用于生產(chǎn)鋁活塞的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及用于生產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)用鋁活塞(1)的方法，所述鋁活塞至少在碗邊緣(4)的區(qū)域和/或碗底部(3)的區(qū)域經(jīng)過(guò)焊接處理以將至少一種額外元素引入鋁活塞(1)的底部材料以及產(chǎn)生金屬間相(6)。本發(fā)明重要的是，通過(guò)焊接方法將至少一種下列額外元素以特定濃度引入，即1-7wt.％Ni、1-15wt.％Cu和0.5-5wt.％Fe。因而能夠生產(chǎn)尤其精細(xì)和有利形成的金屬間相(6)，金屬間相有助于增加鋁活塞(1)的耐熱機(jī)械性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于生產(chǎn)鋁活塞的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于生產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)用鋁活塞的方法，根據(jù)權(quán)利要求1前序部分，所述鋁活塞至少在碗邊緣和/或碗底部的區(qū)域經(jīng)過(guò)焊接處理。本發(fā)明還涉及使用這種方法所生產(chǎn)的鋁活塞。

【背景技術(shù)】
[0002]鋁活塞在碗狀區(qū)域的再熔化是顯著增加鋁活塞的強(qiáng)度、因此還增加服務(wù)壽命時(shí)間的一種可行方式。但是，這種再熔化處理受限，因?yàn)橛绕湓诨钊艿礁邿釕?yīng)力的情形下已經(jīng)顯示的是，在聚焦光束區(qū)域中會(huì)產(chǎn)生肉眼可見(jiàn)程度的表面破壞。微鏡檢測(cè)揭示了，破壞是由于熱機(jī)械疲勞，破裂主要發(fā)生在初晶硅和鋁矩陣之間的相界。破壞歸因于兩個(gè)原因。第一個(gè)原因是初晶硅/鋁矩陣相界代表了材料的強(qiáng)度方面的弱點(diǎn)，其因兩個(gè)相的不同熱膨脹系數(shù)而惡化。第二個(gè)原因是，高溫引起硅骨架的變形和退化，從而導(dǎo)致合金的強(qiáng)度局部降低，最終由于溫度變化使得更容易發(fā)生破裂。為了獲得盡可能高的耐熱機(jī)械破裂，因此期望的是防止該影響，或者至少減輕該影響。
[0003]EPl 386 687B1公開(kāi)了一般類(lèi)型的用于生產(chǎn)鋁活塞的方法，其中使用電弧焊接方法執(zhí)行焊接處理，在焊接處理之后將活塞以ΙΟΟ-ΙΟΟΟΚ/s速度冷卻。發(fā)現(xiàn)的是，增加冷卻速度可引起熔化物中的結(jié)晶顆粒的細(xì)度增加?？傊?，利用公知方法可實(shí)現(xiàn)提高耐熱疲勞性。
[0004]DElO 2005 034 905A1公開(kāi)了用于生產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)用活塞的額外方法，其中燃燒室碗的至少一個(gè)區(qū)域包括至少一個(gè)碗底部，對(duì)所述至少一個(gè)區(qū)域焊接處理，以再熔化焊接處理區(qū)域的材料，這意味著焊接處理區(qū)域中積累的材料能夠控制在具有特定深度的層中。
[0005]用于生產(chǎn)活塞的其他方法公知于DE199 02 864A1和DE691 02 313T2。
[0006]DE600 22 845T2還公開(kāi)了用于加強(qiáng)內(nèi)燃機(jī)的鋁活塞的方法，所述方法包括通過(guò)熔化將包含銅和鎳的合金施加在燃燒室碗的邊緣或者周邊的至少一個(gè)段上。
[0007]公知的是，通過(guò)添加銅、鎳、鐵、鎂和其他元素以及結(jié)果形成的金屬間相來(lái)增加AlSi活塞合金的強(qiáng)度。這些合金元素的比例越高也可引起更高強(qiáng)度。在熱機(jī)械應(yīng)力下，強(qiáng)度的增加代表最小化循環(huán)塑性應(yīng)變，這意味著在熱機(jī)械應(yīng)力下這種材料以更高彈性和更少塑性的方式變形，這有益于服務(wù)壽命。但是，合金元素的增加受到限制，因?yàn)橛绕潆S著合金元素量N1、Cu和Fe的增加，形成的金屬間相趨于變大或者具有粗針或者裂片的形式。這些具有有害效應(yīng)，因?yàn)楂@得了脆性材料行為，因而極大地降低了耐久性。這消除了上述優(yōu)勢(shì)，或者取決于合金成分甚至?xí)股鲜銮闆r更嚴(yán)重。但是，為了合金的適當(dāng)耐久性，在結(jié)構(gòu)中絕對(duì)需要以盡可能細(xì)微分散的方式生成金屬間相。該問(wèn)題的公知方案是增加凝固速度，因?yàn)樵诟吣趟俣认拢饘匍g相生長(zhǎng)時(shí)間更少，從而發(fā)展成更精細(xì)的結(jié)構(gòu)。但是，在用于活塞生產(chǎn)的重力壓鑄處理中，凝固速度僅能夠在限度內(nèi)增加，該限度通常設(shè)定得低，使得技術(shù)上可行的凝固速度不適于生產(chǎn)具有更高比例銅、鎳或者鐵的充分精細(xì)的結(jié)構(gòu)，而不允許發(fā)展粗化的金屬間相。為了避免該問(wèn)題，因此，尤其在鋁活塞的情形下通過(guò)局部焊接方法來(lái)生產(chǎn)期望合金。此處的優(yōu)勢(shì)在于，由于鋁活塞充當(dāng)散熱片，相對(duì)小熔池的熱量能夠非常快的消散，這導(dǎo)致形成了顯著更精細(xì)的金屬間相。但是，實(shí)踐中已經(jīng)顯示的是，雖然總體上獲得了金屬間相的增加細(xì)度，但是這結(jié)合了兩個(gè)反效應(yīng)。首先是，生成了大型的硬金屬間相的絕緣發(fā)生，由于它們的尺寸，這不得不被視為是非常不利的。其次，非常大的碎片狀金屬間相形成的數(shù)量增加了，因此這些是非常不期望的。除了其他方面，導(dǎo)致形成材料的微結(jié)構(gòu)的因素還取決于添加劑、在熔池中其濃度和分配、底部材料、能量輸入水平、所使用的焊接方法等。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]因而本發(fā)明關(guān)注克服現(xiàn)有技術(shù)的公知缺點(diǎn)的問(wèn)題，尤其是極大地降低或者完全消除大型粗針狀或者碎片狀金屬間相，因而在處理區(qū)域獲得更高耐熱疲勞性。
[0009]該問(wèn)題根據(jù)本發(fā)明通過(guò)獨(dú)立權(quán)利要求的主題解決。有利實(shí)施例是從屬權(quán)利要求的主題。
[0010]本發(fā)明是基于總體構(gòu)思:生產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)用公知鋁活塞，所述活塞至少在碗邊緣和/或碗底部的區(qū)域經(jīng)過(guò)焊接處理以將至少一種額外元素引入鋁活塞的底部材料以及生成金屬間相，特別選擇額外元素或者添加劑材料，優(yōu)選地，為了引入額外元素，使用每單元長(zhǎng)度電弧能量與焊縫熔深面積具有預(yù)定比E/A的焊接處理。根據(jù)本發(fā)明，使用焊接處理將至少一種下列額外元素以特定濃度引入，即l-7wt.% N1、l_15wt.% Cu和/或l_5wt.% Fe。此夕卜，在根據(jù)本發(fā)明的方法中，能夠使用一個(gè)以下焊接處理:電弧焊接，諸如鎢極惰性氣體保護(hù)焊(TIG)，其E/A = 7-17J/mm3 ;或者等離子焊接(WP)，其E/A = 6_16J/mm3 ;激光束焊接，其E/A = 80-90J/mm3 ;或者電子束焊接，其E/A = 5_15J/mm3。不考慮提到的焊接方法的效率損失，例如由于熱輻射、反射等引起的。尤其，由于上述提到的具有對(duì)應(yīng)電弧能量/焊縫熔深面積比E/A的焊接方法以及上述提到的額外元素和對(duì)應(yīng)濃度的組合，能夠產(chǎn)生微結(jié)構(gòu)，其中相應(yīng)的金屬間相理想地具有的最大縱向延伸L〈50微米，因此是非常精細(xì)的結(jié)構(gòu)。
[0011]可替換地，為了引入額外元素或者添加劑材料，能夠使用每單元長(zhǎng)度具有限定的電弧能量E(J/mm)的焊接方法，在該情況下，元素應(yīng)該優(yōu)選被預(yù)加熱。根據(jù)本發(fā)明，使用焊接處理將至少一種下列額外元素以特定濃度引入，即l_7wt.% NiU-15wt.% Cu和/或0.5-5wt.% Fe。在進(jìn)一步優(yōu)選實(shí)施例中，添加劑金屬能夠包含0.5-lwt.% Fe。
[0012]此外，在根據(jù)本發(fā)明的方法中，能夠使用一個(gè)以下焊接處理:電弧焊接方法，諸如鎢極惰性氣體保護(hù)焊(TIG)，其E = 150-450J/mm ;或者等離子焊接(WP)，其E = 250-700J/mm ;激光束焊接,其E = 100-400J/mm ;或者電子束焊接，其E = 500-900J/mm,元素優(yōu)選被預(yù)加熱至100-300°C之間的溫度。尤其，通過(guò)上述提到的每單元長(zhǎng)度具有給定電弧能量的焊接方法與經(jīng)預(yù)加熱的給定額外元素及關(guān)聯(lián)濃度的組合，能夠設(shè)定出微結(jié)構(gòu)，其中相應(yīng)的金屬間相理想地具有的最大縱向延伸L〈50微米，因此是非常精細(xì)的結(jié)構(gòu)。
[0013]總之，防止現(xiàn)有技術(shù)的公知負(fù)效應(yīng)與多個(gè)處理參數(shù)關(guān)聯(lián)，這些參數(shù)彼此以不同程度相互作用。更加驚訝的是，盡管有上述復(fù)雜關(guān)系，但是能夠確定處理窗口，這允許產(chǎn)生具有精細(xì)分布的金屬間相的結(jié)構(gòu)，還不包括粗針狀、碎片狀或者大面積的金屬間相。由于不存在這種粗化的金屬間相，當(dāng)提高固有強(qiáng)度時(shí)，也不會(huì)特別不利地影響耐久性。在高溫下，力口載精細(xì)分布的內(nèi)金屬相助于支撐模具中發(fā)展的初晶硅粒子，因此可穩(wěn)定硅骨架。
[0014]在有利的延伸方案中，根據(jù)本發(fā)明使用焊接處理添加的額外元素的濃度是:2-7wt.% Ni>3-15wt.% Cu>l-5wt.%或.5_5wt.% Fe。這進(jìn)一步限制了先前段落描述的各額外元素的濃度，意味著能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)度的進(jìn)一步增加。當(dāng)然完全明顯的是，上述提到的元素鎳、銅和鐵可以不僅組合添加，而且可以以相應(yīng)的濃度單獨(dú)添加。
[0015]在根據(jù)本發(fā)明的方法的有利延伸方案中，底部材料用于鋁活塞，具有以下成分:A160-90wt.% > Si8-20wt.% > Cu2-6wt.% > Ni l-4wt.% 以及 Mg0.2-2wt.% ? 特別優(yōu)選地，將元素限制為如下:A175-85wt.Sil0-13wt.Cu3.5-5wt.Nil.5-2.5wt.% 以及Mg0.5-1.5wt.%。此外，底部材料當(dāng)然能夠包含其他小比例的鐵、錳、鈦、鋯、鈣、鍶、鈉、磷和釩，它們尤其呈微量元素的形式，而且可以以選擇性地方式添加。尤其，這種鋁合金尤其對(duì)內(nèi)燃機(jī)(尤其柴油機(jī))操作中發(fā)生的高熱力和機(jī)械力有耐力。
[0016]本發(fā)明的其他關(guān)鍵特征及優(yōu)勢(shì)見(jiàn)于從屬權(quán)利要求、附圖和基于附圖的相關(guān)說(shuō)明。
[0017]毫無(wú)疑問(wèn)，上述提到的特征及以下將解釋的這些特征能夠不僅以對(duì)應(yīng)特定組合應(yīng)用，而且可以其他組合應(yīng)用，或者單獨(dú)應(yīng)用，這并不超出本發(fā)明的范圍。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]本發(fā)明優(yōu)選示范實(shí)施例示出于附圖，在以下說(shuō)明中更詳細(xì)地解釋。
[0019]圖1示出了使用根據(jù)本發(fā)明的方法將額外元素引入活塞的碗邊緣。

【具體實(shí)施方式】
[0020]根據(jù)圖1，通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的方法生產(chǎn)的鋁活塞I具有面向燃燒室(未詳細(xì)示出)的碗2，碗2具有碗底部3和碗邊緣4。繞著周邊，環(huán)形凹槽5以公知方式設(shè)置用于接收活塞圈(未不出)。
[0021]現(xiàn)在為了使鋁活塞I更加有耐力，尤其在處于高熱力和機(jī)械應(yīng)力的區(qū)域，即在碗底部3和/或碗邊緣4的區(qū)域，通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的方法將至少一種額外元素引入鋁活塞I的底部材料，從而生產(chǎn)金屬間相6。利用根據(jù)本發(fā)明的焊接方法，將至少一種下列額外元素以特定濃度引入碗邊緣4和/或碗底部3，即l-7wt.% N1、l-15wt.% Cu和l-5wt.% Fe。Ni濃度優(yōu)選限制為2-7wt.%, Cu濃度為3-15wt.%。而且，使用具有特定電弧能量/焊縫熔深面積比E/A(J/mm3)的以下焊接方法之一作為焊接方法:電弧焊接，諸如鎢極惰性氣體保護(hù)焊(TIG)，其E/A = 7-17J/mm3 ;或者等離子焊接(WP)，其E/A = 6_16J/mm3 ;激光束焊接，其 E/A = 80-90J/mm3 ;或者電子束焊接，其 E/A = 5_15J/mm3。
[0022]在另一實(shí)施例中，使用根據(jù)本發(fā)明的焊接方法將至少一種下列額外元素以特定濃度引入碗邊緣4和/或碗底部3，即l-7wt.% N1、l-15wt.% Cu和0.5-5wt.% Fe。Ni濃度優(yōu)選限制為2-7wt.%，Cu濃度為3-15wt.%。而且，使用具有特定電弧能量/焊縫熔深面積比E/A(J/mm3)的以下焊接方法之一作為焊接方法:電弧焊接，諸如鎢極惰性氣體保護(hù)焊(TIG)，其 E/A = 150-450J/mm3 ;或者等離子焊接(WP)，其 E/A = 250-700J/mm3 ;激光束焊接，其 E/A = 100-400J/mm3 ;或者電子束焊接，其 E/A = 500-900J/mm3。
[0023]應(yīng)該增加的是，額外元素能夠不僅以特定組合引入碗底部3或者碗邊緣4，而且可以各自的相應(yīng)濃度單獨(dú)引入。
[0024]使用根據(jù)本發(fā)明的焊接方法，考慮顯示的額外元素的濃度以及考慮焊接方法的類(lèi)型，能夠生產(chǎn)金屬間相6，其理想地最大縱向延伸L〈50微米，這意味著金屬間相總體上是非常精細(xì)的結(jié)構(gòu)，從而能夠防止尤其粗針狀或者碎片相。由于不存在粗化結(jié)構(gòu)特性，諸如粗針狀相，具有增加的固有強(qiáng)度的情況下，不會(huì)負(fù)面地影響耐久性，因此在高溫下，精細(xì)分布的金屬間相6助于支撐模具中發(fā)展的初晶硅粒子，因此還可穩(wěn)定硅骨架。
[0025]用于鋁活塞I的底部材料能夠具有如下成分:60_90wt.% Al、8_20wt.% S1、2-6wt.% Cu、l-4wt.% Ni 和 0.2-2wt.% Mg。優(yōu)選的是，將成分 Al 限制為 75-85wt.%,Si 成分為 10-13wt.%，成分 Cu 為 3.5-5wt.%，成分 Ni 為 1.5-2.5wt.%，成分 Mg 為
0.5-1.5wt.%。當(dāng)然，鋁活塞I的底部材料能夠補(bǔ)充有其他元素，例如呈微量元素的形式，或者還以目標(biāo)方式添加，諸如Fe、Mn、T1、Zr、Ca、Sr、Na、P和/或V,每個(gè)元素的濃度都〈lwt.%。在焊接處理期間，額外元素N1、Cu和/或Fe能夠例如以粉末或者金屬絲的形式直接添加至熔池，其中，額外元素當(dāng)然能夠在焊接處理本身之前使用熱噴涂、冷氣噴涂、箔、粘附、電流或者化學(xué)沉積施加至鋁活塞I的底部材料。
[0026]利用根據(jù)本發(fā)明的焊接方法和該方法中所使用的焊接參數(shù)或者額外元素，能夠生成尤其精細(xì)的金屬間相6，同時(shí)能夠防止尤其粗針狀或者碎片狀相，這允許以這種方式生產(chǎn)的鋁活塞I的耐久性顯著增加。
【權(quán)利要求】
1.一種用于生產(chǎn)鋁活塞(I)的方法，所述鋁活塞(I)用于內(nèi)燃機(jī)，至少在碗邊緣(4)和/或碗底部(3)的區(qū)域經(jīng)過(guò)焊接處理以將至少一種額外元素引入所述鋁活塞(I)的底部材料以及產(chǎn)生金屬間相￠)，其特征在于， 通過(guò)焊接方法將至少一種下列額外元素以特定濃度引入，即l_7wt.% NiU-15wt.%Cu 和 l-5wt.% Fe。
2.一種用于生產(chǎn)鋁活塞(I)的方法，所述鋁活塞(I)用于內(nèi)燃機(jī)，至少在碗邊緣(4)和/或碗底部(3)的區(qū)域經(jīng)過(guò)焊接處理以將至少一種額外元素引入所述鋁活塞(I)的底部材料以及產(chǎn)生金屬間相￠)，其特征在于， 通過(guò)焊接方法將至少一種下列額外元素以特定濃度引入，即l_7wt.% NiU-15wt.%Cu 和 0.5-5wt.% Fe。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2的方法，其特征在于， 使用每單元長(zhǎng)度的電弧能量輸入/焊縫熔深面積E/A(J/mm3)為特定比的以下焊接方法之一作為焊接方法:電弧焊接，諸如鎢極惰性氣體保護(hù)焊(TIG)，其E/A = 7-17J/mm3 ;或者等離子焊接(WP)，其E/A = 6-16J/mm3 ;激光束焊接，其E/A = 80-90J/mm3 ;或者電子束焊接，其 E/A = 5-15J/mm3。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于， 使用以下方法之一作為每單元長(zhǎng)度具有特定能量輸入E (J/mm)的焊接處理:電弧焊接，諸如鎢極惰性氣體保護(hù)焊(TIG)，其E = 150-450J/mm;或者等離子焊接(WP)，其E =250-700J/mm，激光束焊接，其E= 100-400J/mm ;或者電子束焊接，其E = 500-900J/mm，其中，將各成分優(yōu)選預(yù)加熱至室溫之上的溫度，尤其理想的溫度范圍為100-300°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)的方法，其特征在于， 通過(guò)所述焊接方法將至少一種以下額外元素以特定濃度引入，即2-7wt.% N1、3-15wt.% Cu 和 l_5wt.% Fe。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或者4的方法，其特征在于， 通過(guò)所述焊接方法將至少一種以下額外元素以特定濃度引入，即2-7wt.% N1、3-15wt.% Cu 和 0.5-lwt.% Fe。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)的方法，其特征在于， 通過(guò)所述焊接方法產(chǎn)生的所述金屬間相(6)為最大縱向延伸L〈50微米。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)的方法，其特征在于， 對(duì)于所述鋁活塞(I)使用具有以下成分的底部材料:A1 60-90wt.%,Si8-20wt.%, Cu2-6wt.%, Ni l-4wt.% 以及 Mg 0.2-2wt.% ?
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)的方法，其特征在于， 對(duì)于所述鋁活塞(I)使用具有以下成分的底部材料:A1 75-85wt.%, Sil0-13wt.%,Cu 3.5-5wt.%, Ni 1.5-2.5wt.% 以及 Mg 0.5-1.5wt.%。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)的方法，其特征在于， 所述鋁活塞(I)的底部材料補(bǔ)充有至少一種額外元素:Fe、Mn、T1、Zr、V、CA、SR、Na、P，每種元素的濃度均〈lwt.%。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)的方法，其特征在于， 在焊接處理期間，將至少一種額外元素以粉末或者金屬絲的形式直接添加至熔池。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)的方法，其特征在于， 在焊接處理本身之前，使用熱噴涂、冷氣噴涂、箔、粘附、電流沉積或者化學(xué)沉積將至少一種額外元素施加至底部材料。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)的方法，其特征在于， 使用金屬惰性氣體保護(hù)焊、激光等離子粉末混合焊接或者激光器-MIG混合焊接作為上述焊接方法。
14.一種內(nèi)燃機(jī)用鋁活塞(I)，其至少在碗邊緣(4)和/或碗底部(3)的區(qū)域使用根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的方法。
【文檔編號(hào)】C23C4/04GK104185529SQ201380015160
【公開(kāi)日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2013年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月28日
【發(fā)明者】卡爾海因茨·賓, 托馬斯·哈克, 弗蘭克·施奈特 申請(qǐng)人:馬勒國(guó)際有限公司