JP2009540222A - ピストンヘッドのリング溝をレーザビームによって硬化させるための方法ならびに該方法により製作されたピストン - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関の鋼製のピストンのピストンヘッド（１）のリング溝をレーザビーム（４）によって硬化させるための方法に関する。この場合、本発明によれば、少なくとも硬化させたいリング溝に、硬化前にまたは直接的に硬化の間に、レーザビーム（４）のエネルギを吸収するコーティング層が設けられ、次いで、レーザビーム（４）によるコーティング層の負荷が行われる。吸収する層は、有利にはマンガン−リン酸塩コーティング層であるかもしくはその場で、酸素と不活性ガスとから成るプロセスガスの混加によって構成部材表面に形成される。さらに、レーザビームは、硬化時に回転方向に対して斜めにピストンに案内される。達成される利点は、反射の回避、溝底の望ましくない硬化の回避、高められた吸収度およびピストンのより僅かな歪みである。

Description

本発明は、内燃機関の鋼製のピストンのピストンヘッドのリング溝をレーザビームによって硬化させるための方法に関する。

さらに、本発明は、内燃機関のピストンに関する。

内燃機関の鋼製のピストンのピストンヘッドのリング溝をレーザビームによって硬化させるための方法は、欧州特許第１１７３６２４号明細書に基づき公知である。この公知の方法では、リング溝を硬化させるために、レーザビームがほぼ周方向でピストンに案内される。ほぼ接線方向のビームガイドによって、溝底の方向へのレーザビームの反射が回避され、衝突角が相応に小さい場合には、反対の側に位置する溝側面の方向への反射も回避される。しかし、十分な硬化のために、レーザビームが高いエネルギを有していなければならないという欠点がある。これは、公知の方法を硬化時に極めて緩速にしか実施することができないことに繋がる。これによって、このようなピストンの製作の場合、大量生産時のサイクル時間が不利に延長される。さらに、高いレーザエネルギに基づき、ピストンヘッド領域の歪みの危険があることが不利となる。

したがって、本発明の課題は、確かに、レーザビームによる、自体満足に作用する硬化が維持されるものの、同時に冒頭で述べた欠点が回避されるような方法ならびにこの方法により製作されたピストンを提供することである。

この課題を解決するために本発明の方法では、少なくとも硬化させたいリング溝に、硬化前にまたは硬化の間に、レーザビームのエネルギを吸収する層を設け、次いでまたは前記プロセスの間に、レーザビームによる層の負荷を行うようにした。

本発明の方法の有利な実施態様によれば、硬化させたいリング溝に、硬化前に、マンガン−リン酸塩コーティング層を設ける。

本発明の方法の有利な実施態様によれば、吸収する層を、硬化の間の、酸素と不活性ガス（特に窒素）とから成るプロセスガスの混加によって形成する（酸化またはテンパカラー）。

本発明の方法の有利な実施態様によれば、レーザビームを、硬化時のピストンの運動の間の回転方向に対して斜めにピストンに案内する。

さらに、前述した課題を解決するために本発明のピストンでは、当該ピストンが、前述した方法により製作されているようにした。

本発明のピストンの有利な構成によれば、当該ピストンが、一体の鋼製ピストンである。

本発明によれば、リング溝をレーザビームによって硬化させるための方法において、少なくとも硬化させたいリング溝に、硬化前にまたは硬化の間に、レーザビームのエネルギを吸収する層が設けられ、次いで、レーザビームによるコーティング層の負荷が行われることが提案されている。層は、特に有利にはマンガン−リン酸塩コーティング層または酸化物層である。この場合、コーティング層に用いられる前記材料は制限されていない。

まず、任意の方法（たとえば鍛造または鋳造）で製作されたピストン中間製品が仕上げ加工され、所定寸法にもたらされた後、レーザビームのエネルギを吸収する層の被着、特にマンガン−リン酸塩コーティング層の被着が行われる。この層は、有利にはレーザビームのエネルギを吸収し、これによって、反射が回避され、照射された領域、特に溝底のコントロールされない硬さ増加が排除されている。高められた吸収度によって、レーザビームのより僅かなエネルギと同時に（特に回転方向への）より高い送りが可能となる。さらに、レーザビームによる硬化時に、ピストン全体の加熱がより小さくなり、したがって、寸法不精度ひいてはスクラップに繋がる恐れがある歪みの危険が著しく減少させられている。

したがって、マンガン−リン酸塩コーティング層が特に有利となる。なぜならば、一般的にＭｎＰｈ層がいずれにせよピストンに被着され、したがって、付加的なプロセスが不要となるからである。択一層は、たとえば：酸洗い、黒化、ブレーズ、一般的に吸収する層、酸化物層、テンパカラーである（完全な列挙ではない）。

本発明の更なる利点は、レーザ処理前のピストン、特にリング溝のクリーニングが不要となることに見ることができる。なぜならば、このことは、すでにコーティング層の被着前にまたは被着後に実施されるからである。本発明による方法は、位置固定されたピストンと、回転するレーザビームとによって行われてもよいし、逆に、位置固定されたレーザビーム源と、回転するピストンとによって行われてもよい。

本発明の改良形では、レーザビームが、硬化時のピストンの運動の間の回転方向に対して斜めにピストンに案内される。レーザ硬化時には、基本的に、オーバラップまたは硬化させられないゾーンを有する領域が周方向に形成されるので（「滑り」）、レーザビームが回転方向（送り方向）に対して斜めにピストンに案内される。

さらに、本発明によれば、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法により製作された、内燃機関のピストンが提案されている。特に有利には、ピストンが一体の鋼製ピストンである。この鋼製ピストンは、特に簡単に製作することができ、本発明による方法によって硬化させることができる。

本発明の実施例を、これに限定されているわけではないが、以下に簡単に記載し、図面につき説明する。

図１および図２には、横断面図ならびに縦断面図で内燃機関のピストンのピストンヘッド１が示してある。この場合、ピストンは鋼から成っている。この鋼は、自体公知の形式でレーザビームによって良好に硬化させることができる。このようなピストンは、慣用のエレメント、たとえばリング範囲、場合により燃焼室キャビティ、ピストンスカートならびにピン孔を有している。しかし、これらのエレメントは、図示を簡単にするために、図１および図２に示していない。

図１に認めることができるように、ピストンヘッド１の内側領域２を取り囲んで、リング溝の溝下側側面３（もしくは観察形式に応じて溝上側側面）が設けられている。この溝下側側面３はレーザビームによって負荷される。このレーザビーム４による負荷は、少なくとも硬化させたいリング溝が、硬化前にもしくは直接的に硬化の間（テンパカラー）に、レーザビーム４のエネルギを吸収する層を、下側側面および／または上側側面にかつ場合により溝底の領域ならびに場合によりリング範囲の領域におけるピストンの表面にも備えた後に初めて行われる。レーザビーム４が溝下側側面３に向けられると、この溝下側側面３を硬さ増加させるための集光スポット５が形成される。硬化過程の間、レーザビーム４の源が静的なままであるのに対して、ピストンヘッド１は回転方向６に回転する。逆に、ピストンが位置固定されているのに対して、レーザビーム４の源がピストンを取り囲むように回転することも可能である。

図２に認めることができるように、レーザビーム４は、硬化時のピストンの運動の間の回転方向６に対して斜めにピストンに案内される。本発明による方法では、レーザビーム４がピストン中心軸線７の方向に向けられていてもよいし、このピストン中心軸線７から逸脱していてもよい。

全体的に、本発明による方法ならびに内燃機関の、この方法により製作されたピストンは、硬化させられた材料、特に溝下側側面３による減少させられたリング溝摩耗、高められたプロセス安定性、（特にクリーニングステーションの節約による）より僅かな製作コスト、より僅かなサイクル時間ならびにピストンの、硬さ増加させられた領域と、この領域に並んで位置する領域との歪みの減少または回避さえ提供する。

内燃機関のピストンのピストンヘッドの横断面図である。 内燃機関のピストンのピストンヘッドの縦断面図である。

符号の説明

１ ピストンヘッド、 ２ 内側領域、 ３ 溝下側側面、 ４ レーザビーム、 ５ 集光スポット、 ６ 回転方向

Claims (6)

1. 内燃機関の鋼製のピストンのピストンヘッド（１）のリング溝をレーザビーム（４）によって硬化させるための方法において、少なくとも硬化させたいリング溝に、硬化前にまたは硬化の間に、レーザビーム（４）のエネルギを吸収する層を設け、次いでまたは前記プロセスの間に、レーザビーム（４）による層の負荷を行うことを特徴とする、内燃機関の鋼製のピストンのピストンヘッドのリング溝をレーザビームによって硬化させるための方法。
2. 硬化させたいリング溝に、硬化前に、マンガン−リン酸塩コーティング層を設ける、請求項１記載の方法。
3. 吸収する層を、硬化の間の、酸素と不活性ガス（特に窒素）とから成るプロセスガスの混加によって形成する（酸化またはテンパカラー）、請求項１記載の方法。
4. レーザビーム（４）を、硬化時のピストンの運動の間の回転方向（６）に対して斜めにピストンに案内する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 内燃機関のピストンにおいて、当該ピストンが、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法により製作されていることを特徴とする、内燃機関のピストン。
6. 当該ピストンが、一体の鋼製ピストンである、請求項５記載のピストン。

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