被铸入另一轻金属铸件中的轻金属零件毛坯以及生产方法

如同例如从DE 4438550A1知道的铸入曲轴箱的汽缸套的例子那 样，本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分的被铸入在另一轻金属 铸件中的轻金属零件毛坯，和按照权利要求6的前序部分的生产上述毛 坯的方法。

将单独制造的汽缸套铸入轻金属曲轴箱中，使之有可能优化往复运 动的活塞在汽缸套中的运行性能，而不管曲轴箱的材料如何。有可能， 甚至已经在这方面获得了很大的成功。但是，在汽缸套铸入轻金属曲轴 箱中时，可能由于这样的事实而产生问题，即缸套的外侧与曲轴箱的结 合不充分。当发动机运行时，材料上的结合不完善可能造成从往复运动 的活塞式发动机中废热的排出受阻，而且在特别不利的情况下，甚至会 导致汽缸套在曲轴箱中松动。至于其它被铸入的零件例如铸造的活塞中 的锻造的活塞凹座，如果仅仅由于强度的理由，良好的结合是不可缺少 的。

DE4328619C2深入研究了关于轻金属零件在铸入时，特别是在汽缸 套被铸入的情况下的良好的材料结合问题，旨在通过汽缸套的有控制的 预热，在缸套的外面与曲轴箱材料之间得到无气孔的材料结合。预热至 规定的温度例如450℃并送入铸模中的汽缸套毛坯通过流入的曲轴箱材 料熔液使其表面被熔化(初期地)，并由此与曲轴箱材料紧密结合。平 行地引向接触表面的高熔液流可进一步促进这一作用，这不仅仅是由于 有较好的热交换而导致增加的初期熔化，而且也由于从缸套的接触侧洗 去总是存在的氧化物皮。熔液的这种强烈的相对流动可以用各种措施来 保证。上述公开资料在这方面提到一种巧妙的选择和浇铸口的分布或熔 液的搅动或者甚至诱导在熔液中产生液体流动的涡流电。这一方法的缺 点为，预热至导致确实的初期熔化的温度的汽缸套毛坯难于操作，尤其 在铸造多缸曲轴箱时。在将各个预热的汽缸套依次逐步放入铸模中时， 必然由于冷却而不得不允许在铸造作业中有不同的汽缸套温度或是在铸 模中设置加热元件，以保持已经放入的汽缸套毛坯为热的，这样，就使 铸模复杂化并对热从正在凝固的铸件中的散发起着不利的作用。在任何 情况下，必然安装一个预热炉，它导致更多的投资费用，而最重要的则 是导致更多的运行能源费用。此外，高的预热温度可能导致汽缸套材料 中的非所希望的组织变化，这种变化会对汽缸套的运行性能起着不良的 影响。在任何情况下，如果汽缸套毛坯在铸入时熔化至靠近运行表面的 区域，就可以得到与摩擦学有关的组织变化。此处必须考虑到，在汽缸 套毛坯的内侧必须备有至少1mm左右的机械加工余量。因此，为了防止 汽缸套毛坯在各处真正完全熔化，必须提供一个相应的厚壁毛坯。但是， 由于汽缸的间距是越小越好，因此希望有尽可能薄的壁的汽缸套。另一 方面，如果汽缸套由于某种理由也就是说，出于谨慎或由于不小心而不 能充分预热，则至少在模铸时只有非常短的时间可用于充满模子和到凝 固开始，以致所说的这种初期熔化措施在此可用的短时间内无法实现或 是只能实现得很不完全。

本发明的目的为改善被铸入的轻金属结构零件的这一类毛坯和相应 的制造方法，使其达到这样一个效果，即毛坯在铸入时，即使不预热， 也能在宽广的面积上与铸件周围的铸造材料形成紧密的材料结合。

按照本发明相应这一类的毛坯，通过权利要求1的特征，同时就方 法而言，通过权利要求6的特征，可以达到此目的。重要的是，毛坯的 外接触表面具有很多带坡度的材料隆起例如棱锥形或矛形隆起的形貌， 这些隆起的基部不受干扰地在宽广的区域中进入毛坯的基体材料中。虽 然存在有氧化物皮，但是毛坯接触侧的这许多小的棱锥形或矛形突起材 料结疤或材料堆积的顶峰在其与周围铸件的熔液接触时就在其顶峰区立 即开始熔化，这是因为，在此小接触区中，因与熔液接触而供应的热能 足够高，而热散入材料的深度在开始时仍然小，因此在局部有足够的能 量密度用于克服局部的氧化物皮壁垒。已经开始的初期熔化在毛坯接触 侧的近表面层中非常迅速地蔓延。棱锥形或矛形突起材料结疤或材料堆 积由此构成用于初期熔化过程的开始部位。由于已经一度开始的初期熔 化过程的迅速发展以及由于接触侧已经被这种开始部位稠密地覆盖，那 些初期熔化开始的部位非常快地结合成连续的近表面初期熔化区。因 此，初期熔化迅速蔓延至表面区，但是在毛坯壁厚中渗透的深度比较浅， 以致在毛坯壁的反面侧例如在活塞运行的这一侧，组织仍然保持不受影 响。

采用本发明，可以得到下列许多非常不同的优点：

·取消铸入零件特别是被铸入的汽缸套毛坯的预热，同时去掉与之 有关的投资费用与运行费用和操作问题。

·通过将铸入零件的外表面或接触表面打毛，可以同时达到任何情 况下都需要的清洁的作用，因而不再需要单独的清洁，用于打毛的投资 费用和运行费用与用于清洁的费用大致差不多，因此，粗糙化实际上不 需要额外的费用；

·在铸入的汽缸套毛坯的情况下，可以以高度的工艺可靠性避免汽 缸套毛坯的运行侧的与摩擦学有关的组织变化；

·有可能用于具有较小的壁厚的铸入零件；至少可以采用比铸件预 热的铸入工序更高的工艺可靠性控制较小的壁厚；    

·较小的汽缸壁厚度允许有较小的汽缸间隔，因此，当活塞容量保 持不变时，有较短的、较轻的和低成本的发动机，这种发动机允许在汽 车中有较小的发动机空间，同时，由于与质量有关，可使被其驱动的汽 车的燃料消耗较低；

·与未经打毛的铸入零件的铸入相比，可以在铸入零件与铸件周围 部分之间在接触表面的范围内得到一具有广泛的、均匀的、高品质的冶 金结合；

·在汽缸套的情况下，如测量结果所示，可以得到较高的制造精度， 特别是与制造有关的汽缸翘曲，这是因为，与曲轴箱有良好的材料结合 的汽缸套比基本上只被形状配合地包围的汽缸套有较大的刚度；

·由于汽缸套与曲轴箱材料的较好的冶金结合，因此有可能得到较 大的刚度，得到周向与轴向都均匀即均质的汽缸壁，而且在装配汽缸头 并在其间设有密封垫时，得到较小的与装配有关的汽缸翘曲；

·由于汽缸套在曲轴箱中的高强度材料结合，在汽缸套的端面上不 需要有固定肩环，因而汽缸套可以单纯地从制造技术方面设计，并可由 此以合适的成本生产；

·在汽缸套的情况下，由于汽缸套与曲轴箱材料的较好的冶金结合， 因此，当发动机在运行时，有较好的、在表面区更均匀的热传递，可以 得到汽缸套在周向和轴向的较均匀的温度分布曲线和较少的与热有关的 汽缸翘曲；

·此外，很好地结合的汽缸套的温度水平总体上低于未曾打毛就铸 入的汽缸套的温度水平，这在发动机运行时对油的挥发率有有利的作 用，因而对油的消耗和废气中的由润滑油产生的碳氢化合物含量有有利 的作用；

·较高的与制造有关的尺寸精度、较小的与装配有关的汽缸翘曲和 汽缸套的较小的与运行有关的热翘曲本身又使之有可能得到较小的活塞 间隙，它对废气中的由燃料产生的碳氢化合物的含量有有利的作用；

·还有，运行表面的高尺寸精度使活塞的振动程度较小，从而使发 动机有较平稳的运行；

·运行表面的高尺寸精度还造成活塞环的较好的密封作用，因而有 较小的漏气损失和较少的油耗，也即有较高的效率、较低的燃烧损耗和 较小的特别是由油产生的碳氢化合物的散发。

本发明的合适的实施例可以从从属权利要求中得到；还有，本发明 在下面还参考附图中所示的实施例作了说明，这些图是：

图1示出了其中铸入有汽缸套的往复式活塞发动机的局部剖视图；

图2示出了用于按照图1的往复式活塞发动机的汽缸套毛坯的细 节；

图3示出了按照图2的毛坯的壁在近表面区的金相剖面(图2的III 的细部)，它说明外表面的粗糙度；

图4示出了按照图2的毛坯的外表面的细部(图2的IV的细部) 的扫描电子显微镜照片，它说明了表面的形貌；

图5示出了按照图1的曲轴箱汽缸壁在铸入的汽缸套与曲轴箱基体 材料之间的边界区中，在汽缸套与曲轴箱基体材料之间有良好的材料结 合处的金相剖面(图1的V的细部)；

图6示出了与图5相似的金相剖面，但具有比图5大不到10倍的放 大系数；其位置为在汽缸套与曲轴箱基体材料间有多孔结合之处；

图7示出了与图6相似的并具有与图6相似的放大的金相剖面，但 其位置为在汽缸套与曲轴箱基体材料间没有任何结合之处；

图8a至8f为按照本发明的其外面已经打毛的六缸曲轴箱的铸入汽 缸套的运行表面在铸入前的多个超声波反射照片，它示出了在汽缸套的 展开的创成表面上汽缸套与曲轴箱基体材料间的结合分布，其中，表示 材料结合良好的交叉线区在比例上占据了大的表面积；

图9a至9h作为比较而示出了设计基本相同但是有八个缸的曲轴箱 的类似的多个超声波反射照片，其中，汽缸套毛坯在其外侧是按传统的 方式用车床切削加工的，其具有良好结合的交叉线区占据了小部分的表 面积；

图10示出了一种工艺方法布置，它用于用颗粒对汽缸套毛坯外表面 进行喷丸；

图11示出了几个硬材料颗粒的放大的细部，该材料经过破碎，以致 具有锐利的边缘并用于按照本发明的表面喷丸；    

图12示出了喷丸颗粒在使用后和喷丸材料经过处理后处于新的状 态时尺寸的不同频率分布曲线。

在图1中局部示出的往复活塞式发动机包括一压铸的曲轴箱2，其 中设置有在顶部自由直立(所谓敞顶设计)的汽缸4，每个用于容纳一 汽缸套6，活塞3在汽缸套中被导向，以便能上下移动。在曲轴箱2的 顶上装有具有用于气体交换和气体点火的装置的汽缸头1，其间设有汽 缸头密封垫。在曲轴箱内，在汽缸罩4的周围设有用于形成冷却汽缸用 的水套的空间。

汽缸套6用最好是过共晶铝/硅合金制成并作为单独的零件用一种 在此处无更多兴趣的方法预先制造，然后作为毛坯铸入曲轴箱2中并与 曲轴箱一起进行最终的机加工。

在汽缸套铸入曲轴箱中时，重要的是，在缸套材料与曲轴箱材料之 间，在尽可能大的面积部分中建立一良好的、不受干扰的材料结合。为 达到此目的，被轻金属曲轴箱2的材料16包围的毛坯9的外表面10上 具有规定的最小粗糙度20μm，最好为30～60μm，此表面的形貌 由带坡度的棱锥形或矛形的凸起材料结疤或材料堆积11形成。形状与尺 寸都随机并在其表面10上大体均匀分布的向外带坡度的材料隆起在其基 部不受干扰地在宽广的区域中进入汽缸套的基体材料中。虽然有氧化物 皮，但是当曲轴箱材料遇上汽缸套的外表面10时，这许多小的材料隆起 的顶峰立即开始熔化，这是因为，在这些小接触区中，由与熔液接触而 供应的热能足够高，而热散入材料的深度在开始时仍然较小，因此在局 部有足够的能量密度用于克服局部的氧化物皮壁垒。已经开始的初期熔 化在汽缸套毛坯的接触侧的近表面层中非常迅速地蔓延。由于已经一度 开始的初期熔化过程的迅速发展以及由于接触侧已经被这种开始部位稠 密地覆盖，那些初期熔化已经非常快地开始的部位结合在连续的近表面 的初期熔化区中。因此，初期熔化迅速地蔓延至表面区，但是在汽缸套 壁中渗透的深度比较浅，以致汽缸套的靠近活塞运行侧的组织仍然保持 不受影响，这时仍然要考虑至少1mm的机加工余量。在铸入作业中，尽 管放入铸模中的汽缸套的温度较低，但在汽缸套与曲轴箱之间仍在广大 的区域中形成良好的材料结合。由于低的温度例如室温，汽缸套可以不 困难地进行处理和储存。甚至当送入铸模的汽缸套间接地通过铸模旁边 的、汽缸套在其上滑入规定的位置的对中芯棒冷却时，在铸入时仍然有 良好的结合。由于这种冷却，例如由于水经过对中芯棒流动，不仅可以 减少铸造的冷却时间，由此提高生产率，而且还有可能防止汽缸套的组 织在远低于熔化温度时的加热，而这种加热有时会造成组织变化。

下面将参考图5至9更详细地说明可以达到的良好的材料结合的品 质。系列图5、6和7示出了从铸入的汽缸套与曲轴箱基体材料之间的 接触区(按照图1的V的细部)得到的金相剖面的三个根本不同的结合 品质。

图5以用延伸的比例指出的很高的放大示出汽缸套与曲轴箱基体材 料之间的良好结合，上述结合在图8a至8f和9a至9h的图示中用交叉 线表示，图5的图示中清楚地显示出汽缸套的材料15在前接触区17不 受干扰地进入曲轴箱的材料16。

图6示出了在汽缸套与曲轴箱基体材料之间的多孔结合处的与图5 相似的金相剖面，但是可以从所代表的比例尺看出，它以小于10的因子 放大，其结合范围用图8a至8f和9a至9h中的小点表示。此处，有良 好结合的小的部位与不同材料之间的较广大的波面对照区(region of front-like contrast)交替，在该区域中，还夹入空气夹杂物。

在以与图6相同的放大率示出的按照图7的金相剖面中，可以看到 汽缸套与曲轴箱基体材料之间没有任何结合的部位；在图8a至8f和9a 至9h的图示中，这些区是空白的，在接触区17可以看到一个具有至少1 μm的宽度的间隙和许多空气夹杂物。

图8a至8f和图9a至9h分别示出了6缸曲轴箱和8缸曲轴箱的铸 入汽缸套的运行表面的超声波反射照片(它们的更详细的情况将在下面 说明)，上述汽缸套在铸入前在其外侧经过不同的处理，图9a和9a指 定为曲轴箱的第一缸，8b和9b为第二缸，等等，而图8f则指定为第六 缸，图9h则为第八缸。两个例子都涉及具有V形汽缸排布置的发动机， 这就是为什么各个汽缸的反射照相按两排布置的原因。矩形的两个长边 分别对应于汽缸运行表面的上端和下端。矩形的两个短边对应于朝向内 燃机的前侧或控制室侧的运行表面的创成线；矩形创成面的垂直中心线 朝向发动机的后方(在该处放置传动箱)。照片的垂直的四分之一分割 线和四分之三分割线必须想象为位于汽缸列的侧面。具体一些，反射照 片的朝向图8与9的中间的上述分割线对应于朝向V形发动机的中间的 创成线，也就是说对应于在入口侧的创成线，而朝向图的边缘的分割线 对应于外创成线，即在出口侧的创成线。

这种超声反射照片是在水下拍摄的，水用作超声波源或超声波接收 器和被检测的对象之间的传播与接触介质。水与壁的材料在一定程度上 构成多少是均质的用于超声波的传播介质，上述传播介质受到金属中的 缺陷例如横过传播方向的间隙或没有材料结合的接触部位的干扰。只有 小部分超声波可以跨过这类缺陷，而主声能的大部分则在这些缺陷处被 反射。在被测试的汽缸套的中部，在规定的高度处，并且以规定的取向， 安装一个同时也是一个超声波接收器的超声波发射器。超声波发射器以 高的方向性发出非常短的超声波信号，而超声波接收器则接收从汽缸壁 上反射回来的回声，记录回声的强度而不是传播时间，由于这类超声波 的结果，被检测对象内部的非金属夹杂物通过被反射的声音的强度的增 加而被检测到，这与尘粒、烟雾或其类似物可以通过明亮的光线的光束 而在气体中可见相类似。在铸入的汽缸套与曲轴箱之间没有缺陷且材料 结合良好的地方-按照图5-发射的超声波脉冲在穿过无缺陷的壁时实 际上没有任何回声；回声的强度在此处非常低。在被空气夹杂物和小的 间隙干扰的地方(图6)，被反射的超声波的强度要高得多，而在间隙 沿一宽广的区域延伸的情况下(图7)，发射的超声波的非常大的一部 分被反射。借助于这种试验布置，可以以高的局部分辨率逐行扫描整个 汽缸套的表面，从而可如图8a至8f和9a至9h所示在汽缸套的展开的 创成表面上形成超声波反射照片。

图8a至8f的超声波反射照片示出汽缸套与曲轴箱基体材料之间的 良好结合。这些汽缸套在被铸入以前在其外侧10上按照本发明进行了打 毛。代表良好的材料结合的交叉线区在此处按比例占据了约80至95％ 的大表面区。只有在少数汽缸中在传动箱侧或入口侧的区域包含具有不 良结合的区域，这些比较小的部位具有可以容忍的大小。在汽缸套的周 向位置没有与曲轴箱材料完全没有材料结合的部位。如果材料结合区只 在轴向上较短，则只限于在少数汽缸的周向的个别局部小部位的区域 中。此外，无论就一个曲轴箱的个别汽缸或是依次铸造的曲轴箱而言， 这些图象都是不能复制的。此处，当然可能通过优化措施得到进一步的 改善，尤其是关于熔液的引导。

在图8的个别反射照片的上缘区中，有一没有任何材料结合的狭 条，这在实际中是不足为奇的，这是因为，根据铸造位置和熔液引导， 包围铸造作业是从底部向上进行的，上部区域是熔液最后到达的区域。 不过，由于此结合不良的区域位于活塞环上方的所谓活塞端环槽脊区， 因此，为了使污染物质排放少，在此区域完全希望有较高的汽缸壁温度， 而且任何与装配有关的汽缸翘曲(Warping)是绝对可以忽略的。

反之，作为对比，按照图9a至9h的超声波反射照片示出，当汽缸 套毛坯在其外侧按传统方法用车床切削时，其结合结果是如何较差的， 该照相取自设计基本相同，但是有八个缸的曲轴箱的例子。虽然被铸造 在一起的零件的良好结合与不良结合的分布在此处是比较均匀地复制 的，但其结果很差。具体一些，在按照图9的超声波反射照片中，具有 良好结合的交叉线区域按比例只占据很小的表面积，即约20％。有良好 结合的部位全部按照熔液的引导位于曲轴箱的出口侧。未结合的或有受 干扰的结合的比例很高，同时，在某些情况下，至少是在规定的载荷和/ 或环境条件下，将削弱运行废热从内燃机至冷却水的正确散发。此外， 由于汽缸套在周向与轴向上都有不均匀的温度分布，因而使汽缸套有高 度不规则的热变形，因此需要有较大的活塞间隙，而这又会由于在活塞 周向与汽缸运行表面之间的较大的间隙量而在废气中产生较高比例的未 燃烧的碳氢化合物。还有，对按照图9a至9h有缺陷地铸入的汽缸套所 作的指责为，在大的周向区域中，它们沿轴向未与曲轴箱材料连接，同 时，在这些部位，它们可能会在汽缸头密封垫的压力的作用下沿轴向位 移，不仅导致汽缸头密封垫的推挤力的不均匀分布，而且还加大汽缸套 的不均匀变形。运行表面的不均匀的形状，也就是说，汽缸形状与圆形 和与直线的创成形状的几个μm左右的偏差对活塞的平稳运行和对活塞 环的良好的密封作用均有不良的影响。在汽缸套在铸入时无初期熔化的 情况下，已经在汽缸套的端面上在外部做出固定肩环，上述肩环用于保 证汽缸套在曲轴箱中的轴向形状相配的连接并防止汽缸套轴向松动。不 过，这种肩环通常只能通过附加的机加工作业(在两个肩环之间用车床 进行切削加工)并用更多的原料做出。

为了可以在被铸入的汽缸套毛坯上做出按照本发明的表面打毛，首 先要生产一管状毛坯并将其机加工成所要求的形状与所要求的尺寸。为 了将其表面被轻金属曲轴箱2的材料16包围的毛坯9的外表面10打毛， 要用颗粒13对此表面喷丸，该颗粒要破碎成具有锐利的边缘并由脆而硬 的材料最好是高级的金刚砂组成，颗粒由用喷嘴18引导的空气流12携 带。携带有颗粒的气流大体上横向地指向毛坯9的表面10的处理部位， 也就是说成一90±45°的角度α。当气流冲击毛坯9时，颗粒将其表 面10打毛并将材料按棱锥体形或矛形往上推，以形成材料堆积11，或 使材料结疤突起，从而形成尖的或锐缘的材料隆起，它们在宽广的区域 中在其基部上进入基体材料中，携有颗粒的空气流必须对其主要参数进 行优化，特别是关于颗粒的流速或颗粒打击在外表面上的速度和空气流 中的颗粒密度，而所要求的打毛的外表面的表面形貌和汽缸套与包围铸 件的材料的最佳冶金结合则是优化的两个主要结果。可是，对于颗粒喷 丸领域的一般专业人员来说，这类参数优化都是十分合理的。

所用的硬材料颗粒13有一约70μm的平均粒子尺寸d。这一平均 尺寸基本上还确定了所得到的粗糙度的大小。平均粒子尺寸应当大于所 寻求的粗糙度。采用破碎成具有锐利边缘并且平均粒子尺寸约为70μm 的喷丸材料，则可得到30～60μm的粗糙度。对平均粒子尺寸给出的 值是一统计平均值，它如图12的曲线所示，可以按照钟形频率分布19 向上或向下超过。显然，颗粒13作用在外表面10上的冲击也产生作用 在颗粒上的力，以致至少一部分颗粒破碎。因此，在采用颗粒喷丸时， 所用的硬材料颗粒的粒子尺寸将如图12的用点划线代表的频率分布20 所示，向着较小的平均粒子尺寸(d″)移动。通过不断地或反复地经常 从颗粒流中滤去细的成份(按照图12的分布曲线中的左手区14)并通 过输入一定量的、大体质量相等的新颗粒混合物，就有可能得到靠近 平均颗粒直径d′的频率分布21，该直径只略小于初始的平均直径d。通 过按此方式处理颗粒混合物，就可以得到一大体恒定的颗粒尺寸，因而 是大体恒定的表面粗糙度。

在选择与处理喷丸材料时，重要的是，不仅使颗粒尺寸，而且使颗 粒形状为最佳，而且要通过合适的处理措施，使之保持最佳。优选的是 具有尖角的碎片状的、矛状的、四面体的棱锥状的，而在本例子的情况 下，立方形甚至球形的颗粒对打毛是不利的。至于通过打击工件而破碎 的颗粒，较好的是在某些情况下在用过多次之后将颗粒全部破碎并粉碎 成细的成分，以便分离出来，而不是仅仅使它们的角被敲去，成为圆石 子形。按这样方式“变圆”的颗粒不能起所要求的打毛的作用，而是从 显微镜下可以看出，它反而在喷丸后的表面上留下比较光滑的敲打的组 织。首先可在脆性材料中观察到所要求的破碎行为。