專利名稱：內(nèi)燃機的鋼活塞的制作方法

　　技術(shù)領(lǐng)域：

　　本發(fā)明涉及一種半成品坯料，其適用于制造用于具有輕金屬合金氣缸曲軸箱的內(nèi)燃機的鋼活塞。本發(fā)明此外涉及這種內(nèi)燃機的鋼活塞本身。

　　背景技術(shù)：

　　在輕型結(jié)構(gòu)的進程中，目前為內(nèi)燃機部件如氣缸曲軸箱頻繁使用輕金屬合金，特別是鋁合金。通過由盡可能小的發(fā)動機獲得盡可能大的功率的趨勢，對往復(fù)活塞式發(fā)動機中最高可達250bar的盡可能高的峰值壓力提出越來越高的要求，從而輕金屬合金例如鋁的活塞不再適用。出于這一原因，鋼活塞特別是在柴油發(fā)動機上重新獲得日益重要的作用。但輕金屬合金曲軸箱和鋼活塞的材料組合存在不同熱膨脹系數(shù)的問題。活塞桿或所稱的活塞裙負責(zé)引導(dǎo)氣缸內(nèi)的活塞，為此與氣缸必須存在足夠的間隙。通過足夠的桿長度情況下密封引導(dǎo)，可以將在相對的氣缸壁之間活塞接觸變換時的活塞傾斜(并因此也是發(fā)動機噪聲中噪聲形成的主要原因)降到最低限度。DE19953311A1介紹了一種活塞環(huán)，其據(jù)稱有效跟隨鋁合金氣缸的熱膨脹。為此目的，活塞環(huán)由每1:熱膨脹系數(shù)高于15X10_6的奧氏體鋼制造。構(gòu)成活塞環(huán)所使用的奧氏體鋼含有3.5wt%到17wt%之間的鎳和15wt%到20wt%之間的鉻。用于制造內(nèi)燃機的活塞以便在活塞的燃燒凹坑內(nèi)形成鎧裝的方法在DE102005034306中有所公開。在那里，活塞由兩個坯料特別是通過摩擦焊接接合，其中的一個坯料由耐高溫的鋼例如奧氏體的鉻-鎳鋼`制成，以便形成燃燒凹坑的鎧裝。為此，對由兩個坯料形成的一個活塞坯料在兩個坯料之間的接合部位區(qū)域內(nèi)進行變形過程，以形成燃燒凹坑。DE102006030699A1公開了一種用于內(nèi)燃機的鑄造的鋼活塞，由帶有燃燒凹坑和環(huán)形壁的活塞上部以及帶有連桿支承部的活塞下部組成，其整體和材料統(tǒng)一以低壓鑄造法由密度降低的合金鋼或高級合金鋼鑄造而成。為此使用機械上可承受高負荷、成型成本低廉和重量輕的鋼。用于此目的的高級合金鋼具有以下成分:3 - 9wt%的猛、0.3 - lwt%的硅、

　　0.01 - 0.03wt% 的碳、15 - 27wt% 的鉻、1- 3wt% 的鎳、0.2 - lwt% 的銅、0.05 - 0.17wt% 的氮和作為殘余的鐵以及里面所含有的不可避免的鋼伴生元素。這種活塞據(jù)稱承受增高的峰值壓力。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　從這種現(xiàn)有技術(shù)出發(fā)，需要提供一部件，其適用于制造得到最優(yōu)化的、滿足高峰值壓力要求的鋼活塞。該目的通過具有權(quán)利要求1特征的半成品得以實現(xiàn)。此外的目的在于提供鋼活塞本身，其無論是在高峰值壓力方面還是在輕金屬材料如鋁制成的環(huán)繞的氣缸曲軸箱的熱膨脹方面，均具有得到改進的材料特性。具有權(quán)利要求4特征的鋼活塞實現(xiàn)了該目的。

　　其他實施例在從屬權(quán)利要求中予以詳細說明。依據(jù)本發(fā)明的半成品坯料適用于制造具有由高膨脹系數(shù)的輕金屬合金制成的氣缸曲軸箱的內(nèi)燃機的鋼活塞。這種鋼活塞通常具有活塞上部和活塞下部，其中，上部裝備有燃燒凹坑和環(huán)形壁且下部裝備有活塞桿和連桿支承部。半成品坯料可以形成活塞上部和/或活塞下部，依據(jù)本發(fā)明，為接近輕金屬如鋁的膨脹系數(shù)，半成品坯料由利用N1、Mn和N穩(wěn)定的、具有處于IenxiO-6Ir1范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)的奧氏體鋼組成。這種半成品坯料，如例如將其用于制造活塞上部，可與作為活塞下部成型的依據(jù)本發(fā)明類型的另一半成品坯料接合成具有活塞上部和活塞下部的多件式鋼活塞。該接合可以借助摩擦焊接、激光焊接或感應(yīng)加熱焊接進行。依據(jù)本發(fā)明的用于具有輕金屬合金氣缸曲軸箱的內(nèi)燃機的鋼活塞同樣遵循這種思路，即氣缸部件與輕金屬的膨脹系數(shù)相匹配。在此方面，至少包括具有燃燒凹坑和環(huán)形壁的活塞上部以及具有活塞桿和連桿支承部的活塞下部的鋼活塞的至少活塞桿由利用N1、Mn和N穩(wěn)定的奧氏體鋼制成。其成分這樣選擇，使其產(chǎn)生熱膨脹系數(shù)在16-21 X KT6IT1范圍內(nèi)的鋼。具有優(yōu)點的是，奧氏體鋼是Fe-Cr-Ni奧氏體，其成分包括0.2-0.4wt%的C、8-18wt% 的 N1、15-26wt% 的 Cr,0.5_2wt% 的 S1、最高 12wt% 的 Mn、最高 2wt% 的 W、最高 2wt%的Nb、最高2wt%的A1、0 .05-0.3wt%的N和Fe，F(xiàn)e比例相當(dāng)于用于獲得100wt%合金鋼的差額比例。鋼活塞可以由奧氏體鋼制造成為一體，如通過鍛造依據(jù)本發(fā)明的半成品坯料，或它可以借助重力或低壓鑄造法鑄造。但它也可以制成多件式，其中，具有優(yōu)點的是至少活塞上部由高度耐磨的合金調(diào)質(zhì)鋼制成，特別是由選自包括MoCr4鋼、42CrMo4鋼、CrMo4鋼、31CrMoV6鋼或25MoCr4鋼的組的鋼制成。為以多件式制造，鋼活塞由兩個半成品坯料接合而成。一個半成品坯料在這種情況下作為活塞上部成型和第二半成品坯料作為活塞下部的活塞桿或作為活塞下部本身成型。

　　這些和其他優(yōu)點通過下面的說明參照附圖進行介紹。說明書中對附圖的參考用于支持說明和便于理解主題。基本上相同或類似的元件或元件的部分可以具有同一附圖標(biāo)記。附圖僅是本發(fā)明的一實施方式的示意圖。其中:圖1示出汽油發(fā)動機活塞的側(cè)視圖；圖2示出柴油發(fā)動機活塞的截面?zhèn)纫晥D；圖3示出鋁、奧氏體和鐵氧體隨溫度變化的膨脹系數(shù)的曲線圖。

　　具體實施例方式圖1和2示出依據(jù)本發(fā)明由奧氏體鋼制成的鋼活塞I的例子。圖2所示的柴油機活塞是所謂的光桿活塞，其中在活塞下部4內(nèi)優(yōu)選封閉的、僅在銷孔的區(qū)域內(nèi)穿孔的桿5。圖2中也可以看到連桿支承部6。

　　汽油機活塞桿的實施方式更加復(fù)雜且圖中未示出。出于重量的原因并由于較高的轉(zhuǎn)速，活塞桿面5如從圖1所看到的那樣比較窄。圖1中所示的盒式活塞或窗式活塞是一種典型的結(jié)構(gòu)，也使用具有不同寬度工作面的不對稱活塞。圖1和2所示活塞的(或多或少構(gòu)成包覆活塞下部4的區(qū)段的)活塞桿5的功能是在氣缸內(nèi)直線引導(dǎo)活塞I。為此，活塞桿5與氣缸筒之間的間隙必須足夠。這一點特別關(guān)鍵:即氣缸曲軸箱使用(具有比普通鋼明顯更高的熱膨脹系數(shù)的)輕金屬合金如鋁合金。為避免在高達600°C的工作溫度下由于不同的熱膨脹產(chǎn)生的活塞引導(dǎo)問題(這例如通過由于活塞撞擊形成的噪聲，如敲缸聲來覺察)，依據(jù)本發(fā)明的活塞I或至少其活塞桿5由利用鎳N1、錳Mn和氮N穩(wěn)定的奧氏體鋼形成，其熱膨脹系數(shù)處于16-21 X 10- -1范圍內(nèi)。通過這種高的熱膨脹系數(shù)，工作溫度下氣缸內(nèi)的引導(dǎo)也得到保證，從而阻止活塞接觸變換時由于活塞傾斜產(chǎn)生的噪聲。因為活塞噪聲是內(nèi)燃機內(nèi)曲軸傳動噪聲形成的主要原因之一，而且首先是通過活塞側(cè)向力引起所謂的活塞撞擊，所以由具有這種熱膨脹系數(shù)的奧氏體鋼依據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的至少活塞桿是聲學(xué)上控制發(fā)動機噪音和減少活塞傾斜的有效措施。依據(jù)本發(fā)明所使用的奧氏體鋼由以下成分組成:0.2-0.4wt%的碳、8 - 18被％的鎳、15 - 26wt%的鉻、0.5 - 2wt%的娃,最高12wt%的猛、最高2wt%的鶴、最高2wt%的銀、最聞2wt%的招和0.05-0.3wt%的氣以及殘余的鐵和鋼典型的伴生兀素。這種奧氏體鋼IejiXKr6IT1的熱膨脹系數(shù)明顯高于鐵氧體和奧氏體鑄鐵的熱膨脹系數(shù)。由于這種熱膨脹，這種奧氏體特別適用于用作鋁氣缸工作面內(nèi)活塞的活塞桿材料。活塞桿在此就可以被預(yù)制成為用于制造活塞的半成品坯料；活塞上部也同樣。通過適應(yīng)于鋁的膨脹，活塞桿承擔(dān)引導(dǎo)作用，而它與鋁合金和奧氏體鑄鐵相比同時具有大大提高的強度和得到改善的`耐腐蝕性。在此方面，氣缸工作面內(nèi)的引導(dǎo)在整個工作溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，活塞的噪聲形成以及卡住得到阻止。圖1中所看到的處于活塞上部I的環(huán)形壁3上為此所具有的間隙內(nèi)的活塞環(huán)7僅通過其預(yù)張緊壓在氣缸工作面上并承擔(dān)密封的任務(wù)。活塞環(huán)7可以由其他材料組成。在依據(jù)本發(fā)明為形成活塞裙5所使用的奧氏體內(nèi)，合金元素硅、鎳、錳、鉻確保抑制奧氏體轉(zhuǎn)換成鐵氧體和珠光體并確保在較低冷卻速度下轉(zhuǎn)換成馬氏體。奧氏體的穩(wěn)定性通過能以比在鐵氧體內(nèi)更大的量溶解在奧氏體內(nèi)的元素鎳、錳、氮和碳來擴大奧氏體相的存在范圍而獲得。在圖3中，標(biāo)注出鋁、不同奧氏體和鐵氧體隨溫度變化的膨脹系數(shù)。可以看出，某些奧氏體主要在較高的溫度下接近。依據(jù)本發(fā)明所要求的IejiXKr6IT1范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)，是指20°C或室溫下的熱膨脹系數(shù)。與圖3相比，顯而易見的是，這種熱膨脹系數(shù)接近招。除了高的熱膨脹系數(shù)外，依據(jù)本發(fā)明的奧氏體合金鋼提供高的拉伸強度和斷裂延伸率，從而活塞桿可以承受側(cè)向力，而不會變形或斷裂，而且此外可以彈性配合氣缸的變形。為此，拉伸強度可以高于500N/mm2和斷裂延伸率可以高于35%。依據(jù)本發(fā)明的活塞在此方面由奧氏體合金鋼制成為一體式(一件式)，其中，制造方法諸如鑄造法特別適用。這樣可以使用低壓鑄造法或重力鑄造法。在這種情況下，通過適當(dāng)?shù)男托痉椒ㄒ部梢詽茶T冷卻通道。另一方面，活塞也可以構(gòu)成為多件式，其中，活塞上部和活塞下部可以由同一合金鋼構(gòu)成，或也可以由不同的合金鋼構(gòu)成，但二者均具有高的熱膨脹系數(shù)。這樣例如活塞上部可以鍛造有環(huán)形壁上環(huán)形槽和燃燒凹坑，這一點特別是在活塞上部具有冷卻通道的情況下比鑄造成本更加低廉。為此，一般活塞下部可以鍛造而成。適用于預(yù)成型相應(yīng)活塞上部和下部的半成品坯料可以接合成依據(jù)本發(fā)明的鋼活塞。為連接這兩個部分，特別是可以考慮焊接方法，如感應(yīng)焊接、摩擦焊接或激光焊接。但如果為精確引導(dǎo)所需的活塞下部，特別是活塞桿，由依據(jù)本發(fā)明的奧氏體鋼形成，那么活塞上部也可以由要求不高的材料形成。這樣可以為活塞上部選擇高度耐磨的合金調(diào)質(zhì)鋼，其與具有較低導(dǎo)熱性的依據(jù)本發(fā)明的奧氏體鋼相比能具有更高導(dǎo)熱性。適用于活塞上部的鋼從包括MoCr4鋼、42CrMo4鋼、CrMo4鋼、31CrMoV6鋼或25MoCr4鋼的組中選取。由奧氏體鋼整體制成一體的活塞可以重力或低壓鑄造法制造，而例如在由鍛鋼通過鍛造技術(shù)制造活塞上部時，存在有用于制造多件式活塞的可能的替代方案，其中，確保燃燒凹坑區(qū)域內(nèi)所需的機械特性和熱特性。具有活塞裙和連桿支承部的活塞下部由具有熱膨脹系數(shù)IejiXKr6IT1的依據(jù)本發(fā)明的奧氏體鋼通過鑄造法，優(yōu)選地低壓鑄造法制造，以便在熱運行中將活塞裙與氣缸工作面之間的間隙保持在盡可能小的程度上。這兩個部件然后借助釬焊或焊接，優(yōu)選是感應(yīng)焊接或摩擦焊接彼此接合。可選地，多件式活塞也可以制造，即正如上面詳細介紹的那樣，通過兩個或多個坯料例如通過摩擦焊接 彼此接合，其中用于形成活塞下部的第一坯料由依據(jù)本發(fā)明的奧氏體鋼制成，而第二坯料也可以由例如其他的微量合金鋼或上述材料之一制成。這樣相互連接的坯料然后例如可以通過鍛造而形成活塞。圖1和2中舉例示出的活塞除了燃燒凹坑2夕卜，也可以具有使用所需的其他幾何造型，例如活塞轂、銷孔，可能的冷卻通道和諸如此類的造型。這些造型在某些情況下可能已經(jīng)設(shè)置在坯料中。因此，可以設(shè)想，用于形成活塞下部的活塞坯料已經(jīng)至少部分為中空柱體形。正如DE102005034306A1中公開的那樣，在這種情況下，耐高溫鋼的坯料也可以用于在燃燒凹坑上形成鎧裝，將其相應(yīng)通過焊接與活塞坯料接合并通過在形成燃燒凹坑時的變形步驟中形成鎧裝。這些坯料根據(jù)隨后變形步驟的類型也可以具有不同的直徑。活塞桿或活塞裙采用奧氏體鋼和具有與其他活塞環(huán)相比高熱膨脹系數(shù)的構(gòu)成的優(yōu)點在于，通過活塞桿與鋁的氣缸工作面配合的熱膨脹，在整個工作溫度范圍內(nèi)活塞引導(dǎo)幾乎保持不變并因此避免活塞傾斜和撞擊。依據(jù)本發(fā)明形成的鋼活塞特別適用于在鋁制氣缸曲軸箱內(nèi)或其工作面由其他材料如澆鑄的氣缸襯套或防磨覆層形成的氣缸曲軸箱內(nèi)使用。

　　權(quán)利要求

　　1.半成品坯料，適用于制造用于具有輕金屬合金氣缸曲軸箱的內(nèi)燃機的鋼活塞(1)，其中，所述鋼活塞(1)至少包括具有燃燒凹坑(2)和環(huán)形壁(3)的活塞上部(4)以及具有活塞桿(5)和連桿支承部(6)的活塞下部(4’)，其中，半成品坯料適用于以一件式或兩件式提供所述活塞上部(1)或所述活塞下部(4’)或二者，其特征在于，所述半成品坯料由利用N1、Mn和N穩(wěn)定的并具有處于IejlXKT6Ir1范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)的奧氏體鋼制成。

　　2.按權(quán)利要求1所述的半成品坯料，其特征在于，所述半成品坯料作為活塞上部坯料成型，其能夠與作為活塞下部坯料成型的按權(quán)利要求1所述的另一半成品坯料接合成鋼活塞。

　　3.按權(quán)利要求2所述的半成品坯料，其特征在于，所述半成品坯料可與所述另一半成品坯料借助摩擦焊接、激光焊接或感應(yīng)加熱焊接接合。

　　4.用于具有輕金屬合金氣缸曲軸箱的內(nèi)燃機的鋼活塞(1)，其中，所述鋼活塞至少包括具有燃燒凹坑(2)和環(huán)形壁(3)的活塞上部(4)以及具有活塞桿(5)和連桿支承部(6)的活塞下部(4’)，其特征在于，至少所述鋼活塞的活塞桿(5)由利用N1、Mn和N穩(wěn)定的并具有處于Ienxio-6K-1范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)的奧氏體鋼制成。

　　5.按權(quán)利要求4所述的鋼活塞，其特征在于，所述奧氏體鋼是Fe-Cr-Ni奧氏體，其含有的成分包括 -0.2-0.4wt% 的 C，-8-18wt% 的 Ni,-15-26wt% 的 Cr,-0.5-2wt% 的 Si, -最高12wt%的Mn, -最高2wt%的W, -最高2wt%的Nb, -最高2wt%的Al,-0.05-0.3wt% 的 N, -不可避免的微量元素以及 -Fe，其比例相當(dāng)于用于獲得100wt%合金鋼的差額比例。

　　6.按權(quán)利要求4或5所述的鋼活塞(1)，其特征在于，所述鋼活塞(I)由奧氏體鋼制成為一體。

　　7.按權(quán)利要求4-6中的至少之一所述的鋼活塞(1)，其特征在于，所述鋼活塞(I)是鍛造的鋼活塞。

　　8.按權(quán)利要求4或5所述的鋼活塞，其特征在于，所述鋼活塞(I)構(gòu)成為多件式，其中，至少活塞上部(4)由高度耐磨的合金調(diào)質(zhì)鋼制成，特別是由選自包括MoCr4鋼、42CrMo4鋼、CrMo4鋼、31CrMoV6鋼或25MoCr4鋼的組的鋼制成。

　　9.按權(quán)利要求8所述的鋼活塞，其特征在于，所述鋼活塞(I)至少由按權(quán)利要求1-3中任一項所述的兩個半成品坯料接合而成，其中，第一半成品坯料提供活塞上部(4)和第二半成品坯料至少提供活塞下部(4’ )的活塞桿(5)。

　　全文摘要

　　本發(fā)明提供一種半成品坯料，其適用于制造用于具有輕金屬合金氣缸曲軸箱的內(nèi)燃機的鋼活塞(1)。這種鋼活塞(1)包括具有燃燒凹坑(2)和環(huán)形壁(3)的活塞上部(4)以及具有活塞桿(5)和連桿支承部(6)的活塞下部(4')。半成品坯料適用于以一件式或兩件式提供活塞上部(1)或活塞下部(4')或二者。半成品坯料由利用Ni、Mn和N穩(wěn)定的并具有處于16-21×10-6K-1范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)的奧氏體鋼制成。此外本發(fā)明公開一種鋼活塞本身，其至少具有由利用Ni、Mn和N穩(wěn)定的奧氏體鋼制成的活塞桿(5)。所述活塞桿(5)具有處于16-21×10-6K-1范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)。

　　文檔編號C22C38/00GK103108970SQ201180044055

　　公開日2013年5月15日 申請日期2011年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月13日

　　發(fā)明者T·凱澤, H·普費弗, W·萊姆, K·威斯科夫 申請人:戴姆勒股份公司