JP2009503320A - 内燃機関用ピストンの製造方法及び内燃機関用ピストン - Google Patents

Abstract

本発明は、燃焼室凹部（２）を有する内燃機関用ピストン（１）の製造方法に関する。このピストンにおいて、少なくとも１つの凹部底（２０）を有する燃焼室凹部（２）の少なくとも１つの領域は、溶融処理され、溶融処理された領域の物質は再溶融される。この結果、一定の深さを有する層において、溶融処理された領域の物質の構成は変化する。また、本発明は、このようなピストン（１）に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼室凹部（Brennraummulde）を有する内燃機関用ピストンの製造方法に関するとともに、かかる内燃機関用ピストンに関する。
内燃機関の運転時には、ピストンは常に運転条件の変化に晒される。始動及び／または停止の度に、並びに負荷が変化する度に、ピストンの温度分布は大きく変化する。これら温度分布の変化により、ピストンの塑性変形や故障の原因となり得る内部応力が生じる。

材料加工によりピストンの寿命を伸ばすことは知られている。
ＤＥ−ＯＳ ２０ ２７ ６４９により、大きな熱的及び／または機械的負荷を受けるピストンの部分の表面に軽金属を導入して補強することが公知となっている。この軽金属の導入は、混合領域（Mischzone）が形成される肉盛溶接によって行われる。ピストンは、特に凹部の端（Muldenrands）において、混合領域を形成しつつ溶接された純粋なアルミニウム層によって覆われる。

ＤＥ １９９ ０２ ８６４ Ａ１では、燃焼室凹部の端の少なくとも一部が添加物質の蒸着によって被覆加工されたピストンが開示されている。
ＤＥ １０３ ３５ ８４３ Ａ１では、凹部の端を再溶融することによってピストンの寿命を伸ばすことが開示されている。
しかし、試験によれば、特定の運転条件の下ではピストンは故障し得ることが明らかになっている。

本発明の課題は、寿命及び運転安全性がさらに向上した内燃機関ピストンの製造方法、及びかかる内燃機関ピストンを提供することである。

この課題は、請求項１及び１０の内容によって解決される。

この場合、燃焼室凹部（Brennraummulde）を有する内燃機関用ピストンの製造方法において、少なくとも１つの凹部底（Muldengrund）を有する燃焼室凹部の領域には、溶融処理が行われる。この結果、一定の深さを有する層において、溶融処理された領域の物質の構成（Aufbau）は変化する。溶融処理された領域の物質は、「再溶融」される。これにより、溶融処理された層の物質は、この層より下のピストンの物質とは異なる構造を有する。例えば、この層の粒径はその下の部分の粒径とは異なり、この結果この層はより微細な構造となる。微細な構造にすることにより、負荷の変化に対する耐性が向上する。この場合、層の深さは好適に決定される。僅か数μｍから数ｍｍとすることができる。層の深さは、物質の構成が変わるように決定される。

再溶融することにより、凹部底のピストンは、例えば温度変化に対して耐性を有し、この結果ピストンの寿命は向上する。
溶融処理に用いる工具は、凹部底の幾何学的形状に適合するよう適宜好適に選択される。

溶融処理する領域は、アーク溶接処理、レーザ光線、及び／もしくは電子線によって加熱され、並びに／または誘導加熱によって再溶融されることが好ましい。また、他の形態のエネルギー付与方法も用いることができる。

さらに好ましい実施形態では、溶融処理する領域は、２〜８ｋＷの電力のエネルギーを与えることによって加熱される。溶融処理された層の深さは、エネルギービームの力及び／またはエネルギービームの付与時間に影響される可能性がある。

好ましくは、溶融処理された領域は、その後１００〜１０００Ｋ／秒の速度で冷却される。再溶融処理において、技術的には、硬化速度は極めて広い範囲、具体的には１０^３〜１０^−１０Ｋ／秒、から選ぶことができる。冷却速度が高いほど、溶融の際粒子はより微細に結晶化する。この広い範囲のうち、ケイ素を含むピストンについては、１００〜１０００Ｋ／秒の冷却速度が特に好ましいことが明らかになった。しかし、少なくともケイ素を含まないピストンについては、この速度範囲より高い値か低い値を用いることができる。

ケイ素含有ピストンの試験において、１００〜１０００Ｋ／秒の冷却速度を用いた場合には次の利点が得られることが明らかになった。作製されたピストンで、溶融されその後冷却された凹部底の領域において、より小さい粒子、具体的には１０^−６ｍ未満であることがほぼ明らかな粒子を確認することができた。このような大きさの粒子により好ましい分散硬化が得られ、これによって高温強度が明らかに向上される、ということが見出された。

好ましい冷却速度である１００〜１０００Ｋ／秒は、次のようにして決定された。試験により、（製造されるピストンにおいて存在し得る）十分な比率の原ケイ素が分散硬化を得つつ十分微細に形成されるためには、冷却速度は少なくとも１００Ｋ／秒でなければならないことが明らかとなった。より遅い硬化の場合、好ましい特性を有さない、より粗い構造となる。このため、特定のピストン物質について、１００Ｋ／秒は最低冷却速度として位置づけられ得る。

冷却速度の好ましい上限については、適切な試験によって１０００Ｋ／秒の値が見出された。この値より速いと、ケイ素含有ピストンにおいて、過飽和アルミニウム混晶（ueber saettingten Aluminium-Mischkristall）中でケイ素は強制的に溶融される可能性がある。このようにして、好ましい微細な分散質は消失するだろう。微細な分散質は、好ましい分散硬化及び高温強度を得るために必要である。また、本発明のピストン製造工程中で溶融される凹部底のこれら体積を、本発明の冷却速度である１０００Ｋ／秒より速く冷却することは極めて高価になる。総体的に見て、本発明の方法により、少なくとも一部の領域において改善された高温強度を有するピストンが製造可能な、経済的に有利なピストンの製造方法が提供される。

好ましくは、本発明の製造方法によって、合金からなるピストンが加工される。合金は、主合金元素（Hauptlegierungselement）と、少なくとも１つの他の合金元素（Legierungselement）と、を有する。また、本発明の範囲で、主合金元素を導入することにより、熱的疲労に対する耐性が向上され得ることが見出された。この点で、本実施形態は、これまで用いられてきた手法とは異なる。従来の実施形態では、通常、例えばケイ素、ニッケル、銅、またはマグネシウム等の強度向上元素が添加されている。このような合金元素は、例えば、アルミニウム合金からなるピストンの強度を局所的に増加させる。この場合、強度向上合金元素を増やすことによって、温度変化耐性に関する特性も向上し得ると通常考えられてきた。しかしながら、本発明の範囲で、驚くべきことに、これら強度向上元素の濃度を上げるのでなく、下げる方が有利であるということが見出された。すなわち、合金は「希釈（Verduennung）」される。この措置は、脱合金化（Ablegieren）と表現することもできる。これは、僅かな範囲の合金元素の濃度が低くなるように（少なくとも高くならないように）、少なくとも当該僅かな範囲に主合金元素が導入されることによって達成される。試験により、強度は実際僅かに低下し得ることが明らかになった。しかし、熱機械疲労に対する耐性は向上することも明らかになった。とりわけ、本発明の方法は特に熱的負荷が多くかかる領域に対してのみ適用されるため、総体的に強度が僅かに低下したピストンが製造される。しかし、特に危険に晒された場所では、熱的負荷への耐性が向上しているため、総体的に見てピストンの寿命は明らかに向上する。

本発明の効果は、主合金元素を純粋な形態で添加物質として導入することによって実現され得る。しかし、同じ効果は、ピストン合金の主合金元素及び少なくとも１つの合金元素（この合金元素は、逆に、処理されるピストン中の濃度よりも低濃度で添加物質中に存在する）を含む合金を導入することによっても実現できる。このようにして、合金元素の濃度は一部の領域において低下し、ピストンの耐熱性は少なくとも当該領域で向上する。本発明の方法の、最後に記載された実施形態（溶融中の溶接処理によって、主合金元素が添加物質として添加される）に関して、この方法の工程は、本発明の他の特徴（特に、特定の冷却速度）から原則として独立していることが強調されなければならない。換言すれば、任意のピストン製造方法において、溶接処理を用いてピストンを少なくとも一部の領域で溶融し、主合金元素の濃度が少なくとも一部の領域で上がるように主合金元素を添加物質として導入することによって、耐熱性の向上が達成され得る。このような方法によって、前述した及び後述する他の全ての特徴は有利に達成され得る。これは、本発明のピストンにも同様に適用される。このピストンは、少なくとも一部の領域で他の領域に比べてより微細な構造及びより高濃度の主合金元素を有することができ、本発明のピストンについて以下に示す大きさの粒子は存在しない。本発明のピストンの特徴は、この中に記載された方法で互いに組み合わせることもできる。

好ましくは、ピストンは、２００μｍ、特に、少なくとも３００μｍ超の深さを有する層において再溶融される。これにより、物質の構造の変化が達成される。
好ましくは、ピストンは、再溶融された後にさらに表面処理され及び／または表面加工される。したがって、再溶融処理は、必ずしも最終的な工程段階であるとは限らない。表面の平滑化等のさらなる工程段階が続いてもよい。

本発明の他の一態様によれば、凹部底に加え、凹部底に隣接する領域も溶融処理される。原則として、燃焼室凹部全体を再溶融処理することが考えられる。しかし、とりわけ溶融処理がなされた領域が限定的である場合、硬化速度は低くなる。より広い領域を再溶融するのであれば、複数段階の処理を行うのが好ましい。

前述した課題は、さらに、燃焼室凹部を有する次の内燃機関用ピストンによって解決される。このピストンの燃焼室凹部は、少なくとも凹部底を含む１つの領域において溶融処理され、溶融処理された領域において物質は再溶融される。溶融処理の結果、溶融処理された領域の物質の構成が、一定の深さを有する層において、溶融処理されないピストンの残りの領域と比べて変化する。再溶融された凹部底を有するピストンの推定寿命は、従来のピストンの寿命よりも極めて長い。

好ましくは、２００μｍ超の、特に３００μｍ超の深さを有する層において、溶融処理された領域の物質の構成は変化する。

本発明の他の一態様によれば、ピストンは、溶融処理された領域において、溶融処理されていない領域よりも微細な（好ましくは１０^−６ｍより小さい粒子の）構造を有する。

ピストンは、好ましくはディーゼルピストンとして設計される。ディーゼルピストンは、特に貨物自動車ピストンは、特別な熱的負荷に晒される。この場合、再溶融による凹部底の強化が特に有利である。

以下、本発明について、好ましい実施形態を参照しつつ具体例として説明する。図面は、次の１つのみである。
強化凹部底を有するピストンの模式断面図。

図１は、燃焼室凹部２を有する内燃機関ピストン１を模式的に表している。ピストンヘッド３と燃焼室凹部２の間の移行部を、凹部端（Muldenrand）と呼ぶ。燃焼室凹部２の底を、凹部底２０と呼ぶ。

凹部底２０は、少なくとも部分的に再溶融されている。再溶融は、好ましくはアーク溶接法によって実施される。ピストン１の表面は、凹部底２０の領域において、アークによって溶融される。その後の硬化の速度は、ピストン１を鋳造する場合よりも何倍も速い。その結果、凹部底２０の再溶融した領域は、ピストン１の残りの部分より微細な構造となる。

強化凹部底を有するピストンの模式断面図である。

Claims (17)

1. 少なくとも１つの凹部底（２０）を有する燃焼室凹部（２）の少なくとも１つの領域は溶融処理され、この結果、一定の深さを有する層において、前記溶融処理が行われた領域の物質の構成が変化することを特徴とする前記燃焼室凹部（２）を有する内燃機関用ピストン（１）の製造方法。
2. 前記領域は、アーク、レーザ光線、及び／もしくは電子線によって加熱され、並びに／または誘導加熱によって再溶融されることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
3. 前記領域は、２〜８ｋＷの電力のエネルギー付与によって加熱されることを特徴とする請求項１または２に記載の製造方法。
4. 前記溶融処理の後、１００〜１０００Ｋ／秒の速度で冷却が実施されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法。
5. 前記ピストン（１）は、主合金元素と、少なくとも１つの合金元素と、を有する合金からなり、前記溶融処理において前記主合金元素は添加物質として導入されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の製造方法。
6. 前記溶融処理が行われた領域は、２００μｍ超の深さを有する層において、再溶融されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の製造方法。
7. 前記溶融処理が行われた領域は、少なくとも３００μｍの深さを有する層において、再溶融されることを特徴とする請求項６に記載の製造方法。
8. 前記再溶融の後、前記溶融処理が行われた領域は追加的に表面処理されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の製造方法。
9. 前記溶融処理が行われた領域は、追加的に底（１６）に隣接する領域も含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の製造方法。
10. 燃焼室凹部（２）を備えたピストン（１）である内燃機関用ピストンであって、前記燃焼室凹部（２）は、少なくとも凹部底（２０）を有する領域において溶融処理され、この結果、一定の深さを有する層において、前記溶融処理が行われた領域の物質の構成が前記ピストン（１）の前記溶融処理が行われない領域の物質と比べて変化することを特徴とする内燃機関用ピストン。
11. ２００μｍ超の深さを有する層において、前記溶融処理が行われた領域の物質の構成が前記ピストン（１）の前記溶融処理が行われない領域の物質と比べて変化することを特徴とする請求項１０に記載の内燃機関用ピストン。
12. 少なくとも３００μｍの深さを有する層において、前記溶融処理が行われた領域の物質の構成が前記ピストン（１）の前記溶融処理が行われない領域の物質と比べて変化することを特徴とする請求項１１に記載の内燃機関用ピストン。
13. 前記溶融処理が行われた領域は、追加的に前記凹部底（２０）に隣接する領域も含むことを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の内燃機関用ピストン。
14. 前記溶融処理が行われた領域において、前記ピストン（１）の前記溶融処理が行われない領域と比べて、より微細な、特に１０^−６ｍ未満の大きさの、構造を有する粒子が存在することを特徴とする請求項１０〜１３のいずれかに記載の内燃機関用ピストン。
15. 主合金元素と、少なくとも１つの合金元素と、を有する合金からなり、少なくとも前記溶融処理が行われた領域において前記主合金元素の濃度が高いことを特徴とする請求項１０〜１４のいずれかに記載の内燃機関用ピストン。
16. 前記主合金元素は、アルミニウムまたは鉄であることを特徴とする請求項１５に記載の内燃機関用ピストン。
17. ディーゼルピストンとして用いることが意図されていることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれかに記載の内燃機関用ピストン。

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