內(nèi)燃機(jī)用活塞的表面改性方法和內(nèi)燃機(jī)用活塞的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)用活塞的表面改性方法、以及使用上述方法被表面改性的內(nèi)燃 機(jī)用活塞，涉及即使在高溫下使用也不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度降低的內(nèi)燃機(jī)用活塞的表面改性方法、 以及使用上述方法被表面改性的內(nèi)燃機(jī)用活塞。
【背景技術(shù)】
[0002] 關(guān)于內(nèi)燃機(jī)用活塞，從其功能來看，由于其在高溫環(huán)境下承受爆發(fā)壓力的同時(shí)反 復(fù)進(jìn)行高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因而需要具有高強(qiáng)度，另一方面，從燃料費(fèi)增加等觀點(diǎn)出發(fā)，要求其 為輕量。
[0003] 作為這樣的內(nèi)燃機(jī)用活塞，以輕量化為目的，例如使用AC8A等鋁一硅系合金，并 且通過時(shí)效硬化處理等使內(nèi)燃機(jī)用活塞的晶粒微細(xì)化，由此來提高強(qiáng)度。但是，作為一例， 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中活塞的溫度有上升至300°C左右的情況，然而通過上述的時(shí)效硬化而高強(qiáng)度 化的活塞，在超過時(shí)效硬化處理溫度（約200~250°C )的高溫環(huán)境下使用時(shí)，通過時(shí)效硬 化而微細(xì)化的結(jié)晶會(huì)進(jìn)行再結(jié)晶化，晶粒粗大化，強(qiáng)度顯著降低。
[0004] 因此，期待用于使在高溫環(huán)境下使用的鋁一硅系合金的高溫強(qiáng)度提高的方法。
[0005] 作為使這樣的鋁一硅系合金的高溫強(qiáng)度提高的方法，有人也在探討對(duì)作為合金添 加的成分自身進(jìn)行重新評(píng)價(jià)，作為一例，如果大量添加作為使高溫強(qiáng)度提高的成分的鎳銅 等，則由于鋁一硅系合金的比重增加，活塞的重量增加，則盡管能提高強(qiáng)度，但不能滿足輕 量化的要求。
[0006] 另外，由合金成分的重新評(píng)價(jià)帶來的高強(qiáng)度化，使鑄造時(shí)合金成分難以微細(xì)化、均 勻化等，其結(jié)果是出現(xiàn)機(jī)械特性的改善不充分、品質(zhì)不一等問題，進(jìn)而，提高材料強(qiáng)度的另 一方面是使鑄鍛造性和加工性降低，特別是在推進(jìn)高強(qiáng)度化時(shí)切削加工性大幅度降低，強(qiáng) 度提高和加工性降低成為必然產(chǎn)生的矛盾問題。
[0007] 為此，由于這樣的材料的高強(qiáng)度化使內(nèi)燃機(jī)用活塞的生產(chǎn)性降低，成為提高制造 成本的一個(gè)原因，因而難以輕而易舉地提高強(qiáng)度。
[0008] 這樣，在調(diào)整合金材料的量時(shí)，難以在不降低生產(chǎn)性、加工性的情況下實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī) 用活塞的高溫強(qiáng)度的提高和輕量化的并存，所以有人提出不改變?cè)阼T鍛造工序中進(jìn)行的處 理，對(duì)經(jīng)過鑄鍛造工序制造的鋁合金制構(gòu)件進(jìn)行事后的處理以改善機(jī)械特性。
[0009] 作為這樣的方法的一例，有人提出通過對(duì)鋁合金制構(gòu)件的表面施加噴丸硬化處理 以對(duì)鋁合金制構(gòu)件的表面進(jìn)行改性的方法，提出下述的表面改性方法：通過在混合的狀態(tài) 下噴射彈粒材料和微粒，在彈粒材料射向鋁合金制構(gòu)件的表面部時(shí)，在彈粒材料中伴有微 粒的狀態(tài)下進(jìn)行噴丸硬化，從而將上述微粒以分散狀態(tài)嵌入鋁合金制構(gòu)件的表面部（參照 專利文獻(xiàn)1的權(quán)利要求1)，根據(jù)該方法，通過由上述噴射嵌入的微粒所具有的固有特性，耐 磨損性、耐蝕性提高，鋁合金制構(gòu)件的強(qiáng)度可靠性增大（專利文獻(xiàn)1的0017欄）。
[0010] 另外，作為其他方法，有人提出：Fe、Mn、Zn、Ti、C、Si、Ni、Cr、W、Cu、Sn、Zr等是能 夠在構(gòu)成上述活塞的合金中擴(kuò)散滲透而使該合金的強(qiáng)度提高的強(qiáng)化元素，向通過鑄鍛造得 到的鋁一硅系合金的內(nèi)燃機(jī)用活塞的表面，以噴射速度80m/s以上或者噴射壓力0. 3MPa以 上噴射含有上述強(qiáng)化元素且粒徑為20~400 μ m的噴射粒體，并使其碰撞，通過上述噴射粒 體的碰撞，除去在上述鑄鍛造中在上述活塞表面產(chǎn)生的表面缺陷部的氧化物，且修復(fù)在上 述表面產(chǎn)生的表面缺陷，同時(shí)在上述活塞的表面附近使上述活塞的上述合金中的合金元素 微細(xì)化，且使上述噴射粒體中的上述強(qiáng)化元素向上述活塞的表面附近擴(kuò)散滲透，在上述活 塞表面形成含有上述合金元素和上述噴射粒體中的強(qiáng)化元素的、金屬組織被均質(zhì)、微細(xì)化 的改性層（專利文獻(xiàn)2)。
[0011] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0012] 專利文獻(xiàn)1 :日本特開平5 - 86443號(hào)公報(bào)
[0013] 專利文獻(xiàn)2 :日本特開2008 - 051091號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 在使用前述專利文獻(xiàn)1、2所述的表面改性方法以改善內(nèi)燃機(jī)用活塞的機(jī)械強(qiáng)度 的情況下，由于這樣的表面改性是對(duì)經(jīng)過鑄鍛造工序后的內(nèi)燃機(jī)用活塞進(jìn)行的，所以活塞 的鑄鍛造自身可以按照以往的方法進(jìn)行，其結(jié)果，由于合金成分的變更發(fā)生的上述各種問 題被開放。
[0015] 但是，在其中的專利文獻(xiàn)1記載的方法中，如上所述在鋁合金制構(gòu)件的表面部以 分散狀態(tài)將微粒"嵌入"，通過如此嵌入的微粒固有的特性，提高了耐磨損性、耐蝕性，使鋁 合金制構(gòu)件的強(qiáng)度可靠性增大，為了進(jìn)行這樣的"嵌入"，將嵌入的微粒混入粒徑大于該微 粒的彈粒材料中進(jìn)行噴丸硬化（專利文獻(xiàn)1的0040欄等）。
[0016] 因此，在使用上述專利文獻(xiàn)1記載的方法的情況下，上述的微粒僅僅"嵌入"在鋁 合金制構(gòu)件的表面部，微粒不會(huì)與鋁合金制構(gòu)件之間產(chǎn)生牢固的結(jié)合狀態(tài)，容易從表面部 剝離、脫落等，如果發(fā)生這樣的剝離、脫落，無法期待由微粒固有的特性帶來的機(jī)械特性的 提尚。
[0017] 而且，前述專利文獻(xiàn)1公開了使嵌入在鋁合金制構(gòu)件的表面的微粒向鋁合金制構(gòu) 件表面擴(kuò)散的方法，但為了進(jìn)行這樣的擴(kuò)散，對(duì)于進(jìn)行了微粒嵌入后的鋁合金制構(gòu)件，進(jìn)而 實(shí)施加熱處理等（專利文獻(xiàn)1的權(quán)利要求3、0038、0039欄等），招致基于工序數(shù)增加的處理 長時(shí)間化和成本增加。
[0018] 另外，如果進(jìn)行這樣的熱處理，也有可能發(fā)生鋁合金制構(gòu)件的尺寸變化，或發(fā)生變 形，需要對(duì)熱處理的溫度、處理時(shí)間等進(jìn)行嚴(yán)格管理。
[0019] 需要說明的是，在內(nèi)燃機(jī)用活塞中，冷隔等微細(xì)的表面缺陷導(dǎo)致缺口脆性的發(fā)生 等，表面缺陷的修復(fù)是用于獲得強(qiáng)度提高的重要因素，而在專利文獻(xiàn)1記載的方法中，可以 預(yù)測：不僅不具備用于修復(fù)這樣的表面缺陷的結(jié)構(gòu)，而且金屬微粒相對(duì)于如上所述鋁合金 制構(gòu)件的嵌入反而卻成為缺口脆化產(chǎn)生的原因。
[0020] 另外，進(jìn)行合金元素的微細(xì)化、均勻化為內(nèi)燃機(jī)用活塞的機(jī)械性質(zhì)的改善、品質(zhì)的 均勻化做出了貢獻(xiàn)，但在專利文獻(xiàn)1所述的發(fā)明中，未公開應(yīng)對(duì)該課題的構(gòu)成。
[0021] 因此，如果要獲得合金元素的微細(xì)化、均勻化，可以通過鑄造階段的工序來實(shí)現(xiàn)這 些，需要在為使在鋁合金制構(gòu)件的表面嵌入的微粒向鋁合金制構(gòu)件的表面擴(kuò)散而進(jìn)行的熱 處理中同時(shí)進(jìn)行，工序數(shù)增加并且要求對(duì)熱處理時(shí)的溫度進(jìn)行嚴(yán)密管理。
[0022] 另一方面，在專利文獻(xiàn)2記載的方法中，并非僅僅直接沿襲了專利文獻(xiàn)1記載的發(fā) 明的優(yōu)點(diǎn)：通過在由鑄鍛造得到的內(nèi)燃機(jī)用活塞的表面使噴射粒體發(fā)生碰撞，能在不對(duì)鑄 鍛造性、加工性等生產(chǎn)性能產(chǎn)生影響的情況下，以低成本容易地提高內(nèi)燃機(jī)用活塞的機(jī)械 強(qiáng)度，專利文獻(xiàn)2記載的方法是能不另外進(jìn)行熱處理等而形成與內(nèi)燃機(jī)用活塞的表面一體 化的牢固的表面改性層，并且能夠使冷隔等微細(xì)的表面缺陷的修復(fù)、活塞的表面附近的合 金元素的微細(xì)化、均質(zhì)化等處理一并進(jìn)行。
[0023] 但是，即使在通過上述專利文獻(xiàn)2中記載的方法在內(nèi)燃機(jī)用活塞形成表面改性層 的情況下，當(dāng)在高溫環(huán)境下使用時(shí)，也會(huì)見到一定的強(qiáng)度降低，無法完全維持剛剛進(jìn)行噴砂 加工后的強(qiáng)度。
[0024] 因此，本發(fā)明正是為了克服上述以往技術(shù)中的缺點(diǎn)而完成的發(fā)明，其目的在于，提 供一種在進(jìn)行了表面改性處理后即使在高溫環(huán)境下使用也不發(fā)生強(qiáng)度的降低的、內(nèi)燃機(jī)用 活塞的表面改性方法以及用上述方法進(jìn)行表面改性后的內(nèi)燃機(jī)用活塞。
[0025] 為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)用活塞的表面改性方法，其特征在于：
[0026] 以鐵系合金制的彈粒為噴射粒體，所述彈粒的粒徑為20~200 μ m，在溫度25°C時(shí) 熱傳導(dǎo)率在30W/m · k以下，比重為7. 5g/cm3以上，
[0027] 進(jìn)行第一噴射處理，即以在存在氧的空間中弧高值為0.07~0. 13mm(N)(在實(shí)施 例中為0.1 Omm(N))的條件，將上述噴射粒體噴射向由鑄鍛造得到的鋁一硅合金或者例如 是A2618等鋁一銅合金形成的內(nèi)燃機(jī)用活塞的表面，
[0028] 進(jìn)行第二噴射處理，即以在存在氧的空間中弧高值為0. 13~0.22mm(N)(在實(shí)施 例中為0. 20mm(N))的條件，將上述噴射粒體噴射向經(jīng)過上述第一噴射處理的上述內(nèi)燃機(jī) 用活塞的表面，
[0029] 然后，對(duì)于上述內(nèi)燃機(jī)用活塞，在存在氧的空間中在170~190°C實(shí)施加熱處理 1.5小時(shí)以上（技術(shù)方案1)。
[0030] 在上述內(nèi)燃機(jī)用活塞的表面改性方法中，優(yōu)選按照在上述第一噴射處理和第二噴 射處理中合計(jì)覆蓋范圍（coverage)為200~500% (在實(shí)施例中為300%)的方式噴射上 述噴射粒體（技術(shù)方案2)。
[0031] 在該情況下，可以在覆蓋范圍為100~200% (在實(shí)施例中為100%)的范圍內(nèi)進(jìn) 行上述第一噴射處理，并且在覆蓋范圍為100~300% (在實(shí)施例中為200%)的范圍內(nèi)進(jìn) 行上述第二噴射處理（技術(shù)方案3)。
[0032] 進(jìn)而，在上述表面改性方法中，上述噴射粒體可以由高速鋼或不銹鋼形成（技術(shù) 方案4)。
[0033] 另外，本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)用的活塞，其特征在于，在鋁一硅合金制的內(nèi)燃機(jī)用活塞的 表面改性部，在從最外表面至深度約3~30 μ m的范圍內(nèi)，形成有在微細(xì)化的鋁和/或鋁 系合金的晶粒邊界具有由鋁一鐵系合金的穩(wěn)定的氧化物形成的晶間氧化物的表面改性層 (技術(shù)方案5)。
[0034] 通過利用以上說明的方法，進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，關(guān)于經(jīng)表面強(qiáng)化處理后的內(nèi)燃機(jī) 用活塞，可以得到即使在超過時(shí)效硬化處理溫度（作為一例為200~250°C)的高溫環(huán)境下 (作為一例為350°C)使用該活塞其表面硬度也不發(fā)生降低的內(nèi)燃機(jī)用活塞。所述表面強(qiáng) 化處理是在從最外表面至約3~30 μ m的范圍內(nèi)，形成具有在微細(xì)化的鋁和/或鋁系合金 的晶粒邊界有由鋁和噴射粒體中的鐵系材料的合金經(jīng)氧化得到的晶間氧化物存在的構(gòu)造 的表面改性層。
[0035] 能夠防止在這樣的高溫環(huán)境下的硬度降低的理由尚不明確，但考慮其原因在于， 在通過上述方法形成的表面改性層中，在微細(xì)化的鋁和/或鋁系合金的晶粒邊界存在的、 作為鋁一鐵系合金的穩(wěn)定的氧化物的晶間氧化物，在施加高溫時(shí)抑制鋁和/或鋁系合金的 晶粒的再結(jié)晶，從而防止晶粒粗大化而硬度降低。
【附圖說明】
[0036] 圖1是實(shí)施例的活塞的表面部的截面電子顯微鏡照片。
[0037] 圖2是實(shí)施例的活塞的表面改性層部分的截面電子顯微鏡照片。
[0038] 圖3是表示實(shí)施例的成分分析結(jié)果（包含氧濃度）的圖，㈧表示圖2中的"分析 1"部分的分析結(jié)果，（B)表示圖2中的"分析2"部分的分析結(jié)果。
[0039] 圖4是表示圖2的電子顯微鏡照片中的晶間氧化物的分布的模式圖。
[0040] 圖5是在350°C加熱100小時(shí)后的實(shí)施例的活塞的表面部的截面電子顯微鏡照片。
[0041] 圖6是表示實(shí)施例和比較例5的活塞在加熱（350°C X 100小時(shí)）前后的硬度變化 的狀態(tài)的圖。