CN103124841A - 用于内燃机的活塞以及活塞的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造用于内燃机的活塞（10、110、210）的方法，该活塞由第一活塞组件（11、111、211）和第二活塞组件（12、112、212）构成，其特征为具有以下步骤：a）制造由调质钢或者沉淀硬化钢制成的、具有至少一个接合面（29、31）的第一活塞组件（11、111、211）的坯件（211′）；b）制造由调质钢或者沉淀硬化钢制成的、具有至少一个接合面（32、33）的第二活塞组件（12、112、212）的坯件（212′）；c）对坯件（211′、212′）调质处理；d）将第一活塞组件（11、111、211）的坯件（211′）和第二活塞组件（12、112、212）的坯件（212′）通过它们的接合面（29、31、32、33）借助摩擦焊接连接成活塞坯件（210′），形成至少一个摩擦焊接缝（25、26、125、126）以及在至少一个摩擦焊接缝（25、26、125、126）区域内的热影响区（30、30′）；e）对活塞坯件（210）进行回火或者去应力退火，在该过程中维持热影响区（30、30′）；f）将活塞坯件（210′）再加工或者精加工成活塞（10、110、210）。此外，本发明还涉及此类活塞（10、110、210）。

Description

用于内燃机的活塞以及活塞的制造方法

技术领域

本发明涉及一种制造用于内燃机的活塞的方法，该活塞由第一活塞组件和第二活塞组件构成。本发明还涉及此类用于内燃机的活塞。本发明还涉及用于内燃机的活塞，该活塞由第一活塞组件和第二活塞组件构成，其中活塞具有活塞顶、环绕的火力岸和具有环槽的环形部分以及活塞裙。

背景技术

用于当代内燃机的活塞越来越设计用于较少的油耗。因为在现代内燃机中，活塞的热负载和机械负载越来越上升，所以存在活塞在内燃机的运行阶段没有获得足够的油供应的风险。由此产生更高的摩擦负载。因此产生较大的摩损并减少活塞使用寿命。因此希望，强化活塞的出现较大摩损的部分区域或者说部分结构，例如第一环槽的下凹槽侧面可以通过氮化作用（EP 0 985 739 A1）或者通过激光辐射（DE 10 2007 006 948 A1）进行硬化处理。这两种方法耗费巨大因此费用较高。

发明内容

本发明的目的在于，进一步开发出活塞的制造方法，从而实现以较少的耗费实现活塞的部分区域或者说部分结构的硬化处理。

该目的通过具有以下步骤的方法实现，a）制造由调质钢或者沉淀硬化钢制成的、具有至少一个接合面的第一活塞组件的坯件；b）制造由调质钢或者沉淀硬化钢制成的、具有至少一个接合面的第二活塞组件的坯件；c）对坯件进行调质处理；d）将第一活塞组件的坯件和第二活塞组件的坯件通过它们的接合面借助摩擦焊接连接成活塞坯件，形成至少一个摩擦焊接缝以及在至少一个摩擦焊接缝区域内的热影响区；e）对活塞坯件进行回火或者去应力退火，该过程中维持热影响区；f）将活塞坯件再加工或者精加工成活塞。根据本发明的活塞的特征为，第一和/或第二活塞组件由调质钢或者沉淀硬化钢制成并且通过摩擦焊接彼此连接并且热影响区包围至少一个摩擦焊接缝。

调质处理理解为钢材的热处理（其由淬火和回火构成），通过该热处理达到所需的钢材硬度和强度。此处淬火表示钢材的热处理，其由奥氏体化和以获得马氏体和/或贝氏体为目的的快速冷却构成。回火是指在淬火之后，将钢材以低于铁碳相图中的下临界点Ac1的温度加热，保持以及接下来的冷却。去应力退火理解为这样一种热处理，通过该热处理去掉在工件的冷却过程中产生的内部应力，而工件的结构基本上没有改变。

本专利申请中所使用的概念，例如淬火、回火、调质、去应力退火等等，摘自DIN EN 10052。

在调质钢和沉淀硬化钢中（AFP-钢），通过摩擦焊接实现摩擦焊接缝周围附近区域的硬化。在现有技术中，由这种钢制成的坯件在必要时进行预处理，在柔软状态下通过摩擦焊接彼此连接在一起，并且所得到的活塞坯件接下来进行调质处理。由此将软的材料硬化，但是在摩擦焊接缝周围附近区域内的硬化效果却再次被消除了。

本发明的思想在于，首先将坯件进行调质处理或者在锻造工艺（沉淀硬化）后通过有目的的热处理使坯件达到所需强度然后在该状态下通过摩擦焊接使坯件彼此相连。这种情况下在摩擦焊接缝的周围附近区域实现了硬化。在该区域内的硬度提高了最多400HV（维式硬度）。该硬化的区域在本发明申请中被称为“热影响区”。热影响区比活塞坯件的热影响区以外的经调质或者沉淀硬化的材料更硬。

在摩擦焊接之后的调质处理在根据本发明的方法中不再是必须的。而是只需要对由摩擦焊接得到的活塞坯件进行回火或者去应力退火处理，以消除可能存在的应力。热影响区内的硬度可能稍有降低，但是还存在最高250HV硬度（维式硬度）的硬化。在制成的活塞中，热影响区是围绕着摩擦焊接缝的区域，其具有比活塞的其余材料更大的硬度。

该热影响区根据本发明应用于活塞的部分区域或者部分结构的硬化，该区域承受较强的摩损。出于该目的，活塞组件的坯件的摩擦焊接缝和借助摩擦焊接缝连接的接合面这样设定，待制造的活塞的部分区域或者部分结构（该区域承受较大的摩损因此应该进行硬化处理）在摩擦焊接之后位于热影响区内。由此不再需要将该部分区域或者部分结构通过例如氮化或者激光辐射进行单独的硬化处理。

本发明适用于所有根据权利要求的活塞的变形构造以及所有活塞组件，这些组件由钢材制成，该钢材能够进行调质处理。

有利的扩展方案在从属权利要求中阐明。

坯件可以经过锻造或者铸造，并且有利地在摩擦焊接之前进行预处理，从而精确地塑造出结构（如轮毂孔、燃烧室凹腔和冷却通道部分），和通过锻造和铸造能够达到的一样。

优选的实施方式为，这样形成至少一个摩擦焊接缝，其在径向上与活塞中轴呈锐角或者呈钝角。由此在摩擦焊接过程开始的时候实现两个活塞组件的受到支撑的中心对齐。不再需要额外的引导面、引导边等类似结构。

特别优选的扩展方案是，设置至少一个具有至少一个环槽的坯件并且坯件的至少一对匹配的接合面这样进行定位，即，在步骤d)之后，环槽的下槽面到外侧摩擦焊接缝的中点的距离小于该摩擦焊接缝的热影响区的轴向高度。或者在步骤f）中这样设置含有至少一个环槽的活塞坯件，即，环槽的下槽面到至少一个摩擦焊接缝的中点的距离小于摩擦焊接缝的热影响区的轴向高度。以这种方式能够使受到较大摩损的环槽硬化。这特别涉及第一环槽的下槽面。

根据本发明的方法适用于这种活塞，其具有作为第一活塞组件的、带有活塞裙的活塞主体和作为第二活塞组件的、带有活塞顶、环绕的火力岸和设有环槽的环形部分的活塞环形部件，其中活塞主体和活塞环形部件形成环形的冷却通道。特别是这种活塞，在步骤a）中制成活塞主体的坯件具有外接合面和内接合面以及在两个结合面之间环绕的下冷却通道部分，而在步骤b）中制成活塞环形部件的坯件具有外接合面和内接合面以及在两个结合面之间的环形的上冷却通道部分。活塞环形部件的坯件可以具有燃烧室凹腔。或者活塞环形部件的坯件至少具有燃烧室凹腔的壁区域。这种情况下活塞主体的坯件至少具有燃烧室凹腔的底区域。

附图说明

接下来根据附图进一步阐明本发明的实施例。图中只是示例性示出，没有给出详细尺寸：

图1a：根据本发明的活塞的一个实施例的截面图；

图1b：根据图1a的活塞的放大的细节图；

图2a：根据本发明的活塞的另一个实施例的截面图；

图2b：根据图2a的活塞的放大的细节图；

图3：用于制造根据本发明的活塞的活塞主体的坯件和活塞环形部件的坯件的实施例的截面图；

图4：预处理后的根据图3的坯件；

图5：由根据图4的组件制成的根据本发明的活塞的活塞坯件的截面图；

图6：由根据图5的活塞坯件制成的根据本发明的活塞。

具体实施方式

图1a和1b示出了根据本发明的活塞的第一个实施例10。活塞10由活塞主体11和活塞环形部件12构成。两个部件都由钢材（例如根据DIN EN 10083或DIN EN 10267）组成，该钢材可以进行调质处理并且适合于摩擦焊接。

在该实施例中的活塞主体由AFP钢制成。活塞主体11具有活塞裙15，其以已知的方式具有轮毂16和用于接纳活塞螺栓（未示出）的轮毂孔17，活塞裙区域18具有运行面（未示出）。在该实施例中的活塞环形部件12由42CrMo4制成。活塞环形部件12具有活塞顶19和环绕的火力岸21。活塞主体11和活塞环形部件12形成环形部分22用以接纳活塞环（未示出），形成环绕的封闭的冷却通道23和燃烧室凹腔24。

活塞主体11和活塞环形部件12以已知方式通过摩擦焊接彼此连接在一起。活塞10具有在环形部分22区域内的外侧摩擦焊接缝25和在燃烧室凹腔24区域内的内侧摩擦焊接缝26。在本实施例中，外侧摩擦焊接缝25垂直于活塞的中轴A，而内侧摩擦焊接缝26与中轴A呈锐角α。内侧摩擦焊接缝26的方向实现了具有支撑效果地将活塞环形部件12定位在活塞主体11上。关于摩擦焊接缝的方向，当然，摩擦焊接缝的各种任意的位置和角度组合都是可能的。

图2a和2b示出了根据本发明的活塞的另一个实施例110，其由活塞主体111和活塞环形部件211构成。活塞110大体上与图1a和图1b中的活塞10相同，因此对应的结构组件以相同的标记符号标出，并且参照上述关于图1a和图1b的描述。唯一的区别在于，外侧摩擦焊接缝125与活塞110的中轴A呈钝角β。其与摩擦焊接缝26（与中轴A呈锐角α）组合，该位置和角度组合实现了特别可靠地具有支撑效果地将活塞环形部件12定位在活塞主体11上。

图3至6示出了根据本发明的活塞210的另一个实施例，以及根据本发明的活塞10、110、210的所有实施例的根据本发明的制造方法的实施例。活塞210大体上与图1a和图1b中的活塞10相同，因此对应的结构组件以相同的标记符号标出，并且参照上述关于图1a和图1b的描述。唯一的区别在于，内侧摩擦焊接缝226与活塞210的中轴A呈垂直角度β。

根据本发明的活塞10、110、210以如下所述的方式制造。以下是根据活塞210描述制造方法，然而也同样适用于活塞10、110。

根据图3，首先制造活塞主体211的坯件211′和活塞环形部件212的坯件212′，例如借助锻造或者铸造或者烧结工艺。在本实施例中，环形部分、冷却通道、燃烧室凹腔、活塞轮毂和轮毂孔没有或没有完全完成加工。活塞的上部也可以通过环形碾压或者通过将管道锯开制成。

坯件211′和212′在铸造或者锻造之后以已知方式进行调质处理或者沉淀硬化以达到所需强度。

根据DIN EN10083的报告表明，对于调质处理适用：对于42CrMo4：在850℃奥氏体化，在油中硬化/淬火，在600℃回火；沉淀硬化38MnVS6：在约1280℃进行固溶退火，变形处理直至约1000℃，然后进行受控的空气冷却至＜600℃。在热处理之后，坯件211′和212′具有240-360HV（维式硬度）范围内的硬度。

在本实施例中，坯件211′和212′在热处理后根据图4进行预处理。

在本实施例中，在活塞主体211的坯件211′中加工出（例如车削出）燃烧室凹腔24的底部区域27和壁部区域28′。此外，加工出轮毂16和轮毂孔17以及带有运行面的活塞裙区域18。最后加工出冷却通道23的环形下冷却通道23a。其外围是外接合面29和内接合面31。在本实施例中，在活塞环形部件212的坯件212′中加工出（例如车削出）燃烧室凹腔24的壁部区域的剩余部分28′′。此外加工出冷却通道23的环形上冷却通道23b。由此得到外接合面32和内接合面33。

坯件211′的外接合面29对应于坯件212′的外接合面32。相应地，坯件211′的内接合面31对应于坯件212′的内接合面33。这意味着，坯件211′和212′沿着其接合面29、31以及32、33连接成一个活塞坯件210′。为了将两个坯件211′和212′连接起来，以已知方式使它们对齐卡紧，这里可以通过有选择地设置摩擦焊接缝位置实现具有支撑效果的中心对齐。两部分的焊接通过现有技术已知的飞轮-摩擦焊接实现。

通过摩擦焊接过程，在已经形成的摩擦焊接缝25、226周围分别形成热影响区30、30′，如图1b和2b中所示。热影响区在摩擦焊接缝25、26、125、226的上面和下面分别延伸约1至3mm。在热影响区30、30′范围内，硬度比坯件211′、212′的热影响区30、30′之外的其他区域的经调制的材料的硬度提高了最多400HV（维式硬度）。也就是说，在热影响区30、30′内的最大硬度大约是600至800HV（维式硬度）。

本实施例中所得到的活塞坯件210′在摩擦焊接之后进行热处理，即回火或者去应力退火，优选在550℃进行1小时。热处理导致热影响区30、30′内的材料硬度降低约200HV（维式硬度）。也就是说，在热影响区30、30′范围内的最大硬度大约降至400至600HV（维式硬度）。其它区域在热处理中没有硬度的改变。因此更硬的热影响区30、30′和坯件211′、212′的其它区域的材料之间的持久硬度差得以保持。

根据图5的活塞坯件210′具有由上述摩擦焊接工艺得到的沿着外侧摩擦焊接缝25和沿着内侧摩擦焊接缝226的摩擦焊接隆起部35。活塞坯件210′以已知方式，根据坯件211′、212′的构造进行再加工或者精加工。例如可以对外形、表面、燃烧室凹腔和轮毂孔等进行精加工，将所能接触到的摩擦焊接隆起部35去除。根据本发明这样加工出具有环槽34、36、37（图1b、2b）的环形部分22，第一环槽34的下槽面31′位于热影响区30的范围内并且第一环槽34的下槽面34′到外侧摩擦焊接缝25、125的中点的距离小于热影响区30的轴向高度（图1b、2b）。最终下槽面34′得到硬化，特别是其外沿34′′区域内。槽面的硬度在约400至600HV（维式硬度）范围内，相当于硬度提高了100至200HV（维式硬度），并且导致耐磨损能力的改善。最终可以得到根据图6的完成的活塞210。当然也可以用这种方式硬化其他的环槽36、37。对于根据本发明的活塞10、110、210的其它需要硬化的部分区域和部分结构也是同样适用的。这类部分区域和部分结构应该在摩擦焊接之后位于热影响区30、30′内。

Claims (15)

1.一种制造用于内燃机的活塞（10、110、210）的方法，所述活塞由第一活塞组件（11、111、211）和第二活塞组件（12、112、212）构成，其特征为具有以下步骤：

a）制造由调质钢或者沉淀硬化钢制成的、具有至少一个接合面（29、31）的所述第一活塞组件（11、111、211）的坯件（211′）；

b）制造由调质钢或者沉淀硬化钢制成的、具有至少一个接合面（32、33）的所述第二活塞组件（12、112、212）的坯件（212′）；

c）对所述坯件（211′、212′）进行调质处理或者沉淀硬化；

d）将所述第一活塞组件（11、111、211）的坯件（211′）和所述第二活塞组件（12、112、212）的坯件（212′）通过它们的所述接合面（29、31、32、33）借助摩擦焊接连接成活塞坯件（210′），形成至少一个摩擦焊接缝（25、26、125、226）以及在所述至少一个摩擦焊接缝（25、26、125、226）区域内的热影响区（30、30′）；

e）对所述活塞坯件（210）进行回火或者去应力退火，在该过程中维持所述热影响区（30、30′）；

f）将所述活塞坯件（210′）再加工和/或精加工成所述活塞（10、110、210）。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤c）和步骤d）之间对所述坯件（211′、212′）进行预处理。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，这样形成所述至少一个摩擦焊接缝（26、125），即，在径向方向上与活塞中轴（A）呈锐角（α）或者钝角（β）。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少一个坯件（211′、212′）设置有至少一个环槽（34、36、37）并且所述坯件（211′、212′）的至少一对匹配的接合面（29、32）这样进行定位，即，在步骤d）之后所述环槽（34）的下槽面（34′）到所述外侧的摩擦焊接缝（25、125）的中点的距离小于所述摩擦焊接缝的热影响区（30）的轴向高度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤f）中这样设置所述含有至少一个环槽（34、36、37）的活塞坯件（210′），环槽（34）的下槽面（34′）到外侧的摩擦焊接缝（30）的中点的距离小于这个摩擦焊接缝（34）的热影响区（30）的轴向高度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a）中制成所述活塞主体（11、111、211）的坯件（211′）具有外接合面（29）和内接合面（31）以及位于所述两个接合面（29、31）之间的环绕的下冷却通道部分（23a），而在步骤b）中制成所述活塞环形部件（12、112、212）的坯件（212′）具有外接合面（32）和内接合面（33）以及位于所述两个接合面（32、33）之间的环绕的上冷却通道部分（23b）。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，采用具有燃烧室凹腔（24）的活塞环形部件（12、112、212）的坯件（212′）。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，采用这样的活塞环形部件（12、112、212）的坯件（12′），所述活塞环形部件的坯件具有至少一个燃烧室凹腔（24）的壁部区域（28′），并采用这样的活塞主体（11、111、211）的坯件（211′），所述活塞主体的坯件具有至少一个燃烧室凹腔（24）的底部区域（27）。

9.一种活塞（10、110、210），其能够通过根据权利要求1至8的任意一项所述的方法来制造。

10.一种用于内燃机的活塞（10、110、210），所述活塞由第一活塞组件（11、111、211）和第二活塞组件（12、112、212）构成，其中所述活塞（10、110、210）具有活塞顶（19）、环绕的火力岸（21）和设有环槽（34、36、37）的环绕的环形部分（22）以及活塞裙（15），其特征在于，所述第一活塞组件（11、111、211）和所述第二活塞组件（12、112、212）由调质钢或者沉淀硬化钢制成，并且通过摩擦焊接彼此连接在一起并且至少一个摩擦焊接缝（25、26、125、226）由热影响区域（30、30′）所包围。

11.根据权利要求10所述的活塞，其特征在于，这样形成所述至少一个摩擦焊接缝（26、125），在径向方向上与活塞中轴（A）垂直或者呈锐角（α）或者钝角（β）。

12.根据权利要求10所述的活塞，其特征在于，所述至少一个摩擦焊接缝（25、125）这样定位，即，所述环槽（34）的下槽面（34′）到所述外侧的摩擦焊接缝（25、125）的中点的距离小于所述摩擦焊接缝（25、125）的热影响区（30）的轴向高度。

13.根据权利要求10的所述活塞，其特征在于，所述第一活塞组件是活塞主体（11、111、211），其具有至少一个活塞裙（15），而所述第二活塞组件是活塞环形部件（12、112、212），其具有至少一个活塞顶（19）、一个环绕的火力岸（21）和一个设有环槽（34、36、37）环绕的环形部分（22），并且所述活塞主体（11）和所述活塞环形部件（12）形成环绕的冷却通道（23）。

14.根据权利要求12所述的活塞，其特征在于，所述活塞环形部件（12）具有燃烧室凹腔（24）。

15.根据权利要求12所述的活塞，其特征在于，所述活塞环形部件（12、112、212）具有至少一个燃烧室凹腔（24）的壁部区域（28′）并且所述活塞主体（11、111、211）具有至少一个燃烧室凹腔（24）的底部区域（27）。

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