專利名稱:氣缸套的制造方法
本發(fā)明涉及的是一種薄壁管的制造方法，所述薄壁管是由耐熱、耐磨鋁基材料制成，其特別適用于內(nèi)燃機(jī)上的氣缸套。
氣缸套是承受摩擦力的部件，其被設(shè)置、壓入或鑄入在內(nèi)燃機(jī)曲軸箱上的氣缸孔內(nèi)。
內(nèi)燃機(jī)的氣缸工作面需要承受來自于活塞、特別是活塞環(huán)的強(qiáng)烈的摩擦應(yīng)力并且局部區(qū)域需要承受高溫。因此，該工作面需要由耐磨及耐熱材料制成。
為此目的，已有許多在氣缸孔表面涂敷耐磨層的方法。此外，還有一種方案是在氣缸內(nèi)設(shè)置用耐磨材料制成的套筒，如采用灰鑄鐵套筒。不過，這種套筒與鋁基材料相比，耐熱性差，并且存在一些其他的缺點(diǎn)。
為解決上述問題，人們首先采用過共晶硅鋁合金鑄造的氣缸體。由于采用鑄造技術(shù)的原因，硅含量最大重量比不得超過20％。鑄造工藝的另一缺點(diǎn)是，在熔融硅顆粒固化的過程中會(huì)析出尺寸較大的硅單晶顆粒(約30-80μm)。由于這些顆粒尺寸較大且具有尖銳的角、棱，因而對(duì)活塞及活塞環(huán)產(chǎn)生磨損。為此，人們不得不在活塞及活塞環(huán)上涂敷相應(yīng)的覆蓋層/涂層以施加保護(hù)。硅顆粒與活塞/活塞環(huán)之間的接觸面可通過機(jī)械加工磨平。在這樣的機(jī)械加工之后進(jìn)行電化學(xué)處理，以使位于各個(gè)硅顆粒之間的鋁基材還原，從而使硅顆粒從氣缸工作表面略微突出作為承載支撐構(gòu)架。這樣制成的氣缸工作面的缺點(diǎn)一方面是制造成本過高(昂貴的合金、成本較高的機(jī)械加工、鐵涂層活塞、鎧裝活塞環(huán))，另一方面是硅顆粒分布不均。因此，在組織結(jié)構(gòu)中存在大量沒有硅顆粒的區(qū)域因而易受到較強(qiáng)的摩損。為避免這種摩損，在工作面與相對(duì)摩擦面之間需要設(shè)置相對(duì)較厚的油膜作為隔離介質(zhì)。此外，為了控制油膜厚度還需要確定硅顆粒露出的程度。油膜較厚會(huì)導(dǎo)致機(jī)械中摩擦損失增加及有害物質(zhì)排放量的明顯增加。
DE 42 30 228中公開了一種氣缸體，其由亞共晶硅鋁合金鑄造而成。在氣缸內(nèi)安裝有由過共晶硅鋁合金制成的氣缸套。這種方案造價(jià)較低，但仍未解決前面所提到的問題。
為充分利用過共晶硅鋁合金作為氣缸套材料的優(yōu)點(diǎn)，需要改變硅晶核的晶體結(jié)構(gòu)。通過已知的粉末冶金方法或噴壓方法可制成用鑄造工藝不能得到的鋁合金。
這樣，通過上述方法可生產(chǎn)過共晶合金，由于該合金中硅含量較高、硅顆粒較細(xì)并且分布較均勻，因而具有較好的耐磨性。通過在該合金中加入諸如Fe、Ni或Mn等元素可以獲得所需要的耐熱性。存在于該合金中的硅顆粒的粒度約為0.5至20μm。用這種方法生產(chǎn)出的合金特別適合做氣缸套零件。
盡管鋁合金通常是便于加工的，但這種過共晶合金存在變形問題。EP 0 635 318中公開了一種用過共晶硅鋁合金制造氣缸套的方法。其中氣缸套是在高壓力下、擠壓速度為0.5-12m/min的情況下擠壓成型的。為減少通過擠壓將氣缸套制成最終尺寸的生產(chǎn)成本，需要相當(dāng)高的擠壓速度。事實(shí)表明，對(duì)于承受較高壓力的合金來說，若氣缸套管壁厚較小，則在較高的擠壓速度下會(huì)導(dǎo)致管件在擠壓時(shí)被撕裂。
本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的、造價(jià)較低的生產(chǎn)薄壁管、特別是生產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)氣缸套的方法。用該方法生產(chǎn)的氣缸套可在耐磨性、耐熱性及減少有害物質(zhì)排放量等性能上獲得所需要的改善。
本發(fā)明涉及一種由過共晶硅鋁材料構(gòu)成的內(nèi)燃機(jī)氣缸套的制造方法，其特征在于，-通過對(duì)合金熔液的噴壓工藝或通過對(duì)用空氣或惰性氣體噴射出粒度小于250μm的金屬或合金混合體進(jìn)行熱壓或冷壓工藝，生產(chǎn)出棒材或管材，其中，所含硅顆粒的粒度為0.5至20μm、最好是1至10μm；-根據(jù)需要對(duì)所述棒材或管件進(jìn)行使其所含硅顆粒變大的過時(shí)效退火處理，使所含硅顆粒的粒度增長(zhǎng)到2至30μm；-在300至550℃的擠壓溫度下，將所獲得的棒材或管材擠壓成壁厚為6至20mm的厚壁管；-在250至500℃下通過熱成形工藝將厚壁管壁厚減至1.5至5mm。
按照本發(fā)明所述的氣缸套的制造方法，其中用于生產(chǎn)棒材或管材的粉末混合物、合金混合物或熔融合金為由如下以重量％計(jì)的各組分組成的組合物Si 17-35,Cu 2.5-3.5,Mg 0.2-2.0,Ni 0.5-2，余量為Al；或?yàn)镾i 17-35,Fe 3-5,Ni 1-2，余量為Al；或?yàn)镾i 25-35，余量為Al；或?yàn)镾i 17-35,Cu 2.5-3.3,Mg 0.2-2.0,Mn 0.5-5，余量為Al；按照本發(fā)明所述的氣缸套的制造方法，其中在所述的噴壓過程中，一部分硅通過包含有硅鋁合金的熔液被帶入棒材或管材中，而另一部分硅則借助于顆粒噴射裝置以硅粉末的形式被帶入到棒材或管材中；其中所述的粗化硅晶粒的過時(shí)效退火是在460至540℃下、0.5至10小時(shí)內(nèi)進(jìn)行的；其中所述的厚壁管的熱成型可通過圓材鍛壓或圓材壓延工藝實(shí)現(xiàn)，也可通過內(nèi)模進(jìn)行管件軋制、輥壓、管件拉拔工藝、或環(huán)形件軋制實(shí)現(xiàn)；
在本發(fā)明所述的氣缸套的制造方法中，可將直徑及壁厚已經(jīng)成形到最終尺寸的管件截成所需要的長(zhǎng)度。
氣缸套所需要的摩擦特性特別是通過如下方案獲得的，使材料中作為析出顆粒的硅顆粒的粒度為0.5至20μm，或使作為添加顆粒的粒度為80μm。為獲得這種鋁合金，必須采用一些方法使得高合金熔液所容許的固化速度高于傳統(tǒng)的鑄造工藝中所容許的固化速度。
屬于這類方法的一種工藝為噴壓方法(以下簡(jiǎn)稱“噴壓”)。為獲得理想的特性，將含有高硅合金的鋁合金熔液噴出并通過氮?dú)饬饕?000℃/s冷卻速度將其冷卻。部分仍處于液態(tài)的粉末顆粒被噴到一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)著的轉(zhuǎn)盤上。該轉(zhuǎn)盤在工作過程中連續(xù)向下移動(dòng)。通過這兩種運(yùn)動(dòng)的合成便獲得一個(gè)棒材，該棒的長(zhǎng)度約為1000至3000mm、直徑最大為400mm。由于冷卻速度較高，因而在該噴壓過程中產(chǎn)生的硅顆粒的粒度不超過20μm。為獲得合適的析出硅顆粒粒度，人們采用一定的“氣體與金屬的比例”(每公斤熔液立方米氣體)，通過該比例可以確定該過程中的固化速度。根據(jù)固化速度和熔液的過飽和度，該合金中的硅含量可達(dá)到40％重量比。由于鋁熔液在氣流下快速延伸，從而使所獲得的棒材的過飽和狀態(tài)呈準(zhǔn)“凝固”狀態(tài)。
除制造棒材外，也可通過噴壓制造內(nèi)徑為50-120mm、壁厚達(dá)250mm的厚壁管件坯材。為此，將顆粒流噴射到一個(gè)在水平面上繞其縱向軸轉(zhuǎn)動(dòng)的支撐管上并在該處進(jìn)行壓縮。用該方法通過連續(xù)地沿水平方向進(jìn)行有控制的進(jìn)給，可獲得一個(gè)管件坯料。該坯料作為后加工工藝、即管件擠壓和/或其他熱加工工藝中使用的原材料。所述的支撐管是由普通的鍛壓鋁合金或類似的合金制成的，其本身也是通過噴壓工藝制成的(工藝相同)。
噴壓工藝還可以提供這樣的可能性，通過顆粒噴射裝置將熔液中未包含的顆粒噴到棒材或管材中。由于這些顆粒可以是粒度為2μm至400μm的任意幾何形狀的顆粒，因而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多種晶體結(jié)構(gòu)的控制。例如該顆?？梢允橇６葹?μm至400μm的硅顆粒或在上述粒度范圍內(nèi)的氧化陶瓷顆粒(如Al2O3)或無氧陶瓷顆粒(如SiC,B4C)等，這些都是在市場(chǎng)上可獲得且對(duì)摩擦特性有意義的材料。
另一種方案是，為獲得合適的晶體結(jié)構(gòu)，使含有硅的過飽和鋁合金熔液快速固化(下稱“粉末流”)。在此方案中通過向熔融液體噴射空氣或惰性氣體生產(chǎn)出粉末。該粉末可以是完全合金。這意味著，在熔融的液體中包含的全部是合金元素?；蛘咴摲勰┰谙乱徊襟E中與多種合金或其他元素的粉末相互混合。接著，所述完全合金粉末或混合粉末通過冷壓工藝或熱壓工藝或真空壓力工藝被壓成棒材或厚壁中空管柱(管材)。
通過后續(xù)的過時(shí)效退火工藝可改變經(jīng)噴壓工藝獲得的棒材或管材的晶體結(jié)構(gòu)。通過退火可將晶體結(jié)構(gòu)改造成硅顆粒粒度為2至30μm，由此獲得所需的摩擦特性。在退火過程中長(zhǎng)得較大的硅顆粒受到固定顆粒擴(kuò)散的影響而成為理想的較小的硅顆粒。擴(kuò)散效果取決于過時(shí)效溫度及退火處理時(shí)間的長(zhǎng)短。選擇的溫度越高，則硅晶核生長(zhǎng)的速度越快。不過，在該過程中時(shí)間僅起輔助作用。理想的溫度大致為500℃，此時(shí)退火時(shí)間應(yīng)當(dāng)為3至5小時(shí)。
這樣獲得并確定的晶體結(jié)構(gòu)在后續(xù)的工藝步驟中不再改變或者只是為得到所需要的理想摩擦特性作適當(dāng)?shù)母淖儭?br>通過熱成形工藝、特別是通過擠壓工藝將經(jīng)“噴壓”或通過“粉末流”步驟獲得的管材制成壁厚為6至20mm的厚壁管。這里，擠壓溫度為300至550℃。
該擠壓工藝的作用不僅在于成形，而且還可將經(jīng)過噴壓成形的棒材或管材的孔隙(1-5％)或經(jīng)過粉末流工藝制成的棒材或管材的孔隙(1-40％)密封并最終壓實(shí)。
通過在250℃至500℃下進(jìn)行圓材鍛壓或其他熱成形工藝可使壁厚進(jìn)一步減小到所需要的尺寸。
而后，將管壁厚度已被成形到最終尺寸的管件截成所需要的管段。
本發(fā)明方法具有如下優(yōu)點(diǎn)，用此方法可獲得合適的氣缸套材料。借助于后續(xù)的第二熱變形工藝步驟可以降低在擠壓過程中相對(duì)于擠壓壓力、擠壓速度以及產(chǎn)品質(zhì)量所產(chǎn)生的高成本。
實(shí)施例1在噴壓工藝后，將組合物Si 25,Cu 2.5,Mg 1,Ni 1，余量為Al的合金置于830℃熔融溫度下并以4.5m3/kg(每公斤熔液立方米氣體)的氣體/金屬比例將其壓縮成棒材。在上述條件下，噴壓而成的棒材中的硅析出顆粒粒度范圍為1μm至10μm(
圖1中的狀態(tài))。隨后，在520℃下對(duì)噴壓而成的棒材進(jìn)行4小時(shí)的退火處理。在該退火處理之后，析出的硅顆粒粒度范圍為2μm至30μm。通過在溫度為420℃、成形出口速度為0.5m/min條件下用成形工具熱擠壓出外徑為94mm、內(nèi)徑為69.5mm的管材(如圖2所示)。而后通過在420℃下進(jìn)行圓材鍛壓并通過一個(gè)芯桿將一個(gè)外徑94mm的管件成形出一個(gè)外徑為79mm、內(nèi)徑為69mm的管材。此過程不會(huì)導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)改變。
實(shí)施例2在噴壓工藝后，將組合物Si 8,Fe 3,Ni 2，余量為Al的合金置于850℃熔融溫度下并以2.0m3/kg(每公斤熔液立方米氣體)的氣體/金屬比例將其壓縮成棒材。通過顆粒噴射裝置將20％的粒度為40μm至71μm的硅顆粒導(dǎo)入到這種合金中。通過該工藝步驟可以獲得均勻的金屬結(jié)構(gòu)(如圖3所示)。由于通過噴壓工藝可以獲得理想的晶體結(jié)構(gòu)，因而不需要進(jìn)行退火處理。通過在溫度為450℃、成形出口速度為0.3m/min條件下，用成形工具熱擠壓出外徑為94mm、內(nèi)徑為69.5mm的管材(如圖4所示)。而后通過在440℃下進(jìn)行圓材鍛壓成形出一個(gè)外徑94mm、外徑為79mm的管材。此過程不會(huì)導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)改變。
實(shí)施例3將組合物Si 25,Cu 2.5,Mg 1,Ni 1，余量為Al的合金置于830℃熔融溫度下并用空氣對(duì)其進(jìn)行噴射。將所產(chǎn)生的粉末收集起來并在2700巴下冷壓成外徑為250mm長(zhǎng)度為350mm的棒材。該棒材的厚度占合金理論厚度的80％。所析出的硅顆粒粒度范圍為1μm至10μm。對(duì)該冷壓成的棒材在520℃下進(jìn)行4小時(shí)的退火處理。在該退火處理之后，析出的硅顆粒粒度范圍為2μm至30μm。通過在溫度為420℃、成形出口速度為0.5m/min條件下用成形工具熱擠壓出外徑為94mm、內(nèi)徑為69.5mm的管材。而后通過在420℃下進(jìn)行圓材鍛壓并通過一個(gè)芯桿將一個(gè)外徑94mm的管件成形出一個(gè)外徑為79mm、內(nèi)徑為69mm的管材。此過程不會(huì)導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)改變。
實(shí)施例4在噴壓工藝后，將組合物Si 25,Cu 2.5,Mg 1,Mn 1，余量為Al的合金置于860℃熔融溫度下并以2.5m3/kg(每公斤熔液立方米氣體)的氣體/金屬比例將其壓縮成外徑250mm、內(nèi)徑80mm的管材。在此過程中，一個(gè)由普通鍛壓鋁合金(AlMgSi0.5)材料構(gòu)成的、外徑為84mm、壁厚為2mm的薄壁管作為轉(zhuǎn)動(dòng)支撐管，上述合金即噴射到該支撐管上。在上述條件下經(jīng)過噴壓工藝成形的管材中，所析出的硅顆粒粒度為0.5μm至7μm。為獲得粒度為2μm至30μm的析出硅顆粒，還需要將噴壓而成的管材在520℃下進(jìn)行5小時(shí)的退火處理。通過在溫度為400℃、成形出口速度為1.5m/min條件下擠壓出外徑為94mm、內(nèi)徑為69.5mm的管材。這里，支撐管材料AlMgSi0.5對(duì)所需要的壓力和速度產(chǎn)生積極的作用，因?yàn)樗鼘?duì)芯桿起潤(rùn)滑作用。而后通過在430℃下進(jìn)行圓材鍛壓并通過一個(gè)芯桿將一個(gè)外徑94mm的管件成形為一個(gè)外徑79mm、內(nèi)徑為69mm的管材。此過程不會(huì)導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)改變。
權(quán)利要求
1.一種由過共晶硅鋁材料構(gòu)成的內(nèi)燃機(jī)氣缸套的制造方法，其特征在于，-通過對(duì)合金熔液的噴壓工藝或通過對(duì)用空氣或惰性氣體噴射出粒度小于250μm的金屬或合金混合體進(jìn)行熱壓或冷壓工藝，生產(chǎn)出棒材或管材，其中，所含硅顆粒的粒度為0.5至20μm；-根據(jù)需要對(duì)所述棒材或管件進(jìn)行使其所含硅顆粒變大的過時(shí)效退火處理，使所含硅顆粒的粒度增長(zhǎng)到2至30μm；-在300至550℃的擠壓溫度下，將所獲得的棒材或管材擠壓成壁厚為6至20mm的厚壁管；-在250至500℃下通過熱成形工藝將厚壁管壁厚減至1.5至5mm。
2.如權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于，所含硅顆粒的粒度為1至10μm。
3.如權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于，用于生產(chǎn)棒材或管材的粉末混合物、合金混合物或熔融合金為由如下以重量％計(jì)的各組分組成的組合物Si 17-35,Cu 2.5-3.5,Mg 0.2-2.0,Ni 0.5-2，余量為Al。
4.如權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于，用于生產(chǎn)棒材或管材的粉末混合物、合金混合物或熔融合金為由如下以重量％計(jì)的各組分組成的組合物Si 17-35,Fe 3-5,Ni 1-2，余量為Al。
5.如權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于，用于生產(chǎn)棒材或管材的粉末混合物、合金混合物或熔融合金為由如下以重量％計(jì)的各組分組成的組合物Si 25-35，余量為Al。
6.如權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于，用于生產(chǎn)棒材或管材的粉末混合物、合金混合物或熔融合金為由如下以重量％計(jì)的各組分組成的組合物Si 17-35,Cu 2.5-3.3,Mg 0.2-2.0,Mn 0.5-5，余量為Al。
7.如權(quán)利要求
1至6之任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在噴壓過程中，一部分硅通過包含有硅鋁合金的熔液被帶入棒材或管材中，而另一部分硅則借助于顆粒噴射裝置以硅粉末的形式被帶入到棒材或管材中。
8.如權(quán)利要求
1至6之任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，粗化硅晶粒的過時(shí)效退火是在460至540℃下、0.5至10小時(shí)內(nèi)進(jìn)行的。
9.如權(quán)利要求
1至6之任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，厚壁管的熱成形是通過圓材鍛壓或圓材壓延工藝實(shí)現(xiàn)的。
10.如權(quán)利要求
1至6之任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，厚壁管的熱成形是通過內(nèi)模進(jìn)行管件軋制實(shí)現(xiàn)的。
11.如權(quán)利要求
1至6之任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，厚壁管的熱成形是通過輥壓實(shí)現(xiàn)的。
12.如權(quán)利要求
1至6之任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，厚壁管的熱成形是通過管件拉拔工藝實(shí)現(xiàn)的。
13.如權(quán)利要求
1至6之任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，厚壁管的熱成形是通過環(huán)形件軋制實(shí)現(xiàn)的。
14.如權(quán)利要求
1至6之任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，將直徑及壁厚已經(jīng)成形到最終尺寸的管件截成所需要的長(zhǎng)度。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種由過共晶硅鋁材料構(gòu)成的內(nèi)燃機(jī)氣缸套的制造方法。該方法包括用過共晶硅鋁材料制備棒材或管材坯料的步驟及隨后的過時(shí)效退火過程以及通過后面的擠壓工藝將坯料制成厚壁管或圓材的步驟和通過對(duì)該管進(jìn)行熱成形制成薄壁管的步驟。該方法特別適合于制造輕金屬材料的內(nèi)燃機(jī)氣缸套，因?yàn)檫@種氣缸套可以滿足所需要的耐磨性、耐熱性及減少有害物質(zhì)排放量等特性要求。
文檔編號(hào)C22C1/04GKCN1067115SQ96196543
公開日2001年6月13日 申請(qǐng)日期1996年8月28日
發(fā)明者考曼德爾·伯恩哈德, 沙特福依·羅爾夫, 胡梅爾特·克勞斯 申請(qǐng)人:埃爾波斯里赫股份有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan