CN112392623A - 经涂覆的气缸衬套 - Google Patents

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王其桂
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Abstract

本申请涉及经涂覆的气缸衬套。形成发动机部件的方法，所述方法包括提供气缸衬套主体，该气缸衬套主体具有形成沿孔轴线延伸的气缸孔的弯曲内壁和围绕所述弯曲内壁周向地形成的弯曲外壁。所述方法包括将涂层设置在所述内壁和所述外壁上。提供气缸衬套，其包括主体和设置在所述主体的外壁和内壁上的涂层。

Description

经涂覆的气缸衬套
技术领域
本公开涉及用于发动机缸体(engine block)的发动机孔(bore)的发动机气缸衬套(cylinder liner)和其形成方法。
背景技术
在内燃机(ICE)的燃烧循环过程中，空气/燃料混合物被提供到ICE的发动机缸体内的气缸。所述空气/燃料混合物被压缩和/或点燃并燃烧，以通过安置在气缸内的活塞提供输出驱动动力。当活塞在气缸内移动时，活塞和气缸之间的摩擦和燃料的存在会磨损和劣化气缸表面。此外，燃烧压力和活塞侧负载可在气缸孔上产生显著量的应力。
历史上，ICE已经采用气缸衬套来防止对发动机缸体的磨损或损坏，尤其是当发动机缸体由可能具有差耐磨性的铝合金形成时。气缸衬套由各种等级的铸铁(例如灰口铁(gray iron))制成。选择铸铁部分是因为其低生产成本、易于制造、令人满意的导热性(其使孔变形最小化)和良好的耐磨性(由于存在允许润滑和减少与活塞环组的摩擦的游离石墨)。
铸铁衬套可以插入到已经铸造的铝发动机缸体中(压入就位(press-in-place)气缸衬套)，或者可以将铸铁气缸衬套放置到发动机缸体模具中并然后可以围绕所述衬套铸造缸体材料(铸造就位(cast-in-place)气缸衬套)。气缸衬套和发动机缸体之间的结合可能不足。差的结合可导致衬套和缸体之间的热传递减少、气缸孔变形、刚度降低和甚至结构失效，例如在衬套和/或发动机缸体材料中产生裂纹。
除了这些挑战之外，在复合铸造(over-casting)缸体之前铸铁衬套的运输和储存存在其自身的挑战，因为铸铁容易遭受氢污染，例如，水分吸收和生锈。这种污染阻碍了当然后在衬套上铸造缸体时缸体充分结合到衬套，并且还导致了缸体中的铸造孔隙，例如在缸体缸盖结合面(deck face)、铝孔中和潜在地在其它位置中，因为衬套中的氢在复合铸造缸体模具填充和固化过程中释放气泡到复合铸造缸体。因此，通常，铸铁衬套的运输和储存(在衬套上铸造铝缸体之前)需要VCI袋和干燥剂以试图将氢污染保持在最低程度。
希望提供充分粘附或结合到气缸孔发动机缸体基材的气缸衬套，其导致具有减少的磨损、减少的变形和减少或防止破裂或其它失效的期望热传递和气缸整体性，同时最小化运输成本和复杂性。
发明内容
本公开提供了气缸衬套，该气缸衬套包括在其内壁和外壁上的涂层，以保护所述壁免受烃污染和有助于将所述气缸衬套结合到铸造就位发动机缸体。
在一个例子中，其可与本文中给出的其它例子组合或分开，提供了用于内燃机的气缸衬套。所述气缸衬套包括主体，该主体具有形成沿孔轴线(bore axis)延伸的气缸孔的弯曲内壁和围绕所述弯曲内壁周向地形成的弯曲外壁。在所述内壁和所述外壁上设置有涂层。
在另一例子中，其可与本文中提供的其它例子组合或分开，提供了形成发动机部件的方法。所述方法包括提供气缸衬套主体，该气缸衬套主体具有形成沿孔轴线延伸的气缸孔的弯曲内壁和围绕所述弯曲内壁周向地形成的弯曲外壁。所述方法还包括将涂层设置在所述内壁和所述外壁上以产生经涂覆的气缸衬套。
可以提供附加特征，包括但不限于以下：所述主体由第一材料形成；所述涂层由第二材料形成；所述第一和第二材料彼此不同；所述第二材料具有比所述第一材料低的熔点；所述第一材料主要由铁形成；所述第二材料主要由铝或锌形成；所述第一材料是灰铸铁(gray cast iron)；所述第二材料是铝合金；所述铝合金包含硅；所述主体还包括环形顶表面和环形底表面；所述涂层还设置在所述顶表面和所述底表面上；所述涂层覆盖所述内壁、所述外壁、所述顶表面和所述底表面的全部，使得所述主体完全被所述涂层覆盖；所述涂层具有0.2至1.5毫米的厚度；设置在所述涂层上的顶层；所述顶层主要由锌形成；其中将所述涂层设置在所述内壁和所述外壁上的步骤包括将所述气缸衬套主体热浸入到由所述第二材料形成的熔融浴中；其中设置在所述外壁上的所述涂层限定所述经涂覆气缸衬套的外表面；在将所述涂层设置在所述内壁和所述外壁上的步骤之后在所述经涂覆气缸衬套的所述外表面上铸造发动机缸体；和在所述经涂覆气缸衬套的所述外表面上铸造所述发动机缸体的步骤之后从所述内壁除去所述涂层。
本公开的进一步的应用领域将从以下提供的详细描述而变得显而易见。应当理解，所述详细描述和具体例子仅意在进行说明并且无意限制本公开的范围。
附图说明
提供附图仅用于说明目的，并且无意限制详细描述或权利要求的范围。
图1是根据本公开原理的开放通道(open deck)发动机缸体的透视图；
图2是根据本公开原理的沿线2-2截取的图1发动机缸体的一部分(包括气缸衬套)的横截面图；
图3A是根据本公开原理的图2中示出的气缸衬套的透视图；
图3B是根据本公开原理的图2和图3A的气缸衬套的示意性横截面图；
图4是根据本公开原理的气缸衬套的另一变型的示意性横截面图；
图5是图示根据本公开原理的形成发动机部件的方法的框图，所述发动机部件例如图1-4的发动机缸体和/或气缸衬套；和
图6是根据图5的方法的变型被浸入到熔融浴中的气缸衬套的示意性横截面图。
具体实施方式
现在参考附图，其中相同的附图标记表示相同的元件。图1示出了开放通道发动机缸体10。发动机缸体10包括由在铸造过程中已经整合到发动机缸体10中的气缸衬套14限定的多个气缸孔12。通常，这些气缸衬套14可以安置到模具中，然后可以将熔融的发动机缸体材料例如铝合金注入到模具中。然后，所述熔融的材料在其填充模具的同时包围气缸衬套14。所述材料冷却成固体，并且衬套14牢固地结合到发动机缸体材料16。在一个示例性过程中，铸造过程可以在高压下注入所述熔融的发动机缸体材料，以确保发动机缸体材料16和气缸衬套14之间的紧密接触。发动机缸体10包括暴露于("通向")缸体缸盖结合表面20的冷却流体管套(jacket)18，并因此称为"开放通道"缸体。冷却流体管套18基本上包围气缸孔12并提供流体连通通道，冷却流体可以通过该流体连通通道循环以移除和管理在结合有发动机缸体10的发动机运行期间可在燃烧过程期间产生的热量。
图2图示了图1的发动机缸体10的气缸衬套14和周围的发动机缸体材料16的横截面。在发动机缸体材料16围绕气缸衬套14的外表面22铸造之后，发动机缸体材料16结合到气缸衬套14的外表面22。
现在参考图3A和3B，图示了气缸衬套14的另外的细节。气缸衬套14具有主体24，该主体具有形成沿孔轴线X延伸的气缸孔12的弯曲内壁26。主体24还具有围绕弯曲内壁26周向地形成的弯曲外壁28。顶环形表面30在主体24的顶端32处连接内壁26和外壁28，并且底环形表面34在主体24的底端36处连接内壁26和外壁28。
涂层38设置在主体24的内壁26和外壁28上。因此，经涂覆的气缸衬套14的外表面22和内表面40由设置在主体24的内壁26和外壁28上的涂层38限定。在所图示的例子中，涂层38还设置在主体24的顶表面30上和底表面34上。因此，涂层38覆盖主体24的内壁26、外壁28、顶表面30和底表面34的全部，使得主体24完全被涂层38覆盖。举例而言，涂层38可具有0.2至1.5毫米的厚度t。对于铸造就位气缸衬套14，举例而言，气缸衬套14的总厚度T可以是例如3到7毫米，或4.5到7毫米。在可选方案中，气缸衬套14可以是被压入已经铸造的发动机缸体中的压入就位气缸衬套14，在这种情况下气缸衬套可以更薄，举例而言，例如1-3毫米。
主体24可以由第一材料形成，而涂层38可以由第二材料形成。所述第一和第二材料可以彼此不同。例如，所述第二材料可以具有比所述第一材料低的熔点。在一个例子中，所述第一材料主要由铁(例如灰铸铁)形成。所述第二材料可主要由铝或主要由锌形成。因此，涂层38可由设置在铸铁主体24上的铝合金或锌合金形成。在一个例子中，涂层38由含硅的铝合金例如AlSi12低共熔合金形成。举例而言，适用于涂层38的其它铝合金可以包含铜、硅和/或镁。可以使用任何铸造铝合金，例如300系列或600系列铝合金。如果由锌合金形成，举例而言，涂层38可由主要的锌以及合金化元素例如铝、铜、镁和/或锰形成。
在一个例子中，涂层38的熔点可在580至650摄氏度的范围中(例如当涂层38由AlSi12低共熔合金形成时)，而主体24的熔点可高于1100摄氏度、高于1300摄氏度或高于1500摄氏度。如果灰铸铁用于主体24，则熔点将通常在1150-1200摄氏度的范围中。
涂层38保护主体24在储存和运输过程中免受氢污染。涂层38可为主体24提供生锈防护，从而可消除或减少传统的VCI袋和干燥剂包装材料。在将发动机缸体材料16(通常为铝合金)复合铸造到主体24的外壁28上之前保护主体24的所有表面是有利的，因为氢污染可干扰发动机缸体材料16和气缸衬套14的外表面22之间的粘附和/或金属间结合，并且经由主体表面26、28、30、34任一个的氢污染可渗透穿过主体24并影响发动机缸体材料16和气缸衬套14之间的结合。例如，如果发生烃污染，氢可以扩散出气缸衬套主体24并在结合界面处例如在与靠近缸体缸盖结合面20的铝结合的顶表面30处形成造成孔隙的气泡。
除了保护气缸衬套14免受氢污染之外，涂层38还有助于气缸衬套14和发动机缸体材料16之间的结合，因为涂层38的合金与发动机缸体材料16的结合好于在没有设置在其上的涂层38的情况下主体24的外壁28与发动机缸体材料16的结合。更特别地，涂层38和主体24的外壁28可形成1-500微米厚的包含FeAl化合物的过渡层，其为发动机缸体材料16和气缸衬套14的外表面22之间的冶金结合提供良好的基础。
现在参考图4，图示了气缸衬套的另一变型，并且总体上以114表示。应该理解，气缸衬套114可以用于代替气缸衬套14，并且气缸衬套114除了所描述的不同之处外可以与气缸衬套14相同。例如，气缸衬套114具有类似于气缸衬套14的主体24的主体124，其可由主要包含铁的材料例如灰铸铁形成。主体124具有内壁126、围绕内壁126周向地形成的外壁128、在顶端132处连接内壁126和外壁128的环形顶表面130、和在底端136处连接内壁126和外壁128的环形底表面134。
气缸衬套124具有设置在主体124的内壁126、外壁128、顶表面130和底表面134上的第一涂层138。因此，涂层138覆盖内壁126、外壁128、顶表面130和底表面134的全部，使得主体124完全被涂层138覆盖。涂层138由铝合金例如AlSi12低共熔合金或任何其它铝合金例如以上描述的那些铝合金形成，其主要含有铝。
顶层140设置在涂层138上。顶层140可以主要由锌形成，以提供额外的防腐蚀保护。因此，气缸衬套114的外表面142和内表面144由设置在气缸衬套114的涂层138上的顶层140限定。举例而言，可用于顶层140中的锌合金含有主要的锌以及合金化元素例如铜、铝、镁和/或锰。
现在参考图5，图示了图示形成发动机部件的方法的框图，并且总体上以200表示。方法200包括提供气缸衬套主体的步骤202，该气缸衬套主体具有形成沿孔轴线延伸的气缸孔的弯曲内壁和围绕所述弯曲内壁周向地形成的弯曲外壁。方法200还包括将涂层设置在所述内壁和所述外壁上以产生经涂覆的气缸衬套的步骤204。
附加步骤、子步骤或细节也可以包括在方法200中。例如，在一个有利的例子中，将涂层设置在所述内壁和所述外壁上的步骤204包括将气缸衬套主体热浸入到由涂层材料形成的熔融浴中。在一个例子中，如上所述，气缸衬套的主体由灰铸铁形成。所述熔融浴可以由铝合金例如以上描述的那些形成，并且施加涂层的步骤204可以包括将整个主体热浸入到所述熔融浴中以用所述涂层涂覆主体的所有表面。
参考图6，图示了用于涂覆气缸衬套的热浸入方法的一个例子。提供含有熔融铝合金浴302的坩埚300，并将持有气缸衬套主体324的夹持器304下降到熔融铝合金浴302中。夹持器304和主体324可旋转(例如经由轴306)，以在浸入过程期间施加离心力。此外，可以用超声振动来使夹持器304和主体324振动。离心力和/或振动力提供更致密和均匀的涂层。在一个例子中，主体324可以以200-500rpm的速度旋转。举例而言，主体324可以以20-30,000Hz或1000-30,000 Hz的超声频率振动。
在一个例子中，用于制造发动机部件的方法可以包括在熔融铝合金浴302(或其它材料熔融浴)中浸入涂覆主体之前机械加工和喷丸处理气缸衬套的主体。所述气缸衬套的主体也可以在将其浸入到所述浴中之前被预热，例如预热到400到600摄氏度的温度，或者在另一例子中，预热到至少500摄氏度的温度。所述主体可以浸入一段时间例如1-10分钟以获得所需的涂层厚度水平，例如0.2-1.5毫米。在所述涂层和所述主体之间可生成因此而产生的化合物层，其中所述化合物层包含FeAl化合物，例如Fe2Al5。
作为通过热浸入施加涂层38、138、140的一种替代方案，涂层38、138、140可以以任何其它合适的方式施加，例如通过热喷涂。
在热浸入或其它涂覆过程完成之后，方法200可包括将气缸衬套14、114铸造到发动机缸体中的附加步骤。例如，方法200可包括，在将涂层设置在主体的内壁和外壁上以产生经涂覆气缸衬套的步骤204之后，在涂层的外表面上铸造发动机缸体。
可以从所述气缸衬套的主体的内壁除去所述涂层。优选地，将所述涂层保留在内壁上直到将发动机缸体材料铸造到外表面上之后，这提供了防止氢污染的益处，所述氢污染干扰与铸造到经涂覆气缸衬套外表面上的发动机缸体材料16的结合。因此，方法200可包括，在将发动机缸体铸造在外壁上的步骤之后，例如通过机械加工操作从内壁除去所述涂层。然后，可以对内壁进行珩磨(honed)以增加所需的表面特征，例如粗糙度和/或沟槽或其它轮廓(profile)特征。
本说明书本质上仅是说明性的，并且绝不意在限制本公开、其应用或用途。本公开的广泛教导可以以各种形式实现。因此，虽然本公开包括特定例子，但是本公开的真正范围不应如此受限，因为在研究附图、说明书和后面的权利要求之后，其他改变将变得显而易见。
本申请可以包括以下实施方案：
1.用于内燃机的气缸衬套，所述气缸衬套包括：
主体，该主体具有形成沿孔轴线延伸的气缸孔的弯曲内壁和围绕所述弯曲内壁周向地形成的弯曲外壁；和
设置在所述内壁和所述外壁上的涂层。
2.根据方案1所述的气缸衬套，所述主体由第一材料形成，并且所述涂层由第二材料形成，所述第一和第二材料彼此不同。
3.根据方案2所述的气缸衬套，所述第二材料具有比所述第一材料低的熔点。
4.根据方案3所述的气缸衬套，所述第一材料主要由铁形成，并且所述第二材料主要由铝或锌形成。
5.根据方案4所述的气缸衬套，所述第一材料是灰铸铁，并且所述第二材料是包含硅的铝合金。
6.根据方案2所述的气缸衬套，所述主体还包括环形顶表面和环形底表面，所述涂层还设置在所述顶表面和所述底表面上。
7.根据方案6所述的气缸衬套，所述涂层覆盖所述内壁、所述外壁、所述顶表面和所述底表面的全部，使得所述主体完全被所述涂层覆盖。
8.根据方案7所述的气缸衬套，所述涂层具有0.2至1.5毫米的厚度。
9.根据方案5所述的气缸衬套，还包括设置在所述涂层上的顶层，所述顶层主要由锌形成。
10.形成发动机部件的方法，所述方法包括：
提供气缸衬套主体，该气缸衬套主体具有形成沿孔轴线延伸的气缸孔的弯曲内壁和围绕所述弯曲内壁周向地形成的弯曲外壁；和
将涂层设置在所述内壁和所述外壁上以产生经涂覆的气缸衬套。
11.根据方案10所述的方法，还包括形成第一材料的所述气缸衬套主体，和提供由第二材料形成的所述涂层，所述第一和第二材料彼此不同。
12.根据方案11所述的方法，还包括提供具有比所述第一材料低的熔点的所述第二材料。
13.根据方案12所述的方法，还包括提供主要由铁形成的所述第一材料，和提供主要由铝或锌形成的所述第二材料。
14.根据方案13所述的方法，还包括提供作为灰铸铁的所述第一材料，和提供作为包含硅的铝合金的所述第二材料。
15.如方案11所述的方法，还包括：
提供具有环形顶表面和环形底表面的所述主体气缸衬套；和
将所述涂层设置在所述顶表面和所述底表面上，所述涂层覆盖所述内壁、所述外壁、所述顶表面和所述底表面的全部，使得所述主体完全被所述涂层覆盖。
16.根据方案15所述的方法，还包括提供具有0.2至1.5毫米厚度的所述涂层。
17.根据方案15所述的方法，还包括在所述涂层上设置顶层，所述顶层主要由锌形成。
18.根据方案11所述的方法，其中将所述涂层设置在所述内壁和所述外壁上的步骤包括将所述气缸衬套主体热浸入到由所述第二材料形成的熔融浴中。
19.根据方案18所述的方法，其中设置在所述外壁上的所述涂层限定所述经涂覆气缸衬套的外表面，所述方法还包括在将所述涂层设置在所述内壁和所述外壁上的步骤之后在所述经涂覆气缸衬套的所述外表面上铸造发动机缸体。
20.根据方案19所述的方法，还包括在所述外表面上铸造所述发动机缸体的步骤之后从所述内壁除去所述涂层。

Claims (10)

1.用于内燃机的气缸衬套，所述气缸衬套包括：
主体，该主体具有形成沿孔轴线延伸的气缸孔的弯曲内壁和围绕所述弯曲内壁周向地形成的弯曲外壁；和
设置在所述内壁和所述外壁上的涂层。
2.根据权利要求1所述的气缸衬套，所述主体由第一材料形成，并且所述涂层由第二材料形成，所述第一和第二材料彼此不同。
3.根据权利要求2所述的气缸衬套，所述第二材料具有比所述第一材料低的熔点。
4.根据权利要求3所述的气缸衬套，所述第一材料是灰铸铁，并且所述第二材料是包含硅的铝合金。
5.根据前述权利要求任一项所述的气缸衬套，所述主体还包括环形顶表面和环形底表面，所述涂层还设置在所述顶表面和所述底表面上，所述涂层覆盖所述内壁、所述外壁、所述顶表面和所述底表面的全部，使得所述主体完全被所述涂层覆盖。
6.根据前述权利要求任一项所述的气缸衬套，所述涂层具有0.2至1.5毫米的厚度。
7.根据前述权利要求任一项所述的气缸衬套，还包括设置在所述涂层上的顶层，所述顶层主要由锌形成。
8.形成发动机部件的方法，所述方法包括：
提供气缸衬套主体，该气缸衬套主体具有形成沿孔轴线延伸的气缸孔的弯曲内壁和围绕所述弯曲内壁周向地形成的弯曲外壁；和
将涂层设置在所述内壁和所述外壁上以产生经涂覆的气缸衬套。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括：
形成第一材料的所述气缸衬套主体；
提供由第二材料形成的所述涂层，所述第一和第二材料彼此不同；
提供具有比所述第一材料低的熔点的所述第二材料，提供主要由铁形成的所述第一材料，所述第二材料主要由铝或锌形成。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：
提供具有环形顶表面和环形底表面的所述主体气缸衬套；
将所述气缸衬套主体热浸入到由所述第二材料形成的熔融浴中以将所述涂层设置在所述顶表面和所述底表面上，所述涂层覆盖所述内壁、所述外壁、所述顶表面和所述底表面的全部，使得所述主体完全被所述涂层覆盖；
在将所述涂层设置在所述内壁和所述外壁上的步骤之后在所述经涂覆气缸衬套的外表面上铸造发动机缸体；和
在所述外表面上铸造所述发动机缸体的步骤之后从所述内壁除去所述涂层。
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