(57)【要約】  本発明は、内燃機関用の複数部分から成るピストン（１０，１１０）を製造する方法であって、下記の方法ステップ：すなわち、接合面（２４，２８；１２４，１２８）を備えた内側の支持エレメント（２２，２６；１２２，１２６）と接合面（２５，２９；１２５，１２９）を備えた外側の支持エレメント（２３，２７；１２３，１２７）とをそれぞれ有する、ピストン上側部分（１１）とピストン下側部分（１２）とを製造し、少なくとも１つの接合面（２４，２８；２５，２９；１２４，１２８；１２５，１２９）の領域に高温ろう付け用ろう材を被着し、接合面（２４，２８；２５，２９；１２４，１２８；１２５，１２９）の間における接触部の形成によって、ピストン上側部分（１１）とピストン下側部分（１２）とをまとめて１つのピストンボディを形成し、該ピストンボディを真空炉内にもたらして、該真空炉を排気し、ピストンボディを最高で１０−2ｍｂａｒの圧力において、最高で１３００℃のろう付け温度に加熱し、ろう付けされたピストン（１０，１１０）を最高で１０−2ｍｂａｒの圧力で、高温ろう付け用ろう材が完全に凝固するまで冷却する、という方法ステップを特徴とする。本発明はさらに、この方法によって製造可能なピストン（１０，１１０）に関する。
2012533020.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関用の複数部分から成るピストン（１０，１１０）を製造する方法であって、下記の方法ステップ：すなわち、
イ）接合面（２４，２８；１２４，１２８）を備えた内側の支持エレメント（２２，２６；１２２，１２６）と接合面（２５，２９；１２５，１２９）を備えた外側の支持エレメント（２３，２７；１２３，１２７）とをそれぞれ有する、ピストン上側部分（１１）とピストン下側部分（１２）とを製造し、
ロ）少なくとも１つの接合面（２４，２８；２５，２９；１２４，１２８；１２５，１２９）の領域に高温ろう付け用ろう材を被着し、
ハ）接合面（２４，２８；２５，２９；１２４，１２８；１２５，１２９）の間における接触部の形成によって、ピストン上側部分（１１）とピストン下側部分（１２）とをまとめて１つのピストンボディを形成し、
ニ）該ピストンボディを真空炉内にもたらして、該真空炉を排気し、
ホ）ピストンボディを最高で１０−2ｍｂａｒの圧力において、最高で１３００℃のろう付け温度に加熱し、
ヘ）ろう付けされたピストン（１０，１１０）を最高で１０−2ｍｂａｒの圧力で、高温ろう付け用ろう材が完全に凝固するまで冷却する、
という方法ステップを特徴とする、内燃機関用の複数部分から成るピストンを製造する方法。
【請求項２】
ニッケル、コバルト及び／又は銅をベースとする高温ろう付け用ろう材を使用する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
高温ろう付け用ろう材を、少なくとも１つの接合面（２４，２８；２５，２９；１２４，１２８；１２５，１２９）に面状に被着する、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
高温ろう付け用ろう材を、少なくとも１つの接合面の領域に配置された少なくとも１つのろう材溜め凹部（３３，１３３，１３５）内に挿入する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
少なくとも１つのろう材溜め凹部（３３，１３３，１３５）を、環状又は直線状の溝として、又は球欠形状の凹部として形成する、請求項４記載の方法。
【請求項６】
ピストン上側部分（１１）及び／又はピストン下側部分（１２）に、少なくとも１つのセンタリング面（３２，１３２）を設ける、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
少なくとも１つのセンタリング面（３２，１３２）にろう材を設ける、請求項６記載の方法。
【請求項８】
少なくとも１つのセンタリング面（３２，１３２）が角隅において接合面（２８，１２５）に当接し、高温ろう付け用ろう材を角隅に被着する、請求項７記載の方法。
【請求項９】
ピストンボディを、少なくとも１０００℃のろう付け温度に加熱する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
ろう付け温度を少なくとも５分間一定に保つ、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
１℃／分〜５０℃／分の冷却速度を選択する、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法によって製造可能な、内燃機関用の複数部分から成るピストン（１０，１１０）。
【請求項１３】
外側の環状の冷却通路（１９）と内側の冷却室（２１）とを画定する、リング形状の内側の支持エレメント（２２，２６）が設けられている、請求項１２記載のピストン。
【請求項１４】
外側の環状の冷却通路（１１９）を画定する、真ん中の内側の支持エレメント（１２２，１２６）が設けられている、請求項１２記載のピストン。
【請求項１５】
ピストンが、フェライト−パーライト組織と２３０ＨＢ〜３００ＨＢの硬度とを有する鋼ベース材料、特にＡＦＰ鋼から成っている、請求項１２から１４までのいずれか１項記載のピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関用の複数部分から成るピストンとこのようなピストンを製造する方法に関する。
【０００２】
ピストン上側部分とピストン下側部分との結合は、ＥＰ１４８３４９３Ｂ１に詳しく記載されているような問題を引き起こすことがある。ピストン上側部分とピストン下側部分とは例えば互いに溶接によって又は互いに螺合によって結合可能であり、この場合それぞれの結合技術は特有の利点及び欠点を有している。国際特許出願ＰＣＴ／ＤＥ２００８／０１３９４からはさらに、ピストン上側部分とピストン下側部分とをろう材を用いて互いに結合することが公知である。しかしながらこの場合、方法パラメータについての記載はなされていない。
【０００３】
本発明の課題は、複数部分から成るピストンを製造するための簡単化されたろう付け方法であって、可能な限り僅かな手間でピストン上側部分とピストン下側部分との間における確実なろう付けを保証する、ろう付け方法を提供することである。
【０００４】
この課題を解決するために本発明の方法では、内燃機関用の複数部分から成るピストンを製造する方法であって、下記の方法ステップ：すなわち、
イ）接合面を備えた内側の支持エレメントと接合面を備えた外側の支持エレメントとをそれぞれ有する、ピストン上側部分とピストン下側部分とを製造し、
ロ）少なくとも１つの接合面の領域に高温ろう付け用ろう材を被着し、
ハ）接合面の間における接触部の形成によって、ピストン上側部分とピストン下側部分とをまとめて１つのピストンボディを形成し、
ニ）該ピストンボディを真空炉内にもたらして、該真空炉を排気し、
ホ）ピストンボディを最高で１０−2ｍｂａｒの圧力において、最高で１３００℃のろう付け温度に加熱し、
へ）ろう付けされたピストンを最高で１０−2ｍｂａｒの圧力で、高温ろう付け用ろう材が完全に凝固するまで冷却する、
という方法ステップを特徴としている。
【０００５】
本発明はまた、この方法によって製造可能なピストンである。
【０００６】
本発明によれば、初めに、接合面を備えた内側の支持エレメントと接合面を備えた外側の支持エレメントとをそれぞれ有する、ピストン上側部分とピストン下側部分とが製造され、次いで少なくとも１つの接合面の領域に高温ろう付け用ろう材が被着され、接合面の間における接触部の形成によって、ピストン上側部分とピストン下側部分とがまとめられて１つのピストンボディが形成され、該ピストンボディは次いで真空炉内にもたらされて、該真空炉の排気後に、最高で１０−2ｍｂａｒの圧力において最高で１３００℃のろう付け温度に加熱される。その後でろう付けされたピストンは最高で１０−2ｍｂａｒの圧力で、高温ろう付け用ろう材が完全に凝固するまで冷却される。
【０００７】
本発明による方法によって、本発明によるピストンのベース材料の所望の材料特性が真空炉における加熱後に得られ、さらなる加熱処理、特に応力除去はもはや不要になり、しかもベース材料は特にその強度、硬度及び組織形態に関して可能な限り最適な値を有するようになる。本発明による方法は従って、従来技術において公知の方法に比べて、短時間かつ安価である。
【０００８】
本発明の有利な実施態様は、従属請求項に記載されている。
【０００９】
基本的には、公知のすべての高温ろう付け用ろう材が適している。しかしながらニッケル、コバルト及び／又は銅をベースとするろう材が有利である。適宜なろう材のための一例としては、ニッケルコバルトろうＬ−ＢＮｉ２（ＥＮ１０４４もしくはＤＩＮ８５１３による）が挙げられる。このろう材によって、特にＡＦＰ鋼の使用時には、ピストン上側部分とピストン下側部分との間における特に堅固で確実な結合部が得られる。
【００１０】
ろう材の被着の形式については、当業者の任意である。ろう材は例えば面状に少なくとも１つの接合面に被着、特に塗布されるか、又はプランジャを用いて押し付けられてよい。ろう材はしかしながらまた、少なくとも１つの接合面の領域に配置されたろう材溜め凹部内に入れられてもよい。この場合少なくとも１つのろう材溜め凹部は、製造技術的に特に簡単な形式で、環状又は直線状の溝として、又は球欠形状の凹部として形成することができる。
【００１１】
ピストン上側部分とピストン下側部分との組立てを簡単にするため、及びピストン上側部分とピストン下側部分との相互の正確な方向付けを特に簡単に保証するためには、ピストン上側部分及び／又はピストン下側部分が、少なくとも１つのセンタリング面を備えていると有利である。特に、少なくとも１つのセンタリング面が角隅において接合面に当接され、ろう材が角隅に有利に被着されるようになっていると有利である。
【００１２】
ピストンボディは真空炉内において有利には少なくとも１０００℃のろう付け温度に加熱される。このようにすると、ろう付け工程中に作用する毛管現象の力を用いてろう材を最適に分布させることができる。ろう付け温度を少なくとも５分間一定に保つと有利である。
【００１３】
本発明による方法は、複数部分から成るすべてのピストンのために適している。例えば、外側の環状の冷却通路と内側の冷却室とを画定する、リング形状の内側の支持エレメントが設けられていてよい。しかしながらまた、真ん中の内側の支持エレメントが設けられていて、この支持エレメントが外側の環状の冷却通路を画定していて、この冷却通路がピストン頂部の下における大きな領域にわたって延びているような構成も可能である。両方の場合において特に良好な冷却作用が、冷却通路もしくは冷却室において循環する冷却オイルによって生ぜしめられる。
【００１４】
本発明によるピストンは有利には、フェライト−パーライト組織を有する鋼ベース材料、特にＡＦＰ鋼から成っている。本発明の方法によって得ることが望まれている、ベース材料の硬度は、有利には２３０ＨＢ〜３００ＨＢである。
【００１５】
次に図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明によるピストンの第１実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明によるピストンの第２実施形態を示す断面図である。
【図３】本発明による方法の冷却段階を示すＴＴＴ図である。
【００１７】
図１には本発明によるピストン１０の第１実施形態が、ろう付け工程前のまとめられたピストンボディとして示されている。ピストン１０は、図示の実施形態ではピストン上側部分１１とピストン下側部分１２とから成っており、両ピストン部分１１，１２はＡＦＰ鋼から鍛造されている。ピストン上側部分１１は燃焼凹部１３、環状のトップランド（Feuersteg）１４及び環状のリング部分１５を有している。ピストン下側部分１２は、ピストンスカート１６と、ピストンピン（図示せず）を受容するためのボス孔１８を備えたボス１７とを有している。ピストン上側部分１１とピストン下側部分１２とは、環状の外側の冷却通路１９と同心的な内側の冷却室２１とを形成している。
【００１８】
ピストン上側部分１１は内側の支持エレメント２２と外側の支持エレメント２３とを有している。内側の支持エレメント２２は、ピストン上側部分１１の下側面にリング形に環状に配置されていて、接合面２４を有している。内側の支持エレメント２２はさらに、内側の冷却室２１の環状の壁の一部を形成している。ピストン上側部分１１の外側の支持エレメント２３は、図示の実施形態ではリング部分１５の内部に形成されていて、接合面２５を有している。内側の支持エレメント２２はさらに、冷却オイルを外側の冷却通路１９から内側の冷却室２１内にオーバフローさせるためのオーバフロー通路３１を有している。
【００１９】
ピストン下側部分１２もまた同様に、内側の支持エレメント２６と外側の支持エレメント２７とを有している。内側の支持エレメント２６は、ピストン下側部分１２の上側面に環状に配置されていて、接合面２８を有している。内側の支持エレメント２６はさらに、内側の冷却室２１の環状の壁の一部を形成している。外側の支持エレメント２７は図示の実施形態では、リング部分１５の内部に形成されていて、接合面２９を有している。内側の支持エレメント２６はさらに環状のセンタリング面３２を有していて、このセンタリング面３２は図示の実施形態では、接合面２８に該接合面２８に対して直角に起立している。さらにピストン下側部分１２には環状のカラーが取り付けられており、このカラーによって接合面２９は半径方向に拡大され、ろう付け材料を被着するための大きな表面を提供する。カラーはろう付け工程の後、例えばピストンの仕上げ加工時に、再び除去される（図示せず）。
【００２０】
図１においてピストン１０は、ろう付け工程の前におけるまとめられたピストンボディとして示されている。この実施形態では、高温ろう付け用ろう材が、ピストン下側部分１２の内側の支持エレメント２６のセンタリング面３２と接合面２８との間の角隅に、ろう材溜め３３として被着される。ろう材は、環状のろう材溜め３３として又は点状又は線形のろう材溜めとして被着されてよい。付加的に図示の実施形態では、ろう材は薄い層として、ピストン上側部分１１及び／又はピストン下側部分１２の外側の接合面２５；２９のうちの少なくとも１つに被着される（図示せず）。これはしかしながら必ずしも必要ではない。他の実施形態では、ろう材は、ろう材溜めを設けることなしに、もっぱら面で接合面に被着されてもよい。
【００２１】
次いでピストン上側部分１１とピストン下側部分１２とはその接合面２４，２５；２８，２９に沿って接触させられ、１つのピストンボディにまとめられ、この際にセンタリング面３２はピストン上側部分１１とピストン下側部分１２との正確な方向付けを保証する。
【００２２】
図２には本発明によるピストン１１０の第２実施形態が、ろう付け工程前のまとめられたピストンボディとして示されている。このピストン１１０は、図１に示したピストン１０にほぼ相当している。
【００２３】
最も重要な相違点は、ピストン上側部分１１とピストン下側部分１２とが単に１つの外側の冷却通路１１９を形成していることにある。そのためにピストン上側部分１１は内側の支持エレメント１２２を有しており、この支持エレメント１２２は、ピストン上側部分１１の下側面において真ん中に配置されていて、接合面１２４を有している。相応にピストン下側部分１２は内側の支持エレメント１２６を有しており、この支持エレメント１２６は、ピストン下側部分１２の上側面において真ん中に配置されていて、接合面１２８を備えている。形成された冷却通路１１９は、これによって特に広範囲にわたって燃焼凹部１３の下に延在しているので、効果的な冷却作用が得られる。
【００２４】
別の相違点として次のことが挙げられる。すなわち図２に示した実施形態では、ピストン上側部分１１の外側の支持エレメント１２３はリング部分１５の下に形成されている。外側の支持エレメント１２３は接合面１２５と環状のセンタリング面１３４とを有しており、このセンタリング面１３４は図示の実施形態では接合面１２５に該接合面１２５に対して垂直に位置している。ピストン下側部分１２の外側の支持エレメント１２７は相応にリング部分１５の下に形成されていて、接合面１２９を有している。
【００２５】
図２においてピストン１０は同様に、ろう付け工程前のまとめられたピストンボディとして示されている。この実施形態では高温ろう付け用ろう材は、ピストン上側部分１１の外側の支持エレメント１２３の接合面１２５とセンタリング面１３４との間の角隅に、ろう材溜め１３３として被着される。ろう材は環状のろう材溜め１３３として又は複数の点状の又は線形のろう材溜めとして被着されることができる。さらにこの実施形態では、ピストン下側部分１２の真ん中の支持エレメントの接合面１２８に、ろう材を満たされた球欠形状のろう材溜め１３５が設けられている。
【００２６】
次いでピストン上側部分１１とピストン下側部分１２とは、その接合面１２４，１２５；１２８，１２９に沿って接触させられ、ピストンボディにまとめられ、この際にセンタリング面１３４はピストン上側部分１１とピストン下側部分１２との正確な方向付けを保証する。
【００２７】
ピストン１０，１１０を製造するためのろう付け方法は、上記実施形態では次のように実施される。ベース材料としてＤＩＮ-ＥＮ１０２６７によるＡＦＰ鋼 ３８ＭｎＶＳ６が選択される。高温ろう付け用ろう材としては、ＥＮ１０４４もしくはＤＩＮ８５１３によるニッケルベースろう材 Ｌ−ＢＮｉ２が選択される。このろう材の目標組成は、クロム７質量％、ホウ素３.１質量％、ケイ素４.５質量％、鉄３質量％、炭素最大０.０６質量％及びニッケル１００質量％までである（すべてのパーセント表示はろう材に関連している）。溶融線図における固相線−液相線に沿った溶融温度の範囲は、９７０℃〜１０００℃である。ろう付け温度の範囲は１０１０℃〜１１８０℃である。
【００２８】
ピストンボディは、冷却ガス装置を備えた公知の高温真空炉内にもたらされる。真空炉は、約５×１０−3 ｍｂａｒに達するまで、排気される。次いで真空炉は１１５０℃のろう付け温度に加熱される。圧力は加熱段階中、最高で１０−2 ｍｂａｒである。ろう付け温度は実施形態では、１５分〜６０分一定に保たれ、この際に圧力は５×１０−4 ｍｂａｒまで低下する。次に真空炉は、ろう材が完全に凝固するまで（実施形態では約９６０℃）、冷却される（図３参照）。この約９６０℃温度から、例えば窒素である冷却ガスの吹き込みによって、加速された冷却を行うことができる。この冷却プロセスは、出来上がったピストン１０，１１０がＡＦＰ鋼におけるフェライト−パーライト組織構造と２３０ＨＢ〜３００ＨＢの硬度を有するように、制御される。
【００２９】
冷却プロセスの制御時には通常、当業者に公知の種々様々なパラメータを考慮することができる。最も簡単な制御としては、当業者に公知のいわゆるＴＴＴ図（時間と温度による鋼の組織変化を示す線図）に基づく制御が挙げられる。この線図は通常、ＡＦＰ鋼３８ＭｎＶＳ６においてもそうであるように、ベース材料のメーカによって使用される。しかしながらまた、真空炉の構造、加工される材料のサイズ、形状及び数もまた重要なパラメータとして考慮されるべきである。それというのは、これらのパラメータは材料の熱容量に対して影響を及ぼすからである。熱伝導及び熱放射のような物理的効果や組織変化に基づく熱的効果もまた、それぞれの温度範囲にわたって常に直線的に変化するのではないので、冷却プロセスに影響を及ぼす。
【図１】
2012533020.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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