CN101829765B - 铝合金铸件及其生产方法以及生产滑动构件的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种不含引起裂纹的针形结晶物质的铝合金铸件以及用于生产如耐磨性等机械性能优异的滑动构件的设备和方法。通过振动施加单元(114)的振动针(148)来振动处于完全液态的倒入容器(120)内的含铁的铝合金熔融物，然后将芯体插入所述熔融物中以使该熔融物冷却，从而制备作为滑动构件的套筒的铝合金铸件。所述振动步骤在20Hz～1000Hz的频率进行并持续，直到所述熔融物即将被冷却至固-液共存温度区时停止。

Description

铝合金铸件及其生产方法以及生产滑动构件的设备和方法

技术领域

本发明涉及通过冷却和凝固铝合金(Al合金)熔融物而获得的铝合金铸件、用于生产所述铝合金铸件的方法以及用于从金属熔融物生产滑动构件的设备和方法。

背景技术

在大多数内燃机中，圆柱形滑动构件(套筒)被插入缸体中形成的膛中，而活塞在套筒内往复运动。当活塞可滑动地与缸体中的膛内壁直接接触时，内壁可能被磨损。套筒起着避免内壁磨损的作用。

当缸体由铸造法生产时，套筒被置于腔体中的预定位置，然后将用于形成缸体的熔融物导入所述腔体，从而使套筒被熔融物围绕。因此，进行所谓的铸涂(封铸)以获得包含套筒的缸体。

作为套筒材料，通常使用具有较高硅(Si)含量的Al-Si合金(高硅合金)，这是由于该合金重量轻、高度耐磨并且强度高。然而，由高硅合金制成的套筒不适于由缸体用熔融物进行铸涂，从而难以获得套筒与缸体之间的足够的结合强度。

该问题可以通过在缸体用熔融物中也使用高硅合金来解决。然而，高硅合金通常昂贵，因此该方法的成本较高。

上述问题也可以通过在套筒中使用如Al-Fe-Mn-Si合金等Al合金来解决，所述合金适用于对于缸体的铸涂并且耐磨性优异。

然而，当将Al-Fe-Mn-Si合金的熔融物铸造以生产套筒时，所得铸件(套筒)含有基于铁(基于Fe)的金属间化合物的针形粗糙结晶物质。该针形粗糙结晶物质能引起断裂，因此所获得的套筒在强度和韧性方面可能不足。

从这一角度出发，已经进行了有关使所述结晶物质小型化的若干研究。例如，日本特开第2007-216239号公报公开了一种包含下述步骤的技术：在将熔融物冷却至低于液相线温度(凝固起始点)之前对所述熔融物进行超声振动然后使该熔融物凝固。

在使用如日本特开第2007-216239号公报的常规技术中所描述的这种超声振动(频率为20kHz以上)的情况中，尽管能产生大量晶胚，但难以施加足以使晶胚成长为晶核的能量。因此，大多数晶胚被重新熔化，从而产生如日本特开第2007-216239号公报的图9所示的基于Fe的金属间化合物的针形晶体。由此显而易见，日本特开第2007-216239号公报中所描述的常规技术的缺点在于，难以避免可能造成断裂的针形结晶物质的生成。

本申请人已在日本特开第2008-155271号公报中提出了这样的技术：在熔融物的温度高于凝固起始点但比高出凝固起始点10℃的温度低时以1000Hz以下的频率振动熔融物。

通过使用日本特开第2008-155271号公报中所描述的技术，可以在减少针形晶体的形成的同时实现结晶物质的小型化。但仍需要进一步的小型化。

可以通过各种方法来生产缸体用套筒。例如，由基于铁的材料制成的套筒通常通过旋转铸模法来生产。在该方法中，由于铁相对较重，因此可能需要较大的生产设备。

由铝合金制成的套筒可以通过如日本特开第2000-109944号公报中所描述的常规技术那样的喷射成型法等来生产。在该技术中，需要最终挤出工序来获得套筒材料。

此外，可以通过利用例如离心力将硬金属化合物颗粒设置在铸件外表面来生产如耐磨性等机械性能优异的铸件(见日本特开昭第58-116968号公报)。

在日本特开第2000-109944号公报所描述的技术中，由于需要最终挤出工序，因而可能需要更高的成本、更多的时间和人力。

日本特开昭第58-116968号公报所述的技术仅被设计来改善铸件外周表面的耐磨性，而所获得的滑动构件仅具有有限的应用。因此，所述铸件不能被用作缸体用套筒等。

在日本特开第2007-216239号和第2008-155271号公报中所述的常规技术中，可以通过振动Al合金熔融物以使铸造金属组织小型化来生产具有改善的机械性能的套筒铸件。然而，为了将铸件用作滑动构件，铸件的滑动表面应该具有优异的耐磨性。

发明内容

本发明涉及日本特开第2008-155271号公报，且本发明的目的是提供具有不含针形结晶物质的足够精细的结晶结构的铝合金铸件、用于生产所述铝合金铸件的方法，以及用于生产如耐磨性等机械性能优异的滑动构件的设备和方法。

根据本发明的第一方面，提供了通过冷却含铁的铝合金熔融物而获得的铝合金铸件。铝合金铸件中的至少一个表面的金属组织含有铁，所述铁处于纯铁或基于铁的与另一种金属的金属间化合物的颗粒状态，并且所述金属组织还含有在二维平面中的最大直径为10μm以下的共晶硅。在第一方面中，颗粒(grain)是指长径比(最短直径与最大直径之比)为0.5以下的物体。

第一方面的铝合金铸件的金属组织中产生的大多数结晶物质为粒状。所述金属组织几乎不含可充当破裂源的针形结晶物质。此外，共晶硅为直径较小的粒状。因此，所述铝合金铸件具有不易破裂的表面，具有优异的强度和韧性，还具有高耐磨性。

这种铝合金铸件的优选实例包括具有内壁和外壁的套筒。在所述套筒中，内壁对应于上述表面。

根据本发明的第二方面，提供了生产铝合金铸件的方法。所述方法包括以下步骤：将含铁的铝合金熔融物倒入容器内，用振动器在20Hz～1000Hz的频率对处于完全液态的熔融物进行振动直到熔融物被冷却至凝固点，当熔融物被冷却至凝固点时停止振动，并以比冷却至凝固点的冷却速率更高的冷却速率将熔融物进一步冷却，从而使熔融物凝固而获得铝合金铸件。铝合金铸件中的至少一个表面的金属组织含有铁，所述铁处于纯铁或基于铁的与另一种金属的金属间化合物的颗粒状态，并且所述金属组织还含有在二维平面中的最大直径为10μm以下的共晶硅。

当处于完全液态的熔融物受振动时，形成大量细晶核或结晶相核，并且对熔融物施加了足以使晶核生长的能量，从而避免了针形结晶物质的生成。因此，通过所述方法可以容易地生产如上所述的几乎不含引起破裂的针形结晶物质并且含有小直径的共晶硅颗粒的铝合金铸件。

当熔融物被冷却至凝固起始点时，可以将温度低于熔融物温度的芯体插入熔融物中。通过使用芯体，可以增加冷却速率，并可以在铝合金铸件中形成对应于芯体形状的腔体。在这种情况下，芯体从熔融物汲取热量，从而熔融物中与芯体相接触的部分以较高的冷却速率冷却。

在高冷却速率下，上述细小晶核和结晶相核在维持较小维度的同时凝固。因此，通过所述方法可以容易地形成含有细小结晶物质的金属组织。

在使用芯体的情况下，在熔融物中，与芯体接触的部分可能以30℃/秒以上的冷却速率冷却，而离芯体最远的部分可能以10℃/秒以下的冷却速率冷却。各部分中形成的金属组织取决于在熔融物中的位置而彼此不同。因此，在各个位置可以形成具有期望性质的金属组织。

例如，可以生产如下的套筒作为铝合金铸件：所述套筒具有内壁和外壁，所述内壁具有高度耐磨的金属组织(上述金属组织)，所述外壁具有适于铸造包围其的缸体的金属组织。

根据本发明的第三方面，提供了用于生产滑动构件的设备。所述设备包含用于储存至少含有基体金属和比基体金属硬的硬金属的金属熔融物的容器，用于使容器中的金属熔融物在1000Hz以下的频率振动的振动施加工具和插入由振动施加工具振动的金属熔融物内以冷却金属熔融物的芯体。

在第三方面中，当金属熔融物在1000Hz以下的低频率进行振动时，在高温区产生结晶相核。当金属熔融物由芯体冷却时，金属熔融物与芯体表面接触的部分以较高的冷却速率冷却。结果，在该部分中产生细小坚硬的金属晶粒。因此，金属熔融物与芯体表面接触的部分具有含有细小的结晶相和晶粒的精细坚硬的金属组织。可以通过控制插入金属熔融物的芯体的形状和位置以使对应于滑动表面的部分被快速冷却而在滑动构件的滑动表面上形成精细坚硬的结构。上述简单设备能够生产具有高度耐磨的滑动表面的滑动构件。

金属熔融物可以选自各种熔融物。例如，基体金属可以为铝，而硬金属可以含铁。在这种情况下，滑动构件可以用作缸体用套筒。

在本发明的第三方面的生产设备的实施方式中，振动施加工具可以含有振动发生器和振动器。振动发生器可以具有转子和偏心轮，所述偏心轮能以相对于所述转子的旋转轴的偏心状态与所述转子整体旋转。振动器与振动发生器相连，沿转子的旋转轴方向延伸，并插入金属熔融物内。

在该实施方式中，使转子和偏心轮整体旋转以在振动发生器中引起振动。振动发生器中的振动被传导至振动器。由于振动器沿转子的旋转轴方向延伸，因而振动器在横向方向运动。因此，可以以相对较大的振幅均匀振动整个金属熔融物，并且能有效地形成结晶相核。

在本实施方式中，所述设备还可以包含其上放置容器的平台、将置于平台上的容器转移至第一位置和第二位置的传送工具以及升高和降低平台的升降工具。可将振动器置于对应于处在第一位置的平台的位置，可将芯体置于对应于处在第二位置的平台的位置。

在本实施方式中，通过升高和降低平台可以将振动器和芯体容易地插入金属熔融物中。与不用传送工具相比，使用传送工具可以更容易地将容器转移至第一位置和第二位置。此外，当第一位置和第二位置彼此相邻时，与它们远离时(不相邻)相比，整个生产装置可以具有更小的尺寸，可以以更短的时间转移容器，并且循环时间可以更短。

在第三方面的生产设备的另一个实施方式中，容器可以包含隔热材料。在该实施方式中，金属熔融物中与容器接触的部分以较低的冷却速率冷却。因此，当滑动构件由压铸件包封时，所述部分与压铸件可以具有大致相同的金属组织，从而导致滑动构件与压铸件之间优异的附着。

根据本发明的第四方面，提供了一种生产滑动构件的方法，所述方法包括使用振动施加工具使置于容器中的金属熔融物在1000Hz以下的频率振动的振动施加步骤(所述金属熔融物至少含有基体金属和比所述基体金属硬的硬金属)和将芯体插入由振动施加工具振动的金属熔融物中以冷却金属熔融物的芯体插入步骤。第四方面具有与第三方面相同的有利效果。

在本发明中，铝合金铸件中至少一个表面的金属组织含有铁(所述铁处于纯铁或基于铁的与另一种金属的金属间化合物的颗粒状态)，并且还含有在二维平面中的最大直径为10μm以下的共晶硅。结果，所述金属组织几乎不含引起破裂的针形结晶物质，使得所述铝合金铸件不易破裂并且具有优异的如强度和韧性等性能。

此外，共晶Si的最大直径较小，有助于改善如耐磨性等性能。

另外，由于金属熔融物在低频率振动后由芯体冷却，因而在与芯体表面接触的部分中可以形成精细坚硬的结构。因此，使用上述简单设备，可以通过控制插入金属熔融物的芯体的形状和位置以使对应于滑动表面的部分快速冷却而生产具有高度耐磨的滑动表面的滑动构件。

结合附图并通过以下描述，本发明的上述和其它目的、特点和优点将更加显而易见，在附图中通过说明性实例的方式显示了本发明的优选实施方式。

附图说明

图1是显示作为本发明的实施方式的Al合金铸件的套筒的整体示意性透视图。

图2是显示套筒的内壁的金属组织的光学显微照片；

图3是显示套筒的外壁的金属组织的光学显微照片；

图4是显示本实施方式的套筒生产设备的主要部分的图；

图5是显示不施加振动而通过冷却和凝固熔融物所生产的Al合金铸件的金属组织的光学显微照片；

图6是显示浸入生产套筒的容器中的熔融物中的振动针的示意性垂直截面图；

图7是显示本实施方式的套筒生产步骤的流程图；

图8是显示使熔融物振动的步骤的图；

图9是显示将平台从第一位置移动至第二位置的步骤的图；

图10是显示除去图8所示的振动针之后的熔融物的示意性垂直截面图；

图11是显示将芯体插入熔融物的步骤的图；

图12是显示将芯体插入熔融物开始时的示意性垂直截面图；

图13是显示将芯体插入熔融物结束时的示意性垂直截面图；

图14是显示将铸件从容器分离的步骤的图；

图15是显示从铸件除去芯体的步骤的图；

图16是显示通过冷却和凝固熔融物而获得的未加工的套筒的整体示意性透视图；和

图17是显示用于评估本实施方式的套筒和通过常规的重力铸造法获得的套筒的耐磨性的测试结果的图表。

具体实施方式

以下将参考附图对本发明的铝合金铸件和相关生产方法的优选实施方式进行详细描述。

首先，以下参考图1～3对本实施方式的铝合金铸件进行描述。

本实施方式的铝合金铸件被用作滑动构件(套筒)。如图1所示，套筒10具有带内壁12和外壁14的圆柱形。套筒10被插入缸体(未显示)的膛内以保护膛内壁。因此，套筒10的内部空间16充当活塞(未显示)往复运动于其中的圆柱膛。

如下文所述，通过将芯体插入熔融物来生产套筒10。在套筒10中，内壁12由芯体塑造，而内部空间16通过略微磨削加工内壁12而形成。

在该实施方式中，套筒10由含铁(Fe)的铝(Al)合金制成。例如，所述Al合金可以含有2.0重量％～4.0重量％的铜(Cu)、9.0重量％～11.0重量％的硅(Si)、0.3重量％～0.8重量％的镁(Mg)、1.0重量％以下的锌(Zn)、4.0重量％以下的Fe、2.0重量％以下的锰(Mn)、0.1重量％以下的镍(Ni)、0.5重量％以下的钛(Ti)和0.1重量％以下的铬(Cr)，剩余量为铝(Al)。这类Al合金的优选实例包括2.58％Cu-11.0％Si-0.55％Mg-0.014％Zn-2.02％Fe-1.10％Mn-0.003％Ni-0.007％Ti-0.002％Cr-Al合金。

图2是显示套筒10中的内壁12的金属组织的光学显微照片。如图2所示，在内壁12的金属组织中，在基质中分散有长径比为0.5以下的结晶物质颗粒。图2所示的白色矩形是在纵向上具有对应于10μm的长度的比例尺。尽管图3和图5中所示的各白色矩形也是比例尺，但其对应于100μm。

在使用具有上述组成的Al合金的情况中，结晶物质颗粒包括基于Fe-Mn的金属间化合物颗粒和共晶硅(共晶Si)颗粒。因此，在本实施方式中，基于Fe-Mn的金属间化合物和共晶Si均为细小晶粒形式。基于Fe-Mn的金属间化合物和共晶Si的各晶粒在二维平面的最大直径为10μm以下。

在套筒10中，内壁12的金属组织含有具有相当小的直径的结晶物质。所述金属组织不含常常导致破裂的针形结晶物质，由此内壁12不易破裂。因此，套筒10具有优异的如耐磨性、强度和韧性等各种性能。

尽管外壁14可以具有与内壁12相同的金属组织，但外壁14优选具有适于铸造围绕外壁14的缸体用熔融物的金属组织。这种金属组织的光学显微照片如图3所示。

以下参考图4描述套筒的生产设备。

如图4所示，生产设备100具有主体112、振动施加单元114、芯体插入单元116和控制单元118。

主体112充当生产设备100的基础，被置于工厂等的地面上。主体112具有容器(模具)120、平台122、升降装置124、升降马达126、传送装置128、传送马达130和称重部件132。

容器120中装有包含基体金属和硬金属的金属熔融物(下文称作熔融物)。基体金属是铝。硬金属比基体金属更硬并且含铁。因此，该熔融物由至少含铁的Al合金构成。该Al合金具有与用于套筒10的上述材料相同的组成。

容器120由隔热材料制成。隔热材料可以是Lumiboard、砂、陶瓷纤维(IBIWOOL)等。在其中通过本实施方式的设备100生产的套筒10由压铸件包封的情况下，选择隔热材料以使套筒10用熔融物的与隔热材料接触的部分的冷却速率与压铸件中的熔融物的冷却速率大致相同。容器120可从平台122移走。

升降装置124使用升降马达126沿图4所示的箭头A的方向升高和降低平台122。传送装置128使用传送马达130将平台122沿图4所示的箭头B的方向水平转移。平台122由传送马达130从第一位置(平台122的一个位置，如图9中的虚线两点线所示)向第二位置(平台122的一个位置，如图9中的实线所示)转移。例如，升降装置124和传送装置128可以是进料螺杆装置。第一位置与第二位置彼此相邻。

称重部件132根据置于平台122上的容器120中的熔融物的重量而输出信号。

振动施加单元114能振动容器120中的熔融物。振动施加单元114具有振动发生器134、振动器136和温度检测器138。

振动发生器134产生频率为1000Hz以下(低频)的振动。频率优选为20Hz～1000Hz。当频率低于20Hz时，所得金属组织含有如图5所示的基于Fe-Mn的金属间化合物的极其粗糙的针状晶体，图5是显示通过不振动的常规凝固而生产的铸件结构的光学显微照片。因此，担心所获得的金属组织可能不利地破裂。另一方面，当频率高于1000Hz时，产生的晶胚因高频而重新熔化，以致所得的金属组织常常含有在通过常规凝固所产生的结构中可见的基于Fe-Mn的金属间化合物的针状晶体。因此，在这种情况下，所获得的金属组织也可能不利地破裂。

具体而言，振动频率可以是但不限于90Hz、200Hz、450Hz等。

振动发生器134具有转子140、旋转马达142和偏心轮144。转子140由旋转马达142旋转。旋转马达142可以为电动马达或气动马达。偏心轮144可以以相对于转子140的旋转轴的偏心状态与转子140整体旋转。

振动器136被置于面对处于第一位置的平台122的位置。振动器136具有与振动发生器134相连的支撑体146，还具有与支撑体146相连的多个振动针148。振动针可插入熔融物中。

如图4和图6所示，振动针148沿转子140的旋转轴方向直线延伸，并且具有圆形截面。

振动针148以一定间隔设置。控制该间隔使得振动针148不会在振动期间彼此接触。

振动针148由陶瓷材料或耐热金属材料制成，从而足以抵抗熔融物的热量。选择振动针148的直径和数目以使振动针148在熔融物中的占据率为15％～30％(振动针的浸入部分与熔融物的体积比)。

将振动针148在熔融物中的占据率控制在15％～30％从而增加核的生成。基于直径在预定范围内的细小晶粒的总面积在凝固铸件200的面积(例如，5mm×5mm)中的面积比率来评估核生成的增加。

具体而言，当细小晶粒的面积比率为70％以上时，认为核生成增加。当细小晶粒的面积比率小于70％时，不认为核的生成增加。

在该实施方式中，当振动针148在熔融物中的占据率为15％以上时，细小晶粒的面积比率为70％以上。因此，振动针148在熔融物中的占据率的下限为15％。还认为铸造工序中合金组成的不均匀性也决定着下限。细小晶粒的面积比率可以通过如下步骤获得：使用光学显微镜观察铸件200的金属组织，测定晶粒的直径以确定细小晶粒，并进行图像处理以对面积比率进行定量。

当熔融物受振动时，铝等附着于振动针148的表面。因此，必须清洁振动针148的表面以除去附着于表面的铝等。在清洁中，优选将振动针148以一定间隔设置。当振动针148之间的间隔过小时，无法有效进行清洁，且通常会增加循环时间。考虑到保持令人满意的振动针148之间的距离，振动针148在熔融物中的占据率的上限是30％。

如图4所示，将芯体插入单元116置于面对处在第二位置的平台122的位置以冷却容器120中的熔融物。芯体插入单元116具有可插入熔融物的芯体150和用于将芯体150从凝固铸件200中除去的脱模环152。

芯体150具有对应于缸体用套筒的形状(近似圆柱形)。具体而言，芯体150被形成为倒梯形圆锥状(见图12和13)。芯体150可以由具有优异导热性的材料(如基于铜的材料或基于铜铬的材料)制成，并且具有常温至200℃的温度。芯体150的尺寸使得当芯体150插入容器120中的熔融物中时，在芯体150的外表面与容器120的内表面之间形成一定的空间(见图12和13)。

脱模环152被置于芯体150的外表面上，并且能在芯体150的纵向方向移动。

控制单元118用于控制升降马达126、传送马达130、旋转马达142和芯体插入单元116。控制单元118具有存储器154、升降控制部件156、传送控制部件158、振动控制部件160和脱模控制部件162。

熔融物需求映像数据和振动温度范围映像数据储存于存储器154中。熔融物需求映像数据包括滑动构件的重量与熔融物需求量之间的关系。振动温度范围映像数据包括熔融物的类型(材料)与振动温度范围之间的关系。

升降控制部件156用于操作升降马达126，从而升高和降低平台122。

传送控制部件158用于操作传送马达130，从而水平转移平台122。

振动控制部件160用于操作旋转马达142，从而振动熔融物。控制旋转马达142的旋转速率以使熔融物在20Hz～1000Hz的频率振动。基于振动温度范围和由来自温度检测器138的信号获得的检测温度来确定振动熔融物的时间段。振动温度范围从存储器154中的振动温度范围映像数据获得。

脱模控制部件162用于移动脱模环152，从而将芯体150从凝固铸件200中除去。

以下将参考图4和图7～16描述本实施方式的套筒10的生产方法。

首先，如图4所示，将容器120置于处于第一位置的平台122上，并将处于完全液态的熔融物添加至容器120中。在该步骤中，容器120中的熔融物的重量由称重部件132测定。使用从称重部件132输出的信号检测熔融物的重量。

可以将处于完全液态的熔融物添加至容器120中，或作为另一种选择，可以通过在容器120中加热而将处于固液共存状态的熔融物转化为完全液态。

称重部件132根据置于平台122上的容器120中倒入的熔融物而输出信号。当检测到的重量达到所需重量时(当将熔融物向容器120倾倒完成时)，停止熔融物重量的测定。所需熔融物的量值从存储器154获得。

如图8所示，由升降控制部件156升高平台122，从而使振动针148插入(浸入)熔融物中(图7的步骤S1)。

旋转马达142由振动控制部件160旋转，从而使熔融物振动预定的振动时间(步骤S2)。在该步骤中，熔融物的温度由温度检测器138检测，由控制单元118判定所检测到的温度是否处在振动温度范围内。当检测到的温度在振动温度范围内时，通过振动控制部件160使旋转马达142运转，以使熔融物振动。当检测到的温度不在振动温度范围内时，通过振动控制部件160停止旋转马达142的运转，以停止振动。

以这种方式，在振动针148浸入熔融物之后，立即通过振动控制部件160使熔融物振动，直到熔融物即将被冷却至凝固起始点并转化为固液共存态时停止振动。换言之，在该实施方式中，在熔融物的温度从完全液态温度区改变至固液共存态温度区的上限时，对熔融物进行振动。

在日本特开第2008-155271号公报的方法中，当熔融物被冷却至比凝固起始点高出10℃的温度时，换言之，当熔融物的温度处在固液共存温度区时，驱动振动发生器134。相反，在本实施方式中，当熔融物处于完全液态时，驱动振动发生器134。振动发生器134显示出20Hz～1000Hz的振动频率。

在使用由2.58％Cu-11.0％Si-0.55％Mg-0.014％Zn-2.02％Fe-1.10％Mn-0.003％Ni-0.007％Ti-0.002％Cr-Al合金组成的熔融物的情况下，熔融物的凝固起始点为681℃。当熔融物的温度为850℃时，将其倒入容器120中。在这种情况下，在倒入后振动熔融物，直到其即将被冷却至凝固起始点时停止振动。因此，在熔融物的高温区产生了结晶相核。

如图9所示，由升降控制部件156降低平台122从而使容器120返回至第一位置(步骤S3)。因此，从处于凝固起始点的熔融物中取出振动针148，如图10所示。容器120中的熔融物含有细小晶核和细小结晶相核(均未显示)。

由传送控制部件158水平移动平台122，从而将容器120从第一位置转移至第二位置(步骤S4)。

如图11所示，由升降控制部件156升高平台122，从而使芯体150插入熔融物中(步骤S5)。当插入芯体150时，熔融物流入芯体150与容器120之间的空间，如图12所示。熔融物以图13所示的状态凝固。在熔融物中，与芯体150接触的部分对应于套筒10的内壁12，而与容器120接触的部分对应于套筒10的外壁14。因此，在以下说明中，可将与芯体150接触的部分称作内壁12，将与容器120接触的部分称作外壁14。

从上述说明中显而易见，当插入芯体150时，由2.58％Cu-11.0％Si-0.55％Mg-0.014％Zn-2.02％Fe-1.10％Mn-0.003％Ni-0.007％Ti-0.002％Cr-Al合金组成的熔融物具有接近凝固起始点681℃的温度。芯体150的温度为常温至200℃。此外，芯体150由如上所述的具有优异导热性的材料制成。因此，熔融物的内壁12中的热量容易地转移至芯体150并被除去。通过除热，内壁12比外壁14冷却得快得多。同时，容器120通常受到加热，从而外壁14以与自然冷却速率几乎相同的速率冷却。

内壁12以比外壁14的冷却速率高的冷却速率冷却。例如，通过控制熔融物与芯体150之间的接触面积、芯体150的温度或熔融物的量等等，可以使内壁12以30℃/秒以上的冷却速率冷却，而可以使外壁14(离芯体150最远的部分)以10℃/秒以下的冷却速率冷却。在一个典型实例中，内壁12以30℃/秒～50℃/秒的冷却速率冷却，而外壁14以1℃/秒以下的冷却速率冷却。图2显示了以37℃/秒的速率冷却的内壁12的金属组织，图3显示了以0.4℃/秒的速率冷却的外壁14的金属组织。

在以如此高的冷却速率冷却的内壁12上，晶核和结晶相核不易生长，而是在维持较小维度的同时凝固。因此，在所得的金属组织中，结晶的基于Fe-Mn的金属间化合物处于颗粒状态，且共晶Si具有10μm以下的二维平面中的最大直径。

如图14所示，在铸造工序结束时，由升降控制部件156降低平台122，使容器120位于第二位置(步骤S6)。铸造工序的结束意味着已经经历了插入有芯体150的熔融物凝固所需的时间。熔融物的凝固时间可以根据熔融物材料而进行选择。

如图15所示，由脱模控制部件162操作芯体插入单元116，从而将芯体150从铸件200中除去(步骤S7)。具体而言，通过脱模控制部件162使脱模环152朝向传送装置128移动。如图16所示，铸件200具有对应于芯体150的倒梯形圆锥状的腔体，而形成该腔体的内壁12具有从下端至上端逐渐递增的锥形表面。

其后，通过传送控制部件158将铸件200转移至加工工序区(步骤S8)。在加工工序中，内壁12和外壁14经历预定的精加工工序(如磨削工序)。结果，获得如图1所示的套筒。该控制程序在步骤S8结束时完成。

在具有上述结构的生产设备100中，升降装置124和升降马达126对应于升降工具，而传送装置128和传送马达130对应于传送工具。在本实施方式的控制程序中，步骤S2对应于振动施加步骤，步骤S5对应于芯体插入步骤。

在本实施方式的滑动构件生产设备100中，熔融物被导入置于处在第一位置的平台122上的容器120内，然后通过升高平台122使振动针148插入熔融物中。振动发生器134中产生的振动通过支撑体146传导至振动针148，从而以低频率施加于熔融物。然后在熔融物的高温区产生结晶相核。

事实上，通过将振动发生器134的振动频率控制在20Hz～1000Hz，可使基于Fe-Mn的金属间化合物结晶为颗粒状，并且可使共晶Si细小，使其二维平面中的最大直径为10μm以下。其原因据认为如下。在使用上述20Hz～1000Hz的振动频率的情况下，可以产生大量晶胚，并能施加足以使晶胚生长为晶核并足以凝固晶核的能量。此外，在这种情况下，认为由于熔融物在完全液态下振动，因而可以避免每个核在结晶相生长期间与另一个核结合。

使熔融物振动预定的振动时间后，使平台122返回至第一位置，然后从第一位置转移至第二位置，并升高平台122以使芯体150插入熔融物中。然后，熔融物受芯体150压迫并快速流入芯体150的外表面与容器120的内表面之间的空间，从而使芯体150的外表面被熔融物覆盖(见图13)。因此，可以避免在套筒10中产生冷隔(cold shut)。在熔融物中，与芯体150的外表面接触的部分以较高的冷却速率冷却。该部分由芯体150快速冷却，从而在该部分中能产生细小坚硬的金属晶粒。在套筒10的滑动表面(内表面)的金属组织中，结晶相和晶粒是直径为10μm以下的精细坚硬相。因此，在该实施方式中，通过简单设备能够生产具有高度耐磨的活动表面的滑动构件。

在本实施方式的生产设备100中，转子140和偏心轮144整体转动以在振动发生器134中产生振动。振动发生器134中产生的振动通过支撑体146传递至振动针148。由于振动针148沿转子140的旋转轴方向延伸，因而这些振动针在横向方向移动。因此，可以以相对较大的振幅使整个熔融物均匀振动，且能有效形成结晶相核。

此外，在本实施方式的生产设备100中，通过升高和降低平台122可以容易地将振动针148和芯体150插入熔融物中。采用传送工具比不用传送工具能更容易地将容器120转移至第一位置和第二位置。当第一位置和第二位置彼此相邻时，与它们彼此远离(不相邻)相比，整个生产设备100可以具有更小的尺寸，容器120可以以更短的时间进行转移，且循环时间可以更短。

通常，可以通过压铸(高压压铸)在套筒周围铸造缸体以制造整体包含铸塑的套筒和缸体主体的缸体。当套筒和缸体主体具有不同的金属组织时，它们在铸件中展示出不同的热膨胀性能，以致它们之间的附着力往往被劣化。在本实施方式中，由于容器120由隔热材料制成，因而熔融物中与容器120接触的部分以较低的冷却速率冷却。因此，当通过压铸将套筒10包封以生产缸体时，套筒10的外壁14和缸体主体可以具有大致相同的金属组织，从而能有效地结合。

对通过上述生产方法获得的套筒10进行耐磨性测试。此外，也对通过常规重力铸造法由Al合金熔融物获得的比较例的套筒进行该测试。结果如图17所示。在耐磨性测试中，各样品的滑动表面的算术平均粗糙度(JIS B 0601(2001)中描述的Ra)为3μm。使可滑动地与滑动表面接触的构件以45mm的冲程和200mm/秒的滑动速度往复运动1500次。然后，测定滑动表面的磨耗损失。图17是显示磨耗损失与负载的关系的图表。

在图17中，白色正方形表示本实施方式的套筒10的测定结果，而白色菱形表示比较例的套筒的测定结果。从图17显而易见，本实施方式的套筒10即使在较大的负载下仍展示出较小的磨耗损失。换言之，套筒10具有优异的耐磨性。

本发明不限于上述实施方式，可以在其中进行各种修改和变化。本发明可以应用于除缸体用套筒以外的滑动构件。滑动构件的形状可以不是圆柱形而是四棱柱形。在这种情况下，芯体也为四棱柱形。

芯体的材料不限于基于铜的材料，可以适当地进行变化，只要熔融物可以由芯体冷却即可。可以在芯体中封入制冷剂以冷却熔融物。在这种情况下，芯体可以由基于铜的材料制成，并且可以改善芯体的熔融物冷却性能。

振动针不限于上述结构。例如，振动针的材料和形状可以任意选自表1中所述的材料和形状。如日本特开第2008-155271号公报所述，振动器可以具有包含制冷管(未显示)的冷却装置。

表1

应该理解，本发明的Al合金铸件不限于上述实施方式中生产的套筒10。例如，所述Al合金铸件可以是板形构件。

在生产板形构件的情形中，在熔融物的凝固步骤中不需要芯体。在该情况下，可以使用所谓的制冷机来增加冷却速率。

在上述实施方式中，Al合金含Mn，从而使基于Fe-Mn的金属间化合物结晶。Al合金可以不含Mn，且在该情况下铁以纯Fe状态或与另一种金属的金属间化合物的状态结晶。

尽管已经详细地显示并描述了本发明的某些优选实施方式，但应该理解，在不背离所附权利要求的范围的情况下，可以在其中进行各种变化和修改。

Claims (10)

1.一种铝合金铸件，所述铝合金铸件通过冷却含铁的铝合金熔融物而获得，其中

所述铝合金铸件中的至少一个表面的金属组织含有铁，所述铁处于纯铁或基于铁的与另一种金属的金属间化合物的颗粒状态，并且

所述金属组织还含有在二维平面中的最大直径等于或小于10μm的共晶硅。

2.如权利要求1所述的铝合金铸件，其中，所述铝合金铸件是具有内壁(12)和外壁(14)的套筒(10)，且所述内壁(12)具有所述一个表面。

3.一种生产铝合金铸件的方法，所述方法包括以下步骤：

将含铁的铝合金熔融物倒入容器(120)内，

使用振动器(136)于20Hz～1000Hz的频率使处于完全液态的所述熔融物振动，直到所述熔融物被冷却至所述熔融物的凝固点，

当所述熔融物被冷却至所述凝固点时停止振动所述熔融物，和

以比冷却至所述凝固点更高的冷却速率进一步冷却所述熔融物，从而使所述熔融物凝固以获得铝合金铸件，其中

所述铝合金铸件中的至少一个表面的金属组织含有铁，所述铁处于纯铁或基于铁的与另一种金属的金属间化合物的颗粒状态，并且

所述金属组织还含有在二维平面中的最大直径等于或小于10μm的共晶硅。

4.如权利要求3所述的方法，其中，当所述熔融物被冷却至凝固起始点时，将温度低于所述熔融物的温度的芯体(150)插入所述熔融物中，从而增加所述冷却速率，并在所述铝合金铸件中形成对应于所述芯体(150)的形状的腔体。

5.如权利要求4所述的方法，其中，在所述熔融物中，以等于或大于30℃/秒的冷却速率冷却与所述芯体(150)接触的部分，而以等于或小于10℃/秒的冷却速率冷却离所述芯体(150)最远的部分。

6.如权利要求4所述的方法，其中，所述铝合金铸件是具有内壁(12)和外壁(14)的套筒(10)，且所述内壁(12)具有所述一个表面。

7.一种用于生产铝合金铸件作为滑动构件的设备，其中所述铝合金铸件中的至少一个表面的金属组织含有铁，所述铁处于纯铁或基于铁的与另一种金属的金属间化合物的颗粒状态，并且所述金属组织还含有在二维平面中的最大直径等于或小于10μm的共晶硅，所述设备包含：

用于储存含铁的铝合金的金属熔融物的容器(120)，

用于使所述容器(120)中的所述金属熔融物在1000Hz以下的频率振动的振动施加工具(114)，和

插入由所述振动施加工具(114)振动的所述金属熔融物内以冷却所述金属熔融物的芯体(150)。

8.如权利要求7所述的设备，其中，所述振动施加工具(114)含有振动发生器(134)和振动器(136)，

所述振动发生器(134)具有转子(140)和偏心轮(144)，所述偏心轮(144)能以相对于所述转子(140)的旋转轴的偏心状态与所述转子(140)整体旋转，且

所述振动器(136)与所述振动发生器(134)相连，所述振动器(136)沿所述转子(140)的旋转轴方向延伸并插入所述金属熔融物内。

9.如权利要求8所述的设备，所述设备还包含：

放置所述容器(120)的平台(122)，

将置于所述平台(122)上的所述容器(120)转移至第一位置和第二位置的传送工具(128，130)，和

升高和降低所述平台(122)的升降工具(124，126)，

其中

将所述振动器(136)置于对应于处于所述第一位置的平台(122)的位置，和

将所述芯体(15)置于对应于处于所述第二位置的平台(122)的位置。

10.如权利要求7所述的设备，其中，所述容器(120)包含隔热材料。

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