CN103153500B - 生产带有嵌入颗粒的活塞环的方法 - Google Patents

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Abstract

一种轴肩上具有耐磨颗粒的活塞环，其通过以下步骤生产：生产金属材料的基材的熔体、将陶瓷颗粒加入所述熔体中、将所述熔体倒入预制模具中，以及冷却所述熔体。在冷却期间，所述模具被对齐以使得所述陶瓷颗粒在至少一个所述活塞环的轴肩上聚集。

Description

生产带有嵌入颗粒的活塞环的方法
技术领域
本发明涉及一种生产活塞环的方法，其中，嵌入用于防止活塞轴肩磨损的颗粒。本发明还涉及一种使用本发明的方法生产的活塞环。
背景技术
在内燃机中的活塞环密封存在于活塞头和燃烧室的汽缸壁之间的间隙。在活塞向上和向下运动期间，一方面，活塞环滑动且其外周表面与汽缸壁持续弹性抵接，另一方面，由于活塞的倾斜运动，活塞环以震荡的方式在活塞环凹槽中滑动，其中，活塞环的轴肩交替地抵接活塞环凹槽的上部或下部凹槽轴肩。根据被使用的材料，在每种情形中彼此滑动的部件中发生或多或少的磨损，磨损导致裂缝、划痕并且最终导致在干运转情形中的引擎的损坏。为了改善汽缸壁与活塞环之间的滑动和磨损性能，环的周表面上设置有不同材料的涂层。
在动态引擎运转期间，由于气力、摩擦力和惯性力，活塞环在活塞凹槽中轴向运动。由于不断与缸膛接触，活塞环受到连续的滑动磨损，这被证实作为活塞环表面或它的涂层的磨料磨损，也作为从汽缸运转表面到活塞运转表面（或反之）的材料的部分转移。这引起在活塞环的轴肩上的磨料磨损，严重地影响活塞环的使用性能。轴肩磨损对引擎的排放性能有直接影响。
铸铁材料或铸铁合金主要用于生产活塞环。活塞环，特别是压缩环，在高性能引擎中受到不断增加的荷载，包括压缩峰值压力、燃烧温度、EGR（排气再循环）和润滑膜的减少，这些对所述引擎的功能特性有至关重要的影响，例如，磨损、耐焦痕性、微型焊接和耐腐蚀性。然而，现代技术的铸铁材料表现出较高的断裂风险，这意味着当使用前述材料时，频繁地发生环的断裂；增加的机械-动态荷载导致活塞环的服务寿命缩短；还存在在运转表面和轴肩上的严重的磨损和腐蚀。由于在活塞环上的更大的机械应力和动态应力，越来越多的引擎制造商需要由高级钢制成的活塞环和汽缸套。此时，碳的重量含量低于2.08%的铁质材料被称作钢。如果碳含量更高，则称之为铸铁。与铸铁相比，钢材料具有更好的强度和韧性特性，因为基本结构中不存在游离石墨造成的干扰。
如今的基于铸铁或钢的活塞环材料构成均质材料，它自身不足以抵抗轴肩磨损。为了减少在引擎中的活塞环中的轴肩磨损，磨损保护层被施加到活塞环轴肩上。例如，与未涂覆的环或硝化的环相比，以及与带有常见的在钼基上离子注入硬铬层的活塞环相比，带有颗粒增强的硬铬涂层的活塞环表现出显著改善的耐磨损性。然而，由于在现代燃机中不断增加的压力以及温度参数，这些涂层也接近它们的性能的极限。因此，需要具有比前面的情形中更低的磨损和更高的粘附力的新型涂层。为了满足此需求，复合材料粉通过热喷涂被施加到活塞环表面，复合材料粉包括在金属基体中的陶瓷相。这样，可以结合陶瓷良好的摩擦学性能与金属的良好的机械特性。硬质的、有时为脆性的陶瓷颗粒在金属基体中的强韧性和延展性的融合得到保证。通过在活塞环的表面上的适当的暴露，陶瓷颗粒呈现出摩擦学性能，而金属基体通过变形在需要的地方吸收机械荷载并且减少应力。
然而，以这样的方式涂覆的活塞的生产是昂贵的，因为涂覆步骤必须被加入到活塞环的生产上。因此，本发明处理的问题是提供一种生产活塞环的方法，活塞环的轴肩上设置有陶瓷颗粒，该方法在引入这些陶瓷颗粒时不需要涂覆步骤。
发明内容
根据本发明，上述问题通过一种生产活塞环的方法被解决，所述方法包括以下步骤：
a.生产金属材料的基材的熔体；
b.将陶瓷颗粒加入熔体中，其中，所述陶瓷颗粒的密度<4.0g/cm3；
c.将熔体倒入预制模具中，所述模具仅仅允许环的铸造，以及
d.冷却所述熔体，其中，在达到液相线温度之前经历的时间≥120秒，并且模具水平地对齐，以使得陶瓷颗粒在冷却期间聚集在至少一个活塞环轴肩上。
陶瓷颗粒可，例如，通过搅拌引入金属熔体中。
为了实现陶瓷颗粒在期望的轴肩上的聚集，陶瓷颗粒和金属熔体显示不同的密度。在此，重要的是，陶瓷颗粒的密度小于金属熔体的密度。这意味着，陶瓷颗粒的密度应当<4.0g/cm3。优选的，陶瓷颗粒的密度在1.0至<4.0g/cm3的范围内，更优选地，陶瓷颗粒的密度在1.8至<3.0g/cm3的范围内，更优选的，陶瓷颗粒的密度在2.1至<2.8g/cm3的范围内。陶瓷颗粒的密度在2.1至<2.6g/cm3的范围内是非常合适的。陶瓷颗粒的密度可以以本领域的技术人员所知的方式通过生产过程影响或调整。
此外，模具应当仅仅允许铸造环。单独的铸造方法导致材料在环的冷却期间从外部凝固。
为了确保陶瓷颗粒聚集在期望的轴肩上，模具应当水平地被布置，以便于促进借助重力分离。或者，可通过使用离心机加快金属铸造材料从陶瓷颗粒上的部分分离，其中，由铸模限定的平面的垂直线在离心机平面中。换言之，模具平行于离心机的旋转轴线，以使得陶瓷颗粒在旋转的轴线方向上聚集。已经发现，在金属铸造材料中的陶瓷颗粒的有利分布能够首先通过借助重力的分离而实现。
为了确保陶瓷颗粒借助重力的充分聚集，在到达液相线温度前应当经历的时间≥120秒。在到达液相线温度前经历的时间优选地≥180秒，更优选地，在180和300秒之间，最优选地，在180和210秒之间。
为了保持期望的冷却速度，例如，可从外部提供热量。这因此可涉及可加热的铸模。或者，可在熔体中添加发热添加剂。还有一种可能涉及选择活塞环坯料的具体的体积-表面积比V/O=>0.5cm。
陶瓷颗粒优选地选自Al2O3、Cr2O3、Fe3O4、TiO2、ZrO2颗粒或其混合物。
一方面，为了使得陶瓷颗粒更容易地聚集在期望的活塞环轴肩上，另一方面，为了保证活塞环的良好的摩擦学性能，根据活塞环的截面选择陶瓷颗粒的平均直径。陶瓷颗粒的平均直径可为0.1至100μm。陶瓷颗粒的平均直径优选地为0.5至80μm，更优选的平均直径为0.5至40μm，更优选的平均直径为1.0至25μm，更优选的平均直径为5.0至25μm。最优选的平均直径为5.0至15μm。
金属铸造材料优选地为铸铁或铸钢材料，例如V4钢。用于活塞环的适合的材料及其生产，例如钢压锻，是本领域技术人员已知的。
如果金属铸造材料为铸铁，它优选地包含以下元素，这些元素相对于100%铸铁成分的重量的含量为：C，2.0–3.8wt%；Si和/或Al，1.0–4.0wt%；Mn，0.05–1.5wt%；P，0–0.7wt%；S，0–0.1wt%；Cr，0.05–1.5wt%；Cu，0.05–2.5wt%；Sn，0–2.5wt%；N，0-0.08wt%；余量的Fe。
如果金属铸造材料为钢材料，它优选地包含以下元素，这些元素相对于100%钢材料成分的重量的含量为：C，2.00–4.00wt%；Si，至多0.10wt%；P，至多0.10wt%；S，至多0.20wt%；Mn，至多1.30wt%；Cu，至多0.50wt%；Cr，1.7-5.00wt%；Ni和镧系元素，0.10–2.00wt%；Mo，0.1%-2.0wt%；Co，至多0.20wt%，以及至多1.5wt%的选自Ti、V和Nb的组中的至少一种元素，余量的Fe。
在适当时，活塞环可回火处理，其包括以下步骤：
e.活塞环在其Ac3温度以上奥氏体化；
f.活塞环在适当的淬火介质中淬火，以及
g.在可控气氛炉中在400至700℃温度范围内移除活塞环。
优选地使用油作为淬火介质。
此外，由本领域技术人员已知的材料制成的耐磨涂层可存在于环运转表面和/或活塞环的轴肩上。这一类型的耐磨涂层可通过本领域现有技术中已知的一系列工艺被施加。耐磨涂层可通过热喷涂工艺被施加，例如，等离子喷涂、电弧喷涂、冷喷涂、金属丝火焰喷涂和HVOF喷涂。替代性地，耐磨涂层可通过电镀、PVD、CVD、涂覆和硝化来沉积。同样地，还可使用这些工艺的结合。

Claims (6)

1.一种生产活塞环的方法，包括以下步骤：
a.生产铸铁或铸钢材料的基材的熔体；
b.将陶瓷颗粒加入所述熔体中，其中，所述陶瓷颗粒的密度小于所述熔体的密度；所述陶瓷颗粒的密度<4.0g/cm3；
c.将所述熔体倒入预制模具中，其中，所述模具仅仅允许环的铸造，以及
d.冷却所述熔体，其中，冷却速度被保持，以使得在达到液相线温度之前经历的时间≥120秒，并且所述模具水平地对齐，以便促进借助重力分离，以使得所述陶瓷颗粒在冷却期间聚集在至少一个所述活塞环的轴肩上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过使用离心机加快所述铸铁或铸钢材料从所述陶瓷颗粒上的部分分离，其中，由铸模限定的平面的垂直线在离心机平面中，以便模具平行于离心机的旋转轴线，以使得陶瓷颗粒在旋转的轴线方向上聚集。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述陶瓷颗粒选自Al2O3、Cr2O3、Fe3O4、TiO2、ZrO2颗粒或其混合物。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述陶瓷颗粒的平均直径为0.1至100μm。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，还包括以下步骤：
e.所述活塞环在其Ac3温度之上奥氏体化；
f.所述活塞环在适当的淬火介质中淬火；以及
g.在可控气氛炉中在400至700℃温度范围内移除所述活塞环。
6.一种使用权利要求1至5中任一项所述的方法生产的活塞环。
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