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JPS5936100B2 - 表面が局部的に高く熱負荷される内燃機関の軽金属ピストン - Google Patents

表面が局部的に高く熱負荷される内燃機関の軽金属ピストン

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Publication number
JPS5936100B2
JPS5936100B2 JP52068781A JP6878177A JPS5936100B2 JP S5936100 B2 JPS5936100 B2 JP S5936100B2 JP 52068781 A JP52068781 A JP 52068781A JP 6878177 A JP6878177 A JP 6878177A JP S5936100 B2 JPS5936100 B2 JP S5936100B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light metal
high heat
heat load
internal combustion
hard
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired
Application number
JP52068781A
Other languages
English (en)
Other versions
JPS52153017A (en
Inventor
アルプレヒト・オスタ−マン
マンフレ−ト・レ−ルレ
クラウス・ヴエルカ−
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mahle GmbH
Original Assignee
Mahle GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mahle GmbH filed Critical Mahle GmbH
Publication of JPS52153017A publication Critical patent/JPS52153017A/ja
Publication of JPS5936100B2 publication Critical patent/JPS5936100B2/ja
Expired legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16JPISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J1/00Pistons; Trunk pistons; Plungers
    • F16J1/01Pistons; Trunk pistons; Plungers characterised by the use of particular materials
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00Pistons 
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00Metals
    • F05C2201/02Light metals
    • F05C2201/021Aluminium
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2251/00Material properties
    • F05C2251/04Thermal properties
    • F05C2251/042Expansivity
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00Metal working
    • Y10T29/49Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49229Prime mover or fluid pump making
    • Y10T29/49249Piston making
    • Y10T29/49256Piston making with assembly or composite article making
    • Y10T29/49263Piston making with assembly or composite article making by coating or cladding

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
  • Heat Treatment Of Nonferrous Metals Or Alloys (AREA)
  • Electrochemical Coating By Surface Reaction (AREA)
  • Electroluminescent Light Sources (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は表面が局部的に高く熱負荷される内燃機関の軽
金属ピストン、とくに高温強度上昇のため表面を硬質陽
極酸化したピストンヘッドに関す5 る。
温度に応じて局部的に高く負荷される軽金属ピストンの
表面の高温強度を電解酸化により上昇することは古くか
ら公知であり、常用された。
これはとくにピストンヘッドおよびとくに燃焼室の11
0部を形成する凹所を有するピストンヘッドに有効であ
る。高負荷内燃機関のピストンの場合クラック形成の危
険がある。
この種のクラックは主として局部的に過大な温度と同時
にガス圧力による高い機械15的負荷のため発生する。
クラック発生機構はピストンヘッドの凹所の周縁のクラ
ックにもつとも明らかに示される。燃焼室のl部を形成
する凹所の周縁は主として次の負荷にさらされる:20
a)局部的に周縁に作用するきわめて高い温度、b)高
いガス圧力、c)高い周期で変化する温度およびガス圧
力。
これらの負荷のもとに発生するクラックは半径方向に凹
所周縁を超えて走り、ほぼすべての常用25アルミニウ
ムピストン合金に現れる。ピストンヘッドにある凹所は
、ピストンヘッド外側周縁から凹所周縁へ向つて上昇し
てそこから凹所の底へ向つて降下する温度経過を示す。
この温度条件でピストンヘッドのもつとも強く加熱さ3
0れるゾーンすなわち凹所の周縁は、その材料の熱膨張
係数およびその部分を支配する温度に相当する自由な膨
張が凹所周縁を全面的に包囲する材料の低温ゾーンによ
つて阻止される。それゆえ十分に加熱された凹所周縁に
は強い圧縮応力が発生す35る。この圧縮応力により十
分に耐熱性でない軽金属は凹所周縁範囲で塑性変形する
。この範囲に発生する温度ピークはしばしば350℃を
超える。アルミニウムピストン合金の場合、強度は一般
に250℃以下の温度で著しく低下するので、上記温度
ピークで負荷は弾性限を容易に超える。ピーク温度下の
塑性変形で現れる凹所範囲の材料の据込はそこに冷却の
際引張応力を生ずる。これはさらに凹所周縁範囲の半径
方向クラツクの原因となる。この種のクラツクを避ける
ためこの範囲はとくに電解的に酸化される。このような
いわゆる硬質陽極酸化層の咋用は次のように説明される
。硬質陽極酸化層の範囲には圧縮応力が形成される。硬
質陽極酸化層自体はそのセラミツク性のため非常に高い
温度に対し十分安定である。その限りにおいて硬質陽極
酸化層自体はたとえば350℃を超えるピーク温度でも
なお安定である。さらにこの層からその下にある酸化さ
れていないアルミニウム基質に対するもう1つの重要な
咋用が生ずる。というのは力の平衡が必要なため、硬質
陽極酸化層の圧縮応力は隣接するアルミニウム基質材料
内に相当する引張応力を生ずるからである。この引張応
力はアルミニウム基質の塑性変形に作用する凹所周縁か
ら発する圧縮応力(膨張阻止によつて生ずる)に対抗し
、すなわち引張応力はそこに圧縮応力の状態が生ずる前
にまず吸収されなければならない。その結果硬質陽極酸
化層に接するアルミニウム基質範囲の最大圧縮応力の高
さはそこに必然的に先に導人された引張応力の高さだけ
低下される。酸化物層自体にとつて高い圧縮応力状態は
有害でない。というのは酸化物層ではそのセラミツク性
のためそこに生ずる最高温度の上限においてもなお塑性
変形を生じないからであ.る。換言すれば酸化物層自体
すべての咋動状態で十分高い強度を有する。硬質陽極酸
化層の効果は凹所の周縁でとくに大きい。
というのは前記圧縮応力は危険な周縁の内径範囲にとく
に顕著に形成されるからである。こ .れは平らな底に
対しても同様であるけれど、この部分の圧縮応力は硬質
陽極酸化層内で内径に幾何学的に発生する圧縮応力の割
合だけ低下される。本発明の目的は硬質陽極酸化層から
隣接する軽金属基質へ拡がる引張応力をさらに上昇する
こと ・である。この目的は硬質陽極酸化した表面を硬
質陽極酸化の深さの範囲に限定してさらに機械的に硬化
することによつて解決される。
本発明による機械的硬化の目的は硬質陽極酸化層内の圧
縮応力をさらに付加的に上昇することである。
この場合本発明によりとくに機械的硬化のゾーンと硬質
陽極酸化のゾーンの深さを、機械的硬化によつて生ずる
圧縮応力が硬質陽極酸化層の圧縮応力の基質材料へ導入
される位置で完全にこの応力と重なるように互いに調節
することが重要である。というのはこの方法でのみ基質
材料内の張力が上昇し、それによつて局部的に過大な熱
膨張による塑性変形の危険が避けられるからである。し
かし硬化するゾーンの深さはとくに陽極酸化層の深さを
超えてはならない。というのはさもなければ硬化されて
いない、したがつて高温強度不足の、クラツク発生危険
を有する基質材料へ、クラツク形成を阻止しないという
よりはむしろ促進する圧縮応力が導入されるからである
。圧縮はタップリンク、ハンマリング、シヨツトブラス
トなどの公知法によつて陽極酸化の前または後に行うこ
とができる。
圧縮によつて硬質陽極酸化で生じた圧縮応力は約3〜5
倍に上昇する。本発明により形成されたピストンヘツド
の場合、クラツク発生に対する安定性が硬質陽極酸化し
ただけのヘツドに比して数倍に上昇することが明らかに
なつた。硬質陽極酸化層の厚さは40〜150ttm、
とくに70〜110pmが適当である。
この場合アルミニウムのAIl2O3への変化(硬質陽
極酸化)によつて陽極酸化した基質材料の体積はフアク
タ2で増大し、したがつて硬質陽極酸化層厚の半分だけ
部材の寸法増大が生ずることを考慮しなけれ・ばならな
い。アルミニウムピストンの硬質陽極酸化する位置の圧
縮は本発明とは異なる意味ですでに英国特許明細書第8
03357号から公知であることを指摘しなければなら
ない。
この特許は銅およびケイ素を高率に含むアルミニウム合
金を電解的に酸化する問題に関する。この明細書の実施
例によれば、この種の合金は容易に陽極酸化できない。
酸化する面は最初エツチし、次に機械的にたとえιずロ
ールにより平滑化しなければならない。機械的平滑化の
機能は主としてエツチングによつて生じた孔またはそれ
によつて粗面化された表面を除去し、かつ引続く陽極酸
化のためエツチングによつて銅およびケイ素のなくなつ
た表面を得ることである。酸化物層へ接する基質材料へ
の移行範囲にできるだけ高い張力を発生させるため、酸
化物層の圧縮応力を機械的圧縮によつてこの陽極酸化層
へ付加的に導人した圧縮応力と重ねることによつて、熱
に基くクラツクを避ける本発明の教示に関する手掛りは
この明細書のどこからも引出されない。次に本発明を例
により説明する。合金AlSil2CuMgNiの軽金
属ピストンの凹所を有するヘツドを完全に硬質陽極酸化
した。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 表面が局部的に高く熱負荷される内燃機関の軽金属
    ピストン、とくに高温強度上昇のため表面を硬質陽極酸
    化したピストンヘッドにおいて、局部的に高く熱負荷さ
    れる表面が硬質陽極酸化の深さ範囲を限度としてさらに
    機械的に圧縮されていることを特徴とする表面が局部的
    に高く熱負荷される内燃機関の軽金属ピストン。 2 硬質陽極酸化層の厚さが40〜150μmである特
    許請求の範囲1項記載の軽金属ピストン。 3 硬化陽極酸化層の厚さが70〜110μmである特
    許請求の範囲2項記載の軽金属ピストン。
JP52068781A 1976-06-11 1977-06-10 表面が局部的に高く熱負荷される内燃機関の軽金属ピストン Expired JPS5936100B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE000P26261314 1976-06-11
DE2626131A DE2626131C2 (de) 1976-06-11 1976-06-11 Harteloxierter Leichtmetallkolben für Verbrennungsmotoren

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS52153017A JPS52153017A (en) 1977-12-19
JPS5936100B2 true JPS5936100B2 (ja) 1984-09-01

Family

ID=5980271

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP52068781A Expired JPS5936100B2 (ja) 1976-06-11 1977-06-10 表面が局部的に高く熱負荷される内燃機関の軽金属ピストン

Country Status (6)

Country Link
US (1) US4205649A (ja)
JP (1) JPS5936100B2 (ja)
DE (1) DE2626131C2 (ja)
ES (1) ES459660A1 (ja)
FR (1) FR2354450A1 (ja)
GB (1) GB1540175A (ja)

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Also Published As

Publication number Publication date
ES459660A1 (es) 1978-05-01
FR2354450B1 (ja) 1983-11-18
FR2354450A1 (fr) 1978-01-06
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