特許 6171567 内燃機関用機械部品の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6171567

(24)【登録日】2017年7月14日

(45)【発行日】2017年8月2日

(54)【発明の名称】内燃機関用機械部品の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C23C 18/18 20060101AFI20170724BHJP

   C23C 18/34 20060101ALI20170724BHJP

   C23C 28/00 20060101ALI20170724BHJP

   F02F 3/00 20060101ALI20170724BHJP

   F02F 3/12 20060101ALI20170724BHJP

   F02F 3/10 20060101ALI20170724BHJP

   F16J 1/01 20060101ALI20170724BHJP

   F16J 1/16 20060101ALI20170724BHJP

【ＦＩ】

   C23C18/18

   C23C18/34

   C23C28/00 A

   F02F3/00 D

   F02F3/00 G

   F02F3/12

   F02F3/10 B

   F16J1/01

   F16J1/16

【請求項の数】3

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2013-110940(P2013-110940)

(22)【出願日】2013年5月27日

(65)【公開番号】特開2014-227596(P2014-227596A)

(43)【公開日】2014年12月8日

【審査請求日】2016年4月11日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000011

【氏名又は名称】アイシン精機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100104433

【弁理士】

【氏名又は名称】宮園 博一

(72)【発明者】

【氏名】皆木 肇

(72)【発明者】

【氏名】笹山 裕晃

(72)【発明者】

【氏名】岡本 明広

(72)【発明者】

【氏名】新美 拓哉

【審査官】 伊藤 寿美

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０５−０８６４８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−２７０８６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−２１３０７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−０３８５９３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２３Ｃ １８／１０−２０／０８

２４／００−３０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる機械部品本体の所定部分の表面に対して、ニッケルを用いた微粒子ショットピーニング処理を施すことにより、前記機械部品本体の所定部分の表面上に、ニッケルを含有し、凹凸形状を有し、ビッカース硬さがＨＶ２００以上ＨＶ４００以下であり、かつ、前記機械部品本体の所定部分の表面の硬度よりも大きく、ニッケルめっき層の硬度よりも小さい硬度を有する改質層を形成する工程と、
前記改質層が形成された前記機械部品本体の所定部分の表面を覆うように前記ニッケルめっき層を形成する工程とを備える、内燃機関用機械部品の製造方法。

【請求項2】

前記ニッケルめっき層におけるニッケルの含有率は、８５ｗｔ％以上９６ｗｔ％以下であり、
前記改質層におけるニッケルの含有率は、５ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下である、請求項１に記載の内燃機関用機械部品の製造方法。

【請求項3】

前記改質層の厚みは、前記ニッケルめっき層よりも小さく、かつ、３μｍ以上１０μｍ以下である、請求項１または２に記載の内燃機関用機械部品の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、内燃機関用機械部品の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる機械部品本体を備えた内燃機関用機械部品、その内燃機関用機械部品の製造方法およびアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる機械部品本体を備えた機械部品が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

【0003】

上記特許文献１には、アルミニウム合金からなる母材（機械部品本体）の表面に、リンおよびホウ素を含有する無電解ニッケルめっきの被膜を形成し、その後、低温（２００℃）で熱処理を行うことによって、無電解ニッケルめっきのビッカース硬さをＨＶ８００以上にした機械部品が開示されている。この機械部品では、低温で熱処理を行うことによって、アルミニウム合金からなる母材の硬度が低下するのを抑制しつつ、無電解ニッケルめっきの硬度を向上させている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平８−１５８０５８号公報

【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、上記特許文献１に記載された機械部品では、約２５０℃以上の高温環境下に配置された場合には、母材を構成するアルミニウム合金の硬度が低下するため、硬度が向上した無電解ニッケルめっきと硬度が低下したアルミニウム合金との硬度差が大きくなり、その結果、無電解ニッケルめっきが母材から剥離しやすくなるという問題点がある。ここで、一般的に、アルミニウム合金からなる母材の表面に無電解ニッケルめっきを形成する際には、前処理として、母材の表面を凹凸形状の粗面にするためのエッチング処理や、ニッケルに置換可能な亜鉛めっきを形成する亜鉛置換処理を行う。この前処理が行われた母材では、表面が腐食等されて欠陥が生じる。このため、無電解ニッケルめっきが母材から剥離した場合には、母材の露出した表面の欠陥から亀裂が進行しやすく、その結果、母材の露出した部分から機械部品が損傷しやすい。

【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、高温環境下に配置された場合であっても、ニッケルめっき層が機械部品本体の所定部分の表面から剥離するのを抑制することが可能な内燃機関用機械部品の製造方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0015】

この発明の一の局面における内燃機関用機械部品の製造方法は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる機械部品本体の所定部分の表面に対して、ニッケルを用いた微粒子ショットピーニング処理を施すことにより、機械部品本体の所定部分の表面上に、ニッケルを含有し、凹凸形状を有し、ビッカース硬さがＨＶ２００以上ＨＶ４００以下であり、かつ、機械部品本体の所定部分の表面の硬度よりも大きく、ニッケルめっき層の硬度よりも小さい硬度を有する改質層を形成する工程と、改質層が形成された機械部品本体の所定部分の表面を覆うようにニッケルめっき層を形成する工程とを備える。

【0016】

この発明の一の局面における内燃機関用機械部品の製造方法では、上記のように、機械部品本体の所定部分の表面上に改質層を形成する工程と、改質層が形成された機械部品本体の所定部分の表面を覆うようにニッケルめっき層を形成する工程とを備える。これにより、高温環境下に配置された場合における機械部品本体の所定部分の表面とニッケルめっき層との硬度差を、機械部品本体の所定部分の表面とニッケルめっき層との間に設けられた改質層によって緩和することができる。これにより、内燃機関用機械部品が高温環境下に配置された場合であっても、ニッケルめっき層が機械部品本体の所定部分の表面から剥離するのを抑制することができる。その結果、ニッケルめっき層の剥離に起因する内燃機関用機械部品の寿命の低下を抑制することができる。また、改質層によりニッケルめっき層の剥離を抑制して密着性を向上させることができるので、密着性を向上させるために前処理としてのエッチング処理や亜鉛置換処理を行う必要がない。これにより、エッチング処理や亜鉛置換処理に起因してアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる機械部品本体の所定部分の表面が腐食等されることがないので、機械部品本体の所定部分の表面に欠陥が生じるのを防止することができる。また、機械部品本体の所定部分の表面を覆うように硬度の高いニッケルめっき層を形成することによって、硬度（疲労強度）を向上させることができるので、機械部品本体の厚みを大きくすることなく、内燃機関用機械部品の耐久性を向上させることができる。その結果、ニッケルめっき層が形成されていない従来の内燃機関用機械部品と同等の性能（耐久性）を内燃機関用機械部品に付与する場合、従来の内燃機関用機械部品よりも軽量化することができる。さらに、機械部品本体の所定部分の表面に対して、ショットピーニング処理を施すことにより、機械部品本体の所定部分の表面上に改質層を形成することによって、機械部品本体の所定部分の表面上に改質層を容易に形成することができる。

【0017】

また、上記一の局面における内燃機関用機械部品の製造方法では、改質層を形成する工程は、ニッケルを用いた微粒子ショットピーニング処理を施すことにより、機械部品本体の所定部分の表面上にニッケルを含有するとともに凹凸形状を有する改質層を形成する工程を含む。これにより、凹凸形状の改質層のニッケルめっき層側の表面により、改質層のニッケルめっき層側の表面が平坦面状である場合と比べて、ニッケルめっき層の密着性を向上させることができるので、ニッケルめっき層が機械部品本体の所定部分の表面から剥離するのを抑制することができる。また、微粒子ショットピーニング処理により、改質層のニッケルめっき層側の表面を容易に凹凸形状に形成することができる。また、前処理としてのエッチング処理や亜鉛置換処理を行わなくとも、改質層のニッケルめっき層側の表面を凹凸形状にすることができるので、ニッケルめっき処理の工程を簡略化することができるとともに、改質層のニッケルめっき層側の表面上に密着性が良好なニッケルめっき層を容易に形成することができる。さらに、ニッケルめっき層の主成分と同一のニッケルが改質層に含まれることにより、改質層とニッケルめっき層との密着性をより向上させることができる。

【0018】

また、上記一の局面における内燃機関用機械部品の製造方法では、改質層の硬度は、機械部品本体の所定部分の表面の硬度よりも大きく、かつ、ニッケルめっき層の硬度よりも小さい。これにより、改質層とニッケルめっき層との硬度差、および、機械部品本体の所定部分の表面と改質層との硬度差を、機械部品本体の所定部分の表面とニッケルめっき層との硬度差よりも小さくすることができるので、改質層により、機械部品本体の所定部分の表面とニッケルめっき層との硬度差を確実に緩和することができる。また、上記一の局面における内燃機関用機械部品の製造方法において、好ましくは、ニッケルめっき層におけるニッケルの含有率は、８５ｗｔ％以上９６ｗｔ％以下であり、改質層におけるニッケルの含有率は、５ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下である。また、上記一の局面における内燃機関用機械部品の製造方法において、好ましくは、改質層の厚みは、ニッケルめっき層よりも小さく、かつ、３μｍ以上１０μｍ以下である。

【発明の効果】

【0023】

本発明によれば、上記のように、高温環境下に配置された場合であっても、ニッケルめっき層が機械部品本体の所定部分の表面から剥離するのを抑制することが可能な内燃機関用機械部品の製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の一実施形態によるピストン周辺を示した概略側面図である。

【図2】本発明の一実施形態によるピストンの頂面、摺動面および内周面における層構造を示した断面図である。

【図3】本発明の一実施形態によるピストンの頂面、摺動面および内周面における層構造を示した拡大断面図である。

【図4】本発明の効果を確認するために行った回転曲げ試験の結果を示した図である。

【図5】本発明の効果を確認するために行った硬度分布測定の結果を示した図である。

【図6】本発明の効果を確認するために行った元素分析の結果を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

【0026】

図１〜図３を参照して、本発明の一実施形態によるピストン１００の構成について説明する。なお、ピストン１００は、本発明の「内燃機関用機械部品」および「機械部品」の一例である。

【0027】

本発明の一実施形態によるピストン１００は、図示しない車両の内燃機関（エンジン）に用いられる機械部品である。このピストン１００は、図１に示すように、シリンダ１０１内を上下方向（Ｚ方向）に移動可能に配置されている。また、シリンダ１０１の上方（Ｚ１側）には、シリンダヘッド１０２が配置されており、ピストン１００、シリンダ１０１およびシリンダヘッド１０２により囲まれた領域に燃焼室Ａが形成されている。ここで、燃焼室Ａでは、内部に吸入された混合気が燃焼されることによって、約６ＭＰａ以上の大きな燃焼圧と、約１８００℃以上の燃焼ガスとが発生する。このため、ピストン１００において、燃焼室Ａ側に位置するピストン本体１の頂面１ａには、大きな燃焼圧が応力として加えられるとともに、頂面１ａの表面温度が約２５０℃以上（３００℃程度）になるため、ピストン本体１の頂面１ａ（図１の網掛け部分）は、高い強度（硬度）が必要とされるとともに、約２５０℃以上の高温環境下に配置される。なお、ピストン本体１は、本発明の「機械部品本体」の一例であり、頂面１ａは、本発明の「所定部分の表面」の一例である。

【0028】

また、ピストン本体１のシリンダ内側面１０１ａとの摺動面（外側面）１ｂ、および、ピストンピン１０３が挿入されるピストンピン用穴の内周面１ｃ（これ以降、内周面１ｃとする）（図１の網掛け部分）も、ピストン本体１の頂面１ａ側からの熱や、発生する摩擦熱に起因して、約２５０℃以上の高温環境下に配置される。また、摺動面１ｂおよび内周面１ｃは、それぞれ、シリンダ内側面１０１ａおよびピストンピン１０３との摺動面であるため、高い強度（硬度）が必要とされる。なお、摺動面１ｂおよび内周面１ｃは、本発明の「所定部分の表面」の一例である。

【0029】

また、ピストン本体１は、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金（アルミニウム合金）からなり、鋳造によって作成されている。これにより、ピストン本体１が鋳鉄からなる場合と比べて、ピストン１００を軽量化することができるので、ピストン１００の重量に応じて重量調整されるエンジンの他の部材（コンロッド、フライホイールなど）も軽量化することが可能である。この結果、エンジン全体を軽量化することが可能である。

【0030】

ここで、本実施形態では、図２に示すように、ピストン本体１の頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃでは、頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃを覆うように、ニッケルめっき層２が形成されているとともに、頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃとニッケルめっき層２との間に、改質層３が形成されている。つまり、頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃでは、アルミニウム合金（Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金）からなるピストン本体１と改質層３とニッケルめっき層２とがこの順に積層されている。

【0031】

ニッケルめっき層２は、約８５ｗｔ％以上約９６ｗｔ％以下のＮｉ（ニッケル）と、約４ｗｔ％以上約１５ｗｔ％以下のＰ（リン）とを含むＮｉ−Ｐ合金からなり、無電解ニッケルめっき処理により形成されている。また、ニッケルめっき層２の厚み（平均厚み）ｔ１は、約２０μｍである。

【0032】

また、ニッケルめっき層２の外部に露出する表面２ａは、平滑面状になるように形成されている。これにより、ニッケルめっき層２の表面２ａが凹凸形状の粗面である場合と異なり、粗面の凹凸部分を起点としてピストン１００に亀裂などの欠陥が生じるのを抑制することが可能である。

【0033】

改質層３は、頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃに位置していたＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金（アルミニウム合金）が、ニッケル微粒子からなる投射材を用いた微粒子ショットピーニング処理により改質されることによって形成されている。これにより、図３に示すように、改質層３には、Ａｌ、ＳｉおよびＣｕだけでなく、微粒子ショットピーニング処理により埋め込まれたＮｉと、Ｎｉと共に埋め込まれたＯ（酸素）とが含まれており、それらの５つの元素により、改質層３の内部に複合組織３ａ（図３の斜線部分）が形成されている。なお、改質層３におけるＮｉの含有率は、約５ｗｔ％以上約２０ｗｔ％以下であり、ニッケルめっき層２におけるＮｉの含有率（約８５ｗｔ％以上約９６ｗｔ％以下）よりも少なくなるように構成されている。

【0034】

また、改質層３では、アルミニウム合金が微細化されている。この結果、改質層３は、複合組織３ａと微細化されたアルミニウム合金とにより、ピストン本体１を構成するアルミニウム合金よりも熱によって硬度が低下しにくい（軟化しにくい）性質を有している。

【0035】

また、改質層３のニッケルめっき層２と接触する表面３ｂは、凹凸形状の粗面になるように形成されている。これにより、表面３ｂに凹凸形状の粗面が形成されていない場合と比べて、ニッケルめっき層２と改質層３との密着性を向上させることが可能である。また、改質層３は、微粒子ショットピーニング処理によって厚みｔ２が不均一になるように形成されている。なお、改質層３の厚みｔ２は、約３μｍ以上約１０μｍ以下であり、ニッケルめっき層２の厚みｔ１（約２０μｍ）よりも小さい。

【0036】

ここで、ピストン１００が約２５０℃以上の高温環境下に配置された際、ピストン本体１を構成するアルミニウム合金では、残留応力が開放されて軟化される。この結果、ピストン本体１の頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃのビッカース硬さは、ＨＶ１２０程度からＨＶ６０程度に小さくなる。一方、高温環境下に配置される前は十分に結晶化していなかったニッケルめっき層２は、高温環境下に配置されることにより略完全に結晶化される。これにより、ニッケルめっき層２のビッカース硬さは、ＨＶ５００〜ＨＶ６００程度からＨＶ８００〜ＨＶ１０００程度に大きくなる。この結果、高温環境下に配置された場合には、アルミニウム合金部１とニッケルめっき層２との硬度差が大きくなる。

【0037】

ここで、本実施形態では、改質層３がピストン本体１を構成するアルミニウム合金よりも熱によって硬度が低下しにくい（軟化しにくい）性質を有していることにより、改質層３のビッカース硬さは、ＨＶ２００〜ＨＶ４００程度でほとんど変化しない。この改質層３のビッカース硬さ（ＨＶ２００〜ＨＶ４００程度）は、アルミニウム合金からなる頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃのビッカース硬さ（ＨＶ１２０程度（高温環境前）、ＨＶ６０程度（高温環境後））よりも大きく、ニッケルめっき層２のビッカース硬さ（ＨＶ５００〜ＨＶ６００程度（高温環境前）、ＨＶ８００〜ＨＶ１０００程度（高温環境後））よりも小さい。これにより、頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃと改質層３との硬度差および改質層３とニッケルめっき層２との硬度差は、頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃとニッケルめっき層２との硬度差よりも小さくなる。

【0038】

本実施形態では、上記のように、ピストン本体１の頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃとニッケルめっき層２との間に改質層３を設けることによって、約２５０℃以上の高温環境下に配置された場合における頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃとニッケルめっき層２との硬度差を、ピストン本体１の頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃとニッケルめっき層２との間に形成された改質層３によって緩和することができる。これにより、ピストン１００が高温環境下に配置された場合であっても、ニッケルめっき層２がピストン本体１の頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃから剥離するのを抑制することができる。その結果、ニッケルめっき層２の剥離に起因するピストン１００の寿命の低下を抑制することができる。

【0039】

また、本実施形態では、改質層３によりニッケルめっき層２の剥離を抑制して密着性を向上させることができるので、密着性を向上させるために前処理としてのエッチング処理や亜鉛置換処理を行う必要がない。これにより、エッチング処理や亜鉛置換処理に起因してアルミニウム合金からなるピストン本体１の頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃが腐食等されることがないので、頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃに欠陥が生じるのを防止することができる。

【0040】

また、本実施形態では、ピストン本体１の頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃを覆うように硬度の高いニッケルめっき層２を形成することによって、硬度（疲労強度）を向上させることができるので、ピストン本体１の厚みを大きくすることなく、ピストン１００の耐久性を向上させることができる。その結果、ニッケルめっき層２が形成されていない従来のピストンと同等の性能（耐久性）をピストン１００に付与する場合、従来のピストンよりも軽量化することができる。

【0041】

また、本実施形態では、改質層３のビッカース硬さ（ＨＶ２００〜ＨＶ４００程度）を、ピストン本体１の頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃのビッカース硬さ（ＨＶ１２０程度（高温環境前）、ＨＶ６０程度（高温環境後））よりも大きく、ニッケルめっき層２のビッカース硬さ（ＨＶ５００〜ＨＶ６００程度（高温環境前）、ＨＶ８００〜ＨＶ１０００程度（高温環境後））よりも小さくする。これにより、改質層３とニッケルめっき層２との硬度差、および、頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃと改質層３との硬度差を、頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃとニッケルめっき層２との硬度差よりも小さくすることができるので、改質層３により、ピストン本体１の頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃとニッケルめっき層２との硬度差を確実に緩和することができる。

【0042】

また、本実施形態では、改質層３のニッケルめっき層２と接触する表面３ｂを凹凸形状の粗面になるように形成することによって、改質層３の表面３ｂが平坦面状である場合と比べて、ニッケルめっき層２の密着性を向上させることができるので、ニッケルめっき層２がピストン本体１の頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃ（改質層３の表面３ｂ）から剥離するのを抑制することができる。また、改質層３の表面３ｂが凹凸形状であることによって、改質層３の表面３ｂ上にニッケルめっき層２を形成する際に、前処理としてのエッチング処理や亜鉛置換処理を行わなくとも、改質層３の表面３ｂに密着性が良好なニッケルめっき層２を容易に形成することができる。また、ニッケルめっき層２と改質層３とを密着させることができるので、ニッケルめっき層２と改質層３との間に別の層が介在する場合と異なり、ニッケルめっき層２が剥離するのを抑制することができる。

【0043】

また、本実施形態では、改質層３に微粒子ショットピーニング処理により埋め込まれたＮｉが含まれることによって、ニッケルめっき層２の主成分であるＮｉが改質層３に含まれることにより、改質層３とニッケルめっき層２との密着性をより向上させることができる。

【0044】

また、本実施形態では、改質層３におけるＮｉの含有率（約５ｗｔ％以上約２０％ｗｔ以下）を、ニッケルめっき層２におけるＮｉの含有率（約８５ｗｔ％以上約９６ｗｔ％以下）よりも少なくなるように構成する。これにより、改質層３に含有されるＮｉの含有率を少なくすることができるので、改質層３の硬度がニッケルめっき層２の硬度よりも大きくなるのを抑制することができる。

【0045】

また、本実施形態では、改質層３の厚みｔ２（約３μｍ以上約１０μｍ以下）を、ニッケルめっき層２の厚みｔ１（約２０μｍ）よりも小さくすることによって、ピストン１００の厚みが大きくなるのを抑制しつつ、硬度を向上させるために必要なニッケルめっき層２の厚みｔ１を十分に確保することができる。

【0046】

次に、図１〜図３を参照して、ピストン１００の製造方法（表面加工方法）について説明する。

【0047】

まず、溶融したＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金（アルミニウム合金）を鋳型に流し込むことによって、表面加工が行われていない状態のピストン本体１（図１参照）を鋳造する。なお、ピストン本体１のビッカース硬さは、ＨＶ１２０程度である。そして、鋳型から取り出したピストン本体１の頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃ（図１参照）に微粒子ショットピーニング処理を施す。

【0048】

具体的には、約５３μｍ以下のニッケル微粒子からなる投射材を、約０．４ＭＰａの投射圧で、ピストン本体１の頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃに投射する。これにより、ピストン本体１の頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃに高速で投射されたニッケル微粒子が埋め込まれる。この結果、図３に示すように、ピストン本体１の頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃに、アルミニウム合金とは性質の異なる改質層３が形成される。

【0049】

この際、ピストン本体１の頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃには、ニッケル微粒子と共に空気中の酸素が埋め込まれる。さらに、投射されるニッケル微粒子の運動エネルギーが熱エネルギーに変換される。これにより、アルミニウム合金を構成するＡｌ、ＳｉおよびＣｕと、微粒子ショットピーニング処理によって埋め込まれたＮｉおよびＯとの５つの元素が合金化することなどによって、改質層３の内部に複合組織３ａ（図３参照）が形成される。さらに、ニッケル微粒子が埋め込まれる際に、改質層３のアルミニウム合金が微細化される。

【0050】

また、ピストン本体１の頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃにニッケル微粒子が不規則的に投射されることによって、改質層３の表面３ｂは凹凸形状の粗面に形成されるとともに、改質層３の厚みｔ２も不均一に形成される。なお、改質層３のビッカース硬さは、ＨＶ２００〜ＨＶ４００程度であり、改質層３の厚みｔ２は、約３μｍ以上約１０μｍ以下である。

【0051】

つまり、本実施形態の製造方法では、ピストン本体１の頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃに微粒子ショットピーニング処理を施すことにより、頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃ上に、凹凸形状の粗面である表面３ｂを有する改質層３が形成される。これにより、ピストン本体１の頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃ上に改質層３を容易に形成することが可能であるとともに、改質層３の表面３ｂを容易に凹凸形状に形成することが可能である。

【0052】

その後、頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃに改質層３が形成されたピストン本体１の全体に対して無電解ニッケルめっき処理を行う。

【0053】

具体的には、まず、前処理として、ピストン本体１の表面上の油脂を取り除く脱脂工程と、水洗工程と、酸によりピストン本体１の表面の不純物を取り除く酸浸漬工程と、水洗工程とを行う。

【0054】

ここで、改質層３の表面３ｂは凹凸形状の粗面に形成されているので、改質層３の表面３ｂは、ニッケルめっき層２との密着性が向上されている。これにより、本実施形態の製造方法では、アルミニウム合金に対する一般的な無電解ニッケルめっき処理とは異なり、前処理として、ピストン本体１の頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃを凹凸形状にするためのエッチング処理や、ＺｎをＮｉに置換する亜鉛置換処理を行う必要がない。この結果、ピストン本体１の表面が腐食等されて欠陥が生じるのを抑制することが可能であるとともに、一般的な無電解ニッケルめっき処理と比べて、前処理の工程を大幅に簡略化することが可能である。

【0055】

その後、本処理（無電解ニッケルめっき処理）を行う。つまり、主にＮｉ−Ｐ合金からなる無電解ニッケルめっき浴（図示せず）を準備して、所定の温度に維持した無電解ニッケルめっき浴にピストン本体１を所定の時間浸漬する。これにより、改質層３の表面３ｂを含むピストン本体１の表面上の全体に、非結晶性のニッケルめっき層２（図２参照）が形成される。このニッケルめっき層２は、約８５ｗｔ％以上約９６ｗｔ％以下のＮｉと、約４ｗｔ％以上約１５ｗｔ％以下のＰとを含むＮｉ−Ｐ合金からなる。なお、ニッケルめっき層２が非結晶性であることにより、ニッケルめっき層２のビッカース硬さは、ＨＶ５００程度である。その後、ピストン本体１を無電解ニッケルめっき浴から取り出して乾燥させる。なお、ニッケルめっき層２の厚みｔ１が約２０μｍになるように、無電解ニッケルめっき処理における浸漬条件が調整される。

【0056】

なお、本実施形態の製造方法では、ニッケルめっき層２を無電解めっきに処理より形成することによって、ニッケルめっき層２を電解めっき処理により形成する場合と比べて、ピストン本体１の形状に拘わらず、略均一な厚みｔ１のニッケルめっき層２を容易に形成することが可能である。

【0057】

その後、後処理として、約２００℃の温度条件下で所定の時間、熱処理を行う。この熱処理により、ピストン本体１を構成するアルミニウム合金の硬度（強度）の低下を抑制しつつ、非結晶性のニッケルめっき層２の組織をある程度結晶化させることが可能である。なお、この熱処理により、ニッケルめっき層２のビッカース硬さは、ＨＶ５００程度からＨＶ５００〜ＨＶ６００程度に若干大きくなる。一方、改質層３のビッカース硬さ（ＨＶ２００〜ＨＶ４００程度）、および、アルミニウム合金部１のビッカース硬さ（ＨＶ１２０程度）はあまり変化しない。これにより、ピストン本体１の頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃへの表面加工が終了して、図１に示すピストン１００が製造される。

【0058】

[実施例]
次に、図２、図４〜図６を参照して、上記実施形態の効果を確認するために行った確認実験（実施例）について説明する。以下、確認実験として行った回転曲げ試験、硬度分布測定および元素分析について説明する。

【0059】

（回転曲げ試験）
まず、回転曲げ試験について説明する。この回転曲げ試験では、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金（アルミニウム合金）からなる試験片を準備した。この試験片は、回転曲げ試験に関するＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｚ ２２７４）に適合する形状および寸法で作成した。そして、作成した試験片に対して、上記実施形態におけるピストン本体１の頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃへの表面加工（図２参照）と同様の表面加工を行った。具体的には、上記実施形態と同様に、ニッケル微粒子を用いた微粒子ショットピーニング処理を、試験片の表面の略全面に亘って行った。そして、微粒子ショットピーニング処理が行われた試験片の全体を覆うように、上記実施形態と同様の無電解ニッケルめっき処理を行った。つまり、前処理として、脱脂工程、水洗工程、酸浸漬工程および水洗工程を行った後に、本処理（無電解ニッケルめっき処理）を行い、後処理として、２００℃の熱処理を行った。このようにして、アルミニウム合金の表面に改質層とニッケルめっき層とが形成された試験片を、上記実施形態に対応する実施例１として作成した。

【0060】

また、実施例１に対する比較例１では、実施例１の試験片とは異なり、微粒子ショットピーニング処理を行わずに、無電解ニッケルめっき処理だけを行った試験片を作成した。この際、無電解ニッケルめっき処理の前処理として、研磨工程、水洗工程、脱脂工程、水洗工程、エッチング工程、水洗工程、酸浸漬工程、水洗工程、第１亜鉛置換工程、酸浸漬工程、水洗工程、第２亜鉛置換工程、および、水洗工程を行った。つまり、比較例１の前処理では、一般的な無電解ニッケルめっき処理と同様に、上記実施例１での前処理に加えて、９つの工程（研磨工程、水洗工程、エッチング工程、水洗工程、第１亜鉛置換工程、酸浸漬工程、水洗工程、第２亜鉛置換工程、および、水洗工程）を追加して行った。なお、研磨工程は、試験片の表面を研磨する工程であり、エッチング工程は、試験片の表面を微細な凹凸形状の粗面にするための工程である。また、第１亜鉛置換工程、酸浸漬工程、水洗工程および第２亜鉛置換工程は、試験片の表面にＮｉに置換可能な亜鉛めっきを形成する工程である。そして、上記実施例１と同様に、本処理（無電解ニッケルめっき処理）と、後処理（２００℃の熱処理）とを行った。このようにして、アルミニウム合金の表面にニッケルめっき層が形成された試験片を、実施例１に対する比較例１として作成した。

【0061】

また、実施例１に対する比較例２では、実施例１の試験片とは異なり、無電解ニッケルめっき処理を行わずに、上記実施例１と同様の微粒子ショットピーニング処理だけを行った試験片を作成した。つまり、アルミニウム合金の表面に改質層が形成された試験片を、実施例１に対する比較例２として作成した。また、実施例１に対する比較例３として、実施例１の試験片とは異なり、微粒子ショットピーニング処理および無電解ニッケルめっき処理を行わない未処理の試験片（比較例３の試験片）をそのまま用いた。

【0062】

そして、実施例１および比較例１〜３の試験片を２５０℃の温度条件下で１００時間加熱処理を行うことによって、高温環境下に配置した。その後、回転曲げ試験として、実施例１および比較例１〜３の試験片に回転曲げを連続的に繰り返し加え、実施例１および比較例１〜３の試験片が破壊するまでのサイクル数を疲労強度として求めた。なお、疲労強度は引張強さに正比例して大きくなる傾向があるとともに、硬度は引張強さに正比例して高くなる傾向があることから、硬度が高い場合には、疲労強度が大きくなる傾向がある。

【0063】

比較例３を基準（１００％）とした場合の、実施例１、比較例１および２のサイクル数の割合（％）を図４に示す。図４に示した回転曲げ試験の結果としては、実施例１の試験片では、未処理の試験片（比較例３の試験片）に対して、２０％程度サイクル数が多くなった。つまり、実施例１の試験片では、未処理の試験片よりも疲労強度が大幅に向上した。一方、比較例１の試験片では、未処理の試験片に対して、５％程度サイクル数が少なくなった。つまり、比較例１の試験片では、未処理の試験片よりも疲労強度が若干低下した。また、比較例２の試験片では、未処理の試験片に対して、５％程度サイクル数が多くなった。つまり、比較例２の試験片では、未処理の試験片よりも疲労強度が若干向上した。この結果、上記実施形態に対応する実施例１では、比較例１および２と比べて、硬度を大幅に向上させることが可能であることが判明した。

【0064】

つまり、実施例１の試験片では、高温環境下に配置された際に、アルミニウム合金の表面とニッケルめっき層との硬度差が大きくなったとしても、アルミニウム合金の表面とニッケルめっき層との間に配置された改質層により、アルミニウム合金の表面とニッケルめっき層との硬度差が緩和された。この結果、ニッケルめっき層の剥離が略生じなかったと考えられる。さらに、実施例１の試験片では、高温環境下に配置された際に、ニッケルめっき層が結晶化することによって、試験片表面の硬度が大きくなり、その結果、ニッケルめっき層が形成されていない比較例２の試験片に比べて、実施例１の試験片では硬度（疲労強度）が大きく向上したと考えられる。

【0065】

なお、比較例１において未処理の試験片よりも疲労強度が低下した理由としては、高温環境下に配置された際に、アルミニウム合金の表面とニッケルめっき層との硬度差が大きくなり、ニッケルめっき層の一部がアルミニウム合金の表面から剥離したと考えられる。ここで、アルミニウム合金の表面は、エッチング工程や亜鉛置換工程などの前処理において腐食等により欠陥が生じているため、アルミニウム合金の露出した表面の欠陥から亀裂が進行した結果、比較例１の試験片は未処理の試験片（ニッケルめっき層が形成されていない比較例３の試験片）よりも疲労強度が低下したと考えられる。

【0066】

（硬度分布測定）
次に、硬度分布測定について説明する。この硬度分布測定では、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金（アルミニウム合金）からなる試験片を準備した。そして、試験片に対して、上記回転曲げ試験の実施例１における試験片と同様に、上記実施形態と同様の微粒子ショットピーニング処理と無電解ニッケルめっき処理とを行った。これにより、アルミニウム合金の表面に改質層とニッケルめっき層とが形成された試験片を作成した。

【0067】

そして、作成した試験片に対して、２５０℃の温度条件下で１００時間加熱処理を行うことによって、高温環境下に配置された実施例２の試験片を作成した。その後、実施例２の試験片と、上記加熱処理を行わない（高温環境下に配置されていない）実施例３の試験片とにおいて、それぞれ、微小硬さ（マイクロビッカース）を測定した。具体的には、実施例２および３の試験片を、ニッケルめっき層の外部に露出する表面からアルミニウム合金側に向かう厚み方向（深さ方向）に２箇所で切断した。そして、２つの実施例２（実施例２−１および２−２）の各々の切断面、および、２つの実施例３（実施例３−１および３−２）の各々の切断面に対して、ビッカース硬さを求めた。つまり、切断面の複数の深さ位置において、１０ｇｆの荷重で微小硬さ測定用の圧子を押しあて、形成されたへこみの表面積からビッカース硬さを求めた。

【0068】

実施例２および３における、ニッケルめっき層の露出する表面からの深さ位置に対するビッカース硬さを図５に示す。図５に示した硬度分布測定の結果としては、ニッケルめっき層では、高温環境下に配置された実施例２（実施例２−１および２−２）のビッカース硬さはＨＶ８００〜ＨＶ１０００程度になり、高温環境下に配置されていない実施例３（実施例３−１および３−２）のビッカース硬さ（ＨＶ５００〜ＨＶ６００程度）の約１．５倍以上になった。つまり、高温環境下に配置されることにより、ニッケルめっき層は硬度が向上する（硬質化する）ことが確認できた。また、アルミニウム合金では、高温環境下に配置された実施例２のビッカース硬さはＨＶ６０程度になり、高温環境下に配置されていない実施例３のビッカース硬さ（ＨＶ１２０程度）の約半分になった。つまり、高温環境下に配置されることにより、アルミニウム合金の表面は硬度が低下する（軟質化する）ことが確認できた。

【0069】

一方、改質層では、高温環境下に配置された実施例２のビッカース硬さと、高温環境下に配置されていない実施例３のビッカース硬さとはあまり変わらず、ＨＶ２００〜ＨＶ４００程度になった。これにより、高温環境下に配置された場合であっても、改質層の硬度はあまり変化しないことが確認できた。この結果、改質層とニッケルめっき層との硬度差Ｄ１およびアルミニウム合金の表面と改質層との硬度差Ｄ２は、アルミニウム合金の表面とニッケルめっき層との硬度差Ｄ３よりも小さくなり、この結果、改質層により、高温環境下に配置された場合に、アルミニウム合金の表面とニッケルめっき層との硬度差が緩和されることが確認できた。

【0070】

（元素分析）
次に、元素分析について説明する。この元素分析では、上記硬度分布測定と同様に、アルミニウム合金の表面に改質層とニッケルめっき層とが形成された試験片を、厚み方向で切断し、切断面において測定を行った。なお、測定装置としては、一般的なＦＥ−ＳＥＭ／ＥＤＸ（電界放出型走査電子顕微鏡／エネルギー分散型Ｘ線分光器）を用いた。つまり、電界放出型走査電子顕微鏡を用いて、試験片の切断面におけるアルミニウム合金、改質層およびニッケルめっき層を観察しながら、所定の測定位置における組成をエネルギー分散型Ｘ線分光器を用いて測定した。この際、アルミニウム合金、改質層およびニッケルめっき層の各々において、それぞれ３つの測定位置（位置１、２および３）で測定した。

【0071】

図６に示した元素分析の結果としては、ニッケルめっき層には、８６ｗｔ％以上８８ｗｔ％以下のＮｉが含まれ、改質層には、８ｗｔ％以上１７ｗｔ％以下のＮｉが含まれていた。これにより、ニッケルめっき層のＮｉの含有率が、改質層のＮｉの含有率よりも大きいことが確認できた。なお、改質層のＮｉは、微粒子ショットピーニング処理によって埋め込まれたニッケル微粒子に由来するものであると考えられる。また、改質層には、アルミニウム合金に由来するＡｌ、ＳｉおよびＣｕと、Ｎｉとの他に、酸素（Ｏ）が３ｗｔ％以上８ｗｔ％以下含まれていた。この改質層の酸素は、微粒子ショットピーニング処理の際における熱や衝撃により、ニッケル微粒子と共に埋め込まれた酸素分子が他の元素と反応したものであると考えられる。

【0072】

また、改質層では、測定位置により組成割合の変動が大きくなった。これは、微粒子ショットピーニング処理において、ニッケル微粒子が不均一に埋め込まれることに起因すると考えられる。

【0073】

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が含まれる。

【0074】

たとえば、上記実施形態では、車両の内燃機関（エンジン）に用いられるピストン１００に本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、内燃機関の機械部品として用いられるシリンダや、コンロッドなどに本発明を適用してもよい。この場合、シリンダの燃焼室側の表面や、シリンダおよびコンロッドの摺動面などに本発明を適用するのが好ましい。また、本発明は、内燃機関用機械部品以外の機械部品に適用してもよい。たとえば、電気モータの回転軸などに本発明を適用してもよい。また、高温環境下に配置される機械部品に本発明を適用するのが好ましい。

【0075】

また、上記実施形態では、ピストン本体１の頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃに改質層３とニッケルめっき層２と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、ピストン本体１の頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃのいずれか１つ、または、いずれか２つに、改質層３とニッケルめっき層２とを形成してもよい。また、たとえば、ピストン本体１の頂面１ａの裏側の面などの、頂面１ａ、摺動面１ｂおよび内周面１ｃ以外の位置に、改質層３とニッケルめっき層２とを形成してもよいし、ピストン本体１の全面に亘って改質層３とニッケルめっき層２とを形成してもよい。

【0076】

また、上記実施形態では、ニッケル微粒子を埋め込む微粒子ショットピーニング処理によって、改質層を形成した例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、微粒子ショットピーニング処理を行うための微粒子は、ニッケル微粒子に限定されない。たとえば、鉄微粒子を微粒子ショットピーニング処理に用いてもよい。これにより、ニッケル微粒子を用いる場合よりも安価に微粒子ショットピーニング処理を行うことが可能である。また、本発明では、微粒子による微粒子ショットピーニング処理に限られず、０．２ｍｍ以上の大型の粒子を用いたショットピーニング処理によって改質層を形成してもよい。また、本発明では、ニッケル微粒子はピストン本体の所定部分の表面に埋め込まれなくてもよい。これによっても、投射されたニッケル微粒子により、投射された部分のアルミニウム合金が微細化され、その結果、ピストン本体の所定部分の表面が改質される。これにより、ニッケル微粒子が埋め込まれなくとも改質層を形成することが可能である。

【0077】

また、上記実施形態では、ピストン本体１がＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金（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、アルミニウム合金として、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金以外のアルミニウム合金を用いてもよい。たとえば、Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｍｇ合金や、高ケイ素アルミニウム合金などを用いてもよい。また、ピストン本体がＡ１０００系の純アルミニウムからなるように構成してもよい。

【0078】

また、上記実施形態では、ニッケルめっき層２を無電解ニッケルめっき処理により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、ニッケルめっき層を電解ニッケルめっき処理により形成してもよい。

【符号の説明】

【0079】

１ ピストン本体（機械部品本体）
１ａ 頂面（所定部分の表面）
１ｂ 摺動面（所定部分の表面）
１ｃ ピストンピン用穴の内周面（所定部分の表面）
２ ニッケルめっき層
３ 改質層
１００ ピストン（内燃機関用機械部品、機械部品）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】