(57)【要約】【課題】放電加工により皮膜中に含有される気孔を積極的に有効利用することができるアルミニウム合金母材の皮膜構造及びアルミニウム合金母材の皮膜形成方法を提供することにある。【解決手段】アルミニウム合金母材１６上に形成された皮膜１７を、炭素成分を含み、かつ多孔質の放電加工コーテイング皮膜とし、皮膜１７の表面１７ａを加圧して平滑化する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金母材上に形成された皮膜であり、
前記皮膜は、炭素成分を含み、多孔質の放電加工コーテイング皮膜であり、
前記皮膜の表面は、加圧されて平滑化されていることを特徴とするアルミニウム合金母材の皮膜構造。
【請求項２】
前記皮膜の硬さは、表面からアルミニウム合金母材に向けた距離に応じて変化したものであることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金母材の皮膜構造。
【請求項３】
前記皮膜の硬さは、表面部分で最も高く、表面からアルミニウム合金母材に向かうに従って硬さが低くなる特性を有するものであることを特徴とする請求項２に記載のアルミニウム合金母材の皮膜構造。
【請求項４】
アルミニウム母材上に皮膜を放電加工により形成する放電加工ステップと、
前記皮膜に加圧力を加えることにより、当該皮膜表面を残留させたまま当該皮膜の表面を均す平滑化ステップとを含むことを特徴とするアルミニウム合金母材の皮膜形成方法。
【請求項５】
前記平滑化ステップに、ローラーバニッシュ加工を用いることを特徴とする請求項４に記載のアルミニウム合金母材の皮膜形成方法。
【請求項６】
前記ローラーバニッシュ加工により、前記皮膜の膜厚，膜組成の変化を最小限に抑えることを特徴とする請求項５に記載のアルミニウム合金母材の皮膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム合金母材の皮膜構造及びアルミニウム合金母材の皮膜形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、母材の表面処理を行う技術が種々提案されており、その１つとして、放電加工を応用した表面処理技術が特開２００２−２０８８２Ａ号公報（特許文献１）に開示されている。当該特開２００２−２０８８２Ａ号公報に開示された表面処理技術は、加工液中の放電を利用して電極材を被処理物表面に炭化物として形成させるものである。
【０００３】
前記表面処理技術を用いて皮膜の形成を行う過程において、施工された皮膜は放電による急激な加熱と急冷のため、多孔質な構造をしており、当該皮膜の表面形状も凹凸に富んだものになる。
【０００４】
また、特開平６−２９３９５２号公報（特許文献２）には、ローラーを用いて溶射皮膜の改質を行う技術が開示されている。この技術は、施工された溶射皮膜中に含まれる気孔を加圧力により、溶射皮膜中から外部に排除して当該気孔を減少させている。さらに、加圧力により、溶射皮膜と母材との密着性を高めている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記特許文献１の技術によれば、施工された皮膜の表面形状に凹凸が形成されてしまうものであるため、実用に使用するには、図７に示すように、研削や研磨などの機械加工により母材３０上の皮膜３１の表面形状を整える必要がある。
【０００６】
しかしながら、前記特許文献１の放電加工技術により施工した皮膜の硬さは、表面付近が一番硬く、表面から内部に進むにつれて低くなる傾向があり、表面部分を切削加工してしまうと、本来の皮膜硬さを充分に生かすことができないという問題がある。
【０００７】
さらに、前記施工された皮膜の膜厚は数１０μｍほどであるため、この皮膜に切削加工をすると、図７に点線で示す施工された皮膜３１ａが削り取られ、最終的な皮膜３１の膜厚を薄くしてしまうことになり、摺動部分での使用が不利になってしまうという問題がある。
【０００８】
さらに、前記施工された皮膜の表面を研削加工した場合に図７に示すように、皮膜３１に内在する気泡が切削加工により、皮膜表面に露出するため、気泡の痕跡が残り、皮膜表面粗さを完全に改善することができないという問題がある。このため、放電加工による皮膜は、耐磨耗性と同時に相手材との密着性を要求される部位、例えば内燃機関におけるバルブシート等に使用するには不充分なものであった。
【０００９】
確かに、前記特許文献２には、ローラーを用いて溶射皮膜の改質を行う技術が開示されているが、この溶射皮膜の改質は、加圧力を加えて、溶射皮膜中に含有する気泡をほぼ完全に排除することにより、気泡が含まれない皮膜を得ることを目的とするものであるため、皮膜中の気泡を有効利用しつつ耐磨耗性を向上させるための皮膜改質には応用することができないものである。
【００１０】
上述したように、特許文献１の放電加工による皮膜形成の技術は、当該皮膜が放電による急激な加熱と急冷による多孔質な構造となること及び後工程を考慮して、或る程度膜厚を厚く形成しておき、後加工により切削・研磨することにより、気孔の痕跡をできるだけ少なくして所望の薄膜の膜厚を得ることなる。
【００１１】
さらに、特許文献２の技術についても、皮膜中の気泡を有効に利用することを目的としておらず、気泡が完全に排除された中実の皮膜を得るために用いられているものである。
【００１２】
【特許文献１】
特開２００２−２０８８２号公報
【特許文献２】
特開平６―２９３９５２号公報
【００１３】
【発明の目的】
本発明の目的は、放電加工により形成される皮膜中に含有される気孔を積極的に有効利用することができるアルミニウム合金母材の皮膜構造及びアルミニウム合金母材の皮膜形成方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
最近、機器の軽量化を図る目的のためにアルミニウム素材が使用されことが多い。本発明者は、特許文献１の技術を用いてアルミニウム合金上に施工した放電加工皮膜を形成したが、当該皮膜の表面が凹凸形状となり、相手部材との密着性が悪くなるという実験結果を得た。さらに、皮膜内部の構造を変えることなく皮膜の表面粗さを向上させ、最終形状に表面仕上げする方法が存在しないことが分かった。
【００１５】
本発明者は、放電加工によりアルミニウム母材上に皮膜を形成する際に、当該皮膜中に含有される気泡に着目して、当該気泡を皮膜中に含有させたままで当該気泡を積極的に有効利用する皮膜を得ることができ、しかも当該皮膜の表面が平滑化された皮膜を発明したものである。
【００１６】
そこで、本発明に係るアルミニウム合金母材の皮膜構造は、アルミニウム合金母材上に形成された皮膜であり、前記皮膜は、炭素成分を含み、多孔質の放電加工コーテイング皮膜であり、前記皮膜の表面は、加圧されて平滑化されているという構成を採っている。
【００１７】
本発明よれば、アルミニウム合金母材上に放電加工により形成された皮膜は、その表面が加圧力を受けて平滑化されている。しかも、皮膜表面が加圧力による平滑構造であるから、皮膜中の気泡は、当該皮膜中から外部に追い出されることなく、皮膜中に閉じ込められることとなる。
【００１８】
したがって、アルミニウム合金母材上に、皮膜が気泡を多数有している硬質皮膜を形成することができ、皮膜内の気孔の残存と表面粗さ低減を同時に達成することができる。
【００１９】
さらに、皮膜表面の削除が無く膜厚の変化を少なく抑えることができる。しかも、単一の皮膜による高気密性，耐磨耗性，適度な断熱性を達成することができる。
【００２０】
さらに、本発明では、前記皮膜の硬さは、表面からアルミニウム合金母材に向けた距離に応じて変化したものであることが望ましく、この場合、前記皮膜の硬さは、表面部分で最も高く、表面からアルミニウム合金母材に向かうに従って硬さが低くなる特性を有するものであることが望ましいものである。
【００２１】
本発明によれば、皮膜のうち相手部材と当接する箇所の硬さが最も高く維持される。しかも、当該皮膜の表面は加圧力による平滑化されて均される。
【００２２】
したがって、最も硬さが高い皮膜部分を表面に残すことが可能となり、耐磨耗性を向上させることができる。
【００２３】
さらに、本発明は、アルミニウム母材上に皮膜を放電加工により形成する放電加工ステップと、前記皮膜に加圧力を加えることにより、当該皮膜表面を残留させたまま当該皮膜の表面を均す平滑化ステップとを含む構成を採ることにより、アルミニウム合金母材上に放電加工による皮膜を平滑化させて形成する。
【００２４】
本発明によれば、先ず、アルミニウム母材上に放電加工により皮膜を形成し、次で、前記皮膜に加圧力を加えることにより、当該皮膜の表面を均し、皮膜表面を削除することなく皮膜表面を残留させる。
【００２５】
したがって、アルミニウム合金母材上に、皮膜が気泡を多数有している硬質皮膜を形成することができ、皮膜内の気孔の残存と表面粗さの低減を同時に達成することができる。
【００２６】
さらに、皮膜表面の削除が無く膜厚の変化を少なく抑えることができる。しかも、単一の皮膜による高気密性，耐磨耗性，適度な断熱性を達成することができる。
【００２７】
また、本発明では、前記平滑化ステップに、ローラーバニッシュ加工を用いることが望ましいものである。そして、前記ローラーバニッシュ加工により、前記皮膜の膜厚，膜組成の変化を最小限に抑えることが望ましいものである。
【００２８】
従って、ローラーバニッシュ加工による皮膜の加圧平滑化を行うことができ、従来のように切削加工等により、皮膜の膜厚の減少を回避することができる。
【００２９】
さらに、前記ローラーバニッシュ加工により、前記皮膜の膜厚，膜組成の変化を最小限に抑えるため、所期の目的をもつ皮膜を提供することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００３１】
そこで、本発明に係るアルミニウム合金母材の皮膜構造は図１（ｃ）に示すように、アルミニウム合金母材１６上に、多孔質でかつ炭素成分を含む放電加工コーテイング皮膜１７を形成し、当該皮膜１７のもつ表面１７ａの凹凸や開口している気孔１８をローラーバニッシュ加工により均して平滑にしている。
【００３２】
図４（ａ）は、本発明において、放電加工によりアルミニウム合金母材１６上に形成した直後の皮膜１７の表面を示す顕微鏡写真である。図４（ａ）に示すように、皮膜１７の表面には、凹凸や開口している気孔１８が存在していることが分かる。
【００３３】
本発明では、前記皮膜１７のもつ表面１７ａの凹凸や開口している気孔１８をローラーバニッシュ加工により均して平滑にしているため、図４（ｂ）に示すように、前記皮膜１７のもつ表面１７ａの凹凸が平滑化され、開口していた気孔１８内に皮膜１７の一部が強制的に埋め込まれて、当該皮膜１７の表面１７ａが平滑化されている様子が分かる。
【００３４】
さらに、本発明では、前記皮膜１７の硬さは図３に示すように、表面１７ａからアルミニウム合金母材１６に向けた距離に応じて変化したものであり、放電加工の特性を生かして、前記皮膜１７の硬さは、表面１７ａの部分で最も高く、表面１７ａからアルミニウム合金母材１６に向かうに従って硬さが低くなる特性に仕上げている。
【００３５】
本発明では、硬さに優れる皮膜１７の表面１７ａを除去することなく、当該皮膜１７の表面粗さを改善し、また、当該皮膜１７の膜厚の低下を抑えると同時に、皮膜１７の特徴である皮膜内部の気孔１９を内在させつつ最終形状に表面仕上げを行うことができる。
【００３６】
放電加工で作製した皮膜１７は、加工液中の炭素と電極材の金属からなる炭化物を主とするため、皮膜１７の表面１７ａに近いほど硬さが高いという傾向分布が特徴の一つである。
【００３７】
そのため、研削や研磨といった従来の方法では最も硬さの高い皮膜表面を除去しなければならないのに対し、本発明では、表面を加圧力、特にローラーバニッシュ加工により平滑に均しているため、皮膜表面の除去を回避して、皮膜表面の硬さを生かすことができる。
【００３８】
次に、本発明に係るアルミニウム合金母材１６上に皮膜１７を形成する方法について説明する。
【００３９】
先ず、図１（ａ）に示すように、加工液中の放電を利用して電極材を炭化物としてアルミニウム合金母材１６上に付着させることにより、多孔質でかつ炭素成分を含む放電加工コーテイング皮膜１７をアルミニウム合金母材１６上に形成する。
【００４０】
前記表面処理技術を用いて皮膜の形成を行う過程において、施工された皮膜１７は放電による急激な加熱と急冷のため、多孔質な構造をしており、当該皮膜１７の表面形状も凹凸に富んだものになるばかりでなく、表面に開口した気孔１８や皮膜１７の内部に気孔１９が存在することとなる。
【００４１】
次に、図１（ｂ）に示すように、皮膜１７の表面１７ａをローラ２０により矢印方向、すなわちアルミニウム合金母材１６側に押圧しつつ（矢印Ｙ１）、当該皮膜１７の表面１７ａ上にローラ２０を転動させる（矢印Ｙ２）ことにより、当該皮膜１７の表面１７ａを残留させたまま当該皮膜表面を均して平滑化させる。
【００４２】
この過程を経て、前記皮膜１７のもつ表面１７ａの凹凸が均されて平滑化される。さらには、皮膜１７の表面１７ａに開口している気孔１８の開口部が閉塞されて均される。
【００４３】
本発明の上記加工方法によれば、図１（ｃ）に点線で示す施工直後の皮膜１７の表面１７ｂの高さ位置と、当該表面１７ｂが均された高さ位置との位置変化が、図７に示す従来例との場合と比較して小さくなる。このことは、皮膜１７の膜厚の変化が小さいことを意味する。
【００４４】
したがって、本発明よれば、加工前後の皮膜膜厚の変化が数μｍと少なく、施工直後の皮膜１７の厚さを損なうことなく加工を行うことができる。
【００４５】
さらに、本発明の加工方法によれば、皮膜表面および内部に存在する多数の気孔による表面粗さの改善を行うことができる。この特徴は、研削や研磨加工では得られない本発明独自の効果である。
【００４６】
本発明と．特開平６−２９３９５２号公報の技術との比較を行うと、施工に対する目的の点で大きく異なっているといえる。具体的には、皮膜の密着性が性能に大きく影響する溶射皮膜と異なり、放電加工によって作製した皮膜は一般的に密着性に優れているため、密着性を改善する必要はない。
【００４７】
また、本発明では皮膜の内部構造、具体的には皮膜中の気孔を残すことが目的であるが、特開平６−２９３９５２号公報の技術はローラによる溶射皮膜の密着性の改善、気孔を消失させるものであり、この従来の技術をもって本発明のように気孔を残留させることはできないものである。
【００４８】
次に、具体的な実施例として、本発明を、アルミニウム合金製シリンダヘッドを有する内燃機関のバルブシートに応用した場合を例にとって説明する。
【００４９】
図６に示すように、内燃機関の燃焼室は、シリンダブロック１とシリンッダヘッド２との組合せにより形成されている。そして、シリンダブロック１のシリンダ孔３内にピストン４が往復可能に嵌合されている。シリンダヘッド２には、吸・排気ポート５，６が形成されている。
【００５０】
内燃機関のバルブシート７は、前記吸・排気ポート５，６がシリンダブロック１内のシリンダ孔３内に臨む開口端に形成されている。そして、バルブガイド８，９にガイドされた吸・排気バルブ１０，１１がバルブシート７に脱着可能に着座するようになっている。
【００５１】
吸・排気バルブ１０，１１は、バルブカム１２，１３と吸・排気スプリング１４，１５とによりバルブシート７に当接するようになっている。そのため、バルブシート７には耐磨耗性が要求される。
【００５２】
図２に、図６に示すアルミニウム合金製シリンダヘッドを有する内燃機関のバルブシート７を拡大して示している。図２に示すように、吸気ポート５の開口端にバルブシート７がテーパー状に形成され、そのバルブシート７のテーパー面上に本発明に係る皮膜１７が円環状に形成される。図２では、皮膜１７を明確に示すために黒塗りして図示している。
【００５３】
また、バニッシュ加工機２１のロータ２２に図２に示すバニッシュ加工治具２４の軸２５をチャッキングし、シリンダヘッド２をバニッシュ加工機２１のステージ２３上にセットしている。バニッシュ加工用ローラ２４の下端部はテーパー状に形成され、そのテーパー面に複数のバニッシュ加工用ローラ２６が等間隔に取り付けられている。これらのバニッシュ加工用ローラ２６は、その背面側にズレ吸収用のスプリングが組込まれ、バルブシート７の皮膜１７に定姿勢で弾接するようになっている。さらに、バニッシュ加工治具２４の下端面でその回転中心位置に位置決めピン２７が設けられており、この位置決めピン２７をシリンダヘッド２のバルブガイド８に嵌合することにより、円環状の皮膜１７に対するバニッシュ加工治具２４のバニッシュ加工用ローラ２６の位置決めがなされるようになっている。
【００５４】
先ず、加工液中の放電を利用して電極材を炭化物としてアルミニウム合金母材１６としてのバルブシート７のテーパー面上に付着させることにより、多孔質でかつ炭素成分を含む放電加工コーテイング皮膜１７をバルブシート７のテーパー面上に円環状に形成した。
【００５５】
放電加工を行うバルブシート７はアルミニウム合金であり、その表面にＴｉ‐Ａｌを主とする圧粉体電極を用いて放電加工により平均厚さ３０μｍの皮膜１７を形成した。この皮膜１７の平均膜厚は、図１（ａ）に示す符号Ｔで示す膜厚である。
【００５６】
皮膜１７は多孔質であり膜厚も均質ではないため、仕上げ加工としてローラーバニッシュ加工を施した。
【００５７】
すなわち、バニッシュ加工機２１のロータ２２に図２に示すバニッシュ加工治具２４の軸２５をチャッキングし、シリンダヘッド２のバルブシート７をバニッシュ加工治具２４側に向けてバニッシュ加工機２１のステージ２３上にセットした。
【００５８】
次で、バニッシュ加工治具２４の位置決めピン２７の下端部をシリンダヘッド２のバルブガイド８に嵌合することにより、円環状の皮膜１７に対するバニッシュ加工治具２４のバニッシュ加工用ローラ２６の位置決めを行った。
【００５９】
次に、バニッシュ加工治具２４を下方に付勢して当該バニッシュ加工治具２４のバニッシュ加工用ローラ２６で円環状の皮膜１７の表面を加圧したまま、当該バニッシュ加工治具２４を低速で回転させて皮膜１７の表面全面を均した。すなわち、アルミニウム合金製シリンダヘッドを有する内燃機関のバルブシート７に放電加工により耐磨耗性皮膜を作製し、その仕上げ加工としてローラーバニッシュ加工を行った。
【００６０】
放電加工によって作製した皮膜１７の表面粗さはＲａ１３．５μｍであったものが、ローラーハニッシュ加工によりＲａ３．７μｍまで改善することができた。
【００６１】
放電加工により皮膜１７の表面に形成される凹凸は、放電時に発生したものであって不連続な形状をしているため、機械加工後の連続的な加工痕とは異なり、粗さの数値に対して密着性の間題は寛容である。また、皮膜１７の膜厚の変化も加工前後で約３μｍと少ない値であった。
【００６２】
また、表面形状を平滑にすると同時に膜厚、膜組成の変化を最低限に抑えられ、放電加工による皮膜の特性を活かすことができた。また、皮膜は多孔質であるため、組成が硬質であるにも拘わらずアルミニウム母材の弾性変形に対し追従性を有し、さらに、皮膜１７に含有する気泡により断熱性を有するため、アルミニウム母材への熱影響を抑えることができた。
【００６３】
そのため、バルブシートに要求される耐熱性、耐衝撃性、耐磨耗性、断熱性、対密着性を有し、一般的な圧入バルブシートと比較して、ポート形状の自由度、薄肉化による冷却水路の拡大及びバルブ冷却性能の向上が可能となったことによる内燃機関の性能向上を得ることができた。
【００６４】
本発明によってアルミニウム表面へ施工した放電加工による皮膜が持つ構造的な長所を損なうことなくバルブシートに要求される高い気密性と断熱性、耐磨耗性を得る皮膜とすることができた。また、従来の圧入式バルブシートと異なり母材の加工、皮膜の施工、ローラーバニッシュ加工という少ない工程でバルブシートを作製できるため、工程の短縮、簡易化が可能となる。
【００６５】
以上の実施例では、本発明を、アルミニウム合金製シリンダヘッドを有する内燃機関のバルブシートに応用した場合を例にとって説明したが、これに限られるものではない。例えば、電極材として現在のところ金属粉を圧縮して作製する圧粉体を用いているが、金属の短繊維、発泡体を利用した電極に皮膜を形成する場合にも同様に適用することができる。
【００６６】
さらには、放電加工による皮膜は耐磨耗性に優れている上、ローラーバニッシュ加工後の皮膜表面は適度な凹凸を有することから、現在回転するシヤフトの軸受けとしてメタルベアリングなどを使用している部位へ施工し、軸受け用皮膜として利用することもできる。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、アルミニウム合金母材上に形成された皮膜を、炭素成分を含み、かつ多孔質の放電加工コーテイング皮膜とし、当該皮膜の表面を加圧して平滑化するため、アルミニウム合金母材上に、皮膜が気泡を多数有している硬質皮膜を形成することができ、皮膜内の気孔の残存と表面粗さ低減を同時に達成することができる。
【００６８】
さらに、皮膜表面の削除が無く膜厚の変化を少なく抑えることができる。しかも、単一の皮膜による高気密性，耐磨耗性，適度な断熱性を達成することができる。
【００６９】
さらに、最も硬さが高い皮膜部分を表面に残すことが可能となり、耐磨耗性を向上させることができる。
【００７０】
さらに、本発明は、アルミニウム母材上に皮膜を放電加工により形成する放電加工ステップと、前記皮膜に加圧力を加えることにより、当該皮膜表面を残留させたまま当該皮膜の表面を均す平滑化ステップとを含む構成を採ることにより、アルミニウム合金母材上に放電加工による皮膜を平滑化させて形成する。
【００７１】
さらに、皮膜表面の削除が無く膜厚の変化を少なく抑えることができる。しかも、単一の皮膜による高気密性，耐磨耗性，適度な断熱性を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るアルミニウム合金母材の皮膜形成方法を工程順に示す断面図である。
【図２】本発明を、アルミニウム合金製シリンダヘッドを有する内燃機関のバルブシートに応用した場合における、バニッシュ加工治具とシリンダヘッドとの関係を示す断面図である。
【図３】放電加工皮膜の硬さ推移を示す特性図である。
【図４】（ａ）は、本発明において、放電加工によりアルミニウム合金母材上に形成した直後の皮膜の表面を示す顕微鏡写真、（ｂ）は、本発明において、加圧力によりアルミニウム合金母材上に形成した皮膜表面を均した後の状態を示す顕微鏡写真である。
【図５】バニッシュ加工機を示す構成図である。
【図６】アルミニウム合金製シリンダヘッドを有する内燃機関を示す断面図である。
【図７】従来例に係る皮膜の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１６  アルミニウム合金母材
１７  皮膜
１７ａ  皮膜の表面
１８  気泡
１９  気泡
２０  バニッシュ加工治具
【図１】
2004292883.tif 000003
【図２】
2004292883.tif 000004
【図３】
2004292883.tif 000005
【図４】
2004292883.tif 000006
【図５】
2004292883.tif 000007
【図６】
2004292883.tif 000008
【図７】
2004292883.tif 000009