めっき被覆アルミニウム製品
【課題】鉄めっきで、十分な耐久性が得られるアルミニウム製品の被覆技術を提供することを課題とする。
【解決手段】めっき被覆アルミニウム製品としてのアルミニウム製ピストン１０には、鉄系複合めっき層１１が被せられている。鉄系複合めっき層１１は、鉄めっき浴にカーボンナノ材料を混合してなる鉄系複合めっき浴によってアルミニウム系母材に被せたカーボンナノ材料を含む鉄系複合めっき層である。
【効果】カーボンナノ材料を含む鉄系複合めっき層は、単なる鉄めっき層に比べて、摩擦係数が小さく、耐久性が高い。１回のめっき工程で、耐久性が高く、摺動性に優れためっき被覆アルミニウム製品が提供される。
【解決手段】めっき被覆アルミニウム製品としてのアルミニウム製ピストン１０には、鉄系複合めっき層１１が被せられている。鉄系複合めっき層１１は、鉄めっき浴にカーボンナノ材料を混合してなる鉄系複合めっき浴によってアルミニウム系母材に被せたカーボンナノ材料を含む鉄系複合めっき層である。
【効果】カーボンナノ材料を含む鉄系複合めっき層は、単なる鉄めっき層に比べて、摩擦係数が小さく、耐久性が高い。１回のめっき工程で、耐久性が高く、摺動性に優れためっき被覆アルミニウム製品が提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐摩耗性を強化しためっき被覆アルミニウム製品に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関を例に説明すると、鋳鉄製シリンダとアルミニウム合金製ピストンとの組み合わせが、長く採用されてきたが、低燃費化に対する車両の軽量化の一環として、シリンダの軽合金化が実用に供されるようになってきた。軽合金は、アルミニウム合金が好まれる。
【０００３】
ピストンは、高速でシリンダ内を軸方向に往復するが、コネクティングロッド（以下、コンロッドと記す。）が傾くため、軸直角方向にスラスト力を受ける。
このスラスト力により、ピストンのスカート部がシリンダと強く接触することによりフリクションが発生し、摺動部が摩耗する。摺動部が摩耗することにより、焼き付き等の問題が発生する。特に、アルミニウム合金同士では、摩耗が激しい為、通常はシリンダの内周面又はピストンの表面にめっきを施す。
【０００４】
そこで、従来は、アルミニウム製ピストンの表面に硬化処理を施す技術が提案されている（例えば、特許文献１（請求項１）、特許文献２（図１）参照。）。
【０００５】
特許文献１に「［請求項１］アルミニウム合金製ピストン本体のクラウン部に複数のリング溝及びランド部が形成され、少なくとも冠面、トップランド部及びトップリング溝部に陽極酸化皮膜層を形成すると共に、前記ピストン本体のスカート部のピストンピン孔部を除く表面に鉄メッキ層を形成したことを特徴とする内燃機関用ピストン。」の記載がある。すなわち、特許文献１に、表面に鉄メッキ処理を施したアルミニウム製ピストンが開示されている。
【０００６】
特許文献２を次図に基づいて説明する。
図１４は従来のピストンの断面図であり、ピストン１００は、アルミニウム製基体１０１の外周面に鉄めっき層１０２を積層し、この鉄めっき層１０２にクロムめっき層１０３を積層形成してなる。
【０００７】
しかし、鉄めっき層１０２は、アルミニウムに比較してスカッフィング（ピストンの表面の一部が溶着し、擦り傷を発生させる現象）の発生及び高温時の凝着摩耗を防止することができるが、耐摩耗性（耐久性）は十分ではない。また、低燃費化の観点から摺動時に発生する摩擦抵抗によるエネルギー損失は無視できず、改善の余地がある。
【０００８】
また、特許文献１には、ピストンリングの溝のうちでトップリング溝に陽極酸化膜（アルマイト）を被せることが知られている。しかし、この場合には、アルマイト処理工程と鉄めっき工程の２つの工程が必要なため、コストと生産効率の面で課題を有する。
【０００９】
また、特許文献２のように、クロムめっき層１０３を被せることで、耐久性の向上が図れるが、鉄めっき工程とクロムめっき工程の二つの工程が必要であるため、製造コストが嵩む。六価クロムが猛毒であるため、クロムめっき工程では、廃液の無害化処理が大切になり、この点でも製造コストが嵩む。
【００１０】
そこで、十分な耐久性及び摺動性が得られ、且つ鉄めっき工程のみを実施して十分な耐久性が得られるアルミニウム製品の被覆技術が必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第３２７４７１８号公報
【特許文献２】特開２００６−２９２１１９公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、鉄めっきで、十分な耐久性が得られるアルミニウム製品の被覆技術を提供することを課題とする。また、処理工程が短縮でき、コスト、効率面で有利な被覆技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１に係るめっき被覆アルミニウム製品は、アルミニウム系母材と、鉄めっき浴にカーボンナノ材料を混合してなる鉄系複合めっき浴によってアルミニウム系母材に被せたカーボンナノ材料を含む鉄系複合めっき層と、からなることを特徴とする。
【００１４】
請求項２に係る発明では、カーボンナノ材料は、予めＳｉＣ粒子を表面に付着させた微粒子付着カーボンナノ材料であることを特徴とする。
【００１５】
請求項３に係る発明では、アルミニウム系母材は、シリンダブロックのシリンダ又はこのシリンダに沿って移動するピストンであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に係る発明では、アルミニウム系母材に、カーボンナノ材料を含む鉄系複合めっき層を被せた。カーボンナノ材料を含む鉄系複合めっき層は、単なる鉄めっき層に比べて、摩擦係数が小さく、耐久性が高い。
１回のめっき工程で、耐久性が高く、摺動性に優れためっき被覆アルミニウム製品が提供される。
【００１７】
請求項２に係る発明では、微粒子付着カーボンナノ材料を鉄めっき浴に添加するようにした。カーボンナノ材料より微粒子付着カーボンナノ材料の方が、少ない添加割合で、耐久性が高く、摺動性に優れためっき被覆アルミニウム製品が得られる。
【００１８】
請求項３に係る発明では、アルミニウム系母材はシリンダ又はピストンとする。本発明により、耐久性の問題が解消できるため、アルミニウム製ピストンやアルミニウム製シリンダがエンジン構成部品として積極的に採用できる。アルミニウムは鋳鉄に比較して比重が小さいため、エンジンの軽量化を促すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係るピストンとシリンダの断面図である。
【図２】図１の２部拡大図である。
【図３】電解めっき設備の原理図である。
【図４】微粒子付着カーボンナノファイバを製造法の一例を説明する図である。
【図５】出来上がった微粒子付着カーボンナノファイバの模式図（一部破断）である。
【図６】サンプルＢの表面の拡大イメージ図である。
【図７】耐久試験の計測要領を説明する図である。
【図８】カーボンナノファイバの添加割合と動摩擦係数との関係を示すグラフである。
【図９】カーボンナノファイバの添加割合と摩耗痕の深さとの関係を示すグラフである。
【図１０】カーボンナノファイバの添加割合と表面粗さとの関係を示すグラフである。
【図１１】露出したカーボンナノファイバの本数と動摩擦係数との関係を示すグラフである。
【図１２】露出したカーボンナノファイバの本数と摩擦痕の深さとの関係を示すグラフである。
【図１３】露出したカーボンナノファイバの本数と表面粗さとの関係を示すグラフである。
【図１４】従来のピストンの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、アルミニウム系母材は、内燃機関のピストンとシリンダを具体例に説明する。しかし、アルミニウム系母材は、ピストンやシリンダに限定されるものではない。
【実施例】
【００２１】
図１は本発明に係るピストンとシリンダの断面図であり、めっき被覆アルミニウム製品としてのアルミニウム製ピストン１０には、鉄系複合めっき層１１が被せられている。シリンダ１２は鋳鉄製又はアルミニウム製とする。
そして、ピストン１０には、３本のリング溝が設けられていて、２本のコンプレッションリング１４、１５及びオイルリング１６（ピストンリング）が嵌められている。
【００２２】
図２は図１の２部拡大図であり、コンプレッションリング１４を収納するリング溝１７にも鉄系複合めっき層１１が被せられている。
コンプレッションリング１４は、燃焼ガスがピストン１０とシリンダ１２との間を、図では上から下へ吹き抜けることを防止するシール部材である。ピストン１０が熱膨張して外径が変化してもシール作用が維持できるように、リング溝１７の底とコンプレッションリング１４との間には隙間（クリアランス）Ｃが確保されている。
【００２３】
この隙間Ｃの間でコンプレッションリング１４が摺動するため、リング溝１７は摩耗する可能性がある。
本発明では、リング溝１７に硬い鉄系複合めっき層１１を被せたので、陽極酸化被膜を形成する必要が無くなり、またその為のマスキングも不要となるため、処理工程を大幅に短縮でき、製造コスト、生産効率の面で有利である。さらに、鉄めっき被膜内にカーボンナノファイバが含まれているため、耐摩耗性及び熱伝導性の向上（詳細後述）が図れ、ピストン上面からの熱をリング溝１７からピストンリングを介して効率よく逃がすことができる。図１に示すコンプレッションリング１５、オイルリング１６についても同様。
【００２４】
以上に説明した鉄系複合めっき層の詳細を、以下に説明する。
図３は電解めっき設備の原理図であり、電解めっき設備３０は、めっき槽３１に正極として鉄板３２を下げるとともに負極としてアルミニウム系母材３３を下げ、鉄板３２とアルミニウム系母材３３に電源３４を連結し、めっき槽３１に次に述べる複合めっき液（以下、めっき液と記す。）３５を満たした設備である。
めっき液３５を撹拌し循環させる撹拌手段、循環手段は必須であるが周知の手段が採用できるので説明は省略する。
【００２５】
めっき液３５は、鉄めっき浴（水＋硫酸鉄＋硫酸アンモニウム＋尿素）をベースとし、これに、カーボンナノファイバ又は微粒子付着カーボンナノファイバを適量混合してなる、複合めっき液である。微粒子付着カーボンナノファイバの製造法を次に述べる。
【００２６】
図４は微粒子付着カーボンナノファイバを製造法の一例を説明する図である。
（ａ）：カーボンナノファイバ４１を準備する。例えば１０ｇ。
（ｂ）：炭素と反応して化合物を生成する微粒子として、Ｓｉ粉末４２を準備する。例えば１０ｇ。
【００２７】
（ｃ）：乳鉢４３にカーボンナノファイバ１１及びＳｉ粉末４２を入れ、１５分〜３０分間乳棒４４で混合する。
（ｄ）：得られた混合物４５を、アルミナ製容器４６に入れ、アルミナ製蓋４７を被せる。この蓋４７は非密閉蓋を採用することで、容器４６の内部と外部との通気を可能にする。
【００２８】
（ｅ）：密閉炉体５１と、炉体５１内部を加熱する加熱手段５２と、容器４６を載せる台５３、５３と、炉体５１内部を真空にする真空ポンプ５４とを備える真空炉５０を準備し、この真空炉５０に容器４６を入れる。
真空下で加熱することで、混合物４５中のＳｉ粉末が蒸発する。蒸発したＳｉがカーボンナノファイバの表面に接触し、化合物を形成し、ＳｉＣの微粒子となって付着する。
【００２９】
図５は出来上がった微粒子付着カーボンナノファイバの模式図（一部破断）であり、電子顕微鏡で観察したものをスケッチした。すなわち、微粒子付着カーボンナノファイバ５６は芯となるカーボンナノファイバ４１と、このカーボンナノファイバ４１の表面をほぼ均等に覆っている微粒子の層５７とからなる。この微粒子の層５７の厚さＴは、２０ｎｍ〜８０ｎｍで、平均は５０ｎｍ程度であった。
また、上記微粒子付着カーボンナノファイバにＸ線回析を行ったところ、Ｓｉのピークは検出されず、ＣとＳｉＣのピークが検出された。したがって、Ｓｉ微粒子は、接触によりＳｉＣになっていると考えられる。
【００３０】
以上に説明した微粒子付着カーボンナノファイバを鉄めっき浴に添加した場合と、カーボンナノファイバ（微粒子を付着させていない普通のカーボンナノファイバ）を鉄めっき浴に添加した場合と、鉄めっき浴だけの場合とで、得られる鉄系複合めっき層の特性（特に、耐摩耗性（耐久性）、動摩擦係数（摺動性））に差があるか否かを、実験により確かめた。ただし、実験では、アルミニウム系母材としてＳｉ系アルミニウム板（ＡＣ８Ａ）を代用した。
【００３１】
（実験例）
本発明に係る実験例を以下に述べる。なお、本発明は実験例に限定されるものではない。
○サンプルＡ〜サンプルＪの作製：
動摩擦係数及び摩擦痕の深さを測定するために、複数のサンプルを作製する。この作製の内容を次の表に示す。
【００３２】
【表１】
【００３３】
サンプルＡは、アルミニウム板を、鉄めっき浴（添加物なし）に浸漬し、浴温５５℃、電流密度１５Ａ／ｄｍ2、時間５分の条件で、鉄めっきを施して作製した。
【００３４】
サンプルＢでは、鉄めっき浴に、１リットル当たり１．０ｇの割合でカーボンナノファイバ（ＣＮＦ）を添加して複合めっき浴とした。このような複合めっき浴に、アルミニウム板を浸漬し、浴温５５℃、電流密度２Ａ／ｄｍ2、時間１０分の条件で、鉄系複合めっきを施して作製した。
【００３５】
図６はサンプルＢの表面の拡大イメージ図であり、顕微鏡で観察したところ、サンプルＢの表面からカーボンナノファイバ４１が髪の毛のように露出していた。この本数を数えたところ、３０μｍ×３０μｍ当たり３０本であった。そこで、表１の最も右の欄で、３行目にその数値を記載した。
【００３６】
サンプルＣは、サンプルＢに対して、カーボンナノファイバの添加割合を、１．５ｇ／リットルに変え、処理条件の一部を変更して、鉄系複合めっきを施して作製した。露出ＣＮＦは１２３本であった。
サンプルＤは、サンプルＢに対して、カーボンナノファイバの添加割合を、２．０ｇ／リットルに変え、処理条件の一部を変更して、鉄系複合めっきを施して作製した。露出ＣＮＦは１４１本であった。
【００３７】
サンプルでＥは、鉄めっき浴に、１リットル当たり１．２ｇの割合で微粒子付着カーボンナノファイバ（Ｓｉ−ＣＮＦ）を添加して複合めっき浴とした。サンプルＥでは、Ｓｉ：ＣＮＦ＝１：５とした。換算（１．２×（５／６）＝１．０）すると、サンプルＥは、鉄めっき浴に、１リットル当たり１．０ｇの割合でカーボンナノファイバを混合添加したことにある。
このような複合めっき液に、アルミニウム板を浸漬し、浴温５５℃、電流密度４Ａ／ｄｍ2、時間１０分の条件で、鉄系複合めっきを施して作製した。露出ＣＮＦ（正確には露出した微粒子付着カーボンナノファイバ）は４７本であった。
【００３８】
サンプルＦでは、鉄めっき浴に、１リットル当たり１．５ｇの割合で微粒子付着カーボンナノファイバ（Ｓｉ−ＣＮＦ）を添加して複合めっき浴とした。サンプルＦでは、Ｓｉ：ＣＮＦ＝１：２とした。換算（１．５×（２／３）＝１．０）すると、サンプルＦは、鉄めっき浴に、１リットル当たり１．０ｇの割合でカーボンナノファイバを混合添加したことにある。
このような複合めっき液に、アルミニウム板を浸漬し、浴温５５℃、電流密度４Ａ／ｄｍ2、時間１０分の条件で、鉄系複合めっきを施して作製した。露出ＣＮＦ（正確には露出した微粒子付着カーボンナノファイバ）は６７本であった。
【００３９】
サンプルＧでは、鉄めっき浴に、１リットル当たり２．０ｇの割合で微粒子付着カーボンナノファイバ（Ｓｉ−ＣＮＦ）を添加して複合めっき浴とした。サンプルＧでは、Ｓｉ：ＣＮＦ＝１：１とした。換算（２．０×（１／２）＝１．０）すると、サンプルＧは、鉄めっき浴に、１リットル当たり１．０ｇの割合でカーボンナノファイバを混合添加したことにある。
このような複合めっき液に、アルミニウム板を浸漬し、浴温５５℃、電流密度４Ａ／ｄｍ2、時間５分の条件で、鉄系複合めっきを施して作製した。露出ＣＮＦ（正確には露出した微粒子付着カーボンナノファイバ）は８９本であった。
【００４０】
サンプルＨは、サンプルＢに対して、カーボンナノファイバの添加割合を、３．０ｇ／リットル、電流密度４Ａ／ｄｍ2、時間５分の条件で、鉄系複合めっきを施して作製した。露出ＣＮＦは５３本であった。
サンプルＩは、サンプルＢに対して、カーボンナノファイバの添加割合を、３．０ｇ／リットルに変更して、鉄系複合めっきを施して作製した。露出ＣＮＦは１１９本であった。
サンプルＪは、サンプルＢに対して、カーボンナノファイバの添加割合を、５．０ｇ／リットルに変更して、鉄系複合めっきを施して作製した。露出ＣＮＦは２２２本であった。
【００４１】
図７は耐久試験の計測要領を説明する図であり、アルミニウム系母材板３３に鉄めっき層又は鉄系複合めっき層１１が被覆されているサンプルＡ〜Ｇに、想像線で示す試験棒５９を臨ませる。そして、この試験棒５９を鉄めっき膜又は鉄系複合めっき膜１１に擦りつけることで試験を行う。試験棒５９は先端（図では下端）に直径１０ｍｍの球面を備えたアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）製のものを使用した。そして、５０ｇの押力で接触させ、４ｍｍの距離を、無潤滑で０．５ｍｍ／秒の速度で５０回往復させた。
【００４２】
得られる動摩擦係数測定値は、往復回数が５回以下では変動が激しいが、往復回数が２０〜４０回で安定化し、５０回で安定した値が得られた。
また、鉄めっき層又は鉄系複合めっき層１１の表面に発生した、摩擦痕の深さをレーザー顕微鏡で測定した。
さらに、表面粗さ計で、サンプル（耐久試験測定前の時点で）の表面粗さを測定した。
以上の要領で測定した動摩擦係数、摩擦痕の深さ及び表面粗さを次表に示す。なお、次表には表１に示す「添加物」と「露出ＣＮＦ」をサンプルの欄の右に転記した。
【００４３】
【表２】
【００４４】
実験１は、サンプルＡ（ＣＮＦを含まない鉄めっき層）について実施した。動摩擦係数は０．５０、摩擦痕の深さは０．９２μｍ、表面粗さは０．０８４μｍであった。
ＣＮＦを含む鉄系複合めっき層を有する、サンプルＢ、Ｃ、Ｄについて、実験２、３、４を実施し、表に示す動摩擦係数と摩耗痕の深さと表面粗さを得た。
【００４５】
微粒子付きＣＮＦを含む鉄系複合めっき層を有する、サンプルＥ、Ｆ、Ｇについて、実験５、６、７を実施し、表に示す動摩擦係数と摩耗痕の深さと表面粗さを得た。
ＣＮＦを含む鉄系複合めっき層を有する、サンプルＨ、Ｉ、Ｊについて、実験８、９、１０を実施し、表に示す動摩擦係数と摩耗痕の深さと表面粗さを得た。
【００４６】
次に、カーボンナノファイバの添加割合と動摩擦係数、摩耗痕の深さ又は表面粗さの相関を調べた。
図８はカーボンナノファイバの添加割合と動摩擦係数との関係を示すグラフであり、グラフ中、「実１」を付した点は、表２によれば、動摩擦係数が０．５０で、サンプルはＡであった。サンプルＡは、カーボンナノファイバの添加はゼロである。したがって、横軸が０で、縦軸が０．５の位置にプロットした。「実２」〜「実１０」も同様である。
【００４７】
動摩擦係数は、その値が大きいほど内燃機関におけるエネルギーの機械的損失に繋がり、小さい程好ましい。
ところで、サンプルＡは、アルミニウムの母材に添加物を含まない鉄めっきを施した。このようなサンプルＡで得た、実験１の結果では、動摩擦係数は０．５０であった。発明の成果として、０．５０より大幅に小さい動摩擦係数が求められる。そこで、実験１で得た動摩擦係数の半分の値（０．５０／２）を動摩擦係数の上限値とすることにした。上限値０．２５の線を図に記入する。
【００４８】
上限値の線より、下が好ましい。すなわち、実験３、４、８、９、１０は動摩擦係数が十分に小さい。実験３でのＣＮＦの添加割合が１．５ｇ／リットルであり、実験１０でのＣＮＦの添加割合が５．０ｇ／リットルであるから、カーボンナノファイバの添加割合は、１．５〜５．０ｇ／リットルの範囲にあればよい。一方、△で示す実験５、６、７は、微粒子付きＣＮＦを含む鉄系複合めっき層であって、カーボンナノファイバの添加割合は、１．０ｇ／リットルで十分である。
【００４９】
図９はカーボンナノファイバの添加割合と摩耗痕の深さとの関係を示すグラフであり、摩耗痕の深さは寿命に繋がり、耐久性を測る指標の一つになる。
耐久性の点から、摩耗痕の深さは小さいほどよい。サンプルＡで得た、実験１の結果では、摩擦痕の深さは０．９２μｍであった。発明の成果として、０．９２より大幅に小さいことが求められる。そこで、実験１で得た摩擦痕の深さの半分の値（０．９２／２）を摩擦痕の深さの上限値とすることにした。上限値０．４６の線を図に記入する。
【００５０】
上限値の線より、下が好ましい。すなわち、実験３、４、８、９、１０は摩擦痕の深さが十分に小さい。実験３でのＣＮＦの添加割合が１．５ｇ／リットルであり、実験１０でのＣＮＦの添加割合が５．０ｇ／リットルであるから、カーボンナノファイバの添加割合は、１．５〜５．０ｇ／リットルの範囲にあればよい。
なお、実験３、４、８、９の間に「谷」がある。実験３が１．５ｇ／リットル、実験９が３．０ｇ／リットルであるから、カーボンナノファイバの添加割合は、１．５〜３．０ｇ／リットルの範囲にあればなおよい。
【００５１】
一方、△で示す実験５、６、７は、微粒子付きＣＮＦを含む鉄系複合めっき層であって、カーボンナノファイバの添加割合は、１．０ｇ／リットルで十分である。すなわち、微粒子付着カーボンナノファイバを添加した鉄系複合めっき層からなる実５〜実７は、カーボンナノファイバの露出本数が少ないにも拘わらず、高い耐久性が得られた。
【００５２】
図１０はカーボンナノファイバの添加割合と表面粗さとの関係を示すグラフであり、表面粗さは、添加物が添加されていない実験１が、最小である。添加物を加えた実験２〜１０は表面粗さが大きくなると予想される。グラフはその予想通りに、カーボンナノファイバの添加割合に比例して表面粗さが大きくなる。しかし、実験１０でも表面粗さは０．２２０μｍであるため、使用上は問題にならない程度の粗さであると言える。
また、実験５、６、７（微粒子付きＣＮＦを含む鉄系複合めっき層）は、表面粗さが十分に小さいことが確認できた。
【００５３】
以上の実験によれば、鉄めっき浴に、カーボンナノファイバ又は微粒子付着カーボンナノファイバを適量添加すれば、１回のめっき工程で、高い耐久性の被覆アルミニウム製品が提供される。めっき工程が１回であるからめっき工程に係る製造コストを低減することができる。
【００５４】
次に、カーボンナノファイバの露出本数と動摩擦係数、摩耗痕の深さ又は表面粗さの相関を調べた。
図１１は露出したカーボンナノファイバの本数と動摩擦係数との関係を示すグラフであり、グラフ中、「実２」を付した点は、表２によれば、動摩擦係数が０．３１で、サンプルはＢであった。サンプルＢは、露出したカーボンナノファイバの本数は３０である。したがって、横軸が３０で、縦軸が０．３１の位置にプロットした。「実１」、「実３」〜「実１０」も同様である。
露出したカーボンナノファイバが多い程、動摩擦係数が、ほぼ小さくなることが確認できた。
【００５５】
図１２は露出したカーボンナノファイバの本数と摩擦痕の深さとの関係を示すグラフであり、露出したカーボンナノファイバが多い程、摩擦痕の深さが小さくなることが確認できた。ただし、露出したカーボンナノファイバを増やすためには、カーボンナノファイバの添加量を増やす必要があり、５０本（実験８）〜２２０本（実験１０）が好適である。また、△で示す微粒子付きカーボンナノファイバでは、それ以下の本数（５０本〜９０本）でも十分な効果を得ることができる。
以上から、露出したカーボンナノファイバが潤滑作用を発揮すると考えられる。
【００５６】
図１３は露出したカーボンナノファイバの本数と表面粗さとの関係を示すグラフであり、実験１は露出したカーボンナノファイバの本数がゼロであるため、表面粗さが、最小である。露出したカーボンナノファイバが認められる実験２〜１０は表面粗さが大きくなると予想される。グラフはその予想通りに、露出したカーボンナノファイバの本数にほぼ比例して表面粗さが大きくなる。しかし、実験１０でも表面粗さは０．２２０μｍであるため、使用上は問題にならない程度の粗さであると言える。
また、実験５、６、７（微粒子付きＣＮＦを含む鉄系複合めっき層）は、表面粗さが十分に小さいことが確認できた。
【００５７】
次に、本発明に係る被覆アルミニウム製品の熱的性質を調べた。
燃焼ガスで温められたピストンは、ピストンリングを介してシリンダへ熱を逃がすことで、熱的な平衡が保たれる。ピストンからピストンリングへの熱伝導性が高い、又はピストンリングからシリンダへの熱伝導性が高いほど、ピストンの温度を下げることができる。そこで、ピストン又はシリンダに被覆する鉄系複合めっき層の作用を調べる必要がある。
【００５８】
そこで、厚さが２．０ｍｍのアルミニウム合金（ＡＣ８Ａ）の円板と、厚さが２．０ｍｍのアルミニウム合金（ＡＣ８Ａ）の円板の片面に厚さが約２０μｍのカーボンナノ材料を含む鉄系複合めっき層（めっき液ＣＮＦ １．０ｇ／リットルによる。）を被せてなるめっき被覆円板とを準備し、熱伝導率を測定した。熱伝導率の測定には、既存の測定装置を用いた。測定結果を次表に示す。
【００５９】
【表３】
【００６０】
めっきを施さない、実験１１では、熱伝導率は１１４Ｗ／ｍ．Ｋであった。カーボンナノ材料を含む鉄系複合めっき層を施した、実験１２では、熱伝導率は１４４Ｗ／ｍ．Ｋであった。めっきなしに対して、鉄系複合めっき有りは熱伝導率が１．３倍になったことが確認できた。これはカーボンナノ材料が大いに寄与したことによるものと考えられる。
【００６１】
尚、本発明のめっき技術は、内燃機関のピストン又はシリンダに適用したが、その他の車両部品や産業機械の構成部品に適用することは差し支えない。
【００６２】
また、実験の詳細は省略するが、カーボンナノファイバを、カーボンナノチューブやフラーレンに代えて実験を行ったところ、カーボンナノファイバと同等の効果を得ることができた。したがって、カーボンナノ材料は、カーボンナノファイバ、カーボンナノチューブ、フラーレン等のナノサイズのカーボン材料であればよく、形状や種類は問わない。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、アルミニウム製ピストンに好適である。
【符号の説明】
【００６４】
１０…めっき被覆アルミニウム製品（アルミニウム製ピストン）、１１、１３…鉄系複合めっき層、１２…アルミニウム製シリンダ、３１…めっき槽、３３…アルミニウム系母材、３５…複合めっき液、４１…カーボンナノファイバ、５６…微粒子付着カーボンナノファイバ、５７…微粒子の層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐摩耗性を強化しためっき被覆アルミニウム製品に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関を例に説明すると、鋳鉄製シリンダとアルミニウム合金製ピストンとの組み合わせが、長く採用されてきたが、低燃費化に対する車両の軽量化の一環として、シリンダの軽合金化が実用に供されるようになってきた。軽合金は、アルミニウム合金が好まれる。
【０００３】
ピストンは、高速でシリンダ内を軸方向に往復するが、コネクティングロッド（以下、コンロッドと記す。）が傾くため、軸直角方向にスラスト力を受ける。
このスラスト力により、ピストンのスカート部がシリンダと強く接触することによりフリクションが発生し、摺動部が摩耗する。摺動部が摩耗することにより、焼き付き等の問題が発生する。特に、アルミニウム合金同士では、摩耗が激しい為、通常はシリンダの内周面又はピストンの表面にめっきを施す。
【０００４】
そこで、従来は、アルミニウム製ピストンの表面に硬化処理を施す技術が提案されている（例えば、特許文献１（請求項１）、特許文献２（図１）参照。）。
【０００５】
特許文献１に「［請求項１］アルミニウム合金製ピストン本体のクラウン部に複数のリング溝及びランド部が形成され、少なくとも冠面、トップランド部及びトップリング溝部に陽極酸化皮膜層を形成すると共に、前記ピストン本体のスカート部のピストンピン孔部を除く表面に鉄メッキ層を形成したことを特徴とする内燃機関用ピストン。」の記載がある。すなわち、特許文献１に、表面に鉄メッキ処理を施したアルミニウム製ピストンが開示されている。
【０００６】
特許文献２を次図に基づいて説明する。
図１４は従来のピストンの断面図であり、ピストン１００は、アルミニウム製基体１０１の外周面に鉄めっき層１０２を積層し、この鉄めっき層１０２にクロムめっき層１０３を積層形成してなる。
【０００７】
しかし、鉄めっき層１０２は、アルミニウムに比較してスカッフィング（ピストンの表面の一部が溶着し、擦り傷を発生させる現象）の発生及び高温時の凝着摩耗を防止することができるが、耐摩耗性（耐久性）は十分ではない。また、低燃費化の観点から摺動時に発生する摩擦抵抗によるエネルギー損失は無視できず、改善の余地がある。
【０００８】
また、特許文献１には、ピストンリングの溝のうちでトップリング溝に陽極酸化膜（アルマイト）を被せることが知られている。しかし、この場合には、アルマイト処理工程と鉄めっき工程の２つの工程が必要なため、コストと生産効率の面で課題を有する。
【０００９】
また、特許文献２のように、クロムめっき層１０３を被せることで、耐久性の向上が図れるが、鉄めっき工程とクロムめっき工程の二つの工程が必要であるため、製造コストが嵩む。六価クロムが猛毒であるため、クロムめっき工程では、廃液の無害化処理が大切になり、この点でも製造コストが嵩む。
【００１０】
そこで、十分な耐久性及び摺動性が得られ、且つ鉄めっき工程のみを実施して十分な耐久性が得られるアルミニウム製品の被覆技術が必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第３２７４７１８号公報
【特許文献２】特開２００６−２９２１１９公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、鉄めっきで、十分な耐久性が得られるアルミニウム製品の被覆技術を提供することを課題とする。また、処理工程が短縮でき、コスト、効率面で有利な被覆技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１に係るめっき被覆アルミニウム製品は、アルミニウム系母材と、鉄めっき浴にカーボンナノ材料を混合してなる鉄系複合めっき浴によってアルミニウム系母材に被せたカーボンナノ材料を含む鉄系複合めっき層と、からなることを特徴とする。
【００１４】
請求項２に係る発明では、カーボンナノ材料は、予めＳｉＣ粒子を表面に付着させた微粒子付着カーボンナノ材料であることを特徴とする。
【００１５】
請求項３に係る発明では、アルミニウム系母材は、シリンダブロックのシリンダ又はこのシリンダに沿って移動するピストンであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に係る発明では、アルミニウム系母材に、カーボンナノ材料を含む鉄系複合めっき層を被せた。カーボンナノ材料を含む鉄系複合めっき層は、単なる鉄めっき層に比べて、摩擦係数が小さく、耐久性が高い。
１回のめっき工程で、耐久性が高く、摺動性に優れためっき被覆アルミニウム製品が提供される。
【００１７】
請求項２に係る発明では、微粒子付着カーボンナノ材料を鉄めっき浴に添加するようにした。カーボンナノ材料より微粒子付着カーボンナノ材料の方が、少ない添加割合で、耐久性が高く、摺動性に優れためっき被覆アルミニウム製品が得られる。
【００１８】
請求項３に係る発明では、アルミニウム系母材はシリンダ又はピストンとする。本発明により、耐久性の問題が解消できるため、アルミニウム製ピストンやアルミニウム製シリンダがエンジン構成部品として積極的に採用できる。アルミニウムは鋳鉄に比較して比重が小さいため、エンジンの軽量化を促すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係るピストンとシリンダの断面図である。
【図２】図１の２部拡大図である。
【図３】電解めっき設備の原理図である。
【図４】微粒子付着カーボンナノファイバを製造法の一例を説明する図である。
【図５】出来上がった微粒子付着カーボンナノファイバの模式図（一部破断）である。
【図６】サンプルＢの表面の拡大イメージ図である。
【図７】耐久試験の計測要領を説明する図である。
【図８】カーボンナノファイバの添加割合と動摩擦係数との関係を示すグラフである。
【図９】カーボンナノファイバの添加割合と摩耗痕の深さとの関係を示すグラフである。
【図１０】カーボンナノファイバの添加割合と表面粗さとの関係を示すグラフである。
【図１１】露出したカーボンナノファイバの本数と動摩擦係数との関係を示すグラフである。
【図１２】露出したカーボンナノファイバの本数と摩擦痕の深さとの関係を示すグラフである。
【図１３】露出したカーボンナノファイバの本数と表面粗さとの関係を示すグラフである。
【図１４】従来のピストンの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、アルミニウム系母材は、内燃機関のピストンとシリンダを具体例に説明する。しかし、アルミニウム系母材は、ピストンやシリンダに限定されるものではない。
【実施例】
【００２１】
図１は本発明に係るピストンとシリンダの断面図であり、めっき被覆アルミニウム製品としてのアルミニウム製ピストン１０には、鉄系複合めっき層１１が被せられている。シリンダ１２は鋳鉄製又はアルミニウム製とする。
そして、ピストン１０には、３本のリング溝が設けられていて、２本のコンプレッションリング１４、１５及びオイルリング１６（ピストンリング）が嵌められている。
【００２２】
図２は図１の２部拡大図であり、コンプレッションリング１４を収納するリング溝１７にも鉄系複合めっき層１１が被せられている。
コンプレッションリング１４は、燃焼ガスがピストン１０とシリンダ１２との間を、図では上から下へ吹き抜けることを防止するシール部材である。ピストン１０が熱膨張して外径が変化してもシール作用が維持できるように、リング溝１７の底とコンプレッションリング１４との間には隙間（クリアランス）Ｃが確保されている。
【００２３】
この隙間Ｃの間でコンプレッションリング１４が摺動するため、リング溝１７は摩耗する可能性がある。
本発明では、リング溝１７に硬い鉄系複合めっき層１１を被せたので、陽極酸化被膜を形成する必要が無くなり、またその為のマスキングも不要となるため、処理工程を大幅に短縮でき、製造コスト、生産効率の面で有利である。さらに、鉄めっき被膜内にカーボンナノファイバが含まれているため、耐摩耗性及び熱伝導性の向上（詳細後述）が図れ、ピストン上面からの熱をリング溝１７からピストンリングを介して効率よく逃がすことができる。図１に示すコンプレッションリング１５、オイルリング１６についても同様。
【００２４】
以上に説明した鉄系複合めっき層の詳細を、以下に説明する。
図３は電解めっき設備の原理図であり、電解めっき設備３０は、めっき槽３１に正極として鉄板３２を下げるとともに負極としてアルミニウム系母材３３を下げ、鉄板３２とアルミニウム系母材３３に電源３４を連結し、めっき槽３１に次に述べる複合めっき液（以下、めっき液と記す。）３５を満たした設備である。
めっき液３５を撹拌し循環させる撹拌手段、循環手段は必須であるが周知の手段が採用できるので説明は省略する。
【００２５】
めっき液３５は、鉄めっき浴（水＋硫酸鉄＋硫酸アンモニウム＋尿素）をベースとし、これに、カーボンナノファイバ又は微粒子付着カーボンナノファイバを適量混合してなる、複合めっき液である。微粒子付着カーボンナノファイバの製造法を次に述べる。
【００２６】
図４は微粒子付着カーボンナノファイバを製造法の一例を説明する図である。
（ａ）：カーボンナノファイバ４１を準備する。例えば１０ｇ。
（ｂ）：炭素と反応して化合物を生成する微粒子として、Ｓｉ粉末４２を準備する。例えば１０ｇ。
【００２７】
（ｃ）：乳鉢４３にカーボンナノファイバ１１及びＳｉ粉末４２を入れ、１５分〜３０分間乳棒４４で混合する。
（ｄ）：得られた混合物４５を、アルミナ製容器４６に入れ、アルミナ製蓋４７を被せる。この蓋４７は非密閉蓋を採用することで、容器４６の内部と外部との通気を可能にする。
【００２８】
（ｅ）：密閉炉体５１と、炉体５１内部を加熱する加熱手段５２と、容器４６を載せる台５３、５３と、炉体５１内部を真空にする真空ポンプ５４とを備える真空炉５０を準備し、この真空炉５０に容器４６を入れる。
真空下で加熱することで、混合物４５中のＳｉ粉末が蒸発する。蒸発したＳｉがカーボンナノファイバの表面に接触し、化合物を形成し、ＳｉＣの微粒子となって付着する。
【００２９】
図５は出来上がった微粒子付着カーボンナノファイバの模式図（一部破断）であり、電子顕微鏡で観察したものをスケッチした。すなわち、微粒子付着カーボンナノファイバ５６は芯となるカーボンナノファイバ４１と、このカーボンナノファイバ４１の表面をほぼ均等に覆っている微粒子の層５７とからなる。この微粒子の層５７の厚さＴは、２０ｎｍ〜８０ｎｍで、平均は５０ｎｍ程度であった。
また、上記微粒子付着カーボンナノファイバにＸ線回析を行ったところ、Ｓｉのピークは検出されず、ＣとＳｉＣのピークが検出された。したがって、Ｓｉ微粒子は、接触によりＳｉＣになっていると考えられる。
【００３０】
以上に説明した微粒子付着カーボンナノファイバを鉄めっき浴に添加した場合と、カーボンナノファイバ（微粒子を付着させていない普通のカーボンナノファイバ）を鉄めっき浴に添加した場合と、鉄めっき浴だけの場合とで、得られる鉄系複合めっき層の特性（特に、耐摩耗性（耐久性）、動摩擦係数（摺動性））に差があるか否かを、実験により確かめた。ただし、実験では、アルミニウム系母材としてＳｉ系アルミニウム板（ＡＣ８Ａ）を代用した。
【００３１】
（実験例）
本発明に係る実験例を以下に述べる。なお、本発明は実験例に限定されるものではない。
○サンプルＡ〜サンプルＪの作製：
動摩擦係数及び摩擦痕の深さを測定するために、複数のサンプルを作製する。この作製の内容を次の表に示す。
【００３２】
【表１】
【００３３】
サンプルＡは、アルミニウム板を、鉄めっき浴（添加物なし）に浸漬し、浴温５５℃、電流密度１５Ａ／ｄｍ2、時間５分の条件で、鉄めっきを施して作製した。
【００３４】
サンプルＢでは、鉄めっき浴に、１リットル当たり１．０ｇの割合でカーボンナノファイバ（ＣＮＦ）を添加して複合めっき浴とした。このような複合めっき浴に、アルミニウム板を浸漬し、浴温５５℃、電流密度２Ａ／ｄｍ2、時間１０分の条件で、鉄系複合めっきを施して作製した。
【００３５】
図６はサンプルＢの表面の拡大イメージ図であり、顕微鏡で観察したところ、サンプルＢの表面からカーボンナノファイバ４１が髪の毛のように露出していた。この本数を数えたところ、３０μｍ×３０μｍ当たり３０本であった。そこで、表１の最も右の欄で、３行目にその数値を記載した。
【００３６】
サンプルＣは、サンプルＢに対して、カーボンナノファイバの添加割合を、１．５ｇ／リットルに変え、処理条件の一部を変更して、鉄系複合めっきを施して作製した。露出ＣＮＦは１２３本であった。
サンプルＤは、サンプルＢに対して、カーボンナノファイバの添加割合を、２．０ｇ／リットルに変え、処理条件の一部を変更して、鉄系複合めっきを施して作製した。露出ＣＮＦは１４１本であった。
【００３７】
サンプルでＥは、鉄めっき浴に、１リットル当たり１．２ｇの割合で微粒子付着カーボンナノファイバ（Ｓｉ−ＣＮＦ）を添加して複合めっき浴とした。サンプルＥでは、Ｓｉ：ＣＮＦ＝１：５とした。換算（１．２×（５／６）＝１．０）すると、サンプルＥは、鉄めっき浴に、１リットル当たり１．０ｇの割合でカーボンナノファイバを混合添加したことにある。
このような複合めっき液に、アルミニウム板を浸漬し、浴温５５℃、電流密度４Ａ／ｄｍ2、時間１０分の条件で、鉄系複合めっきを施して作製した。露出ＣＮＦ（正確には露出した微粒子付着カーボンナノファイバ）は４７本であった。
【００３８】
サンプルＦでは、鉄めっき浴に、１リットル当たり１．５ｇの割合で微粒子付着カーボンナノファイバ（Ｓｉ−ＣＮＦ）を添加して複合めっき浴とした。サンプルＦでは、Ｓｉ：ＣＮＦ＝１：２とした。換算（１．５×（２／３）＝１．０）すると、サンプルＦは、鉄めっき浴に、１リットル当たり１．０ｇの割合でカーボンナノファイバを混合添加したことにある。
このような複合めっき液に、アルミニウム板を浸漬し、浴温５５℃、電流密度４Ａ／ｄｍ2、時間１０分の条件で、鉄系複合めっきを施して作製した。露出ＣＮＦ（正確には露出した微粒子付着カーボンナノファイバ）は６７本であった。
【００３９】
サンプルＧでは、鉄めっき浴に、１リットル当たり２．０ｇの割合で微粒子付着カーボンナノファイバ（Ｓｉ−ＣＮＦ）を添加して複合めっき浴とした。サンプルＧでは、Ｓｉ：ＣＮＦ＝１：１とした。換算（２．０×（１／２）＝１．０）すると、サンプルＧは、鉄めっき浴に、１リットル当たり１．０ｇの割合でカーボンナノファイバを混合添加したことにある。
このような複合めっき液に、アルミニウム板を浸漬し、浴温５５℃、電流密度４Ａ／ｄｍ2、時間５分の条件で、鉄系複合めっきを施して作製した。露出ＣＮＦ（正確には露出した微粒子付着カーボンナノファイバ）は８９本であった。
【００４０】
サンプルＨは、サンプルＢに対して、カーボンナノファイバの添加割合を、３．０ｇ／リットル、電流密度４Ａ／ｄｍ2、時間５分の条件で、鉄系複合めっきを施して作製した。露出ＣＮＦは５３本であった。
サンプルＩは、サンプルＢに対して、カーボンナノファイバの添加割合を、３．０ｇ／リットルに変更して、鉄系複合めっきを施して作製した。露出ＣＮＦは１１９本であった。
サンプルＪは、サンプルＢに対して、カーボンナノファイバの添加割合を、５．０ｇ／リットルに変更して、鉄系複合めっきを施して作製した。露出ＣＮＦは２２２本であった。
【００４１】
図７は耐久試験の計測要領を説明する図であり、アルミニウム系母材板３３に鉄めっき層又は鉄系複合めっき層１１が被覆されているサンプルＡ〜Ｇに、想像線で示す試験棒５９を臨ませる。そして、この試験棒５９を鉄めっき膜又は鉄系複合めっき膜１１に擦りつけることで試験を行う。試験棒５９は先端（図では下端）に直径１０ｍｍの球面を備えたアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）製のものを使用した。そして、５０ｇの押力で接触させ、４ｍｍの距離を、無潤滑で０．５ｍｍ／秒の速度で５０回往復させた。
【００４２】
得られる動摩擦係数測定値は、往復回数が５回以下では変動が激しいが、往復回数が２０〜４０回で安定化し、５０回で安定した値が得られた。
また、鉄めっき層又は鉄系複合めっき層１１の表面に発生した、摩擦痕の深さをレーザー顕微鏡で測定した。
さらに、表面粗さ計で、サンプル（耐久試験測定前の時点で）の表面粗さを測定した。
以上の要領で測定した動摩擦係数、摩擦痕の深さ及び表面粗さを次表に示す。なお、次表には表１に示す「添加物」と「露出ＣＮＦ」をサンプルの欄の右に転記した。
【００４３】
【表２】
【００４４】
実験１は、サンプルＡ（ＣＮＦを含まない鉄めっき層）について実施した。動摩擦係数は０．５０、摩擦痕の深さは０．９２μｍ、表面粗さは０．０８４μｍであった。
ＣＮＦを含む鉄系複合めっき層を有する、サンプルＢ、Ｃ、Ｄについて、実験２、３、４を実施し、表に示す動摩擦係数と摩耗痕の深さと表面粗さを得た。
【００４５】
微粒子付きＣＮＦを含む鉄系複合めっき層を有する、サンプルＥ、Ｆ、Ｇについて、実験５、６、７を実施し、表に示す動摩擦係数と摩耗痕の深さと表面粗さを得た。
ＣＮＦを含む鉄系複合めっき層を有する、サンプルＨ、Ｉ、Ｊについて、実験８、９、１０を実施し、表に示す動摩擦係数と摩耗痕の深さと表面粗さを得た。
【００４６】
次に、カーボンナノファイバの添加割合と動摩擦係数、摩耗痕の深さ又は表面粗さの相関を調べた。
図８はカーボンナノファイバの添加割合と動摩擦係数との関係を示すグラフであり、グラフ中、「実１」を付した点は、表２によれば、動摩擦係数が０．５０で、サンプルはＡであった。サンプルＡは、カーボンナノファイバの添加はゼロである。したがって、横軸が０で、縦軸が０．５の位置にプロットした。「実２」〜「実１０」も同様である。
【００４７】
動摩擦係数は、その値が大きいほど内燃機関におけるエネルギーの機械的損失に繋がり、小さい程好ましい。
ところで、サンプルＡは、アルミニウムの母材に添加物を含まない鉄めっきを施した。このようなサンプルＡで得た、実験１の結果では、動摩擦係数は０．５０であった。発明の成果として、０．５０より大幅に小さい動摩擦係数が求められる。そこで、実験１で得た動摩擦係数の半分の値（０．５０／２）を動摩擦係数の上限値とすることにした。上限値０．２５の線を図に記入する。
【００４８】
上限値の線より、下が好ましい。すなわち、実験３、４、８、９、１０は動摩擦係数が十分に小さい。実験３でのＣＮＦの添加割合が１．５ｇ／リットルであり、実験１０でのＣＮＦの添加割合が５．０ｇ／リットルであるから、カーボンナノファイバの添加割合は、１．５〜５．０ｇ／リットルの範囲にあればよい。一方、△で示す実験５、６、７は、微粒子付きＣＮＦを含む鉄系複合めっき層であって、カーボンナノファイバの添加割合は、１．０ｇ／リットルで十分である。
【００４９】
図９はカーボンナノファイバの添加割合と摩耗痕の深さとの関係を示すグラフであり、摩耗痕の深さは寿命に繋がり、耐久性を測る指標の一つになる。
耐久性の点から、摩耗痕の深さは小さいほどよい。サンプルＡで得た、実験１の結果では、摩擦痕の深さは０．９２μｍであった。発明の成果として、０．９２より大幅に小さいことが求められる。そこで、実験１で得た摩擦痕の深さの半分の値（０．９２／２）を摩擦痕の深さの上限値とすることにした。上限値０．４６の線を図に記入する。
【００５０】
上限値の線より、下が好ましい。すなわち、実験３、４、８、９、１０は摩擦痕の深さが十分に小さい。実験３でのＣＮＦの添加割合が１．５ｇ／リットルであり、実験１０でのＣＮＦの添加割合が５．０ｇ／リットルであるから、カーボンナノファイバの添加割合は、１．５〜５．０ｇ／リットルの範囲にあればよい。
なお、実験３、４、８、９の間に「谷」がある。実験３が１．５ｇ／リットル、実験９が３．０ｇ／リットルであるから、カーボンナノファイバの添加割合は、１．５〜３．０ｇ／リットルの範囲にあればなおよい。
【００５１】
一方、△で示す実験５、６、７は、微粒子付きＣＮＦを含む鉄系複合めっき層であって、カーボンナノファイバの添加割合は、１．０ｇ／リットルで十分である。すなわち、微粒子付着カーボンナノファイバを添加した鉄系複合めっき層からなる実５〜実７は、カーボンナノファイバの露出本数が少ないにも拘わらず、高い耐久性が得られた。
【００５２】
図１０はカーボンナノファイバの添加割合と表面粗さとの関係を示すグラフであり、表面粗さは、添加物が添加されていない実験１が、最小である。添加物を加えた実験２〜１０は表面粗さが大きくなると予想される。グラフはその予想通りに、カーボンナノファイバの添加割合に比例して表面粗さが大きくなる。しかし、実験１０でも表面粗さは０．２２０μｍであるため、使用上は問題にならない程度の粗さであると言える。
また、実験５、６、７（微粒子付きＣＮＦを含む鉄系複合めっき層）は、表面粗さが十分に小さいことが確認できた。
【００５３】
以上の実験によれば、鉄めっき浴に、カーボンナノファイバ又は微粒子付着カーボンナノファイバを適量添加すれば、１回のめっき工程で、高い耐久性の被覆アルミニウム製品が提供される。めっき工程が１回であるからめっき工程に係る製造コストを低減することができる。
【００５４】
次に、カーボンナノファイバの露出本数と動摩擦係数、摩耗痕の深さ又は表面粗さの相関を調べた。
図１１は露出したカーボンナノファイバの本数と動摩擦係数との関係を示すグラフであり、グラフ中、「実２」を付した点は、表２によれば、動摩擦係数が０．３１で、サンプルはＢであった。サンプルＢは、露出したカーボンナノファイバの本数は３０である。したがって、横軸が３０で、縦軸が０．３１の位置にプロットした。「実１」、「実３」〜「実１０」も同様である。
露出したカーボンナノファイバが多い程、動摩擦係数が、ほぼ小さくなることが確認できた。
【００５５】
図１２は露出したカーボンナノファイバの本数と摩擦痕の深さとの関係を示すグラフであり、露出したカーボンナノファイバが多い程、摩擦痕の深さが小さくなることが確認できた。ただし、露出したカーボンナノファイバを増やすためには、カーボンナノファイバの添加量を増やす必要があり、５０本（実験８）〜２２０本（実験１０）が好適である。また、△で示す微粒子付きカーボンナノファイバでは、それ以下の本数（５０本〜９０本）でも十分な効果を得ることができる。
以上から、露出したカーボンナノファイバが潤滑作用を発揮すると考えられる。
【００５６】
図１３は露出したカーボンナノファイバの本数と表面粗さとの関係を示すグラフであり、実験１は露出したカーボンナノファイバの本数がゼロであるため、表面粗さが、最小である。露出したカーボンナノファイバが認められる実験２〜１０は表面粗さが大きくなると予想される。グラフはその予想通りに、露出したカーボンナノファイバの本数にほぼ比例して表面粗さが大きくなる。しかし、実験１０でも表面粗さは０．２２０μｍであるため、使用上は問題にならない程度の粗さであると言える。
また、実験５、６、７（微粒子付きＣＮＦを含む鉄系複合めっき層）は、表面粗さが十分に小さいことが確認できた。
【００５７】
次に、本発明に係る被覆アルミニウム製品の熱的性質を調べた。
燃焼ガスで温められたピストンは、ピストンリングを介してシリンダへ熱を逃がすことで、熱的な平衡が保たれる。ピストンからピストンリングへの熱伝導性が高い、又はピストンリングからシリンダへの熱伝導性が高いほど、ピストンの温度を下げることができる。そこで、ピストン又はシリンダに被覆する鉄系複合めっき層の作用を調べる必要がある。
【００５８】
そこで、厚さが２．０ｍｍのアルミニウム合金（ＡＣ８Ａ）の円板と、厚さが２．０ｍｍのアルミニウム合金（ＡＣ８Ａ）の円板の片面に厚さが約２０μｍのカーボンナノ材料を含む鉄系複合めっき層（めっき液ＣＮＦ １．０ｇ／リットルによる。）を被せてなるめっき被覆円板とを準備し、熱伝導率を測定した。熱伝導率の測定には、既存の測定装置を用いた。測定結果を次表に示す。
【００５９】
【表３】
【００６０】
めっきを施さない、実験１１では、熱伝導率は１１４Ｗ／ｍ．Ｋであった。カーボンナノ材料を含む鉄系複合めっき層を施した、実験１２では、熱伝導率は１４４Ｗ／ｍ．Ｋであった。めっきなしに対して、鉄系複合めっき有りは熱伝導率が１．３倍になったことが確認できた。これはカーボンナノ材料が大いに寄与したことによるものと考えられる。
【００６１】
尚、本発明のめっき技術は、内燃機関のピストン又はシリンダに適用したが、その他の車両部品や産業機械の構成部品に適用することは差し支えない。
【００６２】
また、実験の詳細は省略するが、カーボンナノファイバを、カーボンナノチューブやフラーレンに代えて実験を行ったところ、カーボンナノファイバと同等の効果を得ることができた。したがって、カーボンナノ材料は、カーボンナノファイバ、カーボンナノチューブ、フラーレン等のナノサイズのカーボン材料であればよく、形状や種類は問わない。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、アルミニウム製ピストンに好適である。
【符号の説明】
【００６４】
１０…めっき被覆アルミニウム製品（アルミニウム製ピストン）、１１、１３…鉄系複合めっき層、１２…アルミニウム製シリンダ、３１…めっき槽、３３…アルミニウム系母材、３５…複合めっき液、４１…カーボンナノファイバ、５６…微粒子付着カーボンナノファイバ、５７…微粒子の層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム系母材と、鉄めっき浴にカーボンナノ材料を混合してなる鉄系複合めっき浴によって前記アルミニウム系母材に被せたカーボンナノ材料を含む鉄系複合めっき層と、からなることを特徴とするめっき被覆アルミニウム製品。
【請求項２】
前記カーボンナノ材料は、予めＳｉＣ粒子を表面に付着させた微粒子付着カーボンナノ材料であることを特徴とする請求項１記載のめっき被覆アルミニウム製品。
【請求項３】
前記アルミニウム系母材は、シリンダブロックのシリンダ又はこのシリンダに沿って移動するピストンであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のめっき被覆アルミニウム製品。
【請求項１】
アルミニウム系母材と、鉄めっき浴にカーボンナノ材料を混合してなる鉄系複合めっき浴によって前記アルミニウム系母材に被せたカーボンナノ材料を含む鉄系複合めっき層と、からなることを特徴とするめっき被覆アルミニウム製品。
【請求項２】
前記カーボンナノ材料は、予めＳｉＣ粒子を表面に付着させた微粒子付着カーボンナノ材料であることを特徴とする請求項１記載のめっき被覆アルミニウム製品。
【請求項３】
前記アルミニウム系母材は、シリンダブロックのシリンダ又はこのシリンダに沿って移動するピストンであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のめっき被覆アルミニウム製品。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１０−１００９２７（Ｐ２０１０−１００９２７Ａ）
【公開日】平成２２年５月６日（２０１０．５．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１５２７１１（Ｐ２００９−１５２７１１）
【出願日】平成２１年６月２６日（２００９．６．２６）
【出願人】（０００２２７０５４）日精樹脂工業株式会社 (293)
【出願人】（３９０００８８２２）アート金属工業株式会社 (39)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月６日（２０１０．５．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月２６日（２００９．６．２６）
【出願人】（０００２２７０５４）日精樹脂工業株式会社 (293)
【出願人】（３９０００８８２２）アート金属工業株式会社 (39)
【Ｆターム（参考）】
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