CN105408510A - 耐高温的铸造铝合金及由该铸造铝合金铸造的内燃机铸件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铸造铝合金和一种内燃机的铸件，该铸造铝合金(以重量％为单位)含有:6.0％-8.0％的Cu、0.3％-0.55％的Mn、0.18％-0.25％的Zr、3.0％-7.0％的Si、0.05％-0.2％的Ti、0.03％以内的Sr、0.04％以内的V、0.25％以内的Fe、剩余铝和不可避免的杂质。根据本发明的铸造铝合金在高温下较长的使用时间后还具有很高的机械性能并同时利于铸造。此外，根据本发明的铸件具有在高温使用中优化的机械性能并同时在铸造技术方面能够更操作安全地得以制造。

Description

耐高温的铸造铝合金及由该铸造铝合金铸造的内燃机铸件

技术领域

本发明涉及一种铸造铝合金，该铸造铝合金能够利于铸造并且在高温下较长的使用时间后在热状态下还具有高强度。

本发明同样涉及一种内燃机构件，该构件由铸造铝合金铸造成。这样的构件特别是气缸盖或发动机缸体。

背景技术

一方面对于发动机功率而言的以及另一方面对于减少燃料消耗和减重而言的不断增加的需求导致了对铝合金铸造的发动机构件的机械和热学方面的耐受力越来越高的要求。因此对于制造这样的构件而适合的铸造铝合金必须具有在室温和工作温度下都很高的屈服极限、较高的断裂延伸率、较高的热传导性、较小的热膨胀、较高的蠕变强度以及有利的加工特性，该加工特性包括良好的流动性和较低的热裂倾向。同时，该铝合金应该利于铸造，从而实现操作安全地制造铸件。

已知大量的材料设想，利用这些材料设想应该满足对于所论述类型的铝铸造材料提出的其中部分相互冲突的需求。这些材料设想包括Al-Si-Mg合金系和Al-Si-Cu合金系的铸造铝合金。然而在超过250℃的使用温度下，在这些合金中由于有助于淬火的元素(如Cu、Mn和Zn)的扩散而发生淬火阶段中的粗糙化并因此导致机械特征值大幅度地减小。因此，对用于内燃机构件的铝铸件的新合金的开发的目的在于优化的耐高温性(参见文献“WarmfesteAluminiumgusslegierungenfürindirektemWettbewerb”(直接竞争中的用于气缸盖的耐热的铸造铝合金),6/2009GIESSEREI-PRAXIS,第199-202页)。

众所周知，可以通过加入高的Cu含量提高Al铸造合金的耐热性。已知的一种将Cu对耐热性的积极影响加以利用的合金系名称为“AlCu7xx”。其中例如包括“AlCu7MnZr”合金，该合金除了Al和伴生元素还(以重量％为单位)含有6.72％的Cu、0.22％的Zr、0.11％的Ti、0.5％的Mn以及属于杂质的痕量的Fe、Mg和Zn。具有Cu含量的这种铸造铝合金的优越的耐热性却引起增高的热裂倾向和极度受限的铸造性能。因而证实了，上述的AlCu7MnZr合金在实际中是不可铸造的。

发明内容

在上述现有技术的背景下，本发明的目的是提供一种铸造铝合金，该铸造铝合金在高温下的较长的使用时间后还具有较高的机械性能并且同时能够利于铸造。

此外还应该提供一种内燃机的铸件，该铸件具有在高温下使用的过程中优化的机械性能并同时能够在铸造技术方面操作安全地得以制造。

通过以权利要求1中所述的方式组成的这类合金，而由此根据本发明达到有关于铸造铝合金的目的。

就铸件而言，上述目的的解决方案在于，由根据本发明的铸造铝合金来铸造一种这样的铸件。在此，根据本发明的合金特别适合用于以铸造技术制造气缸盖，该气缸盖在实际应用中承受极大的热负荷和机械负荷。

根据本发明的铸造铝合金除了铝和生产中造成的不可避免的杂质以外还(以重量％为单位)含有6.0％-8.0％的Cu、0.3％-0.55％的Mn、0.18％-0.25％的Zr、3.0％-7.0％的Si、0.05％-0.2％的Ti、0.03％以内的Sr、0.04％以内的V和0.25％以内的Fe。

由以根据本发明的方式组成的铸造铝合金铸造成的构件在T6W状态下(即，固溶退火并在240℃下热时效4小时)在室温下在静态负载中通常分别平均达到了大于260MPa的抗拉强度Rm、至少90HB的布氏硬度HB、至少170MPa屈服极限Rp0.2以及至少1.65％的断裂延伸率A。

在300℃下持续了100小时(相当于在内燃机中实际使用了相应的时间)的长时间热处理后，由根据本发明的铸造铝合金铸造的构件在室温下在静态负载中分别平均具有至少190MPa的抗拉强度Rm、至少90MPa的屈服极限Rp0.2、至少为67HB的硬度HB和至少3.5％的断裂延伸率A。这些数值在高温下长时间的使用之后还保持稳定。因此例如在300℃条件下持续超过500小时的使用期间，实际上不会发生强度和硬度的任何改变，相反的是断裂延伸率提高到了大于4.5％。

如果在经过了300℃下进行了500小时的热处理之后，在300℃的热处理温度下测量由根据本发明的铸造铝合金所铸造的构件的机械性能，分别平均得到至少80MPa的抗拉强度Rm、至少60MPa的屈服极限Rp0.2和至少24％的断裂延伸率A。

因此根据本发明的铸造铝合金的耐高温强度明显高于常规的、当前用于铸造内燃机构件的标准铸造铝合金。与此同时，由根据本发明的铸造铝合金铸造的构件的机械性能在交货状态T6W下处在常规的高强度AlCu7xx合金的水平。而与这种合金相反的是，根据本发明的铸造铝合金的特征在于，良好的铸造性能和理想的、不敏感的凝固行为。实际试验显示出，由根据本发明的铸造铝合金铸造的构件不具有任何通过视觉可发现的裂痕并且是几乎没有气孔的。根据本发明的铸造铝合金因此允许了操作安全地以铸造技术制造铸件，这些铸件在较高的使用温度下还具有理想的负荷能力。

为了确保必需的耐热性，在根据本发明的合金中含有6.0重量％-8.0重量％的含量的Cu。与此同时，Cu还有助于铸造铝合金的可时效硬化性。如果Cu含量至少为6.5重量％,能够特别确定地保证Cu在根据本发明的铸造铝合金中的这些正面影响。与此同时，通过将根据本发明的铸造铝合金的Cu含量限制在最高为7.5重量％，可以特别可靠地排除了Cu的存在对于机械性能的负面效应，例如断裂延伸率的减小。

根据本发明的铸造铝合金的Si含量在3.0重量％-7.0重量％的范围内。在此，可以通过在这个含量范围内对Si含量的相应调整，来将特性侧重点一方面放在铸造性能上而另一方面放在耐热性上。

通过使根据本发明的铸造铝合金的Si含量小于5.0重量％，由此实现由根据本发明的铸造铝合金所铸造的构件在足够的铸造性能的条件下的最大化的机械性能。通过将Si含量升高至至少为3.5重量％,由此提高根据本发明的铸造铝合金对于相形成过程中不稳定性的耐受性。在这样提高的Si含量的条件下，根据本发明的铸造铝合金证实了其性能和热处理中表现方面的稳定性。同时，通过将Si含量限制在最高4.5重量％能够特别目标明确地达到一个范围，在这个范围内能够在操作安全的铸造性能条件下实现特别在高温使用中的最高强度。

如果与此相反地例如为了细工的、复杂成型的构件的制造而在还优越的耐热性的条件下在优化的铸造性能上侧重特殊的数值，那么能够将根据本发明的铸造铝合金的Si含量提高到5.0重量，特别是5.5重量％。如果将Si含量限制在最高为7重量％，特别是最高6.5重量％，那么在此就得到了一方面优化了铸造性能而另一方面优化了耐热性的根据本发明的铸造铝合金。

0.3-0.55重量％的Mn含量有助于提高由根据本发明的铸造铝合金铸造的构件的强度。如果根据本发明的铸造铝合金的Mn含量为0.4-0.55重量％，那么特别是会出现这个正面的效应。

0.18-0.25重量％含量的Zr对由根据本发明的铸造铝合金所铸造的铸件的结构的颗粒细度做出巨大贡献。另外，Zr首先有助于提高的热稳定性并因此有利于在高于250℃的温度下的强度。当根据本发明的铸造铝合金的Zr含量为0.2-0.25重量％时，这一点特别适用。

在根据本发明的铸造铝合金中设置的0.05-0.2重量％的Ti含量也促使了细粒的结构的形成并且有助于强度的增高。为了特别可靠地利用这个效应，可以适当地将根据本发明的铸造铝合金的Ti含量设在至少0.08重量％。区间的上限为0.12重量％,在这个区间中可以期望达到根据本发明的铸造铝合金中所存在的钛的已优化的作用。

为了精制而选择性地向根据本发明的铸造铝合金中加入Sr。Sr的加入因此特别对于根据本发明的具有至少5.0重量％的Si含量的铸造铝合金是有意义的。这里证实为适当的是，设置至少为0.015重量％的Sr含量。与此相反，特别在较少的Si含量的情况下，为了在这种情况下也利用精制作用，选择性地为铸造铝合金加入最多0.025重量％就已足够。

与以上所述相应地，根据本发明的铸造铝合金的第一种变体(以重量％为单位)含有:6.0％-8.0％的Cu、0.3％-0.55％的Mn、0.18％-0.25％的Zr、0.25％以内的Fe、3.0％至＜5.0％的Si、0.05％-0.2％的Ti、0.04％以内的V以及0.025％以内的Sr，在该变体中重点为在最大化的机械性能条件下同时有足够的铸造性能。在此，在良好铸造性能条件下鉴于最大化的机械性能方面而进一步优化的该变体的设计方案由铝和不可避免的杂质以及(以重量％的)6.5％-7.5％的Cu、0.4％-0.55％的Mn、0.20％-0.25％的Zr、0.12％以内的Fe、3.5％-4.5％的Si、0.08％-0.12％的Ti、0.02％以内的V以及0.05％-0.02％的Sr组成。

如果应该与此相反地这样改变根据本发明的铸造铝合金，即，其中将重点放在还非常良好的机械性能条件下同时进一步优化的铸造性能，根据本发明的铸造铝合金就含有(以重量％的):6.0％-8.0％的Cu、0.3％-0.55％的Mn、0.18％-0.25％的Zr、0.25％以内的Fe、5.0％-7.0％的Si、0.05％-0.2％的Ti、0.04％以内的V和0.01％-0.03％的Sr。在较高的机械性能条件下鉴于最理想的铸造性能方面而优化的该变体的设计方案由铝和制造造成的伴生元素以及(以重量％的)6.5％-7.5％的Cu、0.4％-0.55％的Mn、0.20％-0.25％的Zr、0.12％以内的Fe、5.5％-6.5％的Si、0.08％-0.12％的Ti、0.02％以内的V和0.015％-0.03％的Sr组成。

附图说明

下文中根据多个实施例进一步说明本发明。其中:

图1示出了一个图表，其中由根据本发明的三种铸造铝合金E1、E2、E3制成的铸件试样分别在室温下测得的机械性能和由对比合金V制成的铸件试样的机械性能进行对比，其中这些试样分别处于T6W状态下；

图2示出了一个图表，其中对比了由根据本发明的三种铸造铝合金E1、E2、E3制成的铸件试样和由对比合金V制成的铸件试样分别在经过300℃下进行超过500小时的热处理之后而分别在300℃条件下测得的抗拉强度Rm、屈服极限Rp0.2和断裂延伸率A；

图3示出了一个图表，其中对比了由根据本发明的铸造铝合金E1制成的铸件试样和由标准铸造铝合金AlSi6Cu4及AlSi7Cu0.5Mg的铸件试样分别在经过250℃下进行超过500小时的热处理之后而分别在250℃条件下测得的抗拉强度Rm和屈服极限Rp0.2；

图4示出了一个图表，其中对比了由根据本发明的铸造铝合金E1制成的铸件试样和由标准铸造铝合金AlSi6Cu4及AlSi7Cu0.5Mg的铸件试样分别在经过300℃下进行超过500小时的热处理之后而分别在300℃条件下测得的抗拉强度Rm和屈服极限Rp0.2。

具体实施方式

熔化根据本发明的三种铸造铝合金E1、E2、E3，在表格1中说明这些铸造铝合金的组成。为了对比而将对比合金V熔化，同样在表格1中列出的其组成对应于常见的铸造铝合金“AlCu7MnZr”。

由铸造铝合金E1、E2、E3、V铸造气缸盖，在凝固后对这些气缸盖进行T6W处理。在此，这些气缸盖在480-500℃下分别经过七个半小时的固溶退火，随后用水来淬火并且随后在240℃下热时效超过四个小时。随后在这样处理过的气缸盖上在燃烧腔室的区域内测量机械性能：抗拉强度Rm、屈服极限Rp0.2、布氏硬度HB和断裂延伸率A。在此，对由铸造铝合金E1和E2制成的分别四十个铸件试样以及由铸造铝合金E3和对比合金V制成的分别十五个铸件试样进行检验。为这些铸件试样分别测定的机械性能的算术平均值在表格2中详细给出并在图1中以图表的形式总结。

为了检验温度对机械特征值的长时间的发展造成的影响，使由铸造铝合金E1、E2和V铸造成的气缸盖经受长时间热处理，其中这些气缸盖在300℃的温度下首先经过八小时的时间，随后经过100小时的时间并且最后经过300小时的时间。分别在各个热处理过程后在这样经过热处理的气缸盖上从燃烧室区域内分别提取一个试样并且在室温下在该铸件试样上测定屈服极限Rp0.2、抗拉强度Rm和断裂延伸率A。为这样经过处理的铸件试样分别测得的机械性能的算术平均值在表格3中给出。检验结果显示，在经过100小时后由根据本发明的铸造铝合金E1、E2铸成的气缸盖的抗拉强度Rm和屈服极限Rp0.2基本稳定，而断裂延伸率A则增高。与此相反，由对比合金制成的那些气缸盖却虽然分别具有更高的强度，不过其断裂延伸率A分别明显低于为根据本发明的试样所测得的断裂延伸率A。

最后，其它的由根据本发明的合金E1、E2、E3制成的气缸盖和由V制成的气缸盖经受了同样在300℃的温度下进行的、持续经过500小时的长时间热处理。随后在再次从燃烧室区域提取的300℃的热试样上，就此也测得屈服极限Rp0.2、抗拉强度Rm和断裂延伸率A。在此，由所得值构成的算术平均值在表格4中记录并且在图2中总结。

在对由根据本发明的合金E1、E2、E3制成的试样和由极耐高温的合金V制成的试样进行这些检测以外，额外地也进行与常规的标准合金的比较，与具有明显更差的铸造性能的对比合金V相反，常规的标准合金的铸造性能与根据本发明的合金的铸造性能之间是有可比性的。为此，像试样E1、E2、E3和V一样，由标准铸造铝合金S1和S2制成同样的气缸盖，在表格5列出的其组成对应于常见的铸造铝合金“AlSi7Cu0.5Mg”和“AlSi6Cu4”。由标准合金S1和S2铸造的气缸盖分别经受对其常用的热处理。因此，由合金S1铸成的气缸盖经受了T6-空气-热处理(T6-Luft-)而由合金S2铸成的气缸盖则经受了T6W热处理。

为了将根据本发明的合金的耐热性与当前使用的标准合金进行对比，由合金S1、S2和根据本发明的合金E1制成的试样经受在250℃下进行的、持续500小时的长时间热处理。随后在再次从燃烧室区域提取的250℃的热试样处，就此也测得屈服极限Rp0.2和抗拉强度Rm。在此，由所得到的这些值构成的算术平均值在表格6中列出并且总结于图3中。

最后，其它的由根据本发明的合金E1制成的气缸盖和由标准合金S1及S2制成的气缸盖经受了在300℃下进行的、持续经过500小时的长时间热处理。随后在再次从燃烧室区域提取的300℃的热试样上，就此再次测得屈服极限Rp0.2和抗拉强度Rm。在此，由所得值构成的算术平均值在表格7中列出并且总结于图4中。

这些试验证明，在由根据本发明的合金E1、E2、E3铸成的气缸盖上分别没有看到任何裂痕并且这些铸件的结构几乎是无孔隙的。对于由根据本发明的铸造铝合金E1、E2、E3制成的铸件所测得的强度值在高温负荷后实际上分别低于在对比合金V所测得的。不过对此却能够在大规模的条件下也毫无问题地并且操作安全地铸造根据本发明的铸造铝合金E1、E2、E3。这些试验同时证实了，由根据本发明的铸造铝合金E1、E2、E3铸成的气缸盖的强度是具有类似铸造性能的标准合金的强度的两倍。

表格1

	Cu	Si	Zr	Ti	Mn	Fe	Zn	Sr
									E1	6.74	3.92	0.21	0.11	0.51	0.12	0.02	-
E2	6.67	6.28	0.22	0.11	0.51	0.12	0.02	-
									E3	6.58	6.16	0.22	0.12	0.51	0.13	0.02	0.02
V	6.72	0.06	0.22	0.11	0.5	0.08	0.02	-

(以重量％为单位，剩余为Al和不可避免的杂质)

表格2

表格3

表格4

表格5

	Cu	Si	Sr	Ti	Mn	Fe	Zn	Mg
									S1	0.52	7.11	0.02	0.10	0.12	0.14	0.02	0.39
S2	3.97	6.18	0.02	0.11	0.31	0.47	0.34	0.37

(以重量％为单位，剩余为Al和不可避免的杂质)

表格6

表格7

Claims (12)

1.一种铸造铝合金，具有以重量％为单位的以下组分:

Cu：6.0％-8.0％,

Mn:0.3％-0.55％,

Zr:0.18％-0.25％,

Si:3.0％-7.0％,

Ti:0.05％-0.2％,

Sr:0.03％以内,

V:0.04％以内,

Fe:0.25％以内,

剩余铝和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的铸造铝合金，其特征在于，所述铸造铝合金的Si含量小于5.0重量％。

3.根据权利要求2所述的铸造铝合金，其特征在于，所述铸造铝合金的Si含量至少为3.5重量％。

4.根据权利要求1所述的铸造铝合金，其特征在于，所述铸造铝合金的Si含量至少为5.0重量％。

5.根据权利要求4所述的铸造铝合金，其特征在于，所述铸造铝合金的Si含量至少为5.5重量％。

6.根据上述权利要求中的任意一项所述的铸造铝合金，其特征在于，所述铸造铝合金的Cu含量最高为7.0重量％。

7.根据上述权利要求中的任意一项所述的铸造铝合金，其特征在于，所述铸造铝合金的Mn含量为0.4重量％至0.55重量％。

8.根据上述权利要求中的任意一项所述的铸造铝合金，其特征在于，所述铸造铝合金的Zr含量为0.2重量％至0.25重量％。

9.根据上述权利要求中的任意一项所述的铸造铝合金，其特征在于，所述铸造铝合金的Ti含量为0.08重量％至0.12重量％。

10.根据上述权利要求中的任意一项所述的铸造铝合金，其特征在于，所述铸造铝合金的Sr含量至少为0.015重量％。

11.一种内燃机的铸件，所述铸件由一种根据权利要求1至10中的任意一项所形成的铸造铝合金铸成。

12.根据权利要求11所述的铸件，其特征在于，所述铸件是气缸盖。