(57)【要約】  アルミ合金で作られ、内燃機関の運転中に熱的に高負荷を受ける少なくとも一つの領域（２）を含む内燃機関の構成部品（１）が開示されている。熱的に高負荷を受ける前記領域（２）は全体の構成部品（１）に比べて小さく、そして熱的に高負荷を受ける領域（２）が全体の構成部品（１）よりも大きい破断伸びを有するように、全体の構成部品（１）に対して変更された合金組成を備える。
2007519821.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミ合金を含み、内燃機関の運転中に熱的に高負荷を受ける少なくとも一つの領域を含む前記内燃機関の構成部品であって、
前記熱的に高負荷を受ける領域（２）が、全体の構成部品に比べて小さく、前記全体の構成部品（１）に対して変更された合金組成を含み、前記全体の構成部品（１）よりも大きい破断伸びを示すことを特徴とする構成部品。
【請求項２】
前記熱的に高負荷を受ける領域（２）が前記全体の構成部品（１）よりも多いアルミ成分を有することを特徴とする請求項１に記載の構成部品。
【請求項３】
前記熱的に高負荷を受ける領域（２）の前記合金組成が１〜５重量％のシリコン、０．２５重量％未満のマグネシウム、及び０．１重量％未満の鉄を含むことを特徴とする請求項２に記載の構成部品。
【請求項４】
前記構成部品がシリンダヘッド（１ａ）であることを特徴とする請求項１、２あるいは３に記載の構成部品。
【請求項５】
前記熱的に高負荷を受ける領域（２）がそれぞれのバルブ穴（３）の間の中間域（２ａ）に位置することを特徴とする請求項４に記載の構成部品。
【請求項６】
前記熱的に高負荷を受ける領域（２）が０．２ｍｍ〜５ｍｍの変更された前記合金組成の深さを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の構成部品。
【請求項７】
内燃機関の構成部品の製造方法であって、前記内燃機関の運転中に熱的に高負荷を受ける前記構成部品（１）の領域（２）が溶融され、付加材料（６）が前記溶融により生じた溶融池（５）内へ導入され、
それにより前記熱的に高負荷を受ける領域（２）が、合金組成において前記全体の構成部品（１）に対し、前記全体の構成部品（１）よりも大きい破断伸びを示すように変えられることを特徴とする方法。
【請求項８】
前記溶融がビーム・プロセスを用いて行なわれることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記ビーム・プロセスを実施するためにレーザビーム（４）、プラズマビーム又はＴＩＧプロセスが採用されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
付加材料として１〜５重量％のシリコン、０．２５重量％未満のマグネシウム、及び０．１重量％未満の鉄成分を有するアルミ合金が使用されることを特徴とする請求項７、８あるいは９に記載の方法。
【請求項１１】
付加材料として非合金のアルミニウムが使用されることを特徴とする請求項７、８あるいは９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は請求項１の前段により詳細に定義されている内燃機関の構成部品に関する。本発明は更に内燃機関の構成部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は窪みの縁のフランジが溶融され、付加材料が溶融池に供給される製造方法と共に直噴型の内燃機関のピストンを開示している。この付加材料の供給の目的は、ピストンをより高温及び高圧の環境において使用できるように、機械的と同様、熱的に高度に負荷を受けるこの領域でのピストン強度及び温度耐久性を増すことである。
【０００３】
高負荷の領域において高い強度を生み出す類似の方法は、特許文献２、特許文献３、特許文献４又は特許文献５に記載されている。
【０００４】
特許文献６又は特許文献７から一種類以上の強度増加用付加材料がより高い硬度を得るために溶融領域へ同様に導入される、バルブシートの製造方法が知られる。
【０００５】
製造に用いられる方法と同様にこれらの構成部品についての問題は、剛性の増加につれてそれに伴う材料の脆性の増加と共に、熱負荷にさらされる場合又は熱負荷及び純粋に機械的な負荷が重なる場合にクラックの形成が材料疲労の結果として生じ得るということである。これは特に熱的に高負荷をかけられた領域がまた、この熱負荷に加えて例えば液体冷却の結果として強い温度変動を受ける時に当てはまる。
【０００６】
従来の最先端技術に従って出来る限り細かく安定したミクロ組織を調整するために、鋳造技術の改善及びその後の熱処理によりこの問題を解決するための試みがなされて来た。しかしながらこれらの手段は全体の構成部品に影響を及ぼすため、上記の問題はそれによっては解決出来ない。
【０００７】
【特許文献１】独国特許出願公開第１９９  ０２  ８８４  Ａ１号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１  １２２  ３２５  Ａ１号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第２  １２４  ５９５  Ａ１号明細書
【特許文献４】独国特許発明第２８  ３５  ３３２  Ｃ２号明細書
【特許文献５】独国特許出願公開第２  １３６  ５９４  Ａ１号明細書
【特許文献６】欧州特許第０  ０９２  ６８３  Ｂ１号明細書
【特許文献７】独国特許出願公開第１９９  １２  ８８９  Ａ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って本発明の課題は、熱的に高負荷を受け続ける構成部品の不具合を避けることのできる、内燃機関のアルミ合金部品とその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、この課題は請求項１に記載の特徴により解決される。
【００１０】
本発明に従って変更された構成部品の合金組成により、この熱的に高負荷を受ける領域は、この高い熱負荷を受ける領域が残りの構成部品よりも大きな破断伸びを示すような方法で変えられる。それにより該構成部品は熱的に高負荷を受ける領域において、破損することなくより高いひずみに耐えることができる。室温及び高温での破断伸びの増大及び靭性の改善の結果として、あり得る材料疲労の発生又は場合によるクラックの形成を遅らせることができ、あるいはより大荷重の後に起きるようにすることができる。従ってより高出力及び／又は期待寿命の増加した内燃機関を生産することが可能である。
【００１１】
全体の構成部品は予測される機械的荷重に対して必要な強度を与えられることができる一方で、破断伸びの増大は基本的に熱的に高負荷を受ける領域のみに必要なため、本発明の解決策により、構成部品の強度は純粋に機械的な荷重が該部品にマイナスの影響を持ち得ない範囲のみにおいて変更される。これは例えばボルトのトルクや軸力の導入に対して非常に重要である。既知の解決策では強度の増加が常に破断伸びの減少をもたらし、そのため高い応力の発生に際して材料のクラック又は同様の現象が生じ得る。これに反して、本発明の解決策は十分な強度と大きな破断伸びとの最適な折衷を提供する。
【００１２】
この点において、熱的に高負荷を受ける領域が、全体の構成部品よりも大きなアルミ成分を含む場合は特に有利である。
【００１３】
本発明の解決策が特に有利な方法で採用できる一つの構成部品として、シリンダヘッドがある。シリンダヘッドにおいて、熱的に高負荷を受ける領域はそれぞれのバルブ穴の間に位置する中間域にあることが望ましい。
【００１４】
本発明の構成部品を製造する方法は請求項７に与えられている。
【００１５】
そこに記載された構成部品の基材の溶融及び付加材料の追加により、この高い負荷を受ける領域における合金組成は特に正確に管理される。本発明の方法に関して、従来知られている最先端の方法と対比して、これは「上層合金化」よりもむしろ「分離合金化」と呼べるかも知れない。
【００１６】
本発明の更なる有利な実施形態は独立請求項に見ることができる。以下に本発明の例示的実施形態は基本的に図面に基づいて説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は全体としては示されていない内燃機関の構成部品１を示す。構成部品１はこの場合アルミ・シリコン合金を含むシリンダヘッド１ａである。構成部品１は複数の熱的に高負荷を受ける領域２を含む。この場合、それらは各々のバルブ穴３の間に位置する中間域２ａである。シリンダヘッド１ａと関連する内燃機関は３個又は、場合によって６個のシリンダを含むため、全部で三つの中間域２ａが含まれている。この場合四つのバルブ穴が各シリンダに設けられているため、中間域２ａは基本的に交差状の形である。各シリンダ当たり二つのバルブ穴３が設けられている場合、中間域２ａは基本的に線状の形であり得る。それぞれの場合、熱的に高負荷を受ける領域２の大きさは全体の構成部品１に比べて小さい。
【００１８】
内燃機関の運転中の、この熱的に高負荷を受ける領域２における材料疲労によるクラックの形成を防ぐため、これらの領域は以下に述べるプロセスに従う。
【００１９】
図２において、熱的に高負荷を受ける領域２を伴う構成部品１、又は場合により基本領域２ａは未処理の状態で示されている。構成部品１は鋳造により製作されることが望ましい。
【００２０】
図３のプロセス段階に従って、熱的に高負荷を受ける領域２はビーム・プロセスにより加熱され、この場合はレーザビーム４が使用される。それにより溶融池５が熱的に高負荷を受ける領域２に生じる。レーザビーム４を使用する代わりに、電子ビーム又は類似のものもまた使用され得る。更に、溶融池５はＴＩＧプロセス、プラズマ・プロセス又はその他の適切な流儀及び方法により作られることも可能であろう。熱的に高負荷を受ける領域２における溶融池５の加熱の結果として、既に材料特性の改善、特に靭性又は場合によって破断伸びの増加をもたらす細かいミクロ組織が急冷の後に生み出されている。
【００２１】
追加的に、図４に示すように付加材料６が溶融池５内へ導入される。全体としての構成部品よりも望ましくは多いアルミ成分を含むこの付加材料６は、粉末の形態又は固体材料の形態でも溶融池５内へ加えることができる。十分な強度と高められた破断伸びの間の特に良好な折衷を達成するために、付加材料６は１〜５重量％のシリコン成分、０．２５重量％未満のマグネシウム成分、及び０．１重量％未満の鉄成分を有する。基本的に、付加材料は純粋又は純粋に近いアルミニウムであることもできる。
【００２２】
合金組成が上記の様式又は方法で変更された熱的に高負荷を受ける領域２の冷却後に、例えば図示されていないボルト穴についての強度に関する機械的要件に適合する、全体がアルミ合金で出来た構成部品１がもたらされる。熱的に高負荷を受ける領域２において、構成部品１はしかしながら熱的に高負荷を受ける領域２が全体の構成部品１よりも大きな破断伸びを示すことに導く、変更された合金組成を示す。より大きな破断伸びのため熱的に高負荷を受ける領域２内に改善された靭性が生じ、それによって非常に良好な熱−機械的特性が改善される。
【００２３】
熱的に高負荷を受ける領域２の合金組成における前述された変更の後、構成部品１は勿論既知の方法で更に機械的に処理されることが可能である。変更された合金組成を伴う領域２の深さは０．２ｍｍ〜５ｍｍが望ましい。これに関連して異なる深さの複数の溶融池５を作ることも可能であり、それによって付加材料６の複数の層を導入することもできる。それとともに破断伸びの徐々の増加が構成部品１の表面に向かって生じるように、合金６の組成は段階的に変えることができる。生み出される溶融池５の大きさは、その都度構成部品１内へ導入されるエネルギー量によりもたらされる。同様に、膨張係数に関して領域１から領域２への勾配状の移行は有用となり得る。ここでは、膨張係数は連続的に変化する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】内燃機関のシリンダヘッドの分離面の視図を示す。
【図２】第一の条件における、図１の線ＩＩ−ＩＩに従ったシリンダヘッドの中間域を通る断面を示す。
【図３】第二の条件における図２のシリンダヘッドの中間域を示す。
【図４】第三の条件における図２のシリンダヘッドの中間域を示す。
【図５】第四の条件における図２のシリンダヘッドの中間域を示す。
【図１】
2007519821.tif 000003
【図２】
2007519821.tif 000004
【図３】
2007519821.tif 000005
【図４】
2007519821.tif 000006
【図５】
2007519821.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成18年7月20日(2006.7.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の運転中に熱的に高負荷を受ける構成部品（１）の領域（２）が溶融され、
添加剤（６）が前記溶融により生じた溶融池（５）内へ導入され、
熱的に高負荷を受ける前記領域（２）が前記全体の構成部品（１）よりも高いアルミ成分を有する内燃機関のアルミ合金構成部品の製造方法において、
前記添加剤が１〜５重量％のシリコン、０．２５重量％未満のマグネシウム、及び０．１重量％未満の鉄を有するアルミ合金であり、
前記熱的に高負荷を受ける領域（２）が前記全体の構成部品（１）よりも大きい破断伸びを示すことを特徴とするアルミ合金構成部品の製造方法。
【請求項２】
前記溶融がビーム・プロセスを用いて行なわれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ビーム・プロセスを実施するためにレーザビーム（４）、プラズマビーム又はＴＩＧプロセスが採用されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
付加材料として非合金のアルミニウムが使用されることを特徴とする請求項１、２あるいは３に記載の方法。
【請求項５】
前記構成部品としてシリンダヘッド（１ａ）が選択されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記熱的に高負荷を受ける領域（２）として、それぞれのバルブ穴（３）の間の中間域（２ａ）が選択されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
変更された合金組成を有する前記熱的に高負荷を受ける領域（２）の深さとして０．２ｍｍ〜５ｍｍの深さが選択されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【国際調査報告】
2007519821.tif 000008
2007519821.tif 000009
2007519821.tif 000010
2007519821.tif 000011
2007519821.tif 000012
2007519821.tif 000013