發(fā)動(dòng)機(jī)活塞以及用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的處理的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋁發(fā)動(dòng)機(jī)活塞，尤其但非限制性的涉及用于使用在根據(jù)奧拓循環(huán)和狄塞爾循環(huán)操作的發(fā)動(dòng)機(jī)上的活塞，其中，通過(guò)非消耗工具在特定施加的涂層上面的摩擦，在活塞頭或活塞頂?shù)膮^(qū)域的至少一部分中獲得了形成的金屬?gòu)?fù)合材料。
[0002]本發(fā)明進(jìn)一步涉及用于制造該發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的處理。
【背景技術(shù)】
[0003]采用活塞的內(nèi)燃機(jī)具有一個(gè)或多個(gè)氣缸，活塞在氣缸內(nèi)部進(jìn)行往復(fù)移動(dòng)?；钊麎嚎s空氣或者空燃混合物(取決于討論的發(fā)動(dòng)機(jī))，活塞頭或者活塞頂(其上部分)接收空燃混合物的爆炸的直接沖擊。在發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)狄塞爾循環(huán)操作的情形下，給定點(diǎn)燃空燃混合物所需的高壓縮比，活塞頂所受的應(yīng)力甚至更大。
[0004]目前，車輛(諸如自動(dòng)車輛、多用途車輛和重型商用車輛)的制造商受到越來(lái)越多的消耗、污染排放和噪音方面的嚴(yán)格限制，這導(dǎo)致需要設(shè)計(jì)越來(lái)越小的更經(jīng)濟(jì)但能夠生成高扭矩和功率值的發(fā)動(dòng)機(jī)。
[0005]這是通過(guò)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的立體容積(活塞位移)(該構(gòu)思稱為降低尺寸)，結(jié)合使用更高以及更高的過(guò)反饋值(渦輪壓力的增加)以及重設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部部件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。設(shè)計(jì)和操作上的這些新設(shè)想使得活塞頭上的熱負(fù)荷產(chǎn)生了大量的增加，從而需要開發(fā)一些方案，這些方案應(yīng)該確保發(fā)動(dòng)機(jī)在其正常操作期間的高耐久性。
[0006]除了活塞受到的大應(yīng)力之外，由于高壓縮比，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的固有特性是在活塞頂處存在特定設(shè)計(jì)的凹槽，該凹槽限定了體積大的燃燒室。
[0007]這些高熱負(fù)荷在燃燒室的邊界和底部區(qū)域中是尤其關(guān)鍵的，凹槽設(shè)計(jì)使得產(chǎn)生更大的燃燒體積。而且，當(dāng)它們由輕合金(諸如鋁合金)制成時(shí)，部件的操作會(huì)因熱疲勞而使這些關(guān)鍵區(qū)域斷裂，會(huì)改變爆炸參數(shù)，在極限情況下甚至?xí)缮姘l(fā)動(dòng)機(jī)的操作。
[0008]存在各種方式來(lái)消除該缺陷，通過(guò)增強(qiáng)活塞頭在燃燒室的區(qū)域中的抵抗性，但是在長(zhǎng)期測(cè)試和研宄之后發(fā)現(xiàn)這些方式都不像申請(qǐng)人提出的方案那樣有效。
[0009]目前公知一些方案，能夠用來(lái)提高活塞頭處與燃燒室對(duì)應(yīng)的凹槽表面的抵抗性。
[0010]專利文獻(xiàn)JP2007064129涉及用于制造活塞凹槽的處理，通過(guò)在工具相對(duì)于其自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)活塞和該工具之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)移動(dòng)因該工具的摩擦使得凹槽更有抵抗性。凹槽形成在摩擦區(qū)域中。
[0011]該文獻(xiàn)主要涉及的是增加因活塞凹槽上的環(huán)引起的耐磨損性。該改善是通過(guò)非消耗銷的摩擦來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由于強(qiáng)度摩擦引起的精煉、熱以及材料的塑料變形。
[0012]該現(xiàn)有技術(shù)是重要的，因?yàn)槠涔_了這種處理對(duì)于活塞鋁已經(jīng)是可能的，但是仍沒(méi)有添加任何機(jī)械加強(qiáng)元件，如活塞頭處需要的。
[0013]英國(guó)專利文獻(xiàn)GB2367027涉及發(fā)動(dòng)機(jī)活塞，在該活塞上，在活塞基底材料上面施加了第二材料。在活塞頭處形成了凹槽的至少一部分，在該部分上存在第二材料。第二材料的區(qū)域形成在活塞基底上，此處在它們之間生成摩擦熱，塑化了與工具相鄰的材料。工具的連續(xù)移動(dòng)形成了第二材料，并且在結(jié)合端部處與第一材料混合，從而保持它們結(jié)合于一起。本質(zhì)上，該文獻(xiàn)簡(jiǎn)單地涉及兩個(gè)不同材料的焊接，即使它們具有類似的成分，以形成具有較大強(qiáng)度的活塞頭。即使復(fù)合材料的構(gòu)思是可選的，但是不同材料直接的焊接接頭存在差異，并不修改基板，如申請(qǐng)人所提出的。
[0014]專利文獻(xiàn)W02008/131273公開了低溫的方法，用于增加金屬以及金屬氧化物粒子之間的接合，這能夠增加這些材料之間的放熱反應(yīng)的效率。所描述的一個(gè)放熱反應(yīng)是2A1(s)+3Cu0(s) — >A1203(s)+3Cu(s)，另一放熱反應(yīng)是，2A1(s)+3Cu20(s) — >A1203(s)+6Cu(s)。無(wú)論發(fā)生什么反應(yīng)，將隨后發(fā)生以下互補(bǔ)反應(yīng):2Al(s)+Cu(s) — >A12Cu(s)。
[0015]歐洲專利文獻(xiàn)EP0460901涉及一種用于在凸形表面(如發(fā)動(dòng)機(jī)活塞)上獲得金屬?gòu)?fù)合材料表面的方法。該方法包括在包含硬陶瓷粒子層的基板上面旋轉(zhuǎn)非消耗工具，摩擦以及熱引起這些粒子并入基板表面中。但是，該文獻(xiàn)僅涉及非原位并入粒子(先前燒結(jié)以及沉積至表面上)，并沒(méi)有提到存在Al2Cu作為加強(qiáng)元素。
[0016]正如我們可以看到的，上述任何現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)都沒(méi)有公開本申請(qǐng)人開發(fā)的方案，其是由鋁制成的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞，改進(jìn)之處在于，將純銅或氧化涂層施加在活塞頭或活塞頂?shù)闹辽僖徊糠稚?，之后，將非消耗銷旋轉(zhuǎn)，伴隨的是在氧化銅涂層上面拖動(dòng)非消耗銷，引起了與(鋁基)活塞基板的放熱反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)的和硬的Al2Cu粒子(Θ相)以及Al2O3的同質(zhì)散布。除了沉積，由于產(chǎn)生的變形以及溫度，還發(fā)生了粒度的改善。
[0017]可選地，經(jīng)處理的基板可經(jīng)歷使用液體氮或者液體氮及甲醇的混合物或者其他類似溶液進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，以實(shí)現(xiàn)基板粒度的局部更大改善。此外，后續(xù)處理溶解物以及沉淀物是可行的。
[0018]關(guān)于現(xiàn)有技術(shù)EP0460901，本發(fā)明與其具有很大的不同，最重要的是，其中存在的原位粒子與基板具有更大的化學(xué)兼容性，本質(zhì)上更小，因而無(wú)需集中粉碎(碎化)。因?yàn)樵谔幚砥陂g發(fā)生的化合，所以在粒子和基質(zhì)之間不存在熱膨脹梯度，因此，其提供了更大加載的粒子，結(jié)果，強(qiáng)度性能更低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]發(fā)明目的
[0020]本發(fā)明的目的是提供一種發(fā)動(dòng)機(jī)活塞，尤其但非限制性的涉及用于使用在根據(jù)奧拓循環(huán)和狄塞爾循環(huán)操作的發(fā)動(dòng)機(jī)上的活塞，其中，通過(guò)非消耗工具在特定施加的涂層上面的摩擦，在活塞頭或活塞頂?shù)膮^(qū)域的至少一部分上形成了金屬?gòu)?fù)合材料。
[0021]本發(fā)明還涉及用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的處理，該處理在最終機(jī)加工部件之前施加，具有的優(yōu)勢(shì)在于不會(huì)引起熱扭曲。
[0022]發(fā)明簡(jiǎn)要
[0023]本發(fā)明的目的是依靠用于使用在內(nèi)燃機(jī)上的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該活塞設(shè)置有大致圓形的鋁基主體，鋁基主體限定了頂部，頂部包含至少一個(gè)腔室，其中，至少一個(gè)涂覆層施加至由頂部或者腔室部限定的至少一個(gè)區(qū)域上，由于通過(guò)非消耗旋轉(zhuǎn)銷相對(duì)于涂覆層的拖動(dòng)移動(dòng)所生成的摩擦，至少一個(gè)化學(xué)化合物由基底材料和涂覆層之間進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)形成。
[0024]可選地，處理包括以下步驟:
[0025]步驟iii)通過(guò)液體氮進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，以及
[0026]步驟iv)熱處理溶解物和/或沉淀物。
【附圖說(shuō)明】
[0027]現(xiàn)在將參考附圖示出了實(shí)施例的例子更詳細(xì)地描述本發(fā)明。附圖示出了:
[0028]圖1是本發(fā)明在施加了銅基涂層之后以及在與非消耗銷摩擦的步驟之前的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的尚J視圖；
[0029]圖2是與銅基涂層摩擦?xí)r非消耗銷繞其自身軸線旋轉(zhuǎn)并且相對(duì)于活塞被牽引的示意圖；
[0030]圖3是本發(fā)明在施加了銅基涂層之后以及在與非消耗銷摩擦的步驟之后的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]本發(fā)明涉及鋁基發(fā)動(dòng)機(jī)活塞1，在該活塞上，通過(guò)非消耗工具在特定施加的涂層上面的摩擦，在活塞頭或活塞頂?shù)膮^(qū)域的至少一部分上獲得了形成的金屬?gòu)?fù)合材料。
[0032]如之前提到的，目前，車輛(諸如自動(dòng)車輛、多用途車輛和重型商用車輛)的制造商受到越來(lái)越多的消耗、污染排放和噪音方面的嚴(yán)格限制，這導(dǎo)致需要設(shè)計(jì)越來(lái)越小的發(fā)動(dòng)機(jī)(降低尺寸)，但該發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該是更經(jīng)濟(jì)的且能夠生成高扭矩和功率值。
[0033]由于增加了粒子的耐疲勞性以及改善了構(gòu)成活塞的鋁合金的粒度，所以本發(fā)明給予活塞、尤其活塞頂處存在的凹槽的表面以及代表燃燒室的腔室底部以更大強(qiáng)度。
[0034]首先，應(yīng)該注意的是，本活塞可以呈現(xiàn)任何需要的或者期望的構(gòu)造，作為采用活塞的發(fā)動(dòng)機(jī)的函數(shù)。因而，即使優(yōu)選地在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞中需要增加抵抗性，活塞處具有用于限定燃燒室的凹槽，顯然的是，無(wú)論活塞頂?shù)木唧w形狀如何都可采用本方案，活塞頂可以是凹形、凸形，具有用于打開閥的凹槽或者仍具有任何其他設(shè)計(jì)。
[0035]以相同方式，活塞可以構(gòu)造為使得在其頂部區(qū)域的特定點(diǎn)處不是必須要增加抵抗性，但在其裙部以及在一個(gè)或多個(gè)凹槽中、在用于定位活塞的孔口中或者仍在其他所需或期望的地方需要增加抵抗性。
[0036]但是，不管活塞I的構(gòu)造如何，應(yīng)該專門規(guī)定是其由鋁合金形成，以便存在稍后描述的反應(yīng)。
[0037]本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)I的活塞的非限制優(yōu)選實(shí)施