JP2004308661A - 内燃機関のピストンを製造する方法、ならびに内燃機関のピストン - Google Patents

Abstract

【課題】特別に重要な領域を耐熱性と耐久性の面から改善する、ピストンを製造する方法と、そのような特徴を備えるピストンを提供する。
【解決手段】内燃機関のピストンを製造する方法において、まず挿入体を準備して、ピストン基体に挿入する。最後に、挿入体と、ピストン基体における挿入体の少なくともすぐ近くの周辺とを、少なくとも部分的に再溶融させる。ピストンは、ピストン基体と、このピストン基体と堅固に結合された少なくとも１つの挿入体とを有しており、挿入体と、ピストン基体における挿入体の少なくともすぐ近くの周辺とは、少なくとも部分的に再溶融している。
【選択図】 図３

Description

本発明は、内燃機関のピストンを製造する方法、ならびに内燃機関のピストンに関するものである。

内燃機関のピストンは、一般に、その動作中において、高負荷、特に熱負荷にさらされる。その際、ピストンのさまざまな領域が、種々の著しい負荷や温度にさらされる。特にディーゼルエンジンのピストンに生じる熱は、広い範囲にわたって変動する。さらに、種々の機械的負荷がピストンのさまざまな部位で発生して、この熱発生領域に重なり合う。特にディーゼルエンジンのピストンの燃焼室の窪みの縁部は、特別な負荷を受けることで知られた領域である。

この特別な負荷を受けるピストンの領域（以下、特別負荷領域と称する。）を強化するために、これらの領域を局所的に補強することが知られている。例えば、従来において、好都合な高温特性をもつ材料からなる挿入体を、その特別負荷領域に設ける。このような挿入体は、溶接によってピストンと接合することができる。この場合、補強挿入体の構造は、特別負荷領域においてそのまま維持され、これに伴い、使用する挿入体の特性や構造に関する要求仕様も非常に高くなる。特に、要求される特性は、非常に高コストな方法でしか得ることができず、そのため、このような種類の挿入体を製造するのに、多くの費用が生じていた。

また、特別負荷領域の組織を溶接法によって変化させ、必要に応じて追加材料を添加することにより、局所的な材料組成を変化させる方法が知られている。この類の方法は、例えば本出願と同一の出願人によって提出された特許文献１や特許文献２に記載されている。しかしながらこれら方法の場合、基本的に、ピストン材料を基礎材料として添加しなくてはならない。その一方で、追加材料以外の成分は限られた範囲内でしか添加することができないという制約が生じる。

ドイツ特許出願公開第１０２３４６６９号明細書 欧州特許出願公開第０３００３１９９号明細書

本発明の課題は、特別に重要な領域を耐熱性と耐久性の面から改善する、ピストンを製造する方法を提供することである。さらに、このような特徴を備えるピストンを提供することを目的とする。

上記した課題は、請求項１に記載の方法によって解決される。この方法によれば、内燃機関のピストンを製造する方法の枠内では挿入体が準備される。この挿入体を適当な方法でピストン基体に挿入する。より有利には、挿入体をピストン基体に結合させる。次いで、挿入体を少なくとも部分的に再溶融する。さらに、ピストン基体における挿入体の少なくともすぐ近くの周辺を再溶融する。

本発明は、特別負荷領域の特性を、特別に好都合な特性をもつ挿入体を入れることによって改善するという基本的思想を根底に有する。ただし、この挿入体はきわめて単純な構成でよく、実質的に、特性の改善をもたらす特定の成分の備蓄部となるにすぎない。この特性は、本発明による方法の一環として挿入体が再溶融させられることによって効果を発揮する。それによって挿入体の特に細かい組織が生じる。このような組織の高温特性は著しく改善されており、実験が示すとおり、特別負荷領域の耐久性を高める。挿入体の再溶融の一環として、ピストン基体との融合も行われるのが格別に好ましい。

この場合、ピストン基体との間で特別に緊密な結合が得られる。それにより、挿入体とピストン基体との間の移行領域で、決して急激ではない、流れるような漸次的な特性変化が行われる。したがって、例えば強度の高い挿入体とピストン基体との結合部の亀裂といった、従来発生していた問題を回避することができる。これに加えて、経済的に有利なやり方でただ１回の方法ステップにより、すなわち挿入体の再溶融により、挿入体の組織変化ばかりでなく、ピストン基体との堅固な結合や融合も引き起こすことができるという点も強調されるべきである。

このように本発明による方法の利点は、一つには挿入体を低コストに製造可能であるという点にある。特にこの場合、好都合な高温特性を得るために高いコストのかかる方法は不要である。むしろ挿入体は、高温特性にとって好都合な特定の成分を取り込む役目を果たす。さらに、所望の特性が特に挿入体の再溶融によって保証され、および、これにより得られる特別に細かい組織によって保証される。他方、最初に行われる挿入および場合によりピストン基体と挿入体との結合は、比較的緩やかに実施することができる。このように最初に行われる結合については、必ずしも十分な強度を得る必要はない。所要の堅固な結合は挿入体が再溶融するときに、周囲のピストン材料との融合に基づいて、いわば自動的に行われるからである。

挿入体は縁部でピストン材料と融合するものの、引き続きピストン基体とは隔絶された物体をなしているので、挿入体の材料に関してさほどの制約はない。従来公知となっている追加材料の挿入の場合には、限られた範囲でしか別の合金成分を添加することができないのに対して、挿入体は、特性の改善にとって好都合な別の成分を原則として任意の量だけ含んでいてよく、最終的に製造されるピストンにおいて、これらの成分が各々の利点を全面的に発揮することができる。挿入体を再溶融させるときの適当なパラメータを選択することで、挿入体とピストン材料との間の移行を適切なやり方で行うことができる。例えば実験が示すように、この移行部の領域では、本来のピストン材料と挿入体の素材との混合を許すことができる。それにより、この移行部は特別に軟質に構成され、急激な移行による亀裂などの危険を大幅に制限することができる。

最後に、挿入体の素材はその他のピストン材料と異なっていてもよい。それにより、ピストンの特定の領域に対して課せられる要求仕様に合わせて、その都度使用される材料を格別に良好に適合化することが可能である。特に挿入体の素材は、例えば窪みの縁部のような特別に重要な領域で発生する負荷のために適合化することができる。同時に、従来は特別負荷領域における要求仕様のために設計せざるを得なかったその他の部分のピストン材料を、場合により別の観点から重要な他の領域における要求仕様に大筋で従うように設計することができる。これは、例えば冷却通路やピストンピン穴が形成されている領域である。このような領域では窪みの縁部の領域とは若干異なる必要性が生じるので、完成したピストンにピストン材料がそのままとどまり、挿入体で置き換えられない領域のために、ピストン材料を特別に設計することができる。さらに、高温強度に関わる要求仕様のために挿入体を的確に設計することができる。このように、ピストンの特性をすべての重要な領域で改善することができる。

本発明による方法の有利な発展例は、その他の請求項に記載されている。ピストン基体の材料については、アルミニウム合金、特にアルミニウム鋳造合金が好ましい。このような材料では本発明の方法が格別に利点を発揮する。しかしながら、本発明の方法は原則として鋼材からなるピストンにも適用可能であることを付言しておく。

挿入体の素材に関しては、上に説明したように格別の柔軟性がある。ピストン基体の材料との適合性にわずかな程度しか配慮しなくてよいからである。とはいえ、挿入体の素材についても同じくアルミニウム合金が好ましい。

挿入体の素材、特にアルミニウム合金が、ピストン基体の素材、特にその際に使用されるアルミニウム合金よりも、高温強度を高める合金成分を高い割合で含んでいると、本発明の方法によって製造されるピストンの特性を格別に広範に改善することができる。例えば挿入体に使用される材料は、ケイ素、銅、ニッケル、マグネシウム、鉄のうちの１つまたは複数の合金成分を高い割合で有していてもよい。

ピストン基体と挿入体との間で最初に成立する結合のためには、現在のところ鋳込みが好ましい。換言すると挿入体は鋳型の中に配置され、鋳造工程の一環として、ピストン材料により取り囲まれる。とはいえ、挿入体をこれ以外のやり方で最初にピストン基体と結合させることもでき、あるいはピストン基体へ単に挿入することもできる。例えば圧入、焼嵌め、ピストン基体と挿入体の融合などが可能である。

挿入体が有利には少なくとも領域的に完全に液状になる挿入体の再溶融は、深溶込み法で行うのが好ましい。この場合、例えば電子ビーム溶接、アーク溶接、プラズマ溶接、ＷＩＧ溶接、あるいはレーザ溶接を行うことができる。基本的に、少なくとも特別負荷領域ならびにピストン材料との接触部位で可能な後加工の後に残るゾーンで、挿入体を再溶融することができるのであれば、あらゆる方法が適している。

前述したように、特別負荷領域のために高温強度を高める成分の単なる「パケット」または「備蓄部」として、挿入体をさしあたり設けることができる。したがって挿入体は当初、できるだけ単純な形態を有していてよい。しかしながら本発明による方法の枠内では、ピストンが特に挿入体の領域で後加工されるのが好ましい。例えばこの場合、燃焼室の窪みを加工してつくり出すことができる。

このような場合、少なくとも後加工の後に残る挿入体の部分を再溶融することによって、本発明による方法の最適化を行うことができる。それに対して、例えば燃焼室の窪みを形成するための後加工のときに除去される領域では、溶融を行わなくてよい。

さらに、前述した課題の解決は、請求項９に記載のピストンによって行われる。このピストンは、ピストン基体と、ピストン基体と堅固に結合された少なくとも１つの挿入体とを有しており、挿入体と、少なくともピストン基体における挿入体の少なくともすぐ近くの周辺とは、少なくとも部分的に再溶融している。そこで再溶融が行われているという事実は、再溶融した領域のきわめて細かい組織を見れば明らかである。このように本発明によるピストンは、特別に温度負荷を受ける領域に設けられる挿入体の領域で、一方では有利な細かい構造が存在しており、また他方では、すでに上に述べた適当な合金成分によって、その領域に生じる要求仕様に合わせて使用素材が適合化されていることを特徴としている。挿入体とピストン材料との間の移行は、再溶融により、特にこの接触部位でも流れるように行われる。換言すれば、このゾーンでは挿入体の素材がピストン材料の素材と融合している。この領域での再溶融に基づいて、ここにも非常に細かい組織が生じる。最終的に、挿入体はピストン材料とある程度融合しており、それによって格別に良好にピストン材料と結合する。挿入体とピストン材料との間の離散的でない連続した移行部により、この領域で亀裂形成が起こる危険性を大幅に減らすことができる。

したがって特に本発明のピストンは、ピストン材料と融合した、ピストン材料とは異なる素材からなる挿入体を有しているということでも説明することができる。材料組成が挿入体とピストン材料の間で次第に変化するのが好ましく、少なくとも挿入体の周辺では、挿入体の少なくとも各部分およびピストン基体の各領域が、ピストン材料のその他の領域よりも細かい構造を有しているのが好ましい。

本発明によるピストンの有利な実施形態は、基本的に、本発明による方法の有利な実施形態によって製造することができるピストンに相当している。本発明によるピストンは、特に、特別に高い負荷を受けるディーゼルエンジン用ピストンとして分類されるピストンであってよい。さらにこのピストンは、挿入体の領域に形成された燃焼室の窪みを有しているのが好ましい。

次に、一例として図面に示している実施形態を参照しながら、本発明について詳しく説明する。

図１には、鋳型１０と、その中に挿入された挿入体１２とが模式的に示されている。この場合、ピストンの最終状態では挿入体は典型的にはピストンの縁部領域を形成するので、特に鋳型の縁部に当接するように挿入体を設けることができる。すでに図１に見られるように、挿入体は例えば厚い円板または大きなタブレットの形態で、後にピストン底面をなす領域に設けられていてよい。この領域は、図１では下面のところにある。挿入体はこの領域で、特にピストン底面の内側領域を形成することができるのに対して、完成したピストンでは、挿入体の周辺１４にピストン材料がいわば環状に設けられる。

ピストン材料１６による挿入体１２の鋳包みが図１に示されている。挿入された挿入体１２を備える鋳型１０にピストン材料１６が充填され、その結果、挿入体１２は引き続いてピストン材料１６に鋳固められる。図３には、挿入体１２の再溶融と、それによって行われる周辺のピストン材料１６との融合が示されている。挿入体１２の再溶融により、挿入体１２とピストン材料１６の間の、それまでは堅固だった所定の境界がある程度まで解消される。挿入体１２の素材は、少なくとも挿入体の縁部領域でピストン材料１６と融合する。それにより、挿入体が引き続き完全に挿入体の当初の素材でできている挿入体の内部領域を起点として、挿入体１２とピストン材料１６の間の元の境界付近にある移行領域を介して、ピストン材料１６が純粋な形態で存在しているゾーンまで、流れるような移行が成立する。それによって、前述したように、一方では非常に細かい組織が得られ、また他方では、緊密であると同時に均一な、ピストン材料１６と挿入体の結合が得られる。

最後に図４に示すように、例えば挿入体１２の領域で燃焼室の窪み１８を形成するために、完成したピストンのさらなる加工を、特に挿入体１２の領域で行うことができる。したがって燃焼室の窪みの縁部は挿入体によって形成され、その材料組成や組織は再溶融の後、特に温度強度に関わるこの領域の要求仕様を特別な形で考慮に入れている。この場合、挿入体１２の材料によって形成される窪みの縁部を、補強されていると呼ぶことができる。

鋳型に挿入された挿入体を示す模式図である。 ピストン材料に鋳込まれた挿入体を示す模式図である。 ピストン材料と融合した挿入体を示す模式図である。 挿入体が後加工されている完成したピストンを示す図である。

符号の説明

１０ 鋳型
１２ 挿入体
１４ 挿入体の周辺
１６ ピストン材料
１８ 窪み

Claims (13)

1. 内燃機関のピストンを製造する方法において、
   挿入体（１２）を準備し、
   前記挿入体（１２）をピストン基体に挿入して、特にピストン基体と結合させ、
   前記挿入体（１２）と、前記ピストン基体における前記挿入体（１２）の少なくともすぐ近くの周辺とを少なくとも部分的に再溶融させる、ことを含んだ、内燃機関のピストンを製造する方法。
2. 前記ピストン基体の素材はアルミニウム合金であり、特にアルミニウム鋳造合金である、請求項１に記載の方法。
3. 前記挿入体（１２）の素材はアルミニウム合金である、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記挿入体の素材は、例えばケイ素、銅、ニッケル、マグネシウム、鉄のように高温強度を高める合金成分を、ピストン基体の素材よりも高い割合で有している、請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
5. 前記挿入体はピストン基体に鋳込まれる、請求項１〜４のいずれか一つに記載の方法。
6. 前記再溶融は深溶込み法によって行われる、請求項１〜５のいずれか一つに記載の方法。
7. 前記ピストンは特に前記挿入体の領域で後加工され、特に燃焼室の窪みが加工によって加工される、請求項１〜６のいずれか一つに記載の方法。
8. 少なくとも後加工の後に残る挿入体の部分を再溶融させる、請求項７に記載の方法。
9. 内燃機関のピストンにおいて、
   ピストン基体と、
   前記ピストン基体と堅固に結合された少なくとも１つの挿入体（１２）と、を備え、
   前記挿入体（１２）と、前記ピストン基体における前記挿入体の少なくともすぐ近くの周辺とは少なくとも部分的に再溶融している、内燃機関のピストン。
10. 前記ピストン基体はアルミニウム合金で形成されており、特にアルミニウム鋳造合金で形成されている、請求項９に記載のピストン。
11. 前記挿入体（１２）はアルミニウム合金で形成されている、請求項９または１０に記載のピストン。
12. 前記挿入体（１２）の素材は、例えばケイ素、銅、ニッケル、マグネシウム、鉄のように高温強度を高める合金成分を、前記ピストン基体の素材よりも高い割合で有している、請求項９〜１１のいずれか一つに記載のピストン。
13. 燃焼室の窪み（１８）を有している、請求項９〜１２のいずれか一つに記載のピストン。

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