(57)【要約】  本発明は内燃機関用ピストンに関し、このピストンは銅合金からなる。そのようなピストンの製造方法によれば、このピストンは銅合金から製造される。本発明によれば、銅合金が内燃機関用ピストの製造に使用される。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関用ピストンにおいて、前記ピストンは銅合金からなることを特徴とするピストン。
【請求項２】
前記銅合金は、ニッケルおよび／またはケイ素を含有することを特徴とする、請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
前記銅合金は、ニッケル１％〜７％、および／またはケイ素０．２％〜５％、好ましくはニッケル２．５％〜７％および／またはケイ素１．５％〜５％、さらに好ましくはニッケル４％を越え、特に５％を越え、７％まで、および／またはケイ素２％を越え、５％までを含む合金組成であることを特徴とする、請求項２に記載のピストン。
【請求項４】
前記銅合金は、さらに、錫４％以下、亜鉛３０％以下、鉄５％以下、および／またはマンガン５％以下、コバルト１％以下、クロム２％以下のうち少なくとも１種の元素を含有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のピストン。
【請求項５】
前記ピストンは少なくとも部分的にコーティングされてい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ピストン。
【請求項６】
前記ピストンは、好ましくはクロムとの合金である、ニッケルおよび／またはアルミニウムおよび／または鉄でコーティングされていることを特徴とする、請求項５に記載のピストン。
【請求項７】
前記ピストンは冷却ダクトを具備しないことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のピストン。
【請求項８】
ピストンが銅合金から製造されることを特徴とする、内燃機関用ピストンの製造方法。
【請求項９】
前記銅合金は、ニッケルおよび／またはケイ素を含有することを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記銅合金は、ニッケル１％〜７％、および／またはケイ素０．２％〜５％、好ましくはニッケル２．５％〜７％および／またはケイ素１．５％〜５％、さらに好ましくはニッケル４％を越え、特に５％を越え、７％まで、および／またはケイ素２％を越え、５％までを含む合金組成であることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記銅合金は、さらに、錫４％以下、亜鉛３０％以下、鉄５％以下、および／またはマンガン５％以下、コバルト１％以下、クロム２％以下のうち少なくとも１種の元素を含有することを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記合金は最初に鋳造することを特徴とする、請求項８〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記合金は、好ましくは引き続き水冷する連続鋳造法により鋳造することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記方法の一部として押出成形を行うことを特徴とする請求項８〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記方法の一部として、前記銅合金を溶液加熱処理し、次いで急冷することを特徴とする、請求項８〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記ピストンは押出成形により形成することを特徴とする、請求項８〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記ピストンは鍛造により形成することを特徴とする、請求項８〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記方法の一部として、ピストンブランクを好ましくは不活性気体雰囲気中で硬化することを特徴とする、請求項８〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記ピストンを少なくとも部分的にコーティングすることを特徴とする、請求項８〜１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記ピストンを、好ましくはクロムとの合金である、ニッケルおよび／またはアルミニウムおよび／または鉄でコーティングすることを特徴とする、請求項８〜１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
内燃機関用ピストンの製造のための銅合金の使用。
【請求項２２】
前記銅合金は、ニッケルおよび／またはケイ素を含有することを特徴とする、請求項２１に記載の使用。
【請求項２３】
前記銅合金は、ニッケル１％〜７％、および／またはケイ素０．２％〜５％、好ましくはニッケル２．５％〜７％および／またはケイ素１．５％〜５％、さらに好ましくはニッケル４％を越え、特に５％を越え、７％まで、および／またはケイ素２％を越え、５％までを含む合金組成であることを特徴とする、請求項２２に記載の使用。
【請求項２４】
前記銅合金は、さらに、錫４％以下、亜鉛３０％以下、鉄５％以下、および／またはマンガン５％以下、コバルト１％以下、クロム２％以下のうち少なくとも１種の元素を含有することを特徴とする、請求項２１〜２３のいずれか一項に記載のピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、本発明は内燃機関用ピストン、ピストンの製造方法およびピストン製造における銅合金の使用に関するものである。
【０００２】
内燃機関の分野では特定の出力を連続的に増加する傾向がある。これは、例えば燃焼が起きる圧力および温度が上昇することを意味する。特にジーゼルエンジンおよび最近の高過給スパーク点火エンジンでは従来のピストン材料であるアルミニウム製ピストンが応力と温度に関し広く行われている負荷にこれ以上対応しきれないという場合がますます増えている。
【背景技術】
【０００３】
ジーゼルピストンの分野ではよく観られるように、アルミニウムの代わりに鋼がピストン材料として用いられている。しかしながら、これには種々の欠点がある。例えば、鋼製ピストンはアルミニウム製ピストンよりも重く熱伝導性が悪い。熱伝導性が悪いと、例えばピストンに冷却ダクトを設けることが必要になる。このようにすると、製造が難しくなるので製造費が嵩む。さらに、鋼製ピストンでは冷却ダクトを一体的に設けてもピストンの温度が比較的に高くなる。これは、特に匹敵するアルミニウム製ピストンにおけるよりも明かに高温になる。この結果、不利なことに窒素酸化物の割合が高くなってしまう。さらに、ピストンが比較的に熱いと燃焼室の酸素の「充填レベル（ｆｉｌｌｉｎｇ  ｌｅｖｅｌ）」が減少し、そのため性能が低下する。これは高価なエンジン関係の対策、例えばターボエンジンの場合は供給圧力を高くし、かつ供給空気の冷却器により補償する必要が或る。さらに、鋼製ピストンは普通複雑な工程で鍛造しなければならない。鍛造工具の摩耗が激しいため、鍛造工具の耐用年数は短くそれに伴って鋼製ピストンの製造コストが高くなる。
【０００４】
特許文献１（欧州特許出願第０７１２３４０Ｂ１号明細書）から公知であるピストン鋳造製造法では、鉄または銅をベースとする合金製の第１ワークピースの周りにアルミニウムをベースとする合金を鋳造している。
【０００５】
特許文献２（ドイツ特許出願公開第３１４４１２３Ａ１号明細書）によると、軽合金製ピストンは銅合金製インサートからなる補強材を有する燃焼室洞を備える。
【０００６】
特許文献３（米国特許第２，２４１，８１５号明細書）は電気および機械の分野で構造部品として適しているとされる銅合金製鋳造品を記載している。
【０００７】
特許文献４（欧州特許出願公開第１１５８０６２号明細書）は例えば内燃機関のピストン用の軸受筒（ベアリング・ブシュ）製造用の鍛造銅−亜鉛−アルミニウム材料の使用を開示している。
【０００８】
特許文献５（ドイツ特許出願公開第４４１５６２９Ｃ１号明細書）はダイカスト機械用の鋳造ピストンの製造のための銅−ニッケル−ケイ素合金の使用に関するものである。
【０００９】
特許文献６（ドイツ特許登録実用新案第４３０１８８Ｃ号明細書）から公知の内燃機関用ピストンは鋼または鉄製ジャケットと銅合金製のロウ付け底部からなり、該底部はピストン−ピン・ボスの近傍まで引き上げられている。
【００１０】
特許文献７（ドイツ特許出願公開第４４１４０９５Ａ１号明細書）は複合部品例えばピストンの製造方法を開示しており、この方法ではリング・キャリアと、ある実施形態ではピストンヘッドの表面の部分とが銅合金製の先付け部品（ｃａｓｔ−ｉｎ  ｐａｒｔ）で構成することが可能である。
【００１１】
特許文献８（ドイツ特許出願公開第５９７９３８Ｃ号明細書）から銅合金をピストンリングに使用することが公知である。
【００１２】
最後に、特許文献９（米国特許第１，７００，６０４号明細書）はピストンヘッドが銅合金製であるピストンを開示している。
【００１３】
【特許文献１】欧州特許出願第０７１２３４０Ｂ１号明細書
【特許文献２】ドイツ特許出願公開第３１４４１２３Ａ１号明細書
【特許文献３】米国特許第２，２４１，８１５号明細書
【特許文献４】欧州特許出願公開第１１５８０６２号明細書
【特許文献５】ドイツ特許出願公開第４４１５６２９Ｃ１号明細書
【特許文献６】ドイツ特許登録実用新案第４３０１８８Ｃ号明細書
【特許文献７】ドイツ特許出願公開第４４１４０９５Ａ１号明細書
【特許文献８】ドイツ特許出願公開第５９７９３８Ｃ号明細書
【特許文献９】米国特許第１，７００，６０４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は特性と経済的生産性とについて改善がなされた内燃機関用ピストン、ピストンの製造方法および銅合金の新規用途を創出することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この目的は、一方において、請求項１に記載のピストンにより達成される。
【００１６】
従って、内燃機関用ピストンが新規な方法で銅合金から作製される。下記の意味においてピストンが作製され、特にもっぱら銅合金から作製される。上記の従来技術から知られているものと異なり、本発明のピストンは事後的に他の合金を周りに設けたり一緒に用いたりする個々の部分を含まない。ピストンの基本的な本体はむしろ上述のように全体が銅合金で作製される。以下にさらに詳細に説明するように、ピストンをコーティングすることもあるので、任意的なコーティングを除けば、ピストンは全体が銅合金で作製されていることになる。
【００１７】
内燃機関のピストン用のこの材料を選択することは以下の利点がある。銅合金は、例えばエンジンピストンに用いられる鋼に比べてずっと高い伝導性を有する。従って、生成された熱は確実に分散されるので、例えばピストンに冷却ダクトを設けたりする必要がない。従って、これまで鋼製ピストンにおいて必要とされた対策を講じなくて済ませることも可能であり、製造費が低減される。銅合金製のピストンの温度は匹敵する鋼製ピストンの温度よりも明かに低いため、エンジン技術の観点からの鋼製ピストンの上述の欠点が除去される。
【００１８】
さらに、銅合金は、通常鍛造しなければならない鋼よりも簡単かつ経済的に明瞭に変形することが可能である。特に、溶液熱処理銅合金を、例えば押出により形成することが可能である。工具の摩耗はこの場合は鋼製ピストンの処理における場合よりも明かに少ない。銅合金製のピストンの重量は鋼製ピストンの重量に匹敵する。機械的強度も匹敵し、特にエンジンピストンとしての用途に適用される要件に適合している。エンジンピストンの製造に関しては、銅合金はさらに、銅合金の良好な変形性のお蔭で、肉厚は強度要件により必要とされる厚さに設計することが必要とされるだけである。これにより、重量を有利な方法で低減することが可能となる。一方、鋼性ピストンの肉厚は、鋼が変形性に乏しいため、往々にして強度要件により必要とされるよりも厚くなる。
【００１９】
総じて、本発明はこのように主な要件に合致し、特に温度に関して改善され、さらに経済的に製造可能な内燃機関用ピストンを創製する。
【００２０】
本発明のピストンの好適な発展形態はさらなる請求項に記載されている。
【００２１】
ニッケルおよび／またはケイ素を含有する合金は銅合金として使用するのに有利であることが試験において明かになった。試験結果によると、ニッケル１％〜７％、および／またはケイ素０．２％〜５％を含有し、残部銅からなる合金組成物が現在特に好適であると考えられる。さらに好ましいのは、ニッケル２．５％〜７％および／またはケイ素１．５％〜５％を含む合金組成である。さらに好ましいのは４％を越え、特に５％を越え、７％までのニッケルおよび／または２％を越え、５％までのケイ素を含む合金組成である。
【００２２】
銅合金がアルミニウム５％以下を含有するならば、高温酸化に関する利点も得ることができる。銅合金が下記の元素：錫４％以下、亜鉛３０％以下、鉄５％以下、および／またはマンガン５％以下、コバルト１％以下、クロム２％以下のうち少なくとも１種類を含有する場合はさらに強度の増加も観られた。
【００２３】
上述のように、ピストンは少なくとも部分的にコートされていてもよく、その結果、酸化に対する保護に関して有利である。
【００２４】
ニッケルおよび／またはアルミニウムおよび／または鉄は、例えばクロムと合金にしてスケール耐性にすることができるが、これらはコーティング材料として有益であることが分かった。
【００２５】
銅合金である本発明のピストンもある用途によっては冷却ダクトを設けてもよいけれども、現在好ましいのは製造コストの観点からピストンが中実に、すなわち冷却ダクトなしに形成することである。
【００２６】
上述の目的は、さらに、内燃機関用ピストンの製造方法によって達成される。この場合、ピストンは銅合金製である。特に温度に関して改善された性質を持つエンジンピストンの経済的な製造方法がここに提供される。この製造方法は上述の銅合金の優れた性質、例えば成形が容易であることおよび冷却ダクトを省くことができることにより非常に経済的である。
【００２７】
本発明の方法の好適な発展形態は一方では、例えば用いられる合金の観点からピストンに関する上述の好ましい方策に由来する。
【００２８】
さらに、現在好ましいのは、まず使用する銅合金を鋳造することである。
【００２９】
特別の利点が、任意的に水冷した連続鋳造（ストランド鋳造）法についての試験で得られた。
【００３０】
さらなる処理を押出成形により有利に行うことができる。
【００３１】
次いで、合金を例えば７５０℃〜９５０℃で溶液加熱処理するのが好ましい。この処理は変形性に有利である。次いで冷却するが、比較的迅速な冷却が好ましく、これは沈殿が生じないようにするのに有益である。
【００３２】
実際のピストンを形成するには、現在好ましいのは溶液加熱処理したストランドから切片（ｓｅｃｔｉｏｎ）を分離し、これらを加熱し、次いで成形してピストンにすることである。この成形は押出で行うのが好ましい。
【００３３】
鍛造は代替案として考えることができる。この方法を用いる場合は、引き続き急速な冷却をすることが好ましい。
【００３４】
引き続き、例えば３５０℃〜５５０℃で、例えば０．５〜１０時間硬化するのが、現在、好ましい。この硬化は不活性気体雰囲気内で行って結果を良くすることが可能である。
【００３５】
さらに述べると、ピストンを、本製造方法の一部分として通常の方法で機械加工し、特にすでに上述したように、ピストンにコーティングを施してもよい。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の基礎をなす目的の達成は内燃機関用ピストンの製造に銅合金を使用することにより最終的になされる。特に、もっぱら銅合金がピストンの製造に使用される。これを使用することにより新規かつ有利な態様で、経済的に製造可能な改善された性質を持つピストンが得られる。上述の銅合金は本発明の用途の範囲内でも好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
（実施例）
本発明の実施例として、ニッケル１％〜７％、ケイ素０．２％〜５％、アルミニウム５％以下、錫４％以下、亜鉛３０％以下、鉄５％以下、およびマンガン５％以下の銅合金からピストンを製造した。この合金を連続鋳造（ストランド鋳造）方法で鋳造し、次いで押出成形した。次いでこの合金を７５０℃〜９５０℃で溶液加熱処理し、引き続き空冷した。それにより沈殿が避けられた。個々の切片をこの溶液か熱処理ストランドから分離し、ついで加熱し、それぞれピストンに成形した。この変形はおしだしにより有利に行われた。これにより得られたピストンブランクを３５０℃〜５５０℃で０．５〜１０時間硬化し、次いで最終的に仕上げ機械加工した。試験により、特に温度耐性に関して改善された性質を有するピストンが得られた。
【国際調査報告】
2007529667.tif 000002
2007529667.tif 000003
2007529667.tif 000004
2007529667.tif 000005
2007529667.tif 000006
2007529667.tif 000007