CN103108970B - 内燃机的钢活塞 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半成品坯料，其适用于制造用于具有轻金属合金气缸曲轴箱的内燃机的钢活塞（1）。这种钢活塞（1）包括具有燃烧凹坑（2）和环形壁（3）的活塞上部（4）以及具有活塞杆（5）和连杆支承部（6）的活塞下部（4'）。半成品坯料适用于以一件式或两件式提供活塞上部（1）或活塞下部（4'）或二者。半成品坯料由利用Ni、Mn和N稳定的并具有处于16-21×10^-6K^-1范围内的热膨胀系数的奥氏体钢制成。此外本发明公开一种钢活塞本身，其至少具有由利用Ni、Mn和N稳定的奥氏体钢制成的活塞杆（5）。所述活塞杆（5）具有处于16-21×10^-6K^-1范围内的热膨胀系数。

Description

内燃机的钢活塞

技术领域

本发明涉及一种半成品坯料，其适用于制造用于具有轻金属合金气缸曲轴箱的内燃机的钢活塞。本发明此外涉及这种内燃机的钢活塞本身。

背景技术

在轻型结构的进程中，目前为内燃机部件如气缸曲轴箱频繁使用轻金属合金，特别是铝合金。通过由尽可能小的发动机获得尽可能大的功率的趋势，对往复活塞式发动机中最高可达250bar的尽可能高的峰值压力提出越来越高的要求，从而轻金属合金例如铝的活塞不再适用。出于这一原因，钢活塞特别是在柴油发动机上重新获得日益重要的作用。但轻金属合金曲轴箱和钢活塞的材料组合存在不同热膨胀系数的问题。活塞杆或所称的活塞裙负责引导气缸内的活塞，为此与气缸必须存在足够的间隙。通过足够的杆长度情况下密封引导，可以将在相对的气缸壁之间活塞接触变换时的活塞倾斜（并因此也是发动机噪声中噪声形成的主要原因）降到最低限度。

DE19953311A1介绍了一种活塞环，其据称有效跟随铝合金气缸的热膨胀。为此目的，活塞环由每℃热膨胀系数高于15×10^-6的奥氏体钢制造。构成活塞环所使用的奥氏体钢含有3.5wt%到17wt%之间的镍和15wt%到20wt%之间的铬。

用于制造内燃机的活塞以便在活塞的燃烧凹坑内形成铠装的方法在DE102005034306中有所公开。在那里，活塞由两个坯料特别是通过摩擦焊接接合，其中的一个坯料由耐高温的钢例如奥氏体的铬-镍钢制成，以便形成燃烧凹坑的铠装。为此，对由两个坯料形成的一个活塞坯料在两个坯料之间的接合部位区域内进行变形过程，以形成燃烧凹坑。

DE102006030699A1公开了一种用于内燃机的铸造的钢活塞，由带有燃烧凹坑和环形壁的活塞上部以及带有连杆支承部的活塞下部组成，其整体和材料统一以低压铸造法由密度降低的合金钢或高级合金钢铸造而成。为此使用机械上可承受高负荷、成型成本低廉和重量轻的钢。用于此目的的高级合金钢具有以下成分：3–9wt%的锰、0.3–1wt%的硅、0.01–0.03wt%的碳、15–27wt%的铬、1–3wt%的镍、0.2–1wt%的铜、0.05–0.17wt%的氮和作为残余的铁以及里面所含有的不可避免的钢伴生元素。这种活塞据称承受增高的峰值压力。

发明内容

从这种现有技术出发，需要提供一部件，其适用于制造得到最优化的、满足高峰值压力要求的钢活塞。

该目的通过具有权利要求1特征的半成品得以实现。

此外的目的在于提供钢活塞本身，其无论是在高峰值压力方面还是在轻金属材料如铝制成的环绕的气缸曲轴箱的热膨胀方面，均具有得到改进的材料特性。

具有权利要求4特征的钢活塞实现了该目的。

其他实施例在从属权利要求中予以详细说明。

依据本发明的半成品坯料适用于制造具有由高膨胀系数的轻金属合金制成的气缸曲轴箱的内燃机的钢活塞。这种钢活塞通常具有活塞上部和活塞下部，其中，上部装备有燃烧凹坑和环形壁且下部装备有活塞杆和连杆支承部。半成品坯料可以形成活塞上部和/或活塞下部，依据本发明，为接近轻金属如铝的膨胀系数，半成品坯料由利用Ni、Mn和N稳定的、具有处于16-21×10^-6K^-1范围内的热膨胀系数的奥氏体钢组成。

这种半成品坯料，如例如将其用于制造活塞上部，可与作为活塞下部成型的依据本发明类型的另一半成品坯料接合成具有活塞上部和活塞下部的多件式钢活塞。

该接合可以借助摩擦焊接、激光焊接或感应加热焊接进行。

依据本发明的用于具有轻金属合金气缸曲轴箱的内燃机的钢活塞同样遵循这种思路，即气缸部件与轻金属的膨胀系数相匹配。在此方面，至少包括具有燃烧凹坑和环形壁的活塞上部以及具有活塞杆和连杆支承部的活塞下部的钢活塞的至少活塞杆由利用Ni、Mn和N稳定的奥氏体钢制成。其成分这样选择，使其产生热膨胀系数在16-21×10^-6K^-1范围内的钢。

具有优点的是，奥氏体钢是Fe-Cr-Ni奥氏体，其成分包括0.2-0.4wt%的C、8-18wt%的Ni、15-26wt%的Cr、0.5-2wt%的Si、最高12wt%的Mn、最高2wt%的W、最高2wt%的Nb、最高2wt%的Al、0.05-0.3wt%的N和Fe，Fe比例相当于用于获得100wt%合金钢的差额比例。

钢活塞可以由奥氏体钢制造成为一体，如通过锻造依据本发明的半成品坯料，或它可以借助重力或低压铸造法铸造。

但它也可以制成多件式，其中，具有优点的是至少活塞上部由高度耐磨的合金调质钢制成，特别是由选自包括MoCr4钢、42CrMo4钢、CrMo4钢、31CrMoV6钢或25MoCr4钢的组的钢制成。

为以多件式制造，钢活塞由两个半成品坯料接合而成。一个半成品坯料在这种情况下作为活塞上部成型和第二半成品坯料作为活塞下部的活塞杆或作为活塞下部本身成型。

附图说明

这些和其他优点通过下面的说明参照附图进行介绍。

说明书中对附图的参考用于支持说明和便于理解主题。基本上相同或类似的元件或元件的部分可以具有同一附图标记。附图仅是本发明的一实施方式的示意图。其中：

图1示出汽油发动机活塞的侧视图；

图2示出柴油发动机活塞的截面侧视图；

图3示出铝、奥氏体和铁氧体随温度变化的膨胀系数的曲线图。

具体实施方式

图1和2示出依据本发明由奥氏体钢制成的钢活塞1的例子。

图2所示的柴油机活塞是所谓的光杆活塞，其中在活塞下部4内优选封闭的、仅在销孔的区域内穿孔的杆5。图2中也可以看到连杆支承部6。

汽油机活塞杆的实施方式更加复杂且图中未示出。

出于重量的原因并由于较高的转速，活塞杆面5如从图1所看到的那样比较窄。图1中所示的盒式活塞或窗式活塞是一种典型的结构，也使用具有不同宽度工作面的不对称活塞。

图1和2所示活塞的（或多或少构成包覆活塞下部4的区段的）活塞杆5的功能是在气缸内直线引导活塞1。为此，活塞杆5与气缸筒之间的间隙必须足够。

这一点特别关键：即气缸曲轴箱使用（具有比普通钢明显更高的热膨胀系数的）轻金属合金如铝合金。为避免在高达600℃的工作温度下由于不同的热膨胀产生的活塞引导问题（这例如通过由于活塞撞击形成的噪声，如敲缸声来觉察），依据本发明的活塞1或至少其活塞杆5由利用镍Ni、锰Mn和氮N稳定的奥氏体钢形成，其热膨胀系数处于16-21×10^-6K^-1范围内。通过这种高的热膨胀系数，工作温度下气缸内的引导也得到保证，从而阻止活塞接触变换时由于活塞倾斜产生的噪声。因为活塞噪声是内燃机内曲轴传动噪声形成的主要原因之一，而且首先是通过活塞侧向力引起所谓的活塞撞击，所以由具有这种热膨胀系数的奥氏体钢依据本发明构成的至少活塞杆是声学上控制发动机噪音和减少活塞倾斜的有效措施。

依据本发明所使用的奥氏体钢由以下成分组成：0.2–0.4wt％的碳、8–18wt％的镍、15–26wt％的铬、0.5–2wt％的硅，最高12wt％的锰、最高2wt％的钨、最高2wt％的铌、最高2wt％的铝和0.05-0.3wt％的氮以及残余的铁和钢典型的伴生元素。

这种奥氏体钢16-21×10^-6K^-1的热膨胀系数明显高于铁氧体和奥氏体铸铁的热膨胀系数。由于这种热膨胀，这种奥氏体特别适用于用作铝气缸工作面内活塞的活塞杆材料。活塞杆在此就可以被预制成为用于制造活塞的半成品坯料；活塞上部也同样。

通过适应于铝的膨胀，活塞杆承担引导作用，而它与铝合金和奥氏体铸铁相比同时具有大大提高的强度和得到改善的耐腐蚀性。在此方面，气缸工作面内的引导在整个工作温度范围内保持稳定，活塞的噪声形成以及卡住得到阻止。

图1中所看到的处于活塞上部1的环形壁3上为此所具有的间隙内的活塞环7仅通过其预张紧压在气缸工作面上并承担密封的任务。活塞环7可以由其他材料组成。在依据本发明为形成活塞裙5所使用的奥氏体内，合金元素硅、镍、锰、铬确保抑制奥氏体转换成铁氧体和珠光体并确保在较低冷却速度下转换成马氏体。奥氏体的稳定性通过能以比在铁氧体内更大的量溶解在奥氏体内的元素镍、锰、氮和碳来扩大奥氏体相的存在范围而获得。

在图3中，标注出铝、不同奥氏体和铁氧体随温度变化的膨胀系数。可以看出，某些奥氏体主要在较高的温度下接近。依据本发明所要求的16-21×10^-6K^-1范围内的热膨胀系数，是指20℃或室温下的热膨胀系数。与图3相比，显而易见的是，这种热膨胀系数接近铝。

除了高的热膨胀系数外，依据本发明的奥氏体合金钢提供高的拉伸强度和断裂延伸率，从而活塞杆可以承受侧向力，而不会变形或断裂，而且此外可以弹性配合气缸的变形。为此，拉伸强度可以高于500N/mm²和断裂延伸率可以高于35%。

依据本发明的活塞在此方面由奥氏体合金钢制成为一体式（一件式），其中，制造方法诸如铸造法特别适用。这样可以使用低压铸造法或重力铸造法。在这种情况下，通过适当的型芯方法也可以浇铸冷却通道。

另一方面，活塞也可以构成为多件式，其中，活塞上部和活塞下部可以由同一合金钢构成，或也可以由不同的合金钢构成，但二者均具有高的热膨胀系数。这样例如活塞上部可以锻造有环形壁上环形槽和燃烧凹坑，这一点特别是在活塞上部具有冷却通道的情况下比铸造成本更加低廉。为此，一般活塞下部可以锻造而成。

适用于预成型相应活塞上部和下部的半成品坯料可以接合成依据本发明的钢活塞。为连接这两个部分，特别是可以考虑焊接方法，如感应焊接、摩擦焊接或激光焊接。

但如果为精确引导所需的活塞下部，特别是活塞杆，由依据本发明的奥氏体钢形成，那么活塞上部也可以由要求不高的材料形成。这样可以为活塞上部选择高度耐磨的合金调质钢，其与具有较低导热性的依据本发明的奥氏体钢相比能具有更高导热性。适用于活塞上部的钢从包括MoCr4钢、42CrMo4钢、CrMo4钢、31CrMoV6钢或25MoCr4钢的组中选取。

由奥氏体钢整体制成一体的活塞可以重力或低压铸造法制造，而例如在由锻钢通过锻造技术制造活塞上部时，存在有用于制造多件式活塞的可能的替代方案，其中，确保燃烧凹坑区域内所需的机械特性和热特性。具有活塞裙和连杆支承部的活塞下部由具有热膨胀系数16-21×10^-6K^-1的依据本发明的奥氏体钢通过铸造法，优选地低压铸造法制造，以便在热运行中将活塞裙与气缸工作面之间的间隙保持在尽可能小的程度上。这两个部件然后借助钎焊或焊接，优选是感应焊接或摩擦焊接彼此接合。

可选地，多件式活塞也可以制造，即正如上面详细介绍的那样，通过两个或多个坯料例如通过摩擦焊接彼此接合，其中用于形成活塞下部的第一坯料由依据本发明的奥氏体钢制成，而第二坯料也可以由例如其他的微量合金钢或上述材料之一制成。这样相互连接的坯料然后例如可以通过锻造而形成活塞。

图1和2中举例示出的活塞除了燃烧凹坑2外，也可以具有使用所需的其他几何造型，例如活塞毂、销孔，可能的冷却通道和诸如此类的造型。这些造型在某些情况下可能已经设置在坯料中。因此，可以设想，用于形成活塞下部的活塞坯料已经至少部分为中空柱体形。正如DE102005034306A1中公开的那样，在这种情况下，耐高温钢的坯料也可以用于在燃烧凹坑上形成铠装，将其相应通过焊接与活塞坯料接合并通过在形成燃烧凹坑时的变形步骤中形成铠装。这些坯料根据随后变形步骤的类型也可以具有不同的直径。

活塞杆或活塞裙采用奥氏体钢和具有与其他活塞环相比高热膨胀系数的构成的优点在于，通过活塞杆与铝的气缸工作面配合的热膨胀，在整个工作温度范围内活塞引导几乎保持不变并因此避免活塞倾斜和撞击。

依据本发明形成的钢活塞特别适用于在铝制气缸曲轴箱内或其工作面由其他材料如浇铸的气缸衬套或防磨覆层形成的气缸曲轴箱内使用。

Claims (6)

1.具有铝合金气缸曲轴箱的内燃机中的钢活塞(1)，其中，所述钢活塞至少包括具有燃烧凹坑(2)和环形壁(3)的活塞上部(4)以及具有活塞杆(5)和连杆支承部(6)的活塞下部(4')，其特征在于，至少所述钢活塞的活塞杆(5)由利用Ni、Mn和N稳定的并具有处于16-21×10^-6K^-1范围内的热膨胀系数的奥氏体钢制成，所述奥氏体钢是Fe-Cr-Ni奥氏体，其含有的成分包括

-0.2-0.4wt％的C，

-8-18wt％的Ni，

-15-26wt％的Cr，

-0.5-2wt％的Si，

-最高12wt％的Mn，

-最高2wt％的W，

-最高2wt％的Nb，

-最高2wt％的Al，

-0.05-0.3wt％的N，

-不可避免的微量元素以及

-Fe，其比例相当于用于获得100wt％合金钢的差额比例。

2.按权利要求1所述的钢活塞(1)，其特征在于，所述钢活塞(1)由奥氏体钢制成为一体。

3.按权利要求1或2所述的钢活塞(1)，其特征在于，所述钢活塞(1)是锻造的钢活塞。

4.按权利要求1所述的钢活塞，其特征在于，所述钢活塞(1)构成为多件式，其中，至少活塞上部(4)由高度耐磨的合金调质钢制成。

5.按权利要求4所述的钢活塞，其特征在于，所述钢活塞(1)至少由两个半成品坯料接合而成，其中，第一半成品坯料提供活塞上部(4)和第二半成品坯料至少提供活塞下部(4')的活塞杆(5)。

6.按权利要求4所述的钢活塞，其特征在于，至少活塞上部(4)由选自包括MoCr4钢、42CrMo4钢、CrMo4钢、31CrMoV6钢或25MoCr4钢的组的钢制成。