CN1269982C - 耐热铝模铸材料 - Google Patents

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Abstract

一种含有12.5%～14.0%的Si、3.0%～4.5%的Cu、1.4%～2.0%的Mg和1.12%～2.4%的Zn的耐热Al模铸材料。当将合适量的Mg和Zn添加入Al-Si-Cu合金中以提高机械强度和咬合特性时，该模铸金属变得适于时效硬化处理。

Description

耐热铝模铸材料
发明领域
本发明一般涉及耐热Al模铸材料，尤其涉及适于制作内燃***零件如活塞的耐热Al模铸材料。
背景技术
传统的耐热Al材料由以合乎耐磨性、抗咬合性和耐热性的浓度添加入Al中的元素如Si、Cu、Mg、Ni和Ti构成。耐热Al材料的一个重要的应用是制成内燃***的零件活塞。“铸Al合金”在JIS H 5202(1992)中被标准化。该标准中的表1列出了合金的类型和其代码，表2列出了化学组成，和表3列出了铸造金属试样的机械性能。以下表1至表3概括了JIS的表1至表3。
                                     表1
  代码   合金类型   模具类型                    备注
  合金特性   应用
  AC8A   Al-Si-Cu-Ni-Mg   金属模具   耐热并耐磨，膨胀系数小，拉伸强度高   汽车柴油发动机活塞、船用活塞、滑轮、轴承
  AC8B   Al-Si-Cu-Ni-Mg   金属模具   同上   汽车活塞、滑轮、轴承
  AC8C   Al-Si-Cu-Ni-Mg   金属模具   同上   汽车活塞、滑轮、轴承
如表1右栏所示，在“应用”的标题下，AC8A、AC8B和AC8CAl合金模铸金属用于制作汽车中的活塞。
表1第3栏中“模具类型”下的“金属模具”代表常规的金属铸造。
                                                                 表2                                           单位：％
  代码                                                                     化学组成
  Cu   Si   Mg   Zn   Fe   Mn   Ni   Ti   Pb   Sn   Cr   Al
  AC8A   0.8～1.3   11.0～13.0   0.7～1.3   ≤0.15   ≤0.8   ≤0.15   0.8～1.5   ≤0.20   ≤0.05   ≤0.05   ≤0.10   余量
  AC8B   2.0～4.0   8.5～10.5   0.50～1.5   ≤0.50   ≤1.0   ≤0.50   0.10～1.0   ≤0.20   ≤0.10   ≤0.10   ≤0.10   余量
  AC8C   2.0～4.0   8.5～10.5   0.50～1.5   ≤0.50   ≤1.0   ≤0.50   ≤0.50   ≤0.20   ≤0.10   ≤0.10   ≤0.10   余量
表2表示了AC8A、AC8B和AC8C Al合金模铸材料的化学组成。AC8A为含有0.8％～1.3％的Cu、11.0％～13.0％的Si、0.7％～1.3％的Mg和0.8％～1.5％的Ni的Al-Si-Cu-Ni-Mg合金。AC8B为含有2.0％～4.0％的Cu、8.5％～10.5％的Si、0.5％～1.5％的Mg和0.1％～1.0％的Ni的Al-Si-Cu-Ni-Mg合金。AC8C为含有2.0％～4.0％的Cu、8.5％～10.5％的Si，0.5％～1.5％的Mg和0.5％～1.5％的Ni的Al-Si-Cu-Ni-Mg合金。
如表2所示，Zn含量在AC8A中小于或等于0.15％，在AC8B和AC8C中小于或等于0.50％。“小于或等于”是指Zn含量可为0％。换句话说，Zn含量不应超过上述值(0.15％或0.5％)。
                                                          表3
  类型   代码   拉伸实验                           参照
  拉伸强度N/mm2   延伸％   布氏硬度HB(10/500)                          热处理
       退火      溶液处理       溶液处理
  温度℃   时间h   温度℃   时间h   温度℃   时间h
  铸态   AC8A-F   ≥170   ～   约85   ～   ～   ～   ～   ～   ～
  时效硬化   AC8A-T5   ≥190   ～   约90   ～   ～   ～   ～   约200   约4
  溶液处理+时效硬化   AC8A-T6   ≥270   ～   约110   ～   ～   约510   约4   约170   约10
  铸态   AC8B-F   ≥170   ～   约85   ～   ～   ～   ～   ～   ～
  时效硬化   AC8B-T5   ≥180   ～   约90   ～   ～   ～   ～   约200   约4
  溶液处理+时效硬化   AC8B-T6   ≥270   ～   约110   ～   ～   约510   约4   约170   约10
  铸态   AC8C-F   ≥170   ～   约85   ～   ～   ～   ～   ～   ～
  时效硬化   AC8C-T5   ≥180   ～   约90   ～   ～   ～   ～   约200   约4
  液液处理+时效硬化   AC8C-T6   ≥270   ～   约110   ～   ～   约510   约4   约170   约10
表3列出了铸造试样的机械性能，并提供了是否进行过任何处理的信息，并且，如果进行的话，为何种类型的处理。例如，AC8A、AC8B和AC8C的后缀代码“F”表示该合金只经过了铸造处理。后缀“T5”表示该合金经过了时效硬化。后缀“T6”表示该合金在溶液处理后经过了时效硬化。例如，最后一行的AC8C-T6合金经过了在约510℃下约4小时的溶液处理，随后在约170℃经过了约10小时的时效硬化。表3的第3列列出了拉伸强度。与“T5”相比，“Ｆ”的拉伸强度较低，而与“T5”相比，“T6”的拉伸强度较高。因此，“T5”或“T6”处理可用于提高强度。这些处理对提高退火过程中的尺寸稳定性也是有效的。
                              表4
                     JIS HS5302 Al模铸合金
参照表1：铸态模铸试样的机械性能
  类型   代码                   拉伸试验
     拉伸强度N/mm2         延伸％
  平均值   标准偏差   平均值   标准偏差
  类型10   ADC10   245   20   2.0   0.6
  类型12   ADC12   225   39   1.5   0.6
表4为JIS H 5302(1990)中的参照表1。ADC10和ADC12均为不含Mg的Al-Si-Cu合金。它们的组成在JIS H 5302(1990)中给出，在此将不列出。ADC10和ADC12为Al合金模铸金属，它们的组成与上述AC8A、AC8B和AC8C的金属不同。
如表4第3栏所示，铸态金属ADC10具有245N/mm2的拉伸强度。与上述拉伸强度大于或等于170N/mm2的AC8A-F、AC8B-F和AC8C-F金属相比，ADC10具有不同的组成，并具有较高的拉伸强度。ADC12表现出了相似的性能。
常规的铸造金属是通过重力铸造法生产的，而模铸金属是通过高压模铸造法制造的。高压模铸造导致铸造结构更致密，这也带来了更高的强度。
如果对AC8A合金的“T5”时效硬化使拉伸强度从170N/mm2提高到190N/mm2，并且进行“T6”溶剂处理，随后时效硬化，使AC8A的拉伸强度从170N/mm2提高到270N/mm2，那么本发明的发明人设想可能通过处理模铸金属得到更高的强度。
发明人首先进行了一项试验，其中制造了AC8A模铸金属，并进行T6溶液处理，随后时效硬化。
所得的AC8A-T6金属被气孔覆盖，不能使用。人们相信在铸造过程中该合金中掺入了空气和其他气体，并作为气泡保留在模铸金属中。这些气泡在溶剂处理过程中在510℃下加热膨胀，并提升Al合金，该Al合金在高温下软化。
另一方面，T5时效硬化的退火温度为约200℃。然而，甚至模铸AC8A-T5金属也表现出较低程度的起泡。该试验已证实ADC组成不同于JIS中的AC组成，以避免产生该现象。
然而，本发明的发明人相信通过改良AC组成将可能对具有AC组成的模铸金属实施T5时效硬化。作为各种研究项目的结果，发明人发现了使AC模铸金属经得起T5处理的组成。
发明内容
本发明提供了含有12.5％～14.0％的Si、3.0％～4.5％的Cu、1.4％～2.0％的Mg和1.12％～2.4％的Zn的耐热Al模铸材料。该模铸材料在模铸后经时效硬化。
因为具有上述组成的模铸材料经得起时效硬化，该材料具有更高的机械强度和抗咬合性。当Zn含量低于1.12％时，该模铸金属易于出现退火裂纹。当Zn含量高于2.4％时，该材料表现出较低的韧性。因此，Zn的含量应优选为1.12％～2.4％。
添加到A1-Si-Cu合金中的适量的Mg和Zn会使模铸金属经得起退火。该类型的合金目前没有被商业化，因为该材料太易于出现退火裂纹一这是衡量模铸合金的一个重要方面。
例如，JIS H 5302(1990)中定义的具有ADC14“模铸Al合金”组成(16.0％～18.0％的Si、4.0％～5.0％的Cu和0.45％～0.65％的Mg)的厚铸造金属，在铸造后易于出现许多微裂纹。
类似地，具有14.0％的Si、3.3％的Cu和1.4％的Mg含量的合金在铸造后也出现微裂纹。
该问题是由低至536℃的低共熔温度造成的，这取决于Cu和Mg的含量。因为低共熔温度较低，当金属铸造中具有最终产品形状的熔融金属固化和收缩、该退火材料变得足够强之前，模铸金属的厚和薄部位相遇处有压应力集中。结果，金属呈现出退火裂纹。
为防止这些微裂纹产生，已添加Zn。结果，如果将等量的Mg和Zn与其它元素同时添加入Al中，观测到共熔温度将升至547～554℃。进一步的研究表明，只要Zn浓度为Mg含量的80％～120％，将获得类似的效果。
附图简介
以下将参照附图，仅以实施例的方式详细描述本发明的某些优选实施方案。附图中：
图1为表示本发明模铸金属的咬合特性图；
图2A和图2B为表示温度和硬度随时间递降的关系图。
以下描述仅为例证性，而非限制本发明、它的应用或使用。
                                         表5
            主要添加组分(％)      洛氏硬度(HRB)
  Cu   Si   Mg   Zn   铸态   时效硬化
 参照试样1   3.3   14.0   0.8   0.8   40   50
 参照试样2   3.3   14.0   1.4   0.8   62   70
 发明试样1   3.3   14.0   1.6   1.7   70   80
通过向含有3.3％的Cu和14.0％的Si的Al合金中同时添加Mg和Zn来制造具有表5列出的AC组成的模铸金属。测量所得的具有AC组成的模铸金属的洛氏硬度(B级)。(硬度标作HRB)。
在250℃下进行时效硬化处理约20分钟。
参照试样1
试样1包括0.8％的Mg和0.8％的Zn，并具有铸态硬度40(HRB)和后时效硬化处理硬度50(HRB)。
参照试样2
试样2包括1.4％的Mg和0.8％的Zn，并具有铸态硬度62(HRB)和后时效硬化处理硬度70(HRB)。该试样表明增加Mg含量提高了硬度。
发明试样1
发明试样1包括1.6％的Mg和1.7％的Zn，且铸态硬度70(HRB)和后时效硬化处理硬度80(HRB)。增加Mg和Zn含量使试样***。
对各种试样的时效硬化特性作了下列观测：
对于参照试样1的合金，CuAl2是决定时效硬化特性的主要金属间化合物，而Mg2Si是次要的金属间化合物。
对于参照试样2的合金，CuAl2和Mg2Si均为决定时效硬化特性的主要金属间化合物。
对于发明试样1，CuAl2、Mg2Si和MgZn2都是影响时效硬化的主要金属间化合物。结果是，具有约相同含量的Zn和Mg的本发明试样表现出非常高的硬度。
因为活塞在内燃汽缸中高速往返地运行，该活塞必须不能咬合在汽缸中。使用盘屑类型的磨耗试验机，采用下列步骤测定咬合特性。
旋转盘以16m/秒的速率旋转，以240cm3/分钟的速率将油滴添加入该旋转盘。将试样(具有AC组成的模铸金属)在规定的负载下压向该旋转盘达3分钟，以进行预处理。接着，停止供油，在压力P下将试样继续压向以16m/秒的速率旋转的旋转盘。测量一直进行到试样在旋转盘上咬合为止。试验结果记作PV值(kgf/mm2×m/秒)，其为压力P(kgf/mm2)和旋转速率V(m/秒)的乘积。
                                               表6
             主要添加组分(％)
  Cu   Si   Mg   Zn   热处理   咬合特性(kgf/mm2×m/秒)
 发明试样2   3.3   14.0   2.0   1.8   T5   10
 发明试样3   3.3   13.0   1.4   1.6   T5   5
 参照试样3   3.3   13.0   0.8   0.6   T5   3
表6的左半部列出了本实施方案的试样2和3以及参照试样3的组成，对于这些试样进行了咬合试验。将所有的试样进行了T5时效硬化处理。
图1为表示本发明的模铸金属的咬合试验结果图。发明试样2在该图中表示了一条曲线，该曲线由代表发明试样2呈现咬合时的PV值的多个点绘制而成。对发明试样3和参照试样3绘制了类似的曲线。在1200秒(20分钟)时，发明试样2的PV值为10，发明试样3的为5，参照试样3的为3。
分别将这些值即10、5和3记入表6的右栏。如该表所示，含有1.4％的Mg和1.6％的Zn的发明试样3与含有0.8％的Mg和0.6％的Zn的参照试样3相比，表现出优越的咬合特性。含有1.0％的Mg和1.8％的Zn的发明试样2呈现出更优越的咬合特性。这些结果表明，通过添加合适量的Mg和Zn，改善了咬合特性。
下一步检验了本发明的模铸金属的高温特性。
                                                       表7
                  主要添加组分(％)
  Cu   Si   Mg   Zn   热处理  在240℃硬度随时间递减
  发明试样3   3.3   13.0   1.4   1.6   T5   小
  参照试样4(AC8B)   2.0～4.0   8.5～10.5   0.5～1.3   ～   T7   大
本发明的一个突出的方面是，具有AC组成的模铸金属适合于退火。对于具有表7中所示的发明试样3的组成的模铸金属进行了T5时效硬化处理。
对于参照试样4的AC8B合金(组成见表2)进行了T7溶液处理，随后进行稳定化处理。
图2A和图2B为表示温度和硬度随时间递减之间关系图。当X轴代表时间时，Y轴代表洛氏硬度(HRB)。
图2A表示了当温度为220℃时发明试样3和参照试样4的硬度变化。发明试样3总是比经过了T7处理的参照试样4硬得多。
图2B表示当温度为240℃时发明试样3和参照试样4的硬度变化。参照试样4比发明试样3下降更多。换句话说，发明试样3表现出优越的耐热特性。这些结果列出在表7右栏中的栏标题“在240℃硬度随时间递减”之下。该实施方案的试样3在该栏中填写的是“小”，而参照试样4填写的是“大”。
                                         表8
  参照试样5(AC8A-T7)          发明试样3
  热膨胀系数(室温～100℃)   19.2×10-6～20.8×10-6   19.4×10-6～20.3×10-6
  导热性(卡/cm*秒℃)   0.32×106～0.34×10-5   0.24×10-6～0.25×10-6
  杨氏模量(kgf/mm2)   7500～7900   7620
  密度(g/cm3)   2.27   2.26～2.71
  硬度(HRB)   64～68   68～82
  拉伸强度(kgf/mm2)   200℃   2.16～26.5   23.5～28.6
  300℃   7.5   13.2～14.5
  0.2％屈服强度(kgf/mm2)   200℃   20.2～20.9   20.3～24.5
  300℃   5.8   10.2～12.1
  高温疲劳强度(kgf/mm2)   200℃   7.5～8.0   8.5～9.0
  300℃   3.4   4.3
表8比较了如表7所示的发明试样3与参照试样5(AC8A-T7)的各种特性。就拉伸强度、0.2％屈服强度和高温疲劳强度而论，发明试样3相对于参照试样5表现出与之可比或较之优越的特性。换句话说，发明试样3(经T5时效处理的模铸金属)可与T7处理过的(515℃下4小时的溶液处理和230℃下5小时的稳定化处理)AC8A合金相比，该AC8A合金就耐热性而言为优异的Al合金铸造金属，并广泛用于活塞和其它应用上。
随后，将用具有本发明的AC组成的模铸金属制造的活塞装入发动机中，以估测咬合特性。
试验是在580cm3容量的发动机中进行的。当发动机启动时，将380cm3的油加入发动机中。当发动机运转时，每10分钟排出10～20cm3的发动机油。当发动机油的量大大低于最少需求量或接近于零时，发动机开始咬合。如果活塞表现出优越的咬合特性，在咬合前会有更多的时间。当发动机由于咬合停止运转时，该试验的结果以剩余的发动机油量来记录。
                                                         表9
               主要添加组分(％)   热处理   在咬合时剩余的油量   咬合造成的活塞尺寸损坏
  Cu   Si   Mg   Zn
 发明试样4   3.3   13.0   1.6   1.7   T5   58cm3   小
 参照试样6(AC8A)   0.8～1.3   11.0～13.0   0.7～1.3   ～   T7   70cm3   大
经过了T5处理的本发明模铸金属的发明试样4具有58cm3的剩余发动机油。当拆开发动机时，在活塞表面只观察到小的咬合损坏。另外，代表AC8A-T7合金的参照试样6具有70cm3的剩余发动机油。当拆开发动机时，在活塞表面观察到大的咬合损坏。这些结果表明，由具有AC组成的T5处理过的模铸金属构成的活塞与由传统的AC8A-T7合金构成的活塞相比，具有优越的咬合特性。
根据JIS，重力模铸并退火的AC8A合金中的Si含量必须至少为11.0％(见表2)。当同样类型的合金被模铸时，由于模铸过程中的快冷和固化，主晶和共晶粒中的Si浓度最终比重力模铸并处理过的AC8A合金的低约1.5％。换句话说，由于模铸处理，约1.5％的Si明显“消失”了。
由于这个问题，本发明的模铸金属必须具有至少12.5％的Si，等同于11.0％加1.5％。因为Si过量将对合金的韧性有不利影响，本发明的模铸金属必须含有少于14.0％的Si。换句话说，本发明中Si的含量范围为12.5％～14.0％。
当Cu含量少于3.0％时，刚刚冷却之后，得到的模铸金属没有表现出足够的硬度。而且，该金属在时效硬化下将不能充分硬化。当Cu含量大于4.5％时，所得金属韧性下降，造成加工问题。由于这些原因，Cu含量应为3.0％～4.5％。
与Cu类似，当Mg含量少于1.4％时，所得金属在时效硬化下不能充分硬化。当Mg含量大于2.0％时，所得金属韧性下降，并带来加工问题。由于这些原因，Mg含量应为1.4％～2.0％。
当Zn含量少于1.12％时，所得的模铸金属变得易于产生裂纹。当Zn含量大于2.4％时，所得金属韧性下降。由于这些原因，Zn含量应为1.12％～2.24％。
总之，本发明的耐热Al模铸材料为具有12.5％～14.0％的Si、3.0％～4.5％的Cu、1.5％～2.0％的Mg和1.12％～2.4％的Zn的Al-Si-Cu模铸合金。
此外，本发明的Al模铸金属可含有痕量的Fe、Mn、Ni和其它元素。
尽管本发明的耐热Al模铸材料适于制做活塞，该材料也广泛用于其它需要重量轻、耐热、耐磨材料的应用场合。

Claims (18)

1、一种耐热模铸Al合金，其基本上由以下的元素组成：Al、12.5％～14.0％的Si、3.0％～4.5％的Cu、1.4％～2.0％的Mg和1.12％～2.4％的Zn，其中所述合金在模铸后经时效硬化。
2、权利要求1的耐热模铸Al合金，其中Mg和Zn同时与其它的元素加入。
3、权利要求1的耐热模铸Al合金，其中Mg和Zn是基本上以等量加入的。
4、权利要求1的耐热模铸Al合金，其中Zn的浓度是Mg浓度的80％～120％。
5、权利要求1的耐热模铸Al合金，其中所述时效硬化是一种T5时效硬化处理。
6、权利要求1的耐热模铸Al合金，其中所述时效硬化包括退火。
7、权利要求1的耐热模铸Al合金，其中所述合金中所含的Fe、Mn、或Ni不多于微量。
8、权利要求1的耐热模铸Al合金，其中CuAl2、Mg2Si和MgZn2是主要金属间化合物，其提供时效硬化期间的时效硬化效果。
9、权利要求1的耐热模铸Al合金，其中Mg的含量为1.5％～2.0％。
10、一种耐热模铸Al合金，其基本上由以下的元素组成：12.5％～14.0％的Si、3.0％～4.5％的Cu、1.5％～2.0％的Mg和1.12％～2.4％的Zn，其中所述Si、Cu、Mg和Zn的量足够以确保CuAl2、Mg2Si和MgZn2是提供合金的时效硬化期间的时效硬化效果的主要金属间化合物。
11、权利要求10的耐热模铸Al合金，其中所述合金是在模铸后时效硬化的。
12、权利要求11的耐热模铸Al合金，其中所述时效硬化是一种T5时效硬化处理。
13、权利要求11的耐热模铸Al合金，其中所述时效硬化包括退火。
14、权利要求10的耐热模铸Al合金，其中所述合金中所含的Fe、Mn或Ni不多于微量。
15、权利要求10的耐热模铸Al合金，其中Mg和Zn同时与其它的元素加入。
16、权利要求10的耐热模铸Al合金，其中Mg和Zn是基本上以等量加入的。
17、权利要求10的耐热模铸Al合金，其中Zn的含量是Mg含量的80％～120％。
18、权利要求10的耐热模铸Al合金，其中所述合金是AC型合金。
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