(57)【要約】【課題】被膜形成行程の全体の処理時間を可及的に短い時間で複層の固体潤滑被膜を形成することのできる被膜形成方法を提供する。【解決手段】アルミニウム合金製ピストン１の基材１ａの両スカート部８，９の外周面に、下層被膜２１とこの上面の上層被膜２２との複層固体潤滑被膜を形成した。前記下層被膜と上層被膜とは、ともに結合樹脂であるポリアミドイミド樹脂、またはポリイミド樹脂、またはエボキシ樹脂の少なくとも１種を含み、下層被膜は、固定潤滑剤として例えばグラファイトを含有する材料とし、この下層被膜をスカート部の外面に塗布した後に、レーザー加熱装置によってエネルギー密度が３０ｗ／ｃｍ2のレーザー光線をほぼ１０秒間照射して乾燥させ、この上面に上層被膜を塗布した後に、焼成処理を施した。【選択図】図５
2014173489.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のピストンのスカート部の外面に複層の固体潤滑被膜を形成する被膜形成方法であって、
下層固体潤滑被膜は、黒色成分を含有する材料とし、
前記下層固体潤滑被膜を前記スカート部の外面に塗布した後に、前記ピストンかまたはレーザー発振器の少なくとも一方を移動させながらレーザー光線を照射して乾燥処理を行い、
最上層固体潤滑被膜を塗布した後に、再びレーザー照射または加熱炉によって焼成処理を施すことを特徴とする内燃機関用ピストンへの被膜形成方法。
【請求項２】
内燃機関のピストンのスカート部の外面に複層の固体潤滑被膜を形成する被膜形成方法であって、
固体潤滑被膜は、暗色成分を含有する材料とし、
前記固体潤滑被膜を前記スカート部の外面に塗布した後に、前記ピストンかまたはレーザー発振器の少なくとも一方を移動させながらレーザー光線を照射して固化処理を行うことを特徴とする内燃機関用ピストンへの被膜形成方法。
【請求項３】
内燃機関のピストンのスカート部の外面に複層の固体潤滑被膜を形成する被膜形成装置であって、
前記スカート部の外面にグラファイト、カーボンブラック、二硫化モリブデン、ボロンナイトライド、金属粉のうち少なくとも一つを含有する下層固体潤滑被膜を塗布すると共に、前記ピストンかまたはレーザー発振器の少なくとも一方を、移動機構によって移動させながら前記レーザー発振器によってレーザー光線を照射して前記下層固体潤滑被膜を乾燥させることを特徴とする内燃機関用ピストンの被膜形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関用ピストンのスカート部の表面に複層の固体潤滑被膜を形成する被膜形成方法及び被膜形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、例えば自動車用内燃機関のピストンのスカート部などの摺動部品の表面に複層の固体潤滑被膜を形成して、耐摩耗性または耐焼き付き性を改善する技術が種々提案されている。
【０００３】
その一つとして、本出願人が先に出願した以下の特許文献１に記載された技術は、下層に摩耗量の少ない固体潤滑被膜を形成し、上層に摩耗量の多い固体潤滑被膜を形成することによって、スカート部の表面に残る条痕の凹凸を少なくしてシリンダ壁面との間のフリクションを低減するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２１６３６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記特許文献１に記載された技術のように複層の固体潤滑被膜を形成するには、それぞれの固体潤滑被膜毎に乾燥や焼成などの処理を繰り返す必要がある。この結果、複層の固体潤滑被膜を形成する全体の処理時間が長くなってしまい、製造作業が煩雑になると共に、コストにも影響を与えている。
【０００６】
本発明は、被膜形成行程の全体の処理時間を可及的に短い時間で複層の固体潤滑被膜を形成することのできる被膜形成方法及び被膜形成装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、とりわけ、下層固体潤滑被膜は、黒色成分を含有する材料とし、前記下層固体潤滑被膜を前記スカート部の外面に塗布した後に、前記ピストンかまたはレーザー発振器の少なくとも一方を移動させながらレーザー光線を照射して乾燥処理を行い、最上層固体潤滑被膜を塗布した後に、再びレーザー照射または加熱炉によって焼成処理を施すことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、被膜形成行程の全体の処理時間を可及的に短い時間で複層の固体潤滑被膜を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の被膜形成方法が適用される内燃機関のピストンの半縦断面図である。
【図２】同シリンダ壁を摺動するピストンの一部を断面して示す正面図である。
【図３】下層固体潤滑被膜と上層固体潤滑被膜を示す拡大断面図である。
【図４】固体潤滑剤の含有量と密着力の関係を示す特性図である。
【図５】本発明に係る被膜形成方法の下層被膜と上層被膜の形成工程を示すブロック図である。
【図６】従来の被膜形成方法の下層被膜と上層被膜の形成工程を示すブロック図である。
【図７】本発明の第１実施形態の被膜形成方法に供されるレーザー加熱装置によってピストン表面の下層被膜にレーザー光線を照射した状態を示す概略図である。
【図８】本実施形態の被膜形成方法による下層被膜に対するレーザー光線のエネルギー密度の分布図である。
【図９】固定潤滑剤のｗｔ％と乾燥・焼成時間との関係を実験によって示したグラフである。
【図１０】レーザー光線を下層被膜に照射したときの出力エネルギー密度と到達時間との関係を示すグラフである。
【図１１】第２実施形態の被膜形成方法に供されるレーザー加熱装置によってピストン表面の下層被膜にレーザー光線を照射した状態を示す概略図である。
【図１２】第３実施形態の被膜形成方法に供されるレーザー加熱装置によってピストン表面の下層被膜にレーザー光線を照射した状態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に係る被膜形成方法を内燃機関のピストンに適用した実施形態を図面に基づいて詳述する。なお、本実施形態に供されるピストンは、４サイクル・ガソリンエンジンに適用したものである。
【００１１】
前記ピストン１は、図２に示すように、シリンダブロック２に形成されたほぼ円柱状のシリンダ壁面(ボア)３に摺動自在に設けられ、該シリンダ壁面３と図外のシリンダヘッドとの間に燃焼室４を形成するようになっていると共に、ピストンピン５に連結されたコンロッド６を介して図外のクランクシャフトに連結されている。
【００１２】
前記ピストン１は、全体がＡＣ８Ａ  Ａｌ−Ｓｉ系のアルミニウム合金によって一体に鋳造され、図１及び図２、図７に示すように、ほぼ円筒状に形成されて、冠面７ａ上に前記燃焼室４を画成する冠部７と、該冠部７の下端外周縁に一体に設けられた円弧状の一対のスラスト側スカート部８及び反スラスト側スカート９と、該各スカート部８、９の円周方向の両側端に各連結部位１０を介して連結された一対のエプロン部１１，１２と、を備えている。
【００１３】
前記冠部７は、比較的肉厚に形成された円盤状を呈し、冠面７ａ上に吸気弁や排気弁との干渉を防止するバルブリセス７ｅが形成されていると共に、外周部にプレッシャリングやオイルリングなどの３つのピストンリング１３ａ、１３ｂ、１３ｃを保持するリング溝７ｂ、７ｃ、７ｄが形成されている。
【００１４】
また、前記最下段のオイルリング溝７ｄの底壁には、前記オイルリング１３ｃによってオイルリング溝７ｄ内に掻き込み捕集した潤滑油をピストン１の内部空間内に排出するドレン孔１４ａ、１４ｂが各スカート部８，９にそれぞれ２つの貫通形成されている。なお、前記エプロン部１１，１２は、中央のピンボス１１ａ、１２ａに前記ピストンピン５を挿通保持するピン孔１１ｂ、１２ｂが貫通形成されている。
【００１５】
前記両スカート部８，９は、ピストン１の軸心を中心とした左右対称位置に配置されて、横断面ほぼ円弧状に形成されていると共に、それぞれの肉厚はほぼ全体が比較的薄肉に形成されている。前記スラスト側スカート部８は、膨張行程時などにピストン１が下死点方向へストロークした際に、前記コンロッド６の角度との関係で前記シリンダ壁面３に傾きながら圧接するようになっている一方、反スラスト側のスカート部９は、圧縮行程時などにピストン１が上昇ストロークした際に、シリンダ壁面３に反対に傾きながら圧接するようになっている。前記各スカート部８，９のシリンダ壁面３に対する圧接荷重は、燃焼圧力を受けてシリンダ壁面３に圧接する前記スラスト側スカート部８の方が大きくなっている。
【００１６】
そして、前記ピストン１のスラスト側スカート部８と反スラスト側スカート部９には、図１及び図３に示すように、上下２層の固体潤滑被膜が施されている。
【００１７】
すなわち、この２層の固体潤滑被膜は、第１固体潤滑被膜である下層被膜２１と、第２固体潤滑被膜である上層被膜２２とからなり、結合樹脂として、耐熱性、耐摩耗性及び密着性に優れたエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂のいずれか１種か２種を使用する。
【００１８】
具体的に説明すれば、前記上層被膜２２は、結合樹脂であるエポキシ樹脂とポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂のいずれか１種を５〜５０ｗｔ％に設定し、固体潤滑剤である二硫化モリブデンＭとグラファイトＧのいずれか一方を含む固体潤滑剤の含有量を５０〜９５ｗｔ％に設定した。
【００１９】
前記結合樹脂が５ｗｔ％未満になると、結合力の低下によって下層被膜２１との密着性が低下し、逆に５０ｗｔ％を超えると固体潤滑剤が相対的に少なくなるため、初期馴染み性が低下する。
【００２０】
前記下層被膜２１は、結合樹脂が上層被膜２２と同じく、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイド樹脂の１種を５０ｗｔ％以上に設定した。一方、固体潤滑剤としては、基本的に、二硫化モリブデンＭ、グラファイトＧ、カーボンブラックＢのいずれか１種以上を５０ｗｔ％未満に設定した。
【００２１】
前記下層被膜２１において、前記結合樹脂が５０ｗｔ％未満ではピストン基材１ａとの密着性が低下する。図４に示すように、結合樹脂に各々の固体潤滑剤(であるグラファイトＧや二硫化モリブデンＭを添加していったときの密着力の変化は固体潤滑剤が５０ｗｔ％を超えると、つまり結合樹脂が５０ｗｔ％未満では急激に低下することがわかる。
【００２２】
すなわち、下層被膜２１は、ピストン基材１ａとの密着性を確保することと、上層被膜２２との密着性を確保する役割を有する。
【００２３】
したがって、下層被膜２１に固体潤滑剤を多く含有する必要はないが、密着性が確保される範囲での固体潤滑剤の添加による被膜の特性向上は許される。
【００２４】
さらに、固体潤滑剤としての二硫化モリブデンＭが５ｗｔ％未満では耐焼き付き性が低下し、２０ｗｔ％を超えると被膜強度の低下により摩耗量が増大する。
【００２５】
また、固体潤滑剤の二硫化モリブデンＭについては、グラファイトとの相乗効果によって耐焼き付け性の向上を図ることができる。
【００２６】
すなわち、下層被膜２１については、固体潤滑剤として、前記二硫化モリブデンＭとグラファイトＧを併用することができる。この場合、二硫化モリブデンＭとグラファイトは合計５〜２０ｗｔ％とし、かつ二硫化モリブデンを１〜１０ｗｔ％とすることが望ましい。
【００２７】
二硫化モリブデンＭが１ｗｔ％未満では併用による耐焼き付き性の向上の効果が得られず、１０ｗｔ％を超えると耐摩耗性が低下するからである。
【００２８】
また、上層被膜２２の固体潤滑剤である二硫化モリブデンＭなどの含有量を５０〜９５ｗｔ％に設定したのは、５０ｗｔ％未満では初期馴染み性が低下してしまい、９５ｗｔ％を超えると、前記結合樹脂が５ｗｔ％未満になってしまい、これでは、前述したように、結合力の低下によって下層被膜２１との密着性が低下してしまうからである。
【００２９】
前記上層被膜２２と下層被膜２１を調整するには、例えば結合樹脂であるエポキシ樹脂とポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂に有機溶剤を配合し、その樹脂溶液に固体潤滑剤を加え、必要に応じてさらに硬質粒子を添加してビーズミルなどを用いて混合分散すればよい。
【００３０】
なお、結合樹脂と、二硫化モリブデンＭやグラファイトＧなどの固体潤滑剤との配合量は、合わせて１００ｗｔ％となるように調整する。
【００３１】
また、本発明の固体潤滑被膜は、必要に応じて有機溶剤により希釈して、塗料としてピストン基材１ａに塗布する。
【００３２】
すなわち、ピストン基材１ａ(スラスト側スカート部と反スラスト側スカート部)の外周面に、下層被膜２１と上層被膜２２を順番に塗布し、乾燥、焼成して硬化させることにより、２層の固体潤滑被膜が得られる。
【００３３】
前記希釈に用いる有機溶剤は、溶剤系であっても結合樹脂を溶解させることが可能であれば、特に限定されるものではない。
【００３４】
焼成温度や焼成時間などの焼成条件は適宜設定すればよく、２００℃以下での焼成も可能なため、アルミニウム合金製のピストン１にも適用することができる。
【００３５】
なお、下層被膜２１と上層被膜２２の膜厚は、適宜選択することができるが、塗布の作業性や費用面などを考慮すると、５〜４０μｍ程度が望ましい。
【００３６】
〔被膜形成方法〕
以下、ピストン基材１ａの各スカート部８，９の表面に下層被膜２１と上層被膜２２を形成する具体的な被膜形成方法を図５に基づいて説明する。
【００３７】
まず、ピストン基材１ａの表面を、溶剤脱脂やアルカリ脱脂などの前処理により油分や汚れを除去する（洗浄工程１)。
【００３８】
次に、このピストン基材１ａの表面に例えばスクリーン印刷などの既知の方法によって前述した成分の下層被膜２１を塗布する(下層塗布工程２)。
【００３９】
続いて、この下層被膜２１を加熱して乾燥させる工程に移行するが、この乾燥工程では、後述するレーザー加熱装置３０を用いてレーザー光線による加熱を行って乾燥させるようになっている（レーザー加熱乾燥工程３）。これによって、有機溶剤を除去するようになっている。
【００４０】
その後、下層被膜２１の上面に前述した成分の上層被膜２２を下層被膜２１と同じくスクリーン印刷などの既知の方法によって塗布する(上層塗布行程４)。
【００４１】
続いて、例えば、連続加熱炉などの既知の装置を用いて１８０℃×３０分あるいは２００℃×２０分などの条件で上層被膜２２の乾燥と焼成処理を行い(焼成行程５)。
【００４２】
次に、下層被膜２１と上層被膜２２が焼成されたピストン基材１ａ全体を冷却装置によって冷却する(冷却行程６)。
【００４３】
これによって、一連の下層被膜２１と上層被膜２２の形成工程が完了する。
【００４４】
ここで、本実施形態では、前記下層被膜２１の乾燥工程を、レーザー加熱装置３０を用いて処理しているが、従来では、レーザーではなく例えば連続加熱炉によって行っている。
【００４５】
すなわち、従来では、図６に示すように、洗浄工程１と塗布行程２及び上層被膜２２の塗布工程４、焼成工程５、冷却工程６は本実施形態と同じであるが、乾燥工程では、例えば連続加熱炉によって乾燥と焼成処理を行い(焼成行程３’)、その後、冷却装置によってピストン基材１ａ全体を冷却するようになっている（冷却行程３’’)。この焼成行程３’と冷却行程３’’の処理時間は、約３６００秒、つまり約１時間の長時間を要していた。
【００４６】
これに対して本実施形態では、従来のような連続加熱炉や赤外線加熱装置などを用いることなく、図７に示すようなレーザー加熱装置３０を用いて下層被膜２１を加熱乾燥させるようになっていることから、処理時間を約１０秒の極めて短時間で行うことが可能になった。
【００４７】
具体的に説明すると、前記レーザー加熱装置３０は、図７に示すように、上下に並設された２つのレーザー発振器３１ａ、３１ｂと、該各レーザー発振器３１ａ、３１ｂとピストン基材１ａとの間に介装したガラス製拡散板３２と、前記各レーザー発振器３１ａ、３１ｂにそれぞれ電流を供給する２つのレーザー電源３３ａ、３３ａと、該各レーザー電源３３ａ、３３ｂから出力される電流量を制御する出力制御盤３４と、前記ピストン基材１ａを載置保持する保持具３５と、該保持具３５を回転させるステッピングモータ３６と、該ステッピングモータ３６の回転制御と前記出力制御盤３４による出力制御を同期させるように制御するコントロールユニット３７と、から主として構成されている。
【００４８】
前記各レーザー発振器３１ａ、３１ｂは、レーザダイオードバーを複数積層して形成され、前記スカート部８，９の湾曲状の上面に塗布された下層被膜２１に対して直径方向から単一束の平行なレーザー光線３８をそれぞれ照射するようになっている。
【００４９】
すなわち、各レーザー発振器３１ａ、３１ｂは、前記コントロールユニット３７を介して出力制御盤３４から制御された電流が前記各レーザー電源３３ａ、３３ｂから入力されて、前記下層被膜２１に対して直径方向から単一束の平行なレーザー光線３８をそれぞれ照射するようになっている。
【００５０】
前記ガラス製拡散板３２は、前記レーザー光線３８を適度に散乱させて下層被膜２１全体のエネルギー密度を均一化するためのものである。
【００５１】
前記ピストン基材１ａは、保持具３５を介してステッピングモータ３６によってピストン１軸線を中心として一方向(図中矢印方向)へ回転制御されるようになっている。
【００５２】
前記ステッピングモータ３６は、前記コントロールユニット３７から出力されたパルス電流によって回転速度が制御されて、前記各レーザー発振器３１ａ、３１ｂによるレーザー光線３８の照射が前記下層被膜２１全体で均一となるように制御されている。
【００５３】
すなわち、図８に示すように、下層被膜２１の全体の横幅Ｗのうち、下層被膜２１の全体を６分割すると共に、横幅Ｗのうち、左右領域２１ａ、２１ａ’、２１ｃ、２１ｃ’の出力エネルギー密度を中央領域２１ｂ、２１ｂ’よりも高く設定してある。つまり、左右領域２１ａ、２１ａ’、２１ｃ、２１ｃ’は、アルミニウム合金材であるピストン基部１ａから放熱性が高いことから、上下２つのレーザー発振器３１ａ、３１ｂの各レーザー光線３８のエネルギー密度を高め、中央領域２１ｂ、２１ｂ’は、放熱性が低いことから、２つのレーザー発振器３１ａ、３１ｂの各レーザー光線３８のエネルギー密度を低く設定して下層被膜２１全体の加熱温度を均一化するようになっている。
【００５４】
また、上側３つの領域２１ａ〜２１ｃは、冠部７からの放熱量が大ききことから、下側３つの領域２１ａ’〜２１ｃ’よりもエネルギー密度が高くなっていると共に、特に上側の左右２つの領域２１ａ、２１ｃのエネルギー密度が最も高く、中央１つ領域２１ｂよりも高くなっている。また、この中央１つの領域２１ｂは、下側の３つの領域２１ａ’〜２１ｃ’よりも高いエネルギー密度になっている。
【００５５】
下側の３つの領域２１ａ’〜２１ｃ’では、左右２つの領域２１ａ’、２１ｃ’が中央の領域２１ｂ’よりもエネルギー密度は僅かに高くなっている。
【００５６】
これによって、下層被膜２１の中央領域２１ｂ、２１ｂ’よりも放熱性の高い左右領域２１ａ、２１ａ’、２１ｃ、２１ｃ’の方が各レーザー光線３８のエネルギー密度が大きくなることから、下層被膜２１に対するエネルギー密度を全体的に均一化させることができる。
【００５７】
具体的には、最初に、レーザー光線３８の照射の狙い位置を左領域２１ｃ、２１ｃ’に定めて照射する。ここに既定のレーザー出力、照射時間で照射した後、続けてステッピングモータ３６によってピストン基材１ａを矢印方向へ回転させて中央領域２１ｂ、２１ｂ’を狙い位置と定める。この中央領域２１ｂ、２１ｂ’に既定のレーザー出力、照射時間で照射終了後、さらにピストン基材１ａを同方向に回転させて、右領域２１ａ、２１ａ’を狙い位置と定め、ここで既定のレーザー出力、照射時間で照射して完了する。これにより、下層被膜２１に対するエネルギー密度を全体的に均一化させることができる。
【００５８】
前記各上下側領域２１ａ〜２１ｃ、２１ａ’〜２１ｃ’のレーザー出力のエネルギー密度割合としては、概略的には、上側の左右領域２１ａ、２１ｃがそれぞれ１００とすると、上側の中央領域２１ｂが５０〜８０とし、下側の左右領域２１ａ’、２１ｃ’が３０〜６０、下側の中央領域２１ｂ’で２０〜５０の割合に設定されている。
【００５９】
なお、前記ピストン基材１ａを連続的に回転させて、前記各レーザー発振器３１ａ、３１ｂの出力をピストン基材１ａの回転位置によって制御により自動的に変化させることも可能である。
【００６０】
【表１】
2014173489.tif 000003
【００６１】
表１は前記下層被膜２１の黒色の固体潤滑剤としてグラファイトＧやカーボンブラックＢ、二硫化モリブデンＭのそれぞれの配合量と、結合樹脂としてのポリアミドイミドの配合量を変えた状態で、前記レーザー加熱装置３０によるエネルギー密度が３０ｗ／ｃｍ2のレーザー光線３８を照射して乾燥時間(ｓｅｃ)を実験により検証したものである。
【００６２】
なお、この表１には、固形分(結合樹脂と固体潤滑剤)の表記だけになっているが、塗料には溶剤が含まれており、この割合は３０〜７０ｗｔ％である。この溶剤にはＮメチルピロリドンを用いている。
【００６３】
この表をみると、Ｎｏ．１では結合樹脂であるポリアミドイミドのみを塗布した場合であり、この場合は乾燥しなかった。
【００６４】
Ｎｏ．２，３ではグラファイトＧの含有量を５または１０ｗｔ％とし、ポリアミドイミドを９５または９０ｗｔ％とした場合であるが、この場合は下層被膜２１の乾燥時間が１８秒と１３秒と１０秒以上掛かってしまった。
【００６５】
Ｎｏ．１０〜Ｎｏ．１２では、カーボンブラックＢの含有量を２ｗｔ％，５ｗｔ％、１０ｗｔ％にそれぞれ設定して、それに対応したポリアミドイミドの含有量としたが、この場合も、やはり乾燥時間が３３秒、２０秒、１１秒と１０秒以上掛かってしまう。
【００６６】
Ｎｏ．１５、１６では二硫化モリブデンＭの含有量を１０ｗｔ％，２０ｗｔ％にそれぞれ設定して、それに対応したポリアミドイミドの含有量としたが、この場合も乾燥時間が１４秒、１２秒となってしまった。
【００６７】
Ｎｏ．３２〜３４の場合は、グラファイトＧの含有量を５ｗｔ％、５ｗｔ％、０ｗｔ％にそれぞれ設定すると共に、二硫化モリブデンＭの含有量を１０ｗｔ％、５ｗｔ％、１０ｗｔ％に設定し、それに対応したポリアミドイミドの含有量としたが、この場合も乾燥時間が１２秒、１５秒、１１秒となり、１０秒以上になってしまった。
【００６８】
これらに対して、グラファイトＧの含有量を１５ｗｔ％〜６０ｗｔ％に設定し、それに対応したポリアミドイミドの含有量としたＮｏ．４〜Ｎｏ．９では、下層被膜２１の乾燥時間が８秒〜１０秒であり、またカーボンブラックＢの含有量を１５ｗｔ％と２０ｗｔ％に設定したＮｏ．１３とＮｏ．１４でも乾燥時間が８秒と１０秒になっている。
【００６９】
さらに、二硫化モリブデンＭの含有量を１０ｗｔ％〜９５ｗｔ％に設定したＮｏ．１７〜Ｎｏ．３１では、乾燥時間が７秒〜１０秒になっていることが明らかである。
【００７０】
前記レーザー光線３８は、グラファイトＧや二硫化モリブデンＭ、カーボンブラックＢなどの黒色の成分に吸収されて、該グラファイトＧや二硫化モリブデンＭ、カーボンブラックＢなどが発熱する。
【００７１】
レーザー光線３８の吸収量は、被膜中に存在する前記グラファイトＧなどの成分の体積率と相対関係があり、体積率が大きいほど吸収される熱量も大きくなるが、ある体積率を境に吸収する熱量は一定になる。なぜならば、レーザー光線３８が当たる面積内をこれらの成分がカバーしていく割合にしたがって吸収する熱量が大きくなって行くが、ある割合に達すると面積内の全てをカバーするからである。
【００７２】
前記グラファイトＧやカーボンブラックＢの比重は２．２、二硫化モリブデンＭの比重は４．８であるから二硫化モリブデンＭのｗｔ％(重量％)を０．４６(＝２．２／４．８)倍すると、グラファイトＧとカーボンブラックＢと等価のｗｔ％になる。
【００７３】
そこで、図９に示すように、Ｇ＋Ｂ＋０．４６×Ｍという指標で整理すると、乾燥時間が１０秒以下を満足するＧ＋Ｂ＋０．４６×Ｍは、１２ｗｔ％以上になる。
【００７４】
また、前述のように、Ｇ＋Ｂ＋Ｍが５０ｗｔ％以上ではピストン合金材との密着力は低下する。
【００７５】
したがって、固体潤滑剤の配合は、１２ｗｔ％≦Ｇ＋Ｂ＋０．４６×Ｍ、Ｇ＋Ｂ＋Ｍ≦５０ｗｔ％となれば、乾燥時間を１０秒以下に抑えることが可能になる。
【００７６】
図１０はレーザー光線３８を下層被膜２１に照射したときの出力エネルギー密度と到達温度との関係を実験的に検証したグラフである。
【００７７】
まず、レーザー光線３８の出力エネルギー密度を決定するために、前記表１で示す例えばＮｏ．６の成分配合、つまりグラファイトＧが３０ｗｔ％、結合樹脂であるポリアミドイミドが７０ｗｔ％に配合した塗料を、厚さが３０μｍとなるようスカート部８の表面に塗布して種々の出力エネルギー密度でレーザー光線３８を１０秒間照射して表面温度をサーモビュアーで計測した。
【００７８】
【表２】
2014173489.tif 000004
【００７９】
表２はこの実験結果を纏めたもので、この実験結果によると、出力エネルギー密度の大きさや塗布されているピストン部分の肉厚によらず、１１３℃〜２３９℃に達すると乾燥が終了することがわかった。したがって、１０秒間で乾燥させるためには、１１．３〜２３．９℃／secの昇温速度で加熱する必要がある。
【００８０】
ここで、前記レーザー光線３８を照射したときの昇温速度が１１．３℃／sec以下では乾いていない部分が残り、２３．９℃／secでは昇温過程で溶剤が急激に蒸発するため下層被膜２１に膨れが生じ、ついには溶剤が発火するおそれがあり、健全な被膜が得られなかった。
【００８１】
したがって、この実験結果からすると、レーザー光線３８を１０秒間照射して下層被膜２１を乾燥させるためには、レーザー光線３８の出力エネルギー密度を１１．３〜２３．９℃／sec内に収めるように調整すれば良いことがわかった。
【００８２】
以上のように、本実施形態では、ピストン基材１ａの各スカート部８，９に塗布された下層被膜２１を、レーザー加熱装置３０を用いて乾燥させるようにしたため、この乾燥時間を１０秒以下の極めて短い時間で処理することが可能になった。
【００８３】
この結果、前記被膜形成の全工程を従来に比較して短時間で行うことができ、製造作業能率の向上が図れると共に、コストの大幅な低減化が図れる。
【００８４】
しかも、前述のように、下層被膜２１をレーザー光線３８により例えばグラファイトＧなどの固定潤滑被膜を直接加熱させることから、ピストン基材１ａの自体の温度上昇が低くなる。このため、乾燥後の冷却が不要になることから、冷却装置を設置する必要がない。これにより、被膜形成工程の処理時間をさらに短くすることができると共に、形成コストも一層低減できる。
【００８５】
さらに、本実施形態によれば、ピストン基材１ａに対する下層被膜２１の密着性に優れると共に、特に、上層被膜２２の固体潤滑剤を、少なくとも二硫化モリブデンＭの含有量が５０ｗｔ％〜９５ｗｔ％に設定したことによって、ピストン１のスラスト側、反スラスト側スカート部８，９の外周面がシリンダ壁面３に摺動した際の初期馴染み性、つまり、上層被膜２２の表面が短時間で摩耗することによってなめらかな摺動面が速やかに形成され、即座に優れた初期馴染み性が得られる。
〔第２実施形態〕
図１１は本発明の第２実施形態を示し、レーザー加熱装置３０のレーザー発振器３１ａ、３１ｂ、３１ｃを３つ設けると共に、各発振器３１ａ〜３１ｃとスカート部８、９との間にガラス製拡散板３２を配置し、さらに、ピストン基材１ａを回転ではなく、昇降機４０を介して上下方向へ移動させるようにしたものである。
【００８６】
前記３つのレーザー発振器３１ａ〜３１ｃは、横方向へ並設され、それぞれに電流を供給する２つのレーザー電源３３ａ、３３ａ、３３ｃと、該各レーザー電源３３ａ〜３３ｃから出力される電流量を制御する出力制御盤３４と、前記ピストン基材１ａを載置保持する保持具３５と、該保持具３５の下部を支持する支持部３９ａを介して、前記ピストン基材１ａを上下方向へ直線状に移動案内するリニアガイド３９と、該リニアガイド３９の上下移動制御と前記出力制御盤３４による出力制御を同期させるように制御するコントロールユニット３７と、から主として構成されている。
【００８７】
前記昇降機４０は、前記リニアガイド３９と、該リニアガイド３９を駆動させる図外の電動モータと、該電動モータの回転速度を減速して前記リニアガイド３９に伝達する減速機とから構成されており、前記電動モータが、前記コントロールユニット３７からの制御電流によって正逆回転及び回転速度が制御されるようになっている。
【００８８】
前記各レーザー発振器３１ａ〜３１ｃは、構造が第１実施形態のものと同じであって、前記コントロールユニット３７を介して出力制御盤３４によって制御された電流が前記各レーザー電源３３ａ〜３３ｃから出力されて、前記下層被膜２１に対して直径方向から単一束の平行なレーザー光線３８をそれぞれ照射するようになっている。
【００８９】
前記ピストン基材１ａは、保持具３５を介して昇降機４０によってピストン１軸線方向へ移動制御されるようになっており、この昇降機４０の電動モータが、前記コントロールユニット３７から出力されたパルス電流によって回転速度が制御されて、前記各レーザー発振器３１ａ〜３１ｃによるレーザー光線３８の照射が前記下層被膜２１全体で均一となるように制御されている。
【００９０】
すなわち、各レーザー発振器３１ａ〜３１ｃは、第１実施形態と同じく、前述した図８に示すように、６分割された領域２１ａ〜２１ｃ、２１ａ’〜２１ｃ’をそれぞれ異なるエネルギー密度のレーザー光線３８を照射する。具体的には、前記３つのレーザー発振器３１ａ〜３１ｃのレーザー照射の狙い位置を、まず前記上側３つの領域２１ａ〜２１ｃにおいて既定のレーザー出力と照射時間で照射する。その後、前記昇降機４０によってピストン基材１ａを所定位置まで上昇移動させて下側３つの領域２１ａ’〜２１ｃ’にレーザー光線３８を既定のレーザー出力と照射時間で照射する。
【００９１】
これによって、第１実施形態と同じく前記各レーザー発振器３１ａ〜３１ｃによるレーザー光線３８の照射が前記下層被膜２１全体で均一となる。
【００９２】
したがって、前記第１実施形態と同様の作用効果が得られると共に、３つのレーザー発振器３１ａ〜３１ｃを用いることから、下層被膜２１の乾燥作業時間をさらに短くすることが可能になる。
【００９３】
なお、前記ピストン基材１ａを、昇降機４０によって上方向へ連続的に移動させて、レーザー発振器３１ａ〜３１ｃのレーザー出力をピストン基材１ａの直線位置によって変化させることも可能である。また、昇降機４０を介してピストン基材１ａを下から上に上昇移動させて下側の領域２１ａ’〜２１ｃ’から上側の領域２１ａ〜２１ｃを段階的あるいは連続的にレーザー照射することも可能である。
〔第３実施形態〕
図１２は第３実施形態を示し、レーザー発振器３１を単一とすると共に、第１実施形態に示す前記ステッピングモータ３６と第２実施形態に示す昇降機４０とを組み合わせて、前記ピストン基材１ａを回転及び上下方向へ移動させるようにしたものである。
【００９４】
すなわち、前記レーザー発振器３１は、基本的に前記各実施形態と同様の構成であって、前記コントロールユニット３７を介して出力制御盤３４によって制御された電流が前記一つのレーザー電源３３から出力されて、前記下層被膜２１に対して直径方向から単一束の平行なレーザー光線３８をそれぞれ照射するようになっている。
【００９５】
前記ステッピングモータ３６や昇降機４０も第１、第２実施形態のものと同じ構成であって、前記ステッピングモータ３６は、前記コントロールユニット３７から出力されたパルス電流によって回転速度が制御されて、前記レーザー発振器３１によるレーザー光線３８の照射が前記下層被膜２１全体で均一となるように制御されている。
【００９６】
前記昇降機４０は、支持部３９ａの上端面に固定された前記ステッピングモータ３６を上下方向へ移動させるリニアガイド３９と、該リニアガイド３９を駆動させる図外の電動モータと、該電動モータの回転速度を減速して前記リニアガイド３９に伝達する減速機とから構成されており、前記電動モータが、前記コントロールユニット３７からの制御電流によって正逆回転及び回転速度が制御されるようになっている。
【００９７】
また、前記下層被膜２１に対する前記レーザー発振器３１によるレーザー出力は、前述した図８に示す下層被膜２１の全体を６分割してそれぞれに領域２１ａ〜２１ｃ、２１ａ’〜２１ｃ’でのエネルギー密度を変化させるようになっていることは、第１、第２実施形態と同じである。
【００９８】
すなわち、前記ピストン基材１ａを、前記昇降機４０によってステッピングモータ３６を介して所定の高さ位置まで上昇させると共に、前記ステッピングモータ３６によって所定角度まで回転させて、前記レーザー発振器３１による最初の狙い位置を、上側の左領域２１ｃとし、ここでレーザー光線３８を既定のレーザー出力及び照射時間で照射を行う。次に、ピストン基材１ａを、ステッピングモータ３６によって例えば図中矢印で示すように、所定角度まで左回転させて上側の中央領域２１ｂでレーザー光線３８を既定のレーザー出力及び照射時間で照射を行う。続いて、ピストン基材１ａを、ステッピングモータ３６によってさらに右方向へ回転させて上側の右領域２１ａとして、ここで、レーザー光線３８を既定のレーザー出力及び照射時間で照射を行う。
【００９９】
次に、ピストン基材１ａを、リニアガイド３９によって所定位置まで下降移動させて前記レーザー発振器３１による狙いを下側の右領域２１ａ’とし、ここでレーザー光線３８を既定のレーザー出力及び照射時間で照射を行い、続いて、ステッピングモータ３６によって左方向へ所定角度まで回転させて、下側の中央領域２１ｂ’にレーザー照射を行う。その後、前記ピストン基材１ａをさらにステッピングモータ３６によって左方向へ所定角度まで回転させて、下側の右領域２１ｃ’にレーザー照射を行う。
【０１００】
これによって、第１、第２実施形態と同じく、前記単一のレーザー発振器３１によるレーザー光線３８の照射が前記下層被膜２１全体で均一となる。
【０１０１】
この結果、第１、第２実施形態と同様な作用効果が得られるが、特に、本実施形態では、レーザー発振器３１などを単一としたことによって、設備コストを大幅に低減化することができる。
【０１０２】
なお、前記ピストン基材１ａを、ステッピングモータ３６と昇降機４０によって連続的に回転及び昇降移動を行ってレーザー発振器３１のレーザー出力をピストン基材１ａの回転位置及び直線位置によって変化させることも可能である。
【０１０３】
本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、例えば前記固体潤滑被膜は、２層に限らず単層でもよく、または単層以上の複層であってもよい。
【０１０４】
本発明の固体潤滑被膜は、オイル潤滑環境下及びドライ潤滑環境下における様々な用途の摺動部材に幅広く適用可能である。複層被膜の結合樹脂であるエポキシ樹脂とポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂は密着性に優れることから、基材を選ばず、例えば、各種アルミニウム合金材の他に、鋳鉄、鋼、銅合金などの基材に適用することが可能である。その中で、前記実施例のような内燃機関のピストン１、特にスラスト側スカート部８と反スラスト側スカート部９への適用が好適である。
【０１０５】
また、固体潤滑被膜に含有される成分は、グラファイト、カーボンブラック、二硫化モリブデンなどの黒色の成分に限られるものではなく、レーザー光線の熱を吸収できる暗色の成分が含有されていれば良い。
【０１０６】
例えば、暗色のボロンナイトライドや鉄合金の金属粉やアルミニウム合金の金属粉などを固体潤滑被膜に含有させることも可能である。
【０１０７】
なお、本発明は、固体潤滑被膜に含有される成分が黒色や暗色であればよく、固体潤滑被膜自体の色は、必ずしも黒色である必要はない。例えば、グレーや緑色などであってもレーザー光線の熱を吸収することはできる。
【０１０８】
また、本発明の適用対象は、内燃機関のピストンに限定されるものでなく、他の摺動部材の表面に固体潤滑被膜を形成する場合にも適用できる。
【０１０９】
さらに、前記各実施形態では、ピストン基材を回転させるか、あるいは上下に移動させてレーザー光線を照射するようになっているが、例えば、ピストン基材を動かさずに、前記レーザー発振器３１(３１ａ〜３１ｃ)を産業用ロボットによって回転あるいは上下動させながら、ピストン基材に対してレーザー照射を行うことも可能である。また、前記レーザー発振器３１(３１ａ〜３１ｃ)を動かさずにピストン基材１ａを、産業用ロボットによって回転あるいは上下動させながら、ピストン基材１ａに対してレーザー光線を照射することも可能である。
【０１１０】
前記実施形態から把握される前記請求項以外の発明の技術的思想について以下に説明する。
【０１１１】
〔請求項ａ〕請求項２に記載の内燃機関用ピストンへの被膜形成方法であって、
前記レーザー発振器を固定すると共に、前記ピストンのみを移動させながらレーザーを照射することを特徴とする内燃機関用ピストンへの被膜形成方法。
〔請求項ｂ〕請求項ａに記載の内燃機関用ピストンへの被膜形成方法であって、
前記ピストンを該ピストンの軸線を中心に回転させながらレーザー光線を照射することを特徴とする内燃機関用ピストンへの被膜形成方法。
〔請求項ｃ〕請求項ｂに記載の内燃機関用ピストンへの被膜形成方法であって、
前記レーザー発振器は、少なくとも前記ピストンの軸線方向に沿って複数配置され、前記ピストンの冠部側のエネルギー密度を、クランクシャフト側よりも大きくした状態で前記ピストンを回転させることを特徴とする内燃機関用ピストンへの被膜形成方法。
〔請求項ｄ〕請求項ａに記載の内燃機関用ピストンへの被膜形成方法であって、
前記ピストンを該ピストン軸線方向へ移動させながら前記レーザー発振器からレーザー光線を照射することを特徴とする内燃機関用ピストンへの被膜形成方法。
〔請求項ｅ〕請求項ｄに記載の内燃機関用ピストンへの被膜形成方法であって、
前記レーザー発振器は、少なくとも前記ピストンの軸線回りの周方向へ複数設けられ、周方向の中央側よりもその周方向両側のエネルギー密度を大きくした状態で前記ピストンを軸線方向へ移動させることを特徴とする内燃機関用ピストンへの被膜形成方法。
〔請求項ｆ〕請求項ａに記載の内燃機関用ピストンへの被膜形成方法であって、
前記ピストンを該ピストンの軸線を中心として回転させると共に、前記ピストンを軸線方向に移動させてレーザー光線を照射することを特徴とする内燃機関用ピストンへの被膜形成方法。
〔請求項ｇ〕請求項ｄに記載の内燃機関用ピストンへの被膜形成方法であって、
前記ピストンは、一方向へ回転した後に軸線方向に沿って移動し、さらに他方向へ回転することを特徴とする内燃機関用ピストンへの被膜形成方法。
【符号の説明】
【０１１２】
１…ピストン
１ａ…ピストン基材
３…シリンダ壁面
８…スラスト側スカート部
９…反スラスト側スカート部
２１…下層被膜
２２…上層被膜
３０…レーザー加熱装置
３１…レーザー発振器
３１ａ〜３１ｃ…レーザー発振器
３２…ガラス製拡散板
３３ａ〜３３ｃ…レーザー電源
３４…出力制御盤
３５…保持具
３６…ステッピングモータ
３７…コントロールユニット
３８…レーザー光線
３９…リニアガイド
４０…昇降機
【図１】
2014173489.tif 000005
【図２】
2014173489.tif 000006
【図３】
2014173489.tif 000007
【図４】
2014173489.tif 000008
【図５】
2014173489.tif 000009
【図６】
2014173489.tif 000010
【図７】
2014173489.tif 000011
【図８】
2014173489.tif 000012
【図９】
2014173489.tif 000013
【図１０】
2014173489.tif 000014
【図１１】
2014173489.tif 000015
【図１２】
2014173489.tif 000016