本公開涉及用于機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的鋁合金及其生產(chǎn)方法，并且更具體地涉及通過最大化作為增強(qiáng)相(reinforcing phase)的TiB2相的生成能夠使彈性、熱性能和成形性優(yōu)異的用于機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的鋁合金及其生產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
通常，機(jī)動(dòng)車的發(fā)動(dòng)機(jī)是典型的內(nèi)燃機(jī)，內(nèi)燃機(jī)通過將空氣和燃料引入燃燒室并且燃燒空氣和燃料而獲得動(dòng)力。
高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞安裝在機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸中?；钊┞队趶娜紵疑傻母邷馗邏喝紵龤怏w并且由其驅(qū)動(dòng)，從而通過連接桿旋轉(zhuǎn)曲柄軸。
因此，當(dāng)活塞頭部暴露于高溫(2000℃以上)燃燒氣體時(shí)，在惡劣條件下驅(qū)動(dòng)活塞，活塞因高壓(30kg/cm2至40kg/cm2)震動(dòng)并且由于在氣缸內(nèi)的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)(10m/s至20m/s)引起相當(dāng)大的摩擦等。
因此，活塞需要被制造成甚至在極為惡劣的條件下發(fā)揮其功能并且由輕和固體的并且具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性和耐熱性的材料制成。
最近，在材料工業(yè)、汽車工業(yè)等中，需要實(shí)施生產(chǎn)具有環(huán)保、合理成本和有效節(jié)省能量的結(jié)構(gòu)材料，并且因此需要各種改進(jìn)的質(zhì)量。為了該目的，已經(jīng)研究用于輕質(zhì)材料的開發(fā)、轉(zhuǎn)換等的改進(jìn)。
因此，主要通過鍛造鋁合金坯制造機(jī)動(dòng)車的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞，鋁合金坯通過持續(xù)地鑄造輕且相對(duì)容易鑄造的鋁基合金來生產(chǎn)。
然而，常規(guī)鋁合金由于彈性限制很少被應(yīng)用并且具有難以鍛造的成形性。因此，同時(shí)需要用于改善材料的彈性和成形性的技術(shù)。
相關(guān)技術(shù)以粉末形式形成增強(qiáng)相，諸如基于金屬的化合物或碳納米管(CNT)以改善鋁合金的彈性，但是在價(jià)格競爭方面具有局限性。
此外，在鑄造工藝中以粉末形式注入增強(qiáng)相時(shí)會(huì)存在Al熔融金屬中損失、潤濕性和分散的問題。在僅加入增強(qiáng)相而不改善基體合金的情況下，由于增加了加入增強(qiáng)相以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)彈性而出現(xiàn)成本增大、工藝控制困難問題等。
因此，存在對(duì)于最大化改善彈性中起最重要的作用的硼化物生成以及在鋁熔融金屬中均勻分散通過自發(fā)反應(yīng)生成的硼化物的技術(shù)的需要。
在題為“Aluminum Casting Material Comprising Titanium Boride And Manufacturing Method Of The Same”的韓國傳統(tǒng)技術(shù)和作為相關(guān)技術(shù)的類似領(lǐng)域中具體已知具有比常規(guī)鋁合金更優(yōu)異的彈性而不使用諸如碳納米管(CNT)的昂貴材料并且可以在包括高壓鑄造的所有通用鑄造工藝中應(yīng)用的鋁合金。
然而，相關(guān)技術(shù)未解決以粉末形式注入增強(qiáng)相時(shí)在Al熔融金屬中的損失、潤濕性和分散問題，以及由于增加了加入增強(qiáng)相而制造成本增大和在工藝控制困難問題。
提供相關(guān)技術(shù)的上述描述僅用于幫助理解本發(fā)明的背景，而不應(yīng)該被認(rèn)為是對(duì)應(yīng)于本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的相關(guān)技術(shù)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的實(shí)施方式涉及用于機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的鋁合金以及用于通過優(yōu)化組成比以控制AlB2相生成同時(shí)最大化作為增強(qiáng)相的TiB2相生成從而生產(chǎn)具有優(yōu)異熱性能(諸如導(dǎo)熱性和熱膨脹性)、成形性和彈性的用于機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的鋁合金的方法。
本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點(diǎn)可通過以下描述來理解，并且參考本發(fā)明的實(shí)施方式將變得顯而易見。而且，對(duì)于本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的技術(shù)人員而言顯而易見的是，本發(fā)明涵蓋本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)可以通過要求保護(hù)的方式以及其組合實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，提供了一種用于機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的鋁合金。鋁合金可以由Ti、B、Cu和余量的Al組成，并且可以包括作為增強(qiáng)相的TiB2相。Ti:B:Cu的組成重量比是0.5至2.5:1:1至1.3。
鋁合金可以由Si:11wt％至14wt％、Ti:低于2.5wt％(不包括0)、B:低于1.5wt％(不包括0)、Cu:0.5wt％至1.5wt％以及余量:Al組成。Ti:B:Cu的組成重量比可以設(shè)置為滿足0.5至2.5:1:1至1.3。
鋁合金可以由Mn:1wt％至1.5wt％、Ti:低于2.5wt％(不包括0)、B:低于1.5wt％(不包括0)、Cu:0.5wt％至1.5wt％以及余量:Al組成。Ti:B:Cu的組成重量比可以設(shè)置為滿足0.5至2.5:1:1至1.3。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式，用于生產(chǎn)鋁合金的方法可以包括以下步驟：將Al-Ti中間合金(master alloy)、Al-B中間合金或含75wt％Al的Al鹽化合物進(jìn)料至容納在熔煉爐中的Al熔融金屬中，其中，Ti:低于2.5wt％(不包括0)、B:低于1.5wt％(不包括0)、Cu:0.5wt％至1.5wt％，并且Ti:B:Cu的組成重量比被設(shè)置為滿足0.5至2.5:1:1至1.3；以及使用攪拌器攪拌熔融金屬從而通過自發(fā)反應(yīng)生成并且分散作為增強(qiáng)相的TiB2相。
攪拌器的長度可以設(shè)置為熔煉爐直徑的0.4倍以上。在攪拌步驟中，可以500rpm以上的速度攪拌熔融金屬。
Al-Ti中間合金可以由Ti:5wt％至20wt％和余量:Al組成。Al-B中間合金可以由B:3wt％至10wt％和余量:Al組成。
附圖說明
圖1示出了針對(duì)每種增強(qiáng)相的特性和取決于特性的彈性貢獻(xiàn)。
具體實(shí)施方式
在下文中，將參考附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的示例性實(shí)施方式。然而，本發(fā)明不限于這些示例性實(shí)施方式。例如，參考數(shù)字將用于描述基本上相同的部件。在此規(guī)則下，可以提供描述的同時(shí)引用其他附圖中示出的內(nèi)容，并且可以省略對(duì)本領(lǐng)域中的技術(shù)人員所熟知的內(nèi)容或重復(fù)的內(nèi)容。
本發(fā)明的示例性實(shí)施方式涉及用于機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的鋁合金及其生產(chǎn)方法，并且可以通過優(yōu)化Ti、B和Cu的組成比以優(yōu)化AlB2相的生成并且抑制Al3Ti的生成同時(shí)最大化作為增強(qiáng)相的TiB2相生成從而獲得具有優(yōu)異熱性能(諸如材料的導(dǎo)熱性和熱膨脹性、成形性和彈性)的用于機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的鋁合金。
圖1是示出了每種增強(qiáng)相的特性和使用嘎吶灰(Digimat)程序獲得的取決于特性的彈性貢獻(xiàn)的圖表。
如圖1所示，通過簡單地增強(qiáng)相本身的彈性以及通過增強(qiáng)相的形狀和密度的復(fù)合作用等確定彈性貢獻(xiàn)，并且因此雖然增強(qiáng)相本身的彈性大，但是可以理解，彈性增加率會(huì)根據(jù)諸如密度的特性改變。
同時(shí)，本發(fā)明的示例性實(shí)施方式涉及用于機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的鋁合金。本文中，為了改善硬度和噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度(noise,vibration and harshness)(NVH)特性，彈性和成形性需要是優(yōu)異的。
此外，在諸如高溫和高壓的惡劣條件下使用的部件(諸如活塞)的情況下，需要考慮導(dǎo)熱性和熱膨脹性。
因此，在根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的用于機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的鋁合金中，鋁合金的形狀相對(duì)接近球形，并且因此，具有高彈性增加率和優(yōu)異導(dǎo)熱性和熱膨脹性的TiB2相可以用作增強(qiáng)相。
同時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的用于機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的鋁合金形成為具有包含Ti、B和Cu的組合物，其中，Ti:B:Cu的組成比可以設(shè)置為滿足重量比0.5至2.5:1:1至1.3。
原因是，當(dāng)將Ti和B加入鋁時(shí)，具有對(duì)彈性最高貢獻(xiàn)的TiB2相和Al3Ti相可以被形成為增強(qiáng)相；并且當(dāng)Ti:B:Cu的組成比被設(shè)置為滿足0.5至2.5:1:1至1.3時(shí)，可以通過最大化TiB2相的生成同時(shí)抑制Al3Ti相生成從而使熱性能諸如導(dǎo)熱性、彈性和成形性優(yōu)異。
根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的用于機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的鋁合金可以由Si:11wt％至14wt％、Ti:低于2.5wt％(不包括0)、B:低于1.5wt％(不包括0)、Cu:0.5wt％至1.5wt％以及余量:Al組成，其中，Ti:B:Cu的組成比可以設(shè)置為滿足0.5至2.5:1:1至1.3。
因此，Al-Si基鋁合金可以具有與包含11wt％至14wt％Si的商業(yè)4000系列鋁合金類似的熱性能(諸如導(dǎo)熱性)和熱膨脹系數(shù)，但是比商業(yè)4000系列鋁合金具有改善的彈性和成形性。
此外，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施方式的用于機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的鋁合金可以由Mn:1wt％至1.5wt％、Ti:低于2.5wt％(不包括0)、B: 低于1.5wt％(不包括0)、Cu:0.5wt％至1.5wt％以及余量:Al組成，其中，Ti:B:Cu的組成重量比可以設(shè)置為滿足0.5至2.5:1:1至1.3。
因此，Al-Si基鋁合金可以具有與包含1wt％至1.5wt％Mn的商業(yè)3000系列鋁合金類似的熱性能(諸如導(dǎo)熱性)和熱膨脹系數(shù)，但是比商業(yè)3000系列鋁合金具有改善的彈性和成形性。
即，本發(fā)明的示例性實(shí)施方式基于用于制造在惡劣條件下使用的部件諸如機(jī)動(dòng)車的現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)活塞和冷卻管的商業(yè)3000系列鋁合金和商業(yè)4000系列鋁合金的組成組分，但是Ti:B:Cu的組成重量比設(shè)置為滿足0.5至2.5:1:1至1.3以最大化作為增強(qiáng)相的TiB2相的生成，從而改善了成形性和彈性同時(shí)防止熱性能降低。
在這種情況下，Ti的含量可以限定為低于2.5wt％(不包括0)。
原因是，當(dāng)Ti的含量等于或大于2.5wt％時(shí)，由于TiB2相和Al3Ti相的過度生成會(huì)降低材料的成形性，Al3Ti相是具有差的成形性和抗沖擊性的增強(qiáng)相。
同時(shí)，B的含量可以限定為低于1.5wt％(不包括0)。
原因是，當(dāng)B的含量等于或大于1.5wt％時(shí)，由于AlB2相的過度生成會(huì)降低材料的熱性能，AlB2相是具有良好的彈性和成形性但具有差的熱性能(諸如導(dǎo)熱性)的增強(qiáng)相。
此外，Cu的含量可以限定為0.5wt％至1.5wt％。原因是，當(dāng)Cu的含量等于或低于0.5wt％時(shí)，彈性降低；并且當(dāng)Cu的含量等于或高于1.5wt％時(shí)，熱穩(wěn)定性提高；但是作為增強(qiáng)相的Al7Cu4Ni相等于或高于1wt％會(huì)降低導(dǎo)熱性，并且因此可以增加導(dǎo)熱損失。
實(shí)施例
[表1]
[表2]
表1示出了取決于Ti:B:Cu的組成比的增強(qiáng)相分?jǐn)?shù)，并且表2示出了在取決于Ti:B(Cu：1.3wt％，初始冷卻速度20℃/s)的組成比的物理性能方面的變化。
如表1所示，當(dāng)Cu的含量等于或高于1.5wt％時(shí)，熱穩(wěn)定性稍微提高，但是當(dāng)以1wt％以上生成不利地影響導(dǎo)熱性的Al7Cu4Ni相時(shí)，導(dǎo)熱性(300℃)降低，并且因此導(dǎo)熱損失增加，不適宜作為在高溫條件下使用的機(jī)動(dòng)車活塞部件等的材料。
因此，Cu的含量可以限定為低于1.5wt％。
同時(shí)，表2示出了在取決于Ti和B的組成比的物理性能變化，其在Cu的含量被固定為1.3wt％的狀態(tài)下影響彈性和成形性。由表2可以看出，當(dāng)Ti的含量等于或高于2.5wt％時(shí)，生成作為增強(qiáng)相的TiB2相和Al3Ti相，并且因此彈性增加但是導(dǎo)熱性降低。當(dāng)Ti的含量等于至低于0.5wt％時(shí)，作為具有優(yōu)異彈性、成形性和熱性能的增強(qiáng)相的TiB2相的生成量降低，并且因此成形性和熱性能降低。
因此，Ti的含量可以限定為0.5wt％至2.5wt％。
此外，可以理解的是，當(dāng)B的含量等于或大于1.5wt％時(shí)，可以理解的是，由于作為增強(qiáng)相的TiB2相和AlB2相的過度生成，彈性增加但熱性能(諸如導(dǎo)熱性)降低。
另一方面，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，可以理解的是，當(dāng)Ti:B:Cu的組成比被設(shè)置為滿足0.5至2.5:1:1至1.3時(shí)，Ti低于2.5wt％(不包括0)，B低于1.5wt％(不包括0)，并且Cu是0.5wt％至1.5wt％，最大化TiB2相的生成以抑制具有差的成形性和抗沖擊性的Al3Ti相的生成，從而改善彈性和成形性兩者同時(shí)防止材料熱性能降低。
[表3]
表3示出了根據(jù)相關(guān)技術(shù)主要用作機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的材料的商業(yè)4000系列鋁合金(4032)的特性(諸如彈性和成形性)與根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的用于機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的鋁合金比較。
可以從表3看出，通過將Ti、B和Cu的含量加入商業(yè)4000系列鋁合金的現(xiàn)有組成組分中同時(shí)控制Ti、B和Cu含量，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的用于機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的鋁合金呈現(xiàn)出與商業(yè)4000系列鋁合金相當(dāng)?shù)膶?dǎo)熱性和熱膨脹系數(shù)的熱性能，但是與商業(yè)4000系列鋁合金相比， 具有提高約7％的彈性并且具有稍微降低的顯示成形性的枝晶臂間距(DAS)值而改善了成形性。
因此，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的用于機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的鋁合金比現(xiàn)有商業(yè)4000系列鋁合金具有提高的彈性和高溫尺寸穩(wěn)定性，從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)活塞部件的硬度和NVH特性，并且同樣適用于惡劣條件。
一種用于生產(chǎn)根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的用于機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的鋁合金的方法包括給在容納熔煉爐中的Al熔融金屬中進(jìn)料Al-Ti中間合金、Al-B中間合金或含75wt％Al的Al鹽化合物，以及攪拌熔融金屬從而生成并且分散作為增強(qiáng)相的TiB2相。
在進(jìn)料步驟，可以進(jìn)料Al-Ti中間合金、Al-B中間合金和含75wt％Al的Al鹽化合物中的至少一種，使得在熔融金屬中Ti:B組成比被設(shè)置為滿足2.5至5.5:1。
在這種情況下，Ti可以低于2.5wt％(不包括0)，并且B的含量可以低于1.5wt％(不包括0)。原因如以上描述。
此外，進(jìn)料至熔融金屬中的Al-Ti中間合金可以由Ti:5wt％至20wt％和余量:Al組成，Al-B中間合金可以由B:3wt％至10wt％和余量:Al組成。
通過保持以上比例，可以最大化具有優(yōu)異熱性能、彈性和成形性的TiB2相生成的同時(shí)，最小化具有差的成形性和熱性能的增強(qiáng)相生成。
在攪拌步驟，優(yōu)選的是，通過使用熔煉爐的直徑0.4倍以上長度的攪拌器以500rpm或更高速度攪拌熔融金屬，使得能夠生成并且分散作為增強(qiáng)相的TiB2相。
攪拌器的長度和攪拌速度影響增強(qiáng)相的反應(yīng)速度和分散度。因此，攪拌器的長度需要設(shè)置為熔煉爐的40％以上。當(dāng)攪拌速度低于500rpm時(shí)， 生成具有差成形性和抗沖擊性能的Al3Ti相并且TiB2相的生成量不足，并且因此，成形性和抗沖擊性能降低。
此外，所生成的增強(qiáng)相未被均勻分散，因此會(huì)發(fā)生取決于熔融金屬部分的物理性能偏差。
用于生產(chǎn)根據(jù)相關(guān)技術(shù)的用于機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的鋁合金的方法主要以粉末形式注入碳納米管或增強(qiáng)顆粒以提高彈性但引起在熔融金屬中的損失、潤濕性、分散等問題并且引起成本增加，然而，本發(fā)明可以通過控制組成比最大化TiB2相的生成并且將TiB2相均勻分散在熔融金屬中同時(shí)抑制具有差成形性和抗沖擊性的增強(qiáng)相(諸如Al3Ti相)的生成，從而使熱性能優(yōu)異并且改善諸如彈性、成形性等的特性。
根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，可以通過優(yōu)化Ti、B和Cu的組成比以抑制Al3Ti相和AlB2相的生成同時(shí)最大化作為增強(qiáng)相的TiB2相生成，從而使材料的熱性能諸如導(dǎo)熱性和熱膨脹性、成形性和彈性優(yōu)異。
此外，可以通過在最佳的條件下攪拌通過在熔化鋁金屬內(nèi)的自發(fā)反應(yīng)生成的TiB2相和AlB2相而均勻分散作為增強(qiáng)相的硼化物(boride compound)。
盡管出于說明性目的描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，然而，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到在不背離所附權(quán)利要求中公開的本發(fā)明的范圍和精神的前提下可以進(jìn)行各種改變、添加以及替換。因此，這樣的改變、添加以及替換也應(yīng)當(dāng)理解為在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。