内燃机用活塞的表面改性方法和内燃机用活塞的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及内燃机用活塞的表面改性方法、以及使用上述方法被表面改性的内燃 机用活塞，涉及即使在高温下使用也不会发生强度降低的内燃机用活塞的表面改性方法、 以及使用上述方法被表面改性的内燃机用活塞。
【背景技术】
[0002] 关于内燃机用活塞，从其功能来看，由于其在高温环境下承受爆发压力的同时反 复进行高速往复运动，因而需要具有高强度，另一方面，从燃料费增加等观点出发，要求其 为轻量。
[0003] 作为这样的内燃机用活塞，以轻量化为目的，例如使用AC8A等铝一硅系合金，并 且通过时效硬化处理等使内燃机用活塞的晶粒微细化，由此来提高强度。但是，作为一例， 汽油发动机中活塞的温度有上升至300°C左右的情况，然而通过上述的时效硬化而高强度 化的活塞，在超过时效硬化处理温度（约200~250°C )的高温环境下使用时，通过时效硬 化而微细化的结晶会进行再结晶化，晶粒粗大化，强度显著降低。
[0004] 因此，期待用于使在高温环境下使用的铝一硅系合金的高温强度提高的方法。
[0005] 作为使这样的铝一硅系合金的高温强度提高的方法，有人也在探讨对作为合金添 加的成分自身进行重新评价，作为一例，如果大量添加作为使高温强度提高的成分的镍铜 等，则由于铝一硅系合金的比重增加，活塞的重量增加，则尽管能提高强度，但不能满足轻 量化的要求。
[0006] 另外，由合金成分的重新评价带来的高强度化，使铸造时合金成分难以微细化、均 匀化等，其结果是出现机械特性的改善不充分、品质不一等问题，进而，提高材料强度的另 一方面是使铸锻造性和加工性降低，特别是在推进高强度化时切削加工性大幅度降低，强 度提高和加工性降低成为必然产生的矛盾问题。
[0007] 为此，由于这样的材料的高强度化使内燃机用活塞的生产性降低，成为提高制造 成本的一个原因，因而难以轻而易举地提高强度。
[0008] 这样，在调整合金材料的量时，难以在不降低生产性、加工性的情况下实现内燃机 用活塞的高温强度的提高和轻量化的并存，所以有人提出不改变在铸锻造工序中进行的处 理，对经过铸锻造工序制造的铝合金制构件进行事后的处理以改善机械特性。
[0009] 作为这样的方法的一例，有人提出通过对铝合金制构件的表面施加喷丸硬化处理 以对铝合金制构件的表面进行改性的方法，提出下述的表面改性方法：通过在混合的状态 下喷射弹粒材料和微粒，在弹粒材料射向铝合金制构件的表面部时，在弹粒材料中伴有微 粒的状态下进行喷丸硬化，从而将上述微粒以分散状态嵌入铝合金制构件的表面部（参照 专利文献1的权利要求1)，根据该方法，通过由上述喷射嵌入的微粒所具有的固有特性，耐 磨损性、耐蚀性提高，铝合金制构件的强度可靠性增大（专利文献1的0017栏）。
[0010] 另外，作为其他方法，有人提出：Fe、Mn、Zn、Ti、C、Si、Ni、Cr、W、Cu、Sn、Zr等是能 够在构成上述活塞的合金中扩散渗透而使该合金的强度提高的强化元素，向通过铸锻造得 到的铝一硅系合金的内燃机用活塞的表面，以喷射速度80m/s以上或者喷射压力0. 3MPa以 上喷射含有上述强化元素且粒径为20~400 μ m的喷射粒体，并使其碰撞，通过上述喷射粒 体的碰撞，除去在上述铸锻造中在上述活塞表面产生的表面缺陷部的氧化物，且修复在上 述表面产生的表面缺陷，同时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 微细化，且使上述喷射粒体中的上述强化元素向上述活塞的表面附近扩散渗透，在上述活 塞表面形成含有上述合金元素和上述喷射粒体中的强化元素的、金属组织被均质、微细化 的改性层（专利文献2)。
[0011] 现有技术文献
[0012] 专利文献1 :日本特开平5 - 86443号公报
[0013] 专利文献2 :日本特开2008 - 051091号公报
【发明内容】
[0014] 在使用前述专利文献1、2所述的表面改性方法以改善内燃机用活塞的机械强度 的情况下，由于这样的表面改性是对经过铸锻造工序后的内燃机用活塞进行的，所以活塞 的铸锻造自身可以按照以往的方法进行，其结果，由于合金成分的变更发生的上述各种问 题被开放。
[0015] 但是，在其中的专利文献1记载的方法中，如上所述在铝合金制构件的表面部以 分散状态将微粒"嵌入"，通过如此嵌入的微粒固有的特性，提高了耐磨损性、耐蚀性，使铝 合金制构件的强度可靠性增大，为了进行这样的"嵌入"，将嵌入的微粒混入粒径大于该微 粒的弹粒材料中进行喷丸硬化（专利文献1的0040栏等）。
[0016] 因此，在使用上述专利文献1记载的方法的情况下，上述的微粒仅仅"嵌入"在铝 合金制构件的表面部，微粒不会与铝合金制构件之间产生牢固的结合状态，容易从表面部 剥离、脱落等，如果发生这样的剥离、脱落，无法期待由微粒固有的特性带来的机械特性的 提尚。
[0017] 而且，前述专利文献1公开了使嵌入在铝合金制构件的表面的微粒向铝合金制构 件表面扩散的方法，但为了进行这样的扩散，对于进行了微粒嵌入后的铝合金制构件，进而 实施加热处理等（专利文献1的权利要求3、0038、0039栏等），招致基于工序数增加的处理 长时间化和成本增加。
[0018] 另外，如果进行这样的热处理，也有可能发生铝合金制构件的尺寸变化，或发生变 形，需要对热处理的温度、处理时间等进行严格管理。
[0019] 需要说明的是，在内燃机用活塞中，冷隔等微细的表面缺陷导致缺口脆性的发生 等，表面缺陷的修复是用于获得强度提高的重要因素，而在专利文献1记载的方法中，可以 预测：不仅不具备用于修复这样的表面缺陷的结构，而且金属微粒相对于如上所述铝合金 制构件的嵌入反而却成为缺口脆化产生的原因。
[0020] 另外，进行合金元素的微细化、均匀化为内燃机用活塞的机械性质的改善、品质的 均匀化做出了贡献，但在专利文献1所述的发明中，未公开应对该课题的构成。
[0021] 因此，如果要获得合金元素的微细化、均匀化，可以通过铸造阶段的工序来实现这 些，需要在为使在铝合金制构件的表面嵌入的微粒向铝合金制构件的表面扩散而进行的热 处理中同时进行，工序数增加并且要求对热处理时的温度进行严密管理。
[0022] 另一方面，在专利文献2记载的方法中，并非仅仅直接沿袭了专利文献1记载的发 明的优点：通过在由铸锻造得到的内燃机用活塞的表面使喷射粒体发生碰撞，能在不对铸 锻造性、加工性等生产性能产生影响的情况下，以低成本容易地提高内燃机用活塞的机械 强度，专利文献2记载的方法是能不另外进行热处理等而形成与内燃机用活塞的表面一体 化的牢固的表面改性层，并且能够使冷隔等微细的表面缺陷的修复、活塞的表面附近的合 金元素的微细化、均质化等处理一并进行。
[0023] 但是，即使在通过上述专利文献2中记载的方法在内燃机用活塞形成表面改性层 的情况下，当在高温环境下使用时，也会见到一定的强度降低，无法完全维持刚刚进行喷砂 加工后的强度。
[0024] 因此，本发明正是为了克服上述以往技术中的缺点而完成的发明，其目的在于，提 供一种在进行了表面改性处理后即使在高温环境下使用也不发生强度的降低的、内燃机用 活塞的表面改性方法以及用上述方法进行表面改性后的内燃机用活塞。
[0025] 为了达成上述目的，本发明的内燃机用活塞的表面改性方法，其特征在于：
[0026] 以铁系合金制的弹粒为喷射粒体，所述弹粒的粒径为20~200 μ m，在温度25°C时 热传导率在30W/m · k以下，比重为7. 5g/cm3以上，
[0027] 进行第一喷射处理，即以在存在氧的空间中弧高值为0.07~0. 13mm(N)(在实施 例中为0.1 Omm(N))的条件，将上述喷射粒体喷射向由铸锻造得到的铝一硅合金或者例如 是A2618等铝一铜合金形成的内燃机用活塞的表面，
[0028] 进行第二喷射处理，即以在存在氧的空间中弧高值为0. 13~0.22mm(N)(在实施 例中为0. 20mm(N))的条件，将上述喷射粒体喷射向经过上述第一喷射处理的上述内燃机 用活塞的表面，
[0029] 然后，对于上述内燃机用活塞，在存在氧的空间中在170~190°C实施加热处理 1.5小时以上（技术方案1)。
[0030] 在上述内燃机用活塞的表面改性方法中，优选按照在上述第一喷射处理和第二喷 射处理中合计覆盖范围（coverage)为200~500% (在实施例中为300%)的方式喷射上 述喷射粒体（技术方案2)。
[0031] 在该情况下，可以在覆盖范围为100~200% (在实施例中为100%)的范围内进 行上述第一喷射处理，并且在覆盖范围为100~300% (在实施例中为200%)的范围内进 行上述第二喷射处理（技术方案3)。
[0032] 进而，在上述表面改性方法中，上述喷射粒体可以由高速钢或不锈钢形成（技术 方案4)。
[0033] 另外，本发明的内燃机用的活塞，其特征在于，在铝一硅合金制的内燃机用活塞的 表面改性部，在从最外表面至深度约3~30 μ m的范围内，形成有在微细化的铝和/或铝 系合金的晶粒边界具有由铝一铁系合金的稳定的氧化物形成的晶间氧化物的表面改性层 (技术方案5)。
[0034] 通过利用以上说明的方法，进行表面强化处理，关于经表面强化处理后的内燃机 用活塞，可以得到即使在超过时效硬化处理温度（作为一例为200~250°C)的高温环境下 (作为一例为350°C)使用该活塞其表面硬度也不发生降低的内燃机用活塞。所述表面强 化处理是在从最外表面至约3~30 μ m的范围内，形成具有在微细化的铝和/或铝系合金 的晶粒边界有由铝和喷射粒体中的铁系材料的合金经氧化得到的晶间氧化物存在的构造 的表面改性层。
[0035] 能够防止在这样的高温环境下的硬度降低的理由尚不明确，但考虑其原因在于， 在通过上述方法形成的表面改性层中，在微细化的铝和/或铝系合金的晶粒边界存在的、 作为铝一铁系合金的稳定的氧化物的晶间氧化物，在施加高温时抑制铝和/或铝系合金的 晶粒的再结晶，从而防止晶粒粗大化而硬度降低。
【附图说明】
[0036] 图1是实施例的活塞的表面部的截面电子显微镜照片。
[0037] 图2是实施例的活塞的表面改性层部分的截面电子显微镜照片。
[0038] 图3是表示实施例的成分分析结果（包含氧浓度）的图，㈧表示图2中的"分析 1"部分的分析结果，（B)表示图2中的"分析2"部分的分析结果。
[0039] 图4是表示图2的电子显微镜照片中的晶间氧化物的分布的模式图。
[0040] 图5是在350°C加热100小时后的实施例的活塞的表面部的截面电子显微镜照片。
[0041] 图6是表示实施例和比较例5的活塞在加热（350°C X 100小时）前后的硬度变化 的状态的图。