(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械部品本体と、
前記機械部品本体上に形成された断熱層と、
前記断熱層上に形成され、アルコキシドから形成された無機化合物と、前記無機化合物中に分散された鱗片状の無機中実粒子とを含む保護層と、を備える、車両用機械部品。
【請求項２】
前記鱗片状の無機中実粒子は、マイカ、タルク、または、ウォラストナイトから構成されている、請求項１に記載の車両用機械部品。
【請求項３】
前記保護層は、前記保護層の厚み方向と直交する横方向に長い空隙をさらに含む、請求項１または２に記載の車両用機械部品。
【請求項４】
前記空隙は、前記保護層内において積層された前記鱗片状の無機中実粒子の層間に形成されている、請求項３に記載の車両用機械部品。
【請求項５】
前記保護層の前記無機化合物中には、カップリング剤から形成され、アミノ基を有する結合剤が分散されており、
前記結合剤のアミノ基と前記断熱層の構成成分とが結合している、請求項１〜４のいずれか１項に記載の車両用機械部品。
【請求項６】
前記断熱層は、前記機械部品本体上に形成された第１断熱層と、前記第１断熱層の表面上に形成され、無機化合物を含む第２断熱層とを含み、
前記第１断熱層の前記第２断熱層側の表面には、有機金属化合物を用いた改質処理により、前記第２断熱層の構成成分と結合する官能基が設けられている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の車両用機械部品。
【請求項７】
前記断熱層は、前記機械部品本体上に形成された第１断熱層と、前記第１断熱層の表面上に形成された第２断熱層とを含み、
前記第１断熱層の前記第２断熱層側の表面には、前記第２断熱層が入り込む凹部が設けられている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の車両用機械部品。
【請求項８】
前記断熱層は、前記機械部品本体の表面に形成された陽極酸化被膜層からなるとともに、前記陽極酸化被膜層は、前記保護層側の表面から延びるマイクロメータサイズのマイクロ孔部と、前記保護層側の表面から延びるナノメータサイズのナノ孔部とを有し、
前記マイクロ孔部および前記ナノ孔部に対する前記無機化合物の含浸量を調整することによって、前記マイクロ孔部の空孔率は、前記ナノ孔部の空孔率よりも大きくなるように構成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の車両用機械部品。
【請求項９】
ピストン本体と、
前記ピストン本体上に形成された断熱層と、
前記断熱層上に形成され、アルコキシドから形成された無機化合物と、前記無機化合物中に分散された鱗片状の無機中実粒子とを含む保護層と、を備える、ピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用機械部品およびピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、断熱層が形成されたピストンが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記特許文献１には、頂面に断熱コーティング膜が形成されたピストンが開示されている。このピストンに形成された断熱コーティング膜は、ピストンの頂部を被膜する断熱層と、断熱層を被膜する無機系被膜層とから構成されている。断熱層は、樹脂と、樹脂に埋め込まれた中空粒子とから構成されている。また、無機系被膜層は、無機化合物と、無機化合物に埋め込まれた中空粒子とから構成されている。なお、中空粒子は一般的に球状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１４／０２４４９４号
【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、本願発明者は、上記特許文献１のピストンに形成された断熱コーティング膜では、特に約７００℃を超える高温環境下では、中空粒子が含まれる無機系被膜層では耐熱性が十分ではないため、その結果、無機系被膜層にクラックが生じることにより無機系被膜層が剥離しやすくなるという知見を得た。したがって、上記特許文献１のピストンでは、高温環境下においては、無機系被膜層が剥離することに起因して、耐熱性の低い断熱層が露出して劣化してしまうため、高い断熱性を確保することが困難であるという問題点がある。なお、この場合、ピストンにおいて劣化した断熱層の部分から熱が逃げやすいことに起因して、ピストンが用いられる内燃機関において熱効率が低下し、その結果、内燃機関の燃費が低下してしまう。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、高温環境下においても高い断熱性を確保することが可能な車両用機械部品および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】
【０００７】
本願発明者が鋭意検討した結果、上記目的を達成可能な下記のような構成を見出した。すなわち、この発明の第１の局面における車両用機械部品は、機械部品本体と、機械部品本体上に形成された断熱層と、断熱層上に形成され、アルコキシドから形成された無機化合物と、無機化合物中に分散された鱗片状の無機中実粒子とを含む保護層と、を備える。
【０００８】
この発明の第１の局面における車両用機械部品では、上記のように、断熱層上に、アルコキシドから形成された無機化合物と、無機化合物中に分散された鱗片状の無機中実粒子とを含む保護層を形成する。これにより、無機化合物中に球状の中空粒子を分散させる場合と比べて、無機化合物中で層をなすように鱗片状の無機中実粒子を容易に分散させることができるので、たとえ車両用機械部品が高温環境下に配置されても、層状に積層された鱗片状の無機中実粒子によりクラックの発生を抑制することができる。この結果、保護層が剥離するのを抑制することができるので、高温環境下においても断熱層を維持することができ、その結果、車両用機械部品において高い断熱性を確保することできる。特に、ピストンなどの車両用機械部品は高温環境下にさらされるため、高温環境下にさらされた場合であっても高い断熱性を確保できることは、非常に効果的である。
【０００９】
第１の局面における車両用機械部品において、好ましくは、鱗片状の無機中実粒子は、マイカ、タルク、または、ウォラストナイトから構成されている。このように構成すれば、マイカ、タルク、または、ウォラストナイトを用いて、より容易に、無機化合物中で層をなすように鱗片状の無機中実粒子を分散させることができる。
【００１０】
第１の局面における車両用機械部品において、好ましくは、保護層の無機化合物中には、カップリング剤から形成され、アミノ基を有する結合剤が分散されており、結合剤のアミノ基と断熱層の構成成分とが結合している。このように構成すれば、保護層と断熱層との密着強度（剥離強度）を向上させることができるので、保護層と断熱層とをより強固に密着させることができる。
【００１１】
第１の局面における車両用機械部品において、好ましくは、保護層は、保護層の厚み方向と直交する横方向に長い空隙をさらに含む。このように構成すれば、熱伝導率の小さい空隙により保護層における断熱性を向上させることができるので、断熱層だけでなく保護層によっても、車両用機械部品において高い断熱性を確保することできる。また、空隙が横方向に長いことによって、厚み方向に長い空隙と比べて、保護層の横方向のより広い範囲に亘って熱伝導率の小さい空隙を位置させることができるので、保護層の熱伝導性を広範囲に低下させることができる。
【００１２】
この場合、好ましくは、空隙は、保護層内において積層された鱗片状の無機中実粒子の層間に形成されている。このように構成すれば、鱗片状の無機中実粒子に阻害されることなく、横方向に長い空隙を保護層に容易に形成することができる。
【００１３】
第１の局面における車両用機械部品において、好ましくは、断熱層は、機械部品本体上に形成された第１断熱層と、第１断熱層の表面上に形成され、無機化合物を含む第２断熱層とを含み、第１断熱層の第２断熱層側の表面には、有機金属化合物を用いた改質処理により、第２断熱層の構成成分と結合する官能基が設けられている。このように構成すれば、官能基により第１断熱層と無機化合物を含む第２断熱層との密着強度を向上させることができる。これにより、第１断熱層と第２断熱層とをより強固に密着させることができる。また、断熱層として第１断熱層と第２断熱層とを設けることによって、たとえば、機械部品本体側の第１断熱層として、機械部品本体との密着性の高い材料や断熱性が高い材料を用いる一方、外表面側の第２断熱層のバインダーとして、耐熱性や強度の高い材料を用いることができる。これにより、車両用機械部品の耐熱性や断熱性などの特性を効果的に向上させることができる。
【００１４】
第１の局面における車両用機械部品において、好ましくは、断熱層は、機械部品本体上に形成された第１断熱層と、第１断熱層の表面上に形成された第２断熱層とを含み、第１断熱層の第２断熱層側の表面には、第２断熱層が入り込む凹部が設けられている。このように構成すれば、凹部に第２断熱層が入り込むことによって、第１断熱層と第２断熱層との密着強度を向上させることができる。これにより、第１断熱層と第２断熱層とをより強固に密着させることができる。
【００１５】
第１の局面における車両用機械部品において、好ましくは、断熱層は、機械部品本体の表面に形成された陽極酸化被膜層からなるとともに、陽極酸化被膜層は、保護層側の表面から延びるマイクロメータサイズのマイクロ孔部と、保護層側の表面から延びるナノメータサイズのナノ孔部とを有し、マイクロ孔部およびナノ孔部に対する無機化合物の含浸量を調整することによって、マイクロ孔部の空孔率は、ナノ孔部の空孔率よりも大きくなるように構成されている。このように構成すれば、マイクロ孔部およびナノ孔部に無機化合物を含浸させることにより、マイクロ孔部およびナノ孔部に含浸される無機化合物と保護層の無機化合物とを一体化することができるので、陽極酸化被膜層と保護層とを強固に密着させることができる。また、マイクロ孔部の空孔率をナノ孔部の空孔率よりも大きくすることによって、ナノ孔部の空孔率を比較的小さくして陽極酸化被膜層の硬度を保ちつつ、マイクロ孔部の空孔率を大きくして陽極酸化被膜層の熱伝導率を小さくすることができる。
【００１６】
この発明の第２の局面におけるピストンは、ピストン本体と、ピストン本体上に形成された断熱層と、断熱層上に形成され、アルコキシドから形成された無機化合物と、無機化合物中に分散された鱗片状の無機中実粒子とを含む保護層と、を備える。
【００１７】
この発明の第２の局面におけるピストンでは、断熱層上に、アルコキシドから形成された無機化合物と、無機化合物中に分散された鱗片状の無機中実粒子とを含む保護層を形成する。これにより、第１の局面における車両用機械部品と同様に、保護層により高温環境下においても断熱層を維持することができ、その結果、ピストンにおいて高い断熱性を確保することできるので、ピストンから熱が逃げやすくなるのを抑制することができる。これにより、ピストンが用いられる内燃機関の熱効率が低下するのを抑制することができるので、内燃機関の燃費を向上させることができる。
【００１８】
なお、本出願の上記第１の局面による車両用機械部品では、以下のような構成も考えられる。
【００１９】
（付記項１）
すなわち、上記第１の局面による車両用機械部品において、鱗片状の無機中実粒子は、無機化合物内において、３５体積％以上８０体積％以下になるように分散されている。
【００２０】
（付記項２）
また、上記第１の局面による車両用機械部品において、断熱層は、機械部品本体上に形成され、第１断熱層中空粒子が分散された第１断熱層と、第１断熱層の表面上に形成された第２断熱層とを含む。
【００２１】
（付記項３）
この場合、機械部品本体と第１断熱層との間で、かつ、機械部品本体の表面上に配置され、中空粒子および中実粒子が分散されていないプライマー層をさらに備える。
【００２２】
（付記項４）
プライマー層をさらに備える車両用機械部品において、第１断熱層の厚みおよび第２断熱層の厚みは、共に、保護層の厚みよりも大きく、かつ、プライマー層の厚みよりも大きい。
【００２３】
（付記項５）
また、上記第１断熱層と第２断熱層とを含む車両用機械部品において、第２断熱層は、アルコキシドまたはケイ酸アルカリから形成された断熱層無機化合物と、断熱層無機化合物中に分散された第２断熱層中空粒子とを有する。
【００２４】
（付記項６）
また、上記第１の局面による車両用機械部品において、保護層の厚みは、１０μｍ以上５００μｍ以下である。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、上記のように、高温環境下においても高い断熱性を確保することが可能な車両用機械部品およびピストンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１〜第３実施形態による内燃機関の燃焼室周辺を示した模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態によるコーティング層周辺を示した拡大断面図である。
【図３】本発明の効果を確認するために行った第１実施例の実施例１、２および比較例４の表面の写真である。
【図４】本発明の効果を確認するために行った第１実施例の実施例１における保護層の断面写真である。
【図５】本発明の効果を確認するために行った第１実施例の実施例２における保護層の断面写真である。
【図６】本発明の第２実施形態によるコーティング層周辺を示した拡大断面図である。
【図７】本発明の効果を確認するために行った第２実施例のクロスカット試験の結果を示す写真である。
【図８】本発明の効果を確認するために行った第２実施例の碁盤目試験の結果を示す写真である。
【図９】本発明の効果を確認するために行った第２実施例のアミノ系のカップリング剤の添加量を変化させた場合の密着強度の変化を示すグラフである。
【図１０】本発明の第３実施形態によるコーティング層周辺を示した拡大断面図である。
【図１１】本発明の第３実施形態によるアルマイト層と保護層との界面周辺を示した拡大断面図である。
【図１２】本発明の第３実施形態によるアルマイト層と保護層との界面周辺を図１１よりも拡大して示した断面図である。
【図１３】本発明の第３実施形態のピストンの製造工程におけるアルマイト層を拡大して示した断面図である。
【図１４】本発明の第３実施形態のピストンの製造工程において、図１３とは異なる条件で形成されたアルマイト層を拡大して示した断面図である。
【図１５】本発明の第３実施形態にピストンの製造工程において、図１２とは異なる条件で形成されたアルマイト層と保護層との界面周辺を示した断面図である。
【図１６】本発明の効果を確認するために行った第３実施例における実施例３のピストンの断面写真である。
【図１７】本発明の効果を確認するために行った第３実施例における実施例３のピストンのＥＰＭＡ写真である。
【図１８】本発明の第１変形例による車両に搭載されるターボチャージャーを示した断面図である。
【図１９】本発明の第２変形例による車両に搭載されるジェットエンジンを示した断面図である。
【図２０】本発明の第３変形例によるコーティング層周辺を示した拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２８】
［第１実施形態］
図１および図２を参照して、本発明の第１実施形態による車両の内燃機関１００（エンジン）の構成について説明する。
【００２９】
（内燃機関の構成）
本発明の第１実施形態による内燃機関１００は、図１に示すように、燃料が燃焼する燃焼室１００ａを有している。この燃焼室１００ａは、下部を構成するピストン１０と、側部の一部を構成するシリンダブロック２０と、上部を構成するシリンダヘッド３０とに囲まれた空間に形成されている。また、ピストン１０は、アルミニウム合金からなるピストン本体１１と、ピストン１０の燃焼室１００ａ側の頂部１０ａに配置され、断熱性が高い（熱伝導率の低い）コーティング層４０とを含んでいる。このコーティング層４０により、燃焼室１００ａ内の熱がピストン本体１１を介して燃焼室１００ａ内から逃げるのが抑制されている。なお、ピストン１０およびピストン本体１１は、それぞれ、本発明の「車両用機械部品」および「機械部品本体」の一例である。
【００３０】
＜コーティング層の構成＞
ここで、第１実施形態では、コーティング層４０は、図２に示すように、ピストン本体１１の頂部１０ａにおける表面上に形成された第１断熱層４１と、第１断熱層４１の表面上に形成された第２断熱層４２と、第２断熱層４２の表面上に形成された保護層４３との３層構造により構成されている。なお、保護層４３は、コーティング層４０およびピストン１０の最外層を構成しており、燃焼室１００ａ側に露出している。また、コーティング層４０の厚みｔ１は、約３１μｍ以上約３１００μｍ以下である。なお、第１断熱層４１および第２断熱層４２は、本発明の「断熱層」の一例である。
【００３１】
第１断熱層４１は、ピストン１０の断熱性を高くするために設けられている。この第１断熱層４１は、第１断熱層４１を主に形成する層本体部４１ａと、層本体部４１ａ中に分散された多数の中空粒子４１ｂとを含んでいる。
【００３２】
第１断熱層４１の層本体部４１ａは、密着性、耐熱性、耐薬品性および十分な強度を有する材質からなるのが好ましい。層本体部４１ａとしては、たとえば、エポキシ樹脂、アミノ樹脂、ポリアミノアミド樹脂、フェノール樹脂、キシレン樹脂、フラン樹脂、シリコーン樹脂、ポリエーテルイミド、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン。ポリアミドイミド、ポリベンゾイミダゾール、熱可塑性ポリイミド、非熱可塑性ポリイミドなどの有機材料を用いることが可能である。なお、層本体部４１ａとして有機材料を用いることによって、無機材料を用いた場合と比べて、熱伝導率が無機材料よりも小さいため、第１断熱層４１の断熱性をより向上させることが可能であるとともに、第１断熱層４１とピストン本体１１との密着強度を向上させることが可能である。
【００３３】
第１断熱層４１の中空粒子４１ｂは、外殻に覆われた内部が中空の粒子であり、中空部分における熱伝導率が小さい。これにより、多数の中空粒子４１ｂが層本体部４１ａ中に分散された第１断熱層４１では、中空粒子４１ｂの中空部分が空隙となることによって、熱伝導率が低下して断熱性が向上する。また、第１断熱層４１における空隙の割合（空隙率）が約５体積％以上約９０体積％以下になるように中空粒子４１ｂが分散されている。なお、空隙率を約５体積％以上にすることによって、断熱性を十分に向上させることが可能である。また、空隙率を約９０体積％以下にすることによって、層本体部４１ａを十分に確保することができるので、第１断熱層４１が層状に形成されなくなるのを抑制することが可能である。また、第１断熱層４１における空隙率は、約１０体積％以上約８５体積％以下であるのが好ましい。また、中空粒子４１ｂの外殻の材質は、セラミック系材料や、有機系材料が好ましく、シリカ（二酸化ケイ素）がより好ましい。
【００３４】
また、第１断熱層４１の厚みｔ２は、断熱性を十分に確保可能な厚みであればよい。具体的には、第１断熱層４１の厚みｔ２は、約２０μｍ以上約２０００μｍ以下であり、約２０μｍ以上約１０００μｍ以下であるのが好ましい。ここで、中空粒子４１ｂの平均粒径は、第１断熱層４１の厚みｔ２よりも小さい方が好ましい。なお、中空粒子４１ｂの平均粒径は、約１μｍ以上約１００μｍ以下であり、約１μｍ以上約５０μｍ以下であるのが好ましい。
【００３５】
第２断熱層４２は、ピストン１０の断熱性を高くしつつ、コーティング層４０の耐熱性や強度を確保するために設けられている。この第２断熱層４２は、第２断熱層４２を主に形成する層本体部４２ａと、層本体部４２ａ中に分散された多数の中空粒子４２ｂとを含んでいる。ここで、第２断熱層４２では、第１断熱層４１と同様に、多数の中空粒子４２ｂが分散されていることにより断熱性が向上されている。なお、第２断熱層４２の中空粒子４２ｂは、上記第１断熱層４１の中空粒子４１ｂと略同一の形状および性質を有しており、第２断熱層４２における空隙率は、第１断熱層４１における空隙率と略同様である。
【００３６】
第２断熱層４２の層本体部４２ａは、ケイ酸アルカリまたはアルコキシドから形成された、金属酸化物からなる無機化合物から構成されている。ここで、ケイ酸アルカリ（たとえば、ケイ酸ナトリウム（Ｎａ2Ｓｉ０3））を用いて第２断熱層４２の層本体部４２ａを形成する場合には、ケイ酸アルカリに熱処理や酸による中和処理を行うことによって、ケイ酸イオン同士が重合したシロキサン結合（−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−）から主に構成された無機化合物が層本体部４２ａとして形成される。これにより、第２断熱層４２として強固な無機被膜が形成される。
【００３７】
また、たとえば、ケイ素アルコキシド（Ｓｉ（ＯＲ）4：Ｒはエチル基などの官能基）を用いて第２断熱層４２の層本体部４２ａを形成する場合には、熱処理により脱水反応や脱アルコール反応が生じて、シロキサン結合から主に構成された無機化合物が層本体部４２ａとして形成される。これにより、第２断熱層４２として、耐熱性、耐薬品性および強度が高い強固な無機被膜が形成される。
【００３８】
なお、アルコキシドとしては、ケイ素アルコキシド、ジルコニウムアルコキシド（Ｚｒ（ＯＲ）4）、アルミニウムアルコキシド（Ａｌ（ＯＲ）4）、セリウムアルコキシド（Ｃｅ（ＯＲ）4）を単独、または、複数用いることが可能である。この際、酸素を含む共有結合（−Ｘ−Ｏ−Ｙ−：Ｘ（Ｙ）は、Ｓｉ、Ｚｒ、ＡｌまたはＣｅのいずれか）から主に構成された無機化合物が層本体部４２ａとして形成されて、第２断熱層４２として、耐熱性、耐薬品性および強度が高い強固な無機被膜が形成される。
【００３９】
なお、第２断熱層４２の厚みｔ３は、断熱性を十分に確保可能な厚みであればよい。具体的には、第２断熱層４２の厚みｔ３は、約１０μｍ以上約１０００μｍ以下であり、約１０μｍ以上約５００μｍ以下であるのが好ましい。また、中空粒子４２ｂの平均粒径は、第２断熱層４２の厚みｔ３よりも小さい方が好ましい。
【００４０】
保護層４３は、内側（ピストン本体１１側）の第１断熱層４１および第２断熱層４２を高温から保護するために設けられている。この保護層４３は、約７００℃を超える高温環境下（たとえば、約９００℃の温度環境下）においてもクラックなどが生じないように設けられている。また、保護層４３は、保護層４３を主に形成する層本体部４３ａと、層本体部４３ａ中に分散された多数の無機中実粒子４３ｂとを含んでいる。
【００４１】
保護層４３の層本体部４３ａは、上記したケイ素アルコキシド、ジルコニウムアルコキシド、アルミニウムアルコキシド、セリウムアルコキシドのようなアルコキシドから形成された、金属酸化物からなる無機化合物から構成されている。これにより、保護層４３として、耐熱性、耐薬品性および強度が高い強固な無機被膜が形成されている。ここで、保護層の層本体部を、ケイ酸アルカリから形成された、金属酸化物からなる無機化合物から構成した場合には、ケイ酸アルカリを処理した際に副産物としてたとえば炭酸ナトリウムなどのアルカリ成分が異物として保護層中に残存してしまい、その結果、保護層の耐熱性が低下してしまう。一方、第１実施形態のように、保護層４３の層本体部４３ａを、アルコキシドから形成された、金属酸化物からなる無機化合物から構成した場合には、アルコキシドを処理した際に副産物として水やアルコールが生じるものの、熱処理により保護層４３から容易に除去することが可能である。これにより、異物が保護層４３中に残存するのを抑制することができるので、保護層４３の耐熱性を向上させることが可能である。
【００４２】
ここで、第１実施形態では、保護層４３の無機中実粒子４３ｂは、鱗片状で、かつ、内部が中空ではなく無機材料が充填されている無機粒子から構成されている。なお、「鱗片状」とは、厚み方向に小さく、厚み方向と直交する面上に延びる鱗状の薄片を意味する。具体的には、無機中実粒子４３ｂは、鱗片状のタルク、マイカ、および、ウォラストナイトから構成されている。なお、無機中実粒子４３ｂは、タルク、マイカ、または、ウォラストナイトのいずれか１つから構成されていてもよいし、いずれか２種または３種すべてが混合されて構成されていてもよい。また、無機中実粒子４３ｂの平均粒径（厚み方向と直交する面上における平均粒径）は、約１μｍ以上約１００μｍ以下であり、約１μｍ以上約５０μｍ以下であるのが好ましい。
【００４３】
なお、タルクとは、含水ケイ酸マグネシウム（Ｍｇ3Ｓｉ4Ｏ10（ＯＨ）2）を意味し、比重が２．７程度である。また、マイカとは、ケイ酸塩鉱物（ＫＭｇ3（Ｓｉ3Ａｌ）Ｏ10（ＯＨ）2）を意味し、比重が２．９程度である。また、ウォラストナイトとは、ケイ酸塩鉱物（ＣａＳｉＯ3）を意味し、比重が２．９程度である。また、タルク、マイカ、および、ウォラストナイトのいずれも、１０００℃程度の温度条件下に配置されても融解等が生じずに、十分な耐熱性を有している。
【００４４】
また、鱗片状の無機中実粒子４３ｂは、層本体部４３ａ中で層をなすように分散されている。なお、無機中実粒子４３ｂは、層本体部４３ａ中において、約３５体積％以上約８０体積％以下になるように分散されており、その結果、十分な量の無機中実粒子４３ｂが層本体部４３ａ中に分散されていることによって、無機中実粒子４３ｂは、層本体部４３ａ中で積層している。
【００４５】
また、層本体部４３ａ中に分散された無機中実粒子４３ｂが鱗片状であることによって、保護層４３の表面（外表面）の凹凸（表面粗さ）に与える影響は、球状の中空粒子が分散されている場合と比べて小さい。この結果、保護層４３の表面は平滑に形成されている。
【００４６】
また、コーティング層４０において、第１断熱層４１の厚みｔ２および第２断熱層４２の厚みｔ３は、共に、保護層４３の厚みｔ４よりも大きい。具体的には、第１断熱層４１の厚みｔ２は、約２０μｍ以上約２０００μｍ以下であり、約２０μｍ以上約１０００μｍ以下であるのが好ましい。これにより、ピストン１０の断熱性の向上に寄与する第１断熱層４１および第２断熱層４２を十分に確保することが可能である。
【００４７】
なお、保護層４３の厚みｔ４は、約１０μｍ以上約５００μｍ以下であり、約１０μｍ以上約３００μｍ以下であるのが好ましい。
【００４８】
（ピストンの製造プロセス）
次に、図１および図２を参照して、本発明の第１実施形態によるコーティング層４０が形成されたピストン１０の製造プロセスについて説明する。
【００４９】
まず、鋳造などにより所定の形状に形成されたアルミニウム合金からなるピストン本体１１を準備する。そして、図２に示すように、ピストン本体１１の頂部１０ａにおける表面上に第１断熱層４１を形成する。具体的には、まず、所定の有機材料が含有される有機塗料に、所定の平均粒径の中空粒子４１ｂを添加して、攪拌機（図示せず）を用いて撹拌する。この際、形成後の第１断熱層４１の空隙率が約５体積％以上約９０体積％以下になるように中空粒子４１ｂを添加する。そして、中空粒子４１ｂが添加された有機塗料をピストン本体１１の頂部１０ａにおける表面上に塗布して焼き付ける。これにより、ピストン本体１１の表面上に、中空粒子４１ｂが分散された第１断熱層４１が所定の厚みｔ２になるように形成される。
【００５０】
次に、第１断熱層４１の表面上に第２断熱層４２を形成する。具体的には、まず、所定のケイ酸アルカリまたはアルコキシドが含まれる水性塗料に、所定の平均粒径の中空粒子４２ｂを添加して、攪拌機を用いて撹拌する。この際、形成後の第２断熱層４２における中空粒子４２ｂの空隙率が約５体積％以上約９０体積％以下になるように中空粒子４２ｂを添加する。そして、ケイ酸アルカリまたはアルコキシドが含まれる水性塗料を第１断熱層４１の表面上に塗布して熱処理などを行う。この際、第１断熱層４１が形成されているため、アルミニウム合金の焼鈍温度である約２００℃よりも高い温度で熱処理を行うことが可能である。これにより、第１断熱層４１の表面上に、中空粒子４２ｂが分散された第２断熱層４２が所定の厚みｔ３になるように形成される。
【００５１】
最後に、第２断熱層４２の表面上に保護層４３を形成する。具体的には、まず、所定のアルコキシドが含まれる水性塗料に、所定の平均粒径を有する鱗片状の無機中実粒子４３ｂを添加して、攪拌機を用いて撹拌する。この際、形成後の保護層４３内における無機中実粒子４３ｂの体積比率が約３５体積％以上約８０体積％以下になるように鱗片状の無機中実粒子４３ｂを添加する。そして、鱗片状の無機中実粒子４３ｂが添加された水性塗料を第２断熱層４２の表面上に塗布して熱処理などを行う。これにより、第２断熱層４２の表面上に、鱗片状の無機中実粒子４３ｂが分散された保護層４３が所定の厚みｔ４になるように形成される。これにより、図１に示すようなコーティング層４０が頂部１０ａに形成されたピストン１０が製造される。
【００５２】
（第１実施形態の効果）
上記第１実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【００５３】
第１実施形態では、上記のように、第１断熱層４１および第２断熱層４２上に、アルコキシドから形成された無機化合物から構成された層本体部４３ａと、層本体部４３ａ中に分散された鱗片状の無機中実粒子４３ｂとを含む保護層４３を形成する。これにより、無機化合物（層本体部４３ａ）中に球状の中空粒子を分散させる場合と比べて、層本体部４３ａ中で層をなすように鱗片状の無機中実粒子４３ｂを容易に分散させることができるので、たとえピストン１０が高温環境下に配置されても、層状に積層された鱗片状の無機中実粒子４３ｂによりクラックの発生を抑制することができる。この結果、保護層４３が剥離するのを抑制することができるので、保護層４３により高温環境下においても第１断熱層４１および第２断熱層４２を維持することができ、その結果、ピストン１０において高い断熱性を確保することできる。したがって、ピストン１０から熱が逃げやすくなるのを抑制することができるので、ピストン１０が用いられる内燃機関１００の熱効率が低下するのを抑制することができ、その結果、内燃機関１００の燃費を向上させることができる。
【００５４】
また、第１実施形態では、鱗片状の無機中実粒子４３ｂを、マイカ、タルク、または、ウォラストナイトから構成することによって、より容易に、層本体部４３ａ中で層をなすように鱗片状の無機中実粒子４３ｂを分散させることができる。
【００５５】
また、第１実施形態では、有機材料からなる層本体部４１ａを含む第１断熱層４１と、無機材料からなる層本体部４２ａを含む第２断熱層４２とを設ける。これにより、ピストン本体１１側の第１断熱層４１の層本体部４１ａに有機材料を用いることによって、ピストン本体１１との密着強度や断熱性を向上させることができるとともに、外表面（燃焼室１００ａ）側の第２断熱層４２の層本体部４２ａに無機材料を用いることによって、耐熱性や強度を向上させることができる。この結果、ピストン１０の耐熱性や断熱性などの特性を効果的に向上させることができる。
【００５６】
また、第１実施形態では、鱗片状の無機中実粒子４３ｂを、保護層４３内において、約３５体積％以上約８０体積％以下になるように分散させる。これにより、層本体部４３ａ中で層をなすように鱗片状の無機中実粒子４３ｂを確実に分散させることができる。
【００５７】
また、第１実施形態では、第１断熱層４１が、層本体部４１ａと、層本体部４１ａ中に分散された中空粒子４１ｂとを有することにより、中空粒子４１ｂにより、第１断熱層４１の断熱性をより向上させることができる。
【００５８】
また、第１実施形態では、第２断熱層４２が、アルコキシドまたはケイ酸アルカリから形成された無機化合物から形成された層本体部４２ａと、層本体部４２ａ中に分散された中空粒子４２ｂとを有する。これにより、中空粒子４２ｂにより断熱性を向上させつつ、無機化合物からなる層本体部４２ａにより、耐熱性や耐薬品性、強度を向上させることができる。
【００５９】
また、第１実施形態では、無機中実粒子４３ｂが層本体部４３ａ中で積層していることによって、積層した無機中実粒子４３ｂの層間に層本体部４３ａが位置するように保護層４３を形成することができるので、保護層４３の構造を強固なものにすることができる。これにより、保護層４３の厚みｔ４を容易に大きくすることができる。
【００６０】
また、第１実施形態では、保護層４３の厚みｔ４を約１０μｍ以上にすることによって、保護層４３における耐熱性を確実に維持することができる。また、保護層４３の厚みｔ４を約５００μｍ以下にすることによって、保護層４３の層内に応力が集中するのを抑制することができる。
【００６１】
[第１実施例]
次に、図１〜図５を参照して、上記第１実施形態の一例（第１実施例）として行ったピストンの性能試験について説明する。
【００６２】
（実施例および比較例の構成）
まず、実施例１のピストン１０（図１参照）を作製した。なお、ピストン本体１１を構成するアルミニウム合金として、ＡＣ８Ａ−Ｔ６（ＪＩＳ  ５２０２に規定）相当のアルミニウム合金を用い、鋳造により所定の形状に形成した。なお、ＡＣ８Ａ−Ｔ６相当のアルミニウム合金の組成は、Ｓｉ：１１質量％以上１３質量％以下、Ｃｕ：２．５質量％以上４．０質量％以下、Ｍｇ：０．５質量％以上１．２質量％以下、Ｎｉ：１．７５質量％以上３．０質量％以下、Ｆｅ：０．５質量％以下、Ｚｎ：０．１５質量％以下、Ｍｎ：０．１５質量％以下、Ｔｉ：０．０５質量％以上０．２０質量％以下、Ｚｒ：０．０５質量％以上０．２０質量％以下、Ｖ：０．０５質量％以上０．１０質量％以下、Ｃｒ：０．０５質量％以下、Ｓｎ：０．０５質量％以下、Ｐｂ：０．０３質量％以下、Ａｌ：残部である。
【００６３】
そして、図２に示すように、ピストン本体１１の頂部１０ａにおける表面上に第１断熱層４１を形成した。具体的には、Ｎ−メチル−２−ピロリドンを含有する有機塗料に、シリカから外殻が構成され、１９．７６μｍの平均粒径を有する中空粒子４１ｂを添加して、攪拌機を用いて撹拌した。この際、有機塗料の重量を１００とした際に、中空粒子４１ｂの重量が１３０％になるように、中空粒子４１ｂを有機塗料に添加した。そして、中空粒子４１ｂが添加された有機塗料を頂部１０ａ側からピストン本体１１の表面上に塗布して焼き付けた。これにより、ピストン本体１１の表面上に、ポリイミドを含む樹脂からなる層本体部４１ａと、層本体部４１ａ中に分散された多数の中空粒子４１ｂとを含む第１断熱層４１を形成した。この際、第１断熱層４１が１００μｍの厚みｔ１になるように形成した。また、第１断熱層４１における空隙率は、７８体積％であった。
【００６４】
その後、第１断熱層４１の表面上に第２断熱層４２を形成した。具体的には、ケイ酸アルカリとしてケイ酸ナトリウムが含有された水性塗料（いわゆる水ガラス）に、中空粒子４２ｂを添加して、攪拌機を用いて撹拌した。この際、水性塗料の重量を１００とした際に、中空粒子４２ｂの重量が９５％になるように、中空粒子４２ｂを水性塗料に添加した。そして、中空粒子４２ｂが添加された水性塗料を第１断熱層４１の表面上に塗布して熱処理を行った。これにより、第１断熱層４１の表面上に、ケイ酸から主に構成された無機化合物からなる層本体部４２ａと、層本体部４２ａ中に分散された多数の中空粒子４２ｂとを含む第２断熱層４２を形成した。この際、第２断熱層４２が１００μｍの厚みｔ３になるように形成した。また、第２断熱層４２における空隙率は、８０体積％であった。
【００６５】
その後、第２断熱層４２の表面上に保護層４３を形成した。具体的には、アルコキシドとしてケイ素アルコキシドとジルコニウムアルコキシドとが含有された水性塗料に、タルクから構成され、５．６１μｍの平均粒径を有する無機中実粒子４３ｂを添加して、攪拌機を用いて撹拌した。そして、無機中実粒子４３ｂが添加された水性塗料を第２断熱層４２の表面上に塗布して熱処理を行った。これにより、第２断熱層４２の表面上に、ケイ酸およびジルコニアから主に構成された無機化合物からなる層本体部４３ａと、層本体部４３ａ中に分散された多数の無機中実粒子４３ｂとを含む保護層４３を形成した。この際、保護層４３が２０μｍの厚みｔ４になるように形成した。また、無機中実粒子４３ｂは、保護層４３内において、６５体積％になるように分散されていた。これにより、実施例１のピストン１０を作製した。
【００６６】
また、実施例２では、無機中実粒子として、マイカから構成され、５．８２μｍの平均粒径を有する無機中実粒子４３ｂを用いた点以外は、実施例１と同様にして、実施例２のピストン１０を作製した。
【００６７】
一方、比較例１のピストンとして、第１断熱層、第２断熱層および保護層のいずれも形成されていない無処理のピストンを用いた。また、比較例２のピストンとして、第１断熱層、第２断熱層および保護層の代わりに、ジルコニア溶射によって頂部に溶射膜が形成されたピストンを用いた。なお、溶射膜は、０．１ｍｍの厚みになるように形成した。
【００６８】
また、比較例３のピストンとして、第２断熱層および保護層を設けずに、第１断熱層のみを形成した。具体的には、Ｎ−メチル−２−ピロリドンを含有する有機塗料に、シリカから外殻が構成され、０．１０８μｍの平均粒径を有するナノ中空粒子を添加して、攪拌機を用いて撹拌した。この際、有機塗料の重量を１００とした際に、ナノ中空粒子の重量が１４％になるように、ナノ中空粒子を有機塗料に添加した。そして、ナノ中空粒子が添加された有機塗料を頂部側からピストン本体の表面上に塗布して焼き付けた。これにより、ピストン本体の表面上に、ポリイミドを含む樹脂からなる層本体部と、層本体部中に分散された多数のナノ中空粒子とを含む第１断熱層を形成した。この際、第１断熱層が１２５μｍの厚みになるように形成した。また、第１断熱層における空隙率は、１５体積％であった。これにより、比較例３のピストンを作製した。
【００６９】
また、比較例４のピストンとして、無機中実粒子の代わりに中空粒子を用いて保護層を形成する点以外は実施例１と同様にしてピストンを作製した。具体的には、実施例１と同様にして第２断熱層まで形成されたピストンを準備した。そして、水性塗料に、シリカから外殻が構成され、０．１０８μｍの平均粒径を有するナノ中空粒子を添加して、攪拌機を用いて撹拌した。この際、水性塗料の重量を１００とした際に、ナノ中空粒子の重量が７％になるように、ナノ中空粒子を有機塗料に添加した。そして、ナノ中空粒子が添加された水性塗料を第２断熱層の表面上に塗布して熱処理を行った。これにより、第２断熱層の表面上に、ケイ酸から主に構成された無機化合物からなる層本体部と、層本体部中に分散された多数の中空粒子とを含む保護層を形成した。この際、保護層が２０μｍの厚みになるように形成した。また、ナノ中空粒子における空隙率は、１２体積％であった。これにより、比較例４のピストンを作製した。
【００７０】
そして、実施例１、２および比較例１〜４のピストンの各々において、内燃機関に搭載された際のノッキング（異常燃焼）の発生の有無と、燃費とを測定した。この際、内燃機関として、直列４気筒、水冷式、ＤＯＨＣ、１６バルブ、４サイクルエンジン、排気量１３００ｃｃのエンジンを用いた。また、燃費として、エンジンの冷間状態からエンジン水温が室温から８８℃まで上昇する間の燃費を平均して測定した。この際、エンジンの回転数を２５００ｒｐｍで一定にするとともに、エンジンに一定の負荷を加えた状態で測定を行った。
【００７１】
また、実施例１、２および比較例１〜４の各々のピストンに対応する試験材を用いて、耐熱性、熱伝導率、表面粗さ（算術平均粗さ、Ｒａ）を測定した。なお、耐熱性の測定では、１０分間保持した際にクラックが確認され始める温度を、耐熱性の指標としての温度（℃）とした。なお、耐熱性の測定は、５０℃刻みで行った。また、９００℃で１０分間保持した際の、実施例１、２および比較例４の各々のピストンに対応する試験材の表面状態を観察した。
【００７２】
（第１実施例の結果）
【表１】
0006339118.tif 000002
【００７３】
表１に示す第１実施例の結果としては、耐熱性は、実施例１および２の両方で１０００℃になり、実施例１および２の両方で十分な耐熱性が確保されていることが確認できた。一方、比較例１、３および４では、耐熱性は７００℃以下となり、十分な耐熱性が確保されていないことが確認された。これは、保護層４３に分散された鱗片状の無機中実粒子４３ｂ（タルクまたはマイカ）により、クラックの発生が抑制されたからであると考えられる。この結果、実施例１および２のピストン１０は、高温環境下であっても高い断熱性を確保することが可能であることが確認できた。さらに、図３に示す実施例１、２および比較例４の試験材の表面状態においても、実施例１および２ではクラックの発生が確認できない一方、比較例４においてはクラックの発生が確認された。このことからも、実施例１および２のピストン１０は、高温環境下であっても高い断熱性を確保することが可能であることが確認できた。
【００７４】
表１に示すように、熱伝導率は、実施例１および２の両方で比較例４と同程度の０．１１（Ｗ／ｍ・Ｋ）になり、比較例３と変わらない熱伝導率が得られ、比較例１および２よりも大幅に小さくなった。これにより、実施例１および２のピストン１０の両方で十分に熱伝導率を小さくすることができ、断熱性を向上させることが可能であることが確認できた。
【００７５】
表面粗さ（Ｒａ）は、実施例１および２の両方で０．６０になり、比較例３および４よりも小さく、比較例１および２よりも大幅に小さくなった。これにより、実施例１および２の両方で十分に表面粗さが小さくなっており、実施例１および２のピストン１０ではノッキングが発生する可能性が十分に低減されていることが確認できた。一方で、比較例２では、表面粗さ（Ｒａ）が３８と過度に大きくなっており、その結果、比較例２のピストンではノッキングが発生する可能性がかなり高いことが確認できた。
【００７６】
また、実施例１、２および比較例１〜４のピストンの各々が搭載された内燃機関においては、実施例１、２、比較例１、３および４においてノッキングは発生しなかったものの、比較例２のピストンが搭載された内燃機関において、ノッキングが発生した。これは、比較例２のピストンの頂部における表面粗さが過度に大きいことに起因して、内燃機関運転時に熱がピストンの粗い表面の凹部に集中する。このため、内燃機関においてノッキングが発生したと考えられる。この結果、比較例２のコーティング層（溶射膜）は耐熱性に優れているものの、表面粗さが大きいことに起因するノッキングが発生してしまうため、比較例２のピストンは不適であると考えられる。
【００７７】
また、比較例１（無処理）を１００とした場合の実施例１、２、比較例３および４の燃費については、比較例３および４では、１０２未満になった一方、実施例１および２では１０３を超えて大きくなった。これにより、実施例１および２のピストン１０では、耐熱性および断熱性が優れていることから、実施例１および２のピストン１０を搭載された内燃機関１００では燃費を向上させることできることが確認できた。
【００７８】
また、図４および図５に示す、実施例１および２の保護層４３の断面写真から、実施例１および２の保護層４３では、層本体部４３ａ（無機化合物）中において、鱗片状の無機中実粒子４３ｂ（タルクまたはマイカ）が層状に積層された状態で分散していることが確認できた。この鱗片状の無機中実粒子４３ｂの積層により、クラックの発生が抑制されて、保護層４３の耐熱性が向上していると推測することが可能である。ここで、実施例１および２のピストン１０の両方が十分な耐熱性と断熱性とを有しているものの、より燃費が向上した実施例２のピストン１０の方がより好ましいと考えられる。
【００７９】
［第２実施形態］
次に、図１および図６を参照して、本発明の第２実施形態によるピストン１１０の構成について説明する。この第２実施形態によるピストン１１０は、第１実施形態のピストン１０に加えて、層同士や、第１断熱層１４１とピストン本体１１との密着強度が向上されている例について説明する。なお、上記第１実施形態と同様の構成は、第１実施形態と同じ符号を付して図示するとともに説明を省略する。また、ピストン１１０は、本発明の「車両用機械部品」の一例である。
【００８０】
（ピストンの構成）
本発明の第２実施形態によるピストン１１０は、図１に示すように、アルミニウム合金からなるピストン本体１１と、断熱性が高い（熱伝導率の小さい）コーティング層１４０とを含んでいる。
【００８１】
＜コーティング層の構成＞
ここで、第２実施形態では、コーティング層１４０は、図６に示すように、ピストン本体１１の頂部１０ａにおける表面上に形成されたプライマー層１４４と、プライマー層１４４の表面上に形成された第１断熱層１４１と、第１断熱層１４１の表面上に形成された第２断熱層１４２と、第２断熱層１４２の表面上に形成された保護層１４３との４層構造により構成されている。なお、第１断熱層１４１および第２断熱層１４２は、本発明の「断熱層」の一例である。
【００８２】
プライマー層１４４は、ピストン本体１１と第１断熱層１４１との密着性を向上させるために設けられている。このプライマー層１４４は、層本体部１４４ａを含む一方、中空粒子や中実粒子は含有されていない。これにより、プライマー層１４４を介したピストン本体１１と第１断熱層１４１との接触面積を向上させることができるので、第１断熱層１４１とピストン本体１１との密着強度を向上させることが可能である。なお、第１断熱層１４１とピストン本体１１との密着強度を十分に向上させるために、プライマー層１４４を介したピストン本体１１と第１断熱層１４１との接触面積の割合（ピストン本体１１と第１断熱層１４１との対向面積に対する接触面積の割合）は、約６０％以上であるのが好ましい。
【００８３】
また、プライマー層１４４の厚みｔ５は、第１断熱層１４１とピストン本体１１との密着強度を十分に向上させること可能な厚みであれば、できるだけ小さい方が好ましい。具体的には、プライマー層１４４の厚みｔ５は、約１０μｍ以上約１００μｍ以下である。
【００８４】
第１断熱層１４１および第２断熱層１４２は、それぞれ、上記第１実施形態の第１断熱層４１および第２断熱層４２と同様に、層本体部４１ａおよび４２ａと、多数の中空粒子４１ｂおよび４２ｂとを含んでいる。なお、プライマー層１４４と第１断熱層１４１との密着性を向上させるために、プライマー層１４４の層本体部１４４ａと第１断熱層１４１の層本体部４１ａとは、同一の材料であるのが好ましい。
【００８５】
ここで、第２実施形態では、第２断熱層１４２側の第１断熱層１４１の表面には、微細な凹部１４１ｃが複数形成されている。この凹部１４１ｃに第２断熱層１４２の一部が入り込むことによって、せん断抵抗が大きくなり、第１断熱層１４１と第２断熱層１４２とが界面に沿った平行方向にずれるのが抑制される。その結果、第１断熱層１４１と第２断熱層１４２との密着性が向上されている。
【００８６】
なお、凹部１４１ｃの第２断熱層１４２側の開口の径Ｄ１は、約１０μｍ以上約５００μｍ以下であり、約１０μｍ以上約１００μｍ以下であるのが好ましい。さらに、径Ｄ１は、約３０μｍ以上約７０μｍ以下であるのがより好ましい。また、凹部１４１ｃ同士の間隔Ｌ１は、径Ｄ１の約１０倍以上であるのが好ましい。また、凹部１４１ｃの深さＨは、約１０μｍ以上約１００μｍ以下であり、約１０μｍ以上約５０μｍ以下であるのが好ましい。なお、凹部１４１ｃの深さＨは、第１断熱層１４１の厚みｔ２よりも小さい。
【００８７】
また、凹部１４１ｃは、第２断熱層１４２側の開口の径Ｄ１よりもプライマー層１４４側の底部の内径の方が大きくなるように内側面が傾斜して形成されているのが好ましい。これにより、せん断抵抗をさらに大きくすることが可能である。
【００８８】
さらに、第２断熱層１４２側の第１断熱層１４１の表面には、有機金属化合物を用いた改質処理により、第２断熱層１４２の層本体部４２ａの構成成分と結合する官能基が形成されている。具体的には、第１断熱層１４１の平坦面と複数形成された凹部１４１ｃの内面とを含む第１断熱層１４１の表面には、シラノール基（−Ｓｉ−ＯＨ）などを含むヒドロキシ基（−ＯＨ）、カルボニル基（−Ｃ＝Ｏ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）などの官能基が形成されている。この官能基は、酸素を含む共有結合内に組み込まれて第２断熱層１４２の無機化合物と共有結合を形成したり、第２断熱層１４２の共有結合の酸素と水素結合を形成したりする。これにより、第１断熱層１４１と第２断熱層１４２との密着性が向上されている。なお、第１断熱層１４１の表面の官能基は、Ｓｉを含む有機金属化合物（特殊改質剤）を混合した燃焼炎を第１断熱層１４１の表面に吹き付ける改質処理により形成される。
【００８９】
また、第２実施形態では、保護層１４３は、上記第１実施形態の保護層４３と同様に、層本体部４３ａと多数の無機中実粒子４３ｂとを含んでいる。ここで、保護層１４３の層本体部４３ａには、アルコキシドを用いて形成された金属酸化物からなる無機化合物中に、アミノ基（−ＮＨ2）を有する結合剤が分散されている。なお、結合剤は、アミノプロピルトリエトキシシランや、アミノプロピルトリメトキシシラン、アミノプロピルメチルジメトキシシランなどのアミノ系のカップリング剤から形成されており、層形成時にシロキサン結合の一部に入り込む。これにより、極性基であり水素結合を形成しやすいアミノ基を含む結合剤が保護層１４３の層本体部４３ａに分散される。この結合剤のアミノ基は、保護層１４３内の構成成分である共有結合（−Ｘ−Ｏ−Ｙ−：Ｘ（Ｙ）は、Ｓｉ、Ｚｒ、ＡｌまたはＣｅのいずれか）内の酸素と水素結合を形成したり、第２断熱層１４２の構成成分である共有結合（−Ｘ−Ｏ−Ｙ−）内の酸素と水素結合を形成したりする。これにより、保護層１４３の強度や、第２断熱層１４２と保護層１４３との密着性が向上されている。
【００９０】
なお、第１断熱層１４１の厚みｔ２および第２断熱層１４２の厚みｔ３は、共に、保護層１４３の厚みｔ４よりも大きく、かつ、プライマー層１４４の厚みｔ５よりも大きい。また、保護層１４３の厚みｔ４は、プライマー層１４４の厚みｔ５よりも大きい。なお、第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００９１】
（ピストンの製造プロセス）
次に、図１および図６を参照して、本発明の第２実施形態によるコーティング層１４０が形成されたピストン１１０の製造プロセスについて説明する。
【００９２】
まず、ピストン本体１１を準備する。そして、図６に示すように、所定の有機材料が含有される有機塗料をピストン本体１１の頂部１０ａ（図１参照）における表面上に塗布して焼き付ける。これにより、ピストン本体１１の頂部１０ａにおける表面上に、中空粒子が分散されていないプライマー層１４４が、所定の厚みｔ５になるように形成される。そして、上記第１実施形態と同様にして、プライマー層１４４の表面上に第１断熱層１４１を形成する。
【００９３】
ここで、第２実施形態の製造プロセスでは、レーザを照射するレーザ加工処理によって、第１断熱層１４１の表面に所定の大きさの微細な凹部１４１ｃを所定の間隔Ｌ１を隔てて複数形成する。その後、Ｓｉを含む有機金属化合物（特殊改質剤）を混合した燃焼炎を第１断熱層１４１の表面に吹き付ける改質処理を行う。この際、第１断熱層１４１の全体に対して燃焼炎を吹き付ける処理時間は、約５秒以上約５０秒以下である。これにより、有機金属化合物を用いた改質処理によって、第１断熱層１４１の表面（平坦面上および複数形成された凹部１４１ｃの内面）に、第２断熱層１４２の層本体部４２ａの構成成分と結合する官能基が形成される。
【００９４】
次に、上記第１実施形態と同様にして、第１断熱層１４１の表面上に第２断熱層１４２を形成する。この際、第２断熱層１４２の一部が第１断熱層１４１の凹部１４１ｃに入り込む。さらに、第１断熱層１４１の表面に形成された官能基が、酸素を含む共有結合内に組み込まれて第２断熱層１４２の無機化合物と共有結合をしたり、第２断熱層１４２の共有結合の酸素と水素結合を形成したりする。
【００９５】
最後に、第２断熱層１４２の表面上に保護層１４３を形成する。具体的には、まず、所定のアルコキシドが含まれる水性塗料に、所定の平均粒径を有する鱗片状の無機中実粒子４３ｂとアミノ系のカップリング剤とを添加して、攪拌機を用いて撹拌する。この際、鱗片状の無機中実粒子４３ｂが添加された水性塗料の重量を１００とした際に、アミノ系のカップリング剤の重量が約０．１％以上約１０％以下になるように、アミノ系のカップリング剤を添加する。
【００９６】
そして、アルコキシドとアミノ系のカップリング剤とが含まれる水性塗料を第２断熱層１４２の表面上に塗布して、熱処理などを行う。これにより、第２断熱層１４２の表面上に、鱗片状の無機中実粒子４３ｂが分散された保護層１４３が形成される。また、この際、保護層１４３の層本体部４３ａ（無機化合物）中には、アミノ基を有する結合剤が分散される。この結合剤のアミノ基が、各々、保護層１４３内の構成成分である酸素を含む共有結合（−Ｘ−Ｏ−Ｙ−：Ｘ（Ｙ）は、Ｓｉ、Ｚｒ、ＡｌまたはＣｅのいずれか）内の酸素と水素結合を形成したり、第２断熱層１４２の構成成分である共有結合（−Ｘ−Ｏ−Ｙ−）内の酸素と水素結合を形成したりする。この結果、図１に示すようなコーティング層１４０が頂部１０ａに形成されたピストン１１０が製造される。
【００９７】
（第２実施形態の効果）
上記第２実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【００９８】
第２実施形態では、上記のように、第１断熱層１４１および第２断熱層１４２上に、アルコキシドから形成された無機化合物から構成された層本体部４３ａと、層本体部４３ａ中に分散された鱗片状の無機中実粒子４３ｂとを含む保護層１４３を形成する。これにより、第１実施形態と同様に、保護層１４３により高温環境下においても第１断熱層１４１および第２断熱層１４２を維持することができ、その結果、ピストン１１０において高い断熱性を確保することできる。
【００９９】
また、第２実施形態では、保護層１４３の無機化合物（層本体部４３ａ）中において、カップリング剤から形成された結合剤のアミノ基が、第２断熱層１４２の構成成分である共有結合（−Ｘ−Ｏ−Ｙ−）内の酸素と水素結合を形成している。これにより、保護層１４３と第２断熱層１４２との密着強度を向上させることができるので、保護層１４３と第２断熱層１４２とをより強固に密着させることができる。
【０１００】
また、第２実施形態では、第１断熱層１４１の第２断熱層１４２側の表面に、有機金属化合物を用いた改質処理により、第２断熱層１４２の構成成分と結合する官能基を設ける。これにより、官能基により第１断熱層１４１と無機化合物を含む第２断熱層１４２との密着強度を向上させることができるので、第１断熱層１４１と第２断熱層１４２とをより強固に密着させることができる。
【０１０１】
また、第２実施形態では、第１断熱層１４１の第２断熱層１４２側の表面に第２断熱層１４２が入り込む凹部１４１ｃを設ける。これにより、凹部１４１ｃに第２断熱層１４２が入り込むことによって、第１断熱層１４１と第２断熱層１４２との密着強度を向上させることができる。これにより、第１断熱層１４１と第２断熱層１４２とをより強固に密着させることができる。
【０１０２】
また、第２実施形態では、ピストン本体１１と第１断熱層１４１との間で、かつ、ピストン本体１１の表面上に、中空粒子および中実粒子が分散されていない層本体部１４４ａを有するプライマー層１４４を配置する。これにより、プライマー層１４４によって、中空粒子および中実粒子が直接的にピストン本体と接するのを抑制することができるので、プライマー層１４４を介した第１断熱層１４１とピストン本体１１との接着面積を確実に大きくすることができる。
【０１０３】
また、第２実施形態では、第１断熱層１４１の厚みｔ２および第２断熱層１４２の厚みｔ３を、共に、保護層１４３の厚みｔ４よりも大きく、かつ、プライマー層１４４の厚みｔ５よりも大きくする。これにより、第１断熱層１４１および第２断熱層１４２を大きくすることができるので、ピストン１１０の断熱性を確実に向上させることができる。なお、第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【０１０４】
[第２実施例]
次に、図６〜図９を参照して、本発明の第２実施形態の効果を確認するために第２実施例として行った、密着強度に関する試験（クロスカット試験、碁盤目試験および密着強度測定試験）について説明する。
【０１０５】
（クロスカット試験）
＜試験材の構成＞
クロスカット試験では、上記第２実施形態における第１断熱層１４１と第２断熱層１４２（図６参照）との密着性を確認した。このクロスカット試験では、まず、試験材として、ＡＣ８Ａ−Ｔ６のアルミニウム合金の板材から構成された所定の基材上に、上記第２実施形態の第１断熱層１４１と第２断熱層１４２とがこの順で形成された試験材１を準備した。なお、ＡＣ８Ａ−Ｔ６の組成は、Ｓｉ：１１質量％以上１３質量％以下、Ｃｕ：０．８質量％以上１．３質量％以下、Ｍｇ：０．７質量％以上１．３質量％以下、Ｎｉ：０．８質量％以上１．５質量％以下、Ｆｅ：０．８質量％以下、Ｚｎ：０．１５質量％以下、Ｍｎ：０．１５質量％以下、Ｔｉ：０．２０質量％以下、Ｃｒ：０．１０質量％以下、Ｓｎ：０．０５質量％以下、Ｐｂ：０．０５質量％以下、Ａｌ：残部である。
【０１０６】
具体的には、Ｎ−メチル−２−ピロリドンを含有する有機塗料に、シリカから外殻が構成され、１９．７６μｍの平均粒径を有する中空粒子４１ｂを添加して、攪拌機を用いて撹拌した。この際、有機塗料の重量を１００とした際に、１３０％の重量になるように、中空粒子４１ｂを有機塗料に添加した。そして、中空粒子４１ｂが添加された有機塗料を所定の基材の表面上に塗布して焼き付けた。これにより、所定の基材の表面上に、ポリイミドを含む樹脂からなる層本体部４１ａと、層本体部４１ａ中に分散された多数の中空粒子４１ｂとを含む第１断熱層１４１を形成した。この際、第１断熱層１４１が１００μｍの厚みｔ１になるように形成した。
【０１０７】
そして、レーザを照射するレーザ加工処理によって、第１断熱層１４１の表面に微細な凹部１４１ｃ（図６参照）を複数形成した。なお、凹部１４１ｃとして、３０μｍの開口Ｄ１を有するとともに、３６μｍの深さＨを有するように形成した。また、複数の凹部１４１ｃを、５００μｍの間隔Ｌ１で各々形成した。その後、Ｓｉを含む有機金属化合物（特殊改質剤）を混合した燃焼炎を第１断熱層１４１の表面に吹き付ける改質処理を行った。この有機金属化合物を用いた改質処理により、第１断熱層１４１の表面（平坦面上および複数形成された凹部１４１ｃの内面）に、第２断熱層１４２の層本体部４２ａの構成成分と結合する官能基を形成した。最後に、上記第１実施例の実施例１の第２断熱層４２と同様にして、第１断熱層１４１の表面上に第２断熱層１４２を形成した。これにより、試験材１を作製した。
【０１０８】
一方、レーザ加工処理および改質処理を行わない点以外は試験材１と同様にして、試験材２を作製した。
【０１０９】
そして、試験材１および２に対して、クロスカット試験を行った。具体的には、旧ＪＩＳ  Ｋ５４００に従い、試験材１および２の各々の第２断熱層の表面にＸ字状に切り込みを形成した。その後、切り込み部分に粘着テープを強く圧着させた後に所定の角度で一気に引きはがすことによって、Ｘ字状の切り込みの状態を観察した。
【０１１０】
＜クロスカット試験の結果＞
図７に示すクロスカット試験の結果としては、レーザ加工処理および改質処理を行った試験材１ではＸ字状の切り込みの周辺に第２断熱層の剥離はほとんど観察されなかった。一方、レーザ加工処理および改質処理を行わなかった試験材２ではＸ字状の切り込みの周辺に第２断熱層の剥離が観察された。これにより、試験材１では、第１断熱層１４１と第２断熱層１４２とがより強固に密着していることが確認できた。この結果、レーザ加工処理によって形成された凹部１４１ｃと、改質処理を行うことによって形成された官能基とにより、第１断熱層１４１と第２断熱層１４２との密着性を向上させることが可能であることが確認できた。なお、改質処理により、第１断熱層１４１の表面の極性が低いポリイミドを含む樹脂に活性な官能基が形成されたので、第１断熱層１４１の表面と水性塗料との濡れ性が向上し、その結果、第１断熱層１４１と第２断熱層１４２との密着性が向上したと考えられる。
【０１１１】
（碁盤目試験）
＜試験材の構成＞
碁盤目試験では、上記第２実施形態における第２断熱層１４２と保護層１４３（図６参照）との密着性を確認した。この碁盤目試験では、まず、試験材として、ＡＣ８Ａ−Ｔ６のアルミニウム合金の板材から構成された所定の基材上に、上記第２実施形態の第２断熱層１４２と保護層１４３とがこの順で形成された試験材３を準備した。具体的には、上記第１実施例の実施例１の第２断熱層４２と同様に、所定の基材の表面上に第２断熱層１４２を形成した。
【０１１２】
そして、第２断熱層１４２の表面上に保護層１４３を形成した。具体的には、アルコキシドが含有された水性塗料に、タルクから構成され、５．６１μｍの平均粒径を有する無機中実粒子４３ｂとアミノ系のカップリング剤として、アミノプロピルトリエトキシシランとを添加して、攪拌機を用いて撹拌した。この際、鱗片状の無機中実粒子４３ｂが添加された水性塗料の重量を１００とした際に、アミノ系のカップリング剤の重量が５％になるように、アミノ系のカップリング剤を添加した。そして、無機中実粒子４３ｂが添加された水性塗料を第２断熱層１４２の表面上に塗布して熱処理を行った。これにより、第２断熱層１４２の表面上に、ケイ酸およびジルコニアから主に構成された無機化合物からなる層本体部４３ａと、層本体部４３ａ中に分散された多数の無機中実粒子４３ｂとを含み、アミノ系のカップリング剤により形成されたアミノ基を有する結合剤が分散された保護層１４３を形成した。この際、保護層１４３が２０μｍの厚みｔ４になるように形成した。また、無機中実粒子４３ｂは、保護層１４３内において、６５体積％になるように分散されていた。これにより、試験材３を作製した。
【０１１３】
一方、アミノ系のカップリング剤を添加しない点以外は試験材３と同様にして、試験材４を作製した。
【０１１４】
そして、試験材３および４に対して、碁盤目試験を行った。具体的には、ＪＩＳ  Ｋ５６００に従い、試験材３および４の各々の保護層の表面に格子状に切り込みを形成した。その後、切り込み部分に粘着テープを強く圧着させた後に所定の角度で一気に引きはがすことによって、格子状の切り込みの状態を観察した。
【０１１５】
＜碁盤目試験の結果＞
図８に示す碁盤目試験の結果としては、アミノ系のカップリング剤を添加した試験材３では格子状の切り込みの周辺に保護層の剥離はほとんど観察されずに、格子状の切り込みが明確に確認された。一方、アミノ系のカップリング剤を添加しなかった試験材４では格子状の切り込みが確認できない程度にまで保護層が剥離していた。これにより、試験材３では、第２断熱層１４２と保護層１４３とがより強固に密着していることが確認できた。この結果、アミノ系のカップリング剤を添加することによって形成されたアミノ基を有する結合剤により、第２断熱層１４２と保護層１４３との密着性を向上させることが可能であることが確認できた。
【０１１６】
（密着強度測定試験）
＜試験材の構成＞
密着強度測定試験では、各々の界面の密着強度を具体的に確認した。この密着強度測定試験では、まず、試験材として、上記したクロスカット試験および碁盤目試験において用いた、試験材１〜４と同一の試験材を用いた。さらに、レーザ加工処理のみを行い、改質処理を行わない点以外は、試験材１と同様にして、試験材１ａを作製した。また、改質処理のみを行い、レーザ加工処理を行わない点以外は、試験材１と同様にして、試験材１ｂを作製した。また、アミノ系のカップリング剤の代わりに、ビニル系のカップリング剤として、ビニルトリメトキシシラン、エポキシ系のカップリング剤として、グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、メタクリル系のカップリング剤として、メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、および、イソシアネート系のカップリング剤として、イソシアナトプロピルトリメトキシシランをそれぞれ添加した点以外は試験材３と同様にして、試験材５ａ、５ｂ、５ｃおよび５ｄを作製した。
【０１１７】
また、上記第２実施形態におけるプライマー層１４４を介したピストン本体１１と第１断熱層１４１（図６参照）との密着性を確認するために、試験材として、所定の基材上にプライマー層１４４と第１断熱層１４１とがこの順で形成された試験材６を準備した。具体的には、ピストン本体１１に対応する、ＡＣ８Ａ−Ｔ６のアルミニウム合金の板材から構成された所定の基材の表面上に、上記第２実施形態のプライマー層１４４を形成した。具体的には、Ｎ−メチル−２−ピロリドンを含有する有機塗料を所定の基材の表面上に塗布して焼き付けた。これにより、所定の基材の表面上に、ポリイミドを含む樹脂からなる層本体部１４３ａを含む一方、中空粒子および中実粒子を含まないプライマー層１４４を形成した。この際、プライマー層１４４が１５μｍの厚みｔ５になるように形成した。その後、上記第１実施例の実施例１の第１断熱層４１と同様にして、プライマー層１４４の表面上に第１断熱層１４１を形成した。これにより、試験材６を作製した。
【０１１８】
一方、プライマー層を形成しない点以外は試験材６と同様にして、試験材７を作製した。
【０１１９】
また、本密着強度測定試験においては、所定の基材の所定の層（プライマー層、第１断熱層および第２断熱層）が形成される領域に対して、表面粗さ（Ｒａ）が６〜１０になるようにフライス加工を行うとともに、封孔処理を行わないアルマイト処理を行った。また、試験材１〜６、１ａ、１ｂおよび５ａ〜５ｄの最外層（第１断熱層、第２断熱層および保護層）の表面に、深さ１ｍｍ程度の溝を周状に形成した。
【０１２０】
そして、試験材１〜６、１ａ、１ｂおよび５ａ〜５ｄに対して、薄膜密着強度測定装置を用いて、密着強度測定試験を行った。具体的には、薄膜密着強度測定装置の円筒状のピン（外径：７．１ｍｍ）の底部を、試験材の最外層の表面に形成された溝に囲まれた領域内に接着した。そして、１０３０Ｎの引張加重を加えながら一定速度（２０ｍｍ／秒）で引き上げることにより、試験材の最外層を引きはがした。そして、最外層が引きはがされた際の強度（ＭＰａ）を密着強度とした。
【０１２１】
また、鱗片状の無機中実粒子４３ｂが添加された水性塗料の重量を１００とした場合におけるアミノ系のカップリング剤の重量（添加量）を、０％〜１０％まで０．１％ずつ変化させた点以外は試験材３と同様にして、試験材８を各々作成して密着強度を測定し、密着強度の変化をグラフにした。
【０１２２】
＜密着強度試験の結果＞
【表２】
0006339118.tif 000003
【０１２３】
【表３】
0006339118.tif 000004
【０１２４】
【表４】
0006339118.tif 000005
【０１２５】
表２に示す第１断熱層と第２断熱層との界面における密着強度試験（試験材１、１ａ、１ｂおよび２の密着強度試験）の結果としては、レーザ加工処理および改質処理の少なくともいずれか一方が行われた試験材１、１ａおよび１ｂでは、レーザ加工処理および改質処理のいずれも行われていない試験材２の密着強度と比べて、明らかに密着強度が大きくなった。さらに、レーザ加工処理および改質処理の両方が行われた試験材１では、レーザ加工処理または改質処理のいずれか一方のみが行われた試験材１ａおよび１ｂの密着強度と比べて、２倍近く密着強度が大きくなった。これにより、レーザ加工処理により形成された凹部および改質処理により形成された官能基により、第１断熱層と第２断熱層との密着強度を向上させることができるとともに、凹部と官能基とを両方形成することによって、凹部または官能基のいずれか一方のみを形成する場合と比べて、２倍近い密着強度が得られることが確認できた。
【０１２６】
また、表３に示す第２断熱層と保護層との界面における密着強度試験（試験材３、４および５ａ〜５ｄの密着強度試験）の結果としては、いずれかの種類のカップリング剤が保護層に添加された試験材３および５ａ〜５ｄでは、カップリング剤が保護層に添加されていない試験材４の密着強度と比べて、明らかに密着強度が大きくなった。さらに、アミノ系のカップリング剤が保護層に添加された試験材３では、他のビニル系、エポキシ系、メタクリル系およびイソシアネート系のカップリング剤が保護層にそれぞれ添加された試験材５ａ〜５ｄの密着強度と比べて、３倍近く密着強度が大きくなった。これにより、カップリング剤により形成された官能基（アミノ基（−ＮＨ2）、ビニル基（−ＣＨ＝ＣＨ2）、エポキシ基（３員環のエーテル）、メタクリル基（ＣＨ2＝Ｃ（ＣＨ3）−ＣＯ−）およびイソシアネート基（−Ｎ＝Ｃ＝Ｏ））を有する結合剤により、第２断熱層と保護層との密着強度を向上させることができるとともに、アミノ基を有する結合剤により特に高い密着強度が得られることが確認できた。なお、アミノ基は、極性基であり、多種の元素と水素結合を形成することが可能であるため、第２断熱層と保護層との密着性がより向上したと考えられる。
【０１２７】
また、表４に示す所定の基材（ピストン本体）と第１断熱層との界面における密着強度試験（試験材６および７の密着強度試験）の結果としては、所定の基材と第１断熱層との界面にプライマー層が形成された試験材６では、プライマー層が形成されていない試験材７の密着強度と比べて、３倍近く密着強度が大きくなった。これにより、プライマー層を介することによって、所定の基材と第１断熱層との接着面積が向上して、所定の基材と第１断熱層との密着性をより向上させることが可能であることが確認できた。
【０１２８】
また、図９に示す試験材８の密着強度の変化を示したグラフから、アミノ系のカップリング剤を水性塗料に重量比で０．１％以上１０％以下添加することによって、第２断熱層と保護層との密着強度を向上させることができることが確認できた。また、アミノ系のカップリング剤を水性塗料に重量比で３％以上６％以下添加することによって、第２断熱層と保護層との密着強度を８ＭＰａ以上に大きくすることができることが確認できた。
【０１２９】
［第３実施形態］
次に、図１および図１０〜図１２を参照して、本発明の第３実施形態によるピストン２１０の構成について説明する。この第３実施形態によるピストン２１０では保護層２４３に空隙２４３ｃが形成された例について説明する。なお、上記第１実施形態と同様の構成は、第１実施形態と同じ符号を付して図示するとともに説明を省略する。また、ピストン２１０は、本発明の「車両用機械部品」の一例である。
【０１３０】
（ピストンの構成）
本発明の第３実施形態によるピストン２１０は、図１および図１０に示すように、アルミニウム合金からなるピストン本体１１と、断熱性が高い（熱伝導率の小さい）コーティング層２４０とを含んでいる。
【０１３１】
＜コーティング層の構成＞
ここで、第３実施形態では、コーティング層２４０は、図１０および図１１に示すように、ピストン本体１１の頂部１０ａにおける表面上に形成されたアルマイト層２４１と、アルマイト層２４１の表面２４１ｅ上に形成された保護層２４３との２層構造により構成されている。なお、アルマイト層２４１は、本発明の「断熱層」および「陽極酸化被膜層」の一例である。
【０１３２】
アルマイト層２４１は、ピストン本体１１を構成するアルミニウム合金に対して、化成処理のうちの陽極酸化処理を行うことによって形成されている。つまり、アルマイト層２４１は、アルミニウム合金よりも熱伝導率の小さいアルミニウムの酸化物（アルミナ）から主に構成されている。これにより、アルマイト層２４１は、アルミニウム合金からなるピストン本体１１よりも断熱性が高い。さらに、ピストン本体１１とアルマイト層２４１とが一体的に形成されていることによって、ピストン本体１１とアルマイト層２４１との密着強度は大きい。
【０１３３】
保護層２４３は、保護層２４３を主に形成する層本体部４３ａと、層本体部４３ａ中に分散された鱗片状の無機中実粒子４３ｂとを含んでいる。
【０１３４】
また、アルマイト層２４１では、図１２に示すように、アルミナから主に構成された多数の微細なセル２４１ｄが、アルマイト層２４１の保護層２４３側（Ｚ１側）の表面２４１ｅからＺ２側に向かって厚み方向（Ｚ方向）に延びている。また、セル２４１ｄ間には、ナノメータサイズの孔径Ｄ２を有するナノ孔部２４１ｆが形成されている。このナノ孔部２４１ｆは、表面２４１ｅから厚み方向に延びている。なお、セル２４１ｄの径Ｗは、約２５ｎｍ以上約３００ｎｍ以下であり、約５０ｎｍ以上約３００ｎｍ以下であるのが好ましい。また、ナノ孔部２４１ｆの孔径Ｄ２は、約１０ｎｍ以上約３５０ｎｍ以下であり、約５０ｎｍ以上約２５０ｎｍ以下であるのが好ましい。
【０１３５】
また、図１０に示すように、アルマイト層２４１には、表面２４１ｅから厚み方向に延びる、マイクロ孔部２４１ｇと、アルマイト層２４１の層内に形成され、マイクロ孔部２４１ｇと連通しない層内マイクロ孔部２４１ｈとが形成されている。このマイクロ孔部２４１ｇは、マイクロメータサイズの孔径Ｄ３をしている。具体的には、孔径Ｄ３は、約１μｍ以上約３μｍ以下である。
【０１３６】
また、アルマイト層２４１において、ナノ孔部２４１ｆと、マイクロ孔部２４１ｇと、層内マイクロ孔部２４１ｈとの合計が占める割合（孔存在率）は、約５％以上約８０％以下である。なお、孔存在率（％）は、アルマイト層２４１のアルマイト層２４１の所定の断面におけるナノ孔部２４１ｆと、マイクロ孔部２４１ｇと、層内マイクロ孔部２４１ｈとの合計が占める面積を、所定の断面の面積で除算して１００を乗算することによって、算出することが可能である。
【０１３７】
また、図１１および図１２に示すように、アルマイト層２４１のナノ孔部２４１ｆの一部およびマイクロ孔部２４１ｇの一部には、保護層２４３の層本体部４３ａを構成する無機化合物が含浸している（入り込んでいる）。これにより、アルマイト層２４１が保護層２４３の無機化合物により保護されることによって、アルマイト層２４１の脆化が抑制されているとともに、アルマイト層２４１と保護層２４３との密着強度が向上されている。さらに、アルマイト層２４１の硬度も向上されている。
【０１３８】
ここで、ナノ孔部２４１ｆにおいては、主に、無機化合物はナノ孔部２４１ｆの全体を埋めるように含浸している。一方、マイクロ孔部２４１ｇにおいては、主に、無機化合物はマイクロ孔部２４１ｇの表面２４１ｅ近傍の内部のみに含浸している。これは、毛細管現象により、ナノ孔部２４１ｆの方がマイクロ孔部２４１ｇよりも液体（下記する水性塗料）が内部を流通しやすいことによる。
【０１３９】
一方、ナノ孔部２４１ｆの無機化合物が含浸していない残部、および、マイクロ孔部２４１ｇの無機化合物が含浸していない残部は、空隙となっている。さらに、層内マイクロ孔部２４１ｈは、無機化合物が含浸しておらず、空隙となっている。これらアルマイト層２４１に形成された空隙は熱伝導率が小さいことによって、アルマイト層２４１の断熱性が向上されている。
【０１４０】
また、アルマイト層２４１に形成されたマイクロ孔部２４１ｇのうち、無機化合物が含浸しているマイクロ孔部２４１ｇの割合（空孔率）は、アルマイト層２４１に形成されたナノ孔部２４１ｆのうち、無機化合物が含浸しているナノ孔部２４１ｆの割合（空孔率）よりも大きい。なお、空孔率（％）とは、アルマイト層２４１の所定の断面において、マイクロ孔部２４１ｇ（ナノ孔部２４１ｆ）内に存在している無機化合物の占める断面積を、マイクロ孔部２４１ｇ（ナノ孔部２４１ｆ）の断面積で除算して１００を乗算した値である。
【０１４１】
なお、マイクロ孔部２４１ｇの空孔率は、約３０％以上約４５％以下であるのが好ましい。一方、ナノ孔部２４１ｆの空孔率は、約１０％以上約２０％以下であるのが好ましい。
【０１４２】
また、図１０に示すように、アルマイト層２４１の厚みｔ６は、約１０μｍ以上約１０００μｍ以下である。なお、アルマイト層２４１の厚みｔ６は、約３０μｍ以上であるのが好ましい。これにより、アルマイト層２４１の断熱性を十分に確保すること可能である。また、アルマイト層２４１の厚みｔ６は、約５００μｍ以下であるのが好ましく、約２００μｍ以下であるのがより好ましい。これにより、アルマイト層２４１の形成時間が長時間になるのを抑制することが可能である。
【０１４３】
保護層２４３では、厚み方向（Ｚ方向）に積層された鱗片状の無機中実粒子４３ｂの層間に無機化合物から構成される層本体部４３ａが位置することによって、保護層２４３が形成されている。
【０１４４】
ここで、第３実施形態では、図１１に示すように、保護層２４３に、厚み方向（Ｚ方向）と直交する横方向（Ｙ方向）に延びる複数の空隙２４３ｃが形成されている。この空隙２４３ｃは、鱗片状の無機中実粒子４３ｂの層間のうち、層本体部４３ａが配置されない層間に形成されている。この空隙２４３ｃにより、保護層２４３における断熱性が向上されている。なお、保護層２４３における空隙２４３ｃの割合（空隙率）は、約１．５％以上約５％以下である。ここで、保護層２４３における空隙率が約５％以下で十分に小さいことによって、保護層２４３においてクラックが発生するのを十分に抑制することが可能である。なお、空隙２４３ｃは、全体として横方向に延びるように形成されていればよい。つまり、空隙２４３は、厚み方向に延びる部分を若干有していてもよい。
【０１４５】
また、空隙２４３ｃの厚み方向（Ｚ方向）と直交する横方向（Ｙ方向）の長さＬ２は、約５μｍ以上になるように形成されるのが好ましい。また、空隙２４３ｃの長さＬ２は、鱗片状の無機中実粒子４３ｂの平均粒径以上であるのが好ましい。
【０１４６】
なお、保護層２４３の厚みｔ７は、約１０μｍ以上約５００μｍ以下である。保護層２４３の厚みｔ７を約１０μｍ以上にすることにより、保護層２４３における耐熱性を確実に維持することが可能である。保護層２４３の厚みｔ７を約５００μｍ以下にすることにより、保護層２４３の層内に応力が集中するのを抑制することが可能である。なお、保護層２４３の厚みｔ７は、約３００μｍ以下であるのが好ましい。これにより、保護層２４３の層内に応力が集中するのを効果的に抑制することができるので、良好な保護層２４３を維持することが可能である。
【０１４７】
また、第２実施形態と同様に、アルコキシドを用いて形成された層本体部４３ａの無機化合物中に、アミノ基（−ＮＨ2）を有する結合剤を分散させてもよい。
【０１４８】
また、コーティング層２４０の耐熱性は、約１０００℃程度であり、内燃機関１００内に配置された際に高温になるピストン本体１１の頂部１０ａにおいても、十分に物性を維持することが可能である。また、コーティング層２４０の熱伝導率は、約０．６Ｗ／ｍ・Ｋ以下であるのが好ましく、約０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以下であるのがより好ましい。また、コーティング層２４０の単位体積当たりの比熱は、約１９００ｋＪ／ｍ3・Ｋ以下であるのが好ましく、約１８００ｋＪ／ｍ3・Ｋであるのがより好ましい。また、コーティング層２４０の単位体積当たりの比熱は、約１７００ｋＪ／ｍ3・Ｋ以下であるのがさらに好ましい。なお、第３実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【０１４９】
（ピストンの製造プロセス）
次に、図１および図１０〜図１５を参照して、本発明の第３実施形態によるコーティング層２４０が形成されたピストン２１０の製造プロセスについて説明する。
【０１５０】
まず、ピストン本体１１を準備する。そして、ピストン本体１１の頂部１０ａ（図１参照）における表面に対して、化成処理としての陽極酸化処理を行う。具体的には、ピストン本体１１の頂部１０ａにおける表面以外をマスクした状態で、ピストン本体１１を、硫酸やシュウ酸、リン酸などの酸を含む処理液中に配置する。そして、処理液を所定の温度に維持した状態で、処理液中に配置された電極（図示せず）とピストン本体１１との間に、所定時間だけ所定の電圧を印加する。これにより、図１３に示すように、ピストン本体１１の表面のアルミニウムが酸化してピストン本体１１の表面上にアルマイト層２４１が形成される。この際、ナノ孔部２４１ｆが厚み方向（Ｚ方向）に延びるようにアルマイト層２４１に形成される。また、アルミニウム合金のうちのアルミニウム以外の合金成分（添加元素）の固溶体や添加物などが処理液中に移動することなどによって、図１１に示すように、マイクロ孔部２４１ｇや層内マイクロ孔部２４１ｈがアルマイト層２４１に形成される。
【０１５１】
なお、上記陽極酸化処理後に、ナノ孔部２４１ｆの孔径Ｄ２や、マイクロ孔部２４１ｇの孔径Ｄ３を拡大する処理を行ってもよい。この孔径を拡大する処理は、リン酸などの酸を含む処理液にピストン本体１１を所定時間浸漬することによって行われる。この孔径を拡大する処理の有無や、処理液中の酸の種類および濃度、処理液の温度、処理時間や電圧値などを陽極酸化処理時に調整することによって、アルマイト層２４１の孔存在率を調整することが可能である。また、図１３に示すように、ナノ孔部２４１ｆの孔径Ｄ２が大きくなるようにアルマイト層２４１を形成してもよいし、図１４に示すように、ナノ孔部２４１ｆの孔径Ｄ２が小さくなるようにアルマイト層２４１を形成してもよい。
【０１５２】
その後、図１２に示すように、アルマイト層２４１の表面２４１ｅ上に保護層２４３を形成する。具体的には、まず、所定のアルコキシドが含まれる水性塗料に、所定の平均粒径を有する鱗片状の無機中実粒子４３ｂと所定の溶媒（たとえば、イソプロピルアルコールまたはポリエチレングリコールなど）とを添加して、攪拌機を用いて撹拌する。この際、水性塗料にアミノ系のカップリング剤を添加してもよい。この場合、アミノ系のカップリング剤が約０．１％以上約１０％以下の重量比になるように、水性塗料にアミノ系のカップリング剤を添加するのが好ましい。
【０１５３】
ここで、第３実施形態では、水性塗料への溶媒の添加量を調整することによって、水性塗料の粘度を調整する。なお、水性塗料の粘度としては、約５ｍＰａ・ｓ以上約１５ｍＰａ・ｓ以下であるのが好ましい。ここで、鱗片状の無機中実粒子４３ｂが添加された水性塗料の重量を１００とした際に、溶媒の重量が約２０％以上約５０％以下になるように、溶媒を添加する。
【０１５４】
そして、粘度が調整された水性塗料をアルマイト層２４１の表面２４１ｅ上に塗布して、熱処理などを行う。これにより、アルマイト層２４１の表面２４１ｅ上に、鱗片状の無機中実粒子４３ｂが分散された保護層２４３が形成される。この際、鱗片状の無機中実粒子４３ｂが層状に積層されることによって、図１１に示すように、無機中実粒子４３ｂの層間に、層本体部４３ａ（無機化合物）が位置する。これにより、層本体部４３ａと無機中実粒子４３ｂとにより、強固な保護層２４３が構成される。また、無機中実粒子４３ｂの層間のうち、層本体部４３ａが位置しない領域に、厚み方向（Ｚ方向）と直交する横方向（Ｙ方向）に延びる複数の空隙２４３ｃが形成される。
【０１５５】
さらに、水性塗料のうちの鱗片状の無機中実粒子４３ｂを除く液体成分は、アルマイト層２４１のナノ孔部２４１ｆおよびマイクロ孔部２４１ｇの内部に含浸する。ここで、ナノ孔部２４１ｆでは、毛細管現象による水性塗料の移動が大きく、その結果、水性塗料は、ナノ孔部２４１ｆの全体を埋めるように含浸しやすい。一方、ナノ孔部２４１ｆよりも孔径が大きいマイクロ孔部２４１ｇでは、毛細管現象による水性塗料の移動が少ない。このため、水性塗料は、マイクロ孔部２４１ｇの全体を埋めるように含浸しにくい。この結果、アルマイト層２４１に形成されたマイクロ孔部２４１ｇのうち、水性塗料由来の無機化合物が入り込んでいるマイクロ孔部２４１ｇの割合（空孔率）は、アルマイト層２４１に形成されたナノ孔部２４１ｆのうち、無機化合物が入り込んでいるナノ孔部２４１ｆの割合（空孔率）よりも大きくなる。
【０１５６】
また、たとえば、水性塗料の粘度を約１５ｍＰａ・ｓ程度に大きく調整した場合には、水性塗料はナノ孔部２４１ｆおよびマイクロ孔部２４１ｇの内部を移動しにくい。これにより、図１２に示すように、ナノ孔部２４１ｆおよびマイクロ孔部２４１ｇにおいて、無機化合物が入り込んでいない空隙の割合（空孔率）が大きくなる。一方、水性塗料の粘度を約５ｍＰａ・ｓ程度に小さく調整した場合には、水性塗料はナノ孔部２４１ｆおよびマイクロ孔部２４１ｇの内部を移動しやすい。これにより、図１５に示すように、ナノ孔部２４１ｆおよびマイクロ孔部２４１ｇにおいて、無機化合物が入り込んでいない空隙の割合（空孔率）が小さくなる。なお、水性塗料の粘度は、約１５ｍＰａ・ｓより大きくしてもよいし、約５ｍＰａ・ｓよりも小さくしてもよい。
【０１５７】
また、水性塗料にアミノ系のカップリング剤を添加していた場合には、保護層２４３の層本体部４３ａ（無機化合物）中には、アミノ基を有する結合剤が分散される。この結合剤のアミノ基が、各々、保護層２４３内の構成成分である酸素を含む共有結合（−Ｘ−Ｏ−Ｙ−：Ｘ（Ｙ）は、Ｓｉ、Ｚｒ、ＡｌまたはＣｅのいずれか）内の酸素と水素結合を形成したり、アルマイト層２４１を構成するアルミナの共有結合（−Ａｌ−Ｏ−Ａｌ−）内の酸素と水素結合を形成したりする。この結果、図１に示すようなコーティング層２４０が頂部１０ａに形成されたピストン２１０が製造される。
【０１５８】
（第３実施形態の効果）
上記第３実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【０１５９】
第３実施形態では、上記のように、アルマイト層２４１上に、アルコキシドから形成された無機化合物から構成された層本体部４３ａと、層本体部４３ａ中に分散された鱗片状の無機中実粒子４３ｂとを含む保護層２４３を形成する。これにより、第１実施形態と同様に、保護層２４３により高温環境下においてもアルマイト層２４１を維持することができ、その結果、ピストン２１０において高い断熱性を確保することできる。
【０１６０】
また、第３実施形態では、保護層２４３に、厚み方向（Ｚ方向）と直交する横方向（Ｙ方向）に延びる複数の空隙２４３ｃを設ける。これにより、熱伝導率の小さい空隙２４３ｃにより保護層２４３における断熱性を向上させることができるので、アルマイト層２４１だけでなく保護層２４３によっても、ピストン２１０において高い断熱性を確保することできる。また、空隙２４３ｃが横方向に長いことによって、厚み方向に長い空隙と比べて、保護層２４３の横方向のより広い範囲に亘って熱伝導率の小さい空隙２４３ｃを位置させることができるので、保護層２４３の熱伝導性を広範囲に低下させることができる。
【０１６１】
また、第３実施形態では、空隙２４３ｃを、保護層２４３内で積層された鱗片状の無機中実粒子４３ｂの層間に形成する。これにより、鱗片状の無機中実粒子４３ｂに阻害されることなく、横方向に長い空隙２４３ｃを保護層２４３に容易に形成することができる。
【０１６２】
また、第３実施形態では、マイクロ孔部２４１ｇおよびナノ孔部２４１ｆに無機化合物を含浸させることによって、マイクロ孔部２４１ｇおよびナノ孔部２４１ｆに含浸される無機化合物と保護層２４３の無機化合物とを一体化することができるので、アルマイト層２４１の脆化を抑制することができるとともに、アルマイト層２４１と保護層２４３とを強固に密着させることができる。
【０１６３】
また、第３実施形態では、マイクロ孔部２４１ｇの空孔率を、ナノ孔部２４１ｆの空孔率よりも大きくする。これにより、マイクロ孔部２４１ｇの空孔率をナノ孔部２４１ｆの空孔率よりも大きくすることによって、ナノ孔部２４１ｆの空孔率を比較的小さくしてアルマイト層２４１の硬度を保ちつつ、マイクロ孔部２４１ｇの空孔率を大きくしてアルマイト層２４１の熱伝導率を小さくすることができる。なお、第３実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【０１６４】
[第３実施例]
次に、図１、図１０〜図１７を参照して、上記第３実施形態の一例（第３実施例）として行ったピストン２１０の性能試験について説明する。
【０１６５】
（特性評価）
＜実施例および比較例の構成＞
まず、実施例３のピストン２１０（図１参照）を作製した。なお、ピストン本体１１を構成するアルミニウム合金として、上記第１実施例で用いたＡＣ８Ａ−Ｔ６相当のアルミニウム合金と同一のアルミニウム合金を用い、鋳造により所定の形状に形成した。
【０１６６】
そして、図１０および図１１に示すように、ピストン本体１１の頂部１０ａにおける表面上にアルマイト層２４１を形成した。具体的には、ピストン本体１１の頂部１０ａにおける表面以外をマスクした状態で、ピストン本体１１を、３０ｇ／Ｌのシュウ酸溶液（処理液）中に配置した。そして、処理液を１８℃に維持した状態で、処理液中に配置された電極（図示せず）とピストン本体１１との間に、２時間だけ１００Ｖの定電圧を印加した。これにより、ピストン本体１１の表面のアルミニウムを酸化させて、ピストン本体１１の表面上にアルマイト層２４１を形成した。この際、アルマイト層２４１の厚みｔ６が５０〜６０μｍの範囲内になるようにアルマイト層２４１を形成した。
【０１６７】
その後、図１０〜図１２に示すように、アルマイト層２４１の表面２４１ｅ上に保護層２４３を形成した。具体的には、まず、アルコキシドとしてケイ素アルコキシドとジルコニウムアルコキシドとが含有された水性塗料に、マイカから構成され、５．８２μｍの平均粒径を有する無機中実粒子４３ｂとイソプロピルアルコールとを添加して、攪拌機を用いて撹拌した。この際、撹拌後の水性塗料の粘度が５ｍＰａ・ｓになるように調整した。そして、無機中実粒子４３ｂが添加された水性塗料をアルマイト層２４１の表面２４１ｅ上に塗布して熱処理を行った。これにより、アルマイト層２４１の表面２４１ｅ上に、ケイ酸およびジルコニアから主に構成された無機化合物からなる層本体部４３ａと、層本体部４３ａ中に分散された多数の無機中実粒子４３ｂとを含む保護層２４３を形成した。この際、保護層２４３の厚みｔ７が２０〜３０μｍの範囲内になるように保護層２４３を形成した。また、無機中実粒子４３ｂは、保護層２４３内において、６５体積％になるように分散されていた。これにより、実施例３のピストン２１０を作製した。
【０１６８】
一方、比較例として、上記した第１実施例の比較例３および４のピストンを用いた。さらに、比較例５のピストンを作製した。この比較例５のピストンは、実施例３のピストン２１０と異なり、保護層が形成されていない。つまり、比較例５のピストンでは、厚みが５０〜６０μｍの範囲内になるようにアルマイト層を形成する一方、保護層は形成しなかった。
【０１６９】
そして、形成した実施例３のピストン２１０の断面を観察した。図１６に示す断面写真では、アルマイト層２４１にマイクロ孔部２４１ｇと層内マイクロ孔部２４１ｈとが形成されていることが確認できた。このマイクロ孔部２４１ｇの一部と層内マイクロ孔部２４１ｈとでは、保護層２４３を構成する無機化合物が含浸されておらず、その結果、アルマイト層２４１に空隙が形成されていることも確認できた。また、保護層２４３内に、層状に積層されている鱗片状の無機中実粒子４３ｂの層間に空隙２４３ｃが形成されていることも確認できた。これらの空隙により、コーティング層２４０の断熱性が向上されていると考えられる。
【０１７０】
また、図１６の断面写真から、空隙２４３ｃは、厚み方向と直交する横方向に延びるように形成されていることが確認できた。また、保護層２４３における空隙２４３ｃの割合（空隙率）は、１．５％〜５％の範囲内になることが確認できた。
【０１７１】
その後、実施例３および比較例３〜５のピストンの各々において、特性を評価した。まず、実施例３および比較例３および４のピストンに対応する試験材を用いて、耐熱性を測定した。また、実施例３および比較例３〜５のピストンに対応する試験材を用いて、密着強度、および、ビッカース硬度を測定した。なお、耐熱性の測定および密着強度の測定では、それぞれ、上記第１実施例および上記第２実施例の密着強度測定試験と同様にして測定を行った。また、ビッカース硬度の測定では、ＪＩＳ  Ｚ２２４４の規格に基づき、コーティング層の断面を切断して、断熱層（比較例３および４ではポリイミド層、比較例５および実施例３ではアルマイト層）のビッカース硬度を測定した。なお、密着強度およびビッカース硬度の測定結果に関しては、複数箇所測定することにより、幅を持たせている。
【０１７２】
また、実施例３および比較例３〜５のピストンの各々が内燃機関に搭載された際の実機耐久性を測定した。具体的には、内燃機関としての単気筒のエンジンに、実施例３および比較例３〜６のピストンの各々を搭載した。そして、回転数が２２００ｒｐｍで、燃焼圧が４．４ＭＰａになるようにエンジンを駆動させた。そして、エンジンを１０時間駆動させた後、ピストンの表面に形成したコーティング層を観察した。
【０１７３】
その際、コーティング層に剥がれなどの重大な欠陥が生じており、ピストンが使用可能な状態でないと判断した場合には、コーティング層の１０時間耐久性能がないと評価して、×印（バツ印）を付した。また、ピストンが使用可能な状態ではあるものの、コーティング層に脆化などの欠陥が生じていると判断した場合には、コーティング層の１０時間耐久性能が不十分ではないと評価して、△印（三角印）を付した。また、コーティング層に欠陥がほとんど生じておらずピストンが使用可能な状態であると評価した場合には、エンジンを１００時間駆動させることによって、コーティング層の１００時間耐久性能も評価した。そして、コーティング層に欠陥がほとんど生じておらずピストンが使用可能な状態であると評価した場合には、１００時間耐久性能が十分にあると評価して、○印（丸印）を付した。
【０１７４】
【表５】
0006339118.tif 000006
【０１７５】
結果としては、表５に示すように、実施例３の耐熱性は、１０００℃になり、十分な耐熱性が確保されていることが確認できた。一方、比較例３および４では、耐熱性は７５０℃以下となり、十分な耐熱性が確保されていないことが確認された。
【０１７６】
また、実施例３の密着強度は、１４〜１５ＭＰａの範囲になり、比較例３〜５の密着強度（７ＭＰａ以下）と比べて、明らかに大きくなった。さらに、実施例３と比較例５とを比較すると、保護層２４３が設けられたことにより、密着強度が３倍を超えて大きくなった。これは、実施例３では、保護層２４３を構成する無機化合物がアルマイト層２４１の内部に含浸したため、保護層２４３とアルマイト層２４１との密着強度が向上した。さらに、アルマイト層２４１とピストン本体１１とは陽極酸化処理により一体的に形成されているため、アルマイト層２４１とピストン本体１１との密着強度も高い。この結果、コーティング層２４０の密着強度が大きくなったと考えられる。
【０１７７】
なお、図１７に示す実施例３のＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ）の写真から、保護層２４３を構成するケイ酸を含む無機化合物がアルマイト層２４１の内部に含浸していることが確認することが可能である。なお、図１６のＥＰＭＡの写真では、Ｓｉ原子の分布を示しており、色が薄い部分にはＳｉ原子が存在していることを示す。
【０１７８】
一方で、比較例５では、アルマイト層とピストン本体との密着強度は高いものの、保護層が形成されていないため、アルマイト層において層内剥離が生じ、その結果、コーティング層の密着強度が低下したと考えられる。
【０１７９】
また、実施例３のビッカース強度は、１００〜１２０Ｈｖの範囲になり、比較例３〜５のビッカース強度（７０Ｈｖ以下）と比べて、明らかに大きくなった。これは、実施例３では、アルマイト層２４１自体が比較例３および４の断熱層を構成する樹脂よりも硬度が大きい点と、上記したように保護層２４３を構成する無機化合物がアルマイト層２４１の内部に含浸した点とにより、アルマイト層２４１における硬度が大きくなったと考えられる。
【０１８０】
また、実施例３では、１０時間耐久性能および１００時間耐久性能のいずれにおいても、コーティング層２４０に欠陥がほとんど明確には生じておらずピストン２１０が使用可能な状態であった。一方、比較例３および４では、１０時間耐久性能がなく、比較例５では、１０時間耐久性能が不十分であった。これは、保護層２４３に鱗片状の無機中実粒子４３ｂが分散させていることによって、保護層２４３が確実に維持されていることに加えて、保護層２４３とアルマイト層２４１との密着性が向上していることにより、実施例３において、コーティング層２４０の長期耐久性が向上したと考えられる。また、比較例５では、外部に露出するコーティング層のアルマイト層がエンジンの燃焼圧に起因して脆化していることが確認できた。このことからも、実施例３の保護層２４３をアルマイト層２４１の表面２４１ｅ上に形成することによって、コーティング層２４０の長期耐久性を向上させることができることが確認できた。
【０１８１】
次に、水性塗料に含まれる材質の差異による影響や、水性塗料の粘度を異ならせた際のアルマイト層における空孔率の変化等を調べた。ここで、実施例３のピストン２１０（図１参照）に加えて、実施例４および５のピストン２１０を作製した。実施例４では、撹拌後の水性塗料の粘度が１０ｍＰａ・ｓになるように調整した以外は、実施例３と同様にして、ピストン２１０を作製した。また、実施例５では、撹拌後の水性塗料の粘度が１５ｍＰａ・ｓになるように調整した以外は、実施例３と同様にして、ピストン２１０を作製した。
【０１８２】
一方、比較例６として、実施例３に対して陽極酸化処理の条件を変化させるとともに、実施例３とは異なりポリシラザンを用いて保護層を形成したピストンを作製した。具体的には、ＡＣ８Ａ−Ｔ６相当のアルミニウム合金からなるピストン本体に対して陽極酸化処理を行うことによって、アルマイト層を形成した。この際、アルマイト層の厚みは、３０〜４０μｍの範囲内になった。その後、アルマイト層の表面上に２０％のポリシロキザン溶液を塗布して熱処理を行った。ここで、比較例６では、ポリシロキザン溶液に鱗片状の無機中実粒子は添加しなかった。そして、この塗布および熱処理の工程を繰り返すことにより、アルマイト層の表面上に、ケイ酸から主に構成された無機化合物からなる層本体部を含む保護層を形成した。この際、保護層の厚みはが１〜５μｍの範囲内になった。これにより、比較例６のピストンを作製した。
【０１８３】
そして、実施例３および比較例６のピストンに対応する試験材を用いて、上記第１実施例と同様の条件で耐熱性を測定した。また、実施例３〜５および比較例６のピストンに対応する試験材を用いて、アルマイト層におけるマイクロ孔部の空孔率およびナノ孔の空孔率と、コーティング層における熱伝導率および単位体積当たりの比熱とをそれぞれ測定した。なお、熱伝導率および単位体積当たりの比熱は、それぞれ、フラッシュ法およびＤＳＣ法により測定した。また、マイクロ孔部の空孔率、ナノ孔の空孔率、熱伝導率および単位体積当たりの比熱は、複数の試験材を用いて測定しているため、値に幅を持たせている。
【０１８４】
【表６】
0006339118.tif 000007
【０１８５】
結果としては、表６に示すように、実施例３および比較例６の耐熱性は、共に、１０００℃になり、十分な耐熱性が確保されていることが確認できた。しかしながら、比較例６の保護層の厚みは、１〜５μｍであり非常に小さい。さらに、比較例６では塗布と熱処理とが繰り返されることにより保護層が形成されているため、保護層内に界面が形成されてしまい、その結果、比較例６の保護層は連続膜になっていないと考えられる。したがって、比較例６のピストンでは保護層の層内で剥離が生じやすく、その結果、比較例６のピストンは、一時的な耐熱性は有しているものの、長期間に亘って耐熱性を維持することが困難であると考えられる。
【０１８６】
また、比較例６のマイクロ孔部の空孔率は、２０〜２５％になる一方、実施例３〜５のマイクロ孔部の空孔率は、３０％以上に大きくなった。さらに、比較例６のナノ孔部の空孔率は、５〜８％になる一方、実施例３〜５のマイクロ孔部の空孔率は、１０％以上に大きくなった。これにより、実施例３〜５では、比較例６と比べてコーティング層での空隙の占める領域が大きいことが確認できた。これは、ポリシロキザン溶液を用いた比較例６と比べて、実施例３〜５ではマイクロ孔部およびナノ孔部に無機化合物が含浸されていない領域（空孔）を確実に形成することができたからであると考えられる。また、マイクロ孔部の空孔率は、ナノ孔部の空孔率よりも大きくなった。これは、毛細管現象によりナノ孔部に水性塗料が含浸しやすかったからであると考えられる。
【０１８７】
また、比較例６の熱伝導率は、１．４〜１．６（Ｗ／ｍ・Ｋ）になる一方、実施例３〜５の熱伝導率は、０．６（Ｗ／ｍ・Ｋ）以下に小さくなった。これにより、実施例３〜５のコーティング層では、比較例６と比べて熱を逃がしにくいことが確認できた。また、比較例６の単位体積当たりの比熱は、３５００〜３７００（ｋＪ／ｍ3・Ｋ）になる一方、実施例３〜５の単位体積当たりの比熱は、１９００（ｋＪ／ｍ3・Ｋ）以下に小さくなった。これにより、実施例３〜５のコーティング層は、比較例６と比べて少ない熱量で温度が上昇するので、コーティング層を昇温するために用いられる熱量を小さくすることができることが確認できた。これらの結果、実施例３〜５では、比較例６と比べてコーティング層における熱の損失（冷却損失）を少なくすることができるので、断熱性を向上させることができることが確認できた。なお、実施例３〜５の熱伝導率の低下および単位体積当たりの比熱の低下は、コーティング層での空隙の占める領域が大きいことに起因すると考えられる。
【０１８８】
また、実施例３〜５において、マイクロ孔部２４１ｇの空孔率およびナノ孔部２４１ｆの空孔率は、水性塗料の粘度が大きくなるに従い大きくなった。これは、水性塗料の粘度が大きくなるのに伴い、水性塗料がマイクロ孔部２４１ｇやナノ孔部２４１ｆの内部を移動しにくくなり、その結果、マイクロ孔部２４１ｇやナノ孔部２４１ｆ内に水性塗料（無機化合物）が含浸される量が減少したからであると考えられる。これにより、水性塗料の粘度を調整することによって、アルマイト層２４１の空孔率を調整することが可能であることが確認できた。
【０１８９】
また、実施例３〜５において、熱伝導率および単位体積当たりの比熱は、水性塗料の粘度が大きくなるに従い小さくなった。これは、コーティング層２４１において、空隙の占める領域が大きくなったことに起因すると考えられる。この結果、空隙によるコーティング層２４１の強度低下と断熱性の向上との兼ね合いを考えて陽極酸化処理の条件と水性塗料の粘度とを調整することによって、強度と断熱性とが共に高い所望のコーティング層２４１を形成することが可能になると考えられる。
【０１９０】
［変形例］
なお、今回開示された実施形態および実施例は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態および実施例の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。
【０１９１】
たとえば、上記第１〜第３実施形態では、本発明の車両用機械部品として、ピストン１０（１１０、２１０）を用いた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、耐熱性および断熱性が要求される車両用機械部品に本発明の構成を適用してもよい。たとえば、図１８に示す本発明の第１変形例のように、車両に搭載されるターボチャージャー３１０に、本発明の構成を適用してもよい。具体的には、ターボチャージャー３１０において、タービンホイール３１１の下流側の高温の排ガスが流通する通路部３１２の内表面（図１８の斜線部分）に、上記第１実施形態のコーティング層４０、上記第２実施形態のコーティング層１４０または上記第３実施形態のコーティング層２４０を形成してもよい。同様に、図１９に示す本発明の第２変形例のように、車両に搭載されるジェットエンジン４１０に、本発明の構成を適用してもよい。具体的には、ジェットエンジン４１０において、タービン４１１の下流側の高温の圧縮空気が流通する通路部４１２の内表面（図１９の斜線部分）に、コーティング層４０、１４０または２４０を形成してもよい。なお、ターボチャージャー３１０およびジェットエンジン４１０は、本発明の「車両用機械部品」の一例である。また、通路部３１２および４１２は、本発明の「機械部品本体」の一例である。
【０１９２】
また、上記第１および第２実施形態では、断熱層として、第１断熱層４１（１４１）および第２断熱層４２（１４２）を形成した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、断熱層は、１層だけでもよい。たとえば、図２０に示す本発明の第３変形例のピストン５１０のコーティング層５４０のように、第１断熱層４１と保護層４３とのみを設けて、第２断熱層を設けなくてもよい。また、第３変形例において、第２断熱層と保護層とのみを設けて、第１断熱層を設けないようにしてもよい。また、断熱層は、３層以上の層構造であってもよい。
【０１９３】
また、上記第１および第２実施形態では、第１断熱層４１（１４１）の層本体部４１ａを有機材料から構成した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、第１断熱層の層本体部を、シリカ、ジルコニア、アルミナ、セリアなどの無機材料から構成してもよい。なお、第１断熱層の層本体部を無機材料から構成することによって、有機材料を用いた場合と比べて、強度や耐熱性、耐薬品性を向上させることが可能である。
【０１９４】
また、上記第２実施形態では、プライマー層１４４の層本体部１４４ａと、第１断熱層１４１の層本体部４１ａとを共に有機材料から構成した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、第１断熱層の層本体部およびプライマー層の層本体部のいずれか一方を無機材料から構成し、いずれか他方を有機材料から構成してもよい。なお、プライマー層と第１断熱層との密着性を向上させるために、第１断熱層の層本体部およびプライマー層の層本体部は、同種の材料であるのが好ましい。つまり、第１断熱層の層本体部が無機材料である場合には、プライマー層の層本体部も無機材料であるのが好ましく、第１断熱層の層本体部が有機材料である場合には、プライマー層の層本体部も有機材料であるのが好ましい。
【０１９５】
また、上記第２実施形態では、保護層に添加するカップリング剤としてアミノ系のカップリング剤を用いた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、保護層に添加するカップリング剤としてアミノ系以外のカップリング剤を用いてもよい。たとえば、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルメチルジメトキシシランなどのビニル系のカップリング剤や、グリシドキシプロピリトリメトキシシラン、グリシドキシプロピリトリエトキシシランなどのエポキシ系のカップリング剤、メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、メタクリロキシプロピルトリメトキシシランなどのメタクリル系のカップリング剤、イソシアナトプロピルトリエトキシシラン、イソシアナトプロピルトリメトキシシランなどのイソシアネート系のカップリング剤を用いてもよい。これらのようなカップリング剤を保護層に添加した場合であっても、上記第２実施例の試験材５ａ〜５ｄの結果に示されているように、第２断熱層と保護層との密着性を向上させることが可能である。
【０１９６】
また、上記第２実施形態では、レーザ加工処理および改質処理を行うことにより第１断熱層１４１と第２断熱層１４２との密着性を向上させた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、レーザ加工処理または改質処理のいずれか一方のみを行うことにより第１断熱層と第２断熱層との密着性を向上させてもよい。この場合であっても、上記第２実施例の試験材１ａおよび１ｂの結果に示されているように、第１断熱層と第２断熱層との密着性を向上させることが可能である。さらに、コロナ放電や大気圧プラズマを用いた表面処理により、第１断熱層と第２断熱層との密着性を向上させてもよい。
【０１９７】
また、上記第２実施形態では、レーザ加工処理により第１断熱層１４１に凹部１４１ｃを形成した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、レーザ加工処理以外の方法により第１断熱層に凹部を形成してもよい。この際、サンドブラスト処理などにより第１断熱層の表面を全体的に粗くすることによって凹部を形成するよりも、レーザ加工処理などにより、第１断熱層の表面の一部を除去することによって凹部を形成する方が、せん断抵抗を大きくすることができるので好ましい。
【０１９８】
また、上記第１〜第３実施形態では、ピストン本体（機械部品本体）１１がアルミニウム合金からなる例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、機械部品本体は、アルミニウム合金以外の金属材料からなるように構成してもよいし、樹脂などの有機材料からなるように構成してもよい。なお、上記第３実施形態のように機械部品本体に対して陽極酸化処理を行う場合には、機械部品本体は陽極酸化処理が可能な金属材料からなる必要がある。
【０１９９】
また、上記第１および第２実施形態では、保護層に空隙を設けない例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、上記第１および第２実施形態においても、上記第３実施形態と同様に、保護層に空隙を設けてもよい。
【０２００】
また、上記第１および第２実施形態では、ピストン本体の表面上に直接的に有機材料からなる断熱層を設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、ピストン本体の表面上にアルマイト層を形成した後に、有機材料からなる断熱層をアルマイト層の表面上に形成してもよい。この場合であっても、断熱層を作成するための有機塗料の粘度を調整することによって、上記第３実施形態と同様に、アルマイト層におけるマイクロ孔部およびナノ孔部の空孔率を調整することが可能である。
【符号の説明】
【０２０１】
１０、１１０、２１０、５１０  ピストン（車両用機械部品）
１１  ピストン本体（機械部品本体）
４１、１４１  第１断熱層（断熱層）
４２、１４２  第２断熱層（断熱層）
４３、１４３、２４３  保護層
４３ｂ  無機中実粒子
１４１ｃ  凹部
２４１  アルマイト層（断熱層、陽極酸化被膜層）
２４１ｅ  （保護層側の）表面
２４１ｆ  ナノ孔部
２４１ｇ  マイクロ孔部
２４３ｃ  空隙
３１０  ターボチャージャー（車両用機械部品）
４１０  ジェットエンジン（車両用機械部品）
３１２、４１２  通路部（機械部品本体）
【図１】
0006339118.tif 000008
【図２】
0006339118.tif 000009
【図３】
0006339118.tif 000010
【図４】
0006339118.tif 000011
【図５】
0006339118.tif 000012
【図６】
0006339118.tif 000013
【図７】
0006339118.tif 000014
【図８】
0006339118.tif 000015
【図９】
0006339118.tif 000016
【図１０】
0006339118.tif 000017
【図１１】
0006339118.tif 000018
【図１２】
0006339118.tif 000019
【図１３】
0006339118.tif 000020
【図１４】
0006339118.tif 000021
【図１５】
0006339118.tif 000022
【図１６】
0006339118.tif 000023
【図１７】
0006339118.tif 000024
【図１８】
0006339118.tif 000025
【図１９】
0006339118.tif 000026
【図２０】
0006339118.tif 000027