(57)【要約】【目的】ガソリン型エンジン、ディーゼル型エンジンなど各種のエンジンにおけるピストンおよびシリンダーの改良されるピストンの表面に化学的処理を施す方法が提供される。【構成】ピストン表面の摩擦力を低下する化学的処理方法であって、ピストンを容器の中に置き、ピストンを完全に浸漬するまでマシン油を入れ、温度を220-250℃に上昇し、前記油の中（マシン油および添加剤のすべてを100重量％とする）にアルカリ金属炭酸塩0.3-1.0重量％、アルカリ金属亜硝酸塩0.3-1.0重量％、アルカリ金属塩化物0.20-0.60重量％およびセリウム含有希土類金属粉末1.0-1.6重量％を入れ、前記温度で10-24時間を保持し、その後、油浴を自然に冷却して、50℃以下に冷却してピストンを取り出し得られる工程を含む。【効果】シリンダーの働く効率性がよく、その耐用寿命が長く、かつエンジンオイルの消耗量が少なく、自動車や空気圧縮機などによる排気廃気が少ない産業上に有用である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンの表面に摩擦損失が低減するピストンにおける化学的処理方法であって、
ピストンを容器の中に置き、ピストンを完全に浸漬するまでマシン油を入れ、その後、前記油が外に飛び散らないように220-250℃に徐徐に昇温し、中にはアルカリ金属炭酸塩、アルカリ金属亜硝酸塩、アルカリ金属塩化物およびセリウム含有希土類金属粉末からなる混合物を均一に撒きいれ、前記各成分およびマシン油の添加量はそれぞれアルカリ金属炭酸塩0.3-1.0重量％、アルカリ金属亜硝酸塩0.3-1.0重量％、アルカリ金属塩化物0.20-0.60重量％およびセリウム含有希土類金属粉末1.0-1.6重量％で、残部がマシン油であり、前記温度で10-24時間を保持し、その後油浴を自然に冷却して、温度を50℃以下に冷却してピストンを取り出し得られる工程を含むことを特徴とするピストン表面に化学的処理を施す方法。
【請求項２】
前記セリウム含有希土類金属粉末がセリウム金属粉末であることを特徴とする請求項1に記載のピストン表面に化学的処理を施す方法。
【請求項３】
前記アルカリ金属炭酸塩が炭酸ナトリウムであることを特徴とする請求項1に記載のピストン表面に化学的処理を施す方法。
【請求項４】
前記アルカリ金属亜硝酸塩が亜硝酸ナトリウムであることを特徴とする請求項1に記載のピストン表面に化学的処理施す方法。
【請求項５】
前記アルカリ金属塩化物が塩化ナトリウムであることを特徴とする請求項1に記載のピストン表面に化学的処理を施す方法。
【請求項６】
前記温度が230-240℃であることを特徴とする請求項1に記載のピストンの表面に化学的処理を施す方法。
【請求項７】
前記温度保持タイムが13-16時間であることを特徴とする請求項1又は6に記載のピストン表面に化学的処理を施す方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストンの表面に化学的処理を施す方法に関する。より詳細には、ピストンリング溝とピストンリングとの間の摩擦損失およびピストン（特にピストンスリーブ）とシリンダー内壁との間に摩擦損失が顕著に低減し、シリンダーの気密性がよく、ピストン&middot;ケーシング、ピストンおよびピストンリングの耐用寿命が延長できる。
【背景技術】
【０００２】
内燃性エンジンの基本構造は、ピストン式コンネクティング・ロッド機構である。燃料はシリンダー内に燃焼し、高温高圧ガスを産生し、ピストンを駆動して、コンネクティング・ロッドにより動力をクラング軸に伝動し、クラング軸が回転して外部へ働く。
【０００３】
気漏れのないため、一般に、ピストンで3-4ピストンリング溝を開き、このリング溝に通常2-3本のガス・リング（ガス密着および熱伝導に働く）および1本のオイル・リング（オイルを貯める機能を有する）が設けられる。リング溝の中にリングを取り付けやすいため、一般に、リングを、開口を有する円形状リングにする。ピストンが上下往復に動く場合、リングの外縁がシリンダーに緊密に接触し、リングの側面がリング溝の上側面（ピストンが下へ運動する時）または下側面（ピストンが上へ運動する時）密着して接触する。リングがシリンダーに取り付けた後、リングの開口がシリンダー直径の1/200-1/250のみとなるが、取り付ける時、リング2本の開口が、120°または180°をずらして、開口から気漏れの量が極めて少ない。高温高圧ガスをピストンリングとシリンダー壁との間、ピストンリングとリング溝の側面との間に通過することを防止するため、リングの気密機能は、いままでのピストン型内燃機関における有用性がある重要な原因となっている。
【０００４】
従来ピストンの設計には以下のように欠陥がある。
往復運動の部品を軽量化するために、一般に、ピストンがアルミニウム合金により製造される。しかしながら、アルミニウム合金の熱膨張係数が鋳鉄製合金（シリンダー材料）より大きい。ピストンが熱を受けた後、シリンダーと緊密に接触しないように、ピストンスリーブの形の設計はしばしば下部が大きく上部が小さくし、所定の錐度が不規則で、横断面が楕円形を呈する。ピストンスリーブの最大サイズがシリンダーの直径より小さい。シリンダーとの隙間は、ガソリン型エンジンの場合、シリンダー直径の約0.02-0.08％、ディーゼル型エンジンの場合、シリンダー直径の約0.01-0.18％で、この隙間が以下の欠陥をもたらす。1.ピストンが上下に移動するとき、ピストンが揺れるため、ピストンスリーブおよびそのヘッドをシリンダーに衝突させ、内燃機関で運動する騒音が増大する；2.ピストン揺れのため、リングをリング溝の内で動き、ピストンリング溝とピストンリングとを摩耗しやすく、耐用寿命が短縮する；3.ピストンリング溝が、一旦に摩耗すると、リングをリング溝内に上下に運動する行程が増加し、潤滑油をシリンダーの上部に吸収して燃焼し、潤滑油の過剰消耗および排気廃気の環境汚染という問題がある。
【０００５】
ピストン、ピストンリングの耐摩耗性および耐噛合性を高めるために、従来、一般的にピストンリングの表面にリン化または窒素化する。シリンダーと接触する部分で多孔クロムめっきまたはスプレーモリブデンする；ピストンスリーブに錫めっきまたはスプレーグラファイトなど技術的措置を取った。しかしながら、これらの技術手段は、実質上、ピストン、ピストンリングがシリンダーと高速運動時半分乾燥で摩耗性が改善できない。ピストン、ピストンリングをシリンダー内に無隙間または微小な隙間で運動するということは、ずっと根本的に解決できない問題が存在する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、ピストンとシリンダー内壁との摩擦力およびピストンリング溝とピストンリングとの摩擦力が低減するという根本的に解決できない欠陥の存在するピストン表面に化学的処理を施す方法が提供されることを目的にする。したがって、ピストンがシリンダー内に無隙間または微小な隙間で移動することは、ピストン中においてリングが微小な隙間で移動し、顕著にシリンダーの有効な効率を向上するし、シリンダーの耐用寿命を長くすることができる。
【０００７】
本発明者らは、従来、ピストンがシリンダー内に無隙間または微小な隙間で運動することができない原因は、ピストンとシリンダー内壁との摩擦力が顕著に減少できないと推定される。本発明者らは、スリッピング理論から、潤滑油によるスリッピングメカニズムでは相互に摩擦する二つの部品の表面上にオイル膜を形成し、この二つの金属表面上での直接摩擦から油膜との滑り移す摩擦へ変化すると推定する。特に、市場に購入できる商品潤滑油は、各種の添加剤が含まれている。スリッピング機能を有する添加剤が鎖状アルカンであり、その一端に極性基を有し、この極性基が金属表面上に吸い付けられるが、極性基を有さないものは反対の一端に縦向き、金属表面上に厚いオイル膜を形成し、金属部品の表面がスリッピング機能を維持する。ところが、極性基をもつ潤滑油成分であっても、金属表面上によく吸い付けできない。この二つの金属部品が相互に摩擦する際、金属表面と潤滑油成分との間の吸い付けが劣化する。この問題を解決するために、既存のシリンダーにおいて、シリンダー内壁を研削して、オイルを貯蔵するネット状を形成し、そして連続にシリンダー内壁に潤滑油を補充する。しかし、このネット状模様は、多すぎると、表面に凹凸ができ、シリンダー壁の表面全体およびピストンの表面全体が滑って、シリンダーの行程でオイル膜の完全性を保持することができない。
【０００８】
上述した見解により、本発明者らは以下の構想が出来上がった。すなわち、相互に摩擦する金属部品組の少なくとも一つの表面に多く均一で分布する、目で見られない微小な穴を形成すれば、このような穴が潤滑油を貯める機能を有するし、スリッピングとする添加剤における分子の端部に有する極性基が微小な穴に侵入してよく吸い付ける。そこで、シリンダーの全行程中におけるオイル膜の完全性を保持することできる。また、これらの穴がマイクロ小さく、金属部品表面の平滑性が良好になりうる。ピストン材料とする合金アルミニウムは、弱くかつマイクロで不均一であるコロージョン剤さえあれば、合金アルミニウム表面上に均一で密に分布する微小な穴が形成できる。また、本発明者らは以下の構想が出来上がった。すなわち、油の吸収性能がよく、かつ前記穴に存在した硬質粒子が、潤滑油層に覆われる場合、前記穴の中で自由に転がす可能性が大きい。こうしてさらに二つの金属部品の間の摩擦力が低減する可能性がある。この二つの構想がまだ提案されていない。これは新規性がある考案である。この見解に基づいて、本発明者らが、試験を繰り返し、合金アルミニウムからなるピストンの表面にマイクロ不均一で弱コロージョン剤で化学的に処理する方法を見出した。またセリウム含有希土類酸化物粒子（一般にセリウム含有希土類混合物におけるセリウムの含有量が約50％）を見いだし、特にセリウム含有金属粉末は爆発式酸化反応により形成された酸化物粒子が硬く、かつ多孔性の構造を有する。そして大量に油を吸収できるし、転がし時粉砕せず、自由に転がして、二つの金属部品間の摩擦損失が顕著に低減することに亘り、この発明に成功した。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
ピストン表面の摩擦損失が低減できるピストンにおける化学的処理を施す方法であって、
ピストンを容器の中に置き、ピストンを完全に浸漬するまでマシン油を入れ、油が外に飛び散らないように温度を220-250℃（好ましくは230-240℃）に徐徐に上昇し、中にアルカリ金属炭酸塩（好ましくは炭酸ナトリウム）、アルカリ金属亜硝酸塩（好ましくは亜硝酸ナトリウム）、アルカリ金属塩化物（好ましくは塩化ナトリウム）およびセリウム含有希土類金属粉末（好ましくはセリウム金属粉末）からなる混合物を均一に撒き入れ、前記各成分およびマシン油の含有量は、表1の通りである。
【表１】
2005523994.tif 000002
前記温度で10-24時間（好ましく13−16時間）を保持し、その後油浴を自然に冷却して、その温度を50℃以下に冷却して、ピストンを取り出し得られる工程を含むことを特徴とするピストンの表面に化学的処理を施す方法が提供される。
【００１０】
以下に詳細に本発明を説明する。
本発明の方法によれば、マシン油の種類は特に制限されていない。温度220-250℃で揮発しにくいマシン油であればよい。昇温速度は特に制限なく、速すぎると、マシン油中の水分または不純物が揮発し、外へ飛び散る。マシン油が少ない場合、油量を再び目安まで補充し、マシン油が部品を完全に浸漬させ、マシン油と各成分との割合が変化しない。こうして昇温時間は油量の増加に伴って延長する。時間を制限することができない。
【００１１】
アルカリ金属炭酸塩（例えば炭酸ナトリウムまたはカリウム）、アルカリ金属亜硝酸塩（例えば亜硝酸ナトリウムまたはカリウム）、アルカリ金属塩化物（例えば塩化ナトリウムまたはカリウム）は弱コロージョン性がある。だが、これらの分子は強極性を有し、マシン油の分子は非極性であるため、マシン油に溶解することができない。とことが、分散状態で均一にマシン油浴の中に懸濁し、マイクロ不均一な弱コロージョン剤の形態で形成される。これは、弱コロージョン支持体媒介としてマシン油を選ぶが、水性媒介が望まない主要な原因である。これらのコロージョン剤が相乗してピストンの合金アルミニウム表面上に均一で多数微小な穴を形成する。しかし、マシン油中で弱コロージョン剤の割合が小さい場合、弱コロージョンの最低条件を満たせない。マシン油中の割合が大き過ぎる場合、大きい穴を形成し、アルミニウム合金表面全体の平滑性が劣化する。
【００１２】
また、希土類金属は活性化金属である。空気中の酸素と反応しやすく、希土類酸化物を生成する。二酸化セリウムが硬くかつ顆粒状であり、研削材として用いられる。セリウム金属粉末が爆発式酸化反応により産生された二酸化セリウムは硬質で多孔構造をもち、潤滑油を大量に吸着し、アルミニウム合金表面に形成される微小な穴に存在して自由に転がす。水溶液中に沈殿して産生した二酸化セリウムは、このような多孔性の構造を持たない。これは、反応添加物としてセリウム含有希土類金属（好ましくはセリウム金属）を直接に選ぶが、二酸化セリウムが望まない主要な原因である。本発明者らは、本発明の方法により処理したピストン切片を500倍の顕微鏡で観察して、ピストン表面上に吸着物層の厚みが約0.01mmである。また2000倍の顕微鏡で観察した結果は、これらの吸着物が球状の形態で自由に転がす。上述する各種添加物成分における化学性質の分析によれば、このような球状である顆粒がセリウム含有希土類酸化物（特に二酸化セリウム）のみであると判断される。これらのセリウム含有希土類酸化物である顆粒がピストン表面に形成される微小な穴の中に自由に転がすため、ピストンがシリンダーとの間の摩擦は実質的に従来スリッピング摩擦型から本発明の転がす摩擦型への変化となり、金属表面間の摩擦損失が顕著に小さくなる。同様に、ピストンリングがピストンリング溝との間でも減少する。
【００１３】
本発明の方法によれば、ピストンリングにも、コロージョンより微小な穴を形成されて、ピストンリングとシリンダー内壁との間およびピストンリングとピストンリング溝との間の摩擦力が低減できる。しかし、リング素材が合金アルミニウムではないが、合金鋳鉄製である。そこで、コロージョン剤の配合は、本発明の方法と違って、本発明に含まれていない。別の出願として提出する。
【００１４】
また、温度は220℃が未満である場合、コロージョン剤による処理は遅すぎて、生産性が低い。250℃を超える場合、コロージョン剤による処理が速過ぎ、穴が大きくなり、金属表面全体の平滑性が劣化する。温度が250℃を超える場合、マシン油の一部が炭化し、微小な穴が不均一になる。コロージョン処理の温度が220-250℃の範囲であり、好ましくは230-240℃である。
【００１５】
さらに、温度の保持タイムは10時間が未満である場合、穴が十分に形成できない。24時間を超える場合、穴が形成しすぎる。したがって、温度の保持タイムは10-24時間に限定し、好ましくは13-16時間である。
【００１６】
本発明の方法によれば、従来技術より、以下の効果が得られる：
1. シリンダー全体の設計における効果
（1）ピストンスリーブとシリンダーと間の隙間をなくし、または顕著に縮小できる。ガソリンエンジンを無隙間にして、ディーゼルエンジンを微細な隙間にすることができる。それが、シリンダー直径の約0.05-0.07％であり、従来より半分以上縮小できる；
（2）平滑するシリンダーまたは少々研削するシリンダーを使用する場合、エンジンオイルを費やすコストが低く、内燃機関により排気廃気中の顆粒物が少なくなる。
2. 内燃機関に対する効果。
（1）シリンダーの圧縮力が増大すると、ディーゼルエンジンにおける点火時間が短縮し、ディーゼルエンジンの稼動時の動力性と経済性が高い；
（2）潤滑油の消耗が少なく、内燃機関から排気廃気中の顆粒物が減少できる；
（3）シリンダー全体の耐用寿命が1-2倍延長できる；
（4）常温起動性能を改善する；
（5）空転する安定性がよい；
（6）運転する騒音が小さい；
（7）シリンダー表面油膜を破壊せず、摩擦力が顕著に減少する傾向がある。
（8）潤滑油がエージングしにくく、潤滑油の置き換え時期を1倍以上延長する。
3.ピストン式空気圧縮機に対する効果。
（1）吸気真空度の大きい、シリンダー気密性がよく、吸気性がよい；
（2）圧縮ガス中に含有する油量が少ない；
（3）シリンダー、ピストンの耐用寿命が1-2倍延長する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に実施例および応用例により本発明をより詳細に説明するが、本発明はそれらの実施例に限定されていない。
【実施例１】
【００１８】
ガソリンエンジン用ピストンを金属製容器中に置き、中にNo.32マシン油2330gを入れ、この時、油の液面がピストンをカバーする。外へ油を飛び散らないように電気的に235℃まで徐々に加熱し、混合物（炭酸ナトリウム15g、亜硝酸ナトリウム15g、塩化ナトリウム10g、セリウム金属粉末30g）を小勺で15分以内に数回撒きいれる。各種成分の含有量（重量％）は、固体添加剤とマシン油との混合物に対して、それぞれが炭酸ナトリウム0.63％、亜硝酸ナトリウム0.63％、塩化ナトリウム0.42％、セリウム金属粉末1.3％、マシン油97％である。添加剤を加入後、約235℃で14時間を保持し、その後、電気をオフし、自然に冷却し、油浴の温度を40℃まで、ピストンを取り出し、製品として得られた。
【実施例２】
【００１９】
実施例1のセリウム金属粉末をセリウム含有希土類金属粉末混合物（セリウム含有量が約50重量％）に替わる以外、本実施例が実施例1と同様である。
【実施例３】
【００２０】
ガソリンエンジン用ピストンのみをディーゼルエンジン用ピストンに替わる以外、本実施例が実施例1と実質的に同様である。
【実施例４】
【００２１】
ガソリンエンジン用ピストンのみを空気圧縮機用ピストンに替わる以外、本実施例が実施例1と実質的に同様である。
【実施例５】
【００２２】
ガソリンエンジン用ピストンのみをディーゼルエンジン用ピストンに替わる以外、本実施例が実施例2と実質的に同様である。
【実施例６】
【００２３】
ガソリンエンジン用ピストンのみを空気圧縮機用ピストンに替わる以外、本実施例が実施例2と実質的に同様である。
以下に応用例により本発明の方法における効果を説明する。
【応用例１】
【００２４】
ガソリンエンジン用ピストンに対する単独処理による効果
実施例1で得られたガソリンエンジン用ピストンをガソリンエンジンCA6102（一汽エンジン工場製）に応用して、バス用ガソリンエンジンの改造を行う。このガソリンエンジンの原始設計は、シリンダー直径×行程＝101.6mm×114.3mmである。リング開口は、それぞれ、第一ガスリング0.5-0.7mm、第二ガスリング0.4-0.6mm、第三ガスリング0.4-0.6mm、第四オイルリング0.3-0.5mmである。それらの隙間が0.02-0.06mmである。改造後の第一リング開口の隙間が0.13mm、第二、第三リングが0.10mm、第四リングが0.07mmとなる。元シリンダーケーシングを研削して、ピストンとシリンダーとの隙間が0.02mm（force  fit、即ちピストンスリーブのサイズがシリンダーの内径より大きい）-0（隙間無し）となる。結果から、エンジン吸気真空度が顕著に向上し、車両動力や経済性もおおきに改善することがわかった。
【応用例２】
【００２５】
ディーゼルエンジン用ピストンに対する単独処理による効果
実施例3で得られたディーゼルエンジン用ピストンをディーゼルエンジンCA6102（上海ディーゼルエンジン工場製）に応用して、バス用ディーゼルエンジンの改造を行う。このディーゼルエンジンの原始設計は、シリンダー直径×行程＝114mm×135mmである。リング開口は、それぞれ第一ガスリング0.4-0.6mm、第二ガスリング0.4-0.6mm、第三オイルリング0.3-0.5mmである。ピストンとシリンダーとの隙間が0.17-0.23mmである。改造後第一リング開口の隙間が0.15mm、第二リング開口の隙間が0.20mm、第三リング開口の隙間が0.07mmとなる。ネット状模様を持つ直径の小さいシリンダーケーシングが用いられれば、ピストンとシリンダーとの隙間を0.09mmまで縮小する。2.5万キロメートルで行進すると、バス動力性能が良好になり、燃料消耗は改造前より同期平均で8.0％減少する。潤滑油の消耗も著しく少なく、潤滑油の置き換え時期も約1倍に延長する。自由加速煙度2度以下（国家基準値5度）で、シリンダー内圧縮力が20％高まって、解体検査による結果は、良好である。シリンダーケースはほとんど摩損しておらず、摩耗損失量が少ない。
【応用例３】
【００２６】
ガソリンエンジン用ピストンおよびピストンリングに対する同時処理による効果
実施例1で得られたガソリンエンジン用ピストンを、コロージョンにより微小な穴を形成さる方法により得られたピストンリングと合わせ、ガソリンエンジンCA6102（一汽エンジン工場製）に応用してバス用ガソリンエンジンの改造を行う。試験結果として、応用例1より良好である。例えば、改造後、第一リング開口の隙間が0.10mm、第四リング開口の隙間が0.05mmとなる。この二つの開口隙間は、改造前より極めて小さくなり（元開口隙間10-20％のみに相当する）、そして本発明のリングを単独に使用する場合および既存のリングとの組み合わせにより最小な隙間で使用する場合より一層に小さくなる。バス進行試験中における検査の結果は応用例1より良好である。
【応用例４】
【００２７】
ディーゼルエンジン用ピストンおよびピストンリングに対する同時処理による効果
実施例3で得られたディーゼルエンジン用ピストンを、コロージョンにより微小な穴を形成される方法により得られたリングと組み合わせ、ディーゼルエンジンD6114（上海エンジン工場製）に応用して、バス用ガソリンエンジンの改造を行う。試験の結果として、応用例2より良好である。例えば、改造後、第二リングの開口隙間が0.18mmとなる。ネット状模様を持つ直径の小さいシリンダーケーシングを用いられれば、ピストンとシリンダーの隙間を0.07mmまで縮小する。この二つの隙間は、改造前より極めて小さい。また本発明のリングを単独に使用する場合および既存のリングとの組み合わせにより最小な隙間で使用する場合より一層に小さい。バス行進試験中において、検査の結果は応用例2より良好である。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
上述した実施例および応用例から見て、本発明はガソリン型内燃機関、ディーゼル型内燃機関などの各種機関および空気圧縮機を含む各種ピストンに対する改良に有用である。リングとシリンダーの効率が顕著によく、ピストンおよびシリンダー全体の耐用寿命が延長できる。エンジンオイルの節約、車両または空気圧縮機などの排気廃気が減少し、産業上に有用である。
【国際調査報告】
2005523994.tif 000003
2005523994.tif 000004
2005523994.tif 000005
2005523994.tif 000006