一种内燃机活塞的制造方法和由此得到的活塞技术

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。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。本专利技术的目的是，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，本专利技术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。本专利技术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，本专利技术是以应用一种称为“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。下面对本专利技术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专利技术，其中附图说明图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示出了根据本专利技术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中示出的根据本专利技术的活塞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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：马克·罗伯勒特，
申请(专利权)人：阿斯克迈塔尔公司，
类型：发明
国别省市：