钢活塞的热氧化保护面制造技术

本发明专利技术涉及一种用于燃料喷射式柴油机的活塞（１２０）和制造该活塞（１２０）的方法，能够在活塞的碗状部（１３４）和缘（１３０）的区域承受喷射燃料所引起的氧化导致的损害作用。被喷射燃料（１３８）瞄准的所述活塞的顶（１２６）的表面首先液态涂覆或者通过热喷雾技术，例如ＨＶＯＦ或等离子喷雾，涂覆抗腐蚀抗氧化的合成物。接着采用高能激光束照射所述喷雾涂层来增加该涂层的密度，同时重构其微结构，熔合合金并材料结合所述涂层材料和底层钢基底，从而为钢活塞顶（１２６）提供了持久的保护表面。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及柴油机的具有经过抗热氧化降解特别处理的顶的活塞以及制造这种活塞的方法，特别是涉及用于燃料喷射式柴油机应用中的钢型活塞。
技术介绍
柴油机是运行于众所周知的热力循环中的往复活塞式发动机，在该热力循环中，燃料被注入压缩充气腔、膨胀以对活塞产生作用的自燃混合物和在循环结束时耗尽的材料。在大型钢活塞例如用于柴油车应用的大型钢活塞中，燃烧过程中通常采用多孔喷嘴注入燃料。多孔喷嘴位于活塞顶上尽可能中心的位置，以径向喷雾形式排放燃料。设计活塞顶上的下陷碗状部以确保喷雾和回转式空气形成的空气-燃料混合物在喷射过程中完全充满燃烧空间，从而获得最佳性能。如果空气-燃料混合物无法完全填满活塞顶上的碗状部，空气利用率和功率输出都会下降。结果是导致其抗污染排放性能大大下降。同样地，如果产生溢流，所述混合物溢出独立喷射物之间的空间，那么所产生的过度局部燃料集中将导致空气不足，并导致烟灰生成量的增加，而且会降低柴油机的抗污染排放性能。除了这些时机掌握问题之外，另一个问题也会导致活塞设计的抗污染排放性能下降。由于喷射进柴油机的燃料自燃，故需要采用高十六垸值燃料。燃烧的燃料喷雾产生强热。形成于钢活塞顶上的碗状部在其非常邻近燃烧室顶边和/或位于燃烧室顶边上的区域，也就是，活塞顶的碗状部和平顶边缘之间的唇形界面，典型地被氧化。其结果是产生从多孔喷嘴延伸的火炬径向延伸的喷雾。该火炬燃烧效果使钢氧化呈Fe203状，所产生的氧化物不会粘附于底层未受影响的钢基材上。机械膨胀/收缩过程最终以"剥落"方式去除氧化层。随着时间的过去，用肉眼可见腐蚀区域。这种碗状部唇缘形状的变化对燃烧过程产生干扰，导致所设计的活塞顶的燃烧室的抗污染排放性能下降。此外，腐蚀区域从结构上弱化了活塞。活塞的挠曲、膨胀和收縮会导致径向裂缝产生，该裂缝延伸并最终导致活塞故障。己进行各种尝试来应对燃料燃烧产生强热释放所带来的碗状部唇缘氧化问题。例如， 一些方法采用为抗氧化和腐蚀特别合成的合金制造整个活塞顶。然而，卡车应用的大直径活塞的活塞顶需要大量材料。因而这种特别合成的合金显著增加了柴油机成本。另一种现有技术也尝试解决这一问题，例如Hoeg申请的、授权公告日为1998年9月28日的第5,958,332号美国专利。在该实例中，将采用耐高温、抗腐蚀合金制成的专用盘焊接至活塞或其他发动机元件的临界区域。然而，这种活块制造的专用合金盘显著增加了活塞组件的成本，而且使得制造过程增加了很多处理和组装步骤。在很多实例中，建议将耐高温钢甚至陶瓷基材料的环面冷縮配合于燃烧室中。然而，在应用之前存在同样的限制。因此，长期以来都未能解决低成本钢活塞的活塞顶由于近燃烧室唇缘处柴油机燃烧所带来的氧化和强热而导致退化的问题。商业上应用的解决方案必须便于实现，在保持长效排放达标性能的同时不会增加整个产品或加工的成本。
技术实现思路
根据本专利技术，提供一种改善内燃机活塞顶抗氧化和腐蚀性能的方法。该方法包括下列步骤提供活塞，该活塞具有呈现外部顶表面的顶；准备基本由抗腐蚀抗氧化合成物构成的涂层材料;将所述涂层材料涂覆于所述活塞顶，使得该涂层材料附于具有涂覆成形微结构和涂覆成形孔隙度小于整个材料密度100%的所述顶表面。该方法进一步包括采用高能激光束照射所述涂层的步骤，从而在重构微结构并在所述涂层和所述顶表面之间产生材料结合的同时，增加该涂层的密度。所述照射步骤实质上将所述顶表面的所述涂层与所述材料相融合，从而产生性能与原涂层和顶表面材料均不同的合成材料。根据本专利技术的另一方面，提供一种操作燃料喷射式柴油机中的钢活塞的方法。该方法包括下列步骤提供具有汽缸盖的发动机汽缸；提供具有顶的活塞，所述顶包括大致环状的缘和设于该缘下方的凹陷碗状部，所述缘和所述碗状部之间的界面形成大致环状的唇缘；使所述活塞在所述汽缸中朝向汽缸盖和远离汽缸盖做往复运动；将液体燃料朝向所述活塞顶的唇缘强制排入汽缸；以及燃烧与所述活塞顶的唇缘邻近的燃料。所述提供活塞的步骤包括通过将涂层材料涂覆于具有涂覆成形微结构和涂覆成形孔隙度小于整个材料密度100%的所述唇缘来改变所述活塞顶的唇缘的表面合成物，所述涂层材料基本由抗腐蚀抗氧化的合成物构成；然后采用高能激光束照射所述涂层，从而在重构微结构并在所述涂层和所述唇缘之间产生材料结合的同时，增加该涂层的密度。根据本专利技术的又一方面，提供一种燃料喷射式柴油机的活塞。该活塞包括大致圆柱状的裙部，其上横穿有一对相对销孔。附于所述裙部顶上的顶包括大致环状的缘和设于该缘下方的凹陷碗状部。沿所述缘和所述碗状部之间的界面形成大致环状的唇缘。所述唇缘具有基本由采用高能激光束照射的经涂覆的抗腐蚀抗氧化合成物形成的结合表面处理。本专利技术方法和活塞结构通过有意识地准备和处理活塞顶的唇缘区域，该区域包括环状缘和凹陷碗状部之间的界面，能够更好地承受从喷射器喷嘴向所述唇缘喷射的燃烧中的液体燃料所带来的破坏作用，从而克服现有技术的缺点和不足。根据本专利技术制造和操作的低成本钢活塞能够充分延长其使用寿命，保持长效排放达标性能以及活塞结构完整性。附图说明为便于理解本专利技术的上述及其他特征及优点，以下结合附图对本专利技术进行详细描述，其中图1是现有柴油机钢活塞的立体图2是图1所示现有活塞的俯视图，描绘了实现多个径向延伸的燃料喷雾的中心定位多孔燃料喷嘴；图3是大致沿图2中3-3线的片段剖视图4是根据本专利技术的钢制柴油机活塞的片段剖视图，举例描述了将抗腐蚀抗氧化合成物的喷雾材料强行推入活塞顶最易受影响的部分；图5是如图4所示的剖视图，但展示了涂覆有耐用涂层材料的活塞顶所有最易受影响的区域；图6是图5所示的活塞顶的片段剖视图，但描绘了表面经高能激光束照射后在重构其微结构并在所述涂层和所述顶表面之间建立材料结合的同时增加了涂层密度；图7是根据本专利技术的活塞的立体图，该活塞包括设于活塞顶的缘部之上的第一环形防护罩，以防止涂层表面的确定位置受到不必要的照射；图8是大致沿图7中8-8线的片段剖视图，描绘了高能激光束照射在其上设有第一环形防护罩的活塞顶的碗状区域中的涂层；图9是活塞的立体图，该活塞包括覆盖于碗状区域和阀套的第二防护罩以便仅活塞顶的平坦上缘部暴露在外；图10是大致沿图9中10-10线的片段剖视图，描绘了第二防护罩对激光束的反射，以使激光束照射缘部涂层的过程中不会照射在阀套上；图11是活塞的立体图，展示了设于活塞顶的顶部仅将阀套暴露在外的第三防护罩，以便该区域的涂层能够被高能激光束照射；以及图12是大致沿图11中的12-12线的片段剖视图，描绘了高能激光束照射阀套区域的涂层从而完成活塞顶的表面处理。具体实施例方式参照附图，其中相似数字指代这几幅图中相似或相应零部件，燃料喷射式柴油机的钢活塞20如图1所示。该活塞20是适用于燃料喷射式柴油机类型的活塞。该活塞20包括大致圆柱状的边缘(skirt)部22，该边缘部22上横穿有一对相对设置的销孔24。当活塞20在柴油机汽缸(图未示)中往复运动时，边缘部22引导并支撑活塞20，同时销孔24收容一连接至连杆(图未示)上端且最终连接至柴油机曲柄轴的活塞销或耳轴销。顶26附于边缘部22顶上。在本专利技术的该较佳实施例中，边缘部22和顶26采用整体钢材一体形成。该材料成分可从已知的多个种类中任意选择，包括但不限于相对低廉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改善内燃机活塞顶抗腐蚀性能的方法，包括下列步骤：　提供活塞，该活塞具有呈现外部顶表面的顶；　准备基本由抗腐蚀抗氧化合成物构成的涂层材料；　将所述涂层材料涂覆于所述活塞顶，使得该涂层材料附于具有涂覆成形微结构和涂覆成形孔 隙度小于整个材料密度１００％的所述顶表面；以及　采用高能激光束照射所述涂层，从而在重构微结构并在所述涂层和所述顶表面之间产生材料结合的同时，增加该涂层的密度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：米格尔阿塞韦多，沃伦莱恩托恩，
申请(专利权)人：费德罗莫格尔公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]