CN101438047B - 内燃机部件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种内燃机部件由含硅的铝合金形成，并且包括位于滑动面上的多个硅晶粒。所述滑动面具有约为0.54μm或更大的十点平均粗糙度RzJIS，并且在所述滑动面的约30％的切断水平上的负荷长度比率Rmr(30)为约20％或更大。

Description

内燃机部件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种内燃机部件如气缸体或活塞，以及其制造方法。更具体地，本发明涉及由包含硅的铝合金形成的内燃机部件及其制造方法。本发明还涉及内燃机和配有这种内燃机部件的输运设备。
背景技术
近年来，为试图减轻内燃机的重量，使用铝合金制造气缸体成为趋势。由于气缸体需要具有高强度和高耐磨性，所以包含大量硅的铝合金即具有过共晶成分的铝硅合金被认为是有前景的气缸体用铝合金。
在由铝硅合金形成的气缸体中，位于滑动面上的硅晶粒将有助于提高强度和耐磨性。一种获得露出在合金母材表面上的硅晶粒的技术示例是允许硅晶粒保持突出的珩磨处理(称作“浮凸珩磨(emboss honing)”)。此外，日本专利No.2885407公开了这样一种技术，即，进行蚀刻处理以使得硅晶粒可在铝硅合金的表面上保持突出，然后进行阳极氧化以形成氧化层，接下来将氟塑料火焰喷涂到该氧化层上以形成氟塑料树脂层。
由于滑润剂保留于在滑动面上保持突出的硅晶粒之间(即保留在硅晶粒之间的用作油坑的凹部内)，所以当活塞在气缸内滑动时可获得改善的润滑性能，由此提高了气缸体的耐磨性和抗烧伤(咬死)性(seizingresistance)。
然而，本发明人已发现，当将上述铝合金气缸体用于特定型号的内燃机时，有必要进一步提高耐磨性和抗烧伤性。
传统上，铝合金气缸体被用在安装于四轮汽车内的内燃机中。在四轮汽车中，在内燃机内设置有用于向气缸体和活塞强制供给润滑剂的机构(如油泵)，并且内燃机以较低的转速(具体说来，最大转速为7500rpm或更低)运转，在此情形下不会发生上述问题。然而，在以较高的转速(具体说来，最大转速为8000rpm或更低)运转的内燃机中，或在滑润剂仅通过伴随曲轴旋转的润滑剂喷溅方式供给到气缸的内燃机中(即，油泵被省去，如安装在摩托车内的内燃机的情形)，铝合金气缸体可能发生烧伤和/或严重的磨损。此外，当为了进一步减轻质量而使用铝合金作为活塞材料时，烧伤的可能性增加。
为了进一步提高气缸体的耐磨性和抗烧伤性，必须改善内燃机起动时的润滑性，这需要润滑剂较好地保持在滑动面上。本发明人通过研究已发现，经过上述浮凸珩磨处理或蚀刻处理的气缸体无法获得充分的润滑剂保持力，以致于在内燃机起动后立即达到高速运转时润滑性不足。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的优选实施例提供了一种带有具有良好的润滑剂保持能力的滑动面的内燃机部件及其制造方法。
根据本发明优选实施例的内燃机部件是由包含硅的铝合金形成的内燃机部件，包括：位于滑动面上的多个硅晶粒，其中所述滑动面具有约为0.54μm或更大的十点平均粗糙度RzJIS，并且在所述滑动面的约30％的切断水平(切断高度，cut leveI)上的负荷长度比率(load length ratio)Rmr(30)为约20％或更大。
在一优选实施例中，所述多个硅晶粒包括多个初晶硅(颗)粒和多个共晶硅粒。
在一优选实施例中，所述多个初晶硅粒具有不小于约12μm且不大于约50μm的平均晶粒尺寸(晶粒粒径)。
在一优选实施例中，所述多个共晶硅粒具有约7.5μm或更小的平均晶粒尺寸。
在一优选实施例中，所述多个硅晶粒具有这样的粒径分布，该粒径分布具有存在于不小于约1μm且不大于约7.5μm的晶粒尺寸范围内的第一尖峰(峰值)和存在于不小于约12μm且不大于约50μm的晶粒尺寸范围内的第二尖峰。
在一优选实施例中，所述第一尖峰处的频度比所述第二尖峰处的频度大至少约五倍。
在一优选实施例中，所述铝合金包含：按质量计不小于约73.4％且不大于约79.6％的铝；按质量计不小于约18％且不大于约22％的硅；和按质量计不小于约2.0％且不大于约3.0％的铜。
在一优选实施例中，所述铝合金包含按质量计不小于约50ppm且不大于约200ppm的磷以及按质量计不大于约0.01％的钙。
在一优选实施例中，根据本发明的内燃机部件是气缸体。
根据本发明的另一个优选实施例的内燃机包括具有上述构造的内燃机部件。
在一优选实施例中，根据本发明的内燃机包括由铝合金形成的活塞；并且所述内燃机部件是气缸体。
根据本发明的另一个优选实施例的输运设备包括具有上述构造的内燃机。
制造内燃机部件的方法是用于制造具有滑动面的内燃机部件的方法，包括：提供模制品(成形体，molding)的步骤，该模制品由含硅的铝合金形成并且在表面附近包括初晶硅粒和共晶硅粒；使用粒度(grit number)为#1500或更大的磨石来打磨(抛光)所述模制品的表面的步骤；和蚀刻所述模制品的经打磨的表面以形成供所述初晶硅粒和共晶硅粒突出的滑动面的步骤。
在根据本发明优选实施例的内燃机部件中，所述滑动面优选具有约0.54μm或更大的十点平均粗糙度RzJIS并且在所述滑动面的约30％的切断水平上的负荷长度比率Rmr(30)为约20％或更大。结果，可获得改善的润滑剂保持能力及优异的耐磨性和抗烧伤性。
典型地，所述多个硅晶粒包括多个初晶硅粒和多个共晶硅粒。由于不仅初晶硅粒而且共晶硅粒都在滑动面上保持突出，所以十点平均粗糙度RzJIS和负荷长度比率Rmr(30)易于落入上述数值范围内。
从提高内燃机部件的耐磨性和强度的观点来看，优选地，所述多个初晶硅粒具有不小于约12μm且不大于约50μm的平均晶粒尺寸，而所述多个共晶硅粒具有约7.5μm或更小的平均晶粒尺寸。还优选地，所述多个硅晶粒具有这样的粒径分布，该粒径分布具有存在于不小于约1μm且不大于约7.5μm的晶粒尺寸范围内的第一尖峰和存在于不小于约12μm且不大于约50μm的晶粒尺寸范围内的第二尖峰。还优选地，所述第一尖峰处的频度比所述第二尖峰处的频度大至少约五倍。
为了充分地增强内燃机部件的耐磨性和强度，优选地，所述铝合金包含：按质量计不小于约73.4％且不大于约79.6％的铝；按质量计不小于约18％且不大于约22％的硅；和按质量计不小于约2.0％且不大于约3.0％的铜。
此外，优选地，所述铝合金包含按质量计不小于约50ppm且不大于约200ppm的磷以及按质量计不大于约0.01％的钙。当铝合金包含按质量计不小于约50ppm且不大于约200ppm的磷时，可抑制硅晶粒变大的趋势，从而硅晶粒可在合金内均匀散布。通过确保铝合金中的钙含量按质量计不大于约0.01％，可保证由于磷的存在而提供精细硅晶粒的效果，并且可获得具有优良耐磨性的冶金结构。
本发明的各种优选实施例可广泛应用于多种具有滑动面的内燃机部件，并且可适用于气缸体、活塞、气缸套、凸轮件等。
根据本发明的各种优选实施例的内燃机部件可适用于各种类型的输运设备的内燃机中。
按照根据本发明优选实施例的用于制造内燃机部件的方法，在表面附近具有初晶硅粒和共晶硅粒的模制品的表面使用粒度为#1500或更大的磨石来打磨，随后被蚀刻以形成滑动面。因此，可获得不仅初晶硅粒而且共晶硅粒都在其上保持突出的滑动面。结果，能以微细的间距(pitch)形成足够深的油坑，且由此可制造具有优异耐磨性和抗烧伤性的内燃机部件。
根据本发明的优选实施例，提供了一种具有润滑剂保持能力优异的滑动面的内燃机部件及其制造方法。
从下面参照附图对本发明优选实施例的详细说明中可更清楚地看到本发明的其它特征、元素、过程、步骤、特点和优点。
附图说明
图1是示意性地示出根据本发明优选实施例的气缸体的透视图。
图2是示意性地示出图1中气缸体的滑动面的放大图像的平面图。
图3是示意性地示出图1中气缸体的滑动面的放大图像的剖视图。
图4是示出图1中气缸体的制造步骤的流程图。
图5是示出图1中气缸体的制造步骤的流程图。
图6A至6D是示意性地部分示出图1中气缸体的制造步骤的分步剖视图。
图7A到7C是用于解释在进行浮凸珩磨处理时共晶硅粒无助于保持润滑剂的原因的图示。
图8A到8C是用于解释在没有首先进行镜面精整珩磨处理(mirror-finish honing process)而进行蚀刻处理时共晶硅粒无助于保持润滑剂的原因的图示。
图9是绘出示例1到10和比较示例1到7的图表，其中横轴表示十点平均粗糙度RzJIS而纵轴表示在30％的切断水平上的负荷长度比率Rmr(30)。
图10A和10B分别是示出示例2和比较示例2的气缸体的滑动面的原子力显微镜(AFM)照片。
图11A和11B是示例2和比较示例2的滑动面的剖面(轮廓)曲线图。
图12A和12B是示例2和比较示例2的滑动面的负荷曲线图。
图13A和13B是示出在进行运转试验后示例2和比较示例2的气缸体的滑动面的照片。
图14A和14B是示出对示例2和比较示例2的气缸体的滑动面进行的润湿性试验的结果的照片。
图15是示意性地示出不仅有初晶硅粒而且有共晶硅粒保持突出的滑动面的剖视图。
图16是示意性地示出基本上只有初晶硅粒保持突出的滑动面的剖视图。
图17是用于解释十点平均粗糙度RzJIS的图示。
图18是用于解释负荷长度比率Rmr(c)的图示。
图19是用于解释在采用浮凸珩磨处理时无法获得恒定的浮凸高度的原因的图示。
图20是用于解释在采用蚀刻处理时能获得恒定的浮凸高度的原因的图示。
图21是示出硅晶粒的优选粒径分布的一个例子的图示。
图22是示意性地示出包括图1中气缸体的内燃机的剖视图。
图23是示意性地示出配有图22所示的内燃机的摩托车的侧视图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的优选实施例进行说明。虽然以下说明主要以气缸体为例，但本发明不限于此。本发明广泛适用于具有滑动面的内燃机部件。
图1示出根据本发明优选实施例的气缸体100。气缸体100由包含硅的铝合金形成，更具体地，由包含大量硅的过共晶成分的铝合金形成。
如图1所示，气缸体100优选地包括：限定气缸孔102的壁部(称为“气缸孔壁”)103；及围绕气缸孔壁103并且限定气缸体100的外廓的壁部(称为“气缸体外壁”)104。在气缸孔壁103和气缸体外壁104之间设有用于保持冷却剂的水套105。
气缸孔壁103的面向气缸孔102的表面101限定了与活塞接触的滑动面。滑动面101在图2中被放大示出。图2是示意性地示出滑动面101的平面图。
如图2所示，气缸体100包括位于滑动面101上的多个硅晶粒1和2。这些硅晶粒1和2以分散的方式存在于包含铝的固溶体的基体(合金母材)3中。
当具有过共晶成分的铝硅合金熔解时最先形成的硅晶粒被称为“初晶硅粒”。接下来形成的硅晶粒被称为“共晶硅粒”。在图2所示的硅晶粒1和2中，较大的硅晶粒1是初晶硅粒。位于初晶硅粒之间的较小的硅晶粒2为共晶硅粒。
图3示出滑动面101的剖切结构。如图3所示，包括初晶硅粒1和共晶硅粒2的所述多个硅晶粒1和2，从基体3凸出(即，保持突出)。形成在硅晶粒1和2之间的凹部4用作保持润滑剂的油坑。
作为表示滑动面101的表面粗糙度的参数，本发明人关注十点平均粗糙度RzJIS和负荷长度比率Rmr，并且发现将这些参数设置在特定范围内可极大地改善滑动面101保持润滑剂的能力。
具体地，通过将滑动面101的十点平均粗糙度RzJIS规定为约0.54μm或更大以及将滑动面101的在约30％的切断水平上的负荷长度比率Rmr(30)规定为约20％或更大，能充分增强滑动面101的润滑剂保持能力。后面将参照图17和图18阐述这两个参数——十点平均粗糙度RzJIS和负荷长度比率Rmr——的定义。
本发明人已研究了传统的浮凸珩磨处理或蚀刻处理无法实现充分的润滑剂保持能力的原因。这样已发现，根据这些传统技术，大部分共晶硅粒实际上从滑动面被移除，从而几乎无法获得共晶硅粒对保持润滑剂所起的作用，由此导致润滑剂保持能力低下。共晶硅粒从滑动面移除的事实也使得难以将滑动面的表面粗糙度保持在上述数值范围内。
另一方面，在根据本优选实施例的气缸体100中，滑动面101上的共晶硅粒2可充分地有助于保持润滑剂，从而确保滑动面101的十点平均粗糙度RzJIS约为0.54μm或更大以及确保在约30％的切断水平上的负荷长度比率Rmr(30)约为20％或更大。结果，滑动面101的润滑剂保持能力大大提高。
制造本优选实施例的气缸体100的方法将参照图4、5及图6A到6D进行说明。图4和图5是示出气缸体100的制造步骤的流程图。图6A到6D是示意性地部分示出制造步骤的分步剖视图。
首先，提供由包含硅的铝合金形成并且在表面附近包括初晶硅粒和共晶硅粒的模制品(步骤S1)。提供模制品的步骤S1可例如包括图5所示的步骤S1a到S1e。
首先，制备含硅的铝合金(S1a步骤)。为了确保气缸体100具有充分的耐磨性和强度，优选使用包含如下成分的铝合金：按质量计不小于约73.4％且不大于约79.6％的铝；按质量计不小于约18％且不大于约22％的硅；和按质量计不小于约2.0％且不大于约3.0％的铜。
接下来，对制备好的铝合金进行加热并使之在熔炉中熔化，从而形成熔体(步骤S1b)。优选地，向熔化前的铝合金或向熔体中加入按质量计约100ppm的磷。如果铝合金包含按质量计不小于约50ppm且不大于约200ppm的磷，则能减小硅晶粒变大的趋势，从而使得硅晶粒能在合金内均匀分散。另一方面，如果铝合金中的钙含量按质量计约为0.01％或更少，则可保证由于磷的存在而提供精细硅晶粒的效果，并且可获得具有优良耐磨性的冶金结构。换句话说，铝合金优选包含按质量计不小于约50ppm且不大于约200ppm的磷以及按质量计不大于约0.01％的钙。
接下来，使用铝合金熔体进行铸造(步骤S1c)。换句话说，使熔体在模具中冷却而形成模制品。此时，滑动面附近以大的冷却速率被冷却(例如，不小于约4℃/每秒且不大于约50℃/每秒)，从而一体地形成了气缸体，其中在表面附近存在有助于耐磨性的硅晶粒。可使用例如在国际申请No.2004/002658中公开的铸造设备进行该铸造步骤S1c。
接下来，对已从模具中取出的气缸体100进行通常已知为“T5”、“T6”及“T7”的热处理中的一种(步骤S1d)。T5处理是这样一种处理方式，其中在从模具中取出模制品后立即(用水等)使其快速冷却，此后使其在预定温度下进行预定时长的人工老化以获得改善的机械性能和尺寸稳定性，接下来进行空冷。T6处理是这样一种处理方式，其中在从模具中取出模制品后使其在预定的温度下进行预定时长的固溶处理，然后用水冷却，此后在预定的温度下经受预定时长的人工老化，接下来进行空冷。T7处理是比T6处理产生更大程度老化的处理方式；虽然T7处理与T6处理相比能确保更好的尺寸稳定性，但由该处理获得的硬度低于T6处理。
接下来，对气缸体100进行预定的机加工(步骤S1e)。具体地，对与气缸盖靠接的表面和与曲轴箱靠接的表面进行磨削等加工。
在如上所述地制备好模制品后，如图6A所示，对模制品的表面-具体说来是气缸孔壁103的内表面(即要成为滑动面101的表面)-进行精镗处理(步骤S2)。
接下来，如图6B所示，对已经过精镗处理的表面进行粗珩磨处理(步骤S3)。换句话说，使用具有较小粒度(具体是，#800或更大的粒度)的磨石来打磨将成为滑动面101的表面。该粗珩磨处理可使用例如在日本待审公开专利No.2004-268179中公开的珩磨设备来进行。
接下来，如图6C所示，进行镜面精整珩磨处理(步骤S4)。换句话说，使用具有较大粒度(具体是，#1500或更大的粒度)的磨石来打磨模制品的表面(将成为滑动面101的表面)。该镜面精整珩磨处理也可使用例如在日本待审公开专利No.2004-268179中公开的珩磨设备来进行。
随后，如图6D所示，对模制品的经打磨的表面进行蚀刻(如碱蚀刻)，从而形成初晶硅粒1和共晶硅粒2从其上突出的滑动面101(步骤S5)。通过该蚀刻处理，表面附近的基体3被除去至预定厚度，从而在初晶硅粒1与共晶硅粒2之间可形成油坑4。油坑4的深度可基于蚀刻剂的浓度和温度、蚀刻时间(浸没时间)等被适当调节。
应注意，在镜面精整珩磨处理(步骤S4)之前进行的精加工步骤不限于上面例举的两个步骤，即精镗处理(步骤S2)和粗珩磨处理(步骤S3)。可通过单一的步骤进行精加工，或通过三个或更多个步骤进行精加工。
如上所述，在本优选实施例中，通过在使用具有#1500或更大粒度的磨石进行打磨后进行蚀刻来形成滑动面101。换句话说，首先进行表面平滑处理(通过镜面精整珩磨处理)，接着进行化学研磨(通过蚀刻)，从而形成油坑4。通过这样形成滑动面101，共晶硅粒2可保持在滑动面101上而不脱落，因而共晶硅粒2充分地有助于保持润滑剂。其原因将在下面对比传统的浮凸珩磨处理或蚀刻处理更详细地进行说明。
在使用浮凸珩磨处理形成滑动面101的情况下，首先制备在表面附近具有初晶硅粒和共晶硅粒的模制品(与图4所示的步骤S1相同的步骤)，接着对模制品的表面进行精镗处理，如图7A所示。随后，在如图7B所示进行粗珩磨处理后，如图7C所示地进行浮凸珩磨处理。浮凸珩磨处理使用粘附有磨粒的树脂刷来进行，并且如此进行以使基体3大体上被切掉。但是，作为机械研磨处理的浮凸珩磨处理不可避免地连同基体3一起除去了共晶硅粒2的一部分，如图7C中示意性所示。因此，共晶硅粒2对保持润滑剂贡献不大。
另一方面，在没有前进行镜面精整珩磨处理而通过蚀刻处理形成滑动面101的情况下，首先制备在表面附近具有初晶硅粒和共晶硅粒的模制品(与图4所示的步骤S1相同的步骤)，然后对模制品的表面进行精镗处理，如图8A所示。接下来，如图8B所示地进行粗珩磨处理，此后如图8C所示地进行蚀刻处理。在这种情况下，表面通过粗珩磨处理已受损(即破裂或破碎)的那些共晶硅粒2将保持突出。这些共晶硅粒2将最终从滑动面101上脱落，如图8C示意性所示。因此，共晶硅粒2对保持润滑剂贡献不大。
在本优选实施例中，在蚀刻处理之前进行镜面精整珩磨处理，在这种情况下，与在浮凸珩磨处理(为机械研磨)中不同，蚀刻处理(为化学研磨过程)不会使共晶硅粒2连同基体3一起去除。此外，由于在蚀刻处理之前通过镜面精整珩磨处理使表面(也包括共晶硅粒2的表面)平滑，所以共晶硅粒2的脱落不像在粗珩磨处理后立即进行蚀刻处理的情况下发生的那样频繁。因此，共晶硅粒2充分地有助于保持润滑剂。
接下来，对根据本优选实施例的气缸体100进行实际的原型制造并对其进行耐磨评价试验的结果加以说明。
使用具有下面的表1所示成分的铝合金、通过与在国际申请No.2004/002658中所公开类似的高压模铸技术来制造气缸体100。
表1
 
Si Cu Mg
22.0质量％ 2.5质量％ 0.50质量％
Fe P Al
0.3质量％ 0.01质量％ 余量
使用在日本待审公开专利No.2004-268179中公开的珩磨设备来进行珩磨处理(粗珩磨处理和镜面精整珩磨处理)，同时在将被打磨的表面上供给冷却油(即，湿珩磨)。使用具有#600粒度的磨石进行粗珩磨处理，而使用具有#1500或#2000粒度的磨石进行镜面精整珩磨处理。应注意，粒度越高意味着磨石具有越精细的磨粒并且因此经打磨的表面将获得更高的平滑度。但是，随着磨粒越精细，切削速度会降低，从而导致处理时间更长并且生产率更低。换句话说，根据本优选实施例的制造方法敢于进行对生产率不利的镜面精整珩磨处理。
蚀刻处理使用质量百分比约为5％的氢氧化钠溶液在溶液温度约为70℃的条件下进行。通过改变浸没时间来调节蚀刻量(蚀刻深度)。
使用气缸体100和通过锻造单独制成的铝合金活塞来组装内燃机。在内燃机仍然较冷且润滑剂还未遍及气缸的状态后立即使该内燃机以8000rpm的转速运转5分钟，并用肉眼观察滑动面101上出现的划痕(即刮擦)以确定气缸体是否合格能够使用。结果如下面的表2所示。表2也示出了十点平均粗糙度RzJIS和在滑动面101的约30％切断水平上的负荷长度比率Rmr(30)，这是使用TOKYO SEIMITSU有限公司制造的SURFCOM1400D来测量的。如下面更详细地叙述，十点平均粗糙度RzJIS是可用于评价油坑4的深度的参数，而负荷长度比率Rmr(30)是可用于评价在滑动面101上保持突出(即，残留于其上而不脱落)的共晶硅粒2的数量的参数。
表2
 
步骤 Rmr(30)[％] RzJIS[μm] 评价结果
示例1 #600→#2000→碱蚀刻 40 0.54 好
 
示例2 #600→#2000→碱蚀刻        45 1.32 好
示例3 #600→#2000→碱蚀刻        30 0.82 好
示例4 #600→#2000→碱蚀刻        50 1.10 好
示例5 #600→#2000→碱蚀刻        20 2.76 好
示例6 #600→#1500→碱蚀刻        75 1.15 好
示例7 #600→#1500→碱蚀刻        30 1.97 好
示例8 #600→#1500→碱蚀刻        60 0.65 好
示例9 #600→#1500→碱蚀刻        35 1.62 好
示例10 #600→#1500→碱蚀刻        50 0.75 好
比较示例1 #600→#2000 8 0.28 不好
比较示例2 #600→浮凸珩磨 5 0.37 不好
比较示例3 #600→#2000→浮凸珩磨      15 0.43 不好
比较示例4 #600→#2000→浮凸珩磨      12 0.45 不好
比较示例5 #600→#2000→浮凸珩磨      5 0.43 不好
比较示例6 #600→#2000→浮凸珩磨      3 0.76 不好
 
比较示例7 #600→#2000→碱蚀刻        50 0.40 不好
比较示例8 #600→#2000→碱蚀刻        15 4.05 不好
比较示例9 #600→碱蚀刻 15 1.20 不好
从表2可看出，在示例1至10中，在进行了镜面精整珩磨处理后进行蚀刻处理的情况下，十点平均粗糙度RzJIS约为0.54μm或更大且负荷长度比率Rmr(30)约为20％或更大，因此不会发生刮擦。应注意，虽然在镜面精整珩磨处理中使用相同粒度(#2000)的磨石但十点平均粗糙度RzJIS和负荷长度比率Rmr(30)的值在示例1至5之间变化的原因是由于蚀刻时间的不同。基于相同的原因，尽管在镜面精整珩磨处理中使用相同粒度(#1500)的磨石，但十点平均粗糙度RzJIS和负荷长度比率Rmr(30)在示例6至10之间也有所变化。示例1至10中的蚀刻时间(秒)如下面的表3所示。
表3
 
示例 蚀刻时间(秒)
1 10
2 25
3 15
4 20
5 40
6 20
7 35
8 10
9 30
10 10
另一方面，在比较示例1(其中在粗珩磨处理和镜面精整珩磨处理后既不进行蚀刻处理也不进行浮凸珩磨处理)和比较示例2(其中在粗珩磨处理后进行浮凸珩磨处理)中，十点平均粗糙度RzJIS小于0.54μm，并且负荷长度比率Rmr(30)小于20％，表明有刮擦。
此外，在比较示例3至6中，在粗珩磨处理和镜面精整珩磨处理后进行浮凸珩磨处理，负荷长度比率Rmr(30)小于20％，十点平均粗糙度RzJIS小于0.54μm(除了比较示例6以外)，表明有刮擦。
在比较示例7中，尽管在镜面精整珩磨处理后进行蚀刻处理，但十点平均粗糙度RzJIS也小于0.54μm。这是由于蚀刻时间过短而无法提供充分的腐蚀量。在比较示例8中，尽管在镜面精整珩磨处理后进行蚀刻处理，但负荷长度比率Rmr(30)也小于20％。这是由于蚀刻时间过长，从而导致过多的腐蚀量并引起共晶硅粒的脱落。示例1至10中的蚀刻时间如表3所示在10至40秒之间，而比较示例7中蚀刻时间为8秒，比较示例8中蚀刻时间为70秒。
同样在比较示例9中，在粗珩磨处理之后直接进行蚀刻处理(即不进行镜面精整珩磨处理)，负荷长度比率Rmr(30)小于20％，表明有刮擦。
图9是绘出示例1到10以及比较示例1到7和9的图表，其中横轴表示十点平均粗糙度RzJIS而纵轴表示负荷长度比率Rmr(30)。
从图9可看出，在未发生刮擦的示例1至10中(如图表中所示的ex1至ex10)，十点平均粗糙度RzJIS约为0.54μm或更大，负荷长度比率Rmr(30)约为20％或更大。另一方面，在发生刮擦的比较示例1至7和9中(如图表中所示的ce1至ce7和ce9)，十点平均粗糙度RzJIS和负荷长度比率Rmr(30)中的至少一个处在上述数值范围之外。因此可看出，在十点平均粗糙度RzJIS约为0.54μm或更大且在约30％切断水平上的负荷长度比率Rmr(30)约为20％或更大的情况下，润滑剂保持能力得到提高并且避免了刮擦。应注意，当如比较示例8所示十点平均粗糙度RzJIS超过约4.0μm时，可能发生精细共晶硅粒的大量脱落，使得用于保持润滑剂的精细空隙(具有微细间距的油坑4)减少。因此，优选地，十点平均粗糙度RzJIS约为4.0μm或更小。
图10A和10B示出示例2和比较示例2中的气缸体的滑动面的原子力显微镜(AFM)照片。如图10A所示，突起和凹部以微细间距大致均匀地存在于示例2的滑动面上，这样不仅初晶硅粒1而且大量共晶硅粒2都保持突出。另一方面，如图10B所示，仅有少量突起存在于比较示例2的滑动面上，表明大部分是初晶硅粒1保持突出。
图11A和11B示出示例2和比较示例2的滑动面的剖面曲线。如图11A所示，大量具有足够深度的凹部以微细的间距存在于示例2的滑动面上，表明由共晶硅粒2产生了油坑4。另一方面，如图11B所示，没有足够深的凹部存在于比较示例2的滑动面上，表明共晶硅粒2不足以产生油坑4。
图12A和12B示出示例2和比较示例2的滑动面的负荷曲线。如图12A所示，示例2的滑动面即使在较低的切断水平(如30％左右)也具有高的负荷长度比率Rmr，这表明不仅初晶硅粒1而且大量共晶硅粒2都保持突出。另一方面，如图12B所示，比较示例2的滑动面在较低的切断水平(如30％左右)具有低的负荷长度比率Rmr，这表明没有太多的共晶硅粒2保持突出。
图13A和13B示出在进行运转试验后示例2和比较示例2的气缸体的滑动面的照片。如图13A所示，示例2的滑动面几乎没有任何划痕，表示无刮擦。另一方面，如图13B所示，比较示例2的滑动面具有大量划痕，表示有刮擦。
如从图13A和13B也可看出，示例2无刮擦而比较示例2有刮擦的原因在于示例2和比较示例2之间润滑剂保持能力的不同。图14A和14B示出对示例2和比较示例2的气缸体的滑动面进行润湿性试验的结果。示例2的滑动面将润滑剂吸收至高水平，如图14A所示(其中吸收高达2.70mm)，而比较示例2的滑动面无法将润滑剂吸收至高水平，如图14B所示(其中吸收只达到约0.94mm)。因此，可看出示例2的滑动面比比较示例2的滑动面具有更高的润滑剂保持能力。
如上所述，当不仅初晶硅粒1而且大量共晶硅粒2在滑动面101上都保持突出时可获得高的润滑剂保持能力。如图15示意性所示，当大量共晶硅粒2保持突出时，以微细间距形成了足够深的油坑4，从而润滑剂保持能力增强并且抗烧伤性提高。由于大量共晶硅粒2保持突出，与仅有初晶硅粒1保持突出的情形相比，与活塞环122a实际接触的部分的面积增大。结果，在滑动期间单位面积内施加的负荷减小，从而提高了耐磨性。
另一方面，如图16示意性所示，当基本上只有初晶硅粒1保持突出时，以粗的间距形成了油坑4，导致润滑剂保持能力和抗烧伤性更低。由于几乎没有共晶硅粒2突出，所以与活塞环122a实际接触的部分的面积小，导致耐磨性差。
作为表示滑动面101的表面粗糙度的参数，本优选实施例关注十点平均粗糙度RzJIS和在约30％切断水平下的负荷长度比率Rmr(30)。
对于从剖面曲线截取的一部分，即延伸了基准长度L的部分(如图17所示)，十点平均粗糙度RzJIS是指五个最高顶点的高度值R1、R3、R5、R7和R9的平均值与五个最低凹点的高度值R2、R4、R6、R8和R10的平均值之间的差值，如下面的公式1所示。
公式1
R z JIS = ( R 1 + R 3 + R 5 + R 7 + R 9 ) - ( R 2 + R 4 + R 6 + R 8 + R 10 ) 5
因此，大的十点平均粗糙度RzJIS意味着油坑4具有足够的深度。如参照上述试验结果已述，就润滑剂保持能力而言，优选约0.54μm的十点平均粗糙度RzJIS。
对于从粗糙曲线截取的一部分，即延伸了评价长度ln的部分(如图18所示)，给定切断水平c下的负荷长度比率Rmr(c)是指当粗糙曲线在平行于各顶点连线的切断水平c处被切断时的切断长度的和(即负荷长度)Ml(c)与评价长度ln的比率，如下面的公式2所示。
公式2
Rmr ( c ) = 100 ln Σ i = 1 m Ml ( c ) i ( % )
因此，负荷长度比率Rmr(c)是表示有多少硅粒1和2在滑动面101上保持突出的指标。大的负荷长度比率Rmr(c)意味着有大量共晶硅粒2保持突出。在内燃机运转初期，滑动面101的最外层表面被大概磨损至对应于约30％切断水平的深度。因此，可认为在约30％切断水平下的负荷长度比率Rmr(30)用作表示在实际运转期间有多少共晶硅粒2保持突出的参数。如参照上述试验结果已述，就润滑剂保持能力而言，优选在约30％切断水平下的负荷长度比率Rmr(30)为约20％或更大。
如上所述，用传统的浮凸珩磨处理难以确保十点平均粗糙度RzJIS和负荷长度比率Rmr(c)处于上述数值范围内。其原因参照图19进行描述。
在作为机械研磨过程的浮凸珩磨处理中，在硅晶粒1和2稀疏的区域与密集的区域之间存在研磨量的差异。具体地，如图19中的右侧所示，在硅晶粒1和2稀疏的区域内进行深研磨，导致大的浮凸高度h。但是，如图19中的左侧所示，在硅晶粒1和2密集的区域内仅进行浅研磨，导致小的浮凸高度h。因此，难以在整个滑动面101上获得大的十点平均粗糙度RzJIS。但是，由于一些共晶硅粒2与基体3一同被研磨，因而也难以获得高的负荷长度比率Rmr(c)。
另一方面，如图20所示，在蚀刻处理(为化学研磨过程)中，不论硅晶粒1和2是稀疏还是密集，都能向下研磨至恒定的深度，这样就得到恒定的浮凸高度h。因此，通过调节蚀刻剂的浓度和温度以及蚀刻时间，可容易地提高十点平均粗糙度RzJIS。此外，由于共晶硅粒2不与基体3一同被研磨，因而可容易地提高负荷长度比率Rmr(c)。
接下来，将描述硅晶粒1和2在滑动面101上的优选平均晶粒尺寸和优选粒径分布。本发明人已对硅晶粒1和2在滑动面101上的具体布置与气缸体100的耐磨性和强度之间的关系进行了详细的研究。结果发现，通过将硅晶粒1和2的平均晶粒尺寸设定在特定范围内和/或为硅晶粒1和2规定特定的粒径分布，可大大提高耐磨性和强度。
首先，通过将初晶硅粒1的平均晶粒尺寸设定在不小于约12μm且不大于约50μm的范围内，可提高气缸体100的耐磨性。
如果初晶硅粒1的平均晶粒尺寸超过约50μm，则滑动面101的单位面积上的初晶硅粒1的数量将变少。因此，在内燃机运转期间会有大的负荷施加在各个初晶硅粒1上，这样初晶硅粒1可能被破坏。被破坏的初晶硅粒1的碎屑将用作磨粒，可能使滑动面101受到大的磨损。
如果初晶硅粒1的平均晶粒尺寸小于约12μm，则各个初晶硅粒1的埋在基体3内的部分会很小。因此，在内燃机运转期间可能发生初晶硅粒1的脱落。脱落的初晶硅粒1将用作磨粒，可能使滑动面101受到大的磨损。
另一方面，当初晶硅粒1的平均晶粒尺寸不小于约12μm且不大于约50μm时，滑动面101的单位面积上存在足够量的初晶硅粒1。因此，在内燃机运转期间施加在各个初晶硅粒1上的负荷较小，从而抑制了对初晶硅粒1的破坏。由于各个初晶硅粒1的埋在基体3内的部分足够大，所以初晶硅粒1的脱落减少，从而也抑制了由于初晶硅粒1的脱落而导致的对滑动面101的磨损。
此外，共晶硅粒2具有加强基体3的功能。因此，通过提供精细的共晶硅粒2，可提高气缸体100的耐磨性和强度。具体地，通过确保共晶硅粒2具有约7.5μm或更小的平均晶粒尺寸，可获得提高耐磨性和强度的效果。
此外，通过将硅晶粒1和2的粒径分布设定成使硅晶粒在不小于约1μm且不大于约7.5μm的晶粒尺寸范围内具有一个峰值并且使硅晶粒在不小于约12μm且不大于约50μm的晶粒尺寸范围内具有一个峰值，可大大提高气缸体100的耐磨性和强度。图21示出优选粒径分布的一个例子。晶粒尺寸处在不小于约1μm且不大于约7.5μm范围内的硅晶粒为共晶硅粒2，而晶粒尺寸处在不小于约12μm且不大于约50μm范围内的硅晶粒为初晶硅粒1。此外，从使更多的共晶硅粒2有助于产生油坑4的角度来看，仍如图21所示，优选地，存在于不小于约1μm且不大于约7.5μm的晶粒尺寸范围内的第一尖峰(即与共晶硅粒2有关的尖峰)的频度比存在于不小于约12μm且不大于约50μm的晶粒尺寸范围内的第二尖峰(即与初晶硅粒1有关的尖峰)的频度大至少约五倍。
为了控制初晶硅粒1和共晶硅粒2的平均晶粒尺寸，在铸造模制品的步骤(图5所示的步骤S1c)中可调节将成为滑动面101的那部分的冷却速率。具体地，通过进行上述铸造使将成为滑动面101的那部分以不低于约4℃/秒且不高于约50℃/秒的冷却速率被冷却，硅晶粒1和2将以如此方式沉积下来，使得初晶硅粒1具有不小于约12μm且不大于约50μm的平均晶粒尺寸，而共晶硅粒2具有约7.5μm或更小的平均晶粒尺寸。
如上所述，本优选实施例的气缸体100包括具有良好的润滑剂保持能力的滑动面101，因此适用于各种类型的输运设备的内燃机。特别地，气缸体100适用于任何在高转速下(具体地，以8000rpm或更高的最大转速)运转的内燃机，例如摩托车的内燃机，从而可大大提高内燃机的耐用性。
图22示出包括了根据本发明优选实施例的气缸体100的示例性内燃机150。内燃机150包括曲轴箱110、气缸体100和气缸盖130。
曲轴111容纳在曲轴箱110内。曲轴111包括曲柄销112和曲柄臂113。
气缸体100位于曲轴箱110上方。活塞122插入在气缸体100的气缸孔内。活塞122由铝合金(典型地为含硅的铝合金)形成。活塞122可通过锻造形成，如例如在USP No.6,205,836的说明书中公开的那样。USP No.6,205,836的说明书的公开内容全部引用于此作为参考。
在气缸孔中未插入气缸套，并且在气缸体100的气缸孔壁103的内表面上没有镀覆层。换句话说，初晶硅粒1和共晶硅粒2都露出在气缸孔壁103的表面上。
气缸盖130位于气缸体100上方。气缸盖130与气缸体100内的活塞122一同限定了燃烧室131。气缸盖130包括进气口132和排气口133。用于将空气-燃料混合物供给到燃烧室131内的进气阀134位于进气口132内，用于排空燃烧室131的排气阀135位于排气口133内。
活塞122和曲轴111经连杆140联接。具体地，活塞122的活塞销123插入在连杆140的小端142的通孔内，并且曲轴111的曲柄销112插入在大端144的通孔内，从而活塞122和曲轴111彼此联接。大端144的通孔的内周表面与曲柄销112之间设有滚柱轴承114。
尽管不存在强制供给润滑剂的油泵，但由于包括了本优选实施例的气缸体100，所以图22所示的内燃机150具有良好的耐用性。由于本优选实施例的气缸体100的特征在于滑动面101的高耐磨性，因而不需要气缸套。因此，可简化内燃机150的制造步骤，减轻内燃机150的重量，并提高冷却性能。此外，由于不需要对气缸孔壁103的内表面进行镀覆，也可降低制造成本。
图23示出包括图22所示的内燃机150的摩托车。在摩托车内，内燃机150将以高转速运转。
在图23所示的摩托车内，头管302位于车体框架301的前端。前叉303连接于头管302而能够在车辆的左右方向上摆动。在前叉303的下端，前轮304被支撑成能够转动。
座椅导轨306连接于车体框架301的后端的上部而沿向后方向延伸。燃料箱307位于车体框架301上，并且主车座308a和串列车座308b位于座椅导轨306上。
沿向后方向延伸的后臂309连接于车体框架301的后端。在后臂309的后端，后轮310被支撑成能够转动。
在车体框架301的中部保持有图22所示的内燃机150。本优选实施例的气缸体100被用于内燃机150。散热器311设置在内燃机150的前方。排气管312连接至内燃机150的排气口，消音器313连接于排气管312的后端。
变速器315连接于内燃机150。驱动链轮317连接在变速器315的输出轴316上。驱动链轮317经链条318连接至后轮310的后链轮319。变速器315和链条318用作将内燃机150内产生的动力传递至驱动轮的传递机构。
由于图23所示的摩托车包括使用了本优选实施例的气缸体100的内燃机150，所以摩托车具有良好的性能。
尽管以气缸体为例对本优选实施例进行了描述，但本发明不限于此。本发明可广泛地应用于具有滑动面(即，润滑剂需要保持在该表面上)的任意内燃机部件。例如，本发明可用于活塞、气缸套或凸轮件。
工业适用性
根据本发明的优选实施例，提供了具有润滑剂保持能力良好的滑动面的内燃机部件及其制造方法。
根据本发明优选实施例的内燃机部件可适用于各种类型的输运设备的内燃机，特别适用于在高转速下运转的内燃机以及润滑剂在其内不是经泵强制供给到气缸的内燃机。
尽管已参照优选实施例描述了本发明，但本领域技术人员显然清楚，所公开的本发明能以多种方式进行修改并且可具有除了上述具体说明的实施例之外的许多其它实施形式。因此，应认为所附权利要求涵盖了本发明的所有变型，它们都处在本发明的实质精神和范围内。

Claims (12)

1.一种由含硅的铝合金形成的内燃机部件，包括：
位于滑动面上的多个硅晶粒，所述多个硅晶粒包括多个初晶硅粒和多个共晶硅粒，所述初晶硅粒和所述共晶硅粒从基体突出；其中
所述滑动面具有约为0.54μm或更大的十点平均粗糙度RzJIS，并且在所述滑动面的约30％的切断水平上的负荷长度比率Rmr(30)为约20％或更大。
2.如权利要求1所述的内燃机部件，其特征在于，所述多个初晶硅粒具有不小于约12μm且不大于约50μm的平均晶粒尺寸。
3.如权利要求1或2所述的内燃机部件，其特征在于，所述多个共晶硅粒具有约7.5μm或更小的平均晶粒尺寸。
4.如权利要求1至3中任一项所述的内燃机部件，其特征在于，所述多个硅晶粒具有这样的粒径分布，该粒径分布具有存在于不小于约1μm且不大于约7.5μm的晶粒尺寸范围内的第一尖峰和存在于不小于约12μm且不大于约50μm的晶粒尺寸范围内的第二尖峰。
5.如权利要求4所述的内燃机部件，其特征在于，所述第一尖峰处的频度比所述第二尖峰处的频度大至少约五倍。
6.如权利要求1至5中任一项所述的内燃机部件，其特征在于，所述铝合金包含：按质量计不小于约73.4％且不大于约79.6％的铝；按质量计不小于约18％且不大于约22％的硅；和按质量计不小于约2.0％且不大于约3.0％的铜。
7.如权利要求1至6中任一项所述的内燃机部件，其特征在于，所述铝合金包含按质量计不小于约50ppm且不大于约200ppm的磷以及按质量计不大于约0.01％的钙。
8.如权利要求1至7中任一项所述的内燃机部件，其特征在于，所述内燃机部件是气缸体。
9.包括如权利要求1至7中任一项所述的内燃机部件的内燃机。
10.如权利要求9所述的内燃机，其特征在于，所述内燃机包括由铝合金形成的活塞，并且所述内燃机部件是气缸体。
11.包括如权利要求9或10所述的内燃机的输运设备。
12.一种用于制造具有滑动面的内燃机部件的方法，包括：
提供模制品的步骤，该模制品由含硅的铝合金形成并且在表面附近包括初晶硅粒和共晶硅粒；
使用粒度为#1500或更大的磨石来打磨所述模制品的表面的步骤；和
蚀刻所述模制品的经打磨的表面以形成供所述初晶硅粒和共晶硅粒从基体突出的滑动面的步骤。
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