CN1203944C - 被铸造包覆的金属部件和制造被铸造包覆的金属部件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种被一金属铸件铸造包覆的金属部件，其制造方法和含有被铸造包覆的金属部件的金属铸件。具有带突起的外表面的被铸造包覆的中空圆柱形金属部件以如下方式制造，即将一中空圆柱形金属原材料13插入一模具17中，该模具具有形成深度H、宽度W的纵向槽的内周面，然后对该中空圆柱形金属原材料13进行热挤压。

Description

被铸造包覆的金属部件和制造被铸造 包覆的金属部件的方法

技术领域

本发明涉及一种由金属铸件来铸造包覆的金属部件、一种用于制造所述被铸造包覆的金属部件的方法和一种包含所述被铸造包覆的金属部件的金属铸件。

背景技术

具有通过将坚硬粗糙的锥形或尖锐的颗粒喷在外表面上进行喷丸处理而形成的粗糙不平的外表面、由轻金属铸件铸造包覆的轻金属部件，已经是公知的(日本公开特许公报平10-94867)。

在上述被铸造包覆的轻金属部件中，坚硬粗糙的颗粒的外表面必须具有锐边，以便使所述轻金属部件的外表面粗糙。

当利用坚硬颗粒而使被铸造包覆的轻金属部件的外表面粗糙时，所述粗糙表面的底部由坚硬粗糙的颗粒的锐边形成陡峭的谷，但粗糙表面的顶部不必形成陡峭的峰。而且，所述坚硬颗粒的平均颗粒尺寸必须为70im，且颗粒尺寸的分布接近预定的正态分布。如果用于喷出坚硬粗糙颗粒的空气射流的速度和空气射流量与坚硬粗糙颗粒的量比例不适当，那么将不可能得到所需的粗糙表面。

因为上述坚硬粗糙的颗粒是高级刚玉颗粒，它是一种具有断裂锐边的易碎硬质材料，所以通过喷丸处理会不可避免地使所述坚硬粗糙的颗粒变得细小。因此，为了在喷丸处理之后重复使用所述的坚硬粗糙的颗粒，需要对经过喷丸处理变得细小的坚硬粗糙的颗粒不断地进行分离和去除，以维持颗粒尺寸的预定分布状态。颗粒尺寸的这种控制是很复杂的。

在被铸造包覆的轻金属部件上形成的粗糙表面的突起部分可以被铸造包覆用轻金属的大热容所熔化，而与所述铸造包覆用轻金属形成冶金结合。然而，所述冶金结合部分是被铸造包覆的轻金属部件的一部分表面，且粗糙表面的突起部分成为锥形，使得被铸造包覆的轻金属部件和铸造包覆的轻金属之间的机械结合力较小。所以，当由于其热膨胀差别而使互相分开被铸造包覆的轻金属部件和铸造包覆用轻金属的作用力作用时，易于在其之间的边界部分产生裂纹，而显著降低其之间的热传递。

发明内容

本发明涉及一种能克服上述问题的被铸造包覆的普通金属部件的改进。本发明提供了一种被一金属铸件铸造包覆的金属部件，所述被铸造包覆的金属部件具有形成不规则形状突起的外表面，其特征在于，所述被铸造包覆的金属部件为一挤压部件，所述突起由于挤压撕破形成，并沿不规则粗糙线布置，每个所述突起在顶端部分的最大宽度比底部的最大宽度更宽。

当浇铸熔融金属而铸造包覆所述将被铸造包覆的金属部件时，铸造包覆用熔融金属包围被铸造包覆的金属部件的突起，所述突起覆盖较宽的区域，且突起的表面被熔融金属的热量充分加热，而与铸造包覆用金属形成冶金结合。

因为在顶端部分的突起的最大宽度比底部的突起的最大宽度宽，所以突起与铸造包覆用金属通过钩挂作用而形成牢固的机械结合，从而在其之间的边界部分几乎不会产生裂纹，实现较好的热传递。

因为被铸造包覆的金属部件具有不规则的不平表面，所以被铸造包覆的金属部件的突起的表面积增加，从而增强冶金结合，使被铸造包覆的金属部件与铸造包覆用金属形成更加牢固的结合。

至少突起顶端部分的一部分可以是锥形的尖锐形状。因为突起的顶端部分尖锐，所以热容(heat mass)较小，突起可以与铸造包覆用金属形成完美的冶金结合。

被铸造包覆的金属部件可以是挤压部件，具有沿挤压方向的平滑槽和位于所述槽之间的不规则突起，且可以在挤压金属部件时形成所述的不规则突起。具有突起的被铸造包覆的金属部件可以高效、低成本地进行大规模生产。

而且，通过球棒形部分的钩挂效应形成的机械结合，和通过底切形状的熔融金属填充作用而形成的冶金结合都得到了加强。

靠近挤压开始端的不规则突起的一侧可以较宽、较高，而靠近挤压完成端的不规则突起的一侧可以较窄、较低。在挤压方向上被铸造包覆的金属部件反抗铸造包覆用金属的牵引阻力变得显著增大。

被铸造包覆的金属部件可以是中空的圆柱形体。例如，可以容易地制造内燃机的缸套，且缸体和缸套可以形成非常紧密的结合。

本发明提供了一种被铸造包覆的圆柱形金属部件，其中该圆柱形金属部件具有形成突起的外表面，所述突起成排轴向排列，且穿过槽以规则的间隔周向排列，突起的顶端部分横向弯曲。

所述被铸造包覆的圆柱形金属部件的突起的锥形顶端与铸造包覆用金属形成充分的冶金结合，且整个突起被底切部分的熔融金属的填充作用加热，从而增强冶金结合。而且，铸造包覆用金属沿径向和轴向的运动受到具有底切部分的弯曲部分限制，从而由于机械结合而增强结合力和附着力。

而且，本发明提供了一种被铸造包覆的圆柱形金属部件，其中圆柱形金属部件具有形成突起的外表面，所述突起沿轴向成排排列，且穿过槽以规则的间隔周向排列，且突起的顶端部分轴向弯曲。

沿圆柱体的轴向方向的附着和结合力增加，而抑制被铸造包覆的圆柱形金属部件和铸造包覆用金属之间沿轴向方向的滑动，牢固地将它们彼此固定。由于附着力的提高，热传递、冷却性能和冲击强度也得到提高。

因为在被铸造包覆的圆柱形金属部件的外表面上形成的突起沿轴向成排排列，且经所述槽以规则的间隔沿周向排列，所以通过成排突起和在所述成排突起之间插入的槽，提高了沿该圆柱体的轴向方向的附着力和结合力，限制了在该被铸造包覆的圆柱形金属部件和铸造包覆用金属之间沿轴向方向的滑动，从而将它们牢固地互相固定。所以，由于附着力的提高，热传递、冷却性能和冲击强度也得到提高。在成排突起之间的槽促进了熔融金属的流动，使铸造产品的质量提高。

在被铸造包覆的金属部件外表面上形成的突起可以以不规则的间隔沿轴向排列，且可以不周向对齐。在被铸造包覆的圆柱形金属和铸造包覆用金属之间沿周向方向以及沿轴向方向的互相滑动受到限制，在被铸造包覆的圆柱形金属和铸造包覆用金属之间的附着和结合作用力增加，且冷却性能和冲击强度也进一步提高。

本发明还提供了一种制造由一金属铸件铸造包覆的圆柱形金属部件的方法，该金属铸件具有带突起的外表面，该方法包含：制备模具，该模具具有形成深度H、宽度W的纵向槽的内周表面，所述槽的最大深度H_MAX和最小宽度W_MIN之间的关系设为H_MAX/W_MIN＝1.5；将一圆柱形金属材料插入模具内；热挤压所述圆柱形金属材料，从而得到具有带突起的外表面的被铸造包覆的圆柱形金属部件。

根据这种方法，可以在挤压圆柱形金属部件的同时在被铸造包覆的圆柱形金属部件的外表面上形成突起，而不需一加工步骤比如喷丸处理，从而可以降低成本。

通过设定所述槽的最大深度H_MAX和最小宽度W_MIN之间的关系为H_MAX/W_MIN＝1.5，可以很容易地制造具有较高附着、结合作用力的上述被铸造包覆的圆柱形金属部件。

所述槽的最小宽度W_MIN可以设为W_MIN＝1.3mm。可以在被铸造包覆的圆柱形金属部件的外表面上形成更多沿轴向弯曲的部分。

在模具剖面的最小内径d和内周总长度L之间的关系可以设为L/d·π＝1.5。可以更肯定地在被铸造包覆的圆柱形金属部件的外表面上形成沿轴向弯曲的部分。

被铸造包覆的金属部件可以制成中空圆柱体。当被铸造包覆的金属部件用于内燃机的缸套时，提高了缸体和缸套之间的结合和附着力以及冷却性能，从而可以实现内燃机的高可靠性。

附图简要说明

图1a至1g是示出根据本发明制造被铸造包覆的金属部件的方法的略图；

图2是在所述制造方法中所用模具的基本部分的放大正视图；

图3是图2的基本部分的进一步放大的正视图；

图4是另一模具的局部放大的正视图；

图5是示出各实施例中样品的数据表；

图6是缸套的透视图，其中仅示意地放大示出了外表面上的粗糙线；

图7是在缸套外表面上形成的粗糙线的局部放大平面图；

图8是在缸套外表面上形成的粗糙线的局部放大透视图；

图9是图8的基本部分的放大的纵向剖面图；

图10是缸套的透视图，仅示意性放大示出了外表面上形成的粗糙线之一；

图11是图10的粗糙线的放大平面图；

图12是沿图11的线XII-XII所作的纵向剖面图；

图13是沿图12的线XIII-XIII所作的剖面图；

图14是沿图12的线XIV-XIV所作的剖面图；

图15是图6所示缸套基本部分的照片；

图16是图7所示缸套基本部分的照片。

最佳实施方式

下面将参照图1至16详细描述本发明的实施例。

如图1a所示，含有Al-73％、Si-17％、Fe-5％、Cu-3.5％、Mg-1％和Mn-0.5％(重量百分比)的熔融轻合金1从锅(pot)2充填到坩埚(crucible)3中。熔融的轻金属通过坩埚底部的开口下落。此时，熔融的轻合金成为微小颗粒，且通过从开口周围的喷嘴4高速喷出的空气或惰性气体进行快速冷却，形成基体(matrix)亚/过共晶铝硅合金粉5(雾化过程)。

所述的基体亚/过共晶铝硅合金粉5与具有耐磨损性能的氧化铝粉和具有自润滑性质的石墨粉一起充填入一混合容器6中(图1b)。然后，密闭混合容器6，使其绕水平轴7转动，从而使粉末混合均匀，得到插塞件(bullet)原材料粉8。

如图1c所示，插塞件原材料粉8填入一圆柱形橡胶袋10中，袋中设有型芯9，该型芯9具有对应于内燃机的汽缸内径的直径。圆柱形橡胶袋10装在具有上盖和下盖11的圆柱形加压容器12中。液体比如水充填入圆柱形加压容器12中，形成1.6Gpa的压力，初步形成中空的圆柱形插塞件13(图1d)，具有均匀的密度分布和约70％的密度比(流体静压冷加工过程)。

中空的圆柱形插塞件13放入加热炉(未示出)中，在氮气气氛下进行加热和脱气(图1e)。然后，将该中空的圆柱形插塞件13装入图1f中示出的热挤压设备14的容器15中。在容器15中，心轴16插入中空的圆柱形插塞件13中。心轴16固定，以使心轴16的前端位于固定到容器15上的模具17的挤压侧。主压头18的前端接触中空的圆柱形插塞件13的后侧，当主压头18沿挤压方向X移动时，对中空的圆柱形插塞件13进行挤压。挤压的中空圆柱形插塞件13通过机加工切削，而得到预定长度的缸套19(图1g)。

如图2和3所示，模具17具有内径为94.3mm的圆形开口17a，且在开口17a的外周面上形成沿周向均匀排列的宽度W、深度H的槽17b。

如图5所示，在包含样品1至5的实施例1中，全部样品具有0.38mm的相同槽宽W和1.5°的相同槽跨度(圆心角)，但分别具有不同的槽高，1mm、0.7mm、0.5mm、0.3mm和0.2mm。在H/W大于1.5的样品1和2中，在缸套19的突起线上形成撕破处(tears)，且如图6至9、10至14和15至16所示形成粗糙线20。

如果槽17b的周边长度较长，那么当插塞件13经过槽17b时由于与模具17的槽17b的接触，中空圆柱形插塞件13承受较大的阻力，从而产生上述的撕破部分。

在图5中的“撕破部分形成率”指的是通过撕破而形成的粗糙线所在的突起线的数目与缸套19的突起线总数的比值。在样品1和2中，撕破部分形成率大于70％，情况良好，所以希望H/W大于1.9。

在图6至9所示的粗糙线20中，宽、高部分20a和窄、低部分20b沿挤压方向不规则地排列，且在宽、高部分20a中，顶端部分比缸套19的槽21的表面附近的底部宽(所述底部被压缩，如图10和11所示)。而且，在不规则的粗糙表面上形成宽、高部分20a的表面。所以，缸套19和铸造包覆缸套19的汽缸缸体形成牢固的机械结合。

因为至少粗糙线20的宽、高部分20a顶端的一部分形成尖锐形状，所以用于汽缸缸体的铸造包覆用熔融金属的热量同心地施加到部分20a的尖锐顶端，熔化部分20a上的氧化膜，从而可以形成足够的冶金结合。

粗糙线20的每一个宽、高部分20a的一侧较宽、较高，靠近挤压开始端，另一侧较窄、较低，靠近挤压完成端，且在挤压开始端的宽、高部分20a的端面沿挤压方向从底部朝顶端部分倾斜(图9和图12)。所以，当被汽缸缸体铸造包覆的缸套19被沿挤压方向推动时，会有很大的阻力。

在样品1、2中，因为缸套19在外表面上具有不规则的粗糙线20，所以用于铸造包覆缸套19的汽缸缸体的熔融金属的热量快速地传递到粗糙线20的不规则粗糙表面上，使所述粗糙表面在足够冶金结合的高温度下熔化。而且，粗糙线20的宽、高部分20a的顶端象钩子似的弯曲，部分20a的底部变宽(见图12)，缸套19和汽缸缸体形成牢固的机械结合，使与活塞滑动接触且承受各种作用力的缸套19可以被汽缸缸体稳固地固定。

即使由于缸套19和汽缸体之间的热膨胀差异而产生使缸套19和汽缸体分离的热应力，缸套19和汽缸体也保持牢固的结合状态，不必担心会在它们之间产生间隙。

因为缸套19和汽缸体结合紧密而没有空隙，与燃烧室接触且被加热的缸套19的热量通过具有高热传递系数的汽缸体散失，而缸套19保持适当的温度。所以，改善了冲击性能，冷却系统的负载降低，且相邻缸套19之间的空间可以缩短而使内燃机小型化。

在挤压过程中在外周面上形成底切形状的突起的、亚/过共晶铝硅合金缸套19一旦被高压模铸制成的汽缸体(未示出)铸造包覆，那么可以得到下述特征。

当缸套19的外周面被汽缸体铸造包覆时，由于模铸的喷注压力，用于汽缸体的熔融金属整个地包围底切形状的突起部分20a。此时，在具有较小热容的突起部分20a顶端的强氧化膜被熔融金属的热能局部熔化。这样，完成机械结合和冶金结合，实现较高的附着结合力。

因为在汽缸体的喷注过程中可以同时进行不同种类的结合，所以在汽缸体和缸套的外表面之间产生的间隙非常小。所以，活塞得到有效的冷却，提高了冲击性能，且可以将燃烧室内产生的热量有效地导向冷却系统。因为缸套牢固地固定于汽缸体，所以可以减少用油(oil-up)，且可以减少废气排放(碳氢化合物)。

考虑到热过程，如果汽缸体承受热处理老化，那么缸套和汽缸体之间的间隙非常小，所以缸套和汽缸体之间的结合牢固，在运行过程中汽缸内周面的变形减小，结果，改善了油耗和漏气性能。

在图5所示表的样品3、4、5中，H/W小于1.5，结果，撕破部分形成率降低。

在图5的表的实施例2中，使用如实施例1中的插塞件相同的中空圆柱形插塞件13，且样品6-10的H和W这样选择，即使全部样品的H/W为2.7(大于1.5)。在样品6、7、8和9中，因为模具17的槽17b的宽度小于1.3mm，所以撕破部分形成率大于70％。因此，样品6、7、8和9可以投入使用。

但是，在样品10中，因为模具17的槽17b的宽度为1.5mm，大于1.3mm，所以不产生撕破部分。因此从模具17挤压的缸套19具有与模具17相同的剖面，且缸套19不能投入使用。

在图5的表的实施例3中，具有不同于实施例1的成分(Al-58.5％、Si-25％、Cu-4.5％、Mg-1.5％、Al₂O₃-10％和Gr(石墨颗粒)-0.5％)的粉末在1.6Gpa的压力下通过流体静压冷加工而获得所述的中空圆柱形插塞件13。所述的中空圆柱形插塞件13在加热到450℃的状态下进行热挤压。上述粉末以这样一种方式加工，即通过类似于实施例1的雾化处理形成基体亚/过共晶铝硅合金粉末之后，添加Al₂O₃和Gr。

在实施例3的样品11、12中，因为H/W大于1.5，模具17的槽17b的宽度小于1.3，且周边长度比L/d·π大于1.5，撕破部分形成率为92％或87％，所以形成良好的粗糙线20。

然而，在样品13、14中，因为周边长度比L/d·π小于1.5，撕破部分形成率较低，局部形成撕破部分，所以这些样品不能投入使用。

在图5的表的实施例4中，使用与实施例3中相同的中空圆柱形插塞件13。在每一样品15、16中，模具17的槽17b为T形，如图4所示，模具17的内周长度必定加长，对应地，周边长度比L/d·π明显大于1.5，所以撕破部分形成率为100％。

在样品17、18中，周边长度比大于1.5，但与样品15、16相比较小，所以撕破部分形成率高，但达不到100％。

在上述实施例中，被铸造包覆的金属部件是烧结的挤压件(缸套19)，但可以是普通的挤压件、锻件或铸件。

工业应用性

本发明可以用于被金属铸件铸造包覆的金属部件，比如被汽缸体等铸造包覆的内燃机的缸套。

Claims (14)

1.一种被一金属铸件铸造包覆的金属部件，所述被铸造包覆的金属部件具有形成不规则形状突起(20a)的外表面，其特征在于，所述被铸造包覆的金属部件(19)为一挤压部件，所述突起(20a)由于挤压撕破形成，并沿不规则粗糙线(20)布置，每个所述突起(20a)在顶端部分的最大宽度比底部的最大宽度更宽。

2.如权利要求1所述的被铸造包覆的金属部件，其特征在于至少所述突起(20a)的所述顶端部分的一部分形成锥形的尖锐形状。

3.如权利要求1或2所述的被铸造包覆的金属部件，其特征在于所述挤压部件(19)的外表面具有沿挤压方向的平滑槽(21)和位于所述相邻槽(21)之间的不规则突起形成的所述不规则粗糙线。

4.如权利要求1或2所述的被铸造包覆的金属部件，其特征在于每条所述不规则粗糙线(20)包括窄、低部分(20b)和形成所述突起的宽、高部分(20a)。

5.如权利要求4所述的被铸造包覆的金属部件，其特征在于每个所述宽、高部分(20a)在正对挤压开始端一侧比正对挤压完成端一侧宽且高。

6.如权利要求1或2所述的被铸造包覆的金属部件，其特征在于所述被铸造包覆的金属部件是中空的圆柱形体(19)。

7.如权利要求6所述的被铸造包覆的金属部件，其特征在于所述不规则粗糙线(20)沿圆柱形体(19)的轴向延伸，成排排列且以规则间隔沿周向排列，在相邻不规则粗糙线(20)之间布置有平滑槽(21)。

8.如权利要求7所述的被铸造包覆的金属部件，其特征在于每一个所述突起(20a)具有弯曲顶端部分。

9.如权利要求8所述的被铸造包覆的金属部件，其特征在于所述弯曲顶端部分沿圆柱形体(19)的轴向弯曲。

10.如权利要求7所述的被铸造包覆的金属部件，其特征在于

形成所述不规则粗糙线(20)的所述突起不沿圆柱形体(19)的周向对齐。

11.一种用于制造被一金属铸件铸造包覆的、具有带突起的外表面的圆柱形金属部件的方法，包含：

制备模具，该模具具有形成深度H、宽度W的纵向槽的内周表面，所述槽的最大深度H_MAX和最小宽度W_MIN之间的关系设为H_MAX/W_MIN是1.5；

将一圆柱形金属材料插入所述模具内；

热挤压所述圆柱形金属材料，得到具有带突起的外表面的被铸造包覆的圆柱形金属部件。

12.如权利要求11所述的制造被铸造包覆的圆柱形金属部件的方法，其特征在于所述槽的所述最小宽度W_MIN设为W_MIN是1.3mm。

13.如权利要求11或12所述的制造被铸造包覆的圆柱形金属部件的方法，其特征在于在所述模具剖面的最小内径d和内周总长度L之间的关系设为L/d·π是1.5。

14.如权利要求11或12所述的制造被铸造包覆的圆柱形金属部件的方法，其特征在于所述被铸造包覆的金属部件是中空的圆柱体。

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