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1、铝合金缸体压力铸造的现状及研究进展*（材料科学与工程学院，合肥,230009）摘要：总结了长期使用的和最新的铸造铝合金成分，分析了合金元素的作用及 其含量，并指出了合金优化的发展方向。铝硅合金一般不是高强韧铝合金，为满 足发动机缸盖的使用耍求，需另加入一些合金强化元素来提高铝硅合金的力学性 能，如Mg、Cu等。从合金优化提高性能方面论述出前发动机缸盖铸造铝合金的研 究现状，分析合金元索的作用及含量。关键词:铸造铝合金、发动机、床力铸造、合金元素随着汽车工业的发展和发动机技术的进步，发动机正向高功率 密度、轻量化方向发展。发动机功率密度由目前的45 50 kW/ L升 至6075 kW/ L,发
2、动机缸盖、箱体逐渐釆用铝合金、镁合金,缸盖则 主要采用铝合金铸造。压铸是压力铸造的简称。它是将液态或半液态 金属，在高压作用下，以比较高的速度填充入具有较高尺寸精度和一 定表面粗糙度的压铸型腔，在压力下快速凝I古I成形获得铸件的i种铸 造方法。高压、高速是压铸与其他铸造方法的主耍区别。1铸造铝合金的熔炼，浇注温度较低，熔化温度潜热大，流动性好, 特别适用于压力铸造，获得尺寸精度高、表而光洁、内在质量好的薄 壁、复杂的铸件。2铝的比重比铸铁耍轻，满足强度要求的前提下, 铝缸体要轻许多。铝合金通过强化合金元素，其强度大大提高，由于 质轻、散热性好等特性，完全满足了发动机活塞、气缸体、气缸盖在 恶劣
3、环境下工作的要求因此，扩大铝合金应用可以明显地减轻汽车 自重，这是汽车行业激烈竞争所迫切需要的措施。本文从合金优化提 高性能方面论述当前发动机缸盖铸造铝合金的研究现状，分析合金元 素的作用及含量，并对发动机缸盖铸造铝合金成分优化进行展望。1合金成分目前，国内外发动机缸盖主要釆用铝硅合金。铝硅合金具有优良 的铸造性能，如收缩率小、流动性好、气密性好和热裂倾向小等，经 过变质和热处理之后，还具有良好的力学性能、物理性能和切削加工 性能。但铝硅合金一般不是高强韧铝合金，为满足发动机缸盖的使用 耍求,需另加入一些合金强化元素来提高铝硅合金的力学性能，如Mg、 Cu等。3在合金优化方面主要通过4种途径改
4、善合金性能，通过调整 主加元素含量(Si、Cu、Mg)提高合金性能，主要通过增加Cu的含量； 添加多种微量元素改善合金的高温性能，如Zr、V、Ni等;通过添加细 晶元素，降低合金晶粒尺寸提高性能，主要通过加入T i、B细化剂；(通 过添加变质元素，改变共晶硅的形态，降低对基体的削弱作用，如Sr、 RE 等。42力学性能基于发动机缸盖的服役状况，室温性能、高温性能、高温抗蠕变 性能(250, 300)和疲劳性能均是比较重要的性能指标。通常采用室温 性能、高温(250)性能和疲劳性能来评价合金性能德国MTU公司将特殊 的合金强化技术用于发动机缸盖铝合金，使其抗拉强度达到400MPa, 伸长率达到5
5、%,代表了目前发动机铸造铝合金的最高水平。英国在缸 盖铸件凝固过程中施加高压实现致密化,材料的疲劳性能显著提高， 达到70MPa以上奥地利AVL公司将HIP技术用于AIS i 7CuMg合金,使其抗 拉强度达到300 MPa,仲长率达到5%,疲劳强度达到70 MPa。俄罗斯采 用的缸盖材料具有很高的高温性能,300时瞬时抗拉强度(Rm)达到 230MPa以上,350瞬时抗拉强度(Rm)达到190MPa以上。5国内中北 大学初步对铸造铝合金ZL702A进行合金强化研究,提高了ZL702A合金 的强韧性，实验室条件下砂型试棒热处理后Rm) 340 MPa,仲长率)5%。 哈尔滨工业大学贾均等通过调
6、整Si、Cu、Mg的含量和采用稀土元素 La和过渡元索Cd优化铸造铝硅合金,砂型单铸试样的常温强度为 300330 MPa伸长率3%4%, 250瞬时高温强度为200230 MPa, 300瞬 吋高温性能为150170 MPa。3合金元素的作用3.1 Si的作用Si主要是为了保证合金较佳的铸造性能，如流动性、抗热裂性能 等。当Si含量接近共品点成分,Cu含量处于一个较低的水平时，铝合金 具有较佳的铸造性能。从当前国内外采用的铸造铝合金来看，Si的 含量大多在6%8%之间。3. 2 Cu的作用铜在合金凝固过程中形成粗大的A12 Cu相，在固溶处理过程中完全 或部分溶入合金基体中，在人工时效的过程
7、中弥散析出Al2Cu亚稳相 或AI2Cu相。这些弥散相能阻碍位错的运动，从而提高合金的强度。 从强化相的形成过程来看，热处理时溶入合金基体中的铜越多，越 有利于合金的强化。但溶入合金基体中铜的含量除受热处理工艺影响 夕卜，还与铸态下AI2Cu相的分布有关。6而铸态下AI2Cu相的分布 与合金的凝固速度、铜含量有关。在合金凝固速度一定的条件下，为 了获得一个最佳的综合性能，铜含量存在一个最佳值。通过分析在金 属型铸造(DAS, 23 m)的条件下合金AISi7CuMnVZrTi的力学性能随铜 含量变化的规律，发现铜含量约为3. 5%时具有最佳的综合性能，抗拉 强度约为350 MPa,仲长率约为7
8、%评定合金的综合性能，通常采用公 式:Q. I二UT S+150lgE式中Q. I 表示综合性能或质量系数(MPa), UTS 表示抗拉强度(MPa), E表示伸长率( ) o Cu的加入量一般为1%5% 3. 3 Mg的作用镁在合金凝固过程中形成粗大Mg2 Si相,在固溶处理过程中完 全或部分溶入基体中，在人工时效的过程中弥散析出(Mg2Si)亚温 相或Mg2Si相。7, 8如果合金含有Cu,还会形成AI CuMgS i相及其亚 稳相。合金中通常还含有Fe, Mg含量较低时会形成针状的相 (A19S i 2Fe2或AI5SiFe),Mg含量较高时形成骨骼状的相 (AI8Si6Mg3Fe)o这
9、些相很脆，不易重溶，降低了合金的韧性。随着Mg 含量的增加，相、Mg 2Si相增多，虽然合金强度提高，但合金塑性降 低。为了获得一个较好的综合性能，Mg含量存在一个最佳值。4结语(1)合金成分上应主耍通过调整主加元素、添加微量元素、添加 晶粒细化剂和共晶硅变质剂来提高合金的常温及高温性能。主加元素 的调整主要通过增加Cu含量;微量元素优选一些能形成高温稳定相的 过渡族元素，如ZrV、Ni等；晶粒细化剂优选Ti、B等;共晶硅变质剂优 选Sr、La. Ce等.(2)合金元素作用及含量分别为,Si主要为了改善铸 造性能，一般为6%8%;Cu有利于提高室温及高温强度，一般为1%5%Mg 主要为了提高室
10、温强度,一般为0. 25%： 50%;过渡族元素如ZrV等能形 成高温稳定相，可以改善高温性能，一般ZrO. 2%0. 20%, V为0. 04%0. 30%;Cd能改善含Cu相的分布,提高含Cu相的时效强化能力， 一般为0. 15%0. 25%;Mn能改变含Fe相的形态，降低对合金性能的不利 影响，一般为0. 1%05%;TiB主要用于细化合金晶粒，一般Ti为 0.01%0. 20%B为 10-4%2010-4%;Sr、La、Ce能改变共晶硅的形态，降 低对基体的削弱作用，一般为0. 01%0. 10%Sr, 0. 05%0. 20%La, 0. 03%0. 5%Ce.参考文献1黄乃瑜等中国
11、模具设计大典(第五卷)M.江西科学技术出版 社,2003.L2J彭建生等铸造模具设计与加工速查手册M.机械工业出版社，2005.3 李建军等铸造合金及其熔炼 CAD机械工业出版社,2006.4 汪之清特种铸造及有色合金J.充氧压铸.1996； (3)： 40-415 夏巨谟等.材料成型工艺M.机械工业出版社,2005.6J Feicus FJ. Opt imi zat ion of A丨 Si cast a I Ioys for cyI i nder head appIicationsJ. AFS Transactions, 1998, 106:225231.7| Garat M, Las I az G. Improved Aluminium a I Ioys for common rail diese Icy I i nder heads J. AFS Transact ions, 2007, 115: 24.8 LasLaz G, Gar at M . Part cast from a Ium i n i um allo y w ith h i gh hot strength P . France,200301916, 2003.09.08.
