專利名稱：氣缸體及其金屬基復(fù)合用預(yù)制件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣缸體及其金屬基復(fù)合用預(yù)制件，該氣缸體是在由無機(jī)粒子和無機(jī)纖維等無機(jī)材料構(gòu)成的多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體的預(yù)制件上流入基質(zhì)金屬溶液而得到的。
作為汽車用發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸體，公知的是用鋁合金等的金屬基質(zhì)包鑄鑄鐵制的缸套而構(gòu)成。在這種結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)制造方法中，首先是把另外工序制成的鑄鐵缸套設(shè)置于缸體的鑄模中，然后將鋁合金等的熔融金屬注入此鑄模中便可制得缸體，對(duì)缸體中的缸套內(nèi)周面進(jìn)行研磨加工，而形成活塞的滑動(dòng)面。這樣的氣缸體由于包含鑄鐵制的缸套而較重，此外，還有由于使用了鑄鐵和鋁合金這類熱膨脹率不同的金屬，導(dǎo)致密合性差和散熱性低的問題。為此，已提出過多種由鋁合金制作缸套的氣缸體(參考日本專利公報(bào)特公平4-11612號(hào)、特公平5-33295號(hào)、特公平8-9093號(hào)等)。
也就是，這種氣缸體首先是將氧化鋁纖維或碳素纖維等無機(jī)纖維的多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體制成預(yù)定的形狀(以下稱為預(yù)制件)。即，制造出缸套形狀的預(yù)制件，將此預(yù)制件按上述置放到氣缸體的鑄模中，將鋁合金的熔融金屬注入此鑄模中，使鋁合金的金屬溶液浸滲入此預(yù)制件中的空隙內(nèi)，而制得氣缸體。冷卻后，從鑄模中取出的氣缸體的缸套部分是以預(yù)制件為骨架的纖維強(qiáng)化復(fù)合材料構(gòu)成，而整個(gè)的氣缸體便成為以鋁合金整體鑄成的。
在制造多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體的預(yù)制件時(shí)，除無機(jī)纖維之外，也有添加陶瓷等粒子的，如日本專利公報(bào)特開昭63-149342號(hào)以及特開平2-194132、特開平3-44432、特開平9-14045號(hào)等公開的內(nèi)容。其中，在特開平9-14045號(hào)公報(bào)中描述到，在由陶瓷粒子與氧化鋁短纖維構(gòu)成預(yù)制件時(shí)，為使其在制造中不會(huì)發(fā)生變形、開裂、撓曲與金屬基質(zhì)的浸滲不良，而適用于纖維強(qiáng)化金屬材料。
日本專利公報(bào)特開平3-44432號(hào)中描述到，將平均直徑在1μm以下的短纖維和平均粒度10～50μm的無機(jī)粒子與結(jié)合劑混合，經(jīng)抽吸脫水成形獲得的多孔質(zhì)成形體不會(huì)產(chǎn)生收縮或開裂，可以制得優(yōu)質(zhì)的纖維強(qiáng)化金屬材料。
在上述先有技術(shù)的例子中，制得預(yù)制件時(shí)，作為其結(jié)構(gòu)材料來使用的耐熱性纖維材料、例如無機(jī)纖維材料，在預(yù)制件內(nèi)形成適當(dāng)?shù)目障?，使金屬基質(zhì)易浸滲到這種空隙中，再有，無機(jī)纖維相互之間是相互無規(guī)則地纏結(jié)，能確保預(yù)制件的強(qiáng)度。但是，纖維材料為二次加工品，一般是高價(jià)的，例如相同的無機(jī)材料其纖維狀的要比粒子狀的在價(jià)格上貴10倍以上。因此，預(yù)制件的結(jié)構(gòu)材料僅采用纖維材料時(shí)，其最終制品例如氣缸體的價(jià)格就會(huì)升高。
為此，在把纖維材料的一部分置換為陶瓷、金屬、金屬間化合物和碳素等粒子的先有技術(shù)的例子中，作為預(yù)制件，在兼顧纖維材料的高性能和預(yù)制件的價(jià)格兩方面都是極為有利的。但是，考察先有技術(shù)的例子時(shí)，前述的方法在預(yù)制件的制作過程中，抽吸脫水成形時(shí)的脫水效果差，使生產(chǎn)效率降低。具體地說，當(dāng)把包含有纖維材料和陶瓷等粒子的漿狀體加入一定形狀的模具中，經(jīng)濾網(wǎng)抽吸脫水成形，而后進(jìn)行干燥與焙燒來制作預(yù)制件時(shí)，若陶瓷等粒子的比例高，則在抽吸脫水成形中會(huì)堵塞濾網(wǎng)的網(wǎng)孔，使脫水性能顯著降低，而降低預(yù)制件的生產(chǎn)效率。
再有，在考察先有技術(shù)的例子時(shí)，陶瓷等無機(jī)粒子易密實(shí)地充填耐熱性纖維材料間的空隙，使得金屬基質(zhì)的熔融體難以浸滲到這樣的預(yù)制件內(nèi)。這時(shí)，若為了完成浸滲而強(qiáng)行加大這種熔融金屬的壓力，預(yù)制件就會(huì)受到過大的壓力而在其中產(chǎn)生裂紋或變形。若把由這種預(yù)制件制得的金屬復(fù)合材料用作氣缸體的缸套，則會(huì)引起缸套的破損與變形。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種包含有由纖維強(qiáng)化金屬復(fù)合材料形成的缸套的、耐磨損性優(yōu)越的氣缸體。
鑒于上述實(shí)際情形，本發(fā)明人等進(jìn)行深入研究的結(jié)果發(fā)現(xiàn)可把多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體用作缸套的預(yù)制件，在該預(yù)制件中浸滲金屬基質(zhì)而形成缸套，由此而能制造含有這種缸套的氣缸體，在上述多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體中，將耐熱性纖維材料分成平均纖維直徑為2～5μm而平均纖維長度為10～200μm的小直徑無機(jī)纖維、和平均纖維直徑為4～20μm而平均纖維長度為10～200μm的大直徑無機(jī)纖維，使平均粒度為1～50μm的無機(jī)粒子與結(jié)合劑一起在水中分散于小直徑和大直徑無機(jī)纖維，在把它們注入缸套等目標(biāo)形狀的模具中通過濾網(wǎng)進(jìn)行抽吸脫水成形時(shí)，小直徑無機(jī)纖維便主要捕獲無機(jī)粒子，使無機(jī)粒子分散于預(yù)制件中，由此防止無機(jī)粒子密集地充填到大直徑無機(jī)纖維的空隙中而提高抽吸脫水成形性，而且，這種小直徑無機(jī)纖維捕獲無機(jī)粒子的作用也有助于提高最終所得金屬基復(fù)合材料的耐磨損性，另一方面，大直徑無機(jī)纖維在預(yù)制件中形成了大小適當(dāng)?shù)目障?，在提高抽吸脫水成形性的同時(shí)，也創(chuàng)造出易使金屬基質(zhì)的熔融液浸漬預(yù)制件中的條件，從而在把由這種多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體制得的纖維強(qiáng)化金屬復(fù)合材料作為缸套進(jìn)行澆鑄時(shí)，就能看到可以獲得機(jī)械強(qiáng)度和耐磨損性優(yōu)越的氣缸體，而能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
也就是說，本發(fā)明第一方案在于提供一種氣缸體，此氣缸體包括缸套，由多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體作為缸套的預(yù)制件，使金屬基質(zhì)浸滲于該缸套預(yù)制件中，從而構(gòu)成該缸套，特征在于，該多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體包括平均粒度為1～50μm的無機(jī)粒子；平均纖維直徑為2～5μm、平均纖維長度為10～200μm、在成形成成形體時(shí)主要捕獲上述無機(jī)粒子，并使其分散的小直徑無機(jī)纖維；平均纖維直徑為4～20μm、平均纖維長度為10～200μm、在形成前述成形體時(shí)與所述小直徑無機(jī)纖維共同構(gòu)成空隙的大直徑無機(jī)纖維。
本發(fā)明第二方案的氣缸體，所述小直徑無機(jī)纖維的平均纖維直徑d1與所述大直徑無機(jī)纖維的平均纖維直徑d2的關(guān)系為2d1＜d2。
本發(fā)明的第三方案的氣缸體，所述多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體的孔隙率為50～90％。
本發(fā)明第四方案的氣缸體，所述無機(jī)粒子占據(jù)的體積V1和前述小直徑與大直徑無機(jī)纖維所占體積V2的關(guān)系為V1/V2＝0.5～2。
本發(fā)明第五方案的氣缸體，在所述小直徑無機(jī)纖維和大直徑無機(jī)纖維所占的體積V2中，小直徑無機(jī)纖維所占的體積(Vs)的比例(100×Vs/V2)為20～80％。
本發(fā)明第六方案的金屬基復(fù)合材料用預(yù)制件，其特征在于，它具有平均粒度為1～50μm的無機(jī)粒子；平均纖維直徑為2～5μm、平均纖維長度為10～200μm、在形成成形體時(shí)主要捕獲所述無機(jī)粒子、并且使其分散的小直徑無機(jī)纖維；平均纖維直徑為4～20μm、平均纖維長度為10～200μm、在形成前述成形體時(shí)與所述小直徑無機(jī)纖維共同構(gòu)成空隙的大直徑無機(jī)纖維。
本發(fā)明第七方案的金屬基復(fù)合材料用預(yù)制件，在上述第六方案的基礎(chǔ)上，其特征在于所述小直徑無機(jī)纖維的平均纖維直徑(d1)與大直徑無機(jī)纖維的平均直徑(d2)的關(guān)系為2d1＜d2。
本發(fā)明第八方案的金屬基復(fù)合材料用預(yù)制件，在上述第六方案或七方案的基礎(chǔ)上，其特征在于所述多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體的空隙率為50～90％。
本發(fā)明第九方案的金屬基復(fù)合材料用預(yù)制件，在上述第六～八方案中任一項(xiàng)的基礎(chǔ)上，其特征在于所述無機(jī)粒子所占的體積(V1)和前述小直徑無機(jī)纖維和大直徑無機(jī)纖維所占的體積(V2)的關(guān)系為V1/V2＝0.5～2。
本發(fā)明第十方案的的金屬基復(fù)合材料用預(yù)制件，在上述第六～九方案中任一項(xiàng)的基礎(chǔ)上，其特征在于所述小直徑無機(jī)纖維和大直徑無機(jī)纖維所占的體積(V2)中，小直徑無機(jī)纖維所占的體積(Vs)的比例(100×Vs/V2)為20～80％。
本發(fā)明第十一方案的的金屬基復(fù)合材料用預(yù)制件，在上述第六～十方案中任一項(xiàng)的基礎(chǔ)上，其特征在于還含有碳纖維和碳粒子兩者或它們中之一，并且含有體積率為7～11％的氧化鋁粒子。
本發(fā)明的多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體，其中雖以無機(jī)粒子置換了耐熱性纖維材料的一部分，但能使得預(yù)制件容易制作，還能使金屬基質(zhì)的熔融液容易浸滲入預(yù)制件中，從而可以降低制造費(fèi)用。本發(fā)明的氣缸體，由于含有這種多孔質(zhì)的結(jié)構(gòu)體和利用到它的強(qiáng)化金屬材料，不僅能夠降低成本而且其缸套部分有優(yōu)越的耐磨損性，加以缸套與氣缸體能以相同的金屬制成，因而有相同的熱膨脹率，使磨合性和散熱性都良好。
對(duì)附圖簡單說明如下


圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施形式的多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體中100(％)×Vs/V2的比例與濾水時(shí)間關(guān)系的特性圖。
圖2是表示本發(fā)明的實(shí)施形式的多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體中100(％)×Vs/V2的比例與鑄造時(shí)的多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體的壓縮變形率的關(guān)系的特性圖。
圖3是表示本發(fā)明的實(shí)施形式的多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體中V1/V2的比例與由各比例的多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體所得到的強(qiáng)化金屬材料的磨損量之間關(guān)系的特性圖。
圖4是表示本發(fā)明的實(shí)施形式的氣缸體的缸套部分的金屬組織的顯微照片圖。
圖中各標(biāo)號(hào)的意義為1-氣缸體主體部；2-缸套部。
下面，說明本發(fā)明的實(shí)施形式。
本發(fā)明中，所謂的多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體是指多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)的本身，所謂的預(yù)制件則是指多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體具有了缸套等具體形狀的形體，即金屬基質(zhì)的熔融液流入其中之前的結(jié)構(gòu)體。
本發(fā)明所用的無機(jī)粒子，平均粒度為1～50μm，只要求其能經(jīng)受將金屬基質(zhì)的熔融液浸滲入多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體時(shí)的溫度即可，并無其他特別限制，例如所用的無機(jī)材料有鋁、硅、鈦、鋯、鎂、硼、鐵等的金屬氧化物、金屬碳化物和金屬氮化物等。這類無機(jī)材料可以按一種或組合兩種以上的形式使用。具體地有氧化鋁粉末、莫來石粉末、堇青石粉末、硅石粉末等。但是，多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體的預(yù)制件，在用作缸套那樣的要求有耐磨損性的情形，則最好選擇耐磨損的無機(jī)粒料。
本發(fā)明所用的小直徑無機(jī)纖維，平均纖維直徑為2～5μm的范圍，平均纖維長度為10～200μm的范圍，只要其能經(jīng)受將金屬基質(zhì)的熔融液浸滲入多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體時(shí)的溫度即可，并無其他限制，例如有氧化鋁纖維、氧化鋁和二氧化硅合成纖維、玻璃纖維、碳素纖維、陶瓷纖維、莫來石纖維、石棉纖維、以及巖石棉纖維等。它們可以按一種或組合兩種以上的形式使用。
本發(fā)明所用的大直徑無機(jī)纖維，平均纖維直徑為4～20μm的范圍，平均纖維長度為10～200μm的范圍，只要其能經(jīng)受將金屬基質(zhì)的熔融液浸滲入多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體時(shí)的溫度即可，可以使用與上述小直徑纖維相同的材料。
在此所用的小直徑無機(jī)纖維和大直徑無機(jī)纖維雖然是無機(jī)纖維，但只要耐熱性良好，將來也可以使用有機(jī)纖維。
作為將上述無機(jī)粒子以及小直徑與大直徑無機(jī)纖維相結(jié)合的結(jié)合材料，只要其能通過熱處理將它們結(jié)合，并可使預(yù)制件獲得所需的強(qiáng)度即可，并無其他特別限制。例如，可使用玻璃熟料等粉狀結(jié)合材料、膠態(tài)硅石、氧化鋁溶膠。它們可以單獨(dú)使用或組合兩種以上使用。
本發(fā)明中，上述小直徑無機(jī)纖維的平均纖維直徑d1與大直徑無機(jī)纖維的纖維直徑(d2)應(yīng)具有2d1＜d2的關(guān)系，而最好是3d1＜d2的關(guān)系。當(dāng)此d1與d2在上述范圍之外時(shí)，則通過把無機(jī)纖維分為小直徑和大直徑的纖維而能得到的前述作用，效果會(huì)變差，不是所希望有的。
前述多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體的空隙率最好為50～90％的范圍(多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體的體積百分率為10～50％)。不到50％時(shí)，金屬基質(zhì)不易浸滲到多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體中；超過90％時(shí)，多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體本身的強(qiáng)度減弱。
前述多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體中，所述無機(jī)粒子的體積V1與小直徑無機(jī)纖維和大直徑無機(jī)纖維的體積V2，最好滿足V1/V2＝0.5～2。當(dāng)V1/V2不到0.5時(shí)，最終所得的金屬基復(fù)合材料即強(qiáng)化金屬材料的耐磨損性就有可能降低。無機(jī)粒子主要由無機(jī)纖維捕獲，因而使耐磨損性得以提高，這樣，當(dāng)V1減小時(shí)，耐磨損性也變低。相反，V1/V2超過2時(shí)，無機(jī)粒子過多，會(huì)使形成多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體的過程中抽吸脫水成形性不良，降低生產(chǎn)率。
在此多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體中，所述小直徑無機(jī)纖維和大直徑無機(jī)纖維的合計(jì)體積量V2內(nèi)，小直徑無機(jī)纖維所占的體積Vs的比例100×Vs/V2最好是20～80％，而尤為最好是50～70％。當(dāng)該比例不到20％時(shí)，則大直徑無機(jī)纖維所構(gòu)成的纖維間空隙的存在量顯著增加，而小直徑無機(jī)纖維變少，致使濾網(wǎng)的孔堵塞，而使抽吸脫水成形性變差，而且大直徑纖維間空隙為無機(jī)粒子密實(shí)地充填，使浸滲入金屬基質(zhì)變得困難。相反，當(dāng)上述比例超過80％時(shí)，小直徑無機(jī)纖維增多，小直徑纖維間空隙(小孔隙)也變多，降低了抽吸脫水成形性，而且難以使金屬基質(zhì)的熔融液進(jìn)入大直徑纖維間的空隙。
從上述傾向觀察，多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體的抽吸脫水成形性與金屬基質(zhì)熔融液的浸滲性是相關(guān)的。任何情形下，當(dāng)比例100×Vs/V2越出20～80％的范圍時(shí)，多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體形成過程中的抽吸脫水成形性就會(huì)降低，而且金屬基質(zhì)的熔融液也難以進(jìn)入多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體中，導(dǎo)致纖維強(qiáng)化金屬材料在鑄造時(shí)會(huì)增大多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體的壓縮變形率A。在此，將壓縮變形率A定義為多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體在鑄造前的厚度T與鑄造后的厚度Ta之差T-Ta＝ΔT的百分率(％)，即A＝100×ΔT/T。
本發(fā)明中，纖維強(qiáng)化金屬材料是以上述多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體為骨架結(jié)構(gòu)，再在其中浸滲入金屬基質(zhì)制成。作為這種金屬基質(zhì)，例如可以用鋁、鈦、鎂、鎳、銅以及它們的合金，其中最多使用的是鋁合金。這種纖維強(qiáng)化金屬材料的形狀并無特別限制，例如可以是板狀、棒狀以及形材等。此外，可將多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體形成目的所需的特定形狀，即預(yù)制件，再將此預(yù)制件中浸滲入鋁合金等，而制成特定的制品。
本發(fā)明的氣缸體是把上述多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體用作缸套的預(yù)制件，再將鋁合金等金屬基質(zhì)浸滲到此預(yù)制件中而制成。具體地說，此多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體、纖維強(qiáng)化金屬材料以及由此形成的氣缸體是按下述方式制造的。
首先，準(zhǔn)備滿足上述尺寸條件的無機(jī)粒子、小直徑無機(jī)纖維和大直徑無機(jī)纖維，小直徑無機(jī)纖維d1與大直徑無機(jī)纖維d2之間應(yīng)滿足2d1＜d2的條件。此外，這些無機(jī)粒子、小直徑無機(jī)纖維與大直徑無機(jī)纖維的組成物，要有50～90％的空隙率，無機(jī)粒子的體積V1與小直徑無機(jī)纖維和大直徑無機(jī)纖維的合計(jì)體積V2之間應(yīng)滿足V1/V2＝0.5～2，而且在此V2中，小直徑無機(jī)纖維所占體積Vs的比例100×Vs/V2應(yīng)為20～80％，據(jù)此才能配合成所述的多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體。
然后，將上述組成物分散到水中，再加入結(jié)合劑而制成粉漿。將此粉漿加入缸套形狀的模具中，由抽吸脫水成形法脫水，加以干燥即得缸套形狀的成形體，焙燒此成形體便制得多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體的缸套的預(yù)制件。將此預(yù)制件配置于氣缸體的鑄模內(nèi)，注入金屬基質(zhì)的鋁合金的熔融液，使鋁合金的熔融液浸滲入預(yù)制件中。浸滲結(jié)束后，從冷卻的鑄模中取出，即得到氣缸體。此氣缸體的缸套部分是由多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體即預(yù)制件所加強(qiáng)的纖維強(qiáng)化金屬材料，并與氣缸體形成整體。
下面，舉出實(shí)施例來更具體地說明本發(fā)明。但是，這種實(shí)施例僅僅出于例示的目的，而并非對(duì)本發(fā)明的限制。
參考例1將下述原料按以下組成分散到水中制得粉漿。
(原料)·無機(jī)粒子平均粒度20μm的氧化鋁粒子；·小直徑無機(jī)纖維平均纖維直徑3μm、平均纖維長度100μm的氧化鋁和二氧化硅合成纖維；·大直徑無機(jī)纖維平均纖維直徑10μm、平均纖維長度150μm的玻璃纖維；·結(jié)合材料玻璃熟料(ガラスフリツト)及氧化鋁溶膠。
(配合)按表1所示的配合比例(表中的數(shù)值表示配合比例)來進(jìn)行，預(yù)制件的體積百分率為30％，無機(jī)粒子體積V1/小直徑無機(jī)纖維和大直徑無機(jī)纖維的合計(jì)體積V2＝1.0，固體形式的百分比為5％，而100％×小直徑無機(jī)纖維體積Vs/小直徑和大直徑無機(jī)纖維體積V2的配合為10％、20％、50％、70％、80％與90％六種。
表1
然后，將各配合下的粉漿流入圓盤形的模具中脫水，在105℃下干燥，獲得各種配合下的成形體(直徑100mm，厚度10mm)，將此成形體在600℃℃的溫度下經(jīng)1小時(shí)燒成處理，制得各種配合的多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體。對(duì)這些多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行下述的濾水性試驗(yàn)，結(jié)果如圖1中所示。再將這種多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體配置于圓盤形的鑄型內(nèi)，注入800℃的鋁合金(JIS ADC 12)的熔融液，在1000Kg/cm2的壓力下加壓，使鋁合金的熔融液浸滲到多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體中，制得了由多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體加強(qiáng)的各種配合的纖維強(qiáng)化金屬材料。對(duì)這種纖維強(qiáng)化金屬材料測(cè)定其多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體在鑄造前的厚度T和鑄造后的厚度Ta，計(jì)算前面定義的壓縮變形率A＝100(T-Ta)/T，結(jié)果如圖2中所示。
(濾水性試驗(yàn))將水分為90％的粉漿1L在減壓度-600mmHg下通過細(xì)孔徑300μm的濾網(wǎng)來進(jìn)行抽吸脫水時(shí)，脫水到水分10％的濾水時(shí)間以秒表示。因此，濾水時(shí)間長即表示濾水性質(zhì)不良。
從圖1可知，100×(Vs/V2)為50％、70％時(shí)，濾水時(shí)間最短；為10％、90％時(shí)，濾水時(shí)間急劇地加長。由此可知，對(duì)濾水性而言，100×(Vs/V2)的值為20～80％乃是最佳范圍。另外，從圖2看到，100×(Vs/V2)為50％、70％時(shí)，壓縮變形率最??；為10％、20％、90％時(shí)，壓縮變形率則大。于是，對(duì)壓縮變形率來說，100×(Vs/V2)的值以20～80％為最佳范圍。
參考例2設(shè)小直徑無機(jī)纖維體積Vs×100％/小直徑無機(jī)纖維和大直徑無機(jī)纖維體積V2的值為50％，而無機(jī)粒子體積V1/小直徑無機(jī)纖維和大直徑無機(jī)纖維體積V2的比例為0.3、0.5、1.0、1.5與2.0五種，由此形成五種配合，此外則依與實(shí)施例1相同的方法進(jìn)行。對(duì)于制得的纖維強(qiáng)化金屬材料進(jìn)行以下所示的磨損性試驗(yàn)。結(jié)果如圖3中所示。配合表(表中的數(shù)值表示組成比率)示于圖2中。
表2<
les>(磨損性試驗(yàn))在纖維強(qiáng)化金屬材料(MMC)的表面上，以員荷50Kgf將銷形相對(duì)件壓接，一邊向接觸部分按1ml/min供給潤滑油，一邊在行程50mm和速度200周期/min的條件下往復(fù)運(yùn)動(dòng)2小時(shí)，測(cè)定當(dāng)時(shí)MMC的磨損量。
從圖3可知，在V1/V2的比例為1.5時(shí)磨損量最少，在2.0、1.0時(shí)磨損量較少，在0.3時(shí)磨損量激增。由此可知，V1/V2值的最佳范圍為0.5～2。
實(shí)施例1將下述原料按配合分散到水中制得粉漿，將此粉漿加入缸套形狀的模具中，由抽吸脫水成形法脫水，在105℃下干燥，制得缸套形狀的成形體。將此成形體在600℃下經(jīng)1小時(shí)燒成處理，制得外徑95.1mm×長度138mm×厚度3.8mm的缸套預(yù)制件。此預(yù)制件的體積率為27％(空隙率73％)，密度為0.6～0.9g/cm3。然后，將此預(yù)制件配置于氣缸體的鑄模中，注入800℃的鋁合金熔融液，使鋁合金熔融液浸滲入預(yù)制件中。此時(shí)，在將預(yù)制件預(yù)熱到400℃后，放置于合模壓力300t的模鑄機(jī)中，在注射速度2.0m/sec、鑄造壓力500Kg/cm2、澆口速度(ゲ-ト速度)30m/sec和填料時(shí)間0.17sec的條件下進(jìn)行壓鑄。冷卻后，從鑄模中取出，即得到氣缸體。這種氣缸體的缸套部分由多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體加強(qiáng)、并與氣缸體成為整體。然后，對(duì)缸套部分的表面作切削加工或搪磨加工處理，進(jìn)行滑動(dòng)面加工，而制得氣缸體產(chǎn)品。
所述原料的重量百分比配合如下氧化鋁粒子(平均粒度20μm) 35重量部分氧化鋁與二氧化硅合成纖維(平均纖維直徑3μm，平均纖維長度100μm)10重量部分玻璃纖維(平均纖維直徑10μm，平均纖維長度150μm) 20重量部分碳纖維(平均纖維直徑10μm，平均纖維長度60μm，用于確保缸套部分所要求的滑動(dòng)性) 10重量部分玻璃熟料(結(jié)合材料)20重量部分氧化鋁溶膠(結(jié)合材料) 5重量部分此氣缸體的金屬組織的顯微照片如圖4所示。在圖4中，1表示氣缸體的主體部，2表示缸套部。從圖4看出，預(yù)制件的壓縮變形率低達(dá)7％，可知因熔融液造成的變形很小。此外，進(jìn)行了與實(shí)施例2相同的磨損試驗(yàn)。在此磨損試驗(yàn)中，銷形的相對(duì)件分別就鍍鉻環(huán)件的情況和滲氮的環(huán)件的情況測(cè)定了磨損量。結(jié)果是，這兩者M(jìn)MC的磨損量都少至約1μm。
實(shí)施例2將下述原料按配合分散到水中制成粉漿，此外，采用與實(shí)施例1相同的方法制成氣缸體。同樣地進(jìn)行了磨損試驗(yàn)。結(jié)果是，鍍鉻的環(huán)件與滲氮環(huán)件兩者的MMC磨損量都少至約1μm。
這些原料的重量百分比配合如下氧化鋁粒子(平均粒度20μm) 45重量部分氧化鋁與二氧化硅合成纖維(平均纖維直徑3μm，平均纖維長度100μm)10重量部分玻璃纖維(平均纖維直徑10μm，平均纖維長度150μm) 10重量部分碳纖維(平均纖維直徑10μm，平均纖維長度60μm)10重量部分玻璃熟料(結(jié)合材料)20重量部分氧化鋁溶膠(結(jié)合材料) 5重量部分實(shí)施例3將下述原料按配合分散到水中制成粉漿，此外，采用與實(shí)施例1相同的方法制成氣缸體。同樣地進(jìn)行了磨損試驗(yàn)。結(jié)果是，鍍鉻環(huán)件與滲氮環(huán)件兩者的MMC磨損量都少至約1μm。
這時(shí)的原料的重量百分比配合如下氧化鋁粒子(平均粒度20μm) 35重量部分氧化鋁與二氧化硅合成纖維(平均纖維直徑3μm，平均纖維長度100μm)10重量部分玻璃纖維(平均纖維直徑10μm，平均纖維長度150μm) 20重量部分石墨粉(平均粒度30μm) 10重量部分玻璃熟料(結(jié)合材料)20重量部分氧化鋁溶膠(結(jié)合材料) 5重量部分比較例1設(shè)定缸套部分是由高密度硅鋁合金制成，除采用高密度硅鋁合金代替MMC外，用相同的方法進(jìn)行了前述磨損性試驗(yàn)。結(jié)果是，當(dāng)銷形件為鍍鉻環(huán)件時(shí)，高密度硅鋁合金的磨損量為16～19μm，為滲氮環(huán)件時(shí)，此磨損量為23～33μm。
比較例2設(shè)定缸套部分是由FC250制成時(shí)，除采用FC250代替MMC外，用相同的方法進(jìn)行了前述磨損性試驗(yàn)。結(jié)果是，當(dāng)銷形件為鍍鉻環(huán)件時(shí)，F(xiàn)C250的磨損量為1～2μm，為滲氮環(huán)件時(shí)，此磨損量為2～4μm。
根據(jù)上述磨損試驗(yàn)，以本發(fā)明的實(shí)施例1～3與比較例1的高密度硅鋁合金或比較例2的FC250相比，當(dāng)活塞環(huán)件的材料為鍍鉻的材料或滲氮的材料時(shí)，磨耗量無變化，顯示出優(yōu)越的耐磨耗性。
權(quán)利要求
1.一種氣缸體，該氣缸體具有缸套，將多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體作為缸套的預(yù)制件，使金屬基質(zhì)浸滲到該預(yù)制件中，從而形成缸套，其特征在于，該多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體包括平均粒度為1～50μm的無機(jī)粒子；平均纖維直徑為2～5μm、平均纖維長度為10～200μm、在形成成形體時(shí)主要捕獲上述無機(jī)粒子、并且使其分散的小直徑無機(jī)纖維；平均纖維直徑為4～20μm、平均纖維長度為10～200μm、在形成前述成形體時(shí)與所述小直徑無機(jī)纖維共同構(gòu)成空隙的大直徑無機(jī)纖維。
2.如權(quán)利要求1所述的氣缸體，其特征在于所述小直徑無機(jī)纖維的平均纖維直徑(d1)與所述大直徑無機(jī)纖維的平均纖維直徑(d2)的關(guān)系為2d1＜d2。
3.如權(quán)利要求1或2所述的氣缸體，其特征在于所述多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體的孔隙率為50～90％。
4.如權(quán)利要求1～3中任一項(xiàng)所述的氣缸體，其特征在于所述無機(jī)粒子所占的體積(V1)與前述小直徑和大直徑無機(jī)纖維所占的體積(V2)的關(guān)系為V1/V2＝0.5～2。
5.如權(quán)利要求1～4中任一項(xiàng)所述的氣缸體，其特征在于所述小直徑無機(jī)纖維和大直徑無機(jī)纖維所占的體積(V2)中，小直徑無機(jī)纖維所占的體積(Vs)的比例(100×Vs/V2)為20～80％。
6.一種金屬基復(fù)合材料用預(yù)制件，其特征在于，它具有平均粒度為1～50μm的無機(jī)粒子；平均纖維直徑為2～5μm、平均纖維長度為10～200μm、在形成成形體時(shí)主要捕獲所述無機(jī)粒子、并且使其分散的小直徑無機(jī)纖維；平均纖維直徑為4～20μm、平均纖維長度為10～200μm、在形成前述成形體時(shí)與所述小直徑無機(jī)纖維共同構(gòu)成空隙的大直徑無機(jī)纖維。
7.如權(quán)利要求6所述的金屬基復(fù)合材料用預(yù)制件，其特征在于所述小直徑無機(jī)纖維的平均纖維直徑(d1)與大直徑無機(jī)纖維的平均直徑(d2)的關(guān)系為2d1＜d2。
8.如權(quán)利要求6或7所述的金屬基復(fù)合材料用預(yù)制件，其特征在于所述多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體的空隙率為50～90％。
9.權(quán)利要求6至8中任一項(xiàng)所述的金屬基復(fù)合材料用預(yù)制件，其特征在于所述無機(jī)粒子所占的體積(V1)和前述小直徑無機(jī)纖維和大直徑無機(jī)纖維所占的體積(V2)的關(guān)系為V1/V2＝0.5～2。
10.如權(quán)利要求6至9中任一項(xiàng)所述的金屬基復(fù)合材料用預(yù)制件，其特征在于所述小直徑無機(jī)纖維和大直徑無機(jī)纖維所占的體積(V2)中，小直徑無機(jī)纖維所占的體積(Vs)的比例(100×Vs/V2)為20～80％。
11.如權(quán)利要求6至10中任一項(xiàng)所述的金屬基復(fù)合材料用預(yù)制件，其特征在于還含有碳纖維和碳粒子兩者或它們中之一，并且含有體積率為7～11％的氧化鋁粒子。
全文摘要
一種氣缸體及其金屬基復(fù)合用預(yù)制件,氣缸體具有由纖維強(qiáng)化金屬復(fù)合材料形成的缸套,而且耐磨耗性能優(yōu)異,其中以多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體作為此缸套的預(yù)制件,此多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)體含有:平均粒度為1～50μm的無機(jī)粒子；平均纖維直徑為2～5μm、平均纖維長度為10～200μm在形成成形體時(shí)主要捕獲前述無機(jī)粒子、并使其分散的小直徑無機(jī)纖維;平均纖維直徑為4～20μm、平均纖維長度為10～200μm、在形成前述成形體時(shí)與所述小直徑無機(jī)纖維共同構(gòu)成空隙的大直徑無機(jī)纖維。
文檔編號(hào)B22F1/00GK1277319SQ00118128
公開日2000年12月20日 申請(qǐng)日期2000年6月9日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月11日
發(fā)明者木村康一, 和田迫三志, 巖田耕治, 金田和巳, 小林強(qiáng), 飯?zhí)锫『? 島本敏郎, 河本進(jìn), 藪內(nèi)俊介 申請(qǐng)人:霓佳斯株式會(huì)社, 三菱自動(dòng)車工業(yè)株式會(huì)社