高导热系数铝合金的制作方法

本发明涉及一种高导热系数铝合金，其可以在使可增大强度但降低导热系数的铜(cu)和硅(si)的含量最小化的同时包含锆(zr)。

背景技术：

汽缸盖是构成发动机的主要部件，是用作燃料/空气的入口和燃烧气体的出口的冷却系统部件。特别地，汽缸盖防止异常燃烧，比如当燃烧室的温度升高到一个高的温度时引起的爆震，并且防止由于周围金属部件暴露于高温而导致的耐久性的降低，从而对发动机的性能和耐久性具有显著影响。

当将具有高导热系数的材料应用于汽缸盖，使得燃烧室的热量顺利地传递到外部时，燃料效率可以被显著提高。通常，由于铝合金具有不包含合金元素的纯的形式，所以导热系数变得增加，但是强度变得劣化。因此，由于强度问题的考虑，难以将具有高导热系数的材料应用于车辆。

车辆用汽缸盖可需要刚性，以具有耐受燃烧压力的耐久性，同时具有通过增大导热系数来改善燃料效率和性能的效果，因此，需要开发能够防止强度劣化的铝合金。

作为相关技术描述的内容仅被提供用于帮助理解本发明的背景，并且不应该被认为是对应于本领域技术人员已知的相关技术。

技术实现要素：

在优选的方面，本发明提供了高导热系数铝合金或铝合金组合物，其可在使增大强度但降低导热系数的铜(cu)和硅(si)的含量最小化的同时包含锆(zr)。因此，防止强度劣化。

根据本发明的示例性实施方式，提供了一种高导热系数铝合金组合物或铝组合物，基于铝合金组合物的总重量，其包含：1.5～2.5wt％的铜(cu)；3.5～4.5wt％的硅(si)；0.2～0.4wt％的锆(zr)；0.1～0.4wt％的镁(mg)；0.3wt％或更少但大于0wt％的锌(zn)；0.25wt％或更少但大于0wt％的铁(fe)；0.03wt％或更少但大于0wt％的锰(mn)；0.3wt％或更少但大于0wt％的镍(ni)；0.03wt％或更少但大于0wt％的钛(ti)；构成铝合金组合物余量的铝(al)。

除非另有说明，本文使用的“wt％”是指铝合金中成分的含量，以基于铝合金组合物的总重量按wt％测量。

在一个优选的方面，该铝合金组合物可包含铝(al)-硅(si)-锆(zr)-基结晶相比如alxsiyzrz。

优选地，铝合金组合物的铸造性为大约31cm或更大。铸造性可受到合金流动性的显著影响，并能够通过在预定时间内测量合金流动的长度而获得。

例如，当其长度越长时，铸造性越大。

优选地，铝合金组合物的抗拉强度可为大约250mpa或更大。

优选地，铝合金组合物的导热率可为大约175w/m·k或更大。

此外，本发明提供基本上由或者由本文所述的成分组成的铝合金组合物。例如，基于铝合金组合物的总重量，铝合金组合物基本上由或者由以下成分组成：1.5～2.5wt％的铜(cu)；3.5～4.5wt％的硅(si)；0.2～0.4wt％的锆(zr)；0.1～0.4wt％的镁(mg)；0.3wt％或更少但大于0wt％的锌(zn)；0.25wt％或更少但大于0wt％的铁(fe)；0.03wt％或更少但大于0wt％的锰(mn)；0.3wt％或更少但大于0wt％的镍(ni)；0.03wt％或更少但大于0wt％的钛(ti)；构成铝合金组合物余量的铝(al)。

还提供了可包含如本文所述的铝合金组合物的车辆部件。该车辆部件包括车辆的汽缸盖。

本发明的其它方面在下文中公开。

附图说明

图1是示出在不同的铜(cu)和硅(si)含量下导热系数的变化图。

图2是示出在根据本发明的示例性实施方式的示例性铝合金中形成的示例性结构的图像。

图3是示出在不同的铜(cu)含量下抗拉强度的变化图。

图4是示出在不同的铜(cu)含量下导热系数的变化图。

图5是示出在不同的硅(si)含量下铸造性的变化图。

图6是示出在不同的硅(si)含量下抗拉强度的变化图。

图7是示出在不同的硅(si)含量下导热系数的变化图。

图8是示出在不同的锆(zr)含量下抗拉强度的变化图。

图9是示出在不同的锆(zr)含量下导热系数的变化图。

具体实施方式

本文使用的术语仅仅是为了说明具体的示例性实施方式的目的，而不意在限制本发明。如本文所使用的，单数形式的“一”、“一个”和“该”也意在包括复数形式，除非上下文中有清楚的相反表示。还将理解的是，在说明书中使用的术语“包括”和/或“包含”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、要素和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、要素、部件和/或它们的组。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任意和所有组合。

除非具体说明或从上下文清晰得出，本文中所用的术语“大约”应理解为在本领域的正常公差范围内，例如在均值的2个标准差内。“大约”可以理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非另外从上下文清晰得出，本文提供的所有数值都由术语“大约”所修饰。

应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车辆，例如，包括运动型多功能车(suv)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插电式混合电动车、氢动力车和其它代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。

在下文中，将参照附图描述本发明的示例性实施方式。

在一个方面，本发明提供一种高导热系数铝合金或具有高导热系数的铝合金组合物。基于铝合金组合物的总重量，该铝合金组合物可包含：1.5～2.5wt％的铜(cu)；3.5～4.5wt％的硅(si)；0.2～0.4wt％的锆(zr)；0.1～0.4wt％的镁(mg)；0.3wt％或更少但大于0wt％的锌(zn)；0.25wt％或更少但大于0wt％的铁(fe)；0.03wt％或更少但大于0wt％的锰(mn)；0.3wt％或更少但大于0wt％的镍(ni)；0.03wt％或更少但大于0wt％的钛(ti)；构成铝合金组合物余量的铝(al)。

在下文中，在根据本发明的高导热系数铝合金中，详细描述合金的成分限定的原因。

(1)1.5～2.5wt％的铜(cu)

如本文使用的铜(cu)可通过形成al2cu结晶相来提高抗拉强度。当铜的含量小于大约1.5wt％时，可能无法充分改善抗拉强度。相反，当铜的含量大于大约2.5wt％时，通过金属间化合物的沉淀可能降低导热系数，因此，基于铝合金组合物的总重量，铜(cu)的含量可适当地在1.5～2.5wt％的范围内。

(2)3.5～4.5wt％的硅(si)

如本文使用的硅(si)可提高铸造性和强度。当硅的含量小于大约3.5wt％时，可能无法充分改善铸造性和强度。相反，当硅的含量大于大约4.5wt％时，可能抑制传热并且降低导热系数。因此，基于铝合金组合物的总重量，硅(si)的含量适当地在大约3.5～4.5wt％的范围内。

(3)0.2～0.4wt％的锆(zr)

如本文使用的锆可增加机械性能比如强度，因为zr可以在合金结构中引起铝(al)-硅(si)-锆(zr)基结晶相(比如alxsiyzrz)的结晶。当锆的含量小于大约0.2wt％时，可能无法充分改善强度，当锆的含量大于大约0.4wt％时，可提高强度，但是导热系数可迅速降低，因此，基于铝合金组合物的总重量，锆(zr)的含量可适当地在大约0.2～0.4wt％的范围内。

(4)0.1～0.4wt％的镁(mg)

如本文使用的镁(mg)可通过与硅(si)形成mg2si化合物来改善强度。当镁的含量小于大约0.1wt％时，可能无法充分改善强度，但是当镁的含量大于大约0.4wt％时，在铸造时可增加熔融金属的氧化倾向。因此，基于铝合金组合物的总重量，镁(mg)的含量可适当地在大约0.1～0.4wt％的范围内。

(5)0.3wt％或更少的锌(zn)

当锌(zn)的含量大于大约0.3wt％时，导热系数可迅速降低。因此，基于铝合金组合物的总重量，锌(zn)的含量可适当地为0.3wt％或更少。

(6)0.25wt％或更少的铁(fe)

当合金的其它成分可形成金属间化合物，从而有助于增强其分散时，如本文使用的铁(fe)可促进合金组合物的固溶体。因此，通过添加铁可以提高强度。当铁的含量大于大约0.25wt％时，铸造性可能降低，并且导热系数可能降低。基于铝合金组合物的总重量，铁(fe)的含量可适当地限定为大约0.25wt％或更少。

(7)0.03wt％或更少的锰(mn)

如本文使用的锰(mn)可通过促进固溶体来提高强度。当锰的含量大于大约0.03wt％时，导热系数可能迅速降低。基于铝合金组合物的总重量，锰(mn)的含量可适当地限定为0.03wt％或更少。

(8)0.3wt％或更少的镍(ni)

如本文使用的镍(ni)可以像铁(fe)一样促进固溶体。此外，镍也可以与铁(fe)一起形成金属间化合物，从而有助于增强分散。因此可以提高强度。当镍的含量大于大约0.3wt％时，ni含量可能饱和，使得强度可能不能根据含量而改善，并且导热系数可能降低。基于铝合金组合物的总重量，镍(ni)的含量可适当地限定为大约0.3wt％或更少。

(9)0.03wt％或更少的钛(ti)

如本文使用的钛(ti)可以提高铸造性和强度。当钛的含量大于大约0.03wt％时，导热系数可能显著降低。基于铝合金组合物的总重量，钛(ti)的含量可适当地限定为0.03wt％或更少。

实施例

在下文中，将参照附图描述根据本发明的各种示例性实施方式的铝合金组合物。

常规铝合金材料(ac2bh)的合金成分如下表1中所示。

表1

抗拉强度和导热系数是具有权衡关系的物理性质。如下表2和表3所示，当铜(cu)和硅(si)的含量降低时，强度劣化，相反，当其含量增加时，导热系数降低。在本文中，实际进行的热处理是t7热处理(溶液热处理：在大约500℃的温度下进行大约5小时，老化：在大约250℃下进行大约4.5小时)。

表2

表3

如表2和表3所示，抗拉强度和导热系数根据铜(cu)和硅(si)的含量变化而改变，这可通过铜(cu)和硅(si)之间的权衡关系表示。

因此，本发明提供一种高导热系数铝合金，与常规合金相比，其中通过降低铜(cu)和硅(si)的含量提高导热系数，并且其中通过添加锆(zr)来补偿劣化的抗拉强度以防止抗拉强度劣化。

常规材料与根据本发明的高导热系数铝合金的实施例1之间的合金成分示于下表4中，现有材料、比较例1和实施例1的物理性质评价示于下表5。

表4

表5

如表4和表5所示，在比较例1中，与常规合金相比，当铜(cu)的含量从3wt％降低至2wt％并且硅(si)的含量从6wt％降至4wt％时，t7热处理时的抗拉强度从262mpa降低至206mpa，即降低大约21％。此外，与抗拉强度具有权衡关系的导热系数从163w/m·k增加到193w/m·k，即增加了大约22％。

在实施例1中，抗拉强度保持与常规合金相同的水平，但通过加入在上述含量范围内的锆(zr)，同时降低铜(cu)和硅(si)的含量，与常规合金相比，导热系数的降低宽度最小化。

如上所述，在上述范围内(例如0.2～0.4wt％)添加锆(zr)，使得通过比如alxsiyzrz的al-si-zr-基结晶相的结晶提高机械性能，甚至导热系数没有大的降低。图2还示出了根据本发明的示例性实施方式的示例性铝合金组合物中形成的al-si-zr基结晶相。

特别地，当锆(zr)的含量小于大约0.2wt％时，提高强度的效果降低，从而不符合汽缸盖开发标准的250mpa或更大的抗拉强度。当锆(zr)的含量大于大约0.4wt％时，抗拉强度符合开发标准，而比开发标准劣化。特别地，其导热系数劣化到小于开发标准的175w/m·k。因此，基于铝合金组合物的总重量，锆(zr)的含量限定为大约0.2～0.4wt％。

通过控制铜(cu)的含量获得的效果示于下表6、图3和图4中。

表6

在表6的比较例和实施例中，将其它元素控制在与在根据本发明的示例性实施方式的示例性铝合金的限定范围相同的水平内，并且仅改变铜(cu)的含量。

由于铜(cu)的含量限定在1.5～2.5wt％的范围内，所以在比较例2中铜(cu)的含量小于1.5wt％，在比较例3中铜(cu)的含量大于2.5wt％。

如图3所示，随着铜(cu)的含量增加，抗拉强度逐渐增加，并且当铜(cu)的含量小于1.5wt％时，抗拉强度不符合开发标准。如图4所示，从2.5wt％到3.0wt％，导热系数迅速降低。

因此，基于铝合金组合物的总重量，铜(cu)的含量适当地在大约1.5～2.5wt％的范围内。

通过控制硅(si)的含量获得的效果可以通过下表7和图5～7确认。

表7

在表7的比较例和实施例中，将其它元素控制在与根据本发明的示例性实施方式的示例性铝合金的上述范围相同的水平，仅改变硅(si)的含量。

由于硅(si)的含量限定在3.5～4.5wt％的范围内，所以在比较例4中硅(si)的含量小于3.5wt％，在比较例5中硅(si)的含量大于4.5wt％。

如图6所示，随着硅(si)的含量增加，抗拉强度逐渐增加，并且当硅(si)的含量小于3.5wt％时，抗拉强度不符合开发标准。如图7所示，从4.0wt％开始，导热系数迅速降低，并且当硅(si)的含量大于4.5wt％时，导热系数不符合开发标准。

此外，如图5所示，随着硅(si)的含量增加，铸造性(流动性)逐渐增加，并且当硅(si)的含量小于3.5wt％时，铸造性(流动性)不足以将合金铸造成为汽缸盖。铸造性可以通过在预定时间内相对地比较合金的流量长度来评价。例如，当其长度越长时，铸造性越大。

因此，基于铝合金组合物的总重量，可将硅(si)的含量限定在3.5～4.5wt％、特别是3.5～4.0wt％的范围内。

通过控制锆(zr)的含量获得的效果可以通过下表8、图8和图9确认。

表8

在表8的比较例和实施例中，将其它元素控制在与根据本发明的示例性实施方式的示例性铝合金的上述含量范围相同的水平，仅改变锆(zr)的含量。

由于锆(zr)的含量限定在0.20～0.40wt％的范围内，所以在比较例6和比较例7中锆(zr)的含量小于0.20wt％，在比较例8和比较例9中锆(zr)的含量大于0.40wt％。

如图8所示，随着锆(zr)的含量增加，抗拉强度逐渐增加，并且当锆(zr)的含量为0.40wt％或更大时，抗拉强度反而降低。相反，如图9所示，随着锆(zr)的含量增加，导热系数逐渐降低，并且从0.40wt％开始迅速降低。因此，基于铝合金组合物的总重量，锆(zr)的含量在0.20～0.40wt％的范围内。

在另一方面，根据本发明的汽缸盖可使用示例性高导热系数铝合金形成。该铝合金可包含：基于铝合金组合物的总重量，1.5～2.5wt％的铜(cu)；3.5～4.5wt％的硅(si)；0.2～0.4wt％的锆(zr)；0.1～0.4wt％的镁(mg)；0.3wt％或更少但大于0wt％的锌(zn)；0.25wt％或更少但大于0wt％的铁(fe)；0.03wt％或更少但大于0wt％的锰(mn)；0.3wt％或更少但大于0wt％的镍(ni)；0.03wt％或更少但大于0wt％的钛(ti)；构成铝合金组合物余量的铝(al)。

因此，根据本发明的汽缸盖可获得250mpa或更大的抗拉强度和175w/m·k或更大的导热系数。

根据如上所述的本发明的各种示例性铝合金或其组合物，通过添加锆(zr)并使增大强度但降低导热系数的铜(cu)和硅(si)的含量最小化来防止强度劣化。

在保持与现有汽缸盖相同的强度的同时，根据本发明的高导热系数铝合金形成的汽缸盖可具有提高了大约12％(例如，163→181w/m·k)的导热系数。特别地，当将根据本发明的高导热系数铝合金形成的汽缸盖应用于车辆时，可以提高大约0.2％燃料效率的效能。

尽管已经相对于各种示例性实施方案示出并描述了本发明，但对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离由权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和改变。