发动机活塞以及用于制造发动机活塞的处理的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及铝发动机活塞，尤其但非限制性的涉及用于使用在根据奥拓循环和狄塞尔循环操作的发动机上的活塞，其中，通过非消耗工具在特定施加的涂层上面的摩擦，在活塞头或活塞顶的区域的至少一部分中获得了形成的金属复合材料。
[0002]本发明进一步涉及用于制造该发动机活塞的处理。
【背景技术】
[0003]采用活塞的内燃机具有一个或多个气缸，活塞在气缸内部进行往复移动。活塞压缩空气或者空燃混合物(取决于讨论的发动机)，活塞头或者活塞顶(其上部分)接收空燃混合物的爆炸的直接冲击。在发动机根据狄塞尔循环操作的情形下，给定点燃空燃混合物所需的高压缩比，活塞顶所受的应力甚至更大。
[0004]目前，车辆(诸如自动车辆、多用途车辆和重型商用车辆)的制造商受到越来越多的消耗、污染排放和噪音方面的严格限制，这导致需要设计越来越小的更经济但能够生成高扭矩和功率值的发动机。
[0005]这是通过降低发动机的立体容积(活塞位移)(该构思称为降低尺寸)，结合使用更高以及更高的过反馈值(涡轮压力的增加)以及重设计发动机内部部件来实现的。设计和操作上的这些新设想使得活塞头上的热负荷产生了大量的增加，从而需要开发一些方案，这些方案应该确保发动机在其正常操作期间的高耐久性。
[0006]除了活塞受到的大应力之外，由于高压缩比，柴油发动机的固有特性是在活塞顶处存在特定设计的凹槽，该凹槽限定了体积大的燃烧室。
[0007]这些高热负荷在燃烧室的边界和底部区域中是尤其关键的，凹槽设计使得产生更大的燃烧体积。而且，当它们由轻合金(诸如铝合金)制成时，部件的操作会因热疲劳而使这些关键区域断裂，会改变爆炸参数，在极限情况下甚至会干涉发动机的操作。
[0008]存在各种方式来消除该缺陷，通过增强活塞头在燃烧室的区域中的抵抗性，但是在长期测试和研宄之后发现这些方式都不像申请人提出的方案那样有效。
[0009]目前公知一些方案，能够用来提高活塞头处与燃烧室对应的凹槽表面的抵抗性。
[0010]专利文献JP2007064129涉及用于制造活塞凹槽的处理，通过在工具相对于其自身轴线转动的同时活塞和该工具之间的相对旋转移动因该工具的摩擦使得凹槽更有抵抗性。凹槽形成在摩擦区域中。
[0011]该文献主要涉及的是增加因活塞凹槽上的环引起的耐磨损性。该改善是通过非消耗销的摩擦来实现的，由于强度摩擦引起的精炼、热以及材料的塑料变形。
[0012]该现有技术是重要的，因为其公开了这种处理对于活塞铝已经是可能的，但是仍没有添加任何机械加强元件，如活塞头处需要的。
[0013]英国专利文献GB2367027涉及发动机活塞，在该活塞上，在活塞基底材料上面施加了第二材料。在活塞头处形成了凹槽的至少一部分，在该部分上存在第二材料。第二材料的区域形成在活塞基底上，此处在它们之间生成摩擦热，塑化了与工具相邻的材料。工具的连续移动形成了第二材料，并且在结合端部处与第一材料混合，从而保持它们结合于一起。本质上，该文献简单地涉及两个不同材料的焊接，即使它们具有类似的成分，以形成具有较大强度的活塞头。即使复合材料的构思是可选的，但是不同材料直接的焊接接头存在差异，并不修改基板，如申请人所提出的。
[0014]专利文献W02008/131273公开了低温的方法，用于增加金属以及金属氧化物粒子之间的接合，这能够增加这些材料之间的放热反应的效率。所描述的一个放热反应是2A1(s)+3Cu0(s) — >A1203(s)+3Cu(s)，另一放热反应是，2A1(s)+3Cu20(s) — >A1203(s)+6Cu(s)。无论发生什么反应，将随后发生以下互补反应:2Al(s)+Cu(s) — >A12Cu(s)。
[0015]欧洲专利文献EP0460901涉及一种用于在凸形表面(如发动机活塞)上获得金属复合材料表面的方法。该方法包括在包含硬陶瓷粒子层的基板上面旋转非消耗工具，摩擦以及热引起这些粒子并入基板表面中。但是，该文献仅涉及非原位并入粒子(先前烧结以及沉积至表面上)，并没有提到存在Al2Cu作为加强元素。
[0016]正如我们可以看到的，上述任何现有技术文献都没有公开本申请人开发的方案，其是由铝制成的发动机活塞，改进之处在于，将纯铜或氧化涂层施加在活塞头或活塞顶的至少一部分上，之后，将非消耗销旋转，伴随的是在氧化铜涂层上面拖动非消耗销，引起了与(铝基)活塞基板的放热反应，导致细的和硬的Al2Cu粒子(Θ相)以及Al2O3的同质散布。除了沉积，由于产生的变形以及温度，还发生了粒度的改善。
[0017]可选地，经处理的基板可经历使用液体氮或者液体氮及甲醇的混合物或者其他类似溶液进行强制冷却，以实现基板粒度的局部更大改善。此外，后续处理溶解物以及沉淀物是可行的。
[0018]关于现有技术EP0460901，本发明与其具有很大的不同，最重要的是，其中存在的原位粒子与基板具有更大的化学兼容性，本质上更小，因而无需集中粉碎(碎化)。因为在处理期间发生的化合，所以在粒子和基质之间不存在热膨胀梯度，因此，其提供了更大加载的粒子，结果，强度性能更低。
【发明内容】
[0019]发明目的
[0020]本发明的目的是提供一种发动机活塞，尤其但非限制性的涉及用于使用在根据奥拓循环和狄塞尔循环操作的发动机上的活塞，其中，通过非消耗工具在特定施加的涂层上面的摩擦，在活塞头或活塞顶的区域的至少一部分上形成了金属复合材料。
[0021]本发明还涉及用于制造发动机活塞的处理，该处理在最终机加工部件之前施加，具有的优势在于不会引起热扭曲。
[0022]发明简要
[0023]本发明的目的是依靠用于使用在内燃机上的发动机活塞来实现的，该活塞设置有大致圆形的铝基主体，铝基主体限定了顶部，顶部包含至少一个腔室，其中，至少一个涂覆层施加至由顶部或者腔室部限定的至少一个区域上，由于通过非消耗旋转销相对于涂覆层的拖动移动所生成的摩擦，至少一个化学化合物由基底材料和涂覆层之间进行的化学反应形成。
[0024]可选地，处理包括以下步骤:
[0025]步骤iii)通过液体氮进行强制冷却，以及
[0026]步骤iv)热处理溶解物和/或沉淀物。
【附图说明】
[0027]现在将参考附图示出了实施例的例子更详细地描述本发明。附图示出了:
[0028]图1是本发明在施加了铜基涂层之后以及在与非消耗销摩擦的步骤之前的发动机活塞的尚J视图；
[0029]图2是与铜基涂层摩擦时非消耗销绕其自身轴线旋转并且相对于活塞被牵引的示意图；
[0030]图3是本发明在施加了铜基涂层之后以及在与非消耗销摩擦的步骤之后的发动机活塞的剖视图。
【具体实施方式】
[0031]本发明涉及铝基发动机活塞1，在该活塞上，通过非消耗工具在特定施加的涂层上面的摩擦，在活塞头或活塞顶的区域的至少一部分上获得了形成的金属复合材料。
[0032]如之前提到的，目前，车辆(诸如自动车辆、多用途车辆和重型商用车辆)的制造商受到越来越多的消耗、污染排放和噪音方面的严格限制，这导致需要设计越来越小的发动机(降低尺寸)，但该发动机应该是更经济的且能够生成高扭矩和功率值。
[0033]由于增加了粒子的耐疲劳性以及改善了构成活塞的铝合金的粒度，所以本发明给予活塞、尤其活塞顶处存在的凹槽的表面以及代表燃烧室的腔室底部以更大强度。
[0034]首先，应该注意的是，本活塞可以呈现任何需要的或者期望的构造，作为采用活塞的发动机的函数。因而，即使优选地在柴油发动机的活塞中需要增加抵抗性，活塞处具有用于限定燃烧室的凹槽，显然的是，无论活塞顶的具体形状如何都可采用本方案，活塞顶可以是凹形、凸形，具有用于打开阀的凹槽或者仍具有任何其他设计。
[0035]以相同方式，活塞可以构造为使得在其顶部区域的特定点处不是必须要增加抵抗性，但在其裙部以及在一个或多个凹槽中、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的构造如何，应该专门规定是其由铝合金形成，以便存在稍后描述的反应。
[0037]本发明的发动机I的活塞的非限制优选实施