CZ281805B6

CZ281805B6 - Blok motoru s nejméně jedním válcem a způsob jeho výroby

Info

Publication number: CZ281805B6
Application number: CS91806A
Authority: CZ
Inventors: Georg Dr. Ing. Sick; Peter Ing. Everwin; Hans Heinrich Duve
Original assignee: Ks Aluminium Technologie Ag
Priority date: 1990-03-27
Filing date: 1991-03-26
Publication date: 1997-02-12
Also published as: CS9100806A2; DE59106239D1; JPH04224071A; US5131356A; IE73872B1; IE910635A1; JP2994482B2; CA2038833A1; DE4009714A1; PT97149B; EP0449356A1; BR9101190A; PT97149A; ES2079553T3; EP0449356B1; CA2038833C

Abstract

Blok (1) bezvložkového spalovacího motoru s jedním nebo několika válci z hliníkové slitiny má v hliníkové matrici zakotveny zrnité částice, křemíková zrna (5), která vystupují nad kluznou vodicí plochu válce do jeho vnitřního prostoru.Pro dosažení výrazného omezení potřeby mechanického opracování celé povrchové plochy bloku (1) spalovacího motoru s nejméně jedním válcem, je kluzná plocha válců tvořena tvarovým tělesem (3) z keramických vláken (4), obsahujícím zapuštěné zrnité částice, zejména křemíková zrna (5) a penetrovaným hliníkovou slitinou.ŕ

Description

Oblast techniky

Vynález se týká bloku motoru, obsahujícího nejméně jeden bezvložkový válec, odlitého v trvalé kovové formě z hliníkové slitiny a určeného pro spalovací motory, u kterého je kluzná plocha válce nebo válců opatřena křemíkovými zrny, zakotvenými v hliníkové základní hmotě, rovnoměrně rozloženými a majícími velikost od 20 do 80 μπι, přičemž tato křemíková zrna vystupují nad kluznou plochu válce 0,5 až 10 μπι a jsou mechanicky hlazena.

Dosavadní stav techniky

Hliníkové slitiny jsou z dnešního hlediska nejdůležitějšími materiály budoucnosti při stavbě motorových vozidel, jejichž význam stále vzrůstá. Jejich základní předností v porovnání s kovovými materiály na bázi železa je podstatně nižší hmotnost, kromě dalších výhodných vlastností. Tato skutečnost se příznivě projevuje nejen u pístů, ale také velmi výrazně u bloků motoru s jedním nebo několika válci, které jsou nejtěžšími částmi motorového vozidla. Při přechodu z šedé litiny na hliníkové slitiny se u víceválcových motorových bloků dosahuje úspory hmotnosti od 40 do 60 %, jak bylo u dosud vyrobených bloků motorů prokázáno. V časopisu MTZ Motortechnische Zeitschrift č. 35 z roku 1974 je na str. 33 až 41 popsán a zobrazen válec z nadeutektické slitiny hliníku a křemíku typu AlSil7Cu4, vyrobený nízkotlakým odlévacím postupem. Výroba tohoto válce je možná také litím pod tlakem. Na kluzné ploše tohoto válce, po které se posouvá píst, jsou zakotvena křemíková zrna s velikostí od 30 do 80 μπι, rovnoměrně rozložená a rovnoměrně vytvořená, která vznikla primárním vylučováním z nadeutektické hliníkové slitiny. Po odlití bloku motoru s jedním válcem nebo s několika válci se vrtáni válců mechanicky opracuje předvrtáním a přesným vyvrtáváním a následným hrubým a jemným honováním, takže křemíková zrna se uhladí a tvoří nejprve s okolní základní hmotou z hliníkové slitiny jednu rovinu. Po honování se základní hmota z hliníkové slitiny mezi jednotlivými křemíkovými zrny částečně odstraní do určité hloubky elektrochemickým zpracováním, takže křemíková zrna vystoupí nad úroveň okolní základní hmoty o 2 až 5 μπι, takže vytvářejí nosnou kostru pro vedení pístních kroužků a tělesa pístu. Taková kluzná dráha válce však může být použita jen v kombinaci s písty z lehkých kovů, které jsou alespoň na své vodicí ploše opatřeny železnou vrstvou tloušťky kolem 20 μπι, aby se v extrémních provozních podmínkách zabránilo za všech okolností přímému kontaktu mezi základní hmotou hliníkové slitiny a lehkým kovem pistu. Opatřením kluzné plochy pístu železnou povlakovou vrstvou se podstatně sníží opotřebení této kluzné plochy a odstraní se náchylnost k zadírání kluzné plochy pístu v kluzné a vodicí ploše válce. Nevýhodou tohoto bloku motoru s jedním válcem nebo s několika válci je skutečnost, že celý motorový blok je odlit z nadeutektické hliníkové slitiny, kterou je nutno vyrábět nákladným hutnickým výrobním postupem. V důsledku vyššího obsahu křemíku dochází k většímu opotřebení nástrojů při mechanickém opracovávání motorového bloku a válců.

-1CZ 281805 B6

Jsou známé také bezvložkové bloky motoru s jedním nebo několika válci, které jsou odlity z hliníkové slitiny typu AlSi9Cu3, u kterých je na povrchové ploše vrtání válců nanesena základní vrstva z niklu, mající tloušťku 50 až 80 μιη, ve které jsou dispergovány částice karbidu křemičitého s velikostí od 1 do 3 μπι. Kluzná vodicí plocha válce se potom honuje. Částice karbidu křemíku slouží jako nosná kostra pro pístní kroužky a těleso pístu. Zhotovování niklové povlakové vrstvy s dispergovanými částicemi je spojeno s poměrně značnými výrobními náklady, protože zejména v rámci galvanizační jednotky musí být použita detoxikační zařízeni pro lázně, ve kterých se provádí předúprava povrchu. Také kal vznikající při tomto procesu musí být shromažďován a likvidován podle předpisů, přičemž pracovní oblast kolem niklovacích lázní musí mít účinné odvětrání s odsáváním plynů a vestavěná oplachovací zařízení. K tomu ještě přistupuje skutečnost, že při opravách motorů je úprava a regenerace vrtání válců nákladná a není zajištěn spolehlivě uspokojivý výsledek.

V poslední době byl navržen motorový blok s více válci pro motorová vozidla se spalovacím motorem, který je popsán v DE-A-3 725 495 a u kterého je kluzná vodicí dráha válce vytvořena z dutého válcového dílu, vyrobeného z matrice z lehkých kovů, vyztužené směsí vláken oxidu hlinitého v objemovém množství od 8 % do 20 % a uhlíkových vláken v objemovém množství od 0,3 % do 15 %, přičemž vlákna na bázi oxidu hlinitého obsahují až 25 % hmotnostních oxidu křemnatého. U takto vytvořené kluzné vodicí dráhy válce je ovšem třeba použít pístu z lehkých kovů, jehož plášť je opatřen železnou vrstvou nanesenou vylučováním a pokrytou cínovou povlakovou vrstvou, rovněž nanesenou vylučováním, aby nedocházelo k přímému kontaktu mezi matricí hliníkové slitiny motorového bloku s více válci a pístem z lehkého kovu. Hybridní vlákna infiltrovaná do kluzné plochy válce jsou však drahá a tribologické vlastnosti této plochy jsou, za provozních podmínek horši než u kluzných ploch z nadeutektických slitin hliníku a křemíku.

Úkolem vynálezu je proto vyřešit takový blok motoru s jedním nebo několika válci, který by mohl být vyroben z podeutektické, zejména přetavované hliníkové slitiny, která má podstatně nižší výrobní náklady, přičemž tribologické vlastnosti slitiny se upraví pouze v kluzné ploše válců tak, aby byly blízké stejným vlastnostem nadeutektických slitin.

Podstata vynálezu

Tento úkol je vyřešen u bloku motoru podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že v každém válci bloku motoru je odlito duté válcové tvarové těleso z keramických vláken a do nich uložených zrnitých částic, které je kluznou vodicí dráhou válce a které je penetrováno podeutektickou hliníkovou slitinou. Zrnité částice, kterými jsou zejména křemíková zrna, vystupuji z plochy dutého válcového tvarového tělesa a tvoří kluznou vodicí dráhu pro vedení pístních kroužků a tělesa pístu, přičemž podíl množství zrnitých částic a vláken je na povrchu kluzného vedení tak velký, že nedochází k plošnému kontaktu mezi matrici hliníkové slitiny válce a povrchovou plochou pístu, vyrobeného ze slitin lehkých kovů a opatřeného povlakovou vrstvou z materiálu na bázi železa. Takto vytvořenou kluznou plochou válce je možno dosáhnout

-2CZ 281805 B6 dobrých tribologických vlastností bloku motoru s nejméně jedním válcem, vyrobeného z podeutektické hliníkové slitiny typu AlSil7Cu4Mg hutnickým výrobním postupem, přičemž opracování ostatních povrchových ploch bloku motoru s nejméně jedním válcem vyžaduje v porovnání se známými bloky podobného typu podstatně nižší náklady na opracování.

V konkrétním výhodném provedení vynálezu jsou zrnitými částicemi křemíková zrna nebo zrna tvrdých materiálů, představovaných nejméně jedním materiálem ze skupiny zahrnující karbidy křemíku, chrómu, wolframu, molybdenu, titanu, niobu, nitridy a/nebo silicidy chrómu, wolframu, molybdenu, titanu, niobu a vanadu.

Podle výhodného provedení vynálezu má tvarové těleso z keramických vláken tloušťku stěny 0,5 mm až 10 mm, zejména 1,5 mm až 5 mm. V jiném výhodném provedení bloku motoru podle vynálezu obsahuje tvarové těleso z keramických vláken obsahuje v objemovém množství 5 až 30 % vláken, přičemž podíl zrnitých částic činí v hmotnostním množství 30 až 60 % podílu keramických vláken.

Z výrobně technického hlediska je vhodné, aby keramická vlákna byla orientována rovnoběžně s podélnou osou válce, avšak v souose uspořádané válcové ploše válcového tvarového tělesa by vlákna měla být statisticky neuspořádaná. Vlákna však mohou obecně svírat s podélnou osou válce libovolný úhel, aniž by se tím nějak nepříznivě ovlivňovala požadovaná funkce. Protože tvarové těleso slouží jako kotevní prostředek pro křemíková vlákna, nejsou na použitá vlákna kladeny zvláštní požadavky.

Použitá vlákna mají s výhodou průměr 2 až 25 μπι a poměr jejich délky k průměru je 5 až 25. V dalším výhodném provedeni vynálezu jsou použita vlákna z oxidu hlinitého nebo z křemičitanu hlinitého.

Podstata způsobu výroby bloku motoru s nejméně jedním válcem spočívá v tom, že tvarové těleso z keramických vláken, zahřáté na teplotu 400 ’C až 600 C, se nasadí na trn odlévací formy a odlévací forma se naplní taveninou hliníkové slitiny, mající teplotu 650 ’C až 800 “C, načež se obsah formy nechá pod tlakem nejméně 0,12 MPa ztuhnout.

Tavenina hliníkové slitiny se podle výhodného provedení vynálezu nechá ztuhnout za tlaku 3 MPa, zejména za tlaku 20 až 100 MPa. Je však také možné využít místo odlévání za tlaku způsobu odlévání při nižším tlaku, při kterém se tavenina hliníkové slitiny nechá ztuhnout při nižším tlaku, majícím hodnotu od 0,12 do 0,20 MPa. Tvarové těleso z keramických vláken se výhodně vyrobí odsávací formovací metodou, při které se do vodné alkoholové suspenze, obsahující vlákna, křemíková zrna a/nebo zrna z tvrdých materiálů a organické a/nebo anorganické pojivo, ponoří duté válcové filtrační těleso s uzavřeným dnem a odsáváním kapaliny z vnitřního prostoru filtračního tělesa se na vnější ploše pláště filtračního tělesa formuje rouno z vláken se zapuštěnými křemíkovými zrny a/nebo zrny z tvrdých materiálů, načež se rouno z vláken zahřeje na teplotu 800 “C až 1 000 ’C a potom se mechanicky zpracuje. Tvarové těleso se tímto postupem zpevní natolik, že může být bez problémů použito pro vytvoření hladké vnitřní

-3CZ 281805 B6 povrchové plochy válce, která může být alespoň na svém vnějším plášťovém povrchu mechanicky opracována. Takto předem připravené duté válcové těleso z keramických vláken je potom možno nasadit na trn odlévaci formy.

Podstata dalšího alternativního způsobu výroby bloku podle vynálezu spočívá v tom, že na trn odlévaci formy se nastříká vodná alkoholová suspenze sestávající z vláken, z křemíkových zrn a/nebo zrn tvrdých materiálů a organického a/nebo anorganického poj iva v tloušťce hotoveného tvarového tělesa a potom se forma naplní taveninou hliníkové slitiny s teplotou 650 ’C až 800 °C, načež se obsah formy nechá pod tlakem nejméně 0,12 MPa ztuhnout.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže objasněn pomocí příkladů provedení zobrazených na výkresech, kde znázorňují obr. 1 podélný řez částí bloku spalovacího motoru, obsahujícího několik válců, a obr. 2 podélný řez detailem X z obr. 1 ve dvěstépadesátinásobném zvětšení.

Příklady provedení vynálezu

V bloku 1 spalovacího motoru s několika válci, vytvořeného z podeutektické hliníkové slitiny typu AlSi9Cu3 odléváním pod tlakem 30 MPa, jsou odlita dutá válcová tvarová tělesa 3 s tloušťkou stěny 3 mm, která tvoří vodicí kluzné plochy 2 válců a která jsou vytvořena z vláken 4 z oxidu hlinitého se střední délkou 80 μιη a průměrem kolem 5 μιη, která jsou penetrována hliníkovou slitinou, přičemž mezi vlákny 4 jsou uložena křemíková zrna 5, jejichž velikost se pohybuje od 30 μιη do 60 μιη. Na výbrusu pokrývají křemíková zrna 5 12 % až 15 % celkové plochy válcové vložky. Tvarové těleso 2 obsahuje v objemovém množství 25 % vlákna 4, která jsou orientována přibližně rovnoběžně s osou válcového tvarového tělesa 2» přičemž uvnitř válcové plášťové plochy, souosé s válcovým tvarovým tělesem 3, je orientace vláken 4 statisticky nahodilá. Podíl křemíkových zrn 5 na hmotnosti vláken 4 činí 40 % hmotnostních. Po odlití jsou válcová vrtání 6 bloku 1 spalovacího motoru mechanicky opracována předvrtánim a přesným vyvrtávánim, přičemž porušená křemíková zrna 5, k jejichž destrukci došlo při předvrtávání nebo přesném vyvrtáváni, jsou odstraněna při předběžném a jemném honování. Po jemném honování následuje jako poslední pracovní operace elektrochemické nebo bezproudové leptání. Přitom se například v elektrochemickém odleptávacím procesu při použiti dusičnanu sodného odstraňuje hliníková slitina, rozetřená při honovacím procesu na povrchu křemíkových zrn 5, a mírně se odleptává také hliníková slitina mezi křemíkovými zrny 5 do hloubky kolem 3 μιη.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Blok motoru s nejméně jedním válcem bezvložkového provedení, odlitý v kovové formě z hliníkové slitiny, pro spalovací motory, ve kterém je kluzná plocha nejméně jednoho válce opatřena zrnitými částicemi s velikostí zrn od 20 μπι do 80 μπι, zejména od 30 μπι do 60 μπι, zakotvenými v hliníkové základní hmotě, ve které jsou zrnité částice rovnoměrně rozloženy, vystupují o 0,5 μπι až 10 μιη, zejména 2 μπι až 5 μπι nad kluznou plochu válce a jsou mechanicky hlazená, vyznačující se tím, že ve válci je odlito duté válcové tvarové těleso (3) z keramických vláken (4) a do nich uložených zrnitých částic (5), které je kluznou vodicí dráhou válce a které je penetrováno podeutektickou hliníkovou slitinou.
2.

Blok motoru s nejméně jedním válcem

značující se tím, že j sou křemíková zrna.

podle nároku 1, v y zrnitými částicemi (5)

Blok motoru s nejméně značující s jsou zrna tvrdých materiálů, představovaných materiálem ze skupiny zahrnující karbidy wolframu, molybdenu, titanu, niobu chrómu, wolframu, molybdenu, titanu, jedním e t í válcem m, že podle nároku 1, v zrnitými částicemi nejméně jedním křemíku, chrómu, , nitridy a/nebo silicidy niobu a vanadu.

y (5)
4. Blok motoru s nejméně jedním válcem podle nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že tvarové těleso (3) z keramických vláken (4) má tloušťku stěny 0,5 mm až 10 mm, zejména 1,5 mm až 5 mm.
5.

Blok motoru v y z n a č u z keramických 30 % vláken, jedním válcem podle nároků e tím, obsahuje v s nejméně jící s vláken (4) přičemž podíl zrnitých částic (5) činí nostním množství 30 až 60

1 až 4, že tvarové těleso (3) objemovém množství 5 až v hmot% podílu keramických vláken (4).
6. Blok motoru s nejméně jedním válcem podle nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že průměr keramických vláken (4) je 2 μπι až 25 mm a poměr jejich délky k průměru je 5 až 25.
7. Blok motoru s nejméně jedním válcem podle nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že vlákna (4) jsou z oxidu hlinitého nebo křemičitanu hlinitého.
8. Způsob výroby bloku motoru s nejméně jedním válcem podle nároků laž 7, vyznačující se tím, že tvarové těleso z keramických vláken, zahřáté na teplotu 400 ’C až 600 ’C, se nasadí na trn odlévací formy a odlévací forma se naplní taveninou hliníkové slitiny, mající teplotu 650 °C až 800 °C, načež se obsah formy nechá pod tlakem nejméně 0,12 MPa ztuhnout.

-5CZ 281805 B6
9. Způsob výroby bloku motoru podle nároku 8, vyznačující se tím, že tvarové těleso z keramických vláken se vyrobí odsávací formovací metodou, při které se do vodné alkoholové suspenze, obsahující vlákna, křemíková zrna a/nebo zrna z tvrdých materiálů a organické a/nebo anorganické pojivo, ponoří duté válcové filtrační těleso s uzavřeným dnem a odsáváním kapaliny z vnitřního prostoru filtračního tělesa se na vnější ploše pláště filtračního tělesa formuje rouno z vláken se zapuštěnými křemíkovými zrny a/nebo zrny z tvrdých materiálů, načež se rouno z vláken zahřeje na teplotu 800 °C až 1 000 °C a potom se mechanicky zpracuje.
10. Způsob výroby bloku motoru podle nároku 8, vyznačující se tím, že tavenina hliníkové slitiny se nechá ztuhnout za tlaku 20 až 100 MPa.
11. Způsob výroby bloku motoru podle nároku 8, vyznačující se tím, že tavenina hliníkové slitiny se nechá ztuhnout za tlaku 0,12 až 0,2 MPa.
12. Způsob výroby bloku motoru s nejméně jedním válcem podle nároků laž 7, vyznačující se tím, že na trn odlévací formy se nastříká vodná alkoholová suspenze sestávající z vláken, z křemíkových zrn a/nebo zrn tvrdých materiálů a organického a/nebo anorganického pojivá v tloušťce hotoveného tvarového tělesa a potom se forma naplní taveninou hliníkové slitiny s teplotou 650 °C až 800 ’C, načež se obsah formy nechá pod tlakem nejméně 0,12 MPa ztuhnout.