专利名称：发动机机体用铝合金的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种铝合金，其可铸造成可机加工和耐磨损的制品，如机动机的发动机汽缸体。
背景技术：
将铝用于机动机发动机机体为显著减轻车辆重量并节约燃料提供了可能性。然而，经过数十年的努力，同时提供制造和维护汽缸体所需的铸造性、机加工性和耐磨性的铝合金还未得到发展和明确。具有耐活塞磨损性的铝合金很难铸造成形状复杂的汽缸体并难于机加工成最后需要的尺寸。适于铸造和机加工成汽缸体的铝合金在使用时缺乏汽缸壁的耐磨损能力。发动机制造商们倾向于选择可铸造和可机加工的合金并改变汽缸壁表面来获得所需要的耐磨损性能。
因此，目前通过例如Aluminum Alloy 319或者AA356的合金来铸造汽缸体时，它们都需要汽缸衬筒(铸铁，金属基复合材料，AA390)或者表面处理(电镀，涂层)以在使用时提供耐磨损性能。铸铁衬筒像芯部一样放置在铸模中以包含在缸体中或者插入机加工的缸膛内。也使用过其他的耐磨损衬筒组成。作为汽缸衬筒的一种选择，给铸造和机加工的汽缸体的汽缸壁施加耐磨损涂层。汽缸体的这些修改都将增加产品的成本。
这就需要能提供用于制造汽缸体的所有上述性能和磨损性能的铝合金。本发明的目的是提供这种材料。
发明概述对用于大批量生产机动机发动机的全铝汽缸体的铝合金的要求是非常严格的。这种合金必须同时提供汽缸壁有足够的对活塞/活塞环的耐磨损能力；防水壁区域有足够的强度和硬度；油/水/燃烧通道间的压力密封性；在中等的和循环的发动机使用温度下保持螺栓扭距的高温强度；和尺寸稳定性。此外，这种合金在熔融状态下必须要有足够的流动性能以通过任何选择的铸造工艺铸造成复杂的形状并且可机加工到精密公差。这种合金必须需要尽量小的专门设备或工艺并且对后铸造操作，例如热处理，机加工和装配有尽量小的影响。它必须要对工艺中微小的变化不敏感。最后，使用的长期效应，例如尺寸稳定性，腐蚀性，蠕变性和最后的循环利用都应该是不变的或者提高的。本发明的铝合金提供了这些性能和优点。
本发明的铝合金包括，以重量百分比计，9.5～12.5％的硅，至多1.5％的铁，0～1.5～4.5％的铜，0.2～3％或更多的锰，0.1～0.6％的镁，0～1.5％的镍，0～0.03％的锶或者0～0.02％的钠或者总量0～1.2％的稀土，至多0.25％的钛，总量小于大约0.5％的其他元素，其余为铝。
组成的一个重要特点就是锰含量与铁含量的比例。铁是铝合金中的常见元素。它是从通常含有氧化铁的锰土矿制备的铝中含有的散杂元素。铁含量低于0.4重量％的铝合金价格高。当合金中的铁含量等于或者高于0.4％时，则需要Mn/Fe的重量比在1.2～1.75范围内，优选在1.2～1.5范围内。当含有铁但含量小于0.4％时，只要铝合金中的锰的重量百分含量至少为0.2％，Mn/Fe的重量比适于在0.6～1.2范围内。对于大多数的铸造方法，优选合金中铁的重量百分含量不超过0.8％。尽管如此，压铸中铁的含量可能高达1.5％，以防止铸造金属粘到金属模面上。
铜和镍也是影响合金中锰含量的元素。镍不是合金中的必需成分。它通常存在于一些可利用的铝合金中，并且其可允许的量至多大约2重量％。类似的，铜也不是合金中必需的元素，但它起到强化剂的作用。较低的铜含量容易铸造无孔汽缸体。当铜的重量百分含量超过1.5％和/或镍的重量百分含量超过0.75％时，优选锰含量至少是铁含量的1.2～1.5倍。锰一般作为适当的铝锰母合金来加入。
锌通常是一种散杂元素并且它不能超过指定的最大值。钛通常是废铝合金的一种组分并且当它的重量百分含量在0.04～0.25％之间时减小了粒径。添加锶以改变共晶铝硅相，以保证没有硅初晶相形成。可选择地，可以通过单独或一起添加钠或者稀土金属尤其是铈，镧和钕，来改变这种共晶相。
因此，本发明合金主要由铝，硅，铁，锰和锶组成。优选组成包括，以重量百分比计，11.25～11.75％的硅，0.35～0.65％的铁(压铸体时可能更高)，1.75～2.75％的铜，0.4～3％的锰(至少是铁含量的1.2～1.5倍)，0.15～0.3％的镁，至多0.5％的锌，痕量的镍，0.01～0.03％的锶，其余为铝。
本发明合金具有铝硅共晶合金的流动性。该合金能用任何一种普通的铸造方法铸造成发动机机体压铸(可能需要较高的铁含量)，金属型铸造，半金属型铸造，造型砂模铸造，消失模铸造和精密砂模铸造。当Mn/Fe含量控制在指定的范围时，铸造材料的拉伸强度可高达320MPa，比Mn/Fe的含量不控制在这个范围的类似合金高20％以上。此外，这种铸造材料易于机加工成最后的汽缸体，这种材料能抵抗来自活塞/活塞环的刮擦和其它的汽缸体磨损。
本发明的其它的目的和优点将通过对优选实施方案的描述变得更加明显。
图1是一种V型发动机汽缸体的斜视图，代表可通过本发明的铝合金制得的可机加工并耐磨损的发动机铸件。
图2是本发明铝合金铸造试样的极限拉伸强度UTS(MPa)测量值和以横坐标上的Mn/Fe的重量比值表示的锰含量增加的关系图。
优选实施方案的描述本发明是一种铝合金组合物，其满足汽缸体铸件的上述制造和性能条件。本发明尤其适用于使用汽油燃料具有往返运动活塞的内燃机的汽缸体铸件。这种合金可以用任何常规的铸造方法来铸造生产低孔隙度，高强，耐磨损的发动机机体，而不需要特殊的热处理和其它的特殊工艺。
图1是描述了一种可用本发明的铝合金来铸造的汽缸体铸件10。在这个实施例中，铸件10是一种V-6发动机机体，但是本发明合金可以用于铸造在缸膛和铸造产品的其它表面需要耐磨损性能的任何形式的发动机汽缸体。
在汽缸体铸件10的图中可以看到V型发动机机体的一个分支18上的三个汽缸12，14和16。铝合金汽缸体铸件需要大量的机加工。例如，需钻出大量的螺栓孔20并在其上刻上螺纹，如用于两个汽缸盖，汽缸盖未在图中显示。汽缸盖对着的平壁板表面22必须进行机加工。当然，汽缸12，14和16的壁(膛)必须要机械修整。需要少数机加工操作以完成用于装配成车辆的发动机的汽缸体铸件的制造。本发明的高锰含量铝合金对于这一应用具有可机加工性。
众所周知，发动机汽缸体有很多复杂的用于冷却剂和油流通的部分，这就需要一种流动性好和可铸造的合金使得熔融状态下的合金在浇铸和凝固时填满模腔。本发明的合金可铸造这种复杂产品。
具有往复运动活塞的内燃机汽缸壁要长时间承受在发动机运行中活塞和活塞环往复和运动产生的磨损。本发明的高Mn/Fe铝合金在这种表面上提供了很好的耐磨损性能，而不需要特殊的耐磨损衬筒。
铸造合金的制备铸造熔体的制备是通过熔炼铝锭、适当的铝基母合金如Al-25Fe，Al-50Cu，Al-20Mn，Al-50Si和纯镁金属以获得如上概述中描述的所需组合物而进行的。通过稀土元素母合金或纯金属或稀土元素铝母合金来添加稀土。可以在开始加料时就进行这种加入。但是，如果用这种工艺的话，优选在熔体用熔剂处理和/或脱气后再进行。
可在合适的熔炉例如无芯感应炉，电阻炉，反射炉或者粘土-石墨或碳化硅燃气坩锅炉中制备该熔体。只有装料很脏或有残渣时才使用熔剂。通常不需要特别的熔炼气氛。在环境空气中就可以加热熔炼。一旦熔化，熔体可以采用普通的铝铸造方法来脱气，例如利用干燥的氩气或者氮气通过旋转的脱气装置来吹扫熔体。脱气操作也可以包括卤素气体，例如氯或氟或卤盐来促进杂质去除。优选的，以静态方式处理熔体以便使扰动和氢气吸取减到最小。
一旦除气和净化，用锶或者稀土金属混合物对金属进行处理以影响共晶硅的改性。优选的方法是用Al-10Sr或Al-90Sr母合金在除气的最后一个阶段加入金属中，在不用卤素材料的情况下。熔体的气体含量水平可以用任意普通的商业方法来评估，例如降压测试或者AISCANTM设备。
最后，刚好在浇铸前，用钛—硼母合金来细化熔体晶粒，一般添加约0.02～0.1％重量百分含量的钛。一些应用可能不需要细化晶粒。
熔体的过热度从小于150°F到超过700°F都已取得成功。本发明合金在1170°F到1500°F的熔融温度下铸造汽缸体。优选的铸造熔融温度大约为1170°F到1200°F。推荐使用较低水平的过热度来使微孔最少。然而，较高水平的过热度可以导致微观结构中金属间化合物的精炼，因此在一些情况下优选使用这种方法。
将金属浇铸在已经在任意已知的模具生产工艺中制得的合适的模具中，所述模具生产工艺例如造型砂模，金属型或金属模或者蜡模制造。砂模可包括金属激冷以促进定向凝固或在特定的铸造关键区域上细化微观结构。使金属在模中凝固，然后打开模具把铸件取出。对于砂模的情况，剩余的沙子通过喷丸处理来从铸件上去除。铸件的浇口部分要去掉。
铸件可以用一般的非破坏性测试来评估，例如X射线检查，染料渗透试验法或超声波检查。一般进行这些测试以判断铸件在凝固过程中是否由于收缩而产生了孔隙。这种收缩是由铸造合金的组成和/或铸件的形状造成的。用本发明合金铸造的发动机缸体由于合金组成一般不具有收缩问题。
本发明铝合金的发动机机体铸件可以通过已知的铝合金沉淀硬化机理来进行热处理以提高机械性能。例如，T5回火工艺由在中温下对铸件进行人工老化组成，一般从300～450°F，直至12小时或者更长。更高要求的铸件应用可能需要峰值强度的T6回火，它由在接近但低于合金固相线温度的温度下一般进行4～12小时溶液处理组成，但是或多或少取决于铸件微观结构的最初阶段。铸件在合适的淬火液例如水，油或聚合物，或快速流动的空气中从溶液温度淬火。这种淬火将热处理的铸件快速冷却穿过临界温度区，通常为850°F～450°F。一旦冷却，铸件通常需要在室温下保存1～24小时，然后再加热到中等温度，类似于T5回火。在尺寸稳定性至关重要的应用中，需要T7回火。这类似于T6回火，除了在较高的温度或很长时间或两者兼有的条件之下完成人工老化循环来达到一定的更柔软的状态外，但具有更好的尺寸稳定性。
发动机机体铸件即将被机加工成复杂机体结构的最终尺寸。这种机加工包括一定量的钻孔，珩磨等等以完成发动机装配用机体。因此，铸体材料的可机加工性对其用于发动机机体的应用尤为关键。此外，在用于测试或合金评估目的的发动机机体铸件情况下，机体即将被机加工成测试试样。
对于机械性能和物理性能测试，适当地从曲柄轴承轴颈和汽缸体的顶盖螺栓轴套截取试件，然后机加工成用于测试的测试试样的几何形状。其他的测试应用需要特别几何形状的测试铸件，例如用于可机加工性测试的肋板铸件。把这些铸件磨平以便于不依赖于铸件的表面情况进行钻孔和攻螺纹测试来判断新合金对工具磨损速率的影响。
发动机机体铸件的具体实施例和合金的比较评价对于4.3升的排量，汽油燃料发动机的V-8系列汽缸体是采用重力浇铸至造型砂模中的。一些模具有冷却块以形成限定铸件的曲轴轴承轴颈部分的空腔部分。这种“激冷”发动机机体铸件的其它表面则通过模具的造型砂部分形成。
有些铸件采用本发明实施方案中的特定组成的合金来铸造。该组成为，以重量百分比计，10.7％的硅，0.37％的铁，0.72％的锰，1.0％的铜，0.42％的镁，除偶然会有的杂质外其余基本上为铝。重要地是，在这种合金中Mn/Fe的重量比为1.94。
为了比较铸件性能，采用目前用来制造这种发动机铸件的市售合金AA319和AA356以冷铸的方法制造相同形状的发动机机体。AA319的组成为，以重量百分比计，6.5％的硅，0.8％的铁，0.5％的锰，3.5％的铜，0.4％的镁，3.0％的锌，0.25％的钛，其余为铝。AA356的组成为，以重量百分比计，7.0％的硅，0.2％的铁，0.1％的锰，0.20％的铜，0.2％的镁，0.05％的锌，0.20％的钛，其余为铝。AA319和AA356合金都用于发动机机体的铸造。它们有适于铸造这种具有空间接近的缸体和冷却通道的复杂结构流动性。这些市售合金的铸件能被快速机加工而没有不可接受的工具磨损。然而，这种铸件对来自密封的活塞和活塞环以及来自缸膛内的滑行啮合带来的过量的磨损非常敏感。必须将这些铁的衬筒或者其它耐磨损的衬筒材料安装在AA319和356组合物的铸件缸体内。制造和安装这种衬筒显著增加了使用这些市售合金的铸造缸体的发动机成本。
在适用于合金的操作下制备各个熔体，使其达到指定的组成。本发明高Mn/Fe比的合金熔体在1200°F保温和处理。浇铸铸体并冷却和凝固。铸体从砂模中分离并热处理，然后老化至T6回火状态。拉伸和疲劳测试试样从浇铸发动机汽缸体的顶盖螺栓轴套表面截取(铸件的非激冷区以得到平均性能)。将从本发明合金铸造的缸体上截取的试样的拉伸屈服强度(Ys)值和极限拉伸强度(UTS)值与AA319和356发动机机体铸件的Ys和UTS值相比较。更重要的是，本发明的铸造合金展示的屈服强度，极限拉伸强度，屈服时的延伸率和疲劳强度值适用于发动机汽缸体应用。而且，本发明铝合金组合物的发动机机体铸件适合于发动机机体制造的机加工。铸件具有低的孔隙率，一般低于1％，以体积计。令人吃惊的是，本发明的合金表现出适当的耐磨损性能和发动机工作中的耐久性能，以至于不需要独立的汽缸衬筒。
从已准备好的缸膛选取几部分进行高速台架试验(Cameron-Plint)20小时，所述缸膛包括来自AA319汽缸体(没有铁衬筒)，具有铁衬筒的AA319汽缸体，具有商用过共晶Al-Si衬筒的AA319汽缸体和本发明高Mn/Fe比的铝合金汽缸体的膛。活塞环的部分在控制的温度和润滑油条件下在商业的Cameron-Plint测试装置中对着每个汽缸体运动。这个测试在20小时里在高的负荷下进行加速磨损。这些试验中实施的测试通过运行不同缸膛材料和磨损速度的发动机来校准。已经确定当测试磨损伤痕体积小于0.5立方毫米时，这种缸膛材料的发动机将通过发动机耐久性测试，是商业应用的合格产品。
对每个缸膛的截取部分运行20小时后的结果进行分析并且对汽缸壁上的伤痕的用立方毫米计的磨损体积进行仔细测量。在这些测试中本发明合金的伤痕体积(0.25-0.5mm3)比裸露的AA319缸体的伤痕体积(0.8～1.3mm3)小得多，与过共晶Al-Si衬筒(0.28～0.5mm3)的磨损相当。本发明的发动机机体表现出比具有传统的铁衬筒的发动机(大约0.1mm3)稍多的磨损。当然，本发明铝合金汽缸体保留了铝合金缸膛的的导热性优势和无衬筒铝合金的成本优势。
Mn/Fe的重量比本发明的一个重要特征就是控制铝合金组合物中Mn/Fe的重量比。因为通常存在铁，铜和/或镍，所以关注本发明铝合金中锰的含量非常重要。如前面所述，铁和镍常出现在铝合金中，铜常作为一种强化元素添加。一般来说，当这种铝合金中铁的重量百分含量为0.4％或者更高时，优选合金中锰的含量至少为铁的重量的1.2～1.5倍。当然已经知道，锰的原子量(54.938)和铁的原子量(55.847)非常接近，因此，所需的重量比接近原子比。当存在镍和/或添加了铜时高锰含量仍是非常重要的，即使具有相对低的铁含量。
高锰含量对合金的强度有贡献。锰含量也对这种可铸造合金的耐磨损性能有贡献，这在汽缸体缸膛区域是至关重要的。一般认为合金中锰原子的丰度对强化和硬化微观结构有贡献。
图2描述了本发明代表的合金中锰含量增加对以百万帕斯卡为单位的极限拉伸强度(UTS，MPa)的影响，其中锰的含量以Mn/Fe的重量比表示。合金的成分为，以重量百分比计，11.75％的硅，0.4％的铁，2.1％的铜，0.22％的镁，0.03％的锶，除了锰外其余为铝。根据Mn/Fe的重量比从0.1增加到2制取了一系列的铸件，重量比数据点如图1所示。净化这些铸件，热处理至T6回火态，从这些铸件机加工得到拉伸测试试样。
图2是铝合金铸件试样的UTS(MPa)值随锰含量增加而变化的图，横坐标表示Mn/Fe的重量比。从这些示范性的合金数据中看到UTS随锰含量增加而增加。在特定的合金和热处理情况下，在这种合金的Mn/Fe的重量比约为1.3时可得到UTS的最大值约310MPa。如前所述，依照本发明的这种高Mn/Fe比制得的铝质汽缸体的耐磨损性适合于发动机使用，不需使用铁的汽缸衬筒或类似的东西。
已根据特定的实施方案对本发明进行了描述。然而，其它实施方案能够容易地被本领域技术人员所采用。本发明的范围仅由以下权利要求来限定。
权利要求
1.一种用于铸造发动机机体的铝合金，所述合金主要由，以重量百分比计，9.5～12.5％的硅，0.1～1.5％的铁，0.2～3％的锰，0.1～0.6％的镁，至多0.05％的锶，余量的铝组成，其中当铁的含量等于或者大于0.4％时Mn/Fe的重量比至少为1.2～1.75，当合金中铁的含量小于0.4％时Mn/Fe的重量比至少为0.6～1.2。
2.一种用于铸造发动机机体的铝合金，所述合金主要由，以重量百分比计，9.5～12.5％的硅，0.1～1.5％的铁，1.5～4.5％的铜，0.2～3％的锰，0.1～0.6％的镁，至多2.0％的锌，0～1.5％的镍，至多0.25％的钛，至多0.05％的锶，余量的铝组成，其中当铁的含量等于或者大于0.4％时Mn/Fe的重量比至少为1.2～1.75，当合金中铁的含量小于0.4％时Mn/Fe的重量比至少为0.6～1.2。
3.一种如权利要求2所述的用于铸造发动机机体的铝合金，其中当铜含量超过1.5％或者镍含量超过0.75％时，Mn/Fe的重量比至少为1.2～1.75。
4.一种用于铸造发动机机体的铝合金，所述合金主要由，以重量百分比计，11.25～11.75％的硅，0.35～0.65％的铁，1.75～2.75％的铜，0.4～1.2％的锰，0.15～0.3％的镁，至多0.5％的锌，痕量的镍，至多0.2％的钛，0.01～0.03％的锶，余量的铝组成，其中Mn/Fe的重量比至少为1.2～1.75。
5.一种由如权利要求1所述的合金成型的用于内燃机的铸造的汽缸体。
6.一种由如权利要求2所述的合金成型的用于内燃机的铸造的汽缸体。
7.一种由如权利要求3所述的合金成型的用于内燃机的铸造的汽缸体。
8.一种由如权利要求4所述的合金成型的用于内燃机的铸造的汽缸体。
全文摘要
公开了一种铝合金，其适用于铸造和机加工发动机汽缸体，尤其适用于汽油燃料机动机发动机。该铸件对于这种发动机而言有好的强度和对活塞/密封圈拉缸的耐磨损能力。该合金包括，以重量百分计，9.5～12.5％的硅，0.1～1.5％的铁，1.5～4.5％的铜，0.2～3％的锰，0.1～0.6％的镁，至多2.0％的锌，0～1.5％的镍，至多0.25％的钛，至多0.05％的锶，其余为铝，其中当铁的含量等于或者大于0.4％时Mn/Fe的重量比为1.2～1.75或更高，当合金中铁的含量小于0.4％时Mn/Fe的重量比为至少0.6～1.2。
文档编号C22C21/04GK1809647SQ200480017528
公开日2006年7月26日 申请日期2004年3月26日 优先权日2003年6月24日
发明者H·W·多蒂 申请人:通用汽车公司