內(nèi)燃機(jī)的活塞及其制造方法、鋁合金部件及其制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種內(nèi)燃機(jī)的活塞及其制造方法、鋁合金部件及其制造方法，其能夠確保陽(yáng)極氧化保護(hù)膜的足夠強(qiáng)度的內(nèi)燃機(jī)的活塞等。對(duì)于以含有硅的鋁合金材料作為母材，并具有形成陽(yáng)極氧化保護(hù)膜（20）的第一道密封環(huán)槽（11）的內(nèi)燃機(jī)的活塞（1）而言，與所述陽(yáng)極氧化保護(hù)膜（20）重疊地實(shí)施電解鍍鎳處理，從而在保護(hù)膜（20）內(nèi)部，在形成于硅粒子（24）周?chē)目障叮?5）、形成于保護(hù)膜（20）表面的凹部（26）析出含有硅及鋅的金屬（16）。
【專(zhuān)利說(shuō)明】?jī)?nèi)燃機(jī)的活塞及其制造方法、鋁合金部件及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鋁合金部件及其制造方法，主要涉及一種適用于機(jī)動(dòng)車(chē)的內(nèi)燃機(jī) 的內(nèi)燃機(jī)活塞及其制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 作為現(xiàn)有的利用鋁合金材料制成的內(nèi)燃機(jī)活塞，公知有例如以下專(zhuān)利文獻(xiàn)1所記 載的活塞。
[0003] S卩，在現(xiàn)有的由鋁合金材料制成的內(nèi)燃機(jī)活塞中，通過(guò)在用于卡止固定第一道密 封環(huán)的活塞環(huán)槽(第一道密封環(huán)槽）上形成陽(yáng)極氧化保護(hù)膜來(lái)提高耐磨性和耐腐蝕性，但是 由于該陽(yáng)極氧化保護(hù)膜在成長(zhǎng)時(shí)膨脹，所以存在在該陽(yáng)極氧化保護(hù)膜與包含在該鋁合金材 料中的硅之間產(chǎn)生間隙的技術(shù)問(wèn)題。
[0004] 因此，在所述專(zhuān)利文件1的技術(shù)中，為了解決上述問(wèn)題，在形成所述陽(yáng)極氧化保護(hù) 膜之后，在一定時(shí)間內(nèi)，浸漬到含有鎂離子、銨離子、氟離子的水溶液中，從而在形成于陽(yáng)極 氧化保護(hù)膜與硅之間的間隙內(nèi)析出含有鎂及氟的化合物，從而實(shí)現(xiàn)該陽(yáng)極氧化保護(hù)膜自身 的增強(qiáng)。
[0005] 專(zhuān)利文獻(xiàn)1 :(日本）特開(kāi)2010-90427號(hào)公報(bào)
[0006] 然而，即使在所述現(xiàn)有的活塞中，也殘存因析出的所述含有鎂及氟的化合物的強(qiáng) 度不足而不能確保該陽(yáng)極氧化保護(hù)膜的足夠的強(qiáng)度的技術(shù)問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 因此，本發(fā)明是鑒于上述現(xiàn)有的內(nèi)燃機(jī)的活塞的技術(shù)問(wèn)題而做出的，目的在于提 供一種能夠確保陽(yáng)極氧化保護(hù)膜的足夠的強(qiáng)度的內(nèi)燃機(jī)的活塞等。
[0008] 本發(fā)明的第一方面發(fā)明是一種內(nèi)燃機(jī)的活塞，其特征在于，具有形成陽(yáng)極氧化保 護(hù)膜的活塞環(huán)槽，以含有硅的鋁合金材料作為母材，在存在于所述陽(yáng)極氧化保護(hù)膜內(nèi)的硅 粒子的周?chē)?，析出含有鎳及鋅的金屬。
[0009] 本發(fā)明的第二方面發(fā)明是一種內(nèi)燃機(jī)的活塞的制造方法，其特征在于，包括：利用 含有硅的鋁合金材料，使含有活塞環(huán)槽的內(nèi)燃機(jī)的活塞成形的工序；在所述活塞環(huán)槽形成 陽(yáng)極氧化保護(hù)膜的工序；將形成有所述陽(yáng)極氧化保護(hù)膜的部位在電解液中進(jìn)行電解處理， 使含有鎳及鋅的金屬在所述硅粒子周?chē)龀龅墓ば颉?br> [0010] 本發(fā)明的第三方面發(fā)明是一種鋁合金部件，其特征在于，含有硅且至少一部分形 成有陽(yáng)極氧化保護(hù)膜，在存在于所述陽(yáng)極氧化保護(hù)膜內(nèi)的硅粒子的周?chē)?，析出含有鎳及鋅 的金屬。
[0011] 本發(fā)明的第四方面發(fā)明在第一方面發(fā)明的基礎(chǔ)上，其特征在于，所述母材是含有 7?25wt%的所述硅的鋁合金部件。
[0012] 本發(fā)明的第五方面發(fā)明在第一方面發(fā)明的基礎(chǔ)上，其特征在于，所述陽(yáng)極氧化保 護(hù)膜的膜厚為5?50 μ m。
[0013] 本發(fā)明的第六方面發(fā)明在第一方面發(fā)明的基礎(chǔ)上，其特征在于，所述陽(yáng)極氧化保 護(hù)膜中的鎳含量為〇. 3at%以上。
[0014] 本發(fā)明的第七方面發(fā)明在第一方面發(fā)明的基礎(chǔ)上，其特征在于，在所述陽(yáng)極氧化 保護(hù)膜的表面也局部地析出含有所述鎳及鋅的金屬。
[0015] 本發(fā)明的第八方面發(fā)明在第七方面發(fā)明的基礎(chǔ)上，其特征在于，在所述陽(yáng)極氧化 保護(hù)膜的表面析出的金屬在所述陽(yáng)極氧化保護(hù)膜的內(nèi)側(cè)，與作為所述母材的鋁合金材料連 接。
[0016] 本發(fā)明的第九方面發(fā)明在第二方面發(fā)明的基礎(chǔ)上，其特征在于，在析出所述金屬 的電解處理中，電流密度為0. 4?3. 5A/dm2。
[0017] 本發(fā)明的第十方面發(fā)明在第二方面發(fā)明的基礎(chǔ)上，其特征在于，用于形成所述陽(yáng) 極氧化保護(hù)膜的電解液含有氨基磺酸鎳。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的第一至第十方面所述的發(fā)明，通過(guò)在陽(yáng)極氧化保護(hù)膜中的硅粒子周 圍析出較高強(qiáng)度的金屬，能夠利用該金屬確保陽(yáng)極氧化保護(hù)膜的足夠的強(qiáng)度。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1是表示將本發(fā)明的活塞適用在內(nèi)燃機(jī)的狀態(tài)的主要部分的縱向剖視圖。
[0020] 圖2是圖1所示的活塞的立體圖。
[0021] 圖3是圖1所示的活塞的半剖圖。
[0022] 圖4是圖3所示的A部的的放大圖。
[0023] 圖5是從B方向觀察圖4的向視圖。
[0024] 圖6是陽(yáng)極氧化處理的示意圖。
[0025] 圖7是表示陽(yáng)極氧化保護(hù)膜的成長(zhǎng)過(guò)程的示意圖，圖7 (a)是表示剛處理后僅形 成有阻隔層（〃'U 7-屑)的狀態(tài)的圖，圖7 (b)是表示形成多孔膜層過(guò)程中的圖，圖7 (c) 是表示處理結(jié)束的狀態(tài)的圖。
[0026] 圖8是電解鍍鎳處理的示意圖。
[0027] 圖9是表示電解鍍鎳處理的過(guò)程的示意圖，圖9 (a)是表示剛處理后金屬析出前 的狀態(tài)的圖，圖9 (b)是表示金屬析出過(guò)程中的狀態(tài)的圖，圖9 (c)是表示處理結(jié)束的狀態(tài) 的圖。
[0028] 圖10是電解鍍鎳處理裝置的示意圖。
[0029] 圖11是空蝕試驗(yàn)裝置的示意圖。
[0030] 圖12是表示實(shí)施例一的試驗(yàn)結(jié)果的曲線圖。
[0031] 圖13是表示實(shí)施例二的損傷寬度的評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果的曲線圖。
[0032] 圖14是表示實(shí)施例二的表面粗糙度的評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果的曲線圖。
[0033] 圖15是表示實(shí)施例三的試驗(yàn)結(jié)果的曲線圖。
[0034] 圖16是表示實(shí)施例四的試驗(yàn)結(jié)果的曲線圖。
[0035] 圖17是表示實(shí)施例五的損傷寬度的評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果的曲線圖。
[0036] 圖18是表示實(shí)施例五的表面粗糙度的評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果的曲線圖。
[0037] 圖19是表示實(shí)施例六的損傷寬度的評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果的曲線圖。
[0038] 圖20是表示實(shí)施例六的表面粗糙度的評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果的曲線圖。
[0039] 圖21是表示實(shí)施例七的曲線圖。
[0040] 符號(hào)說(shuō)明
[0041] 1活塞(鋁合金部件);11第一道密封環(huán)槽(活塞環(huán)槽);16金屬；20陽(yáng)極氧化保護(hù) 膜；24硅粒子；25空隙；26凹部。

【具體實(shí)施方式】
[0042] 以下，基于附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)活塞等的各實(shí)施方式。需要說(shuō)明的是，在 以下各實(shí)施方式中，基于將該活塞等適用在機(jī)動(dòng)車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞的例子進(jìn)行說(shuō)明。
[0043] [活塞的結(jié)構(gòu)]
[0044] 如圖1所示，本發(fā)明的活塞1滑動(dòng)自如地設(shè)置在形成于缸體2內(nèi)的近似圓筒狀的 氣缸壁3內(nèi)，在該氣缸壁3與未圖示的氣缸蓋之間形成燃燒室C，活塞1經(jīng)由與沿大致徑向 插通的活塞銷(xiāo)4連結(jié)的連桿5與未圖示的曲軸連結(jié)。
[0045] 該活塞1利用例如含有AC8A等硅的Al-Si系列的鋁合金材料一體鑄造成大致圓 筒狀，如圖1?圖3所示，包括：在蓋面6a上劃分燃燒室C的蓋部6 ;-體設(shè)置于該蓋部6 的下端側(cè)外周的一對(duì)裙部7、8 ;與該裙部7、8的周向兩端部連接的一對(duì)擋板部9、9。
[0046] 所述蓋部6呈形成有較厚的厚壁的圓盤(pán)狀，在蓋面6a上打孔設(shè)置有用于回避與未 圖示的吸氣排氣閥干涉的閥槽10。另外，在該蓋部6的外周部切口形成有環(huán)形槽11?13， 該環(huán)形槽11?13用于保持壓縮環(huán)、油環(huán)等三個(gè)活塞環(huán)PLl?PL3。
[0047] 如圖4所示，在這些各環(huán)形槽11?13中的、設(shè)置成容易受到燃燒室C的燃燒影響 且最接近該燃燒室C的第一道密封環(huán)槽11的內(nèi)部及側(cè)緣部的表面，設(shè)置有實(shí)施公知的陽(yáng)極 氧化處理的陽(yáng)極氧化處理部14,并且在該陽(yáng)極氧化處理部14的內(nèi)側(cè)的規(guī)定范圍內(nèi)設(shè)置有 電解析出處理部15,該電解析出處理部15與該陽(yáng)極氧化處理部14重疊，并且通過(guò)實(shí)施電解 鍍鎳處理使后述的較高強(qiáng)度的規(guī)定金屬16析出而形成。即，如圖5所示，在所述第一道密 封環(huán)槽11中，被設(shè)定得大的規(guī)定軸向范圍Wl構(gòu)成為所述陽(yáng)極氧化處理部14,并且被設(shè)定為 相對(duì)于該軸向范圍Wl較小的規(guī)定軸向范圍W2構(gòu)成為所述電解析出處理部15。
[0048] 所述陽(yáng)極氧化處理部14是在第一道密封環(huán)槽11的內(nèi)部及側(cè)緣部形成公知的陽(yáng)極 氧化處理保護(hù)膜20而成的，該陽(yáng)極氧化保護(hù)膜20是多個(gè)單元的集合體，由阻隔層21和多 孔膜層22構(gòu)成，該阻隔層21構(gòu)成各單元的底部，多孔膜層22因伴隨著該保護(hù)膜20成長(zhǎng)所 產(chǎn)生的體積膨脹而形成于該阻隔層21的外層，并且在內(nèi)部具有多個(gè)微細(xì)孔23。另外，在該 陽(yáng)極氧化保護(hù)膜20的內(nèi)部，如圖9 (a)所示，內(nèi)含有包含于作為基體的活塞主體Ia內(nèi)的非 導(dǎo)電性的硅粒子24,在伴隨著該保護(hù)膜20的生長(zhǎng)而通電時(shí)，如上所述，以回避所述各硅粒 子24的方式在該各硅粒子24的周?chē)謩e形成有空隙25。因?yàn)楦骺障妒怯糜谒鐾姷慕Y(jié) 構(gòu)，所以在該保護(hù)膜20的外部與活塞主體Ia上形成開(kāi)口，以使各保護(hù)膜20的外部與活塞 主體Ia連通。
[0049] 所述電解析出處理部15由通過(guò)在所述陽(yáng)極氧化處理后進(jìn)行的二次電解處理而在 陽(yáng)極氧化保護(hù)膜20中析出的規(guī)定的金屬16構(gòu)成(參照?qǐng)D9(c))，具體地說(shuō)，由較高強(qiáng)度的鎳 和鋅構(gòu)成，所述鎳和鋅是通過(guò)所述電解鍍鎳處理，使溶解在規(guī)定的電解液(氨基磺酸鎳（7 > 7 r >酸=〃 ir >)、硫酸鋅及硼酸水溶液）中的鎳離子與鋅離子在陽(yáng)極氧化保護(hù)膜20 中的、所述電解液與作為活塞主體Ia的母材的鋁（以下稱(chēng)為"活塞母材"）Ib的接觸面被還 原而析出形成的。
[0050] [活塞的制造方法]
[0051] 所述活塞經(jīng)過(guò)以下工序形成：通過(guò)利用含有硅的AC8A鋁合金材料鑄造具有所述 各活塞環(huán)槽11?13等所述規(guī)定結(jié)構(gòu)的活塞主體Ia而進(jìn)行成形的第一工序；對(duì)在所述第一 工序中成形的活塞主體Ia的第一道密封環(huán)槽11實(shí)施陽(yáng)極氧化處理的第二工序；對(duì)在該第 二工序中形成有陽(yáng)極氧化保護(hù)膜20的部位進(jìn)行二次電解處理，并且在所述各空隙25的內(nèi) 部析出所述較高強(qiáng)度的規(guī)定金屬16的第三工序。
[0052] 在所述第二工序中，如圖6所示，以活塞主體Ia的母材即鋁合金為陽(yáng)極Y、以純鈦 為陰極X，在硫酸浴(硫酸?。┲须娊舛M(jìn)行所述陽(yáng)極氧化處理，使溶解在電解液17中的陽(yáng) 離子〇 2_與陽(yáng)極Y電解而產(chǎn)生的鋁離子Al3^化合，從而形成陽(yáng)極氧化保護(hù)膜20。即，該陽(yáng)極 氧化保護(hù)膜20如圖7 (a)所示在電解初期僅形成具有均勻表面的阻隔層21，但是之后，在 該保護(hù)膜20成長(zhǎng)并且所述阻隔層21達(dá)到規(guī)定厚度時(shí)，利用所述體積膨脹在該阻隔層21的 外層形成如圖7 (b)所示的多孔膜層22。于是，由于形成該多孔膜層22而使微細(xì)孔23處 的電流密度增大，所以利用因電場(chǎng)引起的溶解反應(yīng)，如圖7 (c)所示，進(jìn)一步促進(jìn)多孔膜層 22的形成，從而完成該陽(yáng)極氧化保護(hù)膜20的形成。需要說(shuō)明的是，圖7所示的單點(diǎn)劃線是 表示所述陽(yáng)極氧化處理前的活塞母材Ib的外側(cè)面位置的基準(zhǔn)線。
[0053] 在所述第三工序中，在所述陽(yáng)極氧化處理后，如圖8所示，以形成所述陽(yáng)極氧化保 護(hù)膜20的氧化鋁為陰極X、以純鎳為陽(yáng)極Y，在黑色鍍鎳浴(黒色=7 ^ c爸浴)、氨基 磺酸鎳?。? 7 7 7 ^ >?。┲须娊舛M(jìn)行所述電解鍍鎳處理，使溶解在電解液 18中的鎳等金屬離子(在黑色鍍鎳浴的情況下為鎳離子Ni2+和鋅離子Zn2+，在氨基磺酸鎳浴 的情況下僅為鎳離子Ni2+)在電解液18與活塞母材Ib的接觸面被還原，從而在陽(yáng)極氧化保 護(hù)膜20的內(nèi)部(主要為空隙25)析出。即，如果以氨基磺酸鎳浴為例進(jìn)行說(shuō)明，如圖9 (a) 所示，通過(guò)所述電解而溶解在電解液中的鎳離子Ni2+通過(guò)陽(yáng)極氧化保護(hù)膜20中的空隙、凹 部26向活塞母材Ib作用。如圖9 (b)所示，鎳16a從所述空隙25與凹部26中的活塞母 材Ib與電解液的接觸面還原、析出，不久如圖9 (c)所示，所述空隙25與凹部26被鎳16a 填充。
[0054] 需要說(shuō)明的是，上述電解鍍鎳處理具體地說(shuō)，使用如圖10所示的裝置進(jìn)行。即，以 使所述活塞主體Ia中僅實(shí)施電解鍍鎳處理的范圍W2露出的方式，利用遮蔽材料M覆蓋該 處理范圍W2之外的全部范圍，之后，使蓋部6朝向鉛直下方，將所述處理范圍W2浸漬到存 積在槽19的電解液18中，使陰極X與活塞主體Ia連接，并且使陽(yáng)極Y浸漬到電解液18中。
[0055] [表面處理的性能比較]
[0056] 以下，針對(duì)所述第一道密封環(huán)槽11的表面處理，進(jìn)行了試驗(yàn)以比較實(shí)施現(xiàn)有的陽(yáng) 極氧化處理的結(jié)構(gòu)與實(shí)施本發(fā)明的電解析出處理(對(duì)陽(yáng)極氧化保護(hù)膜實(shí)施電解鍍鎳處理） 的結(jié)構(gòu)。在此，在本試驗(yàn)中，使用實(shí)施有所述各表面處理的試驗(yàn)片，該試驗(yàn)片是長(zhǎng)邊為19mm、 短邊為15mm，板厚為5mm構(gòu)成的矩形板狀的鋁合金鑄件（JIS H5202)，且由如以下的表1所 示的AC8A的試樣材料構(gòu)成，將僅實(shí)施現(xiàn)有的陽(yáng)極氧化處理的材料作為第一試驗(yàn)片，將實(shí)施 有本發(fā)明的電解析出處理（電解鍍鎳處理）的材料作為第二試驗(yàn)片。
[0057] [表 1]
[0058]

【權(quán)利要求】
1. 一種內(nèi)燃機(jī)的活塞，其特征在于，具有形成陽(yáng)極氧化保護(hù)膜的活塞環(huán)槽， 以含有娃的錯(cuò)合金材料作為母材， 在存在于所述陽(yáng)極氧化保護(hù)膜內(nèi)的硅粒子的周?chē)?，析出含有鎳及鋅的金屬。
2. -種內(nèi)燃機(jī)的活塞的制造方法，其特征在于，包括： 利用含有硅的鋁合金材料，使含有活塞環(huán)槽的內(nèi)燃機(jī)的活塞成形的工序； 在所述活塞環(huán)槽形成陽(yáng)極氧化保護(hù)膜的工序； 將形成有所述陽(yáng)極氧化保護(hù)膜的部位在電解液中進(jìn)行電解處理，使含有鎳及鋅的金屬 在所述硅粒子周?chē)龀龅墓ば颉?br> 3. -種鋁合金部件，其特征在于，含有硅且至少一部分形成有陽(yáng)極氧化保護(hù)膜， 在存在于所述陽(yáng)極氧化保護(hù)膜內(nèi)的硅粒子的周?chē)?，析出含有鎳及鋅的金屬。
4. 如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)的活塞，其特征在于，所述母材是含有7?25wt%的所述 硅的鋁合金材料。
5. 如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)的活塞，其特征在于，所述陽(yáng)極氧化保護(hù)膜的膜厚為5? 50 u m〇
6. 如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)的活塞，其特征在于，所述陽(yáng)極氧化保護(hù)膜中的鎳含量 為0. 3at%以上。
7. 如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)的活塞，其特征在于，在所述陽(yáng)極氧化保護(hù)膜的表面也 局部地析出含有所述鎳及鋅的金屬。
8. 如權(quán)利要求7所述的內(nèi)燃機(jī)的活塞，其特征在于，在所述陽(yáng)極氧化保護(hù)膜的表面析 出的金屬在所述陽(yáng)極氧化保護(hù)膜的內(nèi)側(cè)，與作為所述母材的鋁合金材料連接。
9. 如權(quán)利要求2所述的內(nèi)燃機(jī)的活塞的制造方法，其特征在于，在析出所述金屬的電 解處理中，電流密度為0. 4?3. 5A/dm2。
10. -種鋁合金部件的制造方法，其特征在于，是在含有硅的鋁合金部件的至少一部分 形成陽(yáng)極氧化保護(hù)膜的鋁合金部件的制造方法，在形成陽(yáng)極氧化保護(hù)膜的工序時(shí)，將形成 有所述陽(yáng)極氧化保護(hù)膜的部位在電解液中進(jìn)行電解處理，使含有鎳及鋅的金屬在所述硅粒 子周?chē)龀觥?br> 【文檔編號(hào)】C25D11/04GK104343576SQ201310416814
【公開(kāi)日】2015年2月11日 申請(qǐng)日期:2013年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月1日
【發(fā)明者】佐藤貴范, 佐佐木正登, 高橋智一 申請(qǐng)人:日立汽車(chē)系統(tǒng)株式會(huì)社