专利名称：制造由改进的铝硅合金组成的内燃机活塞的方法
制造由改进的铝硅合金组成的内燃机活塞的方法本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的特征的内燃机活塞的制造方法，其中活塞坯件由铝硅合金在添加铜组分的情况下浇铸而成，紧接着进行精加工。现代内燃机中运行的活塞由于日益增高的喷射压力和随之而来的日益增高的燃烧温度而承受着越来越高的负荷，因此为了改善这种活塞的强度，必须要采取根本性的措施。改善活塞强度的可能性措施在于以锻 造法制造活塞。虽然锻造法可以满足所希望的强度性能，但是在锻造法中不能实现现代活塞、特别是轻金属材料制成的活塞的复杂结构。制造一种能得到所希望的复杂形状的活塞的另外一个可能性是铸造法，其中优选地应用铝硅合金制造轻金属材料的活塞，铝硅合金作为铸造熔液注入铸模中，在铸模中凝固硬化，然后接着能够从铸模中取出活塞坯件和进行精加工。精加工通常是通过切削加工，例如车削或铣削，使活塞坯件达到所需要的尺寸，并引进其它的元件(例如环形槽，活塞销座孔，用于活塞中冷却通道的输入孔和输出孔)等等。然后提供了可使用的成品的活塞，并能安装在内燃机内。在迄今已知的制造轻金属材料的活塞的铸造方法的场合下，此外成本高的双重热处理(固溶退火)是必须的，然而这不会导致成品活塞所需要的强度性质。因此本发明致力于一种用于制造活塞的方法，根据此方法，活塞坯件由铝硅合金浇铸而成。为提高强度性能，此外已知给这种合金掺入铜组分，此时考虑到当成品活塞在内燃机汽缸腔中运行时存在的条件，成品活塞的强度仍然是不能令人满意的。由DE 102005047037A1已知一种由铝基合金构成的电动驱动的滑动副。因此本发明的任务在于提供一种用于制造内燃机活塞的改进方法，其中根据这个方法制造的活塞在内燃机汽缸中运行时具有显著改进的强度性能。这个任务通过权利要求1的特征而得到解决。根据本发明规定，铜组分最高为铝硅合金的5. 5%，并且在铝硅合金中掺有钛、锆、 铬或钒组分，所有组分或成分的总和(包括可能的杂质)为100%。这样的活塞合金的应用具有这种优点在高温下，也就是说在满负荷下，以及在中等温度下，也就是说在内燃机部分负荷下，内燃机汽缸腔中的成品活塞能获得很高的抗疲劳强度。另外一个优点在于活塞合金的各组分能简单地进行复合，这在活塞批量生产时是十分重要的优点。在本发明的进一步构造中规定，给铝硅合金添加磷。这具有这样的优点，将会改进颗粒细化效应以及调节到较好的流动性。这些性质特别是当磷组分为40-80ppm时显示出与活塞合金中其余组分相配合的优化效果。在本发明的进一步构造中规定，给活塞合金添加铍钒。铍钒的这种加入将以优选的方式减少氧化物的形成，特别是在活塞坯件或精加工活塞的表面上的氧化物的形成。在本发明的进一步构造中规定，给活塞合金添加钛硼。钛硼的这种加入将改进颗粒的细化效应(也就是说通过物质的引入来提高铸造熔液中晶种数)并且此外降低了铸造的活塞坯件的材料组织中羽毛状晶体的形成(羽毛状晶体自由悬浮的且以脱离凝固界面的方式凝固的晶粒)，否则这种羽毛状晶体将导致材料减弱。在本发明的进一步构造中规定，对精加工的活塞进行“铁心铝铸件的热浸镀铝后铸塑法(alfin process)”处理，这时给用于“铁心铝铸件的热浸镀铝后铸塑法”的材料添加铍钒。在用于“铁心铝铸件的热浸镀铝后铸塑法”的材料中添加铍钒将改善所述材料在活塞表面的附着作用并且此外有利地减少淤渣层。在应用所需要的活塞合金的情况下，根据本发明制造活塞的方法提供了与利用已知的铸造方法制造的活塞相比较高的抗疲劳强度，在室温和350°C的温度下测量，该抗疲劳强度与所述迄今已知的抗疲劳强度相比较至少提高了 15%。由此在内燃机运行时的活塞产生了较高的承载能力，同时伴随着显著地减少的重量。同样可以获得较高的材料硬度，有利可以有利地废除迄今一直进行的铸造活塞坯件或精加工活塞的热处理(固溶退火)。附表列出了源于现有技术的不同合金和它们的组成(Mahle GmbH公司的M124、 M142、M145、M174以及KS Kolbenschmidt GmbH公司的KSU95)连同根据本发明的合金(取名Timbor)，并列举了它们的组成，表格栏中的数据是百分数，是相应的材料的总量的百分比份额。
权利要求
1.用于制造内燃机活塞的方法，其中活塞坯件由铝硅合金在添加铜组分的情况下浇铸而成，并且而后进行精加工，其特征在于，铜组分最高为铝硅合金的5. 5%，并且给铝硅合金掺合钛(Ti)、锆⑶、铬(Cr)或钒(V)组分，并且所有组分的总和为100%。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，给铝硅合金添加磷(P)。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，磷组分为活塞合金的40-80ppm。
4.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，给铝硅合金添加铍钒(BeV)。
5.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，给铝硅合金添加钛硼(TiB)。
6.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，利用“铁心铝铸件的热浸镀铝后铸塑法”对精加工活塞进行处理，其中给用于“铁心铝铸件的热浸镀铝后铸塑法”的材料添加铍钒(BeV)。
7.根据上述权利要求之一的方法制造的内燃机活塞。
8.根据权利要求7的内燃机活塞，其特征在于，活塞具有活塞上部和活塞下部，所述活塞上部具有活塞环区并且必要时具有燃烧室凹腔并且必要时具有冷却通道，所述活塞下部具有活塞裙和活塞销座孔。
9.根据权利要求7或8的内燃机活塞，其特征在于，活塞在其活塞上部中具有冷却通道，该冷却通道设有至少一个输入孔和至少一个输出孔以用于冷却介质，冷却介质、特别是发动机油喷入所述至少一个输入孔中、在冷却通道中循环并且从输出孔排出，并且冷却介质在排出时从活塞上部带走热量。
全文摘要
本发明涉及一种制造内燃机活塞的方法，其中活塞坯件由铝硅合金在添加铜组分的情况下浇铸而成，并且而后进行精加工，其中根据本发明规定，合金由大约13％的硅、3.7％的铜、1％的镁、2％的镍、0.12％的锆或铬、0.12％的钛、0.12％的钒、最多0.6％的铁、60-80ppm的磷和剩余的铝构成。
文档编号F16J1/02GK102177266SQ200980134569
公开日2011年9月7日 申请日期2009年9月3日 优先权日2008年9月5日
发明者U·布施坎普 申请人:Ks科尔本施密特有限公司