(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンリング（４）のために設けられ、磨耗に対して保護された複数のフランクを有する少なくとも一つのピストンリング溝（３）を備えた往復ピストン内燃機関用のピストンであって、少なくとも一つのフランクの表面が、硬化材によって形成された、外側の端縁領域（７）およびそれに隣接するほぼクロムからなる内側領域（８）を備えているものにおいて、
少なくとも一つのフランク領域内に、全フランク幅にわたって延び、硬化材によって形成された硬化ゾーン（５）が設けられ、この硬化ゾーン（５）内に、外側端縁から離隔した、前記硬化ゾーン（５）の厚みより薄い厚みを有するほぼクロムからなるはめ込み部（６）がはめ込まれていることを特徴とする往復ピストン内燃機関用ピストン。
【請求項２】
硬化性の鋼材からなる少なくとも一つのピストンリング溝（３）を備え、このピストンリング溝（３）は少なくともフランクの領域内で、全フランク幅にわたり、かつ前記はめ込み部（６）の厚みを超える深さで硬化され、前記はめ込み部（６）に対応する受入れポケット（９）を備えていることを特徴とする請求項１記載のピストン。
【請求項３】
前記はめ込み部（６）は、前記硬化ゾーン（５）の領域内に設けられた受入れポケット（９）の電気的に作られた充填物として構成されていることを特徴とする請求項１記載のピストン。
【請求項４】
前記受入れポケット（９）はくり抜き部として構成されていることを特徴とする請求項２記載のピストン。
【請求項５】
前記端縁領域（７）の幅は、前記フランクの幅の１５％ないし２０％に相当し、かつ少なくとも１．５ｍｍであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のピストン。
【請求項６】
前記はめ込み部（６）の厚みは３／１０ｍｍないし１ｍｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１記載のピストン。
【請求項７】
前記はめ込み部（６）の外側端縁に、ピストン軸に対し傾斜した保護面（１０）が形成されていることを特徴とする請求項１記載のピストン。
【請求項８】
クロムからなる内側領域（８）は端縁領域（７）から放射方向内側のフランク端部にまで連続していることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載のピストン。
【請求項９】
前記ピストンリング溝（３）の少なくとも燃焼室から離隔したフランクは、硬化された材料によって形成された外側端縁領域（７）およびそれに隣接するほぼクロムからなる内側領域（８）を備えていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載のピストン。
【請求項１０】
前記ピストンリング溝（３）の両フランクは、硬化材によって形成された外側端縁領域（７）およびそれに隣接するほぼクロムからなる内側領域（８）を備えていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載のピストン。
【請求項１１】
前記ピストンリング（４）は、少なくとも一つのフランク領域内に、合金鋼によって形成された外側端縁領域（１２）およびそれに隣接するほぼクロムからなる内側領域（１１）を有する表面を備えていることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載のピストン。
【請求項１２】
前記ピストンリング（４）の燃焼室から離隔したフランクは、合金鋼によって形成された外側端縁領域（１２）およびそれに隣接するほぼクロムからなる内側領域（１１）を有する表面を備えていることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載のピストン。
【請求項１３】
前記ピストンリング（４）の両フランクはそれぞれ合金鋼によって形成された外側端縁領域（１２）およびそれに隣接するほぼクロムからなる内側領域（１１）を有する表面を備えていることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１つに記載のピストン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピストンリングのために設けられ、磨耗に対して保護された複数のフランクを有する少なくとも一つのピストンリング溝を備えた、往復ピストン内燃機関、特に大型機関用のピストンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
磨耗保護の目的で、硬化性の鋼材からなるピストン上部のリング溝フランクを硬化することは公知である。しかし、この対策は所定の点火圧力以上ではなお不十分である。すなわち、点火圧力の上昇とともにフランクの負荷が過度に増大するからである。これに関連して近時提案されている低い潤滑率の提案も好ましいものではない。そのために、硬化されたフランクも急速な磨耗を来す。このことは特に端縁領域にとって当てはまるものである。そこには、経験によれば極めて大きな負荷がかかる。
【０００３】
リング溝フランクの抵抗力をクロムコーティングによって高めることも既に試みられている。しかし、クロムは低温領域では硬化鋼より硬いが、高温では耐磨耗性が低下する。点火圧力の上昇とともに表面圧力および表面摩擦が高まり、それにより材料温度も高くなる。従って今日要求されているように１６０ｂａｒ以上の点火圧力の下では、上述のクロムコーティングは改善にならない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上の事情を考慮して本発明の目的は、冒頭に述べた型のピストンを、簡単かつ低コストの手段をもって比較的高い点火圧力の下でも長寿命を達成できるように改善することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的は、本発明によれば、少なくとも一つのフランクの表面が、硬化材によって形成された外側端縁領域およびそれに隣接するほぼクロムからなる内側領域を備えることによって達成される。
【０００６】
経験によれば端縁領域に最も高い表面圧力が生じ、従ってまた最も高い材料加熱が生ずる。そのため、この領域はクロムによって保護される。しかし、クロムは高温で耐磨耗性が低下する。この領域には高温でクロムより抵抗性の優れた硬化材が設けられる。クロム補強の効果は内部にも及び、そこではクロムがその抵抗性を失うほど材料加熱が激しくならない。運転中はまず第一に、端縁領域に大きな負荷が作用すると、端縁領域で硬化材の初期磨耗を生ずる。まずこの材料のミクロ層が摘出されてしまうと、負荷は溝の深さ方向へシフトし、本来のクロムが作用するようになる。それによって、端縁領域に存在する尖頭負荷がまず除去され、負荷は内側へシフトする。その結果、負荷の面積分値が一定に保たれる。それに応じて比較的バランスのとれた支持パターンが生じ、それが長寿命につながる。
【０００７】
本発明の好ましい構成および変形例は請求項２以下に記載されている。例えば、少なくとも一つのフランク領域内に、全フランク幅にわたって延び、硬化材によって形成された硬化ゾーンが設けられ、この硬化ゾーン内に、外側端縁から離隔した、硬化ゾーンの厚みより薄い厚みを有するほぼクロムからなるはめ込み部をはめ込むことができる。幅全体にわたるクロムはめ込み部が隣接する端縁領域の硬化材によって保護されることによって、好ましいことに、段付部ないし不連続なパターンが生じ、それによりはめ込み部の剥離ないし除去に良好に対抗することができる。
【０００８】
はめ込み部は、硬化ゾーンの領域内に設けられた受入れポケットの導電性をもって作られた充填物として構成されるのがよい。これは、特に簡単で低コストの製造方法を与え、かつクロムの良好な固着を与える。
【０００９】
他の有利な対策は、端縁領域の幅を少なくとも１．５ｍｍとすることを条件として、フランクの幅の１５％ないし２０％にすることである。この対策は端縁領域の剥がれ落ちに対して確かな保護を与える。
【００１０】
はめ込み部の厚みは３／１０ｍｍないし１０／１０ｍｍの範囲内にあるものとすることができる。こうすることにより、わずかな材料消費量にもかかわらず十分な負荷能力を得ることができる。
【００１１】
他の好ましい対策は、はめ込み部を外側端縁領域で支持表面に対し円錐形状に拡張させることである。こうすることによってはめ込み部と硬化材との間に、ピストン軸に対して傾斜した継ぎ目が形成される。その継ぎ目領域でクロムが硬化材に密着し、継ぎ目領域での剪断作用、即ち切れ目の発生を防止することができる。
【００１２】
簡単な場合には、少なくとも燃焼室から離隔したフランクを本発明に従って構成すれば十分である。なぜなら、これらのフランクは最も耐磨耗性に富んでいるからである。しかし、リング溝の両フランクを本発明に従って構成してもよい。というのは、反対側にも同様の負荷パターンが与えられるからである。他面では所要経費が比較的少なくてすむ。
【００１３】
他の有利な構成は、ピストンリングの少なくとも一つのフランク、好ましくは双方のフランクに、硬化材によって形成された外周側端縁およびそれに隣接するほぼクロムからなる内側領域を備えることである。こうすることによって、接触領域に同一材料ペアが与えられ、そのことが腐食の防止上好ましい作用を与える。
【００１４】
本発明の他の好ましい構成は従属請求項に記載されており、図面を参照して以下に記載する実施の形態についての説明から明らかになるであろう。
【００１５】
【発明の実施の形態】
往復ピストン内燃機関、例えば大型ディーゼル機関の基本構造および作用は公知であり、そのためここではそれらの詳細説明は省略する。図１および図２にはシリンダライナ１が示されており、シリンダライナ１内に、往復動、ここでは上下動するピストン２が配設されている。ピストン２は拡大したり縮小したりすることができる燃焼室を画定するものであって、クランク軸と一緒に動作する。好ましくは、ピストン２の下部に取外し可能に組み込まれたピストン２の上部には、周方向に走る複数のピストンリング溝３が設けられており、その中に、それぞれ放射方向の力を受けて、その外周でシリンダライナ１に当接するピストンリング４が設けられている。
【００１６】
ピストン２の上部は熱処理された合金鋼からなっており、それはピストンリング溝３の上部フランクおよび下部フランクの領域内で、フランク幅の支持領域にわたって延びる硬化ゾーン５が形成されるように硬化されている。これは図１および図２においてはハッチング状の飾り線によって示されている。硬化ゾーン５の厚みは外側から内側へと次第に減少する。硬化ゾーン５はマルテンサイトからなっている。それに応じて、硬化工程は、オーステナイト組織がマルテンサイト組織に変換されるようにして行われる。硬化工程は誘導法で行うことができ、この結果、所望の組織変換の遂行のために必要な温度処理を容易に行うことが可能となる。ピストンリング４も同様に合金鋼からなっている。
【００１７】
硬化ゾーン５の硬化材中には、それぞれクロムまたはクロム合金からなるはめ込み部６がはめ込まれる。はめ込み部６は、外側の溝端縁から離隔した領域から各硬化ゾーン５の内端にまで延びており、その厚みは硬化ゾーン５の最小厚みより薄い。そのため、リング溝フランクの、ピストンリング４に対向する表面は、硬化材、ここではマルテンサイトからなる端縁領域７およびそれに隣接するほぼクロムからなる内側領域８を持っている。
【００１８】
はめ込み部６は硬化クロムめっき法に従い、対応する硬化ゾーン５の硬化材の適当な凹所によって形成された受入れポケット９に電気的に作られた充填物として構成するのがよい。受入れポケット９は硬化材の旋盤加工または研磨加工によって作ることができる。この処理工程は硬化工程の後に行うのがよい。表面はクロム材のめっき処理による装着後に研磨しなおすのがよい。
【００１９】
端縁領域７の幅は溝深さの１５％から２０％の範囲内にするのがよい。しかし、その幅は十分な安定性を保証するために少なくとも１．５ｍｍはなければならない。クロムはめ込み部の厚みは３／１０ないし１ｍｍにすることができる。はめ込み部６の外側端縁は、図示の例では支持表面に対して円錐状に拡大され、その結果、ピストン軸に対して傾斜した保護面１０が形成されている。そのため、この傾斜した保護面１０の領域内には垂直な支持力が与えられ、それにより切れ目パターンないし階段状パターンが効果的に防止される。保護面１０の傾斜角は４５゜にすることができる。
【００２０】
簡単な場合には、燃焼室から離隔したリング溝フランクの領域内にのみ、通常は下方のリング溝フランクの領域内に、クロムはめ込み部６を設ければよい。図示の例では、両リング溝フランクの領域内にクロムはめ込み部６が設けられており、それは燃焼室近傍のリング溝フランクに高度の耐磨耗性を保証するものである。
【００２１】
図２に示す実施の形態は、図１に示した実施の形態とは、ピストンリング４の両フランク領域内にもクロムはめ込み部１１が付加的に設けられ、しかもクロムはめ込み部１１はピストンリング４の外側端縁にまで設けられるのではなく、基材からなる端縁領域１２が残存するように外側端縁から離隔されている点で異なっている。端縁領域１２は対向側のピストンリング４およびピストンリング溝３の設備領域内に事実上、鋼対鋼およびクロム対クロムの材料ペアが存在することになり、それにより電池作用が防止され、従って高度の耐腐食性を達成することができる。図示の例ではピストンリング４の外周面が付加的な補強部１３、例えばプラズマ層またはセラミックス層を備えている。
【００２２】
リング溝フランクの外周側端縁の領域内には、経験によれば極めて高い負荷が生ずる。その場合、運転開始時にまず最初に端縁領域７の硬化材が全負荷を負う。その場合、図２に特性線１４によって示されるような負荷パターンが生ずる。この負荷パターンは、端縁側に大きな尖頭負荷を生ずることを示している。端縁領域７の硬化材のミクロ層が剥離されると、直ちに尖頭負荷が溝の深さ方向にシフトし、いまやクロムはめ込み部６のクロム材料が負荷を負うようになる。それに応じて端縁領域内の尖頭負荷が除去され、図２に特性線１５の負荷パターンによって示されているように負荷は内側で増大する。このシフトは特性線１４，１５で示す負荷パターンの下で積分値が等しくなるように行われる。両特性線１４，１５による負荷パターンの比較は、本発明の構成では負荷のバランス作用を遂行し、各材料が適切に適用されていることを示している。ここでは硬化鋼しか設けられていないが、尖頭負荷は除去されている。それに対して臨界温度以下で耐高負荷性クロムの負荷が増大され、表面積分値は一定に維持される。同時に、クロムは最高の材料加熱が予想される領域では関与しないように保たれる。従って、この最適化によって特に長寿命を期待することができる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、簡単かつ低コストの手段をもって、比較的高い点火圧力の下でも長寿命を示すピストンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】両溝端縁領域に設けられたクロムはめ込み部を備える、本発明によるピストンの要部の縦断面図。
【図２】両溝フランクおよびそれに対向するピストンリングフランクの領域にクロムはめ込み部を備える、図１に対応した本発明による他の構成例を示す縦断面図。
【符号の説明】
１  シリンダライナ
２  ピストン
３  ピストンリング溝
４  ピストンリング
５  硬化ゾーン
６  はめ込み部
７  端縁領域
８  内側領域
９  受入れポケット
１０  保護面
１１  クロムはめ込み部
１２  端縁領域
１３  補強部
１４  特性線
１５  特性線
【図１】
0004417481.tif 000002
【図２】
0004417481.tif 000003