CN104024616A - 涂层活塞以及一种制造涂层活塞的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于柴油内燃机的活塞，该活塞包括一冠部，该冠部至少部分由钢形成并具有一燃烧表面，该燃烧表面带有一形成于其中的燃烧碗。该燃烧碗具有一燃烧碗边缘区域，并且一包括贵金属和难熔金属中的至少一种的涂层基本上仅涂覆于该燃烧碗边缘区域。在发动机运行过程中，当活塞处于上死点位置时，该涂层优选涂覆于燃烧碗边缘区域的与柴油燃料喷雾区域匹配的区域。

Description

涂层活塞以及一种制造涂层活塞的方法
技术领域
本发明涉及活塞，尤其涉及用于柴油发动机的钢制活塞。
背景技术
内燃机制造商正面临日益增长的提高发动机效率和性能的需求，这些需求包括但不限于，提高燃料经济性、改善燃油消耗量、减少油耗、增加缸镗内的压缩荷载、减少重量以及使发动机更加紧凑等。这些需求中的一些可以通过提高燃烧室内空气/燃料混合物的温度和压力来实现。因此，重要的是发动机中的活塞能够承受这些升高的温度和压力。
为了制造能够在这种环境下运行的活塞，许多制造商转而制造完全由钢制成的活塞而非完全由铝或由铝和钢一起制成的活塞。然而，当曝露于升高的燃烧温度下时，钢会氧化，这可能急剧降低活塞的性能和耐久性。用于降低氧化风险的一种措施是采用钴或镍基材料涂覆活塞。但是，这种方法也有其局限性，并且可能不是在所有条件下具有最高的性价比的技术方案。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于柴油发动机的活塞，该活塞包括一由钢制成的冠部，该冠部形成有一燃烧表面，该燃烧表面具有一带有碗边缘区域的燃烧碗。一包括贵金属和难熔金属中至少一种的涂层选择性地涂覆于碗边缘区域的至少一部分，并且基本仅涂覆于碗边缘区域的那些选择的部分。由于抗氧化涂层防止了活塞的钢基金属氧化，而且还能够抵抗燃烧压力和温度，因此该抗氧化涂层是有利的。当活塞位于上死点位置时，该涂层优选地仅涂覆于活塞的上表面的与燃料喷射器匹配的部分。因此，用于提高抗氧化保护能力的材料成本得以最小化而不会影响活塞的实用性。
本发明的另一个方面提供了一种制造用于柴油发动机的活塞的方法，该方法包括制备一钢制的冠部的步骤，该冠部具有一带有燃烧碗和碗边缘区域的燃烧表面。该方法接着包括选择性地将一包括贵金属和难熔金属中至少一种的涂层基本仅涂覆于冠部的碗边缘区域的步骤。
本发明的又一个方面提供了一种制造用于柴油发动机的活塞的方法，其中，选择性地将涂层涂覆于碗边缘区域的步骤进一步定义为通过一棒状涂覆器将该涂层电解沉积至冠部的碗边缘区域。
根据本发明的另一个方面，涂覆于活塞的金属为铼，即，一种具有高熔点温度(3186℃)的难熔金属，该金属抗化学侵蚀，而且不过软也不过脆。
附图说明
参阅以下详细说明并结合附图，本发明的这些和其他特点以及优点将更易于领会和理解，其中：
图1是典型的活塞的局部透视图并且示出了标示涂覆有贵金属的区域的圆圈；
图2是典型的活塞的正俯视图并且示出了标示涂覆有贵金属的区域的圆圈；
图3是典型的将涂层涂覆至活塞的涂覆器的示意图；
图4是安装于典型的柴油发动机的缸膛内的图1的典型的活塞示意图；以及
图5是图4的典型的活塞的剖面放大图，并且以涂覆有金属的区域为中心，且涂层的厚度被放大。
具体实施方式
参阅附图，其中类似的附图标记表示所有附图的相应的部分，图1和图2大致示出了根据本发明的一个方面构造的典型的用于柴油发动机22的活塞20，该活塞20在图4中示为安装于柴油发动机22中。
参阅图1，该典型的活塞20具有整体的设计，也就是说，它包括彼此整体连接以形成一件式活塞20本体的冠部24和裙部25。该冠部24包括具有燃烧碗26的顶部表面或者燃烧表面，该燃烧碗26具有“墨西哥帽”的设计以及燃烧碗边缘区域28。但是，应当理解的是，该活塞20也可选择性地由两个或更多的彼此铰链式(articulatedly)连接或非铰链式连接的部分形成，并且该活塞20也可以包括具有任意所需形状的燃烧碗26。在下文中“燃烧碗边缘区域28”一词用以描述燃烧碗26的上边缘以及在燃烧碗26内部和围绕燃烧碗26的基本邻近燃烧碗26的上边缘的冠部24的区域。
为了承受柴油发动机22的燃烧室内的燃烧压力和温度，至少活塞20的冠部24是主要或完全由钢(例如，4140H钢或者微合金化钢)形成的。活塞20本体的冠部24和裙部25优选地通过精密(或者熔模)铸造工艺成型并且随后加工为最终形式。但是，应当理解的是，活塞20的这些部分24，25可通过任何合适的工艺(包括例如，方钢的锻造和机械加工)形成并且成型。与传统的活塞一样，该典型的活塞20还包括多个用于容置活塞环32的环形槽30(如图4所示)，该活塞环32能够将活塞20密封连接至柴油发动机22的缸膛。
涂层34基本上仅在燃烧碗边缘区域28处以及仅在沿着燃烧碗边缘区域28的指定位置处涂覆于冠部24的燃烧表面。该涂层34基本上完全由一种或多种贵金属或者难熔金属组成(例如铼、金、铂、铱、钯、锇、银、铑和钌)，从而防止冠部24的钢基材料的具有涂层的部分氧化。特别地，涂层34基本上仅在燃烧碗边缘区域28处涂覆于燃烧表面。现在参阅图4，在该典型实施例中，当活塞20位于上死点位置时，燃烧碗边缘区域28的涂层部分34大致与从燃料喷射器40喷射出的柴油燃料喷雾区域匹配。同样地，涂层34保护了在发动机运行过程中活塞20的可能最易被氧化的那部分。还应当理解的是，沿着燃烧碗边缘区域28的被涂覆的特定位置可取决于气缸内燃料喷射器40的类型以及其在缸膛内相对于活塞20的方向。可选择地，如果需要，涂层34可涂覆于整个燃烧碗边缘区域28。
涂层34最优选地包括铼(一种难熔金属)，这是由于铼具有高熔点温度(约3186℃)。由于在柴油发动机22的运行过程中，涂层34直接曝露于燃烧温度下，因此，这是有利的。另外，铼由于其耐化学腐蚀并且既不过于柔软也不过于易碎，因此是有利的。但是，应当理解的是，涂层34还可选择地包括其他贵金属和/或难熔金属。例如，可能需要限定涂层34由铼、钌、钯、锇、铱、铂、铑、金、银、钴和镍的多种组合组成。
将涂层34基本上仅设置于燃烧碗边缘区域28是有利的，这是因为贵金属的用量保持为最小化，因而涂层能以最经济的方式为活塞20提供足够的抗氧化性。此外，涂层34的厚度优选地为一至一百微米(1-100μm)。同样地，用于提升抗氧化性的材料花费也很小。应当理解的是，燃烧碗边缘区域28的涂覆有贵金属的特定部分可以根据以下情况而变化，例如，每个发动机气缸的燃料喷射器40的数量、燃料喷射器40的类型、燃料喷射器40相对于活塞20的方向以及活塞20的几何形状。活塞20的燃烧表面的其余部分可不涂覆或者涂覆比贵金属涂层34廉价的一种或多种材料。
在将涂层34涂覆于冠部24之前，应完全清洁并激活冠部24。这优选地通过十至十五伏(10-15V)的电压实现，并且可包括酸性催化剂以及中间的水洗步骤。此外，如图5中的放大图中最优所示，在该典型实施例中，结合层44涂覆于活塞20的冠部24的钢基底材料和涂层34之间。该结合层44优选地由镍组成，并且厚度约为一至十微米(1-10μm)。该结合层44可通过任何适合的工艺涂覆。应当理解的是，除了镍之外的材料也可选择性地用于该结合层44，并且该结合层44可具有任何所需的厚度。如果需要，可在燃烧表面的不具有涂层34的区域覆盖一护罩(图中未示)。
现在参阅图4，该典型实施例的贵金属和/或难熔金属涂层通过棒、笔或者触针涂覆器46并依据可选的电化学金属化工艺涂覆于结合层。该典型涂覆器46包括阳极部分38，该阳极部分由石墨组成并连接至把手48。涂覆器46的阳极部分38优选地成型为类似于燃烧碗边缘区域28的形状，以更易于将涂层34涂覆于活塞20。阳极部分38的尖端覆盖有织物外套50，比如聚酯、棉或者百利(scotchbrite)。在典型实施例中，泵52(例如蠕动泵52)与涂覆器46流体连接以将贵金属或难熔金属溶液输送至织物外套50。可选择地，涂覆器46的尖端可周期性地浸入贵金属或难熔金属溶液中。
本发明的另一个方面是一种制造用于柴油发动机22的活塞20的方法。该方法包括准备钢制的并具有带燃烧碗26和燃烧碗边缘区域28的燃烧表面的冠部24的步骤。该方法继而包括选择性地将包括贵金属和难熔金属中至少一种的涂层34基本仅涂覆于冠部24的燃烧碗边缘区域28的步骤。涂覆贵金属和/或难熔金属涂层34可例如通过电解沉积或者料浆膏(slurry paste)(料浆膏先干燥然后用激光融化)完成。但是，应当理解的是，可以采用任何合适的工艺以将贵金属和/或难熔金属涂层34涂覆于冠部24的燃烧碗边缘区域28。贵金属和/或难熔金属涂层34可基本完全由铼、金、铂、铱、钯、锇、银、铑和钌中的一种或多种组成。贵金属和/或难熔金属涂层34优选地涂覆至冠部24上一至一百微米(1-100μm)的厚度。该方法还可包括在选择性地将贵金属涂层34涂覆于碗边缘之前将包括镍的结合层44涂覆于碗边缘的步骤，以及然后将贵金属和/或难熔金属涂层34涂覆于结合层44。
本发明的又另一个方面是另一种制造用于柴油发动机22的活塞20的方法。该方法包括准备钢制的并具有带燃烧碗26和燃烧碗边缘区域28的燃烧表面的冠部24的步骤。该方法继而包括采用棒状涂覆器46将涂层34基本仅电解沉积至冠部24的燃烧碗边缘区域28的步骤，该涂层34包括贵金属和/或难熔金属，且优选地基本仅由一种或多种贵金属或难熔金属组成。在电解沉积步骤中，冠部24可以保持静止，同时棒状涂覆器46相对其移动，或者反之亦然。金属涂层34可基本由铼、金、铂、铱、钯、锇、银、铑和钌中的一种或多种组成。
显然，根据以上教导，本发明还可以做出多种修改和变化，且在权利要求范围内可通过具体描述之外的方式实现。

Claims (20)

1.一种用于柴油发动机的活塞，包括：
一冠部，该冠部由钢制成，并形成有一燃烧表面，该燃烧表面具有一带有碗边缘区域的燃烧碗；以及
一涂层，该涂层包括贵金属和难熔金属中的一种，且选择性地涂覆于所述碗边缘区域的至少一部分，其中，所述涂层基本仅涂覆于所述冠部的所述碗边缘区域。
2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，当所述活塞位于上死点位置时，带有所述涂层的所述碗边缘区域的所述预定部分被选择为与来自柴油发动机中一燃料喷射器的燃料喷雾区域匹配。
3.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述涂层基本完全由铼、金、铂、铱、钯、锇、银、铑和钌中的一种或多种组成。
4.根据权利要求3所述的活塞，其特征在于，所述涂层包括铼。
5.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述涂层通过电解沉积工艺结合至所述钢制的冠部。
6.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述涂层的厚度为一至一百微米(1-100μm)。
7.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述活塞进一步包括一设置在所述碗边缘区域的所述钢材料与所述涂层之间的结合层。
8.根据权利要求7所述的活塞，其特征在于，所述结合层基本由镍制成。
9.一种制造用于柴油发动机的活塞的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
制备一钢制的冠部，且该冠部具有一带有燃烧碗和碗边缘区域的燃烧表面；以及
选择性地将一包括贵金属和难熔金属中至少一种的涂层基本仅涂覆于所述冠部的碗边缘区域。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述选择性地涂覆所述涂层的步骤包括将具有贵金属的涂层基本仅电解沉积至冠部的碗边缘区域。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述选择性地涂覆所述涂层的步骤包括将料浆膏涂覆至碗边缘区域的预定区域，干燥料浆，并且通过激光融化沉积物。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述涂层基本完全由铼、金、铂、铱、钯、锇、银、铑和钌中的一种或多种组成。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述涂层基本完全由铼制成。
14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述涂层被涂覆的厚度为一至一百微米(1-100μm)。
15.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括在选择性地将所述涂层基本仅涂覆于所述冠部的碗边缘区域的步骤之前，将一包括镍的结合层涂覆于所述碗边缘区域。
16.一种制造用于柴油发动机的活塞的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
制备一钢制的冠部，且该冠部具有一带有燃烧碗和碗边缘区域的燃烧表面；以及
通过棒状涂覆器将一包括贵金属和难熔金属中至少一种的涂层基本仅电解沉积至所述冠部的碗边缘区域。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述电解沉积步骤包括将所述冠部静止放置，并且相对于所述冠部移动所述棒状涂覆器。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述电解沉积步骤包括将所述棒状涂覆器静止放置，并且相对于所述棒状涂覆器移动所述冠部。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述涂层基本完全由铼、金、铂、铱、钯、锇、银、铑和钌中的一种或多种组成。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述涂层包括铼。
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