JP5117986B2 - 内燃機関用ピストンスカート部の表面処理方法及び内燃機関用ピストン - Google Patents
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Description
前記下地処理後,該改質層の表面が活性化している間に前記スカート部表面に低摩擦係数の樹脂被膜より成る潤滑層を形成することを特徴とする(請求項1)。
前記下地処理後,該酸化金属層が活性化している間に前記スカート部表面に低摩擦係数の樹脂被膜より成る潤滑層を形成したことを特徴とする(請求項2)。
該改質層の表面が活性化している間に前記スカート部表面に形成された低摩擦係数の樹脂被膜より成る潤滑層を設けたことを特徴とする(請求項5)。
前記改質層の形成されたスカート部に対し,Sn,Zn又はZr元素を含む平均粒径20〜400μmの微細な粒体を,圧縮空気又は圧縮窒素との混合流体として噴射速度80m/sec以上,又は噴射圧力0.2MPa以上で噴射して衝突させることにより,前記Sn,Zn又はZrの元素を前記改質層中に拡散浸透させると共に酸化させて成形した表面が活性化された酸化金属層と,
前記酸化金属層の形成後,該酸化金属層の表面が活性化している間に前記スカート部表面に形成された低摩擦係数の樹脂被膜より成る潤滑層を備えることを特徴とする(請求項6)。
本発明で処理対象とする内燃機関用のピストンは,内燃機関用のものであればガソリンエンジン,ディーゼルエンジン等の内燃機関の型式に限定されず,各種のものを対象とすることができる。
前述したピストンに対する処理は,以下の方法により行う。
(1)下地処理
後述の低摩擦係数の樹脂被膜から成る潤滑層を形成する前に,ピストンのスカート部に対して下記の下地処理を行う。
ピストンのスカート部表面に対して平均粒径20〜400μmの金属又はセラミックの微細な粒体を,圧縮空気又は圧縮窒素との混合流体として噴射速度80m/sec以上,又は噴射圧力0.2MPa以上で噴射して衝突させることにより形成され,前記スカート部の表面より深さ1〜15μmの範囲においてピストン母材の組織が均一に微細化され,かつ,表面が活性化された改質層を形成する工程である。
前述した改質層の形成を行ったピストンのスカート部表面に対しては,その表面に直接,後述の潤滑層を形成するものとしても良いが,後述の潤滑層を形成する前に,Sn,Zn又はZrを含む微細な粒体の噴射により,酸化錫又は酸化亜鉛によって形成された酸化金属層を形成することができる。
以上のようにして下地処理によって形成した改質層上,又は,酸化金属層上には,低摩擦係数の樹脂被膜より成る潤滑層を形成する。
(3-1)作用の概略
以上のようにして下地処理が行われたピストンのスカート部に対し,前述したように低摩擦係数の樹脂より成る潤滑層を形成した内燃機関用のピストンにあっては,潤滑層が下地の改質層又は酸化金属層に対して高い密着力を発生すると共に,形成された潤滑層は,ピストンの低フリクション化に貢献するものであった。
前述した密着力の向上が得られるメカニズムについては必ずしも明らかではないが,噴射粒体の衝突によってピストンスカート部の表面に,粒体の粒径に対応したRaで0.5〜2.5μm程度の微小な凹凸が形成されること,粒体との衝突により表面組織が微細化されると共に合金成分の分布が均一化されること,及び表面の活性化の相乗効果によってこのような密着力の向上が得られているものと考えられる。
前述したように,ピストンのスカート部表面に対し,潤滑層の密着力が向上する理由の1つとして投錨効果(アンカー効果)が挙げられる。すなわち,前述したようにピストンのスカート部に対して粒体を噴射,衝突させることにより,ピストンのスカート部表面には塗布された樹脂が入り込んで根を張る微細な凹部が無数に形成されることとなる。そのため,このような投錨効果(アンカー効果)の向上が,潤滑層の付着強度を向上させる一因となっているものと考えられる。
前述したように,鋳造用アルミニウム合金として一般的に使用される共晶組成のAl−Si,Al−Cu,Al−Mg系合金等では,Alのデンドライト結晶と,Alと合金成分との共晶が現れ,合金成分の結晶(結晶粒)は,図3に示すように母材中に均一に分散しておらず,偏析したものとなっている。
更に,前述のようにしてピストンのスカート部に対して粒体が衝突すると,この衝突部分には,粒体との衝突時の摩擦等によってアルミニウム合金の新生表面が出現し,電子(エキソエレクトロン)が放出され(Kramer 効果),活性化されるものと考えられる。
なお,使用する噴射粒体を,平均粒径20〜400μmの範囲としたことにより,この粒体の衝突によりスカート部表面に形成される改質層又は酸化金属層表面の表面粗さ比較的微小なもの(Ra0.5〜2.5μm)とすることができ,その結果,潤滑層を形成する樹脂をスカート部表面に塗布した際にこの表面粗さを吸収させて,潤滑層の表面粗さを,給油状態での摺接において低フリクション化が実現されるRa1.0μm以下の平滑面に加工することが可能である。
本発明の方法により表面処理が行われたピストンスカート部は,樹脂被膜である潤滑層が摩耗や剥離によって消失し,その下地である改質層や酸化金属層が直接,シリンダ内壁に摺接した場合であっても,高い耐摩耗性,低フリクション性,耐焼付性を示すと共に,シリンダ内壁に対する攻撃性(シリンダ内壁の摩耗)を低下させることができるものであった。
噴射された粒体との衝突によって母材の表面組織が微細化されると共に,合金成分の分散が均一化することにより,脆さの改善等,スカート部表面の機械的特性が改善されたこと,
前述した粒体の衝突によって,スカート部の表面には圧縮残留応力の付与等,ショットピーニングによって得られる機械的特性の改善も得られているものと考えられること,
さらに,前述した噴射粒体との衝突部において生じる発熱により,粒体の噴射に圧縮空気を使用する場合には,圧縮空気中の酸素との結合によって母材中のAl成分が酸化することにより酸化アルミニウムが生成され,また,噴射に圧縮窒素を使用する場合には,母材中のAl成分が窒化することにより窒化アルミニウムが生成され,これによりスカート部表面付近の硬度が向上すること,等の相乗効果によって得られているものと予測される。
(1)試料
Al−Si系アルミニウム合金(AC8A)製のピストン(鋳造品)を使用し,表1〜表6に示す条件でスカート部の表面処理を行ったものについて,形成された潤滑層の密着力を測定した。
密着力の測定は,ウォータジェット試験によって行った。このウォータジェット試験は,ピストンスカート部に形成した潤滑層表面に水をノズルにより高圧噴射し,密着力の測定を行う試験である。
上記方法で行った潤滑層の密着力測定結果を,表7に示す。なお,表中の「密着力」は,噴射水の噴流圧力(MPa)を示し,「○」は潤滑層に剥離が生じていないこと,「×」は潤滑層が剥離したことをそれぞれ示す。
改質層の形成後,該改質層の活性化中に潤滑層を形成することが,潤滑層の密着力を向上する上で有効であることを確認するために,改質層の形成後,潤滑層の形成開始迄の時間を変化させて,経過時間の変化に伴う密着力の変化を測定した。経過時間中,改質層の形成されたピストンは潤滑層の形成迄室内に放置した。
本発明の方法により表面処理されたピストンが,潤滑層の摩耗後においても低フリクション性を有するものであることを確認すべく,摩擦係数の測定を行った。
本発明の方法により表面処理されたピストンが,潤滑層の摩耗後においても耐摩耗性を有すると共に,摺接の相手方であるシリンダライナー材に対する攻撃性を有しない(シリンダライナーを摩耗させない)ものであることを確認するための試験を行った。
本発明の方法により表面処理されたピストンが,低フリクション性を有するものであることを確認すべく,実機による評価で摩耗平均有効圧(FMEP:Friction Mean Effective Pressure)の測定を行った。
Claims (7)
- アルミニウム合金製の内燃機関用のピストンスカート部に対し,平均粒径20〜400μmの金属又はセラミックの微細な粒体を,圧縮空気又は圧縮窒素との混合流体として噴射速度80m/sec以上,又は噴射圧力0.2MPa以上で噴射して衝突させることにより,前記スカート部の表面より深さ1〜15μmの範囲においてピストン母材の組織を均一に微細化すると共に,表面を活性化させた改質層を形成する下地処理と,
前記下地処理後,該改質層の表面に新生面が露出され活性化している間に前記スカート部表面に低摩擦係数の樹脂被膜より成る潤滑層を形成することを特徴とする内燃機関用ピストンスカート部の表面処理方法。 - アルミニウム合金製の内燃機関用のピストンスカート部に対し,平均粒径20〜400μmの金属又はセラミックの微細な粒体を,圧縮空気又は圧縮窒素との混合流体として噴射速度80m/sec以上,又は噴射圧力0.2MPa以上で噴射して衝突させることにより,前記スカート部の表面より深さ1〜15μmの範囲においてピストン母材の組織を均一に微細化させる改質層の形成と,前記改質層の形成されたスカート部に対し,Sn,Zn又はZr元素を含む平均粒径20〜400μmの微細な粒体を圧縮空気又は圧縮窒素との混合流体として噴射速度80m/sec以上,又は噴射圧力0.2MPa以上で噴射して衝突させることにより,前記Sn,Zn又はZrの元素を前記改質層中に拡散浸透させると共に酸化させて,表面が活性化された酸化金属層を形成する下地処理を行うと共に,
前記下地処理後,該酸化金属層が活性化している間に前記スカート部表面に低摩擦係数の樹脂被膜より成る潤滑層を形成したことを特徴とする内燃機関用ピストンスカート部の表面処理方法。 - 前記アルミニウム合金がAl−Si系合金であり,母材中のSi成分の分布が均一化するように組織が微細化された前記改質層を形成することを特徴とする請求項1又は2記載の内燃機関用ピストンスカート部の表面処理方法。
- 前記潤滑層の形成を,前記下地処理後3時間以内に行うことを特徴とする請求項1〜3いずれか1項記載の内燃機関用ピストンスカート部の表面処理方法。
- アルミニウム合金内燃機関用のピストンのスカート部に,平均粒径20〜400μmの金属又はセラミックの微細な粒体を圧縮空気又は圧縮窒素との混合流体として噴射速度80m/sec以上,又は噴射圧力0.2MPa以上で噴射して衝突させることにより,表面より深さ1〜15μmの範囲においてピストン母材の組織が均一に微細化された改質層と,
該改質層の表面が活性化している間に前記スカート部表面に形成された低摩擦係数の樹脂被膜より成る潤滑層を設けたことを特徴とする内燃機関用ピストン。 - アルミニウム合金製の内燃機関用のピストンスのスカート部に,平均粒径20〜400μmの金属又はセラミックの微細な粒体を圧縮空気又は圧縮窒素との混合流体として噴射速度80m/sec以上,又は噴射圧力0.2MPa以上で噴射して衝突させることにより,表面より深さ1〜15μmの範囲においてピストン母材の組織が均一に微細化された改質層と,
前記改質層の形成されたスカート部に対し,Sn,Zn又はZr元素を含む平均粒径20〜400μmの微細な粒体を,圧縮空気又は圧縮窒素との混合流体として噴射速度80m/sec以上,又は噴射圧力0.2MPa以上で噴射して衝突させることにより,前記Sn,Zn又はZrの元素を前記改質層中に拡散浸透させると共に酸化させて成形した表面が活性化された酸化金属層と,
前記酸化金属層の形成後,該酸化金属層の表面が活性化している間に前記スカート部表面に形成された低摩擦係数の樹脂被膜より成る潤滑層を備えることを特徴とする内燃機関用ピストン。 - 前記アルミニウム合金がAl−Si系合金であり,前記改質層が,母材中のSi成分の分布が均一化するように組織が微細化されていることを特徴とする請求項5又は6記載の内燃機関用ピストン。
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