導率は０．６５Ｗ／ｍ・Ｋ以下、好ましくは０．６０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である。これにより体積比熱容量を低減できる。なお、酸化皮膜２の熱伝導率について、比熱Ｃｓを、示差走査熱量計(ＳＨＩＭＡＤＺＵ製ＤＳＣ−６０Ｐｌｕｓ)を用い、ＤＳＣ法により算出した。そして、比熱Ｃｓに基づいて、後述する式(１)から算出することができる。
Next, the thermal conductivity of the oxide film 2 will be described.
The thermal conductivity of the oxide film 2 is 0.65 W / m · K or less, preferably 0.60 W / m · K or less. Thereby, the volume specific heat capacity can be reduced. In addition, about the heat conductivity of the oxide film 2, the specific heat Cs was computed by DSC method using the differential scanning calorimeter (DSC-60Plus by SHIMADZU). And based on the specific heat Cs, it can calculate from Formula (1) mentioned later.
次に、酸化皮膜２の体積比熱容量について説明する。
酸化皮膜２の体積比熱容量は１．００×１０３ｋＪ／ｍ３・Ｋ以下、好ましくは０．９０×１０３ｋＪ／ｍ３・Ｋ以下、より好ましくは０．８０×１０３ｋＪ／ｍ３・Ｋ以下である。これにより、体積比熱容量を低減出来る効果を有する。なお、体積比熱容量とは、物質の密度と比熱を掛けあわせた値である。
Next, the volume specific heat capacity of the oxide film 2 will be described.
The volume specific heat capacity of the oxide film 2 is 1.00 × 10 3 kJ / m 3 · K or less, preferably 0.90 × 10 3 kJ / m 3 · K or less, more preferably 0.80 × 10 3 kJ / m. 3 · K or less. This has the effect of reducing the volume specific heat capacity. The volume specific heat capacity is a value obtained by multiplying the density of the substance and the specific heat.
次に、酸化皮膜２の厚さについて説明する。
酸化皮膜２の厚さは５０μｍ以上が好ましい。また、酸化皮膜２の厚さは１５０μｍ以下、好ましくは１２０μｍ以下である。すなわち、酸化皮膜２の膜厚は、５０μｍから１２０μｍが好ましく、より好ましくは、５０μｍから１００μｍの範囲がよい。これにより、アルミ合金基材１に適切な遮熱性・断熱性を付与することができる。
Next, the thickness of the oxide film 2 will be described.
The thickness of the oxide film 2 is preferably 50 μm or more. The thickness of the oxide film 2 is 150 μm or less, preferably 120 μm or less. That is, the thickness of the oxide film 2 is preferably 50 μm to 120 μm, and more preferably 50 μm to 100 μm. Thereby, suitable heat-shielding property and heat insulation can be provided to the aluminum alloy base material 1.
なお、酸化皮膜２が厚くなると、その分該酸化皮膜２を成長させる時間がかかるため、より低熱伝導率、低体積比熱容量の酸化皮膜２であれば、酸化皮膜２は薄い方が効果的である。被処理物である部品は、陽極酸化処理の前に陽極酸化処理面を水洗浄、脱脂、電解エッチング等の前処理を行い、処理後に処理液から取り出し、水洗、乾燥することが好ましい。実際の酸化皮膜２の膜厚は、主として時間もしくは電流密度によってコントロールされ、所定の性能を満たす膜厚とするのが好ましい。 As the oxide film 2 becomes thicker, it takes time to grow the oxide film 2. Therefore, if the oxide film 2 has a lower thermal conductivity and a lower volume specific heat capacity, the thinner the oxide film 2, the more effective. is there. It is preferable that a part to be processed is subjected to a pretreatment such as water washing, degreasing, electrolytic etching, etc. before the anodizing treatment, taken out from the treatment liquid after the treatment, washed with water and dried. The actual film thickness of the oxide film 2 is controlled mainly by time or current density, and is preferably a film thickness that satisfies a predetermined performance.
また、酸化皮膜２のより高い断熱性及び遮熱性を得るためには、低熱伝導率、低体積比熱容量が必要である。熱伝導率λは、下記の式（１）に従って、密度ρ、比熱Ｃｓ、熱拡散率αから計算される。また、体積比熱容量は密度と比熱を掛けたものである。比熱は物質固有の値であるため、熱伝導率と体積比熱容量を低くするためには、どちらにも掛かる密度を低くすることが必要となる。
λ＝α×Ｃｓ×ρ （１）
Moreover, in order to obtain the higher heat insulating property and heat shielding property of the oxide film 2, low thermal conductivity and low volume specific heat capacity are required. The thermal conductivity λ is calculated from the density ρ, the specific heat Cs, and the thermal diffusivity α according to the following equation (1). The volume specific heat capacity is the product of density and specific heat. Since specific heat is a value specific to a substance, in order to reduce thermal conductivity and volume specific heat capacity, it is necessary to reduce the density applied to both.
λ = α × Cs × ρ (1)
純アルミを陽極酸化すると、熱伝導率２．６［Ｗ／ｍ・Ｋ］、体積比熱容量２．５［×１０３ｋＪ／ｍ３・Ｋ］と、どちらも非常に大きくなる。そこで、電解処理条件を変化させてナノレベルの空孔を大きくすることで、熱伝導率１．２［Ｗ／ｍ・Ｋ］、体積比熱容量２．０［×１０３ｋＪ／ｍ３・Ｋ］のどちらもある程度低下させることはできる。しかし、酸化皮膜２に熱が篭り易くなる大きい要因の体積比熱容量を低下させることは非常に重要である。 When pure aluminum is anodized, the heat conductivity is 2.6 [W / m · K] and the volume specific heat capacity is 2.5 [× 10 3 kJ / m 3 · K]. Therefore, by changing the electrolytic treatment conditions to increase the nano-level pores, the thermal conductivity is 1.2 [W / m · K] and the volume specific heat capacity is 2.0 [× 10 3 kJ / m 3 · K. ] Can be reduced to some extent. However, it is very important to reduce the volume specific heat capacity, which is a major factor that makes it easy for heat to be applied to the oxide film 2.
ここで、本実施形態に係るシリコン組成３についても簡単に説明する。
まず、シリコン組成３の酸化皮膜２の厚み方向の長さについて説明する。
シリコン組成３の酸化皮膜２の厚み方向の平均長さは、１μｍ以上、好ましくは３μｍ以上、さらに好ましくは５μｍ以上である。また、シリコン組成３の酸化皮膜２の厚み方向の平均長さは、４０μｍ以下、好ましくは３０μｍ以下、更に好ましくは２０μｍ以下である。
Here, the silicon composition 3 according to the present embodiment will also be briefly described.
First, the length in the thickness direction of the oxide film 2 having the silicon composition 3 will be described.
The average length in the thickness direction of the oxide film 2 of the silicon composition 3 is 1 μm or more, preferably 3 μm or more, more preferably 5 μm or more. Moreover, the average length of the thickness direction of the oxide film 2 of the silicon composition 3 is 40 μm or less, preferably 30 μm or less, and more preferably 20 μm or less.
このように、アルミニウム系部材に含まれるシリコン組成３の厚み方向の平均長さが１μｍ以上であると、周囲の引張応力に対する単位面積辺りの応力が大きくなり、酸化皮膜２を形成した際に、シリコン組成３の内部に空隙３ａができ易くなる。また、シリコン組成３の厚み方向の平均長さが４０μｍ以下であると、周囲の引張応力に対する単位面積辺りの応力が大きくなり、酸化皮膜２を形成した際に、シリコン組成３の内部に亀裂が発生し空隙ができ易くなる。 Thus, when the average length in the thickness direction of the silicon composition 3 contained in the aluminum-based member is 1 μm or more, the stress per unit area with respect to the surrounding tensile stress increases, and when the oxide film 2 is formed, The void 3a is easily formed inside the silicon composition 3. Moreover, when the average length in the thickness direction of the silicon composition 3 is 40 μm or less, the stress per unit area with respect to the surrounding tensile stress increases, and when the oxide film 2 is formed, cracks are formed in the silicon composition 3. It generates and it becomes easy to make a space.
次に、シリコン組成の量について説明する。
シリコン組成３の量は、８質量％以上であり、好ましくは１０質量％以上、さらに好ましくは１１質量％以上である。これにより、シリコン組成３が粗大化するので、酸化皮膜２を形成した際に、シリコン組成３の内部に空隙３ａができ易くなる。また、シリコン組成３の量は、３０質量％以下、好ましくは２５質量％以下、更に好ましくは２０質量％以下であるのが好ましい。シリコン組成３の量が３０質量％以下であると、切削加工性等の良い加工しやすいアルミ合金基材１となるため、実用的である。
Next, the amount of silicon composition will be described.
The amount of the silicon composition 3 is 8% by mass or more, preferably 10% by mass or more, and more preferably 11% by mass or more. Thereby, since the silicon composition 3 becomes coarse, when the oxide film 2 is formed, the void 3a is easily formed inside the silicon composition 3. The amount of the silicon composition 3 is 30% by mass or less, preferably 25% by mass or less, and more preferably 20% by mass or less. When the amount of the silicon composition 3 is 30% by mass or less, the aluminum alloy base material 1 having good machinability and the like is easy to process, which is practical.
次に、シリコン組成３の大きさ、形状について説明する。
シリコン組成３は酸化皮膜２中に均一に存在していることが好ましい。シリコン組成３の形状は球状、楕円形状、長方形状、針状等で良い。この中でもシリコン組成３の比表面積が大きくなれば、酸化皮膜２を形成する際に割れやすく、空隙３ａができる箇所が多くなる。このため、シリコン組成３の形状は楕円形状や針状が好ましい。但し、酸化皮膜の膜厚方向と略直交方向に亀裂は入るが、垂直方向に延びる大きな粒子は、単位面積当たりの応力が小さく、亀裂の進展方向が一方向からずれる場合があるが、亀裂の発生、即ち、空隙による熱伝導の抑制効果は発揮される。
Next, the size and shape of the silicon composition 3 will be described.
The silicon composition 3 is preferably present uniformly in the oxide film 2. The silicon composition 3 may have a spherical shape, an elliptical shape, a rectangular shape, a needle shape, or the like. Among these, when the specific surface area of the silicon composition 3 is increased, the oxide film 2 is easily cracked when forming the oxide film 2, and the number of places where the void 3a is formed increases. For this reason, the shape of the silicon composition 3 is preferably an elliptical shape or a needle shape. However, cracks enter in a direction substantially perpendicular to the film thickness direction of the oxide film, but large particles extending in the vertical direction have low stress per unit area, and the crack propagation direction may deviate from one direction. Generation | occurrence | production, ie, the heat conduction suppression effect by a space | gap is exhibited.
シリコン組成３の亀裂の発生は、亀裂が発生する単位面積当たりの応力がある一定以上である場合に起こると考えられるが、シリコン組成３の大きさ・形状は、シリコンの含有量、アルミ合金基材１の熱処理条件、成分によって異なり一様ではない。亀裂の発生し易さの観点からは、シリコン粒子のアスペクト比が高い方が亀裂の単位面積当たりの応力が高くなるため有利であるが、このアスペクト比が高まれば熱の伝わる経路が長くなり、亀裂を発生させる意味が低減される。 The occurrence of cracks in silicon composition 3 is considered to occur when the stress per unit area where cracks occur is a certain level or more. The size and shape of silicon composition 3 depends on the silicon content, the aluminum alloy base, and the like. It differs depending on the heat treatment conditions and components of the material 1 and is not uniform. From the viewpoint of the ease of cracking, the higher the aspect ratio of the silicon particles, the higher the stress per unit area of the crack, which is advantageous, but the higher the aspect ratio, the longer the path of heat transfer, The meaning of generating cracks is reduced.
よって、シリコン組成３の好ましい大きさは、次のとおりである。
シリコン組成３の亀裂はサブミクロン以上の間隔で発生することが分かっており、シリコン組成３の垂直方向の厚さが１μｍ未満では、亀裂が発生し難くなるため、この垂直方向の厚さは１μｍ以上が好ましい。また、この垂直方向の厚さが４０μｍを超えると、周囲からの引っ張り応力に対する亀裂発生面積が大きくなり（単位面積当たりの応力が減少し）、亀裂が発生し難くなる。そのため、この垂直方向の厚さは４０μｍ以下が好ましい。
Accordingly, the preferred size of the silicon composition 3 is as follows.
It has been found that cracks of the silicon composition 3 occur at intervals of submicron or more. If the thickness of the silicon composition 3 in the vertical direction is less than 1 μm, cracks are difficult to occur. Therefore, the thickness in the vertical direction is 1 μm. The above is preferable. On the other hand, if the thickness in the vertical direction exceeds 40 μm, the crack generation area with respect to the tensile stress from the surrounding area increases (the stress per unit area decreases), and cracks are difficult to occur. For this reason, the thickness in the vertical direction is preferably 40 μm or less.
次に、シリコンの含有量について説明する。
アルミ合金基材１は、主にはシリコンの含有量により共晶Ｓｉと初晶Ｓｉの結晶粒が点在しており、その効果として高い耐摩耗性・摺動性・高温強度という特徴を有している。これ故に、このようなアルミ合金基材１は、ピストン、シリンダヘッドといったエンジン部品や、オイルポンプなど、高温下で摺動する機構部品の材料として利用される。アルミ合金基材１のシリコンの含有量は、その特徴が生かされるように実用的な８．０質量％以上である。なぜなら、シリコンの含有量が８．０質量％未満では、実用的に高い耐摩耗性・摺動性・高温強度を発揮することはできないばかりか、シリコンの含有量が少ないと微細な共晶シリコンとなりシリコン粒子内の亀裂が起こり難くなり、熱を遮る効果は期待できなくなるからである。
Next, the silicon content will be described.
The aluminum alloy substrate 1 is interspersed with crystal grains of eutectic Si and primary Si mainly depending on the silicon content. As a result, the aluminum alloy substrate 1 has the characteristics of high wear resistance, slidability, and high temperature strength. doing. For this reason, such an aluminum alloy substrate 1 is used as a material for engine parts such as pistons and cylinder heads, and mechanical parts that slide at high temperatures such as oil pumps. The silicon content of the aluminum alloy substrate 1 is practically 8.0 mass% or more so that the characteristics are utilized. This is because, if the silicon content is less than 8.0% by mass, practically high wear resistance, slidability, and high-temperature strength cannot be exhibited, and if the silicon content is low, fine eutectic silicon This is because cracks in the silicon particles are less likely to occur, and the effect of blocking heat cannot be expected.
シリコンを多くすると亀裂の数は多くなるが、酸化皮膜２全体に対する熱伝導性の高いシリコンの割合が多くなり、該酸化皮膜２全体としてみると熱伝導率が上がってしまう。また、シリコンに亀裂を発生させる駆動力は酸化皮膜２の体積膨張によることから、シリコンが多くなると、逆に酸化皮膜２の体積膨張度合は下がり、亀裂が起き難くなる。このため、シリコンの含有量は２５質量％以下が好ましい。シリコンは切削加工性を下げるため、実用面からも考えるとこの程度が好ましい。より好ましくは、一般的な利用を考えると、シリコン含有率は２０質量％程度までとする。以上まとめると、特にＳｉ含有量は８質量％以上、２５質量％以下が好ましく、より好ましくは、８質量％以上、２０質量％以下である。また、Ｓｉの大きさは、垂直方向の厚さが１μｍ以上、４０μｍ以下が好ましい。 If silicon is increased, the number of cracks increases, but the proportion of silicon having high thermal conductivity with respect to the entire oxide film 2 increases, and the thermal conductivity increases as the oxide film 2 as a whole. In addition, since the driving force for generating cracks in silicon is due to the volume expansion of the oxide film 2, when the amount of silicon increases, the degree of volume expansion of the oxide film 2 decreases and cracks are less likely to occur. For this reason, the silicon content is preferably 25% by mass or less. Since silicon lowers the machinability, this level is preferable from the viewpoint of practical use. More preferably, in consideration of general utilization, the silicon content is up to about 20% by mass. In summary, the Si content is particularly preferably 8% by mass or more and 25% by mass or less, and more preferably 8% by mass or more and 20% by mass or less. Further, the size of Si is preferably 1 μm or more and 40 μm or less in the vertical direction.
上記皮膜構造とすることで、酸化皮膜２の熱伝導率を０．６５［Ｗ／ｍ・Ｋ］以下、体積比熱容量を１．００［×１０３ｋＪ／ｍ３・Ｋ］以下、密度を１．１０［×１０３ｋｇ／ｍ３］以下とすることが可能になる。これにより、高い断熱性および遮熱性が求められる金属部品に高い断熱性／遮熱性を付与することができる。また、酸化皮膜２の熱伝導率を０．６０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以下、体積比熱容量が０．９０［×１０３ｋＪ／ｍ３・Ｋ］以下、陽極酸化皮膜の密度を１．００［×１０３ｋｇ／ｍ３］以下とした酸化皮膜２とすることで、酸化皮膜２の断熱性および遮熱性がより高められ、高い断熱・遮熱効果を発揮させることができる。更に、酸化皮膜２の熱伝導率が０．６０［Ｗ／ｍ・Ｋ］以下、体積比熱容量が０．８０［×１０３ｋＪ／ｍ３・Ｋ］以下、陽極酸化皮膜の密度が０．９０［×１０３ｋｇ／ｍ３］以下であることがより好ましい。 With the above film structure, the thermal conductivity of the oxide film 2 is 0.65 [W / m · K] or less, the volume specific heat capacity is 1.00 [× 10 3 kJ / m 3 · K] or less, and the density is 1.10 [× 10 3 kg / m 3 ] or less can be achieved. Thereby, a high heat insulating property / heat insulating property can be imparted to metal parts that are required to have high heat insulating properties and heat insulating properties. Further, the thermal conductivity of the oxide film 2 is 0.60 [W / m · K] or less, the volume specific heat capacity is 0.90 [× 10 3 kJ / m 3 · K] or less, and the density of the anodic oxide film is 1. 00 [× 10 3 kg / m 3] is set to lower than or equal to the the oxide film 2, heat insulation and heat insulation of the oxide film 2 is further enhanced, it is possible to exhibit a high heat insulation and thermal barrier effect. Furthermore, the thermal conductivity of the oxide film 2 is 0.60 [W / m · K] or less, the volume specific heat capacity is 0.80 [× 10 3 kJ / m 3 · K] or less, and the density of the anodized film is 0.00. More preferably, it is 90 [× 10 3 kg / m 3 ] or less.
なお、本実施形態では、酸化皮膜２の空隙率を向上させるために、アルミニウム系部材１には、シリコン組成３以外の組成を含有させる。シリコン以外の組成としては、酸化皮膜２を形成する際に溶け出す組成、例えばＣｕ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅであり、これらを１または複数種含ませる。これらの組成が合計で２．９質量％以上含まれていると酸化皮膜２を形成する際に溶け出して、これらの組成が存在していた場所が酸化皮膜中で空隙２ｂとなるため空隙率が向上する。Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｚｎ、及びＦｅの合計の質量％は、３．０％以上がより好ましく、４．０％以上がさらに好ましい。なお、これら組成の合計の上限は特に限定されないが、２０％以下がより好ましく、１１％以下がさらに好ましい。なお、これらの組成以外にも不可避的不純物として、酸化皮膜を形成する際に溶解しない不可溶不純物であるＴｉやＺｒ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ｐｂ等の組成を含んでいても良い。残部はＡｌである。 In the present embodiment, the aluminum-based member 1 contains a composition other than the silicon composition 3 in order to improve the porosity of the oxide film 2. The composition other than silicon is a composition that dissolves when the oxide film 2 is formed, for example, Cu, Ni, Mg, Mn, Zn, Fe, and one or more of these are included. If these compositions are contained in a total amount of 2.9% by mass or more, the oxide film 2 is melted out to form a void 2b in the oxide film where the composition was present. Will improve. The total mass% of Cu, Ni, Mg, Mn, Zn, and Fe is more preferably 3.0% or more, and further preferably 4.0% or more. In addition, although the upper limit of the sum total of these compositions is not specifically limited, 20% or less is more preferable, and 11% or less is further more preferable. In addition to these compositions, inevitable impurities such as Ti, Zr, Sn, Cr, and Pb, which are insoluble impurities that do not dissolve when forming an oxide film, may be included. The balance is Al.
本実施形態では、一次元エンジン性能計算により、熱伝導率と体積比熱容量に対する図示熱効率を解析した（図６に示すグラフ参照）。
解析の結果、特に、熱伝導率が０．６５［Ｗ／ｍ・Ｋ］以下、体積比熱容量が１．００［×１０３ｋＪ／ｍ３・Ｋ］以下とすると変化率が０．１％ｐｔ超となり、効果が表れ易くなることが分かる。変化率０．１％ｐｔ以下では、実機ベースで、他の要因で向上代が掻き消され易く、数値として表面に現れ難いため０．１％ｐｔ超を基準とした。熱伝導率０．７０［Ｗ／ｍ・Ｋ］では、体積比熱容量が１．００［×１０３ｋＪ／ｍ３・Ｋ］と１．１０［×１０３ｋＪ／ｍ３・Ｋ］共に変化率０．１％ｐｔで、体積比熱容量の低減効果が表れなかった。特に、図６の結果からわかるように、体積比熱容量が０．８０［×１０３ｋＪ／ｍ３・Ｋ］以下となれば、全て熱伝導率は０．６５［Ｗ／ｍ・Ｋ］以下となることが推測でき、熱効率はより実機ベースで掻き消され難い変化率０．１２ｐｔ程度が得られる。
In the present embodiment, the indicated thermal efficiency with respect to thermal conductivity and volume specific heat capacity was analyzed by one-dimensional engine performance calculation (see the graph shown in FIG. 6).
As a result of analysis, when the thermal conductivity is 0.65 [W / m · K] or less and the volume specific heat capacity is 1.00 [× 10 3 kJ / m 3 · K] or less, the rate of change is 0.1%. It turns out that it becomes more than pt, and an effect becomes easy to appear. When the rate of change is 0.1% pt or less, the improvement allowance is easily erased due to other factors on the actual machine, and it is difficult to appear on the surface as a numerical value. When the thermal conductivity is 0.70 [W / m · K], the volumetric specific heat capacity changes for both 1.00 [× 10 3 kJ / m 3 · K] and 1.10 [× 10 3 kJ / m 3 · K]. At a rate of 0.1% pt, the effect of reducing the volume specific heat capacity did not appear. In particular, as can be seen from the results of FIG. 6, when the volume specific heat capacity is 0.80 [× 10 3 kJ / m 3 · K] or less, the thermal conductivity is 0.65 [W / m · K] or less. The thermal efficiency is about 0.12 pt which is more difficult to be erased on a real machine basis.
以上の結果より、熱伝導率が０．６５［Ｗ／ｍ・Ｋ］以下、体積比熱容量が１．００［×１０３ｋＪ／ｍ３・Ｋ］以下が好ましく、より好ましくは、体積比熱容量の低減効果がより表れる熱伝導率が０．６０［Ｗ／ｍ・Ｋ］程度以下、体積比熱容量が０．９０［×１０３ｋＪ／ｍ３・Ｋ］以下であり、更に好ましくは体積比熱容量が０．８０［×１０３ｋＪ／ｍ３・Ｋ］以下であり、この場合に前述したような効果が良好に発揮される。 From the above results, the thermal conductivity is preferably 0.65 [W / m · K] or less and the volume specific heat capacity is preferably 1.00 [× 10 3 kJ / m 3 · K] or less, more preferably the volume specific heat capacity. The thermal conductivity is about 0.60 [W / m · K] or less, the volume specific heat capacity is 0.90 [× 10 3 kJ / m 3 · K] or less, more preferably the volume ratio. The heat capacity is 0.80 [× 10 3 kJ / m 3 · K] or less, and in this case, the effects as described above are exhibited well.
酸化皮膜２の比熱は、合金種により若干変動するが、概ね０．８３［×１０３ｋＪ／ｋｇ・Ｋ］程度であることが分かった。そのため、体積比熱容量を１．００［×１０３ｋＪ／ｍ３・Ｋ］以下とするには、酸化皮膜２の密度を１．１［×１０３ｋｇ／ｍ３］以下とする必要がある。より好ましくは、体積比熱容量を０．９０［×１０３ｋＪ／ｍ３・Ｋ］以下とするために、酸化皮膜２の密度を１．００［×１０３ｋｇ／ｍ３］以下とする必要がある。更に好ましくは、体積比熱容量を０．８０［×１０３ｋＪ／ｍ３・Ｋ］以下とするために、酸化皮膜２の密度を０．９０［×１０３ｋｇ／ｍ３］以下とする必要がある。合金成分を含む酸化アルミの密度は５［×１０３ｋｇ／ｍ３］近傍となることがあり、その場合、空隙率は８２％となる。 The specific heat of the oxide film 2 slightly varied depending on the alloy type, but was found to be about 0.83 [× 10 3 kJ / kg · K]. Therefore, in order to make the volume specific heat capacity 1.00 [× 10 3 kJ / m 3 · K] or less, the density of the oxide film 2 needs to be 1.1 [× 10 3 kg / m 3 ] or less. . More preferably, the density of the oxide film 2 needs to be 1.00 [× 10 3 kg / m 3 ] or less in order to make the volume specific heat capacity 0.90 [× 10 3 kJ / m 3 · K] or less. There is. More preferably, the density of the oxide film 2 needs to be 0.90 [× 10 3 kg / m 3 ] or less in order to make the volume specific heat capacity 0.80 [× 10 3 kJ / m 3 · K] or less. There is. The density of aluminum oxide containing the alloy component may be in the vicinity of 5 [× 10 3 kg / m 3 ], and in that case, the porosity is 82%.
なお、一般に硫酸浴で作製される酸化皮膜２の空孔率は２０％程度である。合金成分が含まれる場合は変動するが、酸化皮膜２をこれだけの低い密度とするためには、新たな技術開発が期待される。酸化皮膜２の密度を低下させることにより、上式（１）から明らかなように、同様に熱伝導率を低減させることができるが、本案ではシリコン粒子３内に亀裂３ａを発生させるとともに、酸化皮膜内に直接存在する溶解性金属由来の空隙２ｂを形成することにより、熱拡散率の低減を図り、かつ、密度も低減するものである。 In general, the porosity of the oxide film 2 produced in a sulfuric acid bath is about 20%. Although it fluctuates when an alloy component is included, in order to make the oxide film 2 have such a low density, new technological development is expected. By reducing the density of the oxide film 2, the thermal conductivity can be similarly reduced as is apparent from the above formula (1). However, in this proposal, cracks 3 a are generated in the silicon particles 3, and oxidation is performed. By forming the void 2b derived from the soluble metal that is directly present in the film, the thermal diffusivity is reduced and the density is also reduced.
アルミ合金部品は、一般的に、アルミとその中に含まれる不純物及びまたは添加物から構成されている。アルミ合金には、例えば、アルミダイカスト材、アルミ鋳物材、アルミ展伸材等がある。アルミ合金部品中に不純物または添加物が多く存在するが、酸化皮膜２の密度を１．１０［×１０３ｋｇ／ｍ３］以下とするためには、アルミ以外の金属成分の濃度を調整する必要があり、本実施形態のような方法を経て陽極酸化する。 Aluminum alloy parts are generally composed of aluminum and impurities and / or additives contained therein. Examples of the aluminum alloy include an aluminum die cast material, an aluminum casting material, and an aluminum wrought material. There are many impurities or additives in the aluminum alloy part, but in order to make the density of the oxide film 2 1.10 [× 10 3 kg / m 3 ] or less, the concentration of metal components other than aluminum is adjusted. It is necessary to anodize through the method of this embodiment.
［試験例］
次に、硫酸浴の電解処理に使用したアルミ合金中の金属成分を計測した試験例について説明する。
下の表１は、硫酸浴の電解処理に使用したアルミ合金中のアルミ以外の金属成分を示すものである。直流電解法により電流密度一定で陽極酸化処理を行い、酸化皮膜２を３５×１５×２ｍｍの試験片に形成した。陽極酸化処理は１５℃、硫酸濃度３００ｇ／Ｌ、４．８Ａ／ｄｍ２、４０分間処理した。皮膜の膜厚は合金成分によって異なり、６８．７〜９２．４μｍであった。
[Test example]
Next, a test example in which a metal component in an aluminum alloy used for electrolytic treatment of a sulfuric acid bath is measured will be described.
Table 1 below shows metal components other than aluminum in the aluminum alloy used for the electrolytic treatment of the sulfuric acid bath. Anodization was performed at a constant current density by a direct current electrolysis method to form an oxide film 2 on a 35 × 15 × 2 mm test piece. The anodizing treatment was performed at 15 ° C., sulfuric acid concentration 300 g / L, 4.8 A / dm 2 for 40 minutes. The film thickness of the film was 68.7 to 92.4 μm, depending on the alloy components.
密度測定用に１０×１０ｍｍに切断した試験片の質量、マイクロメータを用いて各辺の長さを測定し、膜厚は試験片の断面から光学顕微鏡で観察して測定した。これらの測定値から皮膜の密度ρを算出した。 The mass of the test piece cut into 10 × 10 mm for density measurement, and the length of each side were measured using a micrometer, and the film thickness was measured by observing the cross section of the test piece with an optical microscope. The density ρ of the film was calculated from these measured values.
比熱Ｃｓは示差走査熱量計を用い、ＤＳＣ法により算出した。熱伝導率λの算出は、前記式(１)を用い、熱拡散率αは、レーザフラッシュ法により測定した。また、皮膜の表面から基材内部に対する成分分析をグロー放電発光分光分析装置ＧＤＳで行った。その結果の一例を図７のグラフに示す。Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅは溶解する金属成分で、Ｓｉ及びその他の金属は溶解しない金属成分である。実施例１〜４での合金成分、特にＳｉの含有量が８質量％以上、溶解性の金属成分が２．９％以上のアルミ合金表面に作製された皮膜の密度は、１．１０［×１０３ｋｇ／ｍ３］以下であった。溶解する金属を使用した場合、その部分が空隙となり、また、溶解しない金属Ｓｉ粒子内では亀裂が発生し、その周辺で皮膜の成長阻害、体積膨張による空隙が発生するためである。 Specific heat Cs was calculated by DSC method using a differential scanning calorimeter. The thermal conductivity λ was calculated using the formula (1), and the thermal diffusivity α was measured by a laser flash method. In addition, component analysis from the surface of the coating to the inside of the substrate was performed with a glow discharge emission spectroscopic analyzer GDS. An example of the result is shown in the graph of FIG. Cu, Ni, Mg, Mn, Zn, and Fe are metal components that dissolve, and Si and other metals are metal components that do not dissolve. The density of the film formed on the surface of the aluminum alloy in which the alloy components in Examples 1 to 4, in particular, the Si content is 8% by mass or more and the soluble metal component is 2.9% or more is 1.10 [× 10 3 kg / m 3 ] or less. This is because when a metal that dissolves is used, the portion becomes voids, and cracks occur in the metal Si particles that do not dissolve, and voids due to growth inhibition of the coating and volume expansion occur around the cracks.
特に、溶解しないＳｉ粒子が、垂直方向の厚さが１μｍ以上、４０μｍ以下とすると酸化皮膜２の熱伝導率を低くする金属が水平に割れた構造（表面から皮膜内部への熱伝導方向とは垂直な方向）となり、該酸化皮膜２の熱伝導率が低減される。 In particular, when the Si particles that do not dissolve have a thickness in the vertical direction of 1 μm or more and 40 μm or less, the metal that lowers the thermal conductivity of the oxide film 2 is cracked horizontally (the direction of heat conduction from the surface to the inside of the film) Vertical direction), and the thermal conductivity of the oxide film 2 is reduced.
図４と図５は、表１中の実施例４で作製した酸化皮膜２の断面を写真で示すものである。ここで、図４は光学顕微鏡写真、図５はＳＥＭ写真である。これらの断面写真は、試験片を樹脂で埋め込み、その表面を研摩することにより皮膜断面を観察したものである。断面写真から金属の溶解による空隙２ｂ、及び酸化皮膜２の成長を阻害する金属Ｓｉ粒子内の空隙３ａが多数形成されていることが分かる。但し、全ての空隙に印を付けているわけではない。 4 and 5 are photographs showing a cross section of the oxide film 2 produced in Example 4 in Table 1. FIG. Here, FIG. 4 is an optical microscope photograph, and FIG. 5 is an SEM photograph. These cross-sectional photographs are obtained by observing the cross section of the film by embedding the test piece with resin and polishing the surface. It can be seen from the cross-sectional photograph that a large number of voids 2b due to metal dissolution and a large number of voids 3a in the metal Si particles that inhibit the growth of the oxide film 2 are formed. However, not all voids are marked.
また、図５に示すように溶解しないシリコン組成３の内部が水平方向に破断され、その間に空隙３ａが存在することが確認できる。但し、全ての空隙に印を付けているわけではない。この微構造によりシリコン組成３内の熱伝導を阻害し、その結果、熱伝導率は低減する。なお、下の表２に示した比較例１及び２では、Ｓｉの含有量が少なく且つ溶解性金属の合計の含有量も少ないため、密度を１．１０［×１０３ｋｇ／ｍ３］以下とすることはできなかった。 Moreover, as shown in FIG. 5, it can confirm that the inside of the silicon composition 3 which does not melt | dissolve is fractured | disconnected in a horizontal direction, and the space | gap 3a exists in the meantime. However, not all voids are marked. This microstructure inhibits the heat conduction in the silicon composition 3, and as a result, the heat conductivity is reduced. In Comparative Examples 1 and 2 shown in Table 2 below, since the content of Si is small and the total content of soluble metals is also small, the density is 1.10 [× 10 3 kg / m 3 ] or less. It was not possible.
更に、実施例１では、硫酸濃度３００ｇ／Ｌ、電流密度４．８Ａ／ｄｍ２の条件で陽極酸化処理をした、同様の金属成分で構成される試験片を用いて、電流密度と硫酸濃度を変えて陽極酸化処理した結果を表３に示す。表３に示すように、電流密度４．８［Ａ/ｄｍ２］の場合には、皮膜密度は１．１０［×１０３ｋｇ/ｍ３］以下となったが、それ以上の電流密度では、硫酸濃度を変えても、皮膜密度は１．１０［×１０３ｋｇ/ｍ３］以下とすることはできなかった。 Furthermore, in Example 1, the current density and sulfuric acid concentration were measured using a test piece made of the same metal component that was anodized under conditions of a sulfuric acid concentration of 300 g / L and a current density of 4.8 A / dm 2. Table 3 shows the results of the anodic oxidation treatment. As shown in Table 3, when the current density was 4.8 [A / dm 2 ], the film density was 1.10 [× 10 3 kg / m 3 ] or less, but at a current density higher than that, Even if the sulfuric acid concentration was changed, the film density could not be 1.10 [× 10 3 kg / m 3 ] or less.
次に、本発明に係るアルミニウム系部材の表面構造の他の実施形態について説明する。
本発明の所望の低熱伝導率かつ低体積比熱容量の陽極酸化皮膜について、他の実施形態について説明する。この目的をアルミニウム合金基材１で果たすことが難しい場合、その成分とは異なるアルミニウム合金基材を使用して、陽極酸化皮膜２を形成することができる。使用するアルミニウム合金の形成方法としては、めっき、溶射、蒸着、嵌合、鋳込みなどの方法がある。その場合、陽極酸化皮膜２の形成に使用されるアルミニウム合金基材の成分とは異なるアルミニウム合金基材１の他に、基材として鉄製、チタン製金属の材料が使用される。
Next, another embodiment of the surface structure of the aluminum-based member according to the present invention will be described.
Another embodiment of the anodic oxide film having a desired low thermal conductivity and a low volume specific heat capacity according to the present invention will be described. When it is difficult to achieve this purpose with the aluminum alloy base material 1, the anodized film 2 can be formed using an aluminum alloy base material different from the component. Examples of the method for forming the aluminum alloy used include plating, thermal spraying, vapor deposition, fitting, and casting. In that case, in addition to the aluminum alloy base material 1 different from the components of the aluminum alloy base material used for forming the anodized film 2, iron or titanium metal materials are used as the base material.
上記した両実施形態を適用したアルミニウム系部材は、内燃機関の燃焼室を構成する部材として使用することができる。内燃機関の燃焼室とは、例えば、ピストン１０、シリンダ１１及びシリンダヘッド１２で囲まれた部分である（図８参照）。より具体的には、ピストン１０の上面と、シリンダ１１と、シリンダヘッド１２の底面とに囲まれる部分である。これらのうち、アルミニウム系部材を用いる部品であるピストン１０及びシリンダヘッド１１に本実施の形態のアルミニウム系部材を用いて形成すれば、それらの部品の耐久性及び断熱性を向上することができる。このようなシリンダ１１は、シリンダブロック１３に鋳鉄製のシリンダスリーブ１４を鋳込むことにより形成できる。 The aluminum-based member to which both the above embodiments are applied can be used as a member constituting a combustion chamber of an internal combustion engine. The combustion chamber of the internal combustion engine is, for example, a portion surrounded by a piston 10, a cylinder 11, and a cylinder head 12 (see FIG. 8). More specifically, it is a portion surrounded by the upper surface of the piston 10, the cylinder 11, and the bottom surface of the cylinder head 12. Of these, if the aluminum member of the present embodiment is formed on the piston 10 and the cylinder head 11 which are components using aluminum members, the durability and heat insulation of those components can be improved. Such a cylinder 11 can be formed by casting a cylinder sleeve 14 made of cast iron into the cylinder block 13.
その他、例えば、シリンダスリーブ１４を使用しないスリーブレスの内燃機関の場合、シリンダブロック１３のボア内面がシリンダ１１となる。したがって、ボア内面に本実施の形態のアルミニウム系部材を使用すれば、耐久性、断熱性、摺動性等を向上することができる。ボア内面にアルミニウム系部材を使用する場合は、合わせてめっき皮膜や溶射皮膜を形成してもよい。 In addition, for example, in the case of a sleeveless internal combustion engine that does not use the cylinder sleeve 14, the bore inner surface of the cylinder block 13 becomes the cylinder 11. Therefore, if the aluminum-based member of the present embodiment is used on the inner surface of the bore, durability, heat insulation, slidability and the like can be improved. When an aluminum-based member is used for the bore inner surface, a plating film or a thermal spray coating may be formed together.
その他、本発明を適用するに適した燃焼室壁面をもつ部品として、アルミ合金製ピストン、マグネ合金製ピストン、鉄系ピストン、アルミ合金製シリンダ、鉄系シリンダ、鉄製スリーブ、アルミ製スリーブ、鉄系バルブ、チタン系バルブなどがある。めっき、溶射、蒸着を用いれば、部品の表面形状に沿って、酸化皮膜２を形成することができる。 Other parts having combustion chamber walls suitable for applying the present invention include aluminum alloy pistons, magne alloy pistons, iron pistons, aluminum alloy cylinders, iron cylinders, iron sleeves, aluminum sleeves, iron systems There are valves and titanium-based valves. If plating, thermal spraying, or vapor deposition is used, the oxide film 2 can be formed along the surface shape of the component.
また、アルミ合金基材１の形状は、シリンダ内に適用する場合はリング状に形成して該シリンダ内に嵌合するようにし、燃焼室以外の吸気・排気ガス通路に適用する場合は、通路形状に沿って部品に鋳込むようにすれば良い。図８は燃焼上部にリング状アルミ合金を鋳込む、あるいは圧入した場合の断面を示している。 The shape of the aluminum alloy substrate 1 is formed in a ring shape when applied in a cylinder so as to be fitted in the cylinder, and when applied to an intake / exhaust gas passage other than the combustion chamber, What is necessary is just to cast into components along a shape. FIG. 8 shows a cross section when a ring-shaped aluminum alloy is cast or press-fitted into the upper part of the combustion.
また、シリンダブロック１３の燃焼室内側に本発明を適用する場合、アルミ合金製シリンダブロック自身を陽極酸化して酸化皮膜２を形成する方法と、シリンダブロック１３とは金属成分が異なる場合に、シリンダブロック１３とは別部品として形成し、これをシリンダ１１に鋳込む、あるいは圧入するようにしても良い。 Further, when the present invention is applied to the combustion chamber side of the cylinder block 13, the cylinder block 13 itself is anodized to form the oxide film 2, and the cylinder block 13 has different metal components. It may be formed as a separate part from the block 13 and cast into the cylinder 11 or press-fitted.
さらに、燃焼ガスに触れる面に本発明を適用する場合は、シリンダブロック１３のピストンリング１５と触れる面を含む全面、あるいは触れない燃焼上部のみ（例えば、シリンダヘッドの燃焼室に臨む面）に本発明を適用すればよい。さらにアルミ合金製シリンダブロック１３にアルミ合金(アルミ−シリコン系)を溶射した後、陽極酸化することも可能である。これにより、アルミ合金基材１に求められる機械的な機能とは別の熱的特性に特化した酸化皮膜２を形成することができる。 Further, when the present invention is applied to the surface that comes into contact with the combustion gas, the entire surface including the surface that comes into contact with the piston ring 15 of the cylinder block 13 or only the upper part of the combustion that is not in contact (for example, the surface facing the combustion chamber of the cylinder head). The invention may be applied. Furthermore, it is also possible to anodize the aluminum alloy cylinder block 13 after spraying an aluminum alloy (aluminum-silicon system). Thereby, the oxide film 2 specialized in the thermal characteristic different from the mechanical function calculated | required by the aluminum alloy base material 1 can be formed.
このように、本実施形態に係るアルミニウム系部材を用いて内燃機関を構成する部材を形成した場合には、本実施形態に係るアルミニウム系部材が低熱伝導性及び低体積比熱容量を達成したものであることから、内燃機関の熱効率を向上させることができる。 Thus, when the member which comprises an internal combustion engine is formed using the aluminum-type member which concerns on this embodiment, the aluminum-type member which concerns on this embodiment has achieved low thermal conductivity and a low volume specific heat capacity. Therefore, the thermal efficiency of the internal combustion engine can be improved.
さらに、本実施形態に係るアルミニウム系部材の表面構造では、封孔処理工程として、一般的な封孔処理を適用して、酸化皮膜２の表面側の孔を塞ぐようにしても良い。このような封孔処理としては、強塩基性封孔浴、沸騰水封孔、ニッケル塩封孔等が挙げられる。本発明に係る実施形態では、封孔処理工程として、封孔液を、アルミニウム系部材の酸化皮膜の表面に付着させることにより、酸化皮膜の空孔を、封孔液に浸透させる。封孔液は、酸化皮膜の空孔に侵入して空孔中にて化合物を形成する。特に封孔液は、主に酸化皮膜のナノサイズの空孔に侵入して化合物を形成する。 Furthermore, in the surface structure of the aluminum-based member according to the present embodiment, a general sealing process may be applied as a sealing process step to close the surface-side hole of the oxide film 2. Examples of such sealing treatment include a strong basic sealing bath, boiling water sealing, nickel salt sealing and the like. In the embodiment according to the present invention, as the sealing treatment step, the sealing liquid is adhered to the surface of the oxide film of the aluminum-based member, thereby allowing the pores of the oxide film to permeate the sealing liquid. The sealing liquid penetrates into the pores of the oxide film and forms a compound in the pores. In particular, the sealing liquid mainly penetrates into nano-sized pores of the oxide film to form a compound.
これにより、空孔は封孔生成物で封孔されているので、アルミニウム系部材の表面から酸化皮膜２の内部に熱が伝わり難くなり、断熱性・遮熱性を向上させることができる。さらにまた、アルミニウム系部材の表面に腐食性物質が付着しても、空孔を通じて酸化皮膜２の内部に腐食性物質が伝わりにくいので耐久性を向上させることができる。 Thereby, since the void | hole is sealed with the sealing product, it becomes difficult to transmit heat from the surface of an aluminum-type member to the inside of the oxide film 2, and can improve heat insulation and heat insulation. Furthermore, even if a corrosive substance adheres to the surface of the aluminum-based member, it is difficult for the corrosive substance to be transmitted to the inside of the oxide film 2 through the pores, so that durability can be improved.
強塩基性封孔浴を用いる封孔処理工程では、酸化皮膜２を有するアルミニウム系部材に処理液を塗布やスプレーし、又は、アルミニウム系部材を処理液に浸漬し、空気中で保持してから水洗及び乾燥して行うことが好ましい。また、酸化皮膜２を有するアルミニウム系部材を処理液に浸漬し、０．５分以上で処理液から取り出し、水洗及び乾燥することが好ましい。塗布やスプレーによる封孔処理方法は、部分的に封孔処理することができる。このため、大型部品を処理する場合のように、処理の上で、大型部品を浸漬するための大型の槽は不要とすることができる。 In the sealing treatment step using a strongly basic sealing bath, a treatment liquid is applied or sprayed on the aluminum-based member having the oxide film 2, or the aluminum-based member is immersed in the treatment liquid and held in the air. It is preferable to carry out washing and drying. Moreover, it is preferable to immerse the aluminum-type member which has the oxide film 2 in a process liquid, to take out from a process liquid in 0.5 minutes or more, and to wash and dry. The sealing treatment method by coating or spraying can partially seal. For this reason, the large tank for immersing a large component can be made unnecessary on processing like the case where a large component is processed.
本発明に係るアルミニウム系部材の表面構造によれば、空隙３ａはシリコン組成３の内部にできるため、封孔処理の影響を受けにくい。通常封孔処理は酸化皮膜に存在する酸化アルミニウムを水和物に変化させて、酸化アルミニウムの体積膨張によって空孔を埋める。ここで、空隙３ａはシリコン組成３の内部にあり、その周囲には酸化アルミニウムが存在しない（少ない）ので、封孔処理等を行なっても空隙３ａが埋まりにくい。 According to the surface structure of the aluminum-based member according to the present invention, since the gap 3a can be formed inside the silicon composition 3, it is not easily affected by the sealing treatment. Normally, the pore-sealing treatment changes the aluminum oxide present in the oxide film into a hydrate and fills the pores by the volume expansion of the aluminum oxide. Here, since the void 3a is inside the silicon composition 3 and there is no (small) aluminum oxide around the void 3a, the void 3a is not easily filled even if a sealing treatment or the like is performed.
その他、酸化皮膜２の表面の孔を塞ぐ方法としては、上記方法の他に封孔処理やシリカコートを行うようにしても良い。例えば、このような方法により封孔処理を行う場合、シリコン組成３の周囲にできる空隙は塞がってしまうが、シリコン組成３の亀裂によって生じる空隙３ａは大きく濡れ性も異なるため、塞がることはない。このため、酸化皮膜２に、低密度皮膜を維持したまま、断熱性、遮熱性、耐食性を付与することができる。 In addition, as a method of closing the hole on the surface of the oxide film 2, a sealing treatment or silica coating may be performed in addition to the above method. For example, when the sealing treatment is performed by such a method, the void formed around the silicon composition 3 is blocked, but the void 3a generated by the crack of the silicon composition 3 is greatly blocked and is not blocked. For this reason, heat insulation, heat insulation, and corrosion resistance can be imparted to the oxide film 2 while maintaining the low density film.
さらに、本実施形態では、上記方法により作製された酸化皮膜２の上に、交直重畳により電解処理された緻密な酸化皮膜２をさらに形成するようにしてもよく、もしくは、封孔処理を行う、ポリシラザンなどのシリカ皮膜を作製することで封止するようにしても良い。これにより、酸化皮膜２の強度の補強や、表面のナノ孔やミクロ孔が塞がれ、かつ、平滑な皮膜表面とすることができるため、燃料の付着、未燃物の固着を防止し、高い断熱性／遮熱性及び燃焼ガスの流れを妨げにくくすることができる。さらに、交直重畳層と直流層により多層とすることにより、強度低下を補足することができる。封孔処理、ポリシラザンによっては、垂直方向への封孔が優先的に行われ、かつ、封孔処理したくない水平方向に発生するシリコンの亀裂は埋めないことにより、より効率な皮膜を形成できる。 Furthermore, in the present embodiment, a dense oxide film 2 that has been subjected to electrolytic treatment by AC / DC superposition may be further formed on the oxide film 2 produced by the above method, or a sealing treatment is performed. You may make it seal by producing silica membranes, such as polysilazane. Thereby, reinforcement of the strength of the oxide film 2 and surface nanopores and micropores can be blocked, and the surface of the film can be made smooth. High heat insulation / heat insulation properties and the flow of combustion gas can be made difficult to obstruct. Furthermore, a reduction in strength can be supplemented by forming a multilayer structure with an AC / DC superposed layer and a DC layer. Depending on the sealing treatment and polysilazane, the sealing in the vertical direction is preferentially performed, and a more efficient film can be formed by not filling the cracks of the silicon generated in the horizontal direction where the sealing treatment is not desired. .
なお、上記実施形態では、シリコン組成３の内部に存在する空隙３ａを、酸化皮膜２の厚み方向に略直交する方向に伸びるものとしたが、本発明はこの「略直交」に限らず、酸化皮膜２の厚み方向に直交にする方向に対して斜め方向に伸びるものでも勿論良く、要は、空隙３ａの伸びる方向が酸化皮膜２の厚み方向とは異なる方向であれば良いと理解されれば良い。 In the above embodiment, the void 3a existing in the silicon composition 3 extends in a direction substantially orthogonal to the thickness direction of the oxide film 2, but the present invention is not limited to this “substantially orthogonal”, and oxidation Of course, it may extend in an oblique direction with respect to the direction perpendicular to the thickness direction of the film 2. In short, it should be understood that the direction in which the gap 3 a extends is different from the thickness direction of the oxide film 2. good.
以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。 While the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and changes can be made based on the technical idea of the present invention.
１ アルミ合金基材（アルミニウム系部材）
２ 陽極酸化皮膜
２ａ 空孔
３ シリコン組成
３ａ、２ｂ 空隙
１０ ピストン
１１ シリンダ
１２ シリンダヘッド
１３ シリンダブロック
１４ シリンダスリーブ
１５ ピストンリング
1 Aluminum alloy base material (aluminum-based member)
2 Anodized film 2a Hole 3 Silicon composition 3a, 2b Air gap 10 Piston 11 Cylinder 12 Cylinder head 13 Cylinder block 14 Cylinder sleeve 15 Piston ring
Claims (10)
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710093226.4A CN107164662B (en) | 2016-03-07 | 2017-02-21 | Surface structure of aluminum member |
| US15/440,788 US10428762B2 (en) | 2016-03-07 | 2017-02-23 | Surface structure of aluminum-based member |
| DE102017104090.0A DE102017104090B4 (en) | 2016-03-07 | 2017-02-28 | Surface structure of an aluminum-based element |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016043445 | 2016-03-07 | ||
| JP2016043445 | 2016-03-07 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2017160532A true JP2017160532A (en) | 2017-09-14 |
| JP6814405B2 JP6814405B2 (en) | 2021-01-20 |
Family
ID=59856774
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2017005381A Active JP6814405B2 (en) | 2016-03-07 | 2017-01-16 | Surface structure of aluminum-based members |
| JP2017005382A Active JP6814406B2 (en) | 2016-03-07 | 2017-01-16 | Surface structure of aluminum member and its manufacturing method |
Family Applications After (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2017005382A Active JP6814406B2 (en) | 2016-03-07 | 2017-01-16 | Surface structure of aluminum member and its manufacturing method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (2) | JP6814405B2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111979569A (en) * | 2019-05-24 | 2020-11-24 | 丰田自动车株式会社 | Thermal barrier coating, coated part and method for manufacturing coated part |
| CN114480923A (en) * | 2022-01-26 | 2022-05-13 | 西南石油大学 | Soluble metal sealing ring with controllable dissolution speed and preparation process thereof |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7344460B2 (en) * | 2019-06-17 | 2023-09-14 | スズキ株式会社 | Piston for internal combustion engine |
| JP2022072157A (en) * | 2020-10-29 | 2022-05-17 | スズキ株式会社 | Piston for internal combustion engine and production method thereof |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009001855A (en) * | 2007-06-21 | 2009-01-08 | Hitachi Ltd | Member with anodic oxide film formed on surface and anodization method |
| JP2013060620A (en) * | 2011-09-12 | 2013-04-04 | Toyota Motor Corp | Internal combustion engine and method for manufacturing the same |
| JP2015031226A (en) * | 2013-08-05 | 2015-02-16 | トヨタ自動車株式会社 | Internal combustion engine and its manufacturing method |
| JP2015193915A (en) * | 2014-03-27 | 2015-11-05 | スズキ株式会社 | Anode oxidation treatment method and internal combustion engine structure |
| JP2015194149A (en) * | 2014-03-27 | 2015-11-05 | スズキ株式会社 | Anodic oxidation coating, method of processing the same, and piston for internal combustion engine |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5718774B2 (en) * | 2011-09-20 | 2015-05-13 | トヨタ自動車株式会社 | piston |
| JP6369748B2 (en) * | 2014-04-23 | 2018-08-08 | スズキ株式会社 | Surface covering method of aluminum member, surface covering aluminum member and piston for internal combustion engine |
-
2017
- 2017-01-16 JP JP2017005381A patent/JP6814405B2/en active Active
- 2017-01-16 JP JP2017005382A patent/JP6814406B2/en active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009001855A (en) * | 2007-06-21 | 2009-01-08 | Hitachi Ltd | Member with anodic oxide film formed on surface and anodization method |
| JP2013060620A (en) * | 2011-09-12 | 2013-04-04 | Toyota Motor Corp | Internal combustion engine and method for manufacturing the same |
| JP2015031226A (en) * | 2013-08-05 | 2015-02-16 | トヨタ自動車株式会社 | Internal combustion engine and its manufacturing method |
| JP2015193915A (en) * | 2014-03-27 | 2015-11-05 | スズキ株式会社 | Anode oxidation treatment method and internal combustion engine structure |
| JP2015194149A (en) * | 2014-03-27 | 2015-11-05 | スズキ株式会社 | Anodic oxidation coating, method of processing the same, and piston for internal combustion engine |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111979569A (en) * | 2019-05-24 | 2020-11-24 | 丰田自动车株式会社 | Thermal barrier coating, coated part and method for manufacturing coated part |
| JP2020190023A (en) * | 2019-05-24 | 2020-11-26 | 株式会社豊田中央研究所 | Heat shielding film, coating member and manufacturing method thereof |
| CN111979569B (en) * | 2019-05-24 | 2023-11-03 | 丰田自动车株式会社 | Thermal barrier coating, coated member, and method of manufacturing coated member |
| CN114480923A (en) * | 2022-01-26 | 2022-05-13 | 西南石油大学 | Soluble metal sealing ring with controllable dissolution speed and preparation process thereof |
| CN114480923B (en) * | 2022-01-26 | 2022-11-08 | 西南石油大学 | Soluble metal sealing ring with controllable dissolution speed and preparation process thereof |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2017160533A (en) | 2017-09-14 |
| JP6814405B2 (en) | 2021-01-20 |
| JP6814406B2 (en) | 2021-01-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6814405B2 (en) | Surface structure of aluminum-based members | |
| CN107164662B (en) | Surface structure of aluminum member | |
| JP6418498B2 (en) | Anodizing method and structure of internal combustion engine | |
| JP5743883B2 (en) | Structured chromium solid particle layer and production method thereof | |
| JP6170029B2 (en) | Method for forming a thermal barrier film | |
| JP6490491B2 (en) | Covering member and manufacturing method thereof | |
| JP5938374B2 (en) | Piston of internal combustion engine | |
| EP3080338B1 (en) | Nickel-chromium-aluminum composite by electrodeposition | |
| JP2010037607A (en) | Aluminum alloy member and method of manufacturing the same | |
| JP6369748B2 (en) | Surface covering method of aluminum member, surface covering aluminum member and piston for internal combustion engine | |
| JP6557176B2 (en) | Piston for internal combustion engine and manufacturing method thereof | |
| JP4156762B2 (en) | Surface treatment method for Si-based aluminum alloy | |
| JP6394105B2 (en) | Thermal barrier coating method and structure of aluminum composite material, and piston | |
| JP2014173128A (en) | Method for restoring an aluminum-based member, restoration treatment liquid, aluminum-based material, and method for manufacturing the same | |
| CN110872721B (en) | Metal molded body having anodic oxide film, method for producing same, piston, and internal combustion engine | |
| JP7084234B2 (en) | Internal combustion engine | |
| CN105339531A (en) | Surface-coating method for aluminum member, surface-coated aluminum member, and piston for internal combustion engine | |
| JP2008081839A (en) | Member made of aluminum alloy, method for producing the same, and fuel pump with the member made of aluminum alloy | |
| Munir et al. | CORROSION RESISTANCE ENHANCEMENT OF AN ANODIC LAYER ON AN ALUMINUM MATRIX COMPOSITE BY CERIUM SEALING. | |
| JP2018003053A (en) | Aluminum-based alloy material, piston for internal combustion engine, internal combustion engine, manufacturing method of aluminum-based alloy material and manufacturing method of piston | |
| JP6844132B2 (en) | Manufacturing method of reinforced aluminum composite member and manufacturing method of piston | |
| JP2015194149A (en) | Anodic oxidation coating, method of processing the same, and piston for internal combustion engine | |
| JP5654536B2 (en) | Iron plating equipment | |
| JP6443068B2 (en) | Alumite coating, aluminum alloy member provided with alumite coating, and method for producing alumite coating | |
| JP2021046797A (en) | Piston for internal combustion engine, method for manufacturing the same and vehicle |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20191122 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20200819 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20200901 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20201014 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20201120 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20201203 |
|
| R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 6814405 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |