CN102619640B

CN102619640B - 陶瓷铠装内燃机活塞及其制造方法

Info

Publication number: CN102619640B
Application number: CN201210102323.2A
Authority: CN
Inventors: 顾永成; 刘宣飞; 谢建平; 张萍辉
Original assignee: Wuxi Institute of Arts and Technology
Current assignee: Wuxi Institute of Arts and Technology
Priority date: 2012-04-10
Filing date: 2012-04-10
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2032-04-10
Also published as: CN102619640A

Abstract

本发明公开了一种陶瓷铠装内燃机活塞及其制造方法，该活塞包括金属体活塞和设在金属体活塞顶端铠装的陶瓷顶板，在陶瓷顶板的内表面均匀分布多个圆柱状陶瓷钉，通过圆柱状陶瓷钉将金属体活塞与陶瓷顶板连接成一个整体。本发明所述的内燃机活塞，能够有效地减少内燃机燃烧室高温热量向金属体活塞的传递，有效地防止金属体活塞的烧蚀，有利于提高内燃机燃烧室的温度，使得燃料的燃烧更迅速、更完全，增加了内燃机的热机效率；本发明提供的铠装陶瓷覆盖层的内燃机活塞的制造方法简单，加工精度要求不高，现代制造技术能够实现。

Description

陶瓷铠装内燃机活塞及其制造方法

技术领域

本发明涉及内燃机活塞，尤其涉及一种在活塞顶端铠装陶瓷覆盖层的内燃机活塞及其制造方法。

背景技术

目前内燃机活塞都是用金属材料制作，为了防止内燃机工作时活塞温度过高而影响活塞的使用，在内燃机中都设有较强的液体冷却系统，以保证内燃机在不太高的温度下正常工作。由于液体冷却系统吸热散热作用会消耗掉部分热能，使得内燃机燃烧室的温度降低，在某些情况下使燃烧室内的燃料燃烧得不迅速、不完全，降低了内燃机的热机效率，有时甚至还会产生燃烧不完全的有害气体，污染环境。

针对上述情况，有资料提出利用陶瓷材料的耐高温特性制造免水冷却的陶瓷内燃机，但由于陶瓷材料的脆性易碎，使其不具备基本的装配、使用强度，因而在陶瓷内燃机的制作和使用上都存在困难，也有人设计在内燃机的主要高温部件实施陶瓷化以提高燃料燃烧温度。内燃机活塞是急需陶瓷化的主要部件之一，在活塞顶铠装隔热陶瓷面板是一个很好办法，活塞顶在工作时承受均匀的正压力，陶瓷材料具有高的抗压强度、低的导热性、耐高温性能等都能满足内燃机活塞陶瓷化的要求，但是铠装困难，采用螺钉、金属圈固定，加工难度大，可靠性、稳定性难以保证。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种结构合理、能够有效地阻隔燃烧室高温对金属活塞体的影响，减少内燃机液体冷却强度，提高气缸内燃烧室的温度的陶瓷铠装内燃机活塞。

本发明的另一目的在于提供了一种制造简单、铠装牢固、持久稳定，能够实现的内燃机活塞陶瓷化的内燃机活塞制造方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种内燃机活塞，包括金属体活塞和陶瓷顶板，所述陶瓷顶板设在所述金属体活塞的顶端，并且陶瓷顶板的外表面与所述金属体活塞的顶端相适配，在陶瓷顶板的内表面均匀分布多个陶瓷钉，所述陶瓷顶板通过陶瓷钉与金属体活塞连接。

其中，所述陶瓷钉的一端和所述陶瓷顶板连成一体、另一端镶嵌在所述金属体活塞内。由于金属的热膨胀系数比陶瓷体的热膨胀系数大，冷却收缩时金属体的收缩比陶瓷体的收缩大，金属体对圆柱状陶瓷钉施加压应力，使陶瓷钉牢牢地固定在金属体内，使陶瓷顶板和活塞金属体连接成一个整体。所述铠装陶瓷顶板活塞比金属活塞能够承受更高的燃烧温度，其向金属体传递的热量也更少，使得整个气缸可以不采用或减小液体冷却系统，使内燃机的燃烧室保持较高的工作温度，使燃料燃烧得更迅速、更完全，有效提高内燃机的热机效率。

其中，所述陶瓷钉呈圆柱状，其直径为5mm～10mm、高为5mm～10mm。所有陶瓷钉的截面积总和占陶瓷顶板面积20％～30％。

为了解决上述另一目的，本发明所采用的技术方案为：上述内燃机活塞的制造方法，具体包括如下步骤：

1）首先制作加工陶瓷顶板，陶瓷顶板外表面符合活塞顶端的要求，陶瓷顶板内表面均匀分布多个陶瓷钉；

2）将加工好的陶瓷顶板安放入浇铸模内且中心线与金属浇铸模中心线重合；

3）将陶瓷顶板加热或将整个浇铸模加热后等待浇铸；

4）将金属液从浇铸口倒入以陶瓷顶板为底模的浇铸模中，金属液在陶瓷顶板上陶瓷钉周围冷却凝固形成金属体活塞，金属体在冷却过程中对陶瓷柱状钉逐渐产生压应力而牢牢固定，使陶瓷顶板牢固地覆盖在活塞顶端，得到复合活塞铸件；

5）浇铸好的复合活塞铸件再以陶瓷顶板为基准线对金属体活塞进行加工，使金属体活塞达到内燃机活塞的要求，即得到所述内燃机活塞。

在步骤3）中，一般将陶瓷顶板加热至700℃～900℃，使其能够承受浇铸金属液的热冲击而不炸裂。

在步骤4）为，优选通过自然冷却方法，缓慢冷却逐渐产生压应力。

所述陶瓷顶板的厚度优选在5mm～10mm、陶瓷柱状钉直径5mm～10mm、陶瓷柱状钉高度5mm～10mm、陶瓷柱状钉截面积总和占陶瓷顶板面积的20％～30％，能够使陶瓷顶板和金属体活塞牢固地连接成一个整体。

所述陶瓷顶板的材料为氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷或氧化硅陶瓷等陶瓷中的任一种。氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷或氧化硅陶瓷均是硬度大、抗压强度高、耐高温的陶瓷材料，将这种陶瓷材料覆盖于内燃机活塞顶端，能够有效地保护活塞，防止活塞被燃烧室高温燃烧气体烧蚀，陶瓷覆盖层导热系数小热传递少，能有效地降低活塞、曲轴等机件的工作温度，使减少液体冷却程度提高燃烧室温成为可能。本发明利用加热浇铸、压应力固定的铠装方法，将陶瓷覆盖层与金属体活塞牢固地结合成一个整体，使其具有陶瓷活塞的耐高温低导热的功能，推动陶瓷内燃机的实用化进程。

从热传递的角度看，陶瓷材料是热的不良导体，其导热系数远小于金属，气缸内高温热量通过陶瓷覆盖层向外传递较慢，而金属是热的优良导体传热较快，陶瓷覆盖层传递给金属活塞的热量能迅速向外传递到各金属部件而冷却，因此燃烧室温度的提高不会使连杆、曲轴等升温过高。

气缸内燃料燃烧的热量通过活塞向外散热的减少，使得燃烧室内的温度相应提高；同时，由于活塞向外散热的减少在气缸中只是局部，因而只能使燃烧室内的温度提高100℃～200℃，不会对机器的其它部件产生大的影响。

有益效果：与现有技术相比，本发明提供的一种在活塞顶端铠装陶瓷覆盖层的内燃机活塞，能降低活塞的热传递、提高气缸燃烧室的温度，使得燃料的燃烧更迅速、更完全，从而增加内燃机的热机效率；与同类机型相比，活塞的散热损失能减少10%～20%，气缸燃烧室温度能提高100℃～200℃，热机效率能提高5%～10%，尤其对短程间歇式使用的内燃机，其节能减排效果更加明显。本发明提供的铠装陶瓷顶板的内燃机活塞的制造方法简单、加工精度要求不高，现代制造技术能够实现。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明陶瓷顶板的结构示意图；

图3为图2的左视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例1：如图1所示为一种陶瓷铠装内燃机活塞，包括金属体活塞1和陶瓷顶板2，陶瓷顶板2被浇铸在金属金属体活塞1顶端；陶瓷顶板2外表面及尺寸符合活塞顶端要求，即陶瓷顶板2外表面的形状、尺寸与金属体活塞的顶端相同，在陶瓷顶板2的内表面均匀分布多个陶瓷钉3，每个陶瓷钉3的一端和陶瓷顶板2的内表面相连、另一端镶嵌在金属体活塞1内。

其中，陶瓷顶板2的厚度为5mm，材料为氮化硅陶瓷；陶瓷钉3呈圆柱状，其直径为5mm、高为5mm。所有陶瓷钉3的截面积总和占陶瓷顶板2面积30％。

制造上述铠装陶瓷顶板2的内燃机活塞具体包括如下步骤：

1）采用工业陶瓷的制作和加工方法制造和加工陶瓷顶板2，使其外表面形状及外表面的尺寸符合活塞顶端要求，厚度均匀，内表面均匀分布直径5mm、高5mm的圆柱状陶瓷钉3，圆柱状陶瓷钉3截面积总和占陶瓷顶板2面积30％；

2）制作金属浇铸砂模并把陶瓷顶板2置于其中，陶瓷顶板安放入浇铸模内且中心线与金属浇铸模中心线重合；

3）将陶瓷顶板2或整体浇铸砂模加热至900℃后等待浇铸；

4）将金属液从浇铸口流入以陶瓷顶板2为底模的浇铸砂模中，金属液在陶瓷顶板2表面及圆柱状陶瓷钉3周围冷却凝固形成金属体活塞1，通过自然冷却方法，金属体将对圆柱状陶瓷钉3逐渐产生压应力，将陶瓷顶板2牢固地固定在金属体活塞1顶端；得到复合活塞铸件；

5）浇铸好的复合活塞铸件再以陶瓷顶端为基准对金属体活塞1进行加工，使其符合活塞的要求，即得到所述陶瓷铠装内燃机活塞。

本发明与同类机型相比，活塞的散热损失能减少10%，气缸燃烧室温度能提高100℃，热机效率能提高5%。

实施例2：与实施例1基本相同，所不同的是陶瓷顶板2及陶瓷钉3的要求，和制备时步骤3）中加热的温度；

其中陶瓷顶板2采用氧化铝陶瓷，其壁厚为8mm；陶瓷顶板2的厚度为8mm，材料为氧化铝陶瓷；陶瓷钉3呈圆柱状，其直径为8mm、高为8mm；所有陶瓷钉3的截面积总和占陶瓷顶板2面积20％。

制备时，步骤3）中，将陶瓷顶板2或整体浇铸砂模加热至700℃后待浇铸。

本发明与同类机型相比，活塞的散热损失能减少20%，气缸燃烧室温度能提高200℃，热机效率能提高10%。

实施例3：与实施例1基本相同，所不同的是陶瓷顶板2及陶瓷钉3的要求，和制备时步骤3）中加热的温度；

其中陶瓷顶板2采用氧化硅陶瓷，其壁厚为10mm；陶瓷顶板2的厚度为5mm～10mm。陶瓷钉3呈圆柱状，其直径为10mm、高为10mm。所有陶瓷钉3的截面积总和占陶瓷顶板2面积25％。

制备时，步骤3）中，将陶瓷顶板2或整体浇铸砂模加热至800℃后待浇铸。

本发明与同类机型相比，活塞的散热损失能减少15%，气缸燃烧室温度能提高150℃，热机效率能提高8%。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，还可以用于制造活塞以外的其它产品，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种陶瓷铠装内燃机活塞，其特征在于，包括金属体活塞（1）和陶瓷顶板（2），所述陶瓷顶板（2）设在所述金属体活塞（1）的顶端，并且陶瓷顶板（2）外表面的形状、尺寸与所述金属体活塞（1）的顶端相同，在陶瓷顶板（2）的内表面均匀分布多个陶瓷钉（3），所述陶瓷顶板（2）通过陶瓷钉（3）与金属体活塞（1）连接；所述陶瓷钉（3）的一端固定在所述陶瓷顶板（2）的内表面上、另一端镶嵌在所述金属体活塞（1）内；所述陶瓷钉（3）呈圆柱状，其直径为5mm～10mm、高为5mm～10mm。

2.根据权利要求1所述陶瓷铠装内燃机活塞，其特征在于，所有陶瓷钉（3）的截面积总和占陶瓷顶板（2）面积20％～30％。

3.根据权利要求1所述的陶瓷铠装内燃机活塞的制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1）首先制作加工陶瓷顶板（2），陶瓷顶板（2）外表面符合活塞顶端的要求，陶瓷顶板（2）内表面均匀分布多个圆柱状陶瓷钉（3），陶瓷顶板和圆柱状陶瓷钉成形为一个整体陶瓷件；

2）将加工好的陶瓷顶板（2）安放于浇铸模内且中心线与金属浇铸模中心线重合；

3）将陶瓷顶板（2）加热或将整个浇铸模加热后等待浇铸；

4）将金属液从浇铸口倒入以陶瓷顶板（2）为底模的浇铸模中，金属液在陶瓷顶板（2）上圆柱状陶瓷钉周围冷却凝固形成金属体活塞（1），金属体在冷却过程中对陶瓷柱状钉逐渐产生压应力而牢牢固定，使陶瓷顶板（2）牢固地覆盖在活塞顶端，得到复合活塞铸件；

5）浇铸好的复合活塞铸件再以陶瓷顶板（2）为基准线对金属体活塞（1）进行加工，使金属体活塞（1）达到陶瓷铠装内燃机活塞的要求，即得到所述陶瓷铠装内燃机活塞。

4.根据权利要求3所述的陶瓷铠装内燃机活塞的制造方法，其特征在于，所述陶瓷顶板（2）的厚度在5mm～10mm；所述陶瓷钉（3）呈圆柱状，其直径为5mm～10mm、高为5mm～10mm；所有陶瓷钉（3）截面积总和占陶瓷顶板（2）面积的20％～30％。

5.根据权利要求3所述的陶瓷铠装内燃机活塞的制造方法，其特征在于，在步骤3）中，将陶瓷顶板（2）加热至700℃～900℃后等待浇铸。

6.根据权利要求3所述的陶瓷铠装内燃机活塞的制造方法，其特征在于，在步骤4）中，通过自然冷却方法的将金属液冷却凝固在陶瓷顶板（2）上圆柱状陶瓷钉周围形成金属体活塞（1）。

7.根据权利要求3所述的陶瓷铠装内燃机活塞的制造方法，其特征在于，所述陶瓷顶板（2）的材料为氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷或氧化硅陶瓷中的任一种。