CN107429335A - 高温强度和导热率优异的铝合金铸件及其制造方法和内燃机用铝合金制活塞 - Google Patents

高温强度和导热率优异的铝合金铸件及其制造方法和内燃机用铝合金制活塞 Download PDF

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Abstract

本发明提供高温强度和耐热性优异的铝合金铸件及其制造方法和使用该铸件的内燃机用铝合金制活塞。该铝合金铸件具有如下的化学组分：包含Si：12.0～13.5mass％、Cu：4.5～5.5mass％、Mg：0.6～1.0mass％、Ni：0.7～1.3mass％、Fe：1.15～1.25mass％、Ti：0.10～0.2mass％、P：0.004～0.02mass％，剩余部分由Al和不可避免的杂质构成，在0.2mm2的观察视野中，选取Al‐Fe‐Si系结晶物的长轴长度最大的10个结晶物，该10个结晶物的平均长度为100μm以下。该内燃机用铝合金制活塞由上述铝合金铸件构成。该铝合金铸件的制造方法以冷却速度100℃/s以上对具有上述化学组分的铝合金的熔液进行铸造后，进行时效处理。

Description

高温强度和导热率优异的铝合金铸件及其制造方法和内燃机 用铝合金制活塞
技术领域
本发明涉及高温强度和导热率优异的铝合金制铸件及其制造方法。本发明的铝合金铸件特别适于内燃机用活塞。
背景技术
铝合金通常温度越高强度越下降。因此，用于内燃机用活塞等高温下使用的部件的铝合金通过使Si、Cu、Ni、Mg和Fe等添加元素多并且使即使高温也不容易软化的第二相粒子等的结晶物量多，来抑制高温时的强度下降。
在添加元素中，特别而言，为了维持高温强度，Fe是有效的元素，但添加量变多时，容易形成粗大的针状的结晶物。该粗大的针状的结晶物成为破坏的起点而使伸长性和强度下降。因此，可以进行添加Mn而使Fe系结晶物成为块状的步骤。
然而，Mn的添加量多时，铝合金的导热率会下降，不容易利用散热降低温度，活塞被长时间暴露于高温下，负荷变大。
因此，本申请人提案了，通过在铸造时对熔液照射超声波振动，不添加Mn而使针状的Fe系结晶物变短，防止粗大化的技术(专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5482899号公报
发明内容
发明所要解决的课题
然而，如上述所提案的那样，铸造时进行超声波照射的方法存在装置费用、生产率等的问题，生产成本增加。
因此，本发明的目的在于：提供不进行Mn的添加(耐热性下降的主要原因)和超声波的照射(生产成本增加的主要原因)、针状Fe系结晶物短且高温强度和耐热性优异的铝合金铸件及其制造方法和使用该铸件的内燃机用铝合金制活塞。
用于解决课题的方法
本发明人进行了精心研究，结果发现，通过抑制合金组分中Fe的添加量并在铸造时快速冷却，即使不进行Mn含量的下降和超声波照射，也能够使Fe系结晶物的长度变短。进一步进行研究，结果新发现，在铸造时，以100℃/s以上的高速进行冷却时，能够使Fe系结晶物的平均长度变短至不损害活塞的机械特性的程度(100μm以下)。
另外，优选使所铸造的铝合金熔液的Cu与Ni的含量的比Cu/Ni比变大时，Al－Ni－Cu系化合物的结晶温度下降，因此，从结晶开始至凝固结束的时间变短了，已结晶的Al－Ni－Cu系化合物几乎不会成长地铸造结束(当然在铸造速度的影响下)。作为其结果，也发现了Al－Ni－Cu系化合物变得微细，铸造性和机械特性提高。进一步可知，使结晶物变得微细时，能够抑制精加工切削时的被切削材的缺陷。
因此，为了解决上述的课题，本发明的铝合金铸件的特征在于，具有如下的化学组分：
包含Si：12.0～13.5mass％、Cu：4.5～5.5mass％、Mg：0.6～1.0mass％、Ni：0.7～1.3mass％、Fe：1.15～1.25mass％、Ti：0.10～0.2mass％、P：0.004～0.02mass％，剩余部分由Al和不可避免的杂质构成，
在0.2mm2的观察视野中，选取Al‐Fe‐Si系结晶物的长轴长度最大的10个结晶物，该10个结晶物的平均长度为100μm以下。
在本发明的优选方式中，Cu与Ni的含量的比Cu/Ni为3.4以上。更优选Cu/Ni为4以上。
本发明的铝合金铸件特别适于内燃机用铝合金制活塞。
本发明的铝合金铸件的制造方法的特征在于：以冷却速度100℃/s以上对具有上述化学组分的铝合金熔液进行铸造后，进行时效处理。发明效果
本发明的铝合金铸件在0.2mm2的观察视野中，选取Al‐Fe‐Si系结晶物的长轴长度最大的10个结晶物，该10个结晶物的平均长度为100μm以下，由此能够实现内燃机用铝合金制活塞所要求的优异的高温强度和导热率。
本发明的铝合金铸件的制造方法通过以冷却速度100℃/s以上对具有上述的化学组分的铝合金熔液进行铸造后，进行时效处理，能够实现在0.2mm2的观察视野中，选取Al‐Fe‐Si系结晶物的长轴长度最大的10个结晶物，该10个结晶物的平均长度为100μm以下，并能够实现内燃机用铝合金制活塞所要求的优异的高温强度和导热率。
具体实施方式
以下，对本发明的构成条件的限定理由进行说明。
＜化学组分＞
〔Si：12.0～13.5mass％〕
Si作为初晶Si析出结晶，具有利用分散强化提高活塞的高温强度的作用。该效果在Si含量为12.0mass％以上时变得显著。
另一方面，Si含量超过13.5mass％时，导热率下降。另外，结晶物量也增加，伸长性和加工性下降。
进一步而言，Si利用时效处理作为Mg－Si系析出物析出，不仅利用分散强化提高强度，同时也具有提高导热性的效果。
〔Cu：4.5～5.5mass％〕
Cu具有提高高温强度的作用。与Ni同时添加时，作为Al－Ni－Cu系结晶物析出结晶，利用分散强化提高高温强度。该作用在添加4.5mass％以上时变得显著。
另一方面，添加量超过5.5mass％时，会降低导热率。另外，合金密度变高，无法获得比强度的提高。
〔Ni：0.7～1.3mass％〕
Ni具有提高高温强度的作用。与Cu同时添加时，作为Al－Ni－Cu系结晶物析出结晶，利用分散强化提高高温强度。该作用在添加0.7mass％以上时变得显著。
另一方面，添加量超过1.3mass％时，会降低导热率。另外，合金密度变高，无法获得比强度的提高。另外，在添加于本发明的活塞的元素中，由于Ni是特别高价的元素，在Ni的添加量增加时，生产成本变高。
〔优选Cu/Ni比：3.4以上〕
在本发明的优选方式中，将Cu与Ni的含量的比Cu/Ni设为3.4以上。
Cu/Ni比变高时，由于Al－Ni－Cu系化合物的结晶温度降低，从结晶开始至凝固结束的时间短。作为其结果，已结晶的Al－Ni－Cu系化合物几乎不会成长而铸造结束(在铸造速度的影响下)。因此，Al－Ni－Cu系化合物变得微细，机械特性提高。同时铸造性也提高。该作用在Cu/Ni比为3.4以上时变得显著，更优选为4以上。
〔Mg：0.6～1.0mass％〕
Mg具有提高高温强度的作用。该效果在Mg含量为0.6mass％以上时变得显著。另外，进行时效处理时，作为Mg－Si系析出物析出，强度和导热性提高。
另一方面，Mg含量超过1.0mass％时，导热率下降。另外，结晶物量也增加，伸长性和加工性下降。
〔Fe：1.15～1.25mass％〕
Fe与Si同时添加时，形成Al‐Fe‐Si系结晶物，有助于分散强化，提高高温强度。该效果在Fe的添加量为1.15mass％以上时变得显著。
另一方面，添加量超过1.25mass％添加时，即使使铸造时的冷却速度变高，也难以抑制结晶物的粗大化。
〔Ti：0.10～0.2mass％〕
Ti成为Al‐Fe‐Si系结晶物的晶核，具有使Al‐Fe‐Si系结晶物微细均匀地分散并提高高温强度的作用。该作用在添加0.10mass％以上时变得显著。相反，添加超过0.2mass％时，导热性下降。
〔P：0.004～0.02mass％〕
P形成AlP化合物，作为初晶Si析出时的晶核发挥作用，具有使初晶Si微细均匀地分散并提高高温强度的作用。该作用在P含量为0.004mass％以上时变得显著。P含量超过0.02mass％时，铸造时的熔液流动性变差，铸造性下降。
〔不可避免的杂质〕
除了上述元素以外，允许通常不可避免地混入的杂质。其中，由于Mn对导热性的影响大，因此，希望将Mn含量控制在0.2％以下。
＜结晶物的长轴长度：100μm以下＞
若结晶物的长轴长度大于100μm，则在对活塞施加大的力时，有成为破坏的起点、降低活塞的抗拉强度的危险。
＜铸造时的冷却速度：100℃/s以上＞
将铸造时的冷却速度设为100℃/s以上时，能够将本发明组分的合金的结晶物的长轴长度抑制在100μm以下，能够提高抗拉强度。
其中，作为以冷却速度100℃/s以上进行铸造的方法，有压铸法。
＜时效处理＞
通过进行时效处理，Mg－Si系化合物和Al－Cu系化合物析出，高温强度增加。另外，通过该析出，Al母相中的Mg、Si、Cu的固熔量减少，导热率提高。进而，在铸造时，急冷时活塞所产生的变形被消除，因此，从该观点考虑，导热率也提高。
优选的时效处理条件如下所述。
保持温度：200～300℃(最优选250℃)
保持时间：10～60min(最优选20min)
实施例
以下，利用实施例对本发明进行更详细地说明。
实施例1
＜试样的制作＞
为了确认化学组分的影响，使化学组分处于本发明的规定范围内和规定范围外、制造条件在本发明的规定范围内为一定的方式制作试样。
【表1】
表1
(单位:mass％)
(注)下划线表示处于本发明的规定范围外
表1表示各试样的化学组成。发明组分1～3的各成分含量和Cu/Ni比全部处于本发明的规定范围内，比较组分1～9的各成分含量和Cu/Ni比中的至少1个处于本发明的规定范围外。
准备具有表1的各化学组分的铝合金熔液，利用真空压铸法，以处于本发明的规定范围内的冷却速度110℃/s铸造成的圆柱。
对所获得的压铸材以保持温度250℃、保持时间20min进行时效处理。
＜测定和观察＞
对时效处理后的试样进行以下的测定和观察。
利用光学显微镜观察，在0.2mm2的观察视野中，选取Al‐Fe‐Si系结晶物的长轴长度最大的10个结晶物，测定它们的平均长度，作为结晶物尺寸。
对350℃和室温下的拉伸试验的机械特性和室温下的导热率进行测定。
对铸件的表面进行机械切削，对其表面进行目测观察，利用表面性状判定切削加工性。
将测定和观察的结果示于表2。
【表2】
表2
(注)发明例1～3：发明组分1～3、冷却速度110℃/s(＝规定范围内)。
比较例1～9：比较组分1～9、冷却速度110℃/s(＝规定范围内)。
下划线表示：关于“结晶物尺寸”，表示处于本发明的规定范围外，关于其他项目，表示明显差于发明例1～3。
＜结果的评价＞
关于发明例1～3，其是组分为本发明的规定范围内的发明组分1～3，并且铸造时的冷却速度为满足本发明的规定范围100℃/s以上的110℃/s，由此结晶物尺寸、机械特性、导热率、切削加工性全部能够获得良好的结果。
特别而言，结晶物尺寸为87μm～96μm，满足作为本发明的规定范围的100μm以下。
机械特性如下所述，能够获得稳定的结果。
350℃：抗拉强度88～92MPa
断裂伸长9.5～10％
室温：抗拉强度270～280MPa
断裂伸长0.3～0.5％
导热率为120～122W/(m·k)，能够获得稳定的结果。
表面性状良好，切削加工性稳定，能够获得良好的结果。
其中，在发明例1～3中，可知Cu/Ni比越高，结晶物越微细，存在室温下的断裂伸长、抗拉强度和表面粗糙度优异的倾向。
关于比较例1～9，虽然冷却速度满足本发明的规定范围，但由于组分为本发明的规定范围外的比较组分1～9，因此，与发明例相比，如下所述，变差了。
〔比较例1〕
由于相对于本发明的规定组分Fe含量过剩，所以Al‐Fe‐Si系结晶物的平均长度为150μm，超过了本发明的规定范围上限100μm，与发明例相比，室温下的断裂伸长低，且小于0.1％，因此，室温下的抗拉强度差，为250MPa。导热率也低，为115W/(m·k)，切削加工后的表面性状也差(×)。
〔比较例2〕
由于Cu含量不足、Ni含量过剩且Cu/Ni比小，因此Al‐Fe‐Si系结晶物的平均长度为130μm，超过了规定上限，导热率低，为117W/(m·k)，切削加工后的表面性状也差(×)。
〔比较例3〕
由于Fe含量不足，所以350℃时的高温抗拉强度差，为80MPa。
〔比较例4〕
由于Cu含量过剩，所以结晶物平均长度为121μm，超过了规定上限，因此，室温下的断裂伸长低，小于0.1％，切削加工后的表面性状也差(×)。另外，导热率也差，为114W/(m·k)。
〔比较例5〕
由于Ni含量不足，所示350℃时的高温抗拉强度差，为75MPa。
〔比较例6〕
由于Mg含量不足，所以350℃时的高温抗拉强度差，为78MPa。
〔比较例7〕
由于Mg含量过剩，所以结晶物平均长度为116μm，超过了规定上限，因此，室温下的断裂伸长低，小于0.1％，切削加工后的表面性状也差(×)。
〔比较例8〕
由于Si含量不足，所以350℃时的高温抗拉强度差，为78MPa。
〔比较例9〕
由于Si含量过剩，所以结晶物平均长度为113μm，超过了规定上限，因此，室温下的断裂伸长低，小于0.1％，切削加工后的表面性状也差(×)。
实施例2
＜试样的制作＞
与实施例1同样准备具有表1所示的化学组分的铝合金熔液，与实施例1不同，利用重力模具铸造法，以处于本发明的规定范围外的冷却速度25℃/s铸造成的圆柱。
对所获得的重铸材以保持温度250℃、保持时间20min进行时效处理。
＜测定和观察＞
与实施例1同样对时效处理后的试样进行测定和观察。将其结果示于表3。
【表3】
表3
(注)比较例11～13：发明组分1～3、冷却速度25℃/s(＝规定范围外)。
比较例21～29：比较组分1～9、冷却速度25℃/s(＝规定范围外)。
下划线表示：关于“结晶物尺寸”，表示处于本发明的规定范围外，关于其他项目，表示明显差于发明例1～3(表2)。
＜结果的评价＞
在表3中，关于比较例11、12、13，虽然组分为发明组分1、2、3，但铸造时的冷却速度为比本发明的规定范围100℃/s慢的25℃/s。
关于比较例21～29，组分与实施例1同样为比较组分1～9，另外，铸造时的冷却速度为比本发明的规定范围100℃/s慢的25℃/s。
由表2和表3可知，即使是相同的组分，关于利用铸造时的冷却速度慢的重力铸造所铸造的铸造材，Al‐Fe‐Si系结晶物的长轴长度也长，机械特性、特别是室温拉伸试验中的伸长性的下降显著。
如此，为了实现本发明的效果，在控制化学组分之后，还需要控制结晶物的长轴长度使之变短，因此，必须将铸造时的冷却速度控制在高速。
产业上的可利用性
利用本发明的铝合金铸件，通过控制化学组分和结晶物的长轴长度，能够实现内燃机用铝合金制活塞所要求的高温强度和导热率。
利用本发明的铝合金铸件的制造方法，通过控制化学组分和铸造时的冷却速度，能够制造实现内燃机用铝合金制活塞所要求的高温强度和导热率的铝合金铸件。

Claims (5)

1.一种高温强度和导热率优异的铝合金铸件，其特征在于，具有如下的化学组分：
包含Si：12.0～13.5mass％、Cu：4.5～5.5mass％、Mg：0.6～1.0mass％、Ni：0.7～1.3mass％、Fe：1.15～1.25mass％、Ti：0.10～0.2mass％、P：0.004～0.02mass％，剩余部分由Al和不可避免的杂质构成，
在0.2mm2的观察视野中，选取Al‐Fe‐Si系结晶物的长轴长度最大的10个结晶物，该10个结晶物的平均长度为100μm以下。
2.如权利要求1所述的铝合金铸件，其特征在于：
Cu与Ni的含量的比Cu/Ni为3.4以上。
3.一种内燃机用铝合金制活塞，其特征在于：
其由权利要求1或2所述的铝合金铸件构成。
4.一种高温强度和导热率优异的铝合金铸件的制造方法，其特征在于：
以冷却速度100℃/s以上对具有权利要求1或2所述的化学组分的铝合金的熔液进行铸造后，进行时效处理。
5.如权利要求4所述的高温强度和导热率优异的铝合金铸件的制造方法，其特征在于：
利用压铸法进行所述铸造。
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