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的制作方法
【技术领域】
[0001] 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。
[0002] 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】
[0003] -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。
[0004] 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 °C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"Warmfeste Aluminiumgusslegierungen filr ZylinderkSpfe: in direktem Wettbewerb"（直接竞争中的用于气缸盖的耐热的铸造错合金），6/2009 GIESSEREI-PRAXIS,第 199-202 页）。
[0005] 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】
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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 Μη、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。
[0011] 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°C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 的抗拉强度伽、至少90耶的布氏硬度耶、至少17010^屈服极限1^0.2以及至少1.65%的 断裂延伸率A。
[0012] 在300°C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RpO. 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°C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%。
[0013] 如果在经过了 300°C下进行了 500小时的热处理之后，在300°C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SOMPa的抗拉 强度Rm、至少60MPa的屈服极限RpO. 2和至少24%的断裂延伸率A。
[0014] 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A1CU7XX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。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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S i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S i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。
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 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°C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。
[0021] 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。
[0022] 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，设置至少为〇. 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〇. 025重量％就已足 够。
[0023] 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 Μη、0· 18% -0.25% 的 Zr、0.25% 以内的 Fe、 3. 0%至<5. 0%的Si、0. 05%-(λ 2%的Ti、0. 04%以内的V以及(λ 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Μη、0· 20%-0· 25%的Zr、0. 12% 以内的？6、3.5%-4.5%的31、0.08%-0.12%的11、0.02%以内的￥以及0.05%-0.02% 的Sr组成。
[0024] 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