專利名稱：鑄造用鋁合金和內燃機氣缸蓋的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及鑄造用鋁合金及其熱處理方法。更具體地，本發(fā)明涉及適 用于同時要求優(yōu)異高循環(huán)疲勞強度和優(yōu)異熱疲勞強度的構件的鋁合金，涉 及由該合金制造的鑄件和該鑄件的制造方法。此外，本發(fā)明涉及由該鋁合 金鑄件構成并由該鑄件制造方法制造的內燃機氣缸蓋。
背景技術：
作為要求優(yōu)異機械性能的具有復雜形狀的鑄造合金，目前為止，采用
JIS H 5202中規(guī)定為AC2A、 AC2B和AC4B的Al-Cu-Si類以及其中規(guī)定為 AC4C和AC4CH的Al-Mg-Si類制成的鋁合金鑄件。由所述合金制成的鑄件 有內燃機的氣缸蓋、氣缸體等。
在這些鑄件中，如特開2006-169594號公報所披露的，通常使用進行了 T6處理(固溶熱處理/淬火處理之后，在獲得最大強度的回火溫度下進行的 時效處理)或T7處理(固溶熱處理/淬火處理之后，通過過時效保證尺寸穩(wěn)定 性的處理)的鑄造體，以提高強度和韌性。
然而，隨著近年來發(fā)動機功率的提高以及為減輕車體重量氣缸蓋的薄 化，在這種傳統(tǒng)內燃機氣缸蓋中循環(huán)應力有增大的趨勢。另外，氣缸蓋具 有使T6或T7處理時產生的高殘余應力集中于局部的結構。因而，在如上 所述的鋁合金鑄件中，不能夠認為作為其高循環(huán)疲勞強度和熱疲勞強度代 替特性的伸長率是足夠的，并且存在疲勞斷裂發(fā)生的可能性提高的問題。 可能從車頂(top deck)和氣缸蓋水套的應力集中部分，以及從燃燒室中閥間 部位的高溫部分，發(fā)生這種疲勞斷裂。
本發(fā)明集中關注傳統(tǒng)鋁合金鑄件中的上述問題。本發(fā)明的目的是提 供鑄造用鋁合金，其具有優(yōu)異的伸長率，作為熱疲勞強度和高循環(huán)疲勞強 度的代替特性，并且適用于同時要求優(yōu)異的高循環(huán)疲勞強度和優(yōu)異的熱疲 勞強度的鑄件，例如內燃機氣缸蓋；提供由所述鋁合金制成的鑄件；提供 所述鑄件的制造方法；提供由所述鋁合金鑄件構成的內燃機氣缸蓋；以及
提供通過所述鑄件制造方法制造的內燃機氣缸蓋。

發(fā)明內容
為實現上述目的，對合金成分、熱處理方法等進行了反復積極地研究，
結果本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現，通過規(guī)定Si、 Cu和Mg各自的含量，通過對所 得合金鑄件進行T7處理，等等，可解決上述問題。以這種方式，本發(fā)明人 完成了本發(fā)明。
具體而言，本發(fā)明是基于上述發(fā)現作出的。本發(fā)明的鑄造用鋁合金以 質量比計包含4.0-7.0%的Si, 0.5-2.0%的Cu, 0.25-0.5%的Mg,不大于0.5% 的Fe,不大于0.5%的Mn,并且還包括選自Na、 Ca和Sr中含量各自為 0.002-0.02%的至少一種成分，以及作為剩余部分的Al和不可避免的雜質。
另外，除上述從Si到Sr的成分以外，本發(fā)明的鑄造用鋁合金還包括選 自Ti、B和Zr中的至少一種成分，它們的含量以質量比計各自為0.005-0.2%。
此外，本發(fā)明的鋁合金鑄件的特征在于該鋁合金鑄件由本發(fā)明的上述 合金構成。另外，本發(fā)明的鋁合金鑄件的制造方法包括對上述鋁合金鑄 件進行T7處理，即固溶熱處理鋁合金鑄件于500。C-550。C保溫2.0-8.0小 時之后，快速冷卻鋁合金鑄件；以及對上述鋁合金鑄件進行時效處理鋁 合金鑄件于190。C-250。C保溫2.0-6.0小時之后，冷卻該鋁合金鑄件。
另外，本發(fā)明的內燃機氣缸蓋的特征在于該氣缸蓋由本發(fā)明的上述鋁 合金鑄件構成，并且其特征還在于該氣缸蓋通過上述制造方法制造，換言 之，經受上述T7處理。
根據本發(fā)明，由于將鑄造用鋁合金中所含的Si、 Cu和Mg各自限定在 特定的范圍內，等等，因而可提高由所述合金構成的鑄件的伸長率，并且 可獲得同時具有優(yōu)異的高循環(huán)疲勞強度和熱疲勞強度的鑄件，例如內燃機 氣缸蓋。


圖1顯示根據鑄造用鋁合金收縮試驗的結果，Si含量和Cu含量對鑄造 缺陷生成量的影響。
圖2顯示試驗片的高循環(huán)疲勞強度、斷裂伸長率和洛氏硬度B標(HRB)。 圖3顯示試驗片的高循環(huán)疲勞強度、斷裂伸長率和洛氏硬度B標(HRB)。
具體實施例方式
以下將對本發(fā)明的鑄造用鋁合金和由該合金制成的鋁合金鑄件以及對 例如合金成分和熱處理條件等進行限定的原因及其作用進行詳細說明。應 當注意的是，在該說明中，"％"表示質量百分比，除非另作規(guī)定。
(1) Si含量4.0-7.0%
Si(硅)具有提高鑄造性的作用。因而，在具有復雜形狀和薄壁部分的鑄 造制品例如氣缸蓋時，出于熔融金屬(熔融鋁合金)流動性即鑄件成型性的考 慮，需要將一定量的Si添加到制品中。具體而言，如果Si含量小于4.0。/0， 則熔融鋁合金的流動性不足。另外，半固態(tài)區(qū)域擴展，使縮孔分散造成砂 眼(porosity),趨于發(fā)生收縮斷裂。另外，Si具有提高鑄造材料的機械強度、 耐磨性和抗振性的作用。
然而，隨著Si含量的增加，合金的導熱性和延展性降低，從而造成熱 疲勞特性劣化。如果Si含量超過7.0。/。，則合金的伸長率明顯降低，另外， 合金開始呈現出縮孔集中的趨勢。因而，有時觀察到多孔腔(porous cavity) 的出現。
圖1顯示收縮試驗的結果。具體地，圖1顯示將試驗片鑄為錐形通過 阿基米德法根據合金標準比重和試驗片底面中部比重之間的差異測量鑄造 缺陷率的結果。根據該圖，認為當Si含量為4.0-7.0%時鑄造缺陷(砂眼和多 孔腔的總和)最少，另外，鑄造缺陷量隨著Cu含量的減小而降低。
應當注意的是Si含量為5.0-7.0%是更優(yōu)選的。
(2) Cu含量0.5-2.5%
Cu(銅)具有提高鋁合金機械強度的作用。Cu含量為0.5%或以上時所述 作用顯著。然而，隨著Cu含量的增大，合金的導熱性和延展性降低，導致 熱疲勞特性的劣化。另外，隨著Cu含量的增大，合金的凝固態(tài)類似糊狀， 使縮孔分散，從而造成砂眼。
根據圖l可知，如果Si含量不變，則鑄造缺陷量隨Cu含量的增大而 增加，并且Cu含量超過2.5。/。時由Cu含量增大造成的不利影響變得明顯。 因而，將Cu含量設定為0.5-2.5%,更優(yōu)選為0.8-1.3%。
(3) Mg.. 0.25-0.5%
如果將Mg(鎂)添加到合金中，則合金通過進行熱處理呈現出提高抗拉
強度和硬度以及降低熱疲勞強度和伸長率的趨勢。如果添加過量的Mg，則
Mg作為Mg2Si析出，從而降低熱疲勞強度和伸長率。因而將Mg的添加量 設定為0.25-0.5%，更優(yōu)選為0.3-0.4%。
通過將Mg的添加量設定在上述范圍內，由中間相Mg2Si的時效析出強 化合金基體。然而，如果Mg含量超過0.5%，則熔融鋁合金的表面氧化量 明顯增加，從而造成夾雜物缺陷增加的不良狀態(tài)。
(4) Fe: 0.5%或以下
Fe(鐵)作為針狀鐵化合物析出，通常對抗拉強度、疲勞強度、熱疲勞強 度、伸長率等造成不利影響。因而，將Fe含量的上限值設為0.5%。
應當注意的是，如上所述由于Fe為有害成分，因而期望其含量較小。 優(yōu)選將Fe含量設定為0.2%或以下。另外，理想的是Fe含量基本為0%。
(5) Mn: 0.5%或以下
通過將Mn(錳)添加到合金中，含Fe結晶體的形狀可由易于造成強度降 低的針狀變?yōu)椴灰自斐蓱械膲K狀。
如果Mn含量大于所需量，則鐵化合物(Al-Fe，Mn-Si)的量增加。因而， 將Mn含量設為0.5%或以下，期望為0.2%或以下。應當注意的是Fe:Mn優(yōu) 選為1:1-2:1。
(6) Na、 Ca和Sr中的一種或多種,各自為0.002-0.02%
特別地，對于氣缸蓋的材料，為提高其耐熱疲勞性，期望將這些成分 (Na、 Ca和Sr)中的一種或多種添加到合金中，從而使鑄造組織中的Si顆粒 微細化。
通過對Si顆粒的改性處理，提高了合金的機械性能，例如抗拉強度和 伸長率，并且還提高了熱疲勞強度。然而，如果大量添加上述成分，則出 現帶狀的粗Si相結晶的區(qū)域。這種粗Si相的出現稱為過改性 (overmodification),有時造成強度降低。因而，在將上述成分添加到合金中 時，將其各自的含量設定為0.002-0.02%。應當注意的是，對于熱疲勞強度 為重要因素的燃燒室表面，期望合金迅速冷卻和凝固，從而將枝晶臂間隔 減少到30 pm或以下。
(7) Ti、 B和Zr中的一種或多種,各自為0.005-0.2% 這些成分(Ti、 B和Zr)中的每一種均為鑄造組織晶粒微細化的有效成
分，從而根據需要向合金中添加0.005-0.2%。另外，按照鑄造缺陷量大的成 分范圍，添加這些成分，從而使多孔腔分散并消除縮孔。
在這些成分各自的添加量小于0.005%的情況下，沒有產生效果。在所 述添加量超過0.2。/。的情況下，作為晶粒的晶核的Al-Fe、 Al-B、 Al-Zr、 T舊、 ZrB等聚集，從而造成缺陷的風險增加。
(8)T7處理(固溶熱處理和隨后的穩(wěn)定處理) 固溶熱處理于500。C-550。C保溫2.0-8.0小時后，迅速冷卻 時效處理于1卯。C-250。C保溫2.0-6.0小時后，空氣冷卻 通常，為提高強度，對氣缸蓋進行T6處理(固溶熱處理和隨后的人工 時效處理)或T7處理。在本發(fā)明中，盡管在強度方面比T6處理稍差，但由 于可實現氣缸蓋所需的熱疲勞強度提高、殘余應力減小和尺寸穩(wěn)定性，所 以進4亍T7處理。
具體地，具有上述成分組成的本發(fā)明的鑄造用鋁合金，在溫度為 500°C-550。C且處理時間為2.0-8.0小時的條件下經受固溶熱處理，以及在 溫度為1卯。C-250。C且處理時間為2.0-6.0小時的條件下經受時效處理。
通過上述T7處理，可獲得50HRB的硬度，出于防止氣缸蓋螺栓支承 面和墊圈密封面疲勞時永久變形的考慮，以及出于保證氣缸蓋與氣缸體、 凸輪軸滑動部分等的連接面的耐磨性的考慮，需要所述硬度。
在充分保證固溶熱處理時間的情況下，共晶Si通過擴散形成圓形，從 而減輕應力集中并改善機械性能如韌性。
實施例
以下根據實施例對本發(fā)明進行更詳細地說明，然而，本發(fā)明不限于這 些實施例。
(1)舟狀樣品鑄造試驗
利用電爐熔融組成如圖2所示的鋁合金，并對該鋁合金進行微細化處 理和Si改性處理，隨后鑄造尺寸為190x40x25 mm的舟狀樣品。然后，對 所述舟狀樣品進行T7處理(于530。C固溶熱處理5小時，然后于180°C-260。C 的預定溫度時效處理4小時)。隨后，從經處理的舟狀樣品中切出疲勞試驗 片和抗拉試驗片。對各試驗片進行高循環(huán)疲勞強度和斷裂伸長率的測量， 并測量洛氏硬度B標(HRB)。
測量結果一并示于圖2。對于這些測量的目標值，將高循環(huán)疲勞強度的
目標值設定為100MPa或以上，將作為熱疲勞強度代替特性的伸長率的目標 值設定為10.0%或以上，以及將硬度的目標值設定為50HRB或以上。
應當注意的是，在高循環(huán)疲勞試驗中，使用小野式旋轉彎曲疲勞試驗 機，將其轉數設定為3600rpm。然后，根據彎曲循環(huán)重復107次達到斷裂時 的應力幅度值，評價各試驗片的疲勞強度。
由圖2可知，在實施例1-9中，其中試驗片包含質量百分比在預定范圍 內的合金成分，并在200。C-240。C的時效溫度下進行了 T7處理，可證實試 驗片在高循環(huán)疲勞強度、斷裂伸長率和硬度方面均表現出良好的性能。
與此相反，在合金成分和時效溫度在本發(fā)明限定的范圍以外的比較例 1-10中，在用作傳統(tǒng)氣缸蓋材料的使用AC4CH合金和AC.2A合金的傳統(tǒng)材 料1和2中，發(fā)現對于各試驗片，其疲勞強度、斷裂伸長率和硬度中的至 少一種特性低，因而不可能獲得滿足高性能發(fā)動機氣缸蓋材料要求的強度。
P)氣缸蓋鑄造試驗
從上述實施例和比較例中挑選出舟狀樣品鑄造試驗結果較好的含合金 成分的舟狀樣品。然而，在金屬壓模中由所挑選出的舟狀樣品鑄造氣缸蓋 實體，并相應進行T7處理。隨后，從經鑄造和處理的氣缸蓋上位于燃燒室 表面附近的部位切出疲勞試驗片和抗拉試驗片，并以如上方式進行高循環(huán) 疲勞強度測量和疲勞伸長率測量，另外，進行洛氏硬度B標(HRB)測量。
測量結果如圖3所示。對于這種情況下的目標值，將高循環(huán)疲勞強度 的目標值設定為85 MPa或以上，將硬度的目標值設定為50 HRB或以上。
另外，對于熱疲勞強度，使用具有V型切口的平板試驗片,在完全受 限的條件下，進行簡單熱疲勞試驗，其中將一次溫度循環(huán)設定為 40°C-270°C-40°C ，將簡單熱疲勞強度結果的目標值設定為不小于傳統(tǒng) AC2 A合金的TIG再熔融制品的熱疲勞壽命即100次循環(huán)。
由圖3所示結果可知，在氣缸蓋實體鑄件中，還證實對應于舟狀樣品 鑄造試驗的實施例2和6的實施例2-2和6-2在高循環(huán)疲勞強度、熱疲勞壽 命和硬度方面表現出良好的性能，并以高水平滿足氣缸蓋所要求的特性。
與此相反，盡管在對應于舟狀樣品鑄造試驗的比較例4和8的比較例 4-2和8-2中，舟狀樣品獲得了較好的評價結果，但由于氣缸蓋實體為厚壁， 在比較例4-2中鑄造缺陷(在舟狀樣品中沒有出現)的影響導致疲勞強度和熱 疲勞壽命下降。
然而，對于在舟狀樣品鑄造試驗中幾乎達到目標值的比較例8-2，在實
體試驗中，其也具有低的強度。認為這是因為沒有通過Sr對Si改性。
在此引入2007年7月6日提交的特愿2007-177983的全部內容作為參者。
權利要求
1.一種鑄造用鋁合金，包含以質量比計，4.0-7.0％的Si，0.5-2.0％的Cu，0.25-0.5％的Mg，不大于0.5％的Fe，不大于0.5％的Mn，和選自0.002-0.02％的Na、0.002-0.02％的Ca和0.002-0.02％的Sr中的至少一種成分；以及作為剩余部分的Al和不可避免的雜質。
2. —種鑄造用鋁合金，包含以質量比計，4.0-7.0%的Si, 0.5-2.0%的Cu， 0.25-0.5%的Mg,不大于 0.5%的Fe，不大于0.5。/。的Mn,選自0.002-0.02%的Na、 0.002-0.02%的Ca 和0.002-0.02%的Sr中的至少一種成分，和選自0.005-0.2%的Ti、0.005-0.2% 的B和0.005-0.2%的Zr中的至少一種成分；以及作為剩余部分的Al和不可避免的雜質。
3. 根據權利要求1的鑄造用鋁合金，其中，以質量比計，包含4.0-6.0% 的Si。
4. 根據權利要求2的鑄造用鋁合金，其中，以質量比計，包含4.0-6.0% 的Si。
5. 根據權利要求1的鑄造用鋁合金，其中，以質量比計，包含5.0-6.0% 的Si,包含0.8-1.3%的Cu,包含0.3-0.4%的Mg，包含不大于0.2%的Fe， 以及包含不大于0.2%的Mn。
6. 根據權利要求2的鑄造用鋁合金，其中，以質量計，包含5.0-6.0% 的Si,包含0.8-1.3%的Cu,包含0.3-0.4%的Mg，包含不大于0.2%的Fe, 以及包含不大于0.2%的Mn。
7. —種鋁合金鑄件，其中該鋁合金鑄件由權利要求1的鑄造用鋁合金 構成。
8. —種鋁合金鑄件，其中該鋁合金鑄件由權利要求2的鑄造用鋁合金 構成。
9. 一種鑄造用鋁合金，包含以質量比計，4.5-6.0%的Si, 2.0-2.5%的Cu， 0.25-0.5%的Mg，不大于 0.5%的Fe，不大于0.5%的Mn,和選自0.002-0.02%的Na、 0.002-0.02%的 Ca和0.002-0.02%的Sr中的至少一種成分；以及作為剩余部分的Al和不可避免的雜質。
10. —種制造鋁合金鑄件的方法，包括通過在權利要求7的鋁合金鑄件于500°C-550°C保溫2.0-8.0小時之后 快速冷卻該鋁合金鑄件，對該鋁合金鑄件進行固溶熱處理；以及通過在權利要求7的鋁合金鑄件于190°C-250°C保溫2.0-6.0小時之后 冷卻該鋁合金鑄件，對該鋁合金鑄件進行時效處理。
11. 一種制造鋁合金鑄件的方法，包括通過在權利要求8的鋁合金鑄件于500°C-550°C保溫2.0-8.0小時之后 快速冷卻該鋁合金鑄件，對該鋁合金鑄件進行固溶熱處理；以及通過在權利要求8的鋁合金鑄件于190°C-250°C保溫2.0-6.0小時之后 冷卻該鋁合金鑄件，對該鋁合金鑄件進行時效處理。
12. —種內燃機氣缸蓋，其中所述氣缸蓋由權利要求7的鋁合金鑄件構成。
13. —種內燃機氣缸蓋，其中所述氣缸蓋由權利要求8的鋁合金鑄件構成。
14. 一種內燃機氣缸蓋，其中所述氣缸蓋通過權利要求IO的方法制造。
15. —種內燃機氣缸蓋，其中所述氣缸蓋通過權利要求11的方法制造。
全文摘要
本發(fā)明披露了鑄造用鋁合金、由該鋁合金制成的鑄件、該鑄件的制造方法以及由該鋁合金鑄件構成并由該鑄件制造方法制造的內燃機氣缸蓋，所述鑄造用鋁合金具有優(yōu)異的伸長率，作為高循環(huán)疲勞強度和熱疲勞強度的代替特性，并且適用于同時要求優(yōu)異的高循環(huán)疲勞強度和優(yōu)異的熱疲勞強度的鑄件，例如內燃機氣缸蓋。該鑄造用鋁合金以質量比計包含4.0-7.0％的Si，0.5-2.0％的Cu，0.25-0.5％的Mg，不大于0.5％的Fe，不大于0.5％的Mn，和選自Na、Ca和Sr中質量比各自為0.002-0.02％的至少一種成分。
文檔編號F02F1/24GK101338395SQ200810135648
公開日2009年1月7日 申請日期2008年7月7日 優(yōu)先權日2007年7月6日
發(fā)明者堀川宏, 惣田裕司, 鹽田正彥, 秋山耕一 申請人:日產自動車株式會社;日本輕金屬株式會社