用于制造用于直喷式发动机的活塞的方法与流程

本发明涉及一种用于制造用于直喷式发动机的活塞的方法。

背景技术：

已经得知一种方法，其中对由铝合金制成的活塞的顶面进行阳极氧化处理以形成阳极氧化物覆层，并且对由此形成的阳极氧化物覆层的表面进行密封处理。例如，在日本特开专利No.2012-72745中，公开了一种用于制造活塞的方法，其包括通过对由铝合金制成的活塞的顶面进行阳极氧化处理来形成多孔层的步骤和通过将Y₂O₃稳定的ZrO₂粉末等离子地喷射到多孔层上来形成覆盖多孔层的表面的包覆层的步骤。与普通的阳极氧化物覆层相似，多孔层具有在阳极氧化处理的过程中形成的大量细孔，并且与常规的基于陶瓷的隔热覆层相比具有更低的热传导率和更低的单位体积热容量。此外，包覆层形成为阻塞多孔层的细孔的开口，并且Y₂O₃稳定的ZrO₂具有比铝合金低的热传导率。因此，根据由包覆层和多孔层构成的隔热覆层，能实现低的热传导率和低的单位体积热容量。

此外，在日本特开专利No.2010-249008中，公开了一种通过将有机硅溶液涂布到形成在活塞的顶面上的阳极氧化物覆层的最外侧表面上并执行热处理而在活塞的顶面上形成氧化硅覆层的技术。与上述包覆层相似，阳极氧化物覆层中的细孔的开口能由氧化硅覆层阻塞。通过这种由氧化硅覆层和阳极氧化物覆层构成的隔热覆层也能实现低的热传导率和低的单位体积热容量。

引用清单

专利文献

专利文献1：日本特开专利No.2012-72745

专利文献2：日本特开专利No.2010-249008

技术实现要素：

技术问题

一般用在活塞中的铝合金包含用于提高其机械特性的添加剂。然而，存在这样的问题，即此类添加剂(主要为硅)抑制阳极氧化物覆层的形成，并且导致在所形成的阳极氧化物覆层的表面上产生微细的凹凸。如果阳极氧化物覆层的表面上产生凹凸，则传热面积增大并且因此借助于阳极氧化物覆层提高隔热特性的效果受到损失。此外，如果阳极氧化物覆层的表面上产生凹凸，则通过燃料的燃烧生成的火焰的流动性(火焰的生长速度)下降并且燃烧效率恶化。在这方面，根据诸如包覆层或氧化硅覆层的上述密封覆层，由于密封覆层能覆盖阳极氧化物覆层的表面上的凹凸并且使隔热覆层的表面平滑化，所以与仅由阳极氧化物覆层构成的隔热覆层相比存在能抑制火焰的流动性下降的优点。

然而，发明人发现，当具有形成在其顶面上的上述类型的密封覆层的活塞应用于柴油发动机或某些类型的汽油发动机时会产生以下问题。即，在将燃料直接喷射到呈凹状形成在活塞的顶面中的空腔部内的直喷式发动机中，由于将燃料以高压喷射到空腔部中而产生火焰。因此，存在形成在空腔部中的密封覆层易于由以高压喷射的燃料的穿透力局部地损伤的问题。如果密封覆层局部地损伤，则这种损伤很可能会影响所产生的火焰的流动性。此外，如果损伤继续发展并且密封覆层的断片从空腔部剥离，则存在气缸孔将被所剥离的断片损伤或者所剥离的断片将咬入活塞环槽中并且导致发动机性能下降的风险。

已考虑上述问题而做出本发明。即，本发明的一个目的在于，在用于直喷式发动机的具有形成在其顶面上的密封覆层的活塞中抑制所喷射的燃料对密封覆层造成的损伤的发生。

问题的解决方案

第一发明是一种用于制造用于直喷式发动机的活塞的方法，所述直喷式发动机将燃料直接喷射到呈凹状形成在活塞顶面中的空腔部中，所述方法包括：

准备活塞的活塞准备步骤，所述活塞具有所述空腔部并且由具有小于99.0％的铝纯度的铝合金制成；

在所述空腔部的表面的全部区域上形成铝覆层的铝覆层形成步骤，所述铝覆层具有99.0％以上的铝纯度；

在形成所述铝覆层之后通过对所述活塞顶面进行阳极氧化处理而在所述活塞顶面的全部区域上形成具有细孔的阳极氧化物覆层的阳极氧化物覆层形成步骤；和

在形成所述阳极氧化物覆层之后在所述活塞顶面的相对于所述空腔部的外侧形成密封所述阳极氧化物覆层的细孔的密封覆层的密封覆层形成步骤。

第二发明是根据第一发明的用于制造用于直喷式发动机的活塞的方法，其中：

所述铝覆层形成步骤是以预定厚度形成所述铝覆层的步骤，并且

所述阳极氧化物覆层形成步骤是在使得相对于以所述预定厚度形成的所述铝覆层位于内侧的铝合金未被阳极氧化的条件下对所述活塞顶面进行阳极氧化处理的步骤。

第三发明是根据第一或第二发明的用于制造用于直喷式发动机的活塞的方法，其中：

所述铝覆层形成步骤是以预定厚度形成所述铝覆层的步骤；

所述方法还在所述活塞准备步骤和所述铝覆层形成步骤之间包括以与所述预定厚度对应的量向内研磨所述空腔部的表面的研磨步骤。

第四发明是根据第一至第三发明中任一项的用于制造用于直喷式发动机的活塞的方法，其中所述直喷式发动机是柴油发动机。

本发明的有利效果

根据第一发明，在由具有小于99.0％的铝纯度的铝合金制成的活塞的空腔部的表面的全部区域上形成具有99.0％以上的铝纯度的铝覆层之后，能在活塞的顶面的全部区域上形成具有细孔的阳极氧化物覆层，并且此后能形成密封相对于空腔部位于外侧的阳极氧化物覆层的细孔的密封覆层。因此，能在空腔部的内侧形成由铝覆层得到的阳极氧化物覆层，并且能在空腔部的外侧形成由从铝合金得到的阳极氧化物覆层和密封覆层构成的隔热覆层。由于铝覆层几乎不包含添加剂，所以能抑制在由铝覆层得到的阳极氧化物覆层的表面上产生微细的凹凸。因此，即使不在由铝覆层得到的阳极氧化物覆层的表面上形成密封覆层，也能抑制火焰的流动性的下降。此外，由于不必在由铝覆层得到的阳极氧化物覆层的表面上形成密封覆层，所以能根本上解决形成在空腔部中的密封覆层由所喷射的燃料的穿透力损伤的问题。

在相对于铝覆层位于内侧的铝合金被阳极氧化的情况下，在由位于内侧的铝合金得到的阳极氧化物覆层的表面上会产生微细的凹凸，并且因此存在由铝合金得到的阳极氧化物覆层的表面变得粗糙的问题。就此而言，根据第二发明，活塞的顶面能在使得相对于以预定厚度形成的铝覆层位于内侧的铝合金未被阳极氧化的条件下进行阳极氧化处理。即，可以仅阳极氧化铝覆层，并且能可靠地使由铝覆层得到的阳极氧化物覆层的表面平滑化。

根据第三发明，能在活塞准备步骤和铝覆层形成步骤之间以与所述预定厚度对应的量向内研磨空腔部的表面。因此，能抑制在铝覆层形成之后在空腔部的内外产生高度差。

一般而言，由于燃料的喷射压力在柴油发动机中比在汽油发动机中高，所以形成在柴油发动机的活塞中的空腔部中的密封覆层容易受到损伤。就此而言，根据第四发明，即使在将本发明应用于柴油发动机的情况下，也能抑制形成在空腔部中的密封覆层的损伤。

附图说明

[图1]图1是用于说明用于制造用于直喷式发动机的活塞的方法的实施方式的流程图。

[图2]图2是用于柴油发动机的活塞10的透视图。

[图3]图3是用于说明挤压部26处的阳极氧化处理的视图。

[图4]图4是用于说明空腔部20处的阳极氧化处理的视图。

[图5]图5是用于说明实施方式中的空腔部20处的阳极氧化处理的视图。

[图6]图6是用于说明与图5的阳极氧化处理比较的空腔部20处的阳极氧化处理的视图。

[图7]图7是在密封处理之后挤压部26附近的示意性剖视图。

[图8]图8是在密封处理之后空腔部20附近的示意性剖视图。

[图9]图9是用于说明实施方式的变型的视图。

[图10]图10是其中装设了通过图1所示的操作流程制造的活塞的直喷式发动机的示意性剖视图。

具体实施方式

以下将参照图1至图10说明用于制造用于直喷式发动机的活塞的方法的实施方式。注意，在各图中，相同或对应的部分由相同的附图标记表示，并且简化或省略了这些部分的说明。

[用于制造活塞的方法]图1是用于说明用于制造用于直喷式发动机的活塞的方法的实施方式的流程图。在本实施方式中，首先，准备用于柴油发动机的活塞作为用于直喷式发动机的活塞(步骤S1)。图2是用于柴油发动机的活塞10的透视图。与普通的发动机活塞相似，活塞10是通过对铝合金进行铸造而形成的。如图2所示，活塞10由具有与气缸体(未示出)内表面滑动接触的侧面的圆筒形的裙部12、形成在裙部12的上端部处的具有预定壁厚的头部14、和支承活塞销(未示出)的销凸台部16。

在头部14的侧面上形成有三个活塞环槽18。在头部14的上表面(以下也被称为“活塞顶面”)的中央设置有呈凹状的空腔部20。空腔部20由形成为与从空腔部20的开口边缘20a与头部14的内部对向的侧壁部22和形成为从侧壁部22的最深部位向上立起的锥台形的脊部24构成。在空腔部20的外侧形成有高度与头部14的外缘14a相同的挤压部26。在挤压部26的表面(以下也被称为“挤压面”)中按需设置有用于防止与进气门和排气门接触的凹槽。

现在将再次参照图1说明用于制造活塞的方法。在于步骤S1中准备活塞10之后，研磨空腔部20的表面(以下也被称为“空腔面”)的全部区域(步骤S2)。以此方式研磨空腔面使得空腔面向活塞10的内侧后退。为了抑制研磨面(是指研磨之后的空腔面；下同)与挤压面之间产生高度差，优选仅以这样的程度执行空腔面的研磨，即以与要在研磨面上形成的高纯度铝覆层的覆层厚度T_Al(稍后在步骤S4中详细说明)对应的量研磨该面。

在步骤S2之后，执行挤压面的掩蔽(步骤S3)。掩蔽技术不受特别限制，并且例如可将掩蔽带附着在挤压面上，或可将形成为与活塞10的形状贴合的掩蔽部件推靠在挤压面上。

在步骤S3之后，在空腔面上形成高纯度铝覆层(步骤S4)。高纯度铝覆层可通过电镀法、蒸发法、热喷涂法或冷喷涂法形成，并且优选通过其中难以发生诸如氧化铝的杂质的介入的电镀法或蒸发法来形成高纯度铝覆层。通过步骤S4中的处理形成的高纯度铝覆层的铝纯度在99.0％以上，并且优选在99.5％以上。此外，优选使高纯度铝覆层的覆层厚度T_Al为要在空腔面上形成的阳极氧化物覆层(稍后详述)的目标覆层厚度T_目标的一半以上，并且更优选使覆层厚度T_Al等于目标覆层厚度T_目标的一半厚度。

在步骤S4之后，对活塞顶面的全部区域进行阳极氧化处理(步骤S5)。更具体地，首先，从挤压面去除掩蔽物并且将活塞10设置在电解装置中。电解装置包括内部含有电解液的电解槽、阴极和电源(图中皆未示出)。接下来，将阴极和作为阳极的活塞10配置在电解液中，并且通过在两极之间通电而形成阳极氧化物覆层。

现在将参照图3和图4说明步骤S5中的阳极氧化处理的细节。图3是用于说明挤压部26处的阳极氧化处理的视图，并且示出了挤压部26附近的截面。图4是用于说明空腔部20处的阳极氧化处理的视图，并且示出了空腔部20附近的截面。

如图3所示，在挤压部26处，铝合金从挤压面朝其内部被氧化，并且防蚀铝/电化铝覆层(即，阳极氧化物覆层)28在垂直于挤压面的方向上生长。防蚀铝覆层28包括从其表面朝内部形成的数nm至数十nm的细孔(纳米孔)28a和形成在防蚀铝覆层28内部的数十mm的细孔(微孔)28b。微孔28b源自作为活塞母材的铝合金(更具体地，诸如根据JIS H5202(2010)的AC8A或AC8B的铝合金)中的添加剂(主要是硅)。微孔28b的形成提高了防蚀铝覆层28的孔隙率并且能进一步降低热传导率和热容量。防蚀铝覆层28的孔隙率(＝纳米孔28a和微孔28b的总体积×100/防蚀铝覆层28的体积)由于纳米孔28a和微孔28b的形成而变成20％以上。然而，防蚀铝覆层28的表面中在形成微孔28b时产生凹部28c，并且防蚀铝覆层28的表面粗糙度Ra(指按照JIS B601(2001)的算术平均粗糙度)变成3mm以上(平均4至5mm)。

另一方面，在空腔部20中，如图4所示，高纯度铝覆层从表面朝其内侧被氧化。然而，位于高纯度铝覆层的内侧的铝合金未被氧化。因此，仅具有纳米孔30a的防蚀铝覆层30在与空腔面垂直的方向上生长。防蚀铝覆层30的表面粗糙度Ra在3mm以下。此外，防蚀铝覆层30的孔隙率(＝纳米孔30a的总体积×100/防蚀铝覆层30的体积)由于纳米孔30a的形成而变成20％以下。

优选地，步骤S5中的阳极氧化处理在使得位于高纯度铝覆层的内侧的铝合金未被氧化的条件下进行。从经验知识得知防蚀铝覆层的覆层厚度与电流密度和电解时间成比例。在步骤S5中，使用包含20％硫酸的电解液，并且在将活塞温度(或电解液温度)维持在10±5℃的同时以51.6A/cm²的电流密度执行恒定电流电解45分钟。通过这种手段，仅高纯度铝覆层被氧化而不会使位于高纯度铝覆层的内侧的铝合金氧化，并且形成具有与目标覆层厚度T_目标大致相等的覆层厚度的防蚀铝覆层。

在本实施方式中，通过使在步骤S4中形成的高纯度铝覆层的覆层厚度T_Al在目标覆层厚度T_目标的一半以上并且还在步骤S5中在上述条件下进行阳极氧化处理，可以仅将高纯度铝覆层变换为防蚀铝覆层30(图5)。例如，如果使覆层厚度T_Al小于目标覆层厚度T_目标的一半，则在步骤S5中在上述条件下进行的阳极氧化处理将使位于高纯度铝覆层的内侧的铝合金被氧化并且将形成与图3所示的微孔相似的微孔30b且防蚀铝覆层30的表面中将产生凹部30c(图6)。

因此，优选而言，在考虑了在步骤S4中形成的高纯度铝覆层的覆层厚度T_Al之后，步骤S5中的阳极氧化处理在使得位于高纯度铝覆层的内侧的铝合金不露出的条件(电解液成分、活塞温度、电流密度和电解时间)下进行。

现在将再次参照图1继续说明用于制造活塞的方法。在于步骤S5中执行阳极氧化处理之后，掩蔽空腔面(步骤S6)。掩蔽技术不受特别限制，并且例如可将掩蔽带附着在空腔面上，或可将形成为与活塞10的形状贴合的掩蔽部件推靠在空腔面上。

在步骤S6之后，对挤压面进行密封处理(步骤S7)。更具体地，首先，将密封剂涂覆在挤压面上。使用在主链骨架中包含硅的硅基聚合物溶液(更具体地，包含聚硅氮烷或聚硅氧烷的聚合物溶液)作为密封剂。聚合物溶液可按需包含添加剂。用于涂覆密封剂的方法不受特别限制，并且可提出喷涂法、刮涂法、旋涂法和刷涂法作为其例子。在涂覆密封剂之后，干燥和烘焙密封剂以形成密封覆层。按照密封剂的涂覆厚度适当调节干燥和烘焙密封剂的条件(温度、时间等)。

图7是在密封处理之后挤压部26附近的示意性剖视图，并且对应于图3中的示意性剖视图。如图7所示，在防蚀铝覆层28的表面上形成有密封覆层32。通过形成密封覆层32，防蚀铝覆层28的表面中的凹部28c能由密封覆层32覆盖，并且能将由防蚀铝覆层28和密封覆层32构成的隔热覆层34的表面粗糙度Ra平滑化至3mm以下的表面粗糙度Ra。此外，通过形成密封覆层32，能抑制燃料或气体经由纳米孔28a进入微孔28b中。

图8是在密封处理之后空腔部20附近的示意性剖视图，并且对应于图4中的示意性剖视图。如图8所示，在防蚀铝覆层30上未形成密封覆层。然而，由于防蚀铝覆层30是通过对高纯度铝覆层进行阳极氧化处理而获得的，所以由防蚀铝覆层30构成的隔热覆层36的表面粗糙度Ra在3mm以下，并且甚至在不形成密封覆层的情况下也充分平滑化。

在已形成密封覆层32之后，在从空腔面去除掩蔽物之后按需抛光活塞顶面的全部区域。在抛光活塞顶面之前，优选将开口边缘20a研磨成使得挤压面和空腔面相对于彼此连续。因而，通过执行上述步骤，制造出了本实施方式的用于柴油发动机的活塞。

注意，在上述实施方式中，步骤S1对应于上述第一发明中的“活塞准备步骤”，步骤S3和S4对应于第一发明中的“铝覆层形成步骤”，步骤S5对应于第一发明中的“阳极氧化物覆层形成步骤”，并且步骤S6和S7对应于第一发明中的“密封覆层形成步骤”。此外，步骤S2对应于上述第三发明中的“研磨步骤”。

就此而言，在上述实施方式中，在于图1中的步骤S2中研磨空腔面的全部区域之后，在步骤S3中掩蔽挤压面，并且在步骤S4中在空腔面上形成高纯度铝覆层。然而，如图9所示，在步骤S2之后和步骤S3之前，可对研磨面进行喷丸处理以提高研磨面和高纯度铝覆层之间的附着性(步骤S2’)。

[活塞的构型]图10是其中装设了通过图1所示的操作流程制造的活塞的直喷式发动机的示意性剖视图。图10对应于图2中的截面A-A。在图10中，活塞10位于压缩上死点。如图10所示，隔热覆层34形成在挤压部26的表面上，并且隔热覆层36形成在空腔部20的表面上。

自然地，隔热覆层34和36均具有比铝合金低的热传导率和单位体积热容量。隔热覆层34和36也具有比常规的基于陶瓷的隔热覆层低的热传导率和单位体积热容量。根据隔热覆层34和36，代替如基于陶瓷的隔热覆层的情况下那样将形成有覆层的表面恒定地维持在高温，可以使形成有覆层的表面的温度与在发动机的循环期间变动的气体温度一致。即，能使形成有覆层的表面的温度在从进气冲程到压缩冲程的时段(二循环发动机的情况下的上升冲程)期间是低温，而在从膨胀冲程到排气冲程的时段(二循环发动机的情况下的下降冲程)期间是高温。因此，通过将其上形成有隔热覆层34和36的活塞应用于直喷式发动机，由于不仅能提高发动机的热效率，而且能提高其进气效率，所以能获得改善燃料消耗并降低NOx排放量的有利效果。

此外，燃料从图10所示的喷射器38的高压喷射在压缩上死点之前执行。由于喷射孔设置在喷射器38的末端中，所以在高压下从喷射孔喷射的燃料沿如图10所示的喷射孔的轴线朝侧壁部22喷射，燃料在压缩上死点附近撞击侧壁部22并自行着火，并且因此产生火焰。图10所示的虚线箭头表示所产生的火焰生长的方向。即，火焰沿侧壁部22的表面流动并且朝脊部24的中心方向生长。

如上文参照图8所述，隔热覆层36的表面被平滑化。因此，当火焰如图10所示生长时，能抑制由于隔热覆层36而引起的火焰的流动性的下降。此外，隔热覆层36由防蚀铝覆层30构成，并且不包含密封覆层。因此，不会发生形成在空腔面上的密封覆层由本来从喷射器38以高压喷射的燃料的穿透力损伤的问题。因而，通过图1所示的操作流程制造的活塞能使得最大限度地发挥通过隔热覆层36产生的隔热效果。

附图标记列表

10 活塞

14 头部

14a 外缘

20 空腔部

20a 开口边缘

22 侧壁部

24 脊部

26 挤压部

28、30 防蚀铝覆层

28a、30a 纳米孔

28b、30b 微孔

28c、30c 凹部

32 密封覆层

34、36 隔热覆层

38 喷射器