JP2007132275A - Piston and method for manufacturing same - Google Patents

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雅揮 平野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piston excellent in thermal conductivity and capable of inhibiting generation of a heat spot. <P>SOLUTION: High thermal conductivity layer composed of material having higher thermal conductivity than material forming a piston body part is coated on a top surface part of the piston body part. The high thermal conductivity layer is joined without melting the top surface part of the piston. Since the high thermal conductivity layer is coated without melting the piston body part, formation of a layer causing drop of thermal resistance and strength due to oxide film, gap, alloy or the like between the top surface part of the piston and the high thermal conductivity layer can be reduced and the piton exhibiting high performance and the method for manufacturing the same can be provided. Especially, overheat of the piston body can be reduced, formation of oxide film and alloy can be reduced, and formation of the large gap can be inhibited in principal by adopting spraying, cold spraying an/or plating as a method for forming the high thermal conductivity layer. Even if a gap is generated in the worst case, the gap can be made small by plating or rolling. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、内燃機関用のピストン及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a piston for an internal combustion engine and a method for manufacturing the same.

エンジンの高出力化、高性能化に伴いピストンへの熱負荷が増大している。ピストンの頂面部においてヒートスポット(熱集中)が存在すると、その部位を基点にして想定外の局部燃焼を惹起し、ノッキングの原因になる。   The heat load on the piston is increasing with higher engine output and higher performance. If there is a heat spot (heat concentration) at the top surface of the piston, unexpected local combustion is caused from that site, which causes knocking.

ピストンの頂面部におけるヒートスポットの発生を抑制する従来技術としては、Al−Si系合金を基材とする内燃機関ピストンにおいて、ピストンヘッド部分にピストン基材よりも熱伝導率の大きなアルミニウム合金からなる部分(本明細書では「高熱伝導層」と称する)を肉盛溶接、鋳ぐるみにて形成する技術が開示されている(特許文献1〜3)。
特開平9−228889号公報 特開平8−232758号公報 特開平8−284744号公報
As a conventional technique for suppressing the generation of a heat spot on the top surface of a piston, an internal combustion engine piston based on an Al-Si alloy is made of an aluminum alloy having a higher thermal conductivity than the piston base in the piston head portion. A technique for forming a portion (referred to as a “high thermal conductive layer” in this specification) by overlay welding or casting is disclosed (Patent Documents 1 to 3).
JP-A-9-228889 JP-A-8-232758 JP-A-8-284744

しかしながら、鋳ぐるみにより高熱伝導層を形成する方法ではピストンの頂面部全体に高熱伝導層を形成できず、ヒートスポットの抑制効果は小さかった。また、鋳ぐるみや、肉盛溶接にて高熱伝導層を形成すると、ピストンの本体(本明細書では「ピストン本体部」と称する)との間で充分な接合が実現できず、熱抵抗の増大や接合強度の低下などの不都合が生じるおそれがあった。具体的には、鋳ぐるみや肉盛溶接では高熱伝導層とピストン本体部との間に隙間が生じたり、ピストン本体部が熱により融解し酸化被膜や高熱伝導層を構成する材料との間で合金(アルミニウム−銅の金属間化合物など)を生じたりするからである。   However, in the method of forming the high heat conductive layer by casting, the high heat conductive layer cannot be formed on the entire top surface portion of the piston, and the effect of suppressing the heat spot is small. In addition, when a high thermal conductive layer is formed by cast or overlay welding, sufficient bonding cannot be realized between the piston main body (referred to as “piston main body portion” in this specification), and the thermal resistance increases. Inconveniences such as a decrease in bonding strength and the like may occur. Specifically, in cast or overlay welding, there is a gap between the high thermal conductive layer and the piston main body, or the piston main body is melted by heat between the oxide film and the material constituting the high thermal conductive layer. This is because an alloy (such as an aluminum-copper intermetallic compound) is produced.

本発明は上記実情を鑑みて為されたものであり、熱伝導性に優れ、ヒートスポットの発生を抑制する効果が高いピストン及びその製造方法を提供することを解決すべき課題とする。   This invention is made | formed in view of the said situation, and makes it the subject which should be solved to provide the piston which is excellent in thermal conductivity, and has a high effect which suppresses generation | occurrence | production of a heat spot, and its manufacturing method.

上記課題を解決する本発明のピストンは、ピストン本体部と、
該ピストン本体部を形成する素材よりも熱伝導率が大きい素材であって、該ピストン本体部の頂面部に、接触部分を融解することなくコーティングされた高熱伝導層と、を有することを特徴とする。
The piston of the present invention that solves the above problems is a piston main body,
A material having a higher thermal conductivity than the material forming the piston body, the top surface of the piston body being coated with a high thermal conductivity layer coated without melting the contact portion, To do.

そして、上記課題を解決する他のピストンは、ピストン本体部と、
該ピストン本体部を形成する素材よりも熱伝導率が大きい素材であって、該ピストン本体部の頂面部に、接触部分を融解することなく摩擦圧接された高熱伝導層と、を有することを特徴とする。
And the other piston which solves the above-mentioned subject is a piston body part,
A material having a higher thermal conductivity than a material forming the piston main body, and having a high heat conductive layer friction-welded to the top surface of the piston main body without melting the contact portion. And

また、上記課題を解決する本発明のピストンの製造方法は、上述の本発明のピストンを製造する方法であって、
前記ピストン本体部の頂面部に、接触部分を融解することなく、溶射工程、コールドスプレー工程及び/又はめっき工程により前記高熱伝導層を形成する高熱伝導層形成工程を有することを特徴とする。
Moreover, the manufacturing method of the piston of this invention which solves the said subject is a method of manufacturing the above-mentioned piston of this invention,
The top surface portion of the piston main body has a high heat conductive layer forming step of forming the high heat conductive layer by a spraying step, a cold spray step and / or a plating step without melting the contact portion.

ピストン本体部を融解させることなく高熱伝導層をコーティングしているので、ピストンの頂面部と高熱伝導層との間に酸化被膜、隙間、合金などからなる熱抵抗や強度低下を引き起こす層の形成を少なくでき、高い性能を発揮するピストン及びその製造方法を提供できる。特に、高熱伝導層の形成方法としては、溶射、コールドスプレー及び/又はめっきを採用することで、ピストン本体部の過熱を少なくでき、酸化被膜、合金の形成を少なくできる上に、原理的に大きな隙間の形成が抑制できる。   Since the high thermal conductivity layer is coated without melting the piston body, the formation of a layer that causes thermal resistance and strength reduction consisting of oxide film, gaps, alloys, etc. between the top surface of the piston and the high thermal conductivity layer is formed. It is possible to provide a piston that can be reduced and that exhibits high performance, and a method for manufacturing the same. In particular, as a method for forming the high thermal conductive layer, by employing thermal spraying, cold spray and / or plating, it is possible to reduce the overheating of the piston main body, and to reduce the formation of an oxide film and an alloy. Formation of a gap can be suppressed.

ここで、「接触する部分が融解しない」とは、ピストンの断面を観察した際に、ピストン本体部及び高熱伝導層との間に酸化被膜や合金からなる層が観察されないことをいう。   Here, “the part in contact does not melt” means that when a cross section of the piston is observed, a layer made of an oxide film or an alloy is not observed between the piston body and the high thermal conductive layer.

本発明のピストンは上記構成を有するので、熱抵抗になりうる隙間、酸化被膜、合金からなる層の生成が抑制でき、内燃機関に適用した場合に、発生する熱を効率的にピストン内で伝達・分散させることが可能になり、局所的なヒートスポットの発生が抑制できる。また、同様の理由により、ピストンを構成するピストン本体部と高熱伝導層との間の接合が強固になる。その結果、高熱伝導層の形状の自由度が高くなるので、ピストン本体部の頂面部を効果的に覆うことができ、高い熱伝導性が実現できる。   Since the piston of the present invention has the above-described configuration, generation of a gap, a coating layer, and an alloy layer that can become thermal resistance can be suppressed, and when applied to an internal combustion engine, the generated heat is efficiently transmitted in the piston. -It becomes possible to disperse, and generation of local heat spots can be suppressed. Further, for the same reason, the bonding between the piston main body constituting the piston and the high thermal conductive layer becomes strong. As a result, since the degree of freedom of the shape of the high thermal conductive layer is increased, the top surface portion of the piston main body can be effectively covered, and high thermal conductivity can be realized.

本発明のピストンの製造方法は上記構成を有することで、上述したように高性能な本発明のピストンを製造することができる。   Since the manufacturing method of the piston of the present invention has the above configuration, the high-performance piston of the present invention can be manufactured as described above.

本発明のピストンについて以下詳細に説明する。本実施形態のピストンはピストン本体部と高熱伝導層とを有する。   The piston of the present invention will be described in detail below. The piston of this embodiment has a piston main body part and a high heat conductive layer.

ピストン本体は、後述する高熱伝導層が頂面部に形成できるようにされていること以外、通常のピストンと同様の構成をもつ。例えば、鋳鉄製のものや、アルミニウム合金製のもの、チタン合金製のものなどが挙げられる。特に、軽量で熱伝導性に優れたアルミニウム合金製のものが汎用される。   The piston main body has the same configuration as that of a normal piston except that a high heat conductive layer described later can be formed on the top surface portion. For example, the thing made from cast iron, the thing made from an aluminum alloy, the thing made from a titanium alloy etc. are mentioned. In particular, lightweight aluminum alloys having excellent thermal conductivity are widely used.

高熱伝導層はピストン本体部の頂面部を覆うように形成された部材である。原理的にはピストン本体部の頂面部をすべて覆わなくても良いが、すべてを覆うことでヒートスポット発生を抑制する効果が高くなる。   The high heat conductive layer is a member formed so as to cover the top surface portion of the piston main body. In principle, it is not necessary to cover all the top surface portions of the piston main body, but the effect of suppressing the generation of heat spots is enhanced by covering all of them.

高熱伝導層はピストン本体部よりも熱伝導性に優れた材料から構成される。例えば、アルミニウム系材料、銅系材料、グラファイト、セラミクス(窒化アルミニウムなど)などの熱伝導率が高い材料が挙げられる。特にアルミニウム系材料や、銅系材料から構成することが望ましい。更には純度が高い純アルミニウム、純銅から構成することが望ましい。アルミニウムや銅は熱伝導率が高い金属であり、その純度が高い方が熱伝導率が大きい。そこで、耐久性(内燃機関内での燃焼に直接的に接する部位であることから燃焼に対する耐久性、エンジンオイルなどに対する耐久性など)などが許す限り、アルミニウム(又は銅)の純度を高くすることが望ましい。   The high thermal conductive layer is made of a material having a higher thermal conductivity than the piston body. For example, materials having high thermal conductivity such as aluminum-based materials, copper-based materials, graphite, ceramics (such as aluminum nitride) can be used. In particular, it is desirable to be made of an aluminum-based material or a copper-based material. Furthermore, it is desirable to comprise from pure aluminum and pure copper with high purity. Aluminum and copper are metals with high thermal conductivity, and the higher the purity, the higher the thermal conductivity. Therefore, the purity of aluminum (or copper) should be increased as long as durability (durability against combustion because it is a part that directly contacts combustion in an internal combustion engine, durability against engine oil, etc.) allows. Is desirable.

ピストンの頂面部は内燃機関における燃焼室の底面を為すので、その形状は効率的な燃焼を実現するために種々の形状が採用される。本発明のピストンでは必要な頂面部の形状を形成するために、(1)ピストン本体部を概ね最終的なピストン形状とした上で高熱伝導層を形成(ピストン本体部の頂面部を高熱伝導層によりほぼ均一に被覆する)したり、(2)ピストン本体部に高熱伝導層を形成した後に機械的加工(切削加工、塑性加工など)により必要な形状を実現したりしている。(1)の方法では、ピストン本体部の頂面部に高熱伝導層を形成した後に更に機械的加工を行うこともできる。例えば、ローラや型などによる圧縮力の付与や、切削加工などを行うことができる。特に圧縮力の付与は高熱伝導層をピストン本体部に密着させる効果に優れるので熱伝導率向上の観点からは好ましい。   Since the top surface portion of the piston forms the bottom surface of the combustion chamber in the internal combustion engine, various shapes can be adopted for realizing efficient combustion. In order to form the shape of the required top surface in the piston of the present invention, (1) a high heat conduction layer is formed after the piston main body is generally made into a final piston shape (the top surface of the piston main body is formed as a high heat conduction layer). (2) After forming a high heat conductive layer on the piston main body, a necessary shape is realized by mechanical processing (cutting, plastic processing, etc.). In the method (1), after the high thermal conductive layer is formed on the top surface portion of the piston main body, mechanical processing can be further performed. For example, it is possible to apply a compressive force by a roller or a mold, or to perform a cutting process. In particular, the application of compressive force is preferable from the viewpoint of improving the thermal conductivity because it is excellent in the effect of closely attaching the high thermal conductive layer to the piston body.

高熱伝導層は、ピストン本体部の頂面部の接触する部分を融解しないようにしながら形成される。ピストン本体部の頂面部を融解しないので酸化被膜、合金などが形成されがたい。また、頂面部が過熱されないので、熱による歪みの発生が抑制できる。   The high heat conductive layer is formed so as not to melt the contact portion of the top surface portion of the piston main body. Since the top surface of the piston body is not melted, it is difficult to form an oxide film or an alloy. Moreover, since the top surface portion is not overheated, generation of distortion due to heat can be suppressed.

具体的に望ましい方法としては(i)溶射、(ii)コールドスプレー、(iii)めっき、(iv)高熱伝導層の形状に予め成型した部材の摩擦圧接が挙げられる。高熱伝導層の厚みは特に限定しないが、厚みが大きい方が熱を分散してヒートスポット発生を抑制する効果に優れる。従って、ピストンに必要な他の性質(強度、剛性、耐酸化性など)に応じて適正な厚みを選択する。   Specific examples of desirable methods include (i) thermal spraying, (ii) cold spray, (iii) plating, and (iv) friction welding of a member molded in advance in the shape of a high thermal conductive layer. The thickness of the high thermal conductive layer is not particularly limited, but the larger the thickness, the better the effect of dispersing heat and suppressing the generation of heat spots. Therefore, an appropriate thickness is selected according to other properties (strength, rigidity, oxidation resistance, etc.) required for the piston.

(i)溶射は原料となる粉末を加熱融解(又は半融解)した状態でピストン本体部の頂面部に噴射するものである。溶射は製膜速度が大きく、厚膜化には有利である。厚膜化により熱伝導性が向上し、ヒートスポットの発生が抑制される。また、溶射は、冶金学的な密着ではなく機械的な噛み合いで密着するのでピストン本体部と高熱伝導層とのそれぞれ構成する材料について制約を少なくできる。粉末を融解等行う方法としてはプラズマ(アーク放電、高周波放電など)を利用するもの、減圧下でプラズマを利用するもの、火炎を利用するものなどが例示できる。溶射としては減圧下や、不活性雰囲気(アルゴン、ヘリウム、窒素ガスなど)下などで行うことが高熱伝導層を形成する材料の酸化を防止する観点から望ましい。融解した粉末が酸化され難くなるからである。   (i) Thermal spraying is performed by spraying the raw material powder onto the top surface of the piston body in a state of being melted by heating (or semi-melting). Thermal spraying has a high film forming speed, which is advantageous for increasing the film thickness. By increasing the film thickness, the thermal conductivity is improved and the generation of heat spots is suppressed. In addition, since thermal spraying is not mechanical metallurgical contact but mechanical contact, it is possible to reduce restrictions on the materials constituting the piston main body and the high thermal conductive layer. Examples of the method for melting the powder include those using plasma (arc discharge, high frequency discharge, etc.), those using plasma under reduced pressure, and those using flame. The thermal spraying is preferably performed under reduced pressure or in an inert atmosphere (argon, helium, nitrogen gas, etc.) from the viewpoint of preventing oxidation of the material forming the high thermal conductive layer. This is because the melted powder is hardly oxidized.

(ii)コールドスプレーは粉末を融解させずにピストン本体部に衝突させる方法である。衝突時に発生するエネルギーにより粉末がピストン本体部に被膜を形成する。特に、不活性ガスと共に超音速流で固体状態のままピストン本体部に衝突させることが望ましい。粉末の速度を臨界速度以上にすることで粒子自体が塑性変形を起こして被膜を形成する。粉末を融解させないので酸化などの進行が抑制される。臨界速度は粉末の種類、粒径、温度などにより変化する速度である。   (ii) Cold spray is a method in which the powder collides with the piston body without melting. The powder forms a coating on the piston body by the energy generated at the time of collision. In particular, it is desirable to make the piston body collide with the inert gas in a solid state in supersonic flow. By making the speed of the powder higher than the critical speed, the particles themselves undergo plastic deformation to form a film. Since the powder is not melted, the progress of oxidation and the like is suppressed. The critical speed is a speed that varies depending on the type of powder, particle size, temperature, and the like.

(iii)めっきは電気めっき、無電解めっきを問わずに採用できる。特に電気めっきが望ましい。   (iii) Plating can be adopted regardless of electroplating or electroless plating. Electroplating is particularly desirable.

(iv)摩擦圧接はピストン本体部に向けて高熱伝導層を押しつけながら回転又は振動を加えることで両者の間を接合する方法である。摩擦圧接を採用すると、ピストン本体部としてアルミニウム合金製のものを採用する場合でも圧接時に表面の酸化被膜が破壊でき、強固な接合が実現できる。振動は超音波照射などにて行うことができる。摩擦圧接による場合でも回転・振動条件を制御することでピストン本体部の頂面部は融解しない条件で行う。摩擦圧接は厚いが大きい部材でも高速に接合できるので、厚みが大きい部材を接合した後に所望の形状に加工することも可能である。   (iv) Friction welding is a method of joining the two by applying rotation or vibration while pressing the high thermal conductive layer toward the piston body. When friction welding is employed, even when an aluminum alloy piston body is employed, the oxide film on the surface can be destroyed during the pressure welding, and a strong joint can be realized. The vibration can be performed by ultrasonic irradiation or the like. Even in the case of friction welding, the top surface portion of the piston body is not melted by controlling the rotation and vibration conditions. Although the friction welding is thick, even a large member can be joined at a high speed, so that it can be processed into a desired shape after joining the thick member.

ここで、高熱伝導層は、2種類以上の材料を積層して形成しても良い。また、同一材料であっても異なった方法で2層(又は2回)以上に分割して高熱伝導層を形成することもできる。例えば、純アルミニウムや純銅等の熱伝導率が高い金属で第1層を形成した後、耐酸化性などに優れた金属からなる薄膜である第2層を形成することで熱伝導性と耐酸化性とを両立した高熱伝導層が形成できる。なお、高熱伝導層を2層以上で形成する場合には、それぞれの層を形成する材料の熱膨張係数は、順次、漸減又は漸増することでそれぞれ接触する層間の熱膨張の程度の差を小さくでき、熱疲労による損傷の発生を抑制できる。例えば、2層で高熱伝導層を形成する場合には第1層を構成する材料の熱膨張係数をピストン本体部の熱膨張係数と第2層を構成する材料の熱膨張係数との間にすることが望ましい。   Here, the high thermal conductive layer may be formed by stacking two or more kinds of materials. Moreover, even if it is the same material, it can also divide | segment into 2 layers (or 2 times) or more by a different method, and can also form a high heat conductive layer. For example, after the first layer is formed of a metal having high thermal conductivity such as pure aluminum or pure copper, the second layer, which is a thin film made of a metal having excellent oxidation resistance, is formed, thereby providing thermal conductivity and oxidation resistance. A highly heat conductive layer having both properties can be formed. When two or more high thermal conductivity layers are formed, the coefficient of thermal expansion of the material forming each layer is gradually decreased or gradually increased to reduce the difference in the degree of thermal expansion between the contacting layers. And the occurrence of damage due to thermal fatigue can be suppressed. For example, when forming a high thermal conductive layer with two layers, the thermal expansion coefficient of the material constituting the first layer is set between the thermal expansion coefficient of the piston main body and the thermal expansion coefficient of the material constituting the second layer. It is desirable.

2層以上に積層した高熱伝導層を形成する方法としては、コールドスプレーを行い、その後に溶射を組み合わせる方法がある。コールドスプレーは粉末を高速でピストン本体部の頂面部に衝突させるているので、ピストン本体部の頂面に凹凸を形成(表面粗化)して高熱伝導層とピストン本体部との噛み合いを形成して接合強度を向上できる。一般的に、表面粗化を行う工程としては、ショットピーニングなどにて行うことが多いが、コールドスプレーにて表面粗化工程を兼用すると、ピストン本体部の頂面部においてショットが残留するなどの熱伝導性低下の要因を少なくすることができる。   As a method of forming a high thermal conductive layer laminated in two or more layers, there is a method of performing a cold spray and then combining spraying. Cold spray causes the powder to collide with the top surface of the piston main body at high speed, so that the top surface of the piston main body is uneven (surface roughened) to form a mesh between the high thermal conductive layer and the piston main body. The joint strength can be improved. In general, the surface roughening process is often performed by shot peening or the like. However, if the surface roughening process is also performed by cold spraying, heat such as a shot remaining on the top surface of the piston body part. The cause of the decrease in conductivity can be reduced.

コールドスプレー及び/又は溶射により第1層を形成した後、めっきにて第2層を形成することもできる。コールドスプレーや溶射は粉末状の原料をピストン本体部の頂面部に衝突して製膜する方法なので原理的に微小な空隙が生じるが、その後にめっきを行うとその空隙を塞ぐことができるので熱伝導性が向上できる。また、一般的なめっきはアルミニウム合金に強固な被膜を形成することは困難であるが、コールドスプレーや溶射によりめっき可能な他の材料からなる第1層を形成することで充分な強度を有する層(第2層)が形成できる。   After forming the first layer by cold spraying and / or spraying, the second layer can also be formed by plating. Cold spraying or thermal spraying is a method in which a powdery raw material collides with the top surface of the piston body to form a film, so in principle a minute gap is formed, but if plating is performed after that, the gap can be closed, so heat is generated. Conductivity can be improved. In general plating, it is difficult to form a strong film on an aluminum alloy, but a layer having sufficient strength by forming a first layer made of other materials that can be plated by cold spraying or thermal spraying. (Second layer) can be formed.

そして、高熱伝導層を形成した後、又は形成する途中において、高熱伝導層をピストン本体部の頂面部に密着する方向に圧縮するように塑性変形させる工程を設けることが望ましい。前述したように、溶射やコールドスプレーにて形成された層は、原理上、内部に空隙を有することが多い。高熱伝導層の内部における空隙の存在は熱伝導率低下を招く。そこで、塑性変形により内部の空隙を潰すことで熱伝導性を向上させる。具体的に塑性変形を行う方法としてはローラによって表面を圧縮する方法や目的とする形状(例えば、最終的な高熱伝導層の外形)を有する型に押しつける方法が例示できる。なお、塑性加工の容易さの観点からも高熱伝導層として軟質金属(純アルミニウムなど)を採用することが望ましい。   And after forming a high heat conductive layer, or in the middle of forming, it is desirable to provide the process of carrying out plastic deformation so that a high heat conductive layer may be compressed in the direction stuck to the top face part of a piston main-body part. As described above, a layer formed by thermal spraying or cold spray often has voids inside in principle. The presence of voids inside the high thermal conductive layer causes a decrease in thermal conductivity. Therefore, the thermal conductivity is improved by crushing the internal voids by plastic deformation. Specific methods for plastic deformation include a method of compressing the surface with a roller and a method of pressing against a mold having a target shape (for example, the final shape of the high heat conductive layer). From the viewpoint of ease of plastic working, it is desirable to employ a soft metal (such as pure aluminum) as the high heat conductive layer.

本発明のピストンについて以下実施例に基づき詳細に説明する。比較例としてアルミニウム合金製のピストンを採用した。このピストンは頂面部の直径が95mm、高さが70mmである。比較例のピストンは熱伝導率が140W/m・Kであった。熱伝導率は一般に用いられるレーザーフラッシュ法により測定した。下記の種々の方法にてコーティングを行った各実施例についてはコーティングされた高熱伝導層の一部を切り出して測定した。   The piston of the present invention will be described below in detail based on examples. As a comparative example, an aluminum alloy piston was adopted. The piston has a top surface diameter of 95 mm and a height of 70 mm. The piston of the comparative example had a thermal conductivity of 140 W / m · K. The thermal conductivity was measured by a commonly used laser flash method. About each Example coated by the following various methods, it cut out and measured a part of coated high heat conductive layer.

比較例のピストンに対して、大気中で溶射して純銅の高熱伝導層を形成したもの(実施例1)、減圧プラズマにて溶射して純銅の高熱伝導層を形成したもの(実施例2)、窒素雰囲気下で溶射して純銅の高熱伝導層を形成したもの(実施例3)、コールドスプレーで純銅の高熱伝導層を形成したもの(実施例4)、めっきで純銅の高熱伝導層を形成したもの(実施例5)を製造した。また、実施例1のピストンに対してめっきにて純銅の被膜を形成したもの(実施例6)、ローラ加工を行ったもの(実施例7)も製造した。   The comparative example piston was thermally sprayed in the atmosphere to form a pure copper high thermal conductive layer (Example 1), and was sprayed with reduced pressure plasma to form a pure copper high thermal conductive layer (Example 2). A high thermal conductive layer of pure copper formed by thermal spraying in a nitrogen atmosphere (Example 3), a high thermal conductive layer of pure copper formed by cold spray (Example 4), and a high thermal conductive layer of pure copper formed by plating (Example 5) was produced. In addition, a piston (Example 6) in which a pure copper film was formed on the piston of Example 1 by plating (Example 6) and a roller processed (Example 7) were also produced.

更に、比較例のピストンに対して、大気中で溶射して純アルミニウムの高熱伝導層を形成したもの(実施例8)、実施例8のピストンに対してローラ加工を行ったもの(実施例9)を製造した。また、比較例のピストンに厚さ2mmの円板を摩擦圧接したもの(実施例10)を製造した。   Further, the piston of the comparative example was sprayed in the atmosphere to form a pure aluminum high thermal conductive layer (Example 8), and the piston of Example 8 was subjected to roller processing (Example 9). ) Was manufactured. Further, a piston (Example 10) in which a 2 mm thick disc was friction welded to the piston of the comparative example was manufactured.

各実施例及び比較例のピストンについて実際のエンジンに装着して運転した場合のピストン頂面部の最高温度を測定した。温度の測定はピストンの下側から幾つかの孔を形成し、それらの孔の内部に温度プローブを配置することで行った。最高温度は一定の条件の運転条件下で実測した温度の最高値を採用した。結果を表1に示す。   The maximum temperature of the piston top surface portion was measured when the pistons of the examples and comparative examples were mounted on an actual engine and operated. The temperature was measured by forming several holes from the bottom of the piston and placing a temperature probe inside these holes. As the maximum temperature, the maximum value of the temperature actually measured under certain operating conditions was adopted. The results are shown in Table 1.

Figure 2007132275
Figure 2007132275

表1から明らかなように、高熱伝導層を形成することで、ピストン本体部よりも熱伝導率が向上した。熱伝導率が大きくなるにつれて頂面部最高温度が低くくできた。頂面部最高温度を低くできるので、ノッキングの発生などの異常燃焼が発生することを抑制できる。頂面部最高温度と熱伝導率との関係を図1に示す。図1より明らかなように、概ね、頂面部最高温度と熱伝導率との間には緊密な相関が認められた
実施例1〜3を比較すると、同様に溶射によって純銅の高熱伝導層を形成する場合でも減圧プラズマや窒素雰囲気下にて行った方が高熱伝導層の厚みは3分の1になっても熱伝導率が大きくなった。また、同じ純銅製であっても、コールドスプレー(実施例4)の方が大気中溶射よりも熱伝導率が大きくでき、更にめっき(実施例5)の方が厚みが小さくても大きな熱伝導率が実現できた。
As is clear from Table 1, the thermal conductivity was improved as compared with the piston main body by forming the high thermal conductive layer. As the thermal conductivity increased, the top surface maximum temperature could be lowered. Since the top surface portion maximum temperature can be lowered, occurrence of abnormal combustion such as occurrence of knocking can be suppressed. The relationship between the top surface maximum temperature and the thermal conductivity is shown in FIG. As is clear from FIG. 1, in general, a close correlation was observed between the top surface maximum temperature and the thermal conductivity. When Examples 1 to 3 were compared, a high thermal conductive layer of pure copper was similarly formed by thermal spraying. Even in the case where the thickness of the high thermal conductive layer is reduced to 1/3, the thermal conductivity is increased when the reduced pressure plasma or nitrogen atmosphere is used. Further, even if the same pure copper is used, the thermal conductivity of the cold spray (Example 4) can be larger than that of spraying in the atmosphere, and the plating (Example 5) can achieve a larger thermal conductivity even if the thickness is smaller. The rate was realized.

また、実施例1及び6を比較すると、大気中溶射を行った後、更に純銅めっきを行ったことで、熱伝導率が大きくなった。これは純銅にてめっきを行うことで、溶射時に形成された隙間を塞ぎ、より緊密になったので熱が伝導しやすくなったものと考えられる。   Moreover, when Example 1 and 6 were compared, after performing thermal spraying in air | atmosphere, the thermal conductivity became large by performing pure copper plating further. It is thought that this is because the plating with pure copper closes the gap formed at the time of thermal spraying and becomes closer, so that heat can be easily conducted.

更に、実施例1及び7を比較すると、大気中溶射を行った後、更にローラ加工を行ったことで、熱伝導率が大きくなった。これはローラ加工を行うことで、溶射により形成された隙間が圧縮されて熱が伝導しやすくなったものと考えられる。同様に、実施例8及び9を比較すると、高熱伝導層として純アルミニウムを採用した場合でも、大気中溶射を行った後、更にローラ加工を行ったことで、熱伝導率が大きくなった。   Further, when Examples 1 and 7 were compared, the thermal conductivity increased by performing further roller processing after spraying in the atmosphere. This is considered to be due to the fact that the gap formed by thermal spraying is compressed and heat is easily conducted by performing the roller processing. Similarly, when Examples 8 and 9 were compared, even when pure aluminum was employed as the high thermal conductive layer, the thermal conductivity increased by performing roller processing after spraying in the air.

そして、純銅製の円盤を摩擦圧接した実施例10は高熱伝導層の厚みを大きく(2mm)できたので熱伝導率が大きくなり頂面部最高温度も低くできた。   In Example 10 in which a pure copper disk was friction welded, the thickness of the high thermal conductive layer could be increased (2 mm), so the thermal conductivity increased and the top surface maximum temperature could also be decreased.

ピストン頂面部の最高温度と熱伝導率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the maximum temperature of a piston top surface part, and thermal conductivity.

Claims (12)

ピストン本体部と、
該ピストン本体部を形成する素材よりも熱伝導率が大きい素材であって、該ピストン本体部の頂面部に、接触部分を融解することなくコーティングされた高熱伝導層と、を有することを特徴とするピストン。
A piston body,
A material having a higher thermal conductivity than the material forming the piston body, the top surface of the piston body being coated with a high thermal conductivity layer coated without melting the contact portion, Piston to do.
前記高熱伝導層はアルミニウム系材料又は銅系材料から構成される請求項1に記載のピストン。   The piston according to claim 1, wherein the high thermal conductive layer is made of an aluminum-based material or a copper-based material. 前記高熱伝導層は溶射工程により形成されている請求項1又は2に記載のピストン。   The piston according to claim 1 or 2, wherein the high thermal conductive layer is formed by a thermal spraying process. 前記高熱伝導層はコールドスプレー工程により形成されている請求項1〜3のいずれかに記載のピストン。   The piston according to any one of claims 1 to 3, wherein the high thermal conductive layer is formed by a cold spray process. 前記高熱伝導層は前記コールドスプレー工程にて形成された第1層、前記溶射工程にて形成された第2層の順に積層されている請求項4に記載のピストン。   The piston according to claim 4, wherein the high thermal conductive layer is laminated in the order of a first layer formed in the cold spray process and a second layer formed in the spraying process. 前記高熱伝導層を形成する工程は不活性雰囲気下で行われる請求項1〜5のいずれかに記載のピストン。   The piston according to any one of claims 1 to 5, wherein the step of forming the high thermal conductive layer is performed in an inert atmosphere. 前記高熱伝導層はめっき工程により形成されている請求項1〜6のいずれかに記載のピストン。   The piston according to any one of claims 1 to 6, wherein the high thermal conductive layer is formed by a plating process. 前記高熱伝導層は前記溶射工程及び/又は前記コールドスプレー工程にて形成された第1層、前記めっき工程にて形成された第2層の順に積層されている請求項7に記載のピストン。   The piston according to claim 7, wherein the high thermal conductive layer is laminated in the order of a first layer formed in the thermal spraying process and / or the cold spray process and a second layer formed in the plating process. 前記第1層の熱膨張係数は、前記第2層の熱膨張係数と前記ピストン本体部の熱膨張係数との間である請求項5又は8に記載のピストン。   The piston according to claim 5 or 8, wherein a thermal expansion coefficient of the first layer is between a thermal expansion coefficient of the second layer and a thermal expansion coefficient of the piston main body. ピストン本体部と、
該ピストン本体部を形成する素材よりも熱伝導率が大きい素材であって、該ピストン本体部の頂面部に、接触部分を融解することなく摩擦圧接された高熱伝導層と、を有することを特徴とするピストン。
A piston body,
A material having a higher thermal conductivity than a material forming the piston main body, and having a high heat conductive layer friction-welded to the top surface of the piston main body without melting the contact portion. Piston.
請求項1〜9のいずれかに記載のピストンを製造する方法であって、
前記ピストン本体部の頂面部に、接触部分を融解することなく、溶射工程、コールドスプレー工程及び/又はめっき工程により前記高熱伝導層を形成する高熱伝導層形成工程を有することを特徴とするピストンの製造方法。
A method for manufacturing the piston according to any one of claims 1 to 9,
A piston having a high thermal conductive layer forming step of forming the high thermal conductive layer by a thermal spraying process, a cold spray process and / or a plating process on the top surface of the piston main body without melting a contact portion. Production method.
前記高熱伝導層形成工程の途中及び/又は後に、前記高熱伝導層を塑性変形して該高熱伝導層内の空隙を減少させる工程を有する請求項11に記載のピストンの製造方法。   The method for manufacturing a piston according to claim 11, further comprising a step of plastically deforming the high thermal conductive layer to reduce voids in the high thermal conductive layer during and / or after the high thermal conductive layer forming step.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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