用于气缸盖的高性能合金

Nemak公司已开发出了1种用于高热负荷零件的Al-Cu基铸造合金，该公司在试验中已证实了该合金的静态、动态和高温机械性能均优于传统内燃机中常用的Al-Si合金，尤其是在温度超过200 ℃的情况下。

在过去的10～15年中，世界范围内的发动机开发主要通过小型化而实现技术创新。近年来，汽油机和柴油机的升功率已有了显著提升，目前量产柴油机的升功率高达90 kW，增压汽油机的升功率更高达110 kW，而部分小批量生产的高功率机型的升功率甚至会更高。

现代轿车柴油机使用的气缸盖要承受超过20 MPa的超高爆发压力。在实际使用条件下，即使是汽油机也会在较长时间内承受高达15 MPa的爆发压力，该指标与20年前柴油机承受的压力水平相近。此外，在高温废气流经的区域，其温度可达250～280 ℃，在如此高的机械负荷和热负荷情况下，当今普通的Al-Si铸造合金性能已达到极限，特别是高温强度和疲劳强度。

虽然汽油机小型化处理与米勒燃烧过程的研发进程已接近结束，但是由于未来将在数年内实施欧7废气排放法规，从而对发动机开发人员又提出了全新的挑战。目前，为了保护排气门和废气涡轮增压器涡壳等热负荷较高的部件,汽油机通常会在接近全负荷工况时加浓可燃混合气。如果不采取例如喷水、可变压缩比、冷却低压废气再循环（EGR）或水冷式涡壳部件等对策的话，研究人员须相应调低汽油机的升功率，可将该指标从110 kW降至76 kW，但是当前开发的技术趋势却与此相反，汽油机的升功率正在逐步提高。

除了进一步提高传统内燃机的效率之外，研究人员也在通过研究以提高整机最高爆发压力，目前汽油机的这一参数已达到17～18 MPa，柴油机则高达22 MPa。同时，研究人员应致力于为内燃机选用更合适的代用燃料，通过提高燃料的抗爆性成分就能进一步改善整机效率。通过可再生电流合成甲烷能起到重要的作用，特别是在压缩比高达14的单一方案中，较高的燃烧温度和高达18 MPa的爆发压力是其主要技术特点，但由此会对气缸盖材料提出极高的要求。

除了以改善品质为目标而进一步开发铸造工艺和泥芯制造工艺，并加强冷却和实现轻量化之外，多年来研究人员也致力于开发可改善耐热性能的新型气缸盖合金。

本文介绍了耐马克（Nemak）公司开发的NemAlloy HT200 Al-Cu合金（图1），并将其命名为AlCu7MnZn合金，或简称为AlCu7，该类合金的特点是在高温条件下仍具有优异的性能。本文介绍了该类合金的开发过程，还阐述了该类合金的重要性能以及相关试验结果。

图1 耐马克（Nemak）公司开发的气缸盖用NemAlloyHT200铝-铜合金

在气缸盖制造过程中经常使用的普通Al-Si铸造合金的强度在高于200 ℃的温度条件下就会显著降低。图2示出了在室温和250 ℃温度条件下各种不同Al-Si合金和Al-Cu基合金（Rolls Royce RR350:AlCu5Ni1.5CoSbZr）热处理T6状态下的屈服强度。

图2 各种不同铸造铝合金的室温强度和热强度

在250 ℃温度下不含Cu的AlSi7Mg和AlSi10Mg合金的强度得以显著降低，而与此相反，Al-Cu合金（Rolls Royce RR350）的强度降低程度最低。根据该结果研究了Al-Cu系合金用于制造气缸盖的可能性。图3示出了Al-Si和Al-Cu合金的主要性质。

图3 铸铝合金的概貌和摘要元素的作用

与Al-Si合金相比，Al-Cu合金更难进行铸造，这种差异可按照图4中示出的金相状态图线来解释。用于气缸盖铸造的Al-Si合金是由亚共晶与准共晶所组成的，使其具有较短的凝固时间和良好的可铸造性。

图4 Al-Cu系（左）和AlSi系（右）的两相状态图线以及AlSi7Cu0.5Mg和AlCu7MnZr合金有代表性的金相组织照片（图中：Schmelze=熔液；Mischkristall=固溶体；Allotropische Umwandlung=同素异形体相变）

耐马克公司的首次试验是基于Al-Cu合金而开展的，除了已介绍过的AlCu5Ni1.5CoSbZr合金之外，还使用了AlCu4.5Ti合金（AF52）和AlCu5MnMg合金（B206）。目前已证实AlCu5MnMg合金尚不具备足够的热稳定性，而AlCu5Ni1.5CoSbZr和AlCu4.5Ti合金在铸造复杂气缸盖时，其流动性和供料性方面则有所欠缺。为了同时改善此类缺陷，研究人员开发了AlCu7MnZr合金。

除了确定最优成分之外，开发细化晶粒的方法也具有显著意义。热裂纹敏感性通常会限制Al-Cu合金的应用，但通过减小晶粒尺寸就能显著降低这种敏感性，图5示出了裂纹倾向与晶粒尺寸的依赖关系。研究人员在不同的铸造试验研究中对AlCu7MnZr合金进行考察，发现从某个晶粒尺寸起，产生裂纹的可能性就会逐步增大。目前，通过采用由耐马克公司开发的细化晶粒方法，即使铸造复杂的气缸盖也不会产生裂纹。在整个开发过程期间，研究人员也通过铸造方法生产出了一批真实的零件，以此确认该类材料用于批量生产的效果。目前，已生产了上千个不同的3缸机和6缸机的气缸盖，同时涵盖了柴油机与汽油机两类机型。

图5 热裂纹(Warmriss)倾向与晶粒尺寸示意模型（左）以及用AlCu7MnZr合金铸造的气缸盖组织的宏观浸蚀照片（右）

采用砂型铸造的样品铸造工艺能用于最小批量生产过程。耐马克公司制造的大多数高功率发动机气缸盖都是采用旋转铸造法而制造的，因为在该情况下进行浇注时不会出现湍流现象，同时还具有较为理想的凝固效果。为了选用该铸造方法，研究人员须对产品进行设计调整，以此避免其在可铸造性等方面出现问题，但对于复杂性较低的零件而言，该铸造方法是1种较为合理的选择。

与批量生产相比，研究人员发现AlCu7MnZr合金时在进行高压处理过程中会使合金条件出现一些差异，其会影响到图6中所标注的工艺步骤。

图6 采用AlCu7MnZr合金制造气缸盖以及与批量生产的差异

在进行产品设计时，研究人员应重点关注半径、壁厚过渡处和局部热中心的一些设计准则，以便能制造出无显著缺陷的零件。在冶炼过程中，晶粒细化起着重要的作用，而在浇铸过程中应采用合适的工艺参数。同时，为了有效调整材料性能，研究人员须对合金进行最佳的热处理。这种合金需要进行迅速淬火，以使其获得较高的强度。因此，与Cu合金相比，Al-Si合金不需要进行空气淬火处理，而该类Al-Cu合金则必须采用水淬火处理。

发动机对所使用的合金的机械性能，特别是对不同温度下短时间（低循环疲劳，LCF）和耐久性范围（高循环疲劳，HCF）的静态与动态性能及高温机械性能提出了较高的要求，而针对高温物理性能参数的优化可使材料性能更为完善。下文对NemAlloy合金与目前广泛使用的AlSi7Cu0.5Mg合金进行对比。

屈服强度和延伸率对试验温度的依赖关系如图7所示。所有的试验样品在试验前都会在相应温度下经历500 h时间的老化，首先AlSi7Cu0.5Mg合金在150 ℃时的强度明显更高，直至约175 ℃时，2种合金会达到相同的强度水平，但是当温度超过200 ℃时NemAlloy合金就显示出明显更高的高温强度，在300 ℃时其屈服强度始终仍为125 MPa，而AlSi7Cu0.5Mg合金的屈服强度却只有约40 MPa。延伸率则呈现出相反的情况，随着试验温度的升高，直至300 ℃时AlSi7Cu0.5Mg合金的延伸率提高到50%，而NemAlloy合金只有15%。

图7 AlCu7MnZr合金静态机械特性值及其与AlSi7Cu0.5Mg合金的比较

除了目前所讨论的静态特性值之外，循环性能也起着重要的作用。图8示出了在负载情况R=-1分级逐步交变加载时的HCF试验结果，并对NemAlloy合金与AlSi7Cu0.5Mg合金进行比较。

图8 在HCF试验中查明的AlCu7MnZr合金与AlSi7Cu0.5Mg合金循环强度的比较；示出的是在两种金相组织等级和两种试验温度下的拉力-压力试验中50 %生存概率的应力幅

P_Ü,50%值表示在107循环情况下，整个极限负荷作用次数中生存概率为50%时所能承受的应力幅值。这2种合金气缸盖的试验样件是从快和慢凝固区域内分别取出的。在快速凝固区域内AlSi7Cu0.5Mg合金的中等枝状晶间距（DAS）为20 μm，在缓慢凝固区域内约为40 μm，而AlCu7MnZr合金的晶粒尺寸则取决于晶粒细化工艺过程，两者仅存在较小的差异。这种温度和凝固速度的效应显示出了所期望的倾向：疲劳强度会随着温度的提高而降低，同样也具有较大的DAS数值。这种效应可通过结晶面减小、形成较粗大组织成分以及在凝固速度缓慢时出现较高的疏松概率来解释，其对裂纹的产生和使用寿命的缩短起着显著作用。针对2种合金的比较表明，对于所有不同的边界条件而言，NemAlloy合金的循环强度要比AlSi7Cu0.5Mg合金高20%～30%。

作为LCF试验的结果，图9示出了在整个断裂负荷作用次数中所出现的延伸率幅度，除了在HCF试验中已试验过的温度条件之外，试验样件还在250 ℃温度条件下进行了试验，特别是在该温度条件下充分展现了NemAlloy合金在LCF试验中的优势，与AlSi7Cu0.5Mg合金不同，AlCu7MnZr合金的延伸率几乎与温度无关，而且可以确定与AlSi7Cu0.5Mg合金相比，NemAlloy合金很少会出现硬化现象，这就导致这种合金具有较为平坦的循环应力-延伸率曲线。

图9  由LCF试验查明的AlCu7MnZr合金与AlSi7Cu0.5Mg合金循环强度的比较

由HCF和LCF试验预报的较长使用寿命趋势已借助于热气试验得到了验证，其中通过增加试验持续时间即热冲击循环数就能识别出AlCu7气缸盖是否发生损坏。与此相反，Al-Si基气缸盖已显示出可明显的塑化迹象，在该区域就可观测出损坏现象的存在。在比Al-Si气缸盖使用了更长时间后，NemAlloy合金气缸盖会才会出现穿透性裂纹等故障现象。

上述试验及分析可为产品和工艺开发提供必要的理论依据。在批量开发情况下，用于凝固控制和补给的局部优化方案有着较高重要性，研究人员须对较长的凝固时间间隔而导致的风险给予足够重视，由此可通过附加制造费用或设计优化予以控制，以此能充分挖掘合金在发动机运转中的应用潜力。图10 和表1示出了NemAlloy合金气缸盖在AVL公司200 kW发动机结构中的具体应用。

图10 AVL公司的演示车辆及其使用NemAlloy合金气缸盖的发动机

本文介绍了名为NemAlloy HT200的Al-Cu基铸造合金，这种合金尤其适用于高热负荷零件，并已开发出完整的制造工艺，从而能较为可靠地铸造出复杂零件。研究人员通过采用旋转铸造方法和T7热处理已能制造出试验气缸盖，并从中提取了材料试样，测试出了所有的性能，并与广泛应用的T6空气淬火气缸盖合金AlSi7Cu0.5Mg进行了比较。

在长达500 h的预存放过程和从室温增至300 ℃的静态试验中得知，在温度超过200 ℃后AlCu7MnZr合金就能充分显示出其优势，这种合金在300 ℃时的屈服强度超过100 MPa，而Al-Si合金的屈服强度＜50 MPa。

在室温增至150 ℃的HCF试验中，不同零件范围的AlCu7MnZr合金的性能水平大约要高出约10%～15%。在室温增至250 ℃的LCF试验中，研究人员已确定AlCu7MnZr合金性能与温度无关，因此在室温超过200 ℃后AlCu7MnZr合金的使用寿命要比其他合金更长。

作者：[奥地利]R.F.GUTIERREZ等

整理：范明强  

编辑：伍赛特