| 【発明の名称】 |
アルミ合金製内燃機関用ピストン |
| 【発明者】 |
【氏名】宮坂 一
【氏名】松川 治明
【氏名】高田 亮太郎
【氏名】丸井 勇治
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| 【要約】 |
【課題】ピン孔にかかる応力集中を緩和することができ、かつピン孔の耐面圧を高く設定することができるアルミ合金製内燃機関用ピストンを提供する。
【解決手段】アルミ合金製内燃機関用ピストン１０は、ピストンピン４０を挿入する一対のピン孔２１，３１を備え、ピン孔２１，３１を、ピストンピン４０に接触させる円筒孔２２と、ピストンピン４０には接触させぬように円筒孔２２，３２の端からピストン１０の中心に向って拡径する円錐孔２３，３３とから構成し、円錐孔２３，３３並びに円筒孔２２，３２に、りん酸塩並びにふっ化物を混合した電解液で陽極酸化皮膜５０を形成し、陽極酸化皮膜５０の微細な孔に潤滑剤を含浸させた部材である。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 ピストンピンを挿入する一対のピン孔を備えたアルミ合金製内燃機関用ピストンにおいて、前記各ピン孔は、ピストンピンに接触させる円筒孔と、ピストンピンには接触させぬように円筒孔の端からピストンの中心に向って拡径する円錐孔とからなり、前記円錐孔並びに円筒孔に、りん酸塩並びにふっ化物を混合した電解液で陽極酸化皮膜を形成し、陽極酸化皮膜の微細な孔に潤滑剤を含浸させたことをことを特徴とするアルミ合金製内燃機関用ピストン。
【請求項２】 前記円筒孔に陽極酸化皮膜の厚さを薄くし、この薄い陽極酸化皮膜と円筒孔の厚い陽極酸化皮膜をテーパで結ぶことを特徴とする請求項１記載のアルミ合金製内燃機関用ピストン。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はアルミ合金で鋳造した内燃機関用のピストンに関する。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関用のピストンは、例えば内燃機関の膨張工程の際にピストンに混合気の燃焼圧がかかりピストンピンが変形してピンボス部に応力が集中する。この応力集中に対応するために、ピンボス部の肉厚を大きく設定する必要がある。ピンボス部の肉厚を大きく設定すると、ピストンの軽量化が図り難く、自動車の燃費やエンジン出力を向上させることが難しい。そこで、ピンボス部の応力集中を緩和する内燃機関用のピストンとして、特開平１１−３０３９９３号公報「内燃機関用ピストン」が提案されている。この技術を、次図で詳しく説明する。
【０００３】図１５は従来の内燃機関用ピストンの断面図である。ピストン１１０は、図示せぬピストンピンを挿入する一対のピンボス部１１１，１１１にピン孔１１２，１１２を備え、ピン孔１１２，１１２にコンロッド側から面取り面１１３，１１３を形成し、面取り面１１３，１１３の内側にコニカル面（すなわち、円錐面）１１４，１１４を形成したものである。
【０００４】図示せぬピストンピンは両端をピン孔１１２，１１２で支持し、中央に集中荷重（コンロッドの押し引きによる。）が作用する二点支持梁であるから、中央が最大たわみとなるように上下に曲がる。このため、コニカル部１１４，１１４を設けることにより、ピストンピンの曲がりを妨げないように配慮すれば、ピストンピン並びにピンボス部１１１，１１１に発生が予想される応力集中を回避することができる。これがコニカル面１１４，１１４を設けた理由である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、コニカル面１１４，１１４を設けたために、ピストンピンがピン孔１１２，１１２に接触する領域が小さくなる。領域の小さなピン孔１１２，１１２にピストンピンから矢印の如く荷重がかかり面圧が高くなり、そのことがピストン１００の耐久性を高める妨げになる。
【０００６】そこで、本発明の目的は、ピン孔にかかる応力集中を緩和することができ、かつピン孔の耐面圧を高く設定することができるアルミ合金製内燃機関用ピストンを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために本発明の請求項１は、ピストンピンを挿入する一対のピン孔を備えたアルミ合金製内燃機関用ピストンにおいて、前記各ピン孔は、ピストンピンに接触させる円筒孔と、ピストンピンには接触させぬように円筒孔の端からピストンの中心に向って拡径する円錐孔とからなり、前記円錐孔並びに円筒孔に、りん酸塩並びにふっ化物を混合した電解液で陽極酸化皮膜を形成し、陽極酸化皮膜の微細な孔に潤滑剤を含浸させたことをことを特徴とする。
【０００８】応力集中を避けるためにピン孔に円錐孔を形成した結果、円筒孔の面圧が増大するが、この円筒孔に格別の耐面圧処理を施す。すなわち、円筒孔に、りん酸塩並びにふっ化物を混合した電解液で陽極酸化皮膜を形成し、陽極酸化皮膜の微細な孔に潤滑剤を含浸させた。ふっ化物には陽極酸化皮膜を平坦にする作用があり、りん酸塩には陽極酸化皮膜の微細な孔の孔径を大きくする作用がある。このため、平坦な陽極酸化皮膜で円筒孔の耐面圧を高め、平坦な陽極酸化皮膜の微細な孔に多量の潤滑剤を含浸させことで円筒孔の摺動抵抗を減らす。
【０００９】請求項２は、円筒孔に陽極酸化皮膜の厚さを薄くし、この薄い陽極酸化皮膜と円筒孔の厚い陽極酸化皮膜をテーパで結ぶことを特徴とする。円筒孔の薄い陽極酸化皮膜と厚い陽極酸化皮膜とをテーパで結ぶことで円錐孔を形成する。これで、ピン孔に陽極酸化皮膜を形成するとき、同時に円錐孔を形成して、円錐孔を工具で切削する工程を省く。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。図１は本発明に係るアルミ合金製内燃機関用ピストン（第１実施の形態）の斜視図である。アルミ合金製内燃機関用ピストン１０は、Ｓｉ（シリコン）系アルミニウム合金で形成した部材であって、ピストン頭部１２にピストンリング溝１３，１４及びオイルリング溝１５を形成し、オイルリング溝１５の下側に一対のスカート部１７，１７を形成し、一対のスカート部１７，１７の間に左右のピンボス部２０，３０（奥側のピンボス部３０は図２に示す）を形成し、ピンボス部２０，３０にピストンピン４０を挿入するピン孔２１，３１（ピン孔３１は図２に示す）を備えた部材である。４２はコンロッドである。
【００１１】図２は図１の２−２線断面図である。アルミ合金製内燃機関用ピストン１０は、左右のピンボス部２０，３０のピン孔２１，３１を、ピストンピン４０に接触させる円筒孔２２，３２と、ピストンピン４０には接触させぬように円筒孔２２，３２の端からピストン１０の中心１１に向って（すなわち、コンロッド４２に向って）拡径する円錐孔２３，３３とからなり、円錐孔２３，３３並びに円筒孔２２，３２に、りん酸塩並びにふっ化物を混合した電解液で特殊な陽極酸化皮膜５０を形成し、陽極酸化皮膜５０の微細な孔に潤滑剤を含浸させたものである。特殊な陽極酸化皮膜５０及び潤滑剤については図４でさらに詳しく説明する。
【００１２】図３は図２の３部拡大図であり、ピン孔３１に円筒孔３２及び円錐孔３３を備え、円錐孔３３とピンボス部３０の端部３５との間に面取り面３６を備えた状態を示す。円筒孔３２、円錐孔３３及び面取り面３６は、表面に特殊な陽極酸化皮膜５０を均一に形成し、陽極酸化皮膜５０の微細な孔に潤滑剤を含浸させたものである。なお、この図では、円筒孔３２とピストンピン４０との間の隙間を大きくして示したが、現実には円筒孔３２とピストンピン４０との間の隙間は殆どない。
【００１３】円錐孔３３は、軸方向の長さＬを１〜５ｍｍに設定し、かつ半径方向の高さＨを１〜３０μｍ（０．００１〜０．０３ｍｍ）に設定した。長さＬを１ｍｍ以上に設定することで、ピストンピン４０が弾性変形したときの逃げを十分に確保するようにした。また、長さＬを５ｍｍ以下に設定することで、円筒孔３２の領域を所定量確保して、円筒孔３２でピストンピン４０を支えることができるようにした。
【００１４】高さＨを１μｍ以上に設定することで、ピストンピン４０が弾性変形したときの逃げを十分に確保するようにした。また、高さＨを３０μｍ以下に設定することで、円錐孔３３の傾斜角θを小さく抑え、ピストンピン４０がピン孔３１に非接触となる非接触開始点３７（すなわち、円筒孔３２と円錐孔３３との境界点）での応力集中を緩和するようにした。
【００１５】このように、応力集中を緩和することにより、ピンボス部３０の肉厚ｔを小さく抑えることができ、ピストンの軽量化を図ることができる。なお、領域Ｅは、ピストンピン４０が弾性変形したときに、ピストンピン４０がピン孔３１に接触しない領域（円錐孔３３及び面取り面３６の領域）を示す。
【００１６】図４は図３の４部拡大図であり、この図では理解を容易にするために特殊な陽極酸化皮膜５０の皮膜面５０ａを上向きにして説明する。なお、潤滑剤５４として熱硬化性樹脂を使用した例を説明する。特殊な陽極酸化皮膜５０は、膜厚ｔ１が略一定で皮膜面５０ａを平坦に形成し、皮膜面５０ａに微細な孔５２・・・（・・・は複数個を示す）を備えたものである。孔５２・・・は孔径ｄ１が比較的大きい孔である。このため、孔５２・・・に十分な量の潤滑剤（熱硬化性樹脂）５４を含浸することができ、含浸した熱硬化性樹脂５４を孔５２・・・内に確実に固着することができる。
【００１７】このため、熱硬化性樹脂５４を陽極酸化皮膜５０の微細な孔５２・・・に固着させることで、特殊な陽極酸化皮膜５０で耐摩耗性を高めるとともに、潤滑剤で摺動抵抗を減らすことができる。加えて、特殊な陽極酸化皮膜５０は、皮膜面５０ａを平坦にすることで耐面圧を高めることができる。
【００１８】以下、図５で普通の陽極酸化皮膜の形成方法を比較例として説明する。図５（ａ）〜（ｃ）は内燃機関用ピストンのピン孔に普通の陽極酸化皮膜を形成した比較例を示す。（ａ）は、硫酸電解液で生成した普通の陽極酸化皮膜を示す。母材としてのアルミ合金製内燃機関用ピストンのピン孔１００にＳｉ粒１０１・・・が分布し、そのうちの表面近傍のＳｉ粒１０２・・・が陽極酸化皮膜１０３に悪影響を及ぼして、陽極酸化皮膜１０３が全体的に凹凸となっている。
【００１９】（ｂ）は、（ａ）の拡大図であり、たまたま表面に出ていたＳｉ粒１０５の部分には陽極酸化皮膜を形成できずに大きな窪みＤ１となり、また、表面にごく近いＳｉ粒１０６の部分には陽極酸化皮膜１０７が形成できたけれども、膜厚は周囲の陽極酸化皮膜１０３と比べると小さく、窪みＤ２ができている。すなわち、Ｓｉを含むアルミニウム合金製ピストンのピン孔１００を硫酸電解液で陽極酸化処理をしても、平坦な陽極酸化皮膜が得られないことが分かった。また、硫酸電解液では、微細な孔１０８・・・の孔径をｄ２とすると、ｄ２は一般的に１５ｎｍ程度と小さいことが分かった。
【００２０】（ｃ）は、液状の熱硬化性樹脂を微細な孔１０８・・・に含浸させ、含浸した液状の熱硬化性樹脂を加熱して硬化樹脂１０９・・・に変えた状態を示す。樹脂は摩擦抵抗が小さいので、陽極酸化皮膜１０３，１０７に硬化樹脂１０９・・・を含浸させることで、ピストンピンに対するピン孔１００の摺動抵抗は比較的小さくなる。
【００２１】しかし、（ｂ）に示したように、陽極酸化皮膜１０３に窪みＤ１，Ｄ２が発生して陽極酸化皮膜１０３を平坦に生成することが困難である。従って、ピン孔の耐面圧を十分に高めることはできない。また、陽極酸化皮膜１０３に発生した微細な孔１０８・・・の孔径ｄ２が小さいので陽極酸化皮膜１０３に樹脂１０９を十分に含有することができない。従って、陽極酸化皮膜１０３に樹脂１０９を含浸させても摩擦抵抗を所望の値まで小さくすることはできない。
【００２２】以下、図４の断面拡大図に示した特殊な陽極酸化皮膜を形成する方法を説明する。図６は本発明に係るアルミ合金製内燃機関用ピストン（第１実施の形態）の特殊な陽極酸化皮膜処理方法を説明するフローチャートであり、図中ＳＴ××はステップ番号を示す。
ＳＴ１０；アルミ合金製内燃機関用ピストン（すなわち、Ｓｉ系アルミニウム合金としてのＡＣ８Ｃアルミニウム合金製ピストン）のピンボス部のピン孔を脱脂する。ピンボス部のピン孔以外をマスクする。なお、アルミ合金製内燃機関用ピストンの全表面に陽極酸化皮膜を形成する場合はマスクをしない。
ＳＴ１１；りん酸塩としてのりん酸３ナトリウム及びふっ化物としてのふっ化カリウムの混合水溶液中で電気分解して、ピン孔に特殊な陽極酸化皮膜を生成する。この陽極酸化皮膜の皮膜面に微細な孔が生成する。
【００２３】ＳＴ１２；ふっ素樹脂を含有する液状の熱硬化性樹脂を準備し、この液状の熱硬化性樹脂を陽極酸化皮膜の微細な孔に含浸させる。
ＳＴ１３；微細な孔に含浸した液状の熱硬化性樹脂を加熱することにより硬化させる。これで、本発明に係るアルミニウム合金製ピストンの陽極酸化処理が完了する。以下、Ｓｉ系アルミニウム合金の陽極酸化処理方法のＳＴ１０〜ＳＴ１３を図７〜図８で詳しく説明する。
【００２４】図７（ａ），（ｂ）は本発明に係るアルミ合金製内燃機関用ピストン（第１実施の形態）の特殊な陽極酸化皮膜処理方法の第１説明図である。（ａ）は、ＳＴ１０（脱脂）後の状態を示す図であり、アルミ合金製内燃機関用ピストンのピンボス部３０のピン孔３１を脱脂した状態を示す。ピンボス部３０のピン孔３１の近傍にはアルミニウムにＳｉ粒５５，５６，５７が分散している。
【００２５】（ｂ）は、ＳＴ１１（特殊な陽極酸化皮膜処理）後の状態を示す図であり、りん酸３ナトリウム及びふっ化カリウムの混合水溶液中で電気分解して陽極酸化皮膜５０を生成した状態を示す。りん酸３ナトリウムの腐食作用でピン孔３１（（ａ）に示す）が溶解して、Ｓｉ粒５５，５６，５７が露出する。露出したＳｉ粒５５，５６，５７がふっ化カリウムの作用で溶解して小さくなる。
【００２６】このため、ピン孔３１にＳｉ粒５５，５６，５７が存在するにも拘らず、陽極酸化皮膜５０が良好に成長する。この結果、陽極酸化皮膜５０の皮膜面５０ａが揃うので、面粗度は小さくなり、膜厚ｔ１はほぼ一定となる。また、電解液にはりん酸３ナトリウムを含むため、りん酸３ナトリウムの孔径を大きくする作用で、微細な孔５２・・・の孔径ｄ１は略１００ｎｍと十分に大きくなる。
【００２７】図８（ａ），（ｂ）は本発明に係るアルミ合金製内燃機関用ピストン（第１実施の形態）の特殊な陽極酸化皮膜処理方法の第２説明図である。（ａ）は、ＳＴ１２（樹脂含浸処理）後の状態を示す図であり、ふっ素樹脂を含有する液状の熱硬化性樹脂５３を準備し、この液状の熱硬化性樹脂５３を陽極酸化皮膜５０の孔５２・・・に含浸した状態を示す。孔５２・・・の孔径ｄ１が１００ｎｍと大きいので、多量の熱硬化性樹脂５３を孔５２・・・内に含浸させることができる。なお、熱硬化性樹脂５３は溶媒希釈しなくても液状をなす樹脂である。
【００２８】（ｂ）は、ＳＴ１３（樹脂硬化処理）後の状態を示す図であり、オーブンのコイル５８から矢印の如く熱を伝えることにより液状の熱硬化性樹脂５３を加熱する。液状の熱硬化性樹脂５３が硬化して熱硬化性樹脂５４となる。これで、図４に示す特殊な陽極酸化皮膜５０に熱硬化性樹脂５３を含浸させた状態になる。
【００２９】本発明によれば、ふっ化カリウムにはＳｉを溶解する作用と増膜作用とがある。このため、陽極酸化皮膜５０の皮膜面５０ａを平坦にすることができるので、耐面圧を十分に高めることができる。一方、りん酸３ナトリウムには微細な孔５２・・・の孔径を大きくする作用がある。このため、陽極酸化皮膜５０の微細な孔５２・・・を大きな孔径ｄ１にすることができる。従って、陽極酸化皮膜５０に多量の熱硬化性樹脂５４を含浸させることができるので、摺動抵抗を減らすことができる。
【００３０】さらに、熱硬化性樹脂５４に含有したふっ素樹脂は、耐摩耗性や耐熱性に優れており、熱硬化性樹脂５４を耐摩耗性や耐熱性に優れた樹脂にすることができる。従って、熱硬化性樹脂５４を、例えば１００℃〜３００℃以上の高温において使用することができるので、ピストンのような高温状態で使用する部材に好適である。
【００３１】
【実施例】本発明に係る実施例及び比較例を表１、表２及び図９に基づいて説明する。
共通条件：供試材 ＡＣ８Ｃ（ＪＩＳ Ｈ ５２０２ アルミニウム合金鋳物）
成分は表１に示すが、約１０％のＳｉを含む鋳物である。
【００３２】
【表１】
【００３３】
【表２】
【００３４】実施例：アルミ合金製内燃機関用ピストンのピンボス部のピン孔を脱脂した後、０．４モル／ｌりん酸３ナトリウム及び０．１２５モル／ｌふっ化カリウムの混合電解液で、電解液温度を２２℃、電圧を７０Ｖとして３０分間電気分解して、ピン孔に特殊な陽極酸化皮膜を生成した。特殊な陽極酸化皮膜の微細な孔は孔径ｄ１（図８（ａ）参照）が１００ｎｍと大きく、陽極酸化皮膜の表面最大粗さＲｍａｘは２〜３μｍと平坦である。なお、Ｒｍａｘは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１で定義する表面粗さの最大高さであるが、便宜上「表面最大粗さＲｍａｘ」を表記した。
【００３５】次に、生成した陽極酸化皮膜を１０ｍｍＨｇの減圧状態で、パーフロロオクチルエチルメタクレート（熱硬化性樹脂）液中に５分間浸漬した後、大気開放して９８℃の温水に１０分間浸漬した。温水から取り出した後、オーブンで５分間加熱してパーフロロオクチルエチルメタクレートを硬化した。この結果、面圧３０ｋｇｆ／ｃｍ2で摩擦係数μを０．００６と小さくすることができた。なお、摩擦係数μについては図９のグラフで詳しく説明する。なお、パーフロロオクチルエチルメタクレートの化学式は以下の通りである。
【００３６】
【化１】
【００３７】比較例：アルミ合金製内燃機関用ピストンのピンボス部のピン孔を脱脂した後、１５％硫酸の電解液で、電解液温度を０℃、電圧を１５Ｖとして２０分間電気分解して、アルミニウム合金製ピストンの表面に普通の陽極酸化皮膜を生成した。普通の陽極酸化皮膜の微細な孔は孔径ｄ２（図５（ｂ）参照）が１５ｎｍと小さく、陽極酸化皮膜の表面最大粗さＲｍａｘは１２〜１３μｍと凸凹である。
【００３８】次に、生成した陽極酸化皮膜を１０ｍｍＨｇの減圧状態でパーフロロオクチルエチルメタクレート液中に５分間浸漬した後、大気開放して９８℃の温水に１０分間浸漬した。温水から取り出した後、オーブンで５分間加熱してパーフロロオクチルエチルメタクレートを硬化した。この結果、面圧３０ｋｇｆ／ｃｍ2で摩擦係数μは０．０７であった。この摩擦係数μは実施例の０．００６と比較して大きい。なお、摩擦係数μについては図９のグラフで詳しく説明する。
【００３９】図９は本発明に係るアルミ合金製内燃機関用ピストン（第１実施の形態）の特殊な陽極酸化皮膜の摩擦係数を示すグラフであり、縦軸は摩擦係数μを示し、横軸は面圧ｋｇｆ／ｃｍ2を示す。実線は実施例のグラフを示し、破線は比較例のグラフを示す。実施例おいて、摩擦係数μは、面圧１０ｋｇｆ／ｃｍ2のとき０．０１３、面圧２０ｋｇｆ／ｃｍ2のとき０．００８、面圧３０ｋｇｆ／ｃｍ2のとき０．００６、面圧４０ｋｇｆ／ｃｍ2のとき０．００８、面圧５０ｋｇｆ／ｃｍ2のとき０．００６である。実施例によれば、面圧が１０〜５０ｋｇｆ／ｃｍ2の範囲で摩擦係数μを０．０１３以下に小さくすることができる。従って、摺動抵抗を十分に減少させることができる。
【００４０】一方、比較例において、摩擦係数μは、面圧１０ｋｇｆ／ｃｍ2のとき０．０６、面圧２０ｋｇｆ／ｃｍ2のとき０．０６９、面圧３０ｋｇｆ／ｃｍ2のとき０．０６９、面圧４０ｋｇｆ／ｃｍ2のとき０．０６２、面圧５０ｋｇｆ／ｃｍ2のとき０．０５４である。比較例によれば、面圧が１０〜５０ｋｇｆ／ｃｍ2の範囲で摩擦係数μは０．０５４以上になり、実施例の摩擦係数μ０．０１３より大きくなる。従って、摺動抵抗を十分に減少させることはできない。
【００４１】次に、アルミ合金製内燃機関用ピストン１０の作用を説明する。図１０（ａ），（ｂ）は本発明に係るアルミ合金製内燃機関用ピストン（第１実施の形態）の作用説明図である。（ａ）の圧縮工程において、コンロッド４２の押上げ力Ｆ１がピストンピン４０の中央に作用して、ピストンピン４０は両端支持の状態で中央が上方に弾性変形する。このとき、領域Ｅはピストンピン４０と接触しないので、ピストンピン４０が弾性変形した際に、ピストンピン４０の弾性変形を領域Ｅで逃がしてピン孔２１，３１にかかる応力集中を緩和する。
【００４２】加えて円筒孔２２，３２に陽極酸化皮膜５０を形成し、この陽極酸化皮膜５０を平坦にすることで耐面圧を高め、平坦な陽極酸化皮膜の微細な孔に多量の潤滑剤を含浸させことで摺動抵抗を減らす。このように、ピン孔２１，３１にかかる応力集中を緩和し、かつ円筒孔２２，３２の面圧を高めるとともに摺動抵抗を減らすことで、ピンボス部２０，３０の肉厚ｔを薄くしてピストン１０の軽量化を図る。
【００４３】（ｂ）の膨張工程において、混合気の燃焼圧Ｆ２がピストンピン４０の両端に作用する。ピストンピン４０の中央にコンロッド４２を取り付けてあるので、ピストンピン４０は両端のみが下向きに弾性変形する。このとき、（ａ）で説明したように領域Ｅはピストンピン４０と接触しないので、ピストンピン４０が弾性変形した際に、ピストンピン４０の弾性変形を領域Ｅで逃がしてピン孔２１，３１にかかる応力集中を緩和する。
【００４４】加えて円筒孔２２，３２に陽極酸化皮膜５０を形成し、この陽極酸化皮膜５０を平坦にすることで耐面圧を高め、平坦な陽極酸化皮膜の微細な孔に多量の潤滑剤を含浸させることで摺動抵抗を減らす。このように、ピン孔２１，３１にかかる応力集中を緩和し、かつ円筒孔２２，３２の面圧を高めるとともに摺動抵抗を減らすことで、ピンボス部２０，３０の肉厚ｔを薄くしてピストンの軽量化を図る。
【００４５】次に、第２実施の形態および第３実施の形態について説明する。なお、第１実施の形態と同一部材については同一符号を付して説明を省略する。図１１は本発明に係るアルミ合金製内燃機関用ピストン（第２実施の形態）の断面図である。アルミ合金製内燃機関用ピストン６０は、ピン孔６２の面取り面６３の陽極酸化皮膜５０の厚さを薄くし、円筒部６４の陽極酸化皮膜５０を厚くし、薄い陽極酸化皮膜５０と厚い陽極酸化皮膜５０をテーパで結ぶことにより陽極酸化皮膜５０で円錐孔６５を形成したものである。
【００４６】ピン孔６２に陽極酸化皮膜５０を形成するときに、同時に円錐孔６５を形成することができるので、円錐孔６５を工具で切削する工程を省くことができる。なお、陽極酸化皮膜５０の微細な孔には、第１実施の形態と同様に潤滑剤（熱硬化性樹脂）を含浸させている。円錐孔６５は、第１実施の形態と同様に、軸方向の長さＬを１〜５ｍｍに設定し、かつ半径方向の高さＨを１〜３０μｍ（０．００１〜０．０３ｍｍ）に設定した。これにより、第１実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００４７】次に、第２実施の形態の作用を説明する。図１２（ａ），（ｂ）は本発明に係るアルミ合金製内燃機関用ピストン（第２実施の形態）の陽極酸化皮膜処理工程説明図である。（ａ）において、ピンボス部６１のピン孔６２を脱脂する。次に、陰極筒体６７に絶縁性筒体６８を嵌め込み、この陰極筒体６７をピン孔６２に差し込む。これで、絶縁性筒体６８を領域Ｅ１に配置し、陰極筒体６７を領域Ｅ２に配置する。この状態でピン孔６２を、りん酸塩並びにふっ化物を混合した電解液に漬けて、ピンボス部６１を陽極に接続する。
【００４８】ピンボス部６１と陰極筒体６７との間に電流を流す。陰極筒体６７からピン孔６２の領域Ｅ２向って多量の電流が矢印■の如く流れる。一方、領域Ｅ１への電流の流れは絶縁性筒体６８で遮られて、絶縁性筒体６８を回避した電流のみが領域Ｅ１に向けて矢印■の如く流れる。
【００４９】（ｂ）において、領域Ｅ２は陽極酸化皮膜５０が厚くなり、円筒孔６４を形成する。一方、領域Ｅ１は陽極酸化皮膜５０がテーパ面になり陽極酸化皮膜５０で円錐孔６５を形成する。このため、円錐孔６５を工具で切削する必要がないので、ピストン６０を手間をかけないで製造することができる。
【００５０】図１３は本発明に係るアルミ合金製内燃機関用ピストン（第３実施の形態）の断面図である。アルミ合金製内燃機関用ピストン７０は、ピン孔７２の表面に析出するＳｉ粒子７３の析出量を変えることにより、陽極酸化皮膜５０の厚さを調整して陽極酸化皮膜５０で円錐孔７４を形成したものである。
【００５１】すなわち、Ｓｉ粒子７３は電流を通さないので、Ｓｉ粒子７３・・・の析出量が多いと陽極酸化皮膜５０が薄くなり、Ｓｉ粒子７３・・・の析出量が少ないと陽極酸化皮膜５０が厚くなる。これを利用して、ピン孔７２の面取り面７５の陽極酸化皮膜５０の厚さを薄くし、円筒部７６の陽極酸化皮膜５０を厚くし、薄い陽極酸化皮膜５０と厚い陽極酸化皮膜５０をテーパで結ぶことにより、陽極酸化皮膜５０で円錐孔７４を形成する。
【００５２】ピン孔７２に陽極酸化皮膜５０を形成するときに、同時に円錐孔７４を形成することができるので、円錐孔７４を工具で切削する工程を省くことができる。なお、陽極酸化皮膜５０の微細な孔には、第１実施の形態と同様に潤滑剤（熱硬化性樹脂）を含浸させている。円錐孔７４は、第１実施の形態と同様に、軸方向の長さＬを１〜５ｍｍに設定し、かつ半径方向の高さＨを１〜３０μｍ（０．００１〜０．０３ｍｍ）に設定した。これにより、第１実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００５３】ここで、Ｓｉ粒子７３の析出量を調整する方法について説明する。アルミ合金製の鋳物を鋳造する際に、溶湯の表面を急冷するとＳｉ粒子７３・・・が表面に析出し難いことが知られている。従って、アルミ合金製内燃機関用ピストン７０を鋳造する際に、例えばピン孔７２を成形するための鋳抜きピンを冷却しておくことで、ピン孔７２の領域Ｅ２においてＳｉ粒子７３・・・が表面に析出することを抑えることができる。
【００５４】次に、第３実施の形態の作用を説明する。図１４（ａ），（ｂ）は本発明に係るアルミ合金製内燃機関用ピストン（第３実施の形態）の陽極酸化皮膜処理工程説明図である。（ａ）において、先ず領域Ｅ２のＳｉ粒子７３・・・の析出量を抑えたアルミ合金製内燃機関用ピストン７０を準備する。次に、ピンボス部７１のピン孔７２を脱脂した後、ピン孔７２に陰極筒体７８を差し込む。この状態でピン孔７２を、りん酸塩並びにふっ化物を混合した電解液に漬けて、ピンボス部７１を陽極に接続する。
【００５５】ピンボス部７１と陰極筒体７８との間に電流を流す。Ｓｉ粒子７３・・・の析出量が少ないピン孔７２の領域Ｅ２向って多量の電流が矢印■の如く流れる。一方、Ｓｉ粒子７３・・・の析出量が徐々に多くなる領域Ｅ１に向けて少量の電流が矢印■の如く流れる。
【００５６】（ｂ）において、領域Ｅ２は陽極酸化皮膜５０が厚くなり、円筒孔６４を形成する。一方、領域Ｅ１は陽極酸化皮膜５０が面取面７５で薄くなり、円筒孔７６から面取面７５に向ってテーパ面になり、陽極酸化皮膜５０で円錐孔７４を形成する。このため、円錐孔７４を工具で切削する必要がないので、ピストン７０を手間をかけないで製造することができる。
【００５７】なお、前記実施の形態では、りん酸塩としてりん酸３ナトリウムを使用した例を示したが、その他にりん酸ナトリウムなどを使用してもよい。また、ふっ化物としてふっ化カリウムを使用した例を示したが、その他にふっ化ナトリウムなどを使用してもよく、アルカリ金属系ふっ化物であれば同等の作用効果がある。
【００５８】さらに、液状の熱硬化性樹脂としてパーフロロオクチルエチルメタクレート液を使用した例を説明したが、ふっ素を含んだその他の熱硬化性樹脂を使用してもよい。なお、潤滑剤として熱硬化性樹脂を使用した例を説明したが、光硬化性樹脂などのその他の樹脂を使用しても同様の効果を得ることができる。また、光硬化性樹脂は、例えば紫外線硬化性樹脂や可視光硬化性樹脂が該当する。
【００５９】前記実施の形態では、ピン孔の全周に円錐孔を形成した例について説明したが、図１１（ａ），（ｂ）で示したようにピストンピンは中央が上方に（ピストン頭部側に）弾性変形するので、ピン孔全周のうちのピストン頭部側の領域（例えば、１２０°の範囲））にのみ円錐孔を形成しても、前記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００６０】
【発明の効果】本発明は上記構成により次の効果を発揮する。請求項１は、ピストンピンが接触しない円錐孔をピン孔に形成することで、ピストンピンが弾性変形したときの逃げを確保することができる。このため、弾性変形したピストンピンをピン孔に強く押し付けることを防いで、ピン孔にかかる応力集中を緩和することができる。
【００６１】応力集中を緩和するためにピン孔に円錐孔を形成した結果、円筒孔の面圧が増大するが、この円筒孔に格別の耐面圧処理を施す。すなわち、円筒孔に、りん酸塩並びにふっ化物を混合した電解液で陽極酸化皮膜を形成し、陽極酸化皮膜の微細な孔に潤滑剤を含浸させた。ふっ化物には陽極酸化皮膜を平坦にする作用があり、りん酸塩には陽極酸化皮膜の微細な孔の孔径を大きくする作用がある。このため、平坦な陽極酸化皮膜で円筒孔の耐面圧を高めることができ、平坦な陽極酸化皮膜の微細な孔に多量の潤滑剤を含浸させことで円筒孔の摺動抵抗を減らすことができる。このように、ピン孔の応力集中を緩和し、かつ円筒孔の面圧を高めるとともに摺動抵抗を減らすことで、ピンボス部の肉厚を薄くして、ピストンの軽量化を図ることができる。
【００６２】請求項２は、円筒孔の薄い陽極酸化皮膜と厚い陽極酸化皮膜とをテーパで結ぶことで円錐孔を形成することができる。ピン孔に陽極酸化皮膜を形成する際に、同時に円錐孔を形成して、円錐孔を工具で切削する工程を省くことができる。従って、ピストンを手間をかけないで簡単に製造することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５３２６
【氏名又は名称】本田技研工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年３月２３日（２０００．３．２３） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００６７３５６
【弁理士】
【氏名又は名称】下田 容一郎
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| 【公開番号】 |
特開２００１−２７１７０５（Ｐ２００１−２７１７０５Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年１０月５日（２００１．１０．５） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−８３０１３（Ｐ２０００−８３０１３） |
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