DE112016000143T5

DE112016000143T5 - Verfahren zur Herstellung von Kolben

Info

Publication number: DE112016000143T5
Application number: DE112016000143.6T
Authority: DE
Inventors: Takashi Ikai; Kouichi Nakano; Yoshiyuki Koga
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2016-09-26
Publication date: 2017-09-28
Anticipated expiration: 2036-09-27
Also published as: DE112016000143B4; CN106817906A; JP6278020B2; US20170328301A1; US10352269B2; WO2017057251A1; JP2017067007A; CN106817906B

Abstract

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, während der Ausbildung einer wärmeisolierenden Schicht auf einer Quetschbereichfläche einer Oberfläche eines Kolbenhauptkörpers, die Erzeugung von großen Rissen auf der wärmeisolierenden Schicht zu verhindern und Schäden und Abblättern der wärmeisolierenden Schicht zu unterdrücken. Um dieses Ziel zu erreichen, wird in der vorliegenden Erfindung Druck auf eine wärmeisolierende Schicht 21 angewendet, die auf einer Oberfläche eines Kolbenhauptkörpers 19 angeordnet ist, das heißt, eine Presspannung wird im Voraus auf die wärmeisolierende Schicht 21 angewendet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Motor.
Stand der Technik
Herkömmlicherweise wird im Fall eines Metallprodukts, wie einem Motorteil, das einem Hochtemperaturgas ausgesetzt ist, eine wärmeisolierende Schicht auf der Oberfläche eines metallischen Grundwerkstoffs des Metallprodukts gebildet, um die Wärmeübertragung des Hochtemperaturgases auf das Metallprodukt zu unterdrücken, das heißt, einen Kühlverlust des Metallprodukts zu unterdrücken. Ein bekanntes Beispiel hierfür ist eine wärmeisolierende Schicht aus einem anorganischen Oxid (wie Zirkonoxid) oder einem Hohlpartikel enthaltenden organischen Material, die auf der Oberseite eines Kolbenhauptkörpers gebildet wird, der eine Brennkammer eines Motors festlegt.
Ein Quetschbereich kann an einem Spaltabschnitt zwischen der Oberfläche des Kolbenhauptkörpers, der die Brennkammer und eine Unterseite eines Zylinderkopfes festlegt, gebildet werden. In einem Fall, in dem die wärmeisolierende Schicht auf einer Oberfläche (Quetschbereichfläche) angeordnet ist, in der der Quetschbereich der oberen Fläche des Kolbenhauptkörpers gebildet ist, wird die wärmeisolierende Schicht hochtemperiert und deshalb wird die Quetschbereichfläche selbst hochtemperiert. Wenn aus diesem Grund ein Hochtemperatur- und Hochdruckendgas (ein unverbranntes Luft-Treibstoff-Gemisch, das in weiter Entfernung zu einer Zündkerze vorhanden ist) in einem Verbrennungsprozess in den Quetschbereich fließt, wird Wärmestrahlung vom Endgas zur Quetschbereichfläche durch die hochtemperierte Quetschbereichfläche verhindert, was Klopfen verursachen kann. Folglich werden Risse auf der wärmeisolierenden Schicht, die auf der Quetschbereichfläche gebildet ist, erzeugt, und dies führt zu Schäden und Abblättern der wärmeisolierenden Schicht. Somit geht eine Wärmeisolationseigenschaft der wärmeisolierenden Schicht verloren.
Einige Referenzen (siehe beispielsweise PTL 1) beschreiben einen Verbrennungsmotor bei dem die wärmeisolierende Schicht nicht auf der Quetschbereichfläche der Oberfläche des Kolbenhauptkörpers gebildet ist, und die wärmeisolierende Schicht nur auf dem anderen Teil der Oberfläche des Kolbenhauptkörpers gebildet ist.
Gemäß dem Verbrennungsmotor von PTL 1 wird, da die wärmeisolierende Schicht nicht auf der Quetschbereichfläche gebildet ist, die Wärmestrahlung vom Endgas zur Quetschbereichfläche gefördert und die Erzeugung des Klopfens unterdrückt.
Entgegenhaltungen
Patentliteratur

PTL 1: Japanese Laid-Open Patent Application Publication No. 2011-169232

Kurzdarstellung der Erfindung
Technisches Problem
Gemäß der Konfiguration von PTL 1 kann die Erzeugung des Klopfens im Quetschbereich unterdrückt werden. Allerdings ist es, unter dem Gesichtspunkt einer Verringerung des Kühlverlusts, erstrebenswert, dass die wärmeisolierende Schicht auf der gesamten Oberfläche des Kolbenhauptkörpers, einschließlich der Quetschbereichfläche, gebildet wird.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, während der Ausbildung einer wärmeisolierenden Schicht auf der Quetschbereichfläche die Erzeugung großer Risse auf der wärmeisolierenden Schicht durch Erzeugung des Klopfens zu vermeiden und Schäden und Abblättern der wärmeisolierenden Schicht zu unterdrücken.
Lösung des Problems
Um das obengenannte Ziel in der vorliegenden Erfindung zu erreichen, wird Druck auf die wärmeisolierende Schicht, die auf der Oberfläche des Kolbenhauptkörpers angeordnet ist, angewendet, das heißt, es wird vorab eine Pressspannung auf die wärmeisolierende Schicht angewendet.
Spezifisch gesagt, ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen hier aufgezeigten Motor, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Motor mit einer wärmeisolierenden Schicht, die auf der Oberfläche eines Kolbenhauptkörpers angeordnet wird, wobei die wärmeisolierende Schicht umfasst: eine große Anzahl Hohlpartikel, und ein Bindemittel, das die Hohlpartikel auf der Oberfläche des Kolbenhauptkörpers hält und Zwischenräume zwischen den Hohlpartikeln füllt, um einen Grundwerkstoff der wärmeisolierenden Schicht zu bilden, wobei das Verfahren umfasst: eine wärmeisolierende Schicht bildet im Anordnungsschritt ein wärmeisolierendes Material einschließlich der Hohlpartikel und des Bindemittels auf der Oberfläche des Kolbenhauptkörpers, um die wärmeisolierende Schicht zu bilden, und ein Druck wird im Druckbeaufschlagungsschritt auf die wärmeisolierende Schicht angewendet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann, durch Anwendung der Presspannung im Voraus auf die wärmeisolierende Schicht, die auf der Oberfläche des Kolbenhauptkörpers angeordnet ist, der Widerstand der wärmeisolierenden Schicht auf eine Zugspannung erhöht werden. Weiterhin kann, trotz auftretenden Klopfens, die Erzeugung von Rissen auf der wärmeisolierenden Schicht unterdrückt werden.
Vorzugsweise umfasst die Oberfläche des Kolbenhauptkörpers eine Quetschbereichfläche, die einen Quetschbereich bildet, und im Druckbeaufschlagungsschritt wird der Druck nur auf die wärmeisolierende Schicht, die auf der Quetschbereichfläche angeordnet ist, angewendet. Gemäß der vorliegenden Konfiguration kann die Erzeugung der Risse auf der wärmeisolierenden Schicht, die auf der Quetschbereichfläche gebildet wird, erfolgreich unterdrückt werden.
Vorzugsweise ist die Quetschbereichfläche eine plane Fläche. Damit kann die Druckbeaufschlagung einfach durchgeführt werden.
Vorzugsweise wird im Druckbeaufschlagungsschritt das Einbrennen der wärmeisolierenden Schicht zur gleichen Zeit durchgeführt, wenn der Druck auf die wärmeisolierende Schicht angewendet wird. Damit kann die Festigkeit der wärmeisolierenden Schicht verbessert und die Erzeugung von Rissen kann erfolgreich unterdrückt werden.
Vorzugsweise ist das Bindemittel ein Harz auf Silikonbasis, und das Harz auf Silikonbasis durch das Einbrennen von wenigstens einem Teil der Oberfläche der wärmisolierenden Schicht oxidiert Damit kann die Festigkeit der wärmeisolierenden Schicht verbessert und die Erzeugung von Rissen kann erfolgreich unterdrückt werden.
Vorzugsweise wird im Druckbeaufschlagungsschritt das Kühlen des Kolbenhauptkörpers zeitgleich mit dem Einbrennen durchgeführt. Damit kann, durch Kühlen des Kolbenhauptkörpers während der Druckbeaufschlagung und dem Einbrennen der wärmeisolierenden Schicht, die Adhäsion zwischen der wärmeisolierenden Schicht und der Oberfläche des Kolbenhauptkörpers verbessert werden.
Bevorzugte Auswirkungen der Erfindung
Wie oben beschrieben, kann, gemäß der vorliegenden Erfindung, durch Anwendung der Pressspannung im Voraus auf die wärmeisolierende Schicht, die auf der Quetschbereichfläche angeordnet ist, der Widerstand der wärmeisolierenden Schicht auf eine Zugspannung erhöht werden. Weiterhin kann, trotz auftretenden Klopfens an der Quetschfläche, die Erzeugung von Rissen auf der wärmeisolierenden Schicht auf der Quetschbereichfläche unterdrückt werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Schnittansicht, die einen Motor einschließlich eines Kolbens zeigt, der durch ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugt wird.
2 ist eine Draufsicht, die eine Kronenoberfläche des Kolbens gemäß der Ausführungsform von 1 zeigt.
3 ist eine Längsschnittansicht, die den Kolben von 2 zeigt.
4 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die eine wärmeisolierende Schicht von 3 zeigt.
5 ist ein Diagramm, das eine Vorrichtung zeigt, die zur Erzeugung des Kolbens gemäß der Ausführungsform von 1 konfiguriert ist.
6 ist ein Diagramm, das eine Beschaffenheit zeigt, wobei der Druck auf die wärmeisolierende Schicht mittels der Vorrichtung von 5 angewendet wird.
7 ist ein Diagramm, das eine Vorrichtung zeigt, die zur Erzeugung des Kolbens gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist.
8 ist ein Diagramm, das eine Beschaffenheit zeigt, wobei der Druck auf die wärmeisolierende Schicht mittels der Vorrichtung von 7 angewendet wird.
Beschreibung der Ausführungsformen
Nachfolgend werden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Einzelnen anhand der Zeichnungen erklärt. Erläuterungen der bevorzugten Ausführungsformen im Folgenden sind im Wesentlichen bloß Beispiele und beabsichtigen nicht die vorliegende Erfindung, die Anwendung der vorliegenden Erfindung oder die Verwendung der vorliegenden Erfindung einzuschränken.
Ausführungsform 1
Konfiguration des Motors
Ein in 1 gezeigter Direkteinspritzmotor E umfasst: einen Kolben 1, einen Zylinderblock 2, einen Zylinderkopf 3, ein Einlassventil 4, konfiguriert, um einen Ansaugkanal 5 des Zylinderkopfes 3 zu öffnen und zu schließen, ein Auslassventil 6, konfiguriert, um einen Auslasskanal 7 des Zylinderkopfes 3 zu öffnen und zu schließen, einen Injektor 8 und eine Zündkerze 9. Der Kolben 1 bewegt sich in einer Zylinderbohrung des Zylinderblocks 2 auf und ab.
Eine Brennkammer des Motors ist gebildet durch: eine Kronenoberfläche 10 des Kolbens, den Zylinderblock 2, den Zylinderkopf 3 und Schirmteil-Vorderflächen (Flächen, die der Brennkammer gegenüber liegen) der Ein- und Auslassventile 4 und 6. Wie in den 1 und 2 gezeigt, ist ein versenkter Kavitätsabschnitt 11, der eine Kavität der Brennkammer bildet, an einem festen mittleren Abschnitt der Kronenoberfläche 10 des Kolbens 1 angeordnet. Ein Quetschbereichabschnitt 12, der einen Quetschbereich bildet, ist an der äußeren Seitenkante der Kronenoberfläche 10 vorhanden, deren Seite von der Kavität der Brennkammer entfernt angeordnet ist. In der Kronenoberfläche 10 des Kolbens 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird der Quetschbereichabschnitt 12 durch die Quetschbereichabschnitte 12a, 12b, 12c und 12d gebildet.
Wärmeisolierende Schicht
Wie in 3 gezeigt, umfasst der Kolben 1: einen Kolbenhauptkörper 19, der ein Grundbauteil des Kolbens 1 ist und eine wärmeisolierende Schicht 1, die auf der Oberfläche des Kolbenhauptkörpers 19 angeordnet ist, unter dem Gesichtspunkt einer Reduzierung des Kühlverlusts der Brennkammer von Motor E.
Der Kolbenhauptkörper 19 besteht aus einer Aluminiumlegierung, die einem T7-Verfahren oder einem T6-Verfahren unterzogen wurde. Die Oberfläche des Kolbenhauptkörpers 19 umfasst: eine Kavitätsoberfläche 11', die den Kavitätsabschnitt 11 bildet und eine Quetschbereichfläche 12', die den Quetschbereichabschnitt 12 bildet.
Wie in 4 gezeigt, ist die wärmeisolierende Schicht 21 eine Schicht, die Hohlpartikel 31 und ein Bindematerial (Bindemittel) 32 umfasst.
Spezifisch gesagt umfasst die wärmeisolierende Schicht 21 das Bindematerial 32 und eine große Anzahl von Hohlpartikeln 31, die im Bindematerial 32 dispergiert sind. Das Bindematerial 32 hält die Hohlpartikel 31 auf der Oberfläche des Kolbenhauptkörpers 19 und füllt Zwischenräume zwischen den Hohlpartikeln 31, um einen Grundwerkstoff der wärmeisolierenden Schicht 21 zu bilden. Das Bindematerial 32 ist beispielsweise ein gering wärmeleitendes Material, wie Harz auf Silikonbasis und Innenräume der Hohlpartikel 31 enthalten Luft mit geringer Wärmeleitfähigkeit. Deshalb ist die wärmeisolierende Schicht 21 eine Schicht mit geringer Wärmeleitfähigkeit.
Es ist zu bevorzugen, als Hohlpartikel 31, keramikbasierte Hohlpartikel einzusetzen, die eine Si-basierte Oxidkomponente (wie Siliziumoxid (SiO₂)) oder eine Al-basierte Oxidkomponente (wie Aluminiumoxid (Al₂O₃)) enthalten, und Beispiele davon umfassen Siliziumoxid-Ballons, Glas-Ballons, Shirasu-Ballons, Flugasche-Ballons und Aerogel-Ballons. Die Verwendung von Glas-Ballons ist besonders zu bevorzugen. Somit kann die Wärmeleitfähigkeit der wärmeisolierenden Schicht 21 verringert und die Festigkeit der wärmeisolierenden Schicht 21 kann verbessert werden.
Die Hohlpartikel 31 sind vorzugsweise kugelförmig. Unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung der wärmeisolierenden Eigenschaft der wärmeisolierenden Schicht 21 beträgt der mittlere Durchmesser der Hohlpartikel 31 vorzugsweise 5 μm oder mehr und 50 μm oder weniger, bevorzugter 10 μm oder mehr und 45 μm oder weniger und besonders bevorzugt 15 μm oder mehr und 40 μm oder weniger. Unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung der wärmeisolierenden Eigenschaft der wärmeisolierenden Schicht 21, liegt die Menge der Hohlpartikel 31, die in der wärmeisolierenden Schicht enthalten sind, vorzugsweise bei 5 Gew-% oder mehr und 50 Gew-% oder weniger, bevorzugter bei 10 Gew.-% oder mehr und 45 Gew.-% oder weniger und besonders bevorzugt bei 15 Gew.-% oder mehr und 40 Gew.-% oder weniger.
Harz auf Silikonbasis, das ein gering wärmeleitfähiges Material ist, kann als Bindematerial 32 verwendet werden. Beispielsweise kann ein Harz auf Silikonbasis, das aus dreidimensionalen Polymeren mit hohem Verzweigungsgrad besteht, bevorzugt verwendet werden, und typische Beispiele hierfür umfassen Methylsilikonharz und Methylphenylsilikonharz. Ein spezifisches Beispiel für Harz auf Silikonbasis ist Polyalkylphenylsiloxan. Damit kann die Wärmeleitfähigkeit der wärmeisolierenden Schicht 21 verringert werden und eine ausgezeichnete Adhäsion zwischen der Oberfläche des Kolbenhauptkörpers 19 und der wärmeisolierenden Schicht 21 umgesetzt werden.
Unter dem Gesichtspunkt eine ausgezeichnete Wärmeisolationseigenschaft zu erhalten, beträgt die Dicke der wärmeisolierenden Schicht 21 vorzugsweise 50 μm oder mehr und 150 μm oder weniger, bevorzugter 60 μm oder mehr und 120 μm oder weniger und besonders bevorzugt 60 μm oder mehr und 100 μm oder weniger.
Weiterhin kann die Dicke der wärmeisolierenden Schicht 21 abhängig von ihrer Lage auf der Oberfläche des Kolbenhauptkörpers 19 variieren. Beispielsweise kann die Dicke der wärmeisolierenden Schicht 21, die auf der Quetschbereichfläche 12' angeordnet ist, etwa die Hälfte oder weniger der Dicke der wärmeisolierenden Schicht 21 betragen, die auf der Kavitätsoberfläche 11' angeordnet ist. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die Dicke der wärmeisolierenden Schicht, die auf der Kavitätsoberfläche 11' angeordnet ist, innerhalb des oben beschriebenen Bereichs liegt. Zum anderen beträgt die Dicke der wärmeisolierenden Schicht, die auf der Quetschbereichfläche 12' angeordnet ist, vorzugsweise 15 μm oder mehr und 150 μm oder weniger, bevorzugter 25 μm oder mehr und 120 μm oder weniger und besonders bevorzugt 30 μm oder mehr und 100 μm oder weniger. Damit kann, auch wenn die Risse auf der wärmeisolierenden Schicht 21 auf der Quetschbereichfläche 12' erzeugt werden, ein Fortschreiten der Risse erfolgreich unterdrückt werden.
Verfahren zur Bildung der wärmeisolierenden Schicht
Der Kolbenhauptkörper 19 und ein wärmeisolierendes Material zur Bildung der wärmeisolierenden Schicht 21 werden erstellt.
Eine Vertiefung zur Bildung der Kavität wird auf der Oberfläche des Kolbenhauptkörpers 19 gebildet und Flecken wie Öl und Fingerabdrücke, die auf der Oberfläche des Kolbenhauptkörpers 19 haften, werden mittels einer Entfettungsbehandlung entfernt.
Weiterhin wird das wärmeisolierende Material durch Rühren und Vermischen von flüssigem Silikonharz als Bindematerial 32 und Glas-Ballons als Hohlpartikel 31 erstellt. Die Viskosität des wärmeisolierenden Materials wird durch die Zugabe eines Verdickungsmittels oder eines verdünnten Lösungsmittels nach Bedarf angepasst.
Um die Adhäsionskraft zwischen dem Kolbenhauptkörper 19 und dem wärmeisolierenden Material, vor allem dem Silikonharz, zu erhöhen, wird die Oberfläche des Kolbenhauptkörpers 19 vorzugsweise einer Behandlung zur Oberflächenaufrauung unterzogen. Vorzugsweise wird als Behandlung zur Oberflächenaufrauung eine Strahlbehandlung, wie Sandstrahlen durchgeführt. Beispielsweise kann die Strahlbehandlung durch eine Ausblaseinrichtung unter Verwendung von Aluminiumoxid der Partikelgröße #30 als Schleifmaterial unter Behandlungsbedingungen durchgeführt werden, die einem Druck von 0,39 MPa, einer Zeit von 45 Sekunden und einem Abstand von 100 mm entsprechen. Allerdings ist die Behandlung zur Oberflächenaufrauung nicht darauf beschränkt. In einem Fall, in dem der Kolbenhauptkörper 19 aus einer Al-Legierung besteht, können feine Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche des Kolbenhauptkörpers 19 durch eine Alumitbehandlung gebildet werden. Beispielsweise kann die Alumitbehandlung durch Verwendung eines Oxalsäurebads unter Behandlungsbedingungen durchgeführt werden, die einer Badtemperatur von 20°C, einer Stromdichte von 2 A/dm2 und einer Zeit von 20 Minuten entsprechen.
Anschließend wird die wärmisolierende Schicht 21 durch Aufbringen des wärmeisolierenden Materials auf der Oberfläche des Kolbenhauptkörpers 19 unter Verwendung eines Sprays, einer Bürste oder dergleichen (Ausbildungsschritt der wärmeisolierenden Schicht) gebildet. Als nächstes wird die gebildete wärmeisolierende Schicht 21 einer Vortrocknung durch Heißlufttrocknung, Infrarotheizung oder dergleichen unterzogen.
Die oben genannte Anwendung und Vortrocknung des wärmeisolierenden Materials werden je nach Bedarf wiederholt (wiederholte Anwendung/wiederholte Vortrocknung), um die gewünschte Auftragsdicke zu erhalten.
Als nächstes wird ein Druckgesenk gegen die wärmeisolierende Schicht 21b der wärmeisolierenden Schicht 21 gepresst, wobei die wärmeisolierende Schicht 21b auf der Quetschbereichfläche (Druckbeaufschlagungsschritt) angeordnet ist.
5 zeigt die Anordnung einer Druckbeaufschlagungsvorrichtung, die konfiguriert ist, um Druck auf die wärmeisolierende Schicht 21b auszuüben. Die Druckbeaufschlagungsvorrichtung umfasst: eine Stützbasis 41 zur Unterstützung des Kolbenhauptkörpers 19, ein Lichtprojektor 43a und ein Lichtempfänger 43b, die einen Transmissions-Lasersensor bilden, der als Positionsmelder fungiert, und ein Druckgesenk 45.
Die Stützbasis 41 umfasst ein Beschlagteil 41a, das in ein Muffenverbindungsteil eines Kolbenschafts eingepasst ist und den Kolbenhauptkörper 19 fest stützt. Der Lasersensor erfasst eine Mittelstellung L (eine Stellung einer Mittelachse L einer Kolbenbolzenbohrung) eines Kolbenbolzenauges des Kolbenhauptkörpers 19, der durch die Stützbasis 41 unterstützt wird und durch den Lichtprojektor 43a und den Lichtempfänger 43b gebildet wird.
Das Druckgesenk 45 umfasst eine Druckfläche 45a an einer Unterseite hiervon, wobei die Druckfläche 45a der Quetschbereichfläche des Kolbenhauptkörpers 19 entspricht. Das Druckgesenk 45 ist an einem Schieber 49 angebracht, der über der Stützbasis 41 liegt und konfiguriert ist, sich auf- und abzubewegen.
Wie in 6 gezeigt, wird der Kolbenhauptkörper 19 bei der Bildung der wärmeisolierenden Schicht durch die Stützbasis 41 so gestützt, dass das Muffenverbindungsteil des Kolbenhauptkörpers 19 in das Beschlagteil 41a der Stützbasis 41 eingepasst ist. Die Mittelstellung L des Kolbenbolzenauges des Kolbenhauptkörpers 19 wird von den Lasersensoren 43a und 43b erfasst und die erhaltene Positionsangabe wird in einen Antriebsregelungsabschnitt des Schiebers 49 eingegeben.
Ausgehend von der Positionsangabe wird ein Abwärtshub des Druckgesenks 45 eingestellt. Dann bewegt der Schieber 49 das Druckgesenk 45 abwärts mit dem eingestellten Hub. Damit wird die Druckfläche 45a gegen die wärmeisolierende Schicht 21b gepresst, die auf der Quetschbereichfläche des Kolbenhauptkörpers 19 angeordnet ist. Zu diesem Zeitpunkt, unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung der Festigkeit der wärmisolierenden Schicht 21 und der erfolgreichen Unterdrückung der Erzeugung von Rissen, beträgt der angewendete Druck vorzugsweise 0,1 MPa oder mehr und 2 MPa oder weniger, bevorzugter 0,5 MPa oder mehr und 1,5 MPa oder weniger und besonders bevorzugt 0,8 MPa oder mehr und 1,2 MPa oder weniger.
Nach dem obengenannten Druckanwendungsverfahren wird die komplette wärmeisolierende Schicht 21, die auf der Oberfläche des Kolbenhauptkörpers 19 angeordnet ist, beispielsweise einer Wärmebehandlung bei ungefähr 180°C für mehrere Stunden bis zu einigen zehn Stunden unterzogen. Damit ist das Silikonharz (Bindemittel) ausgehärtet und man erhält die wärmeisolierende Schicht 21, die mit einer großen Anzahl von Hohlpartikeln 31 dicht gefüllt ist und das Bindematerial 32 ist in die Zwischenräume zwischen den Partikeln gefüllt.
Wie oben beschrieben ist das Verfahren zur Herstellung des Kolbens 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass das Druckbeaufschlagungsverfahren durch Pressen des Druckgesenks gegen die wärmeisolierende Schicht 21b ausgeführt wird, die auf der Quetschbereichfläche 12' des Kolbenhauptkörpers 19 angeordnet ist, das heißt die Presspannung wird im Voraus auf die wärmeisolierende Schicht 21b angewendet.
Gemäß der vorliegenden Konfiguration kann durch Anwendung der vorausgehenden Presspannung auf die wärmeisolierende Schicht 21b, die auf der Quetschbereichfläche angeordnet ist, der Widerstand der wärmeisolierenden Schicht 21b auf eine Zugspannung erhöht werden. Weiterhin kann, trotz auftretenden Klopfens an der Quetschfläche, die Erzeugung von Rissen auf der wärmeisolierenden Schicht 21b auf der Quetschbereichfläche 12' unterdrückt werden.
Unter dem Gesichtspunkt der Vereinfachung der Druckbeaufschlagung im Druckbeaufschlagungsschritt, ist es zu bevorzugen, dass die Quetschbereichfläche 12' auf der Oberfläche des Kolbenhauptkörpers 19 eine plane Fläche ist.
Weitere Ausführungsformen
Im Folgenden werden andere Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert. In den Erläuterungen jener Ausführungsformen werden dieselben Bezugszeichen für die gleichen Bauteile wie in Ausführungsform 1 verwendet und ausführliche Erläuterungen davon werden ausgelassen.
7 und 8 sind Diagramme zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung des Kolbens.
Wie in 7 gezeigt, umfasst das Druckgesenk 45 die Druckfläche 45a, die die gesamte wärmeisolierende Schicht 21 bedeckt, so dass es möglich ist, Druck nicht nur auf die wärmeisolierende Schicht 21b anzuwenden, die auf der Quetschbereichfläche 12' des Kolbenhauptkörpers 19 angeordnet ist, sondern auch auf die wärmeleitende Schicht 21a.
Gemäß der vorliegenden Konfiguration, da das Druckbeaufschlagungsverfahren in Bezug auf die gesamte wärmeisolierende Schicht 21 durchgeführt werden kann, wird die gesamte wärmeisolierende Schicht resistent gegen die Zugspannung und die Erzeugung der Risse kann erfolgreicher unterdrückt werden.
Weiterhin kann, im Fall der Verwendung des Druckgesenks 45, anstelle der Bildung der wärmeisolierenden Schicht 21 im Voraus, die wärmeisolierende Schicht 21 durch das Druckgesenk 45 so gebildet werden, dass: das wärmeisolierende Material auf die Oberfläche des Kolbenhauptkörpers 19 aufgebracht ist, und das wärmeisolierende Material wird mittels Druckgesenk 45 gepresst, um sich über die Oberfläche zu auszubreiten. In diesem Fall führt das Druckgesenk 45, nach der obengenannten Ausbildung, die Druckbeaufschlagung durch, um das Druckbeaufschlagungsverfahren zu vollenden. So kann das Verfahren zur Herstellung des Kolbens 1 vereinfacht werden.
Als weitere Ausführungsform kann das Druckgesenk 45, zur gleichen Zeit oder nach dem Druckbeaufschlagungsverfahren mittels Druckgesenk 45, erhitzt werden, um die wärmeisolierende Schicht 21 einzubrennen. So kann das Verfahren zur Herstellung des Kolbens 1 vereinfacht werden.
Weiterhin oxidiert das Silikonharz von wenigstens einem Teil der Oberfläche der wärmeisolierenden Schicht 21 durch das Einbrennen. So kann die Festigkeit der wärmisolierenden Schicht 21 verbessert und die Erzeugung von Rissen kann erfolgreich unterdrückt werden.
Im Falle, dass das Einbrennen durch Erhitzen des Druckgesenks 45 durchgeführt wird, wird Wärme von einer Oberfläche der wärmeisolierenden Schicht 21 übertragen, die das Druckgesenk 45 berührt. Deshalb wird ein Temperaturgefälle in der wärmeisolierenden Schicht erzeugt, von der wärmeisolierenden Schicht 21 ausgehend zu der Oberfläche des Kolbenhauptkörpers 19 hin. Aus diesem Grund kann, durch Anpassen der Temperatur des Druckgesenks 45, die Festigkeit der wärmeisolierenden Schicht 21, durch Oxidation des Silikonharzes von wenigstens einem Teil der Oberfläche der wärmeisolierenden Schicht 21, verbessert werden, und die Adhäsion zwischen der Oberfläche des Kolbenhauptkörpers 19 und der wärmeisolierenden Schicht 21 kann aufrechterhalten werden durch Beibehalten des Silikonharzes im Inneren der wärmeisolierenden Schicht 21.
Wie obenstehend kann, im Fall des Einbrennens der wärmeisolierenden Schicht 21 durch das Druckgesenk 45, der Kolbenhauptkörper 19 gekühlt werden, beispielsweise durch ein Verfahren für die Durchführung von Wasserkühlung oder Luftkühlung an der Innenseite des Kolbenschafts. Damit nimmt das oben beschriebene Temperaturgefälle in der wärmeisolierenden Schicht 21 zu, das heißt, ein Temperaturanstieg des Silikonharzes im Inneren der wärmeisolierenden Schicht 21 kann erfolgreich unterdrückt werden. Deshalb kann die Adhäsion zwischen der wärmeisolierenden Schicht 21 und der Oberfläche des Kolbenhauptkörpers 19 verbessert werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann, während der Bildung der wärmeisolierenden Schicht auf der Oberfläche des Kolbenhauptkörpers, die Erzeugung von großen Rissen auf der wärmeisolierenden Schicht verhindert werden, und die Schäden und Abblättern der wärmeisolierenden Schicht können unterdrückt werden. Deshalb ist die vorliegende Erfindung außerst nützlich.
Bezugszeichenliste

1: Kolben
11': Kavitätsoberfläche
12': Quetschbereichfläche
19: Kolbenhauptkörper
21, 21a, 21b: wärmeisolierende Schicht
31: Hohlpartikel
32: Bindematerial (Bindemittel)
45: Druckguss
E: Motor

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Motor, dadurch gekennzeichnet, dass eine wärmeisolierende Schicht auf einer Oberfläche eines Kolbenhauptkörpers des Kolbens angeordnet ist, wobei die wärmeisolierende Schicht umfasst: eine große Anzahl von Hohlpartikeln, und ein Bindemittel, das die Hohlpartikel auf der Oberfläche des Kolbenhauptkörpers hält und Zwischenräume zwischen den Hohlpartikeln füllt, um einen Grundwerkstoff der wärmeisolierenden Schicht zu bilden, das Verfahren umfasst: eine wärmeisolierende Schicht bildet im Anordnungsschritt ein wärmeisolierendes Material einschließlich der Hohlpartikel und des Bindemittels auf der Oberfläche des Kolbenhauptkörpers um die wärmeisolierende Schicht zu bilden, und ein Druck wird im Druckbeaufschlagungsschritt auf die wärmeisolierende Schicht angewendet.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei: die Oberfläche des Kolbenhauptkörpers eine Quetschbereichfläche umfasst, die einen Quetschbereich bildet, und im Druckbeaufschlagungsschritt wird der Druck nur auf die wärmeisolierende Schicht angewendet, die auf der Quetschbereichfläche angeordnet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die Quetschbereichfläche eine plane Fläche ist.
Verfahren gemäß jedem der Ansprüche 1 bis 3, wobei im Druckbeaufschlagungsschritt das Einbrennen der wärmeisolierenden Schicht zur selben Zeit durchgeführt wird, wenn der Druck auf die wärmeisolierende Schicht angewendet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei: das Bindemittel ein Harz auf Silikonbasis ist, und das Harz auf Silikonbasis von wenigstens einem Teil der Oberfläche der wärmeisolierenden Schicht während des Einbrennens oxidiert.
Verfahren gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei im Druckbeaufschlagungsschritt das Kühlen des Kolbenhauptkörpers zu selben Zeit wie das Einbrennen durchgeführt wird.