JP5145046B2 - 内燃機関のためのピストンを製作する方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼室を備えた、内燃機関のためのピストンを製作する方法に関しており、燃焼室の縁部を補強するために設けられた、リング状の繊維プレフォームが、鋳型内で固定され、次いで鋳型に、珪素を少量しか含まないアルミニウム−銅−合金が導入され、この場合アルミニウム−銅−溶融物と繊維プレフォームとの間に圧力差が形成され、それも繊維プレフォームが完全にアルミニウム−銅−溶融物によって溶浸されて、これによって繊維プレフォームが燃焼室縁部に成形されるような圧力差が形成される。

このような製作法は、ドイツ連邦共和国特許第３４３００５６号明細書から公知である。この場合の欠点によれば、アルミニウム−銅−溶融物が硬化する際に、比較的大きな容量不足が生じ、このことによって硬化した材料の極めて大きな微小多孔度が生じ、ひいては材料の強度が大幅に低下することになる。

したがって本発明の課題は、公知の、珪素の少ないアルミニウム−銅−合金から成るピストンを製作する方法を改良して、２００ｂａｒを超える点火圧負荷に適していて、ひいてはピストン材料の強度が改善され、それもアンダカットされた縁部のシャープな燃焼室がピストンヘッドに問題なく成形できるように改善されたピストンを製作できるものを提供することである。

この課題は、請求項１によれば、高温静水圧圧縮に際して、前述の方法で製作されたピストン素材の後圧縮によって解決され、これによって高品質で負荷能力の高いピストンが形成される。

本発明の有利な実施形態は、従属請求項の対象であり、この場合特にアノード酸化による２番目および３番目のリング溝の側面および底面に耐摩耗性の酸化アルミニウム層を形成することによって、またボス孔の転造によって、本発明によるピストンのさらなる品質改善が達成される。

以下に、図面につき、本発明による、内燃機関のためのピストンを製作する方法を説明する。

本発明による、内燃機関、特にディーゼルエンジンのためのピストン１を製作する方法を実施するために、珪素をほとんど含有していないアルミニウム−銅−合金が使用され、アルミニウム−銅−合金は、以下に記載のように構成することができ、この場合記載の数字は、個々の合金成分の重量パーセントを意味する。
Ｃｕ ３．５〜４．５
Ｎｉ １．７〜２．３
Ｍｇ １．２〜１．８
Ｓｉ 最大０．７
Ｆｅ 最大１．０
Ｍｎ 最大０．３５
Ｔｉ 最大０．２５
Ｚｎ 最大０．３５
Ａｌ 残り。

本発明による、ピストン１を製作する方法に適した別の合金は、以下の成分（数字は重量パーセントである）から成っている。
Ｃｕ １．８〜２．７
Ｍｇ １．２〜１．８
Ｆｅ ０．９〜１．４
Ｎｉ ０．８〜１．４
Ｓｉ 最大０．２５
Ａｌ 残り。

燃焼室（燃焼用の凹み）２を備えたピストン１を製作するために鋳造法が用いられ、鋳造法によって、燃焼室２の縁部は、繊維プレフォーム３で強化され、ピストン１はさらにシールリングのためのリング支持体４を備えることができる。このような鋳造法の性質によれば、溶融物と繊維プレフォーム３との間に十分な大きさの圧力差が形成され、これによって繊維プレフォーム３は、溶融物が硬化するまえに、鋳造時に用いられる溶融物で完全に溶浸される。したがって繊維プレフォーム３の個々の繊維は、硬化した溶融物と堅固に結合されるだけでなく、繊維プレフォーム３自体も残りのピストン１と堅固に結合される。

繊維プレフォーム３の繊維は、セラミック材料、たとえば酸化アルミニウムから成る短繊維として形成されている。矩形の横断面を有するリングボディの構成を有する繊維プレフォーム３は、先ず結合手段を含有する水溶性の懸濁液で繊維を準備して製作される。次いで懸濁液は、繊維プレフォーム３の構成に対応する透水性の型に導入され、型内で水が懸濁液から分離される。繊維フォーム３として形成されたボディは、乾燥され、強度を改善するために機械的に後プレスされる。この場合繊維の成分は、それぞれ１０％〜２０％の容量単位になるよう所望される。

従来技術から、本発明によるピストンを製作する複数の鋳造法が公知である。１鋳造法、つまり直接的な流体プレスでは、先ず繊維プレフォーム３およびリング支持体４が定置の鋳型に挿入されて、固定される。この場合繊維プレフォーム３は、ピストン軸線１０に対して同軸的に、ピストンヘッド５の平面上に位置し、リング支持体４は、ピストン軸線１０に対して同軸的に、かつピストンヘッド５からトップランド（Feuersteg）６の軸方向長さに相当する間隔で位置決めされる。次いで流動性のアルミニウム溶融物が鋳型に導入されて、軸方向可動の鋳型コアが鋳型に挿入され、鋳型コアは、先ず鋳型を閉鎖し、次いで圧力をゆっくりと硬化する溶融物に及ぼす。

アルミニウム溶融物に及ぼされる圧力によって、一方では、繊維プレフォーム３は溶融物によって溶浸される。他方では、溶融物に及ぼされる圧力によって、硬化したアルミニウムの多孔度が低下する。このことによってピストン材料の、特定の目的にとって十分な強度が得られる。

"robot aided medium pressure diecasting"の略語であるＲＭＤ鋳造法と呼ばれる別の鋳造法も同様に、本発明によるピストンを製作するのに適している。この場合先ずリング支持体４が、鋳型内の、リング支持体のために設けられた箇所で固定される。次いで鋳型が蓋で閉鎖され、蓋は、半径方向外向きに配置された複数の吸込管を備えており、吸込管は、真空ポンプと結合されていて、かつ鋳型の内室に通じていて、それも吸込管の開口に繊維プレフォーム３が接触して、管に作用する真空によってこのために設けられた箇所で保持されるような箇所で通じている。蓋にセンタリングして配置された供給開口を介して、アルミニウム溶融物は、鋳型に導入され、この場合管に作用する真空は、真空によって吸込管に保持される繊維プレフォーム３が溶融物によって溶浸されるように作用する。さらに供給開口は圧縮空気管路と結合されており、圧縮空気管路を介して、溶融物で鋳型を充填したあとで高圧下の空気が鋳型に導入され、高圧下の空気は、硬化したアルミニウム−銅−合金の多孔度が低下されるように作用し、このことによって、特定の目的にとって十分なピストン強度が得られる。

ピストンが、ピストン材料の比較的高い強度を要求し、ひいては多孔度のさらなる低下を要求する目的で設けられている場合、鋳込まれるピストン素材は、高温静水圧圧縮（ＨＩＰ）によって後圧縮される。

このためにピストンはオートクレープに挿入され、オートクレープ内で、４００度〜６００度の温度で７００ｂａｒ〜１０００ｂａｒの圧力のガスが圧入される。約４時間〜６時間の滞留時間のあとで、ピストン材料の圧縮プロセスが終了され、ピストン１は、鋳造表面下の領域で、多孔度の存在しない密な材料構造を有している。

これに次いでピストン素材に、切削加工による製作法によって、図２に示した最終的な形状が付与される。

ピストン１の品質をさらに改善するために、２番目および３番目のリング溝７，８の側面および底面（これらはディーゼルピストンの場合特に強く負荷される）は、アノード酸化に際して耐摩耗性のコーティングを備えることができる。ここでは選択的なコーティング法が用いられ、この場合コーティングしないよう所望されるピストン領域はカバーされる。ここでは２番目および３番目のリング溝７，８を除くピストン全体は、カバー層で被覆され、そのあとでピストン１は、直流源のプラス極に接続され、電解液、たとえば硫酸に含浸される。さらに直流源のマイナス極に接続された単数または複数のカソードが電解液に含浸される。通流時に２番目および３番目のリング溝の面にコンパクトで耐摩耗性の酸化アルミニウム層が形成される。

ディーゼルピストンでは、ボス孔９も特別な負荷にさらされる。この場合ボス孔９を精密加工するために、珪素の少ないアルミニウム−銅−合金から成るピストンにとって極めて適した転造法が講じられる。この場合単数または複数のロールが、ボス摺動面（軸受面）に対してほぼ垂直に向けられた力で負荷されて、摺動面に沿って運動される。その結果としてボス摺動面の最小起伏が平滑化される。さらにこれによって圧縮残留応力が材料に及ぼされ、これによってボス内面の強度が改善される。このような圧縮残留応力は、珪素の少ないアルミニウム−銅−合金の高い耐熱性に基づいて、長時間維持され、応力緩和によって低下されない。さらにこのような材料では、冷間変形加工に従って転造の範囲内で用いられる再結晶が、実質的な容量変化なしに進行するので、材料における不都合な引張負荷が回避される。

本発明による製作法に基づいて製作されたピストンのピストンヘッドを示す平面図である。 ピストンの軸線に沿った、２分割されたピストンの断面図であって、左半部は、ボス軸線Ｂに沿った断面図であり、右半部は、ボス軸線Ｂに直交する軸線Ａに沿った断面図である。

符号の説明

Ａ 横断面、 Ｂ ボス軸線、 １ ピストン、 ２ 燃焼室、 ３ 繊維プレフォーム、 ４ リング支持体、 ５ ピストンヘッド、 ６ トップランド、 ７ ２番目のリング溝、 ８ ３番目のリング溝、 ９ ボス孔、 １０ ピストン軸線

Claims (6)

1. 燃焼用の凹み（２）を備えた、内燃機関のためのピストン（１）を製作する方法において、
   以下の方法ステップ；
   −燃焼用の凹み（２）の縁部を強化するのに適した形状を有する、リング状の繊維プレフォーム（３）を、ピストンヘッド（５）の平面上で、ピストン軸線（１０）に対して同軸的に、ピストン（１）のための鋳型内で固定し、
   −鋳型内で、ピストンヘッド（５）からトップランド（６）の軸方向長さに相当する間隔で、ピストン軸線（１０）に対して同軸的にリング支持体（４）を固定し、
   −ピストン素材を製作するための鋳型に、珪素の少ないアルミニウム−銅−溶融物を導入し、この場合、繊維プレフォーム（３）が、燃焼用の凹み（２）の縁部の領域にのみ位置しており、
   −アルミニウム−銅−溶融物を繊維プレフォーム（３）に溶浸させるために、アルミニウム−銅−溶融物と繊維プレフォーム（３）との間に圧力差を形成し、
   −既に鋳造されたピストン素材を、高温静水圧圧縮によって後圧縮し、高温静水圧圧縮に際して、ピストン（１）を４時間から６時間オートクレープに装入し、オートクレープに、４００度から６００度までの温度で、７００ｂａｒから１０００ｂａｒまでの圧力でガスを圧入し、
   −ピストン（１）を製作するための切削加工による製作法によってピストン素材を加工し、ピストン（１）に、２番目および３番目のリング溝（７，８）を形成し、ボス孔（９）を備えたピンボスをピストン（１）に一体成形する、
   方法ステップを有していることを特徴とする、内燃機関のためのピストンを製作する方法。
2. アルミニウム−銅−溶融物に、１．８から４．５重量パーセントの銅と最大で０．７重量パーセントの珪素とを混合する、請求項１記載の方法。
3. 繊維プレフォーム（３）を製作する際に、セラミック材料から成る繊維を使用し、繊維の成分が１０％から２０％の容量単位で生じるように、繊維を圧縮する、請求項１または２記載の方法。
4. 繊維プレフォーム（３）を吸込管によって鋳型内で保持し、アルミニウム−銅−溶融物が繊維プレフォーム（３）に吸い込まれて、繊維プレフォーム（３）が溶浸されるような真空が吸込管に作用するようにすることによって、アルミニウム−銅−溶融物と繊維プレフォーム（３）との間に圧力差を生じさせる、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. ２番目および３番目のリング溝（７，８）の側面および底面に、アノード酸化によって酸化アルミニウム層を形成し、２番目および３番目のリング溝（７，８）を除くピストン（１）全体を、カバー層で被覆し、直流源のプラス極に接続し、電解液に含浸し、電解液の容器に、さらに直流源のマイナス極に接続された少なくとも１つのカソードを含浸する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. ボス孔（９）を、転造によって平滑化して、硬化させる、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。

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