发动机用活塞的制造方法与流程

本发明涉及发动机用活塞的制造方法。

背景技术：

以往，在像发动机部件那样暴露在高温气体中的金属制品中，为了抑制来自于高温气体的热传递，即冷却损失，而在其金属制母材的表面形成绝热层。作为一个示例，已知有在划分出发动机燃烧室的活塞主体的顶面，形成由氧化锆等无机氧化物或含有中空粒子的有机类材料构成的绝热层。

可是，有时会在划分出燃烧室的活塞主体的顶面与汽缸盖的下表面之间的间隙部内形成挤流区域。如果在这样的活塞主体顶面中形成挤流区域的面（挤流区域面）上设置绝热层，则该绝热层的温度会变得高温，进而挤流区域面本身会变得高温。因此，在燃烧工序中，高温高圧的端部气体（end gas）（处于远离火花塞的地方的未燃烧的混合气）流入挤流区域时，高温的挤流区域面使得从端部气体向挤流区域面的散热受到阻碍，可能发生爆震（knocking）。而且，形成于挤流区域面的绝热层产生裂缝，造成绝热层的损伤和剥离，绝热性能丧失。

因此，也有记载活塞主体顶面中的挤流区域面上没有形成绝热层，仅在除此以外的部分形成绝热层的内燃机的文献（例如参照专利文献1）。

根据专利文献1的内燃机，挤流区域面上未形成绝热层，因此可以促进端部气体向挤流区域面的散热，抑制爆震的发生。

现有技术文献：

专利文献：

专利文献1：日本特开2011-169232号公报。

技术实现要素：

发明要解决的问题：

然而，在专利文献1的结构中，虽然能够抑制挤流区域的爆震发生，但从降低冷却损失的观点出发，理想的是在将挤流区域面也包括在内的活塞主体的整个顶面形成绝热层。

因此，本发明的目的是在挤流区域面上形成绝热层，同时防止因爆震的发生而导致该绝热层产生较大的裂缝，抑制绝热层的损伤和剥离。

解决问题的手段：

为了达成上述目的，本发明中，对设置于活塞主体的顶面上的绝热层进行加压，预先施加加压应力。

即，这里公开的发动机用活塞的制造方法是活塞主体的顶面上设置有绝热层的发动机用活塞的制造方法，所述绝热层是包括众多中空粒子、以及在将该中空粒子保持于所述活塞主体的顶面的同时填满所述中空粒子间从而形成所述绝热层的母材的粘合剂的层，具备：在所述活塞主体的顶面上配置包括所述中空粒子和所述粘合剂的绝热材料从而形成所述绝热层的绝热层形成工序；以及，对所述绝热层进行加压的加压工序。

根据本发明，通过预先对设置于活塞主体的顶面上的绝热层施加加压应力，以此提高该绝热层对拉伸应力的耐受性，发生爆震时，能够抑制绝热层的裂缝的产生。

在优选形态中，所述活塞主体的顶面具备形成挤流区域的挤流区域面，在所述加压工序中，所述加压仅对配置于所述挤流区域面上的绝热层进行。挤流区域容易发生爆震，形成于挤流区域面上的绝热层容易产生裂缝。根据本结构，能够有效地抑制形成于挤流区域面上的绝热层的裂缝的产生。

在优选形态中，所述挤流区域为平面。由此，能够容易地进行加压。

在优选形态中，在所述加压工序中，与所述加压同时地进行所述绝热层的烧成。由此，绝热层的强度提高，并能够有效地抑制裂缝的产生。

在优选形态中，所述粘合剂为硅类树脂，通过所述烧成使所述绝热层的表面至少一部分的所述硅类树脂氧化。由此，绝热层的强度提高，并能够有效地抑制裂缝的产。

在优选形态中，在所述加压工序中，与所述烧成同时地进行所述活塞主体的冷却。由此，通过在绝热层的加压以及烧成时冷却活塞主体，以此能够提高绝热层与活塞主体的顶面之间的密接性。

发明效果：

如上所述，根据本发明，通过预先对设置于挤流区域面上的绝热层施加加压应力，以此提高该绝热层对拉伸应力的耐受性，挤流区域发生爆震时，能够抑制挤流区域面的绝热层的裂缝的产生。

附图说明

图1是模式化示出具备通过本发明的一实施形态的方法制造的活塞的发动机的剖视图；

图2是示出图1实施形态的活塞的冠面的俯视图；

图3是图2的活塞的纵向剖视图；

图4是图3的绝热层的放大剖视图；

图5是示出根据图1实施形态的活塞的制造装置的图；

图6是示出使用图5的装置进行绝热层的加压的状态的图；

图7是示出根据本发明其他实施形态的活塞的制造装置的图；

图8是示出使用图7的装置进行绝热层的加压的状态的图。

具体实施方式

以下，基于附图详细说明本发明的实施形态。以下优选实施形态的说明实质上仅是例示，并非旨在限定本发明、其适用物或其用途。

（第一实施形态）

＜发动机的结构＞

图1所示的直喷式发动机E具备：活塞1、汽缸体2、汽缸盖3、将汽缸盖3的进气道5进行开闭的进气门4，将排气道7进行开闭的排气门6、喷射器8、火花塞9。活塞1在汽缸体2的汽缸内径（cylinder bore）内进行往复运动。

发动机的燃烧室由活塞1的冠面10、汽缸体2、汽缸盖3、进排气门4、6的伞部前表面（面对燃烧室的面）形成。如图1、图2所示，活塞1的冠面10的大致中央部设置有形成燃烧室的腔的凹陷状的腔部11。又，冠面10的外缘侧存在挤流区域部12，挤流区域部12在远离燃烧室的腔的外缘侧形成挤流区域。在根据本实施形态的活塞1的冠面10中，挤流区域部12由挤流区域部12a、12b、12c、12d构成。

＜绝热层＞

如图3所示，活塞1具备作为该活塞1的基材的活塞主体19、以及从降低发动机E的燃烧室的冷却损失的观点出发设置于活塞主体19的顶面的绝热层21。

活塞主体19是实施T7处理或T6处理后得到的铝合金制成的。活塞主体19的顶面具备构成上述腔部11的腔面11’、和构成上述挤流区域部12的挤流区域面12’。

如图4所示，绝热层21是包括中空粒子31和粘合剂材料（粘合剂；binder）32的层。

即，绝热层21包括粘合剂材料32以及分散于其中的众多中空粒子31。粘合剂材料32将中空粒子31保持在活塞主体19的顶面，同时填满中空粒子31间从而形成绝热层21的母材。粘合剂材料32例如是硅类树脂等低导热性材料，同时中空粒子31的内部空间内含有导热性较低的空气。因此，绝热层21为低导热性的层。

作为中空粒子31，优选采用含有二氧化硅中空球（silicaballoon)、玻璃中空球、白砂中空球、粉煤灰中空球、气凝胶中空球等Si系氧化物成分（例如二氧化硅（SiO₂））或Al系氧化物成分（例如氧化铝（Al₂O₃））的陶瓷类中空粒子，尤其优选采用玻璃中空球。由此，能够降低绝热层21的导热性，同时还能提高其强度。

另外，中空粒子31优选为球状。从改善绝热层21的绝热性的观点出发，中空粒子31的平均粒径优选5μm以上50μm以下，更优选10μm以上45μm以下，尤其优选15μm以上40μm以下。从改善绝热层21的绝热性的观点出发，绝热层21中的中空粒子31的含量优选5质量%以上50质量%以下，更优选10质量%以上45质量%以下，尤其优选15质量%以上40质量%以下。

粘合剂材料32可以使用作为低导热性材料的硅类树脂，例如，可优选使用由以甲基硅树脂、甲基苯基硅树脂为代表的支化度较高的三维聚合物构成的硅类树脂。作为硅类树脂的具体例子，例如可以举出聚烷基苯基硅氧烷。由此，能够降低绝热层21的导热性，同时能够获得活塞主体19的顶面与绝热层21之间的优异的密接性。

另外，从获得优异的绝热性能的观点出发，绝热层21的厚度优选为50μm以上150μm以下，更优选60μm以上120μm以下，尤其优选60μm以上100μm以下。

又，绝热层21的厚度可以形成为厚度根据活塞主体19的顶面上的位置而不同的结构。例如，设置于挤流区域面12’上的绝热层21的厚度可以是设置于腔面11’上的绝热层21的大约一半以下。该情况下，设置于腔面11’上的绝热层的厚度优选为上述范围，另一方面，设置于挤流区域面12’上的绝热层优选为15μm以上150μm以下，更优选25μm以上120μm以下，尤其优选30μm以上100μm以下。由此，即使是爆震的发生导致挤流区域面12’上的绝热层21产生裂缝时，也能够有效地抑制其裂缝的行进。

＜绝热层的形成方法＞

准备活塞主体19和用于形成绝热层21的绝热材料。

关于活塞主体19，在其顶面形成用于形成腔的凹部，并通过脱脂处理除去附着在活塞主体19的顶面上的油脂或指纹等污垢。

又，准备将作为粘合剂材料32的液态硅树脂和作为中空粒子31的玻璃中空球进行搅拌和混合后得到的绝热材料。根据需要添加增稠剂或稀释溶剂来调节绝热材料的粘度。

为了提高活塞主体19与绝热材料，尤其是与硅树脂之间的粘着力，优选对活塞主体19的顶面实施粗化处理。作为粗化处理，例如优选进行喷砂等喷磨处理。例如，喷磨处理可以在使用鼓风装置，用粒度#30的氧化铝作为磨料，圧力0.39MPa，时间45秒，距離100mm的处理条件下进行。另外，不限于此，在活塞主体19由Al合金构成的情况下，亦可通过氧化铝膜处理在活塞主体19的顶面形成微小凹凸。例如，氧化铝膜处理可以在使用草酸浴，浴温20℃，电流密度2A／dm2，时间20分钟的处理条件下进行。

然后，用喷雾器或毛刷等将绝热材料涂覆在活塞主体19的顶面上，形成绝热层21（绝热层形成工序）。接着，通过热风干燥、红外线加热等进行所形成的绝热层21的预干燥。

而且，根据需要，重复该涂布和预干燥（重复涂覆），制成期望的涂布厚度。

接着，将加压模具推向上述绝热层21中配置于挤流区域面上的绝热层21b（加压工序）。

图5示出用于对上述绝热层21b进行加压的加压装置的结构。该加压装置具备：支持活塞主体19的支持台41、构成作为位置检测单元的透射激光传感器的投光器43a和光接收器43b、以及加压模具45。

支持台41具备嵌合于活塞裙部的插口部的嵌合部41a，无摇动地支持活塞主体19。激光传感器是检测支持于支持台41的活塞主体19的活塞销座的中心位置（活塞销孔的中心轴线L的位置）L的传感器，由投光器43a和光接收器43b构成。

加压模具45在其下表面具有仿照活塞主体19的挤流区域面的加压面45a，安装于支持台41上方的进行升降的滑动器49上。

在形成绝热层21时，如图6所示，将活塞主体19的插口部嵌合于支持台41的嵌合部41a从而将活塞主体19支持于支持台41。通过激光传感器43a、43b检测活塞主体19的活塞销座的中心位置L，并将其位置信息输入滑动器49的驱动控制部。

基于上述位置信息，设定加压模具45的下降行程。而且，通过滑动器49使加压模具45下降上述设定行程。然后，加压面45a被推向设置于活塞主体19的挤流区域面上的绝热层21b上。这时，从提高绝热层21b的强度、有效抑制裂缝的产生的观点出发，加压压力优选为0.1MPa以上2MPa以下，更优选0.5MPa以上1.5MPa以下，尤其优选0.8MPa以上1.2MPa以下。

进行上述加压处理之后，对设置于活塞主体19的顶面上的绝热层2整体进行例如在180℃左右的温度下几小时至几十小时的加热处理。由此，硅树脂（粘合剂）硬化，从而众多中空粒子31被紧密填充，获得这些粒子间由粘合剂材料32填满的绝热层21。

如上所述，根据本实施形态的活塞1的制造方法中，对设置于活塞主体19的挤流区域面12’上的绝热层21b按压加压模具并进行加压处理，预先施加加压应力。

根据本结构，通过预先对设置于挤流区域面上的绝热层21b施加加压应力，以此提高该绝热层21b对拉伸应力的耐受性，挤流区域发生爆震时，能够抑制挤流区域面12’的绝热层21b的裂缝的产生。

另外，从加压工序中容易进行加压的观点出发，优选活塞主体19的顶面中挤流区域面12’为平面。

（其他实施形态）

以下，说明根据本发明的其他实施形态。另外，在这些实施形态的说明中，与第一实施形态相同的部分标以相同符号并省略详细的说明。

图7和图8是说明活塞的制造方法的其他实施形态的附图。

如图7所示，加压模具45以不仅对设置于活塞主体19的挤流区域面12’上的绝热层21b，还能够对除此以外的绝热层21a进行加压的形式，在整个绝热层21范围内具备加压面45a。

根据本结构，能够对整个绝热层21进行加压处理，因此绝热层21整体的拉伸应力变强，能够更有效地抑制裂缝的产生。

又，在使用这样的加压模具45的情况下，预先形成绝热层21，代替地，亦可形成为将绝热材料供给至活塞主体19的顶面上，通过加压模具45将该绝热材料按压展开于顶面上，并用相同的装置进行绝热层21的成形的结构。该情况下，通过在进行成形之后继续进行加压来达成加压处理。由此，可以简化活塞1的制造工序。

又，在其他实施形态中，亦可形成为在由加压模具45进行的加压处理的同时或之后继续加热加压模具45，进行绝热层21的烧成的结构。由此，可以简化活塞1的制造工序。

又，通过烧成，使上述绝热层21的表面的至少一部分的硅树脂氧化。由此，绝热层21的强度提高，能够有效地抑制裂缝的产生。

另外，在由加压模具45的加热进行的烧成中，在绝热层21中，热从与加压模具45接触的表面侧进行传递，因此从绝热层21的表面侧到活塞主体19的顶面侧形成温度梯度。因此，通过调节加压模具45的温度，以此使绝热层21的表面的至少一部分的上述硅树脂氧化从而提高绝热层21的强度，同时绝热层21内部保持硅树脂的样子从而能够保持与活塞主体19的顶面之间的密接性。

如此，在通过加压模具45进行绝热层21的烧成的情况下，可以将活塞主体19形成为例如通过从活塞裙部内侧进行水冷或空冷等方法来进行冷却的结构。由此，绝热层21中产生的上述温度梯度变大，即能够有效地抑制绝热层21内部的硅树脂的温度上升，因此能够提高绝热层21与活塞主体19的顶面之间的密接性。

工业应用性：

本发明中，在活塞主体顶面的挤流区域面形成绝热层，同时能够防止该绝热层上产生较大裂缝，能够抑制绝热层的损伤和剥离，因此极为有用。

符号说明：

1 活塞；

11’ 腔面；

12’ 挤流区域面；

19 活塞主体；

21、21a、21b 绝热层；

31 中空粒子；

32 粘合剂材料（粘合剂）；

45 加压模具；

E 发动机。