CN1056923A - 改进汽缸套与曲轴箱间接合的方法 - Google Patents

改进汽缸套与曲轴箱间接合的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种内燃机气缸套与构成曲轴箱 的铸件间连续金相接合的方法，其曲轴箱由不同于组 成缸套所用的材料构成。该方法包括一个在缸套外 表面涂敷一层金属薄膜的表面处理过程，而所述涂敷 金属则不同于缸套及曲轴箱所含的金属，且该涂敷金 属还能增强缸套材料与铸件材料之间的溶接性及传 热系数。而后将缸套安置在铸模内，围绕其浇注金属 或合金，而且该曲轴箱也是由该金属或合金制成的。

Description

本发明涉及一种获得内燃机气缸套与构成曲轴箱的铸件之间的连续金相接合的方法。
在内燃机中，每个活塞都由铝合金制成，它们在发动机曲轴箱中所设的圆筒状空腔内精确滑动。曲轴箱通常由铸铁制成，但也可由铝合金制成的铸件组成。
上述滑动的精度通过安装在活塞周围的，由钢或铸铁制成的弧形物或弹性活塞环保证。尤其是曲轴箱由铝合金制成时，活塞环对气缸内壁的摩擦力使气缸内壁受到磨损，在超过规定的时间后，这种磨损将降低滑动精度，从而使发动机的效率降低。
为了消除这一缺陷，人们在气缸内腔中嵌装了缸套。缸套由高耐磨高强度材料制成，如钢或其它的铅合金。
当曲轴箱经铸造制出后，经热配合将这些缸套嵌在发动机曲轴箱内，或者在同一铸造步骤中将缸套嵌置在铸模内。在上述两种情况下，缸套与曲轴箱的接合是通过机械式夹紧力实现的紧配合，而接合面的材料并不连续。由于该接合面材料不连续，从而在冷却气缸的内表面时，产生导热性降低的缺点。此外，由于材料不连续，且不同材料的热膨胀系数不同，随着热循环的不断重复进行，在此期间，曲轴箱与气缸套之间的附着力及机械夹持力会减小，因此上述曲轴箱和缸套产生相互脱离，并将发生相对运动。且由于冷却效果不佳，从而使缸套内壁的光洁度迅速损坏。
本申请发现：借助于气缸套表面的适当处理，在所述缸套及构成内燃机曲轴箱的铸件间可获得很强的金相结合。
尤其是本发明所述的方法将保证能得到熔接操作的最佳条件：即排除表面的杂质及氧化物，使之进行材料间的紧密贴合及接合。
然而，这种形式的熔接与其它方法有很大不同，其不需要外部能源（如加热，超声波等等），而且熔接是在同一铸造过程中进行的。
此外，不易通过其它工艺接合的金属也能通过这种形式的熔接进行接合。
根据本发明，获得内燃机气缸套与构成曲轴箱的铸件间的连续金相接合的方法包括一个由物理、化学或电化学方法在缸套外表面涂敷一层金属薄膜的表面处理过程。该种金属与缸套及曲轴箱材料中所含的金属不同，并且能增强构成曲轴箱的合金与构成缸套的材料之间的溶接性，并增加它们之间的传热系数。曲轴箱由不同于构成缸套的材料制成。将缸套置于铸模内，围绕其浇注金属或合金，而且曲轴箱也是由该金属或合金制成的。
缸套及铸件可以由铝、镁或铅或镁的合金构成，但它们的组成成份相互必须不同。
缸套也可以由复合材料制成，其带有由铝镁或者铝或镁的合金组成的金属基体。该复合材料是由金属相（或合金相）构成的。该金属相（或合金相）围绕或与其它相结合、从而形成增强物质（粉末或陶瓷纤维）。
增强物具有极高的机械强度和硬度，并且基体所受应力传递给它。另一方面，基体应具有合适的特性，该特性与设想的应用方式存在一定的函数关系。
增长物可以由长陶瓷纤维或短陶瓷纤维（Al2O3，SiC，Si3N4，BN，SiO2）构成，或者由陶瓷细丝（SiC，Si3N4，B4C，Al2O3）构成，还可由非金属粉末（SiC，BN，Si3N4，B4C，SiO2或Al2O3）构成。
制备复合材料的方法可以如下：
-将增强物分散在熔融态的基体中;
-将增强物分散在部分为固态的基体中;
-粉末冶金
-纤维冶金
-压膜;
-渗透。
复合材料既可直接获得，也可通过下述机械加工/处理得到。
组成薄膜的金属最好由以下元素中选择：金，银，铜，镍，铂，钯，铬，钨，铱，钼，钽，铌，锇，铼，铑，钌，锆。薄膜厚度最好处于10到100nm的范围内，附着在金属材料或金属基体的复合材料的表面上，且组成薄膜的金属不同于组成缸套或铸件的材料。
所述金属薄膜的涂敷最好通知喷镀或电化学镀敷来实现。
本领域公知的化学的，物理的方法及其它的方法均可用于表面涂敷，如等离子喷镀，激光喷涂，热蒸发涂敷，磁控电子喷涂，CDV（化学蒸汽涂敷）等等。
通过合适的涂敷，用于浇注的金属液体将能够将金属材料或金属基复合材料“浸湿”到足够将热量传递给它的程度。把所述材料表面不可避免而形成的氧化膜除去，并且将其直接与材料（当用金属材料时）接合，或将其与金属基体（当用复合材料时）接合。
一旦该材料完全洗净，将其进行涂敷，并安置在铸模内。铸造的工作参数必须调整得便于保证适当的过热液流能涂敷在材料的表面上。
将材料在模中的位置选置适当是很重要的，并且其中的浇口（进入口）及冒口（出口）的形状要专门设计，以便在所述液态金属冷却到很低温度之前能涂敷，浸渍并清洗材料的壁。
因此，问题的关键就在于控制以下三个参数：材料预热温度;金属（或合金）的铸造温度及流动状况。用这样的方法可在材料及铸件间得到极佳的金相接合。
气缸套可直接通过现有的公知技术获得（如重力铸造，压力铸造，模铸或挤压铸造，或用粉末冶金，渗透或融合），也可由逐步的机械加工获得，还可由塑性加工方法（如挤压，层压或者锻造）获得。现在举出一些本发明的最佳实施例，但是这些例子决不是用来限制本发明的。
例1
（实验室测试）
-缸套由一管材构成，该管材由含硅17%的硅-铝过共晶合金制成，其外径为50mm，厚为5mm，高为65mm，为重力铸造铸件。
-缸套的外表面喷镀有金质薄膜。
-构成铸件的材料为含硅9%的硅-铝合金。
-铸模由石墨制成（如图），其中：
（1）是石墨模具;
（2）是缸套;
（3）是铸造孔;
-将缸套预热至350℃;
-铸件的金属温度为700℃;
-铸料的体积约为400Cm3;
-铸造通过底铸完成。
例2
（实验室测试）
-缸套由一根管材构成，该管材由复合材料制成，其外径为50mm，厚度为5mm，高为65mm，由重力铸造获得。
-由渗透获得的复合材料由硅-铝共晶合金基体构成，其含有13%的硅，还含有由体积占55%的碳化硅粉末构成的增强物质（粉末颗粒的平均直径为20μm）。
-缸套的外表面喷镀有金质薄膜。
-构成铸件的材料是含硅9%的硅-铝合金。
-铸模由石墨制成（如图示），如例1所述。
-将缸套及模具预热至300℃;
-铸件的金属温度为650℃;
-铸料的体积约为400Cm3。
-铸造通过底铸完成。
例3
（工业测试）
-测试是在铸造四冲程发动机的曲轴箱的工业用铸造设备上进行的。
-缸套由管材构成，该管材由复合材料经挤压制成，其外径为95mm，厚约为5mm，高约为130mm。
-复合材料由硅-铝共晶合金为基体经渗透及稀释组成，其含有13%的硅和体积占25%的碳化硅粉末构成的增强物（粉末的平均直径为20μm）。
-缸套的外表面喷镀有金质薄膜。
-构成铸件的材料是含硅9%的硅-铝合金。
-工业铸模由铸铁制成。
-将缸套预热至300℃。
-铸件金属的温度大约为700℃。
-铸料的体积约为10dm3。
-铸造通过底铸完成。
例4
（工业测试）
-测试是在铸造四冲程发动机的曲轴箱的工业用铸造设备上进行的。
-缸套由管材构成，该管材由复合材料经挤压制成，其外径为95mm，厚约5mm，高约130mm。
-复合材料由硅-铝共晶合金为基体经混合而组成，其含有13%的硅和体积占15%的碳化硅粉末构成的增强物（粉末直径为20μm）。
-缸套外表面喷镀有金质薄膜。
-构成铸件的材料是含硅9%的硅-铝合金。
-工业铸模由铸铁制成。
-将缸套预热至300℃。
-将铸模预热至大约370℃。
-铸件金属的温度为大约700℃。
-铸料的体积约为10dm3。
-铸造通过底铸完成。

Claims (16)

1、内燃机气缸套与构成曲轴箱的铸件间连续金相接合的方法，该曲轴箱由不同于组成缸套所用的材料构成；该方法包括一个在缸套外表面涂敷一层金属薄膜的过程；而所述金属膜的金属不同于缸套及曲轴箱所包含的金属，且可增强铸件合金与缸套材料之间的溶接性及传热系数；将缸套置入铸模内，围绕其浇注金属或合金，而且曲轴箱也是由该金属或合金制成。
2、如权利要求1所述方法，其特征在于曲轴箱由铝、镁或铅或镁的合金组成。
3、如权利要求1所述方法，其特征在于缸套由铝、镁或铅或镁的合金组成。
4、如权利要求1所述方法，其特征在于缸套由铝、镁或铅或镁的合金作为基体的复合材料构成。
5、如权利要求4所述方法，其特征在于缸套由含有从SiC，BN，Si3N4，B4C，SiO2，Al2O3中选出的非金属粉末作为增强物的复合材料组成。
6、如权利要求4所述的方法，其特征在于缸套由从SiC，Si3N4，B4C，SiO2或Al2O3中选出的陶瓷细丝作为增强物的复合材料构成。
7、如权利要求4所述的方法，其特征在于缸套由从SiC，BN，Si3N4，B4C，SiO2或Al2O3中选出的长的或短的陶瓷纤维作为增强物的复合材料构成。
8、如权利要求5或6或7所述的方法，其特征是缸套由含有粉末，细丝或长或短陶瓷纤维作为增强物的复合材料构成，其浓度以体积算占10%到60%。
9、如权利要求1所述的方法，其特征在于涂敷于缸套外表面上的金属从下列元素中选择：金，银，铜，镍，铂，钯，铬，钨，铱，钼，钽，铌，锇，铼，铑，钌，锆。
10、如权利要求1所述的方法，其特征在于金属薄膜的涂敷通过喷镀完成。
11、如权利要求1所述的方法，其特征是金属薄膜的涂敷通过电化学镀敷完成。
12、如权利要求1所述的方法，其特征在于金属薄膜之涂敷通过化学涂敷完成。
13、如权利要求1所述的方法，其特征是金属薄膜的涂敷通过等离子喷镀，热蒸发涂敷或CDV（化学蒸发涂敷）或者通过激光喷涂，磁控电子喷涂技术完成。
14、如权利要求1所述的方法，其特征是缸套通过重力铸造，压力铸造，模铸，挤压铸造，或者通过粉末冶金，渗透或融合得到，既可直接获得，也可用逐步的机械加工或塑性机械加工的方法获得（如挤压，层压或锻造）。
15、如权利要求4所述方法，其特征在于复合材料通过将增强物分散在熔融态的基体中的方法获得，或将增强物分散在部分固态的基体中的方法获得，或由粉末冶金，金属涂敷纤维，压膜，渗透的方法获得。
16、如权利要求1所述的方法，其特征是涂敷在缸套外表面上的金属薄膜厚度在10nm到100nm的范围内。
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