(57)【要約】【課題】熱伝導性に優れ、ヒートスポットの発生が抑制できるピストンの提供。【解決手段】ピストン本体部を形成する素材よりも熱伝導率が大きい素材からなる高熱伝導層をピストン本体部の頂面部にコーティングしている。高熱伝導層はピストンの頂面部を融解することなく接合されている。ピストン本体部を融解させることなく高熱伝導層をコーティングしているので、ピストンの頂面部と高熱伝導層との間に酸化被膜、隙間、合金などからなる熱抵抗や強度低下を引き起こす層の形成を少なくでき、高い性能を発揮するピストン及びその製造方法を提供できる。特に、高熱伝導層の形成方法としては、溶射、コールドスプレー及び／又はめっきを採用することで、ピストン本体部の過熱を少なくでき、酸化被膜、合金の形成を少なくできる上に、原理的に大きな隙間の形成が抑制できる。万が一、隙間が発生してもめっきやローラ加工により隙間を小さくできる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン本体部と、
該ピストン本体部を形成する素材よりも熱伝導率が大きい素材であって、該ピストン本体部の頂面部に、接触部分を融解することなくコーティングされた高熱伝導層と、を有することを特徴とするピストン。
【請求項２】
前記高熱伝導層はアルミニウム系材料又は銅系材料から構成される請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
前記高熱伝導層は溶射工程により形成されている請求項１又は２に記載のピストン。
【請求項４】
前記高熱伝導層はコールドスプレー工程により形成されている請求項１〜３のいずれかに記載のピストン。
【請求項５】
前記高熱伝導層は前記コールドスプレー工程にて形成された第１層、前記溶射工程にて形成された第２層の順に積層されている請求項４に記載のピストン。
【請求項６】
前記高熱伝導層を形成する工程は不活性雰囲気下で行われる請求項１〜５のいずれかに記載のピストン。
【請求項７】
前記高熱伝導層はめっき工程により形成されている請求項１〜６のいずれかに記載のピストン。
【請求項８】
前記高熱伝導層は前記溶射工程及び／又は前記コールドスプレー工程にて形成された第１層、前記めっき工程にて形成された第２層の順に積層されている請求項７に記載のピストン。
【請求項９】
前記第１層の熱膨張係数は、前記第２層の熱膨張係数と前記ピストン本体部の熱膨張係数との間である請求項５又は８に記載のピストン。
【請求項１０】
ピストン本体部と、
該ピストン本体部を形成する素材よりも熱伝導率が大きい素材であって、該ピストン本体部の頂面部に、接触部分を融解することなく摩擦圧接された高熱伝導層と、を有することを特徴とするピストン。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれかに記載のピストンを製造する方法であって、
前記ピストン本体部の頂面部に、接触部分を融解することなく、溶射工程、コールドスプレー工程及び／又はめっき工程により前記高熱伝導層を形成する高熱伝導層形成工程を有することを特徴とするピストンの製造方法。
【請求項１２】
前記高熱伝導層形成工程の途中及び／又は後に、前記高熱伝導層を塑性変形して該高熱伝導層内の空隙を減少させる工程を有する請求項１１に記載のピストンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関用のピストン及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの高出力化、高性能化に伴いピストンへの熱負荷が増大している。ピストンの頂面部においてヒートスポット（熱集中）が存在すると、その部位を基点にして想定外の局部燃焼を惹起し、ノッキングの原因になる。
【０００３】
ピストンの頂面部におけるヒートスポットの発生を抑制する従来技術としては、Ａｌ−Ｓｉ系合金を基材とする内燃機関ピストンにおいて、ピストンヘッド部分にピストン基材よりも熱伝導率の大きなアルミニウム合金からなる部分（本明細書では「高熱伝導層」と称する）を肉盛溶接、鋳ぐるみにて形成する技術が開示されている（特許文献１〜３）。
【特許文献１】特開平９−２２８８８９号公報
【特許文献２】特開平８−２３２７５８号公報
【特許文献３】特開平８−２８４７４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、鋳ぐるみにより高熱伝導層を形成する方法ではピストンの頂面部全体に高熱伝導層を形成できず、ヒートスポットの抑制効果は小さかった。また、鋳ぐるみや、肉盛溶接にて高熱伝導層を形成すると、ピストンの本体（本明細書では「ピストン本体部」と称する）との間で充分な接合が実現できず、熱抵抗の増大や接合強度の低下などの不都合が生じるおそれがあった。具体的には、鋳ぐるみや肉盛溶接では高熱伝導層とピストン本体部との間に隙間が生じたり、ピストン本体部が熱により融解し酸化被膜や高熱伝導層を構成する材料との間で合金（アルミニウム−銅の金属間化合物など）を生じたりするからである。
【０００５】
本発明は上記実情を鑑みて為されたものであり、熱伝導性に優れ、ヒートスポットの発生を抑制する効果が高いピストン及びその製造方法を提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する本発明のピストンは、ピストン本体部と、
該ピストン本体部を形成する素材よりも熱伝導率が大きい素材であって、該ピストン本体部の頂面部に、接触部分を融解することなくコーティングされた高熱伝導層と、を有することを特徴とする。
【０００７】
そして、上記課題を解決する他のピストンは、ピストン本体部と、
該ピストン本体部を形成する素材よりも熱伝導率が大きい素材であって、該ピストン本体部の頂面部に、接触部分を融解することなく摩擦圧接された高熱伝導層と、を有することを特徴とする。
【０００８】
また、上記課題を解決する本発明のピストンの製造方法は、上述の本発明のピストンを製造する方法であって、
前記ピストン本体部の頂面部に、接触部分を融解することなく、溶射工程、コールドスプレー工程及び／又はめっき工程により前記高熱伝導層を形成する高熱伝導層形成工程を有することを特徴とする。
【０００９】
ピストン本体部を融解させることなく高熱伝導層をコーティングしているので、ピストンの頂面部と高熱伝導層との間に酸化被膜、隙間、合金などからなる熱抵抗や強度低下を引き起こす層の形成を少なくでき、高い性能を発揮するピストン及びその製造方法を提供できる。特に、高熱伝導層の形成方法としては、溶射、コールドスプレー及び／又はめっきを採用することで、ピストン本体部の過熱を少なくでき、酸化被膜、合金の形成を少なくできる上に、原理的に大きな隙間の形成が抑制できる。
【００１０】
ここで、「接触する部分が融解しない」とは、ピストンの断面を観察した際に、ピストン本体部及び高熱伝導層との間に酸化被膜や合金からなる層が観察されないことをいう。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のピストンは上記構成を有するので、熱抵抗になりうる隙間、酸化被膜、合金からなる層の生成が抑制でき、内燃機関に適用した場合に、発生する熱を効率的にピストン内で伝達・分散させることが可能になり、局所的なヒートスポットの発生が抑制できる。また、同様の理由により、ピストンを構成するピストン本体部と高熱伝導層との間の接合が強固になる。その結果、高熱伝導層の形状の自由度が高くなるので、ピストン本体部の頂面部を効果的に覆うことができ、高い熱伝導性が実現できる。
【００１２】
本発明のピストンの製造方法は上記構成を有することで、上述したように高性能な本発明のピストンを製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明のピストンについて以下詳細に説明する。本実施形態のピストンはピストン本体部と高熱伝導層とを有する。
【００１４】
ピストン本体は、後述する高熱伝導層が頂面部に形成できるようにされていること以外、通常のピストンと同様の構成をもつ。例えば、鋳鉄製のものや、アルミニウム合金製のもの、チタン合金製のものなどが挙げられる。特に、軽量で熱伝導性に優れたアルミニウム合金製のものが汎用される。
【００１５】
高熱伝導層はピストン本体部の頂面部を覆うように形成された部材である。原理的にはピストン本体部の頂面部をすべて覆わなくても良いが、すべてを覆うことでヒートスポット発生を抑制する効果が高くなる。
【００１６】
高熱伝導層はピストン本体部よりも熱伝導性に優れた材料から構成される。例えば、アルミニウム系材料、銅系材料、グラファイト、セラミクス（窒化アルミニウムなど）などの熱伝導率が高い材料が挙げられる。特にアルミニウム系材料や、銅系材料から構成することが望ましい。更には純度が高い純アルミニウム、純銅から構成することが望ましい。アルミニウムや銅は熱伝導率が高い金属であり、その純度が高い方が熱伝導率が大きい。そこで、耐久性（内燃機関内での燃焼に直接的に接する部位であることから燃焼に対する耐久性、エンジンオイルなどに対する耐久性など）などが許す限り、アルミニウム（又は銅）の純度を高くすることが望ましい。
【００１７】
ピストンの頂面部は内燃機関における燃焼室の底面を為すので、その形状は効率的な燃焼を実現するために種々の形状が採用される。本発明のピストンでは必要な頂面部の形状を形成するために、（１）ピストン本体部を概ね最終的なピストン形状とした上で高熱伝導層を形成（ピストン本体部の頂面部を高熱伝導層によりほぼ均一に被覆する）したり、（２）ピストン本体部に高熱伝導層を形成した後に機械的加工（切削加工、塑性加工など）により必要な形状を実現したりしている。（１）の方法では、ピストン本体部の頂面部に高熱伝導層を形成した後に更に機械的加工を行うこともできる。例えば、ローラや型などによる圧縮力の付与や、切削加工などを行うことができる。特に圧縮力の付与は高熱伝導層をピストン本体部に密着させる効果に優れるので熱伝導率向上の観点からは好ましい。
【００１８】
高熱伝導層は、ピストン本体部の頂面部の接触する部分を融解しないようにしながら形成される。ピストン本体部の頂面部を融解しないので酸化被膜、合金などが形成されがたい。また、頂面部が過熱されないので、熱による歪みの発生が抑制できる。
【００１９】
具体的に望ましい方法としては(i)溶射、(ii)コールドスプレー、(iii)めっき、(iv)高熱伝導層の形状に予め成型した部材の摩擦圧接が挙げられる。高熱伝導層の厚みは特に限定しないが、厚みが大きい方が熱を分散してヒートスポット発生を抑制する効果に優れる。従って、ピストンに必要な他の性質（強度、剛性、耐酸化性など）に応じて適正な厚みを選択する。
【００２０】
(i)溶射は原料となる粉末を加熱融解（又は半融解）した状態でピストン本体部の頂面部に噴射するものである。溶射は製膜速度が大きく、厚膜化には有利である。厚膜化により熱伝導性が向上し、ヒートスポットの発生が抑制される。また、溶射は、冶金学的な密着ではなく機械的な噛み合いで密着するのでピストン本体部と高熱伝導層とのそれぞれ構成する材料について制約を少なくできる。粉末を融解等行う方法としてはプラズマ（アーク放電、高周波放電など）を利用するもの、減圧下でプラズマを利用するもの、火炎を利用するものなどが例示できる。溶射としては減圧下や、不活性雰囲気（アルゴン、ヘリウム、窒素ガスなど）下などで行うことが高熱伝導層を形成する材料の酸化を防止する観点から望ましい。融解した粉末が酸化され難くなるからである。
【００２１】
(ii)コールドスプレーは粉末を融解させずにピストン本体部に衝突させる方法である。衝突時に発生するエネルギーにより粉末がピストン本体部に被膜を形成する。特に、不活性ガスと共に超音速流で固体状態のままピストン本体部に衝突させることが望ましい。粉末の速度を臨界速度以上にすることで粒子自体が塑性変形を起こして被膜を形成する。粉末を融解させないので酸化などの進行が抑制される。臨界速度は粉末の種類、粒径、温度などにより変化する速度である。
【００２２】
(iii)めっきは電気めっき、無電解めっきを問わずに採用できる。特に電気めっきが望ましい。
【００２３】
(iv)摩擦圧接はピストン本体部に向けて高熱伝導層を押しつけながら回転又は振動を加えることで両者の間を接合する方法である。摩擦圧接を採用すると、ピストン本体部としてアルミニウム合金製のものを採用する場合でも圧接時に表面の酸化被膜が破壊でき、強固な接合が実現できる。振動は超音波照射などにて行うことができる。摩擦圧接による場合でも回転・振動条件を制御することでピストン本体部の頂面部は融解しない条件で行う。摩擦圧接は厚いが大きい部材でも高速に接合できるので、厚みが大きい部材を接合した後に所望の形状に加工することも可能である。
【００２４】
ここで、高熱伝導層は、２種類以上の材料を積層して形成しても良い。また、同一材料であっても異なった方法で２層（又は２回）以上に分割して高熱伝導層を形成することもできる。例えば、純アルミニウムや純銅等の熱伝導率が高い金属で第１層を形成した後、耐酸化性などに優れた金属からなる薄膜である第２層を形成することで熱伝導性と耐酸化性とを両立した高熱伝導層が形成できる。なお、高熱伝導層を２層以上で形成する場合には、それぞれの層を形成する材料の熱膨張係数は、順次、漸減又は漸増することでそれぞれ接触する層間の熱膨張の程度の差を小さくでき、熱疲労による損傷の発生を抑制できる。例えば、２層で高熱伝導層を形成する場合には第１層を構成する材料の熱膨張係数をピストン本体部の熱膨張係数と第２層を構成する材料の熱膨張係数との間にすることが望ましい。
【００２５】
２層以上に積層した高熱伝導層を形成する方法としては、コールドスプレーを行い、その後に溶射を組み合わせる方法がある。コールドスプレーは粉末を高速でピストン本体部の頂面部に衝突させるているので、ピストン本体部の頂面に凹凸を形成（表面粗化）して高熱伝導層とピストン本体部との噛み合いを形成して接合強度を向上できる。一般的に、表面粗化を行う工程としては、ショットピーニングなどにて行うことが多いが、コールドスプレーにて表面粗化工程を兼用すると、ピストン本体部の頂面部においてショットが残留するなどの熱伝導性低下の要因を少なくすることができる。
【００２６】
コールドスプレー及び／又は溶射により第１層を形成した後、めっきにて第２層を形成することもできる。コールドスプレーや溶射は粉末状の原料をピストン本体部の頂面部に衝突して製膜する方法なので原理的に微小な空隙が生じるが、その後にめっきを行うとその空隙を塞ぐことができるので熱伝導性が向上できる。また、一般的なめっきはアルミニウム合金に強固な被膜を形成することは困難であるが、コールドスプレーや溶射によりめっき可能な他の材料からなる第１層を形成することで充分な強度を有する層（第２層）が形成できる。
【００２７】
そして、高熱伝導層を形成した後、又は形成する途中において、高熱伝導層をピストン本体部の頂面部に密着する方向に圧縮するように塑性変形させる工程を設けることが望ましい。前述したように、溶射やコールドスプレーにて形成された層は、原理上、内部に空隙を有することが多い。高熱伝導層の内部における空隙の存在は熱伝導率低下を招く。そこで、塑性変形により内部の空隙を潰すことで熱伝導性を向上させる。具体的に塑性変形を行う方法としてはローラによって表面を圧縮する方法や目的とする形状（例えば、最終的な高熱伝導層の外形）を有する型に押しつける方法が例示できる。なお、塑性加工の容易さの観点からも高熱伝導層として軟質金属（純アルミニウムなど）を採用することが望ましい。
【実施例】
【００２８】
本発明のピストンについて以下実施例に基づき詳細に説明する。比較例としてアルミニウム合金製のピストンを採用した。このピストンは頂面部の直径が９５ｍｍ、高さが７０ｍｍである。比較例のピストンは熱伝導率が１４０Ｗ／ｍ・Ｋであった。熱伝導率は一般に用いられるレーザーフラッシュ法により測定した。下記の種々の方法にてコーティングを行った各実施例についてはコーティングされた高熱伝導層の一部を切り出して測定した。
【００２９】
比較例のピストンに対して、大気中で溶射して純銅の高熱伝導層を形成したもの（実施例１）、減圧プラズマにて溶射して純銅の高熱伝導層を形成したもの（実施例２）、窒素雰囲気下で溶射して純銅の高熱伝導層を形成したもの（実施例３）、コールドスプレーで純銅の高熱伝導層を形成したもの（実施例４）、めっきで純銅の高熱伝導層を形成したもの（実施例５）を製造した。また、実施例１のピストンに対してめっきにて純銅の被膜を形成したもの（実施例６）、ローラ加工を行ったもの（実施例７）も製造した。
【００３０】
更に、比較例のピストンに対して、大気中で溶射して純アルミニウムの高熱伝導層を形成したもの（実施例８）、実施例８のピストンに対してローラ加工を行ったもの（実施例９）を製造した。また、比較例のピストンに厚さ２ｍｍの円板を摩擦圧接したもの（実施例１０）を製造した。
【００３１】
各実施例及び比較例のピストンについて実際のエンジンに装着して運転した場合のピストン頂面部の最高温度を測定した。温度の測定はピストンの下側から幾つかの孔を形成し、それらの孔の内部に温度プローブを配置することで行った。最高温度は一定の条件の運転条件下で実測した温度の最高値を採用した。結果を表１に示す。
【００３２】
【表１】
2007132275.tif 000002
【００３３】
表１から明らかなように、高熱伝導層を形成することで、ピストン本体部よりも熱伝導率が向上した。熱伝導率が大きくなるにつれて頂面部最高温度が低くくできた。頂面部最高温度を低くできるので、ノッキングの発生などの異常燃焼が発生することを抑制できる。頂面部最高温度と熱伝導率との関係を図１に示す。図１より明らかなように、概ね、頂面部最高温度と熱伝導率との間には緊密な相関が認められた
実施例１〜３を比較すると、同様に溶射によって純銅の高熱伝導層を形成する場合でも減圧プラズマや窒素雰囲気下にて行った方が高熱伝導層の厚みは３分の１になっても熱伝導率が大きくなった。また、同じ純銅製であっても、コールドスプレー（実施例４）の方が大気中溶射よりも熱伝導率が大きくでき、更にめっき（実施例５）の方が厚みが小さくても大きな熱伝導率が実現できた。
【００３４】
また、実施例１及び６を比較すると、大気中溶射を行った後、更に純銅めっきを行ったことで、熱伝導率が大きくなった。これは純銅にてめっきを行うことで、溶射時に形成された隙間を塞ぎ、より緊密になったので熱が伝導しやすくなったものと考えられる。
【００３５】
更に、実施例１及び７を比較すると、大気中溶射を行った後、更にローラ加工を行ったことで、熱伝導率が大きくなった。これはローラ加工を行うことで、溶射により形成された隙間が圧縮されて熱が伝導しやすくなったものと考えられる。同様に、実施例８及び９を比較すると、高熱伝導層として純アルミニウムを採用した場合でも、大気中溶射を行った後、更にローラ加工を行ったことで、熱伝導率が大きくなった。
【００３６】
そして、純銅製の円盤を摩擦圧接した実施例１０は高熱伝導層の厚みを大きく（２ｍｍ）できたので熱伝導率が大きくなり頂面部最高温度も低くできた。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】ピストン頂面部の最高温度と熱伝導率との関係を示すグラフである。
【図１】
2007132275.tif 000003