CN106103785A - 具有经涂覆的销孔的活塞 - Google Patents

Abstract

公开了示例性的活塞和方法。方法可以包括经由热喷涂方法在用于内燃机的活塞销孔的表面上沉积耐磨和耐振材料。示例性的活塞可以具有活塞顶和活塞裙。活塞顶可以限定燃烧室和绕燃烧室沿周向延伸的活塞环岸，活塞裙支撑活塞顶，活塞裙包括一对活塞销壳，活塞销衬套分别限定构造为接纳活塞销的活塞销孔，每个活塞销孔限定在活塞销孔附近沿周向延伸的销孔表面，销孔表面由第一材料形成。方法可以进一步包括使用热喷涂加工向销孔表面施加至少包括不同于第一材料的第二材料的涂层。

Description

具有经涂覆的销孔的活塞

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年1月29日提交的、序列号为61/965,400的美国临时申请的优先权，其内容明确地以应用其全部的方式合并到本文中。

背景技术

内燃机制造商始终在探寻，以增加其产品的动力输出和燃料效率。通常增加效率和动力的一个方法是减小发动机的摆动量，例如，活塞的摆动量、连接杆的摆动量以及发动机的其他移动部件的摆动量。增加发动机动力和/或效率的努力也可能导致运转期间燃烧室内的压力和/或温度的增加。

通过执行弧线金属丝喷涂能够将等离子涂覆加工用于涂覆具有合金的内燃机中的轴承表面。已知的是，弧线金属丝喷涂加工包括以电流跨过金属丝而传递的方式将两个金属丝供给至喷头的双金属丝弧线喷涂(TWAS)加工。在其他示例中，可以采用等离子转移丝弧(plasma transferred wire arc)(PTWA)。PTWA方法通常建立提供有阴极的操作等离子，并且单个的可消耗金属丝的自由端被融化以便融化的金属颗粒流持续地被供给并且投射到目标表面上。

在许多极度需要的应用中，如今的内燃机活塞由铸铁制成。由于销孔和活塞销系统内的金属与金属的接触，销孔表面可以趋于磨损。不足的润滑量和高运转应力是表面磨损的直接原因。

缺乏足够的润滑以及发动机部件上的高工况负荷共同在这些部件上产生极高的应力。需要提供例如比铸铁更好的耐磨损的材料来延长发动机的使用寿命。因此，在一些应用中衬套被设置为销孔表面与活塞销之间的界面。然而，这样的衬套增加成本、复杂性、以及活塞组件的重量。

因此，存在对解决上述问题的活塞的需求。

附图说明

现参照附图，详细地示出了作为例证的示例。虽然附图代表了本文描述的示例性图示，但附图并不需要符合比例，并且某些特征可以被放大以更好地图示和说明示例性图示的创造性方案。而且，本文描述的示例性图示并不意在全面地或从其他方面对在附图中示出的以及下文中描述的精确形式和构造进行限定或者限制。本发明的示例性图示通过参照附图详细地描述如下：

图1为根据示例性图示的活塞的立体图；

图2为图1的示例性活塞的放大图；

图3A为根据示例性图示的、带有实心外部保护套的示例性金属丝的部分剖视图，所述实心外部保护套具有填充有第二金属部件的中空中心；

图3B为根据示例性图示的、在涂覆加工中的另一个示例性金属丝的部分剖视图，在所述涂覆加工中金属丝为一种材料形成的实心金属丝；

图4为根据一个示例性方法的、已经施加涂层之后的活塞销孔表面的放大剖视图；以及

图5图示了示例性方法的加工流程图。

具体实施方式

本说明书中的对“示例性图示”、“实例”或类似语言的参考意味着与示例性方法相关地描述的具体特征、结构或特点包括在至少一个图示中。在说明书的各个位置出现的词组“在图示中”或类似语言并不需要全部参照同样的图示或示例。

本文中描述了包括提供具有活塞顶和活塞裙的活塞的示例性方法。活塞顶可以限定燃烧室和绕燃烧室沿周向延伸的活塞环岸，活塞裙支撑活塞顶，活塞裙包括一对活塞销壳，活塞销壳分别限定构造为接纳活塞销的销孔，每个销孔限定在活塞销孔附近沿周向延伸的销孔表面，销孔表面由第一材料形成。所述方法可以进一步包括使用热喷涂加工对销孔表面施加至少包括不同于第一材料的第二材料的涂层。

示例性图示也指向可以包括限定燃烧室的活塞顶以及绕燃烧室沿周向延伸的活塞环岸的活塞，并且活塞裙支撑活塞顶。活塞裙可以包括一对活塞销壳，活塞销壳分别限定构造为接纳活塞销的销孔，每个销孔限定在活塞销孔附近沿周向延伸的销孔表面，销孔表面由第一材料形成。活塞可以进一步包括粘接至销孔表面的涂层，所述涂层包括第二材料。

本文公开的示例性系统可以包括活塞，例如，上述的活塞。示例性系统可以进一步包括电线，所述电线至少包括第二材料。电线可以通过热喷涂加工，例如，在PTWA加工中用于形成粘接至销孔表面的涂层。

示例性方法通常可以在正常的发动机运转期间以增加耐磨性和耐振性的方式在用于内燃机中的活塞上设置活塞销孔。使用单线等离子转移丝弧(PIWA)技术施加至轴承表面的材料相比于在用于柴油和汽油驱动的内燃机的铸造和锻造中传统地使用的基础金属通常在耐振性和耐磨性方面可以是更好的。

等离子转移丝弧(PTWA)加工为通过使用压缩的等离子弧只融化电线或棒(作为阳极连接)的前端来融化持续进给的、例如通常处于金属电线或金属棒的形式的原材料。融化的颗粒因此平行于目标表面。等离子可以是离子化气体的高速喷流，所述离子化气体被按照期望地压缩并且通过将其穿过阴极下游的喷嘴孔而围绕线性轴线聚焦。可以在阴极和阳极之间撞击的高电流弧可以转移至同样被保持为阳极的电线前端。可替换地，高电流弧能够直接转移至电线前端。

经由PTWA加工施加至目标表面的所产生的涂层可以本质上是包括原材料电线的相同材料。原材料电线能够由几乎任何能够被融化并且经由受迫的气流加速的材料组成。在一些示例中，可以采用具有单种材料或基本上均匀成分的电线。在其他的示例方法中，可以使用具有多种材料的电线。例如，可以使用具有布置在基本上包围布置在保护套内的填充材料的保护套中的第一材料的电线。

现在转到图1和图2，图示了示例性的活塞100。活塞100可以包括活塞裙102和活塞顶104。在一些示例中，活塞100可以例如通过铸造或锻造形成为单体。在其他示例中，如将在下文中进一步描述的，活塞顶104和活塞裙102可以起初形成为分离的部件并随后接合在一起。

活塞裙102和/或活塞顶104可以限定燃烧室120。活塞顶104可包括构造为密封接纳活塞100的发动机孔(未示出)的环带部106。例如，环带部106可以限定一个或更多的接纳活塞环(未示出)的圆周沟槽107，所述活塞环在活塞100的往复运动期间依次对发动机孔内的发动机孔表面进行密封。

活塞裙102可以包括活塞裙表面103，所述活塞裙表面103通常例如通过与发动机孔(未示出)的表面配合以在往复运动期间使活塞组件100在孔内稳固来在发动机运转期间支撑活塞组件100。例如，活塞裙表面103通常可以至少在活塞组件100的边界的部分附近限定圆形的外部形状。所述外部形状可以对应于通常为圆筒状的发动机孔表面。

活塞裙2也可以鉴定活塞销壳105。所述活塞销壳105通常可以形成有构造为接纳活塞销(未示出)的孔或销孔109。例如，活塞销可以插入穿过活塞销壳105中的销孔109，由此主要将活塞100固定至连接杆(未示出)。活塞100的特征，例如，环形沟槽107、销壳105和/或形成在其中的销孔109可以通过一体地形成为用于形成活塞裙102和/或活塞顶104的相同加工的零件而设置，例如，通过铸造、锻造等。可替换地，它们可以随后通过例如机加工、冲压或者其他材料去除加工而形成。如将在下文中进一步描述的，涂层130可以施加在销孔109上。销孔表面109可以在施加涂层130之前例如通过机加工、磨孔来准备，或者在施加涂层130之前创建期望的销孔109的表面粗糙度。这样的准备可以促进涂层130与销孔109的结合。

在活塞裙102和活塞顶104起初形成为分离的零件并随后接合在一起的示例性方法中，活塞裙102和主体104可以接合以便活塞裙102的上表面部分地限定燃烧室的下部。更具体地，活塞顶104起初形成为接纳活塞裙102的环状。可替换地，活塞顶104和活塞裙102可以经由完全布置在燃烧室120以下的接合表面接合，以便只由活塞顶104形成燃烧室。

活塞裙102与活塞顶104可以在任何方便的加工中固定地接合。仅仅作为示例地，活塞裙102和活塞顶104可以以摩擦焊接、激光焊接或者钎焊加工接合。通过将活塞裙102和活塞顶104固定地接合，活塞100通常可以形成为单体组件。

活塞裙102和活塞顶104可以由任何方便的材料构成。在活塞裙和活塞顶摩擦焊接或者激光焊接在一起的示例中，每种材料分别可以是易受摩擦焊接或者激光焊接影响的。在一个示例性图示中，活塞裙102和活塞顶104由不同的材料形成。因此，用于每个部件的材料可以与相关的普遍要求和运转条件更加紧密地匹配。活塞裙102，仅仅作为示例地，包括与活塞顶104不同的机械特性，例如，屈服点、拉伸强度或者切口韧性。任何方便的材料或组合可以用于活塞裙102和活塞顶104。仅仅作为示例地，活塞裙102和/或活塞顶104可以由钢材料、铸铁、铝材料、复合材料或者粉末状金属材料形成。额外地，任何方便的形成加工可以用于活塞裙102和活塞顶104。可以采用任何方便的材料和/或形成组合。

如以上提到的，销孔涂层130可以施加至销孔109的内表面。如将在下文中描述的，涂层130可以使用热喷涂加工施加，例如，通过供给到热喷涂加工中的电线(未在图1和图2中示出)施加涂层130的PTWA加工。涂层130可以因此大致永久地粘接至销孔表面109。例如，如在图4中示出的，示例性涂层130可以形成粘接至销壳105和/或销孔109的基本材料的大致永久的涂层。额外地，涂层130基本上填入图4所示的销孔表面109的表面粗糙度。涂层130可以由不同于销壳105和/或销孔109的材料的材料形成。相比于形成销壳105和/或销孔109的基本材料，涂层130的材料可以提供加强的耐磨性，由此改善了关于活塞销与销孔109之间的摩擦的性能。

示例性的活塞100可以用于小的孔径和大的孔径的应用，通常没有限制。额外地，示例性的活塞100可以用于任何方便的燃料应用，包括柴油、天然气、汽油、乙醇以及重型船舶应用的类型的燃油应用。

现在转向图3A和图3B，图示了可以在涂覆加工，例如PTWA加工中采用的示例性的电线。使用电线300形成的示例性的涂层130通常可以具有与电线300大致相同的成分。例如，涂层130(例如，如图4所示)将通常具有90％的铜和10％的锡的成分，而用于形成涂层130的电线300(例如，如图3B所示)具有90％的铜和10％的锡的成分。

例如，如在图3B中所示的电线300b，电线可以由单种材料形成。在这样的示例中，合金电线中的各个元件在用于施加涂层的等离子流中可以完全地均质化。因此，可以实现一致和统一的沉积材料的化学性质。

在其他示例中，电线300可以包括多个层或者多个材料成分。例如，如在图3A中最好地看到的，电线300a可以具有设置在围绕第二材料304的套筒或保护套中的第一材料。仅仅作为示例地，第一材料302可以包括在电线合金束的中部限定空腔的铜和铝合金。在一个示例中，第一材料302的成分为铜合金，例如，铜-铝合金，铜-锡合金，或者铜-锌合金。示例性的合金比例在第一材料302包括铜铝合金的示例中可以是50％至90％的范围的铜以及50％至10％的范围的铝。在第一材料302包括铜锡合金的示例中，材料的比例可以是90％至96％的范围的铜和10％至4％的范围的锡。

填充材料304可以包括各种金属材料的混合物，所述材料包括但不限于如下金属的碳化物：铜、铝、锡、铬、钨、钛、钼以及镍。在其他示例中，第二材料304可以包括如下金属合金：铜、铝、锡、铬、钨、钛、钼以及镍。

在一些示例中，在等离子应用加工，例如PTWA期间，可以将额外的材料与电线300组合。例如，在示例性的等离子加工期间，包括但不限于铜、铝、锡、铬、钨、钛、钼以及镍的金属可以加入电线的成分。

现在转到图5，图示了示例性的加工500。加工500可以用于涂覆滑动表面，例如活塞销孔109。热喷涂加工，例如等离子喷涂可以用于涂覆活塞的销孔表面，所述销孔表面本身可以由具有合金材料的铝或铁制造或铸造。

加工500可以在方框501处开始，在所述方框501处建立或者提供目标表面。例如，如上所述，活塞100可以设置为具有销孔109。如上所提到的，活塞100可以以任何方便的方式形成。在一些示例中，活塞100例如可以通过锻造或铸造形成为单体；在其他示例中活塞顶104和活塞裙102起初可以形成为分离的部件并随后接合在一起。而且，活塞顶104和活塞裙102可以由任何方便的材料形成。在一个示例中，活塞100和销孔109可以由第一材料形成。活塞100和/或销孔109的第一材料可以是，仅仅作为示例地，钢材料、铸铁、铝材料、复合材料或者粉末状的金属材料。可以在销孔109的整体中或沿着销孔109的一部分使用本文所述的示例性的涂覆方法由不同于第一材料的第二材料对销孔109进行涂覆。销孔109的表面可以例如通过机加工、磨孔或者其他方式设置期望的表面粗糙度为涂覆做准备，以促进涂层130与销孔109的粘接。加工500可以随后进行至方框502。

在方框502处，示例性的电线可以攻击到等离子中。例如，电线300a、300b可以被供给到设计为创建等离子的装置中，所述装置构造为融化电线300a、300b的端部。除了等离子，可以将载体气体以高压引入到等离子流中。加工500可以随后进行至方框504。

在方框54处，开始离子化或等离子加工或者通过高压放电驱动离子化和等离子加工，所述高压放电将合金电线、喷嘴主体以及阴极之间的等离子气体离子化。产生的等离子可以以高速流过等离子喷嘴。在一个示例中，等离子气体被运送至持续供给的合金电线300，例如垂直于喷嘴，由此使电路闭合。加工500随后可以进行至方框506。

在方框506处，载体气体可以将由合金电线产生的离子化的金属朝向目标表面(例如待涂覆的活塞的销孔)加速。电线300可以为

进行至方框508，已加速的金属离子冲击目标表面(例如，活塞销孔)，并且经由塑性变形机械地结合至目标表面。冲击目标表面的金属颗粒的快速减速将颗粒的动能转化为热能。该释放的能量提供了使颗粒塑性变形所需的能力，从而将颗粒结合至目标表面。因此，颗粒粘接至销孔表面，在销孔表面上创建涂层130。

通过产生具有比铸铁材料更好的耐腐蚀性的涂层的丝弧沉积喷涂加工对活塞销进行涂覆可以是有益的，因此相比于由灰铸铁合金组成的传统衬层增加了发动机的使用寿命。而且，已经发现示例性的涂层130实质上不仅比通常用于形成活塞销壳105和销孔109的基本材料，而且比具有类似于所施加的涂层的材料的材料复合物的衬套材料更耐磨。在一个示例中，在给定的耐磨试验期间使用PTWA加工施加的涂层材料130的容量损失比具有相同材料复合物的轴承的容量损失多于将近40倍。因此，示例性的热喷涂涂覆加工意想不到地改进了材料的性能。

虽然这样的加工的步骤等已经如根据某些有序的顺序发生的进行了描述，但关于本文描述的加工、系统、方法、启发等，应当理解为这样的加工能够以按照本文描述的顺序以外的步骤执行的所描述的步骤实践。应当进一步理解的是，能够同时执行某些步骤，能够增加其他步骤，或者能够省略本文所描述的步骤。换言之，文本的加工的描述为了图示某些实施例而设置，并且应绝不构成为限制所要求的发明。

因此，需要理解的是，以上描述本意为示例性的而非限定性的。通过阅读上述描述会想到已提供的示例以外的许多实施例和应用。应当不是参照上述描述来确定本发明的范围，而是应当参照所附的权利要求书连同与这样的权利要求书等同的全部范围来确定本发明的范围。所期待和意在的是，在本文所讨论的领域中将发生未来的开发，并且所公开的系统和方法将合并到这样的将来的开发中。总之，应当理解的是，本发明能够被变型和变化并且只有下述的权利要求书限定。

除非在本文中有明确相反的指示，权利要求书中使用的全部术语意在被给予最广的合理结构以及本领域技术人员所理解的通常的意义。特别地，诸如“一”、“该”、“所述”等的单数冠词的使用应当被读作引用一个或更多的指示的元件，除非权利要求书引用明确相反的限定。

Claims (20)

1.一种向活塞销孔施加涂层的方法，其中活塞包括活塞顶和活塞裙，所述活塞顶限定燃烧室和绕所述燃烧室沿周向延伸的活塞环岸，所述活塞裙支撑所述活塞顶，所述活塞裙包括一对活塞销壳，所述活塞销壳分别限定构造为接纳活塞销的活塞销孔，每个所述活塞销孔限定在所述活塞销孔附近沿周向延伸的销孔表面，所述方法包括：

将所述销孔表面建立为目标表面，所述销孔表面由第一材料形成；以及

使用热喷涂加工向所述目标表面施加涂层，所述涂层至少包括不同于所述第一材料的第二材料。

2.根据权利要求1所述方法，其中所述活塞裙构造为与发动机孔表面配合。

3.根据权利要求1所述的方法，其中施加所述涂层包括使用等离子转移丝弧加工将所述涂层粘接至所述销孔表面。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述涂层包括铜-铝合金、铜-锡合金以及铜-锌合金中的一种。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述涂层进一步包括铬、钨、钛、钼以及镍中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的方法，其中施加所述涂层包括将包括所述第二材料的电线供给到热喷涂中。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述热喷涂包括等离子喷涂。

8.根据权利要求6所述的方法，其中将所述电线供给到所述热喷涂中包括从所述电线的端部将所述第二材料的颗粒朝向所述销孔表面推进。

9.根据权利要求8所述的方法，其中施加所述涂层包括使所述第二材料的所述颗粒冲击所述销孔表面。

10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括通过将与所述颗粒相关的动能转化为热能而使所述颗粒粘接至所述销孔表面。

11.一种活塞，包括：

活塞顶，其限定燃烧室以及绕所述燃烧室沿周向延伸的活塞环岸；

活塞裙，其支撑所述活塞顶，所述活塞裙包括一对活塞销壳，所述活塞销壳分别限定构造为接纳活塞销的活塞销孔，每个活塞销孔限定在所述活塞销孔附近沿周向延伸的销孔表面，所述销孔表面由第一材料形成；以及

涂层，其粘接至所述销孔表面，所述涂层包括第二材料。

12.根据权利要求11所述的活塞，其中使用等离子转移丝弧加工将所述涂层粘接至所述销孔表面。

13.根据权利要求11所述的活塞，其中所述涂层包括铜-铝合金、铜-锡合金以及铜-锌合金中的一种。

14.根据权利要求11所述的活塞，其中所述涂层进一步包括铬、钨、钛、钼以及镍中的至少一种。

15.一种系统，包括：

活塞，其包括：

活塞顶，其限定燃烧室以及绕所述燃烧室沿周向延伸的活塞环岸；以及

活塞裙，其支撑所述活塞顶，所述活塞裙包括一对活塞销壳，所述活塞销壳限定构造为接纳活塞销的活塞销孔，每个活塞销孔限定在所述活塞销孔附近沿周向延伸的销孔表面，所述销孔表面由第一材料形成；以及

电线，其至少包括第二材料，所述电线构造为通过热喷涂加工形成粘接至所述销孔表面的涂层。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述电线包括铜-铝合金、铜-锡合金以及铜-锌合金中的一种。

17.根据权利要求16所述的系统，其中所述电线进一步包括铬、钨、钛、钼以及镍中的至少一种。

18.根据权利要求15所述的系统，其中所述电线包括单种均质材料。

19.根据权利要求15所述的系统，其中所述电线包括形成套筒的第一材料，所述套筒包围布置在其中的第二材料。

20.根据权利要求19所述的系统，其中所述电线的所述第一材料包括铜-铝合金以及铜-锡合金中的一种，并且所述电线的所述第二材料包括铬、钨、钛、钼以及镍中的至少一种。