插入機體的氣缸套筒以及機體的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機的部件，更具體來說涉及通過鑄造插入機體中的至少一個氣缸套筒，圓周外表面設(shè)置有涂層，涂層能夠促進套筒和機體之間的良好粘接以及熱交換，而不管采用何種鑄造技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]由于新市場需求，發(fā)動機的內(nèi)部件承受更多要求，在該方面，它們需要呈現(xiàn)能夠保證更好性能的方案，并且能夠貢獻較大可靠性和發(fā)動機的輸出。
[0003]自動部件的很多制造商尋求用于內(nèi)燃機的氣缸套筒的不同技術(shù)方案，其中應(yīng)該注意的是，內(nèi)燃機的氣缸可以由氣缸套筒形成，通過圍繞套筒的圓周外部鑄造機體將氣缸套筒插入機體。
[0004]現(xiàn)在，趨勢是使用由鋁制成的機體，其重量的降低有助于節(jié)約燃料，這導(dǎo)致車輛的較少環(huán)境沖擊。正如稍后將看到的，鑄造用于鑲嵌氣缸套筒的機體能夠存在兩個處理，即:高壓壓鑄(Hroc)和低壓壓鑄(LPDC)，還公知為重力鑄造。這兩者之間的極大不同在于，前者使用壓力將鋁噴射入模具，結(jié)果，相比低壓壓鑄來說金屬位于更低溫度。
[0005]不管采用何種技術(shù)方案，內(nèi)燃機的氣缸套筒由于它們執(zhí)行的工作類型是承受顯著磨損的發(fā)動機部件。在它們遭受的應(yīng)力之中，指出的是，氣缸鏜孔內(nèi)部的套筒的軸向應(yīng)力和將燃燒熱注入機體的能力。
[0006]為了在操作中最小化熱力和機械扭曲，熱的注入和套筒-壁厚是重要的因素。具有較大扭曲的發(fā)動機趨于呈現(xiàn)它們部件更高水平的磨損以及更高水平的油耗、燃料消耗以及C02釋放。因而，熱交換的增加具有各種有益效果，因為這能防止部件的過度磨損并且改善燃料、油的消耗以及污染氣體的釋放條件。此外，應(yīng)該注意的是，更好的熱交換還能夠使得降低機體的尺寸。
[0007]通常，氣缸套筒由含鐵材料組成，尤其是鑄鐵，越來越多的現(xiàn)代機體由通常包含硅的鋁或鋁合金鑄造。以該方式，本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域包括由鑄鐵制成的氣缸套筒，任何鋁合金以及高壓和低壓壓鑄制成的機體。
[0008]著眼于解決設(shè)置有插入式氣缸套筒的內(nèi)燃機技術(shù)中固有的問題，德國文獻DE19729071提出了一種氣缸套筒，其外表面在軸向方向上具有皺紋以用于將套筒鎖定在機體上。此外，該文獻提出使用熱噴涂工藝以在氣缸套筒的外表面上形成涂層。這種涂層包括具有的娃含量低于15%的銷娃(Al-Si)合金。
[0009]根據(jù)該德國文獻，氣缸套筒的外表面可以直接接收所述ALSi層，或者可替換地，可以存在沉積于其上的中間結(jié)合層。而且，人們還可以在ALSi層之后沉積薄的鋅層，著眼于提供保護免于氧化。因而，該文獻包括至少一個通過熱噴涂沉積在氣缸套筒的外面上的ALSi層，可以在ALSi層之前以及在ALSi層之后。
[0010]但是，應(yīng)該注意的是，通過該德國文獻提出的方案不能夠解決將機體鑄造在氣缸套筒上的典型問題。首先，雖然涉及到通過使用高達15%硅的鋁層用發(fā)動機的合金試圖查找涂層的特定化學(xué)等同，但是由于合金的等同導(dǎo)致涂層呈現(xiàn)相同熔化點，即塊合金材料的固相至液相的轉(zhuǎn)化點，這種實施例具有的劣勢在于，當(dāng)在機體的模具中鑄造液體金屬并且涉及氣缸套筒時，其開始加熱套筒涂層材料，從而促進涂層相位的轉(zhuǎn)化。這種轉(zhuǎn)化引起涂層材料完全被機體的鑄造材料消耗，因而暴露氣缸套筒的含鐵材料，并且在機體鄰近氣缸套筒的區(qū)域中產(chǎn)生缺陷、接觸故障(空的空間-參見圖6中的附圖標記15)。
[0011]作為很大的缺陷，這些鑄造缺陷(下文中的空的空間)事實上會削弱氣缸內(nèi)發(fā)生的燃燒至機體的正確熱交換，增加熱扭曲以及導(dǎo)致發(fā)動機過早的磨損，或者甚至由于缺乏潤滑導(dǎo)致其阻塞。而且，套筒具有較大厚度，范圍為1.2_至8.0_，施加的涂層具有的厚度范圍為0.25mm至2.5mm(見圖7)，其限制大厚度5的涂層)。
[0012]美國專利US7757652也公開了一種方案，其揭示了由鑄鐵制成的氣缸套筒以及由鋁制成的機體之間的關(guān)聯(lián)。該文獻使用冷噴涂施加來向氣缸套筒的外表面沉積金屬鋁或者鋁合金、銅或者銅-合金層。
[0013]該美國文獻提出的技術(shù)的很大關(guān)注點涉及在沉積層上形成特定粗糙度的形成用于更好地粘接至機體。雖然該文獻提出沉積層是高導(dǎo)熱的，但是就像上述引用的德國文獻那樣，該方案在具有不同熔化點的層中使用涂層，這也會在熔化的金屬中產(chǎn)生空的空間，結(jié)果，有效熱交換減小。因而，雖然專利US7757652的技術(shù)在提供氣缸套筒和機體之間的粘接方面是成功的，但是，也由于存在于熔化的材料和套筒之間或者接近其的界面之間的缺陷，其不能夠保證良好的熱交換。
[0014]日本現(xiàn)有技術(shù)文獻JP2008008209公開了一種通過熱噴涂接收ALSi層的混合氣缸套筒。就像先前德國技術(shù)提出的，通過高壓壓鑄(Hroc)生產(chǎn)機體，機體包含這些套筒(僅涂覆有ALSi)中的一個。因而，在接近ALSi的相位圖的’液相線’的熔化溫度時該(液體)金屬開始，由于相當(dāng)大的降低了用于液體金屬凝固的時間?；蛘?，如果采用典型的低壓壓鑄(LPDC)的更高溫度的話，通過熱噴涂添加的層將完全液化，將失去施加ALSi層的益處，并且將發(fā)生會削弱發(fā)動機適當(dāng)操作所需熱交換的典型缺陷，諸如機體和氣缸套筒(見圖6)之間的空的空間。當(dāng)通過重力也即通過低壓壓鑄(Lroc)來鑄造機體時，將加重這些缺陷。
[0015]因而，該日本文獻所公開的技術(shù)僅能夠通過高壓壓鑄來鑄造機體，而不能夠使用重力鑄造。在通過低壓鑄進行鑄造的情況下，上文提出的技術(shù)不能夠促進良好的熱膨脹梯度，它們也不能保證能夠獲得實現(xiàn)較大熱交換的良好錨固。還應(yīng)該注意的是，與本發(fā)明的涂層相比，所提出的技術(shù)不能夠使得在用于形成機體的熔化金屬的溫度方面具有靈活性，本發(fā)明的涂層呈現(xiàn)了可變?nèi)刍c，作為鑄造技術(shù)的函數(shù)以及添加至鑄造模具的液體材料的溫度的函數(shù)。
[0016]無論現(xiàn)有技術(shù)中使用何種方案，僅是在局部方面成功的，不能同時實現(xiàn)用于高壓壓鑄獲得的機體以及低壓壓鑄獲得的機體良好的結(jié)果。
[0017]除了上文提到的困難，人們還觀察到的是，通過熱噴涂獲得的ALSi涂層，通常具有的厚度大于200/300微米(見圖7)。當(dāng)機體的金屬熔化時，其噴射/鑄造溫度越高其將越快或者越慢消耗氣缸套筒的涂層。即使能夠改變涂層厚度以試圖防止由于其熔化導(dǎo)致的其總消耗(這會產(chǎn)生上文提到的缺陷)，由于兩個原因該方案被證明是不實用的。一方面，厚度的增加使得施加至氣缸套筒的涂層昂貴；另一方面其增加鏜孔間距(套筒的中心和相鄰套筒的中心之間的測距是用來限定機體的尺寸的測距。對于相同氣缸直徑來說，鏜孔間距越小，機體越小)O而且，現(xiàn)有技術(shù)施加的任何涂層都不能實現(xiàn)改變其化學(xué)成分的目的，使得熔化點會變化，這會直接有助于解決上文提到的部分問題。
[0018]可替換地，涂層還可以由純金屬(諸如通過電沉積施加的鎳)制成。不同于ALSi涂層，熱噴涂純鎳(Ni)材料可以是通過低壓或者重力(見圖8)的鑄造方法的方案，利用具有鋁的鎳的適當(dāng)擴散。日本文獻JP059030465公開了純鎳(Ni)或者銅(Cu)涂層，其作為氣缸套筒的鑄鐵和機體的鋁之間的結(jié)合元件。關(guān)于該文獻，由于純鎳的高熔化點(大約1400°C )，當(dāng)其施加通過高壓壓鑄(見圖9的空的空間)時，擴散無法適當(dāng)發(fā)生。
[0019]因而，需要找到一種方案，其能夠依靠任何鑄造技術(shù)(HPDC或者LroC)將鑄鐵套筒插入至鋁合金的機體，能夠?qū)崿F(xiàn)套筒和機體之間更好的粘接以及更好的熱交換，并且降低鏜孔間距，從而保證內(nèi)燃機的長耐久性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]發(fā)明目的
[0021]因此，本發(fā)明的目的是提供一種氣缸套筒，其具有涂層，涂層能夠抑制與機體結(jié)合時形成空的空間，保證燃燒室和機體之間的良好粘接，結(jié)果保證燃燒室和機體之間的良好熱交換。
[0022]本發(fā)明的目的還在于，提供一種由鑄鐵制成的氣缸套筒，設(shè)置有由鎳/磷(NiP)合金制成的涂層，其能夠利用高壓或者低壓通過任何鑄造方法施加，因而能夠使得人們允許根據(jù)使用的方法的功能來改變涂層的熔化點。
[0023]本發(fā)明的另一目的在于提供一種氣缸套筒，該套筒的涂層具有的厚度范圍為10至20微米，包括1%至70%的磷，能夠降低插入的氣缸套筒的鏜孔間距。
[0024]本發(fā)明的目的是通過形成用于插入內(nèi)燃機的機體中的氣缸套筒而實現(xiàn)，氣缸套筒包括由鑄鐵制成的柱形主體，柱形主體設(shè)置有圓周外表面，圓周外表面包含沉積在該外表面上的涂層，涂層包括通過電沉積施加并且包括1%至79%的磷的鎳/磷(NiP)合金。
[0025]本發(fā)明的目的還通過提供用于內(nèi)燃機的機體而實現(xiàn)，內(nèi)燃機具有至少一個上述限定的氣缸套筒。
【附圖說明】
[0026]現(xiàn)在將參考附圖代表的實施例的示例更詳細地描述本發(fā)明，附圖圖示出:
[0027]圖1示出了氣缸套筒的立體圖；
[0028]圖2示出了設(shè)置有氣缸套筒的機體；
[0029]圖3是本發(fā)明的氣缸套筒的截面的金相組織的照片，示出了涂層的厚度；
[0030]圖4是本發(fā)明的氣缸套筒在已經(jīng)被插入鋁機體之后的截面的金相組織的照片；
[0031]圖5a的圖形示出了相比現(xiàn)有技術(shù)的涂層，本發(fā)明的涂層的結(jié)合強度的增加；
[0032]圖5b的圖形示出了相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的熱導(dǎo)率的增加；
[0033]圖6是現(xiàn)有技術(shù)的氣缸套筒的截面的金相結(jié)構(gòu)的照片，示出了在其已經(jīng)通過重力鑄造(Lroc)被插入鋁機體之后鑄鐵套筒上的ALSi涂層的厚度；
[0034]圖7是現(xiàn)有技術(shù)的氣缸套筒的截面的金相結(jié)構(gòu)的照片，示出了在其已經(jīng)通過高壓壓鑄(Hroc)被插入鋁機體之后鑄鐵套筒上的ALSi涂層的厚度；
[0035]圖8是氣缸套筒的截面的金相結(jié)構(gòu)的照片，示出了在其已經(jīng)通過重力鑄造(LPDC)被插入鋁機體之后在鑄鐵套筒上的純鎳涂層的厚度和擴散；
[0036]圖9是氣缸套