多层润滑覆膜以及具有该覆膜的内燃机的活塞

摘要

本发明公开一种形成于被覆对象物(11)的外表面上的多层润滑覆膜。多层润滑覆膜(23)由形成于被覆对象物(11)的外表面(24)上的下层覆膜(19)、和形成于该下层覆膜的表面上的上层覆膜(22)构成。下层覆膜的维氏硬度高于被覆对象物的维氏硬度。

权利要求

1.一种多层润滑覆膜，其是形成于被覆对象物(11)的外表面上的多层润滑覆膜，该多层润滑覆膜的特征在于，其具备：形成于上述被覆对象物(11)的外表面上的下层覆膜(19,31)、和形成于该下层覆膜的表面上的上层覆膜(22,32)；

上述上层覆膜由下述组合物形成：所述组合物包含50～70质量%粘合树脂、5～20质量%固体润滑剂和15～30质量%硬质颗粒，所述粘合树脂为环氧树脂和聚酰胺酰亚胺树脂中的至少一种树脂，所述固体润滑剂为氮化硼，所述硬质颗粒为氮化硅和氧化铝中的至少一种物质；

上述下层覆膜的维氏硬度高于所述被覆对象物的维氏硬度，所述被覆对象物由铝合金构成，

所述下层覆膜为铁镀膜和阳极氧化膜之中的一种膜。

2.在外周面形成了权利要求1所述的多层润滑覆膜的内燃机的活塞。

说明书

多层润滑覆膜以及具有该覆膜的内燃机的活塞

技术领域

[0001] 本发明涉及一种适合用于内燃机的铝合金制活塞的多层润滑覆膜用组合物。

背景技术

[0002] 活塞的裙部不可避免地会接触到内燃机的气缸套内面。因此对活塞的外周部要求改善耐磨耗性或抗烧结性(耐烷き付き性)。为此进行的改善策略公开于日本特开2008-56750公报。

[0003] 日本特开2008-56750公报中所公开的由上层覆膜组合物和下层覆膜组合物构成的多层润滑覆膜用组合物中，上层覆膜组合物包括50～70wt％的环氧树脂和聚酰胺酰亚胺树脂中的至少一种粘合树脂、5～20wt％的氮化硼固体润滑剂、和15～30wt％的氮化硅和氧化铝中的至少一种硬质颗粒；下层覆膜组合物包括50～70wt％的环氧树脂和聚酰胺酰亚胺树脂中的至少一种粘合树脂、以及15～30wt％的聚四氟乙烯固体润滑剂和5～20wt％的二硫化钼固体润滑剂。如果利用该覆膜用组合物，则可利用二硫化钼等固体润滑剂的作用来改善耐磨耗性或抗烧结性。

[0004] 在上述构成的多层润滑覆膜用组合物完好的情况下，能够发挥耐磨耗性或抗烧结性。

[0005] 可是，根据不同的发动机的种类或使用环境，有时在润滑油中混入沙子等异物。出于低成本的目的而省掉过滤器的通用发动机和在沙尘内工作的通用发动机等存在这样的担忧。

[0006] 如果润滑油中混入异物，则该异物成为磨削材料(研削材)，损伤多层润滑覆膜用组合物，而露出铝底(アルミ地)。这样，会引起磨耗或烧结，而发生活塞的寿命变短这样的问题。此外，如果活塞和气缸套之间的接触压力超过容许值，则会损伤多层润滑覆膜用组合物，露出铝底，而发生同样的问题。

[0007] 因此需要这样的技术：即使多层润滑覆膜用组合物被损伤，也能够延长被覆在该多层润滑覆膜用组合物中的金属制品的寿命。

发明内容

[0008] 本发明的课题是提供一种技术：即使多层润滑覆膜用组合物被损伤，也能够延长被该多层润滑覆膜用组合物被覆的金属制品的寿命。

[0009] 根据本发明的一方面，提供一种多层润滑覆膜，其是形成于被覆对象物的外表面上的多层润滑覆膜，该多层润滑覆膜具备形成于被覆对象物(11)的外表面上的下层覆膜、和形成于该下层覆膜的表面上的上层覆膜；上述上层覆膜由下述组合物形成：所述组合物由50～70质量％的环氧树脂和聚酰胺酰亚胺树脂中的至少一种树脂作为粘合树脂、5～20质量％的氮化硼作为固体润滑剂、以及15～30质量％的氮化硅和氧化铝中的至少一种物质作为硬质颗粒构成；上述下层覆膜具有比所述被覆对象物的维氏硬度高的维氏硬度。

[0010] 因此，维氏硬度高的下层覆膜不易受损伤。由于下层覆膜不易受损伤，容易防止被覆对象物的露出。通过防止露出，可以实现被覆的金属制品的长寿命化。

[0011] 优选的是，上述被覆对象物由铝合金构成，上述下层覆膜为铁镀膜和阳极氧化膜之中的一种膜。因此，由铁镀膜和阳极氧化膜中任一种膜构成的下层覆膜紧紧地密合于铝合金。由于紧紧地密合于铝合金，还可以防止被覆对象物的露出。而且可以实现被覆有多层润滑覆膜用组合物的金属制品的长寿命化。

[0012] 根据本发明的另一方面，提供一种内燃机的活塞，其是在外周面上形成了多层润滑覆膜的内燃机的活塞，上述多层润滑覆膜具备形成于上述活塞的外周面上的下层覆膜、和形成于下层覆膜的表面上的上层覆膜；上述上层覆膜由下述组合物形成，所述组合物由50～70质量％的环氧树脂和聚酰胺酰亚胺树脂中的至少一种树脂作为粘合树脂、5～20质量％的氮化硼作为固体润滑剂、和15～30质量％的氮化硅和氧化铝中的至少一种物质作为硬质颗粒构成；上述下层覆膜具有比上述活塞的维氏硬度高的维氏硬度。

[0013] 这样，由于多层润滑覆膜不易受损伤，因此被覆有多层润滑覆膜用组合物的活塞也不易受损伤。通过将这样的不易受损伤的活塞装载在内燃机中，可以在各种环境下使用内燃机，因此是有益的。

附图说明

[0014] 下面，基于所附带的附图对本发明的优选的几个实施例进行详细的说明，图中，[0015] 图1(a)～(e)是说明实施例1的活塞的制造方法的图。

[0016] 图1(a)～(d)是将实施例和比较例相比较的图。

[0017] 图3(a)～(c)是说明实施例2的活塞的制造方法的图。

具体实施方式

[0018] (实施例1)

[0019] 首先，基于附图说明本发明的实施例1。

[0020] 如图1(a)所示，首先对铝合金制造的被覆对象物11进行铁镀覆。

[0021] 具体地说，在阴极12上连接被覆对象物11，在阳极13上连接铁(Fe)板14，将它们浸泡在电镀槽16内的电解液17中。在浸泡于电解液17中的状态下，流通电流，对被覆对象物11进行铁镀覆。

[0022] 例如，电解液17使用300g/l的氯化亚铁(FeCl2)和20g/l的氯化铵(NH4Cl)的混2
合液。将电解液17的温度设定为50℃，并将阴极电流密度设定为6A/dm 之后，进行铁镀覆。

[0023] 另外，在镀覆处理之前，优选进行这样的前处理：将被覆对象物11表面脱脂和/或除去氧化膜，等等。通过进行前处理，可以进一步提高铁镀膜19(图1(c))与被覆对象物11的密合性。

[0024] 通过对被覆对象物11进行铁镀覆，能够得到图1(b)所示的中间产品18。如图1(c)(其是中间产品18的c区域的放大图)所示，通过进行铁镀覆，可在被覆对象物11的表面上包覆作为下层覆膜的铁镀膜19。

[0025] 铁镀膜19的厚度t1例如为20μm。通过改变图1(a)所示的镀覆处理的条件，可以调节该厚度t1。厚度t1只要在5μm～30μm的范围内就可。

[0026] 此外，铁镀膜19的维氏硬度为Hv400～500。

[0027] 另一方面，诸如活塞之类的金属制品中有时可使用铝-硅(Al-Si)系合金(其是铝合金之一)。该Al-Si系合金的维氏硬度为Hv70～140。即，作为下层覆膜的铁镀膜19的维氏硬度高于铝合金(Al-Si系合金)的维氏硬度。

[0028] 接下来，在中间产品18的表面上，涂布上层覆膜组合物。

[0029] 上层覆膜组合物的混合比例如下：粘合树脂——环氧树脂(EP)和聚酰胺酰亚胺树脂(PAI)中的至少一种树脂为50～70质量％、固体润滑剂——氮化硼(BN)为5～20质量％、硬质颗粒——氮化硅(Si3N4)和氧化铝(Al2O3)中的至少一种颗粒为15～30质量％，[0030] 例如，将环氧树脂、氮化硼和氮化硅以下述比例混合，所述比例为：环氧树脂为62.5质量％、氮化硼为12.5质量％、氮化硅为25.0质量％。将该混合物溶解于有机溶剂中后，涂布在中间产品18的表面上并烧制。由此，可以得到图1(d)所示的作为金属制品的活塞20。

[0031] 如图1(e)(其是图1(d)的e区域的放大图)所示，在铁镀膜19的表面上，形成被烧制的上层覆膜22。被覆活塞20的外周部24的多层润滑覆膜23由铁镀膜19和上层覆膜22构成。

[0032] 上层覆膜22的厚度t2例如为10μm。上层覆膜22的厚度t2只要在5～10μm的范围内就可。

[0033] 在通用发动机中，有时在润滑油中混入沙子等异物。将实施例1的活塞和现有的活塞相比较，说明对异物的耐久性。

[0034] 如图2(a)所示，现有技术例的活塞100是在铝合金制造的被覆对象物101的外周面102上形成下层覆膜103和上层覆膜104而成的。下层覆膜103和上层覆膜104的覆膜组合物均为将环氧树脂(EP)、氮化硼(BN)和氮化硅(Si3N4)混合的混合物，它们的混合比例分别为62.5质量％环氧树脂(EP)、12.5质量％氮化硼(BN)、25.0质量％氮化硅(Si3N4)。

[0035] 如果将这样的活塞100用于内燃机中，如图2(b)所示，下层覆膜103、上层覆膜104有时被混入在润滑油中的异物磨削。由于被磨削，被覆对象物101露出在外部，接着，露出在外部的被覆对象物被异物磨削。

[0036] 如图2(c)所示，实施例1的活塞20是在铝合金制造的被覆对象物11的外周面24上形成多层润滑覆膜23而成的。在多层润滑覆膜23之中，下层覆膜为铁镀膜19。

[0037] 上层覆膜22的覆膜组合物为将环氧树脂(EP)、氮化硼(BN)和氮化硅(Si3N4)混合的混合物，它们的混合比例分别为62.5质量％环氧树脂(EP)、12.5质量％氮化硼(BN)、25.0质量％氮化硅(Si3N4)。

[0038] 如果在内燃机中使用这样的活塞20，则如图2(d)所示，上层覆膜22有时被混入在润滑油中的异物磨削。但是，由于维氏硬度高的铁镀膜19硬度高，不易被异物磨削。

[0039] 即，可以陈述如下。下层覆膜组合物由维氏硬度高于被覆对象物11的维氏硬度的铁镀膜19(下层覆膜)构成。维氏硬度高的铁镀膜19不易被损伤。由于铁镀膜19不易被损伤，容易防止被覆对象物11的露出。通过防止被覆对象物11的露出，可以实现被覆有多层润滑覆膜23的活塞20(金属制品)的长寿命化。

[0040] 此外，被覆对象物11为铝合金，下层覆膜为铁镀膜19。由铁镀膜19构成的下层覆膜紧紧地密合于作为被覆对象物11的铝合金。由于紧紧地密合于铝合金，还可以防止被覆对象物的露出。而且可以实现被覆有多层润滑覆膜用组合物的活塞20的长寿命化。

[0041] (实施例2)

[0042] 接下来，基于附图说明本发明的实施例2。

[0043] 如图3(a)所示，首先对铝合金制造的被覆对象物11进行阳极氧化处理。

[0044] 具体地说，在阴极12上连接碳制造的板27，在阳极13上连接被覆对象物11，将它们浸泡在电镀槽16内的电解液28中。

[0045] 在浸泡于电解液28中的状态下，流通电流，对被覆对象物11进行阳极氧化处理。

[0046] 例如，电解液28可使用65.6g/l的磷酸三钠(Na3PO4)和7.3g/l的氟化钾(KF)的混合液。

[0047] 可以将电解液的温度设定为22℃，将电压设定为70V，并将时间设定为30分钟，进行阳极氧化处理。

[0048] 另外，除了这样的方法之外，阳极氧化处理可以使用任意方法，例如，进行等离子体放电的同时进行阳极氧化处理等。即，只要在被覆对象物11的表面上能够被覆阳极氧化膜31(图3(c))，就可以选择任意方法。

[0049] 进行阳极氧化处理之后，就像图1中所说明的那样相同地，将上层覆膜组合物涂布在中间产品的表面上并烧制。

[0050] 这样，制造如图3(b)所示的活塞30。

[0051] 如图3(c)(其是图3(b)的c部区域的放大图)所示，通过进行阳极氧化处理，在被覆对象物11上被覆作为下层覆膜的阳极氧化膜(耐酸铝(アルミナ)：Al2O3)31。

[0052] 阳极氧化膜31的厚度t2例如为10μm。通过改变图3(a)所示的镀覆处理的条件，可以调节该厚度t2。厚度t2只要在5μm～30μm的范围内就可。

[0053] 此外，阳极氧化膜31的维氏硬度为Hv250～400。

[0054] 另一方面，铝合金之一的、常用于活塞的Al-Si系合金的维氏硬度为Hv70～140。

[0055] 即，可以说作为下层覆膜的阳极氧化膜31的维氏硬度高于铝合金(Al-Si系合金)的维氏硬度。

[0056] 在阳极氧化膜31的上面，形成被烧制的上层覆膜32。被覆活塞30的外周面的多层润滑覆膜33由阳极氧化膜31和上层覆膜32构成。

[0057] 在阳极氧化膜31的表面上，形成微细的凹凸部34。由于该微细的凹凸部34发挥锚的作用，可以提高阳极氧化膜31和上层覆膜32之间的密合性。

[0058] 对实施例2的活塞30也可以陈述如下。

[0059] 下层覆膜组合物由维氏硬度高于被覆对象物11的维氏硬度的阳极氧化膜31(下层覆膜)构成。由维氏硬度高的阳极氧化膜31构成的下层覆膜组合物不易被损伤。由于下层覆膜组合物不易被损伤，容易防止被覆对象物11的露出。通过防止被覆对象物11的露出，可以实现被覆有多层润滑覆膜的活塞30(金属制品)的长寿命化。

[0060] 本发明人为了确认本发明的效果，进行了实验。下面对实验进行说明。

[0061] 实验例

[0062] 木发明的实验例陈述如下。需要说明的是，本发明并不限定于实验例。根据表1对实验进行说明。

[0063] 表1

[0064]

[0065] 在实验编号1中，以现有技术制作活塞。

[0066] 即，母材使用铝合金，在该母材的表面上，被覆下层覆膜。该下层覆膜的下层覆膜组合物为由环氧树脂、氮化硼、氮化硅组成的混合物。将该混合物涂布在母材的表面上之后进行烧制。

[0067] 在被覆下层覆膜之后，被覆上层覆膜。该上层覆膜的上层覆膜组合物为环氧树脂、氮化硼、氮化硅组成的混合物。将该混合物涂布在下层覆膜的表面上之后进行烧制。

[0068] 将根据以上条件来制作的活塞安装在单气缸160cc的通用发动机上并进行实验。

[0069] 在润滑油中混合JIS Z 8901试验用粉末作为沙子之后，使发动机运转。将发动机以3600rpm运行100小时。

[0070] 停止发动机，通过观察外观进行评价。在实验编号1中，活塞的表面上产生深的瑕疵，对此评价为×。

[0071] 在实验编号2中，以阳极氧化膜被覆母材。其他的条件与实验编号1相同。即，在实验编号2中，在图3中所说明的条件下，制作活塞。

[0072] 在实验编号2中，虽然在活塞的表面上产生浅的瑕疵，但不是严重的瑕疵，因此评价为○。

[0073] 在实验编号3中，以铁镀膜被覆母材。其他的条件与实验编号1相同。即，在实验编号3中，在图1中所说明的条件下，制作活塞。

[0074] 在实验编号3中，在活塞的表面上没有产生瑕疵，因此评价为◎。

[0075] 在下层覆膜的维氏硬度最低的实验编号1中，在活塞的表面上产生深的瑕疵。另一方面，下层覆膜的维氏硬度最高的实验编号3中，在活塞的表面上没有产生瑕疵。

[0076] 由此，由多层润滑覆膜用组合物构成的多层润滑覆膜不易被损伤，因此被覆有多层润滑覆膜的活塞也不易被损伤。通过将这样的不易被损伤的活塞装载在内燃机中，能够在各种环境下使用内燃机，可以说是有益的。

[0077] 需要说明的是，本发明中所使用的多层润滑覆膜用组合物在实施例中用于活塞的被覆，但也可应用于其他的金属制品，应用于其他的金属制品没有问题。

[0078] 本发明中所使用的多层润滑覆膜用组合物适合用于活塞的被覆，本发明的活塞适合用于通用发动机。