(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関用のピストンを製造する方法であって、
第１材料から、冠部およびスカート部を形成する工程と、
付加加工工程によって第２材料により、前記冠部に沿って燃焼表面の少なくとも一部を形成すると共に前記第２材料と前記冠部との間に空間部を形成する工程とを備え、
前記付加加工工程は、溶解した前記第２材料の複数の層を前記第１材料に適用することを含む、方法。
【請求項２】
前記付加加工工程は、プラズマ移行アークによって、前記第２材料を前記第１材料に適用する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記付加加工工程は、高速ガス式溶射によって、前記第２材料を前記第１材料に適用する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記付加加工工程は、レーザクラッディングまたは選択的レーザ焼結によって、前記第２材料を前記第１材料に適用する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記付加加工工程は、アーク溶接または付加溶接によって、前記第２材料を前記第１材料に適用する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記方法は、前記冠部を形成する工程の後に、前記冠部の範囲に沿って前記第１材料を溶解する工程を含み、
前記付加加工工程は、前記第２材料を溶解し、前記溶解された第２材料を、前記溶解された第１材料に適用する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記付加加工工程は、前記溶解された第２材料の複数の層を、前記溶解された第１材料に適用する工程を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記第２材料は、前記第１材料よりも、高い熱伝導性、高い耐腐食性、コーキング粘着に対する高い耐性、高い強度および高い耐酸化性の少なくとも１つを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記第２材料は、ステンレス鋼、ニッケル基合金およびニッケルクロム基合金から選択され、前記第１材料は、鋼鉄、鋳鉄、鋳鉄合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金から選択される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
内燃機関用のピストンを製造する方法であって、
第１材料から、冠部およびスカート部を形成する工程と、
付加加工工程によって第２材料から、前記冠部に沿って燃焼表面の少なくとも一部を形成する工程とを備え、
前記付加加工工程は、溶解した前記第２材料の複数の層を前記第１材料に適用することを含み、
前記冠部および前記スカート部を形成する工程は、鋳造または鍛造によって、前記冠部および前記スカート部を単一部品として形成する工程を含み、
前記鋳造または鍛造工程は、中心軸から上端へと外方に延びる燃焼ボウルを含む前記冠部と、前記燃焼ボウルの基底から外方に延びる冷却ギャラリー基底壁と、前記中心軸を取り囲む開口冷却ギャラリーを提供する、前記冷却ギャラリー基底壁から上方に延びる外側リブとを形成する工程を含み、
前記鋳造または鍛造工程は、前記外側リブから下端に延び、前記中心軸を取り囲むように前記スカート部を形成する工程を含む、記載の方法。
【請求項１１】
前記付加加工工程は、前記燃焼ボウルの前記上端および前記外側リブの間に、前記開口冷却ギャラリーを閉じるように前記燃焼表面を形成する工程を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記付加加工工程によって前記第２材料から前記燃焼表面を形成する工程は、前記燃焼ボウルの前記上端上に前記燃焼ボウルの周縁を形成する工程を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記燃焼ボウルの前記上端は、前記第１材料から形成される前記燃焼ボウルの周縁である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
内燃機関用のピストンを製造する方法であって、
第１材料から、冠部およびスカート部を形成する工程と、
付加加工工程によって第２材料から、前記冠部に沿って燃焼表面の少なくとも一部を形成する工程とを備え、
前記付加加工工程は、溶解した前記第２材料の複数の層を前記第１材料に適用することを含み、
前記第１材料から形成される前記冠部および前記第２材料から形成される前記燃焼表面は共に、閉塞された冷却ギャラリーを形成する、方法。
【請求項１５】
内燃機関用のピストンを製造する方法であって、
第１材料から、冠部およびスカート部を形成する工程と、
付加加工工程によって第２材料から、前記冠部に沿って燃焼表面の少なくとも一部を形成する工程とを備え、
前記冠部を形成する工程は、燃焼ボウルから間隔を設けて外側リブを形成する工程を含み、前記燃焼表面を形成する工程は、前記外側リブおよび燃焼ボウルの間にコア材料を配置し、前記コア材料に前記第２材料を適用する工程を含む、方法。
【請求項１６】
内燃機関のためのピストンを製造する方法であって、
前記方法は、
第１材料から、冠部およびスカート部を単一部品として鋳造または鍛造する工程を備え、前記第１材料は、鋼鉄、鋳鉄、鋳鉄合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金から選択され、
前記鋳造または鍛造する工程は、中心軸から上端へと外方に延びる燃焼ボウルを含む前記冠部と、前記燃焼ボウルの基底から外方に延びる冷却ギャラリー基底壁と、前記中心軸を取り囲む開口冷却ギャラリーを提供する、前記冷却ギャラリー基底壁から上方に延び、リング溝を有する外側リブとを形成する工程を含み、
前記鋳造または鍛造する工程は、前記外側リブから下端へと延び、前記中心軸を取り囲むように、前記第１材料から前記スカート部を形成し、互いに対向して配置され、各々がリストピンを受けるためのピン孔を提供する一対のピンボスを含むように、前記スカート部を形成する工程を含み、
前記方法は、
前記燃焼ボウルの前記上端および前記外側リブの間に、前記開口冷却ギャラリーを閉じるように、燃焼表面を形成する工程を備え、前記燃焼表面は、前記第１材料よりも、高い熱伝導性、高い耐腐食性、コーキング粘着に対する高い耐性および高い耐酸化性の少なくとも１つを有する第２材料から形成され、前記第２材料は、ステンレス鋼、ニッケル基合金およびニッケルクロム基合金から選択され、
前記第２材料から前記燃焼ボウル表面を形成する工程は、付加加工工程を含み、前記付加加工工程は、前記燃焼ボウルの前記上端に沿って、または、前記外側リブに沿って、前記第１材料を溶解し、前記第２材料を溶解し、前記溶解された第１材料上に、前記溶解された第２材料の複数の層を堆積する工程を含み、
前記付加加工工程は、プラズマ移行アーク、高速ガス式溶射、レーザクラッディング、レーザ焼結、アーク溶接および付加溶接の少なくとも１つを含む、方法。
【請求項１７】
内燃機関のためのピストンであって、
前記ピストンは、
第１材料から形成される冠部およびスカート部と、
前記冠部に沿って配置される燃焼表面とを備え、前記燃焼表面の少なくとも一部は、冷却ギャラリーを覆う第２材料から形成され、
溶解した前記第２材料の複数の層が前記第１材料に適用されており、
前記ピストンは、
前記第１材料に沿う第１端および前記第２材料に沿う第２端によって規定される熱影響帯を備え、前記第１端は、前記第２端の形状に従う形状を有する、ピストン。
【請求項１８】
前記第１材料の単一部品は、前記冠部および前記スカート部を形成し、前記第２材料は、前記第１材料よりも、高い熱伝導性、高い耐腐食性、コーキング粘着に対する高い耐性および高い耐酸化性の少なくとも１つを有する、請求項１７に記載のピストン。
【請求項１９】
前記燃焼表面の前記第２材料は、結晶構造におけるマルテンサイトおよび焼戻マルテンサイトを含む、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】
関連出願への相互参照
この米国特許出願は、２０１４年３月３日に提出された米国仮特許出願番号６１／９４７，０９７、および、２０１５年３月３日に提出された米国特許出願番号１４／６３５，３４８の利益を主張し、その全内容は、引用によってここに組み入れられる。
【０００２】
発明の背景
１．発明の分野
この発明は、一般的には、内燃機関のためのピストンおよびそのピストンを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
２．関連技術
重量ディーゼルピストンまたは軽量車鋼鉄ピストンのような、内燃機関で使用されるピストンは、運転の間、特に燃焼チャンバに面するピストンの最頂部の表面に沿って、高温および苛酷な条件に晒される。燃焼チャンバの苛酷な条件に晒されることは、ピストンを酸化、腐食およびコーキングの影響を受け易くさせる。したがって、ピストンは、典型的には、最頂部の表面の下部に冷却ギャラリーを有して設計されている。ピストンが燃焼チャンバの下部でシリンダボア内を往復運動する時、冷却オイルまたは他の冷却流体が、典型的には、ピストンの最頂部の表面から熱を放散するために冷却ギャラリーに収容される。冷却オイルは、また、熱を放散するためにピストンの燃焼ボウルの下方に噴霧され得る。
【０００４】
ピストンはまた、好ましくは、燃焼チャンバの高温および苛酷な条件に耐えることが可能な材料で形成されている。たとえば、高い熱伝導性、耐熱間酸化性、優れた熱特性、および、腐食およびオイルコーキングに対する耐性を有する材料が、好まれる。残念ながら、このような材料は、典型的には、高価であり、このため、往々にして、実用的または経済的な選択ではない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の概要
本発明の１つの局面は、燃焼チャンバの厳しい温度および条件に耐えることが可能なピストンを製造するより実用的で経済的な方法を提供する。その方法は、第１材料から、冠部およびスカート部を形成する工程と、付加加工工程によって第２材料から、冠部に沿って燃焼表面の少なくとも一部を形成する工程とを含む。付加加工工程は、効率がよく、利用されない材料をほとんど生み出さず、製造時間およびコストを削減する。加えて、燃焼チャンバの厳しい条件に直接晒され、このため、腐食およびオイルコーキングの影響をより受け易い燃焼表面は、ステンレス鋼、ニッケル基合金またはニッケルクロム基合金のような高性能金属から形成されることができ、その一方で、燃焼チャンバから離れて位置する冠部およびスカート部のバルクは、より経済的な金属から形成されることができる。
【０００６】
本発明の別の局面は、燃焼チャンバの高温および苛酷な条件に耐えることができ、削減されたコストで製造されるピストンを提供する。ピストンは、冠部、スカート部、および、冠部に沿って配置される燃焼表面を含む。冠部およびスカート部は、第１材料から形成され、燃焼表面の少なくとも一部は、付加加工工程によって第２材料から形成されている。ピストンは、また、第１材料に沿う第１端と、第２材料に沿う第２端とによって規定される熱影響帯を含み、第１端は、第２端の形状に従う形状を有する。熱影響帯の形状は、付加加工工程が燃焼表面を形成するために使用されたことを指し示す。
【０００７】
図面の簡単な説明
本発明の他の利点は、容易に評価されるであろう。同じことが、付随する図面に関連して考慮された時に、以下の詳細な説明を参照することにより、より良く理解されるようになるためである。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】付加加工工程によって形成される冷却ギャラリーおよび燃焼ボウル周縁上の燃焼表面を示す、例示的な実施形態に従ったピストンの側断面図である。
【図２】付加加工工程が完了した後の図１中のピストンの側断面図である。
【図３】他の例示的な実施形態に従ったピストンの側断面図であり、燃焼表面の一部が付加加工工程によって形成されている。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
詳細な説明
本発明の１つの局面は、製造コストおよび複雑さを低減するとともに、燃焼チャンバの高温および苛酷な条件に耐えることが可能な内燃機関用のピストン２０を製造する経済的な方法を提供する。
【００１０】
その方法は、第１材料からの単一部品として、冠部２２およびスカート部２４を含むピストン２０のバルクを形成することによって始まる。第１材料は、典型的には、鋼鉄、鋳鉄、鋳鉄合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金のような経済的な金属材料である。第１材料は、単一の構成物または異なる金属構成物の混合を含み得る。鋳造または鍛造の工程は、好ましくは、第１材料からピストン２０のバルクを形成するために使用される。
【００１１】
ピストン２０は、ピストン、および／または、ピストンが設計されるエンジンのタイプに応じて、種々の異なる設計および形状を備え得る。図１から３に示される例示的な実施形態では、ピストン２０は、軽量車（Light Vehicle Duty（LVD））ピストンとして参照されており、冠部２２およびスカート部２４を含むピストンのバルクは、鋼鉄から形成されている。この場合、鋳造または鍛造の工程は、燃焼ボウル２６および開口冷却ギャラリー２８を含むように冠部２２を形成することを含む。図１に示されるように、燃焼ボウル２６は、中心軸Ａにおいて頂点を含み、中心軸Ａから自由上端３０へと外方に延びる。冷却ギャラリー基底壁３２は、燃焼ボウル２６の基底から外方に延び、リング溝３６を有した外側リブ３４は、中心軸Ａを取り囲む開口冷却ギャラリー２８を形成するように、基底壁３２から上方に延びる。鋳造または鍛造の工程は、また、第１材料から、中心軸Ａの周りにスカート部２４を形成することを含む。スカート部２４は、外側リブ３４から下端３８へと下方に延びる。スカート部２４は、また、互いに対向して配置され、各々がリストピン（不図示）を受けるためのピン孔４２を提供する一対のピンボス４０を含む。
【００１２】
方法は、次に、付加加工工程によって、第２材料から燃焼表面４４の少なくとも一部を形成することを含む。図１は、上部の冠部２２に沿って、より具体的には、燃焼ボウル２６の上端３０および外側リブ３４の間に、開口冷却ギャラリー２８を閉じるように、形成されている燃焼表面４４を示す。付加加工工程によって燃焼表面４４を形成するために使用される第２材料は、第１材料とは異なる。第２材料は、それを熱間酸化、腐食およびオイルコーキングの影響をより受け易くする位置に置かれている。このため、第２の材料の組成物は、それが、第１材料よりも、高い熱伝導性、高い耐腐食性、オイルコーキングに対する高い耐性および高い耐酸化性の少なくとも１つを有するように選択される。たとえば、第２材料は、ステンレス鋼、ニッケル基合金およびニッケルクロム基合金から選択され得る。ニッケル基合金の一例は、Nimonic（登録商標）の名称のもと販売されており、ニッケルクロム基合金の一例は、Inconel（登録商標）の名称のもと販売されている。このため、第２材料は、燃焼チャンバの高温で厳しい条件に晒された時に、第１材料よりもより良く機能する。第１および第２材料の酸化性能は、熱重量分析（Thermal Gravimetric Analysis（ＴＧＡ））によって決定され得る。ＴＧＡテストは、材料の臨界酸化温度を決定するであろう。高性能の第２材料は、好ましくは、内燃機関における運転の間、上端３０におけるピストン２０の予期される表面温度よりも高い臨界酸化温度を有する。第２材料は、典型的には、第１材料よりも高価であるが、少量の第２材料だけが、高い性能を必要とする領域において使用されるため、製造コストは、高性能金属で全体が形成されるピストンと比較して削減される。典型的には、ピストン２０の体積の３０％よりも少ない量が、第２材料から形成される。
【００１３】
付加加工工程は、また、効率がよく、より高価な第２材料の大部分を無駄にしないため、製造コストを削減する。３次元プリントとも呼ばれる付加加工工程のいくつかのタイプが使用され得る。例示的な付加加工工程は、プラズマ移行アーク（Plasma Transfer Arc（PTA））、高速ガス式溶射（High Velocity Oxygen Fuel Spraying（HVOF））、レーザクラッディング、レーザ焼結、アーク溶接および付加溶接を含む。図１は、高速ガス式溶射法の一般的な図である。
【００１４】
付加加工工程は、典型的には、燃焼ボウル２６の上端３０に沿って、または、外側リブ３４に沿って、第１材料を溶解し、第１材料と同時に第２材料を溶解し、溶解された第１材料上に溶解された第２材料の複数の層を堆積することを含む。図１および２に示される例示的な実施形態では、付加加工工程は、外側リブ３４から内方に延び、燃焼ボウル２６の周縁を含む燃焼表面４４を形成するために使用される。この実施形態では、外側リブ３４および燃焼ボウル２６の残りは、経済的な第１材料で形成されている。図３に示される他の実施形態では、付加加工工程は、第２材料から、外側リブ３４および燃焼ボウル２６の周縁の間に位置する燃焼表面４４の部分を形成するために使用され、外側リブ３４、周縁および燃焼ボウル２６の残りは、第１材料から形成される。
【００１５】
例示的な実施形態では、溶解された第１材料上に溶解された第２材料の複数の層を堆積する工程は、自由形状製造技術を使用して行なわれる。あるいは、自由形状製造技術に代わって、または、自由形状製造技術に加えて、コア技術による製造が利用されてもよい。この技術では、コア材料が、外側リブ３４と、燃焼ボウル２６または燃焼ボウル２６の周縁との間でピストン２０上に配置される。コア材料は、要求される冷却ギャラリー２８の形状に似た形状を有し、以下の、砂、シリカセラミックまたは塩コア技術のいくつかから構成され得る。高性能第２材料は、そのとき、追加されたコア材料上に直接、堆積され、複数の層を介して、ピストン外側リブ３４および燃焼ボウル２６に、または、燃焼ボウル２６の周縁に、冶金学上の接着剤を伴って、燃焼表面４４を形成し、このため、封止された冷却ギャラリー２８を形成する。付加加工工程に続いて、設置されたコアが、洗い落とし、振り落とし、または、化学的な濾過工程といった金属依存工程を通じて、ピストン２０から取り除かれる。
【００１６】
本発明の他の局面は、燃焼チャンバの高温で厳しい条件に耐えることが可能な内燃機関用のピストン２０を提供するが、他の同様に機能するピストンと比較して、製造コストおよび複雑さを低減して製造される。
【００１７】
上記に述べるように、ピストン２０は、ピストン２０のタイプ、および／または、ピストンが設計されるエンジンのタイプに応じて、種々の異なる形状を備え得る。上記に述べるように、図１から３は、各々が冠部２２、スカート部２４および冠部２２に沿って配置される燃焼表面４４を含む軽両車ピストンの例である。冠部２２およびスカート部２４は、より経済的な第１材料から形成される単一部品であり、燃焼表面４４の少なくとも一部は、付加加工工程によって高性能第２材料から形成される。
【００１８】
前記の付加加工製造技術は、完成されたピストン２０を巨視的または微視的な観点から観察すると確認され得る。本発明の付加加工工程に従って製造されたピストンは、種々の２部品ピストン溶接アセンブリとは異なるであろう。ピストン２０を巨視的に断面にて観察すると、表面仕上げに関しての表面不規則と、燃焼表面４４の下側に沿った冷却ギャラリー２８の上面上の形状とが、存在してもよい。その不規則は、燃焼表面４４の形状が、マルチパス付加工程のような付加加工から構成されたことを明らかにするであろう。これらの不規則は、規則正しい外観を有する、加工され、鋳造され、または鍛造された構造物のそれとは異なる。微視的には、化学的エッチングの後、人は、適用される高性能第２材料の全体に渡って、異種の微小構造を確認することができる。第２材料のこの微小構造は、ピストンバルク材料とも称される、第１材料に向けた冷却勾配を示す結晶構造におけるマルテンサイトおよび焼戻マルテンサイトを含み、典型的には、マルテンサイトおよび焼戻マルテンサイトで構成されている。
【００１９】
完成されたピストン２０では、熱影響帯（Heat Affected Zone（HAZ））が、ピストン外側リブ３４、および、燃焼ボウル２６に沿ってまたは燃焼ボウル２６の周縁に沿っての両方において、第１材料に見てとれる。熱影響帯（HAZ）は、バルク第１材料および高性能第２材料の境界に沿った形状において安定しているであろう。図２Ａおよび３Ａに示されるように、例示的な実施形態では、熱影響帯（HAZ）は、第１材料に沿った第１端４６と、第２材料に沿った第２端４８とによって規定されている。第１端４６は、第２端４８の形状に従う形状を有し、第２端４８の形状は、付加加工工程の間に加えられる第２材料に基づいている。熱影響帯（HAZ）の形状は、付加加工工程が、燃焼表面４４を形成するために使用されたことを指し示す。加えて、付加加工工程が使用された時に形成される熱影響帯（HAZ）の形状は、熱影響帯がレーザまたは電子ビームエネルギーによって引き起こされる貫通溶接を示すであろう２部品溶接アセンブリのそれとは異なる。
【００２０】
明らかに、本発明の多くの修正および変形が、上記教示に照らして可能であり、添付されるクレームの範囲内において、明確に記載されるものとは別の方法で実行されてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図３】
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【図３Ａ】
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