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" Perfectionnements aux alliages à base d'aluminium " la présente invention est relative aux alliages à base d'aluminium ayant une dilatabilité relativement faible à la chaleur, et des propriétés mécaniques et physiques avantageuses.
L'importance des alliages d'aluminum possédant une faible dilatabilité à la chaleur, et possédant en même temps les propriétés mécaniques et physiques qui sont requises dans les applications industrielles, a été mise en valeur par l'emploi confina et croissant de ces alliages dans la fabrication des pistons et des pièces analogies pour moteurs. L'aluminium se dilate à la chaleur d'une manière relativement plus grande que lea autres métaux, à l'exception du magnésium, qui sont utilisas dans la construction des moteurs et appa- reils analogues.
Or, étant donné que le fonctionnement .à température élevée fait dilater les pièces d'un mo-
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teur, il est essentiel que la dilatation d'une pièce quelconque soit, au moins comme ordre de grandeur, égale à la dilatation des autres pièces. La diffusion d'un alliage à base d'aluminium possédant une faible dilata- tion à la chalear, propre à donner satisfaction, a été retardée par le fait qu'il semblait que l'on ne pouvait obtenir une faible dilatabilité qu'aux dépens des pro- priétés physiques et mécaniques qui rendent les alliages d'aluminium propres à être utilisés dans la constitution des pistons. Comme on le sait, an piston doit avoir des propriétés physiques de dureté considérable ainsi qu'un degré raisonnable de ténacité.
De plus il est désirable au. point de vue mécanique que l'alliage qui le constitue soit facilement usine, parce que l'asinage est une opéra- tion nécessaire pour donner à un piston coulé ses dimen- sions finales. Jusqu'ici on n'avait pas encore obtenu un alliage à base d'aluminium présentant une combinaison satisfaisante des propriétés de dureté, de résistance, et de facilité d'asinage, en même temps qu'une faible dilatabilité.
On s'est proposé, conformément à la présente inven- tion, d'obtenir an alliage à base d'aluminium se dilatant relativement faiblement à la chaleur$ et possédant, en plus de cette propriété, une combinaison des propriétés de dureté, de résistance, et de facilité d'usinage, sas- ceptibles de subir favorablement la comparaison avec celles que l'on a obtenues jusqu'ici uniquement dans des alliages dont la dilatabilité à la chaleur est relative- ment considérable. On s'est proposé aussi de réaliser un piston formé de cet alliage.
Les alliages à base d'aluminium dans lesquels le silicium et le constituant prédominant de l'alliage (ce silicium existant sensiblement dans la proportion de 3 à 15 %), sont considérés ordinairement comme étant les
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seuls ou l'on peat trouver la combinaison d'une faible dilatabilité à la chaleur et de propriétés mécaniques avantageuses. Cependant d'autres alliages, malgré leur dilatabilité à la chaleur relativement considérable et fâcheuse, sont utilisés plus largement dans la fabrica- tion des pistons, parce que, entre autres raisons, les
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alliages d'all1J11iniam-silicillm ne possèdent pas la dureté' voulue.
De plus, on ne peut donner, même par traitement thermique aux alliages binaires d'alaminiam-siliciam, la dureté généralement exigée pour les pistons en allia- ge à base d' a ll1tniniI1m
La demanderesse a découvert an alliage à base d'ala- minium dans lequel le silicium est le constituant prédo- minant de l'alliage, et qui poss de une dilatabilité fai-
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ble à la chaleur, en même temps que des propriétés méoané- ques et des caractéristiques de facilité d'usinage compa- rables à d'autres alliages du sème genre dont la dilata- bilité à la chaleur est relativement forte.
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Conformément à la présente invention cette cQ"mbinai-, son originale de propriétés est obtenue par l'addition aarc alliages d' all1hinil1111-siliciwn de proportions appropriées des constituants suivants de l'alliage :nickel, magné- sium, et cuivre. cet alliage à base d'aluminium conserve sa faible dilatabilité, caractéristique des alliages bi-
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naires d'all1minil1111-silicillm. mais combine à cette pro- priété une grante dureté et une excellente facilité d'asinage.
Bien que les constituants qai existent dans l'alliage varient de préférence dans des limites relati- vement étroites de façon à satisfaire aux diverses condi- tions dans lesquelles on peut utiliser les alliages à base-,4-.' d'alaminiam de faible dilatabilité à la chaleur, cependant@..
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on peut faire varier ces constituants dans des limites / 1 j relativement étendues sans affaiblir la faible d1lata'b1l1':" ' té à la chaleur ou sans perdre la dureté essentielle de l'alliage.
En faisant asage des procédés bien connus de
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traitements calarifique, on fera varier dans des propor- tions considérables la dareté de l'alliage sans altérer notablement son coefficient de dilatation à la chaleur.
Bien que les alliages découverts par la demanderes- se trouvent, de par leur nature et leur constitution, leus applications les plus étendues dans la fabrication des pistons, des culasses de cylindres et autres pièces cou- lées a@@logues, il existe aussi, dans les limites de com- position qui seront indiquées ;plus loin, des alliages qui sont susceptibles d'être forgés ou travaillés d'une ma- nière analogue de façon à donner des articles tels que des bielles. Pour ces applications et pour des applications analogues, les alliages en question, en raison de leurs propriétés nomvelles, sont particulièrement utiles.
Les limites dans lesquelles peuvent varier les cons- tituants que l'on ajoute, dépendront considérablement de la combinaison de propriétés que l'on désire,la daman.- deresse a constaté qu'environ 7 à 15% de silicium, 0,2 à 3 % de magnésium Q,5 à 7 % de nickel, et 0,3 à 7 % de caivre sont les limites dans lesquelles on peut obtenir des alliages ayant une importance pratique; la teneur en aluminium ne sera habituellement pas moindre que 80% envi ron. La teneur en silicium est généralement comprise en- tre 10 et 15 % lorsque l'alliage possède une faible dila- tbbilité à la chaleur.
Dans certaines conditions on peut ajouter moins de 10 %, mais on a alors un accroissement de la dilatabilité à la chaleur, De même une teneur élevée en silicium, allant même jusqu'à 25 % peut exister, si la facilité d'usinage n'est pas une considération de prerniè- re importance. La demanderesse a constaté que des propor- tions de silicium comprises entre 10 et 15% environ don- nent habituellement un alliage convenant remarquablement aux conditions de la pratqae commerciale, mais lorsqu'il
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est possible de négliger une médiocre facilité d'ysunage.
ou lorsqu'il est possible d'employer des outils spéciaux permettant de travailler les alliages qui ne sont usina- bles commercialement avec des outils en acier ordinaire, on peut employer des alliages contenant jusqu'à 25% environ de silicium. La proportion de magnésium ajouté à l'alliage dépend aussi des propriétés que l'on désire.
La présence de magnésium accroît la dureté que l'on peut obtenir par traitement thermique et,l'on a aussi consta- té que la facilité d'usinage de l'alliage est également améliorée par le magnésiam. cependant des teneurs plus élevées que 1 à 1,5 % de magnésium ne permettent pas en général d'améliorer ces propriétés plus que ne le permet- tent des teneurs plus faibles, parce que l'alliage de- vient plus cassant lorsqu'on augmente la teneur en mak gnésiam. De préférence on ajoute 0,2 à 1 % de magnésium, . et cette proportion donne généralement le meilleur résul- tat.
.La proportion de nickel que l'on ajoute avec avanta- - ge à l'alliage peut varier dans des limites relativement . grandes. La demanderessea constaté que le nickel amélio- re la facilité d'asinage de l'alliage, diminue sa dilata- bilité à la chaloir et acroît la dureté initiale. Pour certains usages , on peut ajouter du nickel à une tensur aussi forte que 7 $ et aussi basse que 0,5 % mais la de- manderesse a vérifié que sa présence dans la proportion de 2 à 5 % donne les résultats les plus avantageux.
Des' teneurs plus élevées en nickel, tout en améliorant la faci- lité d'usinage, et en continuent à faire décroître la di- latabilé à la chaleur, tendent à rendre l'alliage cassant ' et, lorsque la résistance on la ténacité ont de l'importan- ce, une teneur supérieure à 4 à 5 % n'est pas désirable., D'antre part, avec des proportions pins faibles de nickel,, l'effet avantageux de sa présence s'affaiblit quelque peu
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Bien que les alliages à base d'aluminium qui contien- nent du silicium, du magnésium et du nickel comme consti- tuants additionnels, possèdent des propriétés très sapé- rieures aux alliages connus ayant une faible dilatabilité à la chaleur,
on a constaté que les propriétés de ces al- liages peuvent être améliorées considérablement par l'ad- dition du cuivre. Des proportions considérables de cuivre augmentent notablement les difficultés d'usinage et pro- voquent par exemple l'usure des outils; peur cette raison elles sont généralement indésirables.
Cependant la dure- té initiale de l'alliage et la dureté obtenue par traite- ment thermique sont notablement augmentées, à un degré inattendu, par l'addition d'une faible proportion de cui- vre, Par exemple, avec des traitements thermiques équiva- lents, an alliage contenant 14 %, de silicium, environ 2 % de nickel et 1 % de magnésium aura une dureté Brinell aussi basse que 85, tandis qu'un alliage contenant des proportions égales de silicium;
de nickel et de magnésium, mais avec une petite proportion de cuivra, aura, dans des conditions analogues, une dureté Brinell plus élevée de 15 à 25 points que celle que l'on vient d'indiquer, Cet accroissement de la dureté est très désirable parce qu'on peut l'obtenir sans que l'alliage devienne nette- ment plus cassant, sans augmenter les difficultés d'usi- nage, et sans accroître la dilatabilité à la chaleur.
Conformément à la présente invention, 1$. cuivre sera de préférence ajouté sa petite proportion, habituellement sous une teneur de 0,5 à 2 %, mais, lorsque la facilité d'usinage ne sera pas un facteur décisif, ou lorsqu'on pourra employer des outils d'usinage spéciaux, la teneur en cuivre ajoutée pourra s'élever jasqai à 7 % environ.
Un alliage à base d'aluminium, que la demanderesse a trouvé spécialement approprié aux besoins commerciaux pour la fabrication des pistons, contient environ 14 %
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de silicium, 2 % de nickel, 1 % de magnésium.et 0,75% de cuivre. D'autres constituants;de l'alliage, tels que le fer que l'on rencontre généralement comme imppreté dais les alliages à forte teneur en silicium, peuvent exister dans les proportions où on les trouve habituellement,dans les lingots commerciaux de bonne qualité, sans qu'ils affectent d'ane manière appréciable les propriétés es- sentielles de l'alliage. En général il est désirable d'u- tiliser un aluminium commercial de bonne qualité pour la fabrication de l'alliage .
Cependant on peat employer aussi an aluminium ayant un moindre degré de pureté et également an aluminium extrêmement par. L'absence ou la présence des impuretés que l'on rencontre communément dais les aluminiums commerciaux de grande pureté ne semble pas produire de changement sensible dans les propriétés essentielles de l'alliage.
Le coefficient de dilatation thermique d'un alliage particulièrement avntageux obtena conformément à la présente invention, est environ 19 x 10-6 par degré centigrade pour un intervalle de température compris entre 20 et 100 degtés. Par comparaions le coeffi- cient de dilatation d'un alliage à base d'aluminium con- tenant environ 10 % de cuiyre est 22 x 10-6. c'est-à-dire que ce coefficient est sensiblement supérieur de 15 % à celai de l'alliage précédent.
En réalité l'alliage par-.' :t'actionné conforme à la présente invention possède une dilatabilité à la chaleur considérablement inférieure à celle des alliages à base d'aluminium connus possédant des propriétés mécaniques et une facilité d'usinage ana- " logaes.
Un alliage à base d'aluminium contenant 14 % de silicium, 2 % de nickel, 1 % de magnésium et 0,75 % de enivre, possède une dareté Brinell de 85 environ à l'état coulé. Cette dureté peat être augmentée par un traitement
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thermique approprié, jusqu'à atteindre environ 125 à
130, ce qui est une dureté sensiblement égale ou supérieu- re à celle des alliages à base d'aluminium ayant une for- te dilatabilité à la chaleur, par exemple un échantillon de ce dernier alliage a été soumis à an traitement de fasion c'est-à-dire a été maintenu, pendant 2 heures à
530 pour amener ces c9onstituants de l'alliage en s ola- tion pais rapidement refroidi à la température ambiante,
puis enfin, vieilli par un nouveau chauffage entre 125 et 1500 pendant une durée de 25 heures environ. Après cas traitements l'alliage avait une dureté Brinell de
129.
L'alliage d'aluminium conforme à la présente inven- tion, contenant du silicium, du nickel, du magnésium et da suivre présente divors avantages bien nets par rapport aux alliages à base d'aluminium atilisés jusqu'ici à la fabrication des pistons et des pièces analogues. Il pos- sède une faible dilatabilité à la chaleur combinée à la dareté qui est requise pour les pistons et poar les pièce analogues. De plus il peut être usiné commercialement, ce qai élimine an des principaux défauts des alliages alaminium-siliciam et aluminium-cuivre-silicium, qui ont été utilisés jusqu'ici lorsqu'on désirait une faible dilatation à la chaleur et une dureté considérable.
Un avantage supplémentaire de cet alliage conforme à la pré- sente invention consiste en ce qu'il est sensiblement plus léger (de 10 % environ pour la composition la plus avan- tagease) que l'alliage à 10 % de cuivre qui est utilisé très largement dans la fabrication des pistons.
On a mentionné ci-dessus l'addition d'éléments d'al- liages autres que le silicium, le nickàl, le magnésium et le cuivre, il est quelquefois nécessaire d'ajouter certaines proportions d'autres constitnants afin de modi-
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fier les propriétés de l'alliage et de le rendre parti- culièremet propre à la fabrication d'objets autres que les pistons et pièces analogues. Par exemple on pourra ajouten du manganèse, du chrome, da titane et des éléments d'alliage analogies afin d'obtenir certaines propriétés particulières que l'on peut désirer en plus de celles que possède l'alliage.
De même d'autres constituants pourront être ajoutés à l'alliage pour un objet spécial, sans détruire ses propriétés essentielles de faible dila- tabilité à la chaleur et de grande dureté. On doit compren- dre que la présente invention peut être 'mise en oeuvre en fabriquant d'autres alliages que ceux qui ont été dé- crits spécialement, et cela tout en restant dans l'esprit de la dite invention.
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"Improvements to aluminum-based alloys" The present invention relates to aluminum-based alloys having relatively low heat expandability, and advantageous mechanical and physical properties.
The importance of aluminum alloys possessing low heat expandability, and at the same time possessing the mechanical and physical properties which are required in industrial applications, has been emphasized by the limited and increasing use of these alloys in the manufacture of pistons and similar parts for engines. Aluminum expands under heat to a relatively greater extent than other metals, except magnesium, which are used in the construction of engines and the like.
However, since the operation at high temperature expands the parts by a
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However, it is essential that the expansion of any part be, at least as an order of magnitude, equal to the expansion of the other parts. The diffusion of a satisfactory low chalear expansion of an aluminum-based alloy was retarded by the fact that it seemed that low expansion could only be achieved at the expense. physical and mechanical properties which make aluminum alloys suitable for use in the constitution of pistons. As is known, a piston must have physical properties of considerable hardness as well as a reasonable degree of toughness.
In addition it is desirable at. From a mechanical point of view that the alloy which constitutes it is easily machined, because grinding is an operation necessary to give a cast piston its final dimensions. Heretofore, an aluminum-based alloy having a satisfactory combination of the properties of hardness, strength, and ease of settling, together with low expandability, had not yet been obtained.
It has been proposed, in accordance with the present invention, to obtain an aluminum-based alloy which expands relatively weakly in heat and possesses, in addition to this property, a combination of the properties of hardness, strength. , and ease of machining, capable of undergoing a favorable comparison with those which have hitherto been obtained only in alloys whose heat expandability is relatively considerable. It has also been proposed to produce a piston formed from this alloy.
Aluminum-based alloys in which silicon is the predominant constituent of the alloy (this silicon existing substantially in the proportion of 3 to 15%), are usually considered to be the
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alone or one can find the combination of low heat expandability and advantageous mechanical properties. However, other alloys, despite their relatively considerable and inconvenient heat expandability, are used more widely in the manufacture of pistons, because, among other reasons,
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Alloys of alloys of silicon-silicon do not have the desired hardness.
In addition, the hardness generally required for aluminum-based alloy pistons cannot be given, even by heat treatment to binary alaminiam-silicon alloys.
The Applicant has discovered an aluminum-based alloy in which silicon is the predominant constituent of the alloy, and which has low expandability.
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heat-stable, together with mechanical properties and ease of machining characteristics comparable to other alloys of the same kind whose heat-expandability is relatively high.
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In accordance with the present invention this cQ "mbinai-, its original properties are obtained by the addition to the alloys of alhinil1111-silicon of appropriate proportions of the following constituents of the alloy: nickel, magnesium, and copper. aluminum-based retains its low expansion characteristic of bi-
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naries of all1minil1111-silicillm. but combines with this property a great hardness and an excellent ease of washing.
Although the constituents qai exist in the alloy preferably vary within relatively narrow limits so as to satisfy the various conditions under which the 4- base alloys can be used. of low heat expandability alaminiam, however @ ..
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these constituents can be varied within relatively wide limits / day without weakening the low heat resistance or losing the essential hardness of the alloy.
By making use of well-known methods of
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heat treatments, the hardness of the alloy will be varied in considerable proportions without appreciably altering its coefficient of thermal expansion.
Although the alloys discovered by the Applicant are, by their nature and constitution, the most extensive applications in the manufacture of pistons, cylinder heads and other castings, there are also within the limits of composition which will be indicated below, alloys which are capable of being forged or worked in a similar manner to give articles such as connecting rods. For these and similar applications, the alloys in question, because of their nominal properties, are particularly useful.
The limits within which the constituents that are added can vary will depend considerably on the combination of properties desired. Damander has found that about 7 to 15% silicon, 0.2 to 3% magnesium Q, 5-7% nickel, and 0.3-7% copper are the limits within which alloys of practical importance can be obtained; the aluminum content will usually not be less than about 80%. The silicon content is generally between 10 and 15% when the alloy has low heat expandability.
Under certain conditions, less than 10% can be added, but then there is an increase in heat expandability. Likewise a high silicon content, even up to 25%, can exist, if the ease of machining does not is not a primary consideration. The Applicant has found that proportions of silicon of between about 10 and 15% usually give an alloy remarkably suitable for the conditions of commercial practice, but when
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It is possible to neglect a mediocre ease of ysunage.
or where it is possible to employ special tools which allow alloys which are not commercially machinable to be machined with ordinary steel tools, alloys containing up to about 25% silicon may be employed. The proportion of magnesium added to the alloy also depends on the properties that are desired.
The presence of magnesium increases the hardness obtainable by heat treatment and it has also been found that the ease of machining of the alloy is also improved by magnesiam. however contents higher than 1 to 1.5% of magnesium do not generally allow these properties to be improved more than lower contents allow, because the alloy becomes more brittle with increasing. the mak gnesiam content. Preferably 0.2 to 1% of magnesium is added,. and this proportion usually gives the best result.
The proportion of nickel which is advantageously added to the alloy can vary within relatively limits. large. The Applicant has found that nickel improves the ease of settling of the alloy, decreases its heat expansion and increases the initial hardness. For certain uses, nickel can be added at a tension as high as $ 7 and as low as 0.5%, but the applicant has verified that its presence in the proportion of 2 to 5% gives the most advantageous results.
'Higher nickel contents, while improving the ease of machining, and continuing to decrease the heat spreadability, tend to make the alloy brittle' and, when strength or toughness increases. Importantly, a content greater than 4 to 5% is not desirable., On the other hand, with low proportions of nickel, the advantageous effect of its presence is somewhat weakened.
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Although aluminum-based alloys which contain silicon, magnesium and nickel as additional constituents, have properties that are very weak to known alloys having low heat expandability,
it has been found that the properties of these alloys can be considerably improved by the addition of copper. Considerable proportions of copper significantly increase machining difficulties and cause tool wear, for example; for this reason they are generally undesirable.
However, the initial hardness of the alloy and the hardness obtained by heat treatment are notably increased, to an unexpected degree, by the addition of a small proportion of copper, for example, with equivalent heat treatments. - slow, an alloy containing 14% silicon, about 2% nickel and 1% magnesium will have a Brinell hardness as low as 85, while an alloy containing equal proportions of silicon;
of nickel and magnesium, but with a small proportion of copper, will, under analogous conditions, have a Brinell hardness 15 to 25 points higher than that just mentioned. This increase in hardness is very desirable because it can be obtained without the alloy becoming significantly more brittle, without increasing the machining difficulties, and without increasing the heat expandability.
In accordance with the present invention, $ 1. copper will preferably be added in its small proportion, usually at 0.5 to 2%, but when ease of machining is not a decisive factor, or when special machining tools can be employed, the added copper content may amount to approximately 7% jasqai.
An aluminum-based alloy, which the Applicant has found especially suitable for commercial needs for the manufacture of pistons, contains approximately 14%
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silicon, 2% nickel, 1% magnesium. and 0.75% copper. Other constituents of the alloy, such as iron, which is generally found as an impurity in alloys with a high silicon content, may exist in the proportions in which they are usually found, in good quality commercial ingots, without appreciably affecting the essential properties of the alloy. In general, it is desirable to use good quality commercial aluminum for the manufacture of the alloy.
However, aluminum with a lower degree of purity can also be used, and also extremely fine aluminum. The absence or presence of the impurities commonly encountered in high purity commercial aluminum does not appear to produce any substantial change in the essential properties of the alloy.
The coefficient of thermal expansion of a particularly advantageous alloy obtained in accordance with the present invention is approximately 19 x 10-6 per degree centigrade for a temperature range of between 20 and 100 degrees. For comparison the coefficient of expansion of an aluminum base alloy containing about 10% copper is 22 x 10-6. that is to say that this coefficient is significantly higher by 15% than that of the previous alloy.
In reality the alloy by-. ' The actuator in accordance with the present invention has considerably lower heat expandability than known aluminum-based alloys having similar mechanical properties and ease of machining.
An aluminum-based alloy containing 14% silicon, 2% nickel, 1% magnesium and 0.75% drunk, has a Brinell hardness of about 85 when cast. This hardness can be increased by treatment
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thermal, until approximately 125 to
130, which is a hardness substantially equal to or greater than that of aluminum-based alloys having high heat-expandability, for example a sample of the latter alloy has been subjected to a fasion treatment. that is to say was maintained, for 2 hours at
530 to bring these components of the alloy in thick isolation rapidly cooled to room temperature,
then finally, aged by a new heating between 125 and 1500 for a period of approximately 25 hours. After treatment the alloy had a Brinell hardness of
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The aluminum alloy according to the present invention, containing silicon, nickel, magnesium and the following, has several distinct advantages over the aluminum-based alloys heretofore used in the manufacture of pistons and similar pieces. It has low heat expandability combined with the stiffness that is required for pistons and the like. In addition, it can be machined commercially, which eliminates one of the main defects of alaminium-silicon and aluminum-copper-silicon alloys, which have heretofore been used when low heat expansion and considerable hardness were desired.
A further advantage of this alloy according to the present invention is that it is significantly lighter (by about 10% for the most advantageous composition) than the 10% copper alloy which is used extensively. widely in the manufacture of pistons.
It has been mentioned above the addition of alloying elements other than silicon, nickel, magnesium and copper, it is sometimes necessary to add certain proportions of other constituents in order to modify
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the properties of the alloy and make it particularly suitable for the manufacture of articles other than pistons and the like. For example, manganese, chromium, titanium and analogous alloying elements could be added in order to obtain certain particular properties which may be desired in addition to those possessed by the alloy.
Likewise, other constituents may be added to the alloy for a special purpose, without destroying its essential properties of low heat expandability and high hardness. It should be understood that the present invention can be carried out by making alloys other than those which have been specially described, and this while remaining within the spirit of said invention.