CN1939622A - 铁类预成型件 - Google Patents

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Abstract

一种用于形成金属基复合物的铁类预成型件，将其埋入铝类合金构件进行镶铸。该铝类合金构件具有截面呈半圆弧形状的轴承面。铁类预成型件的内周面设有多个内侧沟槽。内侧沟槽包括平坦部分和沟槽底部，与连续于内周面的两个端缘连续，并且平坦部分相互对置。在镶铸步骤中，伴随熔化的铝类合金固化而产生的周向收缩被各内侧沟槽均匀地吸收，限制了在周向的移动，可以避免在界面处引起间隙，从而镶铸性能卓越，并且可以确保稳定的界面结合强度和紧密接触。

Description

铁类预成型件
技术领域
本发明涉及形成金属基复合物(MMC)的铁类预成型件，适于由形成金属基复合物用的铝类合金进行镶铸。
背景技术
在背景技术中，例如在汽车发动机中，广泛地使用由铸造铝类合金构成的汽缸体，以达到重量的减轻。在这样发动机中，当在铝类合金(热膨胀系数：约21.0×10-6/℃)制成的汽缸体处形成轴颈部分，并且用铁类材料(热膨胀系数：约9×10-6至12×10-6/℃)制成的曲轴通过间隔有轴瓦而由轴颈部分轴向地进行支承时，运行发动机时，在汽缸内部的混合气体燃烧产生的热传递到该轴颈部分。当该轴颈部分的温度上升时，由于铁类材料的热膨胀系数与铝类合金构成的基材的热膨胀系数之间的差异，在轴颈部分的轴承面与间隔有轴瓦的曲轴之间的间隙变得过大，以至于在车辆行驶时产生振动或者噪音。
因此，例如在用于对水平对置的4缸发动机的曲轴进行轴向支承的轴颈部分中，在具有轴承面的轴颈部分上(其中，通过把铝类合金制成的左缸体和右缸体各自的中心部分做成凹陷，成为半圆弧形状，构成该轴承面)，通过在铸造缸体时将包含铁类粉末烧结构件的铁类预成型件埋入，由铁类预成型件构成金属基复合物，从而达到轴颈部分所需要的热膨胀系数，而不改变构成基材的汽缸体的铝类合金。
然而，当铝类合金铸造制品的一部分或者全部由金属基复合物构成时，极难于通过使用一般的铸造方法(尤其是高压模铸(HPDC)法)保证界面的结合强度，并且极难于通过容易地使铝类合金熔化并侵入包含铁类粉末烧结构件的预成型件而稳定地保证附着力。而且还公知，当用铝类合金对由铁类粉末烧结构件构成的预成型件进行镶铸时，在镶铸处理以后，侵入预成型件的熔化铝类合金的状态对机械特性或者物理特性造成显著的影响，因此常常通过限制铸造条件来降低这种影响。
此外，JP-A-2004-204298披露，通过把预成型件(由铁类粉末烧结构件制成)的结构构成为游离的Cu相被分散到基体中的结构，并且通过进行喷丸处理或者蒸汽处理，形成特定粗糙度范围的预成型件表面粗糙度，改进由铁类粉末烧结构件和熔化的铝类合金制成的预成型件的润湿性和铝类合金的镶铸性能，从而提高由铝类合金制造的汽缸主体与铁类预成型件之间的结合强度。
根据JP-A-2004-204298，通过熔化Cu构成固溶体而使由铁类粉末烧结构件构成的预成型件的强度增加，并且，在通过作为游离Cu相在基体中析出从而用铝类合金镶铸预成型件时，与铝类合金反应而提高界面的结合强度。
然而当用铝类合金镶铸预成型件时，有这样的担心，就是在预成型件与基材之间的界面达到恒定的结合强度以前，在其中镶铸有预成型件的熔化铝类合金进行固化和收缩的过程中产生应力时，由于预成型件的形状、特性，界面的附着力而变得不稳定，并且在界面处产生间隙，使得结合强度不稳定。尤其是，在轴颈部分的轴承面与预成型件之间的空间极薄到2至3mm的程度时，并且有这样的担心，在固化和收缩熔化的铝类合金时，由于在薄壁部分处产生的应力而在薄壁部分与预成型件之间的界面处产生间隙，使结合强度不稳定。当譬如在HPDC中伴随快速冷却和固化时，界面处结合强度不稳定和产生间隙等现象是显著的。
当轴颈部分中，包含铝类合金的基材与预成型件的界面处存在有间隙时，在此部分处基材与预成型件之间的热传导效率降低，引起沿轴颈部分的周向的热传导性的分散。由于这种分散，轴颈部分的薄壁部分不均匀地膨胀，由轴颈部分的轴承面的轴瓦支承变得不稳定，并且在曲轴与轴瓦之间的磨擦系数增加。由于磨擦系数的增加，也就是说由于磨擦阻力的增加，轴瓦的磨耗显著地增加，构成恶化发动机的燃油成本、性能和使用寿命等等的因素。
此外，在轴颈部分处，当预成型件与基材之间的界面处有间隙时，在机加工轴颈部分的轴承面时，由于机加工时的负荷，使得由该薄壁所形成的部分弹性地变形，降低了轴颈部分的机加工精度。
而且，在界面处存在间隙时，由于其中镶铸有铁类粉末烧结构件构成的预成型件的熔化铝类合金固化和收缩时，产生的残余应力或者热膨胀差引起高负荷，产生应力集中，并且还有铝类合金部分毁坏的情况，也就是其中镶铸有预成型件的基材毁坏的情况。尤其是，还有这样的担心，由于对位于预成型件与轴颈部分的轴承面之间的薄壁部分集中应力，会对该部分造成毁坏。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种用于形成金属基复合物的铁类预成型件，适于由铝类合金进行镶铸，并且能够确保稳定的界面结合强度和粘附性。此外，本发明第二个目的是提供一种具有铁类预成型件的轴颈部分结构。
根据本发明的一个或者多个实施方式，在本发明第一方面，铁类预成型件(用于由铝类合金基材镶铸该铁类预成型件以形成金属基复合物)设有：内周面，内周面具有半圆弧形截面，并且沿中心轴线的方向连续地延伸；以及多个在周向以一定间隔形成在内周面上的内侧沟槽，各内侧沟槽沿中心轴线的方向连续地延伸，并且具有对中心轴线开口的U形截面。内侧沟槽包括：两个相互对置的平坦部分，具有各自与连续于内周面的端缘相连续的基端；和在两个平坦部分的里端之间连续形成的沟槽底部。当平坦部分的基端至里端的长度为A，并且内侧沟槽的沟槽宽度为B时，0.1mm≤A≤1.0mm，且0.5mm≤B≤10.0mm。
进一步，根据本发明的一个或者多个实施方式，在本发明第二方面中，沟槽底部的正交于中心轴线的截面形状的曲率半径(C)可以设定在0.2B≤C≤B的范围中。
进一步，根据本发明的一个或者多个实施方式，在本发明第三方面中，平坦部分与连续于内周面的两个端缘之间的连续部分可以是光滑连续的曲面或者成平面状。
进一步，根据本发明的一个或者多个实施方式，在本发明第四方面中，平坦部分相对于基准线(为从中心轴线向沟槽宽度中心延伸的直线形状)倾斜的角度(E)可以设定在E≤5°的范围内。
进一步，根据本发明的一个或者多个实施方式，在本发明第五方面中，在彼此相邻的内侧沟槽的各沟槽宽度中心之间的间隔(F)可以设定在1.5B≤F≤5B的范围内。
进一步，根据本发明的一个或者多个实施方式，在本发明第六方面中，铁类预成型件可以包括铁类粉末烧结构件。
另外，根据本发明的一个或者多个实施方式，在本发明第七方面中，通过用具有轴承面的铝类合金基材镶铸根据本发明第一至第六方面中任一方面所述的铁类预成型件，构成轴颈部分结构，轴承面呈凹面形状，沿预成型件的内周面具有半圆弧形截面，并且沿中心轴线的方向连续地形成。
根据本发明的第一方面，在铁类预成型件的内周面上，在周向以一定间隔构成多个内侧沟槽，将其形成为截面大致为U形，截面包括两个平坦部分和沟槽底部，两个平坦部分各自与连续于内周面的两个端缘连续，并且相互对置，以及，沟槽底部连续地形成在两个平坦部分的里端之间，并且使得从平坦部分的基端至里端的尺寸等于或者大于0.1mm且等于或者小于1.0mm，并且使沟槽宽度等于或者大于0.5mm并等于或者小于10.0mm。因此在镶铸步骤中，注入到位于半圆形凹面与预成型件的内周面之间的薄壁部分处的熔化的铝类合金，侵入到多个在周向形成的各内侧沟槽的内部，而且，当在注入到薄壁部分的熔化的铝类合金固化和收缩时，收缩应力沿铁类预成型件的内周面在周向起作用，由于固化而在周向产生的熔化的铝类合金的收缩，通过形成在铁类预成型件内周面处的数个内侧沟槽而均匀地吸收，并且限制了熔化的铝类合金在周向的移动。因此，沿铁类预成型件的内周面，使得在熔化的铝类合金固化和收缩的过程中产生的收缩应力均匀地分散，并且通过使在包含铝类合金的基材处产生的残余应力减轻并使残余应力均匀，减轻了在凹面与铁类预成型件的内周面之间的残余应力，并且可以避免该部分产生裂开等。
此外，由于限制了在熔化的铝类合金固化和收缩过程中熔化的铝类合金的移动，可以避免在界面处产生间隙，镶铸性能卓越，并且可以确保稳定的界面结合强度以及粘附性。
根据第二方面，通过使沟槽底部截面形状的曲率半径等于或者大于沟槽宽度的0.2倍且等于或者小于沟槽宽度，可以避免在沟槽底部的界面处产生间隙，并且可以确保界面的结合强度。
根据第三方面，通过将平坦部分与连续于内周面的两个端缘之间的连续部分构成为光滑连续的曲面或者成平面状，可以确保界面强度和粘附性，限制在熔化了的铝类合金固化和收缩过程中的应力集中，并且可以避免基材破裂或者裂开。
根据第四方面，通过使平坦部分相对于基准线(为从中心轴线向沟槽宽度中心延伸的直线形状)倾斜的角度等于或者小于5°，可以确保界面强度和粘附性，限制在熔化了的铝类合金固化和收缩过程中的应力集中，并且可以避免基材破裂或者裂开。
根据第五方面，通过使彼此相邻的内侧沟槽的各沟槽宽度中心之间的间隔等于或者大于沟槽宽度1.5倍且等于或者小于沟槽宽度5倍，便于形成内侧沟槽，可以避免在界面处产生间隙，并且可以确保界面的结合强度。
根据第六方面，由于铁类预成型件由铁类粉末烧结构件构成，包括微孔，通过把铁类粉末烧结构件埋入熔化的铝类合金以进行镶铸，熔化的铝类合金被熔化以侵入铁类预成型件，从而能够适当地由铁类预成型件构成金属基复合物。
根据第七方面，在通过用包括铝类合金的基材镶铸铁类预成型件形成的轴颈部分中，该轴颈部分具有轴承面，减少了其热膨胀系数与铁类材料的轴的热膨胀系数之间的差异，其中，轴承面呈凹面形状，由半圆弧形截面沿铁类预成型件的内周面连续地形成。从而即使在轴颈部分的温度上升时，也可以把轴与轴承面之间的间隙限制在可以允许的范围内，并且可以避免在旋转轴时产生振动或者噪音。
此外，避免在铁类预成型件的内周面处产生界面间隙，提高了基材与铁类预成型件的热传导效率，并且沿轴颈部分周向的热传导率变得均匀，轴颈部分的轴承面侧均匀地膨胀并且确保了圆度。从而，限制了轴与轴颈部分之间磨擦系数的增加，并且由于磨擦阻力降低，可以确保发动机的燃油成本、功能和使用寿命等。此外，在轴颈部分处，消除了薄壁部分与铁类预成型件之间界面处的间隙，在机加工轴颈部分的轴承面时，由于机加工过程中的负荷而产生的变形受到限制，并且提高了机加工轴颈部分的精确度。
参照下文说明和所附权利要求，本发明的其它技术方面和优点将更为明了。
附图说明
图1是轴侧图，示出根据第一示意性实施例的铁类预成型件的轮廓；
图2是图1中箭头I所示方向的视图；
图3是图1中箭头II所示方向的视图；
图4是图2中III部分的放大图；
图5是沟槽宽度-沟槽底部曲率半径的相对关系图；
图6示出使用铁类预成型件的轴颈部分实施方式，并且是正交于汽缸体曲轴的竖直剖视图；
图7是图6中箭头IV所示方向的视图；
图8是轴颈部分的示意图；
图9是轴侧图，示出根据第二示意性实施例的铁类预成型件的轮廓；
图10是图9中箭头V所示方向的视图；
图11是图10中VI部分的放大图；以及
图12是轴颈部分的示意图。
具体实施方式
下面结合下文并参照附图，以水平对置4缸发动机的曲轴的轴颈部分和布置于轴颈部分处的铁类预成型件为例，说明用于形成金属基复合物的铁类预成型件和具有根据本发明铁类预成型件的轴颈部分的示意性实施例。
(第一实施例)
图1是轴侧图，示出根据第一示意性实施例的铁类预成型件的轮廓，图2是图1中箭头I所示方向的视图，图3是图1中箭头II所示方向的视图，以及图4是图2中III部分的放大图。
根据本第一示意性实施例用于形成金属基复合物的铁类预成型件1(以下称为“铁类预成型件”)由铁类粉末烧结构件形成，铁类粉末烧结构件的构成是通过：混合铁类粉末、铜粉末，然后混合石墨粉末和润滑剂粉末，或者进一步混合用于提高可机加工性的细粉末，以构成混合粉末，然后把混合粉末装填进模具中，以通过使用压力机等加压成型，在1100至1250℃的温度下烧结。而且，对于烧结条件，优选地，调节温度和时间，从而使铁类粉末烧结构件的热膨胀系数等于或者小于13.5×10-6/℃。
如在图1至图3中所示，铁类预成型件1包括预成型件主体10，预成型件主体的截面形成为圆弧形状，具有内周面11和外周面12，内周面基本上形成为半圆弧形状，并且沿中心轴线L的方向延伸，外周面基本上由圆弧形状构成，并且沿中心轴线L的方向延伸，预成型件主体10的两个端部都与分别沿半径的方向延伸的法兰部分15、16一体形成。各个法兰部分15、16制有通孔15a、16a。
预成型件主体10相互对置的端面13、14形成有多个分别以圆弧形状延伸的端侧沟槽17(只示出端面13一侧)，外周面12形成有多个在周向以基本相等的间隔沿中心轴线L方向延伸的外侧沟槽18，而内周面11形成有多个内侧沟槽21，内侧沟槽21在周向以基本相等的间隔沿中心轴线L方向延伸。通过形成端侧沟槽17、外侧沟槽18、内侧沟槽21各沟槽，增加了表面积，并且当把预成型件埋入铝类合金进行镶铸时，提高了预成型件与熔化的铝类合金的粘附性和结合强度，并且根据具体情况，使熔化过的铝类合金熔化以侵入预成型件，构成铁类预成型件1的金属基复合物。在通过模具加压或者机加工烧结构件而形成预成型件的成型过程中，形成端侧沟槽17、外侧沟槽18、内侧沟槽21。优选地，通过在用模具加压形成预成型件的过程中同时地形成沟槽，获得制造加工成型的效率，并且限制了制造加工成本。
如图4所示，形成在内周面11处的各内侧沟槽21设置为凹陷，由对中心轴线L开口的大致U形截面沿中心轴线L的方向连续延伸。每个内侧沟槽21都用以基准线La为中心的对称形状形成，基准线呈从中心轴线L向内侧沟槽21的沟槽宽度中心延伸的直线形状，并且内周面11与各端缘22、22的连续部分的曲面是光滑连续的，即所谓的R形状或者成平面状。基端23a、23a与各端缘22、22连续，以形成相互对置的平坦部分23、23，由沟槽底部24使各平坦部分23、23的里端23b、23b形成为连续。
将以这种方式形成的内侧沟槽21中各平坦部分23、23的长度“A”(即，从基端23a、23a至里端23b、23b的长度)设定在等于或者大于0.1mm且等于或者小于1.0mm(0.1mm≤A≤1.0mm)，以及，将构成沟槽宽度“B”的从一个平坦部分23至另一平坦部分23的尺度设定为等于或者大于0.5mm且等于或者小于10.0mm(0.5mm≤B≤10.0mm)。而且优选地，在图4中所示的沟槽底部24的截面形状中，沟槽底部24各部分处的曲率半径“C”落在上限Max与下限Min的范围内，由图5的沟槽宽度-沟槽底部曲率半径的相对关系图中的直线给出该上限和下限，就是说，等于或者小于沟槽宽度且等于或者大于沟槽宽度B的0.2倍(B≥C≥0.2B)。根据本实施方式，曲率半径C构成为沟槽宽度“B”的0.5倍，就是说，沟槽底部24由半径为0.5B的圆弧形状形成。
尽管内侧沟槽21的深度“D”受各平坦部分23、23的长度“A”、沟槽底部24的曲率半径“C”、以及内周面11与各端缘22、22的连续部分的形状的限制，优选地，深度“D”设定为等于或者大于0.35mm且等于或者小于6.0mm(0.35mm≤D≤6.0mm)。
此外，优选地，把内侧沟槽21的开口方向设定为：使各平坦部分23、23相对于基准线La(为从中心轴线L向内侧沟槽21的沟槽宽度中心延伸的直线形状)的倾斜角度“E”等于或者小于5°(E≤5°)。而且，优选地，相邻的内侧沟槽21、21之间的沟槽间隔“F”，就是说，沟槽宽度中心之间的尺度，设定为等于或者大于沟槽宽度“B”的1.5倍且等于或者小于沟槽宽度B的5倍(1.5B≤F≤5B)。
优选的是，事先通过试验或者模拟，按照产品的界面紧密接触状态和在基材侧发生裂开的情况，决定内侧沟槽21的平坦部分23、23的长度“A”、沟槽宽度“B”、沟槽底部24中各部分的曲率半径“C”、内侧沟槽21的深度“D”、各平坦部分23、23的倾斜角“E”、沟槽间隔“F”、内周面11与内侧沟槽21各端缘22、22的连续部分的曲面形状。
如需要，对铁类预成型件1进行喷丸处理，以构成Rz为10至100μm的表面粗糙度。通过对铁类预成型件1进行喷丸处理，通过去除形成在表面上的氧化膜等而清理其表面，并且把分散进基体中的游离Cu相曝露到表面上。从而改进了与熔化的铝类合金的润湿性并且提高了与铝类合金的镶铸性能。
把以此方式形成的铁类预成型件1放置到模具上，并且通过把铁类预成型件1埋入熔化的铝类合金中进行镶铸，铝类合金容易且稳定地粘附到铁类预成型件1上，以构成金属基复合物。并且根据具体情况，将铝类合金熔化以侵入铁类预成型件1。
图6和图7示出使用铁类预成型件的轴颈部分的实例。该实例示出对水平对置4缸发动机的轴(例如曲轴)进行轴向支承的曲轴轴颈部分，图6是沿正交于该汽缸体曲轴的方向的竖直剖视图，以及，图7是图6箭头IV所示方向的视图。
在图6和图7中，左和右汽缸体31、32通过用铝类合金铸造而分开地形成，在左侧的汽缸体31形成有多个左侧轴颈部分33，左侧轴颈部分具有轴承面34，该轴承面34构成以半圆弧形状形成在其中心部分的凹面，并且右侧的汽缸体32也形成有多个右侧轴颈部分35，右侧轴颈部分具有与之相似的轴承面36。
曲轴41布置为，通过以将对接形状(即半圆弧形状)的轴瓦40a、40b置于各轴颈部分33、35的左和右轴承面34、36之间，以用之夹紧，并且通过把轴瓦40a、40b置于各轴颈部分33、35的半圆弧形轴承面34、36之间，轴向地对曲轴41进行支承。曲轴41由铁类钢材形成，并且由于在汽缸内部混合气体的燃烧而利用连杆将活塞的往复运动传递，曲轴41旋转，因此，曲轴41总是受到大的冲击负荷，并且由于传递燃烧混合气体产生的热而热膨胀。
根据本示意性实施方式，通过构造金属基复合物，使左和右各轴颈部分33、35设有具有图1至图4中所示结构的铁类预成型件1。在铸造时，将各铁类预成型件1布置在其铸模中形成轴颈部分的位置处，形成各汽缸体31、32，以在镶铸步骤中构造金属基复合物。
在镶铸步骤中，熔化的铝类合金还侵入端侧沟槽17、外侧沟槽18、内侧沟槽21的各个沟槽，并且在用于镶铸铁类预成型件1的铝合金固化和收缩时，收缩应力由各端侧沟槽17、外侧沟槽18、内侧沟槽21分散地吸收，熔化的铝类合金的移动受到限制，可以减轻和均匀地分散收缩后在铝类合金处(就是说在基材处)产生的残余应力。
而且，如图8中所示，在注入到形成在轴颈部分33、35处的轴承面34、36与铁类预成型件1内周面11处之间的极薄到约2至3mm的半圆弧形薄壁部分38、39处的熔化的铝类合金中，铝类合金侵入在铁类预成型件1的内周面处形成的多个内侧沟槽21内，内侧沟槽21在中心轴线L的延伸方向延伸。在注入到轴颈部分33、35的轴承面34、36与铁类预成型件1的内周面11之间的薄壁部分38、39处的熔化的铝类合金固化和收缩时，收缩应力σ1沿铁类预成型件1的内周面11在周向上起作用，如图8中所示，伴随着固化而在周向产生的收缩，由在铁类预成型件1的内周面11上形成的多个内侧沟槽21(在周向以相等的间隔形成)均匀地吸收，并且，伴随着固化而产生的周向移动被限制。从而沿铁类预成型件1的内周面11，在熔化的铝类合金固化和收缩时产生的收缩应力σ1被均匀地分散，并且通过使收缩后在铝类合金构成的基材处产生的残余应力减轻和均匀化，减轻在轴颈部分33、35的轴承面34、36与铁类预成型件1的内周面11之间的薄壁部分38、39处的残余应力，可以防止该部分产生裂开等。
而且，由于在熔化的铝类合金固化和收缩时，限制熔化的铝类合金沿铁类预成型件1的内周面11在周向上移动，可以避免在铁类预成型件1的内周面11与薄壁部分38、39的界面处产生间隙，并且可以确保内周面11与薄壁部分38、39的界面强度。
在此，由于铁类预成型件1由铁类粉末烧结构件构成，所以铁类预成型件1包括微孔。因此在镶铸步骤中，容易地使熔化的铝类合金与铁类预成型件1紧密接触，以构造金属基复合物。而且根据具体情况，使铝类合金熔化以侵入铁类预成型件1。因此，减少了构成金属基复合物的铁类预成型件1的热膨胀系数与铁类材料制造的曲轴41的热膨胀系数之间的差异。从而，即使在轴颈部分33、35的温度上升时，也能够把曲轴41与轴承面34、36之间的间隙限制在可允许的范围内，从而可以避免在转动曲轴41时产生振动或者噪音。
而且，通过避免在铁类预成型件1的内周面11与薄壁部分38、39的界面处产生间隙，并通过确保内周面11与薄壁部分38、39的界面强度，提高了薄壁部分38、39与铁类预成型件1之间的热传导效率，并且沿轴颈部分33、35的周向的热传导率变均匀，轴颈部分33、35的轴承面34、36侧均匀地膨胀，并且由轴颈部分33、35对轴瓦40a、40b的支承变得稳定，限制了曲轴41与轴瓦40a、40b之间磨擦系数的增加。因此，由于降低了磨擦阻力，可以确保发动机的燃油成本、功能和使用寿命等。
而且，在轴颈部分33、35处排除了薄壁部分38、39与铁类预成型件1界面处的间隙，这样，在机加工轴颈部分33、35的轴承面34、36时，由于对形成为薄壁的薄壁部分38、39进行机加工时产生的负荷而引起的变形受到限制，并且提高机加工轴颈部分33、35的精度。
(第二实施例)
图9是轴侧图，示出根据第二示意性实施例的铁类预成型件的轮廓，图10是图9中箭头V所示方向的视图，图11是图10中VI部分的放大视图。此外，用相同的标号表示与图1至图4中一致的部分，并且省略对这些部分的详细说明。
本示意性实施例的铁类预成型件51由铁类粉末烧结构件形成，铁类粉末烧结构件的构成是通过：混合例如铁类粉末、铜粉末、石墨粉末、润滑剂粉末、或者进一步地混合用于提高可机加工性的细粉末，以构成混合粉末，然后把混合粉末装填进模具中，以加压成型，并在1100至1250℃的温度下烧结该混合粉末。
如在图9至图11中所示，铁类预成型件51包括预成型件主体10，预成型件主体10由具有内周面11和外周面12的圆弧状截面形成，并且预成型件主体10的两端都一体形成有法兰部分15、16。
预成型件主体10的端面13、14分别形成有多个端侧沟槽17，外周面12形成有多个在周向上以基本相等的间隔形成的外侧沟槽18，而内周面11形成有多个在周向上以基本相等的间隔沿中心轴线L的方向延伸的内侧沟槽61。
如图11所示，形成在内周面11处的各内侧沟槽61形成为凹陷，由对中心轴线L侧开口的大致U形截面沿中心轴线L的方向连续地延伸。每个内侧沟槽61都由以基准线La为中心的对称形状形成，基准线La为从中心轴线L向内侧沟槽61的沟槽宽度中心延伸的直线形状(内侧沟槽61的开口延伸方向)，并且内周面11与内侧沟槽61各端缘22、22的连续部分由光滑连续的曲面形成，即所谓的R形状或者成平面状。各端缘22、22形成有从基端23a、23a连续并彼此对置的平坦部分23、23，并且各平坦部分23、23的里端23b、23b由沟槽底部24形成为连续的。
将以这种方式形成的内侧沟槽61中各平坦部分23、23的长度“A”设定为等于或者大于0.1mm且等于或者小于1.0mm(0.1mm≤A≤1.0mm)，并且，将沟槽宽度“B”设定为等于或者大于0.5mm且等于或者小于10.0mm(0.5mm≤B≤10.0mm)。此外，沟槽底部24由具有各端部区域24a、24a和里部区域24b的U形截面构成，端部区域具有与平坦部分23、23的里端23b、23b连续的圆弧形截面，里部区域24b为在各端部区域24a、24a之间连续的平坦面的形状，并且，各端部区域24a、24a的曲率半径“C”设置为在上限Max和下限Min的范围内，由图5的沟槽宽度-沟槽底部曲率半径的相对关系图中的直线给出该上限和下限，就是说，等于或者小于沟槽宽度“B”且等于或者大于沟槽宽度“B”的1/5并等于或小于沟槽宽度“B”的2倍(B≥C≥0.2B)。
尽管内侧沟槽61的深度“D”受各平坦部分23、23的长度“A”、沟槽底部24端部区域24a、24a的曲率半径“C”、和内周面11与各端缘22、22的连续部分的形状的限制，优选地，深度D设定为等于或者大于0.35mm且等于或者小于6.0mm。
此外，优选地，把内侧沟槽61的开口方向设定为，使各平坦部分23、23相对于基准线La(为从中心轴线L向内侧沟槽61的沟槽宽度中心延伸的直线形状)的倾斜角度“E”等于或者小于5°。此外，优选地，把彼此相邻的内侧沟槽61和61之间的沟槽间隔“F”设定为等于或者大于沟槽宽度“B”的1.5倍且等于或者小于沟槽宽度“B”的5倍(1.5B≤F≤5B)。
如需要，对铁类预成型件51进行喷丸处理，并将表面粗糙度设定为Rz为10至100μm。
图12为与图8相对应的说明图，示出使用铁类预成型件的轴颈部分的实例。
根据本实例，在通过铸造形成各汽缸体31、32时，向左和右各轴颈部分33、35提供各铁类预成型件51，将其布置在镶铸步骤中在铸模中形成轴颈部分的位置处，构造金属基复合物。
在镶铸步骤中，熔化的铝类合金还侵入各个端侧沟槽17、外侧沟槽18、内侧沟槽61的内部，并且在插有要进行镶铸的铁类预成型件51的熔化铝类合金固化和收缩时，收缩应力由各个端侧沟槽17、外侧沟槽18、内侧沟槽61分散地吸收，熔化的铝类合金的移动受到限制，可以减轻和均匀地分散收缩后在基材处产生的残余应力。
特别地，如图12中所示，在轴颈部分33、35处形成的半圆弧形轴承面34、36与铁类预成型件51的内周面11之间的间隔极薄到约2至3mm，并且薄壁部分38、39处注入的熔化的铝类合金侵入由在铁类预成型件51的内周面11处形成的多个内侧沟槽61内。注入到轴颈部分33、35的轴承面34、36与铁类预成型件51的内周面11之间的薄壁部分38、39处的熔化的铝类合金固化和收缩时，收缩应力σ1沿铁类预成型件51的内周面11在周向上起作用，如图10中由箭头所表示，并且伴随着固化而引起的熔化的铝类合金的周向的移动受到限制。从而沿铁类预成型件51的内周面11，使在固化和收缩熔化的铝类合金时产生的收缩应力σ1被均匀地分散，并且通过使收缩后在铝合金构成的基材处产生的残余应力减轻和均匀化，减轻在轴颈部分33、35的轴承面34、36与铁类预成型件51的内周面11之间的薄壁部分38、39处产生的残余应力，可以避免该部分产生裂开等。
而且，由于在固化和收缩熔化的铝类合金时，限制铝类合金沿铁类预成型件的内周面11的移动，可以避免在铁类预成型件51的内周面11与薄壁部分38、39的界面处产生间隙，并且可以确保内周面11与薄壁部分38、39的结合强度。
在此，铁类预成型件51由铁类粉末烧结构件构成，包括微孔，因此在用熔化的铝类合金镶铸铁类预成型件51时，容易并稳定地使熔化的铝类合金与铁类预成型件51紧密接触，以构造金属基复合物。而且根据具体情况，使铝类合金熔化以侵入铁类预成型件51。因此，减少了构成金属基复合物的铁类预成型件51的热膨胀系数与铁类材料制造的曲轴的热膨胀系数之间的差异。从而，即使在轴颈部分33、35的温度上升时，也能够把曲轴与轴承面34、36之间的间隙限制在可允许的范围内，并且可以避免在转动曲轴41时引起振动或者噪音。
假定在根据第一示意性实施例的铁类预成型件1和根据第二示意性实施例的铁类预成型件51的内周面11处形成的各内侧沟槽21、61的截面形状由有张角的V字形构成，此时，尽管在镶铸步骤中，侵入轴颈部分33、35的轴承面34、36与在铁类预成型件1、51的内周面11之间薄壁部分38、39处的熔化的铝类合金侵入各内侧沟槽21、61内，在注入到薄壁部分38、39处的熔化的铝类合金固化和收缩时，与沿铁类预成型件1、51的内周面11在周向起作用的收缩应力σ1相抵抗的约束力变得过小，并且不能够有效地使收缩应力σ1沿铁类预成型件1、51的内周面11分散。结果是，由于固化和收缩熔化的铝类合金时产生的收缩而导致界面粘附性变得不稳定，在界面处形成连续的间隙，并且界面的强度变得不稳定。同时，当各内侧沟槽21、61的开口部窄于沟槽底部24并且设有下切的形状时，难于用模具加压成型铁类预成型件1、51，这样，就会为了通过机加工等附加地机加工各内侧沟槽21、61，引起制造成本显著增加，由于下切的形状，在熔化的铝类合金固化和收缩时与沿铁类预成型件1、51的内周面11在周向起作用的收缩应力σ1相抵抗的约束力变得过大，在固化和收缩时产生应力集中，使得基材(特别是薄壁部分38、39)处破裂或者裂开的概率增加。
而且，当各内侧沟槽21、61的平坦部分23、23的长度A过小，小于0.1mm时，在固化和收缩熔化的铝类合金时，与沿铁类预成型件1的内周面11在周向起作用的收缩应力σ1相抵抗的约束力变得过小，在固化和收缩熔化的铝类合金时产生的收缩而导致的使界面粘附性提高的作用变得过小，并且使界面强度不稳定的概率增加。另一方面，当各内侧沟槽21、61的平坦部分23、23的长度“A”超过10.0mm时，在平坦部分23、23处固化和收缩熔化的铝类合金时，与沿铁类预成型件1、51的内周面11在周向起作用的收缩应力σ1相抵抗的约束力变得过大，产生应力集中，构成使基材(特别是薄壁部分38、39)破裂或裂开的因素。而且当各内侧沟槽21、61的平坦部分23、23的长度“A”超过10.0mm时，难于用模具加压成型铁类预成型件1、51，从而为了通过机加工等附加地机加工各内侧沟槽21、61而引起制造成本显著增加。
而且当各内侧沟槽21、61的沟槽宽度“B”小于0.5mm时，提高界面粘附性的作用极小，当进行喷丸处理时，难于良好地进内侧沟槽21、61喷丸处理，不能获得喷丸处理的效果。另一方面，当沟槽宽度“B”超过10.0mm时，在内侧沟槽21、61内，与熔化的铝类合金固化相一致的收缩效果变得显著，并且提高粘附性的作用极小。而且，存在这样的担心，由于减少了铁类预成型件1、51的体积而导致预成型件固有的功能和效果降低。
此外，当沟槽底部24的曲率半径“C”超过沟槽宽度“B”时，界面强度和粘附性明显降低，当曲率半径“C”小于1/5倍的沟槽宽度“B”时，根据第二实施方式的沟槽底部24的平坦面形状中的里部区域24b增加，并且界面强度和粘附性降低。
此外，当使内周面11与内侧沟槽21、61的各端缘22、22的连续部分光滑连续的曲面或者成平面状的曲率半径过大时，界面强度和粘附性降低，而在另一方面，当该曲率半径过小时，铁类预成型件1、51的制造困难，在固化和收缩熔化的铝类合金时引起应力集中，并且基材(特别是薄壁部分38、39)破裂或者裂开。此外，当内侧沟槽21、61的各平坦部分23、23相对于基准线La的倾斜角度“E”超过5°时，难于用模具形成铁类预成型件1、51，从而为了通过机加工等附加地机加工各内侧沟槽21、61而引起制造成本明显增加，在固化和收缩熔化的铝类合金时与沿铁类预成型件1、51的内周面11在周向起作用的收缩应力σ1相抵抗的约束力变得过大，从而使薄壁部分38、39破裂或者裂开的可能性增加。
此外，当彼此相邻的内侧沟槽21、61之间的沟槽间隔“F”小于1.5倍沟槽宽度“B”时，难于用模具形成铁类预成型件1、51，从而为了通过机加工等附加地机加工各内侧沟槽21、61而引起制造成本明显增加，另一方面，当彼此相邻的内侧沟槽21、61之间的沟槽间隔“F”超过沟槽宽度“B”的5倍时，在沟槽之间的部分处产生间隙的可能性增加。
[实例]
各铁类预成型件中，形成于铁类预成型件内周面处的内侧沟槽的截面形状具有V字形、下切形、半圆弧形以及U形，该U形与上述实施方式的沟槽形状相似并带有平坦部分和沟槽底部，各铁类预成型件埋入铝类合金进行镶铸，并且确定界面的紧密接触状态、有/没有在基材处引起的狭长裂口或者裂开。其结果示于表1中。
在表1中，沟槽形状的V、UC、R、U分别表示沟槽形状为V字形、具有下切形状的沟槽形状、半圆弧形、具有平坦部分和沟槽底部的U字形，V90°、V60°、V30°、V5°分别表示具有90°、60°、30°、5°开角的V字形沟槽形状。此外，UC(2.5°)、UC(0.5°)分别表示具有2.5°、0.5°尖角的下切形状。沟槽间隔“F”是彼此相邻的沟槽的宽度中心之间的间隔，该间隔用沟槽宽度“B”的倍数表示，并且沟槽倾斜角“E”是相对于基准线的倾斜角度，其中基准线为直线形状，连接内周面的中心轴线与沟槽宽度中心。此外，通过在各预成型件埋入铝类合金以进行镶铸的状态下切割样品，确定紧密接触状态，从颜色检查(着色状态)计算比例，并且在90％或者更高的紧密接触比例时定义为无间隙的优(良好)，而在低于90％的紧密接触比例时定义为有间隙的劣(次)。
表1
  沟槽形状   平坦部分长度A   沟槽宽度B   沟槽深度D   沟槽底部曲率半径C   倾斜角E(或者沟槽开度)   沟槽间隔F   有/无喷丸处理   紧密接触状态   有/无基材裂隙、裂开   说明
  1   V90°   -   0.5   (0.3)   -   (90)   2   -   次   无   比较例
  2   V90°   -   10   (6)   -   (90)   2   -   次   无   比较例
  3   V60°   -   10   (6)   -   (60)   2   -   次   无   比较例
  4   V30°   -   0.5   (0.3)   -   (30)   2   -   次   有   比较例
  5   V30°   -   10   (6)   -   (30)   2   -   次   有   比较例
  6   V5°   0   10   (6)   -   (5)   2   -   次   有   比较例
  7   UC(2.5°)   0   10   (5.0)   0.25   (-5)   2   -   次   有   比较例
  8   UC(0.5°)   0   10   (5.0)   0.25   (-1)   2   -   次   有   比较例
  9   R   0   0.4   (0.3)   0.2   0   2   -   次   无   比较例
  10   R   0   1   (0.6)   0.5   0   2   -   次   无   比较例
  11   R   0   2   (1.1)   1   0   2   -   次   无   比较例
  12   R   0   2.4   (1.3)   1.2   0   2   -   次   无   比较例
  13   R   0   10   (5.1)   5   0   2 -   次   无   比较例
  14   U   0.1   0.4   (0.3)   0.2   0   2 -   次   无   比较例
  15   U   0.1   0.5   (0.35)   0.25   0   2 -   良好   无   发明例
  16   U   0.1   0.5   (0.55)   0.5   0   2 -   良好   无   发明例
  17   U   0.1   0.5   (0.35)   0.25   0   1.5 -   良好   无   发明例
  18   U   0.5   2   (1.7)   1   0   2 -   良好   无   发明例
  19   U   0.3   2.4   (1.7)   1.2   0   2 -   良好   无   发明例
  20   U   0.5   2.4   (2.1)   0.6   0   1.5 -   良好   无   发明例
  21   U   0.5   2.4   (2.1)   0.6   0   2 -   良好   无   发明例
  22   U   0.5   2.4   (2.1)   0.6   0   3 -   良好   无   发明例
  23   U   0.5   2.4   (2.1)   0.6   0   5 -   良好   无   发明例
  24   U   0.5   2   (1.7)   1   0   5 -   良好   无   发明例
  25   U   0.5   2   (3.0)   2   0   2 -   良好   无   发明例
  26   U   0.1   5   (2.8)   2.5   0   2 -   良好   无   发明例
  27   U   0.5   2   (1.7)   1   2.5   2 -   良好   无   发明例
  28   U   0.5   2   (1.7)   1   5   2 -   良好   无   发明例
  29   U   0.1   10   (5.6)   5   0   1.5 -   良好   无   发明例
  30   U   0.1   10   (2.1)   15   0   1.5 -   良好   无   发明例
  31   U   0.1   10   (2.1)   20   0   1.5 -   良好   有   比较例
  32   U   0.5   2   (2.1)   4   0   2   -   良好   有   比较例
  33   U   0.5   2   (1.7)   1   7.5   2   -   良好   有   比较例
  34   U   0.5   2   (1.7)   1   0   6   -   次   无   比较例
  35   U   1.2   2   (2.4)   1   0   2   -   次   有   比较例
  36   U   0.1   5   (2.8)   2.5   0   6   -   次   无   比较例
  37   U   0.1   12   (6.3)   6   0   2   -   次   无   比较例
  38   U   0.1   0.5   (0.35)   0.25   0   2   有   良好   无   发明例
  39   U   0.5   2   (1.7)   1   0   2   有   良好   无   发明例
  40   U   0.1   5   (2.8)   2.5   0   2   有   良好   无   发明例
  41   V90°   -   0.5   -   0.25   (90)   2   有   次   无   比较例
  42   V90°   -   10   -   0.25   (90)   1.5   有   次   无   比较例
  43   V60°   -   10   -   0.25   (60)   1.5   有   次   无   比较例
  44   U   0.5   2   (1.7)   1   0   6   有   次   无   比较例
  45   U   0.1   5   (2.8)   2.5   0   6   有   次   无   比较例
  46   U   0.1   12   (6.3)   6   0   2   有   次   无   比较例
本申请要求2005年9月30日提交的日本专利申请2005-287912的外国优先权，该申请的全部内容在此以引用的方式并入本文。
对于本领域的普通技术人员而言，可以对所说明的本发明示意性实施例做多种修改和变化，而不偏离本发明的精神或范围。因此，本发明覆盖与所附权利要求范围及其等效置换相符的所有修改及变化。

Claims (7)

1.一种铁类预成型件，用于通过用铝类合金基材镶铸该铁类预成型件而形成金属基复合物，所述铁类预成型件包括：
内周面，所述内周面具有的截面为半圆弧形状，并且沿中心轴线的方向连续地延伸；以及
多个在所述内周面上以一定间隔在周向形成的内侧沟槽，各所述内侧沟槽沿所述中心轴线的方向连续地延伸，并且具有对所述中心轴线开口的U形截面，
其中，所述各内侧沟槽包括：
两个平坦部分，相互对置，并且具有各自与连续到所述内周面的端缘相连续的基端；以及
沟槽底部，在所述两个平坦部分的里端之间连续地形成，以及
当用A表示所述平坦部分的所述基端至所述里端的长度，并且用B表示所述内侧沟槽的沟槽宽度时，
0.1mm≤A≤1.0mm，以及
0.5mm≤B≤10.0mm。
2.根据权利要求1所述的铁类预成型件，当用C表示所述沟槽底部中正交于所述中心轴线的截面形状的曲率半径时，
0.2B≤C≤B。
3.根据权利要求1所述的铁类预成型件，其中，在连续于所述内周面的两个端缘与所述平坦部分之间的连续部分是光滑连续的曲面或者成平面状。
4.根据权利要求1所述的铁类预成型件，当用E表示所述平坦部分相对于基准线倾斜的角度时，所述基准线为从所述中心轴线向所述沟槽宽度中心延伸的直线形状，
E≤5°。
5.根据权利要求1所述的铁类预成型件，其中，当用F表示彼此相邻的内侧沟槽的各沟槽宽度中心之间的间隔时，
1.5B≤F≤5B。
6.根据权利要求1所述的用于形成金属基复合物的铁类预成型件，其中，所述铁类预成型件包括铁类粉末烧结构件。
7.一种轴颈部分的结构，其中用铝类合金基材镶铸根据权利要求1所述的铁类预成型件，该结构具有为凹面形状的轴承面，该凹面形状沿所述铁类预成型件内周面的截面为半圆弧形状，并且沿所述中心轴线的方向连续地延伸。
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