CN109642275A - 高强度铝合金、含有该合金的内燃机用活塞和内燃机用活塞的制造方法 - Google Patents

高强度铝合金、含有该合金的内燃机用活塞和内燃机用活塞的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明的课题在于提供一种高温强度和热传导性优异的铝合金和含有该合金的内燃机用活塞。根据本发明，提供一种铝合金，其特征在于：含有Si：11.0～13.0％、Fe：≤0.3％、Mg：0.3～2.0％、Cu：2.0～5.0％、Ni：3.0～4.0％、Mn：0.2～1.0％、Cr：0.05～0.4％、V：0.05～0.4％，剩余部分由铝和不可避免的杂质构成。

Description

高强度铝合金、含有该合金的内燃机用活塞和内燃机用活塞 的制造方法
技术领域
本发明涉及高强度铝合金、含有该合金的内燃机用活塞和内燃机用活塞的制造方法。
背景技术
汽车的发动机等内燃机的活塞反复暴露于高温中使用。因此，要求高温下的强度和疲劳强度。为此，在活塞用合金中，为了得到高温下的机械强度，为了在Al母相中形成在高温中也不易软化的结晶物，添加Si、Mg、Fe、Cu、Ni、Mn等元素，抑制高温中的软化，进一步使Al母相组织微细化，由此，提高疲劳强度(专利文献1)。另外进行如下操作：通过使Al-Cu-Mg系化合物析出，提高活塞的热传导性，使得即使暴露于高温，活塞自身也不变成高温(专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004-076110号公报
专利文献2：日本特开2014-152375号公报
发明内容
近年来，进一步要求汽车用发动机的高输出化，有也提高发动机的燃烧温度的趋势。因此，活塞的使用环境也变得严酷。为此，本发明的目的在于提供一种能够耐受高温中的反复使用的内燃机用活塞用铝合金，具体而言，提供一种耐热性和热传导性优异的铝合金。
根据本发明，提供一种铝合金，其特征在于，含有：Si：11.0～13.0％、Fe：≤0.3％、Mg：0.3～2.0％、Cu：2.0～5.0％、Ni：3.0～4.0％、Mn：0.2～1.0％、Cr：0.05～0.4％、V：0.05～0.4％，剩余部分由铝和不可避免的杂质构成。
根据本发明的一个方式，提供一种上述的铝合金，其特征在于，还含有：Ti：0.05～0.4％、Zr：0.05～0.4％、P：0.0005～0.015％。
根据本发明的一个方式，提供一种内燃机用活塞用铝合金，其特征在于，具有上述的组成。
根据本发明的一个方式，提供一种铝合金制内燃机用活塞，其特征在于，包含具有上述组成的铝合金，导热度为135W/(k·m)以上。
另外，根据本发明，提供一种内燃机用活塞的制造方法，其特征在于，铸造具有上述的组成的铝合金，并实施时效处理。
另外，根据本发明，提供一种内燃机用活塞的制造方法，其特征在于，铝合金的导热度为135W/(k·m)以上。
根据本发明，能够提供高温强度和热传导性优异的铝合金和含有该合金的内燃机用活塞。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式进行说明，但是本发明不限定于这些实施方式进行解释。此外，在下述的说明中，“A～B”是指“A以上且B以下”。
本实施方式所涉及的铝合金的特征在于，含有：Si：11.0～13.0％、Fe：≤0.3％、Mg：0.3～2.0％、Cu：2.0～5.0％、Ni：3.0～4.0％、Mn：0.2～1.0％、Cr：0.05～0.4％、V：0.05～0.4％，剩余部分由铝和不可避免的杂质构成。该铝合金的高温强度和热传导性优异。
＜Si(硅)＞
Si形成共晶Si、与其它添加元素形成化合物(Mg-Si系、Al-Si-(Mn、Cr)Fe系等)，特别是使高温下的机械强度以及疲劳强度性提高。通过使Si的含量为11.0％以上，该作用变得显著。通过使Si的含量为13％以下，能够抑制作为破坏的起点的初晶Si粗大化，能够抑制常温中的机械强度的降低。
＜Fe(铁)＞
Fe是从作为原料的碎屑等混入的不可避免的杂质，与其它添加元素形成化合物(Al－Si－(Mn、Cr)Fe系、Al－Fe－Mn－Ni－Cr系、等)，使常温和高温(特别是高温)中的强度提高。另外，也有防止烧附于模具的作用。
通过使Fe的含量为0.3％以下，能够抑制作为破坏起点的化合物粗大化，能够抑制由于常温中的机械特性降低而疲劳强度降低。另外，Fe的含量多时，热传导性降低，因此，从该点来说也优选将Fe含量限制为0.3％以下。更优选限制为0.2％以下。
本实施方式所涉及的铝合金中，以往出于提高耐热强度的目的而添加的Fe为热传导性降低的主要原因之一，为了使热传导性提高而限制其含量。本实施方式所涉及的铝合金中，为了提高耐热性，增加Cu、Ni、Mn的添加量，增加有助于耐热性的化合物的形成量，并且使Ti、V、Zr在Al相中固溶，由此实现耐热性的提高。
＜Mg(镁)＞
Mg与其它添加元素形成化合物(Al－Cu－Mg系Mg－Si系等)，使常温和高温(特别是高温)中的强度提高。该效果在添加Mg的含量为0.3％以上时变得显著。通过使Mg的含量为2.0％以下，能够抑制导热度的降低。
＜Cu(铜)＞
Cu与其它添加元素形成化合物(Al－Cu系、Al－Cu－Mg系、Al－Cu－Ni系等)，使常温和高温(特别是高温)中的强度提高。该效果在Cu的含量为2.0％以上时变得显著，通过使Cu的含量为3.0％以上该效果变得更加显著。Cu的含量为5.0％以下时，能够抑制作为破坏起点的化合物的粗大化，能够抑制机械特性(拉伸强度、伸长率)的降低。因此，能够抑制疲劳强度的降低和耐腐蚀性的降低。
此外，Cu在Al母相中的固溶量多时，热传导性降低，因此，更优选Cu含量为4.0％以下。
＜Ni(镍)＞
Ni与其它添加元素形成化合物(Al－Cu－Ni系、Al－Fe－Mn－Ni－Cr系等)，使常温和高温(特别是高温)中的强度提高。该效果在添加Ni的含量为3.0％以上时变得显著。Ni的含量为4.0％以下时，能够抑制作为破坏起点的化合物的粗大化，能够抑制常温中的机械特性的降低和导热度的降低。
＜Mn(锰)＞
Mn通过固溶于Al母相中，可以提高常温和高温中的机械特性。该效果在添加Mn的含量在0.2％以上时变得显著，在0.4％以上时效果变得更显著。另外，具有将容易针状化并粗大化的Al－Si－Fe系化合物形成为Al－Si－Mn、－Fe系Al－Si－(Mn，Cr)－Fe系化合物，使其粒状化的作用。针状的结晶物组织形成粒状，则不易成为破坏的起点，机械特性提高，疲劳强度也提高。通过使Mn的含量为1.0％以下，能够抑制作为破坏的起点的化合物的粗大化，能够抑制由于机械特性降低从而疲劳强度降低。此外，Mn在Al母相中的含量多时，热传导性容易降低，因此，更优选Mn的含量为0.5％以下。
＜Cr(铬)＞
Cr与Mn一样，具有将容易针状化的Al－Si－Fe系化合物形成为Al－Si－Mn－Fe系Al－Si－(Mn，Cr)－Fe系化合物，使其粒状化的作用。针状的结晶物组织形成粒状时，不易成为破坏的起点，机械特性提高。疲劳强度也提高。具有作为Al－Si－(Mn，Cr)－Fe系化合物而结晶、提高常温和高温中的强度的作用，并且，具有降低Mn、Fe在Al母相中的固溶量、使热传导性提高的作用。该效果在添加Cr的含量为0.2％以上时变得显著，通过使Cr的含量为0.4％以下，能够抑制作为破坏的起点的化合物的粗大化，能够抑制常温中的机械特性的降低和热传导性的降低。
另外，根据本发明的其它实施方式，在上述实施方式的铝合金中，还可以含有Ti：0.05～0.4％、V：0.05～0.4％、Zr：0.05～0.4％、P：0.0005～0.015％。
＜Ti(钛)＞
Ti具有在铸造时使Al母相微细化、提高伸长率和疲劳强度的作用，并且还具有在Al母相中固溶、提高高温强度的作用。该作用在Ti的含量为0.05％以上时变得显著。通过使Ti的含量为0.4％以下，能够抑制作为破坏的起点的Ti系化合物的粗大化，能够抑制机械特性的降低。此外，Ti在Al母相中的固溶量多时，热传导性降低，因此，更优选Ti含量低于0.15％。
＜V(钒)＞
V也具有在Al母相中固溶、提高高温强度的作用。该作用在V的含量为0.05％以上时变得显著。通过使V的含量为0.4％以下，能够抑制Al母相中的固溶量变大，能够抑制热传导性的降低。从抑制生成粗大的化合物从而降低韧性的观点考虑，更优选V的含量低于0.15％。
＜Zr(锆)＞
Zr具有在铸造时使Al母相微细化的作用，并且还具有在Al母相中固溶、提高高温强度的作用。该作用在Zr的含量为0.05％以上时变得显著，通过使Zr的含量为0.4％以下，能够抑制在铸造时粗大的Al－Zr系化合物析出结晶从而成为作为破坏起点的铸造缺陷、机械特性降低。此外，Zr在Al母相中的固溶量多时，热传导性降低，因此，更优选Zr的含量低于0.2％。
＜P(磷)＞
P具有使初晶Si微细化的作用。该作用在P的含量为0.0005％以上时变得显著。P添加超过0.015％也看不到作用的提高。
另外，根据本发明的另外的实施方式，提供一种内燃机用活塞的制造方法，其特征在于，铸造上述的实施方式所涉及的铝合金，并实施时效处理。
本发明的合金的铸造方法不限定于特定的铸造方法，铸造时的冷却速度越快，Al母相和结晶物变得越微细，越容易提高伸长率和疲劳强度。
但是，铸造时的冷却速度过快时，添加元素的固溶量变多，热传导性可能会降低，因此，优选铸造速度在5～27℃/s的范围。
在铸造时，Si、Fe、Mg、Cu、Mn、Cr、V、Zr的一部分固溶于Al母相中。固溶于Al母相中的这些元素显示抑制热传导性的作用。通过实施时效处理，这些元素作为析出物析出，由此，热传导性提高，并且机械特性也提高。关于时效处理，为了充分降低固溶量，优选进行过时效。此外，更优选在铸造后、时效处理前进行固溶处理。
上述的实施方式中所说明的铝合金涉及的是高温强度和热传导性优异的高强度铝铸造合金，该合金特别适合暴露于高温的内燃机用活塞。作为内燃机用活塞，具体而言，是指汽车发动机用柴油活塞和汽油活塞等(活塞的头部等)的部件。
实施例
以下，例示本发明所涉及的实施例。本发明的内容并不解释为限定于这些实施例。
将[表1]所示的组成的铝合金利用重力模具铸造(铸造速度10℃/S)铸造为高度200mm的圆筒形状，以保持温度220℃×保持时间240min进行时效处理。[表1]的组成的单位为重量％。
[表1]
Sl Mg Cu Nl Mn Cr Tl Zr V Fe P
实施例1 12.5 0.9 3.8 3.4 0.45 0.1 0.1 0.1 0.1 0.2 0.01
实施例2 11.3 1.8 4.7 3.2 0.8 0.08 0.3 0.06 0.06 0.28 -
实施例3 12.8 0.4 2.3 3.8 0.3 0.3 0.1 0.1 0.1 0.2 0.01
比较例1 12 1 3.4 3.2 0.4 0.1 01 0.1 0.1 0.4 0.01
比较例2 12 0.8 3.5 2.5 0.4 0.1 0.1 0.1 0.1 0.2 0.01
比较例3 12 0.9 4 4.5 0.4 0.1 0.1 0.1 0.1 0.2 -
比较例4 12.2 0.8 3 3.2 0.4 0.02 0.1 0.1 0.1 0.2 0.01
比较例5 11.5 0.1 3 3.5 0.4 0.1 0.1 0.1 0.1 0.2 -
比较例6 12.5 2.2 4 3.5 0.4 0.1 0.1 0.1 0.1 0.2 -
比较例7 10.5 1 2.9 3.3 0.4 0.1 0.1 0.1 0.1 0.2 -
比较例8 13.5 1 4.2 3.7 0.4 0.1 0.1 0.1 0.1 0.2 001
比较例9 11.5 1 1.5 3.4 0.4 0.1 0.1 0.1 0.1 0.2 0.01
比较例10 12.3 1 5.3 3.3 0.4 0.1 0.1 0.1 0.1 0.2 0.01
比较例11 12 1 3 3.5 01 0.1 0.1 0.1 0.1 0.2 0.01
比较例12 12 1 3 3.5 1.2 0.1 0.1 0.1 0.1 0.2 0.01
比较例13 12.2 0.8 3 3.2 0.4 0.7 0.1 0.1 0.1 0.2 0.01
测定所得到的铸件的常温和350℃中的拉伸强度、350℃中的疲劳强度和导热度。在[表2]中表示各实验例的特性评价的结果。
[表2]
根据[表2]的结果，可知比较例1中，由于Fe多，所以拉伸强度、导热度低。另外，比较例2中，由于Ni少，所以350℃中的拉伸强度、疲劳强度低。比较例3中，由于Ni多，所以拉伸强度低。
比较例4中，由于Cr少，所以导热度低。比较例5中，由于Mg少，所以350℃中的拉伸强度、疲劳强度低。比较例6中，由于Mg多，所以导热度低。比较例7中，由于Si少，所以350℃中的拉伸强度、疲劳强度低。
比较例8中，由于Si多，所以拉伸强度低。比较例9中，由于Cu少，所以350℃中的拉伸强度、疲劳强度低。比较例10中，由于Cu多，所以拉伸强度导热度低。比较例11中，由于Mn少，所以拉伸强度、疲劳强度低。比较例12中，由于Mn多，所以拉伸强度、疲劳强度、导热度低。比较例13中，由于Cr多，所以导热度低。
如[表2]所示规定了允收基准，可知本发明所涉及的实施例1至3的合金满足该允收基准，但是比较例的合金不满足该基准。

Claims (6)

1.一种铝合金，其特征在于，含有：
Si：11.0～13.0％、
Fe：≤0.3％、
Mg：0.3～2.0％、
Cu：2.0～5.0％、
Ni：3.0～4.0％、
Mn：0.2～1.0％、
Cr：0.05～0.4％、
V：0.05～0.4％，
剩余部分由铝和不可避免的杂质构成。
2.如权利要求1所述的铝合金，其特征在于，还含有：
Ti：0.05～0.4％、
Zr：0.05～0.4％、
P：0.0005～0.015％。
3.一种内燃机用活塞用铝合金，其特征在于：
其具有权利要求1或2所述的组成。
4.一种铝合金制内燃机用活塞，其特征在于：
包含具有权利要求1或2所述的组成的铝合金，导热度为135W/(k·m)以上。
5.一种内燃机用活塞的制造方法，其特征在于：
铸造具有权利要求1或2所述的组成的铝合金，并实施时效处理。
6.如权利要求5所述的内燃机用活塞的制造方法，其特征在于：
铝合金的导热度为135W/(k·m)以上。
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