本發(fā)明涉及汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種鋁合金氣缸蓋。
背景技術(shù)：
缸蓋在內(nèi)燃機(jī)屬于配氣機(jī)構(gòu)，主要是用來封閉汽缸上部，構(gòu)成燃燒室。并做為凸輪軸和搖臂軸還有進(jìn)排氣管的支撐。主要是把空氣吸到汽缸內(nèi)部，火花塞把可燃混合氣體點(diǎn)燃,帶動(dòng)活塞做功，廢氣從排氣管排出。
隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，家用轎車迅速普及，其節(jié)油性能日益受到了人們的重視。通過使用輕質(zhì)材料和合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低整車質(zhì)量，能夠有效降低油耗，汽車整車質(zhì)量降低1％，可以節(jié)油0.6％～1.0％，運(yùn)動(dòng)部件輕量化節(jié)油效果更為明顯。發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的核心部件，其質(zhì)量約占整車質(zhì)量的20％～30％，而缸體缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、質(zhì)量最大的鑄件，約占發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的25％～35％。因此缸體缸蓋的輕量化，對發(fā)動(dòng)機(jī)及整車質(zhì)量的降低和節(jié)油降耗都有著重要意義。
鋁合金作為新型輕質(zhì)材料，應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋后，不僅能使質(zhì)量減輕，還能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的導(dǎo)熱性能，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性能。但發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋中集油道、水道、氣道于一身，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，且運(yùn)行中要承受高溫、高壓的作用，工作條件惡劣。這要求缸蓋材料具有很高的室溫性能與高溫性能。
燃?xì)庠谌紵覂?nèi)爆燃時(shí)，室內(nèi)氣體溫度瞬間高達(dá)1100℃以上，這種高溫循環(huán)熱沖擊反復(fù)作用于燃燒室內(nèi)壁。而在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的壓力峰值高達(dá)7MPa，這個(gè)壓力直接作用于氣缸蓋的燃燒室部位。因此，氣缸蓋在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中的特點(diǎn)是：處于高溫狀態(tài)下工作，承受較大的熱沖擊作用和產(chǎn)生應(yīng)力集中。
如何調(diào)整優(yōu)化缸蓋的化學(xué)成分，進(jìn)而改善其室溫與高溫性能，對發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的生產(chǎn)有積極的意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提出一種鋁合金氣缸蓋，能夠耐高溫，承受更大的沖擊力。
為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
一種鋁合金氣缸蓋，其上部設(shè)置有凸輪軸或雙凸輪軸，下部與氣缸體、活塞組成燃燒室；前端設(shè)置有時(shí)規(guī)齒輪及其殼，后端設(shè)置水泵；一端設(shè)置有進(jìn)氣道，另一端設(shè)置有排氣道，罝于凸輪軸室的油道通過缸蓋與缸體相連；水道環(huán)繞著進(jìn)氣道、排氣道、燃燒室，并與缸體相連。
所述氣缸蓋采用Al-Si-Cu-Mg-Nb合金，其中Si含量為3-10wt％，Cu含量為1-5wt％，Mg含量為0.2-1wt％，Nb含量為0.5-1.5wt％，Al余量。
在Al-Si-Cu-Mg-Nb合金中，Cu能與Al形成強(qiáng)化相Al2Cu，熱處理后一部分Al2Cu在晶內(nèi)析出，能起到強(qiáng)化作用。當(dāng)Cu含量較小時(shí)，增加含量能夠使晶內(nèi)析出的Al2Cu相增多，從而起到提高材料強(qiáng)度的作用，Cu含量大于3.5％后，晶內(nèi)析出的Al2Cu相隨Cu含量的增加不再增多，但殘留在晶界的Al2Cu相卻明顯增多，影響晶粒間的結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)而降低材料的強(qiáng)度。因?yàn)锳l2Cu既能在晶內(nèi)析出起到強(qiáng)化作用，又能殘留在晶粒間降低晶粒的結(jié)合程度，所以Cu含量對合金強(qiáng)度的影響存在一個(gè)極大值。
室溫下，材料的抗拉強(qiáng)度隨著Cu含量的增大而先增大后減小，伸長率呈下降趨勢；高溫(250℃)下，抗拉強(qiáng)度隨Cu含量的增大而先增大后減小，伸長率也呈相同的趨勢。綜合來看，Cu含量為3.5％時(shí)材料的力學(xué)性能最佳。
Al-Si-Cu-Mg-Nb合金組織中除了α-Al、Si和Al2Cu相之外，還會(huì)生成Mg2Si、Al2CuMg、AlxMg5Si4Cu4(W相)和Al5Mg8Si2Cu6(Q相)等彌散強(qiáng)化相，這些相大都屬于硬脆的金屬間化合物。熱處理后，這些強(qiáng)化相可以大量溶解，并彌散析出亞穩(wěn)定相，亞穩(wěn)定相可以與Al基體形成共格，從而引起晶格畸變，對金屬中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙作用。相比傳統(tǒng)的ZL107合金(Al-Si-Cu)，Al-Si-Cu-Mg合金中的彌散強(qiáng)化相無論從種類上還是數(shù)量上，都會(huì)明顯增加，從而提高材料的強(qiáng)度，但同時(shí)也在一定程度上降低了材料的塑性。
優(yōu)選的，Mg含量為0.3-0.4％。添加Mg能夠明顯提升合金強(qiáng)度，其中室溫強(qiáng)度最大增幅為17.79％，高溫強(qiáng)度最大增幅為20.39％，但伸長率會(huì)有所下降。室溫下，Mg含量從0增大到0.3％的過程中，材料強(qiáng)度呈上升趨勢，伸長率保持穩(wěn)定，當(dāng)大于0.3％后，強(qiáng)度和伸長率都稍微有些下降；高溫(250℃)下，材料強(qiáng)度隨Mg含量的增大而上升，伸長率下降。含0.3％Mg的合金室溫強(qiáng)度增幅最大，為17.79％；含0.4％Mg的合金高溫強(qiáng)度增幅最大，為20.39％。綜合考慮，Mg含量為0.3％～0.4％時(shí)，合金綜合力學(xué)性能最佳。
所述Al-Si-Cu-Mg合金的力學(xué)性能，需要測室溫性能和高溫性能。室溫性能是將熱處理后的材料按照GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》加工成試樣，用CSS-55100型高低溫電子萬能試驗(yàn)機(jī)測其抗拉強(qiáng)度和伸長率；高溫性能按照GB/T4338-2006《金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)》加工試樣，也用上述測試機(jī)測試材料在250℃下的抗拉強(qiáng)度與伸長率。其室溫抗拉強(qiáng)度超過360MPa，伸長率介于3.8-4.6％；其250℃下抗拉強(qiáng)度超過280MPa，伸長率介于3.0-4.5％之間。
本發(fā)明的鋁合金氣缸蓋，通過對結(jié)構(gòu)和材料性能的改進(jìn)，改善了其室溫與高溫性能，能夠耐高溫，承受更大的沖擊力。
具體實(shí)施方式
下面通過具體實(shí)施方式來進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
實(shí)施例1
一種鋁合金氣缸蓋，其上部設(shè)置有凸輪軸或雙凸輪軸，下部與氣缸體、活塞組成燃燒室；前端設(shè)置有時(shí)規(guī)齒輪及其殼，后端設(shè)置水泵；一端設(shè)置有進(jìn)氣道，另一端設(shè)置有排氣道，罝于凸輪軸室的油道通過缸蓋與缸體相連；水道環(huán)繞著進(jìn)氣道、排氣道、燃燒室，并與缸體相連。
所述氣缸蓋采用Al-Si-Cu-Mg-Nb合金，其中Si含量為8wt％，Cu含量為5wt％，Mg含量為0.2wt％，Nb含量為0.5wt％，Al余量。
室溫性能是將熱處理后的材料按照GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》加工成試樣，用CSS-55100型高低溫電子萬能試驗(yàn)機(jī)測其抗拉強(qiáng)度和伸長率；高溫性能按照GB/T4338-2006《金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)》加工試樣，也用上述測試機(jī)測試材料在250℃下的抗拉強(qiáng)度與伸長率。
測試表明，其室溫抗拉強(qiáng)度為378MPa，伸長率介于4.3％；其250℃下抗拉強(qiáng)度為312MPa，伸長率為3.7％。
實(shí)施例2
一種鋁合金氣缸蓋，其上部設(shè)置有凸輪軸或雙凸輪軸，下部與氣缸體、活塞組成燃燒室；前端設(shè)置有時(shí)規(guī)齒輪及其殼，后端設(shè)置水泵；一端設(shè)置有進(jìn)氣道，另一端設(shè)置有排氣道，罝于凸輪軸室的油道通過缸蓋與缸體相連；水道環(huán)繞著進(jìn)氣道、排氣道、燃燒室，并與缸體相連。
所述氣缸蓋采用Al-Si-Cu-Mg-Nb合金，其中Si含量為7wt％，Cu含量為3.5wt％，Mg含量為0.35wt％，Nb含量為1.5wt％，Al余量。
室溫性能是將熱處理后的材料按照GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》加工成試樣，用CSS-55100型高低溫電子萬能試驗(yàn)機(jī)測其抗拉強(qiáng)度和伸長率；高溫性能按照GB/T4338-2006《金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)》加工試樣，也用上述測試機(jī)測試材料在250℃下的抗拉強(qiáng)度與伸長率。
測試表明，其室溫抗拉強(qiáng)度為412MPa，伸長率介于4.2％；其250℃下抗拉強(qiáng)度為342MPa，伸長率為4.0％。
上述實(shí)施例表明，本發(fā)明的鋁合金汽車缸蓋采用特定的合金組成，善了其室溫與高溫性能，能夠耐高溫，承受更大的沖擊力。