CN102441656A - 带有双金属圆顶的柴油机活塞 - Google Patents

Abstract

本发明涉及带有双金属圆顶的柴油机活塞。一种带有铸造双金属圆顶的活塞和制造该活塞的方法。在一种形式中，该圆顶可包括相对高温材料（例如，不锈钢）和相对低温材料（例如，铝或铝合金）的层压材料，使得所述圆顶的由所述相对高温材料制成的部分被直接暴露给该活塞被放置其内的气缸中的燃烧。在另一形式中，涂覆有铝的不锈钢环被用于形成该圆顶。在一种形式中，消融铸造工艺可被用于制造所述圆顶。

Description

带有双金属圆顶的柴油机活塞

相关案的说明

本申请要求2010年10月6日提交的、名称为“带有双金属圆顶的柴油机活塞”的临时申请61/390373的权益，该临时申请通过参考并入本文。

技术领域

本发明总体涉及铸造发动机部件的装置和方法，并且更具体地涉及先进的双金属活塞和其制造方法。

背景技术

在内燃机中使用的活塞通常由头部（也称作圆顶）、裙部、一个或多个环槽、和环槽之间的环槽脊构成。虽然它们在发动机运行过程中承受高的燃烧温度和压力，但是日益严格的排放和效率要求规定未来的活塞将需要被设计为承受甚至更高要求的运行状况。这进而令使用能耐受更高温度的材料和耐损设计成为必需。这对用在柴油发动机中的活塞来说尤其如此，柴油发动机除了作为大型、商用车辆的主流发动机形式外，还日益广泛地被用于为载客车辆提供动力。

虽然在从较小的结构提取更多的动力时期望上述全部的各种活塞部件都承受额外的载荷，但是能够预期到圆顶通过直接暴露于燃烧过程尤其易受到热机械损坏的伤害。不幸的是，通常用于活塞的轻质合金往往具有有限的机械和温度能力。例如，虽然铝合金已被传统地用于减轻柴油发动机活塞的重量，但是它们的有限的耐热性和机械耐久性使它们不符合更完全（并因此更高温度）的燃烧过程的更高的温度要求。钢活塞具有忍受极限环境的能力，但是，它们比铝活塞更重。这个重量问题被与活塞运动相关联的高速度和加速度恶化，这意味着可能还必须构筑辅助结构，这会带来对重量的更加不利的影响。

已经做出许多尝试来将耐高温材料的耐热性与柴油机活塞中铝基材料的较轻重量结合。然而，虽然复合活塞可能满足上述目标，但是与这些活塞的制造相关联的困难已经抵消了这些活塞的大多数益处。由于长时间以来都是用铸造件和一些铸造后的机加工或相关的改造来制造活塞，所以情况更是如此。严格说来，已经难于将内在低成本的铸造方法与活塞中特制材料的替换的灵活性相结合。

目前，活塞被铸造为在圆顶的一侧处带有冒口，这导致圆顶周围的性质变化。这种铸造方法可能被改变以如此馈送活塞使得该冒口处于更典型的位置，例如在圆顶的中心处。在另一替换方式中，可以使用TIG或激光再次熔化碗状物的边沿。虽然这可能在所感兴趣的圆顶区域中形成改善得特别好的微结构，但是那里不存在对燃烧热的绝缘益处。

发明内容

本发明的一方面是制造柴油机活塞的方法。在一个实施例中，该方法包括提供用于包括圆顶的活塞的模型；围绕着该模型形成活塞铸模，该铸模包括骨料材料和结合剂；从活塞铸模中去除模型；将双金属环放置在活塞铸模中圆顶的上表面处；将熔融金属引入到带有双金属环的活塞铸模内；用所述结合剂的溶剂接触活塞铸模并去除所述结合剂和骨料；冷却熔融的金属；并且使熔融的金属固化以形成活塞，从而所述双金属环至少形成所述圆顶的上表面的一部分。

本发明的另一方面是柴油机活塞。在一个实施例中，该柴油机活塞包括本体和圆顶，该圆顶的上表面的至少一部分包括双金属环，该双金属环包括铝或铝合金的第一层和不锈钢的第二层，并且其中该第二层至少形成该圆顶的上表面的一部分，该第一层与所述本体结合，所述本体包括铝或铝合金。

本发明还提供了如下方案：

方案1. 一种制造柴油机活塞的方法，包括：

提供用于包括圆顶的活塞的模型；

在所述模型周围形成活塞铸模，所述铸模包括骨料材料和结合剂；

从所述活塞铸模去除所述模型；

将双金属环放置在所述活塞铸模中所述圆顶的上表面处；

将熔融金属引入到带有所述双金属环的所述活塞铸模中；

用所述结合剂的溶剂接触所述活塞铸模并去除所述结合剂和所述骨料；

冷却所述熔融金属；和

固化所述熔融金属以形成活塞，所述双金属环形成所述圆顶的所述上表面的至少一部分。

方案2. 如方案1所述的方法，其中所述双金属环包括铝或铝合金的第一层和不锈钢的第二层，并且其中所述第二层形成所述圆顶的所述上表面。

方案3. 如方案1所述的方法，其中所述双金属环包括涂覆有铝薄层的不锈钢。

方案4. 如方案1所述的方法，其中所述双金属环由冲压制成。

方案5. 如方案1所述的方法，其中所述活塞的所述模型还包括凹角的燃烧碗状物。

方案6. 如方案1所述的方法，其中所述结合剂是水溶性的，并且其中所述溶剂是水。

方案7. 如方案1所述的方法，其中冷却和固化所述熔融的金属是单独受控的。

方案8. 如方案1所述的方法，其中所述骨料材料是硅砂、锆砂、铬铁矿砂、陶瓷微球或它们的各种组合。

方案9. 如方案1所述的方法，其中冷却所述熔融金属包括用所述溶剂接触所述熔融金属周围的固化金属壳。

方案10. 如方案1所述的方法，还包括：

提供用于内部冷却通道的铸模，用于所述内部冷却通道的所述铸模包括第二骨料材料和第二结合剂；

在将熔融金属引入到所述活塞铸模内之前，将用于所述内部冷却通道的所述铸模放置在所述活塞铸模中；和

用所述第二结合剂的溶剂接触用于所述内部冷却通道的所述铸模并去除所述第二结合剂和所述第二骨料。

方案11. 如方案10所述的方法，其中所述第二骨料材料和所述第二结合剂与用于所述活塞铸模的所述骨料材料和所述结合剂是相同的。

方案12. 如方案1所述的方法，其中用所述结合剂的溶剂接触所述活塞铸模包括用所述溶剂喷洒所述活塞铸模。

方案13. 一种制造柴油机活塞的方法，包括：

提供用于包括圆顶的活塞的模型；

在所述模型周围形成活塞铸模，所述铸模包括骨料材料和结合剂；

从所述活塞铸模去除所述模型；

将双金属环放置在所述活塞铸模中所述圆顶的上表面处；

将熔融金属引入带有所述双金属环的所述活塞铸模中；

用水接触所述活塞铸模并去除所述结合剂和所述骨料；

冷却所述熔融金属；和

固化所述熔融金属以形成活塞，所述双金属环形成所述圆顶的所述上表面的至少一部分。

方案14. 如方案13所述的方法，其中所述双金属环包括铝或铝合金的第一层和不锈钢的第二层，并且其中所述第二层形成所述圆顶的所述上表面。

方案15. 如方案13所述的方法， 其中所述双金属环包括涂覆有铝薄层的不锈钢。

方案16. 如方案13所述的方法，其中所述双金属环由冲压制成。

方案17. 如方案13所述的方法，其中用于所述活塞的所述模型还包括底切燃烧碗状物。

方案18. 如方案13所述的方法，还包括：

提供用于内部冷却通道的铸模，用于所述内部冷却通道的所述铸模包括第二骨料材料和第二结合剂；

在将熔融金属引入到所述活塞铸模内之前，将用于所述内部冷却通道的所述铸模放置在所述活塞铸模中；和

用所述第二结合剂的溶剂接触用于所述内部冷却通道的所述铸模并去除所述第二结合剂和所述第二骨料。

方案19. 如方案18所述的方法，其中所述第二骨料材料和所述第二结合剂与用于所述活塞铸模的所述骨料材料和所述结合剂是相同的。

方案20. 一种柴油机活塞，包括本体和圆顶，所述圆顶的上表面的至少一部分包括双金属环，所述双金属环包括铝或铝合金和不锈钢，并且其中所述本体包括铝或铝合金并且所述双金属环的所述铝或铝合金被结合到所述本体的所述铝或铝合金。

方案21. 如方案20所述的柴油机活塞，其中所述双金属环包括铝或铝合金的第一层和不锈钢的第二层，并且其中所述第二层形成所述圆顶的所述上表面。

方案22. 如方案20所述的柴油机活塞，其中所述双金属环包括涂覆有铝薄层的不锈钢。

附图说明

通过结合下列附图来阅读时可最佳地理解下面对具体实施例的详细描述，其中相同的结构用相同的参考标记指示，其中：

图1是根据现有技术的带有传统金属圆顶的柴油活塞的顶部立体图；

图2是图1的柴油机活塞的剖视图；以及

图3是根据本发明的一方面的活塞的剖视图，其中所述圆顶的至少平坦部分由双金属材料制造。

具体实施方式

消融铸造方法可用于生产带有包括层压材料的铸态圆顶的活塞。使用消融铸造提供了铸造带有近净形圆顶而无需其它铸造工艺所要求的显著机加工的活塞的可能性。用这种方法，双金属铸态表面可被放置在活塞圆顶的至少一部分上。在一种形式中，该活塞可包括从活塞外圆周到碗状物边沿的平坦区域。这可能是有利的，因为将层压材料的应用仅限于圆顶的平坦架，它强化了易受高热应力的区域并提供了一些绝缘益处，同时保持重量增加最小化。

在一种形式中，可使用另外一个容忍高温的不锈钢层作为层压材料层中的一层，而铝基材料可作为另一层。除了相对于铝增强了对热载荷的抵抗力，不锈钢还将为圆顶提供一定程度的刚度，并且由于其相对于下面的铝的较低的导热性，它将作为热屏障以防止热疲劳裂纹在碗状物边沿处形成。不锈钢材料还可提供环槽的针对燃烧热的一定程度的绝缘。

在一种具体的形式中，层压材料被构造为圆顶插入件。使用镶铸的插入件消除了对通常用于实现非常局域化的改善的激光或钨极惰性气体（TIG）再熔化的需要。

在另一形式中，铸造方法可用于建立碗状物本身。在一个形式中，铸模可由型砂制造，该型砂能够消融铸造，使得可容易地且低成本地制造复杂的圆顶形状，包括那些带有凹角特征的。

首先参照图1和2，用于传统的柴油机活塞的圆顶的合金可能易受早期失效，尤其是在温度管理制度和制造限制可能不充分的地区。目前的活塞，除了其它因素以外，由于热和微结构变化而易受裂纹影响。在边沿中存在裂纹10。

接着参照图3，示出了根据本发明的一方面的柴油机活塞50。在这个设计中，大体上该圆顶的上表面，并且尤其基本平坦的外围，可包括双金属环55。在一个实施例中，双金属环55是包括铝或铝合金的下层60和更具耐热性的材料（如不锈钢）的上层65的层压材料。双金属层压材料的总厚度可以是约4mm到约6mm，其中铝部分占总厚度的约10－20％。层压材料环可通过冲压制造。在另一实施例中，不锈钢环（约4到约6mm厚）可涂覆有铝薄层（例如，小于约100微米，或在约25微米和约50微米之间）。

层压材料55可通过将该层压材料55作为插入件放入型砂铸模中，和活塞70的其余部分铸造在一起。层压材料插入件55的一侧60将为低熔点的铝合金，该铝合金将冶金地结合到所使用的活塞合金。层压材料的厚度将足以保证不锈钢材料65包围碗状物边沿。任选地，可采用一些小的边缘机加工以提供更加倒圆的边缘以减小应力集中。不锈钢层65将不仅提供如上讨论的热益处，它的表面抛光也会非常好，这额外地最少化了应力集中点的出现。

使用消融铸造工艺会整体上产生更加精细的微结构，这导致了增强的活塞性质。例如，与消融铸造相关联的更快的冷却导致更精细的微结构和更好的机械性质（如被更小的二次枝晶间距（SDAS）所证实的）。

消融铸造方法可用于生产带有包括铸态、底切燃烧碗状物的圆顶，和任选的内部冷却通道的活塞。消融使用无机（即，水溶性）型芯，并且水被喷洒在铸模上，铸模被慢慢地冲走（因此术语“消融”），从而快速地冷却该铸造件。快速冷却导致改进的机械性质。消融铸造允许生产具有精细的固化微结构的复杂零件。水的应用允许彼此单独地控制部件固化和冷却（例如，通过在铸造件的其它区域之前将水应用到该铸造件的特定区域或者通过向不同的区域应用不同量的水）。通过提供实现整个剖面的更高的机械性质（例如在室温和高温下的拉伸性质和疲劳性质）经常所需的高固化速率和改善的微结构，消融铸造允许形成复杂的零件，例如那些兼有薄厚剖面的零件，以及那些带有复杂内芯的零件。整个剖面的性质与那些用碗状物边沿再熔化制造的相比更优，碗状物边沿再熔化仅在表面下微小深度（例如，几毫米）的程度上提供期望的精细微结构。

消融铸造工艺总体在美国专利7121318中被描述，该专利通过参考并入本文。由一种材料形成模型，并且围绕该模型的至少一部分形成铸模。铸模由骨料材料和结合剂制成。将模型从铸模中去除，并且此后向铸模内引入熔融的金属。用溶剂接触铸模，并且使熔融的金属冷却从而该熔融的金属至少部分地固化以形成铸造件。冷却步骤包括用溶剂接触熔融金属周围的固化金属壳。

消融铸造通常还没有被用于铸造柴油机活塞，更不用说带有底切燃烧碗状物的柴油机活塞。

美国专利7164963、7618823和7225049描述了消失模铸造（lost foam casting）（消融铸造的一种类型）的分析方法，每一个上述专利都通过参考并入本文。

消融铸造的使用提供了铸造带有近净形圆顶的活塞而无需其它工艺所要求的显著机加工的可能性。因此，圆顶和燃烧碗状物可被同时铸造。在一个特别的形式中，底切碗状物和内部通道将借助骨料一次性铸模来生产，可利用浇铸模具中的可缩回的工具通过传统的型芯技术产生该骨料一次性铸模。在当前的背景下，浇铸介质的骨料形式包括，但不限于，硅砂、锆砂、铬铁矿砂、陶瓷微球等。

与本发明相关联的益处包括减少的机加工成本、用于改进机械性质的改善的铸态微结构、利用砂（或相关的）浇铸工艺来专门制造圆顶中的底切区域、减小铸造件重量、和消除对内部盐芯的需要。传统的盐芯可被与活塞铸模相同材料的骨料芯代替。

在一种形式中，砂模铸造可被用于生产本发明的活塞。该工艺将大大减少通常与永久铸模铸造一起使用的大而重的冒口，从而导致了改进的材料产出。而且，消融铸造本身固有的高冷却速率使得该工艺更容易适合实现带有改进的材料性质的改善的微结构。这些改进的材料性质会提供作为整体来说更强的活塞，以及连续地通过严格的气缸垫有效性测试所需的活塞碗状物边沿强度（无需必须再熔化该区域）。

在一个具体形式中，该铸模可由型砂制成，该型砂能用于消融铸造，使得能容易地且低成本地制造复杂的圆顶形状，包括那些带有底切和内部冷却通道特征的。如此，型砂铸模可用作消融工艺的一部分。

改进的材料产出可通过消除经常被用作永久铸模铸造操作的一部分的大冒口来实现。特别地，通过使用消融铸造方法，固有的高冷却速率能允许活塞被形成为具有均匀的微结构和相关的结构性质。

除了更精细的微结构和增强的活塞性质以外，使用消融工艺允许更精细得多的细节被铸造在零件中，包括错综的冷却通路。该工艺减少或消除了对在圆顶周围区域中的铸造后机加工的需要，尤其是当它和底切区域相关时。因为消融铸造是生产完备的，所以扩大规模以制造大量的活塞或相关的部件相对来说是简单的。可采用骨料一次性铸模来允许活塞圆顶的燃烧碗状物和润滑冷却油通道被形成为铸造件的一部分。

将消融铸造用于柴油机活塞有助于通过减少或消除对昂贵的二次处理（例如机加工或再熔化）的需要而实现显著的微结构改善。在期望改善的微结构的情况中，例如碗状物边缘或活塞的其它复杂3D区域，可局部地（在圆顶底切区域中）进行钨极惰性气体（TIG）或激光再熔化。后续的机加工，例如用以产生碗状物边缘的适当形状，可被类似地减少或消除。

本发明利用了消融铸造工艺来消除对活塞圆顶处的大冒口的需求。更加快速且均匀地冷却圆顶的能力会增强机械性质。特别地，一次性骨料铸模会允许燃烧碗状物以铸态形成。而且，骨料铸模材料还可被用于形成顶部环槽后面的油通道，从而消除了对盐芯的需要。这额外地允许了活塞的快速原型设计，这可改进总体的开发测试。

应当注意的是，如“优选地”、“一般地”和“通常地”这样的术语在本文中不是用于限制所要求保护的发明的范围或用于暗示某些特征对所要求保护的发明的结构或功能来说是关键的、必要的、或者甚至重要的。相反，这些术语仅仅用于强调替换的或附加的特征，这些特征可以被用于或可以不被用于本发明的具体实施例中。

为了描述和定义本发明的目的，应当注意到，术语“装置”在本文中被用来代表部件的组合和单独的多个部件，无论这些部件是否与其它部件组合。例如，根据本发明的“装置”可包括电化学转换组件或燃料电池、包括根据本发明的电化学转换组件的车辆等。

为了描述和定义本发明的目的，应当注意到，术语“基本上”在本文中被用于表示固有的不确定度，这个不确定度可归因于任何定量比较、值、测量或其它表示。术语“基本上”在本文中还被用于表示一种程度，定量的表示可从所述的参考点在该程度上变化而不会导致所讨论的主题的基本功能的变化。

虽然已经为说明本发明的目的示出了某些代表性的实施例和细节，但是本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下可以进行各种改变，本发明的范围由所附的权利要求限定。

Claims (10)

1.一种制造柴油机活塞的方法，包括：

提供用于包括圆顶的活塞的模型；

在所述模型周围形成活塞铸模，所述铸模包括骨料材料和结合剂；

从所述活塞铸模去除所述模型；

将双金属环放置在所述活塞铸模中所述圆顶的上表面处；

将熔融金属引入到带有所述双金属环的所述活塞铸模中；

用所述结合剂的溶剂接触所述活塞铸模并去除所述结合剂和所述骨料；

冷却所述熔融金属；和

固化所述熔融金属以形成活塞，所述双金属环形成所述圆顶的所述上表面的至少一部分。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述双金属环包括铝或铝合金的第一层和不锈钢的第二层，并且其中所述第二层形成所述圆顶的所述上表面。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述双金属环包括涂覆有铝薄层的不锈钢。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述双金属环由冲压制成。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述活塞的所述模型还包括凹角的燃烧碗状物。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述结合剂是水溶性的，并且其中所述溶剂是水。

7.如权利要求1所述的方法，其中冷却和固化所述熔融的金属是单独受控的。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述骨料材料是硅砂、锆砂、铬铁矿砂、陶瓷微球或它们的各种组合。

9.一种制造柴油机活塞的方法，包括：

提供用于包括圆顶的活塞的模型；

在所述模型周围形成活塞铸模，所述铸模包括骨料材料和结合剂；

从所述活塞铸模去除所述模型；

将双金属环放置在所述活塞铸模中所述圆顶的上表面处；

将熔融金属引入带有所述双金属环的所述活塞铸模中；

用水接触所述活塞铸模并去除所述结合剂和所述骨料；

冷却所述熔融金属；和

固化所述熔融金属以形成活塞，所述双金属环形成所述圆顶的所述上表面的至少一部分。

10.一种柴油机活塞，包括本体和圆顶，所述圆顶的上表面的至少一部分包括双金属环，所述双金属环包括铝或铝合金和不锈钢，并且其中所述本体包括铝或铝合金并且所述双金属环的所述铝或铝合金被结合到所述本体的所述铝或铝合金。

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