專利名稱：帶有雙金屬圓頂?shù)幕钊闹谱鞣椒?br> 技術領域：
本發(fā)明主要涉及用于鑄造發(fā)動機部件的設備和方法，并且更具體地涉及先進的雙金屬活塞及其制造方法。
背景技術：
在內(nèi)燃發(fā)動機(ICE)中使用的活塞主體通常由圓柱形頭部(也稱作圓頂)、由此向下延伸的可以在其中成形有一個或多個環(huán)槽的裙邊以及槽之間的槽脊構成，槽脊具有與裙邊其余部分面向外的表面相同的徑向外部尺寸。這樣的部件通常由輕質(zhì)材料并且用相對低成本的成形技術制成；在一種優(yōu)選形式中，活塞由鑄造鋁基合金制成。雖然它們要在發(fā)動機運行期間承受燃燒高溫和高壓，但是日益嚴格的排放物要求和效率要求規(guī)定未來的活塞需要被設計用于承受甚至更高要求的運行狀況。這就相應地必須要使用能夠承受更高溫度的材料和耐損的設計。這對用于柴油發(fā)動機中的活塞來說尤其如此，柴油發(fā)動機除了是用于大型商用車輛的主流發(fā)動機形式以外，還日益廣泛地被用于為載客車輛提供動力。類似地，試圖同時最大化動力輸出并最小化燃料消耗的高轉速汽油發(fā)動機(例如四氣缸發(fā)動機，特別是裝有渦輪增壓器的那些)對于更加高溫的燃燒環(huán)境和更加快速的往復式部件的依賴性越來越強，這都給發(fā)動機部件和材料的設計增加了額外的負擔。盡管在從較小的結構中提取更多的動力時預計上述所有的各種活塞部件都要承受額外的熱-機械載荷，但是能夠預期到圓頂由于直接暴露給燃燒過程而特別容易損壞。對于理解在由活塞和氣缸構建的腔室內(nèi)進行的燃燒動力學方面的進步已經(jīng)帶來了形狀更加復雜的活塞圓頂設計，其中交替的凹部和凸臺區(qū)域形成了波紋狀的圓頂表面。燃燒動力學方面的這些改良進一步阻礙了輕質(zhì)合金的使用及其有限的機械和溫度能力，其中已被常規(guī)地用于減輕柴油發(fā)動機活塞重量的鋁合金具有有限的耐熱性和機械耐久性，這使它們不符合更完全(并因此更高溫)的燃燒過程更高的溫度要求。鋼活塞具有忍受極端環(huán)境的能力；但是它們比鋁活塞更重。該重量問題由于與活塞運動相關聯(lián)的高速率和高加速度而加重，這就意味著可能還必須要額外加強輔助結構從而帶來更加不利的重量影響。已經(jīng)進行了很多嘗試以將耐高溫材料的耐熱性與柴油機活塞中鋁基材料的較輕重量結合。然而，盡管復合活塞可以滿足上述目標，但是與其制造相關聯(lián)的困難抵消了它們的很多優(yōu)點。因為長時間以來都是用鑄造件和一些鑄造后的機械加工或相關改造來制造活塞，所以情況更是如此。因而已經(jīng)難以將內(nèi)在的低成本的鑄造方法與活塞中定制的材料配置的靈活性相結合。
正如上述的柴油機活塞一樣，汽油發(fā)動機活塞的圓頂也要暴露在極端溫度下，并且根據(jù)(例如相對平坦或者高度特征化的)圓頂設計也可能要承受與具有燃燒碗或其他表面不規(guī)則形狀的柴油機活塞相同類型的裂紋。另外，汽油發(fā)動機活塞的圓頂通常比柴油機活塞的圓頂更薄，并且因此就更有可能向活塞的其他區(qū)域例如頂部環(huán)槽非?？焖俚貍鳠?。這樣增加的暴露就會增加對環(huán)槽內(nèi)額外措施的需求，例如陽極氧化環(huán)槽或者使用高溫金屬插件以提供足夠的強度。還可以使用冷卻方法。潤滑油路在柴油機和汽油機(特別是后者的渦輪增壓器型式)的活塞中均可被用于冷卻環(huán)槽以及活塞中暴露給高熱載荷的其他部分。盡管例如環(huán)槽插件和潤滑油路等特征提供了很有價值的冷卻功能，但是包括它們更加重了這種高負荷工作的活塞在成本和復雜 性方面的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面是制造柴油機活塞的方法。在一個實施例中，所述方法包括提供用于包括圓頂?shù)幕钊哪Ｐ?；圍繞模型成形活塞鑄模，鑄模包括骨料材料和結合劑；從活塞鑄模中去除模型；將雙金屬環(huán)放置在活塞鑄模中圓頂?shù)纳媳砻嫣?；將熔融金屬引入帶有雙金屬環(huán)的活塞鑄模內(nèi)；使活塞鑄模與用于結合劑的溶劑接觸并去除結合劑和骨料；冷卻熔融的金屬；并且使熔融的金屬固化以成形活塞，雙金屬環(huán)構成圓頂?shù)闹辽僖徊糠稚媳砻?。在本文的背景下，雙金屬環(huán)可以被成形為兩種或多種金屬材料例如不銹鋼上層和鋁基下層構成的層壓制件。本發(fā)明的另一個方面是柴油機活塞。在一個實施例中，柴油機活塞包括主體和圓頂，圓頂?shù)闹辽僖徊糠稚媳砻姘p金屬環(huán)，雙金屬環(huán)包括鋁或鋁合金構成的第一層和不銹鋼構成的第二層，并且其中第二層構成圓頂?shù)闹辽僖徊糠稚媳砻妫谝粚优c主體接合，主體包括招或招合金。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，公開了一種用于內(nèi)燃發(fā)動機的活塞。活塞的圓頂表面被覆以層壓材料。這樣的活塞(與柴油機活塞一樣)優(yōu)選地通過鑄造成形。層壓制件由兩層(或多層)金屬制成以構成雙金屬層、覆蓋件或相關結構。層壓制件的雙金屬特征在耦合至活塞頭部時會很有利，原因在于它們可以隔離活塞的下部區(qū)域避免過熱并且可以為圓頂提供剛性和強度。通過添加本發(fā)明的層壓式活塞覆蓋件即可使與本文中所述高負荷工作的柴油機和汽油機的活塞相關聯(lián)的那些進一步冷卻或相關措施得以簡化，甚至是完全消除。本發(fā)明還提供了如下方案
方案I. 一種用于內(nèi)燃發(fā)動機的活塞，所述活塞界定出基本為圓柱形的主體并且包
括:
在其頂部界定出圓頂?shù)念^部；
設置在至少一部分所述圓頂上的多層金屬層壓制件，所述層壓制件包括鄰接所述圓頂?shù)谋容^不耐高溫的金屬層和設置在所述第一金屬層頂部的比較耐高溫的金屬層；以及從圓頂延伸出并且界定出成形在其中的至少一個環(huán)槽的裙邊。方案2.如方案I所述的活塞，其中所述主體由鋁基材料制成。方案3.如方案I所述的活塞，其中所述圓頂界定出波紋面。方案4.如方案3所述的活塞，其中至少一部分所述波紋面界定出燃燒碗。方案5.如方案I所述的活塞，其中所述比較不耐高溫的金屬層包括鋁基材料。
方案6.如方案5所述的活塞，其中所述比較耐高溫的金屬層包括不銹鋼基材料。方案7.如方案I所述的活塞，其中所述至少一個環(huán)槽包括多個環(huán)槽，其中至少有一個環(huán)槽不含環(huán)槽插件。方案8.如方案I所述的活塞，其中所述主體不含成形在其中的潤滑油路。方案9.如方案I所述的活塞，其中所述層壓制件被成形在基本整個所述圓頂上。方案10.如方案I所述的活塞，其中所述活塞被構造為汽油發(fā)動機活塞。方案11. 一種制造用于內(nèi)燃發(fā)動機的活塞的方法，所述方法包括
提供用于包括圓頂?shù)幕钊哪Ｐ停?br> 在所述模型周圍形成活塞鑄模，所述鑄模包括骨料材料和結合劑；
從所述活塞鑄模去除所述模型；
將多層金屬層壓制件放置在所述活塞鑄模中界定出待成形活塞圓頂上表面的位置； 將熔融金屬引入所述活塞鑄模內(nèi)；
使活塞鑄模與用于所述結合劑的溶劑相接觸并去除所述結合劑和所述骨料；
冷卻所述熔融金屬以使所述層壓制件構成所述圓頂?shù)闹辽僖徊糠稚媳砻?。方?2.如方案11所述的方法，其中所述活塞被構造為汽油發(fā)動機活塞。方案13.如方案11所述的方法，其中所述層壓制件包括雙金屬層，雙金屬層包括鋁基材料構成的第一層和不銹鋼基材料構成的第二層，以使得在所述活塞成形后，所述第二層構成所述圓頂?shù)淖钌蠈颖砻妗７桨?4.如方案13所述的方法，其中所述雙金屬層通過沖壓制成。方案15.如方案11所述的方法，其中所述結合劑是水溶性的，所述溶劑是水并且所述骨料材料是硅砂、鋯砂、鉻鐵礦砂、陶瓷微球或其組合。方案16.如方案11所述的方法，其中使所述活塞鑄模與用于所述結合劑的溶劑相接觸包括用所述溶劑噴淋所述活塞鑄模。方案17. —種制造用于內(nèi)燃發(fā)動機的活塞的方法，所述方法包括
將多層金屬層壓制件放入活塞形狀的鑄模內(nèi)；
將熔融金屬引入活塞形狀的鑄模內(nèi)以使所述熔融金屬接觸所述層壓制件；
消融鑄造所述熔融金屬；
冷卻所述熔融金屬以使得在所述熔融金屬固化之后，所述活塞成形并且界定出基本為單件式的結構，其中所述層壓制件構成界定所述活塞上部的圓頂?shù)闹辽僖徊糠稚媳砻?。方?8.如方案17所述的方法，其中所述活塞是汽油發(fā)動機活塞。方案19.如方案17所述的方法，其中所述圓頂界定出波紋面。方案20.如方案17所述的方法，其中所述層壓制件僅覆蓋一部分所述波紋面。


在結合以下附圖閱讀時可以更好地理解下文對具體實施例的詳細描述，其中相同的結構用相同的附圖標記表示，并且在附圖中
圖I是根據(jù)現(xiàn)有技術的帶有常規(guī)金屬圓頂?shù)牟裼蜋C活塞的頂部透視 圖2是圖I中柴油機活塞的剖視 圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面的活塞的剖視圖，其中圓頂?shù)闹辽倨教共糠质怯呻p金屬材料制成；
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的汽油發(fā)動機型式的活塞；以及 圖5示出了圖4的局部剖視圖以展示內(nèi)部特征以及雙金屬層壓制件的安置情況。
具體實施例方式消融鑄造方法可用于生產(chǎn)帶有包括層壓材料的鑄態(tài)圓頂?shù)幕钊?。使用消融鑄造提供了鑄造帶有近凈形圓頂?shù)幕钊鵁o需其它鑄造工藝所要求的顯著機械加工的可能性。用這種方法，雙金屬鑄態(tài)表面可以被放置在活塞圓頂?shù)闹辽僖徊糠稚稀Ｔ谝环N形式中，該部分可以包括從活塞外周到碗邊沿的平坦區(qū)域。這可能是有利的，原因在于通過使層壓制件的應用僅限于圓頂?shù)钠教辜埽鋸娀艘资芨邿釕Φ膮^(qū)域并提供了一些隔熱方面的好處，同時保持重量的增加最小化。在一種形式中，可以將增加的耐火材料層用作層壓制件層中的一層，而鋁基材料可以用作另一層。在這樣的結構中，較低溫度的鋁基層可以靠向圓頂表面設置，而更加耐熱 的層(例如上述的不銹鋼)可以設置在第一較低溫度層的頂部上。除了相對于鋁增強了對熱載荷的耐性以外，不銹鋼還可以為圓頂提供一定程度的剛性，并且由于其相對于下面的鋁的較低導熱性，它可以用作隔熱層以避免在碗邊沿處形成熱疲勞裂紋。不銹鋼材料還可以為環(huán)槽提供一定程度的隔熱以免受燃燒熱的影響。在一種特定形式中，層壓制件被構造為圓頂插件。使用鑲鑄的插件消除了對通常用于實現(xiàn)非常局域化改善的激光或鎢極惰性氣體(TIG)重熔的需要。在另一種形式中，鑄造方法可以用于構建碗自身。在一種形式中，鑄?？梢杂尚蜕爸瞥?，型砂能夠進行消融鑄造以使得可以輕易且低成本地制造復雜的圓頂形狀，包括帶有凹角特征的那些形狀。首先參照圖I和2，示出了常規(guī)的柴油機活塞1，其中活塞I的頂部終止于頭部(或圓頂)10，圓頂10包括基本平坦的外周部分和凹入的中心部分15。向下延伸的側壁包括成形在其中的多個凹槽20，其下方是朝向活塞I底部延伸的裙邊30，其中活塞I內(nèi)可以成形有活塞銷孔40以接納活塞銷(未示出)。用于柴油機活塞I的圓頂10的合金可能容易發(fā)生早期故障，特別是在沿基本平坦的上部的上方位置以及凹入的中心部分15更容易發(fā)生早期故障。裂紋特別普遍地出現(xiàn)在例如上述幾個位置中，其中溫度體制和制造限制可能不夠充分。用于增加通過活塞I的冷卻劑流量的特征可以包括例如具體在圖2中示出的通過潤滑劑通道47供給的潤滑油路45。類似地，用于增加強度的特征可以包括設置在一個或多個油環(huán)槽20內(nèi)的插件(例如頂部環(huán)槽插件23)。接下來參照圖3，示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面的柴油機活塞50。燃燒碗95構成了圓頂70上表面內(nèi)的凹陷或中心凹入部分。在這種設計中，總的來說是圓頂70的上表面，并且具體來說是基本平坦的外周75，可以包括雙金屬環(huán)形層壓制件55。在一個實施例中，雙金屬環(huán)55是包括鋁或鋁合金構成的下層60以及更加耐熱的材料例如不銹鋼構成的上層65的層壓制件。在一種優(yōu)選形式中，雙金屬層壓制件的總厚度可以是約4_到約6_，其中鋁質(zhì)部分占總厚度的約10-20%，不過也可以采用其他的厚度和鋁的百分比。在一種形式中，層壓環(huán)55可以通過沖壓制成。在另一個實施例中，層壓環(huán)55可以由能夠涂覆有薄鋁層(例如小于約100微米，或者更具體地在約25微米到約50微米之間)的不銹鋼環(huán)(約4毫米到約6毫米厚)構成。層壓環(huán)55可以被理解為在其中在上表面內(nèi)的波紋要么是最少、漸變的或(在上表面基本平坦的情況下)不存在的結構(未示出)中基本上覆蓋圓頂70的整個上表面。在一種優(yōu)選的制造方法中，層壓制件55可以通過將該層壓制件55作為插件放入鑄模(例如型砂鑄模)中而與活塞50的其余部分鑄造在一起，其中層壓插件55的下層60可以是低熔點的鋁合金，其能夠冶金地接合至鑄模內(nèi)使用的用以制成圓頂70的合金。層壓制件55的厚度足以確保不銹鋼材料65包圍燃燒碗95的邊沿?？蛇x地，可以進行一些少量的邊緣機械加工以提供更加圓化的邊緣用于減少應力集中。不銹鋼層65不僅可以提供如上討論的熱益處，而且它光滑的表面光潔度也可以額外地最小化應力集中的出現(xiàn)。使用消融鑄造工藝應該在整體上產(chǎn)生更加精細的微結構，這就導致增強了活塞50性質(zhì)。例如，與消融鑄造相關聯(lián)的更快冷卻導致更加精細的微結構和更好的機械性質(zhì)(正如更小的二次枝晶間距(SDAS)所證實的那樣)。 如具體在圖3中所示，消融鑄造方法可以被用于生產(chǎn)活塞50，其帶有包括鑄態(tài)形式的底切燃燒碗95的圓頂70。可選的內(nèi)部冷卻通道80 (可以基本類似于潤滑油路45并且包括基本類似于通道47的潤滑油供給通道，二者均在圖2中示出)也可以根據(jù)冷卻要求被整體成形。消融使用無機(即水溶性)型芯，并且水被噴灑在鑄模上將其緩慢地沖走(因此術語稱為“消融”)，快速地冷卻鑄件?？焖倮鋮s產(chǎn)生改進的機械性質(zhì)并且如上所述消融鑄造允許生產(chǎn)具有精細固化微結構的復雜零件。水的應用允許彼此單獨地控制部件固化和冷卻(例如通過將水加至鑄件的特定區(qū)域然后再加至其他區(qū)域或者通過向不同的區(qū)域加不同量的水)。通過提供實現(xiàn)整個剖面更高的機械性質(zhì)(例如在室溫和高溫下的拉伸性質(zhì)和疲勞性質(zhì))經(jīng)常所需的高固化速率和改善的微結構，消融鑄造允許成形復雜的零件例如那些兼有薄厚剖面的零件，以及那些帶有復雜內(nèi)芯的零件。整個剖面的性質(zhì)比利用碗邊沿重熔制成的那些剖面更優(yōu)，碗邊沿重熔提供的期望精細微結構只能達到表面以下的微小深度(例如幾毫米)。消融鑄造工藝總體在美國專利7121318中進行了介紹，通過引用將其并入本文。用一種材料構成模型，并且圍繞該模型的至少一部分成形鑄模。鑄模由骨料材料和結合劑制成。將模型從鑄模中去除，并且隨后向鑄模內(nèi)引入熔融的金屬。鑄模與溶劑接觸，并且將熔融的金屬冷卻以使其至少部分地固化從而形成鑄件。冷卻步驟包括使熔融金屬周圍固化的金屬殼與溶劑接觸。其他的鑄造形式也是已知的。例如參見美國專利7164963、7618823和7225049，其中每一篇都描述了用于消失模鑄造(lost foam casting)(消融鑄造的一種類型)的分析方法，并且通過引用將它們都并入本文。不過，本申請的發(fā)明人并不關注使用這些或者任何其它形式的消融鑄造中的任一種來形成一般意義的柴油機活塞，并且更具體地說是帶有底切燃燒碗的柴油機活塞。如本文中所討論的使用消融鑄造提供了鑄造帶有近凈形圓頂?shù)幕钊鵁o需其它工藝所要求的顯著機械加工的可能性。這就相應地允許同時鑄造圓頂70和燃燒碗95。在一種特定的形式中，底切碗95和內(nèi)部通道(例如冷卻通道80)可以利用骨料一次性鑄模生產(chǎn)，該鑄?？梢岳描T造模具中可伸縮的工具通過常規(guī)型芯技術生產(chǎn)。在本文的背景下，鑄造介質(zhì)的骨料形式包括但不限于硅砂、鋯砂、鉻鐵礦砂、陶瓷微球等。與本發(fā)明相關聯(lián)的益處包括降低機械加工成本，改善用于提高機械性質(zhì)的鑄態(tài)微結構，利用型砂(或相關)鑄造工藝來定制底切區(qū)域(例如圖3中結合燃燒圓頂95示出的區(qū)域)，減輕鑄件重量以及消除對內(nèi)部鹽芯的需求等。常規(guī)鹽芯可以用與活塞鑄模相同材料的骨料芯代替。提高材料產(chǎn)出可以通過消除經(jīng)常被用作永久鑄模鑄造操作的一部分的大冒口來實現(xiàn)。具體地，通過使用消融鑄造方法，固有的高冷卻速率能夠允許將活塞50成形為具有均勻的微結構和相關的結構性質(zhì)。
除了更精細的微結構和增強的活塞性質(zhì)以外，使用消融工藝允許將更為精細的細節(jié)鑄造在零件中，包括復雜的冷卻通道例如潤滑油路(冷卻通道)80。該工藝減少或消除了對在圓頂70周圍區(qū)域內(nèi)鑄造后的機械加工的需求，特別是當其涉及碗口 95的底切區(qū)域時更是如此。因為消融鑄造是生產(chǎn)完備的，所以擴大規(guī)模以制造大量的活塞或相關的部件就相對簡單。可采用骨料一次性鑄模來允許將活塞圓頂?shù)娜紵胍约皾櫥屠鋮s油路成形為鑄件的一部分。將消融鑄造用于柴油機活塞50有助于通過減少或消除對昂貴的二次處理(例如機械加工或重熔)的需求而實現(xiàn)顯著的微結構改善。在希望改善微結構的情況下，例如碗95的邊緣或活塞50的其它復雜3D區(qū)域，可以局部地(在圓頂?shù)浊袇^(qū)域中)進行鎢極惰性氣體(TIG)或激光重熔。后續(xù)的機械加工例如用以產(chǎn)生碗邊緣準確形狀的操作可以被類似地減少或消除。在一種形式中，本發(fā)明利用消融鑄造工藝來消除在活塞圓頂處對大冒口的需求。更加快速且均勻地冷卻圓頂?shù)哪芰撛鰪姍C械性質(zhì)。具體地，一次性骨料鑄模應該允許將燃燒碗95鑄態(tài)成形。而且，骨料鑄模材料也可以被用于成形頂部環(huán)槽后方的潤滑油路80以消除對鹽芯的需求。這額外地允許了活塞50的快速原型設計從而能夠改進總體的開發(fā)測試。下面參照圖4和圖5，示出了根據(jù)本發(fā)明的另一方面的汽油機型式的活塞100。汽油機活塞100包括具有凹口區(qū)域115的圓頂或頭部110，凹口區(qū)域115基本類似于圖3中所示柴油機活塞50的碗95，還包括成形在其上表面內(nèi)的其他高度特征化的輪廓、表面或相關形狀。盡管圖示圓頂110的上表面是高度特征化的，但是本領域技術人員應該意識到本發(fā)明可以等價地應用于具有更簡單(也就是平坦)圓頂表面的活塞。圓頂110還包括沿活塞100基本為圓柱形的輪廓向下成形的多個離心凹槽120 ;這些凹槽(分別被示為環(huán)槽122，124和126)被用于壓縮環(huán)和油環(huán)。正如圖I至圖3中的柴油機活塞50 —樣,最上方的環(huán)槽122被暴露給最高的熱載荷，并且因此也可以包括環(huán)槽插件(未示出，但是總體類似于圖2的柴油機活塞50內(nèi)示出的環(huán)槽插件23)以用于在活塞承受載荷的需求特別苛刻的情況下使用。也可以使用更多的特征例如噴油器(未示出)來冷卻活塞100。在這種設計中，圓頂110的上表面被雙金屬環(huán)150覆蓋，雙金屬環(huán)150制成為在不銹鋼(例如300系列不銹鋼)或相關耐熱合金152以下有鋁或鋁合金154的層壓制件。如具體在圖5中所示的那樣，潤滑油路160可以用適應活塞100上更高的燃燒溫度和更高應力的方式使用，其中這樣的油路可以被鑲鑄。包含雙金屬層壓制件150通過優(yōu)選地減小此類油路、環(huán)插件或噴油器的尺寸或復雜性或者更加優(yōu)選地完全取消此類油路、環(huán)插件或噴油器而有助于簡化活塞100。如上所述，頭部110高度特征化或輪廓化的本質(zhì)源于成形能夠優(yōu)化燃燒過程的方式，其中凹口區(qū)域115可以構成與燃燒曲線的最有效部分相一致的燃燒碗。盡管柴油機活塞50和汽油機活塞100都概念性地被示出為具有成形在相應頭部內(nèi)的三個環(huán)20，120，但是應該意識到可以有更少或更多數(shù)量的這種環(huán)，特別是對于柴油機活塞50來說更是如此，其中可以使用多達五個環(huán)。裙邊130從頭部110向下延伸，并且包括活塞銷孔140以接納活塞銷(未示出)，活塞銷被耦合用于連接桿和曲軸(二者均未示出)。在一種形式中，雙金屬層壓制件150可以在鑄造后沖壓為扁平的圓盤并且隨后機械加工為最終的圓頂形狀，或者直接鑄造為圓頂形狀并將機械加工限制為去除鋁鑄余料以露出層壓制件。不銹鋼層152相對較差的導熱性可以隔離頂部環(huán)槽122和其他的關鍵區(qū)域，從而有可能消除對插件、油路(例如潤滑油路160)和噴油器的需求。即使加有不銹鋼層152也可以優(yōu)化活塞設計(質(zhì)量)。鑄造成在圓頂表面內(nèi)有雙金屬環(huán)150的活塞100可以通過多種鑄造工藝中的任何一種生產(chǎn)，包括上述的消融工藝以及通過永久鑄模和半永久注模鑄造。對于大批量活塞生 產(chǎn)來說更為典型的永久鑄?；虬胗谰米⒛ｈT造工藝也可以在活塞100的圓頂110上包含有層壓(也就是雙金屬)材料時使用。層壓材料150可以在金屬注入之前就固定在鑄造模具內(nèi)，并且圓頂110的最終形狀可以通過機械加工以露出層壓材料150的表面而獲得。因此，性質(zhì)和微結構都具有目前生產(chǎn)活塞的典型特征。要考慮的重要問題包括(a)雙金屬層壓材料150在模具內(nèi)的定位以使形狀可以準確取向，以及不銹鋼層152將位于圓頂110的暴露表面上；(b)使用剖面足夠厚的雙金屬材料150以允許機械加工(清理)圓頂110的表面從而去除過量的鑄鋁并以正確的最終形狀細部露出不銹鋼；以及(c)使用非破壞性的檢驗方法來評估雙金屬材料的鋁質(zhì)側面和鑄造鋁合金表面之間的結合程度。應當注意的是例如“優(yōu)選地”、“一般地”和“通常地”這樣的術語在本文中不是用于限制所要求保護發(fā)明的范圍或用于暗示某些特征對所要求保護的發(fā)明的結構或功能來說是關鍵的、必要的或者甚至是重要的。相反，這些術語僅僅是用于強調(diào)可選的或附加的特征，這些特征可以被用于或者也可以不被用于本發(fā)明的特定實施例中。為了描述和定義本發(fā)明的目的，應當注意到術語“設備”在本文中被用來代表部件的組合和單獨的部件，無論這些部件是否與其它部件相組合。類似地，術語“基本上”在本文中被用于表示固有的不確定度，這個不確定度可歸因于任何定量的比較、數(shù)值、測量或其它表示。術語“基本上”在本文中還被用于表示一種程度，定量表示可從所述參考點開始改變而不會導致所討論主題的基本功能變化的程度。盡管已經(jīng)為說明本發(fā)明而示出了某些代表性的實施例和細節(jié)，但是對于本領域技術人員來說顯而易見的是無需脫離本發(fā)明由所附權利要求界定的保護范圍即可進行各種改變。
權利要求
1.一種用于內(nèi)燃發(fā)動機的活塞，所述活塞界定出基本為圓柱形的主體并且包括 在其頂部界定出圓頂?shù)念^部； 設置在至少一部分所述圓頂上的多層金屬層壓制件，所述層壓制件包括鄰接所述圓頂?shù)谋容^不耐高溫的金屬層和設置在所述第一金屬層頂部的比較耐高溫的金屬層；以及從圓頂延伸出并且界定出成形在其中的至少一個環(huán)槽的裙邊。
2.如權利要求I所述的活塞,其中所述主體由鋁基材料制成。
3.如權利要求I所述的活塞，其中所述圓頂界定出波紋面。
4.如權利要求3所述的活塞，其中至少一部分所述波紋面界定出燃燒碗。
5.如權利要求I所述的活塞，其中所述比較不耐高溫的金屬層包括鋁基材料。
6.如權利要求5所述的活塞，其中所述比較耐高溫的金屬層包括不銹鋼基材料。
7.如權利要求I所述的活塞，其中所述至少一個環(huán)槽包括多個環(huán)槽，其中至少有一個環(huán)槽不含環(huán)槽插件。
8.如權利要求I所述的活塞，其中所述主體不含成形在其中的潤滑油路。
9.一種制造用于內(nèi)燃發(fā)動機的活塞的方法，所述方法包括 提供用于包括圓頂?shù)幕钊哪Ｐ停? 在所述模型周圍形成活塞鑄模，所述鑄模包括骨料材料和結合劑； 從所述活塞鑄模去除所述模型； 將多層金屬層壓制件放置在所述活塞鑄模中界定出待成形活塞圓頂上表面的位置； 將熔融金屬引入所述活塞鑄模內(nèi)； 使活塞鑄模與用于所述結合劑的溶劑相接觸并去除所述結合劑和所述骨料； 冷卻所述熔融金屬以使所述層壓制件構成所述圓頂?shù)闹辽僖徊糠稚媳砻妗?br> 10.一種制造用于內(nèi)燃發(fā)動機的活塞的方法，所述方法包括 將多層金屬層壓制件放入活塞形狀的鑄模內(nèi)； 將熔融金屬引入活塞形狀的鑄模內(nèi)以使所述熔融金屬接觸所述層壓制件； 消融鑄造所述熔融金屬； 冷卻所述熔融金屬以使得在所述熔融金屬固化之后，所述活塞成形并且界定出基本為單件式的結構，其中所述層壓制件構成界定所述活塞上部的圓頂?shù)闹辽僖徊糠稚媳砻妗?br> 全文摘要
本發(fā)明涉及帶有雙金屬圓頂?shù)幕钊Ｒ环N帶有鑄造雙金屬圓頂特征的活塞和一種制造活塞的方法。在一種形式中，活塞用于在柴油發(fā)動機中使用，而在另一種形式中，活塞則用于在汽油發(fā)動機中使用。圓頂特征可以包括相對耐高溫的材料(例如不銹鋼)和相對耐低溫的材料(例如鋁或鋁合金)構成的層壓制件以使由相對耐高溫材料制成的圓頂部分直接暴露給在其中設置活塞的氣缸內(nèi)進行的燃燒。在另一種形式中，涂有鋁的不銹鋼層被用于構成圓頂。在一種形式中，消融鑄造工藝可以被用于加工圓頂。
文檔編號B22D19/16GK102787937SQ20121015530
公開日2012年11月21日 申請日期2012年5月18日 優(yōu)先權日2011年5月19日
發(fā)明者J.C.科普基克, M.A.奧斯博恩 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責任公司