特開 2023-178766 内燃機関用ピストンの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023178766

(43)【公開日】2023-12-18

(54)【発明の名称】内燃機関用ピストンの製造方法

(51)【国際特許分類】

   F02F 3/00 20060101AFI20231211BHJP

   F02F 3/10 20060101ALI20231211BHJP

   F16J 1/01 20060101ALI20231211BHJP

   F16J 9/00 20060101ALI20231211BHJP

【ＦＩ】

F02F3/00 G

F02F3/00 B

F02F3/10 B

F16J1/01

F16J9/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022091649

(22)【出願日】2022-06-06

(71)【出願人】

【識別番号】000002082

【氏名又は名称】スズキ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099623

【弁理士】

【氏名又は名称】奥山 尚一

(74)【代理人】

【識別番号】100125380

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 綾子

(74)【代理人】

【識別番号】100142996

【弁理士】

【氏名又は名称】森本 聡二

(74)【代理人】

【識別番号】100166268

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 祐

(74)【代理人】

【識別番号】100217076

【弁理士】

【氏名又は名称】宅間 邦俊

(74)【代理人】

【識別番号】100169018

【弁理士】

【氏名又は名称】網屋 美湖

(74)【代理人】

【氏名又は名称】有原 幸一

(72)【発明者】

【氏名】増原 真也

【テーマコード（参考）】

3J044

【Ｆターム（参考）】

3J044AA20

3J044BA04

3J044BB07

3J044BB11

3J044BB34

3J044BC03

3J044CA06

3J044DA09

3J044EA10

(57)【要約】

【課題】 高強度材をピストン母材に用いても、トップリング溝の内面に形成される陽極酸化皮膜とピストンリングとの良好なシール性を維持することができる内燃機関用ピストンの製造方法を提供する。
【解決手段】 ５．０～２０．０質量％のＳｉ、１．３質量％を超えて５．０質量％以下のＣｕ、及び１．５質量％を超えて３．５質量％以下のＮｉを含有するアルミニウム合金を母材とし、外周面にトップリング溝１３を有するピストン本体１０Ａについて、トップランド１２の部分を保持部材５５で保持した状態で、ピストン本体をその軸を中心に回転させながら、噴射ノズル５１から水５２を噴射して、トップリング溝の内面のトップリングが接する領域をウォータージェット処理して、この領域に露出するシリコンを除去し、その後、この領域に陽極酸化皮膜を形成することで、内燃機関用ピストンを製造する。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

内燃機関用ピストンの製造方法であって、
５．０～２０．０質量％のＳｉ、１．３質量％を超えて５．０質量％以下のＣｕ、及び１．５質量％を超えて３．５質量％以下のＮｉを含有するアルミニウム合金を母材とし、外周面にトップリング溝を有する内燃機関用ピストン本体について、前記トップリング溝とピストン冠面との間の外周面の部分を保持部材で保持した状態で、前記内燃機関用ピストン本体をその軸を中心に回転させながら、前記トップリング溝の内面の少なくともトップリングが接する領域をウォータージェット処理して、前記領域に露出するシリコンを除去する工程と、
少なくとも前記ウォータージェット処理をした領域に陽極酸化皮膜を形成する工程と
を含む、内燃機関用ピストンの製造方法。

【請求項2】

前記陽極酸化皮膜を交直重畳電解法で形成する、請求項１に記載の内燃機関用ピストンの製造方法。

【請求項3】

前記ウォータージェット処理における噴射ノズルの水の噴射方向を、前記トップリング溝の内面のうちのピストン冠面側内面またはその反対側であるスカート部側内面のいずれか一方の内面の平行面に対して、ピストン冠面側方向またはその反対側であるスカート部側方向に傾斜させて、前記ウォータージェット処理を行う、請求項１又は２に記載の内燃機関用ピストンの製造方法。

【請求項4】

前記ウォータージェット処理における噴射ノズルの水の噴射方向を、ピストン本体の半径方向に対して、ピストン本体の回転方向に対向する向きにずらして、前記ウォータージェット処理を行う、請求項３に記載の内燃機関用ピストンの製造方法。

【請求項5】

前記噴射ノズルの水の噴射方向が、略円筒形状である前記ピストン本体の外周の接線方向を含むように前記噴射ノズルの水の噴射方向を移動させて、前記ウォータージェット処理を行う、請求項４に記載の内燃機関用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、内燃機関用ピストンの製造方法に関し、より詳しくは、トップリング溝の内面に陽極酸化皮膜を備える内燃機関用ピストンの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、環境規制対応に伴い、自動車用エンジン等の内燃機関の高効率化や高圧縮比化の要望や、過給エンジンの要望が高まってきており、内燃機関の最高燃焼圧力が上昇している。このような背景に伴って、内燃機関用ピストンのピストンリング溝（特に、トップリング溝）やランド部（特に、トップランド、セカンドランド）の温度が、従来の同排気量の内燃機関のものよりも高くなってきている。ピストンのトップリング溝には、耐摩耗性を付与するために陽極酸化皮膜が成膜される場合がある。これは、陽極酸化皮膜が、ピストンの母材であるアルミニウム合金に対して２倍以上の硬さを有しており、耐摩耗性に優れた特性を有するためである。

【0003】

このような陽極酸化皮膜としては、例えば、特許文献１に、トップリング溝の内面のうち、少なくともセカンドリング溝側の内面であって、トップリングが接する領域の内面に、陽極酸化皮膜を備え、この陽極酸化皮膜のＪＩＳ Ｂ０６７１－２に準拠する表面粗さＲｐｋが１．００μｍ以下である内燃機関用ピストンが記載されており、このような表面粗さの陽極酸化皮膜によって、トップリングとの気密性を向上することができ、ブローバイガス流量および排出微粒子の粒子数を低減することができると記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－２０４２８７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、近年採用が増加している高強度材と呼ばれる、高温域までの機械的特性（疲労強度、引っ張り強さなど）を向上させたアルミニウム合金においては、ＡＣ８Ａ（Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ－Ｎｉ－Ｍｇ系）合金に代表される従来のアルミニウム合金よりも、銅（Ｃｕ）やニッケル（Ｎｉ）等の添加元素が多く含まれている場合がある。このような高強度材には、従来よりも粒状の粗大な初晶シリコン（Ｓｉ）が多く析出しており（Ｓｉ粒径が３０～４０μｍ程度）、このような粒状のＳｉは陽極酸化皮膜の成膜に強い影響を及ぼし、凹凸の大きな皮膜が形成されやすい。本願発明者は、このような高強度材を用いた場合には、特許文献１に記載されている陽極酸化処理を行っても、陽極酸化皮膜の膜厚１０μｍのときに表面粗さＲｐｋが１．０μｍを超える皮膜となってしまうという新たな知見を得た。

【0006】

陽極酸化皮膜の表面粗さが悪化すると、トップリングとのシール性が低下し、これに伴うブローバイガスの増大や燃費の悪化が発生する。また、エンジン部品の潤滑に用いられるエンジンオイルが燃焼室側へ流入する現象（オイル上り）が発生しやすくなり、燃焼室内でエンジンオイルが燃焼することで、ＰＭ（Particulate Matter）やＰＮ（Particle Number）といった欧州環境規制対象物質またはその数が増加する要因となるため、陽極酸化皮膜の表面には平滑性が求められている。

【0007】

そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、高強度材をピストン母材に用いても、トップリング溝の内面に形成される陽極酸化皮膜とピストンリングとの良好なシール性を維持することができる内燃機関用ピストンの製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記の目的を達成するために、本発明は、内燃機関用ピストンの製造方法であって、５．０～２０．０質量％のＳｉ、１．３質量％を超えて５．０質量％以下のＣｕ、及び１．５質量％を超えて３．５質量％以下のＮｉを含有するアルミニウム合金を母材とし、外周面にトップリング溝を有する内燃機関用ピストン本体について、前記トップリング溝とピストン冠面との間の外周面の部分を保持部材で保持した状態で、前記内燃機関用ピストン本体をその軸を中心に回転させながら、前記トップリング溝の内面の少なくともトップリングが接する領域をウォータージェット処理して、前記領域に露出するシリコンを除去する工程と、少なくとも前記ウォータージェット処理をした領域に陽極酸化皮膜を形成する工程とを含む。

【発明の効果】

【0009】

このように本発明によれば、トップリング溝の内面に、陽極酸化処理を行う前にウォータージェット処理を行うことで、表面に露出するシリコンが除去されることから、平滑な表面の陽極酸化皮膜が形成され、ピストンリングとの良好なシール性を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】内燃機関用ピストンの一例を模式的に示す正面図である。

【図2】図１に示す内燃機関用ピストンのトップリング溝の周辺を模式的に示す拡大断面図である。

【図3】従来のアルミニウム合金を内燃機関用ピストンの母材として用いた場合の金属組織の一例を示す光学顕微鏡写真である。

【図4】本発明に係る内燃機関用ピストンの母材として使用されるアルミニウム合金（高強度材）を用いた場合の金属組織の一例を示す光学顕微鏡写真である。

【図5】本発明に係る内燃機関用ピストンの製造方法の一実施の形態を示すフロー図である。

【図6】本発明に係る内燃機関用ピストンの製造方法におけるウォータージェット処理工程の一例を模式的に示す正面図である。

【図7】図６に示すウォータージェット処理工程の噴射ノズルの水の噴射方向（傾斜角度α）を説明する拡大模式図である。

【図8】図６に示すウォータージェット処理工程の噴射ノズルの水の噴射方向（方向ずれ角度β）を説明する模式図である。

【図9】図６に示すウォータージェット処理工程の噴射ノズルの水の噴射方向（接線方向Ｔ）を説明する拡大模式図である。

【図10】本発明に係る内燃機関用ピストンの製造方法における陽極酸化処理工程によるトップリング溝の内面の状態の変化を説明する模式図である。

【図11】比較例としてウォータージェット処理工程を行わずに陽極酸化処理工程を行った場合のトップリング溝の内面の状態の変化を説明する模式図である。

【図12】比較例１のウォータージェット処理を施す前の高強度材の表面を示すＳＥＭ写真である。

【図13】実施例１のウォータージェット処理を施した後の高強度材の表面を示すＳＥＭ写真である。

【図14】比較例２の陽極酸化皮膜の断面を示す光学顕微鏡写真である。

【図15】実施例２の陽極酸化皮膜の断面を示す光学顕微鏡写真である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、添付図面を参照して、本発明に係る内燃機関用ピストンの製造方法の一実施の形態について説明する。なお、図面は、理解のし易さを優先にして描かれており、縮尺通りに描かれたものではない。

【0012】

先ず、本実施の形態の方法によって製造される内燃機関用ピストンについて説明する。図１に示すように、内燃機関用ピストン１０は、シリンダブロックのボア内周面２１に面する外周面に、ピストン冠面１１側から順に、ピストンリング溝として、トップリング溝１３、セカンドリング溝１５、オイルリング溝１７の３つのリング溝が形成されている。トップリング溝１３にはトップリング（図示省略）が嵌め込まれ、セカンドリング溝１５にはセカンドリング（図示省略）、オイルリング溝１７にはオイルリング（図示省略）が嵌め込まれる。また、ピストン１０の外周面は、ピストン冠面１１とトップリング溝１３との間をトップランド１２と呼び、トップリング溝１３とセカンドリング溝１５との間をセカンドランド１４と呼び、セカンドリング溝１５とオイルリング溝１７との間をサードランド１６と呼び、オイルリング溝１７以降をスカート部１８と呼ぶ。

【0013】

トップリング溝１３について更に詳しく説明すると、図２に示す通り、トップリング溝１３に嵌め込まれたトップリング２２は、シリンダブロック２０内に内燃機関用ピストン１０が挿入された状態では、トップリング２２の外周面が、ピストン外周面であるトップランド１２及びセカンドランド１４よりも外側に突出する。トップリング２２はその弾性力によってシリンダブロック２０のボア内周面２１に押し付けられた状態となり、トップリング２２は燃焼室の気密性を保持する機能を果たす。

【0014】

セカンドリング（図示省略）も同様の構成および機能を有するが、ピストンの圧縮工程及び膨張工程によってピストン冠面１１側の燃焼室内が高圧となり、特にトップリング溝１３の内面がトップリング２２と強く密着するため、トップリング溝１３の内面に摩耗が発生し易い。よって、トップリング溝１３の内面に陽極酸化皮膜（図示省略）を形成して、トップリング溝１３の内面の耐摩耗性を向上させている。トップリング溝１３の内面のうち、ピストン冠面１１側の内面を上面１３ａと呼び、その反対側（セカンドリング側）の内面を下面１３ｃと呼び、その間の溝の底の側の内面を底面１３ｂと呼ぶ。図２に示すように、トップリング２２は、トップリング溝１３の内面全体と必ず接するものではないことから、陽極酸化皮膜は、トップリング溝１３の内面のうちのトップリング２２が接する領域に形成されていればよい。この領域は、ピストンの設計によって異なるものの、例えば、トップリング溝１３の上面１３ａ又は下面１３ｃのうち、トップランド１２又はセカンドランド１４側の端から底面１３ｂ側の端までの長さ（すなわち、溝の深さ）を１００％とすると、トップランド１２又はセカンドランド１４側の端から少なくとも９０％までの領域が好ましく、少なくとも８０％までの領域がより好ましく、少なくとも７０％までの領域が更に好ましい。もちろん、トップリング溝１３の内面全体に陽極酸化皮膜が形成されていてもよい。トップリング溝１３の内面のうち、上面１３ａのみ、下面１３ｃのみ、又は上面１３ａ及び下面１３ｃの両面とするか、また、どの程度の領域とするかは、燃焼ガスに対するシール性、ブローバイガス量の低減、オイル上りの起因となるＰＭやＰＮの抑制などの要件を鑑みて決定することが望ましい。

【0015】

陽極酸化皮膜が形成される内燃機関用ピストン本体は、５．０～２０．０質量％のシリコン（Ｓｉ）、１．３質量％を超えて５．０質量％以下の銅（Ｃｕ）、及び１．５質量％を超えて３．５質量％以下のニッケル（Ｎｉ）を含有するアルミニウム合金（以下、高強度材ともいう）を母材として形成されている。

【0016】

高強度材において、Ｓｉは、初晶シリコンや共晶シリコンとして晶出し、耐熱性及び耐摩耗性を改善する成分である。また、Ｓｉは熱膨張率を低下させる。Ｓｉ含有量が５．０質量％以上であれば、熱膨張率が低く、耐摩耗性や高温域での強度を向上することができ、２０．０質量％以下であれば、初晶シリコンが小さくなり、合金の伸びを良好にすることができる。Ｓｉ含有量は、１０．０～１３．０質量％がより好ましい。

【0017】

Ｃｕは、室温及び高温域における機械的強度及び耐摩耗性を改善する成分である。Ｃｕ含有量が１．３質量％超であれば、強度や耐摩耗性を改善する効果を発現することができ、５．０質量％以下であれば、合金の著しい伸び低下はなく、合金の比重が小さい。一方、５．０質量％を超えると、伸びが著しく低下し、合金の比重が大きくなる。Ｃｕ含有量は、２．５～５．０質量％がより好ましい。

【0018】

Ｎｉは、主に高温域での強度及び耐摩耗性を向上させ、熱膨張率を低下させる成分であり、Ｎｉ含有量が１．５質量％超であれば、その効果が好適に発現し、３．５質量％以下であれば、良好な伸びが得られる。

【0019】

また、本実施の形態では、母材に用いるアルミニウム合金は、上記したＳｉ、Ｃｕ、及びＮｉに加えて、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、リン（Ｐ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）及びマグネシウム（Ｍｇ）からなる群より選択される少なくとも一以上の元素を含み、残部が実質的にＡｌ及び不可避的不純物からなる合金としてもよい。好ましくは、アルミニウム合金の母材は、上記したＳｉ、Ｃｕ、Ｎｉの各含有量の範囲に加えて、０．０５～０．１５質量％のＣｒ、０．０５～０．２０質量％のＴｉ、０．０５～０．３０質量％のＺｒ、０．１０～０．３１質量％のＦｅ、０．０５質量％以下のＭｎ及び０．５～１．１質量％のＭｇを含み、残部が実質的にＡｌ及び不可避的不純物からなる。Ｓｉ、Ｃｕ、Ｎｉについては既に説明したので、その他の各成分とその含有量等について説明する。

【0020】

Ｃｒは、主に合金中に晶出した金属間化合物、初晶シリコン、針状シリコン等の結晶粒の間にある結晶粒界を強化させ、高温域での強度を向上させる成分であり、Ｃｒ含有量が０．０５質量％以上であれば、結晶粒界を好適に強化させて高温域での強度を向上させ、０．１５質量％以下であれば、良好な靱性及び切削性が得られる。

【0021】

Ｔｉは、主に結晶粒を微細化させて、耐熱性、鋳造性、強度を向上させる成分であり、Ｔｉ含有量が０．０５～０．２０質量％の範囲であれば、その効果が好適に発現する。Ｔｉ含有量は、好ましくは０．０５～０．１５ｗｔ％である。

【0022】

Ｚｒは、主に合金中の結晶粒を微細化する効果を有し、耐熱性、鋳造性及び強度の向上に寄与する成分であり、Ｚｒ含有量が０．０５～０．３０質量％の範囲であれば、その効果が好適に発現する。Ｚｒ含有量は、好ましくは０．０５～０．１５ｗｔ％である。

【0023】

Ｆｅは、主に金属間化合物を晶出し、耐摩耗性及び高温域での強度を向上させる成分である。なお、この金属間化合物の大きさが粗大であると、強度の低下が起こる。Ｆｅ含有量が０．１０～０．３１質量％の範囲であれば、Ｆｅ－Ｍｎ系金属間化合物の大きさを小さくできる。

【0024】

Ｍｎは、主に金属間化合物を晶出し、耐摩耗性及び高温域での強度を向上させる成分である。なお、この金属間化合物の大きさが粗大であると、強度の低下が起こる。Ｍｎ含有量が０．０５質量％以下であれば、Ｆｅ－Ｍｎ系金属間化合物の大きさを小さくできる。Ｍｎ含有量の下限値は、全く含有しなくてもよく、又は不純物程度に極少量で含有していてもよく、例えば０．００１質量％である。

【0025】

Ｍｇは、主に強度及び靱性を向上させる成分であり、Ｍｇ含有量が０．５質量％以上であれば、強度を向上させる効果が発現し、１．１質量％以下であれば、良好な靱性が得られる。

【0026】

このような高強度材と呼ばれるアルミニウム合金を母材として用いてピストン素材を製造すると、従来から使用されているアルミニウム合金を用いて製造した場合と比べて、その製造過程で粒状の粗大な初晶シリコンが多く析出してしまう。図３は、従来のアルミニウム合金（ＡＣ８Ａ）を用いた場合のピストン母材の金属組織の光学顕微鏡写真であり、図４は、本発明で用いる高強度材のアルミニウム合金（ＡＣ８ＡよりもＣｕ、Ｎｉを多く含む組成）を用いた場合のピストン母材の金属組織の光学顕微鏡写真である。図３に示すように、従来のアルミニウム合金３０Ａも、マトリックス３１中に粒状の初晶シリコン３２が析出しているものの、図４に示すように、高強度材のアルミニウム合金３０Ｂは、これよりもマトリックス３１中に析出している粒状の初晶シリコン３２が顕著に大きいことがわかる。

【0027】

粒状の初晶シリコンが析出しているアルミニウム合金に対して、直流電解法により陽極酸化処理を行うと、処理対象の表面に対して陽極酸化皮膜を構成するセルが一方向に成長することから、シリコンにより陽極酸化皮膜の成長が阻害されて、表面の凹凸が大きい皮膜が形成されてしまう。一方、交直重畳電解法は、処理対象の表面に対してランダムな方向にセルが成長し、配向性を持たないことから、マトリックス中に析出する粒状の初晶シリコン粒子であってもランダムな方向に枝分かれした状態で内包しながら成長することから、平滑な表面の陽極酸化皮膜を得ることができる。しかしながら、高強度材の初晶シリコンの粒径は３０～４０μｍ程度と非常に大きく、交直重畳電解法を用いても、得られる陽極酸化皮膜の表面粗さＲｐｋが１．０μｍを超え、ピストンリングとの良好なシール性を維持できないという問題がある。

【0028】

このような問題を解決するため、本実施の形態の内燃機関用ピストンの製造方法４０では、図５に示すように、ピストン本体を鋳造する工程４１と、鋳造したピストン本体を熱処理する工程４２と、熱処理したピストン本体を機械加工する工程４３と、ピストン本体のトップリング溝の内面にウォータージェット処理を行う工程４４と、トップリング溝の内面に陽極酸化処理を行う工程４５と、ピストンのスカート部に樹脂コートを被膜する樹脂コート処理を行う工程４６とを順次行う。各工程について、以下に説明する。

【0029】

上記の鋳造、熱処理、機械加工の各工程４１、４２、４３は、一般的な内燃機関用ピストンを製造する際に用いられる工程と同様である。例えば、鋳造工程４１は、ピストン形状に空洞を有した金型に、溶融させた高強度材（アルミ溶湯）を流し込んで鋳造を行う重力鋳造法などが一般的である。熱処理工程４２としては、例えば、Ｔ５処理、Ｔ６処理などがあり、Ｔ５処理は、鋳造後、人工時効硬化処理のみ行うもの（強度増大、寸法の安定化等が目的）、Ｔ６処理は、鋳造後、溶体化処理、人工時効硬化処理（強度・硬さの増大等が目的）を行うものである。機械加工工程４３では、例えば、切削によってトップリング溝などのリング溝が作製される。トップリング溝の幅および深さは、一般的な内燃機関用ピストンのトップリング溝の寸法と同様である。

【0030】

ウォータージェット処理工程４４は、機械加工工程４３で作製されたトップリング溝の内面には、陽極酸化皮膜の成膜に強い影響を及ぼす粗大なシリコン粒子が露出していることから、これを除去することを目的とするものである。例えば、図６に示すように、ウォータージェット処理装置５０の保持部材５５に、ピストン本体１０Ａのトップランド１２をチャック５４で把持させて、ピストン本体１０Ａをその軸を中心に回転させながら、噴射ノズル５１からトップリング溝１３に対して水５２を噴射させる。このようにトップリング溝１３に隣接するトップランド１２を保持することで、トップリング溝１３がウォータージェット処理によって高圧負荷を受けた状態でも、ピストン本体１０Ａを良好に保持することができる。

【0031】

なお、露出したシリコンを除去する方法として、混酸で表面処理する方法や、レーザ照射も考えられるが、混酸処理では、条件によってはシリコンの溶解と共にアルミニウム素地も溶解してトップリング溝等の形状が変形するおそれがある。レーザ照射は、レーザ照射を受けたアルミニウム合金の成膜速度が顕著に遅くなるなど、その後の陽極酸化処理に影響を及ぼし、また、エネルギーの消費量が大きく、設備コストも高い。これに対し、ウォータージェット処理によれば、トップリング溝等の形状変化を抑制でき、また、その後の陽極酸化工程に影響を及ぼさず、低エネルギー、低設備コストで、露出したシリコンを除去することができる。更には、ウォータージェット処理を行うことで、陽極酸化処理の前に必要な脱脂を不要にすることもできる。

【0032】

ウォータージェット処理では、トップリング溝１３に対して、ピストン本体１０Ａの中心軸に対して垂直方向から水を噴射させてもよいが、水が直接吹き付けられるのは主にトップリング溝１３の底面となり、噴射方向と平行の位置関係にあるトップリング溝１３の上面や下面には、ほとんど直接吹き付けられない。そこで、例えば、図７に示すように、噴射ノズル５１ａの水５２ａの噴射方向Ａ１を、トップリング溝１３の下面１３ｃの平行面Ｘに対してスカート部側の方向Ｙに傾斜させることが好ましい。これにより、トップリング溝１３の内面のうち、トップリング２２が接する領域である下面１３ｃに、噴射ノズル５１ａから水５２ａが直接吹き付けられることから、陽極酸化皮膜の成膜に影響を及ぼすシリコンを効率的に除去することができる。

【0033】

下面１３ｃの平行面Ｘに対する噴射ノズル５１ａの水５２ａの噴射方向Ａ１の傾斜角度αは、０°超から９０°未満の範囲で適宜設定できるが、トップリング溝１３の幅（図７における底面１３ｂの長さ）をａ、トップリング溝１３の深さ（図７における下面１３ｃの長さ）をｂとした時に、以下の関係式となる角度とすることが好ましい。

【0034】

【数1】

【0035】

上記の関係式が成立している時、トップリング溝１３の下面１３ｃ全体に噴射ノズル５１ａから水５２ａが直接吹き付けられ、シリコンを効率的に除去できる。具体例として、トップリング溝の幅が１ｍｍ、深さが３ｍｍの場合、上記の関係式はｔａｎα≦１／３となる。つまり、傾斜角度αは、０°より大きく１８°以下となる。

【0036】

なお、トップリング溝１３の下面１３ｃをウォータージェット処理する場合について説明してきたが、トップリング溝１３の上面１３ａもトップリング２２が接する領域であることから、図７に示すように、上記とは反対方向に噴射ノズル５１ｂの水５２ｂの噴射方向を傾斜させることで、上面１３ａに噴射ノズル５１ｂから水５２ｂを直接吹き付けることができる。この場合の傾斜角度αは、噴射ノズル５１ｂの水５２ｂの噴射方向を、トップリング溝１３の上面１３ａの平行面に対してピストン冠面１１側の方向に傾斜させる角度である。また、上記の関係式は、上面１３ａの場合も同様に成立し、上面１３ａ全体に噴射ノズル５１ｂから水５２ｂを直接吹き付けることができる。

【0037】

なお、このようにウォータージェット処理でトップリング溝１３の上面１３ａまたは下面１３ｃに直接吹き付けられた水は、ウォータージェット処理の噴射圧力や、噴射ノズル５１からトップリング溝１３までの距離（吹き付け距離）によるものの、反射して他の内面に露出しているシリコンも除去することができる。また、このように吹き付けられた水は反射することから、噴射ノズル５１の水５２の噴射方向をトップリング溝１３の上面１３ａまたは下面１３ｃに対して平行な方向とした場合でも、トップリング溝１３の底面１３ｂに直接吹き付けられた水が反射して、上面１３ａ及び下面１３ｃの表面に露出しているシリコンを除去することは可能である。

【0038】

また、ウォータージェット処理工程４４では、上記の傾斜角度αの傾斜に加えて、図８に示すように、噴射ノズル５１ｅの水５２ｅの噴射方向Ａ２を、ピストン本体１０Ａの半径方向Ｒに対して、保持部材（図示省略）によるピストン本体１０Ａの回転方向に対向する向きにずらすことが好ましい。これにより、トップリング溝１３の上面１３ａまたは下面１３ｃに水を直接吹き付けることができるとともに、同一の噴射圧力でピストン本体１０Ａの半径方向Ｒに噴射ノズル５１ｄから水５２ｄを噴射した場合と比べて、ピストン本体１０Ａの回転により上面１３ａまたは下面１３ｃへの噴射圧力が増して、シリコンの除去効果を高めることができる。

【0039】

ピストン本体１０Ａの半径方向Ｒに対する噴射ノズル５１ｅの水５２ｅの噴射方向Ａ２の方向ずれ角度βは、０°超から９０°未満の範囲で適宜設定できるが、特に図９に示すように、噴射ノズルの水５２ｆの噴射方向が、略円筒形状のピストン本体１０Ａの外周の接線方向Ｔ（すなわち、半径方向Ｒ２に対して垂直方向）となる角度とすることが好ましい。

【0040】

これについて説明すると、先ず、図９に示すように、円筒形状の噴射ノズルから上記の傾斜角度αで水５２ｄ、５２ｅ、５２ｆを噴霧すると、ピストン本体１０Ａのトップリング溝の下面１３ｃにおけるウォータージェット処理の施工面５３ｄ、５３ｅ、５３ｆは楕円形状になる。この施工面における圧力は、楕円形状の中心が最も強く、外周に向って徐々に弱くなっていくため、下面１３ｃのトップリングが接する領域に露出しているシリコンを確実に除去するためには、この楕円形状の施工面５３ｄ、５３ｅ、５３ｆの中心を、下面１３ｃのトップリングが接する領域の端から端へと移るように噴射ノズルを移動させることが好ましい。よって、噴射ノズルの水５２ｄの噴霧方向をピストン本体１０Ａの半径方向Ｒ１とした場合、楕円形状の施工面５３ｄの中心を下面１３ｃの外縁付近に移動させると、施工面５３ｄの半分近くの面積がウォータージェット処理の不要なセカンドランドに当たってしまう。これに対し、噴射ノズルの水５２ｆの噴射方向Ａ２を上記の接線方向Ｔとした場合、楕円形の施工面５３ｆの中心を下面１３ｃの外縁付近に移動させても、施工面５３ｆのほぼ全ての面積が下面１３ｃに当たる。よって、効率的にウォータージェット処理を行うことができる。

【0041】

噴射ノズルの水の噴霧方向Ａ２の方向ずれ角度βの好ましい範囲は、吹き付け距離によるものの、例えば、ピストン本体１０Ａの外周の接線方向Ｔとなる角度から、±１０°とすること好ましく、±５°とすることがより好ましい。

【0042】

なお、トップリング溝１３の下面１３ｃを処理する場合について説明してきたが、上面１３ａを処理する際も同様に噴射ノズルの水の噴射方向をピストン本体１０Ａの回転方向に対向する向きに、方向ずれ角度βずらすことで同様の効果を得ることができる。また、ウォータージェット処理は、トップリング溝１３の内面に限らず、必要により、セカンドリング溝１５の内面、オイルリング溝１７の内面、スカート部１８の表面に対して行ってもよい。

【0043】

ウォータージェット処理の条件は、トップリング溝１３の内面に露出するシリコンの除去状態を確認して決定することが望ましい。例えば、噴射圧力は５０～２００ＭＰａ、吹き付け距離は１０～５０ｍｍ、ピストン本体の回転数は５００～２０００ｒｐｍ、噴射ノズルの移動速度は１０～２００ｍｍ／ｍｉｎの範囲とすることが好ましい。また、ノズル径については、例えば、０．１～２．０ｍｍの範囲が好ましいが、トップリング溝１３の幅を考慮して設定することが望ましい。噴射ノズルからの超高圧の水がトップリング溝１３内に効率よく吹き付けられるように、ノズル径は溝の幅以下（溝の幅が１ｍｍであればノズル径は１ｍｍ以下）とすることが好ましく、噴射ノズルからトップリング溝までの間に、噴射された水は完全に直線状ではなく扇状に若干広がることも考慮すると、ノズル径は溝の幅の半分以下（溝の幅が１ｍｍであればノズル径は０．５ｍｍ以下）とすることがより好ましい。

【0044】

陽極酸化処理工程４５は、硫酸、リン酸、シュウ酸などの汎用的に使用されている電解液に、アルミニウム合金製のピストン本体１０Ａを浸漬し、ピストン本体１０Ａを陽極、チタンやカーボンなどの電極板を陰極として電気を流すことで、ピストン本体１０Ａの表面を酸化させて陽極酸化皮膜を形成する工程である。電解方法としては、直流電解法、交流電解法、交直重畳電解法などのいずれの電解方法を用いてもよいが、より平滑な陽極酸化皮膜を得ることができ、また成膜速度が速く、製造効率を高めることができるため、交直重畳電解法で処理することが好ましい。

【0045】

図１０に、本実施の形態であるウォータージェット処理工程４４を行った後に陽極酸化処理工程４５を行う場合のトップリング溝の内面の状態の変化を示す。図１０（ａ）に示すように、ウォータージェット処理工程４４前のトップリング溝の下面１３ｃは母材の高強度材３０Ｂであり、マトリックス３１中の粒状の初晶シリコン３２などのシリコン粒子が下面１３ｃに露出した状態である。このような状態の下面１３ｃにウォータージェット処理工程４４を施すと、図１０（ｂ）に示すように、露出したシリコンが除去され、窪み部３４が多数された下面１３ｃの状態になる。この状態の下面１３ｃに陽極酸化処理工程４５を施すと、下面１３ｃに陽極酸化皮膜の成膜に影響を及ぼすシリコンが除去されていることから、図１０（ｃ）に示すように、下面１３ｃには表面が平滑な陽極酸化皮膜３５ａが形成される。

【0046】

これに対し、図１１に、比較例としてウォータージェット処理工程４４を行わずに陽極酸化処理工程４５を行った場合のトップリング溝の内面の状態の変化を示す。図１１（ａ）に示すように、陽極酸化処理工程４５を施す前のトップリング溝の下面１３ｃにはマトリックス３１中に析出した粒状の初晶シリコン３２などのシリコン粒子が露出している。この状態の下面１３ｃに陽極酸化処理工程４５を施すと、下面１３ｃに露出している粒状の初晶シリコン３２などのシリコン粒子によってアルミニウムの酸化および皮膜の成長が阻害され、特に粗大な初晶シリコン３２のある箇所では皮膜表面に凹部が発生することから、下面１３ｃには表面粗さの大きい陽極酸化皮膜３５ｂが形成される。

【0047】

従来のアルミニウム合金組成であれば、上述したように交直重畳電解法による陽極酸化処理によって、粒状の初晶シリコンが露出していても平滑な表面の陽極酸化皮膜を得ることが可能であるが、高強度材のようなアルミニウム合金組成では従来よりも粗大な初晶シリコンが析出するため、交直重畳電解法であっても充分な平滑性を得ることはできない。本実施の形態では、粗大な初晶シリコンが処理対象面に露出していても、図１０に示すようにウォータージェット処理工程４４でシリコンを除去するため、表面が平滑な陽極酸化皮膜を形成することができる。

【0048】

樹脂コート処理工程４６は、ピストン本体１０Ａのスカート部１８の外表面に、樹脂コートを成膜する任意の工程である。例えば、スプレー法やスクリーン印刷法などによって、スカート部１８の外表面に樹脂コート薬剤を塗布し、焼成を行うことで、樹脂コートを成膜することができる。樹脂コート薬剤としては、内燃機関用ピストンのスカート部１８に用いられている公知の薬剤を用いることができ、例えば、近年、樹脂コートの耐摩耗性とフリクション低減を両立することを目的に開発された樹脂コート薬剤（ベース樹脂を従来広く用いられてきたポリアミドイミドから変更したものや、微小硬質粒子を添加したものなど）を使用してもよい。なお、樹脂コートがなくても耐焼付き性、フリクション低減を両立できる場合は、樹脂コート処理工程４６を行わなくてもよい。

【0049】

このように本実施の形態の内燃機関用ピストンの製造方法４０によれば、ピストンリング溝１３の内面に形成された陽極酸化皮膜３５ａは、ピストン本体１０Ａが高強度材のアルミニウム合金を母材とするものであっても、例えば、表面粗さＲｐｋが１．０μｍ以下、又は表面粗さＲａ及び表面粗さＲｐｋがともに１．０μｍ以下のような平滑な表面とすることができる。なお、表面粗さＲａは、ＪＩＳ Ｂ０６０１－２００１に準拠し、輪郭曲線の算術平均粗さの特性に関する指標である。表面粗さＲｐｋは、ＪＩＳ Ｂ０６７１－２０００に準拠し、粗さ曲線のコア部の上にある突出山部の平均高さの特性に関する指標であり、陽極酸化皮膜の気密性を評価することができる。このような表面粗さの陽極酸化皮膜を形成することで、ピストンリングとのシール性が向上し、ブローバイガスの低減や燃費を向上させることができる。また、オイル上りに起因する環境規制対象物質であるＰＭおよびその数であるＰＮを抑制することができる。

【0050】

なお、本発明に係る内燃機関用ピストンの製造方法は、上記の実施形態に限定されず、工程を入れ替えたり、工程を省いたり、その他の工程を含むことができる。例えば、機械加工工程４３の後に、樹脂コート処理工程４６、ウォータージェット処理工程４５、陽極酸化処理工程４６の順に行ってもよいし、又は、ウォータージェット処理工程４５をリング溝の他にスカート部まで行い、その後、樹脂コート処理工程４６、陽極酸化処理工程４５の順に行ってもよい。また、上述したように、樹脂コート処理工程４６を省略してもよい。

【実施例0051】

ウォータージェット処理によるシリコンの除去効果を確認するために、ピストンリング溝を模擬して、ピストン本体のスカート部にウォータージェット処理を行った。ピストン本体は、表１に示す組成を有するＡｌ－Ｓｉ－Ｃｕ－Ｎｉ系のアルミニウム合金（以下、高強度材ともいう）を母材として作製した。

【0052】

【表1】

【0053】

そして、ピストン本体のスカート部に対して、噴射圧力１６０ＭＰａにてウォータージェット処理を行い、処理を施した表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察（３００倍）するととも、エネルギー分散型Ｘ線分光装置（ＥＤＳ）によるシリコン分布の分析を行った（実施例１）。なお、これらを評価するために、ウォータージェット処理前のスカート部についても同様の観察および分析を行った（比較例１）。観察結果であるＳＥＭ写真を図１２、図１３に示す。

【0054】

図１２は、比較例１のウォータージェット処理前の高強度材の表面を示すＳＥＭ写真であり、平らな表面であり、特に凹凸は確認できなかった。これに対し、図１３は、実施例１のウォータージェット処理後の高強度材の表面であり、多数の窪み部が形成されていることが確認された。これらは、ウォータージェット処理によってシリコンが塊で除去された箇所であると考えられる。ＥＤＳの分析結果では、比較例１の平滑な表面には数十μｍの大きさのシリコンの塊が検出されており、この箇所が初晶シリコンである。一方、実施例１のＥＤＳの分析結果では、ＳＥＭ写真で確認された窪み部の奥に相当する箇所でシリコンが検出された。このことから、窪み部の奥には、初晶シリコンの一部は残存しているものの、表面部分は除去されたと推測される。よって、ウォータージェット処理の条件（特に噴射ノズルの水の噴射方向、噴射圧力、ノズル径など）により、シリコンの除去量をコントロールできることが示唆された。

【0055】

次に、ウォータージェット処理後に形成した陽極酸化皮膜の平滑性を確認する試験を行った。先ず、上記と同様のピストン本体について、機械加工によってトップリング溝（溝の幅：１ｍｍ、溝の深さ：３ｍｍ）を作製し、トップリング溝の内面にウォータージェット処理を行った。ウォータージェット処理の条件は、噴射圧力を１６０ＭＰａ、ノズル径を０．２５ｍｍ（溝の幅に対して１／４のノズル径）とした。そして、トップリング溝の内面に陽極酸化処理を実施した。陽極酸化処理の条件は、１８ｖｏｌ％の硫酸を電解液として用い、陰極板にチタン系材料、陽極にピストン本体を取り付けた。電解方法は交直重畳電解法とし、プラス電圧が６５Ｖ、マイナス電圧が－２Ｖ、周波数が１２ｋＨｚで設定した定電圧電解で４０秒間、陽極酸化処理を行った（実施例２）。

【0056】

実施例２により成膜された陽極酸化皮膜の断面膜厚、表面粗さＲａ、及び表面粗さＲｐｋを測定した。なお、断面膜厚は、ピストンの内燃機関のフロント側とリア側の２方向で、トップリング溝の下面の断面を光学顕微鏡で観察（４００倍）し、３０μｍ間隔で各１０点測定し、その２０点の平均値とした。

【0057】

比較のため、ウォータージェット処理をしなかった点を除いて実施例２と同様にして陽極酸化処理を行った（比較例２）。そして、比較例２により成膜された陽極酸化皮膜の断面膜厚、表面粗さＲａ、及び表面粗さＲｐｋを実施例２と同様に測定した。実施例２および比較例２の断面膜厚、表面粗さＲａ、及び表面粗さＲｐｋの測定結果を表２に示す。なお、参考例として、市販されている他社製のピストンリング溝に形成された陽極酸化皮膜について同様に測定し、その結果を表２に示す。また、測定時に撮影したトップリング溝の下面の断面の光学顕微鏡写真を図１４、図１５に示す。

【0058】

【表2】

【0059】

表２に示すように、比較例２と実施例２とでは陽極酸化皮膜の膜厚は同等であった。比較例２では、表面粗さＲａが１．５μｍ、表面粗さＲｐｋが１．８μｍであったのに対し、実施例２では、表面粗さＲａが１．２μｍ、表面粗さＲｐｋが０．４μｍであった。これは、ウォータージェット処理によって予め初晶シリコンの一部を除去しておいた結果、陽極酸化皮膜の表面がより突出部の少ない平滑な状態になったことを示している。また、参考例として、他社製のピストンのトップリング溝に形成された陽極酸化皮膜について同様に断面膜厚、表面粗さＲａ、及び表面粗さＲｐｋを測定した。その結果を表２に示している。なお、断面膜厚は測定方法が異なるため括弧書きで示した。直流電解法で形成されたであろうこの陽極酸化皮膜の表面粗さＲａは２．１μｍで、表面粗さＲｐｋは２．２μｍであった。ウォータージェット処理後に交直重畳電解法で作製した実施例２の陽極酸化皮膜が大幅に平滑な表面になったことがわかる。

【0060】

このことは比較例２と実施例２の断面写真からもわかる。図１４が比較例２の断面写真であり、図１５が実施例２の断面写真である。なお、陽極酸化皮膜３５ａ、３５ｂの上に見えるのは、光学顕微鏡で観察するために使用した埋込樹脂３６であり、その境界を点線で示している。図１４に示すように、比較例２では、高強度材のマトリックス３１中の一部の初晶シリコン３２の上では陽極酸化皮膜３５ｂがほとんど成長しておらず、それにより表面に凹凸が発生している様相であった。これに対し、図１５に示すように、実施例２の陽極酸化皮膜３５ａは表面が比較例２より平滑であった。

【0061】

また、図１５では、高強度材のマトリックス３１の陽極酸化皮膜３５ａとの界面にはウォータージェット処理によってシリコンが塊で除去されたと推測される窪み部３４があり、その場所には陽極酸化皮膜が成長している様相が確認できた。これは、ウォータージェット処理によって初晶シリコンの表面部分が除去されて、シリコンとアルミニウムの間に隙間ができたところに、陽極酸化処理によってその隙間に電解液が染み込み、周囲のアルミニウムが陽極酸化される際に、交直重畳電解法ではシリコンを回り込むような形で陽極酸化皮膜を構成するセルが成長することにより発現した特徴部と推測される。

【0062】

なお、実施例１、２では、ウォータージェット処理の噴射ノズルの水の噴射方向を、ピストン本体の中心軸に対して垂直方向、すなわちトップリング溝の下面に対して平行方向としたが、上述した平行方向に対して傾斜角度αをつけたり、更にピストン本体の半径方向に対して方向ずれ角度βをつけて水を噴射させることで、初晶シリコンをより多く除去することが可能であり、より平滑な、例えば、表面粗さＲａと表面粗さＲｐｋがともに１．０μｍ以下の陽極酸化皮膜を得ることができると考えられる。

【符号の説明】

【0063】

１０ 内燃機関用ピストン
１０Ａ ピストン本体
１３ トップリング溝
２０ シリンダブロック
２２ トップリング
３０Ａ 従来のアルミニウム合金
３０Ｂ 高強度材のアルミニウム合金
３１ マトリックス
３２ 初晶シリコン
３４ 窪み部
３５ａ、３５ｂ 陽極酸化皮膜
４０ 内燃機関用ピストンの製造方法
５０ ウォータージェット処理装置
５１ 噴射ノズル
５２ 水
５３ 施工面
５４ チャック
５５ 保持部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】