CN102703775A - 铸造用铝合金和内燃机气缸盖 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了铸造用铝合金、由该铝合金制成的铸件、该铸件的制造方法以及由该铝合金铸件构成并由该铸件制造方法制造的内燃机气缸盖，所述铸造用铝合金具有优异的伸长率，作为高循环疲劳强度和热疲劳强度的代替特性，并且适用于同时要求优异的高循环疲劳强度和优异的热疲劳强度的铸件，例如内燃机气缸盖。该铸造用铝合金以质量比计包含：4.0-7.0%的Si，0.5-2.0%的Cu，0.25-0.5%的Mg，不大于0.5%的Fe，不大于0.5%的Mn，和选自Na、Ca和Sr中质量比各自为0.002-0.02%的至少一种成分。

Description

铸造用铝合金和内燃机气缸盖
本申请是基于申请日为2008年7月7日，优先权日为2007年7月6日，申请号为200810135648.4，发明名称为：“铸造用铝合金和内燃机气缸盖”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及铸造用铝合金及其热处理方法。更具体地，本发明涉及适用于同时要求优异高循环疲劳强度和优异热疲劳强度的构件的铝合金，涉及由该合金制造的铸件和该铸件的制造方法。此外，本发明涉及由该铝合金铸件构成并由该铸件制造方法制造的内燃机气缸盖。
背景技术
作为要求优异机械性能的具有复杂形状的铸造合金，目前为止，采用JISH 5202中规定为AC2A、AC2B和AC4B的Al-Cu-Si类以及其中规定为AC4C和AC4CH的Al-Mg-Si类制成的铝合金铸件。由所述合金制成的铸件有内燃机的气缸盖、气缸体等。
在这些铸件中，如特开2006-169594号公报所披露的，通常使用进行了T6处理(固溶热处理/淬火处理之后，在获得最大强度的回火温度下进行的时效处理)或T7处理(固溶热处理/淬火处理之后，通过过时效保证尺寸稳定性的处理)的铸造体，以提高强度和韧性。
然而，随着近年来发动机功率的提高以及为减轻车体重量气缸盖的薄化，在这种传统内燃机气缸盖中循环应力有增大的趋势。另外，气缸盖具有使T6或T7处理时产生的高残余应力集中于局部的结构。因而，在如上所述的铝合金铸件中，不能够认为作为其高循环疲劳强度和热疲劳强度代替特性的伸长率是足够的，并且存在疲劳断裂发生的可能性提高的问题。可能从车顶(top deck)和气缸盖水套的应力集中部分，以及从燃烧室中阀间部位的高温部分，发生这种疲劳断裂。
本发明集中关注传统铝合金铸件中的上述问题。本发明的目的是：提供铸造用铝合金，其具有优异的伸长率，作为热疲劳强度和高循环疲劳强度的代替特性，并且适用于同时要求优异的高循环疲劳强度和优异的热疲劳强度的铸件，例如内燃机气缸盖；提供由所述铝合金制成的铸件；提供所述铸件的制造方法；提供由所述铝合金铸件构成的内燃机气缸盖；以及提供通过所述铸件制造方法制造的内燃机气缸盖。
发明内容
为实现上述目的，对合金成分、热处理方法等进行了反复积极地研究，结果本发明的发明人发现，通过规定Si、Cu和Mg各自的含量，通过对所得合金铸件进行T7处理，等等，可解决上述问题。以这种方式，本发明人完成了本发明。
具体而言，本发明是基于上述发现作出的。本发明的铸造用铝合金以质量比计包含4.0-7.0%的Si，0.5-2.0%的Cu，0.25-0.5%的Mg，不大于0.5%的Fe，不大于0.5%的Mn，并且还包括选自Na、Ca和Sr中含量各自为0.002-0.02%的至少一种成分，以及作为剩余部分的Al和不可避免的杂质。
另外，除上述从Si到Sr的成分以外，本发明的铸造用铝合金还包括选自Ti、B和Zr中的至少一种成分，它们的含量以质量比计各自为0.005-0.2%。
此外，本发明的铝合金铸件的特征在于该铝合金铸件由本发明的上述合金构成。另外，本发明的铝合金铸件的制造方法包括：对上述铝合金铸件进行T7处理，即固溶热处理：铝合金铸件于500°C-550°C保温2.0-8.0小时之后，快速冷却铝合金铸件；以及对上述铝合金铸件进行时效处理：铝合金铸件于190°C-250°C保温2.0-6.0小时之后，冷却该铝合金铸件。
另外，本发明的内燃机气缸盖的特征在于该气缸盖由本发明的上述铝合金铸件构成，并且其特征还在于该气缸盖通过上述制造方法制造，换言之，经受上述T7处理。
根据本发明，由于将铸造用铝合金中所含的Si、Cu和Mg各自限定在特定的范围内，等等，因而可提高由所述合金构成的铸件的伸长率，并且可获得同时具有优异的高循环疲劳强度和热疲劳强度的铸件，例如内燃机气缸盖。
本发明包括以下内容：
实施方式1.一种铸造用铝合金，包含：
以质量比计，4.0-7.0%的Si，0.5-2.0%的Cu，0.25-0.5%的Mg，不大于0.5%的Fe，不大于0.5%的Mn，和选自0.002-0.02%的Na、0.002-0.02%的Ca和0.002-0.02%的Sr中的至少一种成分；以及
作为剩余部分的Al和不可避免的杂质。
实施方式2.一种铸造用铝合金，包含：
以质量比计，4.0-7.0%的Si，0.5-2.0%的Cu，0.25-0.5%的Mg，不大于0.5%的Fe，不大于0.5%的Mn，选自0.002-0.02%的Na、0.002-0.02%的Ca和0.002-0.02%的Sr中的至少一种成分，和选自0.005-0.2%的Ti、0.005-0.2%的B和0.005-0.2%的Zr中的至少一种成分；以及
作为剩余部分的Al和不可避免的杂质。
实施方式3.根据实施方式1的铸造用铝合金，其中，以质量比计，包含4.0-6.0%的Si。
实施方式4.根据实施方式2的铸造用铝合金，其中，以质量比计，包含4.0-6.0%的Si。
实施方式5.根据实施方式1的铸造用铝合金，其中，以质量比计，包含5.0-6.0%的Si，包含0.8-1.3%的Cu，包含0.3-0.4%的Mg，包含不大于0.2%的Fe，以及包含不大于0.2%的Mn。
实施方式6.根据实施方式2的铸造用铝合金，其中，以质量计，包含5.0-6.0%的Si，包含0.8-1.3%的Cu，包含0.3-0.4%的Mg，包含不大于0.2%的Fe，以及包含不大于0.2%的Mn。
实施方式7.一种铝合金铸件，其中该铝合金铸件由实施方式1的铸造用铝合金构成。
实施方式8.一种铝合金铸件，其中该铝合金铸件由实施方式2的铸造用铝合金构成。
实施方式9.一种铸造用铝合金，包含：
以质量比计，4.5-6.0%的Si，2.0-2.5%的Cu，0.25-0.5%的Mg，不大于0.5%的Fe，不大于0.5%的Mn，和选自0.002-0.02%的Na、0.002-0.02%的Ca和0.002-0.02%的Sr中的至少一种成分；以及
作为剩余部分的Al和不可避免的杂质。
实施方式10.一种制造铝合金铸件的方法，包括：
通过在实施方式7的铝合金铸件于500°C-550°C保温2.0-8.0小时之后快速冷却该铝合金铸件，对该铝合金铸件进行固溶热处理；以及
通过在实施方式7的铝合金铸件于190°C-250°C保温2.0-6.0小时之后冷却该铝合金铸件，对该铝合金铸件进行时效处理。
实施方式11.一种制造铝合金铸件的方法，包括：
通过在实施方式8的铝合金铸件于500°C-550°C保温2.0-8.0小时之后快速冷却该铝合金铸件，对该铝合金铸件进行固溶热处理；以及
通过在实施方式8的铝合金铸件于190°C-250°C保温2.0-6.0小时之后冷却该铝合金铸件，对该铝合金铸件进行时效处理。
实施方式12.一种内燃机气缸盖，其中所述气缸盖由实施方式7的铝合金铸件构成。
实施方式13.一种内燃机气缸盖，其中所述气缸盖由实施方式8的铝合金铸件构成。
实施方式14.一种内燃机气缸盖，其中所述气缸盖通过实施方式9的方法制造。
实施方式15.一种内燃机气缸盖，其中所述气缸盖通过实施方式10的方法制造。
附图说明
图1显示根据铸造用铝合金收缩试验的结果，Si含量和Cu含量对铸造缺陷生成量的影响。
图2显示试验片的高循环疲劳强度、断裂伸长率和洛氏硬度B标(HRB)。
图3显示试验片的高循环疲劳强度、断裂伸长率和洛氏硬度B标(HRB)。
具体实施方式
以下将对本发明的铸造用铝合金和由该合金制成的铝合金铸件以及对例如合金成分和热处理条件等进行限定的原因及其作用进行详细说明。应当注意的是，在该说明中，“%”表示质量百分比，除非另作规定。
(1)Si含量：4.0-7.0%
Si(硅)具有提高铸造性的作用。因而，在具有复杂形状和薄壁部分的铸造制品例如气缸盖时，出于熔融金属(熔融铝合金)流动性即铸件成型性的考虑，需要将一定量的Si添加到制品中。具体而言，如果Si含量小于4.0%，则熔融铝合金的流动性不足。另外，半固态区域扩展，使缩孔分散造成砂眼(porosity)，趋于发生收缩断裂。另外，Si具有提高铸造材料的机械强度、耐磨性和抗振性的作用。
然而，随着Si含量的增加，合金的导热性和延展性降低，从而造成热疲劳特性劣化。如果Si含量超过7.0%，则合金的伸长率明显降低，另外，合金开始呈现出缩孔集中的趋势。因而，有时观察到多孔腔(porous cavity)的出现。
图1显示收缩试验的结果。具体地，图1显示将试验片铸为锥形通过阿基米德法根据合金标准比重和试验片底面中部比重之间的差异测量铸造缺陷率的结果。根据该图，认为当Si含量为4.0-7.0%时铸造缺陷(砂眼和多孔腔的总和)最少，另外，铸造缺陷量随着Cu含量的减小而降低。
应当注意的是Si含量为5.0-7.0%是更优选的。
(2)Cu含量：0.5-2.5%
Cu(铜)具有提高铝合金机械强度的作用。Cu含量为0.5%或以上时所述作用显著。然而，随着Cu含量的增大，合金的导热性和延展性降低，导致热疲劳特性的劣化。另外，随着Cu含量的增大，合金的凝固态类似糊状，使缩孔分散，从而造成砂眼。
根据图1可知，如果Si含量不变，则铸造缺陷量随Cu含量的增大而增加，并且Cu含量超过2.5%时由Cu含量增大造成的不利影响变得明显。因而，将Cu含量设定为0.5-2.5%，更优选为0.8-1.3%。
(3)Mg：0.25-0.5%
如果将Mg(镁)添加到合金中，则合金通过进行热处理呈现出提高抗拉强度和硬度以及降低热疲劳强度和伸长率的趋势。如果添加过量的Mg，则Mg作为Mg2Si析出，从而降低热疲劳强度和伸长率。因而将Mg的添加量设定为0.25-0.5%，更优选为0.3-0.4%。
通过将Mg的添加量设定在上述范围内，由中间相Mg2Si的时效析出强化合金基体。然而，如果Mg含量超过0.5%，则熔融铝合金的表面氧化量明显增加，从而造成夹杂物缺陷增加的不良状态。
(4)Fe：0.5%或以下
Fe(铁)作为针状铁化合物析出，通常对抗拉强度、疲劳强度、热疲劳强度、伸长率等造成不利影响。因而，将Fe含量的上限值设为0.5%。
应当注意的是，如上所述由于Fe为有害成分，因而期望其含量较小。优选将Fe含量设定为0.2%或以下。另外，理想的是Fe含量基本为0%。
(5)Mn：0.5%或以下
通过将Mn(锰)添加到合金中，含Fe结晶体的形状可由易于造成强度降低的针状变为不易造成应力集中的块状。
如果Mn含量大于所需量，则铁化合物(Al-Fe,Mn-Si)的量增加。因而，将Mn含量设为0.5%或以下，期望为0.2%或以下。应当注意的是Fe:Mn优选为1:1-2:1。
(6)Na、Ca和Sr中的一种或多种，各自为：0.002-0.02%
特别地，对于气缸盖的材料，为提高其耐热疲劳性，期望将这些成分(Na、Ca和Sr)中的一种或多种添加到合金中，从而使铸造组织中的Si颗粒微细化。
通过对Si颗粒的改性处理，提高了合金的机械性能，例如抗拉强度和伸长率，并且还提高了热疲劳强度。然而，如果大量添加上述成分，则出现带状的粗Si相结晶的区域。这种粗Si相的出现称为过改性(overmodification)，有时造成强度降低。因而，在将上述成分添加到合金中时，将其各自的含量设定为0.002-0.02%。应当注意的是，对于热疲劳强度为重要因素的燃烧室表面，期望合金迅速冷却和凝固，从而将枝晶臂间隔减少到30μm或以下。
(7)Ti、B和Zr中的一种或多种，各自为：0.005-0.2%
这些成分(Ti、B和Zr)中的每一种均为铸造组织晶粒微细化的有效成分，从而根据需要向合金中添加0.005-0.2%。另外，按照铸造缺陷量大的成分范围，添加这些成分，从而使多孔腔分散并消除缩孔。
在这些成分各自的添加量小于0.005%的情况下，没有产生效果。在所述添加量超过0.2%的情况下，作为晶粒的晶核的Al-Fe、Al-B、Al-Zr、TiB、ZrB等聚集，从而造成缺陷的风险增加。
(8)T7处理(固溶热处理和随后的稳定处理)
固溶热处理：于500°C-550°C保温2.0-8.0小时后，迅速冷却
时效处理：于190°C-250°C保温2.0-6.0小时后，空气冷却
通常，为提高强度，对气缸盖进行T6处理(固溶热处理和随后的人工时效处理)或T7处理。在本发明中，尽管在强度方面比T6处理稍差，但由于可实现气缸盖所需的热疲劳强度提高、残余应力减小和尺寸稳定性，所以进行T7处理。
具体地，具有上述成分组成的本发明的铸造用铝合金，在温度为500°C-550°C且处理时间为2.0-8.0小时的条件下经受固溶热处理，以及在温度为190°C-250°C且处理时间为2.0-6.0小时的条件下经受时效处理。
通过上述T7处理，可获得50 HRB的硬度，出于防止气缸盖螺栓支承面和垫圈密封面疲劳时永久变形的考虑，以及出于保证气缸盖与气缸体、凸轮轴滑动部分等的连接面的耐磨性的考虑，需要所述硬度。
在充分保证固溶热处理时间的情况下，共晶Si通过扩散形成圆形，从而减轻应力集中并改善机械性能如韧性。
实施例
以下根据实施例对本发明进行更详细地说明，然而，本发明不限于这些实施例。
(1)舟状样品铸造试验
利用电炉熔融组成如图2所示的铝合金，并对该铝合金进行微细化处理和Si改性处理，随后铸造尺寸为190×40×25mm的舟状样品。然后，对所述舟状样品进行T7处理(于530°C固溶热处理5小时，然后于180°C-260°C的预定温度时效处理4小时)。随后，从经处理的舟状样品中切出疲劳试验片和抗拉试验片。对各试验片进行高循环疲劳强度和断裂伸长率的测量，并测量洛氏硬度B标(HRB)。
测量结果一并示于图2。对于这些测量的目标值，将高循环疲劳强度的目标值设定为100MPa或以上，将作为热疲劳强度代替特性的伸长率的目标值设定为10.0%或以上，以及将硬度的目标值设定为50HRB或以上。
应当注意的是，在高循环疲劳试验中，使用小野式旋转弯曲疲劳试验机，将其转数设定为3600rpm。然后，根据弯曲循环重复107次达到断裂时的应力幅度值，评价各试验片的疲劳强度。
由图2可知，在实施例1-9中，其中试验片包含质量百分比在预定范围内的合金成分，并在200°C-240°C的时效温度下进行了T7处理，可证实试验片在高循环疲劳强度、断裂伸长率和硬度方面均表现出良好的性能。
与此相反，在合金成分和时效温度在本发明限定的范围以外的比较例1-10中，在用作传统气缸盖材料的使用AC4CH合金和AC2A合金的传统材料1和2中，发现对于各试验片，其疲劳强度、断裂伸长率和硬度中的至少一种特性低，因而不可能获得满足高性能发动机气缸盖材料要求的强度。
(2)气缸盖铸造试验
从上述实施例和比较例中挑选出舟状样品铸造试验结果较好的含合金成分的舟状样品。然而，在金属压模中由所挑选出的舟状样品铸造气缸盖实体，并相应进行T7处理。随后，从经铸造和处理的气缸盖上位于燃烧室表面附近的部位切出疲劳试验片和抗拉试验片，并以如上方式进行高循环疲劳强度测量和疲劳伸长率测量，另外，进行洛氏硬度B标(HRB)测量。
测量结果如图3所示。对于这种情况下的目标值，将高循环疲劳强度的目标值设定为85 MPa或以上，将硬度的目标值设定为50 HRB或以上。
另外，对于热疲劳强度，使用具有V型切口的平板试验片，在完全受限的条件下，进行简单热疲劳试验，其中将一次温度循环设定为40°C-270°C-40°C，将简单热疲劳强度结果的目标值设定为不小于传统AC2A合金的TIG再熔融制品的热疲劳寿命即100次循环。
由图3所示结果可知，在气缸盖实体铸件中，还证实对应于舟状样品铸造试验的实施例2和6的实施例2-2和6-2在高循环疲劳强度、热疲劳寿命和硬度方面表现出良好的性能，并以高水平满足气缸盖所要求的特性。
与此相反，尽管在对应于舟状样品铸造试验的比较例4和8的比较例4-2和8-2中，舟状样品获得了较好的评价结果，但由于气缸盖实体为厚壁，在比较例4-2中铸造缺陷(在舟状样品中没有出现)的影响导致疲劳强度和热疲劳寿命下降。
然而，对于在舟状样品铸造试验中几乎达到目标值的比较例8-2，在实体试验中，其也具有低的强度。认为这是因为没有通过Sr对Si改性。
在此引入2007年7月6日提交的特愿2007-177983的全部内容作为参考。

Claims (10)

1.一种铝合金铸件的制造方法，包括：
将铝合金浇铸到模具中从而获得铝合金铸件，其中所述铝合金包含：以质量比计，4.0-7.0%的Si，0.5-2.0%的Cu，0.25-0.5%的Mg，不大于0.5%的Fe，不大于0.5%的Mn，和选自0.002-0.02%的Na、0.002-0.02%的Ca和0.002-0.02%的Sr中的至少一种成分；以及剩余部分为Al和不可避免的杂质；其中Mn作为有意添加物存在；
进行固溶热处理，将该铝合金铸件于500°C-550°C保温2.0-8.0小时之后，快速冷却该铝合金铸件；和
进行时效处理，将该铝合金铸件于190°C-250°C保温2.0-6.0小时之后，冷却该铝合金铸件。
2.一种铝合金铸件的制造方法，包括：
将铝合金浇铸到模具中从而获得铝合金铸件，其中所述铝合金包含：以质量比计，4.0-7.0%的Si，0.5-2.0%的Cu，0.25-0.5%的Mg，不大于0.5%的Fe，不大于0.5%的Mn，选自0.002-0.02%的Na、0.002-0.02%的Ca和0.002-0.02%的Sr中的至少一种成分，和选自0.005-0.2%的Ti、0.005-0.2%的B和0.005-0.2%的Zr中的至少一种成分；以及剩余部分为Al和不可避免的杂质；其中Mn作为有意添加物存在；
进行固溶热处理，将该铝合金铸件于500°C-550°C保温2.0-8.0小时之后，快速冷却该铝合金铸件；和
进行时效处理，将该铝合金铸件于190°C-250°C保温2.0-6.0小时之后，冷却该铝合金铸件。
3.根据权利要求1的铝合金铸件的制造方法，其中，以质量比计，所述铝合金包含0.5-1.3%的Cu。
4.根据权利要求2的铝合金铸件的制造方法，其中，以质量比计，所述铝合金包含0.5-1.3%的Cu。
5.根据权利要求1的铝合金铸件的制造方法，其中，以质量比计，所述铝合金包含0.3-0.4%的Mg。
6.根据权利要求2的铝合金铸件的制造方法，其中，以质量比计，所述铝合金包含0.3-0.4%的Mg。
7.根据权利要求1的铝合金铸件的制造方法，其中，Fe:Mn的比为1:1-2:1。
8.根据权利要求2的铝合金铸件的制造方法，其中，Fe:Mn的比为1:1-2:1。
9.一种内燃机气缸盖的制造方法，其中，所述汽缸盖包括根据权利要求1的制造方法制造的铝合金铸件，其中将用于热疲劳强度为重要因素的燃烧室表面的铝合金迅速冷却和凝固，从而将枝晶臂间隔减少到30μm或以下。
10.一种内燃机气缸盖的制造方法，其中，所述汽缸盖包括根据权利要求2的制造方法制造的铝合金铸件，其中将用于热疲劳强度为重要因素的燃烧室表面的铝合金迅速冷却和凝固，从而将枝晶臂间隔减少到30μm或以下。
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