專利名稱：復合預應力增強陶瓷缸套的制造方法
技術領域：
本發明涉及內燃機缸套，尤其涉及一種復合預應力增強陶瓷內襯缸套的制造方法。
背景技術：
目前內燃機缸套都是用金屬材料制作，為了防止內燃機工作時缸套溫度過高而影響缸套的使用強度，在缸套體外部都設有水冷卻系統，以保證內燃機在不太高的溫度下正常工作。由于水冷卻系統吸熱散熱作用會消耗掉部分熱能，使得氣缸內燃燒室的溫度降低，在某些情況下使燃燒室內的燃料燃燒得不迅速、不完全，降低了內燃機的熱機效率，有時甚至還會產生燃燒不完全的有害氣體，污染環境。針對上述情況，有資料提出利用陶瓷材料的耐高溫特性制造免水冷卻的陶瓷內燃機，但由于陶瓷材料的脆性易碎，使其不具備基本的裝配功能和使用強度，因而在陶瓷缸套的制作和使用上都存在困難，也有人設計用精密加工、加熱裝配冷卻后產生預應力的方法增強，但加工精度要求太高，很難保證預應力的大小是否合適，增強性能的穩定性難以保證。

發明內容
發明目的為了克服現有技術中存在的不足，本發明的目的在于提供一種制造簡單、預應力大小穩定，能夠實現的澆鑄復合預應力增強陶瓷內襯缸套的制造方法。技術方案為實現上述目的，本發明采用的技術方案為所述的復合預應力增強陶瓷內襯缸套的制造方法，具體包括如下步驟
1)首先制造圓筒形陶瓷內襯并對其進行加工，使陶瓷內襯的內徑和內表面質量符合缸套的要求；
2)將加工好的陶瓷內襯安放入澆鑄模內且使陶瓷內襯的中心線和澆鑄模的中心線重
合；
3)在陶瓷內襯內放入電加熱裝置，將陶瓷內襯加熱后，等待澆鑄；
4)將金屬液從澆鑄口倒入以陶瓷內襯為內模的澆鑄模中，金屬液在陶瓷內襯周圍冷卻凝固形成金屬外套，得到復合缸套；金屬外套和陶瓷內襯在冷卻過程中由于金屬的收縮大于陶瓷，金屬外套將對陶瓷逐漸施加均勻的壓應力；
5)將澆鑄好的復合缸套再以陶瓷內襯為基準對金屬外套的外形根據內燃機的設計要求進行加工，即得到所述復合預應力增強陶瓷內襯缸套。所述陶瓷內襯的壁厚為5 IOmm且厚度均勻。而金屬外套的壁厚通常應該大于常規的金屬缸套的厚度，這是由于預應力的存在，對金屬外套的強度要求增加。在步驟3)中，將陶瓷內襯加熱至700°C 900°C，這樣就使陶瓷內襯能夠承受澆鑄金屬液的熱沖擊而不炸裂。 在步驟4)中，優選通過自然冷卻方法來形成金屬外套，緩慢冷卻逐漸產生壓應力。
由于金屬外套的熱膨脹系數與陶瓷內襯的熱膨脹系數大，冷卻收縮時金屬外套的收縮比陶瓷內襯的收縮大，金屬外套對陶瓷內襯施加壓應力。這種預加壓應力能有效地提高陶瓷內襯的抗張強度，可以使陶瓷內襯適應氣缸內燃料迅速燃燒時所產生的巨大壓力而不破碎。所述陶瓷內襯比金屬缸套能夠承受更高的燃燒溫度，其向外層傳遞的熱量也更少，使得整個缸套可以不采用水冷卻系統進行冷卻，能夠減少氣缸燃燒室的溫度的降低，使燃料燃燒得更迅速、更完全，有效提高內燃機的熱機效率。硬度大耐高溫的陶瓷材料不能用于制造內燃機的高溫部件，很重要的原因就是陶瓷材料性脆易碎強度小，不能承受燃料迅速燃燒所產生的強大沖擊力。陶瓷材料的抗張強度和抗壓強度極不平衡，一般抗張強度只有抗壓強度幾分之一到十幾分之一，而陶瓷材料的抗張強度過小直接導至了陶瓷材料的易碎性，因而通過提高陶瓷材料的抗張強度就能提高陶瓷的機械強度。本發明利用預應力的方法，將陶瓷內襯的抗張強度提高200% 300%，使其能夠滿足缸套內的強度要求；另外，由于缸套的結構完整，氣缸內燃料燃燒所產生的膨脹壓力是均勻分布的，不會在局部產生過大的應力集中而導至陶瓷內襯破碎。
從熱傳遞的角度看，陶瓷材料是熱的不良導體，其導熱系數遠小于金屬，氣缸內通過陶瓷內襯向外傳遞的熱量相對于金屬就較少；而金屬是熱的優良導體，陶瓷內襯傳遞給金屬外套的熱量能迅速由內向外傳遞并迅速傳向各金屬部件而自然冷卻，因而缸套外部無須再用冷卻液冷卻，機器整體不會因此而升溫過高。氣缸內燃料燃燒的熱量通過缸套向外散熱的減少，使得燃燒室內的溫度相應提高；同時，由于缸套向外散熱的減少在氣缸中只是局部，因而只能使燃燒室內的溫度提高100°C 3000C，不會對機器的其它部件產生大的影響。有益效果與現有技術相比，本發明的優點是簡單，對加工精度要求不高，從而能夠實現；而且澆鑄金屬時先對陶瓷內襯加熱，這樣使陶瓷內襯在澆鑄金屬時不炸裂。采用本發明制備得到的復合預應力增強陶瓷內襯缸套，使用時在缸套外部無需使用冷卻液系統進行冷卻，能降低缸套的散熱損失、提高氣缸燃燒室的溫度，使得燃料的燃燒更迅速、更完全，增加了內燃機的熱機效率；與同類機型相比，缸套的散熱損失能減少10% 30%，氣缸燃燒室溫度能提高100°C 300°C，熱機效率能提高10% 15%，尤其對短程間歇式使用的內燃機，其節能效果更加明顯。


圖I為采用本發明方法制備得到的復合預應力增強陶瓷內襯缸套的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。實施例I :制備如圖I所示的復合預應力增強陶瓷內襯缸套，結構為包括金屬外套I和陶瓷內襯2，陶瓷內襯2澆鑄在金屬外套I內；其中，陶瓷內襯2的壁厚為5mm，陶瓷內襯2的材料為氮化硅陶瓷。上述復合預應力增強陶瓷內襯缸套的制備方法，具體包括如下步驟
I)采用工業陶瓷的制造加工方法制造和加工陶瓷內襯2，使其內表面及尺寸符合缸套要求，厚度均勻，外表面平整光潔；2)制作金屬液澆鑄砂模并把陶瓷內襯2置于其中，使陶瓷內襯的中心線和澆鑄砂模的中心線重合；
3)將陶瓷內襯2加熱至700°C后待澆鑄；
4)將金屬液從澆鑄口倒入以陶瓷內襯為內模的澆鑄砂模中，金屬液在陶瓷內襯周圍冷卻凝固形成金屬外套1，通過自然冷卻方法，金 屬外套將對陶瓷內襯逐漸產生均勻的壓應力，形成復合預應力增強陶瓷缸套；
5)澆鑄好的復合預應力增強缸套再以陶瓷內襯為基準對金屬外套根據內燃機的設計要求進行加工，使其外形尺寸符合缸套要求。本發明與同類機型相比，缸套的散熱損失能減少10%，氣缸燃燒室溫度能提高100°c，熱機效率能提高10%。實施例2 :制備復合預應力增強陶瓷內襯缸套，結構為包括金屬外套I和陶瓷內襯2，陶瓷內襯2澆鑄在金屬外套I內；其中，陶瓷內襯2的壁厚為10mm，材料為氧化鋁陶瓷。上述復合預應力增強陶瓷內襯缸套的制備方法，具體包括如下步驟
1)制造和加工陶瓷內襯2，使其內表面及尺寸符合缸套要求，厚度均勻，外表面平整光
潔；
2)制作金屬澆鑄砂模并把陶瓷內襯2置于其中，中心位置放準、放正；
3)將陶瓷內襯2加熱至900°C后待澆鑄；
4 )將金屬液從澆鑄口倒入以陶瓷內襯為內模的砂模中，金屬液在陶瓷內襯周圍冷卻凝固形成金屬外套1，通過自然冷卻方法，金屬外套將對陶瓷內襯逐漸產生壓應力，形成復合預應力增強陶瓷缸套；
5)澆鑄好的復合預應力增強缸套再以陶瓷內襯為基準對金屬外套根據內燃機的設計要求進行加工，使其外形尺寸符合缸套要求。本發明與同類機型相比，缸套的散熱損失能減少30%，氣缸燃燒室溫度能提高300°C，熱機效率能提高15%。實施例3 :與實施例I基本相同，所不同的是陶瓷內襯的要求和制備時步驟3)中對陶瓷內襯加熱的溫度；
其中陶瓷內襯采用氧化硅陶瓷，其壁厚為8mm ；
制備時，步驟3)中，將陶瓷內襯加熱至800°C后待澆鑄。本發明與同類機型相比，缸套的散熱損失能減少20%，氣缸燃燒室溫度能提高200°C，熱機效率能提高12%。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，還可以制造缸套以外的其它產品，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種復合預應力增強陶瓷內襯缸套的制造方法，其特征在于，包括如下步驟 1)首先制造圓筒形陶瓷內襯并對其進行加工，使陶瓷內襯的內徑和內表面質量符合缸套的要求； 2)將加工好的陶瓷內襯安放入澆鑄模內且使陶瓷內襯的中心線和澆鑄模的中心線重合； 3)在陶瓷內襯內放入電加熱裝置，將陶瓷內襯加熱后，等待澆鑄； 4)將金屬液從澆鑄口倒入以陶瓷內襯為內模的澆鑄模中，金屬液在陶瓷內襯周圍冷卻凝固形成金屬外套，得到復合缸套； 5)將澆鑄好的復合缸套再以陶瓷內襯為基準對金屬外套的外形根據內燃機的設計要求進行加工，即得到所述復合預應力增強陶瓷內襯缸套。
2.根據權利要求I所述的復合預應力增強陶瓷內襯缸套的制造方法，其特征在于，所述陶瓷內襯的壁厚為5 IOmm且厚度均勻。
3.根據權利要求I所述的復合預應力增強陶瓷內襯缸套的制造方法，其特征在于，在步驟3)中，將陶瓷內襯加熱至700°C 900°C，使其能夠承受澆鑄金屬液的熱沖擊而不炸
4.根據權利要求I所述的復合預應力增強陶瓷內襯缸套的制造方法，其特征在于，在步驟4)中，通過自然冷卻方法使金屬外套對陶瓷內襯施加均勻的壓應力。
全文摘要
本發明公開了一種復合預應力增強陶瓷缸套及其制造方法，該缸套包括金屬外套和陶瓷內襯，將制造加工好的陶瓷內襯安放于金屬澆鑄模內并將其加熱到一定溫度，然后在澆鑄模具內澆鑄金屬液，自然冷卻后金屬外套對陶瓷內襯產生壓應力，提高了陶瓷的機械強度使之能夠滿足缸套的使用強度要求。本發明復合預應力增強陶瓷內襯缸套的制造方法簡單，可以通過調節陶瓷和金屬的熱膨脹系數實現兩者的良好配合和預應力的大小。采用該方法制得的內襯缸套，使用時在缸套外部無需使用冷卻液系統進行冷卻，能降低缸套的散熱損失、提高內燃機燃燒室的溫度，使得燃料的燃燒更迅速、更完全，從而增加內燃機的熱機效率。
文檔編號F16J10/00GK102672145SQ20121010232
公開日2012年9月19日 申請日期2012年4月10日 優先權日2012年4月10日
發明者劉宣飛, 張萍輝, 謝建平, 顧永成 申請人:無錫工藝職業技術學院, 顧永成