DE112014003538T5

DE112014003538T5 - Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor und einen Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE112014003538T5
Application number: DE112014003538.6T
Authority: DE
Inventors: Masato Sasaki; Norikazu Takahashi
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2013-08-01
Filing date: 2014-07-24
Publication date: 2016-05-04
Also published as: WO2015016122A1; US10151268B2; JPWO2015016122A1; CN105324570A; JP5976941B2; CN105324570B; US20160177864A1

Abstract

Ein konkaves Teil (5) ist in einer Kronenfläche dem oberen Ende des Kolbens (1) ausgebildet, das aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist. Dieses konkave Teil (5) ist mit einem gemischten Pulver (P) gefüllt, das aus Zirkoniumpulver als Füllmaterial und reinem Aluminiumpulver als Verbindungsmaterial besteht. Ein festes zylindrisches Drehgerät (10) wird mit dem konkaven Teil (5) in Kontakt gebracht, das mit dem gemischten Pulver (P) gefüllt ist, und danach unter Belastung gegen den Kolben (1) gedrückt wird, während es gedreht wird. Das gemischte Pulver (P) wird durch Reibwärme mit dem Drehgerät (10) erweicht, wodurch das gemischte Pulver (P) zu einer Festkörperphase mit dem konkaven Teil (5) verbunden wird, um ein niedrig wärmeleitfähiges Teil (4) zu bilden. Damit wird die Verbindungsfestigkeit des niedrig wärmeleitfähigen Teils (4) mit der Kronenfläche dem oberen Ende des Kolbens verbessert.

Description

Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor und auf einen Kolben für einen Verbrennungsmotor.
Hintergrund der Erfindung
Als herkömmliches Beispiel eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor ist einer, der in der Patentveröffentlichung 1 erörtert wurde, bekannt. In der Patentveröffentlichung 1 wird angenommen, dass der Kolben in einem Direkteinspritzungs-Fremdzündungs-Verbrennungsmotor verwendet wird, um durch Einspritzen des Kraftstoffs von einem Kraftstoffeinspritzventil zur Spitze eines Kolbens gezündet zu werden, wobei der Kolben vorgesehen ist, um an einem Teil seiner oberen Fläche einen Kraftstoffauftreffbereich aufzuweisen, wo der Kraftstoff in Form einer Flüssigkeit auftrifft, und der Bereich einschließlich der Hauptverbrennungszone aus einem Element oder einer Struktur mit niedriger Wärmeleitfähigkeit und niedriger spezifischer Wärme zusammengesetzt ist. Bei Annahme dieser Kolbenstruktur ist es möglich, ein Ablagern und Ableiten von Rauch durch Verbessern einer Temperaturanstiegseffizienz am Kraftstoffauftreffbereich zu unterdrücken, um eine Verdunstung des Kraftstoffs zu beschleunigen, der auf den Kolben auftrifft, um dadurch eine Adhäsion des Kraftstoffs zur Spitze des Kolbens zu verringern.
In der in der Patenveröffentlichung 1 beschriebenen Technik wird beschrieben, dass ein niedrig wärmeleitfähiges Element mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit an dem oberen Ende des Kolbens angeordnet ist; ein konkretes Verfahren oder eine Einrichtung zum Anordnen des niedrig wärmeleitfähigen Elements ist jedoch überhaupt nicht erörtert. Folglich ist eine Verbindung zwischen dem niedrig wärmeleitfähigen Element und dem Basismaterial des Kolbens zu befürchten, d. h. eine schlechte Verbindungsfestigkeit und eine niedrig Zuverlässigkeit.
Verweise auf den Stand der Technik.
Patentdokumente

Patentveröffentlichung 1: Japanische veröffentliche Patentanmeldung Nr. 11-193721

Zusammenfassung der Erfindung
Angesichts der oben entstandenen Probleme ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Verbindungsfestigkeit zwischen dem oberen Ende eines Kolbens und einem niedrig wärmeleitfähigen Element, das darauf vorgesehen ist, zu verbessern.
In der vorliegenden Erfindung ist ein Kolben vorgesehen, der an seiner Kronenfläche ein konkaves Teil aufweist. Das konkave Teil ist gefüllt mit: einem gemischten Pulver, das durch Mischen eines Pulvers eines Füllmaterials mit einer Wärmeleitfähigkeit, die kleiner als die des Basismaterials des Kolbens ist, und eines Pulvers eines Verbindungsmaterials (Bonding-Materials) erhalten wird, das eine Legierung oder eine intermetallische Verbindung beim Vermischen mit dem Basismaterial des Kolbens werden kann; oder ein komprimierter Körper des gemischten Pulvers. Das gemischte Pulver oder der Presskörper des gemischten Pulvers wird zu einer Festkörperphase mit dem konkaven Teil in einer Weise verbunden, die dem sogenannten Rührreibschweißen ähnlich ist, wodurch ein niedrig wärmeleitfähiges Teil gebildet wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Verbindungsfestigkeit des niedrig wärmeleitfähigen Teils mit dem Basismaterial des Kolbens erhöht, sodass die Verbindungsqualität und die Zuverlässigkeit verbessert werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
[1] Eine Ansicht, die ein Beispiel eines Kolbens darstellt, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, oder eine Ansicht, die eine Struktur mit einem geschnittenen Teil erläutert.
[2] Eine erläuternde Ablaufansicht, die den Überblick eines Ablaufs zum Herstellen des Kolbens darstellt, wie in 1 dargestellt.
[3] Eine erläuternde Ansicht der Darstellung einer Reibschweißmaschine, die zum Reibschweißen dient und in 2 dargestellt ist.
[4] Eine Ansicht, die die Details eines wesentlichen Teils von 3 darstellt, wobei (A) eine beispielhafte vordere Ansicht und (B) eine beispielhafte Draufsicht der Figur (A) ist.
[5] Eine Ansicht, die eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, oder eine erläuternde Ablaufansicht, die die Details des Reibschweißens darstellt, wie in 2 dargestellt.
[6] Eine vergrößerte Teilansicht eines niedrig wärmeleitfähigen Teils, das durch Reibschweißen von 5 gebildet wird.
[7] Eine Mikroskopfotografie der Textur eines Bereichs (A) von 6.
[8] Eine Ansicht, die eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt oder eine erläuternde Ablaufansicht, die die Details eines Reibschweißschritts darstellt.
[9] Eine Ansicht, die ein weiteres Beispiel eines Kolbens darstellt, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, oder eine Ansicht, die eine Struktur mit einem geschnittenen Teil erläutert.
[10] Eine Ansicht, die eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, oder eine erläuternde Ablaufansicht, die die Details des Reibschweißschritts darstellt.
[11] Eine Ansicht, die eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, oder eine erläuternde Ablaufansicht, die die Details des Reibschweißschritts darstellt.
[12] Eine Ansicht, die eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, oder eine erläuternde Ablaufansicht, die die Details des Reibschweißschritts darstellt.
Ausführungsart(-arten) der Erfindung.
1 bis 7 stellen eine konkretere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Insbesondere stellt 1 eine Struktur eines Kolbens an sich dar, der in einem Direkteinspritzungs-Fremdzündungs-Verbrennungsmotor verwendet wird.
Der in 1 dargestellte Kolben 1 ist vorgesehen, um eine relativ flache kreisförmige Vertiefung 3 in der Kronenfläche 2, die als oberes Ende des Kolbens dient, der aus einer Aluminiumlegierung etc. als Basismaterial ausgebildet ist, an einer Position aufweist, an der Kraftstoff, der von einem Kraftstoffeinspritzventil (nicht dargestellt) eingespritzt wird, auftrifft. Um den Mittelpunkt der Vertiefung 3 ist ein kreisförmiges, niedrig wärmeleitfähiges Teil 4 vorgesehen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit niedriger als das Basismaterial ist, wodurch eine Dämmwirkung aufgewiesen wird.
Wie später erwähnt wird, ist das niedrig wärmeleitfähige Teil 4 in der Weise ausgebildet, um: ein geschlossenes kreisförmiges konkaves Teil 5 vorab zu bilden, das kleiner als die Vertiefung 3 im Durchmesser ist, der kleiner als der um den Mittelpunkt der Vertiefung 3 ist; ein konkaves Teil 5 mit einem bestimmten gemischten Pulver zu füllen; und danach ein Festkörperschweißen (oder Diffusionsschweißen) gegen ein konkaves Teil 5 durch eine Technik zu bewirken, die ähnlich dem sogenannten Rührreibschweißen ist.
Das oben erwähnte bestimmte gemischte Pulver wird aufbereitet, um bei der Wärmeleitfähigkeit kleiner als die Aluminiumlegierung, die als Basismaterial des Kolbens 1 dient, zum Zeitpunkt einer Änderung in das niedrig wärmeleitfähige Teil 4 durch das Festkörperschweißen zu sein. Es ist z. B. möglich, ein gemischtes Pulver einzusetzen, das durch Mischen eines Füllmaterialpulvers, das hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit kleiner als das Basismaterial des Kolbens 1 (z. B. eine Aluminiumlegierung) ist, wie z. B. ein Pulver von Vollkeramikmaterialien, das Zirkonium (ZrO₂), Cordierit, Mullit, Silizium, Kieselsäure (z. B. Siliziumdioxid SiO₂), Glimmer, Talkum oder Aluminium-basierende oder Siliziumnitrid-basierende Materialien enthält, und ein Pulver aus Glas, das Silikatglas, Acrylglas, organisches Glas und dergleichen enthält, mit einem Verbindungsmaterialpulver erhalten wird, das eine Legierung oder eine intermetallische Verbindung beim Vermischen mit dem Basismaterial des Kolbens 1, wie z. B. ein Pulver einer Aluminiumlegierung, wird.
Das oben erwähnte Füllmaterialpulver und das Verbindungsmaterialpulver können in der Form von Flocken oder Chips sein. Zusätzlich ist das Füllmaterialpulver nicht auf die oben erwähnten Beispiele begrenzt. Es ist z. B. möglich, hohle Keramikperlen, hohle Glasperlen oder hohle Metallkugeln als Füllmaterialpulver zusätzlich zu den feinen, porös strukturierten Füllmaterialien, die Kieselsäure als primäre Komponente enthalten, wie z. B. Kieselgel und Kieselsäure-Aerogel, zu verwenden. Außerdem ist es möglich, ein Pulver einer organischen Siliziumverbindung mit Kohlenstoff, Sauerstoff, Silizium und dergleichen, Keramikfaser mit hoher Festigkeit und hoher Hitzebeständigkeit und hitzebeständige Metallmaterialien mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit und geringer spezifischer Wärme, wie z. B. Titan, eine Titanlegierung, SUS-Edelstahl, niedrig legierter Stahl und Gusseisen (z. B. Grauguss und duktiles Gusseisen), zu verwenden.
Wenn das oben erwähnte gemischte Pulver in das konkave Teil 5 gefüllt wird, kann es in der ursprünglichen Pulverform verwendet werden. Alternativ kann das gemischte Pulver ein vorbestimmter komprimierter Körper sein, z. B. ein Grünkörper, der in der Weise erhalten wird, um das gemischte Pulver einem Vorformen durch vorheriges unter Druck setzen des gemischten Pulvers in eine keksähnliche Form zu unterziehen. Der Grünkörper kann in das konkave Teil 5 eingepasst oder abgesenkt werden.
2 stellt eine Ablaufreihenfolge zum Erzeugen des Kolbens 1 dar, die das Einfüllen des gemischten Pulvers und das Reibschweißen umfasst. In einem Gussschritt eines Kolbens, wie in diesem Diagramm dargestellt, wird ein Rohmaterial des Kolbens 1, das aus einer Aluminiumlegierung gebildet wird, durch ein öffentlich bekanntes Verfahren gegossen. Anschließend wird ein vorbestimmtes Bearbeiten in einem primären Bearbeitungsschritt als ein primäres Bearbeiten in der Weise ausgeführt, um somit ein Außendurchmesserschneiden eines Flächenbereichs eines Rohmaterials des Kolben 1 und eine Stiftlochbohrung zu umfassen. Im Übrigen ist es wichtig, ein Außendurchmesserschneiden eines Flächenbereichs und eine Stiftlochbohrung als primäres Bearbeiten zum Verbessern einer Positionsgenauigkeit zum Zeitpunkt des Einsetzens des Kolben 1 in die unten genannte Reibschweißmaschine vorab auszuführen. Außerdem kann das konkave Teil 5 in der Kronenfläche 2, wie in 1 dargestellt, zum Zeitpunkt des Gießens durch das sogenannte Kernbohrungsverfahren oder gleichzeitig zum Zeitpunkt der primären Bearbeitung ausgebildet werden. In jedem Fall entspricht dieser Schritt einem ein konkaves Teil bildenden Schritt.
In einem Schritt zum Herstellen eines gemischten Pulvers und Einfüllens desselben, werden das oben erwähnte Füllmaterialpulver und Verbindungsmaterialpulver gemischt, wodurch ein gemischtes Pulver erzeugt wird, gefolgt von einem Einfüllen in das konkave Teil 5 des Kolbens 1. In diesem Fall ist es auch möglich, einen Grünkörper aus dem gemischten Pulver im Voraus zu erzeugen und danach in das konkave Teil 5 einzupassen oder abzusenken, wie oben erwähnt. Dieser Schritt entspricht einem Materialfüllschritt in das konkave Teil 5.
Danach wird der Kolben 1, bei dem das konkave Teil 5 mit dem gemischten Pulver gefüllt ist, wie oben erörtert, in eine Reibschweißmaschine eingesetzt, während seine Lokalisierung bestimmt wird, gefolgt vom Ausführen des Reibschweißens. Dieser Schritt entspricht einem Reibschweißschritt, die Details davon werden nachstehend erörtert.
Nach Beenden des Reibschweißens wird der Kolben 1 aus der Reibschweißmaschine entnommen, gefolgt von einem Ausführen einer Wärmebehandlung als Nachbehandlung. Diese Nachbehandlung zielt darauf ab, Verformungen zu entfernen, die zusammen mit einer plastischen Verformung beim Reibschweißen verursacht wurden, und die Festigkeit einheitlich zu machen, sodass sie als Lösungs-Alterungsbehandlung oder künstliche Altersbehandlung ausgeführt wird.
Wenn so die Wärmebehandlung des Kolben 1 ausgeführt wird, wird ein Beenden des Schneiden als sekundäre Bearbeitung ausgeführt, wodurch der Kolben 1 als Endprodukt fertig gestellt wird.
3 stellt die Struktur der Reibschweißmaschine zum Ausführen eines Reibschweißens schematisch dar. Es ist selbstverständlich, dass die Reibschweißmaschine üblich bekannte Einrichtungen zum Rührreibschweißen verwendet, in der der Kolben 1, der als Werkstück dient, auf der Unterlage 6 zu positionieren ist, und das Querhaupt 7, das zur Unterlage 6 entgegengesetzt ist, vertikal beweglich durch einen bogenförmigen Rahmen 8 abgestützt wird. Das Querhaupt 7 ist mit einem festen zylindrischen Drehgerät 10 (Werkzeug oder Tastkopf) zum Reibschweißen durch den Werkzeughalter 9 und auf der unteren Seite angeordnet. Dieses Drehgerät 10 wird drehbeweglich durch einen Motor 11, der am Querhaupt 7 über das Getriebe 12 befestigt ist, angetrieben. Gleichzeitig ist das Querhaupt 7 mit dem Drehgerät 10 vertikal durch einen hydraulischen Zylinder 13 anzutreiben. Im Übrigen ist die Reibschweißmaschine auch mit einem Bedienfeld 15 neben einer Hydraulik-Energiequelle 14 versehen, wie üblicherweise bekannt.
Übrigens ist die Endfläche 10a des Drehgeräts 10 vorgesehen, um als eine kreisförmige ebene Fläche mit einem Durchmesser zu dienen, der etwas größer als der des konkaven Teils 5 von 1 ist. Obwohl die Drehgeräte, die zum üblichen bekannten Rührreibschweißen verwendet werden, zum Aufweisen eines hervorstehenden Teils an der ebenen Fläche zum Rührbetrieb aufbereitet worden sind, ist dieses hervorstehende Teil beim Reibschweißen der vorliegenden Ausführungsform nicht vorgesehen, weil ein Rührbetrieb nicht erforderlich ist. Daher ist die Endfläche 10a des Drehgeräts 10 lediglich in einer kreisförmigen ebenen Fläche ausgebildet.
4 stellt die Details eines Mechanismus dar, der den Positionierablauf des Kolbens 1 auf der Unterlage 6 in der Reibschweißmaschine regelt, wie in 3 dargestellt, in der (A) eine exemplarische Vorderansicht ist, während (B) eine exemplarische Draufsicht der Figur (A) ist. Wie in (A) und (B) von 4 dargestellt, wird der Kolben 1 zum Zeitpunkt eines Positionierens und Festklemmens des Kolben 1 auf der Unterlage 6 von 3 an der mittleren Spannvorrichtung 16 angeordnet, die auf der Unterlage 6 befestigt ist, sodass ihr Vorsprung und eine Vertiefung angepasst sind, um die Kronenfläche 2 von innen abzustützen. Zusätzlich wird ein halbförmiges rechtes und linkes Paar von Seitenspannvorrichtungen 17, wobei jede von ihnen einen vorstehenden Abschnitt 17a aufweist, der in ein Stiftloch der Seite des Kolbens 1 einsetzbar ist, in die Vorwärtsrichtung durch einen Hydraulikzylinder (nicht dargestellt) bewegt, um so den Kolben 1 mit Druck von beiden Seiten zu beschränken, wodurch ein Positionieren und Festklemmen ausgeführt wird. Angesichts eines Vermeidens einer Verformung des Kolbens 1 ist es vorteilhaft, die Kronenfläche 2 durch vollständigen Kontakt abzustützen, als nur von innen abzustützen.
In dieser Situation wird das Drehgerät 10 mit dem konkaven Teil 5 des Kolbens 1, der mit dem gemischten Pulver gefüllt ist, an der Endfläche 10a, während er gedreht wird, in der Weise in Kontakt gebracht, um somit das konkave Teil 5 im Wesentlichen abzudecken, sodass das gemischte Pulver davon nicht verschüttet wird. Aus diesem Grund wird die kreisförmige ebene Endfläche 10a des Drehgeräts 10 etwas größer als die Form des konkaven Teils 5 ausgebildet, wie oben erwähnt. Sofern die Endfläche 10a des Drehgeräts 10 sich nicht aus dem konkaven Teil 5 bewegt, kann im Übrigen das Drehgerät 10 in einer derartigen Rotationsform sein, das auch seine Achse an sich bewegt wird.
Außerdem wird eine Last auf das Drehgerät 10 während seiner Drehung aufgebracht, um es stärker zu drücken. Die Last wird entfernt, wenn es eine spezifische Last, ein Druckausmaß und Reibdrehmoment erreicht, gefolgt durch ein Heraufziehen des Drehgeräts 10 und Stoppen seiner Drehung. Im Übrigen ist das Druckausmaß des Drehgeräts 10 ein Ausmaß, das erforderlich ist, um im Wesentlichen das Volumen des konkaven Teils 5 mit dem Volumen des gemischten Pulvers auszugleichen, was nichts anderes heißt, dass sich der Zwischenraum des gemischten Pulvers so nahe wie möglich Null annähert.
Mit diesem Vorgang wird die offensichtliche Dichte des gemischten Pulvers so erhöht, um der absoluten Dichte näherzukommen, und die Reibungswärme wird zusätzlich zwischen dem Drehgerät 10, konkaven Teil 5 auf der Seite des Kolbens 1 und dem gemischten Pulver erzeugt, um das konkave Teil 5 und das gemischte Pulver zu erweichen, aber nicht um so viel, dass sie schmilzt. Danach bewirkt das gemischte Pulver eine Rührbindung unter ihnen, während eine Rührbindung auch gegenüber dem konkaven Teil 5 bewirkt wird (das als Basismaterial des Kolbens 1 dient), um dazu in einer Festkörperphase gebunden zu werden. Das niedrig wärmeleitfähige Teil 4, wie in 1 dargestellt, wird somit ausgebildet.
5 ist eine detaillierte Darstellung, die einen Ablauf des oben erwähnten Reibschweißens darstellt. (A) von 5 stellt einen Zustand des konkaven Teils 5 dar, das mit dem gemischten Pulver P gefüllt wird, aber nicht mit dem Drehgerät 10 in Kontakt ist, während (B) von 5 ein Zustand des Drehgeräts (10) darstellt, das mit dem Umfang des konkaven Teils 5 in Kontakt ist. Außerdem stellt (C) von 5 einen Zustand dar, in dem das Drehgerät 10 gegen das konkave Teil 5 bis zu einem bestimmten Ausmaß gedrückt wird, sodass das niedrig wärmeleitfähige Teil 4 ausgebildet wird.
Wenn das Drehgerät 10 gedrückt wird, wie in Figur (C) dargestellt, wird die Form des Endes des Drehgeräts 10 auf den Umfang des niedrig wärmeleitfähigen Teils 4 übertragen, wodurch ein weiteres konkaves Teil 18 mit einem Durchmesser, der etwas größer als der des vorab ausgebildeten konkaven Teils 5 ist, gebildet. Gleichzeitig wird ein „Grat” F am Umfang des niedrig wärmeleitfähigen Teils 4 gebildet, weil das Basismaterial des Kolben 1 weggedrückt wird, wenn das Drehgerät 10 gedrückt wird. Der „Grat” F ist jedoch durch Abschneiden durch die sekundäre Bearbeitung zu entfernen, wie in 2 dargestellt. Insbesondere ist in der sekundären Bearbeitung, wie in 2 dargestellt, ein Schneiden auszuführen, sodass die Fläche des niedrig wärmeleitfähigen Teils 4 mit dem Basismaterial des Kolbens 1 bündig wird, um das konkave Teil 18 zu eliminieren, das durch Drücken des Drehgeräts 10 neu gebildet wird, sodass zu diesem Zeitpunkt der „Grat” F abzuschneiden ist.
Der Durchmesser des konkaven Teils 5 und der Durchmesser des Drehelements 10 sind erforderlich, um nur in diesem Verhältnis zu sein, dass der Durchmesser des Drehgeräts 10 größer als der Durchmesser des konkaven Teils 5 ist. Es ist vorteilhafter, dass der Durchmesser des Drehgeräts 10 ungefähr 1 mm größer als der Durchmesser des konkaven Teils 5 ist. Zusätzlich ist die Form des konkaven Teils 5 nicht notwendigerweise kreisförmig und es ist wünschenswert, wenn das Drehgerät 10 eine kreisförmige Form aufweist, sodass das konkave Teil 5 ebenfalls eine kreisförmige Form aufweist.
Es wird nun auf die folgenden Beispiele Bezug genommen, bei denen die erste Ausführungsform des Reibschweißens detailliert diskutiert wird.
Beispiele
Ein Testmuster (4032-T6) eines Basismaterials, das aus einer Aluminiumlegierung gebildet ist wird vorgesehen, um ein konkaves Teil 5 aufzuweisen, das 33 mm beim Durchmesser und 5 mm bei der Tiefe misst. Danach wurde das konkave Teil 5 vollständig mit einem gemischten Pulver gefüllt, das Folgendes beinhaltet: 33 Gew.-% eines stabilisierten Zirkoniumpulvers, das als Füllmaterial dient und einen Partikeldurchmesser von 30 μm aufweist; und 27 Gew.-% von reinem Aluminiumpulver, das als Verbindungsmaterial dient und einen Partikeldurchmesser von 30 μm aufweist. Das Drehgerät 10, das aus Werkzeugstahl gebildet wird und einen Durchmesser von 34 mm aufweist, wurde bei 800 Upm gedreht und gegen das Testmuster unter Belastung während der Drehung gedrückt. Wenn das Drehgerät auf eine Tiefe von ungefähr 2,9 mm gedrückt wurde, wurde ein Drücken des Drehgeräts 10 beendet. Die Bedingungen in diesem Fall sind nachstehend aufgezählt.

• Material des Drehgeräts 10: SKD61
• Die Drehzahl des Drehgeräts 10: 800 UPM
• Durchmesser des Drehgeräts 10: ⌀ 34 mm
• Druckgeschwindigkeit des Drehelements 10: 20 mm/min
• Durchmesser des konkaven Teils: ⌀ 33 mm
• gemischtes Pulver: ein gemischtes Pulver aus Zirkoniumpulver, das als Füllmaterial dient, und aus reinem Aluminiumpulver, das als Verbindungsmaterial dient (73 Gew.-% Zirkoniumpulver und 27 Gew.-% reines Aluminiumpulver).

6 ist eine Querschnittsansicht des Testmusters, das in der ersten Ausführungsform des Reibschweißens verwendet wird, und 7 ist eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs ”A” von 6, das heißt, eine vergrößerte Ansicht der Textur einer Grenzfläche zwischen dem Basismaterial und dem neu gebildeten niedrig wärmeleitfähigen Teil 4. Wie aus 6 offensichtlich, kann bestätigt werden, dass das niedrig wärmeleitfähige Teil 4 an der Bodenseite des konkaven Teils 18, das durch Drücken des Drehgeräts 10 vorgesehen wird, in der Weise ausgebildet wurde, um in das vorab gebildete konkave Teil 5 eingepasst zu werden. Wie aus 7 offensichtlich, kann zusätzlich bestätigt werden, dass das reine Aluminium, das im gemischten Pulver im niedrig wärmeleitfähigen Teil 4 als Verbindungsmaterial enthalten ist, ausreichend mit dem Basismaterial verschweißt wurde, und es konnte beobachtet werden, dass Zirkonium, das im niedrig wärmeleitfähigen Teil 4 als Füllmaterial enthalten ist, meist homogen verteilt wurde. Die Verbindungsfestigkeit des niedrig wärmeleitfähigen Teils 4 mit dem Basismaterial des Kolbens 1 wird somit verbessert und trägt dadurch zur Erhöhung der Verbindungsqualität und Zuverlässigkeit bei.
8 stellt eine zweite Ausführungsform zum Ausführen der vorliegenden Erfindung dar. In der zweiten Ausführungsform wird eine ringförmige Rippe 19 zum Umschließen des konkaven Teils 5 vorab am Umfang des konkaven Teils 5 ausgebildet. Zum Zeitpunkt des Reibschweißens wird das Drehgerät 10 gegen das Basismaterial des Kolbens 1 gedrückt, um die Rippe 19 einzuknicken. Andere Bearbeitungsbedingungen waren weitgehend dieselben wie diejenigen in der oben erwähnten ersten Ausführungsform.
In der in 5 dargestellten ersten Ausführungsform war die Formung des zusätzlichen konkaven Teils 18, das durch Drücken des Drehgeräts 10 bewirkt wurde, um das Reibschweißen zu erreichen, unvermeidlich; dadurch war es notwendig, ein Schneiden als Nachbehandlung zum Eliminieren des konkaven Teils 18 oder ein Bündigmachen der Fläche des niedrig wärmeleitfähigen Teils 4 mit dem Basismaterial des Kolbens 1 auszuführen, was zu einem Materialabfall führte.
Die in 8 dargestellte zweite Ausführungsform wird im Gegensatz dazu durch Einknicken der vorab gebildeten Rippe 19 am Umfang des konkaven Teils 5 ausgeführt, sodass das Ausmaß eines Schneidens beim Ausführen eines Schneidens gespart wird, um die Fläche des niedrig wärmeleitfähigen Teils 4 mit dem Basismaterial des Kolbens 1 bündig zu machen, was den Vorteil einer Verbesserung der Materialausnutzung bewirkt.
9 ist eine Ansicht, die eine dritte Ausführungsform zum Ausführen der vorliegenden Erfindung darstellt, in der die Elemente, die mit 1 übereinstimmen, mit derselben Bezugsziffer festgelegt sind. Wie in 9 dargestellt, wendet der Kolben 1 der dritten Ausführungsform eine 2-Schicht-Anordnung an, die aus einem niedrig wärmeleitfähigen Teil 20, das als untere Isolierschicht fungiert, und aus einem hoch wärmeleitfähigen Teil 21, das als eine obere Schicht fungiert, die eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die größer als die des niedrig wärmeleitfähigen Teils 20 ist, anstatt des niedrig wärmeleitfähigen Teils 4 aus 1 gebildet wird. Das niedrig wärmeleitfähige Teil 20, das sich als untere Schicht verhält, die eine Dämmung anstrebt, während das hoch wärmeleitfähige Teil 21, das sich als obere Schicht verhält, vorgesehen wurde, um eine thermische Kapazität aufzuweisen, die ausreicht, um Wärmestrahlung von Flammen aufzunehmen und schnell bei der Temperatur zunimmt und den Kraftstoff verdampft. Durch tatsächliches Vorsehen der unteren Schicht und der oberen Schicht wurde eine Funktionsteilung entwickelt.
Solange die Dämmwirkung des niedrig wärmeleitfähigen Teils 20 (als untere Schicht) effizient ausgewiesen wird, ist es beim hoch wärmeleitfähigen Teil 21 (als obere Schicht) erforderlich, nur einen Bereich und eine Dicke aufzuweisen, die eine geeignete spezifische Wärme und Gewicht vorgeben. Ein konkretes Beispiel ist in 10 dargestellt. In 10 sind Elemente, die mit 8 übereinstimmen, mit derselben Bezugsziffer festgelegt.
Wie in (A) von 10 dargestellt, wurde das gemischte Pulver P1 als ein gemischtes Pulver für das niedrig wärmeleitfähige Teil 20 (oder die untere Schicht) vorbereitet und dann in das konkave Teil 5 gefüllt und festgestampft, wobei das gemischte Pulver P1 83 Gew.-% eines Bohrsilikatglaspulver, das als Füllmaterial dient und einen Partikeldurchmesser von 4 μm aufweist, und 17 Gew.-% eines reinen Aluminiumpulvers enthält, das als Verbindungsmaterial dient und einen Partikeldurchmesser von 30 μm aufweist. Dieser Schritt entspricht im Übrigen einem eine untere Schicht füllenden Schritt. Nach dem Verdichten eines gemischten Pulvers P1 (die untere Schicht) wird eine bestimmte Menge eines reinen Aluminiumpulvers P2, das als Pulver für das hoch wärmeleitfähige Teil 21 (die obere Schicht) vorbereitet wird, auf die untere Schicht aufgebracht, wobei das Pulver P2 als Verbindungsmaterial dient und einen Partikeldurchmesser von 30 μm aufweist. Im Übrigen entspricht dieser Schritt einem eine obere Schicht füllenden Schritt. Wie in Figur (B) dargestellt, wird danach ein Reibschweißen unter Verwendung des Drehgeräts 10 in einer ähnlichen Weise wie in 8 ausgeführt. Die Bedingungen für dieses Reibschweißen sind im Wesentlichen dieselben wie diejenigen in der oben erwähnten ersten Ausführungsform.
In diesem Fall war reines Aluminiumpulver, das als Verbindungsmaterial dient, sowohl in der oberen als auch unteren Schicht enthalten. Dadurch ergab sich keine offensichtliche Grenze zwischen dem niedrig wärmeleitfähigen Teil 20 (die untere Schicht) und dem hoch wärmeleitfähigen Teil 21 (die obere Schicht) und es wurde bestätigt, dass die reine Aluminiumschicht, die als hoch wärmeleitfähiges Teil (obere Schicht) 21 dient, mit dem Basismaterial des Kolbens 1 durch Rührreibschweißen verbunden wurde, um somit hinsichtlich der Dichte im Wesentlichen gleich einem geschmiedeten Aluminiummaterial zu sein. Außerdem wurde beim niedrig wärmeleitfähigen Teil 20 (untere Schicht) bestätigt, das Bohrsilikatglaspulver zu halten, obwohl es hinsichtlich der Aluminiummenge kleiner als das hoch wärmeleitfähige Teil 21 (obere Schicht) ist. Außerdem wurde beim niedrig wärmeleitfähigen Teil 20 (untere Schicht) bestätigt, ausreichend mit dem Basismaterial des Kolben 1 verschweißt zu sein, während es einen geringen Zwischenraum aufweist. Damit wurden dieselben Effekte wie in der ersten Ausführungsform erreicht.
11 stellt eine vierte Ausführungsform zum Ausführen der vorliegenden Erfindung dar. Im Gegensatz zur oben erwähnten dritten Ausführungsform, wo gemischte Pulver, die getrennt in zwei Schichten gefüllt werden, die aus einer oberen Schicht und einer unteren Schicht bestehen, durch ein Reibschweißen unter Verwendung des Drehgeräts 10 verbunden wurden, wird die in 11 dargestellte vierte Ausführungsform ausgeführt, sodass die untere Schicht und die obere Schicht unabhängig einem Reibschweißen unter Verwendung des Drehgeräts 10 unterzogen werden.
In der vierten Ausführungsform, wie in (A) von 11 dargestellt, wird das gemischte Pulver P1 als gemischtes Pulver für das niedrig wärmeleitfähige Teil 20 (oder die untere Schicht) vorbereitet und dann in das konkave Teil 5 gefüllt und in einer Weise festgestampft, die ähnlich zu (A) von 10 ist, wobei das gemischte Pulver P1 83 Gew.-% Bohrsilikatglaspulver, das als Füllmaterial dient und einen Partikeldurchmesser von 4 μm aufweist, und 17 Gew.-% von reinem Aluminiumpulver enthält, das als Verbindungsmaterial dient und einen Partikeldurchmesser von 30 μm aufweist. Im Übrigen entspricht dieser Schritt einem ersten Material-Füllschritt. Nach Verdichten des gemischten Pulvers P1 (die untere Schicht) wird das Reibschweißen unter Verwendung des Drehgeräts 10 ausgeführt, wie in der Figur (B) dargestellt. Dieser Schritt entspricht einem primären Reibschweißschritt.
In diesem Fall wird die ringförmige Rippe 22, die vorab am Umfang des konkaven Teils 5 ausgebildet wird, nicht als Ganzes geknickt, und ein Teil des Außenumfangs der Rippe 22 wird insbesondere ohne geknickt zu werden übrig gelassen. Wie in 9 und (B) und (C) von 11 dargestellt, wird damit das niedrig wärmeleitfähige Teil 20, das als untere Schicht dient, vorranig beim konkaven Teil 5 ausgebildet.
Wie in (D) von 11 dargestellt, wird anschließend eine bestimmte Menge des reinen Aluminiumpulvers P2, das als Pulver für das hoch wärmeleitfähige Teil 21 (die obere Schicht) vorbereitet wird, auf das niedrig wärmeleitfähige Teil 20 aufgebracht, wobei das Pulver P2 als Verbindungsmaterial dient und einen Partikeldurchmesser von 30 μm aufweist. Im Übrigen entspricht dieser Schritt einem zweiten Material-Füllschritt. Bei Verwendung des Drehgeräts 23 mit einem Durchmesser, der größer als der des vorab verwendeten Drehgeräts 10 ist, wird ein Reibschweißen ausgeführt, während die verbleibende Rippe 22 geknickt wird. Im Übrigen entspricht dieser Schritt einem sekundären Reibschweißschritt. Die Bedingungen für die primären und sekundären Reibschweißschritte sind im Wesentlichen dieselben wie diejenigen in der oben erwähnten ersten Ausführungsform. Wie in 9 und (E) von 11 dargestellt, wird damit das hoch wärmeleitfähige Teil 21 (oder die obere Schicht) auf dem niedrig wärmeleitfähigen Teil 20 (oder die untere Schicht) in einer Weise ausgebildet, die der dritten Ausführungsform ähnlich ist.
Die vierte Ausführungsform ist von der oben erwähnten dritten Ausführungsform dadurch eindeutig, dass das Reibschweißen in einem Schritt oder getrennt in zwei Schritten vollendet wird, aber diese sind darin gleich, dass das hoch wärmeleitfähige Teil 21 (oder die obere Schicht) ausgebildet wird, indem sie auf das niedrig wärmeleitfähige Teil 20 (oder die untere Schicht) aufgebracht wird.
Reines Aluminiumpulver, das als Verbindungsmaterial dient, ist auch in der vierten Ausführungsform sowohl in den unteren und oberen Schichten enthalten. Dadurch gibt es keine offensichtliche Grenze zwischen dem niedrig wärmeleitfähigen Teil 20 (die untere Schicht) und dem hoch wärmeleitfähigen Teil 21 (die obere Schicht), und es wird bestätigt, dass die reine Aluminiumschicht, die als hoch wärmeleitfähiges Teil 21 (obere Schicht) dient, mit dem Basismaterial des Kolbens 1 durch Rührreibschweißen verbunden wurde, um somit hinsichtlich der Dichte tatsächlich gleich einem geschmiedeten Aluminiummaterial zu sein. Außerdem enthält das niedrig wärmeleitfähige Teil 20 (untere Schicht) das Bohrsilikatglaspulver und bestätigt, ausreichend mit dem Basismaterial des Kolbens 1 verschweißt zu sein, obwohl die Aluminiummenge kleiner als beim hoch wärmeleitfähigen Teil 21 (obere Schicht) ist. Damit werden dieselben Effekte wie in der ersten Ausführungsform erreicht.
In den dritten und vierten Ausführungsformen, die im Wesentlichen die 2-Schicht-Struktur aufweisen, die aus dem niedrig wärmeleitfähigen Teil 20 (als untere Schicht) und aus dem hoch wärmeleitfähigen Teil 21 (als obere Schicht) gebildet wird, sind die Rippen 19, 22, die vorab am Umfang des konkaven Teils 5 ausgebildet werden, nicht unbedingt erforderlich, sodass die 2-Schicht-Struktur durchführbar ist, auch wenn die Rippen 19, 22 nicht ausgebildet sind. Ebenso ist das Material des hoch wärmeleitfähigen Teils 21 (die obere Schicht) nur erforderlich, um ein Metall zu sein, das eine Legierung oder eine intermetallische Verbindung als Verbindungsmaterial beim Vermischen mit dem Basismaterial (das aus einer Aluminiumlegierung gebildet wird) des Kolbens 1 bilden kann. Folglich ist es möglich, Pulver von Eisen, Kupfer, Nickel, Mangan, Zink, Chrom oder dergleichen anstatt des reinen Aluminiumpulvers, das in den oben erwähnten dritten und vierten Ausführungsformen verwendet wird, zu verwenden. Außerdem ist es möglich, ein geschmiedetes Material oder plattenförmiges Material aus Aluminium, Eisen, Kupfer, Nickel, Mangan, Zink, Chrom oder dergleichen anstatt des pulverförmigen Materials zu verwenden.
Nun werden das niedrig wärmeleitfähige Teil 4 oder 20, die durch Reibschweißen gebildet werden, und Funktionen als Dämmschicht von allen ersten bis vierten Ausführungsformen erörtert, wobei das Hauptprinzip das ist, ein Pulver, wie z. B. ein gemischtes Pulver, verdichtend zu verformen, während es durch Reibwärme erweicht wird, und gleichzeitig Partikel unter Druck miteinander zu verbinden, um ein Rührreibschweißen zu erreichen. In diesem Fall ist Luft im Inneren gleichzeitig, aber geringfügig einzufangen; dadurch wird ein Teil der Luft in den Partikeln des Pulvers verteilt, wodurch ein Oxid durch Oxidation schwindet, aber ein anderer Teil in der Schicht eingeschlossen wird, während ein verdichteter Zustand beibehalten wird.
Unter der Annahme, dass eine Wärmebehandlung, wie z. B. die Lösungs-Altersbehandlung, als Nachbehandlung beim Kolben 1 durchgeführt wird, der mit dem niedrig wärmeleitfähigen Teil 4 oder 20 ausgebildet worden ist, wie in 2 dargestellt, wird niemals ein sekundärer Fehler, wie z. B. Blasen, infolge der Luft, die im Inneren eingeschlossen ist, bewirkt. Der Grund dafür ist, dass eine Behandlung zum Reibschweißen unter einer Bedingung ausgeführt wird, bei der eine Temperatur und ein Druck vorgesehen werden, die gleich denjenigen bei der Lösungs-Altersbehandlung sind. Jedoch soll Luft die Fläche der Partikel des Pulvers zum Zeitpunkt des Reibschweißens oxidieren und kann ein Faktor sein um zu verhindern, dass sich Partikel unter Druck durch Rührreibschweißen ausgezeichnet miteinander verbinden, sodass es vorteilhaft ist, Luft, wenn möglich, zu eliminieren.
12 stellt eine fünfte Ausführungsform zum Ausführen der vorliegenden Erfindung dar, bei der die Eliminierung von Luft zum Zeitpunkt des Reibschweißens in Betracht gezogen wird. Im Übrigen werden Elemente, die mit 8 übereinstimmen, mit derselben Bezugsziffer festgelegt.
Wie in 12 dargestellt, ist ein gestuftes zylindrisches Drehgerät 24 vorgesehen, um eine komplexe Anordnung aufzuweisen, die aus einem äußeren zylindrischen Abschnitt 24a und einem inneren zylindrischen Abschnitt 24b (fest und als Wellenmittelpunkt dienend) gebildet wird, die axial relativ zueinander beweglich sind. Außerdem ist der äußere zylindrische Abschnitt 24a mit einer Absaugleitung 25 ausgebildet, die einen Anschlussabschnitt 25a an einem Ende aufweist und am anderen Ende mit einer Vakuumpumpe oder einer unterschiedlichen Unterdruck-Ansaugquelle (nicht dargestellt) verbunden ist, wobei sich der Anschlussabschnitt 25a zu einer inneren Umfangsfläche öffnet, die durch das Bodenteil des äußeren zylindrischen Abschnitts 24a gebildet wird.
Beim Reibschweißen wird das konkave Teil 5, das durch die ringförmige Rippe 19 umgeben ist, mit dem gemischten Pulver P, wie in 8 angewendet, gefüllt, wie in (A) von 12 dargestellt, und danach das Drehgerät 24 gegen das konkave Teil 5 gedrückt, um es abzudichten. Unmittelbar vor dem Start des Reibschweißens wird der innere zylindrische Abschnitt 24b relativ zum äußeren zylindrischen Abschnitt r um ein bestimmtes Ausmaß nach oben bewegt. Danach wird ein Absaugen in einem Zustand eines geöffneten Anschlussabschnitt 25a initiiert, wodurch Luft angesaugt wird, die im konkaven Teil 5 oder im gemischten Pulver P enthalten ist.
Wenn z. B. eine Luftansaugung 1 mmHg oder weniger erreicht, wird der innere zylindrische Abschnitt 24b nach unten bewegt, bis seine Bodenfläche mit der Bodenfläche des äußeren zylindrischen Abschnitts 24a bündig ist, wie in der Figur (B) dargestellt, wodurch der Anschlussabschnitt 25a der Absaugleitung 25 geschlossen wird. Danach werden der äußere zylindrische Bereich 24a und der innere zylindrische Bereich 24b zusammengefasst gedrückt (mit anderen Worten, das Drehgerät 24 wird als Ganzes gedrückt), während sie gedreht werden, wodurch das niedrig wärmeleitfähige Teil 4 in der gleichen Weise wie in 8 gebildet wird.
Gemäß der fünften Ausführungsform ist das Reibschweißen dasselbe wie in den oben erwähnten Ausführungsformen, aber es ist das sogenannte Vakuum-Rührreibschweißen. Daher wird die Verbindungsfestigkeit zwischen den Partikeln, die das niedrig wärmeleitfähige Teil 4 bilden, stark verbessert. Folglich wird die Festigkeit des niedrig wärmeleitfähigen Teils 4 mit dem Basismaterial des Kolbens 1 ebenfalls vergrößert, sodass die Verbindungsqualität und die Zuverlässigkeit weiter verbessert werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, wobei das Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor aufweist: – einen ein konkaves Teil bildender Schritt zum Bilden eines konkaven Teils in einer Kronenfläche des Kolbens, wobei die Kronenfläche eine Verbrennungskammer definiert; – einen Materialfüllschritt zum Füllen des konkaven Teils mit einem gemischten Pulver oder einem komprimierten Körper des gemischten Pulvers, wobei das gemischte Pulver durch Mischen eines Pulvers eines Füllmaterials, das hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit kleiner ist als ein Basismaterial des Kolbens hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit, und eines Pulvers eines Verbindungsmaterials erhalten wird, das eine Legierung oder eine intermetallische Verbindung beim Vermischen mit dem Basismaterial wird; und – einen Reibschweißschritt des Inkontaktbringens eines Drehgeräts mit einem Bereich des konkaven Teils, das das gemischte Pulver oder den komprimierten Körper des gemischten Pulvers umfasst, und zum anschließenden Erweichen des gemischten Pulvers oder des komprimierten Körpers des gemischten Pulvers durch Reibwärme, wodurch das gemischte Pulver oder der komprimierte Körper des gemischten Pulvers mit dem konkaven Teil zu einer Festkörperphase verbunden wird, um ein niedrig wärmeleitfähiges Teil zu bilden.
Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1, wobei das Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor dadurch gekennzeichnet ist, dass die Reibwärme beim Reibschweißschritt durch Drücken des Drehgeräts gegen das Basismaterial erzeugt wird, während der gesamte Bereich des konkaven Teils mit einer Endfläche des Drehgeräts abgedeckt wird.
Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 2, wobei das Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor dadurch gekennzeichnet ist, dass das konkave Teil, das in der Kronenfläche ausgebildet ist, an einer Position angeordnet ist, an der Kraftstoff, das von einem Kraftstoffeinspritzventil eingespritzt wird, auftrifft.
Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 2, wobei das Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor dadurch gekennzeichnet ist, dass die Endfläche des Drehgeräts in einer kreisförmigen ebenen Fläche ausgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1, wobei das Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor dadurch gekennzeichnet ist, dass das Füllmaterial mindest eines aus Zirkonium, Cordierit, Mullit, Silizium, Kieselsäure, Glimmer, Talkum, Silikatglas, Acrylglas, organischem Glas, Kieselsäure-Aerogel, hohlen Keramikperlen, hohlen Glasperlen oder hohlen Metallkugeln, einer organischen Siliziumverbindung, Keramikfaser, Titanlegierung, niedrig legiertem Stahl oder Gusseisen enthält.
Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1, wobei das Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor dadurch gekennzeichnet ist, dass der komprimierte Körper des gemischten Pulvers ein Grünkörper ist, der durch Komprimieren des gemischten Pulvers erhalten wird.
Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1, wobei das Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Rippe vorab am Umfang des konkaven Teils ausgebildet wird, und dadurch, dass die Reibwärme beim Reibschweißschritt durch Drücken des Drehgeräts gegen das Basismaterial erzeugt wird, während der gesamte Bereich des konkaven Teils einschließlich der Rippe mit einer Endfläche des Drehelements abgedeckt wird.
Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1, wobei das Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor durch einen weiteren Schritt zum Luftabsaugen vom konkaven Teil vor einer Behandlung für den Reibschweißschritt gekennzeichnet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1, wobei das Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Wärmebehandlung nach einer Behandlung für den Reibschweißschritt ausgeführt wird.
Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 9, wobei das Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor dadurch gekennzeichnet ist, dass die Wärmebehandlung eine Lösungs-Alterungsbehandlung oder künstliche Alterungsbehandlung ist.
Kolben für einen Verbrennungsmotor, wobei der Kolben für einen Verbrennungsmotor aufweist: – ein niedrig wärmeleitfähiges Teil, das in einer Kronenfläche eines Kolbens ausgebildet ist, wobei die Kronenfläche eine Verbrennungskammer definiert, – wobei das niedrig wärmeleitfähige Teil ein Verbindungsmaterial aufweist, das durch Vermischen mit einem Basismaterial des Kolbens eine Legierung oder eine intermetallische Verbindung wird, und ein Füllmaterial, das hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit kleiner ist als das Basismaterial des Kolbens, im Verbindungsmaterial verteilt ist.
Kolben für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 11, wobei der Kolben für einen Verbrennungsmotor dadurch gekennzeichnet ist, dass das niedrig wärmeleitfähige Teil durch Vermischen des Verbindungsmaterials und des Füllmaterials mit dem Basismaterial durch Reibwärme vom Drehgerät erhalten wird.
Kolben für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 12, wobei der Kolben für einen Verbrennungsmotor durch Verwendung für einen Direkteinspritzungs-Funkenzündungs-Verbrennungsmotor gekennzeichnet ist, der durch Einspritzen von Kraftstoff von einem Kraftstoffeinspritzventil zur Innenseite eines Zylinders gezündet wird.
Kolben für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 13, wobei der Kolben für einen Verbrennungsmotor dadurch gekennzeichnet ist, dass das niedrig wärmeleitfähige Teil, das in der Kronenfläche ausgebildet ist, an einer Position angeordnet ist, an der Kraftstoff, das vom Kraftstoffeinspritzventil eingespritzt wird, auftrifft.
Kolben für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 14, wobei der Kolben für einen Verbrennungsmotor dadurch gekennzeichnet ist, dass das Basismaterial aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet ist.
Kolben für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 15, wobei der Kolben für einen Verbrennungsmotor dadurch gekennzeichnet ist, dass das Verbindungsmaterial eine Aluminiumlegierung oder Kupfer enthält.
Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, wobei das Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor aufweist: – einen ein konkaves Teil bildender Schritt zum Bilden eines konkaven Teils in einer Kronenfläche des Kolbens, wobei die Kronenfläche eine Verbrennungskammer definiert; – einen eine untere Schicht füllenden Schritt zum Füllen des konkaven Teils mit einem gemischten Pulver oder einem komprimierten Körper des gemischten Pulvers, wobei das gemischten Pulver durch Mischen eines Pulvers eines Füllmaterials, das hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit kleiner ist als ein Basismaterial des Kolbens, und eines Pulvers eines Verbindungsmaterials erhalten wird, das eine Legierung oder eine intermetallische Verbindung beim Vermischen mit dem Basismaterial wird; – einen eine obere Schicht füllenden Schritt, bei dem ein hoch wärmeleitfähiges Material mit einer Wärmeleitfähigkeit, die höher als die des gemischten Pulvers oder des komprimierten Körpers des gemischten Pulvers ist, die eine untere Schicht werden soll, deren hoch wärmeleitfähiges Material eine Legierung oder eine intermetallische Verbindung beim Vermischen mit dem Basismaterial oder einem Pulver des hoch wärmeleitfähigen Materials oder einem komprimierten Körper des Pulvers werden kann, auf die untere Schicht geladen wird; und – einen Reibschweißschritt zum Inkontaktbringen eines Drehgeräts mit einem Bereich des konkaven Teils, das das hoch wärmeleitfähige Material oder das Pulver des hoch wärmeleitfähigen Materials oder des komprimierten Körpers des Pulvers umfasst, das eine obere Schicht werden soll, und zum anschließenden Erweichen des hoch wärmeleitfähigen Materials oder des Pulvers des hoch wärmeleitfähigen Materials oder des komprimierten Körpers des Pulvers durch Reibwärme, wodurch das hoch wärmeleitfähige Material oder das Pulver des hoch wärmeleitfähigen Materials oder des komprimierten Körpers des Pulvers mit dem konkaven Teil zu einer Festkörperphase verbunden wird, um ein hoch wärmeleitfähiges Teil zu bilden.
Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, wobei das Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor aufweist: – einen ein konkaves Teil bildender Schritt zum Bilden eines konkaven Teils in einer Kronenfläche des Kolbens, wobei die Kronenfläche eine Verbrennungskammer definiert; – einen ersten Materialfüllschritt, bei dem ein Pulver eines Füllmaterials, das kleiner als ein Basismaterial des Kolbens bei der Wärmeleitfähigkeit ist, oder ein komprimierter Körper des Pulvers und ein Pulver eines Verbindungsmaterials, das eine Legierung oder eine intermetallische Verbindung beim Vermischen mit dem Basismaterial oder eines komprimierten Körpers des Pulvers werden kann, in das konkave Teil gefüllt werden; – einen primären Reibschweißschritt zum Kontaktieren eines Drehgeräts mit einem Bereich des konkaven Teils, das das gemischte Pulver oder den komprimierten Körper des gemischten Pulvers umfasst, und zum anschließenden Erweichen des gemischten Pulvers oder des komprimierten Körpers des gemischten Pulvers durch Reibwärme, wodurch das gemischte Pulver oder der komprimierte Körper des gemischten Pulvers mit dem konkaven Teil zu einer Festkörperphase verbunden wird, um ein niedrig wärmeleitfähiges Teil zu bilden. – einen zweiten Materialfüllschritt, bei dem ein hoch wärmeleitfähiges Material, das hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit größer ist als das niedrig wärmeleitfähige Teil, und eine Verbindung oder eine intermetallische Verbindung beim Vermischen mit dem Basismaterial werden kann, und ein Pulver des hoch wärmeleitfähigen Materials oder ein komprimierter Körper des Pulvers auf das niedrig wärmeleitfähige Teil aufgebracht wird; und – einen sekundären Reibschweißschritt zum Inkontaktbringen eines Drehgeräts mit dem hoch wärmeleitfähigen Material oder dem Pulver des hoch wärmeleitfähigen Materials oder dem komprimierten Körper des Pulvers und zum anschließenden Erweichen des hoch wärmeleitfähigen Materials oder des Pulvers des hoch wärmeleitfähigen Materials oder des komprimierten Körpers des Pulvers durch Reibwärme, wodurch das hoch wärmeleitfähige Material oder das Pulver des hoch wärmeleitfähigen Materials oder der komprimierte Körper des Pulvers mit dem Basismaterial und dem niedrig wärmeleitfähigen Teil in einer Festkörperphase verbunden wird, um ein hoch wärmeleitfähiges Teil zu bilden.
Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 18, wobei das Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor dadurch gekennzeichnet ist, dass: – die Reibwärme beim primären Reibschweißschritt durch Drücken des Drehgeräts gegen das Basismaterial erzeugt wird, während der gesamte Bereich des konkaven Teils mit einer Endfläche des Drehgeräts abgedeckt wird; – die Reibwärme beim sekundären Reibschweißschritt durch Drücken des Drehgeräts gegen das Basismaterial erzeugt wird, während der gesamte Bereich des konkaven Teils mit einer Endfläche des Drehgeräts abgedeckt wird, wobei das konkave Teil einer Formung durch den primären Reibschweißschritt unterzogen worden ist; und – das Drehgerät, das beim sekundären Reibschweißschritt verwendet wird, im Bereich der Endfläche größer ist als das Drehgerät, das beim primären Reibschweißschritt verwendet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 19, wobei das Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor dadurch gekennzeichnet ist, dass: – eine Rippe vorab am Umfang des konkaven Teils ausgebildet ist; – das Drehgerät beim primären Reibschweißschritt gegen das Basismaterial gedrückt wird, während der gesamte Bereich des konkaven Teils mit der Endfläche des Drehgeräts abgedeckt wird, wobei das konkave Teil einen Teil der Rippe umfasst; und – das Drehgerät beim sekundären Reibschweißschritt gegen das Basismaterial gedrückt wird, während der gesamte Bereich des konkaven Teils mit der Endfläche des Drehgeräts abgedeckt wird, wobei das konkave Teil die restliche Rippe umfasst und einer Formung durch den primären Reibschweißschritt unterzogen worden ist.