CN102562349B - 内燃机的活塞与该活塞的制造方法及滑动部件 - Google Patents

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Abstract

提供一种内燃机的活塞、该活塞的制造方法及滑动部件。该活塞虽然具有构成活塞环沟槽的、比重大的耐磨环，但能够充分抑制重量的增加。一种内燃机的活塞(1)，在冠部(2)具有用来形成活塞环沟槽(5)的耐磨环(8)，由多孔质预成型体(10)形成所述耐磨环(8)，该多孔质预成型体(10)是通过压缩比活塞(1)的铝合金(Al)母材的硬度更高且比重更大的耐蚀高镍铸铁的切粉而形成的压粉体，预成型体的平均粒径设定为100～1000μm以上且密度设定为3.0～6.0g/cm3以上，预成型体的加热温度为1000℃，加热时间为30分钟。而且设定浸渍预成型体、浸透到多孔质的多孔空间内的铝合金与镁合金的熔液中所述镁合金量在60～90重量％的范围内。

Description

内燃机的活塞与该活塞的制造方法及滑动部件
技术领域
本发明涉及在冠部铸有耐磨环的内燃机活塞和该活塞的制造方法及滑动部件。
背景技术
众所周知，为了满足轻量化的要求，内燃机的活塞是由铝合金材料形成活塞主体。但由于作用在该活塞上端部所具有的冠部上的燃烧压力高，所以在所述冠部的外周形成活塞环沟槽，如果在此直接设置活塞环，则活塞环沟槽可能会出现破损。为此，在所述冠部的内部埋设耐蚀高镍铸铁(二レジスト鋳鉄即ちNi-Cr-Cu鋳鉄)制的耐磨环，从而在该高强度的耐磨环的外周形成活塞环沟槽。
专利文献1：(日本)特开2010-96022号公报
然而，所述专利文献1所记述的活塞因为使用耐蚀高镍铸铁等单体比重大的材料作为耐磨环，所以存在活塞整体重量变大的问题。
发明内容
本发明是鉴于所述现有技术中的技术问题而提出的，其目的在于提供即使具有构成活塞环沟槽的耐磨环，也能够充分抑制重量增加的内燃机活塞。
第一方面的发明是一种内燃机的活塞，在冠部具有用来形成活塞环沟槽的耐磨环；该内燃机的活塞的特征在于，由将含镁20重量％以上的材料浸渍到多孔质预成型体的多孔空间内而构成的部件形成所述耐磨环，该预成型体由比活塞母材的硬度更高且比重更大的材料成型。
第二方面的发明是一种在冠部具有用来形成活塞环沟槽的耐磨环的内燃机活塞的制造方法；其特征在于，由比所述活塞母材的硬度更高且比重更大的金属氧化物的粉体固化而形成预成型体，通过使比所述活塞母材的比重更小的金属材料与所述预成型体的氧化还原反应，将该金属材料浸渍到该预成型体的多孔空间内而形成所述耐磨环；然后，将所述耐磨环通过浇铸固定在所述活塞母材上。
第三方面的发明是一种滑动部件，部分地设有比母材的耐磨性更高的耐磨部；其特征在于，通过使含有镁20重量％的材料浸渍到由比所述母材的硬度更高且比重更大的材料形成的多孔质预成型体的多孔空间内构成的成型体形成所述耐磨部。
根据本发明，通过特殊的成型材料和成型方法形成耐磨环，由此能够抑制活塞整体重量的增加。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式所提供的柴油内燃机用活塞的侧视图；
图2是图1的A-A线的剖面图；
图3是表示本实施方式所提供的耐磨环的侧视图；
图4(A)～(C)表示通过冲压成型机形成压粉体的工序；
图5是本实施方式所提供的预成型体的侧视图；
图6是表示通过本实施方式所提供的活塞铸造装置浇铸耐磨环的状态下装置的纵剖面图。
附图标记说明
1活塞；2冠部；3裙部(ス力一ト部)；4开口部(工プ口ソ部)；5～7活塞环沟槽；8耐磨环；10预成型体。
具体实施方式
以下根据附图对本发明的内燃机用活塞及其制造方法及滑动部件的实施方式及实施例进行详述。本实施方式的活塞适用于往复式柴油内燃机。
[实施方式]
所述活塞1由作为母材的AC8A Al-Si系铝合金一体成型，如图1及图2所示，大致形成为圆筒状，具有：在冠面2a上划分有燃烧室的冠部2、在该冠部2的下端外周缘上一体地设置的圆弧状的一对推力侧及反推力侧的裙部3、在该各裙部3的圆周方向的两侧端经由各连接部位连接的一对开口部4，在该各开口部4上一体形成有支撑未图示的活塞销的两端部的一对活塞销壳部4a。
另外，作为所述活塞1的母材，除了以所述铝合金为基体材料以外，还可以以该铝合金为基体材料而其中含有镁合金，由此能够实现活塞母材自身的轻量化。
所述冠部2为厚度较厚地形成的圆盘状，在冠面2a上形成构成燃烧室的、断面几乎为倒M状的凹部2b，并且在后述的铸造后的外周面上进行切削、研磨等机械加工，分别形成支撑未图示的压力平环及油环等三个活塞环的上、中、下三层活塞环沟槽5、6、7。
而且，在冠部2的内部埋设作为滑动部件的耐磨环8，并且在该耐磨环8的内周侧形成环状空洞部9，使冷却油在其内部循环。
如图2及图3所示，所述耐磨环8在所述冠部2的外周部被研磨后，用来形成保持最上层侧的所述压力平环的活塞环沟槽5，该耐磨环8以比所述活塞1的铝合金母材的硬度更高且比重更大的铁基金属即耐蚀高镍铸铁的压粉体为基体材料，使铝合金(Al)和镁合金(Mg)浸渍到压粉体中构成的成型体一体化地形成为圆环状。详细说明如后所述，该耐磨环8是通过本申请发明人多次的实验而成型的。
所述环状空洞部9与所述耐磨环8及活塞1的中心轴线同轴配置，从所述耐磨环8的内周面向径向内侧隔着很小的间隙，例如约3mm左右的间隙与所述耐磨环8贴近配置，并且配置在活塞轴向上与耐磨环8彼此几乎整体重叠的位置。
为了吸收燃烧室的高热并有效地进行与外部的热交换，所述耐磨环8与环状空洞部9内部的冷却油优选尽可能地靠近接近燃烧室(凹部2b)的冠部2的内部上端侧，因此，在活塞轴向的位置上使8、9两者重叠。
所述耐磨环8是考虑到所述现有技术问题而为了实现轻量化、成型作业的容易性及成型作业成本的降低等，本申请的发明人根据反复进行的以下多次实验的结果而制造出来的。
[实施例]
以下针对形成耐磨环8的材料及基于实验的基本成型方法进行详细的说明。
(第一工序)
首先，作为耐磨环8的基体材料，粉碎作为金属氧化物(铁基材料)的耐蚀高镍铸铁的切粉，压缩该切粉，预成型为作为多孔质压粉体的预成型体10。基本上称该预成型体10为压粉体，但为方便起见，直到将Al和Mg的熔液浸渍到以下的多孔空间内的第七工序之前都将其称为预压粉体。
所述耐蚀高镍铸铁的切粉在实验上通常通过试验研究用的小型振动研磨机，经过约8小时的敲打、4小时的研磨，共计12小时的粉碎得到，其平均粒径(μm)分级为50、100、200、400、600、800、1000。
(第二工序)
接着，通过图4所示的普通冲压成型机11对所述耐蚀高镍铸铁的切粉进行加压，形成图5所示的预成型体10。即首先如图4(A)所示，在成型模具12的圆柱状型腔12a内从下方插入内插了成型销13a的下冲头13，以保持定位的状态，在型腔12a内填充所述耐蚀高镍铸铁的切粉14。
接着，如图4(B)所示，从型腔12a的上方向下插入上冲头15，与所述下冲头13一起从上下方向以规定的压力对所述切粉14进行加压，形成作为圆筒状压粉体的预成型体10。
之后，如图4(C)所示，只要使下冲头13与上冲头15同步上升，从成型模具12中取出所述预成型体10就可得到图5所示的外径为16mm、内径为8mm、高度为10mm的圆筒状的预成型体10。
在实验中，在通过所述冲压成型机11进行成型作业时，改变所述上、下冲头13、15的冲程，使所述预成型体10的成型密度(g/cm3)分别变化为3、4、5、6、7、7.8。
该耐蚀高镍铸铁的预成型体10以铁(Fe)为基体材料，如表1所示，以最大(Max)、最小(Min)含量的方式分别表示出所包含的碳(TC)、硅(Si)、锰(Mn)、磷(P)、硫(S)、镍(Ni)、铬(Cr)、铜(Cu)等材料。
表1
  TC   Si   Mn   P   S   Ni   Cr   Cu
  最小(重量％)   2.2   1.5   1.0   13.5   1.7   5.5
  最大(重量％)   2.7   2.2   1.5   0.1   0.1   17.5   2.5   7.5
而且，该预成型体10的热膨胀系数为19.3×10-6，密度为3.0～7.8。
(第三工序)
接着，在氢气与氮气的混合比例为H2∶N2＝3∶1的环境气体中，在下述条件下烧结成型所述预成型体10。
即最初在600℃下加热1分钟，然后在600℃下进行10分钟的等温处理，第三步再在1150℃下加热15分钟，接着第四步在1150℃下进行1个小时的等温处理，第五步在800℃下降温15分钟，第六步在800℃下进行10分钟的等温处理，进而第七步在500℃下降温15分钟，第八步在500℃下进行10分钟的等温处理，最后第九步在150℃下降温5分钟，完成烧结。
另一方面，预先准备浸渍完成烧制成型的所述预成型体10的铝合金(Al)和镁合金(Mg)的混合熔液。
即向坩埚内投放所述铝合金的铸锭和镁合金，在750℃下熔解制成熔液。但在实验中，如以下的表2所示，改变所述Al和Mg的投放量的比率(重量％)，制成熔液。
表2
  Al(重量％)   Mg(重量％)
  1   100   0
  2   90   10
  3   80   20
  4   60   40
  5   40   60
  6   10   90
而且，在实验中，在大气中、根据以下的各温度条件下对所述平均粒径不同的多个预成型体10加热30分钟，使预成型体10的切粉的表面氧化。作为温度条件，第一种是在未加热(常温RT)的状态下氧化的情况，第二种是在500℃下加热、氧化的情况，第三种是在1000℃加热、氧化的情况。
(第四工序)
接着，将前述的所述平均粒径和密度及加热条件分别不同的各预成型体10在表2所示的所述铝合金和镁合金的相对含量发生变化的熔液(750℃)中浸渍10分钟，进行浸渍处理。
(第五工序)
之后，在熔液温度为780℃的、纯度为99.7％的接近纯铝的铝合金熔液中浸渍各预成型体10，在所述预成型体10的表面上附着铝合金，由此抑制镁在大气中的氧化。
(第六、七工序)
接着，在常温下在规定时间内冷却保管所述预成型体10(第六工序)。之后，再次将所述预成型体10在99.7％的铝合金熔液中浸渍进行预热(第七工序)，该铝合金的熔液温度设定为780℃。
(第八工序)
接着，将从所述熔液内取出的成型体(耐磨环8)配置在图6所示的活塞的铸造模具16内所形成的型腔16b内的规定位置上，然后从所述模具16的浇口16a向型腔16b内注入作为活塞1的母材的铝合金熔液，浇铸(鋳ぐるみ)所述耐磨环8。该情况下的熔液温度设定为750℃，作为所述铝合金的熔液材料，除Al以外还使用了含有Mg、Zn、Mn的AZ91C。由此，完成浇铸了耐磨环8的活塞1的成型作业。
通过以上一系列的工序，形成了具有耐磨环8的活塞1，但本申请的发明人在完成了所述第四工序的阶段后还进行了以下的实验。
即在所述铝合金与镁合金的混合熔液中浸渍后，将取出的多个成型体10从横向(径向)切断至内部，检验所述熔液的浸渍性(浸透性)。其结果显示在以下的表3～表5中，表3表示前述的预成型体10的加热温度为常温的情况，表4表示为500℃的情况，表5表示为1000℃的情况。在各表中，熔液充分浸透至预成型体10的内部的情况表示为○，存在未浸透部位的情况表示为×。
表3
表4
表5
根据表3可知，在所述切粉14的平均粒径为100μm以上、预成型体10的成型密度为3.0～6.0g/cm3、所述熔液的镁含有量为60～90重量％的情况下充分浸透。而且根据表4可知，在所述切粉14的平均粒径为100μm以上、预成型体10的成型密度为3.0～6.0g/cm3、所述熔液的镁含有量为40～90重量％的情况下充分浸透。根据表5可知，在所述切粉14的平均粒径为100μm以上、预成型体10的成型密度为3.0～6.0g/cm3、所述熔液的镁含有量为20～90重量％的情况下充分浸透。
因此，在所述表3～表5中，只要在至少是记录为○的范围内，熔液对预成型体10具有充分的浸透性，所以通过选择这其中的任一种可以得到所希望的耐磨环8。
还有，根据所述表3～5所示的实验结果，在耐蚀高镍铸铁的切粉14的平均粒径为600μm、成型密度为6.0g/cm3的情况下镁含量与氧化温度的关系如表6所示。
表6
根据该表可明白，所述预成型体10的加热温度(常温RT～1000℃)无论为哪种情况，只要Mg含量为60重量％以上就可浸透；所述加热温度为1000℃的情况下，Mg含量为20重量％以上就可浸透。而且还明确了只要在该范围内确定各条件，可以更加确保最适合的熔液浸透性。
接着，将在加热温度为1000℃、加热时间为10分钟作为烧制条件的情况下所得到的预成型体10浸渍在Mg含量为90重量％的熔液中，该情况下的所述预成型体10的切粉14的平均粒径(μm)与密度(g/cm3)的关系表示于表7中。
表7
根据该表可知，只要所述切粉14的平均粒径为100μm以上、成型密度为6.0g/cm3以下，所述熔液就可充分浸透在预成型体10的多孔空间内。
根据以上各表所表示的实验结果，只要在耐蚀高镍铸铁的切粉14的平均粒径为100～1000μm、预成型体10的成型密度为3.0～6.0g/cm3、所述预成型体10的加热温度为1000℃、加热时间为30分钟、熔液的Mg含量在60～90重量％的范围内这样的条件下进行成型，就可以使Al与Mg的混合熔液对所述预成型体10充分浸透。
优选耐蚀高镍铸铁的切粉14的平均粒径为600μm，并且预成型体10的成型密度为5.0g/cm3、所述预成型体10的加热温度为1000℃、加热时间为30分钟，只要将熔液的Mg含量设定为90重量％，就能够得到最好的耐磨环8。
[实施例中熔液的自发浸透机制]
以下考察Al、Mg的混合熔液对在所述第四工序中的预成型体10的自发浸透机制。
在所述第四工序中预成型体10(烧结体)浸渍在所述熔液中后，被密闭的空气在宏观上根据摩尔数和玻意耳-查理定律保持着压力。与此相对，作为外力的大气压与所述Al和Mg的混合熔液的重力结合后的压力作用于烧结预成型体10上。因此，在即将浸渍之前将预成型体10的温度提前预热至熔液的温度附近，被认为可有效将浸渍后预成型体10的内压(空气的摩尔数)降低到较低的水平。
在微观层面上，被氧化镁(MgO)膜所覆盖的所述熔液未浸润预成型体10，所以，在界面张力的作用下，在阻碍熔液浸入的方向上存在浸透压。
如果所述熔液约为1023K(750℃)，则成分中的镁在环境中蒸发，生成氮化镁(Mg3N2)，消耗预成型体10的多孔空间内的氮气。
N2(G)+3Mg(G)→Mg3N2(S)
生成的氮化镁Mg3N2覆盖预成型体10的切粉的粒子表面，通过还原熔液的氧化膜，改善与熔液的濡湿性，增大浸透性。
如果通过所述熔液的振动等破坏所述MgO的被膜，熔液与预成型体10的铁氧化物接触，则开始铝热剂反应(テルミツト反応)。
4Mg+Fe3O4＝4Mg+3Fe-77kcal/mol
Mg+FeO＝MgO+Fe-80.5kcal/mol
通过该放热反应，生成Mg3N2(S)及还原氧化膜(MgO)，在与空气接触的熔液表面利于预成型体10内的O2进行氧化。
通过消耗氮气与氧气，减少分压而接近Mg的蒸气压，大气压与熔液的重力结合，使得所述熔液充分地浸透于预成型体10的多孔空间内。
通过这样的浸透机制，所述熔液充分地浸透于预成型体10的内部，因此，通过耐蚀高镍铸铁的多孔质化和浸透的Al、Mg金属材料的大幅轻量化，最终所得到的耐磨环8与所述现有的耐蚀高镍铸铁的单体相比，重量(比重)大幅度地降低。
该结果可以实现浇铸有该耐磨环8的活塞1整体的轻量化，由此，能够抑制内燃机的振动噪音，并且能够减少耐磨环8与缸孔的摩擦。
由于通过所述浸透机制确实能够缩短熔液向预成型体10内的浸透时间，所以可以谋求提高制造作业效率，降低制造成本。
再有，在本实施例中，不是通过熔液压力使所述Al和Mg的混合熔液浸渍所述预成型体10，而是利用基于氧化还原反应的放热而使熔液浸渍，因此完全不需要大型的压力装置，因而在这一点上也可以谋求大幅度地降低制造成本。
进而，因为利用耐蚀高镍铸铁的切粉形成所述预成型体10，所以也可谋求降低材料成本。
本发明不限定于所述实施例中的成型方法等，例如作为预成型体10的材料，也可以不使用耐蚀高镍铸铁的切粉，而使用其他的铁基金属的粉体。
还有，也可以省略所述第三工序的预成型体10的烧结作业，以压粉体直接进行接下来的第四工序作业，通过省略该工序谋求作业性的提高。
再有，也可省略所述第六工序和第七工序的成型体10的冷却保管和所述成型体10向熔液中的再次浸渍。即所述第六、第七工序合并到下一步的第8工序的周期中，因此只要符合该周期时机就可以省略所述工序，由此进一步提高作业性。
还有，除了所述第六、第七工序外，在向铝熔液中浸渍作业的第五工序也可以因为非常迅速地从所述第四工序进行到第八工序的作业而省略，只要能够抑制Mg的氧化，就可以省略该工序。
另外，作为滑动部件，不限定于所述耐磨环8，只要是能够使用的其他机器或设备等哪一种部件都可以。
关于根据所述实施方式所把握的所述权利要求以外的其他发明的技术思想说明如下。
a、如第一方面发明的内燃机的活塞，其特征在于，所述多孔质的预成型体通过固化金属粉体而成型。
b、如上述a所述的内燃机的活塞，其特征在于，所述预成型体为压粉体。
c、如上述a所述的内燃机的活塞，其特征在于，所述预成型体的粉体平均粒径设定为100μm以上且密度设定为3.0g/cm3以上。
d、如上述a所述的内燃机的活塞，其的特征在于，所述粉体为铁基金属。
e、如上述d所述的内燃机的活塞，其特征在于，所述粉体由耐蚀高镍铸铁形成。
f、如第一方面发明1所述的内燃机的活塞，其特征在于，所述活塞母材为铝合金材料。
g、如第一方面发明1所述的内燃机的活塞，其特征在于，所述活塞母材为镁合金材料。
根据该发明，可以谋求活塞整体的进一步轻量化。
h、如第二方面发明所述的内燃机的活塞的制造方法，其特征在于，所述预成型体由只对粉体加压而形成的压粉体形成。
i、如第二方面发明所述的内燃机的活塞的制造方法，其特征在于，比所述活塞母材的比重更小的金属材料通过大气压浸透在所述预成型体内。
j、如第二方面发明所述的耐燃机的活塞的制造方法，其特征在于，将成型的所述耐磨环浸渍在铝合金和镁合金的熔液中，之后将该耐磨环浇铸在所述活塞母材上。
根据本发明，将耐磨环浸渍在铝合金和镁合金的熔液中后，趁着未氧化迅速浇铸在活塞母材上，由此可以缩短成型的作业时间。

Claims (10)

1.一种内燃机的活塞，在冠部具有用来形成活塞环沟槽的耐磨环，该内燃机的活塞的特征在于，由将含镁20重量％以上的铝与镁的合金材料浸渍到多孔质预成型体的多孔空间内而构成的部件形成所述耐磨环，该预成型体由比活塞母材的硬度更高且比重更大的材料成型。
2.如权利要求1所述的内燃机的活塞，其特征在于，所述多孔质预成型体通过固化金属粉体而成型。
3.如权利要求2所述的内燃机的活塞，其特征在于，所述预成型体为压粉体。
4.如权利要求2所述的内燃机的活塞，其特征在于，所述预成型体的粉体的平均粒径设定为100μm以上且密度设定为3.0g/cm3以上。
5.如权利要求2所述的内燃机的活塞，其特征在于，所述粉体为铁基金属。
6.如权利要求5所述的内燃机的活塞，其特征在于，所述粉体由耐蚀高镍铸铁形成。
7.如权利要求1所述的内燃机的活塞，其特征在于，所述活塞母材为铝合金材料。
8.如权利要求1所述的内燃机的活塞，其特征在于，所述活塞母材为镁合金材料。
9.一种在冠部具有用来形成活塞环沟槽的耐磨环的内燃机活塞的制造方法，其特征在于，
由比所述活塞母材的硬度更高且比重更大的金属氧化物的粉体固化而形成预成型体，通过使比所述活塞母材的比重更小的金属材料与所述预成型体的氧化还原反应，将该金属材料浸渍到该预成型体的多孔空间内而形成所述耐磨环，浸渍到所述预成型体的多孔空间内的所述金属材料是含镁20重量％以上的铝与镁的合金材料；
然后，将所述耐磨环通过浇铸固定在所述活塞母材上。
10.一种滑动部件，部分地设有比母材的耐磨性更高的耐磨部，该滑动部件的特征在于，通过使含有镁20重量％的铝与镁的合金材料浸渍到由比所述母材的硬度更高且比重更大的材料形成的多孔质预成型体的多孔空间内构成的成型体形成所述耐磨部。
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