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

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 10μm，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Rz＝2.0至5.0μm，

最大个别峰对谷高度Rmax＝5μm，

中心峰对谷高度Rk＝0.5至2.5μm，

减小的峰高度Rpk＝0.1至0.5μm，

减小的槽深度Rvk＝0.3至0.8μm，

术语和值Rz和Rmax应按照DIN4768，第1页来理解，术语和值 Rk，Rpk和Rvk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。