专利名称：：内燃机用活塞的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种内燃机用活塞。更特别地，本发明涉及一种用于包括柴油发动机或直喷式汽油发动机在内的缸内喷射式内燃机的活塞。
背景技术：
：在诸如柴油发动机或汽油发动机之类的内燃机所用的活塞中，已知一种内燃机用活塞，其在与喷射的燃烧气体相碰撞的活塞顶面处配置有具有低热传导性的低热传导部件，以由此抑制从燃料碰撞部向活塞主体的热传导，从而防止了在诸如当起动内燃机时之类的冷态工作时未燃碳氢化合物或烟的生成。例如，日本未审定专利公才艮No.2000-186617公开了一种结构，其中由部(燃料碰撞部)上。由于烧结的钬合金材料具有对应于活塞主体使用的铝合金的约1/10的热传导率，所以活塞燃烧室壁面的温度上升，并且因此促进了燃料的雾化，改善了燃烧状态。然而，低热传导部件使用的钬合金的热膨胀率不同于铝合金的热膨胀率，因此发生了不期望的热疲劳破坏。
发明内容因此，在考虑到现有技术中存在的上述问题的情况下作出了本发明，并且本发明的目的是提供一种内燃机用活塞，该活塞包括具有低热传导率并且热膨胀系数与用作活塞基材金属的铝合金近似的低热传导部件。本发明的发明人基于Mn的热传导率约为Fe的1/10以及Mn的线性膨胀系数约为Fe的两倍的事实，发现了最佳的合金组分，并且因此获得了需要的低热传导部件，从而完成了本发明。本发明的内燃机用活塞可以是具有配置在其顶部处的低热传导部件的内燃机用活塞，所述低热传导部件由包含Fe和Mn的合金构成。在这种内燃机用活塞中，所述低热传导部件优选是包含10-60质量％的Mn和余量的Fe以及不可避免的杂质的烧结体。在本发明的内燃机用活塞中，所述低热传导部件可以还包括C(碳)。这样的低热传导部件优选是包含10-60质量％的Mn、2质量。/。以下的C和余量的Fe以及不可避免的杂质的烧结体。在本发明的内燃机用活塞中，所述低热传导部件可以包括通过在氮氛围中进行烧结处理而获得的烧结体。从以下结合附图对优选实施例的说明中，本发明的上述和其它目的和特征将会变得显而易见，附图中图l是示出了根据本发明的活塞的主要部分的示意性截面图；图2是示出了根据本发明的优选实施例的低热传导部件的金属组织的显微照片；图3是示出了取决于Mn的量，低热传导部件(烧结体)的线性膨胀系数和热传导率的变化的曲线图4是示出了取决于Mn的量，低热传导部件(烧结体)的拉伸强度的变化的曲线图5是示出了取决于C的量，低热传导部件(烧结体)的线性膨胀系数和热传导率的变化的曲线图6是示出了取决于C的量，低热传导部件(烧结体)的拉伸强度的变化的曲线图；以及图7是示出了温度升高速度的测量方法的视图。具体实施例方式现在将参照附图详细说明本发明的各个实施例。图l是示出了根据本发明的实施例的活塞的示意性截面图。在本发明中，活塞10包括主体12和安装到其顶面的低热传导部件14。活塞的主体12是通过将诸如AC8A的铝合金(其,皮称作"活塞基材金属")进行铸造而形成的。在活塞的主体12的顶面中，形成了凹部16，该凹部16与气缸盖(未示出)和气缸一起限定出燃烧室。附图标记18表示供插入活塞销用的销孔。燃料朝向凹部16喷射，并且低热传导部件14安装在喷射的燃料与凹部16接触的部分(燃料碰撞部)处。由于低热传导部件14具有比铝合金的热传导率低得多的热传导率，所以有可能有效地升高其温度从而促进燃料的气化。在本发明的实施例中，低热传导部件14由具有低热传导率的Fe-Mn合金的烧结体形成。Fe-Mn合金烧结体具有比传统的钬合金烧结体的热导率低的热导率并且还具有非常接近于作为活塞基材金属的铝合金(AC8A)的线性膨胀系数。因此，当低热传导部件14安装到活塞的顶面时，在内燃机的工作中拉伸应力不会作用到与铝合金邻接的部分上，由此维持了良好的安装状态。图2是示出了根据本发明实施例的低热传导部件(烧结体)的组织的显微照片。烧结体是通过以预定混合比将Fe-Mn合金粉末与纯铁粉末和石墨相混合，然后通过预定方法烧结混合物而获得的。在该图中，A表示Fe-Mn合金粉末，B表示纯铁粉末，C表示孔隙。此外，碳进行扩散从而几乎均一地分布。Fe-Mn合金粉末A周围的纯铁粉末B通过合金粉末A的Mn的扩散构成奥氏体相，该奥氏体相被认为促进了烧结体的热传导率的降低以及其线性膨胀系数的增加。烧结体的热传导率和线性膨胀系数根据Mn的含量而变化。如图3所示，随着Mn的量增加，线性膨胀系数a()增大，并且热传导率K(□)降低。图3中，示出了由横线L表示的铝合金(AC8A)的线性膨胀系数(a=19.5xl(T6/K)，当Mn的量较高时，烧结体的线性膨胀系数接近于活塞基材金属的线性膨胀系数。此外，烧结体的强度根据Mn的含量而变化。如图4所示，当Mn的量增加时，烧结体的拉伸强度oB降低。由于如4黄线M所示，作为活塞基材金属的AC8A的拉伸强度为230MPa，所以使用含量超过60质量％的Mn是不恰当的。如上所述，烧结体(低热传导部件14)中的Mn含量优选为10-60质量％，并且更优选为15-40质量％。烧结体还可以包括C。当Fe-Mn合金中含有C时，烧结体的线性膨胀系数进一步增加并且热传导率可以降低。图5示出了烧结体的热传导率k和线性膨胀系数a根据C的含量的变化，图6示出了烧结体的拉伸强度(rB根据C的含量的变化。如图5所示，随着C含量增加，线性膨胀系数a()增大，并且热传导率k(□)降低。图6中，与C含量的增加呈反比，烧结体的拉伸强度下降。在C含量超过2质量％的情况下，烧结体的拉伸强度变得比铝合金的拉伸强度低。从图5和6中很明显地，烧结体(低热传导部件14)的C含量优选为2质量％以下，并且更优选为0.3-1.5质量％。由上述烧结体构成的低热传导部件14可以通过材料准备工序、成型工序以及烧结工序而形成。在材料准备工序中，将粉末材料(Fe-Mn合金粉末、Mn粉末、石墨、铁)混合直至均一，使得Mn的量为10-60质量％以及C的量为2质量％以下。尽管各种粉末材料并没有特别的限制，但Fe-Mn合金粉末可以包括直径约为20-150jim的气体雾化粉末，Mn粉末可以包括通过将直径约为10-50nm的Mn块(Mnnodule)磨碎而获得的粉末，石墨可以包括直径约为3-50nm的石墨粉末，铁可以包括直径约为20-150nm的纯铁粉末。在成型工序中，粉末物料混合物被放置在一个或多个模具中，然后经受加压成型从而形成预定形状。在加压成型时，控制压缩粉末材料的负载从而将烧结体的强度和孔隙率设定在期望的范围内。在本发明的实施例中，加压负载优选设定为500-1000MPa。当加压负载小于500MPa时，烧结体的强度不足。另一方面，当负载超过1000MPa时，模具本身会产生不希望的磨损和聚集(aggregate)。加压负载的优选范围是从600MPa至800MPa。随后，在烧结工序中，加压成型品在1100-1300'C下烧结10-60分钟，由此获得烧结体(低热传导部件14)。如果烧结温度低于1100'C，则强度变得不足。另一方面，如果温度高于1300"C，则会产生不希望的粗大的孔隙。烧结温度的优选范围是从1150'C至1250'C。烧结工序优选在氮气氛围中进行，其中氮的分压(partialpressure)约为O.l-latm。这是因为很容易被氧化的Fe-Mn合金粉末主要在一般的RX气体氛围中,皮氧化，并且还因为其强度降低。由于根据本发明的内燃机用活塞具有配置在其顶面的由具有低热传导率的Fe-Mn合金构成的低热传导部件，所以可以有效地促进内燃机的燃烧室温度上升以及燃料的气化。Fe-Mn合金的线性膨胀系数被控制为接近作为活塞基材金属的铝合金的线性膨胀系数，因此，可能防止由活塞基材金属与低热传导部件之间的热膨胀差异引起的低热传导材料的热疲劳破坏或脱落的产生。此外，当添加了C时，低热传导部件的线性膨胀系数进一步增加，并且其热传导率可能降低。因此，可能进一步促进内燃机的燃烧室温度上升和燃料的气化，并且可以稳定地维持低热传导部件安装到活塞基材金属的状态。低热传导部件由Fe-Mn合金粉末的烧结体构成，由此进一步降低了热传导率。这样的烧结体是通过在氮气氛围中进行烧结而获得的，因而粉末氧化较低并且不会妨碍粉末之间的元素扩散，因此增大了烧结体的强度。(示例)通过以下试验示例具体地说明本发明的低热传导部件。(样品的制造)使用如下面的表l中所示的粉末材料，制造出本发明的示例和对比例的烧结体。[表11<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>直径为150jim以下并且包含49.7质量％的Mn以及余量的实质上为铁的气体雾化粉末(A)，或包含0.05质量％的铁以及余量的实质上为Mn块被磨碎状态下的Mn的粉末(B)，以如下面的表2中所示的混合比与石墨和4失粉相混合。以预定比例混合的粉末混合利用V形粉末混合器被混合直至均匀，被置于一个或多个模具中，然后利用压力被经受加压成型，由此制造出长50mmx宽10mmx厚lOmm的板状成型体。为此，使用的压力为800MPa。得到的成型体在氮气氛围中在1150'C下被烧结30分钟，其中氮的分压为0.13atm,因此获得了烧结体No.1-11。为了进行比较，使用直径为150jim以下并且包含11质量％的Ni和18.7质量％的Cr以及余量的实质上是铁的SUS304的水雾化粉末(C)，以及使用通过kroll法得到的Ti粉末，分别制造出长50mmx宽lOmmx厚10mm的板状的成型产品。这样，使用800MPa的压力。得到的成型体在真空氛围中在1150t:下被烧结30分钟，因此获得了不锈的烧结体No.12和钛烧结体No.13。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>(测量方法)从每个烧结体No.1-13中，适当切削出试验片，并测量其热传导率k(W/(m'k))、线性膨胀系数a(xio-6/K)以及拉伸强度oB(MPa)。基于JISR1611(1997)的激光闪光法，根据热扩散率/比热容量/热传导率试验方法确定热传导率k,并且以这样的方式确定线性膨胀系数a,即样品布置在样品支持部的端部与检测杆之间，并且使用变位计测量响应于由于温度变化引起的样品长度变化的检测杆位移。通过根据由日本粉末和粉末冶金协会提出的用于金属烧结体用试验片的规定从烧结体样品中切削出试验片，并且通过根据JISZ8401进行测量，确定拉伸强度oB。如图7所示地确定温度升高速度v(C/min)。即，将通过上述成型工序获得的并且厚3mmx直径30mm的烧结体圆盘S固定到由与活塞基材金属为相同材料的AC8A形成的保持架J(厚10mmx直径75mm)的中央部分上，使冷却水W沿箭头所示的方向在保持架J中流动，并且使用加热器H对圆盘S的中央加热，以使用IR辐射温度计T测量圆盘S的表面温度变化。加热器H是用于连续地供给450"C的热空气的加热器鼓风机，并且相对于水平面以卩=40。的角度安装。加热器与样品圆盘S的中央以d=80mm的距离间隔开，以由此供给热空气。(试验结果)与用作活塞基材金属的铝合金(AC8A的铸造材料)的性质(样品No.14)的一起，试验结果在下表3中示出[<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>10.3W/m.k,其比在铁系材料中具有相对较低热传导率k的样品No.12即SUS304(16W/m.k)和样品No.13即钛(17W/m.k)的热传导率低。因此，在对应于本发明示例的编号为No.1-8的烧结体中，温度升高速度v(。C/分)被确定为130-l卯C/分，其比SUS304或钛的温度升高速度(v-100。C/分)高。对应于本发明示例的样品No.1-8的线性膨胀系数a为15-19xlO_6/K。包括11质量％的Mn的量的样品No.2和不含C的样品No.6的线性膨胀系数稍稍低于样品No.12即SUS304的线性膨胀系数(16.5xl(T6/K)，但高于样品No.13即钛的线性膨胀系数(9x10_6/K)，并且与用作活塞基材金属的铝合金的线性膨胀系数Fl9.5xl(rVK接近。在样品No.9的对比示例中，Mn的量为7.5质量。/。，在本发明的范围之外，该样品No.9具有比SUS304或钛高的热传导率(k=25),使得温度升高速度较低。即，在样品No.9的低热传导部件中，喷射的燃料不能有效地蒸发。在样品No.10的对比示例中，包含65质量。/o的Mn，超过了本发明的范围，尽管该样品No.10的线性膨胀系数a和热传导率K都优于本发明的示例(No.1-8),但其拉伸强度被确定为200MPa，低于活塞基材金属的拉伸强度(oB=230MPa),增加了不希望的破损和脱落发生的可能性。样品No.11的对比示例具有2.5质量％的C，超过了本发明的范围。尽管样品No.11的线性膨胀系数a和热传导率K都等于本发明的示例(No.1-8),但其拉伸强度oB被确定为150MPa，这比样品No.10的拉伸强度低得多，增加了不希望的破损和脱落发生的可能性。Mn和C的量设定在本发明的范围之内，由此获得了具有低热传导率且线性膨胀系数接近用作活塞基材金属的铝合金的线性膨胀系数的低热传导部件。将样品No.l放置在预定的模具内，预热至400。C，与在740。C熔化的铝合金(AC8A)—起铸造，冷却，切削，并使用显微镜观察烧结体与铝合金(AC8A)之间的金属界面的粘附状态。当在50X放大率下观察时，ii在烧结体与铝合金(AC8A)之间几乎观察不到脱落(孔隙)，并且由此可以估计出粘附力很高。如上所述，配置在本发明的活塞顶面中的低热传导部件具有极低的热传导率且线性膨胀系数接近于活塞基材金属的线性膨胀系数。因此，低热传导部件配置在与喷射的燃料相碰撞的活塞顶端的内燃机活塞，在当在活塞温度很低时起动发动机的暖机过程中，或在低负载下工作时，改善了混合气的形成，^吏得可能抑制未燃碳氢化合物和烟的产生并且可能改善内燃机的燃烧。在具有低热传导部件的内燃机活塞中，由于活塞基材金属的热膨胀系数和低热传导部件的热膨胀系数彼此类似，所以不容易产生由于热膨胀差异引起的疲劳破坏。因此，可以稳定地维持活塞主体与低热传导部件之间的安装状态。根据本发明的内燃机用活塞并不限于上述实施例，并且在不背离本发明的技术精神的范围内可以进行变化。例如，尽管Fe-Mn合金粉末的烧结体被用作上述示例中的低热传导部件，但低热传导部件可以使用铸造材料形成为盘状，只要低热传导部件包含的Mn的量在本发明的范围之内即可。此外，尽管铁和Mn的混合物在上述示例中被用作粉末物料，但可以应用包含Mn的合金粉末。在有可能使合金粉末经受加压成型从而制造硬质成型品的情况下，可以实现材料的均一化。工业实用性根据本发明，内燃机用活塞包括在其顶面的具有与活塞基材金属的线性膨胀系数接近的线性膨胀系数和低热传导率的低热传导部件，因此适于用作柴油发动机或直喷式汽油发动机的活塞。尽管针对优选实施例示出和描述了本发明，但本领域技术人员将会理解到，在不背离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下可以做出各种变化和修改。权利要求1.一种内燃机用活塞，所述活塞包括配置在其顶部处的低热传导部件，所述低热传导部件由包含Fe和Mn的合金构成。2.根据权利要求1所述的活塞，其中所述低热传导部件还包含C。3.根据权利要求1所述的活塞，其中所述低热传导部件包括烧结体，所述烧结体包含10-60质量％的Mn和余量的Fe以及不可避免的杂质。4.根据权利要求2所述的活塞，其中所述低热传导部件包括烧结体，所述烧结体包含10-60质量％的Mn、2质量％以下的C和余量的Fe以及不可避免的杂质。5.根据权利要求1所述的活塞，其中所述低热传导部件包括通过在氮氛围中进行烧结处理而获得的烧结体。全文摘要本发明公开了一种内燃机用活塞，该活塞包括配置在其顶部处的低热传导部件，所述低热传导部件由包含Fe和Mn的合金构成。所述低热传导部件包括烧结体，所述烧结体包含10-60质量％的Mn、2质量％以下的C和余量的Fe以及不可避免的杂质。由于该活塞具有低热传导部件——所述低热传导部件具有低热传导率和与作为活塞基材金属的铝合金类似的热膨胀特性，所以有效地促进了燃烧室的温度上升和燃料的气化。此外，防止了低热传导部件的热疲劳破坏和脱落。文档编号F02F3/28GK101449046SQ200780018448公开日2009年6月3日申请日期2007年5月22日优先权日2006年5月24日发明者安藤公彦,谷野仁申请人:丰田自动车株式会社