專利名稱：鑄造用鋁合金和內(nèi)燃機(jī)氣缸蓋的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鑄造用鋁合金及其熱處理方法。更具體地，本發(fā)明涉及適 用于同時要求優(yōu)異高循環(huán)疲勞強(qiáng)度和優(yōu)異熱疲勞強(qiáng)度的構(gòu)件的鋁合金，涉 及由該合金制造的鑄件和該鑄件的制造方法。此外，本發(fā)明涉及由該鋁合 金鑄件構(gòu)成并由該鑄件制造方法制造的內(nèi)燃機(jī)氣缸蓋。
背景技術(shù)：
作為要求優(yōu)異機(jī)械性能的具有復(fù)雜形狀的鑄造合金，目前為止，采用
JIS H 5202中規(guī)定為AC2A、 AC2B和AC4B的Al-Cu-Si類以及其中規(guī)定為 AC4C和AC4CH的Al-Mg-Si類制成的鋁合金鑄件。由所述合金制成的鑄件 有內(nèi)燃機(jī)的氣缸蓋、氣缸體等。
在這些鑄件中，如特開2006-169594號公報所披露的，通常使用進(jìn)行了 T6處理(固溶熱處理/淬火處理之后，在獲得最大強(qiáng)度的回火溫度下進(jìn)行的 時效處理)或T7處理(固溶熱處理/淬火處理之后，通過過時效保證尺寸穩(wěn)定 性的處理)的鑄造體，以提高強(qiáng)度和韌性。
然而，隨著近年來發(fā)動機(jī)功率的提高以及為減輕車體重量氣缸蓋的薄 化，在這種傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)氣缸蓋中循環(huán)應(yīng)力有增大的趨勢。另外，氣缸蓋具 有使T6或T7處理時產(chǎn)生的高殘余應(yīng)力集中于局部的結(jié)構(gòu)。因而，在如上 所述的鋁合金鑄件中，不能夠認(rèn)為作為其高循環(huán)疲勞強(qiáng)度和熱疲勞強(qiáng)度代 替特性的伸長率是足夠的，并且存在疲勞斷裂發(fā)生的可能性提高的問題。 可能從車頂(top deck)和氣缸蓋水套的應(yīng)力集中部分，以及從燃燒室中閥間 部位的高溫部分，發(fā)生這種疲勞斷裂。
本發(fā)明集中關(guān)注傳統(tǒng)鋁合金鑄件中的上述問題。本發(fā)明的目的是提 供鑄造用鋁合金，其具有優(yōu)異的伸長率，作為熱疲勞強(qiáng)度和高循環(huán)疲勞強(qiáng) 度的代替特性，并且適用于同時要求優(yōu)異的高循環(huán)疲勞強(qiáng)度和優(yōu)異的熱疲 勞強(qiáng)度的鑄件，例如內(nèi)燃機(jī)氣缸蓋；提供由所述鋁合金制成的鑄件；提供 所述鑄件的制造方法；提供由所述鋁合金鑄件構(gòu)成的內(nèi)燃機(jī)氣缸蓋；以及
提供通過所述鑄件制造方法制造的內(nèi)燃機(jī)氣缸蓋。

發(fā)明內(nèi)容
為實現(xiàn)上述目的，對合金成分、熱處理方法等進(jìn)行了反復(fù)積極地研究，
結(jié)果本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過規(guī)定Si、 Cu和Mg各自的含量，通過對所 得合金鑄件進(jìn)行T7處理，等等，可解決上述問題。以這種方式，本發(fā)明人 完成了本發(fā)明。
具體而言，本發(fā)明是基于上述發(fā)現(xiàn)作出的。本發(fā)明的鑄造用鋁合金以 質(zhì)量比計包含4.0-7.0%的Si, 0.5-2.0%的Cu, 0.25-0.5%的Mg,不大于0.5% 的Fe,不大于0.5%的Mn,并且還包括選自Na、 Ca和Sr中含量各自為 0.002-0.02%的至少一種成分，以及作為剩余部分的Al和不可避免的雜質(zhì)。
另外，除上述從Si到Sr的成分以外，本發(fā)明的鑄造用鋁合金還包括選 自Ti、B和Zr中的至少一種成分，它們的含量以質(zhì)量比計各自為0.005-0.2%。
此外，本發(fā)明的鋁合金鑄件的特征在于該鋁合金鑄件由本發(fā)明的上述 合金構(gòu)成。另外，本發(fā)明的鋁合金鑄件的制造方法包括對上述鋁合金鑄 件進(jìn)行T7處理，即固溶熱處理鋁合金鑄件于500。C-550。C保溫2.0-8.0小 時之后，快速冷卻鋁合金鑄件；以及對上述鋁合金鑄件進(jìn)行時效處理鋁 合金鑄件于190。C-250。C保溫2.0-6.0小時之后，冷卻該鋁合金鑄件。
另外，本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)氣缸蓋的特征在于該氣缸蓋由本發(fā)明的上述鋁 合金鑄件構(gòu)成，并且其特征還在于該氣缸蓋通過上述制造方法制造，換言 之，經(jīng)受上述T7處理。
根據(jù)本發(fā)明，由于將鑄造用鋁合金中所含的Si、 Cu和Mg各自限定在 特定的范圍內(nèi)，等等，因而可提高由所述合金構(gòu)成的鑄件的伸長率，并且 可獲得同時具有優(yōu)異的高循環(huán)疲勞強(qiáng)度和熱疲勞強(qiáng)度的鑄件，例如內(nèi)燃機(jī) 氣缸蓋。


圖1顯示根據(jù)鑄造用鋁合金收縮試驗的結(jié)果，Si含量和Cu含量對鑄造 缺陷生成量的影響。
圖2顯示試驗片的高循環(huán)疲勞強(qiáng)度、斷裂伸長率和洛氏硬度B標(biāo)(HRB)。 圖3顯示試驗片的高循環(huán)疲勞強(qiáng)度、斷裂伸長率和洛氏硬度B標(biāo)(HRB)。
具體實施例方式
以下將對本發(fā)明的鑄造用鋁合金和由該合金制成的鋁合金鑄件以及對 例如合金成分和熱處理條件等進(jìn)行限定的原因及其作用進(jìn)行詳細(xì)說明。應(yīng) 當(dāng)注意的是，在該說明中，"％"表示質(zhì)量百分比，除非另作規(guī)定。
(1) Si含量4.0-7.0%
Si(硅)具有提高鑄造性的作用。因而，在具有復(fù)雜形狀和薄壁部分的鑄 造制品例如氣缸蓋時，出于熔融金屬(熔融鋁合金)流動性即鑄件成型性的考 慮，需要將一定量的Si添加到制品中。具體而言，如果Si含量小于4.0。/0， 則熔融鋁合金的流動性不足。另外，半固態(tài)區(qū)域擴(kuò)展，使縮孔分散造成砂 眼(porosity),趨于發(fā)生收縮斷裂。另外，Si具有提高鑄造材料的機(jī)械強(qiáng)度、 耐磨性和抗振性的作用。
然而，隨著Si含量的增加，合金的導(dǎo)熱性和延展性降低，從而造成熱 疲勞特性劣化。如果Si含量超過7.0。/。，則合金的伸長率明顯降低，另外， 合金開始呈現(xiàn)出縮孔集中的趨勢。因而，有時觀察到多孔腔(porous cavity) 的出現(xiàn)。
圖1顯示收縮試驗的結(jié)果。具體地，圖1顯示將試驗片鑄為錐形通過 阿基米德法根據(jù)合金標(biāo)準(zhǔn)比重和試驗片底面中部比重之間的差異測量鑄造 缺陷率的結(jié)果。根據(jù)該圖，認(rèn)為當(dāng)Si含量為4.0-7.0%時鑄造缺陷(砂眼和多 孔腔的總和)最少，另外，鑄造缺陷量隨著Cu含量的減小而降低。
應(yīng)當(dāng)注意的是Si含量為5.0-7.0%是更優(yōu)選的。
(2) Cu含量0.5-2.5%
Cu(銅)具有提高鋁合金機(jī)械強(qiáng)度的作用。Cu含量為0.5%或以上時所述 作用顯著。然而，隨著Cu含量的增大，合金的導(dǎo)熱性和延展性降低，導(dǎo)致 熱疲勞特性的劣化。另外，隨著Cu含量的增大，合金的凝固態(tài)類似糊狀， 使縮孔分散，從而造成砂眼。
根據(jù)圖l可知，如果Si含量不變，則鑄造缺陷量隨Cu含量的增大而 增加，并且Cu含量超過2.5。/。時由Cu含量增大造成的不利影響變得明顯。 因而，將Cu含量設(shè)定為0.5-2.5%,更優(yōu)選為0.8-1.3%。
(3) Mg.. 0.25-0.5%
如果將Mg(鎂)添加到合金中，則合金通過進(jìn)行熱處理呈現(xiàn)出提高抗拉
強(qiáng)度和硬度以及降低熱疲勞強(qiáng)度和伸長率的趨勢。如果添加過量的Mg，則
Mg作為Mg2Si析出，從而降低熱疲勞強(qiáng)度和伸長率。因而將Mg的添加量 設(shè)定為0.25-0.5%，更優(yōu)選為0.3-0.4%。
通過將Mg的添加量設(shè)定在上述范圍內(nèi)，由中間相Mg2Si的時效析出強(qiáng) 化合金基體。然而，如果Mg含量超過0.5%，則熔融鋁合金的表面氧化量 明顯增加，從而造成夾雜物缺陷增加的不良狀態(tài)。
(4) Fe: 0.5%或以下
Fe(鐵)作為針狀鐵化合物析出，通常對抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、熱疲勞強(qiáng) 度、伸長率等造成不利影響。因而，將Fe含量的上限值設(shè)為0.5%。
應(yīng)當(dāng)注意的是，如上所述由于Fe為有害成分，因而期望其含量較小。 優(yōu)選將Fe含量設(shè)定為0.2%或以下。另外，理想的是Fe含量基本為0%。
(5) Mn: 0.5%或以下
通過將Mn(錳)添加到合金中，含F(xiàn)e結(jié)晶體的形狀可由易于造成強(qiáng)度降 低的針狀變?yōu)椴灰自斐蓱?yīng)力集中的塊狀。
如果Mn含量大于所需量，則鐵化合物(Al-Fe，Mn-Si)的量增加。因而， 將Mn含量設(shè)為0.5%或以下，期望為0.2%或以下。應(yīng)當(dāng)注意的是Fe:Mn優(yōu) 選為1:1-2:1。
(6) Na、 Ca和Sr中的一種或多種,各自為0.002-0.02%
特別地，對于氣缸蓋的材料，為提高其耐熱疲勞性，期望將這些成分 (Na、 Ca和Sr)中的一種或多種添加到合金中，從而使鑄造組織中的Si顆粒 微細(xì)化。
通過對Si顆粒的改性處理，提高了合金的機(jī)械性能，例如抗拉強(qiáng)度和 伸長率，并且還提高了熱疲勞強(qiáng)度。然而，如果大量添加上述成分，則出 現(xiàn)帶狀的粗Si相結(jié)晶的區(qū)域。這種粗Si相的出現(xiàn)稱為過改性 (overmodification),有時造成強(qiáng)度降低。因而，在將上述成分添加到合金中 時，將其各自的含量設(shè)定為0.002-0.02%。應(yīng)當(dāng)注意的是，對于熱疲勞強(qiáng)度 為重要因素的燃燒室表面，期望合金迅速冷卻和凝固，從而將枝晶臂間隔 減少到30 pm或以下。
(7) Ti、 B和Zr中的一種或多種,各自為0.005-0.2% 這些成分(Ti、 B和Zr)中的每一種均為鑄造組織晶粒微細(xì)化的有效成
分，從而根據(jù)需要向合金中添加0.005-0.2%。另外，按照鑄造缺陷量大的成 分范圍，添加這些成分，從而使多孔腔分散并消除縮孔。
在這些成分各自的添加量小于0.005%的情況下，沒有產(chǎn)生效果。在所 述添加量超過0.2。/。的情況下，作為晶粒的晶核的Al-Fe、 Al-B、 Al-Zr、 T舊、 ZrB等聚集，從而造成缺陷的風(fēng)險增加。
(8)T7處理(固溶熱處理和隨后的穩(wěn)定處理) 固溶熱處理于500。C-550。C保溫2.0-8.0小時后，迅速冷卻 時效處理于1卯。C-250。C保溫2.0-6.0小時后，空氣冷卻 通常，為提高強(qiáng)度，對氣缸蓋進(jìn)行T6處理(固溶熱處理和隨后的人工 時效處理)或T7處理。在本發(fā)明中，盡管在強(qiáng)度方面比T6處理稍差，但由 于可實現(xiàn)氣缸蓋所需的熱疲勞強(qiáng)度提高、殘余應(yīng)力減小和尺寸穩(wěn)定性，所 以進(jìn)4亍T7處理。
具體地，具有上述成分組成的本發(fā)明的鑄造用鋁合金，在溫度為 500°C-550。C且處理時間為2.0-8.0小時的條件下經(jīng)受固溶熱處理，以及在 溫度為1卯。C-250。C且處理時間為2.0-6.0小時的條件下經(jīng)受時效處理。
通過上述T7處理，可獲得50HRB的硬度，出于防止氣缸蓋螺栓支承 面和墊圈密封面疲勞時永久變形的考慮，以及出于保證氣缸蓋與氣缸體、 凸輪軸滑動部分等的連接面的耐磨性的考慮，需要所述硬度。
在充分保證固溶熱處理時間的情況下，共晶Si通過擴(kuò)散形成圓形，從 而減輕應(yīng)力集中并改善機(jī)械性能如韌性。
實施例
以下根據(jù)實施例對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)地說明，然而，本發(fā)明不限于這 些實施例。
(1)舟狀樣品鑄造試驗
利用電爐熔融組成如圖2所示的鋁合金，并對該鋁合金進(jìn)行微細(xì)化處 理和Si改性處理，隨后鑄造尺寸為190x40x25 mm的舟狀樣品。然后，對 所述舟狀樣品進(jìn)行T7處理(于530。C固溶熱處理5小時，然后于180°C-260。C 的預(yù)定溫度時效處理4小時)。隨后，從經(jīng)處理的舟狀樣品中切出疲勞試驗 片和抗拉試驗片。對各試驗片進(jìn)行高循環(huán)疲勞強(qiáng)度和斷裂伸長率的測量， 并測量洛氏硬度B標(biāo)(HRB)。
測量結(jié)果一并示于圖2。對于這些測量的目標(biāo)值，將高循環(huán)疲勞強(qiáng)度的
目標(biāo)值設(shè)定為100MPa或以上，將作為熱疲勞強(qiáng)度代替特性的伸長率的目標(biāo) 值設(shè)定為10.0%或以上，以及將硬度的目標(biāo)值設(shè)定為50HRB或以上。
應(yīng)當(dāng)注意的是，在高循環(huán)疲勞試驗中，使用小野式旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗 機(jī)，將其轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)定為3600rpm。然后，根據(jù)彎曲循環(huán)重復(fù)107次達(dá)到斷裂時 的應(yīng)力幅度值，評價各試驗片的疲勞強(qiáng)度。
由圖2可知，在實施例1-9中，其中試驗片包含質(zhì)量百分比在預(yù)定范圍 內(nèi)的合金成分，并在200。C-240。C的時效溫度下進(jìn)行了 T7處理，可證實試 驗片在高循環(huán)疲勞強(qiáng)度、斷裂伸長率和硬度方面均表現(xiàn)出良好的性能。
與此相反，在合金成分和時效溫度在本發(fā)明限定的范圍以外的比較例 1-10中，在用作傳統(tǒng)氣缸蓋材料的使用AC4CH合金和AC.2A合金的傳統(tǒng)材 料1和2中，發(fā)現(xiàn)對于各試驗片，其疲勞強(qiáng)度、斷裂伸長率和硬度中的至 少一種特性低，因而不可能獲得滿足高性能發(fā)動機(jī)氣缸蓋材料要求的強(qiáng)度。
P)氣缸蓋鑄造試驗
從上述實施例和比較例中挑選出舟狀樣品鑄造試驗結(jié)果較好的含合金 成分的舟狀樣品。然而，在金屬壓模中由所挑選出的舟狀樣品鑄造氣缸蓋 實體，并相應(yīng)進(jìn)行T7處理。隨后，從經(jīng)鑄造和處理的氣缸蓋上位于燃燒室 表面附近的部位切出疲勞試驗片和抗拉試驗片，并以如上方式進(jìn)行高循環(huán) 疲勞強(qiáng)度測量和疲勞伸長率測量，另外，進(jìn)行洛氏硬度B標(biāo)(HRB)測量。
測量結(jié)果如圖3所示。對于這種情況下的目標(biāo)值，將高循環(huán)疲勞強(qiáng)度 的目標(biāo)值設(shè)定為85 MPa或以上，將硬度的目標(biāo)值設(shè)定為50 HRB或以上。
另外，對于熱疲勞強(qiáng)度，使用具有V型切口的平板試驗片,在完全受 限的條件下，進(jìn)行簡單熱疲勞試驗，其中將一次溫度循環(huán)設(shè)定為 40°C-270°C-40°C ，將簡單熱疲勞強(qiáng)度結(jié)果的目標(biāo)值設(shè)定為不小于傳統(tǒng) AC2 A合金的TIG再熔融制品的熱疲勞壽命即100次循環(huán)。
由圖3所示結(jié)果可知，在氣缸蓋實體鑄件中，還證實對應(yīng)于舟狀樣品 鑄造試驗的實施例2和6的實施例2-2和6-2在高循環(huán)疲勞強(qiáng)度、熱疲勞壽 命和硬度方面表現(xiàn)出良好的性能，并以高水平滿足氣缸蓋所要求的特性。
與此相反，盡管在對應(yīng)于舟狀樣品鑄造試驗的比較例4和8的比較例 4-2和8-2中，舟狀樣品獲得了較好的評價結(jié)果，但由于氣缸蓋實體為厚壁， 在比較例4-2中鑄造缺陷(在舟狀樣品中沒有出現(xiàn))的影響導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度和熱 疲勞壽命下降。
然而，對于在舟狀樣品鑄造試驗中幾乎達(dá)到目標(biāo)值的比較例8-2，在實
體試驗中，其也具有低的強(qiáng)度。認(rèn)為這是因為沒有通過Sr對Si改性。
在此引入2007年7月6日提交的特愿2007-177983的全部內(nèi)容作為參者。
權(quán)利要求
1.一種鑄造用鋁合金，包含以質(zhì)量比計，4.0-7.0％的Si，0.5-2.0％的Cu，0.25-0.5％的Mg，不大于0.5％的Fe，不大于0.5％的Mn，和選自0.002-0.02％的Na、0.002-0.02％的Ca和0.002-0.02％的Sr中的至少一種成分；以及作為剩余部分的Al和不可避免的雜質(zhì)。
2. —種鑄造用鋁合金，包含以質(zhì)量比計，4.0-7.0%的Si, 0.5-2.0%的Cu， 0.25-0.5%的Mg,不大于 0.5%的Fe，不大于0.5。/。的Mn,選自0.002-0.02%的Na、 0.002-0.02%的Ca 和0.002-0.02%的Sr中的至少一種成分，和選自0.005-0.2%的Ti、0.005-0.2% 的B和0.005-0.2%的Zr中的至少一種成分；以及作為剩余部分的Al和不可避免的雜質(zhì)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的鑄造用鋁合金，其中，以質(zhì)量比計，包含4.0-6.0% 的Si。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2的鑄造用鋁合金，其中，以質(zhì)量比計，包含4.0-6.0% 的Si。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的鑄造用鋁合金，其中，以質(zhì)量比計，包含5.0-6.0% 的Si,包含0.8-1.3%的Cu,包含0.3-0.4%的Mg，包含不大于0.2%的Fe， 以及包含不大于0.2%的Mn。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2的鑄造用鋁合金，其中，以質(zhì)量計，包含5.0-6.0% 的Si,包含0.8-1.3%的Cu,包含0.3-0.4%的Mg，包含不大于0.2%的Fe, 以及包含不大于0.2%的Mn。
7. —種鋁合金鑄件，其中該鋁合金鑄件由權(quán)利要求1的鑄造用鋁合金 構(gòu)成。
8. —種鋁合金鑄件，其中該鋁合金鑄件由權(quán)利要求2的鑄造用鋁合金 構(gòu)成。
9. 一種鑄造用鋁合金，包含以質(zhì)量比計，4.5-6.0%的Si, 2.0-2.5%的Cu， 0.25-0.5%的Mg，不大于 0.5%的Fe，不大于0.5%的Mn,和選自0.002-0.02%的Na、 0.002-0.02%的 Ca和0.002-0.02%的Sr中的至少一種成分；以及作為剩余部分的Al和不可避免的雜質(zhì)。
10. —種制造鋁合金鑄件的方法，包括通過在權(quán)利要求7的鋁合金鑄件于500°C-550°C保溫2.0-8.0小時之后 快速冷卻該鋁合金鑄件，對該鋁合金鑄件進(jìn)行固溶熱處理；以及通過在權(quán)利要求7的鋁合金鑄件于190°C-250°C保溫2.0-6.0小時之后 冷卻該鋁合金鑄件，對該鋁合金鑄件進(jìn)行時效處理。
11. 一種制造鋁合金鑄件的方法，包括通過在權(quán)利要求8的鋁合金鑄件于500°C-550°C保溫2.0-8.0小時之后 快速冷卻該鋁合金鑄件，對該鋁合金鑄件進(jìn)行固溶熱處理；以及通過在權(quán)利要求8的鋁合金鑄件于190°C-250°C保溫2.0-6.0小時之后 冷卻該鋁合金鑄件，對該鋁合金鑄件進(jìn)行時效處理。
12. —種內(nèi)燃機(jī)氣缸蓋，其中所述氣缸蓋由權(quán)利要求7的鋁合金鑄件構(gòu)成。
13. —種內(nèi)燃機(jī)氣缸蓋，其中所述氣缸蓋由權(quán)利要求8的鋁合金鑄件構(gòu)成。
14. 一種內(nèi)燃機(jī)氣缸蓋，其中所述氣缸蓋通過權(quán)利要求IO的方法制造。
15. —種內(nèi)燃機(jī)氣缸蓋，其中所述氣缸蓋通過權(quán)利要求11的方法制造。
全文摘要
本發(fā)明披露了鑄造用鋁合金、由該鋁合金制成的鑄件、該鑄件的制造方法以及由該鋁合金鑄件構(gòu)成并由該鑄件制造方法制造的內(nèi)燃機(jī)氣缸蓋，所述鑄造用鋁合金具有優(yōu)異的伸長率，作為高循環(huán)疲勞強(qiáng)度和熱疲勞強(qiáng)度的代替特性，并且適用于同時要求優(yōu)異的高循環(huán)疲勞強(qiáng)度和優(yōu)異的熱疲勞強(qiáng)度的鑄件，例如內(nèi)燃機(jī)氣缸蓋。該鑄造用鋁合金以質(zhì)量比計包含4.0-7.0％的Si，0.5-2.0％的Cu，0.25-0.5％的Mg，不大于0.5％的Fe，不大于0.5％的Mn，和選自Na、Ca和Sr中質(zhì)量比各自為0.002-0.02％的至少一種成分。
文檔編號F02F1/24GK101338395SQ200810135648
公開日2009年1月7日 申請日期2008年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月6日
發(fā)明者堀川宏, 惣田裕司, 鹽田正彥, 秋山耕一 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社;日本輕金屬株式會社