发动机机体用铝合金制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种铝合金，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。
技术介绍
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。本专利技术的目的是提供这种材料。专利技术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。本专利技术的铝合金提供了这些性能和优点。本专利技术的铝合金包括，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，本专利技术合金主要由铝，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。本专利技术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。本专利技术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。附图说明图1是一种V型发动机汽缸体的斜视图，代表可通过本专利技术的铝合金制得的可机加工并耐磨损的发动机铸件。图2是本专利技术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专利技术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。本专利技术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专利技术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，但是本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的高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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：HW多蒂，
申请(专利权)人：通用汽车公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]