CN107335793A - 车辆用汽缸体的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种使缸套与汽缸体一体化的车辆用汽缸体的制造方法。该方法包括以下步骤：制备具有缸套形状的成型材料；将所制备的成型材料固定到汽缸体模具内部；以及通过将汽缸体用铸造熔融金属注入到固定有成型材料的汽缸体模具内，铸造与成型材料一体化的汽缸体。

Description

车辆用汽缸体的制造方法
技术领域
本发明涉及一种车辆用汽缸体的制造方法，更具体地，涉及一种汽缸体的制造方法，其中缸套和汽缸体是一体化的。
背景技术
通常，汽缸体是铸铁或铝合金的发动机的核心部件。在过去，一直使用铸铁，因为它适用于铸造和机械加工，成本低。然而，近年来，已大多使用铝合金来减轻重量。
优选地，汽缸体形成为使得一个铸件包括多个汽缸。在铝合金汽缸体的情况下，缸套通常被压合或注入到形成汽缸的圆柱孔内。这里，缸套是一个薄圆筒，设置在汽缸的内表面，以形成具有耐磨性的滑动表面。通常，缸套是通过铸造钢然后对钢进行精确抛光而形成的。
铝合金汽缸体存在一个问题，其汽缸体和缸套是分开制造的，然后缸套被压合或注入到汽缸体中，因此制造工序的数量增加。特别地，已提出一种发动机体的制造方法，该方法通过先烧结通过压制混合的原材料粉末如金属粉末而获得的缸套用粉末型成型材料，然后向铝合金内注入烧结材料。然而，该方法存在一个问题，其对缸套用粉末型成型材料进行模压成型，然后进行烧结工序，因此工序数量可能增加。
作为另一种方法，已提出一种技术，通过使用铝合金的压铸方法来铸造汽缸体，然后在其表面上形成氧化膜，以在从汽缸体移除缸套的同时保证耐磨性。然而，虽然该方法可能获得减少工序数量的效果，但是可能无法充分保证耐磨性。
因此，希望提供一种通过制造铝合金汽缸体来在减少工序数量的同时改进汽缸内表面耐磨性的技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种车辆用汽缸体的制造方法，所述方法通过在铸造汽缸体时使缸套与汽缸体一体化而烧结以粉末模制的缸套。
根据本发明的一个示例性实施方式，提供了一种车辆用汽缸体的制造方法，其包括以下步骤：制备具有缸套形状的成型材料；将所制备的成型材料固定到汽缸体模具内部；以及通过将汽缸体用铸造熔融金属注入到固定有成型材料的汽缸体模具内，铸造与成型材料一体化的汽缸体。
根据本发明的另一个示例性实施方式，提供了一种车辆用汽缸体的制造方法，其包括以下步骤：使用缸套用原材料粉末制备具有缸套形状的成型材料；将所制备的成型材料固定到汽缸体模具内部；以及通过将Al基汽缸体用铸造熔融金属注入到固定有成型材料的汽缸体模具内，铸造与成型材料一体化的汽缸体，其中在成型材料因铸造熔融金属的温度而合成有加强相(reinforcement)时，成型材料被烧结。
在制备步骤中，缸套的原材料粉末可以混合有Al、TiO2和C。
在铸造步骤中，包含在Al基汽缸体用铸造熔融金属中的Al成分可以与形成成型材料的原材料粉末反应，合成Al2O3和TiC。
缸套用原材料粉末可以是Al、TiO2和C以一定比例混合的，所述比例基于摩尔比是8～27:2～4:2～4。
缸套用原材料粉末可以基于摩尔比混合有12～17mol的Al。缸套用原材料粉末可以基于摩尔比进一步混合有3～5mol的CuO。
在铸造步骤中，Al基汽缸体用铸造熔融金属的温度范围可以为700～1000℃。
在铸造步骤中，Al基汽缸体用铸造熔融金属的温度范围可以为859～892℃。
在制备步骤中，具有缸套形状的成型材料可以在5000～7000psi的压力下压缩成型。
在铸造步骤中，Al基汽缸体用铸造熔融金属可以是Al或Al合金。
附图说明
图1是示出了根据本发明一个示例性实施方式的车辆用汽缸体的制造方法的流程图。
图2是示出了取决于成型材料的Al添加的DSC分析结果的图。
图3是示出了取决于成型材料的Al添加的反应产物差异的XRD图。
图4是示出了取决于成型材料的Al添加的TiC合成温度改变的图。
图5是示出了取决于成型材料CuO添加的DSC分析结果的图。
图6是示出了取决于成型材料CuO添加的TiC合成温度改变的图。
图7是示出了在汽缸体温度升高时取决于温度升高的DSC分析结果的图。
图8是图7中Z区的放大图。
图9是示出了在汽缸体温度升高时取决于温度升高的反应产物差异的XRD图。
图10是汽缸体的与成型材料相对应的部件的显微组织照片。
图11是示出了汽缸体的与成型材料相对应的部件的EPMA分析结果的照片。
具体实施方式
应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车辆，例如，包括多功能运动车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合动力电动车、氢动力车和其它代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。
本文中使用的术语仅出于描述具体实施方式的目的，而不意在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一个、一种”和“该”也意在包括复数形式，除非上下文中清楚指明。还应进一步理解的是，在说明书中使用的术语“包括”和/或“包含”是指存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任一组合和所有组合。贯穿说明书中，除非明确地被相反描述，词“包括(comprise)”和例如“包括(comprises)”或“包括(comprising)”的变化将被理解为意指包含声明的元件但不排除任何其它元件。此外，在说明书中描述的术语“单元”“者(-er)”、“器(-or)”、以及“模块”意指用于处理至少一个功能和操作的单元，并且能够通过硬件组件或者软件组件以及其组合而实现。
而且，本发明的控制逻辑可实施为含有通过处理器、控制器等执行的可执行程序指令的非暂时性计算机可读介质。计算机可读介质的例子包括但不限于，ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、优盘、智能卡和光学数据存储装置。还能够在网络耦合的计算机系统中分布计算机可读记录介质，使得例如通过远程信息处理服务器或控制器局域网(CAN)以分散的方式存储并且执行计算机可读介质。
在后文中，将参照附图详细描述本发明的示例性实施方式。然而，本发明并不限于下面所公开的示例性实施方式，而是可以以各种不同的方式实施。提供的这些示例性实施方式仅为了使本发明完整并允许本领域的技术人员完全地认识到本发明的范围。在所有附图中，相似的附图标记代表相似的部件。
图1是示出了根据本发明一个示例性实施方式的车辆用汽缸体的制造方法的流程图。
如图1所示，车辆用汽缸体的制造方法包括：制备具有缸套形状的成型材料(S100)、将制备的成型材料固定到汽缸体模具内部(S200)；以及通过将汽缸体用铸造熔融金属注入到固定有成型材料的汽缸体模具内来铸造与成型材料一体化的汽缸体(S300)。
制备步骤(S100)是制备用作为汽缸体内缸套的部件的步骤。准备并混合缸套的原材料粉末(S110)，然后使用混合的原材料粉末来压制并模制具有缸套形状的成型材料(S120)。
在这种情况下，为了形成加强相，在准备Al、TiO2和C之后混合缸套的原材料粉末。进一步地，为了降低加强相的形成温度，缸套的原材料粉末可以额外地混合有CuO。进一步地，可以额外地混合用于形成各种加强相的各种原材料粉末。例如，可以额外地混合比如WO3的粉末。
在这种情况下，对于化学计量组合物，原材料粉末优选是Al、TiO2和C以一定比例混合的，所述比例基于摩尔比是8～27:2～4:2～4。在这种情况下，优选基于摩尔比混合12～17mol的Al。进一步地，优选混合3～5mol的CuO。
然而，尽管原材料粉末以建议的摩尔比混合，由于原材料粉末没有理想地均匀混合，基础成分Al的量是不足的，因此所需水平的加强相例如Al2O3和TiC并未顺利合成。当不足的Al量因包含在铸造步骤提供的Al基汽缸体用铸造熔融金属中的Al而得到补充时，形成所需水平(种类、量)的加强相。
如果原材料粉末以建议的摩尔比混合，对混合的原材料粉末进行压制以成型为缸套形状，从而制备成型材料。在这种情况下，具有缸套形状的成型材料优选在5000～7000psi的压力下压缩成型。如果成型材料在小于5000psi的压力下成型，成型材料的形状可能在随后的工序中被破坏；如果在超过7000psi的压力下成型，在随后的工序进行之后，加强相TiC的合成可能不能顺利进行。
如果制备出具有缸套形状的成型材料，则准备用于铸造汽缸体的模具(S210)，且将所制备的成型材料固定在汽缸体模具的内部(S220)(固定步骤(S200)。
固定步骤(S200)是将具有缸套形状的成型材料与汽缸体一体化的制备步骤。在这种情况下，将所制备的成型材料装载并固定在用于铸造汽缸体的模具内部。
如果完成了成型材料的固定，将Al基汽缸体用铸造熔融金属注入到模具中以铸造与成型材料一体化的汽缸体(铸造步骤(S300)。换言之，将Al基汽缸体用铸造熔融金属，例如Al或Al合金注入到固定有成型材料的汽缸体模具中，从而铸造与成型材料一体化的汽缸体。然后，当加强相因铸造熔融金属的温度而合成(自蔓延高温合成反应)时，成型材料可以被烧结，并且成型材料可以与汽缸体一体化。在这种情况下，汽缸体的铸造优选通过压铸方法铸造，所述压铸方法是一种高压铸造方法。
通过压铸方法进行铸造的原因是，热力学和化学稳定的加强相因铸造熔融金属的温度而在成型材料中自发合成，但是因为原料中组织的致密性可能不足，可以在压铸过程中通过控制铸造压力而制造具有致密组织的产物。确认的是，如果在压铸过程中控制铸造压力，包含在铸造熔融金属中的Al渗透到成型材料中，使组织增密。
进一步地，对于压铸方法的使用，作为Al基汽缸体用铸造熔融金属，可以使用ADC12合金。
同时，Al基汽缸体用铸造熔融金属的温度优选为一般压铸过程温度700～1000℃。特别地，为顺利形成加强相，Al基汽缸体用铸造熔融金属的温度优选限定为859～892℃。
如果在铸造熔融金属的温度保持在所限定的温度时进行压铸，形成成型材料的原材料粉末因铸造熔融金属的温度而被合成。特别是，当包含在铸造熔融金属中的铝补充了成型材料中不足的铝量时，形成各种加强相。例如，可以与TiC、Al2O3和CuAl2一起形成作为加强相的TiAl3、Cu2Ti3等。
随后，将基于实验来描述限定本实施方式中原材料粉末的混合配比的原因。
图2是示出了取决于成型材料的Al添加的DSC分析结果的图，图3是示出了取决于成型材料的Al添加的反应产物差异的XRD图，图4是示出了取决于成型材料的Al添加的TiC合成温度改变的图。
在本实验中，通过检查取决于Al添加的反应产物的合成趋势的实验，在准备Al、TiO2和C，之后固定TiO2和C的组成比例，然后控制Al的混合比例(xAl-3TiO2-3C)时，检查反应产物的合成趋势。
如图2和图3所示，可以确认，在Al的混合比例为8mol、17mol和27mol时，合成TiC。
可以确认，当Al的混合比例为4mol时，没有合成TiC。
因为像4Al+3TiO2+3C→2Al2O3+3TiC的反应方程式是化学计量成立的，但是原材料粉末没有理想地均匀混合，因而可以确认基础成分Al是不足的，因此与周围成分的化学反应进展没有顺利进行。
进一步地，可以确认，当Al的混合比例是40mol时，合成TiC但是没有合成到所需水平。
因此，对于用于TiC合成的形成成型材料的原材料粉末中Al的摩尔比，优选混合8～27mol的Al，更优选混合12～17mol的Al。
同时，如图4所示，可以确认，随着Al的量增加，TiC的合成温度倾向于降低。
因此，如图2～4所示，可以确认，为了补充TiC合成中的Al，需要使用Al基铸造熔融金属的压铸过程，且可以通过控制Al的量而降低TiC的合成温度。特别是，可以确认，可以通过控制Al的量来将铸造熔融金属的温度控制为一般压铸过程温度700～1000℃，而进行压铸过程。
随后，进行了检查取决于附加成分混合比例的反应产物合成趋势的实验。
图5是示出了取决于成型材料CuO添加的DSC分析结果的图，图6是示出了取决于成型材料CuO添加的TiC合成温度改变的图。
本实验用于检查取决于CuO添加的反应产物的合成趋势，所述的CuO添加是附加成分，用于加入Cu以改进基体内的材料特性。在本实验中，在准备Al、TiO2、C和CuO，固定Al、TiO2和C的组成比例，并控制CuO的混合比例(16Al-3TiO2-3C-xCuO)时，检查反应产物的合成趋势。
如图5所示，可以确认，CuO的混合比例越大，TiC的体积分数越大。然而，可以确认，当CuO的混合比例较低时，TiC没有形成如所需水平那样多。
进一步地，如图6所示，确认的是，通过混合CuO，TiC的合成温度降低，并且CuO的混合比例越大，TiC的合成温度越低。
因此，优选CuO的混合比例基于摩尔比是3～5mol。
随后，进行了用于检查针对根据本发明制造的与成型材料一体化的汽缸体，取决于温度的反应产物合成趋势的实验。
图7和图8代表示出了在汽缸体温度升高时取决于温度升高的DSC分析结果的图，图9是示出了在汽缸体温度升高时取决于温度升高的反应产物差异的XRD图。
本实验用于检查在充分提供Al的状态下成型材料取决于温度的反应产物合成趋势。在本实验中，在准备Al、TiO2、C和CuO然后固定混合比例(17Al-3TiO2-3C-3CuO)的状态下制造成型材料，并且对于进行压铸过程以额外地提供Al的产品，当在Ar氛下温度以10℃/分钟升高时，检查反应产物的合成趋势。在这种情况下，图9是在图7和图8中示出的每个点的XRD分析。
如图7～9所示，可以确认，TiC在点C和点D处被合成，但是可以确认，TiC在点A和点D处未被合成。更详细的反应产物的合成趋势如下表1中所示。
[表1]
因此，铸造熔融金属的温度优选限定于700～1000℃以便顺利合成加强相，铸造熔融金属的温度更优选限定于859～892℃以便顺利合成TiC。
随后，分析了根据本发明制造的与成型材料一体化的汽缸体的显微组织照片。
图10是汽缸体的与成型材料相对应的部件的显微组织照片，图11是示出了汽缸体的与成型材料相对应的部件的EPMA分析结果的照片。
在图10和图11中示出的成型材料是以17Al-3TiO2-3C-3CuO的混合比例制造的，图10和图11示出了对进行压铸过程以额外地提供Al的产品的显微组织照片和EPMA分析结果。
如图10和图11所示，可以确认，TiC在CuAl2周围均匀地产生，且大体上形成致密结构而无需具有孔的原料。
根据本发明的示例性实施方式，在将以粉末状态原材料模制的具有缸套形状的成型材料装载在模具中的状态下，通过将汽缸体用铸造熔融金属注入到模具中，可以制造与具有缸套形状的成型体一体化的汽缸体。
因此，可以减少汽缸体的制造工序的数量。
进一步地，通过在熔融金属温度下烧结成型材料，可以制造具有改进的耐磨性的汽缸体。
进一步地，通过控制原材料粉末的种类和形成成型材料的组成比例，形成比如Al2O3和TiC的加强相，可以改进汽缸体的耐磨性。
本发明参照附图和前面的示例性实施方式进行了描述，但是并不限于此，而是由权利要求限定。在不脱离权利要求的技术精神的前提下，本领域技术人员可以对本发明进行各种修改和改进。

Claims (12)

1.一种车辆用汽缸体的制造方法，包括以下步骤：
制备具有缸套形状的成型材料；
将所制备的成型材料固定到汽缸体模具内部；以及
通过将汽缸体用铸造熔融金属注入到固定有所述成型材料的汽缸体模具内，铸造与所述成型材料一体化的汽缸体。
2.一种车辆用汽缸体的制造方法，包括以下步骤：
使用缸套用原材料粉末制备具有缸套形状的成型材料；
将所制备的成型材料固定到汽缸体模具内部；以及
通过将Al基汽缸体用铸造熔融金属注入到固定有所述成型材料的汽缸体模具内，铸造与所述成型材料一体化的汽缸体，其中在所述成型材料因所述铸造熔融金属的温度而合成有加强相时，所述成型材料被烧结。
3.如权利要求2所述的方法，其中在制备步骤中，所述缸套用原材料粉末混合有Al、TiO2和C。
4.如权利要求3所述的方法，其中在铸造步骤中，包含在所述Al基汽缸体用铸造熔融金属中的Al成分与形成所述成型材料的原材料粉末反应，合成Al2O3和TiC。
5.如权利要求3所述的方法，其中所述缸套用原材料粉末基于摩尔比以Al、TiO2和C为8～27:2～4:2～4的比例混合。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述缸套用原材料粉末基于摩尔比混合有12～17mol的Al。
7.如权利要求5所述的方法，其中所述缸套用原材料粉末基于摩尔比还混合有3～5mol的CuO。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述缸套用原材料粉末基于摩尔比还混合有3～5mol的CuO。
9.如权利要求2所述的方法，其中在铸造步骤中，所述Al基汽缸体用铸造熔融金属的温度范围为700～1000℃。
10.如权利要求9所述的方法，其中在铸造步骤中，所述Al基汽缸体用铸造熔融金属的温度范围为859～892℃。
11.如权利要求2所述的方法，其中在制备步骤中，所述具有缸套形状的成型材料在5000～7000psi的压力下压缩成型。
12.如权利要求2所述的方法，其中在铸造步骤中，所述Al基汽缸体用铸造熔融金属是Al或Al合金。
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