技术领域
[0001] 本
发明涉及根据独立
权利要求相应前序部分特征的内燃机用活塞以及多种活塞制造方法。
背景技术
[0002] 所讨论的活塞通过将下部件与上部件材料
锁合地接合成活塞坯件并且随后将活塞坯件加工成活塞而产生。
[0003] WO2011/006469 A1示出一种内燃机用多件式活塞以及这种活塞的制造方法。用于制造内燃机用多件式活塞的方法包括下述方法步骤：制备活塞上部件和活塞下部件，其分别包括具有接合面的内
支撑件和具有接合面的外支撑件；将高温
焊接材料引入至少一个接合面的区域中；通过建立接合面之间的
接触将活塞上部件和活塞下部件组合成活塞体；将活塞体送入
真空炉中并将真空炉抽真空；在最高压
力为10-2mbar的情况下将活塞体加热至最高为1300℃的焊接
温度；并且在最高压力为10-2mbar的情况下将焊接的活塞冷却至高温焊接材料完全
凝固。此外，WO2011/006469 A1还涉及一种可借助该方法制造的内燃机用多件式活塞，在其中设有环形内支撑件，其限定外侧周向冷却通道和内侧冷却腔室。
[0004] DE102008038325 A1提出一种用于将环形元件固定在内燃机用活塞上的方法，在其中环形元件通过设置在活塞顶局部的径向外表面上的
螺纹拧到活塞主体上，在螺纹区域中的活塞顶中成形向上敞开的周向凹槽，用焊接材料填充该凹槽，将活塞加热至焊接材料
液化并在螺纹的螺线之间流动并且随后冷却活塞。由此在活塞主体和环形元件之间产生
螺纹连接。螺纹连接需要附加部件并且制造起来非常耗时。
[0005] 用于将下部件和上部件接合成活塞的焊接(
激光焊接、
摩擦焊接)包括消除
应力退火及随后的附加
热处理(调质)耗时且成本高昂。
[0006] 在
现有技术中在一个加工步骤中形成活塞坯件或活塞的下部件和上部件之间的材料锁合连接、尤其是钎焊连接。在至少下一加工步骤中进行热处理以形成预期的
铁素体
碳化物组织，即调质。这要求两次向活塞结构中输入热量并且十分耗时。
发明内容
[0007] 因此，本发明的任务在于提供一种活塞坯件以及由其制成的活塞，该活塞不具有上述缺点。本发明还涉及多种用于制造相应活塞坯件或活塞的方法。
[0008] 所述任务通过具有
独立权利要求特征的活塞坯件、活塞和多种方法来解决。
[0009] 根据本发明提出一种用于制造内燃机用活塞的活塞坯件，该活塞包括下部件和上部件，在所述部件之间形成至少一个上接合平面，该上接合平面通过活塞坯件的外圆周，在上接合平面区域中相对置地构造下部件上接合面和上部件上接合面，和/或在所述部件之间形成至少一个下接合平面，该下接合平面不通过活塞坯件的外圆周，在下接合平面区域中相对置地构造下部件下接合面和上部件下接合面，至少在所述至少一个接合平面的局部区域中在接合面之间设有至少一个
焊料间隙，用于
位置正确地设置下部件和上部件的对中部设置在至少一个焊料间隙中。通过这样设置所述至少一个接合面，该接合面优选位于
活塞环区的外边缘上或甚至在与销孔相反的方向上位于活塞环区外部。因此很容易从活塞坯件的圆周接近构造在接合面中的焊料间隙。此外，所述至少一个接合面位于在制造
燃烧室凹腔时要从活塞坯件去除的区域中。因此也可一体制造燃烧室凹腔的凹腔颈部和凹腔边缘。在所述至少一个焊料间隙中可引入焊料用于形成活塞坯件下部件和上部件之间的材料锁合连接。
[0010] 术语“上”是指涉及活塞坯件或活塞的上接合平面的元件或区域。因此下部件上接合面、上部件上接合面以及上焊料间隙与上接合平面有关。与此相应，术语“下”是指涉及活塞坯件或活塞的下接合平面的元件或区域。因此下部件下接合面、上部件下接合面以及下焊料间隙与下接合平面有关。
[0011] 此外，根据本发明规定，所述至少一个焊料间隙在下部件和上部件之间的间隙尺寸介于0.05mm和0.5mm之间、优选0.1mm和0.4mm之间。由此可改变所使用的焊料量。可根据相应内燃机中活塞的未来应力来调整焊料量。术语“应力”可理解为通过在不同车辆如
卡车、轿车、
牵引车辆、火车头或
船舶中使用具有相应活塞的内燃机产生的不同负荷。
[0012] 此外，根据本发明规定，对中部具有所述间隙尺寸。有利的是，通过对中部产生用于所述至少一个焊料间隙的间隙尺寸。对中部优选位于所述至少一个焊接面的在制造活塞燃烧室凹腔时被去除的区域中。通过对中部在活塞坯件的下部件和上部件的相对应直径之间形成形锁合。
[0013] 此外，根据本发明规定，在活塞坯件的上部件上设有压力补偿元件，该压力补偿元件通入至少一个焊料间隙中。压力补偿元件有助于向至少一个焊料间隙中的焊料流动。由此确保在活塞坯件或由其制成的活塞的下部件和上部件之间的材料锁合连接区域中不存在
气穴。在制造燃烧室凹腔时多余的焊接材料与压力补偿元件一起被去除。因此，在活塞的下部件和上部件之间实现可靠的高强度连接。
[0014] 替代或附加地规定，在活塞坯件的下部件上设有压力补偿元件，该压力补偿元件永久保留在下部件中并且优选通入冷却通道中。由此也产生上述尤其是焊料流动方面的优点。
[0015] 此外，根据本发明规定，压力补偿元件相对于
活塞行程轴线倾斜(diagonal)设置。在实施接合过程时，下部件优选设置在上部件上方。因此压力补偿元件的倾斜设置有助于焊料流动。因此除了毛细效应之外重力也促进焊料流动。
[0016] 根据本发明提出一种内燃机用活塞，该活塞包括下部件和上部件，在所述部件之间构造有至少一个上接合平面，该上接合平面通过活塞的外圆周，在上接合平面区域中相对置地构造有下部件上接合面和上部件上接合面，和/或在所述部件之间构造有至少一个下接合平面，该下接合平面不通过活塞的外圆周，在下接合平面区域中相对置地构造有下部件下接合面和上部件下接合面，至少在所述至少一个接合平面的局部区域中在接合面之间设有至少一个焊料间隙，在下部件和上部件之间的所述至少一个接合平面区域中引入含铁焊料。含铁焊料、如Fe焊料允许在一个加工步骤中实施焊接过程和调质过程。
[0017] 此外，根据本发明规定，下部件和/或上部件由调质
钢和/或微
合金化钢和/或AFP钢和/或
贝氏体钢制成。上述钢种可用于改变组织结构的过程。因此，可根据内燃机中活塞的预期用途选择适合的钢种并对其进行热处理。可根据内燃机运行期间活塞的功率和负荷选择适合的钢种。在后面的段落中说明钢种及其用于制造内燃机用活塞的适用性。
[0018] 此外，给出优选的焊接材料，其由不同的
合金元素组成。这些焊接材料与调质钢和/或微合金化钢和/或AFP钢和/或贝氏体钢结合具有特别有益的效果，因为通过它们实现简单的接合过程并且两个接合部件即使在高应力下的运行中也保持永久接合。
[0019] 根据本发明提出一种用于在使用调质钢的情况下制造内燃机用活塞的方法，该活塞包括下部件和上部件，在所述部件之间构造有至少一个上接合平面，该上接合平面通过活塞的外圆周，在上接合平面区域中相对置地构造有下部件上接合面和上部件上接合面，和/或在所述部件之间构造有至少一个下接合平面，该下接合平面不通过活塞的外圆周，在下接合平面区域中相对置地构造有下部件下接合面和上部件下接合面，至少在所述至少一个接合平面的局部区域中在接合面之间设有至少一个焊料间隙，所述方法包括下述方法步骤：
[0020] a)制造具有至少一个接合面的下部件和上部件；
[0021] b)在至少一个接合面区域中施加焊料；
[0022] c)通过在所述至少一个接合面之间建立接触将下部件和上部件组合成活塞坯件，在所述至少一个焊料间隙区域中不存在接触；
[0023] d)加热至825℃至1000℃之间的暂时保温温度，以便在即将达到实际
工作温度之前均匀化部件温度；
[0024] e)将活塞坯件加热至1100℃至1200℃温度，以便实现材料锁合的焊接连接；
[0025] f)将活塞坯件冷却至900℃至1000℃温度；
[0026] e)对活塞坯件实施调质过程，即通过淬火和随后的回火；
[0027] h)当活塞坯件具有低于200℃的温度并且优选具有调质组织和大于310HB的硬度时，调质过程完成。
[0028] 作为替代方案，根据本发明提出一种用于在使用微合金化钢和/或贝氏体钢的情况下制造内燃机用活塞的方法，该活塞包括下部件和上部件，在所述部件之间构造有至少一个上接合平面，该上接合平面通过活塞的外圆周，在上接合平面区域中相对置地构造有下部件上接合面和上部件上接合面，和/或在所述部件之间构造有至少一个下接合平面，该下接合平面不通过活塞的外圆周，在下接合平面区域中相对置地构造有下部件下接合面和上部件下接合面，至少在所述至少一个接合平面的局部区域中在接合面之间设有至少一个焊料间隙，所述方法包括下述方法步骤：
[0029] a)制造具有至少一个接合面的下部件和上部件；
[0030] b)在至少一个接合面区域中施加焊料；
[0031] c)通过在所述至少一个接合面之间建立接触将下部件和上部件组合成活塞坯件，在所述至少一个焊料间隙区域中不存在接触；
[0032] d)加热至825℃至1000℃之间的暂时保温温度，以便在即将达到实际工作温度之前均匀化部件温度；
[0033] e)将活塞坯件加热至1100℃至1200℃温度，以便实现材料锁合的焊接连接；
[0034] f)将活塞坯件冷却至900℃至1000℃温度；
[0035] g)以0.25至5K/s之间的冷却速率连续冷却活塞坯件以通过贝氏体区或铁素体-珠光体区；
[0036] h)当活塞坯件具有低于200℃的温度并且优选存在铁素体-珠光体和/或贝氏体组织结构时，冷却过程完成。
[0037] 作为替代方案，根据本发明提出一种用于在使用微合金化钢和/或贝氏体钢的情况下制造内燃机用活塞的方法，该活塞包括下部件和上部件，在所述部件之间构造有至少一个上接合平面，该上接合平面通过活塞的外圆周，在上接合平面区域中相对置地构造有下部件上接合面和上部件上接合面，和/或在所述部件之间构造有至少一个下接合平面，该下接合平面不通过活塞的外圆周，在下接合平面区域中相对置地构造有下部件下接合面和上部件下接合面，至少在所述至少一个接合平面的局部区域中在接合面之间设有至少一个焊料间隙，所述方法包括下述方法步骤：
[0038] a)制造具有至少一个接合面的下部件和上部件；
[0039] b)在至少一个接合面区域中施加焊料；
[0040] c)通过在所述至少一个接合面之间建立接触将下部件和上部件组合成活塞坯件，在所述至少一个焊料间隙区域中不存在接触；
[0041] d)加热至825℃至1000℃之间的暂时保温温度，以便在即将达到实际工作温度之前均匀化部件温度；
[0042] e)将活塞坯件加热至1100℃至1200℃温度，以便实现材料锁合的焊接连接；
[0043] f)将活塞坯件冷却至900℃至1000℃温度；
[0044] g)以0.25至5K/s之间的冷却速率连续冷却活塞坯件至350和650℃之间的等温转变温度且随后保持等温以通过贝氏体区或铁素体-珠光体区；
[0045] h)当活塞坯件具有低于200℃的温度并且优选具有铁素体-珠光体和/或贝氏体组织结构时，冷却过程完成。
[0046] 作为替代方案，根据本发明提出一种用于在使用微合金化钢和/或贝氏体钢的情况下制造内燃机用活塞的方法，该活塞包括下部件和上部件，在所述部件之间构造有至少一个上接合平面，该上接合平面通过活塞的外圆周，在上接合平面区域中相对置地构造有下部件上接合面和上部件上接合面，和/或在所述部件之间构造有至少一个下接合平面，该下接合平面不通过活塞的外圆周，在下接合平面区域中相对置地构造有下部件下接合面和上部件下接合面，至少在所述至少一个接合平面的局部区域中在接合面之间设有至少一个焊料间隙，所述方法包括下述方法步骤：
[0047] a)制造具有至少一个接合面的下部件和上部件；
[0048] b)在至少一个接合面区域中施加焊料；
[0049] c)通过在所述至少一个接合面之间建立接触将下部件和上部件组合成活塞坯件，在所述至少一个焊料间隙区域中不存在接触；
[0050] d)加热至825℃至1000℃之间的暂时保温温度，以便在即将达到实际工作温度之前均匀化部件温度；
[0051] e)将活塞坯件加热至1100℃至1200℃温度，以便实现材料锁合的焊接连接；
[0052] f)将活塞坯件冷却至900℃至1000℃温度；
[0053] g)以250至10K/s之间的冷却梯度连续冷却活塞坯件至350℃至650℃之间的等温转变温度且随后保持等温。
[0054] h)当活塞坯件具有低于200℃的温度并且优选具有铁素体-珠光体和/或贝氏体组织结构时，冷却过程完成。
[0055] 作为替代方案，根据本发明提出一种用于在使用沉淀硬化型铁素体-珠光体钢(AFP钢)的情况下制造内燃机用活塞的方法，该活塞包括下部件和上部件，在所述部件之间构造有至少一个上接合平面，该上接合平面通过活塞的外圆周，在上接合平面区域中相对置地构造有下部件上接合面和上部件上接合面，和/或在所述部件之间构造有至少一个下接合平面，该下接合平面不通过活塞的外圆周，在下接合平面区域中相对置地构造有下部件下接合面和上部件下接合面，至少在所述至少一个接合平面的局部区域中在接合面之间设有至少一个焊料间隙，所述方法包括下述方法步骤：
[0056] a)制造具有至少一个接合面的下部件和上部件；
[0057] b)在至少一个接合面区域中施加焊料；
[0058] c)通过在所述至少一个接合面之间建立接触将下部件和上部件组合成活塞坯件，在所述至少一个焊料间隙区域中不存在接触；
[0059] d)加热至825℃至1000℃之间的暂时保温温度，以便在即将达到实际工作温度之前均匀化部件温度；
[0060] e)将活塞坯件加热至1100℃至1200℃温度，以便实现材料锁合的焊接连接；
[0061] f)将活塞坯件冷却至900℃至1000℃温度；
[0062] g)以5至45K/min之间的冷却速率连续冷却活塞坯件以通过贝氏体区或铁素体-珠光体区；
[0063] h)当活塞坯件具有低于200℃的温度并且优选调节到铁素体-珠光体和/或贝氏体组织结构时，冷却过程完成。
[0064] 作为替代方案，根据本发明提出一种用于在使用沉淀硬化型铁素体-珠光体钢(AFP钢)的情况下制造内燃机用活塞的方法，该活塞包括下部件和上部件，在所述部件之间构造有至少一个上接合平面，该上接合平面通过活塞的外圆周，在上接合平面区域中相对置地构造有下部件上接合面和上部件上接合面，和/或在所述部件之间构造有至少一个下接合平面，该下接合平面不通过活塞的外圆周，在下接合平面区域中相对置地构造有下部件下接合面和上部件下接合面，至少在所述至少一个接合平面的局部区域中在接合面之间设有至少一个焊料间隙，所述方法包括下述方法步骤：
[0065] a)制造具有至少一个接合面的下部件和上部件；
[0066] b)在至少一个接合面区域中施加焊料；
[0067] c)通过在所述至少一个接合面之间建立接触将下部件和上部件组合成活塞坯件，在所述至少一个焊料间隙区域中不存在接触；
[0068] d)加热至825℃至1000℃之间的暂时保温温度，以便在即将达到实际工作温度之前均匀化部件温度；
[0069] e)将活塞坯件加热至1100℃至1200℃温度，以便实现材料锁合的焊接连接；
[0070] f)将活塞坯件冷却至900℃至1000℃温度；
[0071] g)以5至45K/min之间的冷却速率连续冷却活塞坯件至350℃至650℃之间的等温转变温度且随后保持等温以通过贝氏体区或铁素体-珠光体区；
[0072] h)当活塞坯件具有低于200℃的温度并且优选调节到铁素体-珠光体和/或贝氏体组织结构时，冷却过程完成。
[0073] 上述方法允许在一个过程步骤中实施用于活塞坯件或活塞的下部件和上部件的接合步骤。为焊接连接所施加的热量也用于在活塞中形成希望的组织结构。这相对于整个
制造过程节省了操作时间、
能量和过程时间。因此可显著降低相应活塞的制造成本。
[0074] 此外，根据本发明规定，保持等温5至30分钟、优选10至20分钟。由此确保在活塞中形成希望的组织。
[0075] 此外，根据本发明规定，至少所述方法步骤e、f和g(与权利20不符)在真空炉中实施。这有助于焊料在所述至少一个焊料间隙内的流动。这有助于在活塞或活塞坯件的下部件和上部件之间产生连接而不产生气穴。因此又提高了具有这种活塞的内燃机的运行可靠性。
[0076] 此外，根据本发明规定，在实施所述方法期间下部件设置在上部件上方。这种布置有助于下部件相对于上部件的
定位，因为下部件的较大
质量沿重力方向作用。
[0077] 此外，根据本发明规定，通过压力补偿元件焊料在毛细效应和/或
大气压的作用下被吸入所述至少一个焊料间隙中。压力补偿元件有助于焊料在焊接连接部内的流动并防止或至少避免在焊接连接部中形成气穴。
[0078] 此外，根据本发明规定，通过对中部实现下部件相对于上部件的定位。由此可实现下部件和上部件的精确接合。
[0079] 换言之，通过本发明的接合方法提供比现有摩擦焊接方法和具有分开的接合步骤和热处理步骤的方法更具成本效益的接合技术。由于焊接和热处理在一个过程步骤中进行，因此在接合之后不需要单独的热处理。
[0080] 简化或减少了
锻造时(例如在坯件供应商处)过程控制和冷却参数控制的范围。缩短了周期时间并由此降低了构件成本。
[0081] 借助本发明的活塞制造方法在一个加工步骤中实现焊接连接和用于对接合的活塞调质的热处理。
[0082] 为了实施本发明方法，在活塞上设置以下几何措施。接合面位于环区和燃烧室凹腔中并且不包括或包括至少一个环形凹槽以及不包括或包括作为该燃烧室凹腔部分的凹腔颈部。通过位于上部件上的对中部来设定定义的焊料间隙。对中部设定例如0.3mm的内侧和外侧焊料间隙。位于上部件上的压力补偿元件确保焊料可在毛细效应和大气压的作用下被吸入焊料间隙中。下部件和上部件“倒置地”被焊接，因此下部件(主部件)的质量或自重可作用在上部件(环形元件)上。上部件在活塞制成后具有环区并且因此也被称为环形元件。上部件通常具有比下部件更小的质量，因此，为了接合将下部件设置在上部件上方——沿活塞行程轴线看。下部件的较大质量有助于在活塞的下部件和上部件之间形成位置正确的焊接连接。
[0083] 下述过程技术措施设置用于实施本发明方法。为了在活塞下部件和上部件之间形成材料锁合连接，设置含铁连接材料、尤其是Fe焊料。上部件和/或下部件由调质钢和/或微合金化钢和/或AFP钢和/或贝氏体钢制成。
[0084] -尤其是在使用微合金化钢和/或贝氏体钢的情况下在焊接过程结束后以下述操作方式进行热处理：
[0085] -连续冷却或淬火至350-600℃之间的温度并且随后保持等温
[0086] -焊接过程控制(用于调质钢、微合金化和贝氏体钢)：
[0087] -在约1100-1200℃下进行焊接并且随后冷却至约900-1000℃
[0088] -活塞材料热处理的过程控制(用于微合金化和贝氏体钢)可以两种方式进行：
[0089] 1)以冷却梯度连续冷却以通过贝氏体或铁素体-珠光体区
[0090] 2)以250和10K/s之间的冷却梯度连续冷却至350和650℃之间的等温转变温度并且随后保持等温
[0091] -活塞具有铁素体-珠光体和/或贝氏体组织结构
[0092] -尤其是在使用调质钢的情况下在焊接过程结束后以下述操作方式进行热处理：
[0093] -调质过程，即淬火和随后的回火
[0094] -活塞具有调质组织和>310HB的硬度
[0095] 共轨柴油技术的引入显着提高了具有柴油驱动装置的车辆的销量。在开发之初，共轨柴油
发动机中的压力约为1200巴。这项技术的不断改进使得已开发出压力在2200-2400巴之间的共轨
柴油发动机。关于限制和减少如氮
氧化物(NOx)和二氧化碳(CO2)以及碳黑颗粒的排放的日益增加的环境法规要求柴油
燃料在
气缸内更加清洁地燃烧。这可通过改进喷射技术提高共轨柴油发动机的效率来实现。为此需要提高内燃机中的喷射压力。
[0096] 下面的段落涉及钢种对制造内燃机用活塞的适用性以及在调质过程中产生的组织。例如调质钢42CrMo4作为在其成形性、强度性能、抗氧化性、可加工性以及成本方面非常好的折中方案被认为适用于较高比功率的内燃机用活塞。调质钢是指这样的钢，其通过调质处理(淬火过程和随后的回火)具有相对高的强度和同时良好的韧性。该钢组开始于普通低合金
碳钢。在小横截面的情况下这种材料可通过调质达到较高的硬度。但对于更大的横截面而言，非合金碳钢的淬透性不足以淬透至芯部。为了在更大的横截面中也于芯部内实现通常希望的
马氏体组织形成，钢必须与提高淬透性的元素、如铬、钼或镍合金化。
[0097] 对于中等负荷的应用，出于经济原因微合金化钢在内燃机用活塞中具有优势。微合金化钢表示通过加入0.01至0.1质量百分比的
铝、铌、
钒和/或
钛使其合金化，以便例如通过形成碳化物、氮化物和细化晶粒实现高强度。微合金化冷成形钢是具有高屈服极限或高强度的钢。在HSLA钢(高强度低合金)中高强度值通过沉淀硬化和晶粒细化且同时使合金元素的比例最小化来实现。这不仅对可焊性有积极影响，而且也确保在
焊接区域中既不会发生金属
软化也不会发生晶粒粗化。低合金HSLA钢特别适用于制造内燃机用活塞。根据屈服极限这种钢材的所有等级具有优异的冷成形性并在低温下具有极好的耐脆断性。所有HSLA钢的特点是良好的疲劳强度和高耐冲击性。基于这些良好的机械性能HSLA钢适用于制造内燃机用活塞。
[0098] 贝氏体钢的一种示例是20MnCrMo7钢(1.7911)。在从成形热冷却时，它在含有马氏体的下贝氏体区中形成稳定的结构。这种钢可承受内燃机中高达3000巴的工作压力。令人惊奇的是，这种钢不仅具有更高强度也具有更好的韧性。这可以通过贝氏体-马氏体组织与AFP钢的铁素体-珠光体组织相比的细晶粒度来实现。
[0099] 贝氏体是一种中间阶段组织，它可在碳钢的热处理过程中产生。在德语中术语“中间阶段组织”与贝氏体同义使用。贝氏体在珠光体或马氏体形成的温度范围之间形成。与马氏体形成不同，在此在晶格中的折叠过程( )和扩散过程结合，由此产生不同的转变机制。由于取决于冷却速度、碳含量、合金元素和由此产生的形成温度，贝氏体因此没有特征组织。贝氏体与珠光体一样由铁素体和
渗碳体(Fe3C)相组成，但在形状、大小和分布上与珠光体不同。原则上分为两种主要组织形式、即上贝氏体(也称为粒状贝氏体)和下贝氏体。
[0100] 贝氏体阶段的贝氏体化或等温转变是奥氏体化和随后的淬火至马氏体开始温度Ms以上的温度。这样选择活塞的冷却速度，使得在珠光体阶段中不能发生转变。当温度保持高于Ms时，活塞中的奥氏体尽可能完全转变为贝氏体。
[0101] 通过奥氏体缓慢的折叠，从
晶界或杂质开始在活塞中产生具有体心立方晶格(krz晶格)的强碳饱和铁素体晶体。基于krz晶格中更高的扩散速度，碳在铁素体晶粒内以球状或椭球状渗碳体晶体的形式沉淀。碳也可扩散到活塞的奥氏体区中并形成碳化物。
[0102] 上贝氏体在贝氏体形成的较高温度范围内形成，其很容易使人想到非常近似马氏体的针状组织。通过扩散的有利条件活塞中的碳扩散到铁素体针的晶界。在活塞中产生不规则且中断的渗碳体晶体。基于不规则的分布，活塞中的该组织通常具有颗粒状外观。如金相分析不充分，则该组织很容易与珠光体或魏德曼组织混淆。
[0103] 只有贝氏体形成的较低温度范围内连续冷却时才在活塞中产生下贝氏体。通过形成铁素体，奥氏体富含碳，在进一步冷却时活塞中的奥氏体区转变为铁素体、渗碳体、针状贝氏体和马氏体。通过贝氏体化可减少活塞中的固有应力并增加韧性，因此该方法适用于裂纹敏感型钢和复杂成形的活塞。
[0104] 下面详细观察活塞的
变形和强度性能。等温贝氏体转变具有一系列优点。在下贝氏体区中除了高强度外也在活塞中实现非常良好的韧性，如碳含量为0.1至1％的钢所显示的。在此铬含量在0至1％并且
硅含量在0.1至0.6％之间变化。在400至600℃的转变温度下确定0.6至0.8的屈服点比。对于850N/mm2以上的
抗拉强度，转变为贝氏体的钢显示出远超一般调质钢的延展性。贝氏体的这些非常好的机械性能保持至最低温度。另外，在强度相近时断裂伸长率、断裂收缩率和缺口冲击韧性要高于一般调质钢。此外，该热处理方法也有利地影响持久强度、疲劳强度和时间疲劳强度。
[0105] 具有贝氏体组织状态的活塞材料具有疲劳强度和持久强度方面的优势。可以看出，在抗拉强度相近时，转变为贝氏体的样品的疲劳强度高于调质样品。在此应注意尽可能完全的贝氏体转变。贝氏体组织的特点在于其可有效降低通过内部或外部切口以及裂纹产生的应力峰值。
[0106] 贝氏体阶段中的转变不仅对于活塞良好的机械性能很重要，而且在低变形和实践中无淬火裂纹的热处理方面也令人感兴趣。基于相对高的转变温度，淬火应力和转变应力要比常规硬化低得多。此外，贝氏体阶段中的转变与马氏体转变相比具有小得多的体积变化。关于贝氏体的微结构定义，在铁基材料中贝氏体被认为是由铁素体和碳化物组成的非层状共析分解产物。两种产物相受扩散控制地在时间上先后形成，碳化物在先形成的铁素体中或者在其界面上沉淀。
[0107] 马氏体是一种固体亚稳态组织，其无扩散并且无热地通过初始组织的协同剪切运动产生。“协同运动”表示马氏体晶格仅通过初始晶格的有序
角度和位置变化产生。单个
原子在此仅移动原子距离的一小部分。每个产生的马氏体板条的被称为不变惯习面的中脉不参与折叠。对于钢而言，马氏体转变是一种常用的性能影响可能性。
[0108] 在活塞钢中，马氏体通过快速冷却至马氏体开始温度以下的温度使奥氏体的面心立方晶格无扩散地折叠为hdP(六方最密堆积)晶格而产生。当冷却停止时，转变停止。一旦达到马氏体终点温度，马氏体体积比例不再随着进一步冷却继续增加。
[0109] 出于经济原因AFP钢在用于中等负荷的内燃机用活塞时也具有优势。沉淀硬化型铁素体-珠光体钢(AFP钢)基本上是附加利用约0.1-0.4％的钒合金化的碳钢。如活塞是
热锻的，则其组织结构在约1250℃下的热锻过程中是奥氏体并且钒完全溶解在奥氏体晶格中。在活塞锻造过程之后，奥氏体通过在空气中受控的冷却首先部分转变成铁素体并且在温度进一步下降时才附加地转变为珠光体组织结构。这相当于在冷却普通碳钢时进行的过程。然而，微合金化AFP钢随后显示出附加效果：在铁素体/铁素体-珠光体组织中，钒具有明显更低的
溶解度，因此产生相当大的沉淀压力。由于该元素在较低温度下也仍可充分扩散，因此出现沉淀：钒与碳和可能的氮结合形成碳化钒或碳氮化钒。这种提高强度的沉淀均匀分布在整个组织中并且具有一位或两位数纳米范围的尺寸。因此它们可有效防止位错移动(沉淀强化)。因此这种钢的屈服极限和抗拉强度相对于非钒合金显著增加。在光学
显微镜下只能看到铁素体和珠光体区。只有在透射
电子显微镜下才能看到提高强度的沉淀。因此，借助这个钢组可在不实施淬火和回火过程(但优选实施它们)的情况下达到调质钢范围内的活塞强度值。由于省却了热处理范围内常见的淬火过程，因此也不会产生硬化裂纹，从而亦不必对活塞进行裂纹测试。更低成本的合金层结合调质处理以及裂纹测试的省却与调质钢相比显著节约了成本。
[0110] 奥氏体是纯铁及其
固溶体的面心立方变态(相)的金相术语。奥氏体相(通过面心立方晶格结构定义)在纯铁中在1392℃和911℃之间的温度范围内作为γ-铁出现。其在冷却时由δ-铁素体通过多晶型转变形成。当碳作为合金元素被添加时，奥氏体作为间隙固溶体存在。面心立方奥氏体晶格具有半径为0.41R的八面体间隙。尽管堆积
密度较大，但奥氏体可比krz铁素体晶格溶解显著更多的碳原子。在温度为723℃时奥氏体的碳溶解度为0.8％，在1147℃时最大碳溶解度为2.06％。奥氏体中的扩散速度小于铁素体。奥氏体相具有顺
磁性，其不能被磁化。
[0111] 铁素体是纯铁及其固溶体的体心立方变态(相)的金相术语。
[0112] 渗碳体是铁和碳的化合物、即Fe3C(碳化铁)并且在钢中作为亚稳态相存在。
[0113] 珠光体是钢的层状排列的共析组织成分。它是铁素体和渗碳体的相混合物，其通过在碳含量为0.02％和6.67％之间的铁碳合金中耦合的结晶产生。共析点(100％转化为珠光体)温度为723℃且含碳量为0.83％。直至2.06％的含碳量，珠光体作为单独的组织成分存在，在含碳量高于2.06％时，珠光体是莱氏体II(共晶组织)的成分。
附图说明
[0114] 在附图中示出并且在下面说明本发明的
实施例。附图如下：
[0115] 图1示出活塞坯件的局部图；
[0116] 图2示出根据图1中的II的细节图；
[0117] 图3示出处于接合位置的活塞坯件的局部图；
[0118] 图4示出被称为时间-温度-转变图(ZTU)的图表。
具体实施方式
[0119] 在下述附图说明中诸如上、下、以上、以下、左、右、前、后等术语仅涉及在相应附图中所选择的装置和其它元件的示例性显示和位置。这些术语并不意味着限制，即通过不同的位置和/或镜像对称设计等可改变这些关系。
[0120] 在所有图中相同元件具有同一附图标记。
[0121] 在图1中示出包括下部件2和上部件3的活塞坯件1的局部图。在下部件2和上部件3之间设有上接合平面6。该上接合平面6设置在冷却通道14的外圆周中或冷却通道14之外。在上接合平面6区域中相对置地在下部件2上构造有下部件上接合面16并且在上部件3上构造有上部件上接合面17。在下部件上接合面16和上部件上接合面之间至少部分形成上焊料间隙4。此外，在下部件2和上部件3之间设有下接合平面15。该接合平面设置在冷却通道14的内圆周中或冷却通道14之外。在下接合平面15区域中相对置地在下部件2上构造有下部件下接合面18并且在上部件3上构造有上部件下接合面19。在下部件下接合面18和上部件下接合面19之间至少部分形成下焊料间隙5。
[0122] 下部件2和上部件3材料锁合地接合成活塞坯件1，为此在两个部件2、3之间设置上焊料间隙4和下焊料间隙5。下焊料间隙5具有间隙尺寸x，其在图2中示出。间隙尺寸x例如为0.1mm。
[0123] 图2示出焊料间隙5区域中图1中以II标记的细节。在下部件2和上部件3之间的下接合平面15区域中设有止挡7。通过下部件2和上部件3的相对应直径的形锁合使部件2、3彼此对中8。在下焊料间隙5区域中设有孔形式的压力补偿元件9。在图3中所示的活塞坯件1的接合位置中，该压力补偿元件9相对于活塞行程轴线倾斜向下，从而重力可作用于焊料。力作用F在图3中示出。
[0124] 在图1、2和3中以虚线绘出成品轮廓10。该成品轮廓10描述由活塞坯件1加工出的边界线延伸，在此为仅通过其轮廓示出的内燃机用活塞50。尤其是在图2中可见，具有止挡7、对中部8和压力补偿元件9的区域仅设置用于接合下部件2和上部件3并且在后续用于形成燃烧室凹腔的步骤中被去除。图1示出该燃烧室凹腔的未来凹腔颈部11和未来凹腔边缘
12。也示出尚未由活塞坯件1加工出的活塞环区13。朝向中央活塞行程轴线方向与该未来活塞环区13相邻地设有环形周向冷却通道14。
[0125] 状态图描述合金中的平衡条件、如铁碳系统中Fe-Fe3C-图表，其仅在非常缓慢的温度变化时呈现。但在热处理时在过程控制中出现快速温度变化。由于元素扩散是与时间相关的参数，因此加热或冷却速度对于金属材料的结晶状态有相当大的影响。这意味着，状态图仅可部分用于相应热处理方法，因为它们并不总是反映
温度控制期间相的类型和组成。
[0126] 因此，采用另一种表示方法，其考虑到转变的时间相关性。为了表示
相变的时间相关性，因而作为图表选择时间-温度-转变图(ZTU)(图4)。在ZTU图中可在内燃机用活塞的热处理期间在不同的温度曲线和冷却路线中
跟踪组织发展。原则上分为等温ZTU图和连续ZTU图。图4示出连续ZTU图。在奥氏体化后活塞以不同的冷却速度冷却至室温。在此记录相变点。此外在冷却曲线结束时通常还记录可达到的硬度。在奥氏体化钢的淬火处理中要追求的冷却速度可通过连续时间-温度-转变图来判断。在图4所示的这种图表中，在活塞内沿特定冷却曲线出现的组织状态是温度和时间的函数。在图4中出现奥氏体区110、铁素体区111、珠光体区112、贝氏体或中间阶段区113和马氏体区114。此外，在图4中绘出快速冷却速度121、增加的冷却速度122以及慢速冷却速度123。此外，示出在加热131(Ac1)活塞材料时的第一
临界点和加热133(Ac3)活塞材料时的第三临界点。还示出界限140，在该界限以下组织转变结束。
[0127] 图4还示出冷却路线101、102。冷却路线101表示连续冷却，在此在时间-温度-转变图(ZTU)中受控地通过目标区，以形成预期组织。冷却过程在真空炉中进行。以0.25至5K/s(开尔文/秒)的冷却速率达到用于贝氏体钢的贝氏体目标区。如此产生的混合组织包含下贝氏体部分和上贝氏体部分。以5至45K/min的冷却速率控制达到用于沉淀硬化铁素体-珠光体钢(AFP钢)的铁素体-珠光体目标区。
[0128] 冷却路线102表示冷却至350和650℃之间的等温转变温度并且随后保温。与冷却路线101相比有利的是产生均质结构，因为在相变时仅通过一个温度范围。以250-10K/s的冷却速率冷却至等温转变温度且等温保持时间至少为15分钟。在冷却路线102中可有针对性地调整包含下贝氏体和上贝氏体的混合组织。该冷却过程在真空炉中进行。
[0129] 作为替代方案，可想到组合冷却路线101和102，在此直至冷却路线101和102的交点150遵循冷却路线101并且从交点150起遵循冷却路线102。在此从交点150起该温度保持等温至少15分钟。
[0130] 如低于界限140，则组织转变完成。
[0131] 附图标记列表
[0132] 1 活塞坯件
[0133] 2 下部件
[0134] 3 上部件
[0135] 4 上焊料间隙
[0136] 5 下焊料间隙
[0137] 6 上接合平面
[0138] 7 止挡
[0139] 8 对中部
[0140] 9 压力补偿元件
[0141] 10 成品轮廓
[0142] 11 凹腔颈部
[0143] 12 凹腔边缘
[0144] 13 活塞环区
[0145] 14 冷却通道
[0146] 15 下接合平面
[0147] 16 下部件上接合面
[0148] 17 上部件上接合面
[0149] 18 下部件下接合面
[0150] 19 上部件下接合面
[0151] 50 活塞
[0152] 101 连续冷却的冷却路线
[0153] 102 冷却至等温转变温度的冷却路线
[0154] 110 奥氏体
[0155] 111 铁素体
[0156] 112 珠光体
[0157] 113 贝氏体(中间阶段组织)
[0158] 114 马氏体
[0159] 121 快速冷却速度
[0160] 122 增加的冷却速度
[0161] 123 慢速冷却速度
[0162] 131 Ac1，加热时的第一临界点(c＝加热)
[0163] 133 Ac3，加热时的第三临界点(c＝加热)
[0164] 140 界限
[0165] 150 交点
[0166] x 间隙尺寸
[0167] F 力作用
