(57)【要約】【課題】発泡メタル部材に別の材料を複合化させた耐摩耗性に優れる摺動部材においてその摺動面に多数の微細な油溜まりを形成する必要があり、ピストンのスカート部の外周面に周方向に延びる多数の条痕を形成する構造では潤滑油が条痕内を周方向に逃げ易い。【解決手段】往復動式エンジンのアルミ合金を母材として構成されたピストンにおいて、ピストンのスカート部の一部の表層部分にＦｅ又はＮｉを主成分とする発泡メタル部材４を鋳包んでアルミ合金と複合化し、スカート部の表面には周方向に延び且つ互いに離間した複数の条痕が形成され、複合化部４Ａを含む全表面に化成処理皮膜８が形成され、発泡メタル部材４の表面の化成処理皮膜８ｂがアルミ合金部５の表面の化成処理皮膜８ａの約３〜５倍の厚さになり、化成処理皮膜８ｂにより多数の微細な油溜まりが形成された。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
潤滑油を介して相手部材と摺接する摺動部材において、
前記摺動部材はアルミ合金を母材として構成され、その摺動部材の摺動面の少なくとも一部の表層部分にＦｅ又はＮｉを主成分とする発泡メタル部材が鋳包み複合化されていると共に、その複合化部の表面に化成処理皮膜が形成されたことを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
前記複合化部の発泡メタル部材の表面の化成処理皮膜の厚さは、アルミ合金部の表面の化成処理皮膜の厚さよりも厚く形成されたことを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。  
【請求項３】
前記摺動部材は、エンジン部品であることを特徴とする請求項１又は２に記載の摺動部材。
【請求項４】
往復動式エンジンのアルミ合金を母材として構成されたピストンにおいて、
前記ピストンのスカート部の表層部分にＦｅ又はＮｉを主成分とする発泡メタル部材が鋳包み複合化されていると共に前記スカート部の表面には周方向に延び且つ互いに離間した複数の条痕が形成され、前記複合化された複合化部の表面に化成処理皮膜が形成されたことを特徴とするエンジンのピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動部材及びエンジンのピストンに関し、特にアルミ合金を母材とする摺動部材の摺動面の少なくとも一部の表層部分に発泡メタル部材を鋳包んで複合化し、その複合化部の表面に化成処理皮膜を形成したものに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近のエンジンのピストンは、ＡＣ８Ａ相当のアルミシリコン合金を鋳造し熱処理してから、シリンダライナと摺接するスカート部の外周面を機械加工することで、スカート部の摺動方向最上部と下端の間の中段部付近に外周側へ太鼓状に膨らんだバレル部が形成される。このバレル部を含むスカート部の外周面には、切削加工により周方向へ延び且つ摺動方向に離間させずに並べた多数の微細な条痕が形成されるとともに化成処理皮膜が形成れる。
【０００３】
エンジンの作動中、着火後にピストンはスラスト側のシリンダライナに強く押し当てられながら下方へ運動する際に、上記スカート部の外周面に形成された多数の条痕により、シリンダライナの摺動面に付着している潤滑油を掻き取って多数の条痕に溜め、また、多数の条痕に保持している潤滑油を壁面に供給することで、潤滑性を高める構造が実用化されている。
【０００４】
特許文献１には、連通気孔を有する金属多孔体からなる骨格構成金属に、物性向上粒子を分散又は合金化した金属複合部材が開示されている。金属多孔体は、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｕから選択される金属や、Ｎｉ基合金とＦｅ基合金とＣｕ基合金から選択される合金で構成されている。物性向上粒子は、Ｃｒや、種々のセラミックス（ＳｉＣ，ＳｉＯ2 ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＴｉＯ2 ，Ｓｉ3 Ｎ4 ，ＡｌＮなど）で構成されている。
【０００５】
特許文献２には、連続気孔を有する３次元網構造体を金型内に保持した状態で、アルミ合金溶湯を加圧状態で鋳込んで凝固させることにより得られるアルミ基複合材を、用いたシリンダライナ等の耐摩耗性摺動部材が開示されている。
【特許文献１】特開平１１−７５３号公報
【特許文献２】特開２００３−１８３７９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
往復動式ピストンエンジンでは、クランク軸にコンロッドとピストンピンを介してピストンを連結するリンク機構の特性上、ピストンのスカート部の中段部の最大径部よりもやや燃焼室側の領域においてスラスト側のスカート部がシリンダボア面と高面圧状態で摺接する。スカート部の表面に隙間なく並べて形成された複数の条痕は周方向に連なっているため、高面圧状態の部位の条痕内の潤滑油が条痕内を周方向に流動して局部的なスカッフが発生し易い。
【０００７】
ピストンはシリンダライナに比較して軟質のアルミ合金製であるので、スラスト方向又は反スラスト方向への押圧力が高い運転条件のとき条痕間の頂部が押し潰されたり、シリンダライナの壁面への潤滑油の飛散が少ない運転条件のとき条痕間の頂部が摩耗したりすると、複数の条痕内に保油できる潤滑油量が不足し、スカッフが発生し摩耗が進行する。  
【０００８】
特許文献１の金属複合部材は耐摩耗性に優れるものである。しかし、この金属複合部材の表面が摺動面となるとき、その摺動面に潤滑油の油膜を形成するためには、その摺動面に潤滑油を保油する為の微細な油溜まりの構造が必要であるが、これについて特許文献１に何ら開示されていない。特許文献２の耐摩耗性摺動部材においても、その摺動面に潤滑油の油膜を形成するためには、その摺動面に潤滑油を保油する為の微細な油溜まりの構造が必要であるが、これについて特許文献２に何ら開示されていない。
【０００９】
本発明の目的は、耐摩耗性に優れ且つ摺動面に潤滑油を保油する保油性に優れる摺動部材およびエンジンのピストンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の摺動部材は、潤滑油を介して相手部材と摺接する摺動部材において、前記摺動部材はアルミ合金を母材として構成され、その摺動部材の摺動面の少なくとも一部の表層部分にＦｅ又はＮｉを主成分とする発泡メタル部材が鋳包み複合化されていると共に、その複合化部の表面に化成処理皮膜が形成されたことを特徴としている。
【００１１】
請求項２の摺動部材は、請求項１の発明において、前記複合化部の発泡メタル部材の表面の化成処理皮膜の厚さは、アルミ合金部の表面の化成処理皮膜の厚さよりも厚く形成されたことを特徴としている。
【００１２】
請求項３の摺動部材は、請求項１又は２の発明において、前記摺動部材は、エンジン部品であることを特徴としている。
請求項４のエンジンのピストンは、往復動式エンジンのアルミ合金を母材として構成されたピストンにおいて、前記ピストンのスカート部の表層部分にＦｅ又はＮｉを主成分とする発泡メタル部材が鋳包み複合化されていると共に前記スカート部の表面には周方向に延び且つ互いに離間した複数の条痕が形成され、前記複合化された複合化部の表面に化成処理皮膜が形成されたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明によれば、摺動部材はアルミ合金を母材として構成され、その摺動部材の摺動面の少なくとも一部の表層部分にＦｅ又はＮｉを主成分とする発泡メタル部材が鋳包み複合化されていると共に、その複合化部の表面にリン酸塩系の化成処理皮膜が形成される。Ｆｅ又はＮｉを主成分とする発泡メタル部材とアルミ合金が複合化した複合化部は、発泡メタル部材により耐摩耗性に優れ、化成処理皮膜により低摩擦性に優れる。
【００１４】
Ｆｅ又はＮｉを主成分とする発泡メタル部材の表面では化成処理皮膜の結晶核の発生がアルミ合金部の表面における化成処理皮膜の結晶核の発生よりも少ないため、発泡メタル部材の表面に形成される化成処理皮膜の膜厚は、発泡メタル部材の発泡空間に充填・含浸状態にあるアルミ合金部の表面に形成される化成処理皮膜の膜厚よりも大きくなる（詳細、後述）。その結果、摺動部材の摺動面に、発泡メタル部材の部位の化成処理皮膜で囲まれる多数の微細なディンプル状の油溜まりが形成されるため、潤滑油を保油する保油性を高めることができる。しかも、機械加工によらずに、リン酸塩系の化成処理皮膜を形成する化成処理時に自動的に形成できるため、製作コスト面で有利である。尚、リン酸塩系の化成処理皮膜は、例えば、リン酸亜鉛やリン酸マンガン等を主成分とするものが好ましい。但し、これに限定されるものではない。
【００１５】
請求項２の発明によれば、前記複合化部の発泡メタル部材の表面の化成処理皮膜の厚さは、アルミ合金部の表面の化成処理皮膜の厚さよりも厚く形成された。即ち、化成処理時、アルミ合金部での化成処理皮膜の結晶核の生成量が発泡メタル部材の部位よりも多く、結晶の成長が阻害されるため、化成処理皮膜の厚さが発泡メタル部材の部位の化成処理皮膜の厚さよりも薄くなる。そのため、発泡メタル部材の発泡空間に充填・含浸状態とされ、摺動面の表面に多数露出するアルミ合金部の表面に多数の微細なディンプル状の油溜まりが形成されることになる。
【００１６】
請求項３の発明によれば、前記摺動部材はエンジン部品であり、その摺動面に多数潤滑油溜り部が形成された保油性に優れ、低摩擦のエンジン部品となる。尚、エンジン部品としては、ピストン、軸受メタル、バルブリフタ（タペット）他が適用される。
【００１７】
請求項４の発明（エンジンのピストン）によれば、アルミ合金製のピストンのスカート部の表層部分にＦｅ又はＮｉを主成分とする発泡メタル部材が鋳包み複合化されており、その複合化された複合化部の表面に化成処理皮膜が形成されているため、請求項１の摺動部材の摺動面と同様に、スカート部の表面に多数の微細なディンプル状の溜まりが形成されて保油性に優れ、低摩擦のスカート部となる。
【００１８】
しかも、スカート部の表面には周方向に延び且つ互いに離間した複数の条痕が形成されているため、ピストンがシリンダライナに対して摺動する際に、条痕間の凸部により摺動面から掻き取られた潤滑油が複数の条痕内に溜められたり、条痕内の潤滑油が摺動面に供給され、潤滑性に優れたスカート部を有するピストンが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、摺動部材としての往復動式ピストンエンジンのピストンに本発明を適用した場合の実施例について図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２０】
図１は往復動ピストン式エンジンのピストン１であって鋳造後、ピストンリング溝（符号なし）とスカート部の表面を粗機械加工した状態のピストン１を示し、図２は図１のII−II線断面図であり、図３は図１のピストン１のスカート部２の要部拡大断面図、図４はスカート部２の外周面に多数の条痕及びプラトー部を形成したピストン１Ａを示す。
【００２１】
図１に示すピストン１はアルミ合金を母材として構成され、このピストン１は上端部分に形成された複数のピストンリング溝（符号なし）が形成されたピストンリング装着部３とその下側部分に形成されたスカート部２とを有する。このピストン１のスカート部２の一部の表層部分はＦｅ又はＮｉを主成分とする発泡メタル部材４を鋳包んで複合化されている。図１、図２に示すように、ピストン１のスカート部２の上部約２／３部分のスラスト側部位と反スラスト側部位の表層部に発泡メタル部材４が鋳包まれている。ピストン１のスカート部２の肉厚が例えば２〜３ｍｍであるとき、シート状の発泡メタル部材４の厚さは例えば１〜１．５ｍｍである。
【００２２】
ピストン１の母材は例えば高珪素アルミニウム合金ＡＣ８Ａ相当のアルミ合金である。  発泡メタル部材４は、例えばＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１０Ｓ、耐蝕・耐熱ニッケル合金（住友電工の商品名ＭＡ２２，ＭＡ２７６，ＭＡ６００）などのうちの何れかで構成された、気孔率９５〜９７％で、平均気孔サイズ（孔径）３００〜６００μｍの連続気泡を有する発泡メタル部材が好ましい。
【００２３】
鋳造の際に、ピストン成形用金型のキャビティ内の所定の部位に２つの発泡メタル部材４をセットし、そのキャビティ内にアルミ合金の溶湯を加圧状態で注湯し、発泡メタル部材４の発泡空間部へアルミ合金を充填して発泡メタル部材４とアルミ合金５とを複合化する（図２、図３参照）。この複合化部４Ａにおいて、Ｆｅ又はＮｉの体積比率は約５％であり、アルミ合金の体積比率は約９５％である。
【００２４】
次に、図４に示すように、ピストン１Ａのスカート部２Ａの外周面の全面には、周方向に延びる微細な複数の条痕６と、条痕６間に形成される複数のプラトー部７とが形成されている（図７参照）。条痕６の幅は例えば２００μｍ、プラトー部７の幅は例えば５０〜１３０μｍである。プラトー部７の幅／（条痕６の幅＋プラトー部７の幅）の比率（プラトー比率）が２０〜４０％に設定されている。
【００２５】
次に、上記ピストン１Ａを化成処理し、ピストン１Ａのスカート部２Ａの外周面にリン酸亜鉛を主成分とする化成処理皮膜８を形成する（図５、図６参照）。この化成処理に際して、まず前処理と表面調整を行ってから化成処理を行う。前処理においてはピストン１Ａの全表面を適当な洗浄剤で洗浄することで脱脂する。次の表面調整においては、ＴｉコロイドとＺｎ化合物を含む水溶液に、ピストン１Ａを浸漬する。
【００２６】
次に、化成処理においては、ピストン１Ａのスカート部２Ａの外周面にリン酸亜鉛を含む液温が約５０℃の化成処理液をスプレー塗布して３分間放置する。この化成処理により、ピストン１Ａのスカート部２Ａの外周面にはリン酸亜鉛を主成分とする化成処理皮膜８が形成される。上記の化成処理液としては、例えば、日本パーカーライジング製の「バルボンド１００」（商品名）を用いる。次に、ピストンから水切りし乾燥させると、完成品のピストン１Ａになる。
【００２７】
ここで、上記の化成処理皮膜８の構造について説明する。
図５に模式的に示すように、発泡体メタル部材４とアルミ合金とが複合化した複合化部４Ａの表面に形成される化成処理皮膜８において、発泡メタル部材４の表面の化成処理皮膜８ｂの膜厚TH1 は、アルミ合金部５の表面の化成処理皮膜８ａの膜厚TH2 よりも格段に大きく、膜厚TH1 は膜厚TH2 の約３〜５倍となる。
【００２８】
その理由について説明すると、アルミ合金部５の表面には、発泡メタル部材４の表面よりも多くの化成処理皮膜８の結晶核（リン酸亜鉛の結晶核）が形成され、それら結晶核を起点として結晶が成長していき、隣接領域から成長して来る結晶と出会った位置で結晶の成長が停止する。換言すれば、上記表面調整の工程において、アルミと比べてＦｅやＮｉは溶出度合いが小さいため結晶核の生成量が少なく、結晶が成長し易く、結果として膜厚の厚い皮膜となる。そのため、図５に示すように、発泡メタル部材４の表面には、アルミ合金部５の表面に形成される化成処理皮膜８ａよりも厚さの厚い化成処理皮膜８ｂが形成される。このことは、図８〜図１０にも明瞭に表れている。
【００２９】
図８は、上記のように製作したピストン１Ａにおける、発泡メタル部材４の表面の化成処理皮膜８ｂの電子顕微鏡写真であり、図９はアルミ合金部５の表面の化成処理皮膜８ａの電子顕微鏡写真である。図１０は、複合化部４Ａをミツトヨ社製の粗さ計にて計測した断面プロフィールの測定結果である。
【００３０】
図６は上記の複合化部４の表面を模式的に示した拡大図であり、発泡メタル部材４からなる海状部４ｉと島状に露出したアルミ合金部５とが図示され、海状部４ｉの表面には図８に示す厚い化成処理皮膜８ｂが形成され、島状のアルミ合金部５の表面には図９に示す薄い化成処理皮膜８ａが形成され、海状部４ｉで囲まれた多数の微細なディンプル状の油溜まり９が形成されている。
【００３１】
図７は、上記のように製作したピストン１Ａのスカート部２Ａの複合化部４Ａの拡大断面図であり、アルミ合金５のマトリックス中に発泡メタル部材４のＦｅ又はＮｉが分散状に複合化されており、条痕６とプラトー部７も形成され、それらの表面には化成処理皮膜８が形成されている。  
【００３２】
次に、本願のピストン１Ａ（摺動部材に相当する）の作用、効果について説明する。
ピストン１Ａはアルミ合金５を母材として構成され、そのスカート部２Ａの摺動面の少なくとも一部の表層部分にＦｅ又はＮｉを主成分とする発泡メタル部材４を鋳包んで複合化していると共に、その複合化部４Ａの表面にリン酸亜鉛を主成分とする化成処理皮膜８が形成される。発泡メタル部材４とアルミ合金部５が複合化した複合化部４Ａは、発泡メタル部材４により耐摩耗性に優れ、化成処理皮膜８により低摩擦性と耐蝕性に優れる。
【００３３】
発泡メタル部材４の表面に形成される化成処理皮膜８ｂの膜厚は、アルミ合金部５の表面に形成される化成処理皮膜８ａの膜厚よりも格段に大きくなる。そのため、ピストン１Ａのスカート部２Ａの摺動面に、発泡メタル部材４の表面の化成処理皮膜８ｂで囲まれる多数の微細なディンプル状の油溜まり９が形成されるため、潤滑油を保油する保油性を高めることができる。しかも、機械加工によらずに、リン酸亜鉛の化成処理皮膜を形成する化成処理時に自動的に形成できるため、製作コスト面で有利である。
【００３４】
しかも、このピストン１Ａのスカート部２Ａの表面には周方向に延び且つ互いに離間した複数の条痕６が形成されているため、ピストン１Ａがシリンダライナに対して摺動する際に、条痕６間のプラトー部７により摺動面から掻き取られた潤滑油が複数の条痕６内に溜められたり、条痕７内の潤滑油が摺動面に供給され、潤滑性に優れた低摩擦のスカート部２Ａを有するピストン１Ａが得られる。
【００３５】
しかも、条痕６と条痕６の間にはプラトー部７が形成されているため、プラトー部７が形成されていない場合と比較して、スカート部２Ａの表面に作用する面圧が格段に小さくなる。そのため、条痕６と条痕６の間の化成処理皮膜８が摩耗しにくくなり、耐久性が向上する。条痕６は周方向に連なっているけれども、条痕６内の化成処理皮膜８によっても前記の微細な油溜まり９が多数形成されているため、潤滑油が条痕６内を周方向に流動しにくくなるため、条痕６内に潤滑油を保持する保油性も向上し、摺動面の油膜切れが生じにくくなる。
【００３６】
次に、上記実施例を部分的に変更する例について説明する。
１）前記実施例ではピストンのスカート部の一部に発泡メタル部材を鋳包む場合を例にして説明したが、スカート部の外周面の全面の表層部に発泡メタル部材を鋳包んだ構造にしてもよい。
【００３７】
２）前記実施例は摺動部材である往復動ピストン式エンジンのピストンに本発明を適用した場合を例にして説明したが、ピストンに限らず、往復動ピストン式エンジンの、タペット、軸受メタル、バルブリフタ、ロッカーアームなどの潤滑油を介して相手部材と摺動する摺動部材、自動変速機のコントロールバルブの摺動部材、その他、コンプレッサや流体圧ポンプやモータを含む種々の機械装置の種々の摺動部材などにも、本発明を同様に適用することができる。
【００３８】
３）当業者ならば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施することができ、本発明はそのような変更例をも包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施例に係る鋳造後のピストンの正面図である。
【図２】図１のII−II線断面図である。
【図３】図１のピストンの要部拡大断面図である。
【図４】完成品のピストンの正面図である。
【図５】発泡メタル部材とアルミ合金との複合化部と化成処理皮膜の拡大断面図である。
【図６】複合化部の表面の一部を示した拡大模式図である。
【図７】複合化部の拡大断面図である。
【図８】複合化部の発泡メタル部材の表面の化成処理皮膜の電子顕微鏡写真である。
【図９】複合化部のアルミ合金部の表面の化成処理皮膜の電子顕微鏡写真である。
【図１０】複合化部の表面粗さの測定結果を示す線図である。
【符号の説明】
【００４０】
１Ａ      ピストン
２Ａ      スカート部
４        発泡メタル部材
４Ａ      複合化部
５        アルミ合金部
６        条痕
７        プラトー部
８        化成処理皮膜
９        油溜まり
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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