内燃机的活塞及其制造方法

专利名称：内燃机的活塞及其制造方法
技术领域：
本发明涉及内燃机的活塞，特别是可防止在活塞工作中活塞销座部分附近的热变形的活塞及其制造方法。
不管是二冲程循环或四冲程循环的内燃机的活塞都在高温下在汽缸内进行滑动。为了改善其滑动性，必须提高活塞环槽的耐磨性，为此已提出至少在包括第一道气环槽的外部的外周面上进行阳极氧化，并在其上涂覆或浸渗合成树脂和润滑剂的方法(特愿昭63-170546号)。另外，也知道为了提高活塞头顶部对热应力、机械应力的耐久性，施行阳极氧化处理，这些方法达到大致的效果。
通常，活塞在汽缸内的上下滑动传递给与插入设置在活塞上的活塞销座中的活塞销连接的连杆，该连杆的滑动传递给曲轴，而转换成轴的旋转运动。在此活塞销座作为活塞销的轴承而起作用，但在活塞销与活塞销座间有小的间隙(游隙)，活塞销在活塞销座中进行某些移动。这种移动若是平滑的，则圆滑地传递活塞的滑动，发动机的转动也是平滑的。但是，若活塞销座发生热变形，则出现活塞销的移动不圆滑的问题。
近年来，从地球环境保护的观点来看，要求降低排出气体中的CO、HC、NOx浓度。为了满足这个要求，必需增大稀薄燃烧比(空燃比)，即空气的重量(A)与燃料的重量(F)的比(A/F)，若该比增大，则燃烧温度极度上升。随着燃烧温度的上升，活塞头顶部产生高温，此高温传递给活塞销座，引起活塞销座的热变形。由于该活塞销座发生热变形，在活塞销座内的活塞销的转动变得不规则，由于这种原因，导致活塞在汽缸内的滑动异常，出现发生卡住等的问题。即，在象以往那样空燃比不太大的使用条件下，排出气体中的CO、HC、NOx浓度高，活塞销的移动是平滑的，也不易发生汽缸与活塞的卡住等，但是若为了降低CO、HC、NOx浓度而提高空燃比，则燃烧温度上升，使活塞头顶部处于高温，通过其热传递活塞销座也变成高温。
本发明人已发现，这种活塞销座的高温化引起活塞销座的不均匀热变形。伴随这种热变形，活塞销的自由移动受到阻碍，进而活塞与汽缸的圆滑的滑动受到阻碍，这种情况，例如产生汽缸壁与活塞的卡住和发热胶着，也就成为发动机故障的原因。
一般来说，若是象圆筒形那样的简单形状的部件，因温度上升，内径等均匀减小(缩小)，在此情况下，例如若在允许的内径范围内做得大一些，能够除去热变形的影响。但是，在象活塞那样复杂形状的部件的情况下，实际上产生不均匀的变形，难以预测、推断变形程度，寻求对策是困难的。活塞销座的孔径实际上多是Φ14-16mm，在活塞材料中常用的AC8A的热膨胀系数是约19×10-6(℃-1)。即，即使是数度的温度上升，活塞销座孔径就产生数微米的不规则变形，超过活塞销直径和活塞销座孔径的间隙的允等差，阻碍了活塞销的圆滑移动。例如，在空燃比提高10％时，由于活塞头顶部的温度上升数十度，由此在活塞销座部分产生几度的温升而开始变形。鉴于必须将空燃比提高10％左右的现状，由于高温区的燃烧，不仅活塞销座而且活塞销的直径也膨胀，极端限制活塞销的移动。这种情况也给活塞滑动的圆滑性带来恶劣影响，引起活塞和汽缸内壁间“卡住”和“发热胶着”，不仅扰乱发动机的转动，而且也导致活塞、汽缸、活塞销等的破损。本发明人把握了这一系列情况的因果关系，从而完成了本发明。
这种问题在四冲程循环发动机和二冲程循环发动机中都会发生，但是尤其在二冲程循环发动机中更易发生。
在以往的活塞的头顶部和活塞环槽或活塞裙部等部位，为了提高耐热性和耐磨性，虽然进行硬质氧化铝膜处理，但没有在活塞销座和活塞销孔周边上进行硬质氧化铝膜处理的例子，没有这部分的改良的想法。
因此本发明的目的是解决上述问题，提供具有即使在高温条件下也不易热变形的活塞销座的活塞及这种活塞的制造方法。
本发明提供了一种内燃机活塞，其特征在于在靠近活塞销座部分处形成多孔阳极氧化保护膜，在该多孔保护膜上浸渗润滑性物质。作为上述润滑性物质，钼硫化物或氟系树脂等是理想的。
另外，本发明提供了一种内燃机活塞的制造方法，该方法由下述工序组成在活塞的整个表面上利用一次电解法形成多孔阳极氧化保护膜，接着在该多孔保护膜上或利用二次电解法浸渗钼硫化物，或在上述多孔保护膜上浸渗氟系树脂，然后，利用机械、物理或化学手段磨削至少活塞销座部分附近以外的表面，除去上述多孔保护膜。
另外，本发明还提供了一种内燃机活塞的制造方法，该方法由下述工序组成利用胶带或涂料将活塞销座部分附近以外的表面遮蔽后，通过阳极氧化在活塞销座部分附近表面上形成多孔阳极氧化保护膜，在该多孔保护膜上浸渗由钼硫化物或氟系树脂组成的润滑性物质，然后剥离上述胶带或涂料遮蔽物。
本发明的内燃机活塞由于在活塞销座部分附近设置多孔阳极氧化保护膜，并且在该膜中浸渗润滑剂，所以即使在高空燃比的高温区燃烧，也能够防止活塞销座部分的热变形和热软化等，维持发动机转动时活塞销和活塞销座的圆滑滑动、运动，连续长时间地保持发动机的正常转动。另外，因为在活塞销座部分以外的活塞裙部和头顶部上无氧化保护膜，所以能够防止伴随活塞运动的温度上升。
附图的简要说明

图1是表示本发明活塞的一个例子的正面图(1A)、侧面图(1B)和底面图(1C)。
图2是表示本发明活塞的其他例子的正面图(2A)、侧面图(2B)和底面图(2C)。
图3是表示在试验例2中的台试条件的曲线图。
下面举出具体例子，参照附图详细地说明本发明。
图1是表示本发明活塞的一个例子的图，是四冲程循环发动机用的活塞。在图1中，活塞1制成由大致圆筒状的活塞裙部4和封闭该活塞裙部4的一端的头顶部5构成的大致杯状。在上述活塞裙部4的外周上，从靠近上述头顶部5的方向依次形成第一环嵌入槽2b和油环嵌入槽2a。并且，活塞裙部4在上述油环嵌入槽2a的下方形成相互平行的二个平面，在这二个平面的各自中央部位形成贯通孔。这些贯通孔是相互同轴的，在各贯通孔的周围设置壁面隆起形状的活塞销座3。
这种四冲程循环发动机用的活塞1的材料可以是以往在四冲程循环发动机中使用的材料，但理想的是含大量硅(Si)的金属铸造材料，例如优选叫做AC8A、洛埃克斯硅铝合金的高硅含量的铝合金。这些是含12-23％Si的材料。
图2是表示本发明活塞的其他例子的图，是二种程循环发动机用的活塞。在图2中，活塞1也制成由大致圆筒状的活塞裙部4和封闭该活塞裙部4的一端的头顶部5构成的大致杯状。
在上述活塞裙部4的外周上，从靠近上述头顶部5的方向依次形成第一环嵌入槽2b、第二环嵌入槽2c及油环嵌入槽2a。并且，在活塞裙部4上于上述油环嵌入槽2a的下方制出形成相互同轴的贯通孔的活塞销座3。在二冲程循环发动机的情况下，与四冲程循环发动机相比，因为容易产生由于空燃比增大而引起的燃烧温度的上升，最好设置用于发动机油供给的油孔和靠近活塞销座的活塞裙部的槽等。
这种二冲程循环发动机用的活塞1的材料可以是以往在二冲程循环发动机中使用的材料，但是理想的是含大量硅(Si)的金属铸造材料，例如优选叫做AC9A、AC9B的高硅含量的铝合金。这些是含有19-23％Si的材料。
虽然图中未示出，但是在图1的四冲程循环发动机用活塞和图2的二冲程循环发动机用活塞中的任一场合，在活塞销座3的贯通孔中都插入活塞销，在该活塞销的轴方向的中点附近安装连杆的一端，以使活塞和连杆一起滑动。在此，活塞销座3作为插入的活塞销的轴承而起作用。再有，连杆的另一端与曲轴连接，活塞即连杆的滑动转换成曲轴的旋转运动。
本发明的活塞1的特征是全部由上述那种高硅含量的铝合金构成，而且在其活塞销座3部分附近的表面上还形成多孔氧化保护膜，且在该多孔氧化保护膜中浸渗有润滑剂。这里，所谓的活塞销座部分附近是指至少在活塞销座的孔内侧与插入的活塞销靠近的部分，理想的是活塞销座的孔内侧及其周边的表面。例如在图1和图2所示的例子中，理想的是以完全施加小点的部分作为活塞销座部分附近。
作为浸渗到上述多孔氧化保护膜中的润滑剂，可以举出以往作为润滑剂使用的天然油类、氟系树脂、二元酸酯和聚硅氧烷等合成润滑油、润滑脂、或者硫化钼等钼硫化物等，其中优选钼硫化物或者氟系树脂。
本发明的活塞因为使用高硅含量的铝合金作为其材料，所以重量轻，机械强度高，耐热性也优良。
另外，本发明的活塞在活塞销座部分附近被覆数微米至数十微米厚的硬质氧化保护膜。由于该氧化保护膜的热膨胀系数是铝合金的约1/5，所以至少能够抑制活塞销座部分附近的热变形。例如，在活塞头顶部加热至400℃时，利用该氧化保护膜充分发挥抑制热膨胀的效果。
在本发明活塞的活塞销座部分附近形成的整个硬质多孔氧化保护膜上还存在有钼硫化物等润滑剂。因此，与以往仅涂布润滑剂的情况不同，在磨耗该氧化保护膜至完全消失时，能够维持良好的润滑性和耐磨性。即适合于在诸如发动机那样严重磨耗条件下的用途。
尤其是在使用钼硫化物作为润滑剂时，已知通过浸渗该钼硫化物的活塞销座部分的氧化保护膜与活塞销接触，钢材与硫化物反应，在活塞销的钢材表面上形成铁等钢材的硫化物层，或者钼硫化物自身转移到钢材表面上。因此，保持了活塞销座和活塞销的圆滑的滑动性，防止了因空燃比增大后燃烧温度上升而引起的活塞销座的热变形，防止了由于活塞销座和活塞销之间的间隙变化产生的滑动上的故障。
下面详述本发明的内燃机活塞的制造方法。
在本发明的第一种制造方法中，首先，在以高硅含量的铝合金作为材料的活塞的至少活塞销座部分附近，即活塞销轴承部分和销孔周边部分的表面上，通过阳极氧化处理形成多孔氧化保护膜。具体地说，将活塞的至少活塞销座部分附近浸入由含硫酸、草酸等无机酸或有机酸或者其混合物的溶液组成的电解液中，以该活塞作为阳极进行电解。通过该电解使至少与电解液接触的活塞部分的表面被氧化，形成多孔阳极氧化保护膜。此时，通过调整电解时间和电解电流值等条件，使多孔氧化保护膜的厚度达到令人满意的数微米至数十微米。
接着，在这样形成的多孔氧化保护膜上浸渗润滑剂。作为这种润滑剂，理想的是使用钼硫化物或者氟系树脂。
在使用钼硫化物时，例如准备溶解钼酸铵((NH4)2MoS4)等钼硫化物而得的电解液，将活塞的至少形成多孔氧化保护膜的部分浸入该电解液中，以其作为阳极进行电解。通过这种电解，将存在于电解液中的带有负电荷的MoS42-拉到作为阳极的活塞侧，在活塞表面上形成的氧化保护膜的孔内进行氧化，在整个多孔氧化保护膜上均匀地析出具有润滑性的所谓钼硫化物MoS2。
在使用氟系树脂的场合，例如可以在涂布氟系树脂乳化漆后进行加热，也可以在加热条件下喷射氟系树脂粉体使其熔融而进行浸渗。
如此在多孔氧化保护膜上浸渗润滑剂之后，除去在活塞的活塞销座部分以外形成的多孔氧化保护膜，得到本发明的活塞。作为除去多孔氧化保护膜的方法，适当地使用机械、物理、或化学研磨法等。
对于机械研磨，理想的是使用诸如车床一类的磨削机进行，若使用这种机械磨削法，则得到平滑而漂亮的磨削面。
对于物理磨削，理想的是使用喷射刚铝石、刚玉等硬质颗粒进行磨削的喷砂法等，这种方法适合于大量生产。另外，由这种方法得到的磨削面由于稍微粗糙化，所以散热性良好，含油性也提高。
对于化学磨削，理想的是利用诸如苛性钠一类的碱液进行磨削。这种利用碱液的化学磨削，可以利用笔接触等将碱液只涂布在规定的部位进行磨削，能够限定性地进行细小部分的磨削。
另外，也可以根据应用部分将这些方法适当组合使用。
在本发明的第二种制造方法中，首先，用遮蔽材料将活塞的活塞销座以外的表面遮蔽。理想的是用胶带或涂料进行这种遮蔽。
作为在遮蔽中使用的胶带，理想的胶带具有下述性质具有耐酸性、耐碱性，是电绝缘性的，在具有某种强度的同时，粘合性良好，而且在剥离时不残留粘含剂。例如，可以举出在氯乙烯、聚乙烯、偏氯乙烯、其他树脂薄膜以及诸如氟系树脂薄膜一类的树脂薄膜上涂布粘合剂而得的胶带。作为这类胶带，适用的是例如以日东电工社制的氯乙烯作为支持体的胶带SPV-214或SPV-224等。使用胶带的遮蔽方法不需要特别的遮蔽装置，具有可以简便地进行遮蔽的优点，但是，也存在凹部和细小部分遮蔽困难的情况。
作为在遮蔽中使用的涂料，理想的涂料具有耐酸性、耐碱性，是电绝缘的，干燥后的涂料被膜具有某种程度的强度，但一般来说，可举出丙烯酸类、聚苯乙烯类、石蜡类、聚硅氧烷树脂类、氟系树脂类涂料等。这种遮蔽方法可以将如上述那类涂料涂布在活塞销座部分以外的表面上，然后干燥，能够有效地遮蔽在复杂形状和细小部分上。但是，在用这些涂料进行遮蔽时存在下述缺点需要用于涂布的夹具和工具、需要干燥时间、需要在最终工序中用有机溶剂剥离已干燥的涂料被膜。因此，最好将上述的胶带法和涂料法组合进行简便且有效的遮蔽。
将如此进行遮蔽的活塞按与上述第一种制造方法中所述相同的方法进行阳极氧化处理，在活塞销座部分附近形成多孔氧化保护膜。然后，在该多孔氧化保护膜上按与第一种制造方法中所述相同的方法浸渗润滑剂。
最后，剥离遮蔽在活塞销座部分以外的遮蔽材料，得到本发明的活塞。在使用胶带遮蔽的场合，只需剥离就能简便地除去该胶带。在用涂膜遮蔽的场合，可以使该涂膜溶解在有机溶剂中而除去。可以根据所用涂料的溶解性适当选择溶剂。
另外，在本发明的制造方法中，即使在活塞销座部分附近以外的部分，也可以将在工作时易受到显著的热变形的部分、在工作时与汽缸强烈摩擦而易磨耗的部分、极难遮蔽的部分进行与活塞销座部分附近相同的阳极氧化处理、浸渗润滑剂。具体地说，这样的部分虽然因活塞的形状而异，但是包括例如活塞销座的孔周边的隆起部分。
实施例1用高硅含量的铝合金铸造图1所示的四冲程循环发动机用活塞。该活塞的头顶部的直径制成56mm，活塞的长度制成59mm。
同样，用高硅含量的铝合金铸造图2所示的二冲程循环发动机用活塞。该活塞的头顶部的直径制成49mm，活塞的长度制成45mm。
然后，以这些活塞作为阳极，以铅板作为阴极，通过在20％(重量)为硫酸水溶液中进行10-60分钟电解，在活塞的整个表面上形成厚数微米至数十微米的多孔氧化保护膜。
再以形成多孔氧化保护膜的活塞作为阳极，以不锈钢板作为阴极，通过在含0.1％(重量)钼酸铵的电解液中进行10分钟电解，使钼硫化物浸渗到多孔氧化保护膜中。
用车床磨削这些活塞的表面上活塞销座部分附近(图1和图2中加小点的部分)以外的表面，除去多孔氧化保护膜，得到本发明的活塞。
实施例2按与实施例1相同的方法铸造活塞，在整个表面上形成多孔氧化保护膜。
在这些活塞上涂布氟系树脂分散涂料，通过加热干燥在多孔氧化保护膜中浸渗氟系树脂。
用车床磨削这些活塞的表面上活塞销座部分附近以外的表面，除去多孔氧化保护膜，得到本发明的活塞。
实施例3按与实施例1相同的方法铸造活塞，在整个表面上形成多孔氧化保护膜后，浸渗钼硫化物。
利用喷射刚玉硬质微粒的喷砂法，将这些活塞的表面上活塞销座部分附近以外的表面进行物理磨削，除去多孔氧化保护膜，得到本发明的活塞。
实施例4按与实施例1相同的方法铸造活塞，在整个表面上形成多孔氧化保护膜后，浸渗钼硫化物。
用3％的苛性钠处理这些活塞的表面上活塞销座部分附近以外的表面，除去氧化保护膜，用1％的硝酸进行处理，中和附着的苛性钠并除去，得到本发明的活塞。
实施例5按与实施例1相同的方法铸造活塞。在活塞销座部分附近以外的表面上粘贴氯乙烯树脂粘合膜进行遮蔽。
将这些活塞按与实施例1相同的方法进行阳极氧化处理，形成多孔氧化保护膜，通过同样的电解处理浸渗钼硫化物。
然后，除去氯乙烯树脂粘合膜，擦去粘合剂，得到本发明的活塞。
实施例6按与实施例1相同的方法铸造活塞。在活塞销座部分附近以外的表面上涂布聚苯乙烯涂料，加热干燥。
将这些活塞按与实施例1相同的方法进行阳极氧化处理，形成多孔氧化保护膜，通过同样的电解处理浸渗钼硫化物。
然后，使聚苯乙烯涂料的涂膜溶解到溶剂(甲苯)中而除去，得到本发明的活塞。
试验例1准备以下条件的活塞(共计6种)。
条件1.铸造成图1和图2所示的形状、既不进行阳极氧化处理又不浸渗润滑剂的活塞。
条件2.铸造成与条件1的活塞形状相同、通过将活塞销座和活塞销座孔周边阳极氧化处理形成厚15微米的多孔氧化保护膜的活塞。
条件3.形成与条件2相同的多孔氧化保护膜、通过电解在该氧化保护膜中均匀地浸渗钼硫化物的活塞。
用这些活塞，除活塞以外使用相同的材料制造四冲程循环和二冲程循环发动机，以比以往通常的空燃比(数值10)提高5％、10％、15％的空燃比进行工作时，定性地评价活塞销座的热变形程度。结果示于表1中。在表1中，试样1是表示使用图1所示形状的活塞的四冲程循环发动机所得的结果，试样2是表示使用图2所示形状的活塞的二冲程循环发动机所得的结果。另外，表1中的符号是表示通过观察工作后的活塞销座部分而产生的评价结果，◎是完全不发生热变形的情况，○是在滑动后虽然看到某些热变形的影响，但实用上完全不受妨碍的情况，△是虽然短期使用不成问题，但在长期使用中则产生实用上的问题的情况，×是即使短期使用也是危险的，××是完全不能实用的情况。
从这些结果可看出，虽然未处理的活塞在以往的空燃比中就受到某些热变形的影响，胆短期使用是可以的。但是，若空燃比提高5％，则热变形的影响大，即使短期使用也是不可能的。在仅具有氧化保护膜的活塞的场合，即使空燃比提高5％，热变形的影响也是小的，可以在短期内使用。在将氧化保护膜和钼硫化物浸渗处理组合的活塞中，即使空燃比提高15％，也能基本上无问题地使用。另外，即使在代替钼硫化物而浸渗氟系树脂的场合，也得到大致相同的结果。[表1]评价结果 但是，◎完全不受热变形的影响。
○受某些热变形的影响。
△受热变形的影响，在短期内实用上无妨碍，但长期使用则产生问题。
×热交元形的影响大，即使短期使用也成问题。
××热变形的影响极大，从开始就有严重问题。
试验例2为了进一步确认本发明的效果，用750立方厘米空气冷却的四冲程循环发动机进行台试。台试的条件如图3所示。在图3中，纵轴为转数(转/分)，横轴为时间(小时)。但是，以10,000转/分作为满转矩。
活塞用AC8A(12％Si)制造，活塞销用SCM 422制造、渗碳淬火，经超精加工完成外径研磨。
活塞销座孔，试样A钻孔后，进行抛光精加工；试样B钻孔后，按照本发明形成氧化保护膜并浸渗润滑剂(钼硫化物)，再进行抛光精加工。
关于这些试样，以直径变化表示100小时试验结束后的磨耗量如下所示试样A销外径22μm，活塞销座孔内径25μm，共计47μm。
试样B销外径9μm，活塞销座孔内径10μm，共计19μm。
从这些结果可以看出，本发明的活塞与不处理的活塞相比，活塞销和活塞销座的间隙变化被抑制至约40％。若是试样B那种程度的变形，则认为实用上完全无问题，有充分的市场价值。
如上所述，本发明的活塞销座至少具有以下的效果1.由于在活塞销座部分附近形成的多孔氧化保护膜上浸渗钼硫化物等润滑剂而产生活塞销座和与活塞销和活塞销座接触的汽缸内壁间的润滑效果。
2.由于在活塞销座部分附近浸渗的钼硫化物与活塞销接触而产生在活塞销表面的润滑剂转移并产生效果。
3.由于氧化保护膜的热膨胀系数为铝合金的几分之一而产生抑制热膨胀的效果。
在这些效果中，1的润滑效果是特别显著的。
权利要求
1.内燃机的活塞，它是由高硅含量的铝合金构成的内燃机活塞，其特征在于在活塞销座部分附近形成多孔阳极氧化保护膜，并在该多孔保护膜上浸渗由钼硫化物或氟系树脂组成的润滑剂。
2.内燃机活塞的制造方法，其特征在于该方法由下述工序组成将由高硅含量的铝合金构成的内燃机活塞的至少活塞销座部分附近的表面进行阳极氧化处理而形成多孔氧化保护膜的工序，通过电解在上述多孔氧化保护膜上浸渗钼硫化物或在该多孔氧化保护膜上浸渗氟系树脂的工序，以及磨削除去在活塞销座部分附近以外的部分形成的多孔氧化保护膜的工序。
3.内燃机活塞的制造方法，其特征在于该方法由下述工序组成在由高硅含量的铝合金构成的内燃机活塞的活塞销座部分附近以外的部分的表面上，使用胶带或涂料构成的遮蔽材料遮蔽该部分的表面的工序，将上述活塞销座部分附近的表面进行阳极氧化处理而形成多孔氧化保护膜的工序，通过电解在上述多孔氧化保护膜上浸渗钼硫化物或在该多孔氧化保护膜上浸渗氟系树脂的工序，以及除去上述遮蔽材料的工序。
4.权利要求1所述的内燃机活塞，其特征在于上述高硅含量的铝合金是硅含量为12-23％的铝合金。
全文摘要
内燃机活塞，它由高硅含量的铝合金构成，其特征是在活塞销座部分附近形成多孔阳极氧化保护膜，在该多孔保护膜上浸渗钼硫化物或氟系树脂组成的润滑剂。这种活塞的制造方法如下将活塞表面进行阳极氧化处理而形成多孔氧化保护膜，在浸渗润滑剂后除去不要的氧化保护膜，或者遮蔽活塞销座部分附近以外的部分后形成氧化保护膜，然后浸渗润滑剂。因为活塞销座部分的热变形极小，所以即使在高空燃比的高温条件下也不妨碍活塞销的移动，不出现发动机故障等问题。
文档编号C25D11/04GK1116662SQ9510961
公开日1996年2月14日 申请日期1995年7月20日 优先权日1994年7月20日
发明者前正受, 猿渡光一, 石丰昭, 伊藤六郎, 横山实 申请人:藤仓电线株式会社, 株式会社米雅基