专利名称：发动机部件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种发动机部件，例如一种气缸体或活塞，以及一种制造该发动机部件的方法。更具体地，本发明涉及一种由包含硅的铝合金形成的发动机部件，以及一种用于制造该发动机部件的方法。本发明还涉及装有这种发动机部件的发动机和机动车辆。
背景技术：
近年来，为减轻发动机的重量，已趋向于使用铝合金来制作气缸体。鉴于气缸体要求具有高强度和高耐磨性，所以期望含有大量硅的铝合金可用于制作气缸体。
通常，含有大量硅的铝合金难以铸造，所以使得基于压铸的批量生产变得困难。因此，本发明的发明人已提出一种能够采用这种铝合金批量生产气缸体的高压压铸技术(见WO2004/002658的小册子)。此技术使得可以批量生产具有足够用于实际应用中的耐磨性和强度的气缸体。
然而，根据可能的发动机转速和可能的发动机使用条件，气缸体可能要满足更高的耐磨性和强度要求。例如，在摩托车的情况下，其发动机在7000rpm或更高的转速下工作，从而对气缸体具有相当高的耐磨性和强度要求。
发明内容
为克服上述问题，本发明的优选实施例提供了一种具有优良耐磨性和强度的发动机部件，以及一种用于制造这种新发动机部件的方法。
根据本发明一优选实施例的一发动机部件由含硅的铝合金形成，该发动机部件包括位于一滑动面上的多个初结晶硅粒，其中该多个初结晶硅粒具有不小于约12μm并不大于约50μm的平均晶粒度。采用此独特构造，实现了上述优点和方案。
在一优选实施例中，该发动机部件还包括分布在多个初结晶硅粒之间的多个共晶硅粒，其中，该多个共晶硅粒具有不大于约7.5μm的平均晶粒度。采用这种独特构造，实现了上述优点和方案。
在一优选实施例中，具有前述构造的发动机部件是一气缸体，其中，所述多个初结晶硅粒暴露在气缸孔壁的表面上。
可选地，根据本发明另一优选实施例的发动机部件由含硅的铝合金形成，该发动机部件包括位于一滑动面上的多个硅晶粒，其中，该多个硅晶粒具有包括至少两个峰值的粒度分布；并且该至少两个峰值包括在不小于约1μm且不大于约7.5μm的晶粒度范围内的第一峰值和在不小于约12μm且不大于约50μm的晶粒度范围内的第二峰值。采用这种独特构造，实现了上述优点和方案。
在一优选实施例中，在所述滑动面的面积接近800μm×1000μm的任一矩形区域内，直径约为50μm并不含有晶粒度约0.1μm或更大的任何硅晶粒的圆形区域的数量等于或小于五。
在一优选实施例中，铝合金包含不小于约73.4重量％并不大于约79.6重量％的铝；不小于约18重量％并不大于约22重量％的硅；以及不小于约2.0重量％并不大于约3.0重量％的铜。
在一优选实施例中，铝合金包含不小于约50重量ppm并不大于约200重量ppm的磷；和不大于约0.01重量％的钙。
在一优选实施例中，滑动面具有不低于约60并不高于约80的洛氏硬度(HRB)。
根据本发明一优选实施例的发动机包括具有前述构造的发动机部件。采用这种独特构造，实现了前述优点和方案。
根据本发明一优选实施例的气缸体是由铝合金形成的气缸体，该铝合金包含不小于约73.4重量％并不大于约79.6重量％的铝；不小于约18重量％并不大于约22重量％的硅；和不小于约2.0重量％并不大于约3.0重量％的铜，该气缸体包括位于一设置成与一活塞接触的滑动面上的多个初结晶硅粒和分布在该多个初结晶硅粒之间的多个共晶硅粒，其中，该多个初结晶硅粒具有不小于约12μm并不大于约50μm的平均晶粒度，而多个共晶硅粒具有不大于约7.5μm的平均晶粒度；该铝合金包含不小于约50重量ppm并不大于约200重量ppm的磷；和不大于约0.01重量％的钙；并且滑动面具有不低于约60并不高于约80的洛氏硬度(HRB)。采用这种独特构造，实现了前述优点和方案。
可选地，根据本发明一优选实施例的气缸体是由铝合金形成的气缸体，该铝合金包含不小于约73.4重量％并不大于约79.6重量％的铝；不小于约18重量％并不大于约22重量％的硅；以及不小于约2.0重量％并不大于约3.0重量％的铜，该气缸体包括形成在一与活塞接触的滑动面上的多个硅晶粒，其中，该多个硅晶粒具有包括至少两个峰值的粒度分布；该至少两个峰值包括在不小于约1μm并不大于约7.5μm的晶粒度范围内的第一峰值和在不小于约12μm并不大于约50μm的晶粒度范围内的第二峰值；在滑动面的面积接近800μm×1000μm的任一矩形区域内，直径约为50μm并不含有晶粒度约0.1μm或更大的任何硅晶粒的圆形区域的数量等于或小于五；该铝合金包含不小于约50重量ppm并不大于约200重量ppm的磷；和不大于约0.01重量％的钙；并且滑动面具有不低于约60并不高于约80的洛氏硬度(HRB)。采用这种独特构造，实现了前述优点和方案。
可选地，根据本发明的一优选实施例的发动机包括具有前述构造的气缸体；和具有一滑动面的活塞，该活塞的滑动面的表面硬度高于该气缸体的滑动面的表面硬度。采用这种独特构造，实现了前述优点和方案。
根据本发明另一优选实施例的机动车辆包括具有前述构造的发动机。采用这种独特构造，实现了前述优点和方案。
根据本发明一优选实施例的用于制造用于发动机的滑动部件的方法，包括步骤(a)制备一种铝合金，该铝合金包含不小于约73.4重量％并不大于约79.6重量％的铝；不小于约18重量％并不大于约22重量％的硅；以及不小于约2.0重量％并不大于约3.0重量％的铜；步骤(b)在一模具内冷却该铝合金的熔体以形成模制件；步骤(c)在不低于约450℃并不高于约520℃的温度下对该模制件进行不小于约三个小时并不超过约五个小时的时间段的热处理，然后液体冷却该模制件；和步骤(d)在步骤(c)之后，在不低于约180℃并不高于约220℃的温度下对该模制件进行不小于约三个小时并不超过约五个小时的时间段的热处理，其中，这样进行形成模制件的步骤(b)，即以不低于约4℃/秒并不高于约50℃/秒的冷却速率冷却一滑动面的区域。
在一优选实施例中，形成模制件的步骤(b)包括步骤(b-1)在滑动面的所述区域内形成多个初结晶硅粒以使该多个初结晶硅粒具有不小于约12μm并不大于约50μm的平均晶粒度；和步骤(b-2)在多个初结晶硅粒之间形成多个共晶硅粒以使该多个共晶硅粒具有不大于约7.5μm的平均晶粒度。
根据本发明的各种优选实施例，提供一种具有优良耐磨性和强度的发动机部件以及一种用于制造该发动机部件的方法。
从以下参照附图对本发明优选实施例的详细说明，本发明的其它特征、元件、工艺、步骤、特征及优点将变得更明显。
图1是示意性示出根据本发明优选实施例的气缸体100的透视图；图2是气缸体100的滑动面的放大示意图；图3A、3B和3C是用于说明初结晶硅粒的平均晶粒度与气缸体的耐磨性之间的关系的示图；图4是说明制造气缸体100的方法的流程图；图5是示出用于铸造气缸体100的高压压铸设备的示意图；图6A和6B是利用砂型铸造的对比气缸体的滑动面的金相显微镜照片；图7A和7B是通过高压压铸铸造的原型气缸体的滑动面的金相显微镜照片；图8是示出形成在对比气缸体的滑动面上的硅晶粒的粒度分布的图表；图9是示出形成在原型气缸体的滑动面上的硅晶粒的粒度分布的图表；图10是进行耐磨试验之后的对比气缸体的滑动面的放大照片；图11是进行耐磨试验之后的原型气缸体的滑动面的放大照片；图12是示出由于钙阻碍的磷的微化效应而变得粗大的硅晶粒的照片；图13是示意性示出润滑剂怎样保留在滑动面上的油槽中的机构的剖视图；图14A至14E是分别示出在不同冷却速率条件下铸造的气缸体的滑动面的金相显微镜照片；图15是示出在铸造过程开始后温度与时间之间关系的图表；图16是示意性示出具有气缸体100的发动机150的剖视图；以及图17是示意性示出具有图16所示发动机150的摩托车的侧视图。
具体实施例方式
本发明人已对气缸体的滑动面(即，与活塞接触的表面)上的硅晶粒的模式或种类与该气缸体的耐磨性及强度之间的关系进行了详细研究。结果是，本发明人发现通过将硅晶粒的平均晶粒度设定在一特定范围内和/或确保硅晶粒具有一特定的粒度分布，可极大地提高耐磨性和强度。本发明基于所发现的这种信息形成。
此外，本发明人还研究了用于制造气缸体的条件，并由此获得了一种允许在滑动面上按前述优选模式或种类形成硅晶粒的优选制造方法。
以下，将参照
本发明的优选实施例。尽管以下说明将主要涉及作为例子的气缸体，但本发明并不限于此。本发明可适当地应用于发动机的滑动部件以及制造该滑动部件的方法，该滑动部件是内燃机的燃烧室的部件(例如，气缸体或活塞)。
图1示出根据本优选实施例的气缸体100。气缸体100由含有硅的铝合金形成。
如图1所示，气缸体100优选包括限定气缸孔102的壁部(称为“气缸孔壁”)103和围绕气缸孔壁103并限定气缸体100的外部轮廓的壁部(称为“气缸体外壁”)104。在气缸孔壁103与气缸体外壁104之间，设有盛装冷却剂的水套105。
气缸孔壁103的面向气缸孔102的表面101形成与活塞接触的滑动面。在图2中放大示出了滑动面101。
如图2所示，气缸体100包括多个已经形成并位于滑动面101上的硅晶粒1011和1012。这些硅晶粒1011和1012分散在含有铝的固溶体基体1013中。
在具有含有大量硅的过共晶成分的铝合金熔融时首先结晶的硅晶粒称为“初结晶硅粒”。随后结晶的硅晶粒称为“共晶硅粒”。在图2所示的硅晶粒1011和1012中，较大硅晶粒1011是初结晶硅粒。形成在初结晶硅粒之间的较小硅晶粒1012是共晶硅粒。
共晶硅粒1012通常是如图2所示的针状晶体；然而，并不是每个共晶硅粒1012都是针状晶体。实际上，一些共晶硅粒1012可能是粒状晶体。初结晶硅粒1011主要由粒状晶体组成，而共晶硅粒1012主要由针状晶体组成。
本发明人通过实验发现，通过使初结晶硅粒1011的平均晶粒度在不小于约12μm并不大于约50μm的范围内，可极大提高气缸体100的耐磨性和强度。详细的实验结果将在随后说明。现在，将参照图3A至3C说明通过设定上述平均晶粒度范围能极大提高耐磨性和强度的理由。
如果初结晶硅粒1011的平均晶粒度超过约50μm，如图3A的左手侧所示，每单位面积滑动面101上的初结晶硅粒1011的数量少。因此，在发动机工作过程中，较大的负载施加在每个初结晶硅粒1011上，于是如图3A的右手侧所示，初结晶硅粒1011可能被损坏。如果初结晶硅粒1011被损坏，形成在滑动面101上的润滑剂膜将被破坏，从而使活塞环或活塞与滑动面101的基体1013直接接触，造成磨损。此外，被损坏的初结晶硅粒1011的碎屑会起到磨粒的作用，从而造成滑动面101相当大的磨损。
如果初结晶硅粒1011的平均晶粒度小于约12μm，如图3B的左手侧所示，每个初结晶硅粒1011的仅一小部分嵌埋在基体1013内。因此，如图3B的右手侧所示，在发动机工作过程中初结晶硅粒1011可容易地脱落。由于它们的高硬度这种脱落的初结晶硅粒1011会起到磨粒的作用，从而造成滑动面101相当大的磨损。此外，在这种情况下每个初结晶硅粒1011的突出在基体1013上方的部分也较小，这样保留在滑动面101上的润滑剂膜的厚度将减小。结果是，可能易于发生润滑剂膜破坏，从而造成磨损。
另一方面，如果初结晶硅粒1011的平均晶粒度不小于12μm并不大于50μm，如图3C的左手侧所示，每单位面积滑动面101上存在足够数量的初结晶硅粒1011。因此，在发动机工作过程中每个初结晶硅粒1011上的负载变得较小，从而如图3C的右手侧所示，防止了初结晶硅粒1011受到损坏。此外，在这种情况下，每个初结晶硅粒1011的突出在基体1013上方的部分具有足够高度，这使得可以保持足量的润滑剂。由此，可在滑动面101上保持具有足够厚度的润滑剂膜，从而防止发生该润滑剂膜被破坏及由此产生的磨损。由于每个初结晶硅粒1011埋在基体1013内的部分足够大，所以防止了初结晶硅粒1011脱落。从而，防止了由于脱落的初结晶硅粒引起地对滑动面101的磨损。
此外，本发明人研究共晶硅粒1012如何加强基体1013而发现，通过微化共晶硅粒1012，可以提高气缸体100的耐磨性和强度。具体地，通过确保共晶硅粒1012具有不大于约7.5μm的平均晶粒度，可提高耐磨性和强度。
此外，本发明人还研究了形成在滑动面101上的多个硅晶粒的粒度分布，发现通过确保该多个硅晶粒具有这样一种粒度分布可极大提高气缸体100的耐磨性和强度，即该粒度分布的一个峰值在不小于约1μm并不大于约7.5μm的晶粒度范围内，而另一峰值在不小于约12μm并不大于约50μm的晶粒度范围内。
对于本发明该优选实施例的气缸体100，如上所述，形成在滑动面101上的硅晶粒使耐磨性提高到如同在气缸孔壁103的内表面上形成了抗磨层的程度。该“抗磨层”还提高了气缸孔壁103的强度。
存在一种将气缸套设置在气缸孔内而提高气缸体的耐磨性的已知技术。然而，采用这种技术，难以确保气缸套和气缸体本身之间完全接触，从而使导热性降低。此外，气缸套本身的厚度增大了气缸孔壁的总厚度，从而使冷却性能恶化。
另一方面，根据本优选实施例的气缸体100，同时用作提高强度的抗磨层与气缸孔壁103一体形成。结果是，防止了导热性降低并减小了气缸孔壁103自身的厚度，从而有助于提高冷却性能。此外，气缸体100提高后的冷却性能增大了可进入气缸内的混合气体(在直接喷射情况下是空气)的量，从而可提高发动机的输出功率。
接着，将参照图4说明可适用于制造气缸体100的制造方法。图4是说明用于制造本优选实施例的气缸体的方法的流程图。
首先，准备一种含硅的铝合金(步骤S1)。为确保气缸体100具有足够耐磨性和强度，优选采用这样一种铝合金，该铝合金含有不低于约73.4重量％并不高于约79.6重量％的铝；不低于约18重量％并不高于约22重量％的硅；以及不低于约2.0重量％并不高于约3.0重量％的铜。该铝合金可由原始铝块或者由回收的铝合金块制成。
然后，在熔化炉中对所制备的铝合金进行加热和熔化，从而形成熔体(步骤S2)。此时，为防止任何未熔融硅残留在熔体内，将该熔体加热到一预定温度或更高。一旦铝合金完全熔融，就将熔体保持在一降低后的温度以防止氧化和吸附气体。优选地，在熔化前以约100重量ppm向坯料或熔体内添加磷。如果铝合金含有不低于约50重量ppm并不高于约200重量ppm的磷，就可以减缓硅晶粒变得粗大的趋势，从而允许该硅晶粒均匀分散在合金内。
然后，使用铝合金熔体进行铸造(步骤S3)。换句话说，在一模具内冷却熔体而形成模制件。该模制件的成形步骤以这样的方式进行，即以不低于约4℃/秒并不高于约50℃/秒的冷却速率对滑动面区域进行冷却。随后将说明在该步骤中所用的铸造设备的具体结构。
然后，对从模具中取出的气缸体100进行公知为“T5”，“T6”和“T7”中的一种热处理(步骤S4)。T5处理是这样一种处理，即模制件从模具中取出之后接着就(用水或其类似物)进行迅速冷却，随后在一预定温度下进行一预定时间段的人工时效以提高机械性能和尺寸稳定性，然后进行空气冷却。T6处理是这样一种处理，即从模具中取出后，模制件在一预定温度下进行一预定时间段的固溶处理，然后用水冷却，随后在一预定温度下进行一预定时间段的人工时效，并继之用空气冷却。T7处理是一种使时效程度比T6处理更强的处理；尽管T7处理能确保比T6处理更好的尺寸稳定性，但所得到的硬度将低于T6处理所获得的硬度。
然后，对气缸体100实施预定的加工(步骤S5)。具体地，对与气缸盖邻接的表面、与曲轴箱邻接的表面以及气缸孔壁103的内表面进行研磨、车削等。
随后，对气缸孔壁103的内表面(即，限定滑动面101的表面)实施珩磨工艺(步骤S6)，从而完成气缸体100。例如，可分粗珩磨、中珩磨和精珩磨三个步骤来实施珩磨工艺。
如上所述，根据该优选实施例的制造方法，以这样的方式实施模制件成形步骤，即以不低于约4℃/秒并不高于约50℃/秒的冷却速率对滑动面区域进行冷却。因此，如以下将要描述的由根据本发明优选实施例的原型气缸体看到的，可将形成在滑动面101上的初结晶硅粒1011的平均晶粒度限定在不小于约12μm并不大于约50μm的范围内。此外，同样如从以下描述的原型中看到的，确保形成在初结晶硅粒1011之间的共晶硅粒1012的平均晶粒度等于或小于约7.5μm。由此，根据本优选实施例的制造方法，能够制造具有优良耐磨性和强度的气缸体100。
作为热处理步骤，特别优选地进行T6处理。此外，该热处理步骤(T6处理步骤)优选包括在不低于约450℃并不高于约520℃的温度下对模制件进行不小于约三个小时并不超过约五个小时的热处理、然后进行液体冷却的步骤(第一热处理步骤)；以及随后在不低于约180℃并不高于约220℃的温度下对模制件进行不小于约三个小时并不超过约五个小时的时的热处理的步骤(第二热处理步骤)。
第一热处理步骤使存在于合金内的任何铝和铜的化合物分解，从而使铜原子分散在基体1013内，随后的第二热处理步骤使这些铜原子在基体1013内凝聚。此凝聚状态也称为共格析出状态。通过使铜原子在基体1013内共格析出，提高了基体1013保持硅晶粒1011和1012的强度。由于第一热处理步骤允许针状共晶硅粒1012分散在基体1013内，该基体1013的支承力(即，支承硅晶粒的力)得到提高，从而还可获得防止硅晶粒脱落的效果。
现在，说明用于铸造工艺(图4中步骤S3)的铸造设备。图5示出用于铸造工艺的高压压铸设备。图5所示的高压压铸设备包括一模具1以及覆盖整个模具1的罩14。
模具1由一保持固定的固定模具2和一具有活动部的活动模具3组成。活动模具3包括一基模具4和一滑动模具5。这些模具由考虑到冷却效率而选择的材料形成；例如，这些模具由在其内部添加约1％的硅和约1％的钒的铁合金(例如，JIS-SKD61)形成。
首先，说明模具构造。滑动模具5按每90°分为四个部分，从而使每个分开的部分具有一气缸6(图5中仅示出两个气缸6)。通过气缸6的作用，滑动模具5的每个分开部分沿着图5中箭头A指示的方向在基模具4面向该滑动模具5的表面30(即，与滑动模具5相邻接的表面)上滑动，以在铸造时在一中央部内形成一对应于气缸体的空腔7。
在空腔7的中央部内，设有用于形成气缸孔的气缸孔形成部7a。在所示的高压压铸设备中，气缸孔形成部7a形成为与基模具4成一体；在铸造时，其顶端7b如图所示地与固定模具2面向活动模具3的表面邻接。在空腔7内，设有用于形成水套的型芯(core)7c。型芯7c与基模具4分开形成，从而可相对于基模具4移动。
基模具4设置有一挤出销8。对于每次喷射(shot)，随着滑动模具5开启，通过挤出销8将模制件挤出，从而从模具1中取出该模制件。
下面，说明熔体供给系统。固定模具2设有一喷射套筒9。在喷射套筒9内，设在一杆10顶端处的柱塞端11作往复运动。在喷射套筒9中形成有一熔体供给口12。当柱塞端11位于原始位置(即，熔体供给口12的“后面”或者右侧(如图5所示))时，一次喷射量的熔体经由熔体供给口12注入。熔体供给口12的前面设有一顶端传感器13。顶端传感器13检测柱塞端11通过熔体供给口12。随着柱塞端11挤压熔体，空腔7充满该熔体。
罩14包括用于容纳固定模具2的第一罩件14a和用于容纳活动模具3的第二罩件14b。为保持罩14内的气密性，在与第一罩件14a的邻接第二罩件14b的表面32上安装一密封件15，例如“O”形环。在罩14与各穿过该罩14的气缸6、挤出销8及喷射套筒9之间的任何间隙处也安装有如“O”形环的密封件15。在第二罩件14b上设有用于使罩14内部通向大气的漏泄阀16。可选地，可在第一罩件14a上设置漏泄阀16。
在固定模具2内，形成一和空腔7连通的通风道17。在通风道17内，设有一开/关阀18，也设置有避开该开/关阀18所设置部分的一旁路通道17a。设置旁路通道17a是为了在铸造期间在模具1中真空抽吸时使通风道17与该模具1的外部连通(即，如图5所示的状态)。当开/关阀18在图5中向上或向下移动时，旁路通道17a和通风道17被关闭或打开。利用弹簧使开/关阀18开启，以便通道通常保持开启。可选地，通风道17可形成在活动模具3上。
例如，开/关阀18是一种金属接触式(metal-touch)阀。一旦空腔7充满熔体，过量熔体将移上通风道17，直至该熔体接触开/关阀18，从而向上推该开/关阀18。结果是，旁路通道17a与通风道17一起关闭，从而防止熔体喷出模具1。
可选地，可采用一种检测柱塞端11的位置并在完成对一次喷射熔体的推挤时利用一致动器关闭通风道17的阀，以代替这种金属接触式阀。
可选地，可采用一种急冷通风结构来防止熔体喷出。在该种急冷通风结构中，形成有一与空腔7连通的“Z”形细长通道。使溢出空腔7的任何熔体在经过此通道的半路固化，从而防止该熔体喷出模具1。
为最小化散布在模制件内的空气量，必须在供给熔体之前使空腔7内部处于减压状态。对于罩14(或者更具体地，在此例中是第一罩件14a)，连接一条或多条(即，在此例中为两条)与真空罐19连通的真空管道20。通过一真空泵21使真空罐19保持在一预定真空压力下。安装在每条真空管20内的电磁阀20a受一控制装置22控制而开启或关闭。具体地，控制装置22基于柱塞端11的冲程位置的检测信号、冲程时间有关的计时信号等根据空腔7减压的启动/终止定时来控制该开/关。
尽管本优选实施例示出了罩14覆盖整个模具1的例子，但可选地，该罩14也可仅覆盖模具1的一部分。例如，可分别沿着基模具4与滑动模具5的邻接面30和滑动模具5与固定模具2的邻接面31的周缘30a和31a以环状方式覆盖模具1的外周。可选地，可设置成形为覆盖用于驱动滑动模具5的气缸6的罩。
因此，根据本优选实施例的高压压铸设备，罩14设置成覆盖模具1，并且该罩14的内部被抽空。通过这样给空腔7的内部减压来进行铸造。因此，即使在滑动模具5分为很多部分的情况下，仍然可对整个模具1实施真空抽吸，而无须为该模具1自身提供密封。由于对空腔7的真空抽吸也可从邻接面30和31之间的间隙进行，所以可获得高度真空，从而能更可靠地从模具1内移除气体。由于第一罩件14a与第二罩件14b之间的密封件15安装在离自身必须升至一高温的模具1一定距离的位置处，所以来自该模具1的热影响很小。由此，防止了密封件15的恶化，也提高了其耐用性。
在铸造工艺中，冷却水流量调节单元60控制模具1的冷却。通过使冷却水流经一形成在基模具4内的冷却水流道60a对模具1进行冷却。具体地，利用通过柱塞端11对高速喷射的定时，开启一(未示出的)阀以使冷却水流动一特定时间段(例如，直至打开模具并取出模制件的时间段)。
本优选实施例中的冷却水流量调节单元60还能控制模具1的气缸孔形成部7a的冷却速率。在本优选实施例中，冷却水流道60a伸入气缸孔形成部7a的内部，从而可以通过控制冷却水的量来控制该气缸孔形成部7a的冷却速率。因此，可以希望的冷却速率来冷却模制件的滑动面区域(即，熔体的位于滑动面附近的一部分)。
如已经说明的，通过以不低于约4℃/秒并不高于约50℃/秒的冷却速率冷却滑动面区域，确保初结晶硅粒1011的平均晶粒度落入不小于约12μm并不大于约50μm的范围内，而共晶硅粒1012的平均晶粒度等于或小于约7.5μm。
例如，如图5所示，通过使用一设在基模具4的气缸孔形成部7a内部的温度传感器61检测滑动面附近的温度，并通过在监控实际温度的同时利用一数据记录器62经由温度管理来调节冷却水流量而使其等于希望的冷却速率，进行冷却速率的控制。如果冷却速率太快，硅晶粒将不能生长至可实现足够耐磨性的粒度。因此，优选以这种方式进行冷却，即初始采用较慢冷却速率，并且在硅晶粒刚要变得粗大之前采用较快冷却速率以阻止生长。
在开始铸造之前，将滑动模具5设置在一预定位置，随后使活动模具3抵靠在固定模具2上以闭合模具，从而形成空腔7。此时，当第一罩件14a与第二罩件14b邻接而密封件15介于两者之间时，该罩14的内部就得到密封。通过这种进行(使固定模具2与活动模具3紧靠在一起而形成空腔7的)模具闭合步骤的同时完成(用罩14覆盖模具1以实现密封的)密封步骤，可缩短铸造周期。然而应注意的是，这些步骤并不需要同时进行。可选地，可首先将固定模具2与活动模具3紧靠在一起形成空腔7，随后可用罩14覆盖模具1而实现密封。
现在，按时间顺序(从时间t0至时间t6)说明图5所示的高压压铸设备的操作。
时间t0柱塞端11位于其原始位置(熔体供给口12的“后面”)，熔体供给口12连通。模具1的内部经由熔体供给口12暴露于大气。在此状态下，一次喷射量的铝合金熔体从熔体供给口12注入喷射套筒9中。在喷射熔体之后，柱塞端11以低速向前移动，从而往前推压喷射套筒9内的熔体。
时间t1顶端传感器13检测柱塞端11。由于在此状态下柱塞端11位于熔体供给口12的前面，罩14的内部以完全气密方式密封。此时，电磁阀20a被驱动以抽空罩14的内部。
这样进行该抽空，即同时对模具1与罩14之间的空间33和空腔7进行抽空。因此，实施一高效减压步骤，从而缩短铸造周期。
应注意的是，用于空腔7的抽空通道可不同于用于模具1与罩14之间空间33的抽空通道，从而以不同的定时进行两种抽空操作。例如，如果模具1与罩14之间的空间33在抽空空腔7之前抽空，可能已扩散到或者附着在如模具1的邻接面和滑动模具5的面向滑动面的表面的间隙上的任何液体脱模剂会被直接吸向空间33，而不会吸入空腔7中。由此，防止过量脱模剂流入空腔7并与熔体混合，从而防止诸如针孔的缺陷。
通过如上所述的抽空操作，模具1的空腔7的内部得到减压，从而逐渐增大真空度。柱塞端11保持慢速向前移动，朝向空腔7推压熔体。如果在柱塞端11移过熔体供给口12后开始抽空，可防止大气经由该熔体供给口12吸入模具1内。结果是，更确实地防止出现针孔，并且防止通过大气局部冷却熔体表面，从而获得具有均匀且质量稳定的铸件。
时间t2当熔体到达空腔7的入口时，柱塞端11的前进速度由慢变快，随后该熔体迅速进入该空腔7中。
时间t3空腔7完全充满熔体，从而完成喷射。由于此时熔体向上推通风道17的开/关阀18，从而防止了熔体喷出通风道17。在通过柱塞端11进行高速喷射时，可使冷却水流过设置在气缸孔形成部7a内部的冷却水流道60a，这样就以不低于约4℃/秒并不高于约50℃/秒的冷却速率冷却要变成滑动面(即，面向气缸孔的表面)的熔体的部分的区域。
时间t4停止真空泵21，结束通过抽空进行的减压。此时，罩14的内部仍为减压状态。
时间t5开启漏泄阀16以使罩14的内部暴露于大气。由于大气通过漏泄阀16流入，随着时间推移罩14内的空气压力变得越来越接近大气压。
时间t6罩14内的空气压力完全恢复到大气压。此时，打开模具1，取出模制件(铸件)。
通过采用上述制造方法，实际原型造出图2所示的气缸体100，并评价其耐磨性和强度。以下示出部分结果。作为铝合金，采用具有表1所示成分的铝合金。
表1
作为硅，采用高纯度硅。铝合金中的钙含量等于或小于约0.01重量％。作为熔融时的清渣方法，仅进行氩气起泡，而铝合金中的钠含量等于或小于约0.1重量％。通过确保钙和钠含量分别等于或小于约0.01重量％和等于或小于约0.1重量％，可使磷的硅晶粒微化效应守恒，并获得具有优良耐磨性的金相组织。
采用具有前述成分的铝合金，通过图5所示的高压压铸设备进行铸造。在用温度传感器61检测温度的同时，通过使冷却水流经冷却水流道60a而进行气缸孔形成部7a的冷却，从而冷却速率不低于约25℃/秒并不高于约30℃/秒，直至温度到达不低于约400℃并不高于约500℃的范围内。在约490℃下对从模具1中取出的气缸体进行约4小时的热处理(固溶处理)，然后用水冷却，并进一步地在约200℃下对其进行约4小时的热处理(时效过程)。之后，对气缸体实施珩磨工艺。
为进行对比，还采用具有相同成分的铝合金利用砂型而不冷却气缸孔形成部来进行铸造。在砂型铸造之后，进行类似于对原型所实施的固溶处理、时效工艺和珩磨工艺。
对于所得到的原型气缸体和对比气缸体，用一金相显微镜观察它们的滑动面。图6A和6B以及图7A和7B示出各滑动面的金相显微镜照片。图6A和6B示出利用砂型铸造的对比例的滑动面201。图7A和7B示出利用高压压铸铸造的原型的滑动面101。注意到在图6A和图7A添加了参考数字，而图6A中示出了直径约50μm的圆圈。
如从图6A和6B看到的，在对比例的滑动面201上，存在许多粒度超过约50μm的初结晶硅粒2011。另一方面，如从图7A和7B看到的，在原型的滑动面101上的初结晶硅粒1011具有约50μm或更小的粒度，由此表明与对比例相比，微小的初结晶硅粒1011均匀分布。
此外可看到，形成在原型的滑动面101上的共晶硅粒1012(主要是针形，仅某些是粒状)比形成在对比例的滑动面201上的共晶硅粒2012(大部分是针形)更细。
对于对比例和原型，计算硅晶粒的平均晶粒度。这里使用的“粒度”是相应圆圈的直径。将目标区域中的表面数据输入计算机，并利用商业可获得的软件(来自Mitani Corporation的win ROOF)计算平均晶粒度。
对比例的滑动面201上的初结晶硅粒2011具有约60μm或更大的平均晶粒度。另一方面，原型的滑动面101上的初结晶硅粒1011具有约24μm的平均粒度。此外，原型的滑动面101上的共晶硅粒1012具有约6.4μm的平均晶粒度。
对比例的滑动面201具有约15％的空隙率(被限定为含有铜等的铝固溶体2013的面积与滑动面201的总面积的比率)。另一方面，原型的滑动面101具有约35％的空隙率(被限定为含有铜等的铝固溶体1013的面积与滑动面101的总面积的比率)。
对于对比例和原型，在滑动面的面积接近800μm×1000μm的任意矩形区域内，利用目测计算直径约50μm并不含有任何晶粒度约0.1μm或更大的硅晶粒的圆形区域的数量。已证实对原型而言此数量为五或更少。另一方面，如从图6A清楚可见的，对比例中存在许多这种圆形区域。由此可见，在原型的滑动面上的硅晶粒比在对比例的滑动面上的硅晶粒散布得更均匀。
对于对比例和原型，检查滑动面上硅晶粒的粒度分布。结果示于图8和图9中。图8是用于由砂型铸造的对比例的图表。图9是用于由高压压铸铸造的原型的图表。
如从图8看到的，形成在对比例的滑动面201上的硅晶粒具有这样的粒度分布，即一个峰值存在于不小于约10μm并不大于约15μm的晶粒度范围内，而另一峰值存在于不小于约51μm并不大于约63μm的晶粒度范围内。晶粒度落在不小于约10μm并不大于约15μm范围内的硅晶粒是共晶硅粒，而晶粒度落在不小于约51μm并不大于约63μm的硅晶粒是初结晶硅粒。
另一方面，如从图9看到的，形成在原型滑动面101上的硅晶粒具有这样的粒度分布，即一个峰值存在于不小于约1μm并不大于约7.5μm的晶粒度范围内，而一个峰值存在于不小于约12μm并不大于约50μm的晶粒度范围内。晶粒度落在不小于约1μm并不大于约7.5μm范围内的硅晶粒是共晶硅粒，而晶粒度落在不小于约12μm并不大于约50μm的硅晶粒是初结晶硅粒。从这些结果还看到，形成在原型中的硅晶粒比形成在对比例中的硅晶粒小。顺便一提的是，原型的滑动面101的一洛氏硬度(HRB)经测量约为70。
接着，分别利用原型气缸体和对比气缸体组装发动机(或者具体地，四冲程水冷却式汽油发动机)，并对该发动机进行耐磨试验。要插入气缸孔的活塞的滑动面被镀铁至约15μm的厚度。以约9000rpm的转速使该发动机运转约10小时。
图10示出经受耐磨试验后的对比气缸体200的滑动面201的放大照片。如图10所示，在活塞环的顶死点206下方的整个区域内，滑动面201上留有明显擦痕，表明对比气缸体200的耐用性差。
图11示出经受耐磨试验后的原型气缸体100的滑动面101的放大照片。如图11所示，在活塞环的顶死点106下方的区域内，滑动面101上未留有擦痕，表明原型气缸体100的耐用性优良。
即使仅从上述结果也可以看到，在砂型铸造的情况下，不对气缸孔形成部进行特殊冷却并且不控制滑动面区域的冷却速率，从而使形成在该滑动面上的硅晶粒变得巨大，由此降低气缸体的耐用性。对于采用模具的传统压铸也是一样。在采用压铸的批量生产步骤中，热量可能残留在模具的气缸孔形成部内，从而使硅晶粒变得巨大。另一方面，在本优选实施例的制造方法中，控制滑动面区域的冷却速率以使其在一预定范围内。由此，在滑动面上形成具有优选平均晶粒度(或者优选粒度分布)的硅晶粒，从而极大提高气缸体的耐磨性和强度。
如上所述，从防止硅晶粒变得巨大的角度，还优选地是规定钙含量等于或小于约0.01重量％。铝合金中的钙与应用作硅晶粒的微化剂的磷形成一种化合物，由此削弱磷的微化效应。因此，如图12所示，当铝合金含有大于约0.01重量％的钙时，初结晶硅粒可能变得巨大。另一方面，如果钙含量等于或小于约0.01重量％，可能更可靠地获得由磷带来的硅晶粒微化效应。
此外，若微小硅晶粒均匀散布在滑动面上，将要形成在该硅晶粒之间的油槽也较小，从而能在该油槽内可靠地保持润滑剂，导致润滑性提高和耐磨性提高。如图13示意性示出的，在滑动面101上，硅晶粒1010从含有铜等的铝固溶体(基体)1013中突出，从而使润滑剂1015保持在硅晶粒1010之间的凹槽1014内。通过均匀散布微小硅晶粒并确保凹槽1014的直径在不小于约1μm并不大于约7.5μm的范围内，由于表面张力而能获得更可靠的润滑剂保持，从而有助于提高润滑性和耐磨性。
接着，为确定滑动面区域的冷却速率与硅晶粒的平均晶粒度和耐磨性之间的关系，在改变滑动面区域的冷却速率的同时，用与上述原型相同的条件制造多个气缸体。
利用由此制成的多个气缸体中的每个组装发动机，并进行耐磨试验。结果是，已证实在冷却速率不低于约4℃/秒并不高于约50℃/秒条件下铸造的气缸体中几乎没有任何擦痕，由此表明耐磨性良好。
此外，对于那些在冷却速率不低于约4℃/秒并不高于约50℃/秒条件下铸造的气缸体，用金相显微镜观察滑动面。结果是，已证实滑动面上初结晶硅晶粒的平均晶粒度不小于约12μm并不大于约50μm，并且共晶硅粒具有不大于约7.5μm的平均硅晶度。滑动面的洛氏硬度(HRB)在不低于约60并不高于约80的范围内。
图14A至14E示出冷却速率改变时初结晶硅粒的平均晶粒度和空隙率的变化。如图14A所示，当冷却速率等于或小于约1℃/秒时，平均晶粒度大到约56.5μm，表明初结晶硅粒的粒度巨大。另一方面，当冷却速率不低于约4℃/秒并不高于约50℃/秒时，如图14B至14E所示，初结晶硅粒具有范围在不小于约12μm并不大于约50μm内的平均晶粒度。
此外，采用在滑动面冷却速率快于约50℃/秒条件下铸造的气缸体组装发动机，并进行耐磨试验，显示在整个滑动面上都有擦痕。用金相显微镜观察滑动面，显示初结晶硅粒具有约10μm或更小的平均晶粒度。未观察到任何共晶硅粒。
实际上，从铸造过程的开始到结束冷却速率并不保持恒定。图15示出在铸造过程开始后温度与时间之间的关系。在本说明书中，基于熔体供给温度T0、取出温度T3、铸造开始时间t0以及取出时间t3，将铸造过程中的冷却速率限定为(T0-T3)/(t3-t0)。以下表2示出冷却速率与熔体供给温度、取出温度以及周期之间的示例性关系。
表2
基于固化开始温度T1、共晶温度T2、固化开始时间t1以及到达共晶温度的时间t2，将初结晶硅粒的粒度确定为(T1-T2)/(t2-t1)。另一方面，基于共晶硅粒的结晶结束的时间t2′，将共晶硅粒的粒度确定为t2′-t2。通常，当初结晶硅粒的粒度增大时，共晶硅粒的粒度也增大；当初结晶硅粒的粒度减小时，共晶硅粒的粒度也减小。
如上所述，本发明不同优选实施例的气缸体都具有优良的耐磨性和强度，因此适用于包括机动车辆使用的发动机在内的各种发动机。特别地，本发明气缸体适用于如摩托车发动机的以高转速运转的发动机，并能极大地提高发动机的耐用性。
图16示出装有本发明优选实施例的气缸体100的示例性发动机150。发动机150包括一曲轴箱110、气缸体100和一气缸盖130。
在曲轴箱110内，收容有一曲轴111。曲轴111包括一曲柄销112和一曲柄臂113。
在曲轴箱110的上方设置气缸体100。活塞122插入气缸体100的气缸孔内。活塞122的滑动面镀铁并具有比气缸体100的滑动面101更大的表面硬度。应注意的是，活塞122的滑动面可涂覆有固体润滑剂。在这种情况下，活塞122的滑动面可具有比气缸体100的滑动面低的表面硬度。基于各种条件(例如，样式、目标、成本等)作出活塞122的滑动面和气缸体100的滑动面101中哪一个应具有较高表面硬度(即，哪一个应具有较强耐磨性)的选择。
气缸孔内未设置气缸套，而且气缸体100的气缸孔壁103的内表面没有镀层。换句话说，初结晶硅粒1011暴露在气缸孔壁103的表面上。应注意的是，具有镀过的气缸孔壁的气缸体可与滑动面上按上述模式或种类形成有硅晶粒的活塞结合使用。然而，在可以确保耐磨性的同时，在此情况下冷却性能将下降。
在气缸体100上设置气缸盖130。气缸盖130与气缸体100的活塞122一起形成一燃烧室131。气缸盖130包括一进气口132和一排气口133。在进气口132内，设有一用于向燃烧室131内供应气体混合物的进气阀134。在排气口内，设有一用于从燃烧室131排出空气的排气阀135。
活塞122和曲轴111经由一连杆140连接。具体地，活塞122的活塞销123插入位于连杆140的小端142内的通孔中，而曲轴111的曲柄销112插入位于连杆140的大端144内的通孔中，由此活塞122和曲轴111连接到一起。在大端144内的通孔的内表面与曲柄销112之间设有一滚柱轴承114。
由于图16所示的发动机150装有本发明上述优选实施例的气缸体100，所以发动机150具有优良的耐用性。由于本发明各种优选实施例的气缸体100的特征在于滑动面101的高耐磨性和高强度，因此不再需要一气缸套。从而，可简化发动机制造步骤，可减轻发动机重量并改善冷却性能。此外，由于不需要对气缸孔壁103的内表面进行镀层，还可降低制造成本。
图17示出装有图16所示的发动机150的摩托车。
在图17所示的摩托车中，在主体车架301的前端设置一前管302。一前叉303与前管302连接，从而可朝摩托车的左右方向摆动。在前叉303的下端，支承一前轮304使其能转动。
一座椅导轨306连接到主体车架301而从其上后端起向后方延伸。在主体车架301的上方设有一燃油箱307，并且在座椅导轨306上设置一主座椅308a和一串联式板(tandem sheet)308b。
在主体车架301的后端，安装有向后方延伸的后臂309。在后臂309的后端支承一后轮310使其可转动。
如图16所示的发动机150容纳在主体车架301的中央部内。本发明任一优选实施例的气缸体100用在发动机150中。在发动机150的前面设有一散热器311。一排气管312与发动机150的排气口连接，并且一消音器313安装在排气管312的后端。
一变速器315联接到发动机150上。一驱动链轮317安装在变速器315的输出轴316上。驱动链轮317经由一链条318与后轮310的后轮链轮319联接。变速器315和链条318用作用于将发动机150产生的原动力传递给驱动轮的传动机构。
图17所示的摩托车装有采用了本发明任一优选实施例的气缸体100的发动机150，因而能提供优选的性能。
工业应用根据本发明的各种优选实施例，提供一种具有优良耐磨性和强度的发动机部件以及一种用于制造该发动机部件的方法。
根据本发明优选实施例的发动机部件可适用于包括机动车辆用发动机在内的各种发动机，且尤其适用于以高转速运转的发动机。应理解的是，前面的描述仅仅为了说明本发明。在脱离本发明的情况下，本领域的技术人员可想出各种变更和变形。因此，本发明旨在包括落在所附权利要求书的范围内的所有变更、变形和变化。
权利要求
1.一种由含硅的铝合金形成的发动机部件，它包括位于一滑动面上的多个初结晶硅粒；其中，所述多个初结晶硅粒具有不小于约12μm并不大于约50μm的平均晶粒度。
2.根据权利要求1所述的发动机部件，其特征在于，还包括分布在所述多个初结晶硅粒之间的多个共晶硅粒，其中，所述多个共晶硅粒具有不大于约7.5μm的平均晶粒度。
3.根据权利要求1或2所述的发动机部件，其特征在于，所述发动机部件是一气缸体，所述多个初结晶硅粒暴露在所述气缸体的气缸孔壁的表面上。
4.一种由含硅的铝合金形成的发动机部件，它包括位于一滑动面上的多个硅晶粒；其中，所述多个硅晶粒具有包括至少两个峰值的粒度分布；以及所述至少两个峰值包括在不小于约1μm并不大于约7.5μm的晶粒度范围内的第一峰值和在不小于约12μm并不大于约50μm的晶粒度范围内的第二峰值。
5.根据权利要求4所述的发动机部件，其特征在于，在所述滑动面的面积接近800μm×1000μm的任一矩形区域内，直径约为50μm并不含有晶粒度约0.1μm或更大的任何硅晶粒的圆形区域的数量等于或小于五。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的发动机部件，其特征在于，所述铝合金包含不小于约73.4重量％并不大于约79.6重量％的铝；不小于约18重量％并不大于约22重量％的硅；以及不小于约2.0重量％并不大于约3.0重量％的铜。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的发动机部件，其特征在于，所述铝合金包含不小于约50重量ppm并不大于约200重量ppm的磷和不大于约0.01重量％的钙。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的发动机部件，其特征在于，所述滑动面具有不低于约60并不高于约80的洛氏硬度(HRB)。
9.一种包括权利要求1至8中任一项所述的发动机部件的发动机。
10.一种由铝合金形成的气缸体，该铝合金包含不小于约73.4重量％并不大于约79.6重量％的铝；不小于约18重量％并不大于约22重量％的硅；以及不小于约2.0重量％并不大于约3.0重量％的铜，所述气缸体包括位于一设置成与一活塞接触的滑动面上的多个初结晶硅粒，以及分布在所述多个初结晶硅粒之间的多个共晶硅粒；其中，所述多个初结晶硅粒具有不小于约12μm并不大于约50μm的平均晶粒度，并且所述多个共晶硅粒具有不大于约7.5μm的平均晶粒度；所述铝合金包含不小于约50重量ppm并不大于约200重量ppm的磷；和不大于约0.01重量％的钙；以及所述滑动面具有不低于约60并不高于约80的洛氏硬度(HRB)。
11.一种由铝合金形成的气缸体，所述铝合金包含不小于约73.4重量％并不大于约79.6重量％的铝；不小于约18重量％并不大于约22重量％的硅；和不小于约2.0重量％并不大于约3.0重量％的铜，所述气缸体包括位于一设置成与一活塞接触的滑动面上的多个硅晶粒；其中，所述多个硅晶粒具有包括至少两个峰值的粒度分布；所述至少两个峰值包括在不小于约1μm并不大于约7.5μm的晶粒度范围内的第一峰值和在不小于约12μm并不大于约50μm的晶粒度范围内的第二峰值；在所述滑动面的面积接近800μm×1000μm的任一矩形区域内，直径约为50μm并不含有晶粒度约0.1μm或更大的任何硅晶粒的圆形区域的数量等于或小于五；所述铝合金包含不小于约50重量ppm并不大于约200重量ppm的磷；和不大于约0.01重量％的钙；以及所述滑动面具有不低于约60并不高于约80的洛氏硬度(HRB)。
12.一种包括权利要求10或11所述的气缸体和具有一滑动面的活塞的发动机，所述活塞的所述滑动面的表面硬度高于所述气缸体的所述滑动面的表面硬度。
13.一种包括权利要求9或12所述的发动机的机动车辆。
14.一种用于制造用于发动机的滑动部件的方法，包括步骤(a)预备一种铝合金，该铝合金包含不小于约73.4重量％并不大于约79.6重量％的铝；不小于约18重量％并不大于约22重量％的硅；以及不小于约2.0重量％并不大于约3.0重量％的铜；步骤(b)在一模具内冷却所述铝合金的熔体以形成模制件；步骤(c)在不低于约450℃并不高于约520℃的温度下使该模制件经受不小于约三个小时并不超过约五个小时的时间的热处理，然后液体冷却该模制件；以及步骤(d)在步骤(c)之后，在不低于约180℃并不高于约220℃的温度下使所述模制件经受不小于约三个小时并不超过约五个小时的时间段的热处理；其中，这样进行形成所述模制件的步骤(b)，即以不低于约4℃/秒并不高于约50℃/秒的冷却速率冷却一滑动面的区域。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，形成所述模制件的步骤(b)包括步骤(b-1)在所述滑动面的所述区域内形成多个初结晶硅粒以使该多个初结晶硅粒具有不小于约12μm并不大于约50μm的平均晶粒度；和步骤(b-2)在所述多个初结晶硅粒之间形成多个共晶硅粒以使该多个共晶硅粒具有不大于约7.5μm的平均晶粒度。
全文摘要
本发明涉及一种由含硅铝合金形成的发动机部件，该发动机部件包括位于一滑动面上的多个初结晶硅粒。该多个初晶硅粒具有不小于约12μm并不大于约50μm的平均晶粒度。
文档编号C22C21/02GK1788149SQ20058000043
公开日2006年6月14日 申请日期2005年2月23日 优先权日2004年2月27日
发明者栗田洋敬, 山县裕, 小池俊胜 申请人:雅马哈发动机株式会社