插入机体的气缸套筒以及机体

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插入机体的气缸套筒以及机体
申请号	CN201380072213.9	申请日	2013-04-25	公开(公告)号	CN104968842A	公开(公告)日	2015-10-07
申请人	马勒金属立夫有限公司; 马勒国际有限公司;			发明人	罗德里戈·法瓦龙;
摘要	本发明涉及一种用于内燃机的气缸套筒(10)，具体涉及通过铸造插入机体(8)中的气缸套筒(10)，其中，圆周外表面(2)设置有涂层(5)，涂层能够提供气缸套筒(10)和机体(8)之间的粘接，从而抑制空的空间(4)的形成并且向机体(8)提供良好热交换。涂层(5)具有的特性是由镍磷(NiP)合金构成，镍磷合金具有作为磷含量函数的可变熔化温度，这能够使涂覆有这种合金的套筒(10)通过高压压铸或者低压压铸或者通过重力插入。
权利要求	1.一种气缸套筒(10)，用于插入内燃机的铝机体(8)，所述气缸套筒(10)包括气缸主体(1)，所述气缸主体由铸铁制成并且具有面向沉积在外表面(2)上的涂层(5)的圆周外表面(2)，所述气缸套筒(10)的特征在于，所述涂层(5)包括通过电沉积施加的镍/磷(NiP)合金，所述涂层(5)包括1％至70％的磷。 2.根据权利要求1所述的气缸套筒(10)，其特征在于，所述涂层能够沿着所述涂层深度具有不同的磷含量，范围为1％至70％。 3.根据权利要求1所述的气缸套筒(10)，其特征在于，所述涂层(5)具有的厚度范围为5微米至30微米。 4.根据权利要求1所述的气缸套筒(10)，其特征在于，所述涂层(5)的热导率至少为 35W/(mK)。 5.根据权利要求1所述的气缸套筒(10)，其特征在于，所述涂层(5)与所述气缸套筒(10)以及与所述机体(8)的结合强度高于6兆帕。 6.根据权利要求1所述的气缸套筒(10)，其特征在于，其通过高压压铸(HPDC)或者通过低压压铸(LPDC)或者通过重力被插入所述机体。 7.根据权利要求1所述的气缸套筒(10)，其特征在于，所述涂层(5)具有诸如通过沉积形成的粗糙度。 8.一种用于内燃烧的机体，其特征在于，包括至少一个如权利要求1限定的气缸套筒。
说明书全文	插入机体的气缸套筒以及机体技术领域 [0001] 本发明涉及一种内燃机的部件，更具体来说涉及通过铸造插入机体中的至少一个气缸套筒，圆周外表面设置有涂层，涂层能够促进套筒和机体之间的良好粘接以及热交换，而不管采用何种铸造技术。背景技术 [0002] 由于新市场需求，发动机的内部件承受更多要求，在该方面，它们需要呈现能够保证更好性能的方案，并且能够贡献较大可靠性和发动机的输出。 [0003] 自动部件的很多制造商寻求用于内燃机的气缸套筒的不同技术方案，其中应该注意的是，内燃机的气缸可以由气缸套筒形成，通过围绕套筒的圆周外部铸造机体将气缸套筒插入机体。 [0004] 现在，趋势是使用由铝制成的机体，其重量的降低有助于节约燃料，这导致车辆的较少环境冲击。正如稍后将看到的，铸造用于镶嵌气缸套筒的机体能够存在两个处理，即：高压压铸(HPDC)和低压压铸(LPDC)，还公知为重力铸造。这两者之间的极大不同在于，前者使用压力将铝喷射入模具，结果，相比低压压铸来说金属位于更低温度。 [0005] 不管采用何种技术方案，内燃机的气缸套筒由于它们执行的工作类型是承受显著磨损的发动机部件。在它们遭受的应力之中，指出的是，气缸镗孔内部的套筒的轴向应力和将燃烧热注入机体的能力。 [0006] 为了在操作中最小化热力和机械扭曲，热的注入和套筒-壁厚是重要的因素。具有较大扭曲的发动机趋于呈现它们部件更高水平的磨损以及更高水平的油耗、燃料消耗以及C02释放。因而，热交换的增加具有各种有益效果，因为这能防止部件的过度磨损并且改善燃料、油的消耗以及污染气体的释放条件。此外，应该注意的是，更好的热交换还能够使得降低机体的尺寸。 [0007] 通常，气缸套筒由含铁材料组成，尤其是铸铁，越来越多的现代机体由通常包含硅的铝或铝合金铸造。以该方式，本发明的技术领域包括由铸铁制成的气缸套筒，任何铝合金以及高压和低压压铸制成的机体。 [0008] 着眼于解决设置有插入式气缸套筒的内燃机技术中固有的问题，德国文献DE19729071提出了一种气缸套筒，其外表面在轴向方向上具有皱纹以用于将套筒锁定在机体上。此外，该文献提出使用热喷涂工艺以在气缸套筒的外表面上形成涂层。这种涂层包括具有的硅含量低于15％的铝硅(Al-Si)合金。 [0009] 根据该德国文献，气缸套筒的外表面可以直接接收所述ALSi层，或者可替换地，可以存在沉积于其上的中间结合层。而且，人们还可以在ALSi层之后沉积薄的锌层，着眼于提供保护免于氧化。因而，该文献包括至少一个通过热喷涂沉积在气缸套筒的外面上的ALSi层，可以在ALSi层之前以及在ALSi层之后。 [0010] 但是，应该注意的是，通过该德国文献提出的方案不能够解决将机体铸造在气缸套筒上的典型问题。首先，虽然涉及到通过使用高达15％硅的铝层用发动机的合金试图查找涂层的特定化学等同，但是由于合金的等同导致涂层呈现相同熔化点，即块合金材料的固相至液相的转化点，这种实施例具有的劣势在于，当在机体的模具中铸造液体金属并且涉及气缸套筒时，其开始加热套筒涂层材料，从而促进涂层相位的转化。这种转化引起涂层材料完全被机体的铸造材料消耗，因而暴露气缸套筒的含铁材料，并且在机体邻近气缸套筒的区域中产生缺陷、接触故障(空的空间-参见图6中的附图标记15)。 [0011] 作为很大的缺陷，这些铸造缺陷(下文中的空的空间)事实上会削弱气缸内发生的燃烧至机体的正确热交换，增加热扭曲以及导致发动机过早的磨损，或者甚至由于缺乏润滑导致其阻塞。而且，套筒具有较大厚度，范围为1.2mm至8.0mm，施加的涂层具有的厚度范围为0.25mm至2.5mm(见图7)，其限制大厚度5的涂层)。 [0012] 美国专利US7757652也公开了一种方案，其揭示了由铸铁制成的气缸套筒以及由铝制成的机体之间的关联。该文献使用冷喷涂施加来向气缸套筒的外表面沉积金属铝或者铝合金、铜或者铜-合金层。 [0013] 该美国文献提出的技术的很大关注点涉及在沉积层上形成特定粗糙度的形成用于更好地粘接至机体。虽然该文献提出沉积层是高导热的，但是就像上述引用的德国文献那样，该方案在具有不同熔化点的层中使用涂层，这也会在熔化的金属中产生空的空间，结果，有效热交换减小。因而，虽然专利US7757652的技术在提供气缸套筒和机体之间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间或者接近其的界面之间的缺陷，其不能够保证良好的热交换。 [0014] 日本现有技术文献JP2008008209公开了一种通过热喷涂接收ALSi层的混合气缸套筒。就像先前德国技术提出的，通过高压压铸(HPDC)生产机体，机体包含这些套筒(仅涂覆有ALSi)中的一个。因而，在接近ALSi的相位图的'液相线'的熔化温度时该(液体)金属开始，由于相当大的降低了用于液体金属凝固的时间。或者，如果采用典型的低压压铸(LPDC)的更高温度的话，通过热喷涂添加的层将完全液化，将失去施加ALSi层的益处，并且将发生会削弱发动机适当操作所需热交换的典型缺陷，诸如机体和气缸套筒(见图6)之间的空的空间。当通过重力也即通过低压压铸(LPDC)来铸造机体时，将加重这些缺陷。 [0015] 因而，该日本文献所公开的技术仅能够通过高压压铸来铸造机体，而不能够使用重力铸造。在通过低压铸进行铸造的情况下，上文提出的技术不能够促进良好的热膨胀梯度，它们也不能保证能够获得实现较大热交换的良好锚固。还应该注意的是，与本发明的涂层相比，所提出的技术不能够使得在用于形成机体的熔化金属的温度方面具有灵活性，本发明的涂层呈现了可变熔化点，作为铸造技术的函数以及添加至铸造模具的液体材料的温度的函数。 [0016] 无论现有技术中使用何种方案，仅是在局部方面成功的，不能同时实现用于高压压铸获得的机体以及低压压铸获得的机体良好的结果。 [0017] 除了上文提到的困难，人们还观察到的是，通过热喷涂获得的ALSi涂层，通常具有的厚度大于200/300微米(见图7)。当机体的金属熔化时，其喷射/铸造温度越高其将越快或者越慢消耗气缸套筒的涂层。即使能够改变涂层厚度以试图防止由于其熔化导致的其总消耗(这会产生上文提到的缺陷)，由于两个原因该方案被证明是不实用的。一方面，厚度的增加使得施加至气缸套筒的涂层昂贵；另一方面其增加镗孔间距(套筒的中心和相邻套筒的中心之间的测距是用来限定机体的尺寸的测距。对于相同气缸直径来说，镗孔间距越小，机体越小)。而且，现有技术施加的任何涂层都不能实现改变其化学成分的目的，使得熔化点会变化，这会直接有助于解决上文提到的部分问题。 [0018] 可替换地，涂层还可以由纯金属(诸如通过电沉积施加的镍)制成。不同于ALSi涂层，热喷涂纯镍(Ni)材料可以是通过低压或者重力(见图8)的铸造方法的方案，利用具有铝的镍的适当扩散。日本文献JPO59030465公开了纯镍(Ni)或者铜(Cu)涂层，其作为气缸套筒的铸铁和机体的铝之间的结合元件。关于该文献，由于纯镍的高熔化点(大约1400℃)，当其施加通过高压压铸(见图9的空的空间)时，扩散无法适当发生。 [0019] 因而，需要找到一种方案，其能够依靠任何铸造技术(HPDC或者LPDC)将铸铁套筒插入至铝合金的机体，能够实现套筒和机体之间更好的粘接以及更好的热交换，并且降低镗孔间距，从而保证内燃机的长耐久性。发明内容 [0020] 发明目的 [0021] 因此，本发明的目的是提供一种气缸套筒，其具有涂层，涂层能够抑制与机体结合时形成空的空间，保证燃烧室和机体之间的良好粘接，结果保证燃烧室和机体之间的良好热交换。 [0022] 本发明的目的还在于，提供一种由铸铁制成的气缸套筒，设置有由镍/磷(NiP)合金制成的涂层，其能够利用高压或者低压通过任何铸造方法施加，因而能够使得人们允许根据使用的方法的功能来改变涂层的熔化点。 [0023] 本发明的另一目的在于提供一种气缸套筒，该套筒的涂层具有的厚度范围为10至20微米，包括1％至70％的磷，能够降低插入的气缸套筒的镗孔间距。 [0024] 本发明的目的是通过形成用于插入内燃机的机体中的气缸套筒而实现，气缸套筒包括由铸铁制成的柱形主体，柱形主体设置有圆周外表面，圆周外表面包含沉积在该外表面上的涂层，涂层包括通过电沉积施加并且包括1％至79％的磷的镍/磷(NiP)合金。 [0025] 本发明的目的还通过提供用于内燃机的机体而实现，内燃机具有至少一个上述限定的气缸套筒。附图说明 [0026] 现在将参考附图代表的实施例的示例更详细地描述本发明，附图图示出： [0027] 图1示出了气缸套筒的立体图； [0028] 图2示出了设置有气缸套筒的机体； [0029] 图3是本发明的气缸套筒的截面的金相组织的照片，示出了涂层的厚度； [0030] 图4是本发明的气缸套筒在已经被插入铝机体之后的截面的金相组织的照片； [0031] 图5a的图形示出了相比现有技术的涂层，本发明的涂层的结合强度的增加； [0032] 图5b的图形示出了相比现有技术，本发明的热导率的增加； [0033] 图6是现有技术的气缸套筒的截面的金相结构的照片，示出了在其已经通过重力铸造(LPDC)被插入铝机体之后铸铁套筒上的ALSi涂层的厚度； [0034] 图7是现有技术的气缸套筒的截面的金相结构的照片，示出了在其已经通过高压压铸(HPDC)被插入铝机体之后铸铁套筒上的ALSi涂层的厚度； [0035] 图8是气缸套筒的截面的金相结构的照片，示出了在其已经通过重力铸造(LPDC)被插入铝机体之后在铸铁套筒上的纯镍涂层的厚度和扩散； [0036] 图9是气缸套筒的截面的金相结构的照片，示出了在其已经通过高压压铸(HPDC)被插入铝机体之后铸铁套筒上的纯镍涂层厚度和和扩散； [0037] 图10是插有气缸套筒的机体的顶视图； [0038] 图11是机体的细节的顶视图，示出了插入的气缸套筒之间的距离。具体实施方式 [0039] 本发明的领域涉及内燃机，特定地涉及气缸套筒10和相应的机体8之间交互作用。通过围绕先前布置在相应模具中的气缸套筒10铸造/喷射液体金属，人们可实现插有套筒10的机体。典型地，机体的金属是轻金属，诸如铝或者铝合金。 [0040] 正如说明的，气缸套筒10需要确保其粘接至机体8，以及保证在模具中的液体金属铸造件冷却之后不会出现不具有金属(铸造缺陷)的空的区域15。正如在现有技术中解释的，保证该组合是比较复杂的。 [0041] 为了正确地理解本发明，需要澄清一些构思和范例。正如上文所限定的，存在两种铸造类型用于将气缸套筒插入由铝合金制成的机体中。即高压压铸(下文称为HPDC)以及低压压铸(下文称为LPDC)。HPDC是最广泛使用的一种，用加压喷射补偿铝的低温。在这些情况下，涂层5趋于较少消耗，因为铝急速冷却。在LPDC涂层中，对于相同厚度来说，趋于承受更大磨损，产生所谓的空的空间15(见图6)。因而，应该注意的是，根据当今的构思，铸造机体所采用的技术直接与涂层5厚度互相作用，结果，产生大量的热交换。 [0042] 此外，必须在套筒10和机体8之间实现良好的粘接，这直接源自涂层5和机体8的铝合金之间的化学等同。 [0043] 最后，人们应该考虑机体8的尺寸。正如公知的，主要的发动机装配公司向发动机开发者施加压力，使得他们降低发动机的尺寸，这意味着他们将降低镗孔间距(见图9和图10)。在该方面，涂层5厚度的任何降低将导致镗孔间距的降低。考虑到，为了不生成空的空间15利用LPDC时现有技术涂层需要更厚，涂层5的存在能够降低镗孔间距，但是具有较小厚度以及仍能够通过两种铸造技术(HPDC和LPDC)之一将套筒插入被证明是双重有利的方案。正如将看到的，本发明不仅能够结合这两个技术，而且能够实现优于现有技术方案的粘接强度。 [0044] 如图1所示，气缸套筒10设置有柱形主体1的铸件管，柱形主体1通常由含铁合金构成，诸如铸铁或者灰铸铁。该柱形主体1提供了两个表面，尤其即内表面3以及圆周外表面2，在内表面3上将发生活塞的轴向移动。该外区域将包含机体8的液体金属，但是这仅是发生在外表面2已经具有涂层5之后，因而形成本发明。 [0045] 本发明的涂层5直接施加至外表面2上而无需特殊制备(仅存在清洗、脱脂以及酸性激活步骤，这些步骤是镀锌处理的典型步骤)，由镍/磷(NiP)合金构成，通过电沉积处理施加。应该注意的是，使用通过电沉积施加涂层5的处理是保证本发明结果的一个主要原因。在现有技术中通常采用热喷涂处理，诸如冷喷涂，还公知为金属喷镀，这导致涂层厚度大于200微米。另一方面，能够提供具有厚度范围5至20微米的涂层，也即，低于现有技术所实现值达10％。该特性单独就已经确保以非常显著的方式降低镗孔间距。 [0046] 关于涂层5的化学成分，镍/磷合金可以包含1％至70％的磷，用于与机体8创建结合层(见图4)。关于采用的合金，应该进行两个观察。 [0047] 一方面，公知的是，镍与铝具有良好的化学等同，形成包含两个材料的中间相位，这易于依靠Al-Ni平衡图被观察。其证据是，在测量套筒10与机体8的粘接强度时实现的良好结果。图5清楚地示出了本发明(NiP涂层5，套筒是通过HPDC插入的)实现的粘接强度高于6兆帕，优选是15兆帕，该值相当地高于通过热喷涂所施加的AlSi涂层所实现的大约5兆帕。较高的结合强度改善了热交换(热传递更大)。 [0048] 为了比较本发明与现有技术的热导率的，执行了一些研究(见图12)。这些值清楚地示出，在确定温度(类似于气缸套筒的操作温度，即200℃)，本发明(NiP涂层5，套筒是通过HPDC插入的)呈现的热导率为49(W/mK)，该值比现有技术(通过喷涂施加的AlSi涂层)的热导率高36％，现有技术的热导率是36(W/mK)。图12示出了本发明热导率比现有技术具有清楚的优势，这又促进了气缸套筒10的镗孔的扭曲控制，以及活塞和套筒10之间的更佳间隙。以该方式，实现了降低润滑油的消耗以及燃料的消耗(考虑到较低的切向负荷以降低摩擦)，结果，降低C02释放。 [0049] 另一方面，通过处理磷含量，能够改变涂层5的NiP合金的熔化点。磷含量降低得越多，合金的熔化点越高。依靠Ni-P平衡图，这种处理可以易于辅助。以该方式，对于相同涂层5厚度，能够改变合金的熔化点，使得套筒10能够通过HPDC或者LPDC插入，而无需消耗涂层5。 [0050] 应该进一步指出的是，本发明能够提供套筒10的插入，而不存在空的空间，如图4所示。 [0051] NiP涂层相比所有这些现有技术(诸如纯Ni涂层)的优势是涉及调节NiP合金的熔化点的可能性)。为了更好地解释这种磷量变化如何干涉熔化点和所选择的铸造处理，人们可观察下文给的例子。 [0052] 对于HPDC，因为机体8的铝的温度较低而且喷射时间降低，所以理想的NiP合金应当具有尽可能低的熔化点，以便利于金属间化合物ALNI相位的形成。在这些情况下，优选的但非强制的，NiP合金应当具有的磷量的范围为30％至70％，这引起熔化点降低至大约860℃。以该方式可保证NiP涂层和铝合金之间的适当扩散(见图4)。 [0053] 对于LPDC以及重力铸造处理，因为机体的铝位于更高温度而涂层5长时间暴露于热的铝，所以防止了涂层5完全扩散至铝中，升高了NiP合金的熔化点。以该方式，磷量的变化大致是1％至12％，降低NiP合金的熔化点从1455°C至891℃。 [0054] 用于处理磷量的该机制确保了结果大大优于用纯镍施加的涂层5。大量的磷能够使熔化点降低至大约700℃，降低的磷量(从1％至3％)能够使熔化点降低至大约900℃，因而能够使机体8分别通过HPDC或者LPDC铸造。应该注意的是，套筒10的涂层5与机体8的结合时的冶金扩散是重要的以保证良好的机械属性、剪切应力以及结合强度，以及保证气缸套筒10和机体8之间的良好热传递，本发明可保证这些优势(见图5b)。 [0055] 因而本发明的构思是现代发动机中可选的，现代发动机的机体8使用铝合金。因为涂层5的厚度相当薄，例如，10或者12微米(见图3)，所以套筒10的良好粘接以及套筒10外径的低容差能够使人们可安装紧凑的机体8，也即，镗孔间距具有降低的距离。 [0056] 相比于现有技术所采用的热喷涂处理(其需要的涂层厚度是大约200微米)，由于该处理的具体特性，本发明采用例如10微米的涂层，这不同之处导致了降低气缸之间的开口(镗孔间距)(见图10)。 [0057] 例如，考虑到，对于ALSi热喷涂技术，如果具有0.8mm的壁厚度，总镗孔间距间隔结果为3.0mm。另一方面，结果是，镗孔间距间隔为2.62mm，也即，由于涂层5的较薄厚度，镗孔间距间隔降低了12.5％。这种降低意味着机体8的重量有相当大的降低，由于上述指出的优势这是主要制造商的目的。 [0058] 已经描述了实施例的优选例子，应该理解的是，本发明的范围包含其他可能的变型，仅通过附随权利要求的内容限制，随附权利要求包括可能的等同结构。