內燃機用活塞的表面改性方法和內燃機用活塞的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及內燃機用活塞的表面改性方法、以及使用上述方法被表面改性的內燃 機用活塞，涉及即使在高溫下使用也不會發(fā)生強度降低的內燃機用活塞的表面改性方法、 以及使用上述方法被表面改性的內燃機用活塞。
【背景技術】
[0002] 關于內燃機用活塞，從其功能來看，由于其在高溫環(huán)境下承受爆發(fā)壓力的同時反 復進行高速往復運動，因而需要具有高強度，另一方面，從燃料費增加等觀點出發(fā)，要求其 為輕量。
[0003] 作為這樣的內燃機用活塞，以輕量化為目的，例如使用AC8A等鋁一硅系合金，并 且通過時效硬化處理等使內燃機用活塞的晶粒微細化，由此來提高強度。但是，作為一例， 汽油發(fā)動機中活塞的溫度有上升至300°C左右的情況，然而通過上述的時效硬化而高強度 化的活塞，在超過時效硬化處理溫度（約200~250°C )的高溫環(huán)境下使用時，通過時效硬 化而微細化的結晶會進行再結晶化，晶粒粗大化，強度顯著降低。
[0004] 因此，期待用于使在高溫環(huán)境下使用的鋁一硅系合金的高溫強度提高的方法。
[0005] 作為使這樣的鋁一硅系合金的高溫強度提高的方法，有人也在探討對作為合金添 加的成分自身進行重新評價，作為一例，如果大量添加作為使高溫強度提高的成分的鎳銅 等，則由于鋁一硅系合金的比重增加，活塞的重量增加，則盡管能提高強度，但不能滿足輕 量化的要求。
[0006] 另外，由合金成分的重新評價帶來的高強度化，使鑄造時合金成分難以微細化、均 勻化等，其結果是出現(xiàn)機械特性的改善不充分、品質不一等問題，進而，提高材料強度的另 一方面是使鑄鍛造性和加工性降低，特別是在推進高強度化時切削加工性大幅度降低，強 度提高和加工性降低成為必然產生的矛盾問題。
[0007] 為此，由于這樣的材料的高強度化使內燃機用活塞的生產性降低，成為提高制造 成本的一個原因，因而難以輕而易舉地提高強度。
[0008] 這樣，在調整合金材料的量時，難以在不降低生產性、加工性的情況下實現(xiàn)內燃機 用活塞的高溫強度的提高和輕量化的并存，所以有人提出不改變在鑄鍛造工序中進行的處 理，對經(jīng)過鑄鍛造工序制造的鋁合金制構件進行事后的處理以改善機械特性。
[0009] 作為這樣的方法的一例，有人提出通過對鋁合金制構件的表面施加噴丸硬化處理 以對鋁合金制構件的表面進行改性的方法，提出下述的表面改性方法：通過在混合的狀態(tài) 下噴射彈粒材料和微粒，在彈粒材料射向鋁合金制構件的表面部時，在彈粒材料中伴有微 粒的狀態(tài)下進行噴丸硬化，從而將上述微粒以分散狀態(tài)嵌入鋁合金制構件的表面部（參照 專利文獻1的權利要求1)，根據(jù)該方法，通過由上述噴射嵌入的微粒所具有的固有特性，耐 磨損性、耐蝕性提高，鋁合金制構件的強度可靠性增大（專利文獻1的0017欄）。
[0010] 另外，作為其他方法，有人提出：Fe、Mn、Zn、Ti、C、Si、Ni、Cr、W、Cu、Sn、Zr等是能 夠在構成上述活塞的合金中擴散滲透而使該合金的強度提高的強化元素，向通過鑄鍛造得 到的鋁一硅系合金的內燃機用活塞的表面，以噴射速度80m/s以上或者噴射壓力0. 3MPa以 上噴射含有上述強化元素且粒徑為20~400 μ m的噴射粒體，并使其碰撞，通過上述噴射粒 體的碰撞，除去在上述鑄鍛造中在上述活塞表面產生的表面缺陷部的氧化物，且修復在上 述表面產生的表面缺陷，同時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 微細化，且使上述噴射粒體中的上述強化元素向上述活塞的表面附近擴散滲透，在上述活 塞表面形成含有上述合金元素和上述噴射粒體中的強化元素的、金屬組織被均質、微細化 的改性層（專利文獻2)。
[0011] 現(xiàn)有技術文獻
[0012] 專利文獻1 :日本特開平5 - 86443號公報
[0013] 專利文獻2 :日本特開2008 - 051091號公報

【發(fā)明內容】

[0014] 在使用前述專利文獻1、2所述的表面改性方法以改善內燃機用活塞的機械強度 的情況下，由于這樣的表面改性是對經(jīng)過鑄鍛造工序后的內燃機用活塞進行的，所以活塞 的鑄鍛造自身可以按照以往的方法進行，其結果，由于合金成分的變更發(fā)生的上述各種問 題被開放。
[0015] 但是，在其中的專利文獻1記載的方法中，如上所述在鋁合金制構件的表面部以 分散狀態(tài)將微粒"嵌入"，通過如此嵌入的微粒固有的特性，提高了耐磨損性、耐蝕性，使鋁 合金制構件的強度可靠性增大，為了進行這樣的"嵌入"，將嵌入的微?；烊肓酱笥谠撐?粒的彈粒材料中進行噴丸硬化（專利文獻1的0040欄等）。
[0016] 因此，在使用上述專利文獻1記載的方法的情況下，上述的微粒僅僅"嵌入"在鋁 合金制構件的表面部，微粒不會與鋁合金制構件之間產生牢固的結合狀態(tài)，容易從表面部 剝離、脫落等，如果發(fā)生這樣的剝離、脫落，無法期待由微粒固有的特性帶來的機械特性的 提尚。
[0017] 而且，前述專利文獻1公開了使嵌入在鋁合金制構件的表面的微粒向鋁合金制構 件表面擴散的方法，但為了進行這樣的擴散，對于進行了微粒嵌入后的鋁合金制構件，進而 實施加熱處理等（專利文獻1的權利要求3、0038、0039欄等），招致基于工序數(shù)增加的處理 長時間化和成本增加。
[0018] 另外，如果進行這樣的熱處理，也有可能發(fā)生鋁合金制構件的尺寸變化，或發(fā)生變 形，需要對熱處理的溫度、處理時間等進行嚴格管理。
[0019] 需要說明的是，在內燃機用活塞中，冷隔等微細的表面缺陷導致缺口脆性的發(fā)生 等，表面缺陷的修復是用于獲得強度提高的重要因素，而在專利文獻1記載的方法中，可以 預測：不僅不具備用于修復這樣的表面缺陷的結構，而且金屬微粒相對于如上所述鋁合金 制構件的嵌入反而卻成為缺口脆化產生的原因。
[0020] 另外，進行合金元素的微細化、均勻化為內燃機用活塞的機械性質的改善、品質的 均勻化做出了貢獻，但在專利文獻1所述的發(fā)明中，未公開應對該課題的構成。
[0021] 因此，如果要獲得合金元素的微細化、均勻化，可以通過鑄造階段的工序來實現(xiàn)這 些，需要在為使在鋁合金制構件的表面嵌入的微粒向鋁合金制構件的表面擴散而進行的熱 處理中同時進行，工序數(shù)增加并且要求對熱處理時的溫度進行嚴密管理。
[0022] 另一方面，在專利文獻2記載的方法中，并非僅僅直接沿襲了專利文獻1記載的發(fā) 明的優(yōu)點：通過在由鑄鍛造得到的內燃機用活塞的表面使噴射粒體發(fā)生碰撞，能在不對鑄 鍛造性、加工性等生產性能產生影響的情況下，以低成本容易地提高內燃機用活塞的機械 強度，專利文獻2記載的方法是能不另外進行熱處理等而形成與內燃機用活塞的表面一體 化的牢固的表面改性層，并且能夠使冷隔等微細的表面缺陷的修復、活塞的表面附近的合 金元素的微細化、均質化等處理一并進行。
[0023] 但是，即使在通過上述專利文獻2中記載的方法在內燃機用活塞形成表面改性層 的情況下，當在高溫環(huán)境下使用時，也會見到一定的強度降低，無法完全維持剛剛進行噴砂 加工后的強度。
[0024] 因此，本發(fā)明正是為了克服上述以往技術中的缺點而完成的發(fā)明，其目的在于，提 供一種在進行了表面改性處理后即使在高溫環(huán)境下使用也不發(fā)生強度的降低的、內燃機用 活塞的表面改性方法以及用上述方法進行表面改性后的內燃機用活塞。
[0025] 為了達成上述目的，本發(fā)明的內燃機用活塞的表面改性方法，其特征在于：
[0026] 以鐵系合金制的彈粒為噴射粒體，所述彈粒的粒徑為20~200 μ m，在溫度25°C時 熱傳導率在30W/m · k以下，比重為7. 5g/cm3以上，
[0027] 進行第一噴射處理，即以在存在氧的空間中弧高值為0.07~0. 13mm(N)(在實施 例中為0.1 Omm(N))的條件，將上述噴射粒體噴射向由鑄鍛造得到的鋁一硅合金或者例如 是A2618等鋁一銅合金形成的內燃機用活塞的表面，
[0028] 進行第二噴射處理，即以在存在氧的空間中弧高值為0. 13~0.22mm(N)(在實施 例中為0. 20mm(N))的條件，將上述噴射粒體噴射向經(jīng)過上述第一噴射處理的上述內燃機 用活塞的表面，
[0029] 然后，對于上述內燃機用活塞，在存在氧的空間中在170~190°C實施加熱處理 1.5小時以上（技術方案1)。
[0030] 在上述內燃機用活塞的表面改性方法中，優(yōu)選按照在上述第一噴射處理和第二噴 射處理中合計覆蓋范圍（coverage)為200~500% (在實施例中為300%)的方式噴射上 述噴射粒體（技術方案2)。
[0031] 在該情況下，可以在覆蓋范圍為100~200% (在實施例中為100%)的范圍內進 行上述第一噴射處理，并且在覆蓋范圍為100~300% (在實施例中為200%)的范圍內進 行上述第二噴射處理（技術方案3)。
[0032] 進而，在上述表面改性方法中，上述噴射粒體可以由高速鋼或不銹鋼形成（技術 方案4)。
[0033] 另外，本發(fā)明的內燃機用的活塞，其特征在于，在鋁一硅合金制的內燃機用活塞的 表面改性部，在從最外表面至深度約3~30 μ m的范圍內，形成有在微細化的鋁和/或鋁 系合金的晶粒邊界具有由鋁一鐵系合金的穩(wěn)定的氧化物形成的晶間氧化物的表面改性層 (技術方案5)。
[0034] 通過利用以上說明的方法，進行表面強化處理，關于經(jīng)表面強化處理后的內燃機 用活塞，可以得到即使在超過時效硬化處理溫度（作為一例為200~250°C)的高溫環(huán)境下 (作為一例為350°C)使用該活塞其表面硬度也不發(fā)生降低的內燃機用活塞。所述表面強 化處理是在從最外表面至約3~30 μ m的范圍內，形成具有在微細化的鋁和/或鋁系合金 的晶粒邊界有由鋁和噴射粒體中的鐵系材料的合金經(jīng)氧化得到的晶間氧化物存在的構造 的表面改性層。
[0035] 能夠防止在這樣的高溫環(huán)境下的硬度降低的理由尚不明確，但考慮其原因在于， 在通過上述方法形成的表面改性層中，在微細化的鋁和/或鋁系合金的晶粒邊界存在的、 作為鋁一鐵系合金的穩(wěn)定的氧化物的晶間氧化物，在施加高溫時抑制鋁和/或鋁系合金的 晶粒的再結晶，從而防止晶粒粗大化而硬度降低。
【附圖說明】
[0036] 圖1是實施例的活塞的表面部的截面電子顯微鏡照片。
[0037] 圖2是實施例的活塞的表面改性層部分的截面電子顯微鏡照片。
[0038] 圖3是表示實施例的成分分析結果（包含氧濃度）的圖，㈧表示圖2中的"分析 1"部分的分析結果，（B)表示圖2中的"分析2"部分的分析結果。
[0039] 圖4是表示圖2的電子顯微鏡照片中的晶間氧化物的分布的模式圖。
[0040] 圖5是在350°C加熱100小時后的實施例的活塞的表面部的截面電子顯微鏡照片。
[0041] 圖6是表示實施例和比較例5的活塞在加熱（350°C X 100小時）前后的硬度變化 的狀態(tài)的圖。