活塞用铝合金及车辆发动机用活塞的制作方法

本公开涉及一种铝合金，更具体地，涉及一种用于制造车辆发动机用活塞的铝合金。
背景技术：
：活塞在汽缸体中执行线性往复运动，并且活塞是通过将在爆炸冲程中从高温和高压气体中接收到的动能通过连杆传递到曲轴来产生旋转力的发动机运动系统的组件。另外，活塞几乎是发动机运动系统中唯一在高温和高压的严酷工况下被驱动的铝制零件。韩国注册专利公开号10-1565025、日本注册专利公开号5642518和日本注册专利公开号3194531公开了相关技术。前述内容仅旨在帮助理解本公开的背景，而并非旨在表示本公开落入本领域技术人员已知的相关技术的范围之内。技术实现要素：本公开提供了一种密度低、成本低并且可以同时满足轻质和耐热性的活塞用铝合金和车辆发动机用活塞。根据本公开的一个方面的一种活塞用铝合金可以包括：作为基础的铝(al)、以及镁(mg)和锌(zn)，并且其中镁含量为基于总重量的10-20wt％。另外，锌含量可以为相对于总重量的2.0-6.4wt％。另外，可以进一步包括相对于总重量的1.5-3.5wt％的铜(cu)。此外，可以生成t-alcumgzn强化相。根据本公开的另一方面的一种活塞用铝合金可以包括：作为基础的铝(al)、以及镁(mg)和锌(zn)，并且其中锌含量为相对于总重量的2.0-6.4wt％。另外，可以进一步包括相对于总重量的1.5-3.5wt％的铜(cu)。此外，可以生成t-alcumgzn强化相。接下来，根据本公开的一个方面的一种车辆发动机用活塞可以包括：作为基础的铝(al)、以及镁(mg)和锌(zn)，并且由镁含量为相对于总重量的10-20wt％的铝合金制造。此外，铝合金的锌含量可以为相对于总重量的2.0-6.4wt％。另外，铝合金可以进一步包括相对于总重量的1.5-3.5wt％的铜(cu)。在铝合金中可以生成t-alcumgzn强化相。本公开的活塞用铝合金因为不包含cu和ni或cu和ni的含量小于传统的活塞用铝合金的cu和ni的含量而可以减少活塞的成本和重量。另外，通过由不同于传统的mg和zn的含量形成t-alcumgzn相，可以进一步提高耐热性和耐久性。另外，阳极氧化特性优异，并且永久变形量减小，从而可以在高温下进一步提高尺寸稳定性。附图说明通过以下结合附图的详细描述，将更清楚地理解本公开的上述和其它方面、特征及优点，其中：图1示出通过本公开的铝合金制造活塞的工序；以及图2a和图2b示出阳极氧化特性的比较，图2a是根据本公开的铝合金的阳极氧化特性，图2b是基于传统铝合金的阳极氧化特性。具体实施方式为了充分理解本公开、通过本公开的执行所获得的益处以及通过本公开的实施例所实现的特征和优点，应当参照示出了本公开的实施例的附图和附图中的说明。在描述本公开的实施例时，将概括或省略将不必要地模糊本公开的要点的已知技术或重复描述。活塞可以主要通过重力铸造技术通过应用具有增强的耐热性的特殊铝合金来制造，并且当需要额外的轻质或耐久性改善时，将热锻造应用于活塞。活塞可以由活塞用铝合金制成。为了改善耐热性，可以过量地向合金中添加si和ni，并且通常主要使用al-12si-3cu-2ni合金或al-12si-4cu-3ni合金。活塞需要具有优异的耐久性和耐热性以用于在高速下执行线性往复运动，并且还需要轻质以提高燃料效率。然而，如上所述，活塞用铝合金的si和ni的含量高，与用于普通铸造的铝合金相比密度高，并且价格高。因此，当追求耐久性时，可能增加成本和重量。另一方面，当追求轻质时，可能需要损害耐久性。发动机运动系统的部件中的活塞由铝合金制成，并且本公开提供了一种用于制造活塞的铝合金。尽管传统铝合金难以同时满足轻质和耐热性，但是与传统铝合金相比，根据本公开的铝合金使得可以减轻重量和成本，并且还提供优异的耐久性和耐热性。在实施例中，在本公开的活塞用铝合金中，al用作基础材料并且混合cu、mg和zn。在一个实施例中，不包含si和ni。表1示出了本公开的铝合金的组成以及具有si和ni的铝合金(在本公开中被称为“传统铝合金”)的组成。(表1)如表1所示，在一个实施例中，在本公开的活塞用铝合金中，使用al作为基础材料，添加1.5-3.5wt％的cu、10-20wt％的mg、2.0-6.4wt％的zn，不添加si和ni。mg与铝和其它元素结合形成t-alcumgzn相作为主要的耐热强化相。如果添加的mg太少，则不能充分产生强化相或加强相，从而不能确保活塞所需的耐热性。当添加的mg过多时，t-alcumgzn相的量不增加而粗化，从而产生脆性。在实施例中，以10-20wt％的量添加mg。另外，zn是用于形成t-alcumgzn相的关键元素。当添加的zn太少时，不形成t-alcumgzn相，而形成al-mg基金属间化合物，从而降低了耐热性。当添加的zn过多时，t-alcumgzn相的量不增加而粗化，从而产生脆性。在实施例中，以2.0-6.4wt％的量添加zn。另外，cu通过与al-mg-zn基金属间化合物结合以形成具有最高强化特性的t-alcumgzn相并用于提高强度。因此，在实施例中，添加至少1.5wt％的cu以形成期望的强化相并获得高强度特性。另一方面，当添加的cu过多时，没有进一步的强化效果，铸造时的收缩缺陷增加，从而质量变差。本公开的活塞由具有上述组成的铝合金制成，并且可以通过使用如图1所示的重力铸造技术来制造。在实施例中，可以进一步执行热锻造来制造活塞。作为重力铸造的示例，将熔汤的温度设置为680℃以上以确保流动性，并且限制在最高750℃以避免熔汤的氧化和气孔。另外，将通过重力铸造制造的材料进行粗加工和精加工，以制成活塞成品，并进行t5热处理以确保尺寸稳定性。在实施例中，将温度保持在最低200℃以上，以消除不稳定性。在一个实施例中，温度被限制在最高250℃，以防止或避免由于劣化而导致的物理性能的降低。热处理时间可以根据产品的尺寸而变化，优选为2-6小时的范围。最后，可以将用于润滑的印刷应用于裙部区域，并且可以将用于耐磨性的阳极氧化表面处理应用于顶部环槽。表2和表3总结了根据mg和zn的含量的铝合金的测试结果。(表2)表2示出了通过改变al-xmg-4.3zn-2cu基合金中的mg含量来确认强化相分数和高温拉伸强度的结果以确认mg含量的影响。当以小于10wt％的量添加9wt％和9.5wt％的mg时，能够确认没有产生强化相，并且可以看出，没有高温强度的改善效果，因为没有产生强化相或加强相。另一方面，可以看出，通过添加10wt％以上，形成了强化相并且提高了高温强度，并且随着mg的量的增加而提高了强化相分数和拉伸强度。然而，可以看出，当以超过20wt％的20.5wt％和21wt％的量添加时，强化相分数没有进一步增加，反而由于强化相的粗化而使性能降低。(表3)表3示出了通过改变al-15mg-xzn-2cu基合金中的zn含量来确认强化相分数和高温拉伸强度的结果以确认zn含量的影响。当以小于2wt％的量添加1.2wt％和1.6wt％的zn时，能够确认没有产生强化相或加强相，并且可以看出，没有高温强度的改善效果，因为没有产生强化相。另一方面，可以看出，通过添加2wt％以上，形成了强化相，并且提高了高温强度，并且随着添加量的增加而提高了强化相分数和拉伸强度。然而，可以看出，当以超过6.4wt％的6.8wt％和7.2wt％的量添加时，强化相分数没有进一步增加，反而由于强化相的粗化而使性能降低。如上所述，本公开的铝合金不添加si、ni，使得可以实现5％至10％的密度降低效果和轻质，并且高温疲劳特性也可以提高约50％。结果，证明了降低成本的经济效果。该性能实验的结果总结在表4中，并且表4中的实验结果来自于本公开的实施例中的al-13mg-4.3zn-2cu。(表4)密度(g/cm3)室温强度(mpa)高温强度(mpa,350℃参考)本公开的铝合金2.5-2.623075传统铝合金2.7820050还发现，根据本公开的铝合金的组成来测量活塞外径的永久变形，使得高温尺寸稳定性提高了约50％，如表5所示。(表5)另外，确认了通过阳极氧化表面处理，特性也得到了改善。图2a是本公开的铝合金的表面，图2b是传统铝合金的表面。确认了厚度的均匀性得到改善，并且粗糙度得到改善。本公开的铝合金显示出平均ra0.815(rz5.701)，而传统铝合金显示出平均ra2.047(rz10.625)。尽管已经参照附图描述了本公开，但是将理解的是，本公开不限于所公开的实施例，并且对于本领域技术人员将显而易见的是，可以在不脱离本公开的思想和范围的情况下进行各种改变和修改。因此，这样的修改或变型应落入本公开的权利要求书的范围内，并且本公开的范围应基于所附权利要求书来解释。当前第1页12