专利名称：防拉缸铝活塞及铝气缸孔组合及其制造方法
技术领域：
本发明涉及用于汽车内燃机的铝活塞及铝气缸孔，具体地，涉及一种增强耐磨性的铝活塞及铝气缸孔组合。
背景技术：
众所周知在内燃机领域，铝材料气缸孔的内燃机重量轻所以能节省燃料，而且由于铝气缸孔变形小，热传递充分，因而发动机性能和可靠性更高。铝气缸孔发动机还能使活塞和气缸孔之间的间隙更紧密，致使发动机的噪音和油耗降低。然而，当活塞和气缸孔都用铝材料时，防止活塞和气缸孔之间拉缸就成为一个重要问题，对于铝气缸孔的发动机，由于铝活塞和气缸孔之间较紧密间隙的要求，防拉缸就显得格外重要。
拉缸是两个相互滑靠的元件在欠润滑环境下的粘接磨损过程。活塞和气缸孔之间的拉缸会引起发动机性能降低甚至引起发动机失效的问题。目前由单个金刚石切头连续切削加工而成的铝活塞裙部，典型地具有带波峰、波谷的波浪形表面。总粗糙度(Rt)是活塞裙部的特征量，定义为表征活塞裙部评定长度内最高峰值和最低谷值之间的距离。目前铝活塞裙部的总粗糙度在13到19微米之间，目前活塞裙部波峰之间的典型距离在0.32-0.79毫米(320-790微米)。增强活塞和气缸孔之间的防拉缸性的传统方法是在活塞裙部镀上防拉缸涂层。传统的活塞裙部喷涂层方法包括在不改变传统活塞裙部总粗糙度以及波峰间距的情况下对活塞裙部进行喷涂。人们普遍认为，降低活塞裙部表面粗糙度(降低总粗糙度和峰间距)的方法对增强防拉缸性实际上并没有多大效果，甚至相反会妨碍防拉缸性。
美国专利US6,684,844 B1公开了本发明的专利权人的在先研究成果，该研究是关于增强在铸铁气缸孔中工作的改进涂覆的铝活塞防拉缸性的研究。期望的是，通过开发优化铝气缸孔的加工处理以及改进活塞材料来获得更佳的耐磨性和防拉缸性。
发明内容
本发明采用2004年12月30日公开的美国专利申请文献US2004/0265163披露的最近开发的用于发动机本体(engine blocks)的铝合金。该新合金具有好的铸造性能，增强的抗拉强度，增强的耐磨性，以及增强的活塞/气缸的防拉缸性。与另外的铝发动机材料的对比实验证实了这种新材料的优良特性，但还需要进一步提高气缸孔及表面的工作环境，改进其获得方法，以最大程度地提高该新组合的耐磨性和防拉缸性。
本发明使用了异常“平滑”的活塞裙部最终表面，该活塞裙部最终表面涂覆有与异常“平滑”的气缸孔最终表面相结合的复合涂层。在具体实施例中，本发明用于发动机的活塞和气缸组件包括具有有铝活塞主体的活塞，该活塞主体具有冠部和从该冠部延伸的具有外表面的活塞裙部。该外表面具有这样的最终表面，即带有波峰和波谷的波状表面，并且总粗糙度大约在6-12微米，优选10微米。总粗糙度(Rt)定义为评定长度内最大峰值和最低谷值之差。在评定长度内，最终表面的峰-峰间距在0.17-0.25毫米之间，优选0.20毫米。活塞裙部的外表面涂覆有复合涂层，如Ni-P-BN陶瓷复合涂层。该组件还包括位于发动机本体内的铝气缸孔，该气缸孔设计成适于容纳活塞主体。气缸孔有孔表面，该孔表面平均粗糙度(Ra)大约为0.09-0.25微米，优选0.09-0.12微米。
气缸孔可以由含其它合金元素的共晶铝硅合金制成，按重量计，该铝合金包括9.5％-12.5％的硅，0.1％-1.5％的铁，1.5％-4.5％的铜，0.2％-3％的锰，0.1％-0.6％的镁，最多2％的锌，0-1.5％的镍，最多0.25％的钛，多至0.05％的锶，还有铝。按重量计，当铁的含量等于或大于合金的0.4％时，锰与铁的比率至少应该在1.2，而铁含量小于合金的0.4％时，锰与铁的比率至少在0.6。
本发明公开了制造用于发动机的铝活塞和气缸组件的方法，活塞的活塞本体包括冠部和裙部，裙部从冠部延伸并具有一个外表面，气缸的气缸孔设计成适于容纳活塞本体并有孔表面。本方法包括活塞裙部外表面的机加工步骤，这样最终的外表面具有带波峰和波谷的波浪型，总粗糙度(Rt)在6-12微米之间，总粗糙度定义为评定长度内最高峰和最低谷的差值，评定长度内波峰-波峰间距大约在0.17-0.25毫米之间；活塞裙部的机加工外表面涂覆上镍陶瓷复合涂层，气缸孔表面先用金刚石磨料粗磨；再用细砂研磨；以及终加工该孔表面，其中终加工后的孔表面粗糙度(Ra)大约在0.09-0.25微米之间。
本发明的上述和其它一些特征和优点将在下面的实施例中结合附图加以进一步地说明。
图1是本发明位于气缸孔中的活塞的部分侧剖视图。
图2是示有活塞裙部最终表面的示意性放大剖视图。
图3是铝活塞和气缸孔组件的防拉缸性实验数据表。
图4是表示图3的数据图。
具体实施例图1所示为用在内燃机如汽车发动机上的活塞和气缸组件10，包括位于气缸孔14内的往复式铝活塞12，气缸孔14由铝发动机本体18内的环形孔表面16界定。
活塞12包括活塞冠部20和从冠部延伸的活塞裙部22，裙部22有外表面24，冠部20中有多个环槽26，28，30，能容纳各种环如压缩环和油环(图中未示出)。
图2整体上示出了活塞裙部22的机加工表面24的剖视图。活塞裙部表面24由如CNC车床横动过裙部22的长度而机加工而成。为举例起见，这类机器可以将单个金刚石镶焊在尖头上以进行机加工过程。加工后的活塞裙部表面24呈有波峰32和波谷34的波浪形。尺寸F代表波浪形中波峰与波峰的间距，并通过对裙部表面24机加工的车削操作横向进给率(mm/转)来确定。机器每转一周就形成一个完整的波。例如，传统的活塞加工的横向送进率为0.32-0.79mm/转，就致峰间距(F)在0.32-0.79mm之间。
尺寸D代表评定长度内最大峰值和最低谷值的差值，这里“评定长度”是估计值，典型地相当于五倍的截止长度(cut-off length)，它是用于衡量机械部件表面特性的量。尺寸D也用来表示总粗糙度(Rt)，典型单位为微米(μm)。普通活塞的总粗糙度(Rt)通常在13到19微米之间，另一个类似的量是表面平均粗糙度(Ra)，定义为粗糙轮廓(波浪形上的各点)距它的中心线(波浪形的平均“高度”)的距离的算术平均值。对平均粗糙度(Ra)为0.1到2微米的表面来说，上面用来确定“评定长度”的截止长度一般在0.8mm左右。
气缸孔14的粗糙度也可以用平均粗糙度(Ra)衡量，气缸孔通常最终加工到平均粗糙度在0.58-0.90微米之间。气缸孔的粗糙度还可以用下降峰高(Rpk)和下降谷深(Rvk)衡量。Rpk定义为孔表面16的平均高度与孔表面的波峰之间的差值，它确定了发动机在阶段性运转过程中将被磨损的磨损表面的顶部。类似地，Rvk定义为该平均高度与孔表面16的波谷之间的差值，它确定了起保持润滑作用的表面的最低部分。气缸孔表面16应该既要有一定的粗糙度以便储油，同时还要提供相对平整的区域以支撑活塞环。
本发明不使用气缸套或者气缸耐磨涂层，而能提高容纳在铝气缸孔14中的铝活塞12的防拉缸性。铝活塞和气缸组件的防拉缸性是由于气缸孔14的特殊最终表面，活塞裙部22的外表面24的特殊表面纹理，以及活塞裙部表面24的镍-陶瓷复合物(NCC)涂层所致。特别是，通过将异常“平滑”的涂覆有NCC的铝活塞裙部表面24和异常“平滑”的铝气缸孔14结合，因而获得增强的防拉缸性。
具体地，活塞裙部22包括外表面24，它的总粗糙度(Rt)大约在6到12微米之间，优选10微米，外表面24的峰间距(F)在0.17到0.25毫米之间，优选0.20毫米，相应地，裙部机加工时的横向送进速率比通常活塞裙部机加工的进给速率更低。活塞裙部表面24比普通的活塞裙部光滑得多，总粗糙度(Rt)在13到19微米之间，峰间距在0.32到0.79毫米之间。
机加工后的活塞裙部22外表面24涂有镍陶瓷复合涂层之类的复合涂层，镍陶瓷复合涂层可以是Ni-P-BN(镍-磷-氮化硼)电镀涂层，按体积算，该涂层中BN占大约3％-7％，按重量算，磷占大约3％。涂层可以采用传统的电镀工艺，在电镀液中加入悬浮的陶瓷微粒子，随着电镀共同沉积。BN微粒子直径4微米，厚度不到1微米。NCC涂层的厚度在10到18微米之间，硬度大约为47-50HRC。
在优选实施例中，活塞裙部22的总粗糙度(Rt)为10微米，峰间距(F)为0.2毫米，裙部22的Ni-P-BN电镀涂层中，BN的体积百分比为6％，Ni-P-BN涂层厚度16微米，微硬度48HRC。
本发明的发动机本体18和对应的气缸孔14可由包括如铁、铜、锰等其它合金元素的共晶铝硅合金制得。美国专利申请US2004/0265163中公开了一种适宜铝合金，按重量计，硅占9.5％到12.5％，铁占0.1％到1.5％，锰占0.2％到3％，镁占0.1％到0.6％，高至0.05％的锶以及铝。当铁占合金重量比例大于或等于0.4％时，锰对铁的重量比率至少为1.2；当铁占合金重量比例小于0.4％时，锰对铁的重量比率至少为0.6。上述合金按重量计还可以包含1.5％到4.5％的铜，最多2.0％的锌，0到1.5％的镍，最多0.25％的钛。优选的组成是，按重量计，硅占11.25％到11.75％，铁占0.35％到0.65％(金属模铸造的本体可以更高)，铜占1.75％到2.75％，锰占0.4％到3％(至少为铁含量的1.2到1.5倍)，镁占0.15％到0.3％，锌最多占0.5％，极少量镍，0.01％到0.03％的锶，其它元素占到0.5％但少于0.5％，其余的用铝平衡。共晶铝硅合金在下面将被称作“耐磨合金”。
具体实施例中，耐磨合金有以下成分硅11.6％，铁0.41％，铜2.00％，锰0.56％，镁0.25％，锶0.02％，铬0.01％，镍0.01％，锌0.01％，钛0.123％。
耐磨合金中的铝硅共晶合金能够流动，用该合金可以用普通的铸造方法铸成发动机本体18，例如可以用压铸(需要的铁成分含量较高)，金属型铸造，永久模铸，半金属型铸造，粘结砂型铸造，消失铸铸造，精密砂型铸造等铸造方法。当锰铁含量被控制为如前述时，铸造材料的抗拉强度可以高达320Mpa，比没有如此控制锰铁含量比率的类似合金强度高出20％。
铸造时，耐磨合金的微结构有网格状的金属间相，金属间相包括如CuAl2相，Al12(Fe，Mn)3Si2相，和Al5Mg8Cu2Si6相。耐磨合金的网状微结构相对其它铝合金表现出更好的强度特性。此外，当发动机气缸本体18采用耐磨合金时，整个气缸本体都呈现出网状结构，甚至在气缸孔表面16处也如此。这样金属间相使气缸孔表面16具有高的耐磨性，因而不需要单独的气缸孔套。
用耐磨合金成分铸造的发动机本体适于用于制造发动机本体的机器加工和最终加工。铸造时的孔隙度很低，一般占1％的体积百分比。此外，这种材料能防止活塞/环的拉缸和其它部件对气缸本体的磨损。而且，如前所述，耐磨合金在发动机运转中有适宜的耐磨性和耐久性，因此在用这种合金制造本体的气缸孔时，不需要单独的气缸套，如铁制气缸套和超共晶铝硅气缸套。
本发明的气缸孔表面16最终加工后的平均粗糙度(Ra)大约在0.09到0.25微米之间，优选0.09到0.12微米，比其它的气缸孔表面都要光滑得多，普通的气缸孔表面平均粗糙度(Ra)至少在0.34到0.52微米之间，有些甚至高于0.52微米。本发明的气缸孔表面16的下降峰高(Rpk)范围还可大约在0.05到0.25微米之间，下降谷深(Rvk)大约在0.15到0.40微米之间。
气缸孔表面16可以通过珩磨和清刷达到想要的光滑度。CNC珩床控制的珩具能达到高质量的最终加工孔。气缸孔表面16可以首先用比如嵌入金刚石颗粒的金刚石磨料粗磨，磨至最终孔尺寸约在0.125mm以内。金刚石容易在孔表面16上留下撕裂和褶皱的金属物，致使外观污化而不能得到好的最终孔。因此，气缸孔表面16可以用细的磨粒如细的硅的碳化物磨粒终磨，用该细的磨粒削去波峰，或横扫孔表面16以去除锯齿状的波峰以及褶皱和撕裂的材料，并研磨到孔的最终尺寸。最后气缸孔表面16可以通过清刷表面，清刷可以用例如柔性刷、尼龙毛刷等工具完成。刷子可以是单根丝线压挤成型，该丝线内嵌细磨粒材料。清刷能进一步清除撕裂和褶皱的残屑，改进整个最终表面。终加工之后，铝合金的硬金属间相会从孔表面16凸出1到3微米。
图3和图4所示，对两种均涂覆有Ni-P-BN涂层的粗糙活塞裙部和光滑活塞裙部在三种不同的铝气缸孔上进行了实验，以确定达到拉缸(即防拉缸)的负载(N，牛顿)。粗糙活塞裙部(用“NR”表示)具有特征如同上述普通活塞裙部的外表面，光滑活塞裙部(用“NS”表示)具有特征如同上述本发明描述的外表面。三种铝气缸孔分别是峰值(PEAK)合金气缸孔(用“PEAK”表示)，390 Al气缸孔(用“390”表示)，以及用耐磨合金制得的气缸孔。实验在活塞/气缸孔拉缸测试装置上进行。
实验结果表明与光滑的、铝活塞的NCC涂层的活塞裙部结合的铝气缸孔，相比与粗糙的、NCC涂层的活塞结合的光滑铝活塞孔，具有增强的防拉缸性。这可以通过以下三组实验结果对比看出，即NR-PEAK组和NS-PEAK组，NR-390组和NS-390组，以及NR-耐磨合金组和NS-耐磨合金组。NS-PEAK组的平均拉缸负载为825N，而NR-PEAK组为700N。NS-390组的平均拉缸负载为800N，而NR-390组为650N。NS-耐磨合金组第一组实验的平均拉缸负载为1300N，第二组为1593N，而NR-耐磨合金组只有1150N。对NS-耐磨合金组作了两组实验是因为第一组实验的各结果之间变化很大，这种变化可能是由耐磨合金气缸孔的铸造孔隙引起的。
实验结果进一步表明与光滑的、Ni-P-BN涂层的活塞裙部的结合的本发明最终的耐磨合金气缸孔相对于其它铝气缸孔，能显著提高防拉缸性，这从NS-耐磨合金组与NS-PEAK组、NS-390组的拉缸负载对比可以清楚地看到。NS-PEAK组和NS-390组的平均磨损负载只有825N和800N，而NS-耐磨合金组则是第一次1300N，第二次1593N。
虽然本发明通过一些优选实施例加以描述，但应当理解，在不违背本发明的精神和范围前提下，可以有多种变化。因此，本发明不局限于已经公开的具体实施例，而应当理解为权利要求所覆盖的全部范围。
权利要求
1.一种活塞和气缸组件，用于发动机，该组件包括活塞，包括铝活塞本体，活塞本体有冠部和裙部，该裙部从活塞冠部延伸并具有外表面；该外表面具有带波峰和波谷的波浪形最终表面，该外表面总粗糙度大约在6到12微米之间，总粗糙度Rt定义为评定长度内最高波峰和最低波谷的差值；评定长度内最终表面的波峰间的间距大约为0.17到0.25毫米之间；在该外表面上的复合涂层；以及铝气缸孔，位于发动机本体内，并设计成适于容纳活塞本体，气缸孔具有孔表面；该孔表面平均粗糙度Ra大约在0.09到0.25微米之间。
2.如权利要求1所述的活塞和气缸组件，其特征在于孔表面的平均粗糙度大约在0.09到0.12微米之间。
3.如权利要求1所述的活塞和气缸组件，其特征在于气缸孔由包含其它合金元素的共晶铝硅合金制成。
4.如权利要求3所述的活塞和气缸组件，其特征在于按重量计，该铝合金中硅占9.5％到12.5％，铁占0.1％到1.5％，锰占0.2％到3％，镁占0.1％到0.6％，高到0.05％锶，以及铝，当铁占合金重量比例大于或等于0.4％时，锰对铁的重量比率至少为1.2；当铁占合金重量比例小于0.4％时，锰对铁的重量比率至少为0.6。
5.如权利要求4所述的活塞和气缸组件，其特征在于按重量计，该铝合金还包含1.5％到4.5％的铜，最多2.0％的锌，0到1.5％的镍，最多0.25％的钛。
6.如权利要求3所述的活塞和气缸组件，其特征在于铝的硬金属间相的凸起距孔表面大约在1到3微米之间。
7.如权利要求1所述的活塞和气缸组件，其特征在于孔表面具有大约在0.05到0.25微米之间的相对波峰高度RPK。
8.如权利要求1所述的活塞和气缸组件，其特征在于孔表面具有大约在0.15到0.40微米之间的相对波谷深度RVK。
9.如权利要求1所述的活塞和气缸组件，其特征在于该最终表面的总粗糙度大约为10微米，评定长度内波峰间距大约为0.20毫米。
10.如权利要求1所述的活塞和气缸组件，其特征在于复合涂层为镍陶瓷复合涂层。
11.如权利要求10所述的活塞和气缸组件，其特征在于镍陶瓷复合涂层包含Ni-P-BN镀层，该Ni-P-BN镀层包含按体积计大约3％-7％的BN和按重量计大约3％的磷。
12.如权利要求11所述的活塞和气缸组件，其特征在于该涂层采用电镀，电镀液中的悬浮陶瓷微粒子在电镀中共同沉积，该涂层具有大约10到18微米之间的厚度，硬度大约在47到55HRC之间，BN微粒子直径4微米，厚度小于1微米。
13.一种用于制造无涂层，无衬套的铝合金发动机气缸的方法，该气缸的气缸孔有孔表面，设计成适于容纳活塞，此方法包括提供由包含其它合金元素的共晶铝硅合金制成的气缸孔；利用金刚砂磨料粗磨孔表面；利用细砂磨料终磨孔表面；以及终加工孔表面，其中终加工后的孔表面的平均粗糙度Ra大约在0.09到0.25微米之间。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于该终加工孔表面的平均粗糙度大约在0.09到0.12微米之间。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于金刚砂磨料为嵌入的金刚石颗粒。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于细砂磨料为硅的碳化物石。
17.如权利要求13所述的方法，其特征在于该方法还包括通过清刷孔表面来终加工孔表面。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于该方法还包括用柔性刷和尼龙毛刷工具之一清刷孔表面。
19.一种制造发动机铝活塞和铝气缸组件的方法，活塞包括活塞本体，该活塞本体有冠部和裙部，裙部从冠部延伸并有外表面，气缸的气缸孔设计成适于容纳活塞本体，气缸孔有孔表面，本方法包括对活塞裙部外表面进行机加工，使得最终的外表面具有带波峰和波谷的波浪形，总粗糙度Rt大约在6到12微米，总粗糙度定义为评定长度内最高波峰和最低波谷的差值，评定长度内的波峰间距大约在0.17到0.25毫米之间；在机加工后的活塞裙部外表面上涂覆镍陶瓷复合涂层；提供由包含其它合金元素的共晶铝硅合金制成的气缸孔；利用金刚砂磨料粗磨孔表面；利用细砂磨料终磨孔表面；以及终加工孔表面，其中终加工后的孔表面的平均粗糙度Ra大约在0.09到0.25微米之间。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于该终加工孔表面的平均粗糙度大约在0.09到0.12微米之间。
全文摘要
本发明公开了一种活塞和气缸组件。该组件包括具有铝合金活塞本体的活塞，活塞本体有冠部和从冠部延伸的裙部。裙部的外表面有带波峰和波谷的波浪形终加工表面，其总粗糙度大约在6到12微米之间，总粗糙度定义为评定长度内最高峰值和最低谷值之差。终加工表面在评定长度内的波峰间距大约在0.17到0.25毫米之间。该外表面还涂覆有镍陶瓷复合涂层。铝合金气缸孔位于发动机本体内并被设计成适于容纳活塞本体。气缸孔的表面平均粗糙度Ra大约在0.09到0.25微米之间。气缸孔可以由包含其它一些合金元素的共晶铝硅合金制成。
文档编号B24B33/08GK1924335SQ20061012672
公开日2007年3月7日 申请日期2006年9月1日 优先权日2005年9月1日
发明者王玉琮 申请人:通用汽车环球科技运作公司