铜铍合金活塞压缩环的制作方法

本申请要求2017年1月6日提交的美国临时专利申请no.62/443,448的优先权，其全部内容通过引用整体并入本文。

背景技术：

本公开内容涉及由铜合金制成的压缩环(compressionring)。压缩环可用于活塞中(例如，用于内燃机)。所述环可以表现出高导热性、良好的耐磨性和热稳定性。

提高发动机效率(大致理解为单位耗油量行驶的距离，或每加仑英里数)是许多发动机制造商和汽车原始设备制造商的目标。在汽车比赛中，这涉及到使马力最大化的问题。在乘用车方面，即将出台的欧盟温室气体排放标准使发动机效率成为欧洲原始设备制造商(originalequipmentmanufacturer，oem)的优先考虑事项。然而，市场期望不降低性能，因此期望较小的发动机产生与较大的发动机一样大的马力和扭矩。对功率密度(马力/升)和制动平均有效压力(brakemeaneffectivepressure，bmep)进行提升需要涡轮增压(turbocharging)或机械增压(supercharging)，这提高了发动机内的压力和温度。

发动机气缸中的缝隙体积(crevicevolume)是活塞和气缸套之间从顶部压缩环(topcompressionring)到活塞顶(pistoncrown)的间隙的环空体积。因为缝隙中的燃料不会经历燃烧，所以使缝隙体积最小化会提高发动机效率。减小缝隙体积的一种方法是将顶部压缩环移动得更靠近活塞顶。然而，随着顶部压缩环移动得更靠近正发生燃烧的活塞顶，顶部压缩环槽(ringgroove)的温度升高，这降低了活塞材料的屈服强度和疲劳强度。当顶部压缩环槽达到给定温度时(取决于所使用的活塞合金)，由热导致的活塞强度降低将导致槽磨损。过度的槽磨损可带来其他方面的低效率，例如窜漏。这些低效率会抵消将顶部压缩环移动得更靠近活塞顶的优点，并且最坏的情况是，导致发动机故障。

目前使用的活塞压缩环材料限制了设计者通过移动顶部压缩环的位置来提高效率的能力。具有良好耐磨性和热稳定性的合金，如通常用于活塞环的铸铁和钢材，通常具有低导热性。提供具有高导热性、良好耐磨性和热稳定性的压缩环是合乎期望的。

技术实现要素：

本公开内容涉及由包含铜和铍的含铜合金制成的活塞环。该活塞环可用于活塞中(例如，用于内燃机)。活塞环表现出高导热性、良好的耐磨性和热稳定性。还公开了制造包含该环的活塞组件(assembly)的方法。

在多个实施方案中公开了由包含铜和铍的含铜合金形成的活塞环。

在一些实施方案中，含铜-铍合金进一步包含钴。另外一些含钴的含铜-铍合金还包含锆。另外一些含钴的含铜-铍合金还包含镍，并且可以还包含铁。

在另一些实施方案中，含铜-铍合金进一步包含镍。另外一些含镍的含铜-铍合金还包含钴。

在一些特定实施方案中，含铜合金是铜-铍-钴-锆合金，其包含：约0.2wt％至约1.0wt％的铍；约1.5wt％至约3.0wt％的钴；约0.1wt％至约1.0wt％的锆；以及余量的铜。

在另一些实施方案中，含铜合金是铜-铍-钴-镍合金，其包含：约0.2wt％至约1.0wt％的铍；约0.5wt％至约1.5wt％的钴；约0.5wt％至约1.5wt％的镍；以及余量的铜。

在另一些实施方案中，含铜合金是铜-铍-镍合金，其包含：约0.1wt％至约1.0wt％的铍；约1.1wt％至约2.5wt％的镍；以及余量的铜。

在另一些不同的实施方案中，含铜合金是铜-铍-钴合金，其包含：约0.2wt％至约1.0wt％的铍；约2.0wt％至约3.0wt％的钴；以及余量的铜。

在再一些另外的实施方案中，含铜合金是铜-铍-钴合金，其包含：约1.1wt％至约2.5wt％的铍；约0.1wt％至约0.5wt％的钴；以及余量的铜。

在另一些实施方案中，含铜合金是含铜-铍合金，其包含：约1.5wt％至约2.5wt％的铍；镍、钴和铁，其量为使得镍+钴的总量为约0.2wt％或更高，并且镍+钴+铁的总量为约0.6wt％或更低；以及余量的铜。这些合金将含有镍或钴中的至少一种，但可能只含有镍或钴。不要求存在铁，但在一些特定实施方案中，铁的存在量为约0.1wt％或更多(达到规定限制)。

活塞环可基本上由含铜合金组成。活塞环可以是未经涂覆的。

活塞环可具有矩形或梯形横截面。活塞环可具有对接切口(buttcut)、斜角切口(anglecut)、重叠切口(overlappedcut)或钩形切口(hookcut)。

在本文的多个实施方案中还公开了活塞组件，其包括：活塞主体，该活塞主体包括顶部环槽；以及在顶部环槽中的活塞环，该活塞环由如本文所述的包含铜和铍的含铜合金形成。

还公开了提高发动机效率的方法，其包括在发动机中使用活塞组件，该活塞组件由通过如本文所述的含铜-铍合金形成的活塞环制成。

下文更具体地公开了本公开内容的这些及另一些非限制性特征。

附图说明

以下是对附图的简要描述，给出这些附图是为了说明本文公开的示例性实施方案，而不是为了限制这些示例性实施方案。

图1是根据本公开内容的一些实施方案的活塞组件的透视图。

图2是可以制得的本公开内容的活塞压缩环的不同横截面的一组图示。

图3是可以制得的本公开内容的活塞压缩环的不同接头端(jointend)的一组图示。

具体实施方案

通过参考附图可以获得对本文所公开制品/装置、工艺和部件的更全面的理解。这些图仅仅是基于方便、容易地说明本公开内容的示意性表示，并且因此不旨在指示设备或其组件的相对大小和尺寸和/或限定或限制示例性实施方案的范围。

尽管为了清楚起见在以下描述中使用了特定术语，但是这些术语旨在仅涉及附图中选择用于说明的实施方案的特定结构，而不意图限定或限制本公开内容的范围。在附图和下面的描述中，应当理解，相同的数字标记表示相似功能的部件。

除非上下文另有明确规定，否则无数量词修饰和“该/所述”修饰的名词/代词包括复数指代。

如说明书和权利要求书中所使用的，术语“包括/包含”可包括实施方案“由...组成”和“基本上由...组成”。如本文中使用的，术语“包括”、“包含”、“具有”、“可(以)”、“含有”及其变体意图指需要存在指定成分/步骤并允许存在其他成分/步骤的开放式过渡连接短语、术语或词语。然而，这种描述应被解释为还将组成或过程描述为“由”和“基本上由”所列举的成分/步骤“组成”，这允许仅存在指定成分/步骤以及可能由此产生的任何不可避免的杂质，并且排除其他成分/步骤。

本申请的说明书和权利要求书中的数值应当理解为包括当减少到相同数目的有效数字时相同的数值和与所述值的差值小于当用本申请所描述类型的用于确定该值的常规测量技术之实验误差的数值。

本文公开的所有范围都包括所列举的端点并且可独立组合(例如，“2克至10克”的范围包括端点2克和10克以及所有中间值)。

术语“约/大约”和“近似”可用于包括可在不改变该值的基本功能的情况下变化的任何数值。当与范围一起使用时，“约/大约”和“近似”还公开了由两个端点的绝对值限定的范围，例如“约2至约4”也公开了“2至4”的范围。通常，术语“约/大约”和“近似”可指所指示的数字加或减10％。

本公开内容涉及含铜量为至少50wt％的铜合金。这些含铜合金中还存在另外的元素。当以“a-b-c合金”的形式来描述合金时，合金主要由a、b、c等元素组成，并且任何其他元素作为不可避免的杂质存在。例如，如本领域普通技术人员所理解的，短语“铜-铍-镍合金”描述了包含铜、铍和镍并且不含除不可避免的杂质之外的其他未列出元素的合金。当以“含a合金”的形式来描述合金时，合金包含元素a，并且也可以包含其他元素。例如，短语“含铜-铍合金”描述了包含铜和铍并且也可以包含其他元素的合金。

活塞是在燃烧过程中在孔(bore)(通常为圆柱形孔)中来回往复运动的发动机部件(通常为圆柱形部件)。燃烧室的固定端是气缸盖(cylinderhead)，燃烧室的可移动端由活塞限定。

活塞可由铸造铝合金(castaluminumalloy)制成以实现期望的重量和导热性。导热性是特定材料导热程度的量度，其si单位为瓦特/(米·开尔文)。

铝和其他活塞主体材料在加热时膨胀。必须包括适当量的间隙，以保持在孔中自由运动。间隙过小会导致活塞卡在气缸中。间隙过大可导致压缩损失和噪声增加。

图1是活塞组件100的透视图。活塞组件100由活塞杆110和活塞头(pistonhead)120形成。活塞顶122是活塞头的上表面，在发动机使用期间承受最大的力和热。活塞头在此示出为具有三个环槽，包括顶部环槽124、中间环槽126和下部环槽128。不同类型的活塞环被插入这些槽中。活塞头中的销孔130垂直地延伸穿过活塞头的侧面。销(不可见)穿过销孔以将活塞头连接到活塞杆上。

环槽是围绕活塞主体周向延伸的凹部(recess)。环槽的尺寸和构造被配置为容纳活塞环。环槽限定了环岸(ringland)的两个平行表面，其用作活塞环的密封表面。

活塞环密封燃烧室，将热量从活塞传递到气缸壁，并将机油返回到曲轴箱。活塞环的类型包括压缩环(compressionring)、刮油环(wiperring)和油环(oilring)。

压缩环通常位于最靠近活塞顶的槽中，并且是本公开内容的主题。压缩环密封燃烧室以防止泄漏。在点燃空气-燃料混合物时，燃烧气体压力迫使活塞靠近曲轴。加压气体穿过气缸壁和活塞之间的间隙并进入环槽。来自燃烧气体的压力迫使压缩环抵靠气缸壁形成密封。

刮油环(也称为刮环(scraperring)或备用压缩环)通常具有锥形面，该锥形面位于压缩环和油环中间的环槽中。刮油环进一步密封燃烧室，并从气缸壁上刮去多余的油。换句话说，刮油环阻止燃烧气体经过压缩环。刮油环可在气缸壁上提供一致的油膜厚度，以润滑压缩环的摩擦面。刮油环可朝向储油器逐渐变细，并且可以在活塞沿曲轴的方向移动时提供刮油功能。并非所有发动机都使用刮油环。

油环位于最靠近曲轴箱的槽中。在活塞运动过程中，油环会从气缸壁上擦去过多的油。多余的油可通过油环中的开口返回到储油器(即发动机缸体(engineblock)中)。在一些实施方案中，二冲程循环发动机中省略了油环。

油环可包括两个相对较细的运行表面(runningsurface)或轨道。可以在环中(例如，环的径向中心)切出孔或狭槽(slot)，以允许多余的油回流。油环可以是一件式或多件式油环。一些油环使用胀圈弹簧(expanderspring)径向地向环施加额外的压力。

图2是本公开内容的活塞压缩环的不同横截面的一组图示。压缩环是圆环，其外表面(与气缸接触)被称为运行面(runningface)。在所有这些图示中，运行面都在右侧。活塞压缩环可具有矩形横截面、锥面(taper-faced)横截面、内斜面(internallybeveled)横截面、桶面(barrel-faced)横截面或纳皮尔(napier)横截面。在矩形横截面中，横截面为矩形。内斜面横截面类似于矩形横截面，但是在活塞环的内表面的顶侧(在环槽内，不接触气缸)具有边缘凸出部(edgerelief)。在锥面横截面中，运行面具有约0.5度至约1.5度(例如，约1度)的锥角。锥形可提供刮油动作以防止多余的油进入燃烧室。在桶面横截面中，运行面是弧形的，这提供了一致的润滑。桶面环还可产生楔效应，以在每个活塞冲程中加强油的分布。弧形运行表面还可降低因边缘压力过大或操作期间过度倾斜而导致油膜破裂的可能性。纳皮尔横截面在运行面上为锥形，而在运行面的底侧具有钩形状。

图3是本公开内容的活塞压缩环的不同切口/端部的一组图示。在一些情况下，为了将活塞环固定在环槽内，活塞环可在圆周上裂开，形成在裂口附近具有两个自由端部的环。这里示出的是对接切口、重叠切口和钩形切口。在对接切口中，将端部切割成相对于环的底面垂直。在斜角切口中，以大约45°的角度切割端部，而不是像对接切割中那样垂直地进行切割。在重叠切口中，将端部切割成彼此重叠(“搭叠(shiplap)”)。在钩形切口中，将端部切割成彼此接合的钩。请注意，切口并不一定具有相互附接的自由端。活塞压缩环中并不一定存在这样的切口，例如，汽车活塞压缩环可以是完整的圆形，或者可设计成在裂口处具有开口偏压(openbias)。在冷发动机的气缸中，间隙几乎闭合(在几微英寸内)，并且来自开口偏压的弹簧力增强了与气缸的接触。随着发动机变热，气缸将比环膨胀得更快，并且开口间隙与不断增大的气缸内径保持接触。

在本公开内容中，活塞压缩环由包含铜和铍的含铜合金制成。与传统的用于制造压缩环的铁基材料相比，这些铜合金可具有数倍的导热率。该含铜-铍合金在活塞工作温度下具有比其他高传导性合金更高的强度。这些合金还具有压缩环所需的抗应力松弛性和耐磨性。还可设想的是，刮油环或油环可由本文所描述的含铜-铍合金制成。在一些示例性实施方案中，环的重量可高达约0.25磅，包括约0.10磅至约0.25磅，并且包括约0.15磅。在另一些示例性实施方案中，环可具有约0.25磅至约1.0磅的重量。环的尺寸将取决于发动机的尺寸。可以预期的是，环可以具有高达1000毫米，甚至更大的内径(即，孔)。

通过使用导热率更高的活塞环材料，热量将更快地从环槽中传导出去，通过活塞环进入气缸套。环槽内较低的温度提高了槽内活塞材料的屈服强度，同时提高了疲劳强度。热导率较高的环材料允许顶部环槽更靠近活塞顶，而不存在槽过度磨损的风险。

由本公开内容的含铜-铍合金制成的热导率较高的环对活塞槽的摩擦系数可较低，这可减少磨损。还可以避免使用高性能钢压缩环上所需的涂层，如类金刚石碳。还应该可以避免通常在铁基环上进行的如表面硬化(例如氮化)那样的涂层替代。

一般而言，本公开内容的含铜-铍合金包含约96wt％或更多的铜。在特定实施方案中，合金包含约96.2wt％至约98.4wt％的铜。本公开内容的含铜-铍合金包含约0.2wt％至约2.5wt％的铍。在一些特定实施方案中，合金包含约0.2wt％至约1.0wt％的铍；或者约1.1wt％至约2.5wt％的铍；或者约0.4wt％至约0.7wt％的铍，或者约1.5wt％至约2.5wt％的铍。

在特定实施方案中，含铜-铍合金可以包含钴、镍和/或锆中的一种或更多种。

含铜-铍合金中钴的量可以为合金的约0.1wt％至约3.0wt％。在更具体的实施方案中，钴的量可以为约0.1wt％至约0.5wt％；或者约1.5wt％至约3.0wt％；或者约2.0wt％至约3.0wt％；或者约2.0wt％至约2.7wt％；或者约0.8wt％至约1.3wt％；或者约0.2wt％至约0.3wt％。

含铜-铍合金中镍的量可以为合金的约0.5wt％至约2.5wt％。在更具体的实施方案中，镍的量可以为约0.5wt％至约1.5wt％；或者约1.1wt％至约2.5wt％；或者约0.8wt％至约1.3wt％；或者约1.4wt％至约2.2wt％。

含铜-铍合金中锆的量可以为合金的约0.1wt％至约1.0wt％。在更具体的实施方案中，锆的量可以为约0.1wt％至约0.5wt％；或者约0.12wt％至约0.4wt％。

这些列出的铜、铍、钴、镍和锆的量可以以任意组合的方式彼此组合。

在一些特定实施方案中，含铜合金是铜-铍-钴-锆合金，其包含：约0.2wt％至约1.0wt％的铍；约1.5wt％至约3.0wt％的钴；约0.1wt％至约1.0wt％的锆；以及余量的铜。在更具体的实施方案中，铜-铍-钴-锆合金包含：约0.4wt％至约0.7wt％的铍；约2.0wt％至约2.7wt％的钴；约0.12wt％至约0.4wt％的锆；以及余量的铜。这种合金可从materion公司以alloy10x商购获得。alloy10x具有约138gpa的弹性模量；约8.83g/cc的密度；以及25℃下约225w/(m·k)的热导率；20℃下约585mpa的0.2％残余变形屈服强度(0.2％offsetyieldstrength)；20℃下约690mpa的最小极限拉伸强度；以及427℃下约515mpa的典型极限拉伸强度(ultimatetensilestrength，uts)。

在另一些实施方案中，含铜合金是铜-铍-钴-镍合金，其包含：约0.2wt％至约1.0wt％的铍；约0.5wt％至约1.5wt％的钴；约0.5wt％至约1.5wt％的镍；以及余量的铜。在更具体的实施方案中，铜-铍-钴-镍合金包含：约0.4wt％至约0.7wt％的铍；约0.8wt％至约1.3wt％的钴；约0.8wt％至约1.3wt％的镍；以及余量的铜。这种合金可从materion公司以alloy310商购获得。alloy310具有约135gpa的弹性模量；约8.81g/cc的密度；以及约235w/(m·k)的热导率；约660mpa至约740mpa的0.2％偏移屈服强度；以及约720mpa至约820mpa的标称uts。

在另一些实施方案中，含铜合金是铜-铍-镍合金，其包含：约0.1wt％至约1.0wt％的铍；约1.1wt％至约2.5wt％的镍；以及余量的铜。在更具体的实施方案中，铜-铍-镍合金包含：约0.2wt％至约0.6wt％的铍；约1.4wt％至约2.2wt％的镍；以及余量的铜。这种合金可从materion公司以alloy3或protherm商购获得。alloy3可具有约138gpa的弹性模量；约8.83g/cc的密度；以及约240w/(m·k)的热导率。经热处理后，alloy3具有约550mpa至约870mpa的0.2％残余变形屈服强度；以及约680mpa至约970mpa的标称uts。

在再一些不同的实施方案中，含铜合金是铜-铍-钴合金，其包含：约0.2wt％至约1.0wt％的铍；约2.0wt％至约3.0wt％的钴；以及余量的铜。在更具体的实施方案中，铜-铍-钴合金包含：约0.4wt％至约0.7wt％的铍；约2.4wt％至约2.7wt％的钴；以及余量的铜。这种合金可从materion公司以alloy10商购获得。alloy10具有约138gpa的弹性模量；约8.83g/cc的密度；以及约200w/(m·k)的热导率。经热处理后，alloy10具有约550mpa至约870mpa的0.2％残余变形屈服强度；以及约680mpa至约970mpa的标称uts。

在再一些的实施方案中，含铜合金是铜-铍-钴合金，其包含：约1.1wt％至约2.5wt％的铍；约0.1wt％至约0.5wt％的钴；以及余量的铜。在更具体的实施方案中，铜-铍-钴合金包含：约1.6wt％至约2.0wt％的铍；约0.2wt％至约0.3wt％的钴；以及余量的铜。这种合金可从materion公司以moldmax或moldmax商购获得。

moldmax具有约131gpa的弹性模量；约8.36g/cc的密度；约155w/(m·k)的热导率；约760mpa的0.2％残余变形屈服强度；以及约965mpa的标称uts。

moldmax具有约131gpa的弹性模量；约8.36g/cc的密度；约130w/(m·k)的热导率；约1000mpa的0.2％残余变形屈服强度；以及约1170mpa的标称uts。

在另一些实施方案中，含铜合金是含铜-铍合金，其包含：约1.5wt％至约2.5wt％的铍；镍、钴和铁，其量为使得镍+钴的总量为约0.2wt％或更高，并且镍+钴+铁的总量为约0.6wt％或更低；以及余量的铜。这些合金将含有镍或钴中的至少一种，但可能只含有镍或钴。不要求存在铁，但在一些特定实施方案中，铁的存在量为约0.1wt％或更多(达到规定限制)。因此，这样的合金可以是铜-铍-镍合金；或者铜-铍-钴合金；或者铜-铍-镍-钴合金；或者铜-铍-镍-钴-铁合金。特别构想的是，一些此类合金包含铜和铍，并且至少包含约0.1wt％的镍、钴和铁，其中(镍+钴+铁)的总量为约0.6wt％或更少。

这种合金可从materion公司以alloy25商购获得。alloy25具有约131gpa的弹性模量；约8.36g/cc的密度；以及约105w/(m·k)的热导率。经热处理后，alloy25具有约890mpa至约1520mpa的0.2％残余变形屈服强度；以及约1100mpa至约1590mpa的标称uts。

一般而言，本公开内容的含铜-铍合金可具有约100至约250w/(m·k)的热导率，包括约200至约240w/(m·k)。相比之下，传统钢的热导率为约38至约50w/(m·k)。

由于从活塞到气缸壁和发动机缸体的热传递增加，这些合金的使用降低了活塞顶的最高温度。降低的最高活塞顶温度减小了提前点火(preignition)的可能性，并且提高了活塞承受更高压力的能力。活塞高度也可被减小，这通过减小由于活塞上的侧向力而引起的摩擦损失和减小发动机中的往复质量(reciprocatedmass)来提高效率。压缩环还减小了与活塞环槽的摩擦，从而减少了槽磨损和窜漏。这些合金的热膨胀系数也接近于通常用于活塞头的铝的热膨胀系数，从而限制了与热膨胀相关的缝隙体积的增加。点火正时提前也可以通过使用这些环并使发动机控制单元(enginecontrolunit，ecu)提前正时来实现。而且，可以使用更长的连接杆，这减少了由推动活塞抵靠衬套的径向力引起的摩擦损失。减小体积和提前点火的趋势均提高了发动机效率。

已经参考示例性实施方案描述了本公开内容。在阅读并理解前面的详细描述之后，其他人将会想到修改和变化。本公开内容旨在解释为包括所有这样的修改和变化，只要它们落入所附权利要求或其等同物的范围内即可。