JPH0132304B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 凹部付クラウン又はクラウン中の皿部を有し
かつ凹部又は皿部と半径方向でのクラウンの外周
部分との間にエツジ領域がある、燃焼機関又は往
復圧縮機のためのアルミニウム又はアルミニウム
合金材料から成るピストンの製造方法において、
凹部の機械加工の前又は機械加工の後のいずれか
に、レーザ又は電子ビームにより、エツジ領域又
はエツジ領域を形成すべきピストンの部分を合金
化又は分散強化するステツプを設けたことを特徴
とするピストン製造方法。

２ レーザ又は電子ビームによる合金化方法を使
用する場合において、機関シリンダ内での動作条
件に対しピストン材料に比べ抵抗力のある合金を
ピストン材料と共に形成する合金材料を、エツジ
領域又はエツジ領域を形成すべきピストンの部分
に加え、次いで合金材料および合金材料の下側に
あるピストン材料をレーザ又は電子ビームで加熱
し、エツジ領域又はエツジ領域を形成すべきピス
トンの部分の周囲に延在する輪状の合金領域を形
成することを特徴とする請求の範囲第１項記載の
ピストン製造方法。

３ 電気メツキ又は無電解メツキによりピストン
上に合金材料を配置することを特徴とする請求の
範囲第２項記載のピストン製造方法。

４ レーザ又は電子ビームによる分散強化を処理
に含ませることを特徴とする請求の範囲第１項記
載のピストン製造方法。

５ ピストン材料中に分散することにより機関シ
リンダ内での動作条件に対しピストン材料よりも
抵抗力のある合成物を形成する分散強化材料を、
前記１つ又は複数のエリアに加えるステツプと、
次いで分散強化材料および分散強化材料の下側に
あるピストン材料をレーザ又は電子ビームにより
加熱し、前記分散強化材料が分散したピストン材
料の輪状領域を形成するステツプとを設けたこと
を特徴とする請求の範囲第４項記載のピストン製
造方法。

６ 処理ステツプの実行前に機械加工ステツプを
実行するステツプを設け、ピストンを機械加工し
て、処理ステツプによるピストンの寸法の変化を
許容するに充分な程度に処理後のピストンの所要
寸法とは異なつている寸法をもつた凹部付クラウ
ンを製造することを特徴とする請求の範囲第１項
から第５項までのいずれか１項に記載のピストン
製造方法。

明細書 本発明は、内燃機関又は圧縮機のためのアルミ
ニウム及びアルミニウム合金から成るピストンの
製造方法に関する。

このようなピストンは通常ピストンブランクか
ら製造され、完成したピストンをピストンブラン
クから製造する間にピストンブランクでは種々の
形状が機械加工される。このような形状には、特
にデイーゼル機関用のピストンにおいて、凹部付
クラウン又は皿部が含まれ、これは凹部又は皿部
と半径方向でのクラウンの外周部分との間にエツ
ジ領域を有する。このエツジ領域は比較的肉薄
で、通常、燃焼によつて生じる高温にさらされ
る。このために、アルミニウム又はアルミニウム
合金から成るエツジ領域は疲れ及びひび割れの生
じることがある。

英国特許第1373987号明細書には、チヤージキ
ヤリアビームを用いたエツジ領域の再溶触によつ
てこのエツジ領域を処理する方法が開示されてい
る。しかしながらこの解決策は上記の問題点を解
決するのに十分でないことがわかつた。

また特開昭55−27587号公報にはピストンリン
グ溝の耐摩耗性を改善するためにエネルギビーム
を用いることが開示されているが、この発明の要
旨は、エネルギビームによる再溶融処理によりピ
ストンリング溝の側壁を硬化して、ピストンの可
使寿命を従来のものに比べて延ばすことにある。
すなわちこの公知の発明ではもつぱら機械的な強
度を高めるためにエネルギビームが用いられてお
り、この場合高温にさらされるエツジ領域の耐熱
特性を改善するという思想はない。

ゆえに本発明の課題は、混合気の燃焼によつて
生じる高温にさらされて従来溶融やゆがみの生じ
るおそれがあつたエツジ領域に特殊な加工を施し
て、熱に対するエツジ領域の特性を改善する方法
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では、凹部付
クラウン又はクラウン中の皿部を有しかつ凹部又
は皿部と半径方向でのクラウンの外周部分との間
にエツジ領域がある、燃焼機関又は往復圧縮機の
ためのアルミニウム又はアルミニウム合金材料か
ら成るピストンの製造方法において、凹部の機械
加工の前又は機械加工の後のいずれかに、レーザ
又は電子ビームにより、エツジ領域又はエツジ領
域を形成すべきピストンの部分を合金化又は分散
強化するステツプを設けた。

このようにレーザ又は電子ビームを用いてエツ
ジ領域又はエツジ領域を形成すべきピストン部分
を合金化又は分散強化することによつて、出来上
がつたピストンのエツジ領域には極めて熱に対し
て強い特性が与えられる。

以下においては、添附図面に言及しつつ、例を
あげて本発明のいくつかの実施例につき詳細に説
明する。

第１図は、ピストンの第１の製造方法を示し、
第１のピストンの一部分の軸方向面における断面
図、第２図は、ピストンの第２の製造方法を示
し、第２のピストンの一部分の軸方向面における
断面図、第３図は、ピストンの第３の製造方法を
示し、第３のピストンの一部分の軸方向面におけ
る断面図、第４図は、ピストンの第４の製造方法
を示し、第４のピストンの一部の軸方向面におけ
る断面図、第５Ａ図、第５Ｂ図、第５Ｃ図及び第
５Ｄ図は、第１〜第４の方法に使用される個々の
レーザビームの形状を示す図である。

図面を援用しつつ以下に説明するすべての方法
は、内燃機関のためのアルミニウム又はアルミニ
ウム合金のピストンに採用され、仕上げの際は例
えばデイーゼル機関の燃焼皿部等凹部付ピストン
クラウンを形成しなければならない。

まず第１図において、第１の方法では、この形
式のピストン１０は、ピストンクラウン１２に半
球状の凹部１１が形成されるように機械加工され
る。無論凹部の形状を強いて半球状にする必要は
なく、任意の所望の形状にすることができる。ピ
ストン１０の軸線方向の長さはピストン１０の所
望の最終軸線方向長さより大きい。ピストン１０
の軸線方向の長さが所望の最終軸線方向長さを越
える超過分の長さは例えば１mmである。次いで、
ピストンクラウン１２の凹部１１と半径方向での
外周部分１４との間にあるエツジ領域１３は、エ
ツジ領域１３の特性を改善するために後で詳説す
るようにレーザービームを用いて合金化又は分散
強化される。このレーザーの使用により、エツジ
領域は変形され、レーザによる処理前に存在する
ピストン１０の前記超過分の長さはこのつぶれに
適合するように調整されている。次いでピストン
１０の仕上げの機械加工が行なわれる。

次に第２図において、第２の方法では、上述の
形式のピストン２０は、ピストンクラウン２２に
凹部を形成することなしに機械加工される。ピス
トンの軸線方向の長さはピストン２０の所望の最
終軸線方向長さと比べさ程大きくはない。凹部を
機械加工した場合にピストンクラウン２２のこの
凹部と半径方向での外周部分２４との間のエツジ
領域を形成すべきピストンクラウンの部分は、次
いで、エツジ領域となるべき部分の特性を改善す
るために後で詳説するようにレーザビームを用い
て合金化又は分散強化される。次いでピストン２
０は仕上げの機械加工が行なわれ、凹部２１と周
辺部分２４との間に細粒化されたエツジ領域２３
をともなう半球状の凹部２１が形成される。

次に第３図において、第３の方法では、上述の
形式のピストン３０は、ピストンクラウン３２に
凹入する凹部３１が形成されるように機械加工さ
れる。凹部３１と半径方向での外周部分３４との
間のエツジ領域３３は、凹部３１の上方に突き出
ており、所望の最終位置の軸線方向における前方
に突出するように形成される。次いでエツジ領域
３３は、エツジ領域３３の特性を改善するために
後で詳説するようにレーザビームを用いて合金化
又は分散強化される。レーザビームは領域３３の
エツジそのものに向けて指向される訳ではなく、
エツジの若干内側に向けて指向され、これによ
り、領域からの熱伝導を改善している。レーザの
使用により、オーバハングのエツジ領域３３は変
形され、エツジ領域３３の前方突出部は、レーザ
処理前では、この変形に適合するように設計され
ている。従つてレーザー処理後はエツジ領域は所
望の最終位置にあることになる。次いでピストン
の仕上げの機械加工が行なわれる。

次に第４図において、第４の方法では、上述の
形式のピストン４０は、ピストンクラウン４２に
凹部を形成しないで機械加工される。ピストンの
軸方向の長さは、ピストンの所望の最終軸線方向
長さに比べさほど大きくない。凹部を機械加工し
た場合にピストンクラウン４２のこの凹部と半径
方向でのピストンクラウン４２の外周部分４４と
の間にあるエツジ領域を形成すべきピストンクラ
ウンの部分は、次いで、エツジ領域となるべき部
分の特性の改善するために後で詳説するようにレ
ーザビームを用いて合金化又は分散強化される。
次いでピストン４０は仕上げの機械加工がなさ
れ、凹部４１と外周部分４４との間の合金化又は
分散強化されたエツジ領域４３をともなう凹入し
た凹部４１が形成される。

次にレーザ処理の方法について説明する。いず
れの場合にも出力5KWの連続波CO₂レーザを使
用することができる。但し1KWの定格で有効な
結果を達成しうる。レーザ処理の前に、処理すべ
き表面を、表面によるレーザビームの吸収率を増
大させる物質で、コーテイングすることができ
る。そのための適当な物質としてクロム物質又は
燐酸亜鉛又はつや消し黒色ペイント若しくはコロ
イド黒鉛がある。

レーザ合金化法では、例えばマンガン等の合金
材料を、エツジ領域又はエツジ領域を形成すべき
ピストンの部分に、粉又はスラリ若しくはワイヤ
の状態で加える。分散強化法では、アルミナ等の
適当な分散強化材料を、類似の方法で、エツジ領
域又はエツジ領域を形成すべきピストンの部分に
加える。

レーザは以下に述べる複数の方法で用いること
ができる。

第１の処理では（第５Ａ図参照）、レーザは集
束されずに、幅約10mmのビームがピストンの軸線
に対し平行に指向されて、エツジ領域又はエツジ
領域となるべき部分に達する。ビームは１回だけ
エツジ領域を通過する。第２の処理は（第５Ｂ図
参照）第１の処理と同様であるが、ビームは集束
されて、合金化又は分散強化のより狭い領域を形
成する。

第３の処理（第５Ｃ図）は第１の処理及び第２
処理と同様であるが、ビームはエツジ領域の周囲
に複数の通路を並べて形成し、合金化又は分散強
化されるエツジ領域の幅が増大する。

第５の処理（第５Ｄ図）では、レーザビームは
集束されてラスタ化され、ピストンの軸線に平行
に指向され、エツジ領域又はエツジ領域となるべ
き部分に達する。この処理は、被処理領域及び合
金化又は分散強化深度に対し最大の調整を与え、
ラスタ化されたビームにより掃引される領域にわ
たり、実質上平坦なエネルギー分布を形成する。

上述の処理方法において、溶融した材料および
ピストン材料は混合され、合金材料の場合には合
金が形成され、分散強化材料の場合にはピストン
材料中に材料の分散が形成される。ピストンは溶
融材料に対しほとんど無限のヒートシンクとして
作用するので、溶融材料はすみやかに冷却され
る。合金化された又は分散強化されたエツジ領域
又はエツジ領域を形成すべきピストンの部分の深
度は、レーザ出力及びエツジ領域又はエツジ領域
を形成すべきピストンの部分にレーザを照射する
時間により定まる。

なお本発明の図示した実施例ではレーザを使用
しているが、必要となる集中エネルギ源は電子ビ
ームで発生することもできる。