(57)【要約】【課題】内燃機関の各種部材に適用可能な、スラッジ発生等を抑制する表面処理被膜及び表面処理方法を提供する。【解決手段】内燃機関の構成部材の表面に形成する表面処理被膜であって、被膜は、バインダと、金属性材料と、を含み、前記構成部材へのスラッジの付着を防止する。金属性材料は、磁性材料であることが好ましい。また、金属性材料は、セラミックス材料であることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の構成部材の表面に形成する表面処理被膜であって、
前記被膜は、
バインダと、
金属性材料と、
を含み、前記構成部材へのスラッジの付着を防止することを特徴とする表面処理被膜。
【請求項２】
請求項１に記載の表面処理被膜であって、
前記金属性材料は、磁性材料であることを特徴とする表面処理被膜。
【請求項３】
請求項１に記載の表面処理被膜であって、
前記金属性材料は、セラミックス材料であることを特徴とする表面処理被膜。
【請求項４】
内燃機関の構成部材の表面処理方法であって、
バインダと、
金属性材料と、
を含む被膜を前記構成部材の表面に形成して、前記構成部材へのスラッジの付着を防止することを特徴とする表面処理方法。
【請求項５】
請求項４に記載の表面処理方法であって、
前記金属性材料は、磁性材料であることを特徴とする表面処理方法。
【請求項６】
請求項４に記載の表面処理方法であって、
前記金属性材料は、セラミックス材料であることを特徴とする表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の各種構成部材に適用可能な表面処理被膜及び表面処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車等の内燃機関の高出力化、高油温化に伴い、エンジンオイルの使用環境は厳しくなってきており、エンジンオイルの劣化物等を含むスラッジが発生し易い状態になっている。特に、内燃機関のヘッドカバー内部では、部分的にエンジンオイルの流れが停滞する箇所が存在した場合、スラッジが堆積し易くなる。スラッジが堆積、増量した場合にはエンジンオイルの潤滑状態に影響を与える可能性があり、エンジンオイル中にスラッジが混入した場合には摺動部材の摺動部への噛み込み等の可能性もあるため、スラッジ発生防止は重要な問題である。
【０００３】
このため、エンジンオイルの処方上では、酸化防止剤、洗浄分散剤等の適量添加により要求性能を確保している。しかし、エンジンオイルの処方上でのスラッジ発生防止策は、合成油の使用により飛躍的に進歩したが、更なる性能向上に対しては添加剤の最適化を残して有効な手段が少ない。また、酸化防止剤、洗浄分散剤の増量によりスラッジ発生抑制効果の向上が望めるが、ゴム・樹脂部品材料や摺動部材の摺動面での過剰反応を示すこと、製品のコストアップの要因となること、等の問題点があり実際的ではない。さらに、金属系の洗浄分散剤の増量は、排気ガス中の灰分の増加を招き、触媒コンバータの触媒性能を悪化させる懸念がある。
【０００４】
一方、内燃機関側でも、冷却性能の向上や、窒素酸化物（ＮＯｘ）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）等を含むブローバイガス量の低減等、エンジンオイルの劣化を防止する対策が取られている。また、生成したスラッジが堆積しないように、エンジンのヘッドカバーの内面形状や構造を最適化する対策も検討されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２５６９６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、エンジンのヘッドカバーの内面形状や構造を最適化する対策も十分ではなく、内燃機関側でのスラッジ発生防止について更なる性能向上が求められている。
【０００７】
本発明は、内燃機関の各種部材に適用可能な、スラッジ発生等を抑制する表面処理被膜及び表面処理方法である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、内燃機関の構成部材の表面に形成する表面処理被膜であって、前記被膜は、バインダと、金属性材料と、を含み、前記構成部材へのスラッジの付着を防止する。
【０００９】
また、前記表面処理被膜において、前記金属性材料は、磁性材料であることが好ましい。
【００１０】
また、前記表面処理被膜において、前記金属性材料は、セラミックス材料であることが好ましい。
【００１１】
また、本発明は、内燃機関の構成部材の表面処理方法であって、バインダと、金属性材料と、を含む被膜を前記構成部材の表面に形成して、前記構成部材へのスラッジの付着を防止する。
【００１２】
また、前記表面処理方法において、前記金属性材料は、磁性材料であることが好ましい。
【００１３】
また、前記表面処理方法において、前記金属性材料は、セラミックス材料であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明において、金属性材料を含む表面処理被膜を、内燃機関の各種部品の表面に形成することにより、スラッジ発生等を抑制する表面処理被膜及び表面処理方法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の本実施形態について説明する。
【００１６】
エンジンオイルにおいてスラッジが発生する原因として次のようなことが考えられる。なお、ここで、スラッジとは、エンジンオイルの劣化物（熱による炭化水素重合物、添加剤分解物等）、エンジン構成部材の摩耗粉等が堆積した堆積物のことをいう。ここでは、エンジン構成部材のうち、特にスラッジの付着が多いエンジンヘッドカバーを例に説明する。
【００１７】
（１）エンジンオイルの劣化物（熱による炭化水素重合物、添加剤分解物等）、エンジン構成部材の摩耗粉等がエンジンヘッドカバーの表面に付着する。
【００１８】
（２）付着物によりヘッドカバー表面のエンジンオイルの流れが乱れ、流れのよどみ点でエンジンオイル劣化物、エンジン構成部材の摩耗粉等がさらに沈殿し、スラッジ量が増加する。
【００１９】
（３）生成したスラッジは極性を有するため、極性を有するエンジンオイル劣化物、エンジン構成部材の極性を有する摩耗粉等がさらに集積する。
【００２０】
エンジンオイルはまだスラッジ分散性を有しているにもかかわらず、このようなメカニズムによりエンジンオイルの系外にスラッジが出てしまい、結果的にスラッジが増加してしまう。したがって、ヘッドカバー表面でのスラッジ発生を抑制するためには、ヘッドカバー表面に核となる物質が付着しないようにすることが効果的であると考えられる。
【００２１】
そこで、エンジンオイルの劣化物等が極性を有していることに着目し、ヘッドカバー表面に核となる物資が付着しないように、極性劣化物の付着を防止する被膜をヘッドカバー等の内燃機関の構成部材の表面に形成する。具体的には、内燃機関の構成部材の表面に、バインダと、金属性材料と、を含む表面処理被膜を形成し、前記構成部材へのスラッジの付着を防止する。
【００２２】
金属性材料としては、例えば、スラッジの核となる極性劣化物の付着を防止することにより、結果として、スラッジの付着を防止する効果を有する材料であれば特に制限はない。金属性材料としては、典型金属元素、遷移金属元素、半金属元素を含んで構成される材料等が挙げられるが、磁性材料、セラミックス材料であることが好ましい。以下、磁性材料及びセラミックス材料を例に説明する。図１には、本実施形態に係る表面処理被膜を形成した部材の一例を示す断面図を示す。本実施形態に係る表面処理被膜１２は、バインダ１４及び金属性材料１６とを含み、内燃機関の各種構成部材１０上に形成される。
【００２３】
（第1の実施形態）
本実施形態に係る表面処理被膜１２において、内燃機関の構成部材１０の表面に形成する、スラッジの付着を防止する被膜は、磁性材料１６を含むことが好ましい。
【００２４】
磁性材料１６は、極性を有するエンジンオイル劣化物等がエンジンヘッドカバー等の表面に接近及び付着することを阻害する程度の磁気的性質を有するものであれば特に制限はなく、強磁性体、反強磁性体、常磁性体、反磁性体のいずれであってもよい。磁性体としては、例えば、フェライト、マグネタイト、希土類等が挙げられる。
【００２５】
また、磁性材料１６は、球状、楕円状等の粒子であることが好ましい。磁性粒子の平均粒径は、１μｍ〜１００μｍの範囲にあることが好ましく、１μｍ〜５０μｍの範囲にあることがより好ましく、１μｍ〜１０μｍの範囲にあることがさらに好ましい。粒径が１００μｍより大きいと、表面処理被膜１２の表面粗さが悪化し、スラッジが付着しやすくなる可能性がある。また、粒径が１μｍより小さいと、作業性が悪化する可能性があり、また、磁性材料のコストアップにつながる可能性がある。
【００２６】
磁性材料の残留磁束密度は、極性を有するエンジンオイル劣化物等がエンジンヘッドカバー等の表面に接近及び付着することを阻害する程度の強度であれば特に制限はないが、残留磁束密度が１０００Ｇ以上であることが好ましく、２０００Ｇ以上であることがより好ましい。残留磁束密度が１０００Ｇ未満では、エンジンオイル劣化物等のエンジンヘッドカバー等の表面への接近及び付着を阻害しにくくなる可能性がある。
【００２７】
磁性材料１６は、バインダ１４によりエンジンヘッドカバー等の表面に保持されることが好ましい。バインダ１４としては、ポリアミド系、ポリイミド系、ポリアミドイミド系、アクリル系、ポリスチレン系、ポリエステル系、ポリオレフィン系、エポキシ系、ポリウレタン系、シリコン系、フッ素系樹脂等の有機系バインダ；シリカ、金属アルコキシド、無機コロイド等の無機系バインダが挙げられるが、エンジン振動による割れの可能性を考慮すると、有機系バインダであることが好ましく、耐熱性の問題から、熱硬化性のポリイミド系樹脂、ポリアミドイミド系樹脂がより好ましい。
【００２８】
磁性材料１６を含む表面処理被膜１２の膜厚は、膜質を維持できる膜厚であれば特に制限はないが、１μｍ〜１００μｍの範囲であることが好ましく、１μｍ〜１０μｍの範囲であることがより好ましい。膜厚が１μｍ未満であると膜質を維持することが困難であり、膜強度、耐摩耗性、耐久性等が低下する可能性がある。膜厚が１００μｍを超えると表面処理被膜の剥離性能が劣る可能性があり、また、コストアップにつながる可能性がある。
【００２９】
バインダ１４に対する磁性材料１６の添加割合は、極性を有するエンジンオイル劣化物等がエンジンヘッドカバー等の表面に接近及び付着することを阻害する程度に磁気的性質を有する割合であれば特に制限はなく、バインダ１４の重量に対して３重量％〜５０重量％の範囲であることが好ましい。磁性材料１６の添加割合が３重量％未満であると、残留磁束密度が低くなり、また残留磁束密度が不均一となる可能性がある。磁性材料１６の添加割合が５０重量％を超えると、効果が定常状態となり、また、コストアップにつながる可能性がある。
【００３０】
本実施形態に係る表面処理被膜１２は、水；メタノール、エタノール、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、メチルエチルケトン、テトラヒドロフラン等の有機溶媒；等の溶媒にバインダ１４及び磁性材料１６を溶解、または分散させ、処理を施す対象である部材１０の表面上に、スプレ塗布、浸漬塗布、ローラ塗布、刷毛塗布等の公知の塗布方法により形成することができる。
【００３１】
処理を施す部材１０の材質は特に制限はないが、アルミニウム系合金、マグネシウム系合金、ステンレス等の金属；ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等の樹脂等が挙げられる。
【００３２】
塗布工程後、表面処理被膜１２が形成された部材１０を、加熱等をすることによりバインダ１４を硬化させることが好ましい。
【００３３】
なお、硬化工程は、磁場中で行われ、表面処理被膜１２が形成された部材１０に対して、磁場をかけることが好ましい。また、このとき、表面処理被膜１２の表面に磁性材料のＮ極が配置されるように、磁場をかけることが好ましい。例えば、オーブン中において、部材１０の周囲、例えば上下、あるいは左右、あるいは上下左右の位置に磁石を配置し、表面処理被膜１２の表面に磁性材料１６のＮ極が配置されるように、磁場をかける。そして、磁場をかけた状態で加熱して硬化を行う。
【００３４】
乾燥工程で使用する磁石としては特に制限はなく、永久磁石、電磁石等を使用することができる。また、硬化中に部材１０にかかっている磁場は、表面処理被膜１２の表面に磁性材料１６のＮ極が配置される程度の磁場であれば特に制限はない。
【００３５】
このように、部材１０の表面処理被膜１２中に、磁性を有する磁性材料１６が含有されることにより、極性を有するエンジンオイル劣化物等がエンジンヘッドカバー等の表面に接近及び付着することを効果的に阻害することができる。特に、磁場をかけた状態で硬化を行うことにより、表面処理被膜１２の表面に磁性材料１６のＮ極が配置され、極性を有するエンジンオイル劣化物等がエンジンヘッドカバー等の表面に接近及び付着することをより効果的に阻害することができる。逆に表面に磁性材料１６のＳ極が配置された場合、極性を有するエンジンオイル劣化物等がエンジンヘッドカバー等の表面に接近及び付着することを促進する可能性がある。また、磁性材料１６のＮ極及びＳ極が表面処理被膜１２中でランダムに配置された場合は、エンジンオイル劣化物等の接近及び付着の防止が十分に行われない可能性がある。
【００３６】
（第２の実施形態）
本実施形態に係る表面処理被膜１２において、内燃機関の構成部材１０の表面に形成する、スラッジの付着を防止する被膜は、セラミックス材料１６を含むことが好ましい。
【００３７】
セラミックス材料１６は、極性を有するエンジンオイル劣化物等がエンジンヘッドカバー等の表面に付着することを阻害する程度に極性が低いものであれば特に制限はなく、例えば、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２等が挙げられる。
【００３８】
また、セラミックス材料１６は、球状、楕円状等の粒子であることが好ましい。セラミックス粒子１６の平均粒径は、１μｍ〜５０μｍの範囲にあることが好ましく、１μｍ〜１０μｍの範囲にあることがより好ましく、１μｍ〜５μｍの範囲にあることがさらに好ましい。粒径が５０μｍより大きいと、表面処理被膜１２の表面粗さが悪化し、スラッジが付着しやすくなる可能性がある。また、粒径が１μｍより小さいと、作業性が悪化する可能性があり、また、コストアップにつながる可能性がある。
【００３９】
セラミックス材料１６は、バインダ１４によりエンジンヘッドカバー等の表面に保持されることが好ましい。バインダ１４としては、ポリアミド系、ポリイミド系、ポリアミドイミド系、アクリル系、ポリスチレン系、ポリエステル系、ポリオレフィン系、エポキシ系、ポリウレタン系、シリコン系、フッ素系樹脂等の有機系バインダ；シリカ、金属アルコキシド、無機コロイド等の無機系バインダが挙げられるが、エンジン振動による割れの可能性を考慮すると、有機系バインダであることが好ましく、耐熱性の問題から、熱硬化性のポリイミド系樹脂、ポリアミドイミド系樹脂がより好ましい。
【００４０】
セラミックス材料１６を含む表面処理被膜１２の膜厚は、膜質を維持できる膜厚であれば特に制限はないが、１μｍ〜１００μｍの範囲であることが好ましく、１μｍ〜１０μｍの範囲であることがより好ましい。膜厚が１μｍ未満であると膜質を維持することが困難であり、膜強度、耐摩耗性、耐久性等が低下する可能性がある。膜厚が１００μｍを超えると表面処理被膜の剥離性能が劣る可能性があり、また、コストアップにつながる可能性がある。
【００４１】
バインダ１４に対するセラミックス材料１６の添加割合は、極性を有するエンジンオイル劣化物等がエンジンヘッドカバー等の表面に付着することを阻害する程度に極性が低い性質を有する割合であれば特に制限はなく、有機バインダの重量に対して５０重量％〜９５重量％の範囲であることが好ましく、８０重量％〜９０重量％の範囲であることがより好ましい。セラミックス材料１６の添加割合が５０重量％未満であると、極性の高い有機バインダの量が増加して被膜の極性が高くなり、劣化物の表面付着防止効果が低下する可能性がある。セラミックス材料１６の添加割合が９５重量％を超えると被膜として成立しなくなる可能性がある。また、セラミックス材料１６の添加割合は、無機バインダの重量に対して５０重量％〜９５重量％の範囲であることが好ましく、７０重量％〜９０重量％であることがより好ましい。セラミックス材料１６の添加割合が５０重量％未満であると、セラミックス材料１６の量が少なくなるために、劣化物の表面付着防止効果が低下する可能性がある。セラミックス材料１６の添加割合が９５重量％を超えると被膜として成立しなくなる可能性がある。
【００４２】
本実施形態に係る表面処理被膜１２は、水；メタノール、エタノール、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、メチルエチルケトン、テトラヒドロフラン等の有機溶媒等の溶媒にバインダ及びセラミックス材料１６を溶解、または分散させ、処理を施す対象である部材１０の表面上に、スプレ塗布、浸漬塗布、ローラ塗布、刷毛塗布等の公知の塗布方法により形成することができる。
【００４３】
処理を施す部材１０の材質は特に制限はないが、アルミニウム系合金、マグネシウム系合金、ステンレス等の金属；ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等の樹脂等が挙げられる。
【００４４】
塗布工程後、表面処理被膜１２が形成された部材１０を、加熱等をすることによりバインダ１４を硬化させることが好ましい。
【００４５】
このように、部材１０の表面処理被膜１２中に、金属や樹脂材料に比べて極性の低いセラミックス材料１６が含有されることにより、極性を有するエンジンオイル劣化物等がエンジンヘッドカバー等の表面に付着することを効果的に阻害することができる。
【００４６】
以上、実施形態１において、磁性材料１６を含む表面処理被膜１２、及び実施形態２において、セラミックス材料１６を含む表面処理被膜１２について説明したが、より効果を向上させるために磁性材料１６及びセラミックス材料１６を併用してもかまわない。また、バインダ１４に対して、磁性材料１６またはセラミックス１６以外にも、他の材料、例えば外観等を考えて着色剤を添加したり、各種添加剤等を添加してもよい。
【００４７】
以上説明した実施形態に係る表面処理被膜を形成する内燃機関の構成部材としては、エンジンオイルが接触する部材であれば、特に制限はないが、例えば、エンジンヘッドカバー、オイルパン、オイルポンプ等が挙げられ、特にエンジンヘッドカバーはスラッジの付着が多いため、エンジンヘッドカバーの内面に本実施形態に係る表面処理被膜を形成することにより、スラッジの発生を効果的に抑制することができる。
【実施例】
【００４８】
以下、実施例および比較例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、以下の実施例に限定されるものではない。
【００４９】
（被膜１の形成）
バインダとして、コロイダルシリカを水に分散させた基水溶液（グランデックス株式会社製、ＦＪ２９４、コロイダルシリカ含有量１００重量％）中に、フェライト系磁性粉（戸田工業株式会社製、ＦＨ−８００、残留磁束密度２０００Ｇ）を、基水溶液に対して５重量％の割合で添加し、塗布溶液を作成した。塗布溶液を２５℃で３０分撹拌後、エンジンヘッドカバー（材質：アルミダイキャスト）の内面に塗布溶液をスプレ塗布により塗布した。塗布後すぐに、磁石をエンジンヘッドカバーの上下左右に４個配置した加熱乾燥器中で、エンジンヘッドカバーを１００℃で１５分間加熱し、バインダを硬化させ、被膜を形成した。膜厚測定装置（ワット社製、ＬＥ−３００型）により、被膜の膜厚を測定したところ、５μｍであった。
【００５０】
（被膜２の形成）
バインダとして、ポリアミドイミド樹脂（ポリプラスチック株式会社製、１０００）をＮ−メチル−２−ピロリドンとメチルエチルケトンの混合溶媒（Ｎ−メチル−２−ピロリドン：メチルエチルケトン＝８０：２０、体積比）に、混合溶媒に対して１００重量％で溶解させた基溶液中に、フェライト系磁性粉（戸田工業株式会社製、ＦＨ−８００、残留磁束密度２０００Ｇ）を、基溶液に対して５重量％の割合で添加し、塗布溶液を作成した。塗布溶液を２５℃で３０分撹拌後、エンジンヘッドカバー（材質：アルミダイキャスト）の内面に塗布溶液をスプレ塗布により塗布した。塗布後すぐに、磁石をエンジンヘッドカバーの上下左右に４個配置した加熱乾燥器中で、エンジンヘッドカバーを２００℃で３０分間加熱し、バインダを硬化させ、被膜を形成した。膜厚測定装置により、被膜の膜厚を測定したところ、１０μｍであった。
【００５１】
（被膜３の形成）
バインダとして、ポリアミドイミド樹脂（ポリプラスチック株式会社製、１０００）をＮ−メチル−２−ピロリドンとメチルエチルケトンの混合溶媒（Ｎ−メチル−２−ピロリドン：メチルエチルケトン＝８０：２０、体積比）に、混合溶媒に対して１００重量％で溶解させた基溶液中に、セラミックス粉末（ＴｉＯ２：富士チタン工業株式会社製、ＴＡ−５００）を、被膜形成時にポリアミドイミド樹脂：ＴｉＯ２＝８０容積％：２０容積％となるように添加し、塗布溶液を作成した。塗布溶液を２５℃で３０分撹拌後、エンジンヘッドカバー（材質：アルミダイキャスト）の内面に塗布溶液をスプレ塗布により塗布した。塗布後すぐに、加熱乾燥器中で、エンジンヘッドカバーを２００℃で３０分間加熱し、バインダを硬化させ、被膜を形成した。膜厚測定装置により、被膜の膜厚を測定したところ、１０μｍであった。
【００５２】
被膜１〜３を形成した各ヘッドカバー、及び被膜を形成していないヘッドカバーについて、実機エンジン耐久試験（高速耐久試験）を行い、スラッジ発生量を確認した。
【００５３】
（実施例１〜３）
エンジンに、被膜１〜３を形成した各ヘッドカバーを装着し、下記条件で実機エンジン耐久試験（高速耐久試験）を行った。試験終了後、エンジンを分解してエンジンヘッドカバーを外し、ヘッドカバー内面の一定面積（２５ｍｍ×２５ｍｍ）内に付着したスラッジをかき取り、かき取ったスラッジの重量を測定した。
【００５４】
（試験条件）
使用エンジン：Ｖ６エンジン
使用燃料：市販プレミアムガソリン
使用エンジンオイル：市販エンジンオイル（Exxon Mobil製、１５Ｗ−４０／ＧＦ−３，ＳＬ）
試験時間:２００時間
試験エンジンオイル温度：１００〜１２０℃
【００５５】
（実施例１〜３）
エンジンに、被膜を形成しないヘッドカバーを装着し、実施例１〜３と同じ条件で実機エンジン耐久試験（高速耐久試験）を行った後、ヘッドカバー内面に付着したスラッジ量を測定した。
【００５６】
実施例１〜３及び比較例の結果を図２に示す。比較例のスラッジ量を１として、それに対する比率としてスラッジ量を示した。このように、実施例１〜３の被膜を形成したヘッドカバーに付着したスラッジ量は、比較例のヘッドカバーに付着したスラッジ量に比較して大幅に減少していることがわかる。また、磁性材料を含む実施例１，２の被膜は、セラミックス材料を含む実施例３の被膜に比べて、付着したスラッジ量が少なく、磁性材料が、極性を有するエンジンオイル劣化物等がエンジンヘッドカバー等の表面に接近及び付着することを阻害する効果が現れていると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施形態に係る表面処理被膜を形成した部材の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の実施例１〜３及び比較例において、生成したスラッジ量の比率を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０  部材、１２  表面処理被膜、１４  バインダ、１６  金属性材料（磁性材料、セラミックス材料）。
【図１】
2005344206.tif 000003
【図２】
2005344206.tif 000004