(57)【要約】      （修正有）【課題】燃焼室内の効率良く作動させるために摺動するピストンにおいて、外周に形成されたガス抜け止め用のピストンリングを嵌着する溝の耐摩耗性を向上させたピストンを提供する。【解決手段】燃焼室内の効率良く作動させるために摺動するピストンにおいて、ピストン外周に形成されたガス抜け止め用のピストンリングを嵌着するためのピストンリング溝の溝側面と底部からなる凹部内のピストン外周方向の溝側面にレーザを照射して被加工物１０にレーザピーニングを施す被覆体であり、レーザを吸収してプラズマを発生するプラズマ発生層により、該プラズマ発生層よりも高硬度である硬質層および該硬質層より表面側に窒化処理層を備え、それらが被加工物の表面から外側に向かって、プラズマ発生層、硬質層、窒化処理層の順に三層から成ることを特徴とする。【選択図】図１
0003188089.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内の効率良く作動させるために摺動するピストンにおいて、ピストン外周に形成されたガスの抜け止め用のピストンリングを嵌着するための溝側面と底部からなる凹部内の外周方向の溝側面にレーザを照射して被加工物に間接的にレーザピーニングを施す被覆体であり、レーザを吸収してプラズマを発生するプラズマ発生層により、該プラズマ発生層よりも高硬度である硬質層および該硬質層より表面側に窒化処理層を備えたことを特徴とする凹部内の溝側面に被覆体を有するピストン。
【考案の詳細な説明】
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本考案は、レーザによる表面改質方法に用いる被覆体を有するピストンに関する。
さらに詳しくは、燃焼室内の効率良く作動させるために摺動するピストンにおいて、外周に形成されたガス抜け止め用のピストンリングを嵌着するための溝側面と底部からなる凹部内の外周方向の溝側面にレーザを照射して被加工物に間接的にレーザピーニングを施す被覆体であり、レーザを吸収してプラズマを発生するプラズマ発生層による、該プラズマ発生層よりも高硬度である硬質層とおよび該硬質層より表面側に窒化処理層を一体的に備えたことを特徴とする被覆体を有するピストンである。
【背景技術】
【０００２】  本考案者は、被加工物表面に直接高ピーク出力密度のパルスレーザを照射するのではなく、被加工面の上をレーザ吸収増強皮膜で覆い、このレーザ吸収増強皮膜の上から短パルス高ピーク出力のレーザを照射して、被加工面にレーザピーニングの衝撃波による微細な陥没部を形成したり、被加工面に固体潤滑剤などの粉粒体を打ち込むことのできるレーザピーニング方法を提案した（特許文献１参照）。【０００３】  しかし、このレーザピーニング方法では、レーザ吸収増強皮膜のベースシートが樹脂フィルムや金属薄膜からなるために、レーザ照射によりベースシートが塑性変形してプラズマの発生による衝撃力を被加工面に効率よく付与することができない場合があった。例えば、溶接止端部などのピーニング処理では充分な圧縮残留応力の付与ができなかった。また、例えば、アルミニウム箔をベースシートとして金属炭化物やセラミックスなどの高硬度の固体潤滑材を鋼材からなる摺動部材の摺動面に打ち込む場合などでは、固体潤滑材を摺動面に安定して埋設することができなかった。【０００４】  また、この従来技術では被加工面に所望の立体形状を形成することができないために、その適用範囲が制約されるという課題があった。これを解決するものとして、被加工物の被加工面の上をレーザを吸収してプラズマを発生するプラズマ発生層と一面に平面又は凹凸形状を有する硬質層とを備えた被覆体で覆い、この被覆体に短パルス高ピーク出力のレーザを照射し、レーザピーニングの衝撃波により被加工面を硬質層の平面又は凹凸形状に加圧成形ことを特徴とする。被加工面と被覆体の間に粉粒体などの固着物を配置して被加工面を加圧成形するとともに、粉粒体などの固着物を埋設してもよい。固着物の有する特性により、被加工面に様々な機能を付与することができることを提案した（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００７−１６９７５３号公報
【特許文献２】特開２００９−１４９９４１号公報
【考案の開示】
【考案が解決しようとする課題】
【０００５】  本考案は、上記の課題を解決するためになされたものであり、プラズマ発生に伴う衝撃力を効率よく被加工面に付与するとともに、被加工面に所望の機能を付与することのできる表面改質方法により陥没部を形成された凹部被膜体を有するピストンの提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  本考案は燃焼室内の効率良く作動させるために摺動するピストンにおいて、外周に形成された抜け止め用のピストンリングを嵌着するための溝側面と底部からなる凹部内の外周方向の溝側面にレーザを照射して被加工物に間接的にレーザピーニングを施す被覆体であり、レーザを吸収してプラズマを発生するプラズマ発生層により、該プラズマ発生層よりも高硬度である硬質層とを一体的に備えたことを特徴とする被覆体を有するピストンである。【０００７】  本考案の表面改質方法によれば、被加工面を覆う被覆体は、プラズマ発生層と硬質層とを一体的に備えているので、プラズマ発生に伴う衝撃力を、凹部被膜体による被加工面に付与することができる。そして、被加工面は塑性変形して凹凸形状に加圧成形される。この加圧成形により被加工面に結晶の微細化や微細な表面欠陥の解消などといった表面改質を施すことができる。また、被加工面に高い圧縮残留応力を効果的に付与することができる。【０００８】  本考案の表面改質方法において、被覆体と被加工面との間に配置された固着物は、レーザピーニングの衝撃波により被加工面に埋設される。この時、被加工面は硬質層の凹凸形状に加圧成形されるので、固着物を被加工面に立体的に配置することができる。固着物を被加工面に三次元的に配置することで所望の機能を効果的に発揮する被加工面とすることができる。【０００９】  本考案の表面改質方法において、被覆体は板状又は帯状の鋼材や金属からなり、この鋼材や金属の一面側に硬化処理により形成された硬質層を有するものとすることができる。本考案に係る被覆体はプラズマ発生層と硬質層とで構成されている。プラズマ発生層は、レーザを吸収してプラズマを発生するとともに、衝撃波により破断しない程度の強度と延性を備える必要がある。
このため鋼材や金属は適当な強度と延性とを有し、レーザを吸収してプラズマ化しやすい材料であるので好適である。また、鋼材や金属は、焼入れ処理、浸炭処理、窒化処理、硬質メッキ処理、硬化蒸着処理、加工硬化処理など周知の硬化処理で容易に硬化層を形成することが出来る。従って、エンボスやレーザ加工など周知の方法で−面に凹凸形状を形成し、この一面側に前記の硬化処理を施した鋼材や金属は本考案に係る凹部被膜体として好適である。さらに硬化させるために、窒化処理層を形成したものである。【００１０】  また、被覆体は、板状又は帯状の金属、金属化合物、樹脂、合成ゴムのうち何れか１種からなるプラズマ発生層と、このプラズマ発生層よりも高硬度の材料からなる硬質層とを接合した積層体としてもよい。被覆体の厚さによっては、前記のような一面を硬化した硬化層では加圧成形や固着物の埋設が不十分な場合がある。このような場合には、プラズマ発生層と硬質層とを異なる材料で構成して両者を接合して被膜体とするとよい。【００１１】  本考案の表面改質方法において、レーザを照射する前に、被加工物の被加工面に、予め熱処理、メッキ処理、金属溶射処理、肉盛り処理、蒸着処理のうち何れか１以上の処理を施すことが望ましい。被加工物にこれらの処理を施して被加工面に予め軟質層を形成しておくことにより、被加工面をより確実に加圧成形することができ、かつ、固着物をより確実に埋設することができる。【００１２】  被加工面にこのような微細構造や溝を有することで、微細な粉粒体を的確に埋設することができる。また、更に接着剤および／又はこれらの接着剤と固着物との混合物を塗布しておくことで、二硫化モリブデンなどの固体潤滑材を摺動面に強固に保持することができる。【００１３】  本考案の凹部被覆体は、レーザを照射して凹部の被加工物に間接的にレーザピーニングを施す被加工物の凹部被覆体であって、レーザを吸収してプラズマを発生するプラズマ発生層と、被加工物の対向面に凹凸形状を有し、該プラズマ発生層よりも高硬度である硬質層とを一体的に備えたことを特徴とする。
【考案の効果】
【００１４】  本考案によれば、凹部被覆体表面の凹凸形状や固着物を適宜に選択することで被加工面に種々の機能を付与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態を説明する斜視図である。
【図２】レーザピーニングによる凹部被覆体を示す断面図である。
【考案を実施するための最良の形態】
【００１６】  以下、本考案の好適な実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。【００１７】  図１は、実施概要を示す説明図であり、１０は被加工物であるピストン、２０は被加工面を被覆する凹部被覆体、３０はレーザ出射部、３１は集光レンズである。図２は要部拡大断面図である。【００１８】  まず、本実施形態に係る凹部被覆体２０について説明する。凹部被覆体２０は、レーザを吸収してプラズマを発生するプラズマ発生層２１により硬質層を備えている。従って、凹部被膜体２０は、レーザ照射によりプラズマ化しやすい板状又は帯状の金属の一面側に適宜の硬化処理を施して硬質層２２を形成して構成することができる。例えば、被覆体を鋼材シートとした場合には、その一面に焼入れ処理、浸炭処理、あるいは浸炭・窒化処理などの硬化処理を施して硬質層２２を形成する。すなわち、鋼材シートの焼入れ硬化層、浸炭層、あるいは浸窒・窒化層などが硬質層であり、鋼材シートの未処理部分がプラズマ発生層２１である。また、被覆体２０をアルミニウムシートとする場合には、その一面に時効処理あるいは硬質アルマイト処理などを施して硬質層を形成すればよい。【００１９】  上記のように構成される凹部被覆体２０の厚さは５〜１２０μｍとするとよい。凹部被覆体２０の厚さが５μｍ未満では、プラズマの発生により凹部被覆体２０が破損することがあり、一方、１２０μｍを超えて厚いと衝撃波による応力を被加工面に効果的に伝達でいないことがあるので適当ではない。より好ましくは、１５〜５０μｍである。また、被加工面１０ａに所望の加圧成形を効果的に行うために、凹部被覆体２０厚さｔの１０〜３０％を硬質層２２にするとよい。硬質層２２が被覆体厚さｔの１０％未満では、硬質層が高いプラズマ圧力のため破断することがあり、効果的な加圧成形ができないことがある。３０％を超えて厚いと、凹部被覆体２０の剛性が高すぎてレーザ照射に追随して凹部被覆体２０が変形できなくなるので好ましくない。従って、硬質層２０の厚さは、凹部被覆体２０の１０〜２０％がより好ましい。【００２０】  また、レーザビームエネルギをより効果的に吸収するために、凹部被覆体２０の上面（プラズマ発生層２１の表面）にグラファイトや黒色顔料などを塗布したレーザ吸収増強層を形成してもよい。【００２１】  次に、以上のように構成された凹部被覆体２０を用いて被加工物１０の被処理面１０ａに所望の加圧成形を施す処理方法について説明する。【００２２】  次いで、凹部被覆体２０に向けて、パルス幅が１〜５０ｎｓで出力密度が１［ＧＷ／ｃｍ２］〜５０［ＧＷ／ｃｍ２］の短パルス高ピーク出力のレーザを照射する。具体的には、ＱスイッチのＮｄ：ＹＡＧレーザ装置を用い、パルスエネルギーを１．０［ｍＪ／ｐｕｌｓｅ］〜２０００［ｍＪ／ｐｕｌｓｅ」、波長を５３２［ｎｍ］〜１０８０［ｎｍ］、レーザパワー密度を５［ＧＷ／ｃｍ２］〜１５［ＧＷ／ｃｍ２］、周波数を数１［Ｈｚ］〜数１０００［Ｈｚ］に設定したパルスレーザを、被覆体２０に向けて出射する。このとき、レーザ装置におけるレーザ集光部（図示せず）又はレーザ出射部３０に集光レンズ３１を設けて、凹部被覆体２０のプラズマ発生層２１表面におけるレーザ照射径が０．１［ｍｍ��〜６．０［ｍｍ］になるようにレーザを集光する。【００２３】  上記の如くレーザが出射されると、そのレーザＬは、凹部被覆体２０のプラズマ発生層２１に到達し、プラズマ発生層２１が急速に５０００［℃］以上の高温に加熱されて爆発的にプラズマが発生する。即ち、プラズマ発生層２１の一部又は全部がプラズマ化し、プラズマ発生層２１の構成物質である原子、分子、イオン、電子等の粒子群が爆発的に放出される。そして、それら粒子群の爆発的放出による反作用力が衝撃波として硬質層から被加工物１０の被加工面に付与される。即ち、被加工面に、例えば、１［ＧＰａ］〜１０［ＧＰａ］（１万気圧〜１０万気圧）の反作用力が作用する。被加工面１０ａに対向する被凹部覆体２０の硬質層には凹凸形状が形成されているので、プラズマ発生による加圧力により被加工面の表層部が塑性変形してこの凹凸形状に加圧成形される。次いで、凹部被覆体２０を被加工物１０から捲り取り、被加工面に所望の凹凸形状が加圧形成された被加工物１０を得ることができる。【００２４】  このように加圧成形された被加工面を摺動部材の摺動面に適用すれば、摺接部（凸部）と油だまり（凹部）とを摺動面全域に亘って均一に且つ容易に形成することができる。また、このような加圧成形を施すことで、被加工面に結晶の細分化、既存クラックの消滅および加工硬化などを生じ、加圧成形面に高い耐摩耗性と疲労強度を付与することができる。【００２５】  また、被加工面には例えば数ＧＰａという高い加圧力が負荷されるので、加圧成形面の深部にまで高い圧縮残留応力を付与することが可能である。例えば、このような加圧成形を溶接止端部に施すことにより、溶接部の疲労強度を高め、溶接構造物の長寿命化を図ることができる。【００２６】  なお、本実施形態において、凹部被覆体２０へのレーザ照射は、水を介して実施するようにしてもよい。例えば、被加工物１０に被覆体２０を載置した状態で水中に配置したり、照射部に水を流しながらレーザを照射する方法である。この方法では、被覆体２０を覆っている水の慣性力によりプラズマの膨張が押さえられるので、被覆体にレーザを直接照射した場合よりも、被加工物の被加工面に付与する衝撃波の強度を高めて被加工面に効率よく加圧成形を施すことができる。この場合には、波長が５３２［ｎｍ］のＹＡＧレーザの２倍波を利用する方が、波長が１０６４［ｎｍ］の通常のＹＡＧレーザを用いるよりも、容易に水を透過させることができるので、レーザの波長は、５３２［ｎｍ］にするのが望ましい。【００２７】  ピストンの実施例を説明するものであり、燃焼室内の効率良く作動させるために摺動するピストンにおいて、外周に形成されたガス抜け止め用のリングを嵌着するための溝側面と底部からなる凹部内の外周方向の溝側面にレーザを照射して被加工物に間接的にレーザピーニングを施す被覆体であり、レーザを吸収してプラズマを発生するプラズマ発生層と、前記被加工物の対向面に平面又は凹凸形状を有し、該プラズマ発生層よりも高硬度である硬質層とを一体的に備えた被覆体を有するピストンを得ることができる。【００２８】  また、下地処理として被加工面にレーザ加工により周期的な微細構造を形成することも好ましい。【０��２９】  その後、窒化処理を行うことでさらに硬度が向上することが期待できる。ここで窒化処理とは、すでに知られている方法を利用するものであり、処理物への窒素イオン入射や、窒化処理においてイオン入射を抑制し電気的に中性な窒素種のみで窒化する方法などである。
【産業上の利用可能性】
【００３０】  本考案は、ピストンリング溝部において、過酷な熱負荷に加えて、高い筒内圧を受けながらリング摺動するために、摩擦に耐えるための表面硬化処理が必要で、ガス抜け止め用のピストンリング溝である凹部内の溝側面に被覆体を有するピストンを製造する産業で利用可能である。
【符号の説明】
【００３１】１０：被加工物
２０：凹部被覆体
２１：プラズマ発生層
３０：レーザ出射部
３１：集光レンズ
【図１】
0003188089.tif 000003
【図２】
0003188089.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成25年10月2日(2013.10.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】実用新案登録請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内の効率良く作動させるために摺動するピストンにおいて、ピストン外周に形成されたガスの抜け止め用のピストンリングを嵌着するための溝側面と底部からなる凹部内の外周方向の溝側面にレーザを照射して被加工物に間接的にレーザピーニングを施す被覆体であり、レーザを吸収してプラズマを発生するプラズマ発生層により、該プラズマ発生層よりも高硬度である硬質層および該硬質層より表面側に窒化処理層を備えることにより被加工物の表面側から外側に向かって、プラズマ発生層、硬質層、窒化処理層の順に三層から成ることを特徴とする凹部内の溝側面に被覆体を有するピストン。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】  本考案は、レーザによる表面改質方法に用いる被覆体を有するピストンに関する。
さらに詳しくは、燃焼室内の効率良く作動させるために摺動するピストンにおいて、外周に形成されたガス抜け止め用のピストンリングを嵌着するための溝側面と底部からなる凹部内の外周方向の溝側面にレーザを照射して被加工物に間接的にレーザピーニングを施す被覆体であり、レーザを吸収してプラズマを発生するプラズマ発生層により、該プラズマ発生層よりも高硬度である硬質層および該硬質層より表面側に窒化処理層を備えることにより被加工物の表面側から外側に向かって、プラズマ発生層、硬質層、窒化処理層の順に三層から成ることを特徴とする凹部内の溝側面に被覆体を有するピストンである。