發動機機體用鋁合金的製作方法
2023-04-26 12:44:01 2
專利名稱：發動機機體用鋁合金的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種鋁合金，其可鑄造成可機加工和耐磨損的製品，如機動機的發動機汽缸體。
背景技術：
將鋁用於機動機發動機機體為顯著減輕車輛重量並節約燃料提供了可能性。然而，經過數十年的努力，同時提供製造和維護汽缸體所需的鑄造性、機加工性和耐磨性的鋁合金還未得到發展和明確。具有耐活塞磨損性的鋁合金很難鑄造成形狀複雜的汽缸體並難於機加工成最後需要的尺寸。適於鑄造和機加工成汽缸體的鋁合金在使用時缺乏汽缸壁的耐磨損能力。發動機製造商們傾向於選擇可鑄造和可機加工的合金並改變汽缸壁表面來獲得所需要的耐磨損性能。
因此，目前通過例如Aluminum Alloy 319或者AA356的合金來鑄造汽缸體時，它們都需要汽缸襯筒(鑄鐵，金屬基複合材料，AA390)或者表面處理(電鍍，塗層)以在使用時提供耐磨損性能。鑄鐵襯筒像芯部一樣放置在鑄模中以包含在缸體中或者插入機加工的缸膛內。也使用過其他的耐磨損襯筒組成。作為汽缸襯筒的一種選擇，給鑄造和機加工的汽缸體的汽缸壁施加耐磨損塗層。汽缸體的這些修改都將增加產品的成本。
這就需要能提供用於製造汽缸體的所有上述性能和磨損性能的鋁合金。本發明的目的是提供這種材料。
發明概述對用於大批量生產機動機發動機的全鋁汽缸體的鋁合金的要求是非常嚴格的。這種合金必須同時提供汽缸壁有足夠的對活塞/活塞環的耐磨損能力；防水壁區域有足夠的強度和硬度；油/水/燃燒通道間的壓力密封性；在中等的和循環的發動機使用溫度下保持螺栓扭距的高溫強度；和尺寸穩定性。此外，這種合金在熔融狀態下必須要有足夠的流動性能以通過任何選擇的鑄造工藝鑄造成複雜的形狀並且可機加工到精密公差。這種合金必須需要儘量小的專門設備或工藝並且對後鑄造操作，例如熱處理，機加工和裝配有儘量小的影響。它必須要對工藝中微小的變化不敏感。最後，使用的長期效應，例如尺寸穩定性，腐蝕性，蠕變性和最後的循環利用都應該是不變的或者提高的。本發明的鋁合金提供了這些性能和優點。
本發明的鋁合金包括，以重量百分比計，9.5～12.5％的矽，至多1.5％的鐵，0～1.5～4.5％的銅，0.2～3％或更多的錳，0.1～0.6％的鎂，0～1.5％的鎳，0～0.03％的鍶或者0～0.02％的鈉或者總量0～1.2％的稀土，至多0.25％的鈦，總量小於大約0.5％的其他元素，其餘為鋁。
組成的一個重要特點就是錳含量與鐵含量的比例。鐵是鋁合金中的常見元素。它是從通常含有氧化鐵的錳土礦製備的鋁中含有的散雜元素。鐵含量低於0.4重量％的鋁合金價格高。當合金中的鐵含量等於或者高於0.4％時，則需要Mn/Fe的重量比在1.2～1.75範圍內，優選在1.2～1.5範圍內。當含有鐵但含量小於0.4％時，只要鋁合金中的錳的重量百分含量至少為0.2％，Mn/Fe的重量比適於在0.6～1.2範圍內。對於大多數的鑄造方法，優選合金中鐵的重量百分含量不超過0.8％。儘管如此，壓鑄中鐵的含量可能高達1.5％，以防止鑄造金屬粘到金屬模面上。
銅和鎳也是影響合金中錳含量的元素。鎳不是合金中的必需成分。它通常存在於一些可利用的鋁合金中，並且其可允許的量至多大約2重量％。類似的，銅也不是合金中必需的元素，但它起到強化劑的作用。較低的銅含量容易鑄造無孔汽缸體。當銅的重量百分含量超過1.5％和/或鎳的重量百分含量超過0.75％時，優選錳含量至少是鐵含量的1.2～1.5倍。錳一般作為適當的鋁錳母合金來加入。
鋅通常是一種散雜元素並且它不能超過指定的最大值。鈦通常是廢鋁合金的一種組分並且當它的重量百分含量在0.04～0.25％之間時減小了粒徑。添加鍶以改變共晶鋁矽相，以保證沒有矽初晶相形成。可選擇地，可以通過單獨或一起添加鈉或者稀土金屬尤其是鈰，鑭和釹，來改變這種共晶相。
因此，本發明合金主要由鋁，矽，鐵，錳和鍶組成。優選組成包括，以重量百分比計，11.25～11.75％的矽，0.35～0.65％的鐵(壓鑄體時可能更高)，1.75～2.75％的銅，0.4～3％的錳(至少是鐵含量的1.2～1.5倍)，0.15～0.3％的鎂，至多0.5％的鋅，痕量的鎳，0.01～0.03％的鍶，其餘為鋁。
本發明合金具有鋁矽共晶合金的流動性。該合金能用任何一種普通的鑄造方法鑄造成發動機機體壓鑄(可能需要較高的鐵含量)，金屬型鑄造，半金屬型鑄造，造型砂模鑄造，消失模鑄造和精密砂模鑄造。當Mn/Fe含量控制在指定的範圍時，鑄造材料的拉伸強度可高達320MPa，比Mn/Fe的含量不控制在這個範圍的類似合金高20％以上。此外，這種鑄造材料易於機加工成最後的汽缸體，這種材料能抵抗來自活塞/活塞環的刮擦和其它的汽缸體磨損。
本發明的其它的目的和優點將通過對優選實施方案的描述變得更加明顯。
圖1是一種V型發動機汽缸體的斜視圖，代表可通過本發明的鋁合金製得的可機加工並耐磨損的發動機鑄件。
圖2是本發明鋁合金鑄造試樣的極限拉伸強度UTS(MPa)測量值和以橫坐標上的Mn/Fe的重量比值表示的錳含量增加的關係圖。
優選實施方案的描述本發明是一種鋁合金組合物，其滿足汽缸體鑄件的上述製造和性能條件。本發明尤其適用於使用汽油燃料具有往返運動活塞的內燃機的汽缸體鑄件。這種合金可以用任何常規的鑄造方法來鑄造生產低孔隙度，高強，耐磨損的發動機機體，而不需要特殊的熱處理和其它的特殊工藝。
圖1是描述了一種可用本發明的鋁合金來鑄造的汽缸體鑄件10。在這個實施例中，鑄件10是一種V-6發動機機體，但是本發明合金可以用於鑄造在缸膛和鑄造產品的其它表面需要耐磨損性能的任何形式的發動機汽缸體。
在汽缸體鑄件10的圖中可以看到V型發動機機體的一個分支18上的三個汽缸12，14和16。鋁合金汽缸體鑄件需要大量的機加工。例如，需鑽出大量的螺栓孔20並在其上刻上螺紋，如用於兩個汽缸蓋，汽缸蓋未在圖中顯示。汽缸蓋對著的平壁板表面22必須進行機加工。當然，汽缸12，14和16的壁(膛)必須要機械修整。需要少數機加工操作以完成用於裝配成車輛的發動機的汽缸體鑄件的製造。本發明的高錳含量鋁合金對於這一應用具有可機加工性。
眾所周知，發動機汽缸體有很多複雜的用於冷卻劑和油流通的部分，這就需要一種流動性好和可鑄造的合金使得熔融狀態下的合金在澆鑄和凝固時填滿模腔。本發明的合金可鑄造這種複雜產品。
具有往復運動活塞的內燃機汽缸壁要長時間承受在發動機運行中活塞和活塞環往復和運動產生的磨損。本發明的高Mn/Fe鋁合金在這種表面上提供了很好的耐磨損性能，而不需要特殊的耐磨損襯筒。
鑄造合金的製備鑄造熔體的製備是通過熔煉鋁錠、適當的鋁基母合金如Al-25Fe，Al-50Cu，Al-20Mn，Al-50Si和純鎂金屬以獲得如上概述中描述的所需組合物而進行的。通過稀土元素母合金或純金屬或稀土元素鋁母合金來添加稀土。可以在開始加料時就進行這種加入。但是，如果用這種工藝的話，優選在熔體用熔劑處理和/或脫氣後再進行。
可在合適的熔爐例如無芯感應爐，電阻爐，反射爐或者粘土-石墨或碳化矽燃氣坩鍋爐中製備該熔體。只有裝料很髒或有殘渣時才使用熔劑。通常不需要特別的熔鍊氣氛。在環境空氣中就可以加熱熔煉。一旦熔化，熔體可以採用普通的鋁鑄造方法來脫氣，例如利用乾燥的氬氣或者氮氣通過旋轉的脫氣裝置來吹掃熔體。脫氣操作也可以包括滷素氣體，例如氯或氟或滷鹽來促進雜質去除。優選的，以靜態方式處理熔體以便使擾動和氫氣吸取減到最小。
一旦除氣和淨化，用鍶或者稀土金屬混合物對金屬進行處理以影響共晶矽的改性。優選的方法是用Al-10Sr或Al-90Sr母合金在除氣的最後一個階段加入金屬中，在不用滷素材料的情況下。熔體的氣體含量水平可以用任意普通的商業方法來評估，例如降壓測試或者AISCANTM設備。
最後，剛好在澆鑄前，用鈦—硼母合金來細化熔體晶粒，一般添加約0.02～0.1％重量百分含量的鈦。一些應用可能不需要細化晶粒。
熔體的過熱度從小於150°F到超過700°F都已取得成功。本發明合金在1170°F到1500°F的熔融溫度下鑄造汽缸體。優選的鑄造熔融溫度大約為1170°F到1200°F。推薦使用較低水平的過熱度來使微孔最少。然而，較高水平的過熱度可以導致微觀結構中金屬間化合物的精煉，因此在一些情況下優選使用這種方法。
將金屬澆鑄在已經在任意已知的模具生產工藝中製得的合適的模具中，所述模具生產工藝例如造型砂模，金屬型或金屬模或者蠟模製造。砂模可包括金屬激冷以促進定向凝固或在特定的鑄造關鍵區域上細化微觀結構。使金屬在模中凝固，然後打開模具把鑄件取出。對於砂模的情況，剩餘的沙子通過噴丸處理來從鑄件上去除。鑄件的澆口部分要去掉。
鑄件可以用一般的非破壞性測試來評估，例如X射線檢查，染料滲透試驗法或超聲波檢查。一般進行這些測試以判斷鑄件在凝固過程中是否由於收縮而產生了孔隙。這種收縮是由鑄造合金的組成和/或鑄件的形狀造成的。用本發明合金鑄造的發動機缸體由於合金組成一般不具有收縮問題。
本發明鋁合金的發動機機體鑄件可以通過已知的鋁合金沉澱硬化機理來進行熱處理以提高機械性能。例如，T5回火工藝由在中溫下對鑄件進行人工老化組成，一般從300～450°F，直至12小時或者更長。更高要求的鑄件應用可能需要峰值強度的T6回火，它由在接近但低於合金固相線溫度的溫度下一般進行4～12小時溶液處理組成，但是或多或少取決於鑄件微觀結構的最初階段。鑄件在合適的淬火液例如水，油或聚合物，或快速流動的空氣中從溶液溫度淬火。這種淬火將熱處理的鑄件快速冷卻穿過臨界溫度區，通常為850°F～450°F。一旦冷卻，鑄件通常需要在室溫下保存1～24小時，然後再加熱到中等溫度，類似於T5回火。在尺寸穩定性至關重要的應用中，需要T7回火。這類似於T6回火，除了在較高的溫度或很長時間或兩者兼有的條件之下完成人工老化循環來達到一定的更柔軟的狀態外，但具有更好的尺寸穩定性。
發動機機體鑄件即將被機加工成複雜機體結構的最終尺寸。這種機加工包括一定量的鑽孔，珩磨等等以完成發動機裝配用機體。因此，鑄體材料的可機加工性對其用於發動機機體的應用尤為關鍵。此外，在用於測試或合金評估目的的發動機機體鑄件情況下，機體即將被機加工成測試試樣。
對於機械性能和物理性能測試，適當地從曲柄軸承軸頸和汽缸體的頂蓋螺栓軸套截取試件，然後機加工成用於測試的測試試樣的幾何形狀。其他的測試應用需要特別幾何形狀的測試鑄件，例如用於可機加工性測試的肋板鑄件。把這些鑄件磨平以便於不依賴於鑄件的表面情況進行鑽孔和攻螺紋測試來判斷新合金對工具磨損速率的影響。
發動機機體鑄件的具體實施例和合金的比較評價對於4.3升的排量，汽油燃料發動機的V-8系列汽缸體是採用重力澆鑄至造型砂模中的。一些模具有冷卻塊以形成限定鑄件的曲軸軸承軸頸部分的空腔部分。這種「激冷」發動機機體鑄件的其它表面則通過模具的造型砂部分形成。
有些鑄件採用本發明實施方案中的特定組成的合金來鑄造。該組成為，以重量百分比計，10.7％的矽，0.37％的鐵，0.72％的錳，1.0％的銅，0.42％的鎂，除偶然會有的雜質外其餘基本上為鋁。重要地是，在這種合金中Mn/Fe的重量比為1.94。
為了比較鑄件性能，採用目前用來製造這種發動機鑄件的市售合金AA319和AA356以冷鑄的方法製造相同形狀的發動機機體。AA319的組成為，以重量百分比計，6.5％的矽，0.8％的鐵，0.5％的錳，3.5％的銅，0.4％的鎂，3.0％的鋅，0.25％的鈦，其餘為鋁。AA356的組成為，以重量百分比計，7.0％的矽，0.2％的鐵，0.1％的錳，0.20％的銅，0.2％的鎂，0.05％的鋅，0.20％的鈦，其餘為鋁。AA319和AA356合金都用於發動機機體的鑄造。它們有適於鑄造這種具有空間接近的缸體和冷卻通道的複雜結構流動性。這些市售合金的鑄件能被快速機加工而沒有不可接受的工具磨損。然而，這種鑄件對來自密封的活塞和活塞環以及來自缸膛內的滑行嚙合帶來的過量的磨損非常敏感。必須將這些鐵的襯筒或者其它耐磨損的襯筒材料安裝在AA319和356組合物的鑄件缸體內。製造和安裝這種襯筒顯著增加了使用這些市售合金的鑄造缸體的發動機成本。
在適用於合金的操作下製備各個熔體，使其達到指定的組成。本發明高Mn/Fe比的合金熔體在1200°F保溫和處理。澆鑄鑄體並冷卻和凝固。鑄體從砂模中分離並熱處理，然後老化至T6回火狀態。拉伸和疲勞測試試樣從澆鑄發動機汽缸體的頂蓋螺栓軸套表面截取(鑄件的非激冷區以得到平均性能)。將從本發明合金鑄造的缸體上截取的試樣的拉伸屈服強度(Ys)值和極限拉伸強度(UTS)值與AA319和356發動機機體鑄件的Ys和UTS值相比較。更重要的是，本發明的鑄造合金展示的屈服強度，極限拉伸強度，屈服時的延伸率和疲勞強度值適用於發動機汽缸體應用。而且，本發明鋁合金組合物的發動機機體鑄件適合於發動機機體製造的機加工。鑄件具有低的孔隙率，一般低於1％，以體積計。令人吃驚的是，本發明的合金表現出適當的耐磨損性能和發動機工作中的耐久性能，以至於不需要獨立的汽缸襯筒。
從已準備好的缸膛選取幾部分進行高速臺架試驗(Cameron-Plint)20小時，所述缸膛包括來自AA319汽缸體(沒有鐵襯筒)，具有鐵襯筒的AA319汽缸體，具有商用過共晶Al-Si襯筒的AA319汽缸體和本發明高Mn/Fe比的鋁合金汽缸體的膛。活塞環的部分在控制的溫度和潤滑油條件下在商業的Cameron-Plint測試裝置中對著每個汽缸體運動。這個測試在20小時裡在高的負荷下進行加速磨損。這些試驗中實施的測試通過運行不同缸膛材料和磨損速度的發動機來校準。已經確定當測試磨損傷痕體積小於0.5立方毫米時，這種缸膛材料的發動機將通過發動機耐久性測試，是商業應用的合格產品。
對每個缸膛的截取部分運行20小時後的結果進行分析並且對汽缸壁上的傷痕的用立方毫米計的磨損體積進行仔細測量。在這些測試中本發明合金的傷痕體積(0.25-0.5mm3)比裸露的AA319缸體的傷痕體積(0.8～1.3mm3)小得多，與過共晶Al-Si襯筒(0.28～0.5mm3)的磨損相當。本發明的發動機機體表現出比具有傳統的鐵襯筒的發動機(大約0.1mm3)稍多的磨損。當然，本發明鋁合金汽缸體保留了鋁合金缸膛的的導熱性優勢和無襯筒鋁合金的成本優勢。
Mn/Fe的重量比本發明的一個重要特徵就是控制鋁合金組合物中Mn/Fe的重量比。因為通常存在鐵，銅和/或鎳，所以關注本發明鋁合金中錳的含量非常重要。如前面所述，鐵和鎳常出現在鋁合金中，銅常作為一種強化元素添加。一般來說，當這種鋁合金中鐵的重量百分含量為0.4％或者更高時，優選合金中錳的含量至少為鐵的重量的1.2～1.5倍。當然已經知道，錳的原子量(54.938)和鐵的原子量(55.847)非常接近，因此，所需的重量比接近原子比。當存在鎳和/或添加了銅時高錳含量仍是非常重要的，即使具有相對低的鐵含量。
高錳含量對合金的強度有貢獻。錳含量也對這種可鑄造合金的耐磨損性能有貢獻，這在汽缸體缸膛區域是至關重要的。一般認為合金中錳原子的豐度對強化和硬化微觀結構有貢獻。
圖2描述了本發明代表的合金中錳含量增加對以百萬帕斯卡為單位的極限拉伸強度(UTS，MPa)的影響，其中錳的含量以Mn/Fe的重量比表示。合金的成分為，以重量百分比計，11.75％的矽，0.4％的鐵，2.1％的銅，0.22％的鎂，0.03％的鍶，除了錳外其餘為鋁。根據Mn/Fe的重量比從0.1增加到2製取了一系列的鑄件，重量比數據點如圖1所示。淨化這些鑄件，熱處理至T6回火態，從這些鑄件機加工得到拉伸測試試樣。
圖2是鋁合金鑄件試樣的UTS(MPa)值隨錳含量增加而變化的圖，橫坐標表示Mn/Fe的重量比。從這些示範性的合金數據中看到UTS隨錳含量增加而增加。在特定的合金和熱處理情況下，在這種合金的Mn/Fe的重量比約為1.3時可得到UTS的最大值約310MPa。如前所述，依照本發明的這種高Mn/Fe比製得的鋁質汽缸體的耐磨損性適合於發動機使用，不需使用鐵的汽缸襯筒或類似的東西。
已根據特定的實施方案對本發明進行了描述。然而，其它實施方案能夠容易地被本領域技術人員所採用。本發明的範圍僅由以下權利要求來限定。
權利要求
1.一種用於鑄造發動機機體的鋁合金，所述合金主要由，以重量百分比計，9.5～12.5％的矽，0.1～1.5％的鐵，0.2～3％的錳，0.1～0.6％的鎂，至多0.05％的鍶，餘量的鋁組成，其中當鐵的含量等於或者大於0.4％時Mn/Fe的重量比至少為1.2～1.75，當合金中鐵的含量小於0.4％時Mn/Fe的重量比至少為0.6～1.2。
2.一種用於鑄造發動機機體的鋁合金，所述合金主要由，以重量百分比計，9.5～12.5％的矽，0.1～1.5％的鐵，1.5～4.5％的銅，0.2～3％的錳，0.1～0.6％的鎂，至多2.0％的鋅，0～1.5％的鎳，至多0.25％的鈦，至多0.05％的鍶，餘量的鋁組成，其中當鐵的含量等於或者大於0.4％時Mn/Fe的重量比至少為1.2～1.75，當合金中鐵的含量小於0.4％時Mn/Fe的重量比至少為0.6～1.2。
3.一種如權利要求2所述的用於鑄造發動機機體的鋁合金，其中當銅含量超過1.5％或者鎳含量超過0.75％時，Mn/Fe的重量比至少為1.2～1.75。
4.一種用於鑄造發動機機體的鋁合金，所述合金主要由，以重量百分比計，11.25～11.75％的矽，0.35～0.65％的鐵，1.75～2.75％的銅，0.4～1.2％的錳，0.15～0.3％的鎂，至多0.5％的鋅，痕量的鎳，至多0.2％的鈦，0.01～0.03％的鍶，餘量的鋁組成，其中Mn/Fe的重量比至少為1.2～1.75。
5.一種由如權利要求1所述的合金成型的用於內燃機的鑄造的汽缸體。
6.一種由如權利要求2所述的合金成型的用於內燃機的鑄造的汽缸體。
7.一種由如權利要求3所述的合金成型的用於內燃機的鑄造的汽缸體。
8.一種由如權利要求4所述的合金成型的用於內燃機的鑄造的汽缸體。
全文摘要
公開了一種鋁合金，其適用於鑄造和機加工發動機汽缸體，尤其適用於汽油燃料機動機發動機。該鑄件對於這種發動機而言有好的強度和對活塞/密封圈拉缸的耐磨損能力。該合金包括，以重量百分計，9.5～12.5％的矽，0.1～1.5％的鐵，1.5～4.5％的銅，0.2～3％的錳，0.1～0.6％的鎂，至多2.0％的鋅，0～1.5％的鎳，至多0.25％的鈦，至多0.05％的鍶，其餘為鋁，其中當鐵的含量等於或者大於0.4％時Mn/Fe的重量比為1.2～1.75或更高，當合金中鐵的含量小於0.4％時Mn/Fe的重量比為至少0.6～1.2。
文檔編號C22C21/04GK1809647SQ200480017528
公開日2006年7月26日 申請日期2004年3月26日 優先權日2003年6月24日
發明者H·W·多蒂 申請人:通用汽車公司