活塞销及其制造方法与流程

1.本发明涉及一种活塞销及其制造方法，该活塞销在通过发动机的操作而使活塞升高时可以旋转，从而提供改善的润滑性。


背景技术：

2.活塞销是连接发动机中的活塞和连杆的部件。由于在连杆的上下运动期间施加的加速力和摩擦力，活塞销在连杆的小端部的衬套内略微不规则地旋转。由于活塞销不均等的力较小且摩擦力弱，因此此时的旋转接近圆锥运动。
3.从整体式喷油嘴注入到活塞下部的油撞击活塞的下表面，并间接地供应至连杆的小端部。当活塞销不能平稳旋转时，活塞销可能无法适当地润滑。
4.另外，近来，发动机使用低粘度油以改善燃料经济性。此外，燃烧压力正在增加。因此，活塞销的润滑环境可能劣化。
5.在该背景技术部分中公开的以上信息仅用于增加对本发明的背景的理解。因此，背景技术部分可能包含不构成该国本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。


技术实现要素：

6.一种实施方式提供一种活塞销，其通过在发动机操作而使活塞升高时旋转以改善润滑性。
7.另一种实施方式提供一种活塞销的制造方法，其中，当通过另外的方法人为地施加不平衡时，使活塞销的重量增加最小。该制造方法在工艺和成本方面也是有利的，同时使因机械误差引起的尺寸偏差导致销的旋转中心与重心不一致的不平衡最小。
8.根据一种实施方式，一种活塞销，包括：由铁基烧结合金制成的管状主体。活塞销被安装成穿透连杆的上端和活塞，并且活塞销的重心在圆周方向上是偏心的。
9.铁基烧结合金可以基于其总重量，包括：0.4重量％至0.8重量％的碳(c)；0.2重量％至3.5重量％的铬(cr)；0.1重量％至0.3重量％的钼(mo)；0.2重量％至2.0重量％的镍(ni)、锰(mn)、铜(cu)或其混合物；以及余量的铁(fe)。
10.活塞销包括沿圆周方向划分的第一区域和第二区域，并且第一区域和第二区域具有不同的密度。
11.第一区域和第二区域之间的密度差为0.05g/cm3或更大。
12.第一区域在圆周方向上占据30度至330度的区域。
13.将第一区域与第二区域分开的区域划分线，与管的外径的切线或管的内径的切线呈90度角。
14.管的外径的中心和管的内径的中心偏心0.1mm或更大。
15.活塞销包括沿圆周方向划分的第一区域和第二区域，并且第一区域包括金属渗透材料。
16.活塞销包括沿圆周方向划分的第一区域和第二区域，并且第一区域的内径表面涂
覆有金属膏。
17.金属包含铜(cu)。
18.第一区域和第二区域之间的密度差为0.05g/cm3或更大。
19.活塞销包括沿圆周方向划分的第一区域和第二区域，第一区域和第二区域具有不同的密度，管的外径的中心和管的内径的中心偏心0.1mm或更大，并且第一区域包括金属渗透材料，或者第一区域的内径表面涂覆有金属膏。
20.根据另一种实施方式，一种活塞销的制造方法，包括以下步骤：将铁基合金粉末填充到铸模中，然后对其加压以形成管状；以及烧结被成型为管状的成型体。其中，包括使成型体的重心在圆周方向上偏心的操作。
21.使成型体的重心在圆周方向上偏心的操作可通过以下步骤执行：填充铁基合金粉末，使得在将铁基合金粉末填充到铸模中时，粉末填充高度在圆周方向上不同，随后对铁基合金粉末进行加压，使得在对铁基合金粉末进行加压时粉末填充高度在圆周方向上相同。
22.铸模包括：模具，具有圆筒状粉末填充空间；芯部，布置成在粉末填充空间的中央部与模具分隔开；以及上冲头和下冲头，对填充在模具和芯部之间的粉末进行加压，下冲头包括沿圆周方向分开的第一下冲头和第二下冲头。
23.使成型体的重心在圆周方向上偏心的操作可通过以下步骤执行：将第一下冲头和第二下冲头设置成具有不同高度；将铁基合金粉末填充到铸模中；并且随后将铁基合金粉末压制成沿圆周方向具有相同的高度。
24.使成型体的重心在圆周方向上偏心的操作，通过使芯部的中心和模具的粉末填充空间的中心形成为偏心来执行。
25.使成型体的重心在圆周方向上偏心的操作通过以下步骤执行：在烧结之前，将金属渗透材料涂覆到沿成型体的圆周方向划分的第一区域和第二区域中的第一区域，然后对其进行烧结。
26.使成型体的重心在圆周方向上偏心的操作通过以下步骤执行：在烧结之前，将金属膏涂覆到沿成型体的圆周方向划分的第一区域和第二区域中的第一区域的内径表面上，然后对其进行烧结。
27.根据本发明的活塞销的制造方法，在使因加工误差引起的尺寸偏差而导致销的旋转中心和重心不一致的不平衡最小的同时，当通过另外的方法人为地施加不平衡时，可以使活塞销的重量增加最小。此外，该制造方法在工艺和成本方面也是有利的。
附图说明
28.图1示出通过使用活塞销将活塞与连杆连接的状态的分解立体图；
29.图2示出根据一种实施方式的活塞销的立体图；
30.图3示出图2的活塞销的示例的俯视图；
31.图4示出图2的活塞销的另一示例的俯视图；
32.图5示出每个活塞驱动步骤的活塞销的旋转操作；
33.图6示出根据另一实施方式的活塞销的俯视图；
34.图7示出根据另一实施方式在活塞销烧结之前和之后的照片；
35.图8示出根据另一实施方式的活塞销的立体图；
36.图9示出根据另一实施方式在对用于制造活塞销的铸模加压之前的状态的剖视图；
37.图10示出了图9的铸模的加压状态的剖视图。
38.附图标记：
39.1：活塞
40.2：连杆
41.2a：小端部
42.3：卡环
43.100：活塞销
44.101：区域划分线
45.102：外径
46.103：内径
47.110：第一区域
48.120：第二区域
49.130：金属渗透材料
50.140：金属膏
51.200：铸模
52.210：模具
53.220：芯部
54.230：上冲头
55.240：下冲头
56.241：第一下冲头
57.242：第二下冲头
58.250：铁基合金粉末
59.cd：圆周方向
60.ld：长度方向
61.tl0：外径的切线
62.tli：内径的切线
63.oc：外径的中心
64.ic：内径的中心
65.e1：偏心距离
66.l1：下冲头高度差
具体实施方式
67.通过参考以下对实施例和附图的详细描述，可以更容易地理解本发明的优点和特征以及实现本发明的方法。然而，本发明可以以许多不同的形式来实现，并且不应被解释为限于本文阐述的实施例。除非另有定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本领域普通技术人员通常理解的相同的含义。此外，应该进一步理解，诸如在通常使用的字典中定义的那些术语应被解释为具有与相关领域和本发明的上下文中的含
义相同的含义，并且不应被解释为具有理想或过于正式的含义，除非在本技术中明确定义。在整个说明书中，除非有相反的明确描述，否则词语“包括”和诸如“包括”或“包含”的变型应被理解为暗示包括所述元件，但不排除任何其他元件。
68.此外，如本文所使用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另外明确指明。
69.图1示出了通过使用活塞销100连接活塞1和连杆的状态的分解立体图。
70.参照图1，在发动机中连接活塞1和连杆2的活塞销100可以具有管状(即，圆筒形状)。
71.活塞销100穿过连杆2的小端部2a，并在穿过活塞1的状态下利用卡环3固定至活塞1，从而连接活塞1和连杆2。
72.同时，由常规钢材制成的活塞销100具有较高的弹性系数(210gpa)，因此活塞销100可被设计成比由其他材料制成的活塞销更薄。然而，在对钢材进行冷成型的情况下，由于成型公差为
±
0.2级，因此，基于成型公差，应考虑安全性因素来选择其厚度。在内径加工中进行粗加工/精加工时，尺寸公差在
±
0.05以内，因此会增加成本。另外，与诸如铝、铸铁和烧结物等弹性模量低而必须具有小内径的材料相比，钢材对椭圆形安全系数的敏感性更高，除了加工误差外，还会产生额外的偏心。另外，即使在冷成型后对内径进行偏心加工的情况下，由于必须根据偏心量考虑安全因素来减小内径尺寸，因此存在随着宽度增加而使重量增加的问题。同时，在采用铸造方法的情况下，由于收缩孔较大，密度可能不均匀。在采用锻造方法的情况下，材料的尺寸公差大，这在再现性方面是不合适的。
73.因此，根据实施例的活塞销100包括铁基烧结合金。
74.换句话说，活塞销100是通过采用烧结方法对铁基烧结粉末进行烧结而制造的烧结活塞销100，从而与具有
±
0.2的成型公差的现有钢材相比，其具有
±
0.05的精确尺寸精度。因此，可以使由于成型公差引起的尺寸偏差导致的销的旋转中心与重心不一致的不平衡最小。
75.铁基烧结合金可以通过例如烧结包含铬(cr)和钼(mo)的cr-mo预合金粉末来制造。cr-mo预合金具有高的气体氮碳共渗作用，并且可以用于所有烧结材料，并且可以考虑价格、尺寸稳定性和表面压力来选择其材料。
76.例如，基于铁基烧结合金的总重量，铁基烧结合金可以包括0.4重量％至0.8重量％的碳(c)；0.2重量％至3.5重量％的铬(cr)；0.1重量％至0.3重量％的钼(mo)；0.2重量％至2.0重量％的镍(ni)、锰(mn)、铜(cu)或其混合物；以及余量的铁(fe)。
77.碳(c)有助于贝氏体和回火马氏体组织的形成，因为它有利于在气态氮碳共渗之前增强基体。当碳含量小于0.4重量％时，其强度可能由于铁素体的形成而劣化，而当碳含量超过0.8重量％时，碳偏析和材料稳定性可能会劣化。
78.铬(cr)和钼(mo)通过在气体氮碳共渗过程中在表面和孔中形成化合物和氮化物，而有助于改善耐磨性和疲劳强度。当铬(cr)的含量小于0.2重量％时，疲劳强度可能劣化，并且气体氮碳共渗效果可能会不足，而当铬(cr)的含量超过3.5重量％时，成型性劣化，并且由于在表面上形成氧化铬而难以形成氮化物。当钼(mo)的含量小于0.1重量％时，疲劳强度劣化，并且气体氮碳共渗效果可能不足。然而，当mo含量超过0.3重量％时，成型性劣化，并且价格增加。
79.诸如镍(ni)、锰(mn)、铜(cu)或其混合物等其他杂质的含量低于0.2重量％实际上难以制造。当其他杂质的含量超过2.0重量％时，成型性可能劣化。
80.同时，由于包含铁基烧结粉末的烧结活塞销100具有较小的尺寸公差，因此使活塞销100的旋转中心与重心不一致的不平衡最小化，因此需要通过其它方法来人为地施加不平衡。因此，活塞销100可以具有其重心在圆周方向上偏心的结构。
81.图2示出根据实施例的活塞销100的立体图。图3和图4分别示出图2的活塞销100的示例的俯视图。
82.参照图2至图4，活塞销100包括在圆周方向cd上划分的第一区域110和第二区域120。第一区域110和第二区域120具有不同的密度。如图2所示，第一区域110和第二区域120可以在长度方向ld上延伸。因此，活塞销100的重心在圆周方向上是偏心的。
83.第一区域110和第二区域120之间的密度差可以为0.05g/cm3或更大。作为示例，第一区域110和第二区域120之间的密度差可以为1g/cm3至3g/cm3。当第一区域110和第二区域120之间的密度差小于0.05g/cm3时，转矩可能较弱。
84.例如，由铁基烧结合金制成的活塞销100的密度可以约为6.4g/cm3至6.9g/cm3，第一区域110的密度可以为6.4g/cm3以上且小于6.65g/cm3，并且第二区域120的密度可以为6.65g/cm3以上至6.9g/cm3。
85.第一区域110可以在圆周方向上占据30度至330度的区域。例如，如图3所示，第一区域110可以在圆周方向上占据30度至90度的区域，如图4所示，第一区域110可以在圆周方向上占据90度至330度的区域。如下所述，为了确保用于形成具有不同密度的第一区域110和第二区域120的铸模的下冲头的刚性，第一区域110和第二区域120必须设置成与活塞销100的中心轴相隔30度以上。
86.另外，分隔第一区域110和第二区域120的区域划分线101可以与管的外径的切线tl0或管的内径的切线tli呈90度角。换句话说，为了使铸模的下冲头的边缘的应力集中最小，下冲头的分割部与管的外径的切线tl0或管的内径的切线tli形成的角度可以是垂直的(90度)。
87.图5示出在每个活塞驱动步骤中活塞销100的旋转操作。参照图5，当活塞销100的圆周方向cd上的密度(重量)不同时，重心可以沿加速度方向移动。换句话说，由于活塞1和连杆2的行程运动，离心力沿加速度方向作用，使得活塞销100向较重的一侧旋转。
88.图6示出根据另一实施例的活塞销100的俯视图。
89.参照图6，管的外径102的中心oc和管的内径103的中心ic可以是偏心的。换言之，在管的圆周方向上的一侧的厚度可以比另一侧的厚度更大。
90.因此，由于活塞销100的重心在圆周方向上是偏心的，因此当通过活塞1和连杆2的行程运动在加速度方向上施加离心力时，活塞销100会向其较重的一侧旋转。
91.管的外径102的中心oc与管的内径103的中心ic之间的偏心距离e1可以为0.1mm或更大，例如，可以为0.1mm至0.5mm。当管的外径102的中心oc与管的内径103的中心ic之间的偏心距离e1小于0.1mm时，其转矩较弱。
92.根据另一实施方式的活塞销100可以包括沿圆周方向划分的第一区域110和第二区域120，并且第一区域110可以包括金属渗透材料130(例如，如图7所示)。
93.由于包含金属渗透材料130的第一区域110具有比第二区域120更大的重量，因此
活塞销100的重心在圆周方向上是偏心的。当通过活塞1和连杆2的行程运动在加速度方向上施加离心力时，活塞销100可旋转至其较重的一侧。
94.图7示出在烧结含有金属渗透材料130的活塞销100之前和之后的照片。参照图7，在烧结活塞销100之前，将金属渗透材料130涂覆到第一区域110的内径表面。然后烧结活塞销100以形成含有金属渗透材料130的第一区域110。
95.相对于金属渗透材料130的总重量，金属渗透材料130可以包括90重量％以上的铜(cu)、2重量％至5重量％的铁(fe)，余量为锌(zn)、锰(mn)或其组合。
96.图8示出根据另一实施方式的活塞销100的俯视图。
97.参照图8，活塞销100包括沿圆周方向划分的第一区域110和第二区域120。将金属膏140涂覆到第一区域110的内径表面。
98.由于涂覆有金属膏140的第一区域110的重量大于第二区域120的重量，因此活塞销100的重心在圆周方向上是偏心的。当通过活塞1和连杆2的行程运动在加速度方向上施加离心力时，活塞销100可旋转至其较重的一侧。
99.相对于金属膏140的总重量，金属膏140可以包括90重量％以上的铜(cu)，2重量％至5重量％的铁(fe)，余量为锌(zn)、锰(mn)或其组合。
100.当第一区域110包括金属渗透材料130(例如，如图7所示)或金属膏140时，第一区域110和第二区域120之间的密度差可以为0.05g/cm3或更大。例如，第一区域110和第二区域120之间的密度差可以为0.05g/cm3至0.2g/cm3。当第一区域110和第二区域120之间的密度差小于0.05g/cm3时，转矩较弱。
101.同时，通过结合上述实施方式，根据另一实施方式的活塞销100的重心在圆周方向上可以是偏心的。
102.换句话说，活塞销100可包括沿圆周方向划分的第一区域110和第二区域120。第一区域110和第二区域120可以具有不同的密度，或者管的外径102的中心oc和管的内径103的中心(ic)可偏心0.1mm或更大。第一区域110可以包括金属渗透材料130，或者将金属膏140涂覆到第一区域110的内径103的表面上，或者施加其组合。
103.图9和图10示出根据另一实施方式，在活塞销的制造方法中使用的铸模的剖视图。参照图9和图10详细描述活塞销的制造方法。
104.参照图9和图10，将铁基合金粉末250填充到铸模200中，然后压制成管状。
105.铁基合金粉末250的描述与上述相同，因此省略了重复的描述。
106.铸模200可以包括模具210、芯部220、上冲头230和下冲头240。
107.具体而言，模具210包括圆筒状粉末填充空间，芯部220位于模具210的粉末填充空间的中央部分中，且与模具210隔开。在将铁基合金粉末250放入到模具210和芯部220之间的粉末填充空间中后，通过操作上冲头230和下冲头240，可以使铁基合金粉末250形成为管状。
108.在这种情况下，可设置铸模200中的铁基合金粉末250的成型条件，以满足活塞销100必须具有的物理性质。例如，这些物理性质可包括密度为6.6g/cm3以上、弹性模量为120gpa以上，以及旋转弯曲280mpa以上。特别地，考虑到具有比钢更低的诸如屈服/拉伸/疲劳等机械性能的烧结材料的特性，可以将能实现等效安全系数和基于密度差的重量设计的体积用作成型条件。
109.例如，可以设置成型条件，使得在铸模200中成型的活塞销100的密度为6.4g/cm3至6.9g/cm3。因此，可以通过在之后通过气体氮碳共渗处理促进在孔中和孔周围形成氮化物，来改善烧结材料的物理性能。为此，可以将成型条件设置成相对于100％总体积的约15％至35％的体积，以在氮化处理后具有120gpa的弹性模量。
110.接下来，对成型为管状的成型体进行烧结。
111.铁基合金粉末250中所含的铬(cr)是一种易被氧化的元素，因此必须在氢气和氮气的混合气体气氛中进行烧结，在这种情况下，氢气可以包含在10体积％至30体积％的量。对于其他材料，可以使用作为一般烧结气体的吸热气体(endo)。
112.然后，可选地，通过洗涤对制备的活塞销100进行脱脂或清洗，然后进行气体氮碳共渗(gas-nitrocarburized)。
113.可在550℃至590℃的温度下执行1至4小时气体氮碳共渗。通过气态氮碳共渗形成在活塞销100中的孔隙网络有利于氮碳共渗气体的进入和排出。因此，气体氮碳共渗在从活塞销100的表面延伸到其芯部的孔中形成氮化物。与用作增加疲劳载荷的缺口的孔相反，孔周围的氮化物在一定程度上填充了孔，同时大大增加了疲劳载荷并减小了孔的尺寸，从而增加了弹性模量。
114.可选地，制备的活塞销100可被初次油浸渍。例如，可以通过用汽车工程师协会(sae)标准中粘度为5w30或更高的低粘度油浸渍活塞销100，以提高冷态(初始启动)的润滑性来实现油浸渍。通过油浸渍，活塞销100的孔通过孔隙网络而充满油。
115.可选地，可以对制备的活塞销100进行包括无心加工和超精加工的成型加工。
116.无心加工可以在切削工艺中去除材料表面的黑皮。或者，在加工量较大的情况下，可以通过以下方式分别执行：通过增加切削量进行粗加工以进行快速加工；中级切削，以在通过粗加工清洁粗糙表面的同时将其精加工到接近正常尺寸；以及切割，以适合或满足设计规范。
117.在超精加工过程中，在低压下施加细而软的磨石颗粒，以使活塞销100具有设计尺寸以及光滑且高精度的表面。
118.因此，在活塞销100中，去除了沉积在其外径表面上的气体氮碳共渗化合物层(例如，氮化物)。然而，沿孔隙网络渗透到深部的氮化物保持原样，从而在抛光表面的孔周围形成大量的氮化物。更具体地，由于在孔部中的氮化物(化合物层)周围形成扩散层，因此可以获得具有优异的疲劳强度和耐磨性的表面。然而，未通过无心加工和超精加工来加工活塞销100的内径。这是因为孔填充有形成于内径的氮化物(化合物层)，而这在油的浸渍和润滑方面是有利的。
119.可选地，可以清洁和干燥活塞销100。在通过清洁对活塞销100的表面进行脱脂或洗涤之后，在80℃至120℃下干燥。
120.可选地，活塞销100最终可被二次油浸渍。
121.例如，二次油浸渍可以通过以sae标准中的粘度为5w30或更高的低粘度油浸渍活塞销100，以提高冷态(初始启动)的润滑性来实现。在这种情况下，形成在活塞销100中的孔隙网络可以增强油浸渍的效果。通过油浸渍，活塞销100的孔通过孔隙网络而被油填充。
122.同时，活塞销100的制造方法可以包括用于使重心在成型体的圆周方向上偏心的操作。
123.例如，使重心在成型体的圆周方向上偏心的操作可以通过以下方式来实现，即，在将铁基合金粉末250填充到铸模200中时，可以在圆周方向上以不同的粉末填充高度进行填充，然后将铁基合金粉末250压制成在圆周方向上具有相同的高度。
124.具体地，参照图9，铸模200的下冲头240可包括沿圆周方向分开的第一下冲头241和第二下冲头242。因此，当将第一下冲头241和第二下冲头242的高度设置成不同以在其上填充铁基合金粉末250时，可以沿圆周方向以不同的粉末填充高度来填充铁基合金粉末250。如图9所示，可以根据下冲头高度差l1来理解高度差。然后，铁基合金粉末250可以被压制成在圆周方向上具有相同的高度，即，可以被上冲头230压制，从而使得第一下冲头241和第二下冲头241的高度相同。
125.因此，可以包括沿圆周方向划分的第一区域110和第二区域120。因此，活塞销100可以被制成具有不同密度的第一区域110和第二区域120。
126.作为另一示例，可以通过芯部220的中心与模具210的粉末填充空间的中心之间的偏心，来实现使重心在成型体的圆周方向上偏心的操作。换句话说，当芯部220的中心与模具210的粉末填充空间的中心偏心时，可以制造管的外径102的中心与管的内径103的中心偏心的活塞销100。
127.作为另一示例，可以通过以下方式来实现使重心在成型体的圆周方向上偏心的操作，即，在烧结之前放置成型体，将金属渗透材料130涂覆到沿成型体的圆周方向划分的第一区域110和第二区域120中的第一区域110，然后对其进行烧结。或者，可以通过在烧结之前使成型体竖立以将金属膏140涂覆到第一区域110的内径103的表面上，然后进行烧结来实现该操作。在这种情况下，可以限制金属渗透材料130的重量，使得金属渗透材料130不会扩散到整个活塞销100。
128.尽管已经结合当前被认为是实际的实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的实施例。相反，本发明旨在覆盖所附权利要求的精神和范围内包括的各种修改和等效布置。