CN102672145B - 复合预应力增强陶瓷缸套的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合预应力增强陶瓷缸套及其制造方法，该缸套包括金属外套和陶瓷内衬，将制造加工好的陶瓷内衬安放于金属浇铸模内并将其加热到一定温度，然后在浇铸模具内浇铸金属液，自然冷却后金属外套对陶瓷内衬产生压应力，提高了陶瓷的机械強度使之能够满足缸套的使用强度要求。本发明复合预应力增强陶瓷内衬缸套的制造方法简单，可以通过调节陶瓷和金属的热膨胀系数实现两者的良好配合和预应力的大小。采用该方法制得的内衬缸套，使用时在缸套外部无需使用冷却液系统进行冷却，能降低缸套的散热损失、提高内燃机燃烧室的温度，使得燃料的燃烧更迅速、更完全，从而增加内燃机的热机效率。

Description

复合预应力增强陶瓷缸套的制造方法

技术领域

本发明涉及内燃机缸套，尤其涉及一种复合预应力增强陶瓷内衬缸套的制造方法。

背景技术

目前内燃机缸套都是用金属材料制作，为了防止内燃机工作时缸套温度过高而影响缸套的使用强度，在缸套体外部都设有水冷却系统，以保证内燃机在不太高的温度下正常工作。由于水冷却系统吸热散热作用会消耗掉部分热能，使得气缸内燃烧室的温度降低，在某些情况下使燃烧室内的燃料燃烧得不迅速、不完全，降低了内燃机的热机效率，有时甚至还会产生燃烧不完全的有害气体，污染环境。

针对上述情况，有资料提出利用陶瓷材料的耐高温特性制造免水冷却的陶瓷内燃机，但由于陶瓷材料的脆性易碎，使其不具备基本的装配功能和使用強度，因而在陶瓷缸套的制作和使用上都存在困难，也有人设计用精密加工、加热装配冷却后产生预应力的方法增强，但加工精度要求太高，很难保证预应力的大小是否合适，增强性能的稳定性难以保证。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种制造简单、预应力大小稳定，能够实现的浇铸复合预应力增强陶瓷内衬缸套的制造方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：所述的复合预应力增强陶瓷内衬缸套的制造方法，具体包括如下步骤：

1）首先制造圆筒形陶瓷内衬并对其进行加工，使陶瓷内衬的内径和内表面质量符合缸套的要求；

2）将加工好的陶瓷内衬安放入浇铸模内且使陶瓷内衬的中心线和浇铸模的中心线重合；

3）在陶瓷内衬内放入电加热装置，将陶瓷内衬加热后，等待浇铸；

4）将金属液从浇铸口倒入以陶瓷内衬为内模的浇铸模中，金属液在陶瓷内衬周围冷却凝固形成金属外套，得到复合缸套；金属外套和陶瓷内衬在冷却过程中由于金属的收缩大于陶瓷，金属外套将对陶瓷逐渐施加均匀的压应力；

5）将浇铸好的复合缸套再以陶瓷内衬为基准对金属外套的外形根据内燃机的设计要求进行加工，即得到所述复合预应力增强陶瓷内衬缸套。

所述陶瓷内衬的壁厚为5～10mm且厚度均匀。而金属外套的壁厚通常应该大于常规的金属缸套的厚度，这是由于预应力的存在，对金属外套的强度要求增加。

在步骤3）中，将陶瓷内衬加热至700℃～900℃，这样就使陶瓷内衬能够承受浇铸金属液的热冲击而不炸裂。

在步骤4）中，优选通过自然冷却方法来形成金属外套，缓慢冷却逐渐产生压应力。

由于金属外套的热膨胀系数与陶瓷内衬的热膨胀系数大，冷却收缩时金属外套的收缩比陶瓷内衬的收缩大，金属外套对陶瓷内衬施加压应力。这种预加压应力能有效地提高陶瓷内衬的抗张强度，可以使陶瓷内衬适应气缸内燃料迅速燃烧时所产生的巨大压力而不破碎。所述陶瓷内衬比金属缸套能够承受更高的燃烧温度，其向外层传递的热量也更少，使得整个缸套可以不采用水冷却系统进行冷却，能够减少气缸燃烧室的温度的降低，使燃料燃烧得更迅速、更完全，有效提高内燃机的热机效率。

硬度大耐高温的陶瓷材料不能用于制造内燃机的高温部件，很重要的原因就是陶瓷材料性脆易碎強度小，不能承受燃料迅速燃烧所产生的強大冲击力。陶瓷材料的抗张强度和抗压强度极不平衡，一般抗张强度只有抗压强度几分之一到十几分之一，而陶瓷材料的抗张强度过小直接导至了陶瓷材料的易碎性，因而通过提高陶瓷材料的抗张强度就能提高陶瓷的机械強度。本发明利用预应力的方法，将陶瓷内衬的抗张强度提高200％～300％，使其能够满足缸套内的強度要求；另外，由于缸套的结构完整，气缸内燃料燃烧所产生的膨胀压力是均匀分布的，不会在局部产生过大的应力集中而导至陶瓷内衬破碎。

从热传递的角度看，陶瓷材料是热的不良导体，其导热系数远小于金属，气缸内通过陶瓷内衬向外传递的热量相对于金属就较少；而金属是热的优良导体，陶瓷内衬传递给金属外套的热量能迅速由内向外传递并迅速传向各金属部件而自然冷却，因而缸套外部无须再用冷却液冷却，机器整体不会因此而升温过高。

气缸内燃料燃烧的热量通过缸套向外散热的减少，使得燃烧室内的温度相应提高；同时，由于缸套向外散热的减少在气缸中只是局部，因而只能使燃烧室内的温度提高100℃～300℃，不会对机器的其它部件产生大的影响。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：简单，对加工精度要求不高，从而能够实现；而且浇铸金属时先对陶瓷内衬加热，这样使陶瓷内衬在浇铸金属时不炸裂。采用本发明制备得到的复合预应力增强陶瓷内衬缸套，使用时在缸套外部无需使用冷却液系统进行冷却，能降低缸套的散热损失、提高气缸燃烧室的温度，使得燃料的燃烧更迅速、更完全，增加了内燃机的热机效率；与同类机型相比，缸套的散热损失能减少10%～30%，气缸燃烧室温度能提高100℃～300℃，热机效率能提高10%～15%，尤其对短程间歇式使用的内燃机，其节能效果更加明显。

附图说明

图1为采用本发明方法制备得到的复合预应力增强陶瓷内衬缸套的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例1：制备如图1所示的复合预应力增强陶瓷内衬缸套，结构为：包括金属外套1和陶瓷内衬2，陶瓷内衬2浇铸在金属外套1内；其中，陶瓷内衬2的壁厚为5mm，陶瓷内衬2的材料为氮化硅陶瓷。

上述复合预应力增强陶瓷内衬缸套的制备方法，具体包括如下步骤：

1）采用工业陶瓷的制造加工方法制造和加工陶瓷内衬2，使其内表面及尺寸符合缸套要求，厚度均匀，外表面平整光洁； 

2）制作金属液浇铸砂模并把陶瓷内衬2置于其中，使陶瓷内衬的中心线和浇铸砂模的中心线重合；

3）将陶瓷内衬2加热至700℃后待浇铸；

4）将金属液从浇铸口倒入以陶瓷内衬为内模的浇铸砂模中，金属液在陶瓷内衬周围冷却凝固形成金属外套1，通过自然冷却方法，金属外套将对陶瓷内衬逐渐产生均匀的压应力，形成复合预应力增强陶瓷缸套；

5）浇铸好的复合预应力增强缸套再以陶瓷内衬为基准对金属外套根据内燃机的设计要求进行加工，使其外形尺寸符合缸套要求。

本发明与同类机型相比，缸套的散热损失能减少10%，气缸燃烧室温度能提高100℃，热机效率能提高10%。

实施例2：制备复合预应力增强陶瓷内衬缸套，结构为：包括金属外套1和陶瓷内衬2，陶瓷内衬2浇铸在金属外套1内；其中，陶瓷内衬2的壁厚为10mm，材料为氧化铝陶瓷。

上述复合预应力增强陶瓷内衬缸套的制备方法，具体包括如下步骤：

1）制造和加工陶瓷内衬2，使其内表面及尺寸符合缸套要求，厚度均匀，外表面平整光洁； 

2）制作金属浇铸砂模并把陶瓷内衬2置于其中，中心位置放准、放正；

3）将陶瓷内衬2加热至900℃后待浇铸；

4）将金属液从浇铸口倒入以陶瓷内衬为内模的砂模中，金属液在陶瓷内衬周围冷却凝固形成金属外套1，通过自然冷却方法，金属外套将对陶瓷内衬逐渐产生压应力，形成复合预应力增强陶瓷缸套；

5）浇铸好的复合预应力增强缸套再以陶瓷内衬为基准对金属外套根据内燃机的设计要求进行加工，使其外形尺寸符合缸套要求。

本发明与同类机型相比，缸套的散热损失能减少30%，气缸燃烧室温度能提高300℃，热机效率能提高15%。

实施例3：与实施例1基本相同，所不同的是陶瓷内衬的要求和制备时步骤3）中对陶瓷内衬加热的温度；

其中陶瓷内衬采用氧化硅陶瓷，其壁厚为8mm；

制备时，步骤3）中，将陶瓷内衬加热至800℃后待浇铸。

本发明与同类机型相比，缸套的散热损失能减少20%，气缸燃烧室温度能提高200℃，热机效率能提高12%。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，还可以制造缸套以外的其它产品，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种复合预应力增强陶瓷内衬缸套的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）首先制造圆筒形陶瓷内衬并对其进行加工，使陶瓷内衬的内径和内表面质量符合缸套的要求；

2）将加工好的陶瓷内衬安放入浇铸模内且使陶瓷内衬的中心线和浇铸模的中心线重合；

3）在陶瓷内衬内放入电加热装置，将陶瓷内衬加热后，等待浇铸；将陶瓷内衬加热至700℃～900℃，使其能够承受浇铸金属液的热冲击而不炸裂；

4）将金属液从浇铸口倒入以陶瓷内衬为内模的浇铸模中，金属液在陶瓷内衬周围冷却凝固形成金属外套，得到复合缸套；

5）将浇铸好的复合缸套再以陶瓷内衬为基准对金属外套的外形根据内燃机的设计要求进行加工，即得到所述复合预应力增强陶瓷内衬缸套。

2.根据权利要求1所述的复合预应力增强陶瓷内衬缸套的制造方法，其特征在于，所述陶瓷内衬的壁厚为5～10mm且厚度均匀。

3.根据权利要求1所述的复合预应力增强陶瓷内衬缸套的制造方法，其特征在于，在步骤4）中，通过自然冷却方法使金属外套对陶瓷内衬施加均匀的压应力。

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