[发明专利]用于内燃机的排气门杆或活塞形式的可运动的壁构件及制造这种构件的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于内燃机的排气门杆或活塞形式的可运动的壁构件，所述内燃机尤其是二冲程十字头式发动机，所述可运动的壁构件包括：合金钢的基部部分，所述合金钢的碳含量按重量计算在从0.15％到0.35％的范围内；和外部部分，所述外部部分形成壁构件的面对燃烧室的表面，所述外部部分是镍基的、铬基的或钴基的耐热腐蚀的合金。

背景技术

美国专利6,173,702说明了该类型的已知的可运动的壁构件，其中耐腐蚀的外部部分通过粉末冶金处理而设置到基部部分上，其中耐腐蚀合金的颗粒材料设置在基部部分上的模具中，并且在HIP(热等静压)处理中与基部部分形成一体。由于使用粉末冶金和HIP处理，所得到的外部部分获得有利地小于310HV的低硬度。该低硬度辅助避免由于在壁构件的使用中产生热应力而导致材料中的破裂。

WO 96/18747说明了同样类型的已知的可运动的壁构件，其中外部部分已经焊接到基部部分上。

当发动机载荷改变时，例如当发动机起动或停止时，由于上活塞表面和下部气门头表面具有大的面积，因此易受到相当大的热应力。热冲击在这些面积的中部处最大，部分原因是燃烧气体在燃烧室的中部附近具有最高的温度，部分原因是活塞和气门杆在这些面积的边缘附近冷却。气门头在上表面上的座区域附近冷却，所述上表面在气门关闭的同时与水冷却的固定的气门座接触，并且对于活塞，除了机油冷却内活塞表面以外，热从活塞通过活塞环传导到水冷却的气缸套。较冷的周边材料防止较热的中心材料热膨胀，并因而产生相当大的热应力。众所周知的是，由所述热影响产生的变化缓慢但较大的热应力可以导致在气门头的下表面的中部处开始的星状破裂。这些星状裂纹会变得很深，以致穿透耐热腐蚀的材料，使得在底下的材料易受到腐蚀冲击并且被侵蚀，从而导致排气门失效。

已知，含有铬和镍的耐热腐蚀的合金尤其在它们以铸造形式提供时在从550℃至850℃的范围的温度下时效硬化，并且因此在使用壁构件期间这些合金变得较硬并且更脆。当壁构件设有这种类型的铸造合金时，例如，含有大约50％Cr和50％Ni的合金，或者INCOENL 657类型的合金(INCOENL是美国的特殊金属的商标)，该合金包括富镍的相和富铬的相，并且当合金在铸造后冷却下来时，这些相没有在平衡状态下凝固。当合金处于内燃机的燃烧室中的操作温度下时，由于高质量(over-represented)的相部分的转化，发生了低质量(under-represented)的相的析出，这导致脆化，产生在室温下典型地小于4％的延性。该转化典型地导致具有珠光体结构的区域的形成，所述珠光体结构是薄片状的并且导致脆化。

由于在发动机中的运转期间在可运动的壁构件中发生了重大的热负荷，所以需要抑制或避免在壁构件内的区域中导致延性减小的冶金过程。

发明内容

鉴于该目的，根据本发明的可运动的壁构件的特征在于，在基部部分与外部部分之间布置有至少一个合金的缓冲层，缓冲层的合金具有与基部部分的合金钢不同的且与外部部分的耐热腐蚀的合金不同的成分，缓冲层的合金包括按缓冲层的重量的百分比计算从0％至最多0.09％的C(碳)，并且缓冲层的厚度是至少1.5mm。

合金钢的基部部分的碳含量高于外部部分的耐腐蚀合金的碳含量，并且碳可以以不同的方式限制在材料内，所述不同的方式甚至对于按重量的百分比计算具有同样的C含量的合金都导致碳扩散趋势的变化。碳从特定的合金扩散到相邻的其它合金的趋势，可以称为合金的碳活度。含有较高的铬含量的镍基合金具有结合碳化物中的碳的较强趋势，然而，在合金中以这种方式结合的碳看起来不有助于合金的碳活度。当合金中的碳转化成碳化物时，可以说碳消失了，合金的碳活度降低了。合金中的碳的扩散速率取决于温度，并从而主要在壁构件处在高温时发生，例如在壁构件的制造期间以及在内燃机的运转期间。因而，这种碳扩散会在延长的时间期间发生，并且扩散的效果会仅在壁构件的长时间的操作之后发生。

在现有技术的可运动的壁构件中，耐热腐蚀的合金直接沉积在基部部分的合金钢上。耐热腐蚀的合金包括用于促进碳化物的形成的元素。从而，碳具有扩散到耐热腐蚀的合金中且在界面区域中形成碳化物的持续趋势，所述界面区域会由于在两种合金之间的边界区域中或附近的碳浓度而变得更加脆。

在合金钢的基部部分与外部部分之间的缓冲层的位置，以及按重量的百分比计算含有从0％至最多0.9％的C的缓冲层中的碳含量，具有以下效果，即：首先，合金钢仅直接与缓冲层的材料接触而没有与外层的耐腐蚀合金接触；其次，基部部分的碳活度高于缓冲层的碳活度，以便使碳从合金钢扩散到缓冲层中。