JP2017536238A

JP2017536238A - 冷却チャンネルピストンの製造方法とその方法により製造された冷却チャンネルピストン

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Publication number: JP2017536238A
Application number: JP2017526654A
Authority: JP
Inventors: ユルリヒビショフベルガー
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2014-11-20
Filing date: 2015-11-20
Publication date: 2017-12-07
Also published as: KR20170085509A; US20170320129A1; CN107107169A; DE102014017091A1; WO2016079328A1

Abstract

本発明は、冷却チャンネルピストン（１０）の製造方法であって、純粋な塩材料を加圧焼結することにより高々６０μｍの表面粗さＲｚを有する塩中子材（３１）を製造するステップａ）と、塩材料の飽和溶液中に塩中子材（３１）を浸漬し又は塩材料の飽和溶液を塩中子材（３１）に噴射するステップｂ）と、少なくとも２００μｍの表面粗さＲｚを有する塩中子（３０）を形成するように塩中子材（３１）を乾燥させるステップｃ）と、鋳型の中に塩中子（３０）を配置して鋳造用金属材料から冷却チャンネルピストン（１０）を鋳造するステップｄ）とを備えたことを特徴とする第１の方法に関する。本発明はまた、冷却チャンネルピストン（１０）の製造方法であって、純粋な塩材料を加圧焼結することにより高々６０μｍの表面粗さＲｚを有する塩中子材（３１）を製造するステップｅ）と、溶媒若しくは塩材料の溶液中に塩中子材（３１）を浸漬し又は溶媒若しくは塩材料の溶液を塩中子材（３１）に噴射するステップｆ）と、所定の粒子サイズ分布及び／又は所定の粒径分布を有する塩材料を塩中子材に振りかけるステップｇ）と、少なくとも２００μｍの表面粗さＲｚを有する塩中子（３０）を形成するように塩中子材（３１）を乾燥させるステップｈ）と、鋳型の中に塩中子（３０）を配置して鋳造用金属材料から冷却チャンネルピストン（１０）を鋳造するステップｉ）とを備えたことを特徴とする第２の方法に関する。

Description

本発明は、冷却チャンネルピストンの製造方法と、その方法により製造された冷却チャンネルピストンとに関する。

塩中子は、特に閉じた冷却チャンネルを有するピストンを鋳造するために用いられる。ピストンが鋳造された後、水で溶かすという従来の方法で塩中子がピストンから取り除かれる。この種の塩中子は、一般に塩化ナトリウムを基本として製造される。この目的のため、作るべき冷却チャンネルの形状と同じ形状を持つ未加工の成形体を作るように、材料の冷間圧縮が採用される。そして、この成形体は、当該材料の融点を少し下回る約８００℃で焼結される。その結果得られる焼結品は、適切な場合には機械仕上げにかけられて、作るべき冷却チャンネルに対応した最終形態となり得る。

一般に、その結果得られる塩中子は、３０μｍ〜６０μｍの表面粗さＲｚを有する。最近の冷却チャンネルピストンでは、エンジン動作中の高い熱負荷のゆえに、ピストンクラウンと、冷却チャンネル中を循環する冷却オイルとの間の効率の良い熱伝達が必須となっている。

国際公開第２０１０／１３３５９６号は、特に平滑な表面を有する塩中子の製造方法を開示している。その意図は、鋳造中に鋳造用材料が塩中子の表面に浸透したり、鋳造用材料が塩中子と化学反応したりすることを防止することにある。

本発明の目的は、ピストン材料と冷却チャンネル中を循環する冷却オイルとの間の特に効率の良い熱伝達を保証するピストンの製造方法と、そのようなピストンとを提供することにある。

第１の解決策は、純粋な塩材料を加圧焼結することにより高々６０μｍの表面粗さＲｚを有する塩中子材を製造するステップａ）と、塩材料の飽和溶液に塩中子材を浸漬し又は塩材料の飽和溶液を塩中子材に噴射するステップｂ）と、少なくとも２００μｍの表面粗さＲｚを有する塩中子を形成するように塩中子材を乾燥させるステップｃ）と、鋳型の中に塩中子を配置して鋳造用金属材料から冷却チャンネルピストンを鋳造するステップｄ）とを備えたことを特徴とする方法にある。

第２の解決策は、純粋な塩材料を加圧焼結することにより高々６０μｍの表面粗さＲｚを有する塩中子材を製造するステップｅ）と、溶媒若しくは塩材料の溶液中に塩中子材を浸漬し又は溶媒若しくは塩材料の溶液を塩中子材に噴射するステップｆ）と、所定の粒子サイズ分布及び／又は所定の粒径分布を有する塩材料を塩中子材に振りかけるステップｇ）と、少なくとも２００μｍの表面粗さＲｚを有する塩中子を形成するように塩中子材を乾燥させるステップｈ）と、鋳型の中に塩中子を配置して鋳造用金属材料から冷却チャンネルピストンを鋳造するステップｉ）とを備えたことを特徴とする方法にある。

本発明の他の主題は、この種の方法により製造できるピストンである。

本発明の方法の特徴は、通例の焼結プロセスで製造される塩中子と比べて大きい、塩中子の所定の表面粗さを達成できることにある。

請求項１の方法によれば、本発明の目的は、ステップｃ）にて飽和した塩材料溶液から塩材料を結晶化させることにより達成される。その際、結晶は塩中子材の焼結面の上に定着し、かつ塩中子材の部分的に溶解した表面に固着する。更に、請求項１の方法により塩中子材の表面に付けられた塩結晶は、引き続く塩中子材の乾燥中に結晶化の核として作用するので、飽和した適切な溶液から析出する塩結晶は、塩粒子上に特に効率良く結晶化する。その結果、特に大きい表面粗さが得られる。

請求項２の方法によれば、本発明の目的は、適切な溶媒及び／又は塩材料の溶液により塩中子材の表面を部分的に溶解させ、引き続きその表面が乾かないうちに、所定の粒子サイズ分布及び／又は粒径分布を有する塩材料の結晶を追加的にその表面に振りかけることにより達成される。振りかけられた結晶は、塩中子材の部分的に溶解した表面に留まって、そこに固着する。

その結果として得られる冷却チャンネル表面の所定の表面粗さは、従来技術で得られるものよりも大きくなる。したがって、冷却チャンネルの表面積自体が拡大される結果、ピストン材料とエンジン動作中に冷却チャンネルを循環するオイルとの間の熱伝達が大いに改善される。

本発明の方法は、技術的に実施が容易であり、かつ現製造ラインとの統合も容易である。更に、本発明の方法は、他の材料や添加剤を要しないという利点を有する。そのような他の材料や添加剤は、ピストンの鋳造が完了した後の塩中子の溶解を大幅に妨げ得るほか、ピストンの鋳造中のガス放出にも結び付き得る。他の材料や添加剤を避けることにより、冷却チャンネル表面への（例えば、水素ガスによる多孔化の結果としての）損傷が防止される。特に、ガス放出や、それに伴う鋳造部品中の膨れを引き起こし得る接着剤を用いる必要がない。

有利な発展形は、従属請求項に基づくものである。

実用的には、ステップａ）にて及び／又はステップｅ）にて、塩化ナトリウムの形態の確立した塩材料が用いられる。

ステップａ）にて及び／又はステップｅ）にて、作るべき冷却チャンネルの非常に正確な外形を生み出すために、塩中子材は機械仕上げにかけられ得る。

塩材料に適した全ての溶媒、特に水及び極性有機溶媒が使用可能である。ただし、水の方が好ましい。メタノール、エタノール、イソプロパノール、ジエチルエーテル及びアセトンもまた、特に適している。極性有機溶媒を用いる場合には、塩材料の溶解性を改善するために、少なくとも１つのクラウンエーテルを添加するのがよい。ナトリウムイオンの錯形成に特に適しているのは、［１５］−クラウン−５の環状開口である。カリウムイオンは、好ましくは、例えば［１８］−クラウン−６により錯形成される。

好ましくは、ステップｃ）にて及び／又はステップｈ）にて、塩中子材は、撹拌された空気中で、かつ高々２００℃の温度で、水分の放出がなくなるまで乾燥させられるべきである。好ましくは、塩中子材は、高々１００℃の温度で特にゆっくりと乾燥させられる。更に好ましくは、室温にて乾燥が実行される。

ステップｃ）にて及び／又はステップｈ）にて、請求項１の方法により結晶化した塩結晶の偶発的なサイズに応じて、又は、ステップｇ）に従って塩中子材に追加で振りかけるのに用いられた塩結晶の各々のサイズに応じて、最大で１ｍｍの表面粗さを有する塩中子が得られる。

実用上、請求項１の方法に従って、塩材料の飽和水溶液による特に効率の良い濡れが得られるように、ステップａ）の後にかつステップｂ）の前に、塩中子材は８０℃〜１００℃の温度まで加熱される。

更に、本発明に従って得られた塩中子は、使用される鋳造用材料との温度差があまり大きくならないように、ステップｄ）及び／又はステップｉ）に従って鋳型の中に配置される前に、３００℃〜５００℃の温度まで加熱され得る。

本発明の方法は、アルミニウム系の材料、特にアルミニウム−シリコン鋳造合金からなる冷却チャンネルピストンの製造に、特に適している。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の例示的な実施形態を詳細に説明する。ただし、例示的な図面における縮尺は、実際のものと異なる。

本発明の冷却チャンネルピストンの例示的な実施形態の断面図である。図１の冷却チャンネルピストンの製造に用いられる塩中子の例示的な実施形態の断面図である。

本発明の方法は、任意の所望のタイプ及びデザインの冷却チャンネルピストンに適したものである。図１は、例えばワンピースキャスト法による冷却チャンネルピストン１０を示している。冷却チャンネルピストン１０は、燃焼室凹部１３が作られたピストンクラウン１２を有するピストン頭頂部１１を備えている。ピストン頭頂部１１はまた、トップランド１４と、ピストンリング（不図示）を収容するリング溝を持つリング部１５とを有する。リング部１５の高さにて、冷却チャンネル１６が一周するようにピストンに設けられている。更に、ピストンは、ピストンピン（不図示）を収容するボス孔１９が設けられたピストンボス１８を有するピストンスカート１７を、従来の態様で備えている。ピストンボス１８は、摺動面２１を介して従来の態様で互いに結合される。

図１に概略が示されているように、一周する冷却チャンネル１６は、少なくとも２００μｍ、好ましくは最大で４００μｍ、より好ましくは最大で１ｍｍの表面粗さＲｚを有する表面を持つ。

図２は、図１による本発明の冷却チャンネルピストン１０の製造に用いられる、塩化ナトリウムで作られた塩中子３０を示している。塩中子３０は、表面３２が塩化ナトリウムからなる塩結晶３３で覆われた塩中子材３１を有する。

第１の例示的な実施形態によれば、塩中子３０は次のようにして製造され得る。

最初に、従来の方法で、塩化ナトリウムのような塩材料の冷間加圧焼結により塩中子材３１が製造される。この際、純粋な塩材料、すなわち他の材料や添加剤を含まない塩材料が用いられることを保証するように、注意を払うべきである。焼結の後、公知の方法で、作るべき冷却チャンネルの断面形状と非常に正確に一致した断面形状が得られるように、塩中子材３１は、その表面３２が機械仕上げにかけられ得る。

完成した塩中子材３１は、例示的な実施形態では塩化ナトリウムである塩材料の飽和水溶液中に浸漬され、又は当該飽和水溶液の噴射を受ける。その結果、その表面３２が溶液で濡れる。次に、塩中子材３１は、乾燥炉にて、例えば１００℃より少し低い温度、例えば９５℃〜９８℃にて、塩中子材から水蒸気が放出されなくなるまで乾燥させられる。乾燥プロセスの間、塩結晶３３が飽和溶液から結晶化して、塩中子材３１の表面３２に付着する。

乾燥プロセスが終了すると、その結果完成した塩中子３０は、少なくとも２００μｍの表面粗さＲｚによって区別される。

冷却チャンネルピストン１０を製造するため、従来の方法で、塩中子３０が対応する鋳型の中に配置され、例えばアルミニウム系の金属材料による鋳造が行われる。鋳造プロセスが完結すると、その結果得られるピストン材は、鋳込まれた塩中子３０を有する。このピストン材は、公知の方法で仕上げ加工が施され、かつ塩中子３０が水により洗い取られる。その結果、図１のような冷却チャンネルピストン１０が得られる。

この方法の変形例によれば、飽和溶液による塩中子材３１の表面３２の特に効率の良い濡れが得られるように、塩中子材３１は、飽和溶液中に浸漬される前に８０℃〜１００℃の温度まで加熱される。

第２の例示的な実施形態によれば、塩中子３０は次のようにして製造され得る。

最初に、上述のようにして、塩中子材３１が製造される。この塩中子材は、適切な溶媒、好ましくは水による噴射、若しくは塩材料、好ましくは塩化ナトリウムの溶液による噴射を受け、又は当該液体中に浸漬される。次に、塩中子材３１の表面に、それがまだ濡れているうちに、塩材料、例示的な実施形態では塩化ナトリウムの結晶が振りかけられたうえ、乾燥の後、更に上述のようにして使用される。用いられる塩粒子は、所定の粒子サイズ分布及び／又は所定の粒径分布を有する。

この手段によれば、塩中子３０の表面粗さＲｚを特に正確に設定することができる。例えば、５００μｍの平均粒子サイズを有する塩結晶を使用すれば、完成した冷却チャンネルピストン１０の冷却チャンネル１６の表面にて、２００μｍ〜４００μｍの表面粗さＲｚを測定することが可能であった。１ｍｍの平均粒径を有する塩結晶は、完成した冷却チャンネルピストン１０の冷却チャンネル１６の表面にて、７００μｍ〜９００μｍの表面粗さＲｚをもたらした。

Claims

冷却チャンネルピストン（１０）の製造方法であって、
純粋な塩材料を加圧焼結することにより、高々６０μｍの表面粗さＲｚを有する塩中子材（３１）を製造するステップａ）と、
前記塩材料の飽和溶液中に前記塩中子材（３１）を浸漬し、又は前記塩材料の飽和溶液を前記塩中子材（３１）に噴射するステップｂ）と、
少なくとも２００μｍの表面粗さＲｚを有する塩中子（３０）を形成するように前記塩中子材（３１）を乾燥させるステップｃ）と、
鋳型の中に前記塩中子（３０）を配置して、鋳造用金属材料から冷却チャンネルピストン（１０）を鋳造するステップｄ）とを備えたことを特徴とする方法。
冷却チャンネルピストン（１０）の製造方法であって、
純粋な塩材料を加圧焼結することにより、高々６０μｍの表面粗さＲｚを有する塩中子材（３１）を製造するステップｅ）と、
溶媒若しくは前記塩材料の溶液中に前記塩中子材（３１）を浸漬し、又は溶媒若しくは前記塩材料の溶液を前記塩中子材（３１）に噴射するステップｆ）と、
所定の粒子サイズ分布及び／又は所定の粒径分布を有する塩材料を前記塩中子材に振りかけるステップｇ）と、
少なくとも２００μｍの表面粗さＲｚを有する塩中子（３０）を形成するように前記塩中子材（３１）を乾燥させるステップｈ）と、
鋳型の中に前記塩中子（３０）を配置して、鋳造用金属材料から冷却チャンネルピストン（１０）を鋳造するステップｉ）とを備えたことを特徴とする方法。
請求項１又は２に記載の方法において、
ステップａ）にて及び／又はステップｅ）にて、塩化ナトリウムの形態の塩材料を用いることを特徴とする方法。
請求項１又は２に記載の方法において、
ステップａ）にて及び／又はステップｅ）にて、前記塩中子材（３１）を機械仕上げにかけることを特徴とする方法。
請求項１又は２に記載の方法において、
ステップｂ）にて及び／又はステップｆ）にて、溶媒としての水、並びに／又は、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ジエチルエーテル及びアセトンを含む群から選択された少なくとも１つの極性有機溶媒を用いることを特徴とする方法。
請求項５記載の方法において、
前記少なくとも１つの極性有機溶媒は、少なくとも１つのクラウンエーテルの形態の添加剤を含むことを特徴とする方法。
請求項１又は２に記載の方法において、
ステップｃ）にて及び／又はステップｈ）にて、撹拌された空気中で前記塩中子材（３１）を乾燥させることを特徴とする方法。
請求項１又は２に記載の方法において、
ステップｃ）にて及び／又はステップｈ）にて、高々２００℃の温度で前記塩中子材（３１）を乾燥させることを特徴とする方法。
請求項７記載の方法において、
室温にて前記塩中子材（３１）を乾燥させることを特徴とする方法。
請求項１又は２に記載の方法において、
ステップｃ）にて及び／又はステップｈ）にて、最大で１ｍｍの表面粗さＲｚを有する塩中子（３０）を得ることを特徴とする方法。
請求項１記載の方法において、
ステップａ）の後にかつステップｂ）の前に、８０℃〜１００℃の温度まで前記塩中子材（３１）を加熱することを特徴とする方法。
請求項１又は２に記載の方法において、
ステップｄ）の前に及び／又はステップｉ）の前に、３００℃〜５００℃の温度まで前記塩中子（３０）を加熱することを特徴とする方法。
請求項１又は２に記載の方法において、
ステップｄ）にて及び／又はステップｉ）にて、鋳造用材料としてアルミニウム系の材料を用いることを特徴とする方法。
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の方法により製造できる冷却チャンネルピストン（１０）。
ピストン頭頂部（１１）に循環式の冷却チャンネル（１６）を備えた冷却チャンネルピストン（１０）であって、
前記冷却チャンネル（１６）の表面は、少なくとも２００μｍの表面粗さＲｚを有することを特徴とする冷却チャンネルピストン。
請求項１２記載の冷却チャンネルピストンにおいて、
前記冷却チャンネル（１６）の表面は、最大で１ｍｍの表面粗さＲｚを有することを特徴とする冷却チャンネルピストン。