CN112135916A - 用于内燃发动机的活塞和用于内燃发动机的活塞的用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种柴油发动机活塞，其为一件式铸件并且由作为活塞材料的、带有球墨的几乎完全珠光体铸铁组成。此外，本发明涉及这样柴油发动机活塞用于“轻型车辆”柴油发动机、“重载”柴油发动机和“大口径”柴油发动机的用途。

Description

用于内燃发动机的活塞和用于内燃发动机的活塞的用途
技术领域
本发明涉及一种用于内燃发动机的活塞和用于内燃发动机的活塞的用途。
背景技术
例如，用于汽车柴油发动机的活塞通常是通过HIW焊接将锻钢下部和由棒料机加工的钢上部接合来生产的。一旦两个部件已经预先机加工，在此期间通过机加工形成活塞所需的冷却通道，它们借助于摩擦焊接或HIW工艺被接合，并且随后被热处理和精加工。因此，相应的钢活塞的生产通常基于锻造的基础材料并且多个组件一般经由热接合工艺被接合在一起。然而，这种生产方法是比较复杂和昂贵的。鉴于目前传统的技术，希望提供一种用于内燃发动机的活塞，其生产起来更容易且成本更低，并且至少具有常规钢活塞的性能。
发明内容
因此，本发明背后的基本理念是提供一种廉价且可靠的替代方案，以锻造钢活塞以及由通过热接合工艺(焊接工艺)的方式接合在一起的多个部件组成的钢活塞，尤其是用于内燃发动机的活塞以及用于汽车柴油发动机的特殊的活塞。这个目的是通过根据权利要求1所述的活塞来实现的，该活塞为一件式铸件(cast in one piece)并且由作为活塞材料的、带有球墨的几乎完全珠光体铸铁(almost fully pearlitic cast iron withspheroidal graphite)组成。这里，“一件式铸件”是指活塞由单件组成并且不是由多个组件接合在一起组成，并且该一件式活塞作为一个整体完全经由铸造被生产。
因此，活塞坯件、特别是汽车柴油发动机的活塞坯件(但不限于此)借助于铸造工艺在一件式球墨铸铁中被生产。采用这种成形技术，与从多件棒材生产相比，生产相应的活塞的工序步骤的数量可以被减少。此外，这个经由铸造工艺的活塞的一件式生产可以防止在从多个部件进行生产并将它们接合在一起的情况下时通常会出现的问题。此外，在活塞中的冷却通道，尤其是，可以使用损失的芯部相对便宜地制造。这就消除了对昂贵的单独机加工工艺的需要。
本发明的重要方面是高强度并且同时廉价的铸造材料的使用。在本发明中，高强度的、带有球墨的完全珠光体铸铁被用作活塞材料，其实现了或者甚至超越了材料EN-GJS-700-2在DIN EN 1563：2012-03中规定的性能。根据本发明的活塞材料在增加热稳定性方面被优化。因此，在工作温度为500℃及以上的拉伸强度和疲劳强度(HCF)被大幅地改善。因此，根据本发明的活塞至少具有由材料GJS-700-2和GJS-800-2生产的活塞的值得肯定的性能。在铸件状态下活塞材料的微观结构是完全珠光体的，并且与标准材料(GJS)相比，本发明的材料由Cu、Sn、Ni和Sb元素作为一个整体被稳定，其抑制在铁中碳的扩散并且在工作温度下稳定珠光体。
属性“几乎完全珠光体的”是可以被理解为在微观结构上以及在活塞材料的结构中可以发现主要是带有球墨的完全珠光体铸铁。因此，只能在有限的范围内和小比例中发现其他相。根据本发明的柴油发动机活塞的材料结构包括具有主要是球状形态的均匀分布的石墨以及作为基体的珠光体，在部分石墨相的周围具有少的铁素体区域。
在本发明的优选的实施方式中，游离的铁素体含量≤2.6％，优选≤1.0％并且更优选≤0.5％。正如上面定性地规定，根据本发明的活塞的材料包括只有非常小比例从带有球墨的完全珠光体铸铁偏离的相。这些中的一种可能是铁素体，其中铁素体在结构中含量总体上小于约3.0％。平均地，铁素体的含量优选≤1.0％，其中可能发生局部铁素体的积聚，其中含量可以高达2.6％。特别地，这种积聚发生在靠近铸件芯部或馈送器。
根据本发明的活塞的材料有利地包括下列以重量百分比(wt.％)计的成分/元素，或可选地由下列以重量百分比(wt.％)计的成分/元素组成：C：3.23，优选3.4-3.81，优选3.8；Si：2.2-3.23，优选3.0；Mn：0.04，优选0.2-0.4；Mg：0.0025-0.054，优选0.04；P：<0.1；S:0-0.020，优选0.007；Cr：<0.1；Ni：<0.1；Mo：<0.05；Nb：<0.1；Cu：0.4-1.0；Pb：<0.002；B：<0.001；W：<0.01；Ti：<0.015；Sn：0.05-0.135，优选0.1；V：<0.1；Sb：≤0.002，以及作为剩余物的铁和不可避免的杂质。
进一步地，根据本发明的活塞的材料有利地包括下列以重量百分比(wt.％)计的成分/元素，或可选地由下列以重量百分比(wt.％)计的成分/元素组成：C：3.23-3.81；Si：2.2-3.23；Mn：0.04-0.4；Mg：0.0025-0.054；P：0.005-0.1；S：0.003-0.020；Cr：0.01-0.1；Ni：0.006-0.1；Mo：0.002-0.05；Nb：<0.1；Cu：0.4-1.0；Pb：<0.007；B：<0.01；W：0.001-0.1；Ti：<0.015；Sn：0.05-0.135；V：0.002-0.3；Sb：0.001-0.07，以及作为剩余物的铁和不可避免的杂质。
进一步地，根据本发明的活塞的材料有利地包括下列以重量百分比(wt.％)计的成分/元素，或可选地由下列以重量百分比(wt.％)计的成分/元素组成：C：3.23-3.81；Si：2.2-3.23；Mn：0.04-0.4；Mg：0.0025-0.054；P：<0.1；S:0-0.020；Cr：<1.0；Ni：<1.0；Mo：<0.5；Nb：<0.3；Cu：0.3-2.0；Pb：<0.009；W：<1.0；Ti：<0.015；Sn：0.05-0.3；V：<1.0；Sb：≤0.05，以及作为剩余部分的铁和不可避免的杂质。
任选地，活塞材料由上述合金中的一者组成，即它不包括任何有效和功能含量的其他成分或化学元素。根据本发明的活塞材料的组合物的具体的特征是，减少或防止碳在钢中的扩散的元素以有针对性的方式掺入其中。特别地，根据本发明的铜(Cu)、锡(Sn)和镍(Ni)的含量可以被认为是这种功能的加成。与上述标准材料相比，通过抑制碳的扩散从而实现了特别好的高温稳定作用，这与作为一个整体的内燃发动机活塞的相应的有利性能有关联。
本发明的另一个方面是活塞(特别是如上所述的活塞)的用途，用于内燃发动机并且特别地用于“轻型车辆柴油(light-vehicle diesel，LVD)”发动机、“重载(heavy duty，HD)”柴油发动机(例如，那些用于重型货物的车辆以及具有直径达到约(ca.)145mm的柴油发动机)、以及“大口径(large bore)”柴油发动机(例如，船只中的或用于固定用途的大口径活塞发动机)。因此，根据本发明的活塞不限于用于相对较小的汽车柴油发动机的活塞；相反，它也可以被生产并用于较大型发动机以及用于汽油和气体发动机。
具体实施方式
根据本发明的活塞材料的一个具体实施例是基本上带有球墨的完全珠光体铸铁，其由以下以wt.％计的元素组成：C：3.7；Si：2.6；Mn：0.3；Mg：0.03；P：0.02：S：0.01；Cr：0.05；Ni：0.03；Mo：0.01；Nb：0.01；Cu：0.6；Pb：0.001；B：0.0001；W：0.001；Ti：0.01；Sn：0.06；V：0.1，以及作为剩余部分的Fe和不可避免的杂质。
作为本发明的另一个实施例，通过重力砂铸工艺铸造汽车柴油发动机活塞，并且确定以下以wt.％计的化学组成：C：3.38％；Si：3.05％；Mn：0.160％；P：0.065％；S：0.007％；Cr：0.025％；V：0.006％；Mo：0.005％；Ni：0.015％；Cu：0.737％；Mg：0.054％；Ti：0.0084％；W：0.0050％；Sn：0.0980％；Nb：0.0048％；Al：0.0219％；Ca：0.0013％；Pb：0.0006％；N：0.0077％；Co：0.0065％；As：0.0057％；Bi：0.0018％；Ce：0.0164％；Sb：0.0007％；Te：0.0010％；La：0.0032％；Zn：0.0004％。
这种活塞的截面被产生，并且在活塞的不同点处采集样品，对这些样品的机械性能进行测试并且对其实施结构分析。基于采集的11个样品，测定了HB 187.5/2.5的平均硬度为300。总体而言，依据这个硬度值，活塞具有良好的均一性，即在活塞的截面上，硬度没有明显的波动。在活塞截面的相应点处采集的样品被金相地制备并且在显微镜下对不同的相进行测试，以及不但在珠光体基体中球状石墨基本均匀分布，而且微观结构中铁素体含量非常低。
下方的表1和表2列出了一系列铸造合金的组成(样品1-11)，这些铸造合金的组成代表根据本发明的活塞的材料并且由相应生产的活塞确定。
表1
Figure BDA0002785200700000051
表2
Figure BDA0002785200700000061

Claims (6)

1.一种用于内燃发动机的活塞，所述活塞
为一件式铸件，并且
由作为活塞材料的、带有球墨的几乎完全珠光体铸铁组成。
2.根据权利要求1所述的活塞，其中，
所述活塞材料的铁素体含量≤2.6％，优选<1.0％，更优选<0.5％。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的活塞，其中，
所述活塞材料包括下列以wt.％计的元素，和可选地由下列以wt.％计的元素组成：
C：3.23至3.81；
Si：2.2至3.23；
Mn：0.04至0.4；
Mg：0.0025至0.054；
P：<0.1；
S：0至0.020；
Cr：<0.1；
Ni：<0.1；
Mo：<0.05；
Nb：<0.1；
Cu：0.4至1.0；
Pb：<0.002；
B：<0.001；
W：<0.01；
Ti：<0.015；
Sn：0.05至0.135；
V：<0.1；
Sb：≤0.002；
以及作为剩余物的Fe和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的活塞，其中，
所述活塞材料包括下列以wt.％计的元素，和可选地由下列以wt.％计的元素组成：
C：3.23至3.81；
Si：2.2至3.23；
Mn：0.04至0.4；
Mg：0.0025至0.054；
P：0.005至0.1；
S：0.003至0.020；
Cr：0.01至0.1；
Ni：0.006至0.1；
Mo：0.002至0.05；
Nb：<0.1；
Cu：0.4至1.0；
Pb：<0.007；
B：<0.01；
W：0.001至0.1；
Ti：<0.015；
Sn：0.05至0.135；
V：0.002至0.3；
Sb：0.001至0.07；
以及作为剩余物的Fe和不可避免的杂质。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的活塞，其中，
所述活塞材料包括下列以wt.％计的元素，和可选地由下列以wt.％计的元素组成：
C：3.23至3.81；
Si：2.2至3.23；
Mn：0.04至0.4；
Mg：0.0025至0.054；
P：<0.1；
S：0至0.020；
Cr：<1.0；
Ni：<1.0；
Mo：<0.5；
Nb：<0.3；
Cu：0.3至2.0；
Pb：<0.009；
W：<1.0；
Ti：<0.015；
Sn：0.05至0.3；
V：<1.0；
Sb：≤0.05；
以及作为剩余物的Fe和不可避免的杂质。
6.根据上述权利要求中任一项所述的用于内燃发动机的活塞的用途，用于“轻型车辆”柴油发动机、“重载”柴油发动机和“大口径”柴油发动机，以及用于汽油发动机和气体发动机。
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