专利名称：耐热铝模铸材料的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及耐热Al模铸材料，尤其涉及适于制作内燃系统零件如活塞的耐热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系统的零件活塞。“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
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％
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
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”的拉伸强度较高，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4JIS HS5302 Al模铸合金参照表1铸态模铸试样的机械性能
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Al-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—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
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含量使试样变硬。
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问化合物，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
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
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
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
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。
权利要求
1.一种耐热Al模铸材料，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。
2.如权利要求1所述的耐热Al模铸材料，其中该材料在模铸后经时效硬化。
全文摘要
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。
文档编号B22D17/00GK1392276SQ02119280
公开日2003年1月22日 申请日期2002年3月28日 优先权日2001年3月28日
发明者高崎宪政, 吉村祐子 申请人:本田技研工业株式会社