汽缸套和制造其的方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于生產插入到汽缸曲軸箱的熱噴射、薄壁汽缸套的方法，和用所述方法制造的汽缸套。
【專利說明】汽缸套和制造其的方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種方法，尤其是用于生產插入到汽缸曲軸箱的熱噴射、薄壁汽缸套 的方法，和用所述方法制造的汽缸套。

【背景技術】
[0002] 對于沒有汽缸套的發動機，用于發動機缸體的材料必須滿足由活塞和活塞環的摩 擦的直接接觸所引起的主要要求。特別的，高耐磨性和低摩擦是必要的。次要的，如低重量、 低材料成本、低制造成本和高熱導率，是進一步的要求。上述要求僅在無缸套發動機中難 以調和，如果有。
[0003] 在內燃機中使用汽缸套，能使發動機缸體使用不同的材料僅滿足同樣關鍵要求。 然而，汽缸套可以為耐磨性和低摩擦的要求進行特定優化。由于相比于發動機缸體，襯套材 料部分相對較小，成本較高的高品質材料可以在此使用，而對總成本沒有過大的負面影響。
[0004] 在現有技術中，制造輕質金屬汽缸套以熱接合由鐵或輕質金屬構成的汽缸曲軸 箱的方法是已知的（參見例如MSI發動機服務國際有限公司、期號03/99的小冊子"檢修 鋁發動機"）。這種襯套通過例如伴隨后續加工的噴射壓實工藝制造。然而這些以商品名 Alusil?4肖售的襯套具有在汽缸運行面不太高的耐磨性的缺點。此外，在汽缸運行面的最 終處理，露出硅晶體的復雜工藝在這種情況是必需的。
[0005] 以品牌名稱Silitec?銷售的鋁-硅汽缸套或由合金塊（Alusil?、 Lokasil?)組成的汽缸運行面具有高熱導率。各汽缸運行面的耐磨性是由硅粒子呈現來 確定，其在珩磨后向外伸出。用鑄造材料，不超過約20%的硅含量可以通過該工藝來實現。 較高的硅含量可以用噴射壓實材料來實現，但這會導致因工藝工程原因而增加元件成本。 由于新發動機（例如，具有直噴燃油的汽油發動機或現代柴油發動機）的高機械負荷，具有 傳統的鋁-硅合金的機械強度值然而是勉強達到要求的。
[0006] 此外，由灰鑄鐵構成的滑動配合襯套作為汽缸套是已知的。襯套由旋轉灰鑄鐵管 機械制成。為達到所需的表面粗糙度和襯套形狀，外徑是磨過的。為插入灰鑄鐵襯套，襯套 具有在室溫下比汽缸曲軸箱中的孔較大的直徑是必需的。然后這兩個被接合的主體的至少 一個的直徑必須由熱膨脹改變，以這樣的方式使襯套能夠牢固地插入到汽缸曲軸箱。這通 常通過加熱汽缸曲軸箱發生，既然由于灰鑄鐵的不足的熱膨脹系數，單獨冷卻襯套是不夠 的。這使得插入灰鑄鐵襯套復雜和昂貴。
[0007] 噴層到汽缸的運行面是汽缸保護的另一已知形式。DE19733205A1公開了一種基于 鐵、鋁或鎂的活塞發動機的汽缸運行面的涂層，含有過共晶鋁-硅合金和/或鋁-硅復合材 料，及制造所述涂層的方法。該涂層在這種情況是直接施加在發動機缸體的汽缸孔的內壁。
[0008]為此，無論是內部燃燒器，其被連到旋轉組件并繞著汽缸孔的中心軸線旋轉，被引 入汽缸孔并軸向移動，或內部燃燒器被引入到旋轉的曲軸箱的汽缸孔并沿汽缸孔的中心軸 線軸向移動，以噴射涂層到汽缸壁。汽缸面一般必須在涂布前以復雜的方式制備，例如通過 用高壓水槍粗糙化或通過車削加工的手段引入具有底切部分的確定外形。
[0009]制造直接作用于汽缸孔的壁的涂層還或者需要具有內部燃燒器的復雜組件，其本 身在孔的內部旋轉以能均勻施加涂層，或者需要使具有汽缸孔的整個發動機缸體繞著不旋 轉的內部燃燒器旋轉。這兩種方法復雜、成本高。由于涂布組件的尺寸，僅具有大于80mm 的孔徑的汽缸孔能夠被可罪地涂布。
[0010] 因此，本發明的目的是消除或至少減小上面列出的缺點，提供一種制造改進的汽 缸套的更簡單的方法和相應的汽缸套。


【發明內容】

[0011] 根據本發明的第一方面，提供了一種用于制造汽缸套的方法，其包括：熱噴射第 一材料到模具主體，以形成耐磨損和耐腐蝕的第一層，噴射的第一材料包含至少67%的鐵 (Fe)、不超過3 %的碳（C)、介于0和20%的鉻（Cr)、介于0和10%的鎳（Ni);熱噴射第二 材料以形成在第一層上的第二層，第一層為內層，第二層為外層，噴射的第二材料包括鋁、 鋁合金或者由輕質材料和鐵構成的多元素材料。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1示出根據本發明的一個實施例的汽缸套的截面。

【具體實施方式】
[0013]本發明提出了一種通過熱噴射制造汽缸套的方法。
[0014]在根據本發明的方法中，提供第一材料以在模具主體上形成第一層（內層），所述 材料含有至少67%的Fe和不大于3. 0%的C作為基本成分。為提高第一層的耐蝕性，高達 20%的Cr和/或10%的鎳可被添加到合金中。
[0015]在一個優選的實施例中，第一材料包含至少70 %的Fe,優選至少80 %的Fe,更優 選至少90%的Fe,并更進一步優選為至少95%的Fe。碳含量應不超過3%，否則材料會太 硬和脆，因此難以工作。有層剝落或裂紋形成的風險。因此，碳含量優選<2%，甚至更優選 d
[0016]該材料還可含有0至30 %的Cr和0至10 %的Ni。這些成分通常用于增加耐腐蝕 性，但也意味著更高材料成本和用于運行面后加工（例如珩磨）的更高加工費用。然而，已 經發現，即使沒有上述元素的存在，在當前的發動機設計中，根據本發明制成的汽缸套的第 一層（內層）在此步中表現出不易腐蝕性。如果可能，所使用的材料只需含有少量的上述 元素。對于所述組分優選的范圍是〇到19 %，更優選為0至5 %，還更優選為0至3 %，甚至 更優選為〇至1%的Cr。類似地，Ni的范圍優選為0至5%，更優選為0至3%，還更優選 為0至2%，甚至更優選為0至1%。
[0017]該材料在涂布過程之前作為固體或藥芯焊絲呈現并通過已知的線-涂布方法（例 如電弧絲噴射或線材火焰噴射或其他）熔化和施加到旋轉模具主體。
[0018]該材料被施加到旋轉模具主體的外表面，其大致為圓柱形。在圓柱形的情況下，模 具主體的進一步的形狀，特別是其尺寸，僅受限于預期使用領域。例如，鑒于汽缸套的不同 直徑，特定模具主體的外徑范圍可為約20mm至約1000mm，優選60mm至約IOOmm用于汽車領 域。模具主體的長度向上是無限制的，因為汽缸套所希望長度可以通過后加工最初獲得的 工件生成。模具主體僅必須具有所需汽缸套的長度，因此可以是從約50mm至約5m。對于汽 車領域的汽缸套的生產，模具主體的長度是從約IOOmm至約400_，因此一個模具主體一次 能夠生產2-4個汽缸套。
[0019]模具主體可由在施加工藝條件下尺寸保持穩定的任何材料構成，即可承受熔化和 施加材料的特定溫度，例如對鐵溫度約1400°c，并允許應用后第一層（內層）分離。模具主 體的外表面可以任選地設置有薄的、無機的分離層。
[0020] 在進一步的步驟中，第二層（外層）被施加到第一層（內層），其仍可在模具主體 上，或可從模具主體預先被去除，即以袖的形式作為自由體存在。所述第一層的外徑是"噴 射的"，即，在施加第二層之前它不加工。
[0021] 在第一步中可以使用相同或不同的熱噴射方法。這選擇取決于在生產中所使用的 材料和其他普遍條件。
[0022] 在第二步中施加的材料一般選擇為使得它的熱膨脹系數盡可能地相似于汽缸曲 軸箱的熱膨脹系數。例如該材料選自鋁或鋁合金（包含Al和Si或Al和Mn或Al和Mg) 或包含鋁合金和鐵的多元素層。這是特別有利的，因為在應用中這樣的組合以點形式被分 布在表面上，這為隨后的加工步驟提供了更低的表面粗糙度，特別是研磨過程。
[0023]根據本發明的方法可以獲得的具有孔隙率〈8% (體積），優選為〈5% (體積），更 優選〈3% (體積）的層，并且孔徑優選〈lOiim，更優選<8iim的層。相比于現有 技術中的內涂層，其提供了約>10%的孔隙率（體積）和大約20 iim的孔徑，這是很大的改 進。
[0024] 如果第二應用步驟已經在模具主體上執行了，所得到的產品在進一步的處理步驟 前可留在模具主體上或從模具主體中移除。
[0025] 根據該方法的一個優選實施例中，第二層（外層）的外側表面，在噴射之后仍然粗 糙，通過研磨或車削加工，其結果是使用根據本發明的方法可獲得所希望外徑、必要圓柱度 和所需表面粗糙度的汽缸套。外側表面上生成的粗糙深度（Rz)通常為至多約50 ii m的范圍 內，優選至多約30 y m，更優選為至多10 y m。所需的粗糙深度可以在每種情況下通過適當 的加工方法來實現，例如精細車削。如果要達到更高要求的圓柱度，外側表面也可以研磨。
[0026]插入到發動機的汽缸套的期望的總長度可以通過車削、銑削或激光切割所生產的 汽缸套來實現。
[0027]根據一個實施例，利用根據本發明的方法制成的汽缸套的第一層（內層）具有約 0. 2?2. 0mm，優選為0. 2?1mm，更優選為0. 2?0. 8mm的層厚度。根據本發明的方法制成 的汽缸套第二層（外層）具有約〇? 2?2mm，優選為0? 3?2. 0mm，還更優選為0? 3?I. Omm 的層厚度。外層的層厚度一般是由車削和/或研磨加工步驟減小約0. Imm至約0. 5_。
[0028] 因此，根據本發明的方法生產的汽缸套具有總壁厚0? 4?約10mm，優選約Imm到2 或 3mm 〇
[0029] 以這種方式獲得的產品，如果其還在模具主體上，那么從后者移除，用于任選的進 一步處理。
[0030]根據一個實施例，該方法進一步包括在根據本發明方法制成的汽缸套的在外徑和 /或內徑的一個或兩個軸向端部處提供斜角。這不僅可以更容易地連接襯套，也改善了用于 內部加工的珩磨工具的定位。
[0031] 根據進一步的實施例中，該方法進一步包括在襯套提供切口和/或溢流通道，它 可以通過幾何定義切削邊緣加工或熱激光切割來生成。
[0032] 根據本發明的方法生產的汽缸套可任選地在一端設置脈動孔或套環。脈動孔可以 通過銑削或通過用激光切割來生成；套環可以通過例如車削來生成。
[0033] 根據一個實施例，該方法進一步包括在接合發動機缸體后珩磨所形成的汽缸套的 內側，作為結果，第一層（內層）的厚度可以減小至〇.〇5mm以實現更好的導熱性。
[0034] 根據本發明的另一個方面，提供了根據上述方法生產的汽缸套。
[0035] 根據本發明的方法生產的汽缸套被插入到發動機的汽缸孔，在其完成加工后。這 可以傳統的方式發生，例如在汽車領域中，通過加熱發動機缸體（鋁）到約250°C的溫度 下并引入襯套到汽缸孔。由于其固有的特性，然而，根據本發明的汽缸套也可以插入到未 被加熱的發動機缸體，通過預先冷卻襯套本身，例如至溫度約_20°C或_30°C或_40°C甚 至-78. 5°C (固體二氧化碳），或優選在液態氮下至溫度約為-20°C甚至_196°C，然后將其 傳遞到汽缸孔。這對灰鑄鐵汽缸套是不可能的，由于其膨脹系數太低了。根據本發明的襯 套使操作更加容易，并減少了插入汽缸套的工作和成本。
[0036] 根據本發明的汽缸套的機械安裝（"松配合"）也有優勢，含鋁外層在操作過程中 膨脹并確保與汽缸孔壁更好地接觸，具有相關的改進的熱耗散。該襯套是在室溫下通過套 環軸向固定在汽缸孔。
[0037]實施例
[0038] 電弧線材噴射是用來從鋼絲（99%的Fe，0.8%的C，其余為雜質如：Mn、Cr、Ni)噴 射0. 8mm厚的第一層到金屬汽缸模具主體（直徑80mm、長度1000mm)。3. 2mm厚的實心金屬 絲以進料速率1米/分鐘、36伏電壓和800A的電流在涂布組件熔化，并噴射在以150轉每 分鐘旋轉（rpm)的模具主體。涂布距離為150mm，0.8mm厚的層被施加在6個涂布路徑上。
[0039] 從模具主體移除第一層，夾在2個圓錐形夾持器之間并通過電弧焊絲噴射在第二 涂布裝置同樣提供I. Omm厚的AlSil2層。3. 2mm實心金屬絲以進料速率L 2米/分鐘導 入涂布組件并在30伏電壓和650A電流下熔化。I. Omm厚的層以150rpm的轉速被施加在4 個涂布路徑上。
[0040] 這兩個層的層結構由金相實驗方式進行了分析。StO. 8層的硬度為400HV1， AlSi 12層的硬度為100HV1。在這兩個層中，空隙率為〈3%，最大孔徑為IOii m。
[0041] 完成噴射的圓柱形部件具有內徑80mm、總長180mm和壁厚I. 8mm，從涂布裝置中 取出，夾到車床上，并在外套上車削成圓柱形。表面粗糙度Ra〈6 ii m，汽缸套車削成外徑 83. 6mm。最后，汽缸套切至142mm，兩端通過車削在兩端內外設置30°的斜角。
【權利要求】
1. 一種生產汽缸套的方法，包括： 熱噴射第一材料到模具主體，以形成耐磨損和耐腐蝕的第一層，噴射的所述第一材料 包含 至少67 %的鐵（Fe); 不超過3 %的碳（C); O?20 %的鉻（Cr); 0?10 %的鎳（Ni);和 熱噴射第二材料以形成在第一層上的第二層，第一層為內層，第二層為外層，噴射的所 述第二材料包括錯、錯合金或者包括輕質材料的多元素材料；和 移除所述模具主體以露出成形的汽缸套。
2. 如權利要求1所述的方法，還包括： 通過研磨或精細或超精細車削加工所述外層。
3. 如權利要求1或2所述的方法，其中所述外側表面的最大粗糙深度為50 μ m，優選 10 μ m〇
4. 根據前述任一項權利要求所述的方法，其中每層具有0. 05?2. Omm的層厚。
5. 根據前述任一項權利要求所述的方法，其中所述成形的汽缸套的最大總壁厚為 4. Omm,優選為 0· 7 ?2. 0mm。
6. 根據前述任一項權利要求所述的方法，還包括： 在所述成形的汽缸套的外徑提供斜角。
7. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，還包括： 在所述成形的汽缸套的內徑提供斜角。
8. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，還包括： 通過銑削或熱激光切割提供切口在襯套底和/或溢流通道。
9. 根據前述權利要求中任一項所述的方法，還包括： 在所述成形的汽缸套的內側珩磨。
10. -種使用前述權利要求中任一項所述的方法生產的汽缸套。
【文檔編號】C23C4/06GK104321457SQ201380027301
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2013年4月29日 優先權日:2012年8月3日
【發明者】彼得·哥德爾, 沃爾克·舍雷爾, 邁克爾·布赫曼 申請人:聯邦摩高布爾沙伊德公司