(57)【要約】  ピストン（１２０）、および、燃料噴射方式のディーゼルエンジンのためのピストン（１２０）の製造方法は、ピストンボウル（１３４）およびリム（１３０）の領域における燃料噴射噴煙に誘発される酸化の損傷効果に対抗するように構成されている。燃料噴射噴煙（１３８）のターゲットとなるピストンクラウン（１２６）の表面は、最初に、耐腐食性および耐酸化性を有する組成物によって、被覆される。この組成物は、スラリーとして付着されるか、あるいは、ＨＶＯＦやプラズマスプレーなどの熱スプレー技術によって付着される。その後、高エネルギーの工業用レーザービームを、スプレーされたままの状態の被覆材に照射し、その密度を増加するとともに、その微細構造を改質する。よって、被覆材と下層にあるスチール基材との溶解、合金化および物質的結合を実現し、結果としてスチールピストンクラウン（１２６）のための耐久性のある保護表面を得ることができる。
2009536712.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃エンジンに使用されるピストンクラウンの耐腐食性を改善するための方法であって、
クラウンの外表面を露出させているクラウンを有するピストンを用意する工程と、
基本的に耐腐食性および耐酸化性を有する組成物からなる被覆材を準備する工程と、
クラウン表面に吸着した被覆材が、付着されたままの状態の微細構造および１００％詰まった材料密度よりも低い付着されたままの状態の気孔率を有するように、被覆材をピストンクラウンに付着する工程と、
被覆材の密度を増加させるとともに、微細構造を改質し、被覆材とクラウン表面との間における物質的結合を形成するために、高エネルギーレーザービームによって被覆材を照射する工程と、を含んでいる前記方法。
【請求項２】
レーザービームからの照射を防ぐために、被覆材の一部をマスクする工程をさらに含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記したマスク工程が、反射性を有する金属シールドを用いてクラウンの一部を一時的に覆う工程を含んでいる、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
ピストンクラウンが、ほぼ環状のリムと、このリムの下方に配された凹型の燃焼ボウルとを有しており、前記したクラウンの一部を一時的に覆う工程が、リムおよびボウルの一方を覆うけれども、リムおよびボウルの他方を覆わない工程を含んでいる、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
ピストンクラウンが、リム内に形成された少なくとも１つのバルブポケットを有しており、前記したクラウンの一部を一時的に覆う工程が、リムおよびバルブポケットの一方を覆うけれども、リムおよびバルブポケットの他方を覆わない工程を含んでいる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記した被覆材を付着する工程が、スプレー材料を、ピストンクラウンに向けて、燃焼プロセスによって発生する気体流内に強制的に導く工程を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記したスプレー材料を気体流内に配する工程が、加速ノズルを介して気体流を強制的に送る工程を含んでいる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記したスプレー材料を強制的に導く工程が、直流の電気アークを生成する工程を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記した直流の電気アークを生成する工程が、高温のプラズマジェットを生成するために、不活性ガスをイオン化する工程を含んでいる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記した被覆材を照射する工程が、高出力ダイレクトダイオードレーザーを用いる工程を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記したスプレー材料を強制的に導く工程が、クラウンの外表面の全てよりも少ない領域にスプレー材料を付着する工程を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記したピストンを用意する工程が、スチール合金を含む組成の材料からピストンを形成する工程を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
クラウンの外表面が噴煙接触区域を有しており、この噴煙接触区域が、シリンダ内でピストンが約５°ＢＴＤＣから約１０°ＡＴＤＣまで移動する間に燃料噴射噴煙の後続のターゲットとなるクラウンの外表面の一部を含んでおり、前記したスプレー材料を強制的に導く工程が、クラウンの外表面の全体ではなく、クラウンの外表面における噴煙接触区域を被覆する工程を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
燃料噴射方式のディーゼルエンジンにおけるスチールピストンを操作する方法であって、
シリンダヘッドを有するエンジンシリンダを用意する工程と、
ほぼ環状のリム、および、このリムの下方に配された凹型のボウルを含み、リムとボウルとの接合部がほぼ環状のリップを形成しているようなクラウンを有するピストンを用意する工程と、
シリンダ内で、シリンダヘッドに向かう方向とシリンダヘッドから離れる方向との間でピストンを往復運動させる工程と、
液体燃料を、シリンダ内に、および、ピストンクラウンのリップに向けて強制的に放出する工程と、
ピストンクラウンのリップの近傍において燃料を燃焼する工程と、を含んでおり、
前記したピストンを用意する工程が、
付着されたままの状態の微細構造および１００％詰まった材料密度よりも低い付着されたままの状態の気孔率を有するように、基本的に耐腐食性および耐酸化性を有する組成物からなる被覆材をリップに付着することによって、ピストンクラウンのリップにおける表面の組成を変える工程と、
被覆材の密度を増加させるとともに、微細構造を改質し、被覆材とリップとの間における物質的結合を形成するために、高エネルギーレーザービームによって被覆材を照射する工程と、を含んでいる方法。
【請求項１５】
前記したピストンを用意する工程が、基本的に耐腐食性および耐酸化性を有する組成物からなるスプレー材料の粒子がリムに衝突したときに塑性的に変形するように、スプレー材料を強制的にリムに導き、これによってピストンクラウンのリムの表面組成を変える工程と、リムに吸着したスプレー材料が、スプレーされたままの状態の微細構造および１００％詰まった材料密度よりも低いスプレーされたままの状態の気孔率を有する耐久性被覆材であり、被覆材の密度を増加させるとともに、微細構造を改質し、被覆材とリムとの間における物質的結合を形成するために、高エネルギーレーザービームによって被覆材を照射する工程とをさらに含んでいる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記したピストンを用意する工程が、基本的に耐腐食性および耐酸化性を有する組成物からなるスプレー材料の粒子がボウルに衝突したときに塑性的に変形するように、スプレー材料を強制的にボウルに導き、これによってピストンクラウンにおけるボウルの少なくとも一部の表面組成を変える工程と、リムに吸着したスプレー材料が、スプレーされたままの状態の微細構造および１００％詰まった材料密度よりも低いスプレーされたままの状態の気孔率を有する耐久性被覆材であり、被覆材の密度を増加させるとともに、微細構造を改質し、被覆材とボウルとの間における物質的結合を形成するために、高エネルギーレーザービームによって被覆材を照射する工程とをさらに含んでいる、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
燃料噴射方式のディーゼルエンジンのためのピストンであって、
ほぼ円柱型のスカートであって、その内部に横向きに設けられた一対の対向するピン孔を有するスカートと、
前記スカートの最上部に設けられ、ほぼ環状のリム、前記リムの下方に設けられた凹型
のボウル、および、前記リムと前記ボウルとの接合部に沿うほぼ環状のリップを有するクラウンとを備え、
前記リップが、耐腐食性および耐酸化性を有し高エネルギーレーザービームの照射を受けた組成物を付着することを基本とする接合面処理を施されている、ピストン。
【請求項１８】
前記ピストンクラウンが、基本的にスチールからなる組成の原材料から形成されている、請求項１７に記載のピストン。
【請求項１９】
前記リムが、耐腐食性および耐酸化性を有し高エネルギーレーザービームの照射を受けた組成物をスプレーすることを基本とする接合面処理を施されている、請求項１７に記載のピストン。
【請求項２０】
前記ボウルの少なくとも一部が、耐腐食性および耐酸化性を有し高エネルギーレーザービームの照射を受けた組成物をスプレーすることを基本とする接合面処理を施されている、請求項１９に記載のピストン。
【請求項２１】
前記接合面処理においてスプレーされる耐腐食性および耐酸化性を有する前記組成物が、アムドライ９９５Ｃ、インコネル７１８、ステライト６、ニッケルクロム、クロムおよびこれらの合金からなるグループから選択されるものである、請求項１７に記載のピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
発明の分野
本主題発明は、ディーゼルエンジン用のピストン、および、このようなピストンであって、熱酸化による劣化に対する耐性をもつように特別に処理されたクラウンを有するピストンの製造方法に関する。さらに、本主題発明は、特に、上記のようなピストンであって、燃料噴射方式のディーゼルエンジンの用途に使用されるスチール製のピストンに関連する。
【背景技術】
【０００２】
関連技術
ディーゼルエンジンは、よく知られている熱力学サイクルによって動作する往復ピストンエンジンである。この熱力学サイクルでは、空気を圧縮し、圧縮チャージに燃料を噴射し、自動燃焼混合物を膨張させてピストンを駆動し、サイクルの終了時に生成物を排出するようになっている。ディーゼルトラック用途に使用されるような大型のスチールピストンでは、一般的に、燃焼プロセス中に燃料を噴出するために多孔ノズルが使用されている。このような多数の孔を有するノズルは、ピストンクラウンの上部におけるできるだけ中央に位置するように配され、放射状のスプレーパターンによって燃料を放出するものである。ピストンクラウンにおける凹状のボウルは、最適な性能を発揮できるように、噴射スプレーおよび噴射中に循環している空気からなる空気燃料混合物によって、燃焼空間を完全に満たせるように設計されている。ピストンクラウンのボウルを空気燃料混合物よって完全に満たせなかった場合、空気利用率および出力の双方が悪化する。その結果、公害対策排気特性が実質的に低下してしまう。同様に、個々の噴射工程の間においてオーバーラップが生じて、混合物が上記の空間を越えて漏れ出してしまった場合、派生的な局所的燃料濃縮によって、空気が欠乏し煤が発生してしまう。さらに、エンジンの公害対策排気特性も低下する。
【０００３】
これらのタイミングの問題に加えて、ピストン用に設計された公害対策排気特性の損失を引き起こす他の問題もある。ディーゼルエンジンに噴射された燃料については、自然着火するために、高セタン値燃料である必要がある。燃料の燃焼噴煙は、極めて高温の熱を発生する。ピストンクラウンに形成されている上記のボウルは、一般的には、この燃焼ボウルの上端部の近傍領域および／またはこの上端部自体、すなわち、ボウルとピストンクラウンの平坦な上部リムとの間におけるリップ形状の接合部に対する酸化に悩まされている。その結果、放射状に延びる火柱からなる噴煙が多孔ノズルから延びることになる。このような火柱の効果により、スチールがＦｅ２Ｏ３の状態に酸化してしまう。その結果として、その下層に位置する影響を受けていないスチール基材との一体性をもたない酸化物が生じる。機械的な膨張／収縮プロセスにより、この酸化層は、「剥離」方式によってやがて除去される。長い時間が経過すると、腐食領域を裸眼でも確認できるようになる。このようなボウルのリップ形状に関する変化により、燃焼プロセスが阻害されるとともに、燃焼ボウルおよびピストンクラウンに設計された公害対策排気特性を損失してしまう。さらに、腐食領域により、ピストンが構造的に弱くなる。ピストンの屈曲、膨張および収縮により、放射状のひび割れが発生する可能性もある。このひび割れは増殖し、最終的にはピストンの機能不全を引き起こすこともある。
【０００４】
燃料の燃焼によって発生する極めて高温の熱に起因するボウルリップの酸化に関する問題を解決するために、さまざまな提案がなされている。例えば、酸化および腐食に対抗できるように設計された特製の合金によってピストンクラウン全体を形成する、という提案
をする者もいる。しかしながら、トラック用途に用いられる大口径のピストンでは、そのピストンクラウンのために相当に大量の材料が必要になる。上記のような特製の合金を用いるのでは、ディーゼルピストンのコストを著しく増加させることになる。
【０００５】
この問題を解決しようとする他の従来技術として、ヘグ（Ｈｏｅｇ）に対して１９９８年９月２８日に許可された米国特許第５，９５８，３３２号を挙げられる。この例では、耐高温性・耐腐食性の合金からなる特製のプレートを、ピストンの重要領域あるいはその他のエンジン部品に溶接するようになっている。しかしながら、特製合金プレートという遊離部品を形成することは、ピストンの組み立てコストを著しく増加するだけでなく、非常に多くの手作業工程および組み立て工程を形成プロセスに追加することになる。また、他の例のなかには、耐高温性スチールあるいはセラミックベースの材料からなる環体を燃焼ボウルに焼き嵌めする、という提案もある。しかしながら、上記したものと同じ制限が当てはまる。以上のように、低コストのスチールピストンにおけるピストンクラウンの劣化の問題を解決するという、長年にわたる切実な、そして、未解決の要求がある。この劣化は、酸化および燃焼ボウルのリップの近傍でディーゼルエンジンが燃焼することによって放出される、極めて高温の熱に起因するものである。商業的な見地から現実的といえる解決方法は、長期間にわたってピストンの排気遵守能力を保ち続けられるものであるとともに、生産あるいは製造コストの全体を増加させることなく実行することの可能なものである必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
発明の概要
本主題発明によれば、内燃エンジンに使用されるピストンクラウンの耐酸化性および耐腐食性を改善するための方法を提供できる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この方法は、クラウンの外表面を露出させているクラウンを有するピストンを用意する工程と、基本的に耐腐食性および耐酸化性を有する組成物からなる被覆材を準備する工程と、クラウン表面に吸着した被覆材が、付着されたままの状態の微細構造および１００％詰まった材料密度よりも低い付着されたままの状態の気孔率を有するように、被覆材をピストンクラウンに付着する工程と、を含んでいる。この方法は、被覆材の密度を増加させるとともに、微細構造を改質し、被覆材とクラウン表面との間における物質的結合を形成するために、高エネルギーレーザービームによって被覆材を照射する工程をさらに含んでいる。この照射工程は、被覆材とクラウン表面の材料とを実際に合金化するものである。これにより、もともとの被覆材およびクラウン表面の材料の双方と異なる特性を有する、複合材料を生成することが可能となる。
【０００８】
本主題発明のさらに別の態様によれば、燃料噴射方式のディーゼルエンジンにおけるスチールピストンを操作する方法を提供できる。この方法は、シリンダヘッドを有するエンジンシリンダを用意する工程と、ほぼ環状のリム、および、このリムの下方に配された凹型の燃焼ボウルを含み、リムとボウルとの接合部がほぼ環状のリップを形成しているようなクラウンを有するピストンを用意する工程と、シリンダ内で、シリンダヘッドに向かう方向とシリンダヘッドから離れる方向との間でピストンを往復運動させる工程と、液体燃料を、シリンダ内に対して、および、ピストンクラウンのリップに向けて強制的に放出する工程と、ピストンクラウンのリップの近傍において燃料を燃焼する工程と、を含むものである。上記したピストンを用意する工程は、付着されたままの状態の微細構造および１００％詰まった材料密度よりも低い付着されたままの状態の気孔率を有するように、基本的に耐腐食性および耐酸化性を有する組成物からなる被覆材をリップに付着することによって、ピストンクラウンのリップにおける表面の組成を変える工程と、その後の、被覆材
の密度を増加させるとともに、その微細構造を改質し、被覆材とリップとの間における物質的結合を形成するために、高エネルギーレーザービームによって付着した被覆材を照射する工程と、を含んでいる。
【０００９】
本主題発明のさらに別の態様によれば、燃料噴射方式のディーゼルエンジンのためのピストンを提供できる。このピストンは、ほぼ円柱型のスカートであって、その内部に横向きに設けられた一対の対向するピン孔を備えたスカートを備えている。クラウンは、スカートの最上部に設けられている。このクラウンは、ほぼ環状のリム、および、このリムの下方に設けられた凹型のボウルを有している。ほぼ環状のリップが、リムと前記ボウルとの接合部に沿って設けられている。このリップは、耐腐食性および耐酸化性を有し、高エネルギーレーザービームの照射を受けた組成物を付着することを基本とする、接合面処理を施されている。
【００１０】
本主題の方法およびピストン構造は、環状のリムと凹型のボウルとの接合部を含むピストンクラウンのリップ領域を、意図的に作成・処理することによって、従来技術のピストンにおける欠点および欠陥を克服するものである。これにより、噴射ノズルからリップに向けて噴射される液体燃料の燃焼による悪影響に対して、よりよく対抗することが可能となる。比較的に低コストのスチールピストンを本発明にしたがって形成および操作すれば、その耐用年数を実質的に延ばすことが可能となる。さらに、長期間にわたるピストンの排気遵守能力を、ピストンの構造的完全性とともに維持することも可能となる。
【００１１】
本発明の上記した構成および利点、および、その他の構成および利点については、以下に示す詳細な説明および添付図面を参照しながら検討することによって、より容易に理解できるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
好ましい実施形態の詳細な説明
図面を参照すると、燃料噴射方式のディーゼルエンジンのためのスチールピストンは、概して図１において番号２０によって示されている。なお、複数の図面において同じ番号によって示されている部材は、同じ部材あるいは対応する部材である。このピストン２０は、燃料噴射方式のディーゼルエンジンにおいての使用に適応されたタイプのものである。このピストン２０は、ほぼ円柱型のスカート部分２２を有している。このスカート部分２２は、その内部に横向きに設けられている一対の対向するピン孔２４を備えている。スカート２２は、ピストン２０がディーゼルエンジンのシリンダ（図示せず）内で往復運動できるように、ピストン２０を案内し支持するものである。一方、ピン孔２４は、リストピンあるいはガジオンピンを支持し、連接棒（図示せず）の上端部、および、究極的にはエンジンのクランクシャフトに結合するものである。クラウンは、多くの場合に番号２６で示されるが、スカート２２の最上部に設けられている。本発明の好ましい実施形態では、スカート２２およびクラウン２６は、単一のスチール材料で一体形成されている。材料の組成としては、既知の種類のいずれを選択してもよい。比較的に低コストの「ＳＡＥ４１４０Ｈ」を用いることも可能であるが、これに限られるわけではない。図示した一体成形の設計に代えて、ピストン２０を、いわゆる「連結」型としてもよい。この場合、クラウン２６は、スカート２０に対して、共通の接続部分を介して上記のリストピンを軸に僅かに旋回できるようになる。
【００１３】
クラウン２６は、圧縮リングおよび／またはオイルリング（図示せず）をはめるための複数のリング溝２８を有している。このリング溝２８は、クラウン２６における円柱形の外面である、スライド表面に形成されている。リム３０は、ほぼ平坦な環状の領域であり、ピストン２０における最も高くなっている頂上部を含むものである。一般に、必ずではないものの、リム３０内には、１つ以上のバルブポケット３２が形成されている。これは
、ピストン２０がその上死点（ＴＤＣ；ｔｏｐ  ｄｅａｄ  ｃｅｎｔｅｒ）に位置したときに、バルブヘッド２５（図３に仮想線で示す）を排出する、および／または取り込むための隙間空間を形成するためである。
【００１４】
クラウン２６におけるリム３０に囲まれている中央の内部領域は、ボウルとして知られるものであり、多くの場合に番号３４によって示されている。ボウル３４は、ピストンクラウン２６の頂上部に設けられた穴として形成された燃焼チャンバー部分を備えている。多孔ノズル３６は、この燃焼凹部の上部の中心において、複数の放射状の噴流あるいは噴煙３８として燃料を噴射する。ノズル３６およびそこから放射される燃料噴煙３８の形状は、ボウル３４の凹状の旋回構造と噴射燃料流のエネルギーとの組み合わせにより、空気と燃料とが相互作用し、燃料の燃焼が増大化するような最適な空間を形成するように決定される。ボウル３４は、先のとがった、あるいはドーム形の中央部を有しており、これは、えぐられた窪み４２に向けて傾斜している。この窪み４２は、一般に環形状を有しており、その上部の上昇面はリム３０に再結合している。リム３０と窪み４２の上昇面との間の接合部は、一般に、環状リップ４４を有している。この環状リップ４４については、図３に示すように、窪み４２に対して突出させるようにしてもよいし、突出させなくてもよい。
【００１５】
平均的なディーゼルエンジンでは、噴射燃料の噴煙３８は、上死点に到達する約５°前（ＢＴＤＣ；ｂｅｆｏｒｅ  ｔｏｐ  ｄｅａｄ  ｃｅｎｔｅｒ）から出射され、ピストン運動が上死点を経た約１０°後（ＡＴＤＣ；ａｆｔｅｒ  ｔｏｐ  ｄｅａｄ  ｃｅｎｔｅｒ）まで継続される。このように、噴煙３８は、起動は常に一定の起動を保っており、噴煙接触区域として特徴づけられるピストンクラウン２６の表面領域を機銃掃射する。その結果、この噴煙接触区域は、シリンダ内でピストンが約５°ＢＴＤＣから約１０°ＡＴＤＣまで移動する間に燃料噴射噴煙３８のターゲットとなる、露出したクラウン表面の部分となる。この部分には、バルブポケット３２に加えて、窪み４２における上部の上昇表面、リップ４４およびリム３０が含まれる。この噴煙接触区域は、一般に、ボウル３４における全ての露出領域を含むわけではない。噴煙接触領域の近傍では燃料の燃焼によって極めて高温の熱が発生するため、従来技術のピストンでは、ピストンクラウン２６におけるスチールの組成が、Ｆｅ２Ｏ３の状態に酸化してしまう傾向にある。このような変質によって生じる酸化物は、もはや、もともとのスチール材料との一体性をもたなくなり、膨張および収縮プロセスにおいて、破片として早々に除去される。腐食が生じていない場合のエンジンの耐用年数にはまだ全く達していない段階でも、時間の経過により、腐食領域が広がってしまい、ピストン２０の燃焼ボウル３４に設定された公害対策排気特性は著しく悪化してしまう。構造的な強度についても、時間ととともに大幅に劣化する。図２において十分に示せていると思われるが、これらの腐食領域は、リップ４４におけるスプレー噴煙３８に対応する領域で最も顕著に現れる。
【００１６】
では、図４〜１２を参照しながら、本主題発明において改善されたピストン、および、改善されたピストンの製造方法および操作方法について説明する。便宜上、上記した部材に対応する参照番号を、このピストンにおける対応する部材にも使用する。ただし、本主題発明を従来技術と区別するために、番号の前に「１」をつけることにする。
【００１７】
本主題発明は、クラウン１２６を有するピストン１２０に向けられたものである。このクラウン１２６は、クラウン１２６の表面の近傍におけるディーゼルエンジンの燃焼によって発生する極めて高温の熱によりよく対抗できるように、表面の噴煙接触領域に対して改良および修正を施したものである。図４および図５に、ピストンクラウン２６の部分的な断面を示す。このピストンクラウン２６には、耐腐食性および耐酸化性を有する組成物が噴霧されているか、あるいは、このような組成物による処理が施されている。このような組成物としては、アムドライ９９５Ｃ、インコネル７１８、ステライト６、ニッケルク
ロム、クロムあるいはこれらの組成物の混合物を挙げられる。耐腐食性を有する組成物については、ペーストのようなスラリーとして塗布することも可能である。しかしながら、この被覆プロセスについては、燃焼タイプあるいは電気アークタイプのいずれかの溶射プロセスによって実行することが好ましい。このようなプロセスは、「金属化」という記述用語によって知られているものである。上記した燃焼タイプの熱スプレープロセスは、粉末式フレーム溶射、溶線式／溶棒式フレーム溶射、爆発溶射、高速酸素式（ＨＶＯＦ；ｈｉｇｈ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ  ｏｘｙｇｅｎ  ｆｕｅｌ）溶射を含むが、これらに限られるわけではない。
【００１８】
例えば、ＨＶＯＦ溶射プロセスを用いる場合、予圧チャンバーガン１４６に対し、アセチレン、水素、プロピレンあるいは同種のものを用いて、高温高圧のフレームを生成する。このフレームは、デラバルノズルを介して、搬送ガスを超音速に加速することを強いられる。原料となる粉末については、高圧燃焼チャンバー１４６に対して軸方向に供給するようにしてもよい。また、ノズルの側面から直接に粉末を供給するようにしてもよい。原料となる粉末については、上記した材料群から選択することも可能である。なお、耐腐食性および耐酸化性を有する組成物による十分な被覆をピストンクラウン１２６の傷つきやすい表面に対して形成するための熱スプレープロセスとしては、ＨＶＯＦに限られるわけではない。しかしながら、そうであっても、ＨＶＯＦは、使用可能なスプレープロセスの種類のなかでは好ましい例ではある。
【００１９】
上記したような伝統的な熱スプレープロセスに加えて、いわゆる「コールドスプレー」方式の熱スプレープロセスを利用することも可能であり、これについても、本発明の意図する範囲に含まれている。コールドスプレー技術によれば、１〜５０ミクロンの大きさの微粒子を超音速に加速し、作業部分の表面に付着することになる。ある構成例では、ヘリウムあるいは窒素を予圧チャンバー内に高圧噴射し、３００〜７００℃まで加熱する。上記した耐腐食性および耐酸化性を有する組成物の１つといった原料となる粉末については、粒子が溶解するほどには高温になっていないガス流に導入することになる。そして、この固体粉末とガスとの混合物は、デラバルノズルを通過する。このノズルでは、粒子が超音速に加速される。粒子は、溶解および／または固化することなく、機械的に結合するために十分な運動エネルギーをもった状態で、基材に衝突するが、金属結合は生じない。
【００２０】
図５に、ピストンクラウン１２６を示す。このピストンクラウン１２６では、噴煙接触区域が、スプレー材料によって完全に被覆され、スプレーされたままの状態の微細構造および１００％詰まった材料密度よりも低いスプレーされたままの状態の気孔率を有する耐久性被覆材を形成している。すなわち、スプレー材料の組成は、クラウン１２６における問題の表面領域に完全に付着した後に、特徴的な微細構造および最密状態１００％よりも小さい材料密度を有するようになる。ボウル１３４における噴煙接触区域の外側の部分については、耐腐食性・耐酸化性を有する材料によって被覆されていない。ピストンクラウン１２６を、堅固に改良され長い寿命をもつ本主題発明にかかるピストンクラウン１２６として完全に変化させるために、次に、高エネルギーレーザービームを、スプレー材料被覆に照射する。これにより、被覆材が、その下層にあるピストンクラウン１２６のスチール基材とともに溶融する。このようなレーザービームの一例としては、いわゆる高出力ダイレクトダイオードレーザー（ＨＰＤＬ；Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ  Ｄｉｒｅｃｔ  Ｄｉｏｄｅ  Ｌａｓｅｒ）によって生成できるものを挙げられる。レーザービームの影響の下で、２つの材料（被覆材および基材）は、混合して合金化する。これにより、スプレーされたままの状態（図５）よりも被覆材の密度を増やすことができるとともに、被覆材の微細構造を改質することが可能となる。さらに、後続する照射プロセスによって、被覆材とクラウン基材との物質的結合を実現できる。図６に、これらによって改良されたピストンクラウン１２６を示す。
【００２１】
噴煙接触区域を覆うピストンクラウン１２６の表面形状が複雑であるために、スプレーされたままの状態の被覆材を完全かつ均一に照射するためには、高エネルギーレーザービームの経路・方向を多くする必要がなる。スプレーされたままの状態の被覆材の特定領域に対して意図しない入射角度からレーザービームを照射してしまうこと防ぐために、初回の照射プロセスおよび後続する照射プロセスの双方において、被覆材の特定領域をマスクすることが好ましい。
【００２２】
では、次に、図７および図８を参照されたい。第１マスクは、多くの場合に番号１４８で示されているものである。この第１マスクは、一例として、リム３０およびバルブポケット３２の領域における被覆材をカバーする一方、窪み１４２の領域に付着している被覆材については露出させるようになっている。このように、第１マスク１４８を所定の位置に配置する一方、窪み１４２における被覆材の付着部分（すなわち噴煙接触領域）に対する高エネルギーレーザー１５０の照射を制限しないようになっている。図示するように、レーザー１５０の焦点の下に位置する窪み１４２の領域は、レーザービームの溶解特性によって改質されたように示されている。これにより、被覆材が合金化し、もともとのスチール材料に対して物質的に結合した状態となる。この実施例では、レーザー１５０が、そのビームを上向きの上昇経路内で移動させている。これにより、ビームがリップ１４４に向かって進み、最終的に、窪み１４２に付着した被覆材の全てが隈なく照射され、ピストンクラウン１２６と物質的に結合するように改質される。しかしながら、好ましい実施形態では、レーザー１５０を、焦点においてほぼ１２ｍｍ×０．５ｍｍとなる矩形のビームを有するタイプのものから選択する。ビームの長軸は、垂直方向において窪み１４２からリップ１４４までを含み、この垂直位置で固定される。そして、ビームとピストンとを、周方向について相対的に移動する。これは、例えば、レーザーを固定する一方、ピストンを回転させることによってなされる。これにより、ビームの長軸によって、処理領域を一掃することが可能となる。これによって生じる溶融被覆材により、クラウン１２６の物理的特性を十分に高められる。その結果、酸化の問題を解決できるとともに、例えば「ＳＡＥ４１４０Ｈ」のような標準的なピストン用のスチール材料を継続的に使用することが可能となる。以上のように、本主題発明は、リムおよびボウルの酸化に関する上記の問題を解決するために、他の従来技術が提案するものよりも低コストの解決策を提示するものである。
【００２３】
レーザー１５０がボウル１３４内においてその付着領域を横切るように、ピストン１２０を回転させるようにしてもよいし、および／または、レーザー１５０を回転させるようにしてもよい。これにより、被覆表面領域における環状領域の全体を適切に照射できる。レーザー１５０の焦点が窪み１４２の上部にまで延びてしまった場合には、レーザー１５０は第１マスク１４８に接触し、害を及ぼすことなくピストンクラウン１２６から離れる方向に反射する。これは、第１マスク１４８が、例えば研磨された銅などの、反射性および熱伝動性を有する金属材料から形成されているからである。
【００２４】
いったん窪み１４２の領域を適切に照射したら、次に、リム１３０に注目することが可能となる。このリム１３０も、スプレー材料によって被覆されている。しかしながら、バルブポケット１３２は、リム１３０の表面よりも下方に落ち込んでいる。したがって、リム１３０に加えて、バルブポケット１３２の領域における被覆材についても効果的に照射できるようには、レーザー１５０の焦点を最適化することはできないかもしれない。これを解決するために、図９に示すように、第２マスク１５２を使用するようにしてもよい。この第２マスク１５２については、例えば研磨された銅などの、反射性を有する金属シールドのような材料から構成することが可能であり、バルブポケット１３２を覆うような構造にしてもよい。これにより、スプレー被覆されたピストンクラウン１２６の唯一の露出部分は、リム表面１３０となる。第２マスク１５２によって意図していない領域を効果的に隠すとともに、図１０に示すようにリム１３０の被覆表面を照射できるように、レーザ
ー１５０の位置を変えてもよい。さらに、リム１３０の表面の全体を効果的に覆うことができるように、ピストン１２０および／またはレーザー１５０を回転させるようにしてもよい。レーザー１５０からのビームが第２マスク１５２を叩いたときにはいつでも、図１０に示すように、ビームはクラウン１２６から離れる方向にむけて害を及ぼすことなく反射される。そして、吸収された熱は、常にすぐに分散される。この方法によれば、バルブポケット１３２を、理想的な状態に設定されていないレーザー１５０による照射から保護することが可能となる。第２マスク１５２は、また、バルブポケット１３２の片隅、およびバルブポケット１３２の端部に沿う部分を余分に溶融してしまうことの回避にも役立つ。さらに、窪み部分１４２をレーザー１５０による後続する攻撃から保護することも可能となる。このような保護がなければ、既に照射した表面における意図しない金属的構造変異の生じる可能性もある。
【００２５】
ピストンクラウン１２６上にあるスプレーされたままの状態の被覆に対する完全な照射を完遂するためには、第２マスク１５２を除去した後、ピストンクラウン１２６の上部を第３マスク１５４によって覆うことになる。図１１に示すように、第３マスク１５４は、既に照射を受けたリム部分１３０を覆うように、また、バルブポケット１３２の領域を開けたままにしておくように設計されている。例えば、レーザー１５０の配置を再設定し、図１２に示すように、その焦点をバルブポケット１３２の深さにあわせるようにしてもよい。照射プロセスについては、従前と同じように、ピストンクラウン１２６とレーザー１５０との間の相対運動を伴って実行するようにしてもよい。このような相対運動については、回転あるいは２つの部材間における相対運動を導く他の動作によって実現できる。レーザー１５０のビーム経路がバルブポケット１３２から外れてリム１３０の領域に向いたときにも、第３マスク１５４は、害を及ぼすことなく、リム表面１３０から離れる方向に光エネルギーを反射する。これにより、既に改質された表面を、高エネルギーレーザービーム１５０との余分な望まない相互作用から保護することが可能となる。第３マスク１５４は、さらに、バルブポケット１３２の片隅、およびバルブポケット１３２の端部に沿う部分を余分に溶融してしまうことの回避にも役立つ。
【００２６】
本主題発明の照射工程については、多くの異なるタイプのレーザーによって効果的に実現できるけれども、高出力ダイレクトダイオードレーザーを用いるなら、満足のいく結果を得られることがわかっている。
【００２７】
当然のことながら、上記の構成に代えて、第１マスク１４８、第２マスク１５２および第３マスク１５４を順々に配置することも可能である。さらに、ここで説明したように被覆材を効果的に改質するために、照射工程において要求するマスクの数を、３つより少なく、あるいは３つより多くしてもよい。さらに、上記では、非常に限定的な被覆材の使用を提示したけれども、適切な材料はこれらだけではない。それどころか、工業用層を用いた溶融工程での使用に適した被覆材であれば、どのようなものを採用してもよい。例えば、ガスタービンの分野から学べることかもしれないが、高温酸化に対抗するための、一般的かつ特許で守られているさまざまな粉末が知られているだろう。そのような既知の材料のいずれについても、ひび割れ、腐食あるいは熱酸化を伴うことなく噴煙接触区域の外形に合致する溶融被覆材を提供するために使用することが可能である。本発明にかかる溶融ピストンクラウン表面における他の利点は、必要に応じて、機械処理の後に関する性能を得られること、すなわち、スプレーされた被覆材が少しずつ崩れたり剥がれ落ちたりすることのない照射表面を得られることにある。主題となっているこの方法については、サイクルタイムの速い生産設定を高めた状態において実行することが可能である。また、この方法については、再現性を有しており、非常に緻密なコンピュータ制御によって管理しやすいということを実証することが可能である。このプロセスは、インライン製造プロセスに対する順応性の高いものである。
【００２８】
いうまでもなく、既に教授した点を踏まえて、本発明を多様に変形および変更することが可能である。したがって、添付した請求項の範囲内において、明確に記載したものとは異なる形態で本発明を実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、従来技術に関するディーゼルエンジン用のスチールピストンを示す斜視図である。
【図２】図２は、図１に示した従来技術のピストンの上面図であって、中央に配置された多孔燃料噴射ノズルを、放射状に延びる複数の燃料噴射スプレーともに示す図である。
【図３】図３は、図２に示した線３−３にほぼ沿った部分的な断面図である。
【図４】図４は、本主題発明にかかるスチール製のディーゼルエンジンピストンの部分的な断面を示す図であって、ピストンクラウンにおける非常に傷つきやすい部分に向けて、耐腐食性および耐酸化性を有する組成物からなるスプレー材料を強制的に導くプロセスを示す図である。
【図５】図５は、図４に示したものと同様の断面図であって、ピストンクラウンにおける被覆材によって被覆されている傷つきやすい領域の全てを示す図である。
【図６】図６は、図５に示したものと同様のピストンクラウンの部分的な断面図であって、被覆材の密度を増加させると同時に、その微細構造を改質し、さらに、ピストンクラウンにおける傷つきやすい領域と被覆材との物質的結合を形成するために、高エネルギーレーザービームを照射した表面を示す図である。
【図７】図７は、本主題発明にかかるピストンの斜視図であり、被覆された表面の特定部分に対する望まない照射を防止するための、ピストンクラウンのリム部を覆う第１の環状マスクを含むピストンを示す図である。
【図８】図８は、図７に示した線８−８にほぼ沿った部分的な断面図であり、第１マスクによって覆われたピストンクラウンのボウル領域における被覆材を照射する、高エネルギーレーザービームを示す図である。
【図９】図９は、ピストンクラウンにおける平坦なリム部の上部だけを露出するようにボウル領域およびバルブポケットを覆う第２マスクを含むピストンの斜視図である。
【図１０】図１０は、図９に示した線１０−１０にほぼ沿った部分的な断面図であり、リム部の被覆材を照射するプロセスにおいてバルブポケットを照射しないように、第２マスクによって反射したレーザービームを示す図である。
【図１１】図１１は、ピストンの斜視図であり、バルブポケットの領域の被覆材を高エネルギーレーザービームによって照射できるように、ピストンクラウンの上部を覆いながらバルブポケットだけを露出させる第３マスクを示す図である。
【図１２】図１２は、図１１に示した線１２−１２にほぼ沿った部分的な断面図であり、ピストンにおけるクラウンの表面調整を完遂するために、バルブポケットの領域における被覆材を照射する高エネルギーレーザービームを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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