微型汽车发动机缸体压铸铝合金
阅读：829发布：2023-03-11
专利汇可以提供微型汽车发动机缸体压铸铝合金专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且微型 汽车 发动机 缸体 压铸 铝 合金 ，主要化学成分的百分含量为Cu1.5－3.0％、Si10.0－12.0％、Mg0.15－0.35％，Al余量，其余为杂质，合金 抗拉强度 σb≥300MP。其优点是：主要化学成分Si、Cu、Mg特别是Cu、Mg控制较好，有害杂质元素控制较严格；合金有足够的强度和 刚度 ；尺寸 稳定性 较好；合金能够满足微型汽车发动机缸体高压 铸造 工艺和 机械加工 工艺。，下面是微型汽车发动机缸体压铸铝合金专利的具体信息内容。
微型汽车发动机缸体压铸铝合金
技术领域
背景技术
目前，微型汽车发动机缸体材料普遍采用的是铸铁。重庆长安公司九五期间引进日本铃木公司G系列发动机、新型面包车和轿车生产技术，它包括众多新材料、新技术和新工艺。其中十分重要的是缸体、缸盖的铝合金化，以实现轻量化，达到减重、节能、减少排放污染的目的。为尽快实现发动机的批量生产，缸体、缸盖总成产业化是首当其冲。其中，缸体用高压铸造铝合金材料的研究项目是关键的项目之一。
日本铃木公司的缸体用的是日本的ADC12压铸铝硅合金生产制造，这种材料国内目前尚无相应的标准材料可采用，需要大量进口，成本高。同时，在使用中发现日本ADC12压铸铝硅合金的化学成分中各元素百分含量范围大，特别是存在各有害杂质控制不严格的缺陷和把Mg元素当成杂质考虑的不足。因为在合金中，镁Mg的作用是提高铝合金的加工性能；Mg固溶于Al基体中，提高其硬度，切屑变短，不易粘刀，积屑瘤减小，加工表面质量提高，而且刀具的磨损降低；Mg降低了合金的电极电位，提高铝合金的耐蚀性。而对Mg元素考虑不足，会导致铝合金的加工性能不理想。另外，杂质元素Sn和Pb它们能形成低熔点共晶，对热处理极为不利，极微量的Sn也能使热处理后的延伸率显著降低，因此还必须对杂质元素Sn和Pb的含量进行合理的控制。可见基于日本ADC12存在的上述缺陷，研制出一种力学性能、工艺性能、加工性能与ADC12相当，并克服其不足的低压铸造和压铸铝硅合金，将其用于长安公司的G系列发动机缸盖和缸体的生产，是十分必要的。
日本铃木公司的缸体用的是日本的ADC12压铸铝硅合金生产制造，这种材料国内目前尚无相应的标准材料可采用，需要大量进口，成本高。同时，在使用中发现日本ADC12压铸铝硅合金的化学成分中各元素百分含量范围大，特别是存在各有害杂质控制不严格的缺陷和把Mg元素当成杂质考虑的不足。因为在合金中，镁Mg的作用是提高铝合金的加工性能；Mg固溶于Al基体中，提高其硬度，切屑变短，不易粘刀，积屑瘤减小，加工表面质量提高，而且刀具的磨损降低；Mg降低了合金的电极电位，提高铝合金的耐蚀性。而对Mg元素考虑不足，会导致铝合金的加工性能不理想。另外，杂质元素Sn和Pb它们能形成低熔点共晶，对热处理极为不利，极微量的Sn也能使热处理后的延伸率显著降低，因此还必须对杂质元素Sn和Pb的含量进行合理的控制。可见基于日本ADC12存在的上述缺陷，研制出一种力学性能、工艺性能、加工性能与ADC12相当，并克服其不足的低压铸造和压铸铝硅合金，将其用于长安公司的G系列发动机缸盖和缸体的生产，是十分必要的。
发明内容
本发明的目的正是为了这种需要，克服现有日本的ADC12压铸铝硅合金材料存在的不足，提供一种微型汽车发动机缸体压铸铝合金，该铝合金化学成分优化合理、力学性能较ADC12高、工艺性能较好，完全能够满足G系列发动机缸体高压铸造工艺和机械加工工艺的需要。
本发明的铝合金材料的主要化学和百分含量为：Cu1.5-3.0％、Si10.0-12.0％、Ng0.15-0.35％；Al余量；杂质的含量为：Zn≤0.90％、Fe≤0.90、Mn≤0.40％、Ni≤0.40％、Sn≤0.10％、Pb≤0.10％。
上述材料中，化学成份Cu和Mg的含量选取比较独特，基于以下原因：Cu：当Cu固溶于Al基体中或以颗粒状化合物形式存在时，能显著提高铝合金的强度、硬度、高温力学性能即蠕变性能，但延伸率稍有降低；当Cu以网状化合物形式存在时，就会严重降低铝合金的延伸率、强度。
Cu的化学电位较Al高，易产生晶间腐蚀与应力腐蚀，含Cu铝合金的耐蚀性降低，尤其是Cu以化合物形式存在时，所以耐蚀性较高的铝合金往往限制Cu的含量。
另外，Al-Cu合金有较宽的凝固温度区间，Cu的加入强烈的降低铝合金的流动性能，增加铝合金的热裂倾向。
因此，Cu含量一般控制在2～4％。
镁Ng：作用的提高铝合金的加工性能。
Mg固溶于Al基体中，提高其硬度，切屑变短，不易粘刀，积屑瘤减小，加工表面质量提高，而且刀具的磨损降低。
Ng降低了合金的电极电位，提高铝合金的耐蚀性。
因此，Mg含量一般控制在0.2～0.4％。
其余杂质元素选取较为特别的有：铁(Fe)：它是铝硅合金中的主要杂质元素，它主要来自炉料、坩埚和熔炼工具。对压铸铝硅合金，允许Fe的含量稍高Fe在0.9以下，因含量过低会发生粘模现象，含有较高的Fe能使氧化膜失去连续性，可以改善粘模现象。另外为了消除Fe相的有害作用可以微量元素Mn、Ni、Be等使其以汉字状复杂化合物形式存在，消除了原有针状Fe相削弱基体的有害作用。改善其对力学性能、流动性、加工性的不利影响。Mn和Ni的含量在0.4％左右。
其它杂质元素Sn和Pd它们能形成低熔点共晶，对热处理极为不利，极微量的Sn也能使热处理后的延伸率显著降低，因此必须限制Sn、Pb的含量在0.10％以下。
以下是将本发明的铝合金材料(牌号GYL-1)与日本生产的同类材料(ADC12)对比：化学成份对比表
力学性能对比表
可见，该压铸铝合金GYL-1的化学成分较优，力学性能抗拉强度和延伸率都高于ADC12。
以下是对本材料所做的试验和检测情况：1、通过缸体压铸工艺试验生产实践表明：GYL-1压铸铝合金材料的综合铸造工艺性能良好。具体检测结果(1)铸件尺寸检测：缸体铸件经三坐标和划线检查，铸件变形小、重要的机械加工位置满足±0.25mm精度要求(CT6级)，一般铸件尺寸精度可达到CT8级，基本符合铸件图要求；装机检测符合JL472Q、JL474Q汽油机技术标准；压铸缸体铸件变形小，加工余量满足机械加工尺寸要求。
(2)铸件解剖情况：铸件的内在质量主要是气孔问题。关键在于气孔的大小、多少和气孔存在的位置。根据铸件图剖视位置指定部位解剖抽检，缸体压铸件完全满足铸件图提出的相关要求，保证了重要的机械加工孔位无气孔存在。
(3)铸件外观表面质量及合格情况：铝合金液流动性的好，压铸件的表面光亮(粗糙度1.6)，不仅美观轮廓完整，而且说明压铸过程控制较好(压室压力、模具温、浇口截面积、合金温度)、铸件的凝固状态正常，质地均匀，强度高，合金凝固收缩无热裂现象，宏观检查质量满足铸件图提出的二类铸件要求。
(4)在生产的铸件中未发现热裂现象，产品脱模型良好。
到目前为止压铸生产线累计生产缸体铸件800件，合格率达90％左右。在生产的铸件中末发现热裂现象，产品脱模型良好。
2、通过机加工艺试验验证说明：GYL-1压铸铝合金材料的机加工艺性能良好。主要表现为：(1)轴承盖和缸体轴承座接触组成曲轴孔部分，为异型材料同时加工。缸体未发现变形。
(2)缸体进行泄漏试验，由于压铸铝合金组织致密，并且比较均匀，泄漏检查合格率高。
(3)缸体由于加工工序多，产品装夹定位、加工时未发现夹压变形的情况。
(4)试验件机加工后的表面平整光滑，表面粗糙度满足产品要求，特别是达到表面粗糙度Rz3.2(相当于Ra0.6)的要求，甚至有的达到Ra 0.32。
(5)试验件机加工达到产品的高精度要求，特别是形位精度要求，曲轴孔圆度达φ0.008甚至有的达到φ0.007。
(6)缸体的螺纹孔多，以前的材料在机加时，容易出现烂牙现象，造成半成品的报废，而该材料的缸体很少出现过烂牙现象，说明该材料的强韧性良好。
新材料在批量加工的生产过程中，机加的各项指标达到产品的高精度要求，甚至高出很多，这表明该材料切削性能好，尺寸稳定好，强韧性良好。
3.经500小时工作可靠性合架试验和.装车道路运行试验，新型合金缸体组装的发动机运转良好，缸体未发生烧蚀、变形和渗漏(油、水)现象，整机性能指标达到企业标准要求。该汽油机合格。
表明：新型合金气缸体工作热稳定性好，热变形量小；在水、油、蒸汽等浸蚀下有较好的抗腐蚀性；具有良好的抗疲劳性；500小时工作可靠性台架试验：GYL-1气缸体在组装于发动机过程中，各组合零件尺寸配合良好，经组装于JL472Q、JL474Q发动机试运转磨合检查，未发现质量问题，后历经500小时台架运转试验，气缸体工作状况正常，未发生渗漏(油、水)现象，发动机运转良好。台架试验完毕后检查，缸体表面状态完整良好。曲轴箱平面度，参加试验前后的检测结果均符合产品设计图纸要求，磨损量在规定范围内，表明新型合金气缸体热稳定性良好。另外台架试验完毕后检测曲轴箱缸孔直径、圆(柱)度检测，磨损量基本正常。这对气缸盖用材料的热工性能是严重的考验。
装车道路运行试验：GYL-1气缸体组装的发动机并装配于长安之星在海南试车场进行25000公里道路运行考核试验，在整个道路运行试验以及从重庆到海南往返途中，产品工作正常良好，从未发生渗漏现象，以及裂纹等情况，试验完成以后发动机拆卸检查，试验产品表面完整良好。气缸体在参加道路试验前后，有关缸孔直径、圆(柱)度等主要尺寸都由相关部门负责检测。检测结果表明：试验以后检测曲轴箱缸孔直径、圆(柱)度检测，磨损量基本正常。主要技术指标均在产品技术条件规定范围内。
由此可见，本发明的铝合金材料对其主要化学成分(Si、Cu、Mg)特别是Cu、Mg控制较好，其有害杂质元素控制较严格；得到合金抗拉强度σb≥300Mpa，有足够的强度和刚度；尺寸稳定性较好；较好的高温强度和耐热冲击性；工作热稳定性好，热变形量小；在水、油、蒸汽等浸蚀下有较好的抗腐蚀性；具有良好的抗疲劳性，能够满足微型汽车发动机缸体高压铸造工艺和机械加工工艺。同时合金的成本低。
本发明的铝合金材料的主要化学和百分含量为：Cu1.5-3.0％、Si10.0-12.0％、Ng0.15-0.35％；Al余量；杂质的含量为：Zn≤0.90％、Fe≤0.90、Mn≤0.40％、Ni≤0.40％、Sn≤0.10％、Pb≤0.10％。
上述材料中，化学成份Cu和Mg的含量选取比较独特，基于以下原因：Cu：当Cu固溶于Al基体中或以颗粒状化合物形式存在时，能显著提高铝合金的强度、硬度、高温力学性能即蠕变性能，但延伸率稍有降低；当Cu以网状化合物形式存在时，就会严重降低铝合金的延伸率、强度。
Cu的化学电位较Al高，易产生晶间腐蚀与应力腐蚀，含Cu铝合金的耐蚀性降低，尤其是Cu以化合物形式存在时，所以耐蚀性较高的铝合金往往限制Cu的含量。
另外，Al-Cu合金有较宽的凝固温度区间，Cu的加入强烈的降低铝合金的流动性能，增加铝合金的热裂倾向。
因此，Cu含量一般控制在2～4％。
镁Ng：作用的提高铝合金的加工性能。
Mg固溶于Al基体中，提高其硬度，切屑变短，不易粘刀，积屑瘤减小，加工表面质量提高，而且刀具的磨损降低。
Ng降低了合金的电极电位，提高铝合金的耐蚀性。
因此，Mg含量一般控制在0.2～0.4％。
其余杂质元素选取较为特别的有：铁(Fe)：它是铝硅合金中的主要杂质元素，它主要来自炉料、坩埚和熔炼工具。对压铸铝硅合金，允许Fe的含量稍高Fe在0.9以下，因含量过低会发生粘模现象，含有较高的Fe能使氧化膜失去连续性，可以改善粘模现象。另外为了消除Fe相的有害作用可以微量元素Mn、Ni、Be等使其以汉字状复杂化合物形式存在，消除了原有针状Fe相削弱基体的有害作用。改善其对力学性能、流动性、加工性的不利影响。Mn和Ni的含量在0.4％左右。
其它杂质元素Sn和Pd它们能形成低熔点共晶，对热处理极为不利，极微量的Sn也能使热处理后的延伸率显著降低，因此必须限制Sn、Pb的含量在0.10％以下。
以下是将本发明的铝合金材料(牌号GYL-1)与日本生产的同类材料(ADC12)对比：化学成份对比表
力学性能对比表
可见，该压铸铝合金GYL-1的化学成分较优，力学性能抗拉强度和延伸率都高于ADC12。
以下是对本材料所做的试验和检测情况：1、通过缸体压铸工艺试验生产实践表明：GYL-1压铸铝合金材料的综合铸造工艺性能良好。具体检测结果(1)铸件尺寸检测：缸体铸件经三坐标和划线检查，铸件变形小、重要的机械加工位置满足±0.25mm精度要求(CT6级)，一般铸件尺寸精度可达到CT8级，基本符合铸件图要求；装机检测符合JL472Q、JL474Q汽油机技术标准；压铸缸体铸件变形小，加工余量满足机械加工尺寸要求。
(2)铸件解剖情况：铸件的内在质量主要是气孔问题。关键在于气孔的大小、多少和气孔存在的位置。根据铸件图剖视位置指定部位解剖抽检，缸体压铸件完全满足铸件图提出的相关要求，保证了重要的机械加工孔位无气孔存在。
(3)铸件外观表面质量及合格情况：铝合金液流动性的好，压铸件的表面光亮(粗糙度1.6)，不仅美观轮廓完整，而且说明压铸过程控制较好(压室压力、模具温、浇口截面积、合金温度)、铸件的凝固状态正常，质地均匀，强度高，合金凝固收缩无热裂现象，宏观检查质量满足铸件图提出的二类铸件要求。
(4)在生产的铸件中未发现热裂现象，产品脱模型良好。
到目前为止压铸生产线累计生产缸体铸件800件，合格率达90％左右。在生产的铸件中末发现热裂现象，产品脱模型良好。
2、通过机加工艺试验验证说明：GYL-1压铸铝合金材料的机加工艺性能良好。主要表现为：(1)轴承盖和缸体轴承座接触组成曲轴孔部分，为异型材料同时加工。缸体未发现变形。
(2)缸体进行泄漏试验，由于压铸铝合金组织致密，并且比较均匀，泄漏检查合格率高。
(3)缸体由于加工工序多，产品装夹定位、加工时未发现夹压变形的情况。
(4)试验件机加工后的表面平整光滑，表面粗糙度满足产品要求，特别是达到表面粗糙度Rz3.2(相当于Ra0.6)的要求，甚至有的达到Ra 0.32。
(5)试验件机加工达到产品的高精度要求，特别是形位精度要求，曲轴孔圆度达φ0.008甚至有的达到φ0.007。
(6)缸体的螺纹孔多，以前的材料在机加时，容易出现烂牙现象，造成半成品的报废，而该材料的缸体很少出现过烂牙现象，说明该材料的强韧性良好。
新材料在批量加工的生产过程中，机加的各项指标达到产品的高精度要求，甚至高出很多，这表明该材料切削性能好，尺寸稳定好，强韧性良好。
3.经500小时工作可靠性合架试验和.装车道路运行试验，新型合金缸体组装的发动机运转良好，缸体未发生烧蚀、变形和渗漏(油、水)现象，整机性能指标达到企业标准要求。该汽油机合格。
表明：新型合金气缸体工作热稳定性好，热变形量小；在水、油、蒸汽等浸蚀下有较好的抗腐蚀性；具有良好的抗疲劳性；500小时工作可靠性台架试验：GYL-1气缸体在组装于发动机过程中，各组合零件尺寸配合良好，经组装于JL472Q、JL474Q发动机试运转磨合检查，未发现质量问题，后历经500小时台架运转试验，气缸体工作状况正常，未发生渗漏(油、水)现象，发动机运转良好。台架试验完毕后检查，缸体表面状态完整良好。曲轴箱平面度，参加试验前后的检测结果均符合产品设计图纸要求，磨损量在规定范围内，表明新型合金气缸体热稳定性良好。另外台架试验完毕后检测曲轴箱缸孔直径、圆(柱)度检测，磨损量基本正常。这对气缸盖用材料的热工性能是严重的考验。
装车道路运行试验：GYL-1气缸体组装的发动机并装配于长安之星在海南试车场进行25000公里道路运行考核试验，在整个道路运行试验以及从重庆到海南往返途中，产品工作正常良好，从未发生渗漏现象，以及裂纹等情况，试验完成以后发动机拆卸检查，试验产品表面完整良好。气缸体在参加道路试验前后，有关缸孔直径、圆(柱)度等主要尺寸都由相关部门负责检测。检测结果表明：试验以后检测曲轴箱缸孔直径、圆(柱)度检测，磨损量基本正常。主要技术指标均在产品技术条件规定范围内。
由此可见，本发明的铝合金材料对其主要化学成分(Si、Cu、Mg)特别是Cu、Mg控制较好，其有害杂质元素控制较严格；得到合金抗拉强度σb≥300Mpa，有足够的强度和刚度；尺寸稳定性较好；较好的高温强度和耐热冲击性；工作热稳定性好，热变形量小；在水、油、蒸汽等浸蚀下有较好的抗腐蚀性；具有良好的抗疲劳性，能够满足微型汽车发动机缸体高压铸造工艺和机械加工工艺。同时合金的成本低。
具体实施方式
实施例1：一、配料成份配料按如下公式：Wi＝Ai/(1-Ei％)Wt计算，式中：Ai合金中各元素的含量Xi(％wt)；Ei熔炼时各元素的烧损率，如表所示；Wt 所熔炼合金的总重量；Wi一次熔炼总重中各元素的重量；元素烧损率按下表：元素 铝 硅 镁 铜 钛Ei(％〕3 1 15 5 15二、选用下列原辅材料：(假如制备100公斤合金)铝锭：工业高纯铝87公斤；硅：1#结晶硅11公斤；
中间合金：Al-50％Cu5公斤；金属纯镁锭0.4公斤；精炼剂1公斤及扒渣剂0.5公斤等。
三、熔炼工艺第一步：采用20～30％滑石粉+5％水玻璃+适量水和成涂料；第二步：所有熔炼工具均于250℃左右刷上涂料并烘干，以防熔炼过程中增铁；第三步：将坩埚预热到暗红色，然后把经预热后的铝锭取2/3(58公斤)放入坩埚中熔化；第四步：当铝锭熔化成浆糊状时，把经预热的结晶硅9公斤压入铝液中，并将余下的1/3(29公斤)铝锭加入到坩埚中，抑制硅的上浮；第五步：待加入料全部熔化后，再加入Al-Cu5公斤中间合金，熔清后进行搅拌；第六步：于730℃分两次进行精炼、扒渣后，迅速将镁块0.3公斤压入铝液中，熔清后扒渣静置5～10min即可浇注成锭。
按上述工艺得到的合金材料的化学成份(质量百分比)为：Cu 2.30、Si 10.90、Mg0.28、Zn 0.80、Fe 0.5、Mn0.17、Al 85.77、Ni0.06、Sb0.02。
中间合金：Al-50％Cu5公斤；金属纯镁锭0.4公斤；精炼剂1公斤及扒渣剂0.5公斤等。
三、熔炼工艺第一步：采用20～30％滑石粉+5％水玻璃+适量水和成涂料；第二步：所有熔炼工具均于250℃左右刷上涂料并烘干，以防熔炼过程中增铁；第三步：将坩埚预热到暗红色，然后把经预热后的铝锭取2/3(58公斤)放入坩埚中熔化；第四步：当铝锭熔化成浆糊状时，把经预热的结晶硅9公斤压入铝液中，并将余下的1/3(29公斤)铝锭加入到坩埚中，抑制硅的上浮；第五步：待加入料全部熔化后，再加入Al-Cu5公斤中间合金，熔清后进行搅拌；第六步：于730℃分两次进行精炼、扒渣后，迅速将镁块0.3公斤压入铝液中，熔清后扒渣静置5～10min即可浇注成锭。
按上述工艺得到的合金材料的化学成份(质量百分比)为：Cu 2.30、Si 10.90、Mg0.28、Zn 0.80、Fe 0.5、Mn0.17、Al 85.77、Ni0.06、Sb0.02。
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