插入机体的气缸套筒以及机体的制作方法
【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(Hroc)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娃含量低于15%的销娃(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1.2_至8.0_，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(Hroc)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(Lroc)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)O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JP059030465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°C )，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LroC)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(Lroc)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(Hroc)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