活塞环槽嵌环和制作方法技术

本发明专利技术涉及一种活塞组件，包括：活塞，其具有周向槽；以及在活塞的周向槽内的环槽嵌环。特别地，环槽嵌环是不同于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)为第一材料的密度的90％至120％的密度；b)为第一材料的热膨胀系数(CTE)的50％至90％的CTE；或c)大于第一材料的热导率的热导率。或c)大于第一材料的热导率的热导率。或c)大于第一材料的热导率的热导率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】活塞环槽嵌环和制作方法
[0001]优先权
[0002]本申请涉及并要求于2021年1月8日提交的美国临时专利申请第63/135,473号的优先权，该美国临时专利申请以引用的方式并入本文。


[0003]本专利技术涉及用于在内燃机中使用的活塞环槽嵌环(piston ring groove insert)，并且具体涉及由物理特性不同于活塞的固体材料制成的活塞环槽嵌环。本文还描述了用于生产由固体材料制成的活塞环槽嵌环的方法。

技术介绍

[0004]乘用车中的大多数涡轮增压的(或以其它方式升压的)内燃机使用铝活塞，铝活塞围绕用作压缩环槽的钢活塞环嵌环铸造。活塞环的功能是防止槽的过早磨损、顶部环岸处的疲劳开裂，并且防止槽中和槽周围的预燃事件造成的侵蚀。
[0005]尽管钢环槽嵌环表现出对磨损、侵蚀和疲劳问题(这些问题限制了活塞中的未增强铝或甚至阳极氧化铝环槽嵌环的使用寿命和应用)的足够抵抗性，但是钢环槽嵌环存在许多缺点。钢的密度比铝高，因此钢嵌环增加了活塞的往复运动质量，这降低了发动机效率并增加了燃料消耗。与铝相比，钢环槽嵌环具有非常低的热导率，因此用作热障，该热障直接放置在从热源(燃烧室)穿过活塞环并进入发动机缸体并到达油冷活塞顶部底面的导热路径中。另外，钢的热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion，CTE)通常是铝的热膨胀系数的一半。因此，当活塞变热时，铝将比钢嵌环膨胀得更快，从而压迫嵌环与活塞之间的结合，这可能导致故障。

技术实现思路

[0006]本文描述了用于制作由金属基体复合材料(Metal Matrix Composite，MMC)制成的环槽嵌环(ring groove insert)的加工方法，这些加工方法允许在嵌环(insert)周围通过铸造或锻造或其它技术来生产活塞，而不会导致嵌环在活塞成型温度下变形或熔化。工艺特别用于具有分散在金属基体中的多个陶瓷颗粒的环槽嵌环材料，其中嵌环材料是预成型的固体。陶瓷颗粒在加工温度下不熔化或变形，以制作活塞组件，并且还在操作温度下提供长的寿命。
[0007]如本文所述的环槽嵌环提供了适合活塞组件的定制特性(例如密度、CTE、热导率和耐磨性)。期望能够制造具有预成型固体嵌环材料的活塞，该嵌环材料不增加整个活塞的质量以便提高发动机效率，并且具有与活塞材料紧密匹配的CTE以便改善活塞与嵌环之间的结合，同时还具有高热导率，以便更好地将热量从槽中耗散到活塞环中或耗散到油冷顶部底面。
[0008]在一个方面，提供了一种活塞组件，包括：活塞，其具有周向槽；以及在活塞的周向槽内的环槽嵌环。环槽嵌环优选具有外表面和内表面。环槽嵌环是不同于活塞的第一材料
的第二材料，并且第二材料具有以下中的至少一者：
[0009]a)为第一材料的密度的90％至120％的密度；
[0010]b)为第一材料的热膨胀系数(CTE)的50％至90％的CTE；或
[0011]c)大于第一材料的热导率的热导率。
[0012]活塞的第一材料可以是铝、铝合金、镁、镁合金或其组合。在一些实施方案中，活塞是铝合金，该铝合金包括硅、铜、锰、镁、铁、锌、镍、钪、锂、钛、锆或锡中的一种或多种合金元素。铝合金可具有不同于第二材料的熔化温度，特别地差异为20℃至80℃。
[0013]环槽嵌环是第二材料，该第二材料优选地高于第一材料的熔化温度(例如达到725℃或更优选地1000℃的温度)维持其尺寸形状。在一些实施方案中，第二材料可以是金属基体复合材料(MMC)，该MMC包括铝、铝合金、镁、镁合金、钛、钛合金或其组合的基体和基于第二材料的总体积的5体积％至60体积％的分散在基体中的增强颗粒。在一些实施方案中，基体是具有超过88重量％铝的铝合金。
[0014]包括第二材料的环槽嵌环可包括硬度大于基体硬度的增强颗粒。在一些实施方案中，增强颗粒具有大于8的硬度并且基体具有小于4的硬度，或者增强颗粒具有9至10的硬度并且基体具有2至3的硬度，其中硬度根据莫氏硬度表测量。增强颗粒可以包括至少一种多个陶瓷颗粒。在一些实施方案中，增强颗粒包括碳化物、氧化物、硅化物、硼化物、氮化物或其组合。至少一种多个增强颗粒可以优选包括碳化硅、碳化硼、碳化钛、硼化硅、氮化铝、氮化硅、氮化钛、氧化铝或其组合。增强颗粒的平均粒度可以是0.01μm至10μm。
[0015]环槽嵌环材料可以是MMC，该MMC包括基于第二材料的总体积的5体积％至60体积％的增强颗粒，或优选地基于第二材料的总体积的15体积％至50体积％的增强颗粒，或更优选地基于第二材料的总体积的15体积％至30体积％的增强颗粒。
[0016]环槽嵌环材料可具有2.5g/cm3至3.0g/cm3的密度。环槽嵌环材料可具有140到170W/m
°
K的热导率。环槽嵌环材料可具有15ppm/℃到25ppm/℃的热膨胀系数。环槽嵌环材料可具有小于或等于0.5％的孔隙率。优选地，环槽嵌环材料具有上述的任何组合或全部。
[0017]在一个方面，提供了一种预成型的环槽嵌环。环槽嵌环可以是预成型的固体，其具有：
[0018]2.5g/cm3至3.0g/cm3的密度；
[0019]140至170W/m
°
K的热导率；
[0020]15ppm/℃至25ppm/℃的CTE；以及
[0021]小于或等于0.5％的孔隙率，其中嵌环包括在金属基体中的5体积％至60体积％的多个陶瓷颗粒。预成型固体环槽嵌环可以包括平均粒度分布(D50)为0.01μm至10μm的多个陶瓷颗粒。预成型环槽嵌环可包括内表面积为100mm2/mm3至1000mm2/mm3的多个陶瓷颗粒。
[0022]环槽嵌环材料可维持其尺寸形状，如通过第一体积分数的另一铝合金基体的表面积相对于第二体积分数的增强颗粒的表面积测量的。环槽嵌环的内表面可具有0.4μm或更大的表面粗糙度(Ra)。环槽嵌环的内表面可具有0.4μm或更大的表面粗糙度(Ra)。环槽嵌环的一部分可延伸到活塞的顶部环岸中。从最上面的一个或多个槽的顶部到活塞的顶部测量的距离与参考钢嵌环相比减小至少10％。
[0023]活塞组件可包括在环槽嵌环的内表面与活塞之间的界面区。界面区可以包括至少一种金属间(intermetallic)二次相。界面区可以包括扩散控制涂层，其将活塞的第一材料
与环槽嵌环的第二材料分开。界面区可以包括铝、铜、镍、锌或其组合的涂层。在一些实施方案中，界面区包括至少一种金属间二次相，其包括铝、铜、镍、锌或其组合。界面区可以富含从活塞的第一铝合金迁移的铜、锰、镁、铁、锌或镍的一种或多种合金元素，并且特别地，界面区可以富含镁和镍中的至少一者。环槽嵌环材料可以是MMC，该MMC包括铝合金和5体积％至60体积％的增强颗粒，其中界面区具有小于或等于1/500的增强颗粒与基体相的比率。界面区可以具有小于或等于5％的孔隙率。
[0024]在另一方面，提供了一种制作活塞组件的方法，包括：提供环本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种活塞组件，包括：活塞，其具有周向槽；以及在所述活塞的所述周向槽内的环槽嵌环，其中所述环槽嵌环具有外表面和内表面，其中所述环槽嵌环是不同于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)为所述第一材料的密度的90％至120％的密度；b)为所述第一材料的热膨胀系数(CTE)的50％至90％的CTE；或c)大于所述第一材料的热导率的热导率。2.根据权利要求1所述的活塞组件，其中所述第一材料是铝、铝合金、镁、镁合金或其组合。3.根据权利要求2所述的活塞组件，其中所述铝合金包括硅、铜、锰、镁、铁、锌、镍、钪、锂、钛、锆或锡中的一种或多种合金元素。4.根据权利要求1所述的活塞组件，其中所述第二材料是金属基体复合材料，所述金属基体复合材料包括铝、铝合金、镁、镁合金、钛、钛合金或其组合的基体和基于所述第二材料的总体积的5体积％至60体积％的分散在所述基体中的增强颗粒。5.根据权利要求4所述的活塞组件，其中所述增强颗粒具有大于8的硬度，并且所述基体具有小于4的硬度，其中硬度根据莫氏硬度表测量。6.根据权利要求4所述的活塞组件，其中所述增强颗粒包括至少一种多个陶瓷颗粒，其包括碳化物、氧化物、硅化物、硼化物、氮化物或其组合。7.根据权利要求6所述的活塞组件，其中所述至少一种多个陶瓷颗粒包括碳化硅、碳化硼、碳化钛、硼化硅、氮化铝、氮化硅、氮化钛、氧化铝或其组合。8.根据权利要求4所述的活塞组件，其中所述金属基体复合材料包括基于所述第二材料的总体积的15体积％至30体积％的所述增强颗粒。9.根据权利要求4所述的活塞组件，其中所述金属基体复合材料具有：2.5g/cm3至3.0g/cm3的密度；140至170W/m
°
K的热导率；15ppm/℃至25ppm/℃的CTE；以及小于或等于0.5％的孔隙率。10.根据权利要求4所述的活塞组件，其中所述增强颗粒具有0.01μm至10μm的平均粒度，或所述增强颗粒具有100mm2/mm3至1000mm2/mm3的内表面积。11.根据权利要求4所述的活塞组件，其中所述第二材料的所述基体是铝合金，所述铝合金包括：91.2重量％至98.6重量％的铝、0.15重量％至4.9重量％的铜、和0.1重量％至1.8重量％的镁；或91.2重量％至94.7重...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：万腾荣公司，
类型：发明
国别省市：