TW202231995A - 活塞環槽嵌環和製作方法 - Google Patents

Abstract

本發明涉及一種活塞組件，包括：活塞，其具有周向槽；以及在活塞的周向槽內的環槽嵌環。特別地，環槽嵌環是不同於活塞的第一材料的第二材料。第二材料具有以下中的至少一者：a）為第一材料的密度的90%至120%的密度；b）為第一材料的熱膨脹係數（CTE）的50%至90%的CTE；或c）大於第一材料的熱導率的熱導率。

Description

活塞環槽嵌環和製作方法

本發明涉及用於在內燃機中使用的活塞環槽嵌環（piston ring groove insert），並且具體涉及由物理特性不同於活塞的固體材料製成的活塞環槽嵌環。本文還描述了用於生產由固體材料製成的活塞環槽嵌環的方法。 優先權

本申請涉及並要求於2021年1月8日提交的美國臨時專利申請第63/135,473號的優先權，該美國臨時專利申請以引用的方式併入本文。

乘用車中的大多數渦輪增壓的（或以其它方式升壓的）內燃機使用鋁活塞，鋁活塞圍繞用作壓縮環槽的鋼活塞環嵌環鑄造。活塞環的功能是防止槽的過早磨損、頂部環岸處的疲勞開裂，並且防止槽中和槽周圍的預燃事件造成的侵蝕。

儘管鋼環槽嵌環表現出對磨損、侵蝕和疲勞問題（這些問題限制了活塞中的未增強鋁或甚至陽極氧化鋁環槽嵌環的使用壽命和應用）的足夠抵抗性，但是鋼環槽嵌環存在許多缺點。鋼的密度比鋁高，因此鋼嵌環增加了活塞的往復運動質量，這降低了發動機效率並增加了燃料消耗。與鋁相比，鋼環槽嵌環具有非常低的熱導率，因此用作熱障，該熱障直接放置在從熱源（燃燒室）穿過活塞環並進入發動機缸體並到達油冷活塞頂部底面的導熱路徑中。另外，鋼的熱膨脹係數（Coefficient of Thermal Expansion，CTE）通常是鋁的熱膨脹係數的一半。因此，當活塞變熱時，鋁將比鋼嵌環膨脹得更快，從而壓迫嵌環與活塞之間的結合，這可能導致故障。

本文描述了用於製作由金屬基複材（Metal Matrix Composite，MMC）製成的環槽嵌環（ring groove insert）的加工方法，這些加工方法允許在嵌環（insert）周圍通過鑄造或鍛造或其它技術來生產活塞，而不會導致嵌環在活塞成型溫度下變形或熔化。工藝特別用於具有分散在金屬基體中的多個陶瓷顆粒的環槽嵌環材料，其中，嵌環材料是預成型的固體。陶瓷顆粒在加工溫度下不熔化或變形，以製作活塞組件，並且還在操作溫度下提供長的壽命。

如本文所述的環槽嵌環提供了適合活塞組件的定制特性（例如密度、CTE、熱導率和耐磨性）。期望能夠製造具有預成型固體嵌環材料的活塞，該嵌環材料不增加整個活塞的質量以便提高發動機效率，並且具有與活塞材料緊密匹配的CTE以便改善活塞與嵌環之間的結合，同時還具有高熱導率，以便更好地將熱量從槽中耗散到活塞環中或耗散到油冷頂部底面。

在一個方面，提供了一種活塞組件，包括：活塞，其具有周向槽；以及在活塞的周向槽內的環槽嵌環。環槽嵌環優選具有外表面和內表面。環槽嵌環是不同於活塞的第一材料的第二材料，並且第二材料具有以下中的至少一者： a）為第一材料的密度的90%至120%的密度； b）為第一材料的CTE的50%至90%的CTE；或 c）大於第一材料的熱導率的熱導率。 活塞的第一材料可以是鋁、鋁合金、鎂、鎂合金或其組合。在一些實施例中，活塞是鋁合金，該鋁合金包括矽、銅、錳、鎂、鐵、鋅、鎳、鈧、鋰、鈦、鋯或錫中的一種或多種合金元素。鋁合金可具有不同於第二材料的熔化溫度，特別地差異為20℃至80℃。

環槽嵌環是第二材料，該第二材料優選地在第一材料的熔化溫度以上（例如達到725℃或更優選地1000℃的溫度）維持其尺寸形狀。在一些實施例中，第二材料可以是MMC，該MMC包括鋁、鋁合金、鎂、鎂合金、鈦、鈦合金或其組合的基體和基於第二材料的總體積的5體積%至60體積%的分散在基體中的增強顆粒。在一些實施例中，基體是具有超過88重量%鋁的鋁合金。

包括第二材料的環槽嵌環可包括硬度大於基體硬度的增強顆粒。在一些實施例中，增強顆粒具有大於8的硬度並且基體具有小於4的硬度，或者增強顆粒具有9至10的硬度並且基體具有2至3的硬度，其中，硬度根據莫氏硬度表測量。增強顆粒可以包括至少一種多個陶瓷顆粒。在一些實施例中，增強顆粒包括碳化物、氧化物、矽化物、硼化物、氮化物或其組合。至少一種多個增強顆粒可以優選包括碳化矽、碳化硼、碳化鈦、硼化矽、氮化鋁、氮化矽、氮化鈦、氧化鋁或其組合。增強顆粒的平均粒度可以是0.01 μm至10 μm。

環槽嵌環材料可以是MMC，該MMC包括基於第二材料的總體積的5體積%至60體積%的增強顆粒，或優選地基於第二材料的總體積的15體積%至50體積%的增強顆粒，或更優選地基於第二材料的總體積的15體積%至30體積%的增強顆粒。

環槽嵌環材料可具有2.5 g/cm ³至3.0 g/cm ³的密度。環槽嵌環材料可具有140到170 W/m°K的熱導率。環槽嵌環材料可具有15 ppm/℃到25 ppm/℃的熱膨脹係數。環槽嵌環材料可具有小於或等於0.5%的孔隙率。優選地，環槽嵌環材料具有上述的任何組合或全部。

在一個方面，提供了一種預成型的環槽嵌環。環槽嵌環可以是預成型的固體，其具有： 2.5 g/cm ³至3.0 g/cm ³的密度； 140至170 W/m°K的熱導率； 15 ppm/℃至25 ppm/℃的CTE；以及 小於或等於0.5%的孔隙率，其中，嵌環包括在金屬基體中的5體積%至60體積%的多個陶瓷顆粒。預成型固體環槽嵌環可以包括平均粒度分布（D50）為0.01 μm至10 μm的多個陶瓷顆粒。預成型環槽嵌環可包括內表面積為100 mm ²/mm ³至1000 mm ²/mm ³的多個陶瓷顆粒。

環槽嵌環材料可維持其尺寸形狀，如通過第一體積分數的另一鋁合金基體的表面積相對於第二體積分數的增強顆粒的表面積測量的。環槽嵌環的內表面可具有0.4 μm或更大的表面粗糙度（Ra）。環槽嵌環的內表面可具有0.4 μm或更大的表面粗糙度（Ra）。環槽嵌環的一部分可延伸到活塞的頂部環岸中。從最上面的一個或多個槽的頂部到活塞的頂部測量的距離與參考鋼嵌環相比減小至少10%。

活塞組件可包括在環槽嵌環的內表面與活塞之間的界面區。界面區可以包括至少一種金屬間化合物二次相。界面區可以包括擴散控制塗層，其將活塞的第一材料與環槽嵌環的第二材料分開。界面區可以包括鋁、銅、鎳、鋅或其組合的塗層。在一些實施例中，界面區包括至少一種金屬間化合物二次相，其包括鋁、銅、鎳、鋅或其組合。界面區可以富含從活塞的第一鋁合金遷移的銅、錳、鎂、鐵、鋅或鎳的一種或多種合金元素，並且特別地，界面區可以富含鎂和鎳中的至少一者。環槽嵌環材料可以是MMC，該MMC包括鋁合金和5體積%至60體積%的增強顆粒，其中，界面區具有小於或等於1/500的增強顆粒與基體相的比率。界面區可以具有小於或等於5%的孔隙率。

在另一方面，提供了一種製作活塞組件的方法，包括：提供環槽嵌環；在金屬或金屬合金的固相線溫度或該固相線溫度以上圍繞環槽嵌環壓鑄金屬或金屬合金，以形成鑄造活塞組件。環槽嵌環可以是預成型的固體，其具有： 2.5 g/cm ³至3.0 g/cm ³的密度； 140至170 W/m°K的熱導率； 15 ppm/℃至25 ppm/℃的CTE；以及 小於或等於0.5%的孔隙率。

該方法可以包括在壓鑄之前塗佈環槽嵌環。該方法可以包括在壓鑄之前增加環槽嵌環的表面積。該方法還可以包括在壓鑄之後對鑄造活塞組件進行熱處理、淬火和時效處理中的至少一者。該方法還可以包括在環槽嵌環中形成至少一個環槽，該至少一個環槽用於容納活塞環。

在又一方面，提供了一種內燃機，包括活塞缸和在活塞缸內的活塞組件。活塞組件可包括：活塞，其具有周向槽；以及在活塞的周向槽內的環槽嵌環。環槽嵌環可具有外表面和內表面。環槽嵌環可以是不同於活塞的第一材料的第二材料。第二材料具有以下中的至少一者： a）為第一材料的密度的90%至120%的密度； b）為第一材料的CTE的50%至90%的CTE；或 c）大於第一材料的熱導率的熱導率。

內燃機可包括至少一個活塞環，其設置在活塞組件與活塞缸之間，位於從環槽嵌環的外表面徑向向內延伸的另一周向槽中。環槽嵌環可提供比對比鋼環槽嵌環減少2.5%的重量，以在內燃機中產生至少2.3 kg CO ₂/升汽油的CO ₂減少。發動機可以減少碳氫化合物、氮氧化物和碳氧化物的排放，但不降低燃燒壓力和/或發動機效率。與參考鋼嵌環相比，CO ₂排放可減少至少10%。

在又一方面，提供了一種包括如上所述的內燃機的車輛。本發明的這些和其它非限制性特性將在下面更具體地公開。

通過參考圖式可以獲得對本文公開的部件、工藝和設備的更完整的理解。這些圖式僅僅是基於方便和容易地展示本發明的示意性表示，因此不旨在指示裝置或其部件的相對大小和尺寸和/或限定或限制示例性實施例的範圍。

儘管為了清楚起見，在以下描述中使用了特定術語，但是這些術語僅旨在指代為了在圖式中進行說明而選擇的實施例的特定結構，並且不旨在限定或限制本發明的範圍。在圖式和以下描述中，應當理解，同樣的圖式標記指代具有同樣功能的部件。

單數形式「一」、「一種」和「該」包括複數指代，除非上下文另外清楚地指示。

如說明書和申請專利範圍所用，術語「包括」可包括「由……構成」和「基本上由……構成」的實施例。如本文所用，術語「包括」、「包含」、「具有」、「可以」、「含有」及其變體旨在為開放式過渡短語、術語或詞語，其需要存在指定成分/組分/步驟並允許存在其它成分/組分/步驟。然而，這樣的描述應當被解釋為還將組合物、物品或工藝描述為「由所列舉的成分/組分/步驟構成」和「基本上由所列舉的成分/組分/步驟構成」，這允許僅存在指定成分/組分/步驟連同可能由其產生的任何雜質，並且排除其他成分/組分/步驟。

本申請的說明書和申請專利範圍中的數值應理解成包括當減少至相同數量的有效數字時相同的數值和與所述值的差異小於本申請中描述以確定值的類型的常規測量技術的實驗誤差的數值。

本文公開的所有範圍包括所述端點並且可獨立地組合（例如，「2克至10克」的範圍包括端點2克或10克以及所有中間值）。

當材料被描述為具有平均粒度或平均粒度分布時，其被定義為達到顆粒總數的50%（按體積計）的累積百分比時的顆粒直徑。換言之，50%的顆粒具有高於平均粒度的直徑，50%的顆粒具有低於平均粒度的直徑。顆粒的大小分布將是高斯型的，具有所述平均粒度的25%和75%的上四分位數和下四分位數，並且所有顆粒小於所述平均粒度的150%。

本文所述的工藝步驟提及溫度，並且除非另有規定，這是指由所提及的材料獲得的溫度，而不是熱源（例如熔爐、烘箱）設定的溫度。術語「室溫」是指20℃至25℃（68°F至77°F）的範圍。 內燃機

如本文所述的活塞組件適用於在車輛的內燃機中使用。通過提供如本文所述的環槽嵌環，與鋁活塞/鋼嵌環組件相比，活塞組件的總質量得以減小。將環槽嵌環結合到活塞組件中產生的效率效果超過任何額外的材料成本，同時通過減少CO ₂排放進一步提供環境益處。振蕩質量減少估計15%使燃料消耗減少1.6-2.6升/100 km。（Schwaderlapp等人, “Friction Reduction - the Engine’s Mechanical Contribution to Saving Fuel”; Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress, 文獻號F2000A165, 第1-8頁, 2000年6月12日至15日, 韓國首爾）。為了說明性的目的，「嵌環A」將被稱為本文描述的活塞組件的代表性的環槽嵌環。嵌環A的質量減少的示例計算轉化成每輛車€76的細粉減少（使用2.3升EcoBoost作為計算的基線）。計算基於1082 g的每氣缸的往復運動質量。嵌環「A」的重量比鋼嵌環少27 g，導致2.5%的質量減少。使用2.1 l/100 km作為1.6-2.6升/100 km參考範圍的平均值，2.5%的質量減少提供了2.1 l的1/6/100 km=-0.35 l/100 km。CO ₂減少於是為-0.35 l/100 km或-0.8 g/km（2.3 kg CO ₂/升汽油）。因此，細粉的減少為0.8 g/km×€95/g CO ₂/km，這等於每輛車€76。是預成型固體嵌環的嵌環（例如嵌環A）在當前的製造工藝中可以容易地替代鋼嵌環，並且另外產生如上所述的環境效益以及成本效益。

如圖1中示意性地例示的，車輛100包括發動機150、傳動系統110和車輪120以及用於移動車輛的其它部件。發動機150可以是或包括內燃機。內燃機包括在活塞缸內發生的燃燒，其中燃燒氣體迫使活塞向下移動。發動機150包括如本文所述的活塞組件，該活塞組件包括嵌環（例如上述嵌環A）。

如圖2中示意性地例示的，由於施加熱量而導致的內燃機200內的氣體的膨脹然後迫使氣體壓縮並作用於活塞220的頭部（或頂部），從而使活塞在氣缸210內向下移動。活塞可上下移動，以經由與曲軸275連接的連杆265生成圓周運動。根據本文的實施例在活塞缸內的活塞組件250包括具有至少一個周向槽230的活塞220。在本文所述的實施例中，包括至少一個周向槽230的活塞220更包括活塞周向槽230內的環槽嵌環（如圖3A所示）。如本領域技術人員所理解的，術語環槽嵌環（或簡單地，嵌環）也可以互換地稱為載體或環槽載體。

在一些實施例中，環槽嵌環提供有利的重量減輕。例如，由不同於活塞的第一材料的第二材料製成的環槽嵌環比對比鋼環槽嵌環為內燃機提供了2.5%的重量減少，以產生至少2.3 kg CO ₂/升汽油的CO ₂減少。

由於環槽嵌環的熱導率比常規使用的材料（例如鑄鐵）的熱導率大3倍到6倍，因此活塞的整體溫度將更低。這促進了從最上面的活塞環到氣缸壁的熱傳遞。

通過使用如本文所述的活塞環嵌環提供的明顯更冷的活塞頂允許增大壓縮比和/或導致效率的增加，並且通過允許完全壓縮而防止或減少爆震。

在一些實施例中，內燃機表現出環槽嵌環的耐磨性大於活塞組件中的活塞材料的耐磨性。環槽嵌環的耐磨性也等於或大於鑄鐵的耐磨性。

在一些實施例中，內燃機表現出碳氫化合物、氮氧化物和碳氧化物排放的減少，但不降低燃燒壓力和/或發動機效率。本文的實施例將環槽嵌環升高到高於活塞的頂部。由於嵌環的增強的冷卻特性（包括高熱導率），活塞環的頂部到活塞的頂部環岸之間的這種減小的距離是可能的。活塞環與活塞頂部之間的距離減小導致縫隙體積減小、碳氫化合物排放減少以及發動機效率提高。取決於發動機設計，壓縮比然後也可以降低。 活塞組件構造

圖3A至圖3C的剖視圖中例示了用於設置在如圖2所示的內燃機的活塞缸內的活塞組件350。活塞320具有頭部325或頂部環岸部分，如圖3A所示。在活塞320的活塞頭325內是周向槽330。環槽嵌環360設置在活塞頭325的周向槽330內。圖3B的環槽嵌環360具有內表面370和外表面380。外表面380與活塞320的外周面340齊平，如圖3C所示。外表面380更包括另一周向槽，其從環槽嵌環的外表面380徑向向內延伸，以提供用於承載活塞環（未示出）的周向槽390。環槽嵌環360的內表面370包括一個或多個表面，例如包括如圖所示的370A和370B。環槽嵌環360的內表面370可為適於在活塞內加工以製成整體式活塞組件的任何形狀。內表面370可以包括磨圓的、倒角的、正弦曲線的、有圓齒的表面。內表面的特徵可以機加工、衝壓或精壓到環槽嵌環360中。在內表面370與周向槽330之間優選地沒有間隙，並且沒有孔隙。內表面370在本文中定義為與周向槽330聯接或以其它方式配合的表面。周向槽330可包括互補形狀（例如磨圓的、倒角的、正弦曲線的、有圓齒的表面），以圍繞內表面370形成並容納內表面370。內表面370直接（沒有塗層）或間接地利用塗層結合到周向槽330。在一些實施例中，界面區設置在內表面370與周向槽330之間，如將在下面詳細描述的。活塞環305設置在活塞320與活塞缸壁310之間的環槽嵌環360的周向槽390內。距離D限定在活塞環305的頂部與活塞320的頂部之間，或者限定為槽390的點345與活塞320的頂部之間的距離。活塞320與氣缸壁310之間的包括距離D的周向體積定義為縫隙體積。嵌環360允許距離D與嵌環360一起最小化，使得縫隙體積最小化。距離D也可以稱為頂部環岸長度。在一些實施例中，與常規鋼嵌環相比，距離D減小至少10%、至少20%、至少30%或至少40%。

除了如圖3C所示的活塞組件的構造之外，如本文設想的活塞組件可包括多於一個的環槽嵌環和/或一個或多個從嵌環的外表面（例如圖3B和圖3C的環槽嵌環的表面380）向內延伸的周向槽。換言之，如本文所述的活塞組件可構造成容納一個或多個活塞環。圖3D例示了具有圍繞嵌環460鑄造的活塞420的活塞組件450。示出了在例如將嵌環460的外表面加工成與活塞420的外表面齊平的進一步加工之前和在活塞組件450的嵌環部分中加工槽（例如圖3C中的槽390）之前的嵌環460。圖3E例示了具有圍繞嵌環560鍛造的活塞520的活塞組件550。示出了在例如在嵌環560的外表面中加工一個或多個槽的進一步加工之前的嵌環560。

在一些實施例中，環槽嵌環的一部分延伸到活塞頭的頂部環岸中，或者活塞環可移動得更靠近活塞頂（在活塞頭的頂部），從而減小距離D，如圖3C所示，由此減小縫隙體積並減小預點火的趨勢。該構造可包括較短的活塞和/或較長的連杆。較短的活塞減少了發動機中的往復運動質量，而較長的連杆減少了由將活塞推靠襯套的徑向力所引起的摩擦損失。減小體積和預點火的趨勢都提高了發動機效率。

適於本文描述的活塞組件的活塞環可以包括用於製作壓縮環或任何市售的活塞環的常規的鐵基材料。最普通的活塞環材料是鉻（不銹）鋼，其通常塗佈有CrN、硬鉻、DLC或另一低摩擦、耐磨塗層。活塞環也可以由鑄鐵製成，其塗佈有與在鉻（不銹）鋼上使用的塗層類似的塗層。活塞環可以由具有高熱導率和較低的相對於活塞槽環嵌環的摩擦係數的材料製成。在非限制性示例中，活塞壓縮環由含銅合金製成，該含銅合金包括銅、鎳、矽和鉻。這些銅合金與用於製作壓縮環的常規鐵基材料相比可具有數倍的熱導率。含銅-鎳-矽-鉻的合金在活塞操作溫度下比其它高導電率合金具有更高的強度。這些合金還具有壓縮環所需的抗應力鬆弛性和耐磨性。活塞環確定大小成裝配在槽（例如圖3A和圖3C的槽390）內，以獲得良好的密封。環的大小將取決於發動機大小。可以設想，環可以具有多達1000毫米或者甚至更大的內徑（即孔）。

通過使用具有較高熱導率的活塞環材料，熱量將更快地從環槽傳遞出去，穿過活塞環並進入到氣缸襯套中。環槽中的較低溫度增加了槽中活塞材料的屈服強度，並且還增加了疲勞強度。較高熱導率的環材料允許頂環槽放置得更靠近活塞頂，而沒有過度磨損槽的風險。 活塞組件材料

如本文所述的活塞組件包括活塞和環槽嵌環，其中，兩個部件由不同材料製成，但連結在一起，以提供如圖3D和圖3E的示例所示的整體單元。在一些實施例中，活塞是第一材料，環槽嵌環是第二材料。第二材料或嵌環材料不同於活塞頭的第一材料。環槽嵌環的第二材料可以是固體的緻密材料，其在與活塞集成之前通過下面詳述的各種方法中的任何一者預先成型。

活塞材料可包括任何適於活塞的材料。在一些實施例中，活塞是鋁、鋁合金、鎂、鎂合金或其組合。優選地，活塞材料是鋁合金，並且可以包括一種或多種合金元素，包括矽、銅、錳、鎂、鐵、鋅、鎳、鈧、鋰、鈦、鋯或錫。

活塞材料的鋁合金可以具有超過82重量%的鋁。用於活塞的鋁合金可以包括2000系列鋁合金（即，與銅形成合金的鋁）、6000系列鋁合金（即，與鎂和矽形成合金的鋁）或7000系列鋁合金（即，與鋅形成合金的鋁）。合適的鋁合金的非限制性示例包括2124和2168。

在一些實施例中，活塞材料的鋁合金是2124合金，該合金包括93.5重量%的鋁、4.4重量%的銅、1.5重量%的鎂和0.6重量%的錳。

在其它實施例中，活塞材料的鋁合金是合金，該合金包括82.5重量%至86.3重量%的鋁、11.0重量%至13.0重量%的矽、0.7重量%至2.5重量%的鎳、0.7重量%至2.5重量%的鎂和0.7重量%至2.5重量%的銅。在優選實施例中，活塞材料是鋁合金，該鋁合金由11.0重量%至13.0重量%的矽、0.7重量%至2.5重量%的鎳、1.0重量%的鎂、1.0重量%的銅、以及餘量的鋁構成。在一些實施例中，活塞材料是包括12.6重量%的矽的鋁合金。

在另一些實施例中，活塞材料的鋁合金是2618合金，其包含92.6重量%至94.9重量%的鋁、0.10重量%至0.25重量%的矽、0.9重量%至1.3重量%的鐵、1.9重量%至2.7重量%的銅、1.3重量%至1.8重量%的鎂、0.9重量%至1.2重量%的鎳、0.04重量%至0.10重量%的鈦和可選的至多0.10重量%的鋅。在優選的實施例中，活塞材料是鋁合金，其由0.10重量%至0.25重量%的矽、0.9重量%至1.3重量%的鐵、1.9重量%至2.7重量%的銅、1.3重量%至1.8重量%的鎂、0.9重量%至1.2重量%的鎳、0.04重量%至0.10重量%的鈦、可選地至多0.10重量%的鋅、以及餘量的鋁構成。

包括第一材料的如本文所述的活塞（例如圖3C的活塞320）的特徵在於第一密度（ρ ₁）、第一熱膨脹（CTE ₁）和第一熱導率（TC ₁）。

嵌環材料由不同於活塞的第一材料的第二材料製成。在一些實施例中，嵌環材料是MMC。金屬基體可以包括鋁、鋁合金、鎂、鎂合金、鈦、鈦合金或其組合的基體。金屬基體還可以包括基於第二材料的總體積的5體積%至60體積%的分散在基體內的增強顆粒。

包括第二材料的如本文所述的環槽嵌環（例如圖3C的嵌環360）的特徵在於第二密度（ρ ₂）、第二熱膨脹（CTE ₂）和第二熱導率（TC ₂）。

環槽嵌環的第二材料可具有以下中的至少一者：a）為活塞的第一材料的密度的90%至120%的密度；b）為活塞的第一材料的CTE的50%至90%的CTE；或c）大於活塞的第一材料的熱導率的熱導率。在一些實施例中，嵌環的第二材料具有以下中的至少兩者：a）為活塞的第一材料的密度的90%至120%的密度；b）為活塞的第一材料的CTE的50%至90%的CTE；或c）大於活塞的第一材料的熱導率的熱導率。在其他實施例中，嵌環的第二材料具有以下特性：a）為活塞的第一材料的密度的90%至120%的密度；b）為活塞的第一材料的CTE的50%至90%的CTE；以及c）大於活塞的第一材料的熱導率的熱導率。

嵌環的密度ρ ₂可以是0.9ρ ₁至1.2ρ ₁。在一些實施例中，嵌環的密度ρ ₂約等於活塞的密度ρ ₁；或ρ ₁=ρ ₂。嵌環的示例密度ρ ₂可以是2.5 g/cm ³至3.5 g/cm ³（例如2.7 g/cm ³至3.1 g/cm ³，2.8 g/cm ³至3.0 g/cm ³，或2.85 g/cm ³至2.90 g/cm ³）。嵌環的相對低的密度ρ ₂提供了優於常規鋼嵌環的顯著優點。通常，活塞槽嵌環的密度至少是常規鋼嵌環的密度（ρ _鋼）的三分之一。具有較低的密度允許活塞環嵌環獲得從0.25ρ _鋼到0.50ρ _鋼的密度ρ ₂。低密度比允許如本文所述的嵌環具有較低的往復運動質量，從而提高發動機效率和/或降低燃料消耗。

在一些實施例中，嵌環的熱膨脹係數CTE ₂為活塞材料的0.5CTE ₁至0.9CTE ₁。在一些實施例中，嵌環的熱膨脹係數CTE ₂小於活塞的熱膨脹係數CTE ₁。在一些實施例中，嵌環的熱膨脹係數CTE ₂等於或約等於活塞的熱膨脹係數CTE ₁；或CTE ₁=CTE ₂。嵌環的示例CTE（CTE ₂）可以是10 ppm/℃至30 ppm/℃，15 ppm/℃至25 ppm/℃，或者15 ppm/℃至20 ppm/℃。相比之下，鋼的CTE（CTE _鋼）是與鋁活塞熱膨脹不匹配的，其中，CTE通常是鋁活塞CTE的一半。當具有鋁活塞/鋼嵌環的對比組件變熱時，鋁比鋼嵌環膨脹得更快，這壓迫嵌環與活塞之間的結合。通過如本文所述定制第一活塞材料和第二嵌環材料的熱膨脹，在活塞與嵌環之間產生改進的結合，同時還提供組件的更長壽命。

在一些實施例中，嵌環的熱導率TC ₂大於活塞材料的熱導率TC ₁；或TC ₂＞TC ₁。嵌環的示例熱導率TC ₂可為140 W/m°K至170 W/m°K，或150 W/m°K至160 W/m°K。在一些實施例中，活塞的熱導率TC ₁為100至150 W/m°K。在一些實施例中，嵌環的熱導率TC ₂等於或約等於活塞的熱導率TC ₁；或TC ₁=TC ₂。在另一些實施例中，嵌環的熱導率TC ₂小於活塞的熱導率TC ₁。在具有鋁活塞/鋼嵌環的對比組件中，與產生熱障的鋁活塞相比，鋼嵌環具有非常低的熱導率。這導致熱障，該熱障直接放置在從熱源或燃燒室穿過活塞環並進入發動機缸體並到達油冷活塞頂部底面的導熱路徑中。在一些實施例中，嵌環材料是具有140至170 W/m°K的熱導率的MMC。在一些實施例中，嵌環材料是具有156 W/m°K的熱導率的MMC。

在一些實施例中，活塞材料在不同於嵌環材料的溫度下熔化。在一些實施例中，嵌環的熔點MP ₂大於活塞材料的熔點MP ₁；或MP ₂＞MP ₁。活塞材料可具有熔點MP ₁，其比嵌環材料熔點MP ₂低5℃到200℃或20℃到80℃的差。通過具有更高熔點，嵌環材料表現出尺寸完整性，換言之，嵌環材料在成型過程期間在集成到活塞組合件中時不熔化或變形。在一些實施例中，活塞材料是鋁合金，並且具有低於嵌環材料的熔化溫度。在一些實施例中，嵌環材料在活塞材料的熔化溫度以上維持其尺寸形狀。在一些實施例中，嵌環材料在高達725℃的溫度或高達1000℃的溫度下維持其尺寸形狀。 作為 MMC 的環槽嵌環

環槽嵌環材料（或第二材料）可以是MMC，其具有以下中的至少一者：為第一材料的密度的90%至120%的密度、為第一材料的CTE的50%至90%的熱膨脹係數或者大於第一材料的熱導率的熱導率。金屬基複材是包括金屬基體和分散在金屬基體中的增強顆粒的複合材料。金屬基體相通常是連續的，而增強顆粒在金屬基體相內形成分散相。

在本發明的MMC中，基體相由鋁、鋁合金、鎂、鎂合金、鈦、鈦合金或其組合形成。增強顆粒是選自碳化物、氧化物、矽化物、硼化物和氮化物的陶瓷材料。具體的增強顆粒包括碳化矽、碳化硼、碳化鈦、硼化矽、氮化鋁、氮化矽、氮化鈦、氧化鋯、氧化鋁或其組合。在特定實施例中，使用碳化矽。

將陶瓷增強顆粒添加到金屬基體中使得能夠在基體的熔化溫度以上實現一定程度的機械穩定性。這使得固體嵌環材料能夠在成型過程中繼續存在而不被改變或稀釋。

增強顆粒優選分布在基體內，並且可以均勻分布。在一些實施例中，基於第二材料的總體積，5體積%至60體積%的增強顆粒分散在基體內。在一些實施例中，嵌環材料是MMC，其包括鋁合金的基體和基於第二材料的總體積的5體積%至60體積%的分散在基體內的增強顆粒。

增強顆粒在基體內的體積分數基於嵌環材料的總體積。示例體積分數可為5體積%至60體積%（例如5體積%至50體積%、5體積%至45體積%、10體積%至40體積%、10體積%至35體積%或15體積%至35體積%）。在一些實施例中，MMC包括基於第二材料的總體積的15體積%至50體積%的增強顆粒。在一些實施例中，MMC包括基於第二材料的總體積的15體積%至30體積%的增強顆粒。

在一些實施例中，嵌環材料維持其尺寸形狀，如通過第一體積分數的金屬或金屬合金基體的表面積相對於第二體積分數的增強顆粒的表面積測量的。

在一些實施例中，增強顆粒具有大於嵌環材料的金屬基體的硬度的硬度。增強顆粒可具有大於8的硬度，並且基體可具有小於4的硬度，其中，硬度根據莫氏硬度表測量。增強顆粒的示例硬度值可以是8至10（例如8.0至8.5、8.0至9.0、8.0至9.5、8.0至10.0、8.5至9.0、8.5至9.5、8.5至10.0、9.0至9.5、9.0至10.0或9.5至10.0）。基體的示例硬度值可以是2至5（例如2.0至2.5、2.0至3.0、2.0至3.5、2.0至4.0、2.0至4.5、2.0至5.0、2.5至3.0、2.5至3.5、2.5至4.0、2.5至4.5、2.5至5.0、3.0至3.5、3.0至4.0、3.0至4.5、3.0至5.0、3.5至4.0、3.5至4.5、3.5至5.0、4.0至4.5、4.0至5.0或4.5至5.0）。在一些實施例中，增強顆粒具有9至10的硬度，並且增強顆粒具有2至3的硬度，其中，硬度根據莫氏硬度表來測量。

如上所述，增強顆粒可包括至少一種多個陶瓷顆粒。該至少一種多個增強顆粒可以包括碳化物、氧化物、矽化物、硼化物、氮化物或其組合。至少一種多個增強顆粒的示例包括碳化矽、碳化硼、碳化鈦、硼化矽、氮化鋁、氮化矽、氮化鈦、氧化鋯、氧化鋁或其組合。嵌環材料的增強顆粒在基體合金的熔化溫度下不熔化，增強顆粒在如上所述的第一材料金屬或金屬合金的熔化溫度下也不熔化。

增強顆粒具有一定大小，以便允許在室溫以及還在操作溫度（並且包括在嵌環與活塞之間的-20℃到40℃的冷啟動條件溫度）下具有足夠的耐磨性，以提供長活塞壽命。增強顆粒的粒度具有一定大小，其也被選擇成允許耐非侵蝕性磨損性，這意味著防止嵌環或活塞環槽內的磨損，同時還使活塞環材料的磨損最小化。

增強顆粒可具有微米範圍或亞微米的平均粒度分布（D50）。平均粒度分布被定義為達到顆粒總體積的50體積%（vol%）的累積百分比時的顆粒直徑。換言之，50體積%的顆粒具有高於平均粒度分布的直徑，50體積%的顆粒具有低於平均粒度分布的直徑。不作為限制，平均粒度分布（D50）可為0.01 μm至10 μm（例如0.01 μm至5 μm、0.01 μm至3.5 μm、0.01 μm至3 μm、0.1 μm至3 μm、0.5 μm至3 μm或0.9 μm至3.0 μm）。較大的粗顆粒導致活塞壁上的過度磨損，因此優選使用較細的顆粒。平均粒度可通過使用Brunauer、Emmett和Teller（BET）等效球徑、通過激光散射或本領域已知的篩分技術來計算。增強顆粒優選具有球形、非球形、不規則形狀、透鏡狀或細長形狀。增強顆粒的長徑比為4:1或更小（例如3:1或更小、2:1或更小或1:1）。

增強顆粒不含或大致不含具有較大長徑比的纖維。增強纖維是不合適的，因為與長徑比為4:1或更小的增強顆粒相比，它們的熱導率更低。

增強顆粒大小也可影響熱導率和耐磨性。不受理論的約束，認為觀察到MMC的熱導率隨著增強顆粒大小的減小而減小，這是由於在增強-基體界面處的界面熱障。增強顆粒的大小也選擇成不太粗（例如大於12 μm），以便對磨損（即活塞環的磨損）不太有侵蝕性。

嵌環材料的鋁合金可以具有超過88重量%的鋁。在一些實施例中，用於MMC中的鋁合金是2000系列鋁合金（即，與銅形成合金的鋁）、6000系列鋁合金（即，與鎂和矽形成合金的鋁）或7000系列鋁合金（即，與鋅形成合金的鋁）。合適的鋁合金的非限制性示例包括2009、2124、2090、2099、6061和6082。

在一些實施例中，嵌環材料的鋁合金包括91.2重量%至98.6重量%的鋁、0.15重量%至4.9重量%的銅和0.1重量%至1.8重量%的鎂。在優選實施例中，嵌環材料是鋁合金，該鋁合金由0.15重量%至4.9重量%的銅、0.1重量%至1.8重量%的鎂和餘量的鋁構成。

在一些實施例中，嵌環材料的鋁合金包括91.2重量%至94.7重量%的鋁、3.8重量%至4.9重量%的銅、1.2重量%至1.8重量%的鎂和0.3重量%至0.9重量%的錳。在優選實施例中，嵌環材料是鋁合金，該鋁合金由3.8重量%至4.9重量%的銅、1.2重量%至1.8重量%的鎂、0.3重量%至0.9重量%的錳和餘量的鋁構成。

在一些實施例中，嵌環材料的鋁合金包括95.8重量%至98.6重量%的鋁、0.8重量%至1.2重量%的鎂和0.4重量%至0.8重量%的矽。在優選實施例中，嵌環材料是鋁合金，該鋁合金由0.8重量%至1.2重量%的鎂、0.4重量%至0.8重量%的矽以及餘量的鋁構成。

在一些實施例中，嵌環材料的鋁合金包括92.8重量%至95.8重量%的鋁、3.2重量%至4.4重量%的銅、0至0.2重量%的鐵、1.0至1.6重量%的鎂、0至0.6重量%的氧、0至0.25重量%的矽和0至0.25重量%的鋅。在優選實施例中，嵌環材料是鋁合金，該鋁合金由3.2重量%至4.4重量%的銅、0至0.2重量%的鐵、1.0至1.6重量%的鎂、0至0.6重量%的氧、0至0.25重量%的矽、0至0.25重量%的鋅和餘量的鋁構成。

在一些特定實施例中，MMC嵌環材料包括用10體積%至50體積%的碳化矽顆粒增強的6061系列或2124系列鋁合金，碳化矽顆粒包括15體積%至30體積%和30體積%至50體積%的碳化矽顆粒。

可包括如上所述的MMC的嵌環材料（或第二材料）可以是預成型固體，該預成型固體是緻密的且可表徵為具有最小孔隙率。從預成型嵌環到進一步進行活塞成型工藝，維持了這種低孔隙率，使得嵌環與活塞一體形成，以形成活塞組件。嵌環材料的示例低孔隙率值可以小於或等於5%（例如小於或等於2.5%、小於或等於2%、小於或等於1.5%、小於或等於1%或小於或等於0.5%）。在一些實施例中，環槽嵌環具有小於或等於0.5%的孔隙率。低孔隙率可以減少第一材料在鑄造到金屬基複材期間的滲透。由具有低孔隙率的材料形成的環槽嵌環提供預成型固體。

在形成活塞組件之前，環槽嵌環的內表面（例如圖3B和圖3C的環槽嵌環的表面370）可具有0.4 μm或更大的表面粗糙度（Ra）。嵌環材料的內表面的示例表面粗糙度值可以是0.2 μm至1.6 μm（例如0.2 μm至0.4 μm、0.2 μm至0.8 μm、0.2 μm至1.6 μm、0.4 μm至0.8 μm、0.4 μm至1.6 μm或0.8 μm至1.6 μm）。在一些實施例中，表面粗糙度（Ra）為0.4 μm或更大。在預成型嵌環與活塞一起加工形成活塞組件之前，可以根據需要通過本領域已知的方法改變環槽嵌環的內表面，以增加或降低表面粗糙度。表面粗糙度可以通過研磨、珩磨、機加工、噴丸、噴水、噴砂或珠光處理以及其他表面處理方法來改變。表面粗糙度通過表面輪廓測定法測量。 活塞組件界面區

嵌環可以在沒有塗層的情況下直接地接觸活塞或在有塗層的情況下間接地接觸活塞，以形成界面。可通過電鍍、陽極氧化、冷噴塗、電解、閃蒸或它們的組合來塗敷任何合適的塗層，作為薄膜、箔。在鑄造或鍛造之前，嵌環可以如本領域已知的那樣被「閃蒸（flashed）」（例如浸入熔融金屬中）。用於閃蒸的熔融金屬可包括鋁、矽、銅、錳、鎂、鐵、鋅、鎳、鈧、鋰、鈦、鋯、錫或其組合。不受理論的約束，認為在與活塞一起鑄造之前閃蒸的嵌環例如經由界面區提供了與活塞的充分結合，使得環槽嵌環不會從活塞脫離或脫層。

在一些實施例中，如本文所述的活塞組件更包括在環槽嵌環的內表面與活塞頭之間的界面區（例如圖3B和圖3C的環槽嵌環的內表面370直接或間接地結合到活塞周向槽330）。

在形成活塞組件後，與活塞周向槽330接觸的環槽嵌環的內表面不被陽極氧化，沒有或大致沒有氧化物。在一些實施例中，活塞組件在嵌環和活塞的界面處具有小於或等於1/1000的氧化鋁與鋁的比率。

增強顆粒不遷移到界面，而是由於嵌環材料的微觀結構穩定性而保持分散在嵌環的MMC內，以經受住在成型和/或隨後與活塞一起熱處理期間的熱機械加工。在一些實施例中，嵌環材料是MMC，該MMC包括鋁合金和5體積%至60體積%的增強顆粒，其中，界面區具有小於或等於1/500的增強顆粒與基體相的比率。

界面區可以包括至少一種金屬間化合物二次相。金屬間化合物二次相可包括鋁、矽、銅、錳、鎂、鐵、鋅、鎳、鈧、鋰、鈦、鋯、錫或其組合。

在嵌環和活塞的界面處的結合對於性能、長壽命和耐磨性是關鍵的。孔隙和/或間隙是有害的並且要避免。為了實現嵌環與活塞之間的最大接觸，設想了成型過程以及隨後的熱處理。在一些實施例中，界面區具有小於或等於5%、小於或等於4%、小於或等於3%、小於或等於2%、小於或等於1%或小於或等於0.5%的孔隙率。在一些實施例中，界面區具有小於或等於0.5%的孔隙率。

在嵌環與活塞之間的界面處可以可選地使用擴散控制塗層。在一些實施例中，界面區包括擴散控制塗層，其將活塞的第一材料與嵌環的第二材料分開。界面區可以包括擴散控制塗層，以防止來自活塞金屬或金屬合金的合金元素遷移。擴散控制塗層可包括鋁、銅、鎳、鋅或其組合。塗層可以在與活塞一起集成活塞組件的成型過程之前塗敷到環槽嵌環的內表面上。在一些實施例中，界面區包括至少一種金屬間化合物二次相，其包括鋁、銅、鎳、鋅或其組合。在一些實施例中，界面區富含從活塞頭的第一鋁合金遷移的銅、錳、鎂、鐵、鋅或鎳中的一種或多種合金元素。在一些實施例中，界面區富含鎂和鎳中的至少一者。 形成嵌環的方法

根據本發明的嵌環材料可以通過本領域已知的各種方法形成具有至少一個用於容納活塞環的槽的嵌環環。因此，環槽嵌環優選是預成型的固體。環槽嵌環具有2.5 g/cm ³至3.0 g/cm ³的密度、140至170 W/m°K的熱導率、15 ppm/℃至25 ppm/℃的CTE和小於或等於0.5%的孔隙率。

形成環槽嵌環的方法包括但不限於粉末的壓制和燒結、熱粉末壓制、壓制和鍛造、固體或粉末預成型件的鍛造、直接和間接擠出、從軋製片材衝壓或精壓、和/或從預成型固體機加工。

形狀通常是如圖3B所示的環形。形成環槽嵌環的方法還可包括修改表面。表面修改包括改變或消除任何拐角，以在環槽嵌環上提供磨圓的、倒角的、正弦曲線的或有圓齒的表面。與活塞鑄件接觸或以其它方式被活塞鑄件封包的環槽嵌環的內表面（例如如圖3C中的包括370A和370B的表面370）包括磨圓的、倒角的、正弦曲線的或有圓齒的表面。可以修改嵌環的形狀，以便增強嵌環與活塞之間的結合（即提供結合而沒有間隙或引入孔隙）。

修改環槽嵌環的形狀的其它方法可另外或替代性地包括添加特徵（例如通孔或突起），以促進嵌環與活塞之間的改進的結合。例如，可機加工環槽嵌環，以鑽出穿過環槽嵌環的周向厚度的孔，從而允許一些活塞材料在形成活塞組件期間穿透嵌環環。另外或替代性地，可通過燒結粉末預成型形狀或通過機加工而將突起或銷特徵包括在環槽嵌環中。

在一些實施例中，修改環槽嵌環的表面、更特別是內表面，以通過增加表面積來提高粘附性和熱導率。內表面的表面積可以通過在各種周期和幅度的表面上添加槽和/或使表面變粗糙以修整表面粗糙度（Ra）中的至少一者來增加。

形成環槽嵌環的方法還可包括在圍繞嵌環壓鑄或鍛造活塞之前塗佈環槽嵌環，如前所述。塗層用於促進鑄造材料與嵌環之間的粘附。塗層的厚度範圍可以從幾納米到幾微米。塗層可通過電鍍、陽極氧化、冷噴塗、電解、閃蒸或它們的組合來塗敷，作為薄膜、箔。不作為限制，塗層厚度可為0.01 μm至5.0 μm（例如0.01 μm至4 μm、0.01 μm至3.5 μm、0.01 μm至3 μm、0.1 μm至3 μm、0.5 μm至3 μm或1.0 μm至3.0 μm）。

包括形狀修改、表面修改和/或塗佈的上述方法可以在如下所述將預成型固體環槽嵌環與活塞集成以形成活塞組件之前執行。 製作活塞組件的方法

製作活塞組件的方法包括提供如上所述的環槽嵌環，其中，嵌環可以是預成型的固體。使用常規鋼嵌環與鋁活塞的已知製造工藝適用於本文的實施例。然後，可以將預成型固體環槽嵌環與活塞材料金屬或金屬合金或如本文所述的第一材料一起壓鑄或鍛造，以圍繞預成型固體環槽嵌環形成。包括活塞和環槽嵌環的活塞組件可包括鑄造或鍛造。形成活塞組件可以在活塞金屬或金屬合金的固相線溫度或該固相線溫度以上執行。在優選實施例中，鑄造在活塞金屬或金屬合金的固相線溫度或該固相線溫度以上執行，以形成鑄造活塞組件。也設想了其它方法（例如重力、低壓和高壓壓鑄、擠壓鑄造、觸變鍛造、半固態鍛造和增材製造）。增材製造可用於形成活塞直到嵌環，將嵌環放置到粉末中，然後繼續增材製造，以完成到整體式活塞/嵌環單元中的集成。

製作活塞組件的方法還可包括在壓鑄或形成活塞組件的其它成型技術之後對活塞組件進行均勻化、淬火、時效處理和熱處理中的至少一者。製作活塞組件的方法包括在環槽中形成至少一個環槽，用於容納至少一個活塞環。至少一個環槽（例如圖3C中的槽390）可在形成活塞組件之後的任何時間機加工到嵌環（例如圖3C中的嵌環360）中。

在鑄造活塞材料以形成包括環槽嵌環的活塞組件的示例中，本文公開的方法可包括將不同的合金元素（例如鋁、矽、銅、錳、鎂、鐵、鋅、鎳、鈧、鋰、鈦、鋯或錫）添加到母合金或將純金屬（鋁、鋁合金、鎂、鎂合金或其組合）添加到熔融液池。這也可以包括使用磁鐵或手動攪拌來攪拌熔爐。本文公開的方法可包括使用感應爐或氣體燃燒爐或電阻爐來製備熔融液體。

本文公開的方法可以包括鑄造熔融鋁合金，以形成具有環槽嵌環的鋁合金鑄造活塞。在一些實施例中，熔融合金可以在鑄造之前進行處理。處理可包括爐助熔、在線脫氣、在線助熔和過濾中的一者或多者。鋁合金鑄造活塞可以使用根據本領域普通技術人員已知的鋁工業中常用的標準執行的任何鑄造工藝形成，包括通過直接鑄造和連續鑄造方法。作為幾個非限制性示例，鑄造工藝可以包括直接冷（Direct Chill，DC）鑄工藝或永久鑄模工藝。在一些方面，使用DC鑄。

本文公開的方法可包括均勻化。均勻化可包括加熱由本文所述的合金組合物製備的鑄造活塞組件，以獲得至少400℃（例如至少400℃、至少410℃、至少420℃、至少430℃、至少440℃、至少450℃、至少460℃、至少470℃、至少480℃、至少490℃、至少500℃、至少510℃、至少520℃或至少530℃）的峰值金屬溫度（Peak Metal Temperature，PMT）。例如，鋁合金活塞組件可以加熱至400℃至580℃、420℃至575℃、440℃至570℃、460℃至565℃、485℃至560℃、500℃至560℃或520℃至580℃的溫度。可選地，對PMT的加熱速率為100℃/小時或更小、75℃/小時或更小、50℃/小時或更小、40℃/小時或更小、30℃/小時或更小、25℃/小時或更小、20℃/小時或更小或15℃/小時或更小。可選地，對PMT的加熱速率為10℃/分鐘至100℃/分鐘（例如10℃/分鐘至90℃/分鐘、10℃/分鐘至70℃/分鐘、10℃/分鐘至60℃/分鐘、20℃/分鐘至90℃/分鐘、30℃/分鐘至80℃/分鐘、40℃/分鐘至70℃/分鐘或50℃/分鐘至60℃/分鐘）。

在一些情況下，然後允許鋁合金鑄造活塞組件浸泡（即保持在特定溫度，例如PMT）一段時間。在一些實施例中，允許鋁合金鑄造活塞組件浸泡至多24小時（例如30分鐘至6小時，包括端值）。例如，在一些實施例中，鋁合金活塞組件在至少400℃的溫度下浸泡30分鐘或更長時間（例如至多24小時）。如本文所述的均勻化可以在多級均勻化過程中進行。在一些實施例中，均勻化過程可包括均勻化加熱和浸泡循環的兩個或更多個階段。

在均勻化之後，可以在活塞組件的表面上施加淬火水幾秒鐘，使得外表面更快地冷卻並且將內表面維持在更高的溫度，這還可以促進橫截面上的微觀結構的梯度。微觀結構的梯度可包括化學組成、初級晶粒分布、不溶性金屬間顆粒（類型、大小、形狀、分布）、織構或再結晶晶粒、強化沉澱物和/或增強顆粒的分布的梯度中的至少一者。

在一些實施例中，然後可以在基於所選規格的淬火步驟中以可以在50℃/s至400℃/s之間變化的淬火速率將活塞組件冷卻至室溫。例如，淬火速率可以為50℃/s至375℃/s、60℃/s至375℃/s、70℃/s至350℃/s、80℃/s至325℃/s、90℃/s至300℃/s、100℃/s至275℃/s、125℃/s至250℃/s、150℃/s至225℃/s或175℃/s至200℃/s。

在淬火步驟中，用液體（例如水）和/或氣體或另一選定的淬火介質對鋁合金活塞組件進行快速淬火。在某些方面，鋁合金活塞組件可以用水快速淬火。在一些實施例中，鋁合金活塞組件用空氣淬火。

在一些實施例中，可以對鋁合金活塞組件進行人工時效處理一段時間(例如進行人工時效處理，以產生T6或T7溫度）。在一些實施例中，為了加速硬化過程，可以在100℃至225℃下對鋁合金活塞組件進行人工時效處理一段時間。可選地，可以對鋁合金活塞組件進行人工時效處理15分鐘至48小時。也可使用多次時效處理。

在一些實施例中，也可以應用在生產期間或生產之後的熱處理，以產生鋁合金活塞組件，以便如上所述地改善界面區中的結合。在一些實施例中，可以在400℃至600℃下熱處理鋁合金活塞組件一段時間。可選地，鋁合金活塞組件可以被熱處理15分鐘至48小時的一段時間。在某些方面，活塞組件在500℃下熱處理24小時。 通過鍛造形成活塞組件的方法

活塞組件可通過在合適的工具中在300℃至550℃的溫度下、更優選在400℃至500℃的溫度下熱鍛而形成。

提供以下示例來說明本發明的組合物、物品和方法。示例僅是說明性的，並不旨在將本發明限制於本文所闡述的材料、條件或工藝參數。 示例[示例1]

根據本文公開的方面製備環槽嵌環。嵌環材料[SupremEX® 225CA合金（MATERION PERFORMANCE ALLOYS AND COMPOSITES, 美國俄亥俄州（44124）梅菲爾德海茨）]包括用25體積%的碳化矽顆粒增強的高質量鋁合金（2124A），以產生MMC。碳化矽的平均粒度分布（D50）為3 μm。表1中示出了用25體積%碳化矽顆粒增強的2124鋁合金的物理特性。

表1：物理特性
密度，g/cm 3（lbs/in 3）	2.88（0.104）
彈性模量，GPa（msi）	115（16.7）
比剛度，GPa/g/cm 3	39
泊松比	0.3
25℃下的熱導率 W/m°K（BTU/hr.ft.°F）	156（90）
25℃下的熱膨脹 ppm/℃（ppm/°F）	16.3（9.1）
固相線 °C（°F）	548（1018）
比熱容 J/g/℃（BTU/lb/°F）	0.829（0.198）

使用機械合金化工藝通過粉末冶金法製造嵌環材料。所得的微觀結構表現出增強顆粒的均勻分布和細化的晶粒結構。嵌環材料特性包括2.88 g/cm ³的密度、115 GPa的彈性模量、16.1 μm/mK的熱膨脹係數和156 W/m°K的熱導率（TC _嵌環）。

通過圍繞環槽嵌環鑄造包括12.6重量%矽的活塞材料鋁合金（Al-12.6Si）來形成活塞組件。形成活塞的Al-12.6Si合金具有2.68 g/cm ³的密度、18.0 μm/mK的CTE和154 W/m°K的熱導率。

嵌環材料的密度（2.88 g/cm ³）是活塞材料的密度（2.68 g/cm ³）的107%。另外，嵌環材料具有比鋼顯著更低的密度。嵌環材料的熱膨脹係數（16.1 μm/mK）為活塞材料的CTE（18.0 μm/mK）的89%，這降低了嵌環與活塞之間的結合應力。嵌環材料的熱導率（156 W/m°K）大於活塞材料的熱導率（154 W/m°K），並且通過減少熱障來為活塞提供改善的冷卻。

圖4是具有活塞620和嵌環660的活塞組件650的界面區655的掃描電子顯微照片。 [示例2]

如示例1中那樣製備預成型固體環槽嵌環。然後，在嵌環內表面鍍銅，以形成2 µm厚的擴散阻擋塗層，並增強嵌環到活塞的結合。

通過如示例1中那樣圍繞預成型固體環槽嵌環鑄造包括12.6重量%矽的活塞材料鋁合金Al-12.6Si來形成活塞組件。

圖5A是具有活塞720和嵌環760的活塞組件750的界面區755的掃描電子顯微照片。界面區755包括活塞與嵌環之間的銅層765。 [示例3]

如示例1中那樣製備預成型固體環槽嵌環。然後，在嵌環內表面鍍鎳/銅，以形成2 µm厚的擴散阻擋塗層，並增強嵌環到活塞的結合。

通過如示例1中那樣圍繞預成型固體環槽嵌環鑄造包括12.6重量%矽的活塞材料鋁合金來形成活塞組件。

圖5B是具有活塞820和嵌環860的活塞組件850的界面區855的掃描電子顯微照片。界面區855包括活塞與嵌環之間的鎳/銅層865。 [示例4]

如示例3中那樣形成活塞組件。然後將該組件在500℃下熱處理24小時。

圖6是具有活塞920和嵌環960的活塞組件950的界面區955的掃描電子顯微照片。界面區955包括活塞與嵌環之間的鎳/銅層965。界面表現出良好的結合。使用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscopy，SEM）和能量色散X射線光譜（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy，EDS），觀察到活塞鑄件的矽含量局部降低，以及已意外地遷移到界面的顯著的鎂存在。 [示例5]

圖7A例示了曲線圖1000，其示出了對於測量磨損的各種材料作為最終接觸壓力（psi）的函數的環比磨損率（k）（1/psi）。示例5是嵌環環上的CrN塗佈的塊，並且包括對於嵌環材料[SupremEX® 225CA合金（MATERION PERFORMANCE ALLOYS AND COMPOSITES, 美國俄亥俄州（44124）梅菲爾德海茨）]示出為圖點E5-1和E5-2的數據，該嵌環材料包括用25體積%的碳化矽顆粒增強的高質量航空等級鋁合金（2124A），以產生MMC，並且具有如表2所示的物理特性。

表2：物理特性
密度，g/cm 3（lbs/in 3）	2.88（0.104）
彈性模量，GPa（msi）	115（16.7）
比剛度，GPa/g/cm 3	39
泊松比	0.3
25℃下的熱導率 W/m°K（BTU/hr.ft.°F）	150（87）
25℃下的熱膨脹 ppm/℃（ppm/°F）	16.1（8.9）
固相線 °C（°F）	548（1018）
比熱容 J/g/℃（BTU/lb/°F）	（0.200）

比較例C1包括如圖點C1-1和C1-2所示的數據，使用與示例5相同的CrN塊材料，但是在AA2618環上，以代表相對於鍛造合金AA2618的常規鋼嵌環（塗佈有CrN），並且具有與鑄造鋁活塞材料類似的磨損率。如圖所示，示例5表現出了比對比材料低至少500倍的磨損率。

圖7B例示了曲線圖1100，其示出了作為載荷（lbf）的函數的環比磨損率（k）（1/psi）。示例5包括示出為圖點E5-3和E5-4的數據，比較例C1包括示出為圖點C1-3和C1-4的數據。同樣，示例5表現出了比鋼對比材料顯著更低的磨損率。 [示例6]

對包括如示例5中的嵌環材料在內的各種材料進行根據ASTM G99的銷盤磨損試驗，以測量銷和盤上的重量損失。用於銷盤磨損試驗的參數如表3所示。

表3：銷盤試驗參數

1.5"直徑的盤上的3/8"（9.525 mm）直徑的銷

銷材料：4340鋼，磨光。

實驗室條件 23℃，36% RH。

磨損循環頻率 2 Hz

磨損模式 15 mm單向路徑

載荷：20 N、35 N、50N。

盤-試驗各種材料，精加工。

試驗持續時間5000個周期（65 N）、10000個周期（50 N、35 N和20 N載荷）

接觸面積 71.26 mm 2

圖8A包括曲線圖1200，其示出了示例6（包括如示例5中的嵌環材料）和比較例C2（2618鋁合金）在20 N、35 N和50 N下的盤損失對鋼銷的數據。示例6表現出重量損失約為2618鋁合金的十分之一。

圖8B包括曲線圖1300，其示出了示例6、比較例C2以及比較例C3（300M鋼）和比較例C4（Ti6Al4C鈦合金）在20 N、35 N和50 N下的盤損失對鋼銷的數據。示例6表現出重量損失顯著低於比較例的重量損失。

圖9包括曲線圖1400，其示出了示例6和比較例C2、C3和C4在20 N、35 N和50 N下的組合鋼銷損失和盤損失（由磨損對的側面引起）對盤的數據。示例6表現出了重量損失顯著低於比較例的重量損失。 [示例7]

圖10A包括曲線圖1500，其示出了對於平均粒度分布為0.1 μm至50 μm的陶瓷顆粒作為嵌環材料基體內陶瓷顆粒的體積分數（10體積%至50體積%）的函數的MMC嵌環材料基體的內表面積（mm ²/mm ³）。

圖10B包括曲線圖1600，其示出了使用平均粒度分布為1.0 μm至10 μm的陶瓷顆粒的、作為陶瓷顆粒的體積分數（10體積%至30體積%）的函數的MMC嵌環材料基體的內表面積（mm ²/mm ³）的優選區域。曲線圖1500和1600通過平衡基體內陶瓷顆粒的粒度和體積分數來在理論上預測了MMC內穩定性和耐磨性的優選區域。內表面積太高導致磨損不足，內表面積太低導致在鑄造期間穩定性不足和在操作期間活塞環上過度的侵蝕性磨損。 [示例8]

對如示例1中製備的MMC環槽嵌環執行加速耐久性試驗。該試驗仿照標準福特（Ford）150小時試驗（在節氣門全開下96小時）。改進的試驗使用福特2.3L EcoBoost作為基礎發動機。由於材料選擇，與常規的發動機材料相比，活塞、銷和杆的總質量減少了30%（1.4 kg）。150小時加速耐久性試驗的試驗程序包括重複40分鐘的循環。各個循環包括怠速（2000 rpm）、峰值扭矩（3000 rpm）、峰值功率（6000 rpm）和90% e-max（5850 rpm時降低速度的峰值功率）。40分鐘的循環重複225次，總共150小時。參見表4中的概述。因此，這種侵蝕性試驗包括發動機在90%或更大的WOT（節氣門全開）下花費超過96小時。汽缸墊在試驗期間被吹動兩次，表明在試驗期間運行困難。汽缸墊的這種故障表明了試驗方案的強度。

表4：加速耐久性試驗
	分鐘
循環所需的運行時間	9000
循環所需的總WOT	5625
磨合/試用期間的總運行	1431.2
磨合/試用期間的總WOT運行	184.01
循環上的總運行（包括預熱）	10431.2
循環上的總運行WOT	5628.36
組合運行	11862.3
組合WOT運行	5812.37

即使在加速耐久性試驗的苛刻條件下，也沒有MMC環槽嵌環磨損的跡象。並且，整個活塞組件的任何尺寸變化都是最小的。雖然活塞槽在頂部槽平面度方面表現出尺寸變化（在試驗過程中從平均15微米增加到平均42微米），但這是最小的。重要的是，結果表現出在整個試驗中一致的發動機性能，而MMC環槽嵌環沒有明顯的磨損或變形。 實施例

設想了以下實施例。設想特徵和實施例的所有組合。

實施例1：一種活塞組件，包括：活塞，其具有周向槽；以及在活塞的周向槽內的環槽嵌環，其中，環槽嵌環具有外表面和內表面，其中，環槽嵌環是不同於活塞的第一材料的第二材料，其中，第二材料具有以下中的至少一者： a）為第一材料的密度的90%至120%的密度； b）為第一材料的CTE的50%至90%的CTE；或 c）大於第一材料的熱導率的熱導率。

實施例2：實施例1的實施例，其中，第一材料是鋁、鋁合金、鎂、鎂合金或其組合。

實施例3：實施例1或2的實施例，其中，鋁合金包括矽、銅、錳、鎂、鐵、鋅、鎳、鈧、鋰、鈦、鋯或錫中的一種或多種合金元素。

實施例4：實施例1至3中任一實施例的實施例，其中，鋁合金具有在20℃至80℃的差異內與第二材料不同的熔化溫度。

實施例5：實施例1至4中任一實施例的實施例，其中，第一材料的鋁合金具有低於第二材料的熔化溫度。

實施例6：實施例1至5中任一實施例的實施例，其中，第二材料在第一材料的熔化溫度以上維持其尺寸形狀。

實施例7：實施例1至6中任一實施例的實施例，其中，第二材料在高達725℃的溫度下維持其尺寸形狀。

實施例8：實施例1至7中任一實施例的實施例，其中，第二材料在高達1000℃的溫度下維持其尺寸形狀。

實施例9：實施例1至8中任一實施例的實施例，其中，第二材料是MMC，該MMC包括鋁、鋁合金、鎂、鎂合金、鈦、鈦合金或其組合的基體和基於第二材料的總體積的5體積%至60體積%的分散在基體中的增強顆粒。

實施例10：實施例1至9中任一實施例的實施例，其中，第二材料是MMC，該MMC包括鋁合金的基體和基於第二材料的總體積的5體積%至60體積%的分散在基體內的增強顆粒。

實施例11：實施例1至10中任一實施例的實施例，其中，增強顆粒具有大於基體的硬度的硬度。

實施例12：實施例1至11中任一實施例的實施例，其中，增強顆粒具有大於8的硬度，並且基體具有小於4的硬度，其中，硬度根據莫氏硬度表測量。

實施例13：實施例1至12中任一實施例的實施例，其中，增強顆粒具有9至10的硬度，並且基體具有2至3的硬度，其中，硬度根據莫氏硬度表來測量。

實施例14：實施例1至13中任一實施例的實施例，其中，增強顆粒包括至少一種多個陶瓷顆粒。

實施例15：實施例1至14中任一實施例的實施例，其中，至少一種多個增強顆粒包括碳化物、氧化物、矽化物、硼化物、氮化物或其組合。

實施例16：實施例1至15中任一實施例的實施例，其中，至少一種多個增強顆粒包括碳化矽、碳化硼、碳化鈦、硼化矽、氮化鋁、氮化矽、氮化鈦、氧化鋁或其組合。

實施例17：實施例1至16中任一實施例的實施例，其中，MMC包括基於第二材料的總體積的15體積%至50體積%的增強顆粒。

實施例18：實施例1至17中任一實施例的實施例，其中，MMC包括基於第二材料的總體積的15體積%至30體積%的增強顆粒。

實施例19：實施例1至18中任一實施例的實施例，其中，MMC具有140至170 W/m°K的熱導率。

實施例20：實施例1至19中任一實施例的實施例，其中，增強顆粒的平均粒度為0.01 μm至10 μm。

實施例21：實施例1至20中任一實施例的實施例，其中，第二材料的鋁合金具有超過88重量%的鋁。

實施例22：實施例1至21中任一實施例的實施例，其中，第二材料的鋁合金包括91.2重量%至98.6重量%的鋁、0.15重量%至4.9重量%的銅、和0.1重量%至1.8重量%的鎂。

實施例23：實施例1至22中任一實施例的實施例，其中，第二材料的鋁合金包括91.2重量%至94.7重量%的鋁、3.8重量%至4.9重量%的銅、1.2重量%至1.8重量%的鎂、和0.3重量%至0.9重量%的錳。

實施例24：實施例1至23中任一實施例的實施例，其中，第二材料的鋁合金包括95.8重量%至98.6重量%的鋁、0.8重量%至1.2重量%的鎂、和0.4重量%至0.8重量%的矽。

實施例25：實施例1至24中任一實施例的實施例，其中，第二材料的鋁合金包括92.8重量%至95.8重量%的鋁、3.2重量%至4.4重量%的銅、0至0.2重量%的鐵、1.0至1.6重量%的鎂、0至0.6重量%的氧、0至0.25重量%的矽、和0至0.25重量%的鋅。

實施例26：實施例1至25中任一實施例的實施例，其中，第二材料維持其尺寸形狀，如通過第一體積分數的另一鋁合金基體的表面積相對於第二體積分數的增強顆粒的表面積測量的。

實施例27：實施例1至26中任一實施例的實施例，其中，環槽嵌環的內表面具有小於或等於1/1000的氧化鋁與鋁的比率。

實施例28：實施例1至27中任一實施例的實施例，其中，環槽嵌環的內表面具有0.4 μm或更大的表面粗糙度（Ra）。

實施例29：實施例1至28中任一實施例的實施例，其中，環槽嵌環具有小於或等於0.5%的孔隙率。

實施例30：實施例1至29中任一實施例的實施例，其中，環槽嵌環包括從外表面向內延伸的一個或多個槽。

實施例31：實施例1至30中任一實施例的實施例，其中，環槽嵌環的一部分延伸到活塞的頂部環岸中，其中，從最上面的一個或多個槽的頂部到活塞的頂部測量的距離與參考鋼嵌環相比減小至少10%。

實施例32：實施例1至31中任一實施例的實施例，其中，更包括在環槽嵌環的內表面與活塞之間的界面區。

實施例33：實施例1至32中任一實施例的實施例，其中，界面區包括至少一個金屬間化合物二次相。

實施例34：實施例1至33中任一實施例的實施例，其中，界面區包括分離第一材料和第二材料的擴散控制塗層。

實施例35：實施例1至34中任一實施例的實施例，其中，界面區包括鋁、銅、鎳或鋅的塗層。

實施例36：實施例1至35中任一實施例的實施例，其中，界面區包括至少一種金屬間化合物二次相，其包括鋁、銅、鎳、鋅或其組合。

實施例37：實施例1至36中任一實施例的實施例，其中，界面區富含從活塞的第一鋁合金遷移的銅、錳、鎂、鐵、鋅或鎳中的一種或多種合金元素。

實施例38：實施例1至37中任一實施例的實施例，其中，界面區富含鎂和鎳中的至少一者。

實施例39：實施例1至38中任一實施例的實施例，其中，第二材料是MMC，該MMC包括鋁合金和5體積%至60體積%的增強顆粒，其中，界面區具有小於或等於1/500的增強顆粒與基體相的比率。

實施例40：實施例1至39中任一實施例的實施例，其中，界面區具有小於或等於5%的孔隙率。

實施例41：一種實施例1至40中任一實施例的方法，其中，該法包括製造活塞組件，包括： 提供環槽嵌環，其中，環槽嵌環是預成型固體，其具有： 2.5 g/cm ³至3.0 g/cm ³的密度； 140至170 W/m°K的熱導率； 15 ppm/℃至25 ppm/℃的CTE；以及 小於或等於0.5%的孔隙率；以及 在金屬或金屬合金的固相線溫度或該固相線溫度以上圍繞環槽嵌環壓鑄金屬或金屬合金，以形成鑄造活塞組件。

實施例42：實施例1至41中任一實施例的方法，其中，該方法更包括在壓鑄之前塗佈環槽嵌環。

實施例43：實施例1至42中任一實施例的方法，其中，該方法更包括在壓鑄之前增大環槽嵌環的表面積。

實施例44：實施例1至43中任一實施例的方法，其中，該方法更包括在壓鑄之後對鑄造活塞組件進行熱處理、淬火和時效處理中的至少一者。

實施例45：實施例1至44中任一實施例的方法，其中，該方法更包括在環槽嵌環中形成至少一個環槽。

實施例46：實施例1至45中任一實施例的實施例，其中，內燃機包括： 活塞缸； 在活塞缸內的活塞組件，活塞組件包括： 活塞，活塞具有周向槽；以及 在活塞的周向槽內的環槽嵌環，環槽嵌環具有外表面和內表面，其中，環槽嵌環是不同於活塞的第一材料的第二材料，其中，第二材料具有以下中的至少一者： a）為第一材料的密度的90%至120%的密度； b）為第一材料的CTE的50%至90%的CTE；或 c）大於第一材料的熱導率的熱導率。

實施例47：實施例1至46中任一實施例的實施例，其中，至少一個活塞環設置在活塞組件與活塞缸之間，位於從環槽嵌環的外表面徑向向內延伸的另一周向槽中。

實施例48：實施例1至47中任一實施例的實施例，其中，環槽嵌環比對比鋼環槽嵌環提供2.5%的重量減少，以產生至少2.3 kg CO ₂/升汽油的CO ₂減少。

實施例49：實施例1至48中任一實施例的實施例，其中，發動機具有碳氫化合物、氮氧化物和碳氧化物排放的減少，但不降低燃燒壓力和/或發動機效率。

實施例50：實施例1至49中任一實施例的實施例，其中，與參考鋼嵌環相比，CO ₂排放減少至少10%。

實施例51：實施例1至50中任一實施例的實施例，其中，車輛包括前述實施例中任一實施例的內燃機。

實施例52：實施例1至51中任一實施例的實施例，包括預成型環槽嵌環，其是預成型固體，具有： 2.5 g/cm ³至3.0 g/cm ³的密度； 140至170 W/m°K的熱導率； 15 ppm/℃至25 ppm/℃的CTE；以及 小於或等於0.5%的孔隙率， 其中，嵌環包括在金屬基體中的5體積%至60體積%的多個陶瓷顆粒。

實施例53：實施例1至52中任一實施例的實施例，其中，預成型固體環槽嵌環包括平均粒度分布（D50）為0.01 μm至10 μm的多個陶瓷顆粒。

實施例54：實施例1至53中任一實施例的實施例，其中，預成型環槽嵌環包括內表面積為100 mm ²/mm ³至1000 mm ²/mm ³的多個陶瓷顆粒。

應當理解，上面公開的變型以及其它特徵和功能或其替代可以組合到許多其它不同的系統或應用中。本領域技術人員隨後可以做出各種目前未預見或未預期的替代、修改、變化或改進，這些也旨在由所附申請專利範圍或其等同物所包含。

100:車輛 110:傳動系統 120:車輪 150:發動機 200:內燃機 210:氣缸 220:活塞 230:周向槽 250:活塞組件 265:連杆 275:曲軸 305:活塞環 310:活塞缸壁 320:活塞 325:頭部 330:周向槽 340:外周面 350:活塞組件 360:環槽嵌環/嵌環 370:表面/內表面 370A、370B:表面 380:外表面 390:周向槽/槽 420:活塞 450:活塞組件 460:嵌環 520:活塞 550:活塞組件 560:嵌環 620:活塞 650:活塞組件 655:界面區 660:嵌環 720:活塞 750:活塞組件 755:界面區 760:嵌環 765:銅層 820:活塞 850:活塞組件 855:界面區 860:嵌環 865:鎳/銅層 920:活塞 950:活塞組件 955:界面區 960:嵌環 965:鎳/銅層 1000、1100、1200、1300、1400、1500、1600:曲線圖 D:距離

以下是圖式的簡要描述，圖式被呈現用於說明本文公開的示例性實施例，而不是限制示例性實施例。 圖1是例示了根據本發明的一些實施例的示例性車輛的圖。 圖2是根據本發明的一些實施例生產的活塞組件的圖。 圖3A是根據本發明的一些實施例的用於活塞組件的活塞的圖。 圖3B是根據本發明的一些實施例的用於活塞組件的環槽嵌環的圖。 圖3C是根據本發明的一些實施例生產的包括圍繞嵌環鑄造的活塞的活塞組件的圖。 圖3D是根據本發明的一些實施例生產的包括圍繞嵌環鑄造的活塞的活塞組件的另一圖。 圖3E是根據本發明的一些實施例生產的包括圍繞嵌環鍛造的活塞的活塞組件的又一圖。 圖4是根據本發明的一些實施例生產的活塞組件的界面區的掃描電子顯微照片。 圖5A是根據本發明的一些實施例生產的活塞組件的界面區的掃描電子顯微照片，該活塞組件包括活塞與嵌環之間的銅層。 圖5B是根據本發明的一些實施例生產的活塞組件的界面區的掃描電子顯微照片，該活塞組件包括活塞與嵌環之間的鎳/銅層。 圖6是根據本發明的一些實施例的活塞組件的界面區的掃描電子顯微照片，該活塞組件包括在活塞與環槽嵌環之間的鎳/銅層並隨後進行熱處理。 圖7A是示出了對於包括根據本發明的一些實施例生產的嵌環的各種材料作為最終接觸壓力（psi）的函數的環比磨損率（k）（1/psi）的曲線圖。 圖7B是示出了對於包括根據本發明的一些實施例生產的嵌環的各種材料作為載荷（lbf）的函數的環比磨損率（k）（1/psi）的曲線圖。 圖8A是示出了對於包括根據本發明的一些實施例生產的嵌環的各種材料根據ASTM G99在20 N、35 N和50 N下的盤損失對鋼銷數據的曲線圖。 圖8B是示出了對於包括根據本發明的一些實施例生產的嵌環的各種材料在20 N、35 N和50 N下的盤損失對鋼銷數據的另一曲線圖。 圖9是示出了對於包括根據本發明的一些實施例生產的嵌環的各種材料在20 N、35 N和50 N下的組合鋼銷損失和盤損失（由磨損對的側面引起）對盤的曲線圖。 圖10A是示出了根據本發明的一些實施例的對於平均粒度分布為0.1 μm至50 μm的陶瓷顆粒作為嵌環材料基體內陶瓷顆粒的體積分數（10體積%至50體積%）的函數的MMC嵌環材料基體的內表面積（mm ²/mm ³）的曲線圖。 圖10B是示出了根據本發明的一些實施例的使用平均粒度分布為1.0 μm至10 μm的陶瓷顆粒的、作為陶瓷顆粒的體積分數（10體積%至30體積%）的函數的MMC嵌環材料基體的內表面積（mm ²/mm ³）的優選區域的曲線圖。

305:活塞環

310:活塞缸壁

320:活塞

325:頭部

330:周向槽

340:外周面

350:活塞組件

360:環槽嵌環/嵌環

370:表面/內表面

370A、370B:表面

380:外表面

390:周向槽/槽

D:距離

Claims (15)

1. 一種活塞組件，包括： 活塞，其具有周向槽；以及 在所述活塞的所述周向槽內的環槽嵌環，其中，所述環槽嵌環具有外表面和內表面，其中，所述環槽嵌環是不同於所述活塞的第一材料的第二材料，其中，所述第二材料具有以下中的至少一者： a）為所述第一材料的密度的90%至120%的密度； b）為所述第一材料的熱膨脹係數（CTE）的50%至90%的CTE；或 c）大於所述第一材料的熱導率的熱導率。
2. 如請求項1所述的活塞組件，其中所述第一材料是鋁、鋁合金、鎂、鎂合金或其組合。
3. 如請求項2所述的活塞組件，其中所述鋁合金包括矽、銅、錳、鎂、鐵、鋅、鎳、鈧、鋰、鈦、鋯或錫中的一種或多種合金元素。
4. 如請求項1所述的活塞組件，其中所述第二材料是金屬基複材，所述金屬基複材包括鋁、鋁合金、鎂、鎂合金、鈦、鈦合金或其組合的基體和基於所述第二材料的總體積的5體積%至60體積%的分散在所述基體中的增強顆粒。
5. 如請求項4所述的活塞組件，其中所述增強顆粒具有大於8的硬度，並且所述基體具有小於4的硬度，其中，硬度根據莫氏硬度表測量。
6. 如請求項4所述的活塞組件，其中所述增強顆粒包括至少一種多個陶瓷顆粒，其包括碳化物、氧化物、矽化物、硼化物、氮化物或其組合。
7. 如請求項6所述的活塞組件，其中所述至少一種多個陶瓷顆粒包括碳化矽、碳化硼、碳化鈦、硼化矽、氮化鋁、氮化矽、氮化鈦、氧化鋁或其組合。
8. 如請求項4所述的活塞組件，其中所述金屬基複材包括基於所述第二材料的總體積的15體積%至30體積%的所述增強顆粒。
9. 如請求項4所述的活塞組件，其中所述金屬基複材具有： 2.5 g/cm ³至3.0 g/cm ³的密度； 140至170 W/m°K的熱導率； 15 ppm/℃至25 ppm/℃的CTE；以及 小於或等於0.5%的孔隙率。
10. 如請求項4所述的活塞組件，其中所述增強顆粒具有0.01 μm至10 μm的平均粒度，或所述增強顆粒具有100 mm ²/mm ³至1000 mm ²/mm ³的內表面積。
11. 如請求項4所述的活塞組件，其中所述第二材料的所述基體是鋁合金，所述鋁合金包括： 91.2重量%至98.6重量%的鋁、0.15重量%至4.9重量%的銅、和0.1重量%至1.8重量%的鎂；或 91.2重量%至94.7重量%的鋁、3.8重量%至4.9重量%的銅、1.2重量%至1.8重量%的鎂、和0.3重量%至0.9重量%的錳；或 95.8重量%至98.6重量%的鋁、0.8重量%至1.2重量%的鎂、和0.4重量%至0.8重量%的矽；或 92.8重量%至95.8重量%的鋁、3.2重量%至4.4重量%的銅、0至0.2重量%的鐵、1.0至1.6重量%的鎂、0至0.6重量%的氧、0至0.25重量%的矽、和0至0.25重量%的鋅。
12. 如請求項1所述的活塞組件，更包括在所述環槽嵌環的所述內表面與所述活塞之間的界面區，其中，所述界面區包括至少一種金屬間化合物二次相，其包括鋁、銅、鎳、鋅或其組合。
13. 一種用於活塞組件的環槽嵌環，所述環槽嵌環為預成型的固體，其具有： 2.5 g/cm ³至3.0 g/cm ³的密度； 140至170 W/m°K的熱導率； 15 ppm/℃至25 ppm/℃的CTE；以及 小於或等於0.5%的孔隙率， 其中，所述預成型固體是金屬基複材，所述金屬基複材包括鋁、鋁合金、鎂、鎂合金、鈦、鈦合金或其組合的基體和基於所述預成型固體的總體積的5體積%至60體積%的分散在所述金屬基體中的增強顆粒。
14. 一種製作活塞組件的方法，包括： 製備如請求項13所述的環槽嵌環；以及 在金屬或金屬合金的固相線溫度或該固相線溫度以上圍繞所述環槽嵌環壓鑄所述金屬或金屬合金，以形成鑄造活塞組件，其中，所述金屬或金屬合金是第一材料，並且其中，所述環槽嵌環是不同於所述第一材料的第二材料，其中，所述第二材料具有以下中的至少一者： a）為所述第一材料的密度的90%至120%的密度； b）為所述第一材料的熱膨脹係數（CTE）的50%至90%的CTE；或 c）大於所述第一材料的熱導率的熱導率。
15. 一種內燃機，包括： 活塞缸； 在所述活塞缸內的活塞組件，所述活塞組件包括： 活塞，所述活塞具有周向槽；以及 如請求項13所述的環槽嵌環，其設置在所述活塞的所述周向槽內，具有外表面和內表面， 其中，所述環槽嵌環是不同於所述活塞的第一材料的第二材料，其中，所述第二材料具有以下中的至少一者： a）為所述第一材料的密度的90%至120%的密度； b）為所述第一材料的熱膨脹係數（CTE）的50%至90%的CTE；或 c）大於所述第一材料的熱導率的熱導率。

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