專利名稱：發(fā)動(dòng)機(jī)部件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)動(dòng)機(jī)部件，例如一種氣缸體或活塞，以及一種制造該發(fā)動(dòng)機(jī)部件的方法。更具體地，本發(fā)明涉及一種由包含硅的鋁合金形成的發(fā)動(dòng)機(jī)部件，以及一種用于制造該發(fā)動(dòng)機(jī)部件的方法。本發(fā)明還涉及裝有這種發(fā)動(dòng)機(jī)部件的發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)動(dòng)車輛。
背景技術(shù)：
近年來，為減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，已趨向于使用鋁合金來制作氣缸體。鑒于氣缸體要求具有高強(qiáng)度和高耐磨性，所以期望含有大量硅的鋁合金可用于制作氣缸體。
通常，含有大量硅的鋁合金難以鑄造，所以使得基于壓鑄的批量生產(chǎn)變得困難。因此，本發(fā)明的發(fā)明人已提出一種能夠采用這種鋁合金批量生產(chǎn)氣缸體的高壓壓鑄技術(shù)(見WO2004/002658的小冊子)。此技術(shù)使得可以批量生產(chǎn)具有足夠用于實(shí)際應(yīng)用中的耐磨性和強(qiáng)度的氣缸體。
然而，根據(jù)可能的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和可能的發(fā)動(dòng)機(jī)使用條件，氣缸體可能要滿足更高的耐磨性和強(qiáng)度要求。例如，在摩托車的情況下，其發(fā)動(dòng)機(jī)在7000rpm或更高的轉(zhuǎn)速下工作，從而對氣缸體具有相當(dāng)高的耐磨性和強(qiáng)度要求。

發(fā)明內(nèi)容
為克服上述問題，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例提供了一種具有優(yōu)良耐磨性和強(qiáng)度的發(fā)動(dòng)機(jī)部件，以及一種用于制造這種新發(fā)動(dòng)機(jī)部件的方法。
根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例的一發(fā)動(dòng)機(jī)部件由含硅的鋁合金形成，該發(fā)動(dòng)機(jī)部件包括位于一滑動(dòng)面上的多個(gè)初結(jié)晶硅粒，其中該多個(gè)初結(jié)晶硅粒具有不小于約12μm并不大于約50μm的平均晶粒度。采用此獨(dú)特構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)了上述優(yōu)點(diǎn)和方案。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，該發(fā)動(dòng)機(jī)部件還包括分布在多個(gè)初結(jié)晶硅粒之間的多個(gè)共晶硅粒，其中，該多個(gè)共晶硅粒具有不大于約7.5μm的平均晶粒度。采用這種獨(dú)特構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)了上述優(yōu)點(diǎn)和方案。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，具有前述構(gòu)造的發(fā)動(dòng)機(jī)部件是一氣缸體，其中，所述多個(gè)初結(jié)晶硅粒暴露在氣缸孔壁的表面上。
可選地，根據(jù)本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)部件由含硅的鋁合金形成，該發(fā)動(dòng)機(jī)部件包括位于一滑動(dòng)面上的多個(gè)硅晶粒，其中，該多個(gè)硅晶粒具有包括至少兩個(gè)峰值的粒度分布；并且該至少兩個(gè)峰值包括在不小于約1μm且不大于約7.5μm的晶粒度范圍內(nèi)的第一峰值和在不小于約12μm且不大于約50μm的晶粒度范圍內(nèi)的第二峰值。采用這種獨(dú)特構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)了上述優(yōu)點(diǎn)和方案。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，在所述滑動(dòng)面的面積接近800μm×1000μm的任一矩形區(qū)域內(nèi)，直徑約為50μm并不含有晶粒度約0.1μm或更大的任何硅晶粒的圓形區(qū)域的數(shù)量等于或小于五。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，鋁合金包含不小于約73.4重量％并不大于約79.6重量％的鋁；不小于約18重量％并不大于約22重量％的硅；以及不小于約2.0重量％并不大于約3.0重量％的銅。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，鋁合金包含不小于約50重量ppm并不大于約200重量ppm的磷；和不大于約0.01重量％的鈣。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，滑動(dòng)面具有不低于約60并不高于約80的洛氏硬度(HRB)。
根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)包括具有前述構(gòu)造的發(fā)動(dòng)機(jī)部件。采用這種獨(dú)特構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)了前述優(yōu)點(diǎn)和方案。
根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例的氣缸體是由鋁合金形成的氣缸體，該鋁合金包含不小于約73.4重量％并不大于約79.6重量％的鋁；不小于約18重量％并不大于約22重量％的硅；和不小于約2.0重量％并不大于約3.0重量％的銅，該氣缸體包括位于一設(shè)置成與一活塞接觸的滑動(dòng)面上的多個(gè)初結(jié)晶硅粒和分布在該多個(gè)初結(jié)晶硅粒之間的多個(gè)共晶硅粒，其中，該多個(gè)初結(jié)晶硅粒具有不小于約12μm并不大于約50μm的平均晶粒度，而多個(gè)共晶硅粒具有不大于約7.5μm的平均晶粒度；該鋁合金包含不小于約50重量ppm并不大于約200重量ppm的磷；和不大于約0.01重量％的鈣；并且滑動(dòng)面具有不低于約60并不高于約80的洛氏硬度(HRB)。采用這種獨(dú)特構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)了前述優(yōu)點(diǎn)和方案。
可選地，根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例的氣缸體是由鋁合金形成的氣缸體，該鋁合金包含不小于約73.4重量％并不大于約79.6重量％的鋁；不小于約18重量％并不大于約22重量％的硅；以及不小于約2.0重量％并不大于約3.0重量％的銅，該氣缸體包括形成在一與活塞接觸的滑動(dòng)面上的多個(gè)硅晶粒，其中，該多個(gè)硅晶粒具有包括至少兩個(gè)峰值的粒度分布；該至少兩個(gè)峰值包括在不小于約1μm并不大于約7.5μm的晶粒度范圍內(nèi)的第一峰值和在不小于約12μm并不大于約50μm的晶粒度范圍內(nèi)的第二峰值；在滑動(dòng)面的面積接近800μm×1000μm的任一矩形區(qū)域內(nèi)，直徑約為50μm并不含有晶粒度約0.1μm或更大的任何硅晶粒的圓形區(qū)域的數(shù)量等于或小于五；該鋁合金包含不小于約50重量ppm并不大于約200重量ppm的磷；和不大于約0.01重量％的鈣；并且滑動(dòng)面具有不低于約60并不高于約80的洛氏硬度(HRB)。采用這種獨(dú)特構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)了前述優(yōu)點(diǎn)和方案。
可選地，根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)包括具有前述構(gòu)造的氣缸體；和具有一滑動(dòng)面的活塞，該活塞的滑動(dòng)面的表面硬度高于該氣缸體的滑動(dòng)面的表面硬度。采用這種獨(dú)特構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)了前述優(yōu)點(diǎn)和方案。
根據(jù)本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施例的機(jī)動(dòng)車輛包括具有前述構(gòu)造的發(fā)動(dòng)機(jī)。采用這種獨(dú)特構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)了前述優(yōu)點(diǎn)和方案。
根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例的用于制造用于發(fā)動(dòng)機(jī)的滑動(dòng)部件的方法，包括步驟(a)制備一種鋁合金，該鋁合金包含不小于約73.4重量％并不大于約79.6重量％的鋁；不小于約18重量％并不大于約22重量％的硅；以及不小于約2.0重量％并不大于約3.0重量％的銅；步驟(b)在一模具內(nèi)冷卻該鋁合金的熔體以形成模制件；步驟(c)在不低于約450℃并不高于約520℃的溫度下對該模制件進(jìn)行不小于約三個(gè)小時(shí)并不超過約五個(gè)小時(shí)的時(shí)間段的熱處理，然后液體冷卻該模制件；和步驟(d)在步驟(c)之后，在不低于約180℃并不高于約220℃的溫度下對該模制件進(jìn)行不小于約三個(gè)小時(shí)并不超過約五個(gè)小時(shí)的時(shí)間段的熱處理，其中，這樣進(jìn)行形成模制件的步驟(b)，即以不低于約4℃/秒并不高于約50℃/秒的冷卻速率冷卻一滑動(dòng)面的區(qū)域。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，形成模制件的步驟(b)包括步驟(b-1)在滑動(dòng)面的所述區(qū)域內(nèi)形成多個(gè)初結(jié)晶硅粒以使該多個(gè)初結(jié)晶硅粒具有不小于約12μm并不大于約50μm的平均晶粒度；和步驟(b-2)在多個(gè)初結(jié)晶硅粒之間形成多個(gè)共晶硅粒以使該多個(gè)共晶硅粒具有不大于約7.5μm的平均晶粒度。
根據(jù)本發(fā)明的各種優(yōu)選實(shí)施例，提供一種具有優(yōu)良耐磨性和強(qiáng)度的發(fā)動(dòng)機(jī)部件以及一種用于制造該發(fā)動(dòng)機(jī)部件的方法。
從以下參照附圖對本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說明，本發(fā)明的其它特征、元件、工藝、步驟、特征及優(yōu)點(diǎn)將變得更明顯。


圖1是示意性示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的氣缸體100的透視圖；圖2是氣缸體100的滑動(dòng)面的放大示意圖；圖3A、3B和3C是用于說明初結(jié)晶硅粒的平均晶粒度與氣缸體的耐磨性之間的關(guān)系的示圖；圖4是說明制造氣缸體100的方法的流程圖；圖5是示出用于鑄造氣缸體100的高壓壓鑄設(shè)備的示意圖；圖6A和6B是利用砂型鑄造的對比氣缸體的滑動(dòng)面的金相顯微鏡照片；圖7A和7B是通過高壓壓鑄鑄造的原型氣缸體的滑動(dòng)面的金相顯微鏡照片；圖8是示出形成在對比氣缸體的滑動(dòng)面上的硅晶粒的粒度分布的圖表；圖9是示出形成在原型氣缸體的滑動(dòng)面上的硅晶粒的粒度分布的圖表；圖10是進(jìn)行耐磨試驗(yàn)之后的對比氣缸體的滑動(dòng)面的放大照片；圖11是進(jìn)行耐磨試驗(yàn)之后的原型氣缸體的滑動(dòng)面的放大照片；圖12是示出由于鈣阻礙的磷的微化效應(yīng)而變得粗大的硅晶粒的照片；圖13是示意性示出潤滑劑怎樣保留在滑動(dòng)面上的油槽中的機(jī)構(gòu)的剖視圖；圖14A至14E是分別示出在不同冷卻速率條件下鑄造的氣缸體的滑動(dòng)面的金相顯微鏡照片；圖15是示出在鑄造過程開始后溫度與時(shí)間之間關(guān)系的圖表；圖16是示意性示出具有氣缸體100的發(fā)動(dòng)機(jī)150的剖視圖；以及圖17是示意性示出具有圖16所示發(fā)動(dòng)機(jī)150的摩托車的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明人已對氣缸體的滑動(dòng)面(即，與活塞接觸的表面)上的硅晶粒的模式或種類與該氣缸體的耐磨性及強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)研究。結(jié)果是，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)通過將硅晶粒的平均晶粒度設(shè)定在一特定范圍內(nèi)和/或確保硅晶粒具有一特定的粒度分布，可極大地提高耐磨性和強(qiáng)度。本發(fā)明基于所發(fā)現(xiàn)的這種信息形成。
此外，本發(fā)明人還研究了用于制造氣缸體的條件，并由此獲得了一種允許在滑動(dòng)面上按前述優(yōu)選模式或種類形成硅晶粒的優(yōu)選制造方法。
以下，將參照

本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。盡管以下說明將主要涉及作為例子的氣缸體，但本發(fā)明并不限于此。本發(fā)明可適當(dāng)?shù)貞?yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的滑動(dòng)部件以及制造該滑動(dòng)部件的方法，該滑動(dòng)部件是內(nèi)燃機(jī)的燃燒室的部件(例如，氣缸體或活塞)。
圖1示出根據(jù)本優(yōu)選實(shí)施例的氣缸體100。氣缸體100由含有硅的鋁合金形成。
如圖1所示，氣缸體100優(yōu)選包括限定氣缸孔102的壁部(稱為“氣缸孔壁”)103和圍繞氣缸孔壁103并限定氣缸體100的外部輪廓的壁部(稱為“氣缸體外壁”)104。在氣缸孔壁103與氣缸體外壁104之間，設(shè)有盛裝冷卻劑的水套105。
氣缸孔壁103的面向氣缸孔102的表面101形成與活塞接觸的滑動(dòng)面。在圖2中放大示出了滑動(dòng)面101。
如圖2所示，氣缸體100包括多個(gè)已經(jīng)形成并位于滑動(dòng)面101上的硅晶粒1011和1012。這些硅晶粒1011和1012分散在含有鋁的固溶體基體1013中。
在具有含有大量硅的過共晶成分的鋁合金熔融時(shí)首先結(jié)晶的硅晶粒稱為“初結(jié)晶硅?！薄ｋS后結(jié)晶的硅晶粒稱為“共晶硅?！?。在圖2所示的硅晶粒1011和1012中，較大硅晶粒1011是初結(jié)晶硅粒。形成在初結(jié)晶硅粒之間的較小硅晶粒1012是共晶硅粒。
共晶硅粒1012通常是如圖2所示的針狀晶體；然而，并不是每個(gè)共晶硅粒1012都是針狀晶體。實(shí)際上，一些共晶硅粒1012可能是粒狀晶體。初結(jié)晶硅粒1011主要由粒狀晶體組成，而共晶硅粒1012主要由針狀晶體組成。
本發(fā)明人通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過使初結(jié)晶硅粒1011的平均晶粒度在不小于約12μm并不大于約50μm的范圍內(nèi)，可極大提高氣缸體100的耐磨性和強(qiáng)度。詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果將在隨后說明。現(xiàn)在，將參照圖3A至3C說明通過設(shè)定上述平均晶粒度范圍能極大提高耐磨性和強(qiáng)度的理由。
如果初結(jié)晶硅粒1011的平均晶粒度超過約50μm，如圖3A的左手側(cè)所示，每單位面積滑動(dòng)面101上的初結(jié)晶硅粒1011的數(shù)量少。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，較大的負(fù)載施加在每個(gè)初結(jié)晶硅粒1011上，于是如圖3A的右手側(cè)所示，初結(jié)晶硅粒1011可能被損壞。如果初結(jié)晶硅粒1011被損壞，形成在滑動(dòng)面101上的潤滑劑膜將被破壞，從而使活塞環(huán)或活塞與滑動(dòng)面101的基體1013直接接觸，造成磨損。此外，被損壞的初結(jié)晶硅粒1011的碎屑會(huì)起到磨粒的作用，從而造成滑動(dòng)面101相當(dāng)大的磨損。
如果初結(jié)晶硅粒1011的平均晶粒度小于約12μm，如圖3B的左手側(cè)所示，每個(gè)初結(jié)晶硅粒1011的僅一小部分嵌埋在基體1013內(nèi)。因此，如圖3B的右手側(cè)所示，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中初結(jié)晶硅粒1011可容易地脫落。由于它們的高硬度這種脫落的初結(jié)晶硅粒1011會(huì)起到磨粒的作用，從而造成滑動(dòng)面101相當(dāng)大的磨損。此外，在這種情況下每個(gè)初結(jié)晶硅粒1011的突出在基體1013上方的部分也較小，這樣保留在滑動(dòng)面101上的潤滑劑膜的厚度將減小。結(jié)果是，可能易于發(fā)生潤滑劑膜破壞，從而造成磨損。
另一方面，如果初結(jié)晶硅粒1011的平均晶粒度不小于12μm并不大于50μm，如圖3C的左手側(cè)所示，每單位面積滑動(dòng)面101上存在足夠數(shù)量的初結(jié)晶硅粒1011。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中每個(gè)初結(jié)晶硅粒1011上的負(fù)載變得較小，從而如圖3C的右手側(cè)所示，防止了初結(jié)晶硅粒1011受到損壞。此外，在這種情況下，每個(gè)初結(jié)晶硅粒1011的突出在基體1013上方的部分具有足夠高度，這使得可以保持足量的潤滑劑。由此，可在滑動(dòng)面101上保持具有足夠厚度的潤滑劑膜，從而防止發(fā)生該潤滑劑膜被破壞及由此產(chǎn)生的磨損。由于每個(gè)初結(jié)晶硅粒1011埋在基體1013內(nèi)的部分足夠大，所以防止了初結(jié)晶硅粒1011脫落。從而，防止了由于脫落的初結(jié)晶硅粒引起地對滑動(dòng)面101的磨損。
此外，本發(fā)明人研究共晶硅粒1012如何加強(qiáng)基體1013而發(fā)現(xiàn)，通過微化共晶硅粒1012，可以提高氣缸體100的耐磨性和強(qiáng)度。具體地，通過確保共晶硅粒1012具有不大于約7.5μm的平均晶粒度，可提高耐磨性和強(qiáng)度。
此外，本發(fā)明人還研究了形成在滑動(dòng)面101上的多個(gè)硅晶粒的粒度分布，發(fā)現(xiàn)通過確保該多個(gè)硅晶粒具有這樣一種粒度分布可極大提高氣缸體100的耐磨性和強(qiáng)度，即該粒度分布的一個(gè)峰值在不小于約1μm并不大于約7.5μm的晶粒度范圍內(nèi)，而另一峰值在不小于約12μm并不大于約50μm的晶粒度范圍內(nèi)。
對于本發(fā)明該優(yōu)選實(shí)施例的氣缸體100，如上所述，形成在滑動(dòng)面101上的硅晶粒使耐磨性提高到如同在氣缸孔壁103的內(nèi)表面上形成了抗磨層的程度。該“抗磨層”還提高了氣缸孔壁103的強(qiáng)度。
存在一種將氣缸套設(shè)置在氣缸孔內(nèi)而提高氣缸體的耐磨性的已知技術(shù)。然而，采用這種技術(shù)，難以確保氣缸套和氣缸體本身之間完全接觸，從而使導(dǎo)熱性降低。此外，氣缸套本身的厚度增大了氣缸孔壁的總厚度，從而使冷卻性能惡化。
另一方面，根據(jù)本優(yōu)選實(shí)施例的氣缸體100，同時(shí)用作提高強(qiáng)度的抗磨層與氣缸孔壁103一體形成。結(jié)果是，防止了導(dǎo)熱性降低并減小了氣缸孔壁103自身的厚度，從而有助于提高冷卻性能。此外，氣缸體100提高后的冷卻性能增大了可進(jìn)入氣缸內(nèi)的混合氣體(在直接噴射情況下是空氣)的量，從而可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。
接著，將參照圖4說明可適用于制造氣缸體100的制造方法。圖4是說明用于制造本優(yōu)選實(shí)施例的氣缸體的方法的流程圖。
首先，準(zhǔn)備一種含硅的鋁合金(步驟S1)。為確保氣缸體100具有足夠耐磨性和強(qiáng)度，優(yōu)選采用這樣一種鋁合金，該鋁合金含有不低于約73.4重量％并不高于約79.6重量％的鋁；不低于約18重量％并不高于約22重量％的硅；以及不低于約2.0重量％并不高于約3.0重量％的銅。該鋁合金可由原始鋁塊或者由回收的鋁合金塊制成。
然后，在熔化爐中對所制備的鋁合金進(jìn)行加熱和熔化，從而形成熔體(步驟S2)。此時(shí)，為防止任何未熔融硅殘留在熔體內(nèi)，將該熔體加熱到一預(yù)定溫度或更高。一旦鋁合金完全熔融，就將熔體保持在一降低后的溫度以防止氧化和吸附氣體。優(yōu)選地，在熔化前以約100重量ppm向坯料或熔體內(nèi)添加磷。如果鋁合金含有不低于約50重量ppm并不高于約200重量ppm的磷，就可以減緩硅晶粒變得粗大的趨勢，從而允許該硅晶粒均勻分散在合金內(nèi)。
然后，使用鋁合金熔體進(jìn)行鑄造(步驟S3)。換句話說，在一模具內(nèi)冷卻熔體而形成模制件。該模制件的成形步驟以這樣的方式進(jìn)行，即以不低于約4℃/秒并不高于約50℃/秒的冷卻速率對滑動(dòng)面區(qū)域進(jìn)行冷卻。隨后將說明在該步驟中所用的鑄造設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)。
然后，對從模具中取出的氣缸體100進(jìn)行公知為“T5”，“T6”和“T7”中的一種熱處理(步驟S4)。T5處理是這樣一種處理，即模制件從模具中取出之后接著就(用水或其類似物)進(jìn)行迅速冷卻，隨后在一預(yù)定溫度下進(jìn)行一預(yù)定時(shí)間段的人工時(shí)效以提高機(jī)械性能和尺寸穩(wěn)定性，然后進(jìn)行空氣冷卻。T6處理是這樣一種處理，即從模具中取出后，模制件在一預(yù)定溫度下進(jìn)行一預(yù)定時(shí)間段的固溶處理，然后用水冷卻，隨后在一預(yù)定溫度下進(jìn)行一預(yù)定時(shí)間段的人工時(shí)效，并繼之用空氣冷卻。T7處理是一種使時(shí)效程度比T6處理更強(qiáng)的處理；盡管T7處理能確保比T6處理更好的尺寸穩(wěn)定性，但所得到的硬度將低于T6處理所獲得的硬度。
然后，對氣缸體100實(shí)施預(yù)定的加工(步驟S5)。具體地，對與氣缸蓋鄰接的表面、與曲軸箱鄰接的表面以及氣缸孔壁103的內(nèi)表面進(jìn)行研磨、車削等。
隨后，對氣缸孔壁103的內(nèi)表面(即，限定滑動(dòng)面101的表面)實(shí)施珩磨工藝(步驟S6)，從而完成氣缸體100。例如，可分粗珩磨、中珩磨和精珩磨三個(gè)步驟來實(shí)施珩磨工藝。
如上所述，根據(jù)該優(yōu)選實(shí)施例的制造方法，以這樣的方式實(shí)施模制件成形步驟，即以不低于約4℃/秒并不高于約50℃/秒的冷卻速率對滑動(dòng)面區(qū)域進(jìn)行冷卻。因此，如以下將要描述的由根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的原型氣缸體看到的，可將形成在滑動(dòng)面101上的初結(jié)晶硅粒1011的平均晶粒度限定在不小于約12μm并不大于約50μm的范圍內(nèi)。此外，同樣如從以下描述的原型中看到的，確保形成在初結(jié)晶硅粒1011之間的共晶硅粒1012的平均晶粒度等于或小于約7.5μm。由此，根據(jù)本優(yōu)選實(shí)施例的制造方法，能夠制造具有優(yōu)良耐磨性和強(qiáng)度的氣缸體100。
作為熱處理步驟，特別優(yōu)選地進(jìn)行T6處理。此外，該熱處理步驟(T6處理步驟)優(yōu)選包括在不低于約450℃并不高于約520℃的溫度下對模制件進(jìn)行不小于約三個(gè)小時(shí)并不超過約五個(gè)小時(shí)的熱處理、然后進(jìn)行液體冷卻的步驟(第一熱處理步驟)；以及隨后在不低于約180℃并不高于約220℃的溫度下對模制件進(jìn)行不小于約三個(gè)小時(shí)并不超過約五個(gè)小時(shí)的時(shí)的熱處理的步驟(第二熱處理步驟)。
第一熱處理步驟使存在于合金內(nèi)的任何鋁和銅的化合物分解，從而使銅原子分散在基體1013內(nèi)，隨后的第二熱處理步驟使這些銅原子在基體1013內(nèi)凝聚。此凝聚狀態(tài)也稱為共格析出狀態(tài)。通過使銅原子在基體1013內(nèi)共格析出，提高了基體1013保持硅晶粒1011和1012的強(qiáng)度。由于第一熱處理步驟允許針狀共晶硅粒1012分散在基體1013內(nèi)，該基體1013的支承力(即，支承硅晶粒的力)得到提高，從而還可獲得防止硅晶粒脫落的效果。
現(xiàn)在，說明用于鑄造工藝(圖4中步驟S3)的鑄造設(shè)備。圖5示出用于鑄造工藝的高壓壓鑄設(shè)備。圖5所示的高壓壓鑄設(shè)備包括一模具1以及覆蓋整個(gè)模具1的罩14。
模具1由一保持固定的固定模具2和一具有活動(dòng)部的活動(dòng)模具3組成?；顒?dòng)模具3包括一基模具4和一滑動(dòng)模具5。這些模具由考慮到冷卻效率而選擇的材料形成；例如，這些模具由在其內(nèi)部添加約1％的硅和約1％的釩的鐵合金(例如，JIS-SKD61)形成。
首先，說明模具構(gòu)造?；瑒?dòng)模具5按每90°分為四個(gè)部分，從而使每個(gè)分開的部分具有一氣缸6(圖5中僅示出兩個(gè)氣缸6)。通過氣缸6的作用，滑動(dòng)模具5的每個(gè)分開部分沿著圖5中箭頭A指示的方向在基模具4面向該滑動(dòng)模具5的表面30(即，與滑動(dòng)模具5相鄰接的表面)上滑動(dòng)，以在鑄造時(shí)在一中央部內(nèi)形成一對應(yīng)于氣缸體的空腔7。
在空腔7的中央部內(nèi)，設(shè)有用于形成氣缸孔的氣缸孔形成部7a。在所示的高壓壓鑄設(shè)備中，氣缸孔形成部7a形成為與基模具4成一體；在鑄造時(shí)，其頂端7b如圖所示地與固定模具2面向活動(dòng)模具3的表面鄰接。在空腔7內(nèi)，設(shè)有用于形成水套的型芯(core)7c。型芯7c與基模具4分開形成，從而可相對于基模具4移動(dòng)。
基模具4設(shè)置有一擠出銷8。對于每次噴射(shot)，隨著滑動(dòng)模具5開啟，通過擠出銷8將模制件擠出，從而從模具1中取出該模制件。
下面，說明熔體供給系統(tǒng)。固定模具2設(shè)有一噴射套筒9。在噴射套筒9內(nèi)，設(shè)在一桿10頂端處的柱塞端11作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在噴射套筒9中形成有一熔體供給口12。當(dāng)柱塞端11位于原始位置(即，熔體供給口12的“后面”或者右側(cè)(如圖5所示))時(shí)，一次噴射量的熔體經(jīng)由熔體供給口12注入。熔體供給口12的前面設(shè)有一頂端傳感器13。頂端傳感器13檢測柱塞端11通過熔體供給口12。隨著柱塞端11擠壓熔體，空腔7充滿該熔體。
罩14包括用于容納固定模具2的第一罩件14a和用于容納活動(dòng)模具3的第二罩件14b。為保持罩14內(nèi)的氣密性，在與第一罩件14a的鄰接第二罩件14b的表面32上安裝一密封件15，例如“O”形環(huán)。在罩14與各穿過該罩14的氣缸6、擠出銷8及噴射套筒9之間的任何間隙處也安裝有如“O”形環(huán)的密封件15。在第二罩件14b上設(shè)有用于使罩14內(nèi)部通向大氣的漏泄閥16?？蛇x地，可在第一罩件14a上設(shè)置漏泄閥16。
在固定模具2內(nèi)，形成一和空腔7連通的通風(fēng)道17。在通風(fēng)道17內(nèi)，設(shè)有一開/關(guān)閥18，也設(shè)置有避開該開/關(guān)閥18所設(shè)置部分的一旁路通道17a。設(shè)置旁路通道17a是為了在鑄造期間在模具1中真空抽吸時(shí)使通風(fēng)道17與該模具1的外部連通(即，如圖5所示的狀態(tài))。當(dāng)開/關(guān)閥18在圖5中向上或向下移動(dòng)時(shí)，旁路通道17a和通風(fēng)道17被關(guān)閉或打開。利用彈簧使開/關(guān)閥18開啟，以便通道通常保持開啟?？蛇x地，通風(fēng)道17可形成在活動(dòng)模具3上。
例如，開/關(guān)閥18是一種金屬接觸式(metal-touch)閥。一旦空腔7充滿熔體，過量熔體將移上通風(fēng)道17，直至該熔體接觸開/關(guān)閥18，從而向上推該開/關(guān)閥18。結(jié)果是，旁路通道17a與通風(fēng)道17一起關(guān)閉，從而防止熔體噴出模具1。
可選地，可采用一種檢測柱塞端11的位置并在完成對一次噴射熔體的推擠時(shí)利用一致動(dòng)器關(guān)閉通風(fēng)道17的閥，以代替這種金屬接觸式閥。
可選地，可采用一種急冷通風(fēng)結(jié)構(gòu)來防止熔體噴出。在該種急冷通風(fēng)結(jié)構(gòu)中，形成有一與空腔7連通的“Z”形細(xì)長通道。使溢出空腔7的任何熔體在經(jīng)過此通道的半路固化，從而防止該熔體噴出模具1。
為最小化散布在模制件內(nèi)的空氣量，必須在供給熔體之前使空腔7內(nèi)部處于減壓狀態(tài)。對于罩14(或者更具體地，在此例中是第一罩件14a)，連接一條或多條(即，在此例中為兩條)與真空罐19連通的真空管道20。通過一真空泵21使真空罐19保持在一預(yù)定真空壓力下。安裝在每條真空管20內(nèi)的電磁閥20a受一控制裝置22控制而開啟或關(guān)閉。具體地，控制裝置22基于柱塞端11的沖程位置的檢測信號(hào)、沖程時(shí)間有關(guān)的計(jì)時(shí)信號(hào)等根據(jù)空腔7減壓的啟動(dòng)/終止定時(shí)來控制該開/關(guān)。
盡管本優(yōu)選實(shí)施例示出了罩14覆蓋整個(gè)模具1的例子，但可選地，該罩14也可僅覆蓋模具1的一部分。例如，可分別沿著基模具4與滑動(dòng)模具5的鄰接面30和滑動(dòng)模具5與固定模具2的鄰接面31的周緣30a和31a以環(huán)狀方式覆蓋模具1的外周。可選地，可設(shè)置成形為覆蓋用于驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)模具5的氣缸6的罩。
因此，根據(jù)本優(yōu)選實(shí)施例的高壓壓鑄設(shè)備，罩14設(shè)置成覆蓋模具1，并且該罩14的內(nèi)部被抽空。通過這樣給空腔7的內(nèi)部減壓來進(jìn)行鑄造。因此，即使在滑動(dòng)模具5分為很多部分的情況下，仍然可對整個(gè)模具1實(shí)施真空抽吸，而無須為該模具1自身提供密封。由于對空腔7的真空抽吸也可從鄰接面30和31之間的間隙進(jìn)行，所以可獲得高度真空，從而能更可靠地從模具1內(nèi)移除氣體。由于第一罩件14a與第二罩件14b之間的密封件15安裝在離自身必須升至一高溫的模具1一定距離的位置處，所以來自該模具1的熱影響很小。由此，防止了密封件15的惡化，也提高了其耐用性。
在鑄造工藝中，冷卻水流量調(diào)節(jié)單元60控制模具1的冷卻。通過使冷卻水流經(jīng)一形成在基模具4內(nèi)的冷卻水流道60a對模具1進(jìn)行冷卻。具體地，利用通過柱塞端11對高速噴射的定時(shí)，開啟一(未示出的)閥以使冷卻水流動(dòng)一特定時(shí)間段(例如，直至打開模具并取出模制件的時(shí)間段)。
本優(yōu)選實(shí)施例中的冷卻水流量調(diào)節(jié)單元60還能控制模具1的氣缸孔形成部7a的冷卻速率。在本優(yōu)選實(shí)施例中，冷卻水流道60a伸入氣缸孔形成部7a的內(nèi)部，從而可以通過控制冷卻水的量來控制該氣缸孔形成部7a的冷卻速率。因此，可以希望的冷卻速率來冷卻模制件的滑動(dòng)面區(qū)域(即，熔體的位于滑動(dòng)面附近的一部分)。
如已經(jīng)說明的，通過以不低于約4℃/秒并不高于約50℃/秒的冷卻速率冷卻滑動(dòng)面區(qū)域，確保初結(jié)晶硅粒1011的平均晶粒度落入不小于約12μm并不大于約50μm的范圍內(nèi)，而共晶硅粒1012的平均晶粒度等于或小于約7.5μm。
例如，如圖5所示，通過使用一設(shè)在基模具4的氣缸孔形成部7a內(nèi)部的溫度傳感器61檢測滑動(dòng)面附近的溫度，并通過在監(jiān)控實(shí)際溫度的同時(shí)利用一數(shù)據(jù)記錄器62經(jīng)由溫度管理來調(diào)節(jié)冷卻水流量而使其等于希望的冷卻速率，進(jìn)行冷卻速率的控制。如果冷卻速率太快，硅晶粒將不能生長至可實(shí)現(xiàn)足夠耐磨性的粒度。因此，優(yōu)選以這種方式進(jìn)行冷卻，即初始采用較慢冷卻速率，并且在硅晶粒剛要變得粗大之前采用較快冷卻速率以阻止生長。
在開始鑄造之前，將滑動(dòng)模具5設(shè)置在一預(yù)定位置，隨后使活動(dòng)模具3抵靠在固定模具2上以閉合模具，從而形成空腔7。此時(shí)，當(dāng)?shù)谝徽旨?4a與第二罩件14b鄰接而密封件15介于兩者之間時(shí)，該罩14的內(nèi)部就得到密封。通過這種進(jìn)行(使固定模具2與活動(dòng)模具3緊靠在一起而形成空腔7的)模具閉合步驟的同時(shí)完成(用罩14覆蓋模具1以實(shí)現(xiàn)密封的)密封步驟，可縮短鑄造周期。然而應(yīng)注意的是，這些步驟并不需要同時(shí)進(jìn)行?？蛇x地，可首先將固定模具2與活動(dòng)模具3緊靠在一起形成空腔7，隨后可用罩14覆蓋模具1而實(shí)現(xiàn)密封。
現(xiàn)在，按時(shí)間順序(從時(shí)間t0至?xí)r間t6)說明圖5所示的高壓壓鑄設(shè)備的操作。
時(shí)間t0柱塞端11位于其原始位置(熔體供給口12的“后面”)，熔體供給口12連通。模具1的內(nèi)部經(jīng)由熔體供給口12暴露于大氣。在此狀態(tài)下，一次噴射量的鋁合金熔體從熔體供給口12注入噴射套筒9中。在噴射熔體之后，柱塞端11以低速向前移動(dòng)，從而往前推壓噴射套筒9內(nèi)的熔體。
時(shí)間t1頂端傳感器13檢測柱塞端11。由于在此狀態(tài)下柱塞端11位于熔體供給口12的前面，罩14的內(nèi)部以完全氣密方式密封。此時(shí)，電磁閥20a被驅(qū)動(dòng)以抽空罩14的內(nèi)部。
這樣進(jìn)行該抽空，即同時(shí)對模具1與罩14之間的空間33和空腔7進(jìn)行抽空。因此，實(shí)施一高效減壓步驟，從而縮短鑄造周期。
應(yīng)注意的是，用于空腔7的抽空通道可不同于用于模具1與罩14之間空間33的抽空通道，從而以不同的定時(shí)進(jìn)行兩種抽空操作。例如，如果模具1與罩14之間的空間33在抽空空腔7之前抽空，可能已擴(kuò)散到或者附著在如模具1的鄰接面和滑動(dòng)模具5的面向滑動(dòng)面的表面的間隙上的任何液體脫模劑會(huì)被直接吸向空間33，而不會(huì)吸入空腔7中。由此，防止過量脫模劑流入空腔7并與熔體混合，從而防止諸如針孔的缺陷。
通過如上所述的抽空操作，模具1的空腔7的內(nèi)部得到減壓，從而逐漸增大真空度。柱塞端11保持慢速向前移動(dòng)，朝向空腔7推壓熔體。如果在柱塞端11移過熔體供給口12后開始抽空，可防止大氣經(jīng)由該熔體供給口12吸入模具1內(nèi)。結(jié)果是，更確實(shí)地防止出現(xiàn)針孔，并且防止通過大氣局部冷卻熔體表面，從而獲得具有均勻且質(zhì)量穩(wěn)定的鑄件。
時(shí)間t2當(dāng)熔體到達(dá)空腔7的入口時(shí)，柱塞端11的前進(jìn)速度由慢變快，隨后該熔體迅速進(jìn)入該空腔7中。
時(shí)間t3空腔7完全充滿熔體，從而完成噴射。由于此時(shí)熔體向上推通風(fēng)道17的開/關(guān)閥18，從而防止了熔體噴出通風(fēng)道17。在通過柱塞端11進(jìn)行高速噴射時(shí)，可使冷卻水流過設(shè)置在氣缸孔形成部7a內(nèi)部的冷卻水流道60a，這樣就以不低于約4℃/秒并不高于約50℃/秒的冷卻速率冷卻要變成滑動(dòng)面(即，面向氣缸孔的表面)的熔體的部分的區(qū)域。
時(shí)間t4停止真空泵21，結(jié)束通過抽空進(jìn)行的減壓。此時(shí)，罩14的內(nèi)部仍為減壓狀態(tài)。
時(shí)間t5開啟漏泄閥16以使罩14的內(nèi)部暴露于大氣。由于大氣通過漏泄閥16流入，隨著時(shí)間推移罩14內(nèi)的空氣壓力變得越來越接近大氣壓。
時(shí)間t6罩14內(nèi)的空氣壓力完全恢復(fù)到大氣壓。此時(shí)，打開模具1，取出模制件(鑄件)。
通過采用上述制造方法，實(shí)際原型造出圖2所示的氣缸體100，并評價(jià)其耐磨性和強(qiáng)度。以下示出部分結(jié)果。作為鋁合金，采用具有表1所示成分的鋁合金。
表1

作為硅，采用高純度硅。鋁合金中的鈣含量等于或小于約0.01重量％。作為熔融時(shí)的清渣方法，僅進(jìn)行氬氣起泡，而鋁合金中的鈉含量等于或小于約0.1重量％。通過確保鈣和鈉含量分別等于或小于約0.01重量％和等于或小于約0.1重量％，可使磷的硅晶粒微化效應(yīng)守恒，并獲得具有優(yōu)良耐磨性的金相組織。
采用具有前述成分的鋁合金，通過圖5所示的高壓壓鑄設(shè)備進(jìn)行鑄造。在用溫度傳感器61檢測溫度的同時(shí)，通過使冷卻水流經(jīng)冷卻水流道60a而進(jìn)行氣缸孔形成部7a的冷卻，從而冷卻速率不低于約25℃/秒并不高于約30℃/秒，直至溫度到達(dá)不低于約400℃并不高于約500℃的范圍內(nèi)。在約490℃下對從模具1中取出的氣缸體進(jìn)行約4小時(shí)的熱處理(固溶處理)，然后用水冷卻，并進(jìn)一步地在約200℃下對其進(jìn)行約4小時(shí)的熱處理(時(shí)效過程)。之后，對氣缸體實(shí)施珩磨工藝。
為進(jìn)行對比，還采用具有相同成分的鋁合金利用砂型而不冷卻氣缸孔形成部來進(jìn)行鑄造。在砂型鑄造之后，進(jìn)行類似于對原型所實(shí)施的固溶處理、時(shí)效工藝和珩磨工藝。
對于所得到的原型氣缸體和對比氣缸體，用一金相顯微鏡觀察它們的滑動(dòng)面。圖6A和6B以及圖7A和7B示出各滑動(dòng)面的金相顯微鏡照片。圖6A和6B示出利用砂型鑄造的對比例的滑動(dòng)面201。圖7A和7B示出利用高壓壓鑄鑄造的原型的滑動(dòng)面101。注意到在圖6A和圖7A添加了參考數(shù)字，而圖6A中示出了直徑約50μm的圓圈。
如從圖6A和6B看到的，在對比例的滑動(dòng)面201上，存在許多粒度超過約50μm的初結(jié)晶硅粒2011。另一方面，如從圖7A和7B看到的，在原型的滑動(dòng)面101上的初結(jié)晶硅粒1011具有約50μm或更小的粒度，由此表明與對比例相比，微小的初結(jié)晶硅粒1011均勻分布。
此外可看到，形成在原型的滑動(dòng)面101上的共晶硅粒1012(主要是針形，僅某些是粒狀)比形成在對比例的滑動(dòng)面201上的共晶硅粒2012(大部分是針形)更細(xì)。
對于對比例和原型，計(jì)算硅晶粒的平均晶粒度。這里使用的“粒度”是相應(yīng)圓圈的直徑。將目標(biāo)區(qū)域中的表面數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，并利用商業(yè)可獲得的軟件(來自Mitani Corporation的win ROOF)計(jì)算平均晶粒度。
對比例的滑動(dòng)面201上的初結(jié)晶硅粒2011具有約60μm或更大的平均晶粒度。另一方面，原型的滑動(dòng)面101上的初結(jié)晶硅粒1011具有約24μm的平均粒度。此外，原型的滑動(dòng)面101上的共晶硅粒1012具有約6.4μm的平均晶粒度。
對比例的滑動(dòng)面201具有約15％的空隙率(被限定為含有銅等的鋁固溶體2013的面積與滑動(dòng)面201的總面積的比率)。另一方面，原型的滑動(dòng)面101具有約35％的空隙率(被限定為含有銅等的鋁固溶體1013的面積與滑動(dòng)面101的總面積的比率)。
對于對比例和原型，在滑動(dòng)面的面積接近800μm×1000μm的任意矩形區(qū)域內(nèi)，利用目測計(jì)算直徑約50μm并不含有任何晶粒度約0.1μm或更大的硅晶粒的圓形區(qū)域的數(shù)量。已證實(shí)對原型而言此數(shù)量為五或更少。另一方面，如從圖6A清楚可見的，對比例中存在許多這種圓形區(qū)域。由此可見，在原型的滑動(dòng)面上的硅晶粒比在對比例的滑動(dòng)面上的硅晶粒散布得更均勻。
對于對比例和原型，檢查滑動(dòng)面上硅晶粒的粒度分布。結(jié)果示于圖8和圖9中。圖8是用于由砂型鑄造的對比例的圖表。圖9是用于由高壓壓鑄鑄造的原型的圖表。
如從圖8看到的，形成在對比例的滑動(dòng)面201上的硅晶粒具有這樣的粒度分布，即一個(gè)峰值存在于不小于約10μm并不大于約15μm的晶粒度范圍內(nèi)，而另一峰值存在于不小于約51μm并不大于約63μm的晶粒度范圍內(nèi)。晶粒度落在不小于約10μm并不大于約15μm范圍內(nèi)的硅晶粒是共晶硅粒，而晶粒度落在不小于約51μm并不大于約63μm的硅晶粒是初結(jié)晶硅粒。
另一方面，如從圖9看到的，形成在原型滑動(dòng)面101上的硅晶粒具有這樣的粒度分布，即一個(gè)峰值存在于不小于約1μm并不大于約7.5μm的晶粒度范圍內(nèi)，而一個(gè)峰值存在于不小于約12μm并不大于約50μm的晶粒度范圍內(nèi)。晶粒度落在不小于約1μm并不大于約7.5μm范圍內(nèi)的硅晶粒是共晶硅粒，而晶粒度落在不小于約12μm并不大于約50μm的硅晶粒是初結(jié)晶硅粒。從這些結(jié)果還看到，形成在原型中的硅晶粒比形成在對比例中的硅晶粒小。順便一提的是，原型的滑動(dòng)面101的一洛氏硬度(HRB)經(jīng)測量約為70。
接著，分別利用原型氣缸體和對比氣缸體組裝發(fā)動(dòng)機(jī)(或者具體地，四沖程水冷卻式汽油發(fā)動(dòng)機(jī))，并對該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行耐磨試驗(yàn)。要插入氣缸孔的活塞的滑動(dòng)面被鍍鐵至約15μm的厚度。以約9000rpm的轉(zhuǎn)速使該發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)約10小時(shí)。
圖10示出經(jīng)受耐磨試驗(yàn)后的對比氣缸體200的滑動(dòng)面201的放大照片。如圖10所示，在活塞環(huán)的頂死點(diǎn)206下方的整個(gè)區(qū)域內(nèi)，滑動(dòng)面201上留有明顯擦痕，表明對比氣缸體200的耐用性差。
圖11示出經(jīng)受耐磨試驗(yàn)后的原型氣缸體100的滑動(dòng)面101的放大照片。如圖11所示，在活塞環(huán)的頂死點(diǎn)106下方的區(qū)域內(nèi)，滑動(dòng)面101上未留有擦痕，表明原型氣缸體100的耐用性優(yōu)良。
即使僅從上述結(jié)果也可以看到，在砂型鑄造的情況下，不對氣缸孔形成部進(jìn)行特殊冷卻并且不控制滑動(dòng)面區(qū)域的冷卻速率，從而使形成在該滑動(dòng)面上的硅晶粒變得巨大，由此降低氣缸體的耐用性。對于采用模具的傳統(tǒng)壓鑄也是一樣。在采用壓鑄的批量生產(chǎn)步驟中，熱量可能殘留在模具的氣缸孔形成部內(nèi)，從而使硅晶粒變得巨大。另一方面，在本優(yōu)選實(shí)施例的制造方法中，控制滑動(dòng)面區(qū)域的冷卻速率以使其在一預(yù)定范圍內(nèi)。由此，在滑動(dòng)面上形成具有優(yōu)選平均晶粒度(或者優(yōu)選粒度分布)的硅晶粒，從而極大提高氣缸體的耐磨性和強(qiáng)度。
如上所述，從防止硅晶粒變得巨大的角度，還優(yōu)選地是規(guī)定鈣含量等于或小于約0.01重量％。鋁合金中的鈣與應(yīng)用作硅晶粒的微化劑的磷形成一種化合物，由此削弱磷的微化效應(yīng)。因此，如圖12所示，當(dāng)鋁合金含有大于約0.01重量％的鈣時(shí)，初結(jié)晶硅粒可能變得巨大。另一方面，如果鈣含量等于或小于約0.01重量％，可能更可靠地獲得由磷帶來的硅晶粒微化效應(yīng)。
此外，若微小硅晶粒均勻散布在滑動(dòng)面上，將要形成在該硅晶粒之間的油槽也較小，從而能在該油槽內(nèi)可靠地保持潤滑劑，導(dǎo)致潤滑性提高和耐磨性提高。如圖13示意性示出的，在滑動(dòng)面101上，硅晶粒1010從含有銅等的鋁固溶體(基體)1013中突出，從而使?jié)櫥瑒?015保持在硅晶粒1010之間的凹槽1014內(nèi)。通過均勻散布微小硅晶粒并確保凹槽1014的直徑在不小于約1μm并不大于約7.5μm的范圍內(nèi)，由于表面張力而能獲得更可靠的潤滑劑保持，從而有助于提高潤滑性和耐磨性。
接著，為確定滑動(dòng)面區(qū)域的冷卻速率與硅晶粒的平均晶粒度和耐磨性之間的關(guān)系，在改變滑動(dòng)面區(qū)域的冷卻速率的同時(shí)，用與上述原型相同的條件制造多個(gè)氣缸體。
利用由此制成的多個(gè)氣缸體中的每個(gè)組裝發(fā)動(dòng)機(jī)，并進(jìn)行耐磨試驗(yàn)。結(jié)果是，已證實(shí)在冷卻速率不低于約4℃/秒并不高于約50℃/秒條件下鑄造的氣缸體中幾乎沒有任何擦痕，由此表明耐磨性良好。
此外，對于那些在冷卻速率不低于約4℃/秒并不高于約50℃/秒條件下鑄造的氣缸體，用金相顯微鏡觀察滑動(dòng)面。結(jié)果是，已證實(shí)滑動(dòng)面上初結(jié)晶硅晶粒的平均晶粒度不小于約12μm并不大于約50μm，并且共晶硅粒具有不大于約7.5μm的平均硅晶度?；瑒?dòng)面的洛氏硬度(HRB)在不低于約60并不高于約80的范圍內(nèi)。
圖14A至14E示出冷卻速率改變時(shí)初結(jié)晶硅粒的平均晶粒度和空隙率的變化。如圖14A所示，當(dāng)冷卻速率等于或小于約1℃/秒時(shí)，平均晶粒度大到約56.5μm，表明初結(jié)晶硅粒的粒度巨大。另一方面，當(dāng)冷卻速率不低于約4℃/秒并不高于約50℃/秒時(shí)，如圖14B至14E所示，初結(jié)晶硅粒具有范圍在不小于約12μm并不大于約50μm內(nèi)的平均晶粒度。
此外，采用在滑動(dòng)面冷卻速率快于約50℃/秒條件下鑄造的氣缸體組裝發(fā)動(dòng)機(jī)，并進(jìn)行耐磨試驗(yàn)，顯示在整個(gè)滑動(dòng)面上都有擦痕。用金相顯微鏡觀察滑動(dòng)面，顯示初結(jié)晶硅粒具有約10μm或更小的平均晶粒度。未觀察到任何共晶硅粒。
實(shí)際上，從鑄造過程的開始到結(jié)束冷卻速率并不保持恒定。圖15示出在鑄造過程開始后溫度與時(shí)間之間的關(guān)系。在本說明書中，基于熔體供給溫度T0、取出溫度T3、鑄造開始時(shí)間t0以及取出時(shí)間t3，將鑄造過程中的冷卻速率限定為(T0-T3)/(t3-t0)。以下表2示出冷卻速率與熔體供給溫度、取出溫度以及周期之間的示例性關(guān)系。
表2

基于固化開始溫度T1、共晶溫度T2、固化開始時(shí)間t1以及到達(dá)共晶溫度的時(shí)間t2，將初結(jié)晶硅粒的粒度確定為(T1-T2)/(t2-t1)。另一方面，基于共晶硅粒的結(jié)晶結(jié)束的時(shí)間t2′，將共晶硅粒的粒度確定為t2′-t2。通常，當(dāng)初結(jié)晶硅粒的粒度增大時(shí)，共晶硅粒的粒度也增大；當(dāng)初結(jié)晶硅粒的粒度減小時(shí)，共晶硅粒的粒度也減小。
如上所述，本發(fā)明不同優(yōu)選實(shí)施例的氣缸體都具有優(yōu)良的耐磨性和強(qiáng)度，因此適用于包括機(jī)動(dòng)車輛使用的發(fā)動(dòng)機(jī)在內(nèi)的各種發(fā)動(dòng)機(jī)。特別地，本發(fā)明氣缸體適用于如摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的以高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，并能極大地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的耐用性。
圖16示出裝有本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的氣缸體100的示例性發(fā)動(dòng)機(jī)150。發(fā)動(dòng)機(jī)150包括一曲軸箱110、氣缸體100和一氣缸蓋130。
在曲軸箱110內(nèi)，收容有一曲軸111。曲軸111包括一曲柄銷112和一曲柄臂113。
在曲軸箱110的上方設(shè)置氣缸體100?；钊?22插入氣缸體100的氣缸孔內(nèi)?；钊?22的滑動(dòng)面鍍鐵并具有比氣缸體100的滑動(dòng)面101更大的表面硬度。應(yīng)注意的是，活塞122的滑動(dòng)面可涂覆有固體潤滑劑。在這種情況下，活塞122的滑動(dòng)面可具有比氣缸體100的滑動(dòng)面低的表面硬度?；诟鞣N條件(例如，樣式、目標(biāo)、成本等)作出活塞122的滑動(dòng)面和氣缸體100的滑動(dòng)面101中哪一個(gè)應(yīng)具有較高表面硬度(即，哪一個(gè)應(yīng)具有較強(qiáng)耐磨性)的選擇。
氣缸孔內(nèi)未設(shè)置氣缸套，而且氣缸體100的氣缸孔壁103的內(nèi)表面沒有鍍層。換句話說，初結(jié)晶硅粒1011暴露在氣缸孔壁103的表面上。應(yīng)注意的是，具有鍍過的氣缸孔壁的氣缸體可與滑動(dòng)面上按上述模式或種類形成有硅晶粒的活塞結(jié)合使用。然而，在可以確保耐磨性的同時(shí)，在此情況下冷卻性能將下降。
在氣缸體100上設(shè)置氣缸蓋130。氣缸蓋130與氣缸體100的活塞122一起形成一燃燒室131。氣缸蓋130包括一進(jìn)氣口132和一排氣口133。在進(jìn)氣口132內(nèi)，設(shè)有一用于向燃燒室131內(nèi)供應(yīng)氣體混合物的進(jìn)氣閥134。在排氣口內(nèi)，設(shè)有一用于從燃燒室131排出空氣的排氣閥135。
活塞122和曲軸111經(jīng)由一連桿140連接。具體地，活塞122的活塞銷123插入位于連桿140的小端142內(nèi)的通孔中，而曲軸111的曲柄銷112插入位于連桿140的大端144內(nèi)的通孔中，由此活塞122和曲軸111連接到一起。在大端144內(nèi)的通孔的內(nèi)表面與曲柄銷112之間設(shè)有一滾柱軸承114。
由于圖16所示的發(fā)動(dòng)機(jī)150裝有本發(fā)明上述優(yōu)選實(shí)施例的氣缸體100，所以發(fā)動(dòng)機(jī)150具有優(yōu)良的耐用性。由于本發(fā)明各種優(yōu)選實(shí)施例的氣缸體100的特征在于滑動(dòng)面101的高耐磨性和高強(qiáng)度，因此不再需要一氣缸套。從而，可簡化發(fā)動(dòng)機(jī)制造步驟，可減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量并改善冷卻性能。此外，由于不需要對氣缸孔壁103的內(nèi)表面進(jìn)行鍍層，還可降低制造成本。
圖17示出裝有圖16所示的發(fā)動(dòng)機(jī)150的摩托車。
在圖17所示的摩托車中，在主體車架301的前端設(shè)置一前管302。一前叉303與前管302連接，從而可朝摩托車的左右方向擺動(dòng)。在前叉303的下端，支承一前輪304使其能轉(zhuǎn)動(dòng)。
一座椅導(dǎo)軌306連接到主體車架301而從其上后端起向后方延伸。在主體車架301的上方設(shè)有一燃油箱307，并且在座椅導(dǎo)軌306上設(shè)置一主座椅308a和一串聯(lián)式板(tandem sheet)308b。
在主體車架301的后端，安裝有向后方延伸的后臂309。在后臂309的后端支承一后輪310使其可轉(zhuǎn)動(dòng)。
如圖16所示的發(fā)動(dòng)機(jī)150容納在主體車架301的中央部內(nèi)。本發(fā)明任一優(yōu)選實(shí)施例的氣缸體100用在發(fā)動(dòng)機(jī)150中。在發(fā)動(dòng)機(jī)150的前面設(shè)有一散熱器311。一排氣管312與發(fā)動(dòng)機(jī)150的排氣口連接，并且一消音器313安裝在排氣管312的后端。
一變速器315聯(lián)接到發(fā)動(dòng)機(jī)150上。一驅(qū)動(dòng)鏈輪317安裝在變速器315的輸出軸316上。驅(qū)動(dòng)鏈輪317經(jīng)由一鏈條318與后輪310的后輪鏈輪319聯(lián)接。變速器315和鏈條318用作用于將發(fā)動(dòng)機(jī)150產(chǎn)生的原動(dòng)力傳遞給驅(qū)動(dòng)輪的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
圖17所示的摩托車裝有采用了本發(fā)明任一優(yōu)選實(shí)施例的氣缸體100的發(fā)動(dòng)機(jī)150，因而能提供優(yōu)選的性能。
工業(yè)應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的各種優(yōu)選實(shí)施例，提供一種具有優(yōu)良耐磨性和強(qiáng)度的發(fā)動(dòng)機(jī)部件以及一種用于制造該發(fā)動(dòng)機(jī)部件的方法。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)部件可適用于包括機(jī)動(dòng)車輛用發(fā)動(dòng)機(jī)在內(nèi)的各種發(fā)動(dòng)機(jī)，且尤其適用于以高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)。應(yīng)理解的是，前面的描述僅僅為了說明本發(fā)明。在脫離本發(fā)明的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可想出各種變更和變形。因此，本發(fā)明旨在包括落在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的所有變更、變形和變化。
權(quán)利要求
1.一種由含硅的鋁合金形成的發(fā)動(dòng)機(jī)部件，它包括位于一滑動(dòng)面上的多個(gè)初結(jié)晶硅粒；其中，所述多個(gè)初結(jié)晶硅粒具有不小于約12μm并不大于約50μm的平均晶粒度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)部件，其特征在于，還包括分布在所述多個(gè)初結(jié)晶硅粒之間的多個(gè)共晶硅粒，其中，所述多個(gè)共晶硅粒具有不大于約7.5μm的平均晶粒度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的發(fā)動(dòng)機(jī)部件，其特征在于，所述發(fā)動(dòng)機(jī)部件是一氣缸體，所述多個(gè)初結(jié)晶硅粒暴露在所述氣缸體的氣缸孔壁的表面上。
4.一種由含硅的鋁合金形成的發(fā)動(dòng)機(jī)部件，它包括位于一滑動(dòng)面上的多個(gè)硅晶粒；其中，所述多個(gè)硅晶粒具有包括至少兩個(gè)峰值的粒度分布；以及所述至少兩個(gè)峰值包括在不小于約1μm并不大于約7.5μm的晶粒度范圍內(nèi)的第一峰值和在不小于約12μm并不大于約50μm的晶粒度范圍內(nèi)的第二峰值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的發(fā)動(dòng)機(jī)部件，其特征在于，在所述滑動(dòng)面的面積接近800μm×1000μm的任一矩形區(qū)域內(nèi)，直徑約為50μm并不含有晶粒度約0.1μm或更大的任何硅晶粒的圓形區(qū)域的數(shù)量等于或小于五。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)部件，其特征在于，所述鋁合金包含不小于約73.4重量％并不大于約79.6重量％的鋁；不小于約18重量％并不大于約22重量％的硅；以及不小于約2.0重量％并不大于約3.0重量％的銅。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)部件，其特征在于，所述鋁合金包含不小于約50重量ppm并不大于約200重量ppm的磷和不大于約0.01重量％的鈣。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)部件，其特征在于，所述滑動(dòng)面具有不低于約60并不高于約80的洛氏硬度(HRB)。
9.一種包括權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)部件的發(fā)動(dòng)機(jī)。
10.一種由鋁合金形成的氣缸體，該鋁合金包含不小于約73.4重量％并不大于約79.6重量％的鋁；不小于約18重量％并不大于約22重量％的硅；以及不小于約2.0重量％并不大于約3.0重量％的銅，所述氣缸體包括位于一設(shè)置成與一活塞接觸的滑動(dòng)面上的多個(gè)初結(jié)晶硅粒，以及分布在所述多個(gè)初結(jié)晶硅粒之間的多個(gè)共晶硅粒；其中，所述多個(gè)初結(jié)晶硅粒具有不小于約12μm并不大于約50μm的平均晶粒度，并且所述多個(gè)共晶硅粒具有不大于約7.5μm的平均晶粒度；所述鋁合金包含不小于約50重量ppm并不大于約200重量ppm的磷；和不大于約0.01重量％的鈣；以及所述滑動(dòng)面具有不低于約60并不高于約80的洛氏硬度(HRB)。
11.一種由鋁合金形成的氣缸體，所述鋁合金包含不小于約73.4重量％并不大于約79.6重量％的鋁；不小于約18重量％并不大于約22重量％的硅；和不小于約2.0重量％并不大于約3.0重量％的銅，所述氣缸體包括位于一設(shè)置成與一活塞接觸的滑動(dòng)面上的多個(gè)硅晶粒；其中，所述多個(gè)硅晶粒具有包括至少兩個(gè)峰值的粒度分布；所述至少兩個(gè)峰值包括在不小于約1μm并不大于約7.5μm的晶粒度范圍內(nèi)的第一峰值和在不小于約12μm并不大于約50μm的晶粒度范圍內(nèi)的第二峰值；在所述滑動(dòng)面的面積接近800μm×1000μm的任一矩形區(qū)域內(nèi)，直徑約為50μm并不含有晶粒度約0.1μm或更大的任何硅晶粒的圓形區(qū)域的數(shù)量等于或小于五；所述鋁合金包含不小于約50重量ppm并不大于約200重量ppm的磷；和不大于約0.01重量％的鈣；以及所述滑動(dòng)面具有不低于約60并不高于約80的洛氏硬度(HRB)。
12.一種包括權(quán)利要求10或11所述的氣缸體和具有一滑動(dòng)面的活塞的發(fā)動(dòng)機(jī)，所述活塞的所述滑動(dòng)面的表面硬度高于所述氣缸體的所述滑動(dòng)面的表面硬度。
13.一種包括權(quán)利要求9或12所述的發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)動(dòng)車輛。
14.一種用于制造用于發(fā)動(dòng)機(jī)的滑動(dòng)部件的方法，包括步驟(a)預(yù)備一種鋁合金，該鋁合金包含不小于約73.4重量％并不大于約79.6重量％的鋁；不小于約18重量％并不大于約22重量％的硅；以及不小于約2.0重量％并不大于約3.0重量％的銅；步驟(b)在一模具內(nèi)冷卻所述鋁合金的熔體以形成模制件；步驟(c)在不低于約450℃并不高于約520℃的溫度下使該模制件經(jīng)受不小于約三個(gè)小時(shí)并不超過約五個(gè)小時(shí)的時(shí)間的熱處理，然后液體冷卻該模制件；以及步驟(d)在步驟(c)之后，在不低于約180℃并不高于約220℃的溫度下使所述模制件經(jīng)受不小于約三個(gè)小時(shí)并不超過約五個(gè)小時(shí)的時(shí)間段的熱處理；其中，這樣進(jìn)行形成所述模制件的步驟(b)，即以不低于約4℃/秒并不高于約50℃/秒的冷卻速率冷卻一滑動(dòng)面的區(qū)域。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，形成所述模制件的步驟(b)包括步驟(b-1)在所述滑動(dòng)面的所述區(qū)域內(nèi)形成多個(gè)初結(jié)晶硅粒以使該多個(gè)初結(jié)晶硅粒具有不小于約12μm并不大于約50μm的平均晶粒度；和步驟(b-2)在所述多個(gè)初結(jié)晶硅粒之間形成多個(gè)共晶硅粒以使該多個(gè)共晶硅粒具有不大于約7.5μm的平均晶粒度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種由含硅鋁合金形成的發(fā)動(dòng)機(jī)部件，該發(fā)動(dòng)機(jī)部件包括位于一滑動(dòng)面上的多個(gè)初結(jié)晶硅粒。該多個(gè)初晶硅粒具有不小于約12μm并不大于約50μm的平均晶粒度。
文檔編號(hào)C22C21/02GK1788149SQ20058000043
公開日2006年6月14日 申請日期2005年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月27日
發(fā)明者栗田洋敬, 山縣裕, 小池俊勝 申請人:雅馬哈發(fā)動(dòng)機(jī)株式會(huì)社