活塞的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于內(nèi)燃機(jī)的活塞（2）。本發(fā)明的關(guān)鍵在于位于曲軸側(cè)的活塞（2）的區(qū)域設(shè)置有導(dǎo)熱涂層（5），所述導(dǎo)熱涂層是通過(guò)熱噴法噴上去的。因此，可以在生產(chǎn)線上經(jīng)濟(jì)地實(shí)施導(dǎo)熱涂層（5）。
【專利說(shuō)明】活塞
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1前序部分的內(nèi)燃機(jī)用活塞。
【背景技術(shù)】
[0002]EP0035290A1公開(kāi)了一種普通的內(nèi)燃機(jī)用活塞，其包括一個(gè)上部結(jié)構(gòu)和一個(gè)下部結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)由鐵質(zhì)材料構(gòu)成，下部結(jié)構(gòu)通過(guò)常規(guī)手段連接到上部結(jié)構(gòu)。一個(gè)環(huán)被置于上部結(jié)構(gòu)的下側(cè)并靠在下部結(jié)構(gòu)的相應(yīng)表面上，所述環(huán)包圍冷卻管的徑向內(nèi)周界以及上部結(jié)構(gòu)中的冷卻室,冷卻管的徑向內(nèi)周界的開(kāi)口朝向連接面,上部結(jié)構(gòu)中的冷卻室通過(guò)徑向布置的冷卻液孔與冷卻管相連接，其開(kāi)口朝向連接面。為了能夠提高上部結(jié)構(gòu)最熱區(qū)域的冷卻效果以及分布在環(huán)上的溫度調(diào)整，冷卻管的頂壁涂覆高導(dǎo)熱性材料。
[0003]現(xiàn)代的活塞通常被冷卻以獲得較高的發(fā)動(dòng)機(jī)性能，并且在活塞的上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)之間有一個(gè)大致環(huán)形的冷卻管。為了釋放內(nèi)燃室中的熱能，利用冷卻管中流通的冷卻液(例如油)來(lái)釋放活塞上部結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的熱量。然而，上部結(jié)構(gòu)中的熱量分布非常不均，由此，不僅會(huì)在活塞中產(chǎn)生熱壓，而且通過(guò)冷卻管中流通的冷卻液來(lái)達(dá)到最佳的散熱性也至少會(huì)變得困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]因此，本發(fā)明關(guān)注的問(wèn)題是提供一種普通活塞的改進(jìn)的或至少替換的實(shí)施方式，其具有非常好的散熱性。
[0005]根據(jù)本發(fā)明，該問(wèn)題由獨(dú)立權(quán)利要求的保護(hù)主題來(lái)解決。有利的實(shí)施方式構(gòu)成從屬權(quán)利要求的主題。
[0006]本發(fā)明基于這樣一種基本構(gòu)思，提供一種位于內(nèi)燃機(jī)的曲軸上的活塞，其表面通過(guò)熱噴法噴涂有導(dǎo)熱涂層，優(yōu)選冷氣噴涂，其具有較高的處理速度，并且可以在生產(chǎn)線上非常經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的導(dǎo)熱涂層除了可以在活塞中，優(yōu)選面向內(nèi)燃室的活塞上部結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)均勻的熱分配以外，還可以進(jìn)一步避免所謂的“熱點(diǎn)”。當(dāng)該導(dǎo)熱涂層布置在活塞中的冷卻管區(qū)域時(shí)，還可以獲得朝向冷卻管的冷卻介質(zhì)的散熱指標(biāo)以及活塞自身的冷卻改進(jìn)。通過(guò)活塞冷卻性能的改進(jìn)，還可以避免潤(rùn)滑油的焦化或者至少減少所述焦化的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)冷氣噴涂方法，還可以制作無(wú)孔涂層。
[0007]在本發(fā)明的一個(gè)進(jìn)一步有利的改進(jìn)中，通過(guò)冷氣噴涂的方法將導(dǎo)熱涂料噴到位于曲軸側(cè)的活塞區(qū)域上。由于顆粒碰撞將要涂覆的表面的較大動(dòng)能，他們與基層(承載層)相互結(jié)合，以便導(dǎo)熱涂料可以非常牢固地粘附在要涂覆的表面上。導(dǎo)熱涂料可以是無(wú)氧化物且非常緊密。在噴涂過(guò)程中，活塞本身不會(huì)被加熱，因此也不會(huì)膨脹。所有這些因素對(duì)于本發(fā)明的活塞的熱穩(wěn)定性以及機(jī)械穩(wěn)定性具有積極的影響，其中，熱穩(wěn)定性與機(jī)械穩(wěn)定性可以被導(dǎo)熱涂層中的材料積極地影響。
[0008]尤其是銅和銀具有高導(dǎo)熱性，由此對(duì)熱穩(wěn)定性具有積極地影響。通常，在冷氣噴涂中，涂料以粉末形式高速地噴在要涂覆的表面上，加熱至100°c的處理氣體通過(guò)在拉瓦爾噴管中的膨脹而被加速至超音速，然后粉末顆粒被注入噴氣機(jī)。與其他熱噴法相反，這些注入的噴涂顆粒在此被加速至一個(gè)較高的速度，它們形成一個(gè)位于基層(即要噴涂的表面)上的高密度的、牢固的粘附層，即便是沒(méi)有進(jìn)行預(yù)先的表面熔合或熔接。然而，噴涂顆粒撞擊要噴涂的表面時(shí)的動(dòng)能還不足夠用于噴涂顆粒的完全熔合。通過(guò)冷氣噴涂法，可以經(jīng)濟(jì)地且牢固粘結(jié)地實(shí)施本發(fā)明的導(dǎo)熱層。此外，冷氣噴涂具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，其涉及純粹的動(dòng)力或機(jī)械噴涂法，其中，沒(méi)有給要噴涂的工件帶來(lái)熱量。該噴涂方法沒(méi)有氧化風(fēng)險(xiǎn)，而其他的噴涂方法具有氧化風(fēng)險(xiǎn)，這是極其有利的，因?yàn)檠趸蟮耐繉拥膶?dǎo)熱性能比純材料的導(dǎo)熱性能明顯低。
[0009]一種替代的熱噴法例如可以是等離子噴鍍，其中一個(gè)陽(yáng)極和三個(gè)陰極在等離子噴槍中彼此間隔開(kāi)一個(gè)較窄的空隙。通過(guò)直流電在陽(yáng)極和陰極之間產(chǎn)生一個(gè)電弧，其中，流經(jīng)等離子噴槍的氣體直接經(jīng)過(guò)電弧并且被電離。分離或電離產(chǎn)生具有陽(yáng)離子和電子的高熱導(dǎo)電氣體，涂料注入該氣體中，并且立即被高等離子溫度溶合。等離子流帶走涂料并將其甩在要噴涂的表面上。當(dāng)然，在所有提到的熱噴法中，在施加導(dǎo)熱涂料前，可施加一個(gè)粘合層，其具有比如鋁和/或鎳。該粘合層可以為IOOym厚。
[0010]通常，本發(fā)明的通過(guò)熱噴法實(shí)施的導(dǎo)熱涂層不僅可以用于復(fù)合材料的活塞，還可以用于單片活塞和奧托活塞。用于導(dǎo)熱涂料的熱噴尤其是冷氣噴涂的優(yōu)點(diǎn)在于具有很高的經(jīng)濟(jì)性，而且通過(guò)導(dǎo)熱涂料可使散熱性達(dá)到最佳，由此具有較高的功率密度，尤其是應(yīng)用在客車時(shí)。通過(guò)冷氣噴涂，導(dǎo)熱涂層可完全通過(guò)機(jī)械方法實(shí)施，沒(méi)有額外的能量輸入，由此，可排除因氧化而降低導(dǎo)熱性的風(fēng)險(xiǎn)。
[0011]本發(fā)明的其他重要特征和優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在附加的權(quán)利要求、附圖和相應(yīng)的【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】中。
[0012]應(yīng)該明白，上述提及的和下面將要解釋的特征不僅可用于描述的組合中，還可用于其他組合或單獨(dú)使用，不脫離本發(fā)明的范圍。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例示出在附圖中，并在下面的說(shuō)明中進(jìn)行更詳細(xì)地解釋。其中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的、相似的或功能相同的部件。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]下面各附圖中:
[0015]圖1為本發(fā)明的導(dǎo)熱涂料噴涂于活塞時(shí)的活塞剖面圖；
[0016]圖2為通過(guò)本發(fā)明的噴涂方法涂覆的活塞的仰視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]圖1示出了活塞2的上部結(jié)構(gòu)1，其中冷卻管3設(shè)置在活塞上部結(jié)構(gòu)I中。附圖所示的示意性實(shí)施例中，一個(gè)面向內(nèi)燃室4的冷卻管3設(shè)置在位于曲軸側(cè)的活塞2上，活塞2具有通過(guò)熱噴法噴涂于其上的導(dǎo)熱涂層5?？梢钥紤]熔液噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂、火焰噴涂、爆炸噴涂、激光噴涂或冷氣噴涂，這些均為熱噴法。尤其是最后提到的冷氣噴涂，其具有高處理速度，由此可以在生產(chǎn)線上非常經(jīng)濟(jì)地實(shí)施。
[0018]活塞2可以是復(fù)合材料活塞或單片活塞，甚至可以是鐵質(zhì)材料，優(yōu)選不銹鋼。通過(guò)熱噴法優(yōu)選冷氣噴涂方法實(shí)施的導(dǎo)熱涂層5可以具有鋁、銀和/或銅。就導(dǎo)熱性而言，單純的銅導(dǎo)熱涂層5具有突出的優(yōu)點(diǎn)。
[0019]導(dǎo)熱涂層5可以是100-500 μ m厚，并且由粒度最大為100 μ m的顆粒制成，優(yōu)選15-25 μ m的粒度。選擇25-25 μ m之間的粒度，可以生產(chǎn)非常密實(shí)、非常均勻的導(dǎo)熱涂層5。導(dǎo)熱涂層5的粗糙度可以在0.5-4.0 μ m之間。
[0020]參照?qǐng)D1，示出了用于生產(chǎn)或噴涂導(dǎo)熱涂層5的裝置6，其中導(dǎo)熱涂層5可以施加在成型的活塞和只是預(yù)加工的活塞2上。噴涂導(dǎo)熱涂層5之前，不需要對(duì)要噴涂的表面進(jìn)行單獨(dú)的清潔。
[0021]用于冷氣噴涂的裝置6包括一個(gè)用于貯存氣體例如氮?dú)獾娜萜?，所述氣體既用作處理氣體，又用作粉狀材料的載體。本實(shí)施例所用材料存儲(chǔ)在顆粒輸送帶8上，其中管線9從貯存容器7延伸至顆粒輸送帶8。通過(guò)管線9將氣體輸送至顆粒輸送帶8，所述氣體用作粉狀材料的載體，其中，另外一個(gè)管線10從貯存容器7導(dǎo)向加熱器11，優(yōu)選氣體加熱器。輸送至加熱器11中的氣體用作處理氣體，需要時(shí)，可以將其加熱至200-600°C?；旌嫌蟹蹱畈牧系某休d氣體和處理氣體都通過(guò)管線12、13輸送至超音速噴嘴或拉瓦爾噴嘴14。這里，顆粒與氣體混合物沿箭頭B所指方向加速，因此沿將要噴涂的表面方向(即冷卻管3的內(nèi)壁)達(dá)到超過(guò)500m/s的速度，最大為1500m/s。噴氣機(jī)15距離要涂覆的表面的操作距離通常為5-50_，從而形成導(dǎo)熱土層5的預(yù)定厚度，優(yōu)選300-500 μ m?；钊?通常繞其中心軸16旋轉(zhuǎn)，當(dāng)然，如果只需要部分噴涂時(shí)，可在要噴涂的表面設(shè)置一個(gè)罩。
[0022]通過(guò)本發(fā)明的熱噴法，尤其是冷氣噴涂法，可避免在活塞上部結(jié)構(gòu)I上出現(xiàn)所謂的局部熱點(diǎn)，由此可獲得均勻的溫度分布。與此同時(shí)，可改進(jìn)內(nèi)燃室4的熱量向冷卻區(qū)域，例如冷卻管3或噴涂的冷卻的傳遞，并且提高散熱效果。本發(fā)明所用活塞2可以是復(fù)合材料活塞或單片活塞，也可以是鋼活塞(奧托活塞和柴油機(jī)活塞)。通過(guò)冷氣噴涂，可獲得高處理速度，由此可在生產(chǎn)線上經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)。在冷氣噴涂中，由于比較低的溫度，可以避免隨后的熱處理工藝。
[0023]圖2示出了本發(fā)明的位于活塞2上的導(dǎo)熱涂層5的另外一種可能性。這涉及活塞下部的線性涂層，其位于轂17 (通過(guò)連接桿連接)之間，用于將基體中心的熱量傳遞到噴涂的冷卻層18/冷卻管3。
[0024]通常，可以設(shè)置用于覆蓋導(dǎo)熱涂層5的保護(hù)層19。下表示出了保護(hù)層19的一些例子。
[0025]
【權(quán)利要求】
1.一種用于內(nèi)燃機(jī)的活塞(2)，其特征在于，位于曲軸側(cè)的活塞(2)的區(qū)域至少部分設(shè)置有導(dǎo)熱涂層(5 )，所述導(dǎo)熱涂層是通過(guò)熱噴法噴上去的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞(2)，其特征在于，所述導(dǎo)熱涂層(5)通過(guò)以下方法之一來(lái)實(shí)施: -溶液噴鍍， -電弧噴鍍(電弧噴涂)， -等離子噴(在大氣中，具有保護(hù)氣體，具有低壓(真空))， -火焰噴涂(顆?；鹧鎳娡俊⒔z材火焰噴涂、塑料火焰噴涂、高速火焰噴涂)， -爆炸噴涂(火焰震動(dòng)噴涂)， -冷氣噴涂， -激光噴涂。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的活塞(2)，其特征在于，所述活塞(2)為鋼活塞。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的活塞(2)，其特征在于，所述活塞(2)為復(fù)合材料活塞或單片活塞。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的活塞，其特征在于，所述導(dǎo)熱涂層(5)具有鋁、銀和/或銅。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的活塞，其特征在于，所述曲軸區(qū)域具有冷卻管(3)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的活塞，其特征在于，所述導(dǎo)熱涂層(5)是由顆粒通過(guò)冷氣噴涂形成，最大粒度為100 μ m,優(yōu)選15-25 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的活塞，其特征在于，所述導(dǎo)熱涂層(5)的厚度為100-700 μ m,優(yōu)選 300-500 μ m。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的活塞，其特征在于，一個(gè)優(yōu)選具有鋁和/或鎳的粘合層設(shè)置為所述導(dǎo)熱涂層(5)的粘合基層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的活塞，其特征在于，設(shè)置有保護(hù)層(19)，用來(lái)覆蓋所述導(dǎo)熱涂層(5)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的活塞，其特征在于，所述保護(hù)層(19)設(shè)置為沒(méi)有催化劑，優(yōu)選至少包含鎳、鉻、銀、錫其中一個(gè)組分，或 -使用硬化硫磺處理保護(hù)層(19)，優(yōu)選硫化物。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的活塞，其特征在于，所述保護(hù)層(19)厚度為5-10μ m。
【文檔編號(hào)】F02F3/10GK103890363SQ201280051199
【公開(kāi)日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2012年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月21日
【發(fā)明者】克里斯托弗·貝倫斯, 迪特爾·埃姆里希, 克里斯托弗·盧維恩, 烏韋·莫爾, 賴因哈德·羅澤 申請(qǐng)人:馬勒國(guó)際有限公司