CN110724861B - 高性能铝合金发动机缸盖及其铸造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高性能铝合金发动机缸盖及其铸造方法,其特征在于,其化学组分按质量百分比为:Si:8.0‑9.5%、Ni:2.0‑3.5%、Cu:0.5‑2.0%、Mg:0.3‑1.0%、Zn:0.2‑0.5%、Zr:0.1‑0.3%、Sc:0.1‑0.25%、La:0.1‑0.2%、Sb:0.1‑0.2%、Mn≤0.3%、Fe≤0.2%、Ti≤0.2%,其它杂质元素单个含量≤0.05%,其它杂质元素总含量≤0.15%,余量为Al;该车体轻量化用铝合金板材的制备方法是经熔炼、精炼、铸造、均匀化、切头铣面、热轧、中间退火、冷轧和固溶处理得到;本发明的高性能铝合金发动机缸盖通过合金强化、变质处理和热处理,提高铝合金发动机缸盖的耐高温性能和力学性能等综合性能。

Description

高性能铝合金发动机缸盖及其铸造方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金加工技术领域,具体涉及一种高性能铝合金发动机缸盖及其铸造方法。
背景技术
汽车产业在世界各地蓬勃发展的同时,也带来环境污染和能源短缺两大严重的社会问题。这促使汽车产业将持续发展的核心放在能源和环保上,而以汽车轻量化为主导的先进汽车材料技术是实现这一目标的重要保证,因此轻量化成为未来汽车技术发展的主要方向。汽车材料是影响汽车重量的重要因素,对节能能源及改善污染都有相当程度的影响。在新能源技术发展尚未成熟,汽车减重无疑是降低能耗及污染的最佳途径。
目前国内外大部分轿车发动机缸盖已基本采用来铝合金生产,全铝合金的材质,减轻了车身重量同时,还增强了发动机的散热效果,提高了发动机工作效率,而且寿命也更长。从节油的角度看,铸铝发动机在节油方面的优势颇受人们关注。因为汽车的重量每降低,其耗油量能够降低0.6%-1%。为了降低燃料消耗,同时也为了减少汽车尾气排放对大气环境的污染,减轻汽车自重是一个重要的措施。因此,汽车铁铸件不断被轻质铝铸件取代已成为发展趋势。但是,由于铝合金在铸造过程中存在增铁、氧化和吸气三大问题,致使现有铝合金缸盖材料普遍存在高温时强度相对较低( 250℃以上瞬时抗拉强度小于200MPa ,持续强度小于100Mpa )、铸造性能差、铸件合格率低、废品料及渣料回用性差等缺陷,造成包括汽车发动机缸盖的铸件制品的质量差、易变质、成本高、渣料处理流程长等问题。而且,虽然传统牌号的铝硅合金在普通使用性能上已经能满足使用要求,但是当零件处于复杂的应力状态时,往往存在许多不足之处。如耐高温性能差、力学性能不足等。另外,随着发动机功率的不断提高使得缸盖的工作温度和工作压力显著增加,燃烧室压强上升至18-20MPa,进出气口鼻梁温度接近300℃。为了适应发动机缸盖恶劣工作条件的要求,这就要求发动机缸盖用铸造铝合金材料除具有良好的室温性能外,还应保证其高温性能。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足,通过科学优化合金中各元素的含量、改善铸造、热处理工艺,提供一种具有较好的耐高温性能及力学性能的高性能铝合金发动机缸盖及其铸造方法。
本发明是这样实现的:
一种高性能铝合金发动机缸盖,其特征在于,其化学组分按质量百分比为:Si:8.0-9.5%、Ni:2.0-3.5%、Cu:0.5-2.0%、Mg:0.3-1.0%、Zn:0.2-0.5%、Zr:0.1-0.3%、Sc:0.1-0.25%、La:0.1-0.2%、Sb:0.1-0.2%、Mn≤0.3%、Fe≤0.2%、Ti≤0.2%,其它杂质元素单个含量≤0.05%,其它杂质元素总含量≤0.15%,余量为Al。
进一步优选,高性能铝合金发动机缸盖,其化学组分按质量百分比为:Si:9.0%、Ni:2.5%、Cu:1.5%、Mg:0.5%、Zn:0.3%、Zr:0.2%、Sc:0.2%、La:0.15%、Sb:0.15%、Mn≤0.3%、Fe≤0.2%、Ti≤0.2%,其它杂质元素单个含量≤0.05%,其它杂质元素总含量≤0.15%,余量为Al。
本发明的高性能铝合金发动机缸盖的铸造方法,包括如下步骤:
(1)熔炼:按配方比先将铝锭和高纯硅投入熔炼炉内,然后依次加入其他合金成分进行合金化,熔炼炉温度为780-820℃,再加入精炼剂精炼,待所有中间合金完全熔化后,对铝合金熔体进行在线除气和除渣处理,得铝合金溶液;
(2)变质处理:加入变质剂进行变质处理,变质剂加入量为铝合金溶液总质量的0.2%-0.5%;
(3)精炼:变质处理后的铝合金溶液先采用真空磁动力装置进行真空净化处理,再采用旋转喷吹除气装置对铝合金溶液进行精炼,将旋转喷吹除气装置的吹头伸入到铝合金溶液中,通入氩气对铝合金溶液进行精炼;精炼完成后,将铝合金溶液转入低压铸造机保温炉中;
(4)低压铸造:将保温炉中的铝合金溶液转入低压铸造机的低压铸型腔模具中通过低压铸造机制得铝合金发动机缸盖, 浇注温度是690℃-730℃;
(5)热处理:将发动机缸盖铸件放入时效炉进行热处理,热处理采用多级人工时效,第一级时效温度为50-70℃,保温时间为10-15h,第二级时效温度为100-120℃,保温时间为15-20h;第三级时效温度为160-200℃,保温时间为5-10h,得到高性能铝合金发动机缸盖。
进一步优选,所述的在线除气是采用氩与氯混合气体除气,流量为0.2-0.5 m3/h,氩与氯流量比为1:0.4,分压为0.10-0.50MPa,转子转速为400-500rpm/min。
进一步优选,所述变质剂包含以重量计15-20份的Al、1-2份的La和1-3份的Sc,所述变质剂由Al-La-Sc合金的形式存在。
进一步优选,所述旋转喷吹除气装置的旋转速度为600r/min,气体流量为0.4 m3/h。
进一步优选,所述低压铸造过程中升液压力为0.0-0.06MPa,升液速率为45 -50mm/s,充型压力为0.02-0.04MPa,充型速率为 60 -90mm/s,保压压力为0.05-0.1MPa。
本发明的突出的实质性特点和显著的进步是:
1、本发明通过对铝合金发动机缸盖通过对合金中的Si、Ni、Cu、Mg、Zn、Zr、Sb等成分进行科学调整,合理优化合金中各元素的含量及改善制备过程中熔炼、精炼、铸造、热处理等工艺,在亚共晶铝硅的基础上,提高硅的含量,使其达到共晶成分,通过合金强化、变质处理和热处理,提高铝合金发动机缸盖的耐高温性能和力学性能等综合性能。
2、本发明通过将提高Si元素含量至8.0-9.5%,调整Ni元素含量至2.0-3.5%,加入0.2-0.5%的Zr元素,在合金中会生成Al7Cu4Ni、Al(CuNi)2等强化相,提高了发动机缸盖的强度及高温稳定性;Zr与铝发生包晶反应,细化晶粒,并形成耐热稳定相,提高高温性能;添加微量的Sb元素,能够显著改善铝合金的金相组织,枝晶臂间距减小,二元、三元共晶变细,分布均匀,使铝合金耐磨性得到提高,提高铝合金发动机缸盖的硬度和增加强度。
3、本发明的采用Al-La-Sc变质剂具有更好的变质功能,使合金组织得到了明显的改善,阻止再结晶的粗大化,提高再结晶温度,有效地细化再结晶晶粒,提高合金的强度,并能溶解杂质Fe,减少Fe的有害作用。
4、本发明采用真空磁动力装置和旋转喷吹除气装置清除铝液中的氧化物、非金属夹杂物和其他有害金属杂质,使得铝合金铸造件中的H含量控制在0.1ml/100gAl以下,除氢率达到85%以上,能够显著提高除气效率和除气质量,减少铝合金铸造件的裂纹、疏松、针状气孔、夹杂等铸造缺陷,具有精炼效果好、无污染、损耗小、精炼气体消耗少等优点。
5、本发明热处理过程采用三级时效处理,使得第二相充分弥散析出,最大化的发挥第二相强化效果,从而提高发动机缸盖的强度及力学性能。
具体实施方式
实施例1
高性能铝合金发动机缸盖的化学组分按质量百分比为:
Si:8.0%、Ni:2.0%、Cu:0.5%、Mg:0.3%、Zn:0.2%、Zr:0.1%、Sc:0.1%、La:0.1%、Sb:0.1%、Mn≤0.3%、Fe≤0.2%、Ti≤0.2%,其它杂质元素单个含量≤0.05%,其它杂质元素总含量≤0.15%,余量为Al。
其铸造方法为:
(1)熔炼:按配方比先将铝锭和高纯硅投入熔炼炉内,然后依次加入其他合金成分进行合金化,熔炼炉温度为780-820℃,再加入精炼剂精炼,待所有中间合金完全熔化后,对铝合金熔体进行在线除气和除渣处理,得铝合金溶液;
所述的在线除气是采用氩与氯混合气体除气,流量为0.2m3/h,氩与氯流量比为1:0.4,分压为0.10MPa,转子转速为400rpm/min。
(2)变质处理:加入变质剂进行变质处理,变质剂加入量为铝合金溶液总质量的0.2%;
所述变质剂包含以重量计15份的Al、1份的La和1份的Sc,所述变质剂由Al-La-Sc合金的形式存在。
所述变质剂包含以重量计15份的Al、1份的La和1份的Sc,所述变质剂由Al-La-Sc合金的形式存在。
(3)精炼:变质处理后的铝合金溶液先采用真空磁动力装置进行真空净化处理,再采用旋转喷吹除气装置对铝合金溶液进行精炼,将旋转喷吹除气装置的吹头伸入到铝合金溶液中,通入氩气对铝合金溶液进行精炼;精炼完成后,将铝合金溶液转入低压铸造机保温炉中;
所述旋转喷吹除气装置的旋转速度为600r/min,气体流量为0.4 m3/h。
(4)低压铸造:将保温炉中的铝合金溶液转入低压铸造机的低压铸型腔模具中通过低压铸造机制得铝合金发动机缸盖, 浇注温度是690℃-730℃;
所述低压铸造过程中升液压力为0.03MPa,升液速率为45mm/s,充型压力为0.02MPa,充型速率为 60mm/s,保压压力为0.05MPa。
(5)热处理:将发动机缸盖铸件放入时效炉进行热处理,热处理采用多级人工时效,第一级时效温度为50-70℃,保温时间为10h,第二级时效温度为100-120℃,保温时间为15h;第三级时效温度为160-200℃,保温时间为5h,得到高性能铝合金发动机缸盖。
实施例2
高性能铝合金发动机缸盖的化学组分按质量百分比为:
Si:8.5%、Ni:3.0%、Cu:1.8%、Mg:0.8%、Zn:0.4%、Zr:0.25%、Sc:0.15%、La:0.18%、Sb:0.18%、Mn≤0.3%、Fe≤0.2%、Ti≤0.2%,其它杂质元素单个含量≤0.05%,其它杂质元素总含量≤0.15%,余量为Al。
其铸造方法为:
(1)熔炼:按配方比先将铝锭和高纯硅投入熔炼炉内,然后依次加入其他合金成分进行合金化,熔炼炉温度为780-820℃,再加入精炼剂精炼,待所有中间合金完全熔化后,对铝合金熔体进行在线除气和除渣处理,得铝合金溶液;
所述的在线除气是采用氩与氯混合气体除气,流量为0.3 m3/h,氩与氯流量比为1:0.4,分压为0.2MPa,转子转速为450rpm/min。
(2)变质处理:加入变质剂进行变质处理,变质剂加入量为铝合金溶液总质量的0.3%;
所述变质剂包含以重量计16份的Al、1.5份的La和2份的Sc,所述变质剂由Al-La-Sc合金的形式存在。
(3)精炼:变质处理后的铝合金溶液先采用真空磁动力装置进行真空净化处理,再采用旋转喷吹除气装置对铝合金溶液进行精炼,将旋转喷吹除气装置的吹头伸入到铝合金溶液中,通入氩气对铝合金溶液进行精炼;精炼完成后,将铝合金溶液转入低压铸造机保温炉中;
所述旋转喷吹除气装置的旋转速度为600r/min,气体流量为0.4 m3/h。
(4)低压铸造:将保温炉中的铝合金溶液转入低压铸造机的低压铸型腔模具中通过低压铸造机制得铝合金发动机缸盖, 浇注温度是690℃-730℃;
所述低压铸造过程中升液压力为0.04MPa,升液速率为45mm/s,充型压力为0.03MPa,充型速率为 70mm/s,保压压力为0.06MPa。
(5)热处理:将发动机缸盖铸件放入时效炉进行热处理,热处理采用多级人工时效,第一级时效温度为50-70℃,保温时间为12h,第二级时效温度为100-120℃,保温时间为16h;第三级时效温度为160-200℃,保温时间为6h,得到高性能铝合金发动机缸盖。
实施例3
高性能铝合金发动机缸盖的化学组分按质量百分比为:
Si:9.5%、Ni:3.5%、Cu: 2.0%、Mg: 1.0%、Zn:0.5%、Zr: 0.3%、Sc: 0.25%、La:0.2%、Sb: 0.2%、Mn≤0.3%、Fe≤0.2%、Ti≤0.2%,其它杂质元素单个含量≤0.05%,其它杂质元素总含量≤0.15%,余量为Al。
其铸造方法为:
(1)熔炼:按配方比先将铝锭和高纯硅投入熔炼炉内,然后依次加入其他合金成分进行合金化,熔炼炉温度为780-820℃,再加入精炼剂精炼,待所有中间合金完全熔化后,对铝合金熔体进行在线除气和除渣处理,得铝合金溶液;
所述的在线除气是采用氩与氯混合气体除气,流量为0.4m3/h,氩与氯流量比为1:0.4,分压为0.40MPa,转子转速为500rpm/min。
(2)变质处理:加入变质剂进行变质处理,变质剂加入量为铝合金溶液总质量的0.4%;
所述变质剂包含以重量计18份的Al、1.5份的La和2.5份的Sc,所述变质剂由Al-La-Sc合金的形式存在。
(3)精炼:变质处理后的铝合金溶液先采用真空磁动力装置进行真空净化处理,再采用旋转喷吹除气装置对铝合金溶液进行精炼,将旋转喷吹除气装置的吹头伸入到铝合金溶液中,通入氩气对铝合金溶液进行精炼;精炼完成后,将铝合金溶液转入低压铸造机保温炉中;
所述旋转喷吹除气装置的旋转速度为600r/min,气体流量为0.4 m3/h。
(4)低压铸造:将保温炉中的铝合金溶液转入低压铸造机的低压铸型腔模具中通过低压铸造机制得铝合金发动机缸盖, 浇注温度是690℃-730℃;
所述低压铸造过程中升液压力为0.05MPa,升液速率为48mm/s,充型压力为0.03MPa,充型速率为 80mm/s,保压压力为0.08MPa。
(5)热处理:将发动机缸盖铸件放入时效炉进行热处理,热处理采用多级人工时效,第一级时效温度为50-70℃,保温时间为14h,第二级时效温度为100-120℃,保温时间为18h;第三级时效温度为160-200℃,保温时间为8h,得到高性能铝合金发动机缸盖。
实施例4
高性能铝合金发动机缸盖的化学组分按质量百分比为:
Si:9.0%、Ni:2.5%、Cu:1.5%、Mg:0.5%、Zn:0.3%、Zr:0.2%、Sc:0.2%、La:0.15%、Sb:0.15%、Mn≤0.3%、Fe≤0.2%、Ti≤0.2%,其它杂质元素单个含量≤0.05%,其它杂质元素总含量≤0.15%,余量为Al。
其铸造方法为:
(1)熔炼:按配方比先将铝锭和高纯硅投入熔炼炉内,然后依次加入其他合金成分进行合金化,熔炼炉温度为780-820℃,再加入精炼剂精炼,待所有中间合金完全熔化后,对铝合金熔体进行在线除气和除渣处理,得铝合金溶液;
所述的在线除气是采用氩与氯混合气体除气,流量为0.5 m3/h,氩与氯流量比为1:0.4,分压为0.50MPa,转子转速为500rpm/min。
(2)变质处理:加入变质剂进行变质处理,变质剂加入量为铝合金溶液总质量的0.5%;
所述变质剂包含以重量计20份的Al、2份的La和3份的Sc,所述变质剂由Al-La-Sc合金的形式存在。
(3)精炼:变质处理后的铝合金溶液先采用真空磁动力装置进行真空净化处理,再采用旋转喷吹除气装置对铝合金溶液进行精炼,将旋转喷吹除气装置的吹头伸入到铝合金溶液中,通入氩气对铝合金溶液进行精炼;精炼完成后,将铝合金溶液转入低压铸造机保温炉中;
所述旋转喷吹除气装置的旋转速度为600r/min,气体流量为0.4 m3/h。
(4)低压铸造:将保温炉中的铝合金溶液转入低压铸造机的低压铸型腔模具中通过低压铸造机制得铝合金发动机缸盖, 浇注温度是690℃-730℃;
所述低压铸造过程中升液压力为0.06MPa,升液速率为50mm/s,充型压力为0.04MPa,充型速率为 90mm/s,保压压力为0.1MPa。
(5)热处理:将发动机缸盖铸件放入时效炉进行热处理,热处理采用多级人工时效,第一级时效温度为50-70℃,保温时间为15h,第二级时效温度为100-120℃,保温时间为20h;第三级时效温度为160-200℃,保温时间为10h,得到高性能铝合金发动机缸盖。
根据GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》和GB/T4338-2006《金属材料高温拉伸试验》测试室温性能和250℃高温性能。将本发明实施例1-4和对比例产品加工成直径为6mm 的标准拉伸试样,按照标准要求进行试验,在同样的条件下对试样进行测试,高温性能测试为20分钟,结果如下:
从表中可看出,铸造条件的变化和成分波动使得合金性也存在一定的波动,从表中可看出,本发明的铝合金铸件的室温性能和高温性能均优于对比例。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制,所属领域的普通技术人员应当理解,参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换,这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高性能铝合金发动机缸盖,其特征在于,其化学组分按质量百分比为:Si:8.0-9.5%、Ni:2.0-3.5%、Cu:0.5-2.0%、Mg:0.3-1.0%、Zn:0.2-0.5%、Zr:0.1-0.3%、Sc:0.1-0.25%、La:0.1-0.2%、Sb:0.1-0.2%、Mn≤0.3%、Fe≤0.2%、Ti≤0.2%,其它杂质元素单个含量≤0.05%,其它杂质元素总含量≤0.15%,余量为Al;
所述的高性能铝合金发动机缸盖的铸造方法,包括如下步骤:
(1)熔炼:按配方比先将铝锭和高纯硅投入熔炼炉内,然后依次加入其他合金成分进行合金化,熔炼炉温度为780-820℃,再加入精炼剂精炼,待所有中间合金完全熔化后,对铝合金熔体进行在线除气和除渣处理,得铝合金溶液;
(2)变质处理:加入变质剂进行变质处理,变质剂加入量为铝合金溶液总质量的0.2%-0.5%;
(3)精炼:变质处理后的铝合金溶液先采用真空磁动力装置进行真空净化处理,再采用旋转喷吹除气装置对铝合金溶液进行精炼,将旋转喷吹除气装置的吹头伸入到铝合金溶液中,通入氩气对铝合金溶液进行精炼;精炼完成后,将铝合金溶液转入低压铸造机保温炉中;
(4)低压铸造:将保温炉中的铝合金溶液转入低压铸造机的低压铸型腔模具中通过低压铸造机制得铝合金发动机缸盖, 浇注温度是690℃-730℃;
(5)热处理:将发动机缸盖铸件放入时效炉进行热处理,热处理采用多级人工时效,第一级时效温度为50-70℃,保温时间为10-15h,第二级时效温度为100-120℃,保温时间为15-20h;第三级时效温度为160-200℃,保温时间为5-10h,得到高性能铝合金发动机缸盖;
所述的在线除气是采用氩与氯混合气体除气,流量为0.2-0.5 m3/h,氩与氯流量比为1:0.4,分压为0.10-0.50MPa,转子转速为400-500rpm/min;
所述变质剂包含以重量计15-20份的Al、1-2份的La和1-3份的Sc,所述变质剂由Al-La-Sc合金的形式存在;
所述低压铸造过程中升液压力为0.03-0.06MPa,升液速率为45 -50mm/s,充型压力为0.02-0.04MPa,充型速率为 60-90mm/s,保压压力为0.05-0.1MPa。
2.根据权利要求1所述的高性能铝合金发动机缸盖,其特征在于,其化学组分按质量百分比为:Si:9.0%、Ni:2.5%、Cu:1.5%、Mg:0.5%、Zn:0.3%、Zr:0.2%、Sc:0.2%、La:0.15%、Sb:0.15%、Mn≤0.3%、Fe≤0.2%、Ti≤0.2%,其它杂质元素单个含量≤0.05%,其它杂质元素总含量≤0.15%,余量为Al。
3.根据权利要求1所述的高性能铝合金发动机缸盖的铸造方法,其特征在于:所述旋转喷吹除气装置的旋转速度为600r/min,气体流量为0.4 m3/h。
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