CN1504637A - 一种内燃机活塞的制造方法和由此得到的活塞 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内燃机活塞的制造方法，该活塞由铸成单件的金属零件形成，其特征在于，加热钢坯以使其达到介于它的固相线温度和液相线温度之间的一个中间温度，然后经触变锻造使其成形。本发明还涉及一种内燃机活塞(12)，该活塞由铸成单件的金属零件构成。其特征在于，加热钢坯以使其达到介于它的固相线温度和液相线温度之间的一个中间温度，然后经触变锻造成形来制造出该活塞。

Description

一种内燃机活塞的制造方法和 由此得到的活塞

本发明涉及内燃机活塞的领域，尤其涉及机动车、重型货车、农用机械、公共建筑机械和船的内燃机活塞。

近年来高性能的内燃机得到发展，尤其是为了满足有关二氧化碳(CO₂)释放的新的和未来的环保标准而具有较高水平功率系数的内燃机得到发展。柴油机的发展尤其如此。在功率系数水平方面的提高涉及到发动机零件、尤其是活塞所经受的热应力和机械应力的显著的提高。因此活塞的设计正在变得越来越复杂。

活塞通常由铸造或锻造的铝合金以单件制成。但是，刚刚提及的不断提高的应力条件使得传统的活塞不适用了。因此人们想出了各种各样的解决办法以使铝活塞适合于高性能发动机：在合金中加入铝纤维以使其强化，添加钢插入件以降低膨胀，在活塞裙上沉积石墨以减少摩擦，或加工冷却通道使空气或油在其中循环以使活塞保持在可接受的操作温度下。但是，所有这些解决方法的成本都是很高的。

一个可想到的解决办法是用钢代替铝合金，具有相似几何形状的钢具有较高的抗机械应力和热应力的能力，以及较高的抗疲劳能力和较好的耐热稳定性。实际上，过去曾用钢来制造活塞，但是由于这种材料的高密度，从经济角度考虑，用钢来制作高性能发动机的活塞实际上最初是难以想到的。如果想使活塞的质量足够低，以获得发动机的高性能，活塞在锻造之后就必须达到显著降低的壁厚。如果由于成本的原因希望继续将活塞制成一个单一件，采用传统的锻造技术是不可能达到这样的厚度的。

本发明的目的是，在利于节省的条件下，提供高性能内燃机活塞的制造方法，尤其使得为此目的可以采用具有高机械性能的钢或其它致密的合金取代特殊处理和/或造型的铝合金。

为此目的，本发明涉及一种内燃机活塞的制造方法，该活塞由单件铸造的金属零件形成，其特征在于，加热钢坯以使其达到介于它的固相线温度和液相线温度之间的一个中间温度，并且通过实施触变锻造使其成形。

本发明还涉及一种内燃机活塞，该活塞由铸造成一个单件的金属零件构成，其特征在于：通过加热钢坯，以使其达到一个介于它的固相线温度和液相线温度之间的一个中间温度，然后通过触变锻造成形而制造出来。

在一个实施例中，凸耳由设置在活塞内空腔的基面上的镫筋件构成，该凸耳具有一个供连接活塞和活塞杆的销通过的孔，并且该活塞在其活塞裙上具有通向镫筋件中的孔的开口。

活塞顶端的壁的形状可依照用来面向燃烧室的活塞顶端表面的形状来确定。

活塞可以有加强肋。

活塞可以由碳钢制造。

它的成分的重量百分比可以是：

-  0.35％≤C≤1.2％

-  0.10％≤Mn≤2.0％

-  0.10％≤Si≤1.0％

-  微量≤Cr≤4.5％

-  微量≤Mo≤2.0％

-  微量≤Ni≤4.5％

-  微量≤V≤0.5％

-  微量≤Cu≤3.5％

-  微量≤Al≤0.060％

-  微量≤Ca≤0.050％

-  微量≤B≤100ppm

-  微量≤Ti≤0.050％

-  微量≤Nb≤0.050％

其它元素是铁和生产中带来的常见杂质。

它还可以包括最多0.180％的S和从最多0.080％的Bi、最多0.020％的Te、最多0.040％的Se、最多0.070％的Pb中选择的至少一种元素。

活塞可以由热工具钢制造。

活塞可以由高速钢制造。

活塞可以由不锈钢制造。

活塞可以由铸铁制造。

活塞可以由Fe-Ni基合金制造。

活塞可以由Ni-Co基合金制造。

可以明白，本发明是以应用一种称为“触变锻造”的成形方法为基础的，大家虽然都知道“触变锻造”，但还从没将其应用到活塞的生产中。

触变锻造在于使钢坯达到介于它的固相线温度和液相线温度间的一个中间温度，以这种方式使固体和液体在钢坯内共存，完全混合，然后通过锻造使金属零件成形。与传统的热锻工艺相比，这使得可以制造具有薄壁的复杂几何形状的零件并且采用很低的成形压力。事实上，在外部压力作用下经受触变锻造操作的金属的性能就像粘性流体一样。

触变锻造可以应用于许多种合金。下面对本发明的描述将集中在碳钢的触变锻造上，但应理解，其它合金也可以适用于通过触变锻造制造活塞。

在第一个实例中，触变锻造钢的操作的成功依赖于钢坯在触变锻造成形之前的加热过程中处于固相线和液相线之间的一个中间温度时获得的初始结构。经验表明，在成形操作之前钢坯必须具有一个球状的初始结构而不是枝晶结构。在后面这种情况下，在加热过程中介于枝晶和中间枝晶区域之间的不同合金元素的偏析会引起富集合金元素的中间枝晶区域金属的优先熔合。产生的液体势必会在成形操作开始时被喷射出来，这将导致所用压力的增加(施加在比所预料的更多的固体金属上)和零件内缺陷的出现：偏聚和内部状态的问题。当触变锻造的成形操作在通过合适的加热得到的球状初始结构上进行时，可以得到能高速变形的均匀的产品。钢坯的枝晶初始结构可以在触变锻造之前加热过程中优化以得到均匀的球状初始结构。这种结构可以通过尤其是控制在连续铸造产品的固化阶段的电磁工作强度来得到，这样可以使得枝晶碎化，另外可以通过控制产品的冷却强度来限制枝晶生长和偏析元素的扩散来得到，所有这些都是为了得到一个给定的产品尺寸。

如果操作是在由连续铸造的钢锭或金属锭得到的轧制条生产出的钢坯上进行的，在触变锻造之前的加热阶段可以获得球状的组织结构，而不必对分离的初始结构实施单独的球化操作。实际上，钢所经受的多次反复加热和显著变形时已导致显著的叠状漫射结构，而初始结构几乎是不可能出现的。

以达到触变锻造温度为目的的对钢坯的加热通常采用感应加热，以获得在钢坯所有的横截面上极为均匀的温度和从一个钢坯到另一个钢坯极高的操作再现性。

阅读下面参照附图给出的描述可以更好地理解本发明，其中：

图1示出了依照现有技术按常规由锻造铝合金制造的活塞的一个例子的立体纵剖视图。

图2示出了根据本发明由触变锻造碳钢制造的活塞一个例子的立体纵剖视图，该活塞可代替前面的那一种。

作为参考，在图1中的剖视立体图中示出的现有技术活塞1被设计用在汽缸容量为1900cc的高压直接喷射的柴油机中。该活塞1通过锻造由铝纤维强化的铝合金AS12UNG生产。它的外直径为80mm。按常规方式它的不同部件包括：

—一个内腔2，容纳驱动活塞1的活塞杆。

—一个活塞裙3，其构成活塞1侧壁，该活塞裙3用于与汽缸内衬相接触尤其是通过配置在凹槽4、5、6中的部分(未示出)进行接触，所述凹槽设置在位于活塞1的顶端7的活塞裙3的外周面上。

—一活塞顶端表面8，当活塞1被放在汽缸中时，其构成活塞面对燃烧室的部分，以及只通过例子示出的该活塞顶端表面8的形状通常设计成有利于燃料的燃烧。

—一具有通孔10的凸耳9，该凸耳具有面向活塞1内侧的加强壁，该凸耳9设置在活塞裙3上以允许用于连接活塞1和活塞杆的销可以穿过通孔10；一个相似的凸耳对称地与凸耳9相对地设置在未示出的一半活塞1上。

可以注意到：

—活塞裙3具有一相对大的厚度，约6mm；

—活塞的顶端7也是厚的，在它的表面8和内腔2的基面11之间的最大距离是29mm；

—在顶端压环(放置在与表面8最接近的凹槽6中的那一个)和活塞顶端7的表面8之间的距离是11mm；

—压缩高度，也就是说凸耳9的通孔10的中心到活塞顶端7的表面8之间的距离是51mm；

—凸耳9的通孔10的直径是28mm；

—活塞1的总高度是68mm；

—加工后活塞的重量是525克。

在图2中示出的根据本发明的活塞12是用来替代根据刚刚描述的现有技术得到的活塞1。该活塞12由碳钢经触变锻造而制造，该碳钢成分(重量百分比)为：C＝0.962％；Mn＝0.341％；Si＝0.237％；Cr＝1.500％；Ni＝0.089％；Mo＝0.017％；Cu＝0.161％；Al＝0.037％；S＝0.001％；P＝0.009％；V＝0.004％；Ti＝0.002％；Sn＝0.002％；N＝0.0041％。

与现有技术活塞1的那些元件功能等效的元件用相同的数字标记。

与现有技术的活塞1相比较，应注意到：

-活塞裙3薄得多：它的厚度仅1.5mm；

-活塞顶端7的厚度非常小，约3mm，并且它的壁的形状随其用来面向燃烧室那一侧的表面8的形状变化；结果是活塞12的内腔2具有很大的容积，这使得大量节约材料，并使得活塞12显著减轻；

-放置在凹槽6中的顶端压环与活塞顶端7的表面8之间的距离是5mm；

-凸耳不再与活塞裙13成为一整体，而替换为设置在内腔2的基面上的三角镫筋件13，并且通孔10穿过该件；一相似的镫筋件与镫筋件13对称地放置在活塞12未示出的一半上；为了给镫筋件13和通孔10提供通道，活塞裙3有一很大地开口14，这也可以使得活塞12变轻，也可减少活塞裙3和汽缸内衬间的接触面积，从而减少活塞12在使用过程中所经受的摩擦；

-压缩高度仅为32mm；

-在镫筋件13中的通孔10的直径仅为20mm，这可以减少连接活塞12和活塞杆的销的直径；

-活塞12的总高度是75mm(但这可被认为是与现有技术的活塞1等同的数值)；

-加工后活塞12的重量是500g。

这种复杂的几何形状只有由单件铸造的碳钢零件经触变锻造工艺得到，只有这样才可以得到提及的活塞裙3的特别小的厚度。

应该注意的是，通过这种构形获得的在减重方面的成果不仅可以用于活塞本身，还可以用于整个活塞-销和活塞-活塞杆组件。可以看到，活塞在减重方面的成果是25g。活塞销的直径从28mm降到20mm，和因此使其从80mm减短到50mm(在两种情况下活塞销为6mm厚的管)可使得整个部件减轻156g。活塞杆的重量也可减少几克。

利用表1示出的具有更好的机械性能和热性能的钢，前面已指出的根据现有技术由铝合金制造的活塞1和根据本发明由具有前述成分的触变锻造钢制造的活塞12之间的这些尺寸上的改进是可行的。表1中的所有特征都是在350℃测量的。这个温度是活塞在极端工作情况下达到的一个平均温度，但在汽缸的燃烧室附近局部可极大的超过这个温度。

表1：强化铝合金A512UNG和依据前述例子的钢在450℃时的特性比较

	强化的AS12UNG	钢
			密度	2.71	7.83
杨氏模量(MPa)	55000	190000
			泊松比	0.3	0.27
断裂强度(MPa)	100	1100
			抗疲劳强度(MPa)	50	400
膨胀系数(10-6/K)	20	12
			导热系数(W/m·K)	100	20

可以看到，钢的较好的机械性能允许使用较小数量的材料获得同样抗应变的零件，这可以弥补钢的较大密度的缺陷并获得甚至比铝制等效零件更轻的零件。

并且，钢的机械性能随温度变化比铝的更加稳定。

由于钢的较低的热传导性能，这已经看到，可以显著缩短顶端压环与活塞的基面8之间的距离。环之间的空间也可以减少。所有这些都可导致所用材料数量的降低。另一方面，燃烧室中释放的热也因此保持集中于活塞的基面。因此活塞裙经受更小的温度变化，这减少了膨胀的问题，这也是由于钢相对于其它金属合金比如铝具有更低的膨胀系数。活塞裙3和汽缸内衬以同样的方式膨胀，这样可以减少工作间隙并更快地向内衬排出热量。

由于同样的原因，通过钢活塞比通过铝活塞从燃烧室排出的热量少，这就提高了发动机的性能。

压缩高度的降低可减少汽缸的高度，从而提高发动机的紧凑性。这也是降低发动机重量的一个因素。

如果活塞顶端7达到过高的温度，可以采用通过直接喷入内腔2的油来冷却它的预防措施。这种解决办法无论如何都比在活塞内部使用冷却通道更简单，而该冷却通道在由铝制造的活塞中常常是必备的。

不管是活塞的普通外形还是它的不同部分的精确尺寸，刚刚描述的活塞12的几何形状只是本发明实施例中的一个例子。触变锻造也为在活塞不同区域设置小厚度加强肋提供了可能性。

一个钢的非限制性的例子，该例子的钢可用来经触变锻造生产活塞，该钢的例子由下述一般范围(重量百分比)构成：

-    0.35％≤C≤1.2％

-    0.10％≤Mn≤2.0％

-    0.10％≤Si≤1.0％

-    微量≤Cr≤4.5％

-    微量≤Mo≤2.0％

-    微量≤Ni≤4.5％

-    微量≤V≤0.5％

-    微量≤Cu≤3.5％

其它元素是铁和由于生产带来的常见杂质：P，Sn，N，As……

可选择的是可加入：

-脱氧元素：Al(最多0.060％)和/或Ca(最多0.050％)；

-  增加硬度的元素，如B(最多100ppm)；

-改善可加工性能的元素：S(最多0.180％)，Bi(最多0.080％)，Te(最多0.020％)，Se(最多0.040％)，Pb(最多0.070％)；

-抑制晶粒长大的元素，比如Ti(最多0.050％)和Nb(最多0.050％)；

具体可提及的两个这样的钢的例子是：

-例1：C＝0.377％；Mn＝0.825％；Si＝0.190％；Cr＝0.167％；Ni＝0.113％；Cu＝0.143％；Al＝0.022％；S＝0.01％；P＝0.007％；Sn＝0.01％；N＝75ppm；Ca＝6ppm。

这种钢的测量的固相线温度是1430℃，测量的液相线温度是1487℃，触变锻造最好在1480℃发生。

-例2：(用来制造图2的活塞的例子)：C＝0.962％；Mn＝0.341％；Si＝0.237％；Cr＝1.500％；Ni＝0.089％；Mo＝0.017％；Cu＝0.161％；Al＝0.037％；S＝0.01％；P＝0.009％；V＝0.004％；Ti＝0.002％；Sn＝0.002％；N＝41ppm。

这种钢的测量的固相线温度是1315℃，测量的液相线温度是1487℃，触变锻造最好在1405℃发生。

-例3：C＝0.825％；Mn＝0.649％；Si＝0.213％；Cr＝0.100％；Ni＝0.062％；Cu＝0.107％；Al＝0.035％；S＝0.007％；P＝0.007％；N＝55ppm。

这种钢的测量的固相线温度是1360℃，测量的液相线温度是1490℃，触变锻造最好在1429℃发生。

应该注意的是，刚刚作为参考的测量的液相线和固相线温度可能与按照文献中通常的公式作为钢的成分的函数计算出来的液相线和固相线温度有显著不同。实际上，这些公式在钢冷却固化过程中钢的温度以每分钟几度下降的情况下是有价值的。为了确定最佳触变锻造温度，固相线和液相线温度必须在钢坯将经受的真实条件下测量，即以每分钟几十度的速率的感应实现的再加热达到环境温度。但是，这种温度的确定可以由本领域技术人员通过常规试验完成，不会出现任何特殊的困难。

至于刚才描述的材料，触变锻造应该最好在钢具有10-40％液体成分时发生。低于10％时，将存在金属不能正确地流动和与工具接触时太快地固化的风险。高于40％时，将存在在加热过程中金属的塌缩和流动的风险，钢坯变得难于按成形工具正确变形。

刚解释了其成分的钢是用作建筑的钢或在锻造和加工中用于热处理的钢，它们可适合于用于大多数的机动车、重型货车、农用机械、公共建筑工程机械和船的活塞的制造。

为了满足尤其是在活塞头达到的温度下应用的特殊需要，可以考虑采用允许热操作的钢，例如热工具钢38CRMoV5，45CrMoV6，55NICrMoV7，普通的高速钢或高碳钢，还可以是铸铁或铁-镍基合金或钴-镍基合金。不锈钢也可以考虑应用于活塞需要与尤其是含有腐蚀性添加剂的燃料接触工作的情况，例如马氏体不锈钢Z40Cr13到Z200Cr13。所有这些材料和可应用于本发明的各种碳钢都具有高含碳量(最低0.35％)或者甚至非常高的含碳量的特征。因为它可以降低固相线温度和拓宽固化范围，所以这是一个十分有利于触变锻造操作的因素；因此，可以更容易地接近金属中液相部分的最佳范围。

可以看到，本发明可以应用于各种各样的合金，其主要特征是，它们的机械性能和热性能非常适合用于形成活塞，并且它们非常适合触变锻造。

Claims (14)

1.一种内燃机活塞的制造方法，该活塞由铸造成一个单件的金属零件形成，其特征在于：加热钢坯以使其达到介于它的固相线温度和液相线温度之间的一个中间温度，然后通过触变锻造使其成形。

2.一种内燃机活塞(12)，该活塞由铸造成一个单件的金属零件构成，其特征在于：通过加热钢坯，以使其达到一个介于它的固相线温度和液相线温度之间的一个中间温度，然后通过触变锻造成形而制造出来。

3.如权利要求2所述的活塞(12)，其特征在于：该活塞的凸耳由设置在活塞(12)内腔(2)基面上的镫筋件(13)形成，该凸耳设有一供连接活塞(12)和活塞杆的销通过的通孔(10)，以及该活塞在其活塞裙(3)上有为镫筋件(13)上的通孔(10)提供通道的开口(14)。

4.如权利要求2或3所述的活塞(12)，其特征在于：活塞顶端(7)的壁的形状跟随用于朝向燃烧室一侧的活塞顶端(7)的表面(8)的形状。

5.如权利要求2至4之一所述的活塞(12)，其特征在于该活塞具有加强肋。

6.如权利要求2至5之一所述的活塞(12)，其特征在于该活塞由碳钢制造。

7.如权利要求6所述的活塞(12)，其特征在于：该活塞的成分按重量百分比是：

-  0.35％≤C≤1.2％

-  0.10％≤Mn≤2.0％

-  0.10％≤Si≤1.0％

-  微量≤Cr≤4.5％

-  微量≤Mo≤2.0％

-  微量≤Ni≤4.5％

-  微量≤V≤0.5％

-  微量≤Cu≤3.5％

-  微量≤Al≤0.060％

-  微量≤Ca≤0.050％

-  微量≤B≤100ppm

-  微量≤Ti≤0.050％

-  微量≤Nb≤0.050％

其它元素是铁和由生产造成的常见杂质。

8.如权利要求7所述的活塞(12)，其特征在于：该活塞包括最多0.180％的S，和从最多0.080％的Bi、最多0.020％的Te、最多0.040％的Se、最多0.070％的Pb中选择的至少一种元素。

9.如权利要求2至5之一所述的活塞(12)，其特征在于：该活塞由热工具钢制造。

10.如权利要求2至5之一所述的活塞(12)，其特征在于：该活塞由高速钢制造。

11.如权利要求2至5之一所述的活塞(12)，其特征在于：该活塞由不锈钢制造。

12.如权利要求2至5之一所述的活塞(12)，其特征在于：该活塞由铸铁制造。

13.如权利要求2至5之一所述的活塞(12)，其特征在于：该活塞由一种Fe-Ni基合金制造。

14.如权利要求2至5之一所述的活塞(12)，其特征在于：该活塞由一种Ni-Co基合金制造。

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