CN106523176A - 一种铝合金气缸盖 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝合金气缸盖，其上部设置有凸轮轴或双凸轮轴，下部与气缸体、活塞组成燃烧室；前端设置有时规齿轮及其壳，后端设置水泵；一端设置有进气道，另一端设置有排气道，罝于凸轮轴室的油道通过缸盖与缸体相连；水道环绕着进气道、排气道、燃烧室，并与缸体相连；所述气缸盖采用Al‑Cu‑Ni‑Co‑Nb‑Zr合金，其中Cu含量为1‑5wt％，Ni含量为1‑5wt％，Co含量为0.2‑1wt％，Nb含量为0.5‑1.5wt％，Zr含量为0.2‑1％，Al余量。本发明的铝合金气缸盖，通过对结构和材料性能的改进，改善了其室温与高温性能，能够耐高温，承受更大的冲击力。

Description

一种铝合金气缸盖
技术领域
本发明涉及汽车发动机技术领域，尤其涉及一种铝合金气缸盖。
背景技术
缸盖在内燃机属于配气机构，主要是用来封闭汽缸上部，构成燃烧室。并做为凸轮轴和摇臂轴还有进排气管的支撑。主要是把空气吸到汽缸内部，火花塞把可燃混合气体点燃,带动活塞做功，废气从排气管排出。
随着汽车工业的发展，家用轿车迅速普及，其节油性能日益受到了人们的重视。通过使用轻质材料和合理的结构设计，降低整车质量，能够有效降低油耗，汽车整车质量降低1％，可以节油0.6％～1.0％，运动部件轻量化节油效果更为明显。发动机是汽车的核心部件，其质量约占整车质量的20％～30％，而缸体缸盖是发动机中结构最复杂、质量最大的铸件，约占发动机质量的25％～35％。因此缸体缸盖的轻量化，对发动机及整车质量的降低和节油降耗都有着重要意义。
铝合金作为新型轻质材料，应用到发动机缸体缸盖后，不仅能使质量减轻，还能提高发动机的导热性能，从而提高发动机的安全性能。但发动机缸盖中集油道、水道、气道于一身，结构非常复杂，且运行中要承受高温、高压的作用，工作条件恶劣。这要求缸盖材料具有很高的室温性能与高温性能。
燃气在燃烧室内爆燃时，室内气体温度瞬间高达1100℃以上，这种高温循环热冲击反复作用于燃烧室内壁。而在汽油发动机燃烧室内产生的压力峰值高达7MPa，这个压力直接作用于气缸盖的燃烧室部位。因此，气缸盖在发动机工作过程中的特点是：处于高温状态下工作，承受较大的热冲击作用和产生应力集中。
如何调整优化缸盖的化学成分，进而改善其室温与高温性能，对发动机缸盖的生产有积极的意义。
发明内容
本发明的目的在于提出一种铝合金气缸盖，能够耐高温，承受更大的冲击力。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种铝合金气缸盖，其上部设置有凸轮轴或双凸轮轴，下部与气缸体、活塞组成燃烧室；前端设置有时规齿轮及其壳，后端设置水泵；一端设置有进气道，另一端设置有排气道，罝于凸轮轴室的油道通过缸盖与缸体相连；水道环绕着进气道、排气道、燃烧室，并与缸体相连。
所述气缸盖采用Al-Cu-Ni-Co-Nb-Zr合金，其中Cu含量为1-5wt％，Ni含量为1-5wt％，Co含量为0.2-1wt％，Nb含量为0.5-1.5wt％，Zr含量为0.2-1％，Al余量。
在Al-Cu-Ni-Co-Nb-Zr合金中，Cu能与Al形成强化相Al2Cu，热处理后一部分Al2Cu在晶内析出，能起到强化作用。当Cu含量较小时，增加含量能够使晶内析出的Al2Cu相增多，从而起到提高材料强度的作用，Cu含量大于3.5％后，晶内析出的Al2Cu相随Cu含量的增加不再增多，但残留在晶界的Al2Cu相却明显增多，影响晶粒间的结合强度，进而降低材料的强度。因为Al2Cu既能在晶内析出起到强化作用，又能残留在晶粒间降低晶粒的结合程度，所以Cu含量对合金强度的影响存在一个极大值。
室温下，材料的抗拉强度随着Cu含量的增大而先增大后减小，伸长率呈下降趋势；高温(250℃)下，抗拉强度随Cu含量的增大而先增大后减小，伸长率也呈相同的趋势。综合来看，Cu含量为3.5％时材料的力学性能最佳。
本发明中，Ni与Al和Cu用来形成过剩相Al6Cu3Ni。过剩相强化是耐热铝合金的主要强化方式。当铝中加入的合金元素含量超过其极限溶解度时，淬火加热时便有一部分不能溶入固溶体的第二相出现，称之为过剩相。铝合金中过剩相多数为硬而脆的金属间化合物，它们在合金中阻碍晶界滑移和位错运动，使强度、硬度提高，而塑性、韧性下降。过剩相的熔点越高，成分和结构越复杂，高温下越稳定，强化效果也越好。过剩相的数量越多，越细小，其强化效果越好。
经过测试，Ni含量为1-5wt％，特别是为2.8-3.4wt％时，其对于耐热性提高效果最好。
本发明的Al-Cu-Ni-Co-Nb-Zr铝合金中，Zr用来进行晶界强化。晶界强化也是提高铝合金耐热性能的重要途径。添加表面活性元素Zr，吸附在晶界上，提高晶界热力学稳定性，降低晶界能和提高原子间结合力，从而减少晶界处原子的扩散能力，提高合金的抗蠕变性能。Zr元素不仅可以细化晶粒，还可以形成弥散的Al3M型强化相，这些相本身比较稳定，与基体错配度低，可与基体保持共格关系，能有效钉扎位错，稳定亚结构，阻止晶界滑移，同时抑制基体再结晶，提高基体再结晶温度。此外，Zr元素化学活性较强，形成热稳定性良好的化合物，在晶界处呈放射状分布，能有效强化晶界，提高合金的高温性能。
所述Al-Cu-Ni-Co-Nb-Zr合金的力学性能，需要测室温性能和高温性能。室温性能是将热处理后的材料按照GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》加工成试样，用CSS-55100型高低温电子万能试验机测其抗拉强度和伸长率；高温性能按照GB/T4338-2006《金属材料高温拉伸试验》加工试样，也用上述测试机测试材料在250℃下的抗拉强度与伸长率。其室温抗拉强度超过380MPa，伸长率介于3.8-4.6％；其250℃下抗拉强度超过320MPa，伸长率介于3.0-4.5％之间。
本发明的铝合金气缸盖，通过对结构和材料性能的改进，改善了其室温与高温性能，能够耐高温，承受更大的冲击力。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
一种铝合金气缸盖，其上部设置有凸轮轴或双凸轮轴，下部与气缸体、活塞组成燃烧室；前端设置有时规齿轮及其壳，后端设置水泵；一端设置有进气道，另一端设置有排气道，罝于凸轮轴室的油道通过缸盖与缸体相连；水道环绕着进气道、排气道、燃烧室，并与缸体相连。
所述气缸盖采用Al-Cu-Ni-Co-Nb-Zr合金，其中Cu含量为5wt％，Ni含量为5wt％，Co含量为0.2wt％，Nb含量为0.5wt％，Zr含量为0.2％，Al余量。
室温性能是将热处理后的材料按照GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》加工成试样，用CSS-55100型高低温电子万能试验机测其抗拉强度和伸长率；高温性能按照GB/T4338-2006《金属材料高温拉伸试验》加工试样，也用上述测试机测试材料在250℃下的抗拉强度与伸长率。
测试表明，其室温抗拉强度为398MPa，伸长率介于4.3％；其250℃下抗拉强度为330MPa，伸长率为3.7％。
实施例2
一种铝合金气缸盖，其上部设置有凸轮轴或双凸轮轴，下部与气缸体、活塞组成燃烧室；前端设置有时规齿轮及其壳，后端设置水泵；一端设置有进气道，另一端设置有排气道，罝于凸轮轴室的油道通过缸盖与缸体相连；水道环绕着进气道、排气道、燃烧室，并与缸体相连。
所述气缸盖采用Al-Cu-Ni-Co-Nb-Zr合金，其中Cu含量为1wt％，Ni含量为5wt％，Co含量为1wt％，Nb含量为1.5wt％，Zr含量为1％，Al余量。
室温性能是将热处理后的材料按照GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》加工成试样，用CSS-55100型高低温电子万能试验机测其抗拉强度和伸长率；高温性能按照GB/T4338-2006《金属材料高温拉伸试验》加工试样，也用上述测试机测试材料在250℃下的抗拉强度与伸长率。
测试表明，其室温抗拉强度为402MPa，伸长率介于4.2％；其250℃下抗拉强度为342MPa，伸长率为4.0％。
上述实施例表明，本发明的铝合金汽车缸盖采用特定的合金组成，善了其室温与高温性能，能够耐高温，承受更大的冲击力。

Claims (3)

1.一种铝合金气缸盖，其上部设置有凸轮轴或双凸轮轴，下部与气缸体、活塞组成燃烧室；前端设置有时规齿轮及其壳，后端设置水泵；一端设置有进气道，另一端设置有排气道，罝于凸轮轴室的油道通过缸盖与缸体相连；水道环绕着进气道、排气道、燃烧室，并与缸体相连；
所述气缸盖采用Al-Cu-Ni-Co-Nb-Zr合金，其中Cu含量为1-5wt％，Ni含量为1-5wt％，Co含量为0.2-1wt％，Nb含量为0.5-1.5wt％，Zr含量为0.2-1％，Al余量。
2.根据权利要求1所述的铝合金气缸盖，其特征在于，Cu含量为3.5％。
3.根据权利要求1或2所述的铝合金气缸盖，其特征在于，Ni含量为1-5wt％，特别为2.8-3.4wt％。
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