DE102023109831A1

DE102023109831A1 - Kolben für verbrennungsmotor und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE102023109831A1
Application number: DE102023109831.4A
Authority: DE
Inventors: Shinya Masuhara; Masahiro Fujita
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2022-05-24
Filing date: 2023-04-19
Publication date: 2023-11-30
Also published as: JP2023172617A

Abstract

[Zu lösendes Problem]Die Schaffung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, der die Festfressbeständigkeit einer Schaftoberfläche steigern und die Reibung gleichzeitig verringern kann, außerdem die Schaffung eines Verfahrens zum Fertigen des Kolbens.[Lösung]Ein druckseitiger Schaftabschnitt 18A, der sich zum Boden einer Zylinderbohrung erstreckt, und ein anti-druckseitiger Schaftabschnitt 18B an einer Stelle abgewandt von dem druckseitigen Schaftabschnitt 18A in dem Außenumfangsabschnitt eines Kolbens 10 sind durch eine Aluminiumlegierung als Basismaterial 40 konfiguriert, und wenn die Außenflächen der beiden Schaftabschnitte mit einem gepulsten Laserstrahl behandelt werden, um eine dispergierte Siliciumschicht 43 auf jeder der Außenflächen auszubilden, wird die durchschnittliche Siliciumpartikelgröße einer ersten dispergierten Siliciumschicht 43A an dem druckseitigen Schaftabschnitt 18A kleiner gehalten als die durchschnittliche Siliciumpartikelgröße einer zweiten dispergierten Siliciumschicht 43B, die an dem anti-druckseitigen Schaftabschnitt 18B zu bilden ist.

Description

[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
[Technischer Hintergrund]
In einem Verbrennungsmotor, zum Beispiel einem Motor in einem Fahrzeug, beispielsweise einem Pkw, läuft ein Kolben in einer Richtung entlang einer geradlinigen Längsachse innerhalb einer Zylinderbohrung, die sich in Längsachsenrichtung erstreckt. Dabei gleitet ein Außenumfangsabschnitt des Kolbens an einem Innenumfangsabschnitt der Zylinderbohrung. Typischerweise enthält der Kolben einen Kolbenkörper mit einem Außenumfangsabschnitt, der entlang dem Innenumfangsabschnitt der Zylinderbohrung gleitet, und zwei Schaft- oder Hemdabschnitte, die sich von dem Außenumfangsabschnitt des Kolbenkörpers hin zu der Bodenseite der Zylinderbohrung erstrecken. Außerdem ist in dem Kolben eine Harzbeschichtung an einer Außenfläche jedes Schaftabschnitts ausgebildet, um den Reibungswiderstand des Außenumfangsabschnitts des Kolbens gegenüber dem Innenumfangsabschnitt der Zylinderbohrung zu verringern.
Die Patentschrift 1 beschreibt einen Kolben, der in einen Verbrennungsmotor eingesetzt wird. Er enthält einen Kolbenkörper aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, außerdem eine modifizierte Schicht, die auf einer Oberfläche eines Festigkeits-Verstärkungsabschnitts des Kolbenkörpers durch eine Laser-Peening-Behandlung und eine Wärmebehandlung gebildet ist. Die Schicht besitzt eine Oberfläche aus Aluminiumoxid durch Plasmaoxidation und enthält eine Rest-Druckspannung.
[Literaturliste]
[Patentliteratur]
[Patentschrift 1] JP 2015-086766 A
[Offenbarung der Erfindung]
[Durch die Erfindung zu lösende Probleme]
Die Patentschrift 1 offenbart, dass die Laser-Peening-Behandlung auch an einer Schaftoberfläche des Kolbens vorgenommen werden kann. Wenn allerdings die modifizierte Schicht mit feiner Ungleichmäßigkeit auf ihrer Oberfläche an der Schaftoberfläche durch die Laser-Peening-Behandlung ausgebildet wird, kann davon ausgegangen werden, dass die Festfressbeständigkeit der Schaftoberfläche gesteigert ist. Da allerdings die Härte der modifizierten Schicht durch Verleihung der Rest-Druckspannung gesteigert ist im Vergleich zu dem Basismaterial der Aluminiumlegierung, wird das Ausmaß einer Verformung unterdrückt, was zu einem Problem insofern führt, dass die Kontaktfläche bezüglich einer Zylinderbuchse möglicherweise verringert ist, was wiederum zu einer Verschlechterung der Reibung aufgrund der Zunahme des Oberflächendrucks führt.
Im Hinblick auf das obige Problem ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, der die Festfressbeständigkeit einer Schaftoberfläche erhöhen und gleichzeitig die Reibung verringern kann. Außerdem soll ein Verfahren zu seiner Fertigung angegeben werden.
[Mittel zum Lösen des Problems]
Um das obige Ziel zu erreichen, enthält gemäß einem Aspekt der Erfindung ein Kolben für einen Verbrennungsmotor: einen Kolbenkörper mit einem Außenumfangsabschnitt, der konfiguriert ist, um gegen einen Innenumfangsabschnitt einer Zylinderbohrung in einer Längsrichtung verschiebbar zu sein; und zwei Schaftabschnitte, die einander in radialer Richtung des Kolbenkörpers abgewandt sind und sich von dem Außenumfangsabschnitt des Kolbenkörpers in Richtung eines Bodens der Zylinderbohrung erstrecken, wobei die beiden Schaftabschnitte einen druckseitigen Schaftabschnitt, der sich auf einer Druckseite in einer dem Schaft zugewandten Richtung befindet, wobei die Richtung definiert ist durch eine Richtung, in der die beiden Schaftabschnitte einander gegenüberliegen, und einen anti-druckseitigen Schaftabschnitt, der sich auf einer Anti-Druckseite in dem Schaft zugewandter Richtung befindet, aufweisen, wobei der Kolbenkörper und die beiden Schaftabschnitte konfiguriert sind durch eine Aluminiumlegierung als Basismaterial, und eine dispergierte Siliciumschicht, in welcher Silicium innerhalb der Aluminiumlegierung feiner dispergiert ist als das Basismaterial, auf einer Außenfläche jeder der beiden Schaftabschnitte ausgebildet ist, und wobei eine durchschnittliche Siliciumpartikelgröße einer ersten dispergierten Siliciumschicht, die an dem druckseitigen Schaftabschnitt ausgebildet ist, kleiner ist als eine durchschnittliche Siliciumpartikelgröße einer zweiten dispergierten Siliciumschicht, die an dem anti-druckseitigen Schaftabschnitt gebildet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Fertigen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor: einen Schritt des Vorbereitens des Kolbens für einen Verbrennungsmotor, enthaltend einen Kolbenkörper mit einem Außenumfangsabschnitt, der konfiguriert ist, um verschieblich an einem Innenumfangsabschnitt einer Zylinderbohrung in Längsrichtung zu sein, und zwei Schaftabschnitte, die einander in radialer Richtung des Kolbenkörpers abgewandt sind und sich von dem Außenumfangsabschnitt des Kolbenkörpers zu einem Boden der Zylinderbohrung erstrecken, wobei die beiden Schaftabschnitte aufweisen: einen druckseitigen Schaftabschnitt auf einer Druckseite in einer dem Schaft zugewandten Richtung, definiert durch eine Richtung, in welcher die beiden Schaftabschnitte einander abgewandt sind, und einen anti-druckseitigen Schaftabschnitt auf einer Anti-Druckseite in dem Schaft zugewandter Richtung, wobei der Kolbenkörper und die beiden Schaftabschnitte konfiguriert sind durch eine Aluminiumlegierung als Basismaterial; und einen Laserbestrahlungsschritt des Bestrahlens von Außenflächen der beiden Schaftabschnitte des Kolbens für einen Verbrennungsmotor mit einem gepulsten Laserstrahl, um an jeder der Außenflächen eine dispergierte Siliciumschicht zu bilden, wobei im Rahmen des Laserbestrahlungsschritts eine durchschnittliche Siliciumpartikelgröße einer ersten dispergierten Siliciumschicht auf dem druckseitigen Schaftabschnitt kleiner gehalten ist als eine durchschnittliche Siliciumpartikelgröße einer zweiten dispergierten Siliciumschicht, die auf dem anti-druckseitigen Schaftabschnitt gebildet wird.
[Vorteilhafte Wirkungsweise der Erfindung]
Durch die oben erläuterte Erfindung ist es möglich, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, der die Festfressbeständigkeit einer Schaftoberfläche steigern und gleichzeitig die Reibung verringern kann, außerdem kann ein Verfahren zu dessen Fertigung erhalten werden.
[Kurze Beschreibung der Zeichnungen]

1 ist eine Frontansicht, die schematisch ein Beispiel eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor zeigt.
2 ist eine schematische Querschnittansicht, die die jeweiligen Schritte des Ansaugens, der Kompression, der explosiven Verbrennung und des Ausstoßens für den Kolben eines Verbrennungsmotors veranschaulicht.
3 ist ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Fertigen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß der Erfindung.
4 ist eine Querschnittansicht, die schematisch eine Außenoberfläche eines Schaftabschnitts des Kolbens für einen Verbrennungsmotor nach einem Abspanschritt bei dem Fertigungsverfahren nach 2 veranschaulicht.
5 ist eine Querschnittansicht, die schematisch den Kolben für einen Verbrennungsmotor zeigt, in dem eine dispergierte Siliciumschicht in einem druckseitigen Schaftabschnitt und einem anti-druckseitigen Schaftabschnitt veranschaulicht.
6 ist ein schematisches Diagramm, das eine Zone veranschaulicht, in der die dispergierte Siliciumschicht des druckseitigen Schaftabschnitts des Kolbens für einen Verbrennungsmotor ausgebildet ist.
7 ist ein schematisches Diagramm einer Zone, in der die dispergierte Siliciumschicht des anti-druckseitigen Schaftabschnitts des Kolbens für einen Verbrennungsmotor ausgebildet ist.
8 ist ein schematisches Diagramm der Ausführungsform der Laserbestrahlung des Schaftabschnitts des Kolbens für einen Verbrennungsmotor.
9 ist ein schematisches Diagramm, das ein Überlappungsmaß beim Abtasten eines Bestrahlungsflecks im Rahmen eines Laserbestrahlungsschritts veranschaulicht.
10 ist ein schematisches Diagramm einer weiteren Ausführungsform einer Laserbestrahlung des Schaftabschnitts des Kolbens für einen Verbrennungsmotor.
11 ist ein mikroskopisches Bild, das einen Querschnitt eines Kolben-Rohmaterials nach der Laserbestrahlung gemäß Beispiel 1 veranschaulicht.
12 ist ein mikroskopisches Bild eines Querschnitts eines Kolben-Rohmaterials nach einer Laserbestrahlung gemäß Beispiel 2.
13 ist ein mikroskopisches Bild eines Querschnitts eines Kolben-Rohmaterials ohne Laserbestrahlung gemäß einem Vergleichsbeispiel.

[Weg zum Ausführen der Erfindung]
Im folgenden wird anhand der begleitenden Zeichnungen eine Ausführungsform eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor (im folgenden einfach als „Kolben“ bezeichnet) und eines Verfahrens zum Fertigen des Kolbens beschrieben.
Zunächst soll ein grundlegender Aufbau eines Kolbens beschrieben werden. Wie in 1 gezeigt ist, ist ein Kolben 10 gemäß vorliegende Ausführungsform ein Bauteil, dessen Außenumfangsabschnitt hin- und hergeht und dabei an einem Innenumfangsabschnitt einer (nicht gezeigten) Zylinderbohrung entlang einer Längsrichtung gleitet. Der Kolben besteht aus einer Aluminiumlegierung. Die Aluminiumlegierung enthält Silicium (Si) als Komponente, die beiträgt zur Verschleißbeständigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber Anhaftung von Aluminium. Beispiele für eine solche Aluminiumlegierung beinhalten AC-Werkstoffe wie die AC4-Reihe (AC4A, AC4B, etc.), AC8-Reihen (AC8A, AC8B, etc.) und AC9-Reihen, ADC-Werkstoffe, wie ADC10 bis ADC14, A4000 und dergleichen, wie sie für Kolben verwendet werden.
Der Kolben 10 besitzt eine im wesentlichen zylindrische Form und besitzt auf seiner Außenumfangsfläche eine erste Ringnut 13, eine zweite Ringnut 15, eine Ölringnut 17 in der Reihenfolge von der Kolbendachfläche 11 her. Bezüglich der Außenumfangsfläche wird ein Bereich zwischen der Kolbendachfläche 11 und der ersten Ringnut 13 als erster Steg (auch : Feuersteg) 12 bezeichnet, ein Bereich zwischen der ersten Ringnut 13 und der zweiten Ringnut 15 wird als zweiter Steg 14 bezeichnet, ein Bereich zwischen der zweiten Ringnut 15 und der Ölringnut 17 wird als dritter Steg 16 bezeichnet, und ein Bereich anschließend an die Ölringnut 17 wird als Schaftabschnitt 18 bezeichnet.
Es lässt sich daher sagen, dass der Kolben 10 einen Kolbenkörper enthält, der sich ausgehend von der Kolbendachfläche 11 zu der Ölringnut 17 erstreckt, außerdem den Schaftabschnitt 18 enthält, der sich von einem Außenumfangsabschnitt des Kolbenkörpers hin zum Boden der Zylinderbohrung erstreckt. Der Schaftabschnitt 18 ist konfiguriert durch zwei Schaftabschnitte, die einander in radialer Richtung des Kolbenkörpers gegenüberliegen und auf beiden Seiten eines Kolbenbolzens 19 angeordnet sind, wobei sich der Kolbenbolzen 19 gemäß 1 zwischen ihnen befindet.
Wenngleich in 1 nicht dargestellt, ist im Hinblick auf den Einfluss der Wärmeausdehnung in Fass-Form ausgebildet, so dass er einen maximalen Außendurchmesser in der Mitte besitzt. In anderen Worten, der Schaftabschnitt 18 ist derart gekrümmt, dass sein Außendurchmesser ausgehend von der Mitte sowohl zur Kolbendachfläche 11 als auch zur Seite des Schaftendabschnitts 18E allmählich abnimmt.
Wie in 2 gezeigt ist, ist der Kolben 10 in einer Zylinderbohrung 3 eines Zylinders 2 eines Motors aufgenommen und bewegt sich wiederholt innerhalb der Zylinderbohrung 3 in Hubrichtung. Der Kolben 10 ist frei schwenkbar von einem Ende einer Kolbenstange 5 über einen Kolbenbolzen 4 gelagert. Das andere Ende der Pleuelstange 5 ist über einen Kurbelwellenzapfen 6 mit einer Kurbelwelle 7 verbunden. Der Kurbelwellenzapfen 6 ist an einer Stelle angeordnet, die gegenüber der Mittelachsenlinie C der Kurbelwelle 7 versetzt ist. Wenn folglich der Kolben 10 sich innerhalb der Zylinderbohrung 3 wiederholt nach oben und nach unten bewegt, dreht sich die Kurbelwelle 7 in einer bestimmten Richtung, wodurch Antriebskraft für ein Fahrzeug entsteht.
Eine Verbrennungskammer 9 ist definiert durch die Kolbendachfläche 11 des Kolbens 10, eine Innenumfangsfläche der Zylinderbohrung 3 und eine Bodenfläche eines Zylinderkopfs 8. 2(a) bis (d) zeigen einen Ansaugschritt, einen Kompressionsschritt, einen Explosionsschritt und einen Ausstoßschritt eines Viertaktmotors. Ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft, das in die Verbrennungskammer 9 bei dem Ansaugschritt nach 2(a) aufgenommen wird, wird durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens 10 im Kompressionsschritt nach 2(b) zusammengedrückt. Als nächstes wird im Verbrennungsschritt der 2(c) das Luft-Kraftstoff-Gemisch explosiv durch einen Zündfunken verbrannt, und der Kolben 10 fährt durch diese Explosion nach unten. Dann fährt in dem Auspuffschritt gemäß 2(d) der Kolben 10 erneut nach oben, und das durch die Verbrennung entstandene Abgas wird aus der Verbrennungskammer 9 ausgestoßen.
Um eine Druckseite des Kolben 10 zu definieren, sei angemerkt, dass dann, wenn der Kolben 10 durch die Explosion im Verbrennungsschritt nach 2(c) nach unten gedrückt wird, die Außenumfangsfläche des Kolbens 10 gegen eine Zylinderbuchse in der Zylinderbohrung 3 gedrückt wird, und zwar durch die Schwenkbewegung der Pleuelstange 5, weil der Kolben 10 mit der Pleuelstange 5 verbunden ist, so dass ein seitlicher Druck aufgebracht wird. Eine Seite, auf der dieser seitliche Druck in dem Kolben 10 wirksam wird, wird als Druckseite des Kolbens 10 bezeichnet, und eine Seite, die der Druckseite in radialer Richtung des Kolbens gegenüberliegt, wird als Anti-Druckseite bezeichnet.
Als nächstes wird ein Verfahren zum Fertigen eines Kolbens gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Wie in 3 gezeigt ist, enthält ein Verfahren 20 zum Fertigen des Kolbens einen Schritt 21 des Gießens eines Kolbens, einen Schritt 22 des Durchführens einer Wärmebehandlung an dem gegossenen Kolben, einen Schritt 23 des Abspanens des wärmebehandelten Kolbens, einen Schritt 24 des Ausführens einer Laserbestrahlung an dem Schaftabschnitt des Kolbens, und einen Schritt 25 des Ausführens einer Oberflächenbehandlung, um den Schaftabschnitt des Kolbens mit einem Harzüberzug zu versehen.
Da die jeweiligen Schritte 21, 22 und 23 des oben beschriebenen Vorgangs des Gießens, der Wärmebehandlung und des Abspanens die gleichen sind, wie die Schritte, die zum Einsatz kommen, wenn ein allgemeiner Kolben gefertigt wird, wird auf eine detaillierte Beschreibung dieser Schritte verzichtet.
Der Laserbestrahlungs-Schritt 24 ist ein Schritt, bei dem eine Außenoberfläche des Schaftabschnitts 18 des Kolbens 10 mit einem gepulsten Laserstrahl zu dem Zweck bestrahlt wird, eine große Anzahl konkaver Bereiche mit jeweils vorbestimmter Form an der Außenoberfläche des Schaftabschnitts 18 des Kolbens 10 zu bilden, und um auf der Oberfläche des Schaftabschnitts 18 eine dispergierte Siliciumschicht zu bilden, in der Silicium feiner mikronisiert und dispergiert ist als das Basismaterial des Kolbens, und zwar aufgrund des Schmelzens und Wieder-Verfestigens der Aluminiumlegierung, die das Basismaterial des Kolbens bildet.
Als erstes soll der Schaftabschnitt 18 vor Ausführung des LaserbestrahlungsSchritts 24 beschrieben werden. 5 zeigt eine vergrößerte Querschnittsform der Außenoberfläche des Schaftabschnitts 18. Sowohl ein druckseitiger Schaftabschnitt 18a als auch ein anti-druckseitiger Schaftabschnitt 18b haben vor der Ausführung der Laserbestrahlung im Schritt 24 gleiche Eigenschaften. 5 steht mit 1 in der Beziehung, dass eine Drehung nach links um 90° in 1 zur 5 führt. Wie in 4 gezeigt ist, enthält die Aluminiumlegierung als Basismaterial 40 des Schaftabschnitts 18 Primärkristall-Silicium 41 und eutektisches Silicium 42, das in der α-Phase kristallisiert ist. Sowohl das Primärkristall-Silicium 41 als auch das eutektische Silicium 42 sind Kristallpartikel, die während des Fertigungsprozesses des Kolbens kristallisieren.
Weiterhin ist an der Außenoberfläche des Schaftabschnitts 18 durch den Abspanschritt 23 eine Streifenbildung entstanden, wodurch die Festfressbeständigkeit zwischen der Außenoberfläche und einer Innenwandfläche der Zylinderbohrung gesteigert wird. Obschon die Streifenbildung 30 auf der Außenoberfläche des Schaftabschnitts 18 bei dieser Ausführungsform gebildet ist, ist die Erfindung nicht auf diesen Stil beschränkt, möglich ist auch eine Außenoberfläche des Schaftabschnitts 18 ohne die Streifenbildung 30.
Die Streifenbildung 30 enthält eine Mehrzahl von Nutenabschnitten 31 mit jeweils U-förmigem Querschnitt, die auf der Außenoberfläche des Schaftabschnitts 18 derart ausgebildet sind, dass sie sich in Umfangsrichtung erstrecken. Die mehreren Nutenabschnitte 31 sind in Intervallen in Längsrichtung angeordnet. Die Tiefe des Nutenabschnitts 31 liegt zum Beispiel im Bereich von 5 bis 15 µm. Ein Zwischenoberflächenabschnitt (Plateau) 32, in welchem ein äußeres Ende in radialer Richtung des Querschnitts linear in Längsrichtung verläuft, befindet sich zwischen den Nutenabschnitten 31 benachbart in Längsrichtung zueinander.
Die Breite in Längsrichtung des Plateaus 32 (das ist das Intervall zwischen einander benachbarten Nutenabschnitten 31) Wa liegt zum Beispiel im Bereich von 10 bis 100 µm. Weiterhin liegt die Breite Wb in Längsrichtung des Nutenabschnitts 31 zum Beispiel im Bereich von 150 bis 400 µm. Das Plateau-Verhältnis, das repräsentiert wird durch die unten angegebene Formel 1 unter Bezugnahme auf die Breite Wa des Plateaus 32 und die Breite Wb des Nutenabschnitts 31 liegt zum Beispiel im Bereich von 0,02 bis 0,4. Das Plateauverhältnis wurde üblicherweise als einer der Indizes verwendet, welche die Form der Streifenbildung 30 repräsentiert.

[Formel 1] $Plateau - Rate = \frac{Wa}{Wa + Wb}$
In dem Schritt 24 der Laserbestrahlung wird durch Bestrahlung der Außenoberfläche des Schaftabschnitts 28 in der oben angegebenen Weise mit Hilfe eines gepulsten Laserstrahls die Aluminiumlegierung lokal erhitzt und geschmolzen und anschließend abgekühlt, wodurch das Primärkristall-Silicium 41 und das eutektische Silicium 42 in der Aluminiumlegierung mikronisiert werden, wie in 5 gezeigt ist, und es entsteht eine dispergierte Siliciumschicht 43, in welcher Silicium auf der Oberfläche des Schaftabschnitts 18 dispergiert ist.
Dabei wird die durchschnittliche Siliciumpartikelgröße einer ersten dispergierten Siliciumschicht 43A, die in dem druckseitigen Schaftabschnitt 18A zu bilden ist, kleiner gehalten als die durchschnittliche Siliciumpartikelgröße einer zweiten dispergierten Siliciumschicht 43B, die in dem anti-druckseitigen Schaftabschnitt 18B zu bilden ist. In anderen Worten: der druckseitige Schaftabschnitt 18A ist feiner mikronisiert als der anti-druckseitige Schaftabschnitt 18B. Im Ergebnis ist es möglich, die Festfressbeständigkeit des Schaftabschnitts 18A, insbesondere die Festfressbeständigkeit des druckseitigen Schaftabschnitts 18A, auf den beim Betrieb des Motors ein sehr hoher seitlicher Druck ausgeübt wird, zu steigern.
Weiterhin wird der druckseitige Schaftabschnitt 18A feiner mikronisiert durch die Laserbestrahlung, wie oben erläutert wurde, so dass die Härte der dispergierten Siliciumschicht 43A an dem druckseitigen Schaftabschnitt 18A höher ist als die der dispergierten Siliciumschicht 43B, die an dem anti-druckseitigen Schaftabschnitt 18B gebildet wird. In anderen Worten, da die Verstärkung der Härte des anti-druckseitigen Schaftabschnitts 18B unterdrückt wird, so dass das Ausmaß der Verformung des anti-druckseitigen Schaftabschnitts 18B durch dessen Berührung mit der Zylinderbuchse der Zylinderbohrung größer ist als an dem druckseitigen Schaftabschnitt 18A, wird die Kontaktfläche des gesamten Kolbens 10 mit der Zylinderbuchse erhöht, und der Oberflächendruck lässt sich verteilen. Hierdurch ist es möglich, Reibung zu verringern.
Um Reibung auf diesem Wege zu reduzieren, ist es bevorzugt, dass die Härte der dispergierten Siliciumschicht 43A an dem druckseitigen Schaftabschnitt 18A größer gemacht wird als die Härte der dispergierten Siliciumschicht 43B an dem anti-druckseitigen Schaftabschnitt 18B, beispielsweise um 10HV0,1 oder mehr, vorzugsweise um 20HV0,1 oder mehr, gemessen in Vickers-Härte.
Die Reduzierung der Reibung lässt sich dadurch erreichen, dass die erste dispergierte Siliciumschicht 43A eine kleinere durchschnittliche Siliciumpartikelgröße auf einer gesamten Oberfläche 60 des druckseitigen Schaftabschnitts 18A erzielt wird, wie in 6(a) dargestellt ist, und die zweite dispergierte Siliciumschicht 43A mit einer größeren durchschnittlichen Siliciumpartikelgröße auf einer Gesamtfläche 70 des anti-druckseitigen Schaftabschnitts 18B ausgebildet wird, wie in 7(a) dargestellt ist. Insbesondere ist die Reduzierung der Reibung eher möglich durch Ausbilden der dispergierten Siliciumschicht 43A mit einer kleineren durchschnittlichen Siliciumpartikelgröße in einer mittleren Schaftzone 61, die sich in der Mitte des druckseitigen Schaftabschnitts 18A befindet, beispielsweise in einer bandförmigen Zone 61a oder einer elliptischen Zone 61b parallel zu den Ringnuten, wie in den 6(b) oder 6(c) dargestellt ist, wobei weiterhin eine dritte dispergierte Siliciumschicht mit einer größeren durchschnittlichen Siliciumpartikelgröße in den verbleibenden oder Restzonen 62a und 62b gebildet wird.
Die mittlere Schaftzone ist eine Zone, die sich in einem Bereich befindet, wo ein Außendurchmesser, der durch druckseitigen Schaftabschnitt 18A und den anti-druckseitigen Schaftabschnitt 18B definiert ist, maximal groß ist. „Eine Zone in einem Bereich, wo der Außendurchmesser maximal ist“ bedeutet nicht, dass die gesamte Zone sich nur in dem Bereich befindet, wo der Außendurchmesser maximal ist, sondern nahezu die gesamte Zone kann sich an einem Teil der Zone befinden, wo der Außendurchmesser maximal ist. Da der höchste seitliche Druck auf mittlere Schaftzone in dem druckseitigen Schaftabschnitt 18A ausgeübt wird, wird durch Ausbilden der ersten dispergierten Siliciumschicht 43A in dieser Zone, in welcher die Mikronisierung von Silicium gefördert wird, die Mikronisierung von Silicium in den übrigen Zonen unterdrückt, wobei eine hervorragende Festfressbeständigkeit erhalten bleibt; daher wird die Erhöhung der Härte unterdrückt und das Ausmaß der Verformung gesteigert, so dass die Kontaktfläche mit der Zylinderbuchse am gesamten Kolben größer wird und sich der Oberflächendruck verteilt, wodurch die Reibung unterdrückt werden kann.
Die durchschnittliche Siliciumpartikelgröße der dritten dispergierten Siliciumschicht, die an dem druckseitigen Schaftabschnitt 18A auszubilden ist, kann gleich groß sein wie kleiner oder größer als die durchschnittliche Siliciumpartikelgröße der zweiten dispergierten Siliciumschicht, die an dem anti-druckseitigen Schaftabschnitt 18B zu bilden ist. Da allerdings der seitliche Druck an dem druckseitigen Schaftabschnitt 18A im allgemeinen höher ist, ist es bevorzugt, dass die Siliciumpartikelgröße kleiner ist.
Wie in 7(b) oder 7(c) dargestellt ist, kann eine vierte dispergierte Siliciumschicht mit einer durchschnittlichen Siliciumpartikelgröße zwischen der durchschnittlichen Siliciumpartikelgröße der ersten dispergierten Siliciumschicht 43A und der durchschnittlichen Siliciumpartikelgröße der zweiten dispergierten Siliciumschicht 43B an jeder von einer oberen Schaftzone 71 und einer unteren Schaftzone 72 des anti-druckseitigen Schaftabschnitts 18B ausgebildet werden, und die zweite dispergierte Siliciumschicht kann in den Restzonen 73 gebildet werden. Die obere Schaftzone 71 ist eine Zone, die näher an dem Kolbendach liegt als der Bereich, wo der Außendurchmesser, der definiert ist durch den druckseitigen Schaftabschnitt 18A und den anti-druckseitigen Schaftabschnitt 18B, maximal ist, und sie steht vorzugsweise nicht in Berührung mit der Ölringnut (das heißt, es gibt die Restzone 73 zwischen der oberen Schaftzone 71 und der Ölringnut). Die untere Schaftzone 72 ist eine Zone, die sich näher an dem Endbereich des Schafts befindet als der Bereich mit dem maximalen Außendurchmesser, und sie steht vorzugsweise nicht in Berührung mit dem Schaft-Endbereich (das heißt, es gibt die Restzone 73 zwischen der unteren Schaftzone 72 und dem Endbereich des Schafts). Die obere Schaftzone 71 und die untere Schaftzone 72 können sich über die gesamte Breite des anti-druckseitigen Schaftabschnitts 18B erstrecken, wie in 7(b) gezeigt ist, oder können sich nur über einen Teilbereich erstrecken, wie in 7(c) dargestellt ist.
Da die obere Schaftzone 71 und die untere Schaftzone 72 eine relativ hohe Festfressbeständigkeit in dem anti-druckseitigen Schaftabschnitt 18B haben sollen, ist in diesen Zonen die vierte dispergierte Siliciumschicht mit einer kleineren durchschnittlichen Siliciumpartikelgröße als der durchschnittlichen Siliciumpartikelgröße der zweiten dispergierten Siliciumschicht 43B gebildet, so dass es hierdurch möglich ist, die Festfressbeständigkeit zu steigern, während die Reduzierung der Reibung erhalten bleibt.
Wie oben beschrieben, ist die dispergierte Siliciumschicht 43 mit unterschiedlichen durchschnittlichen Siliciumpartikelgrößen an der Außenoberfläche des Schaftabschnitts 18 durch die Laserbestrahlung im Schritt 24 gebildet. Aus diesem Grund wird, wie zum Beispiel in 8 gezeigt ist, eine Bedingung für die Laserbestrahlung bei Bildung der ersten dispergierten Siliciumschicht 43A durch Bestrahlen der Außenoberfläche des druckseitigen Schaftabschnitts 18A des Kolbens 10 mit einem Laserstrahl aus einem Laserstrahlgerät 51 verschieden eingestellt gegenüber einer Bedingung für die Laserbestrahlung, wenn die zweite dispergierte Siliciumschicht 43B durch Bestrahlen der Außenoberfläche des anti-druckseitigen Schaftabschnitts 18B mit einem Laserstrahl aus dem Laserstrahlgerät 51 gebildet wird, wodurch es möglich ist, die dispergierte Siliciumschicht 43 mit unterschiedlichen durchschnittlichen Siliciumpartikelgrößen auszubilden.
Was die Bedingungen für die Laserbestrahlung angeht, so ist beispielsweise durch Erhöhung der Abtastgeschwindigkeit bei der Laserbestrahlung die Möglichkeit gegeben, eine dispergierte Siliciumschicht zu erhalten, in welcher Silicium feiner mikronisiert ist und die durchschnittliche Siliciumpartikelgröße reduziert ist. Das Basismaterial der Aluminiumlegierung, die mit dem Laserstrahl bestrahlt wird, wird erneut angeschmolzen und dann abgekühlt. Wenn die Abkühlgeschwindigkeit zunimmt, ist das in dem Basismaterial enthaltene Silicium feiner mikronisiert und kehrt in eine dispergierte Siliciumschicht zurück. Wenn die Abtastgeschwindigkeit des Laserstrahls zunimmt, nimmt die Geschwindigkeit, mit der die neu angeschmolzene Zone von der Laserbestrahlung abrückt, zu. Ein Abschnitt, der mit dem Laserstrahl bestrahlt wird, wird vornehmlich erhitzt. Wenn also die Abtastgeschwindigkeit zunimmt, wird die erneut angeschmolzene Zone weniger durch die Wärme des Laserstrahls beeinflusst und kühlt schneller ab, so dass es möglich ist, eine Struktur zu erhalten, in welcher Silicium feiner mikronisiert ist.
Der Wert der Abtastgeschwindigkeit hängt ab von der Zusammensetzung der Aluminiumlegierung und weiteren Laserbestrahlungs-Bedingungen wie beispielsweise Leistung und Frequenz, der Wert ist nicht begrenzt auf die folgende Bedingung, allerdings wird die Abtastgeschwindigkeit für den druckseitigen Schaftabschnitt 18A höher eingestellt als die für den anti-druckseitigen Schaftabschnitt 18B. Die Abtastgeschwindigkeit beträgt beispielsweise vorzugsweise 1000 mm/min oder mehr, noch mehr bevorzugt 2000 mm/min oder mehr. Die Obergrenze ist nicht besonders beschränkt, beispielsweise beträgt sie aber 15000 mm/min oder weniger. Um die dispergierte Siliciumschicht 43 zu erhalten, wird die Abtastgeschwindigkeit vorzugsweise auf 100 bis 20000 mm/min, noch mehr bevorzugt auf 2000 bis 10000 mm/min eingestellt.
Was die Laserstrahl-Bedingungen anbelangt, so ist es zum Beispiel durch Reduzierung der Überlappungslänge (Überlappungsmaß Rc) des Fleckdurchmessers eines Bestrahlungsflecks möglich, eine dispergierte Siliciumschicht zu erhalten, in der Silicium feiner mikronisiert ist und die durchschnittliche Siliciumpartikelgröße verringert ist. Wenn zum Beispiel der Bestrahlungsfleck entlang einer Umfangsrichtung des Schaftabschnitts 18 abgetastet wird (das ist eine Richtung rechtwinklig zu der Zeichnungsebene der 4), wie in 9 dargestellt ist, so erfolgt die Abtastung derart, dass die Abtasttlecke 50, die mit dem gepulsten Laserstrahl bestrahlt werden, einander in Umfangsrichtung C des Schaftabschnitts überlappen. Wenn jetzt durch Verringern des Abstands zwischen den jeweiligen Zentren Ca und Cb zweier benachbarter Strahlungsflecke 50a und 50b in Umfangsrichtung C (das heißt, das Überlappungsmaß Rc als Überlappungslänge des Fleckdurchmessers) in der gleichen Weise wie oben beschrieben, wird der neu-angeschmolzene Bereich weniger durch die Wärme des Laserstrahls beeinflusst und kühlt rascher ab, so dass es möglich ist, eine Struktur zu erhalten, in welcher Silicium feiner mikronisiert ist.
Der Wert des Überlappungsmaßes Rc wird üblicherweise ausgedrückt als Verhältnis des Fleckradius'r des Bestrahlungsflecks 50. Um die dispergierte Siliciumschicht 43 zu erhalten, liegt der Fleckradius r beispielsweise und bevorzugt im Bereich von 0,01 bis 3 mm und noch mehr bevorzugt im Bereich von 0,02 bis 0,5 mm. Das Überlappungsmaß Rc beträgt vorzugsweise 80% oder weniger des Fleckradius r, noch mehr bevorzugt 20% oder weniger, und noch mehr bevorzugt 10% oder weniger. Obschon die Untergrenze des Überlappungsmaßes Rc nicht speziell beschränkt ist, liegt sie vorzugsweise bei 5% oder mehr des Fleckradius r. Das Überlappungsmaß Rc für den druckseitigen Schaftabschnitt 18A wird vorzugsweise kleiner eingestellt als das Überlappungsmaß für den anti-druckseitigen Schaftabschnitt 18B, vorzugsweise um 20% oder mehr, noch mehr bevorzugt 10% oder mehr. Obschon die Obergrenze nicht speziell beschränkt ist, beträgt sie zum Beispiel 5% oder weniger.
Wenn außerdem der Bestrahlungsfleck entlang der Längsrichtung des Schaftabschnitts 18 abgetastet wird, erfolgt die Abtastung derart, dass ein Teil des Fleckdurchmessers r sich entlang der Längsrichtung L des Schaftabschnitts überlappt. Durch Reduzieren dieser Überlappungslänge kann Silicium ebenfalls feiner mikronisiert werden. Durch Ändern der Bedingung für die Laserbestrahlung, wenn der Bestrahlungsfleck entlang der Umfangsrichtung C oder der Längsrichtung L des Schaftabschnitts 18 abgetastet wird (das heißt abtastend geführt wird), wie oben beschrieben, lässt sich die dispergierte Siliciumschicht mit unterschiedlichen durchschnittlichen Siliciumpartikelgrößen an dem druckseitigen Schaftabschnitt 18A und dem anti-druckseitigen Schaftabschnitt 18B ausbilden. Es sei angemerkt, dass die Abtastung ausgeführt werden kann, während die Laserseite bewegt wird, oder ausgeführt werden kann, während die Kolbenseite bewegt wird.
Anstatt die Bedingungen für die Laserbestrahlung zu ändern, wenn der Kolben 10 an einer Kolbenfixierlehre 80 befestigt ist und ein gepulster Laserstrahl abtastend geführt wird, um die Laserbestrahlung auszuführen, während der Kolben 10 und die Kolbenfixierlehre 80 während des Laserbestrahlungsschritts 24 gemäß 10 gedreht wird, lässt sich die dispergierte Siliciumschicht mit unterschiedlichen durchschnittliche Siliciumpartikelgrößen auch an dem druckseitigen Schaftabschnitt 18A und dem anti-druckseitigen Schaftabschnitt 18B ausbilden, wenn die Kolbenfixierlehre 80 mit einer spezifischen Form eingesetzt wird.
Die Kolbenfixierlehre 80 enthält einen zylindrischen Kolbenträgerabschnitt 81 mit dem gleichen Durchmesser wie der Kolben 10, und einen Kolbeneinstellabschnitt 82, der sich an einem Ende des Kolbenträgerabschnitts 81 befindet und einen Kolben für die Installation des Kolbens aufnimmt. Der Kolbeneinstellabschnitt 82 steht in Berührung mit nur der Rückseite eines Abschnitts des druckseitigen Schaftabschnitts 18A des Kolbens 10, an welchem die erste dispergierte Siliciumschicht 43A auszubilden ist. Im Ergebnis steht der Kolbenträgerabschnitt 81, der eine große Wärmekapazität aufweist, in Berührung mit dem druckseitigen Schaftabschnitt 18A, und daher wird im Rahmen des Laserbestrahlungsschritts 24 der erneut angeschmolzene Bereich an dem druckseitigen Schaftabschnitt 18A schneller abgekühlt als an dem anti-druckseitigen Schaftabschnitt 18B, der mit nichts in Berührung steht, so dass die dispergierte Siliciumschicht 43A mit einer kleineren durchschnittlichen Siliciumpartikelgröße entsteht.
10 zeigt ein Beispiel, in welchem der Kolbenträgerabschnitt 81 nicht in Berührung mit dem anti-druckseitigen Schaftabschnitt 18B steht. Allerdings ist es auch möglich, eine dispergierte Siliciumschicht mit unterschiedlichen durchschnittlichen Siliciumpartikelgrößen dadurch zu erhalten, dass der Kolbenträgerabschnitt 81 in Berührung mit sowohl dem druckseitigen Schaftabschnitt 18A als auch dem anti-druckseitigen Schaftabschnitt 18B gebracht wird, wobei allerdings das Kontaktmaterial mit dem Kolbenträgerabschnitt 81 zwischen dem druckseitigen Schaftabschnitt 18A und dem anti-druckseitigen Schaftabschnitt 18B derart geändert wird, dass die Wärmekapazität des Materials dort stark unterschiedlich ist, wodurch es möglich ist, die Abkühlgeschwindigkeit stark zu ändern.
Wie in 7 gezeigt ist, beeinträchtigt der Laserbestrahlungsschritt 24 die Form der Streifenbildung 30 an der Außenoberfläche des Schaftabschnitts 18 kaum. Für die Streifenbildung 30 nach dem Laserbestrahlungsschritt 24 ist es zum Beispiel bevorzugt, dass das Plateauverhältnis, abgeleitet aus den jeweiligen Breiten des Nutenabschnitts 31 und des Plateaus 32, im Bereich von 0,12 bis 0,15 verbleibt. Ist das Plateauverhältnis kleiner als 0,12, so wird der lokal einwirkende Oberflächendruck extrem groß, und es kann leicht zu einem Festfressen kommen. Wenn andererseits das Plateauverhältnis größer als 0,15 ist, kann ein Effekt des Austragens von Fremdstoffen nicht ausreichend gewährleistet werden, und es kann so leicht zu einem Festfressen kommen.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn das Maß der Änderung im Plateauverhältnis, bei dem es sich um die Differenz zwischen dem Plateauverhältnis der Streifenbildung 30 vor dem Laserbestrahlungsschritt 24 und dem Plateauverhältnis der Streifenbildung 30 nach dem Laserbestrahlungsschritt 24 handelt, auf 0,05 oder weniger beschränkt wird. Wenn das Änderungsmaß des Plateauverhältnisses größer als 0,05 ist, kann sich der Verlauf der Form der Streifenbildung 30 ändern. Wenngleich die Untergrenze des Änderungsmaßes im Plateauverhältnis nicht speziell beschränkt ist, so beträgt sie vorzugsweise 0,00 oder mehr.
Der Laser zum Aufstrahlen eines gepulsten Laserstrahls ist nicht speziell beschränkt, solange es sich um einen Laser zur Metallbearbeitung handelt. Beispielsweise kommen in Betracht: ein Halbleiterlaser, ein CO₂-Laser, ein Festkörperlaser, ein Faserlaser oder dergleichen, entweder allein oder in Kombination.
An der Oberfläche im Abspanschritt 23 verbliebenes Schneidöl lässt sich entfetten durch Aufstrahlen eines gepulsten Laserstrahls im Rahmen des Laserbestrahlungsschritts 24. Wenn allerdings zu viel Schneidöl an der Oberfläche im Abspanschritt 23 verblieben ist, kann das Entfetten durch Bestrahlung mit Laser unzureichend sein, oder es kann zu einem Faktor werden, der die Ausbildung der dispergierten Siliciumschicht 43 und der konkaven Abschnitte behindert. Folglich wird, falls notwendig, ein (nicht dargestellter) Entfettungsschritt ausgeführt, so zum Beispiel durch neutrales Entfetten oder alkalisches Entfetten, bevor der Laserbestrahlungsschritt 24 ausgeführt wird.
In dem Laserbestrahlungsschritt 24 wird nur der Schaftabschnitt 18 mit dem Laserstrahl bestrahlt. Daher kann vor dem Laserbestrahlungsschritt 24 auch ein Maskierschritt zum Maskieren des Kolbenkörperbereichs verschieden von dem Schaftabschnitt 18 erfolgen. Alternativ kann der Laserbestrahlungsschritt 24 auch ohne Maskierung durchgeführt werden.
Im Rahmen des Laserbestrahlungsschritts 24 wird eine Aluminiumlegierungs-Komponente und dergleichen sublimiert durch die Wärme des Laserstrahls unter Entstehung sogenannter Schwaden, so dass ein lokaler Staubsammel-Rauchabzug verwendet werden kann, falls notwendig.
Nach dem Laserbestrahlungsschritt 24 kann ein Wasser-Spülschritt ausgeführt werden. Der Wasser-Spülschritt kann im Kolben 10 anhaftenden Staub entfernen, der in dem Laserbestrahlungsschritt 24 entsteht. Für den Wasser-Spülschritt kommt zum Beispiel ein Ultraschall-Spülschritt in Frage, auch andere einfache Verfahren sind möglich.
Der Oberflächenbehandlungsschritt 25 ist ein Schritt zum Bilden einer Harzbeschichtung an der Außenoberfläche des Schaftabschnitts 18, an dem die dispergierte Siliciumschicht 43 gebildet wurde. Bei dem Oberflächenbehandlungsschritt 25 kann die Harzbeschichtung beispielsweise dadurch gebildet werden, dass ein Harzbeschichtungsmittel auf die Außenoberfläche des Schaftabschnitts 18 aufgebracht wird, so beispielsweise durch Sprühen, durch Siebdruck oder dergleichen, woraufhin das Harzbeschichtungsmittel gebacken wird. Als Harzbeschichtungsmittel kommt ein bekanntes Mittel in Betracht, welches für den Schaftabschnitt 18 des Kolbens in Frage kommt, darunter zum Beispiel MOLYKOTE D-10-GBL, MOLYKOTE PA-744 und dergleichen, hergestellt von DuPont Toray Specialty Materials K.K.
Wie oben beschrieben wurde, wird die Harzbeschichtung auf der dispergierten Siliciumschicht 43 ausgebildet, deren Struktur homogen mikronisiert ist, wodurch es möglich ist, ein punktweises Abschälen der Harzbeschichtung zu unterdrücken, die ihrerseits zu einem großflächigen Abschälen führen könnte. Weiterhin ist an dem druckseitigen Schaftabschnitt 18A an einem Bereich, wo eine hohe Festfressbeständigkeit erforderlich ist, auch bei abgenutzter Harzbeschichtung die dispergierte Siliciumschicht 43A vorhanden, die feiner mikronisiert ist und eine kleinere durchschnittliche Partikelgröße aufweist, so dass die Festfressbeständigkeit aufrecht erhalten werden kann. Bei der vorliegenden Erfindung braucht der Oberflächenbehandlungsschritt nicht ausgeführt zu werden, so dass die Harzbeschichtung sich nicht notwendigerweise auf der dispergierten Siliciumschicht 43 befindet.
Das Verfahren zum Fertigen eines Kolbens gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die obige Ausführungsform beschränkt, sie kann weitere Schritte enthalten. Beispielsweise kann zwischen dem Laserbestrahlungsschritt 24 und dem Oberflächenbehandlungsschritt 25 ein Anodisierungsschritt oder ein chemischer Umwandlungsschritt durchgeführt werden. Durch die Anodisierung wird auf der Außenoberfläche des Schaftabschnitts 18 ein poröser eloxierter Film gebildet. Durch Einstellen der Filmdicke auf einige µm oder darunter kann der eloxierte Film gebildet werden, während die Form der Streifenbildung 30 auf der Außenoberfläche des Schaftabschnitts 18 erhalten bleibt. Da Mikroporen des eloxierten Films mit dem Harzüberzugsmittel gefüllt werden, lässt sich eine weitere Verbesserung des Haftens erwarten. Darüber hinaus bildet die chemische Umwandlungsbearbeitung einen chemischen Umwandlungsfilm, in welchem ein Teil der Außenoberfläche des Schaftabschnitts 18 chemisch reagiert hat. Da die Filmdicke einige µm beträgt, kann der chemische Umwandlungsfilm gebildet werden, während die Form der Streifenbildung 30 auf der Außenoberfläche des Schaftabschnitts 18 erhalten bleibt. Da der chemische Umwandlungsfilm in granularer Form gebildet wird und Unregelmäßigkeiten aufweist, wird das Harzbeschichtungsmittel in diese Ungleichmäßigkeit eingefüllt, so dass eine weitere Verbesserung des Haftens zu erwarten ist. Wenn die Anodisierungsbehandlung ausgeführt wird, können auch die erste Ringnut 13 und die zweite Ringnut 15 gleichzeitig mit dem Schaftabschnitt 18 der Anodisierungsbehandlung unterzogen werden, wodurch die Verschleißbeständigkeit dieser Ringnuten gesteigert wird.
[Beispiele]
Es wurde mittels einer Al-Si-Cu-Aluminiumlegierungs-Gussmaterial ein eine Schaftoberfläche simulierendes Kolben-Rohmaterial (Durchmesser 76 mm) hergestellt, wobei es sich um einen hochfesten Werkstoff handelt mit verbesserten mechanischen Eigenschaften im Hochtemperaturbereich. Die Außenumfangsfläche des Kolben-Rohmaterials wurde mit einem Laserstrahl einer Breite von etwa 5 mm bestrahl, um eine dispergierte Siliciumschicht auf der Oberfläche auszubilden. Es wurde eine Laserbearbeitungsmaschine (TruDisk 6001, hergestellt von TRUMPF) verwendet, ausgestattet mit einem Disk-YAG-Laser, und die Bestrahlungsbedingung für den gepulsten Laser betrugen 9000 mm/min und 2000 mm/min bei der Abtastgeschwindigkeit bei einer konstanten Leistung von 6W.
Um die Oberflächeneigenschaften des Kolben-Rohmaterials nach der Laserbestrahlung zu untersuchen, wurde eine Struktur eines Querschnitts des Kolben-Rohmaterials betrachtet, und es wurde die Oberflächenhärte gemessen. Um diese Größen zu bewerten, wurden gleiche Beobachtung und Messung auch an einem Kolben-Rohmaterial ausgeführt, der nicht mit der Laserbestrahlung behandelt wurde.
Das Kolben-Rohmaterial wurde geschnitten, mit Harz gefüllt, poliert und mit einem invertierten metallurgischen Mikroskop beobachtet, um die Struktur an dem Querschnitt zu untersuchen. Die Messung der Oberflächenhärte erfolgte an fünf Punkten bei einer Last von 100 g mit Hilfe eines Mikro-Vickers-Härte-Testers, und es wurde ein Durchschnittswert berechnet. Die Ergebnisse sind in den 12 bis 14 und in Tabelle 1 dargestellt.
[Tabelle 1]

Kraft [kW] Geschwindigkeit [mm/min]

Beispiel 1 6 9000

Beispiel 2 6 2000

Vergleichsbeispiel Keine Laserbearbeitung
Ein Kolbenquerschnitt eines Vergleichsbeispiels gemäß 13, an dem keine Laserbearbeitung durchgeführt wurde, zeigte eine Struktur in einem Zustand, in welchem kristallisierte Substanzen wie das Primärkristallsilicium 41 und das eutektische Silicium 42 in dem Basismaterial (α-Phase) 40 abgetrennt waren. Andererseits wurde sowohl für die dispergierte Siliciumschicht 43 an einem Kolbenquerschnitt nach Beispiel 1 gemäß 11 und der dispergierten Siliciumschicht 43 an einem Kolbenquerschnitt gemäß Beispiel 2 nach 12 bestätigt, dass Silicium 44 mikronisiert war. Weiterhin lässt sich erkennen, dass der Kolbenquerschnitt nach Beispiel 1 in 4 sich in einem Zustand befand, in welchem Mikronisierung von Silicium stärker gefördert wurde als bei dem Kolbenquerschnitt nach Beispiel 2 in 12. Dies ist vermutlich zurückzuführen auf die Differenz in der Abtastgeschwindigkeit des Laserstrahls. Das mit dem Laserstrahl bestrahlte Basismaterial wurde angeschmolzen und anschließend abgekühlt. Nahm die Abtastgeschwindigkeit eines Laserstrahls zu, erhöhte sich die Geschwindigkeit, mit der der angeschmolzene Bereich von der Laserbestrahlung abrückte. Ein Bereich, der mit einem Laserstrahl bestrahlt wird, wird hauptsächlich erhitzt, so dass mit zunehmender Abtastgeschwindigkeit der Bereich weniger von der Wärme aufgrund des Laserstrahls beeinflusst wird und schneller nach dem Anschmelzen abkühlt. Da die Struktur stärker mikronisiert ist, wenn die Abkühlgeschwindigkeit zunimmt, wird angenommen, dass das Beispiel 1 mit höherer Abtastgeschwindigkeit feiner mikronisiert wird als das Beispiel 2.
Was die Härte der Kolbenoberfläche angeht, so betrug die Vickers-Härte 193HV0,1 im Beispiel 1 und 171HV0,1 im Beispiel 2, und beim Beispiel 1 war eine stärker mikronisierte Struktur härter. Da andererseits die Härte im Vergleichsbeispiel 126HV0,1 betrug, bedeutet das Ergebnis, dass die Härte durch die Wirkung der Mikrostruktur aufgrund der Laserbearbeitung erhöht war, und die Härte wurde verstärkt, wenn die Mikronisierung zusätzlich gefördert wurde.
[Bezugszeichenliste]

10: Kolben für Verbrennungsmotor
18: Schaftabschnitt
20: Verfahren zum Fertigen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor
30: Streifenbildung
31: Rillenabschnitt
32: Zwischenflächenabschnitt (Plateau)
40: Basismaterial
41: Primärkristall-Silicium
42: Eutektisches Silicium
43: Schicht mit verstreutem Silicium
50: Bestrahlungsfleck
51: Laserstrahlgerät
60: Gesamtfläche des druckseitigen Schaftabschnitts
61: mittlere Schaftzone
62: Restzone
70: Gesamtfläche des anti-druckseitigen Schaftabschnitts
71: obere Schaftzone
72: untere Schaftzone
73: Restzone
80: Kolbenfixierlehre
81: Kolbenträgerabschnitt
82: Kolbeneinstellabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2015086766 A [0004]

Claims

Kolben für einen Verbrennungsmotor, umfassend: einen Kolbenkörper mit einem Außenumfangsabschnitt, der konfiguriert ist, um gegen einen Innenumfangsabschnitt einer Zylinderbohrung in einer Längsrichtung verschiebbar zu sein; und zwei Schaftabschnitte, die einander in radialer Richtung des Kolbenkörpers abgewandt sind und sich von dem Außenumfangsabschnitt des Kolbenkörpers in Richtung eines Bodens der Zylinderbohrung erstrecken, wobei die beiden Schaftabschnitte einen druckseitigen Schaftabschnitt, der sich auf einer Druckseite in einer dem Schaft zugewandten Richtung befindet, wobei die Richtung definiert ist durch eine Richtung, in der die beiden Schaftabschnitte einander gegenüberliegen, und einen anti-druckseitigen Schaftabschnitt, der sich auf einer Anti-Druckseite in dem Schaft zugewandter Richtung befindet, aufweisen, wobei der Kolbenkörper und die beiden Schaftabschnitte konfiguriert sind durch eine Aluminiumlegierung als Basismaterial, und eine dispergierte Siliciumschicht, in welcher Silicium innerhalb der Aluminiumlegierung feiner dispergiert ist als das Basismaterial, auf einer Außenfläche jeder der beiden Schaftabschnitte ausgebildet ist, und wobei eine durchschnittliche Siliciumpartikelgröße einer ersten dispergierten Siliciumschicht, die an dem druckseitigen Schaftabschnitt ausgebildet ist, kleiner ist als eine durchschnittliche Siliciumpartikelgröße einer zweiten dispergierten Siliciumschicht, die an dem anti-druckseitigen Schaftabschnitt gebildet ist.
Kolben für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem die erste dispergierte Siliciumschicht in einer zentralen Schaftzone angeordnet ist, die sich an einer Mitte des druckseitigen Schaftabschnitts befindet, und die zentrale Schaftzone eine Zone ist, die sich in einem Bereich befindet, wo ein Außendurchmesser der beiden Schaftabschnitte maximal ist, und wobei eine dritte dispergierte Siliciumschicht mit einer durchschnittlichen Siliciumpartikelgröße größer als die durchschnittliche Siliciumpartikelgröße der ersten dispergierten Siliciumschicht in einer verbleibenden Zone des druckseitigen Schaftabschnitts verschieden von der zentralen Schaftzone gebildet ist.
Kolben für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine vierte dispergierte Siliciumschicht mit einer durchschnittlichen Siliciumpartikelgröße zwischen der durchschnittlichen Siliciumpartikelgröße in der ersten dispergierten Siliciumschicht und der durchschnittlichen Siliciumpartikelgröße der zweiten dispergierten Siliciumschicht zusätzlich in dem anti-druckseitigen Schaftabschnitt gebildet ist, wobei die vierte dispergierte Siliciumschicht in sowohl einer oberen Schaftzone, die näher an einer Kolbendachfläche gelegen ist, als auch einer unteren Schaftzone, die näher an einem Schaftendabschnitt gelegen ist als der Abschnitt, wo der Außendurchmesser der beiden Schaftabschnitte maximal ist, angeordnet ist, und wobei die zweite dispergierte Siliciumschicht in der verbleibenden Zone des anti-druckseitigen Schaftabschnitts verschieden von der oberen Schaftzone und der unteren Schaftzone angeordnet ist.
Kolben für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Vickers-Härte der ersten dispergierten Siliciumschicht, die an dem druckseitigen Schaftabschnitt gebildet ist, um 10HV0,1 oder mehr größer ist als die Vickers-Härte der zweiten dispergierten Siliciumschicht, die an dem anti-druckseitigen Schaftabschnitt gebildet ist.
Verfahren zum Fertigen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, umfassend: einen Schritt des Vorbereitens des Kolbens für einen Verbrennungsmotor, enthaltend einen Kolbenkörper mit einem Außenumfangsabschnitt, der konfiguriert ist, um verschieblich an einem Innenumfangsabschnitt einer Zylinderbohrung in Längsrichtung zu sein, und zwei Schaftabschnitte, die einander in radialer Richtung des Kolbenkörpers abgewandt sind und sich von dem Außenumfangsabschnitt des Kolbenkörpers zu einem Boden der Zylinderbohrung erstrecken, wobei die beiden Schaftabschnitte aufweisen: einen druckseitigen Schaftabschnitt auf einer Druckseite in einer dem Schaft zugewandten Richtung, definiert durch eine Richtung, in welcher die beiden Schaftabschnitte einander abgewandt sind, und einen anti-druckseitigen Schaftabschnitt auf einer Anti-Druckseite in dem Schaft zugewandter Richtung, wobei der Kolbenkörper und die beiden Schaftabschnitte konfiguriert sind durch eine Aluminiumlegierung als Basismaterial; und einen Laserbestrahlungsschritt des Bestrahlens von Außenflächen der beiden Schaftabschnitte des Kolbens für einen Verbrennungsmotor mit einem gepulsten Laserstrahl, um an jeder der Außenflächen eine dispergierte Siliciumschicht zu bilden, wobei im Rahmen des Laserbestrahlungsschritts eine durchschnittliche Siliciumpartikelgröße einer ersten dispergierten Siliciumschicht auf dem druckseitigen Schaftabschnitt kleiner gehalten ist als eine durchschnittliche Siliciumpartikelgröße einer zweiten dispergierten Siliciumschicht, die auf dem anti-druckseitigen Schaftabschnitt gebildet wird.
Verfahren zum Fertigen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, bei dem im Rahmen des Laserbestrahlungsschritts die erste dispergierte Siliciumschicht in einer zentralen Schaftzone in der Mitte des druckseitigen Schaftabschnitts angeordnet ist, wobei die zentrale Schaftzone eine Zone ist, die sich in einem Bereich befindet, wo ein Außendurchmesser der beiden Schaftabschnitte maximal ist, und wobei die dispergierte Siliciumschicht derart gebildet wird, dass eine dritte dispergierte Siliciumschicht mit einer durchschnittlichen Siliciumpartikelgröße größer als die durchschnittliche Siliciumpartikelgröße der ersten dispergierten Siliciumschicht in einer verbleibenden Zone des druckseitigen Schaftabschnitts verschieden von der zentralen Schaftzone angeordnet ist.
Verfahren zum Fertigen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 5 oder 6, bei dem im Rahmen des Laserbestrahlungsschritts eine Abtastgeschwindigkeit eines gepulsten Laserstrahls für den druckseitigen Schaftabschnitt bei der Bildung der ersten dispergierten Siliciumschicht so eingestellt ist, dass sie größer ist als eine Abtastgeschwindigkeit eines gepulsten Laserstrahls für den anti-druckseitigen Schaftabschnitt, wenn die zweite dispergierte Siliciumschicht gebildet wird.
Verfahren zum Fertigen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 5 oder 6, bei dem im Rahmen des Laserbestrahlungsschritts ein Bestrahlungsfleck eines gepulsten Laserstrahls auf dem Schaftabschnitt in einem Bereich abgetastet wird, wo ein Fleckdurchmesser des Bestrahlungsflecks des gepulsten Laserstrahls teilweise überlappt ist, um dadurch die dispergierte Siliciumschicht zu bilden, und ein Überlappungsmaß des Fleckdurchmessers für den druckseitigen Schaftabschnitt bei der Bildung der ersten dispergierten Siliciumschicht so eingestellt wird, dass es geringer ist als ein Überlappungsmaß des Fleckdurchmessers für den anti-druckseitigen Schaftabschnitt, wenn die zweite dispergierte Siliciumschicht gebildet wird.
Verfahren zum Fertigen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, bei dem im Rahmen des Laserbestrahlungsschritts der Kolben für einen Verbrennungsmotor an einer Kolbenfixierlehre befestigt wird, und ein gepulster Laserstrahl abgetastet wird durch Drehen des Kolbens für einen Verbrennungsmotor und der Kolbenfixierlehre, wobei die Kolbenfixierlehre einen zylindrischen Kolbenträgerabschnitt mit dem gleichen Durchmesser wie der Kolben aufweist, ferner einen Kolbeneinstellabschnitt, der sich an einem Ende des Kolbenträgerabschnitts befindet und den Kolben zur Installation des Kolbens aufnimmt, und wobei eine Wärmekapazität des Kolbeneinstellabschnitts, der in Berührung mit einem Abschnitt des druckseitigen Schaftabschnitts befindet, an dem die erste dispergierte Siliciumschicht ausgebildet ist, größer ist als eine Wärmekapazität des Kolbeneinstellabschnitts, der in Berührung mit einem Abschnitt des anti-druckseitigen Schaftabschnitts steht, an dem die zweite dispergierte Siliciumschicht ausgebildet ist, oder dem Abschnitt des anti-druckseitigen Schaftabschnitts, an dem die zweite dispergierte Siliciumschicht ausgebildet ist, nicht in Berührung mit dem Kolbeneinstellabschnitt steht.