CN105451910A - 能够被渗透的***件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于内燃机的铸造活塞的***件，所述***件能够被渗透并且由烧结材料制成。所述***件由粉末制造，所述粉末至少包括铁并且优选地还包括镍和铜或者镍的合金和铜的合金。所述烧结材料包括不同颗粒尺寸的颗粒，并且至多烧结颗粒的4％的体积具有小于75μm的直径。因此，能够实现烧结材料的更高和更粗糙的有孔率，以及活塞的铸造材料与***件之间的改善的接合。

Description

能够被渗透的***件
技术领域
本发明涉及用于铸造内燃机的轻量金属活塞的***件，所述***件能够被渗透。本发明还涉及用于使用这样的***件制造轻量金属活塞的方法。
背景技术
轻量金属活塞由于其较低的重量以及减小的惯性力而已经长期被使用在内燃机中。为了保护这样的轻量金属活塞，特别是铝活塞的第一环槽免于受到膨胀压力负荷，使用了“环载体”形式的加强件。可制造这样的环载体的材料特别包括例如具有与活塞材料的膨胀系数尽可能相似的膨胀系数的铁合金。然而，由于例如铁合金与铝合金具有非常不同的导热性能，颠倒的热负荷能够在边界表面处引起强应力，并且用于产生两种材料的热膨胀系数之间的差异的这些增加中的一个用于活塞，其他的用于环载体。形成在环载体与活塞之间的裂缝通常导致发动机发生故障并因此必须不惜代价地防止这种情况发生。环载体与活塞之间的接合处在已知的阿尔芬铸塑工序中通常使用金属材料制作，在所述阿尔芬铸塑工序中环载体浸入熔化的铝中直到形成扩散层。然后，当铸造活塞时该经过阿尔芬铸塑处理的环载体被熔化的活塞合金包围，并且在随后的凝固期间形成阿尔芬接合。
由于在现代柴油发动机中占优势的高点火压力，特别是用于此、在第一环槽处使用铸铁环载体进行加强的活塞，通常由奥氏体制成。汽油发动机中的朝向定向燃料注射的趋势结合升高的点火压力于是也要求比标准活塞合金所能够提供的第一环槽中的耐磨性更有效的第一环槽中的耐磨性。同时，活塞的轻量金属与其中的环载体之间的接合也特别重要。
从DE3418405C2已知用于制造内燃机的铝活塞的复合模具铸造工序，在所述铝活塞中，由具有活塞的3％至50％的体积比的镍、铜、铁或者其合金的金属泡沫制成的环载体在高压模具铸造工序中在至少392巴的铸造压力下被渗透以与活塞合金形成接合。在随后的多级热处理工序中可创建冶金接合，例如固溶退火、陈化等。
从DE19635326A1已知制造轻量合金复合元件的方法，在所述方法中，起初有孔的复合形成材料被保持在铸造模的空心空间中。然后，通过施加气压使熔化的轻合金在铸造模的空心空间中铸造，所述气压使有孔的复合形成材料的孔被灌注熔化的轻合金。结果，由轻量合金与复合形成材料制成的复合金属部分被创建。
在文献DE2639294C2中，描述了为了25％至38％的活动的高有孔率以用作环载体而在2500与1000巴之间的凝固压力下使用铬-镍基以及铜、镍、铁、镍-铁泡沫材料渗透的各种多孔烧结材料。
发明内容
本发明解决如下问题：建议一种改进的***件的实施方式，该改进的实施方式特别能够使所述零件更有效地被渗透。
该问题根据本发明通过独立权利要求的主题解决。有益的实施方式代表相应的从属权利要求的主题。
本发明基于如下主要构思：以针对用于能够被渗透的***件的烧结材料的新的筛选线(screeningline)的方式使用全新的颗粒组分挑选粉末，以便活动的有孔率被大大地改善并且因此由所述烧结材料制成的***件的被渗透能力也被大大地改善。这例如通过更加密切地限定筛选线来实现，也就是说个别的颗粒的尺寸分布被创建得比平常更加均匀，并且因此使得制成烧结材料的烧结粉末被创建得比平常更加均匀。根据本发明使用的粉末至少包含铁或铁合金，优选也可以是镍、铜或二者的合金，并且同时具有不同颗粒大小的颗粒，其中少于百分之四的体积的粉末由具有小于75μm的直径的颗粒组成。在本文中，至少粉末的28％的体积，优选至少粉末的50％的体积并且在特别优选的实施例中至少粉末的88％的体积包含具有大于150μm的直径的烧结颗粒。因此，粉末状的烧结材料可制成比平常更粗糙，其中90％的烧结颗粒通常具有小于150μm的直径。除了将具有小于75μm的直径的颗粒限制为不超过4％的体积的水平以外，将个别的颗粒的尺寸分布限定得更窄，其中，如事先发生的，阈值以下的颗粒尺寸的限制特别限制为阻碍孔的程度，因此使孔成为不能用于渗透的。颗粒尺寸的低界限的如此严格的限制并不设置于传统的烧结材料中，这意味着也实现了存留在较大烧结颗粒之间的孔的显著高等级的填充。
具体实施方式
根据本发明，用于***件的烧结材料的粉末具有0％-4％的具有0-75μm的直径的颗粒的体积分数。在一个实施例中，具有75-106μm的直径颗粒占不多于10％的体积，优选地不多于粉末的体积的2％。另外，在特别优选的实施例中，不多于粉末的6％的体积包括具有从106-150μm的范围的直径的颗粒。因此，在该优选的实施例中至少88％的粉末的体积具有大于150μm的颗粒直径。即使通过这种粉末的最纤细成分的窄的限制，已经能够确保留存在烧结材料中的个别的颗粒之间且当铸造轻量金属活塞时能够被随后的轻量金属渗透的孔不被完全填充，以便这些孔可用于轻量金属的渗透，从而在***件之间创建显著改进的接合，所述***件可具有例如环载体、凹陷边界或者活塞中的吊环螺栓圈的形式。
为了这个目的，在一个实施例中，至少50％的粉末的体积具有106-122μm的直径的颗粒。相对窄的颗粒尺寸带宽内的高粉末分数促进高有孔率的形成并因此也促进能够容易地被渗透的烧结材料的形成。在另一个实施例中，具有大于212μm的直径的颗粒占其至少50％的体积。大颗粒的高百分比意味着创建了具有更粗糙的孔的结构，该结构也便于渗透。
为了特别的目的，根据本发明的适于制造烧结材料的粉末具有直径从106-150μm的颗粒的从0.5％-0.6％的体积分数。特别地，所述较低的限制清楚地示出了在这样的筛选线或者颗粒尺寸分布的情况下，用于完全填充需要渗透的孔的非常纤细的颗粒完全不存在或者仅以不充分的程度存在。以这种方式，例如可确保根据本发明的由烧结材料制造(也就是说烧结)的***件的50％-80％具有孔，也就是说50％-80％的有孔率，该***件可选地至少部分地被轻量金属填充。针对颗粒尺寸而言，如果粉末相对均匀，这不仅使制造出的烧结材料的有孔率上升，而且个别的孔也实质上更大，这进一步改善了其允许熔化的轻量金属流过它的性能。
在根据本发明的技术方案的进一步优选的实施例中，至少烧结材料的个别的烧结颗粒涂覆有例如树脂的粘合剂，这增加了未成熟的稳定性并在烧结期间被烧制。在未成熟本体压紧后，然而，树脂保持烧结颗粒彼此压紧，因此改善了压紧后的未成熟本体的强度。这样的树脂因此增加了初始未烧结的***件的形状逼真度，并因此便于其的免破坏处理。粘合剂或者树脂因此表现了降低***件的有孔率的个别的颗粒的涂覆，削弱了渗透并且因此在随后的轻量金属活塞的铸造期间也削弱了活塞的轻量金属与***件之间的接合。然而，当***件被烧结时，粘合剂使树脂燃烧，使得被占据的有孔率再次空闲，以便能够用于渗透处理。可替换地，可以安排粘合剂以便在烧结期间在除了氧化反应以外的化学反应中发生分解。为了这个目的，另一种合适的气体，例如吸热性气体(endogas)在烧结期间代替空气被引入。
在根据本发明的技术方案的有益的改进中，***件的密度在大约2.5-4.7g/cm3的范围中。例如铝的密度大约为2.7g/cm3，以便当***件被轻量金属渗透时，铝例如总能实现小于5g/cm3的密度。因此，***件的高有孔率以及相对低的密度以比由铁合金制造的固体铸件显著小的量增加了轻量金属活塞的重量。
本发明还涉及例如使用前述的***件制造轻量金属活塞、镁活塞或者铝活塞的方法，在所述方法中，在大约-0.5-15巴的铸造压力下液态轻质金属被引入铸模并且布置在铸模中的***件被渗透。在优选的实施例中，使用了具有硅和/或铜的铝的亚共晶合金。这防止了硅相或者铜相的形成，这可特别发生在亚共晶的铝合金中。这是不期望的，因为通过相在其表面上收集的结果，烧结材料可用作过滤器，烧结材料的孔不允许这些相在渗透期间通过。因此形成的层使***件从铸造活塞本体分离并且形成导致零件被排斥或者随后的活塞的失效的弱点。轻量金属活塞的铸造可通过或者不通过反压力而实施，其中铸造压力应至少比反压力高0.1巴。
在根据本发明的技术方案的进一步有益的实施例中，轻量金属活塞，例如铝活塞在缓冲气体下被铸造，特别使用氮气或者氩气。以这种方式，在铸造期间能够防止轻量金属的氧化，其中这样的轻量金属的不期望的氧化能够通过氧化物导致烧结材料孔的阻碍，并且因此也可使其更难以实现如前所述的***件的好的渗透以及其与活塞本体的机械接合。缓冲气体的使用有助于防止氧化，这因此改善了***件的渗透。
如果铸造活塞是固熔退火的和/或过度陈化的，那则是有效的。特别是对于铝合金，固熔退火能够导致所谓的沉淀硬化的现象，这有助于增加轻量金属活塞的强度。在本文中，矫正可以理论上发生在三个阶段，也就是说实际的固熔退火、淬火以及随后的陈化(加热或冷却)。固熔退火在从接近480℃到超过50℃的温度实施，其中足够量的铝元件已经熔解为混合的晶体所处的温度被选择，以便在淬火和陈化之后产生硬化的效果。这样的铝合金的过度陈化也可以在相似的方式中实施。
在铸造铝活塞的同时，通常对铸模进行通风，以防止铸模被完全填充，并且能够实现***件的最佳的渗透处理。

Claims (16)

1.一种用于内燃机的铸造活塞的***件，其由包含至少铁或者铁的合金的粉末制成，所述***件能够被渗透，并且其中所述粉末包含具有不同颗粒尺寸的颗粒，并且所述粉末的至多4％的体积由具有小于75μm的直径的颗粒组成。
2.根据权利要求1所述的***件，
其特征在于
所述粉末包括不超过10％的具有75-106μm的直径的颗粒的体积分数。
3.根据权利要求2所述的***件，
其特征在于
所述粉末包括不超过2％的具有从75至106μm的直径的颗粒的体积分数，并且
所述粉末包括不超过6％的具有从106至150μm的直径的颗粒的体积分数。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的***件，
其特征在于
所述粉末包含至少28％的具有大于150μm的直径的颗粒的体积分数。
5.根据权利要求4所述的***件，
其特征在于
所述粉末包含至少50％的具有大于150μm的直径的颗粒的体积分数。
6.根据权利要求5所述的***件，
其特征在于
所述粉末包含至少88％的具有大于150μm的直径的颗粒的体积分数。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的***件，
其特征在于
所述粉末包含至少50％的具有从106至212μm的直径的颗粒的体积分数。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的***件，
其特征在于
所述粉末包含至少50％的具有大于212μm的直径的颗粒的体积分数。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的***件，
其特征在于
所述粉末还包含镍、铜或者镍的合金、铜的合金。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的***件，
其特征在于
至少个别的烧结颗粒涂覆有粘合剂，特别是树脂，以被设计为创建适于在烧结前处理未成熟的主体的未成熟的稳定性，以及在烧结期间被燃烧。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的***件，
其特征在于
经过烧结的***件的体积的50％-80％具有孔。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的***件，
其特征在于
所述***件为环载体、吊环螺栓圈的形式或者作为活塞的凹陷边界。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的***件，
其特征在于
所述***件具有大约2.5-4.7g/cm3的密度。
14.一种用于使用根据权利要求1至13中任一项所述的***件制造铝活塞的方法，在所述方法中，液态铝在大约-0.5至15巴的铸造压力下被引入到铸模中，并且渗透布置在所述铸模中的***件。
15.根据权利要求14所述的方法，
其特征在于
所述铝活塞的铸造发生在缓冲气体下，特别是氮气或者氩气，和/或
所述铸造发生在反压力下，其中所述反压力比所述铸造压力低0.1巴。
16.根据权利要求15所述的方法，
其特征在于
所述铸造活塞为固熔退火的或者过度陈化的。
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