CN101571079B - 封入铸造结构 - Google Patents

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Abstract

一种封入铸造结构，其包括汽缸套，该汽缸套由铸铁制成并通过封入铸造被封入铝合金内，并且在该汽缸套的外周表面上具有多个突起，其中当将铸铁部分至突起的基部的厚度设为L1，并将由铸铁部分和铝合金部分形成的整体件的厚度设为L2时，当在L1/L2＝0.45的条件下测量时，热传导率为35至80W/mK。

Description

封入铸造结构
技术领域
本发明涉及一种封入铸造(insert casting)结构，其中，由铸铁制成并且在外周表面上具有多个突起的汽缸套通过封入铸造被封入铝合金内，并且尤其涉及具有良好热传导率和结合强度的封入铸造结构。
背景技术
铸铁汽缸套通常被安装在铝合金汽缸体内，以便使得机动车发动机紧凑和质轻。用于制造这种具有汽缸套的汽缸体的传统领域中，已知下面的方法。首先，汽缸套被预先设置在用于铸造汽缸体的模具中。之后铸造材料(铝合金)被倒入模具内。汽缸套的外周由铝合金所封住。在这种情况下，提高将汽缸套和汽缸体结合为单个件的封入铸造结构的热传导率，对于提升发动机性能而言是有效的。
现有技术中，用于封入铸造的汽缸套的技术在日本专利特开2005-194983号、美国专利7383805号以及日本专利特开2004-209507号中得到公开。在日本专利特开2005-194983号以及美国专利文献7383805号中公开的技术，提出了通过将突起的高度值、突起的个数以及在汽缸套外周表面上的突起面积比规定为固定的值，提高汽缸套和汽缸体之间的粘着力和结合强度。在日本专利特开2004-209507号文献中公开的技术，提出了提高汽缸套和汽缸体之间的粘着力和热传导率，以及通过对于汽缸套的外周表面的算术平均粗糙度和展开长度比使用特定值来制造更薄的壁结构。此外，作为提高通过封入铸造将汽缸套封入铝合金内形成的封入铸造结构的热传导率的传统技术，已知将高热导率材料(例如铝合金)热喷涂到汽缸套的铸造表面上。
近年来，由于更高输出和低油耗发动机的使用，汽缸膛的顶部死区附近经受严酷的热条件。此外，汽缸膛之间的壁厚必须被制造得更薄以获得紧凑及低摩擦的发动机。通过封入铸造将汽缸套封入铝合金内的封入铸造结构的热传导特征必须得到改善，以作为减少热效应的措施。将汽缸膛之间的壁厚变成更薄尺寸也要求汽缸套被制造得更薄。
在日本专利特开2005-194983号和美国专利7383805号文献中所公开的技术都获得了高结合强度，但是热传导率存在不足。此外，当突起的高度高时，保持滑动表面的纹理以及将汽缸套制成为更薄的尺寸变得困难。在日本专利特开2004-209507号中所公开的技术，在汽缸套的外周表面和铝合金之间不具备足够的结合强度。将高热传导率的材料例如铝合金热喷涂在汽缸套外周表面上的方法成本很高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种封入铸造结构，其能被制造为更薄的尺寸并具有高的热传导率及结合强度。
根据本发明的一个方面，该封入铸造结构包括汽缸套，该汽缸套由铸铁制成并通过封入铸造被封入铝合金中，并且在该汽缸套的外周表面上具有多个突起，其特征在于：当将铸铁部分至突起的基部的厚度设为L1，将由铸铁部分和铝合金部分形成的整体件的厚度设为L2时，当在L1/L2＝0.45的条件下进行测量时，热传导率为35至80W/mK。
具有突起的汽缸套的外周表面的表面积优选为不具有突起的汽缸套的外周表面的表面积的140～230％。在表面积比低于140％时，热传导率将下降并且结合强度会降低。在表面积比高于230％时，封入铸造性能将变差并且热传导率将下降。
突起的高度优选为0.2至0.7mm，并且突起的个数优选为70至150个/cm2。即使存在许多个突起，在突起的高度小于0.2mm时，也不能得到足够的结合强度。在突起的高度超过0.7mm时，制造薄壁汽缸套变得困难并且热传导率将下降。当突起的数量少于70个/cm2时，热传导率将下降，并且在突起的数量大于150个/cm2时，热传导率将下降。
在对汽缸套的内周表面最终加工后，汽缸套的壁厚优选为1.5至2.3mm。在壁厚小于1.5mm时，不能获得用于在汽缸套内周表面上实现良好滑动性能的铸铁纹理。为得到薄壁汽缸套需要等于或者小于2.3mm的厚度。
通过提供高的热传导率和结合强度，本发明提高了发动机的性能。此外，由于在最终加工汽缸套的内周表面之后，能够形成薄壁(厚度为等于或者小于2.3mm)，所以汽缸膛之间的距离能缩短，并且汽缸体被制作得更为紧凑。如果汽缸膛之间的距离和传统的尺寸相同，那么铝合金部分可以被制作得更厚，以允许形成冷却腔。
附图说明
根据附图，本发明的优选实施例将会得到更详细的描述，其中：
图1为示出本发明的封入铸造结构的一个实施例的视图，且为示出汽缸体的安装有汽缸套的部分的平面图；
图2为示出了汽缸套的透视图；
图3A为示出了突起形状的视图；
图3B为示出了另一突起形状的视图；
图3C为示出了又一突起形状的视图；
图4A为示出了用于制造试样的封入铸造结构的平面图；
图4B为示出了从封入铸造结构上切割下来的试样的透视图；
图4C为示出了试样的一部分的视图；
图5为示出测量热传导率的方法的视图；
图6为示出测量结合强度的方法的视图；
图7为说明计算表面积比的方法的视图。
具体实施方式
图1示出了汽缸体的安装有汽缸套的部分。图2示出了汽缸套。考虑到轻质和低成本，汽缸体1的材料例如为依据日本工业标准(JIS)ADC10(相关的美国标准，ASTM A380.0)的铝合金，或者为依照JISADC12(相关的美国标准，ASTM A383.0)的铝合金。考虑到耐磨性、耐磨损性以及可加工性特征，汽缸套2的材料例如为依照日本工业标准(JIS)FC230的铸铁。铸铁的典型组成如下：
T.C：2.9-3.7(质量百分比，以下同)
Si：1.6-2.8
Mn：0.5-1.0
P：0.05-0.4
剩余物：Fe
根据需要，可以加入质量百分比为0.05-0.4％的铬、质量百分比为0.03-0.08％的硼和/或质量百分比为0.3-0.5％的铜。
汽缸套2被安装在汽缸体1中。汽缸套2的内周表面3形成汽缸膛。换言之，汽缸套2被预先放置在模具中用于铸造汽缸体，通过在模具中填充熔融的铝合金，制造封入铸造结构10，在该封入铸造结构10中封入由铸铁制成的汽缸套2，并且该汽缸套2整体结合到由铝合金制成的汽缸体1上。当完成时，汽缸套2的内周表面3被表面加工到1.5-2.3mm的壁厚。
多个突起5形成于汽缸套2的外周表面4上。对于突起5的形状没有特殊限定。例如，如图3A至3C所示，这些突起可以为梯形(图3A)、正方形(3B)、或者收缩形(粗的顶部，细的中间部)(图3C)。
包含突起5的汽缸套2的外周表面4的表面积为不包含突起的汽缸套的外周表面的表面积的140～230％。此外，突起5的高度为0.2至0.7mm，并且突起5的个数为70至150个/cm2。
突起面积比优选为10-50％。将突起面积比计算为，在单位面积上存在的突起5中、自突起5的基部起0.2mm的高度位置处的突起5的整个横截面面积与该单位面积的比率。也即是说，突起面积比相应于在自突起5的基部起0.2mm的高度位置处的平面中、在单位面积上的突起横截面面积的总面积。在突起面积比低于10％时，结合强度下降。在突起面积比超过50％时，突起之间连接在一起并且铸件性能变差，出现空隙且粘着力变差，并且热传导率降低。
通过离心铸造法制造汽缸套2。离心铸造法有效地制造在外周表面4上具有多个一致的突起5的汽缸套2。接下来描述用于制造汽缸套2的方法。
按照特定的比例将平均粒径为0.002-0.02mm的硅藻土与膨润土(结合剂)、水和表面活性剂混合，以形成模具被覆材料。模具被覆材料被喷射至在加热到200-400℃的同时进行旋转的模具(金属模具)的内表面上，以在模具的内表面上形成模具被覆层。模具被覆层的厚度为0.5-1.1mm。在表面活性剂的作用下，产生于模具被覆层内的水蒸汽泡在模具被覆层中形成多个凹部。在模具被覆层干燥之后，熔融的铸铁被提供进入旋转的模具内。熔融的金属此时填充进入模具被覆层中的凹部内以形成多个一致的突起。当熔融的金属硬化并形成汽缸套之后，将汽缸套和模具被覆层一起从模具中取出。炸裂处理(blastprocessing)将模具被覆层移除，以制造包含具有一致的多个突起的外周表面的汽缸套。
接下来描述评测封入铸造结构10的热传导率和结合强度的结果(见表1)，在该封入铸造结构10中封入汽缸套2，该汽缸套2由铸铁制成并在外周表面4上包含多个突起5，并且该汽缸套2通过封入铸造整体结合到铝合金上。
在实施例和比较例两者的测试中使用的形成汽缸套的铸铁的组成成分如下：
T.C：2.9-3.7(质量百分比，以下同)
Si：1.6-2.8
Mn：0.05-1.0
P：0.05-0.4
Cr：0.05-0.4
剩余物：Fe
实施例1至9和比较例1至4中的汽缸套都是按照上述制造方法生产的。比较例5的汽缸套使用下面的制造方法通过离心铸造方法进行制造。
按照特定的比例将平均粒径为0.05-0.5mm的硅砂、平均粒径等于或小于0.1mm的石英粉、膨润土(结合剂)和水混合以形成模具被覆材料。模具被覆材料被喷射至被加热到200-400℃的同时进行旋转的模具(金属模具)的内表面上，以在模具的内表面形成模具被覆层。模具被覆层的厚度为1mm。在模具被覆层干燥之后，熔融的铸铁被提供进入旋转的模具内。当熔融的金属硬化形成汽缸套之后，汽缸套和模具被覆层一起从模具中取出。炸裂处理将模具被覆层移除，以制造包含具有特定粗糙度的外周表面的汽缸套。
由铸铁制成的汽缸套2通过封入铸造被整体封入至铝合金内部，以制造用于测试的封入铸造结构10(见图4A)。
对于实施例和比较例两者来说，测试中使用的铝合金均为依照JIS ADC12的铝合金。
1、热传导率
热传导率通过激光闪光法得出。如图4A至图4C所示，测试件20从封入铸造结构10上切割下来，使得当铸铁部分2A至突起5的基部的厚度被设为L1，并将由铸铁部分2A和铝合金部分1A形成的整体件的厚度设为L2时，L1/L2等于0.45，如图4A中所示的虚线示出了切割线。换句话说，测试件20从封入铸造结构10切割下来，使得外径为10mm，铸铁部分2A至突起5的基部的厚度为1.35mm，并且由铸铁部分2A和铝合金部分1A形成的整体件的厚度为3mm。通过测量自激光照射开始到热量被传递至测试件20的后表面的时间，由测试件20的厚度来计算热传导率。在图5中，附图标记20表示测试件，21表示激光装置，22表示热电偶，23表示直流放大器，以及24表示记录器。所需的热传导率为35至80W/mK。
2、结合强度
从封入铸造结构10制造测试件30(20mm×20mm)(见图6)。专业夹具31、32通过胶粘剂分别与铸铁部分2A和铝合金部分1A进行结合。在拉力试验机中，沿着箭头的方向拉测试件30，当铸铁部分2A与铝合金部分1A被彼此分离时的强度被设为结合强度。这个结合强度优选为3Mpa或者更大。
3、突起的高度
汽缸套2上的突起的高度通过深度刻度计进行测量。所需的突起的高度为0.2-0.7mm。
4、突起的个数
通过使用不接触三维激光等高线测量装置，得到自突起5的基部起，在0.2mm的高度位置处的突起的等高线图。在10mm×10mm的范围内的闭合等高线的个数被设为每单位面积(1cm2)形成的突起的个数。所需要的突起的个数为70-150个/cm2。
5、表面积比
通过使用不接触三维激光等高线测量装置，得到自突起5的基部起，在0.2mm的高度位置处的突起的等高线图。从在10mm×10mm的范围内的闭合等高线部分的总表面积得出突起面积比B。当突起的个数被设为N，突起的平均高度被设为Hmm，并且进一步假设这些突起为具有固定横截面面积的圆柱体时，那么通过下面的公式得出具有突起的汽缸套的包括突起的外周表面的表面积相对于不具有突起的汽缸套的外周表面的表面积的百分比A(％)。正如已经描述过的，突起面积比B被计算为，在单位面积上存在的突起5中、自突起5的基部起在0.2mm的高度位置处的突起5的总横截面面积与单位面积的比率。所需的表面积比A为140-230％。
A＝35.45×(B×N)1/2×H+100              (1)
上述公式(1)依照如下进行计算。在图7中，当设定使得突起的平均半径为R mm，突起的平均高度为H mm，突起的数量为N，以及突起的面积比为B时：
π×R2×N＝100×B
R2＝100×B/(π×N)
R＝10×(B/(π×N))1/2
突起的侧表面的面积＝2×π×R×H×N
                  ＝2×π×10×(B/(π×N))1/2×H×N
                  ＝20×π1/2×(B×N)1/2×H
            ＝35.45×(B×N)1/2×H
10mm×10mm的面积＝100mm2
表面积比A(％)＝35.45×(B×N)1/2×H+100
评测结果如表1所示。实施例1-9具有高热传导率和高结合强度。然而，在具有低表面积比的比较例1、2和4中以及在具有高表面积比的比较例3中，热传导率降低。具有低突起高度的比较例2具有低结合强度，以及具有较高突起高度的比较例3的热传导率下降。在具有相对少突起的比较例1中热传导率下降，以及在具有许多突起的比较例4中热传导率下降。不具有突起并且具有粗糙铸造表面的比较例5不具备足够的结合强度。
表1
Figure G2009101322675D00081

Claims (2)

1.一种封入铸造结构，其包括汽缸套，该汽缸套由铸铁制成并通过封入铸造被封入铝合金中，并且在该汽缸套的外周表面上具有多个突起，其特征在于：当将铸铁部分至突起的基部的厚度设为L1，将由铸铁部分和铝合金部分形成的整体件的厚度设为L2时，当在L1/L2＝0.45的条件下进行测量时，热传导率为35至80W/mK；
其中，具有突起的汽缸套的外周表面的表面积为不具有突起的汽缸套的外周表面的表面积的140～230％；并且
其中，突起的高度为0.2至0.7mm，并且突起的个数为70至150个/cm2。
2.如权利要求1所述的封入铸造结构，其特征在于：对汽缸套的内周表面进行最终加工后，汽缸套的壁厚为1.5至2.3mm。
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