铸入往复活塞式发动机曲轴箱的过共晶铝/硅合金缸衬和生产这种缸衬的方法

摘要

本发明涉及铸入往复活塞式发动机的高度过共晶铝/硅合金的缸衬，合金中没有独立于熔融物的硬材料颗粒，其成分中，细小的硅初晶和金属间相自动地从熔融物中形成，作为硬颗粒。通过喷射压实法使精细喷射的熔融物滴的坯件生长，硬颗粒的精细分布是控制熔融物小滴的引入而形成的。通过挤压步骤使坯件形成近似缸衬的形状。在形成切屑的预机加工后，对运转表面精机加工，然后至少在一个步骤中进行珩磨，此后，使位于运转表面的硬颗粒裸露，形成颗粒的高面，高面从合金基体组织的其余表面突起。硅初晶和/或颗粒的裸露是使用强碱水溶液化学腐蚀而实现的。由于在熔融物中形成的细小硬颗粒和基体组织中硬颗粒的裸露，不仅提高了耐磨性和承重性质，而且可使用便宜的活塞环和活塞覆盖层，同时降低润滑油耗，减少碳氢化合物的排放量。

说明书

本发明涉及铸入往复活塞式发动机的过共晶铝/硅合金缸衬(权利要求1前序部分)和按照权利要求4所述的生产这种缸衬的方法。

EP367,229A1描述了下述已知缸衬，这种缸衬是用下述材料生产的：金属粉末和混入的石墨颗粒(0.5至3％；颗粒直径最大为104m，在垂直于缸轴线方向上测量)以及无锐缘的硬质颗粒(3至5％：颗粒直径最大为30μm，平均为10μm或更小)，特别是氧化铝。金属粉末最初是独自生产的，也就是说，不会混入的金属以外的颗粒，是用具有下述成分的过共晶铝/硅合金通过空气雾化方法生产的，其成分的其余部分是铝，在熔融物中无硬质颗粒和石墨时，相对于合金总金属成分的重量百分比数据为：

硅：16至18％，

铁：4至6％，

铜：2至4％，

锰：0.5至2％，

镁：0.1至0.8％，

这种金属粉末与非金属颗粒混合，这种粉末混合物在大约2000巴下压缩，以便最好形成管状体。这种粉末冶金法生产的坯件插入一根相应形状的软铝管，这样形成的双展管最好在高温下经过烧结成形，以便形成可生产缸衬的管状坯件。嵌入的硬质颗粒是为使缸衬具有良好的耐磨性，而石墨颗粒是用作干性润滑剂。为了避免石墨颗粒的氧化，热挤压应在无氧条件下进行。还有一个风险是，在高的处理温度下，石墨会与硅反应，形成表面很硬的SiC，从而影响嵌入的石墨颗粒的干性润滑性质。由于这种粉末混合物总是在某种程度上是完整的，因而不能完全排除下述情况：在工件表面上出现硬质颗粒和/或石墨颗粒浓度的某种程度上的局部浮动。由于嵌有硬质颗粒，硬质颗粒尽管具有倒圆的边缘，仍具有很强的磨损性，热压模具磨损较快；经过适当的努力，在碾碎形成的颗粒上总是只能部分地形成倒圆的边缘。其后对缸衬运转表面的机械处理也会引起大的工具磨损，从而引起高的工具成本。露出运转表面的硬质颗粒在表面机加工之后具有锐利边界，会使活塞裙部和活塞环承受较大的磨损，因而这些部件必须用耐磨材料制成和/或设置适当的耐磨镀层。由于带有若干分开的部分的起始材料，所有已知的缸衬不仅相当昂贵，塑性和切除金属的加工中的高工具成本也大大增加了单件的成本。除此以外，使用异质粉末混合物制成已知的缸衬会引起非均匀性，在某些情况下会有损功能，而不可取，但是在任何情况下都需要广泛的质量监测。另外，预先假定活塞结构在发动机运转中是复杂的，会使往复活塞发动机更为昂贵。

US-PS4,938,810也描述了一种用粉末冶金方法生产的缸衬。在该专利中举出大量合金的实例，也给出了用这些合金生产的缸衬的测量数据和运转数据。上述实例中的硅含量在17.2至23.6％的范围内，不过更宽泛地是在10至30％的范围内，这就会延伸至过共晶范围内，在本说明书的权利要求中，在这个方面推荐上述范围。镍、铁或锰，这些金属中至少一种应在合金中存在，其含量至少为5％，或者(铁)含量至少为3％。作为一个代表，本文应提到至少一种合金的重量百分比组成，其余为铝；锌和锰的含量未给出，这就可得到如下结论，除痕量外不应含有这两种金属，这个组成为：

硅：22.8％

铜：3.1％

镁：1.3％

铁：0.5％及

镍：8.0％。

在上述合金实例中，镍含量很高，缸衬坯件是用这种粉末混合物热挤压成的。

最后还应提到US-PS4,155,756，其研究的是同一课题。在该专利文献中，作为若干实例之一给出了下述组成，其余为铝：

硅：25％

铜：4.3％

镁：0.65％及

铁：0.8％。

本发明的目的是在耐磨性和润滑油消耗量方面改进一般的缸衬，使活塞和活塞环减小磨损的风险；在减少润滑油消耗方面，主要好处并不在于节省润滑油，而是在于减少其燃烧残余物，主要是碳氢化合物，其可以有害地污染内燃机排出的废气。

在通用的往复活塞式发动机的基础上，本发明的上述目的是通过权利要求1的特征实现的，在本发明的方法方面，是通过权利要求4的特征实现的。由于缸衬材料的特殊合金成分，硅的初晶和金属间相直接从熔融物形成；因此不必混入分离的硬颗粒。另外，在其后坯件的挤压中所采用的合金的喷射压实容易由加工工程控制且成本较低。也可以采用型锻和所谓的触融成形(thixoforming)。上述加工过程，特别是挤压使表面产生很低的氧化，使缸衬形成特别低的多孔度。对于镀铁活塞(合金A)和未镀铝活塞(合金B)来说，上述合金成分A和B已实现最佳效果。一方面，在熔融物中形成的硬颗粒具有高硬度，在运转表面形成良好的耐磨性，另一方面，在熔融物中形成的上述硬颗粒不会不适当地影响材料的机加工，使运转表面的机加工相当容易进行。由于在每个单个熔滴中初晶和金属间相的形成，在生成的坯件上的喷射和固化，因而作为方法的结果，在工件中形成硬颗粒的均匀分布。另外，在熔融物中形成的颗粒较少尖角，在磨擦中不象碾碎的颗粒那样锐利。另外，在熔融物中形成的金属硬颗粒，与已混入的非金属碾碎的颗粒相比较，更紧密地嵌在合金矩阵结构中，因此，在硬质材料边界处破碎的危险较小。另外，在熔融物中形成的硬颗粒磨合性好，对活塞及活塞环磨损性低，因此工作寿命较长，如果普通的工作寿命是可以接受的话，那么，活塞和/或活塞环可以允许较低的结构复杂性。

从各从属权利要求中可以取得对本发明的进一步改善。另外，下面对照附图对本发明的图示实施例作详细描述。

图1是带有铸入缸衬的往复活塞式发动机的局部剖视图；

图2所示横剖面的放大详图平行于气缸母线，穿过靠近缸衬表面的区域；

图2a是图2的放大详图；

图3所示条线图表示在熔融物中形成的各种硬颗粒的粒度；

图4表示借助流体使硬颗粒人缸衬表面露出的装置。

在图1中局部示出的往复活塞式发动机包括一个模铸的曲轴箱2，其中设有缸壳4，缸壳用于接纳缸衬6，在缸衬中活塞3被引导而上、下移动。在曲轴箱2顶部装有缸盖1，其上带有进气变化和进气点火装置。在曲轴箱内，在缸壳4周围设有形成水套5的空腔，水套用于冷却发动机。

缸衬6作为单件生产的，生产方法在下面在过共晶成分中详述，过共晶成分在下文中也将详细描述，缸衬作为坯件铸入曲轴箱2中，并与曲轴箱一起进行机加工。为此目的，缸衬的运转表面先经最初的粗预加工，然后经过精加工，切屑通过钻削或车削切除。其后，运转表面7至少在一个阶段进行珩磨。珩磨后，在运转表面中的和比合金基体结构硬的颗粒，如硅晶体和金属间相以下述方式露出运转表面，即，颗粒的平稳面从合金的基体结构的其余表面凸起。

为了在耐磨性和润滑油消耗以及发动机碳氢化合物排放方面改善缸衬，按照本发明提供了一系列与上述目的相关的措施。

首先，这里必须提到合金成分的最佳化，已发现两种最佳的合金类型，合金类型A建议用于表面覆铁的活塞。由于按照本发明的缸衬的精细表面形状，因而对于表面覆铁的活塞选用合金类型A时也可使用较为便宜的活塞覆盖层，例如也可以使用便宜的石墨覆盖层。对于未覆盖的铝活塞，另一种合金类型B已被最佳化。下面的百分比是重量百分比。详细来说，合金A的成分如下：

硅  23.0至28.0％，最好为大约25％，

镁  0.80至2.0％，最好为大约1.2％，

铜  3.0至4.5％，最好为大约3.9％，

铁  最多为0.25％，

锰，镍和锌最多为0.01％，其余为铝。

用于与未覆盖的铝活塞一起工作的合金B，在硅、铜、锰和锌的比例上有相同的成分；只是铁和镍的含量稍高，即：

铁：1.0至1.4％，

镍：1.0至5.0％。

具有细粒结构的硅初晶8及金属间相9和10的中空坯件首先通过在无氧气氛中熔融物的精细雾化和熔融物的雾的沉淀而用铝/硅合金形成，以便形成增大的形体，在镁和硅(Mg₂Si)之间和在铝和铜(Al₂Cu)之间形成金属间相。喷射的熔融物的主要部分(约80％)在氮射流中非常迅速地冷却，冷却速率达到大约10³K/秒的范围。熔融物滴的其余部分仍为液态直至冲击在中空坯件载体上，或者只是部分地固化。作为这种所谓喷射压实的结果，可以产生带有平均值周围±5…10μm的很窄范围内粒度的结构，典型的值在30至50μm之间。在这种情况中，采用很细粒度的硬化，因此产生精细结构，带有硅的精细和均匀的分布。每个粉末颗粒含有全部合金或粉末颗粒，即小滴喷在转盘上，在该转盘上所述中空坯件以例如250或400mm的直径生成。这取决于设备的设计。其后，中空坯件必须在挤压机中受压以形成管。也可以使中空坯件不是在转盘上轴向生长，而是使喷射的坯件在转动的圆筒上径向生长，使得立即基本形成管形。

在喷射过程中，熔融物精细地雾化，因此，在生长的中空坯件中形成的硅初晶8和金属间相9和/或10粒度很小，尺寸如下：

硅初晶：2至15，最好为4.0至10.0μm，

Al₂Cu相：0.1至5.0，最好为0.8至1.8μm，

Mg₂Si相：2.0至10.0，最好为2.5至4.5μm。

由于这种精细的粒度，一方面可实现硬颗粒在合金基体结构中的精细弥散分布和均质材料。由于熔融物喷射，不可能形成混合的不均匀性。由于喷射的熔融物滴的压实，滴间联结也很紧密，显著地避免了多孔性。残留的多孔性由从中空坯件向管的变形步骤中消除。

铝合金的喷射压实方法本身是公知的，这里只是以一种有利的方式加以应用。另外，为形成管形以这种方式对中空坯件进行挤压，从管形切成需要的长度，这同样是公知的。因此，本文不再详述。但是与这种方法的本应用的具体特征在于：在前插入较高温度下的保持阶段以稳定硅初晶的粒度分布。

以这种方式生产的，以及如需要通过产生切屑的机加工形成一定加工尺寸的缸衬坯件被铸入可以容易铸造的合金铝的曲轴箱中，这里推荐使用压铸法。为此，准备铸入的制成的缸衬，在压铸模打开时被推在一个导向螺栓上，将模闭合，然后射入压铸材料。由于通过导向螺栓可以冷却铸入的缸衬和快速的冷却时间，缸衬材料不会有以失控方式受到压铸工件熔融物的热影响的危险。部分金属粘合是在热集中范围内实现的，不会影响缸衬结构。用于压铸的合金是过共熔的，因此在铸造技术中易于处理。压铸工件材料的膨胀系数显著高于缸衬的膨胀系数，因此在两者之间可能保证良好的压配合。

当缸衬被铸入曲轴箱后，在曲轴箱的需要表面上，特别是在缸衬6的运转表面7上进行切削加工。这些机加工步骤(这里只提及钻削和珩磨)本身也是公知的，因而本文不再详述。珩磨之后，必须使嵌入表面中的硅初晶8和金属间相9和/或10的颗粒裸露出来。

裸露是用化学方法通过与环境相容的易于中和的液剂如氢氧化钠溶液进行腐蚀而实现的。下述工厂技术和工艺参数是专门针对这里使用的合金，及针对喷射压实技术和缸衬组织形成。

推荐的工艺参数如下：

液剂：4.5至5.5％的氢氧化钠(NaOH)水溶液，

处理温度：50±3℃，

反应时间：15至50秒，最好为大约30秒，

流动速率：在处理时间内每缸3至4升。

在用化学方法实施裸露方面，所使用的设备，如图4所示，应作详细描述。所示设备具有一个带衬垫18的工作台，准备机加工的曲轴箱2夹紧其上，形成密封，其平侧面对缸盖。一根外流管从下同心地突入每个缸衬的内部，外流管以密封的方式穿过衬垫18。相应于待处理的曲轴箱缸位的数目，外流管也相应地设在处理工作台中。在缸衬的待处理运转表面7和外流管之间，留有等距环形间隙26，在工作中，该间隙中充满流体。外流管自由上缘用于溢流，外流管终止于比缸衬端稍低处，在曲轴箱侧机加工位置上向上指。输送管线24的多个端件23同样穿入衬垫18，通入所述环形间隙。在一个第一收集容器14中储存用作腐蚀液的液剂如大约5％的氢氧化钠，其可以借助一个第一泵21通过第一供应管线25和第一三通阀15送入输送管线，从而送入环状间隙26。在顶部溢流入外流管13的液剂通过第二个三通阀17和一条第一返回管线27流回收集容器14内。在铺设返回管线27时，使第二三通阀17适当定位，外流管中的内容物可以在重力作用下完全排入收集容器14。在液剂泵已关断后，为了使环形间隙26也能通过自由梯度排入收集容器14，一条通入液剂收集容器14的排放管线30通过一个两通阀16连至输送管线24。借助一个加热器(未详细画出)，使液剂升至例如大约50℃的温度。借助一个搅拌器19，收集容器的内容物被连续地混合，以均匀的浓度储存，另外也以这种方式调匀了局部温差。一条完全相同结构的冲洗液回路，与上述液剂循环平行地起作用，冲洗液可以是水，冲洗液回路设有下述构件：收集容器20、第二泵22、第二供应管线28、第一三通阀15、输送管线24、端件23、环形间隙26、外流管13、第二三通阀17、第二返回管线29，以及再次进入收集容器20。借助两个三通阀的同时启动，可以选择性地启动液剂回路或冲洗剂回路并将其连接于处理部分，具体来说连接于环形间隙26。在将液剂变换为冲洗剂之前，处理部分，也就是说，超出两个三通阀15和17的回路的工件侧的部分必须首先完全排出液剂，使冲洗剂中不致富含液剂。

为了裸露位于运转表面7中硅初晶和金属间相的颗粒，在将曲轴箱2牢固夹紧在衬垫18的正确位置之后，液剂回路首先借助两个三通阀15和17连接于处理部分，具体来说是环形间隙26，然后借助液剂泵21使环形间隙26充盈来自收集容器14的液剂。有利的是，曲轴箱预先已达到处理温度，即，例如大约50℃，因此，不会从已达到温度的液剂带走热量，实际上所需处理温度立即作用在待处理的运转表面7上。在最好为大约30秒的规定处理时间内，供送步骤被保持在一个适中的循环速度—大约每缸0.1升/秒。作为液剂种类、浓度和温度的系数，根据经验选择处理时间，使得在该时间内达到需要的裸露深度t。

在处理时间之后，液剂泵21停止，液剂从环形间隙通过当时打开的两通阀16排入收集容器14；同时，流出管13也通过仍通向容器14的三通阀15排入收集容器14。当两通阀16再次闭合后，冲洗回路可以通过变换三通阀15和17连接于环形间隙26，冲洗剂泵22可被接通。然后，冲净环形间隙26，特别是曲轴箱运转表面7的液剂，为此目的，在一定的，根据经验最佳化的时间内使冲洗剂泵保持接通。其后，冲洗回路再次停止，流出管的内容物通过自由梯度排入冲洗剂容器20。但是在图示实施例中，环形间隙26也必须排空，打开两通阀16通过排放管线30只排放入收集容器内。此后，可松开精加工后的曲轴箱，将其从设备上卸下。然后，设备准备接受一个新的工件。

通过这种处理，位于表面的各硬颗粒之间的少量基体材料被除去，因此，带有高面11的较硬颗粒从基体材料12凸起裸露深度t的量。在这些颗粒的边界区域形成小凹部31，但是，其深度很小，仍可使颗粒在基体材料中实现良好的机械粘合。裸露深度t受指出的工艺参数影响并相应地受到控制。

结构形成经过调节，使得在0.5μm或更小的极小深度t，即可得到性能可靠的运转表面。为此，目标是实现0.3至1.2μm，最好是大约0.7μm的裸露深度。当初晶和/或颗粒已被裸露之后，缸衬6的运转表面具有如下的粗糙度值：

平均峰对谷高度R_z＝2.0至5.0μm，

最大个别峰对谷高度R_max＝5μm，

中心峰对谷高度R_k＝0.5至2.5μm，

减小的峰高度R_pk＝0.1至0.5μm，

减小的槽深度R_vk＝0.3至0.8μm，

术语和值R_z和R_max应按照DIN4768，第1页来理解，术语和值R_k，R_pk和R_vk应按照DIN4776来理解。

裸露的小深度、位于运转表面中的，承重颗粒的，由缸衬材料给出的细粒特征，以及同样由缸衬材料给出的材料特征共同导致了很低的油耗、高的耐磨性和良好的滑动性质。另外，由于按照本发明构成和加工的缸衬，活塞可设置便宜的覆盖层并配置便宜的活塞环。