Odlitek hlavy válce nebo odlitek bloku motoru z hliníkové slitiny a způsob jeho výroby

Oblast techniky

Vynález se týká odlitku hlavy válce nebo odlitku bloku motoru provedeného z hliníkové slitiny obsahující Si 6,80 až 7,20 % hmotn., Fe 0,35 až 0,45 % hmotn., Cu 0,30 až 0,40 % hmotn., Mn 0,25 až 0,30 % hmotn., Mg 0,35 až 0,45 % hmotn., Ni 0,45 až 0,55 % hmotn., Zn 0,10 až 0,15 % hmotn., Ti 0,11 až 0,15 % hmotn. a zbytek hliník, jakož i nevyhnutelné nečistoty, jednotlivě maximálně po 0,05 % hmotn., dohromady maximálně 0,15 % hmotn. Vynález se dále týká způsobu výroby tohoto odlitku.

Dosavadní stav techniky

Vlastnosti hliníku závisejí na celé řadě faktorů, přičemž velmi důležitou roli hrají zejména přidané nebo náhodně přítomné příměsi jiných prvků.

Hlavními prvky slitiny jsou měď (Cu), křemík (Si), hořčík (Mg), zinek (Zn) a mangan (Mn).

V menších množstvích jsou často přítomny nečistoty nebo přísady jako železo (Fe), chrom (Cr) a titan (Ti). Pro speciální slitiny se používají přísady jako nikl (Ni), kobalt (Co), stříbro (Ag), lithium (Li), vanad (V), zirkon (Zr), cín (Sn), olovo (Pb), kadmium (Cd) a bismut (Bi).

Všechny složky slitiny jsou zcela rozpustné v kapalném hliníku za vysokých teplot. Rozpustnost v pevném stavu při vytvoření směsných krystalů je u všech prvků omezena. Neexistuje žádný systém slitiny s hliníkem, který by měl řadu směsných krystalů, která by byla úplná. Nerozpuštěné podíly tvoří ve struktuře slitiny vlastní fáze, které se označují jako heterogenní součásti struktury. Často to jsou tvrdé a křehké krystaly, které samy o sobě sestávají z prvků (například u Si, Zn, Sn, Pb, Cd, Bi) nebo z metalických sloučenin s hliníkem (například Al₂Cu, AlgMg₃, Al₆Mn, Al₃Fe, Al₇Cr, Al₃Ni, AlLi). K mezimetalickým sloučeninám se ve sloučeninách se třemi nebo několika složkami řadí ještě intermetalické vzájemné sloučeniny přísad (například Mg₂Si, MgZn₂), temámí fáze (například Al₈Fe₂Si, Al₂Mg₃Zn₃, Al₂CuMg) a vyšší fáze. Tvorba směsných krystalů a vytvoření heterogenních součástí struktury (množství, velikost, tvar a rozdělení) určují fyzikální, chemické a technologické vlastnosti slitiny. Rychlost difúze, snižující se s teplotou, má za následek, že směsné krystaly s hliníkem mohou po rychlém ochlazení z vyšších teplot obsahovat rozpuštěné vyšší obsahy, než to odpovídá rovnováze při teplotě místnosti. V takových přesycených směsných krystalech mohou při teplotě místnosti nebo při mírně zvýšené teplotě probíhat pochody vylučování (například za tvorby metastabilních fází), které mohou mít značný vliv na vlastnosti. Difuzně málo aktivní prvky jako Mn se mohou při rychlém ztuhnutí z taveniny dokonce přesytit daleko přes maximální rovnovážnou rozpustnost. Toto přesycení se může zrušit žíháním při vysokých teplotách. Přísady se potom vylučují jako jemně disperzní. Nejčastěji se toto žíhání (žíhání k vytvoření hrubého zrna) používá také pro vyrovnání sjednocení krystalů.

Dále je krátce vysvětleno několik dvoulátkových a třílátkových systémů, důležitých pro praxi.

Hliník-měď

V oblasti 0 až asi 53 % Cu je přítomný jednoduchý eutektický dílčí systém s eutektikem okolo 33,2 % Cu a 547 °C. Maximální rozpustnost při eutektické teplotě v α-směsném krystalu je okolo 5,7 %. Rozpustnost klesá se snižující se teplotou a při 300 °C je již jen asi 0,45 %. Vylučováním z přesyceného směsného krystalu se mohou při středních teplotách tvořit metastabilní přechodové fáze.

-1 CZ 293797 B6

Hliník-křemík

Systém je čistě eutektický s eutektikem okolo 12,5 % Si a 577 °C. Ve a-směsném krystaluje při této teplotě rozpustné 1,68 % Si. Při 300 °C je to ještě asi 0,07 %. Krystalizace eutektického 5 křemíku se dá ovlivnit malou přísadou (například sodíku nebo stroncia). Při tom dochází k podchlazení závislému na rychlosti tuhnutí a posunu koncentrace eutektického bodu.

Hliník-hořčík to Dílčí oblast od 0 až asi do 36 % Mg je eutektická. Eutektikum je asi okolo 34 % Mg a 450 °C. Při této teplotě je (maximální) rozpustnost 17,4 % Mg. Při 300 °C je rozpustných asi 6,6 %, při 100 °C asi 2,0 % Mg v α-směsném krystalu. Nerozpuštěný Mg je ve struktuře nejčastěji přítomný j ako β-fáze (AlgMg₃).

Hliník-zinek

Slitiny tvoří eutektický systém s eutektikem bohatým na zinek okolo 94,5 % a 382 °C. Ve zde zajímavé oblasti bohaté na hliník je okolo 275 °C ve směsném α-krystalu rozpustných asi 31,5 % Zn. Rozpustnost je silně závislá na teplotě a okolo 200 °C se snižuje na 14,5 %, okolo 100 °C asi 20 na 3,0 %.

Systémy hliník-mangan, hliník-železo a hliník-nikl mají eutektikum při nižší koncentraci. Teplota tání se snižuje jen velmi pomalu. S výjimkou manganu je rozpustnost v pevném stavu malá.

Z časopisu AFS Transaktion, svazek 61, 1998, stran 225 až 231 je známo, že se slévárenské slitiny hliníku a křemíku dají pro hlavy válců optimalizovat přídavkem mědi. Při tom se zvyšuje pevnost slitiny AlSi₇Mg za tepla, pokud se k ní přidá 0,5 až 1 % mědi, velmi významně, přičemž se současně zlepšila i mez tečení. Zlepšení mechanických pevností přináší ale současně zhoršení 30 duktility, jakož i snížení odolnosti vůči korozi.

Po výrobě odlitků hlavy válců a odlitků bloku motoru litím je často nezbytné vyrovnávací zpracování. U určitých slitin dochází zde k problémům na základě příliš malé tvrdosti, neboť odlitky jsou na povrchu příliš měkké, takže při obrábění mohou vzniknout jemné rýhy nebo zamazání.

Takovéto slitiny musí dále vykazovat vysokou tepelnou vodivost, aby se odlitky mohly používat pro oblast motorů.

Slitiny pro písty s 12 % Si, které byly použity pro srovnání, nesplňují tyto požadavky, stejně tak 40 jako obvykle používaná AlSi₉Cu₃ slitina.

Úlohou vynálezu proto je, uvést vhodnou slitinu s vysokou tepelnou vodivostí s odpovídajícím vytvořením struktury pro použití v odlitcích hlavy válců a odlitcích bloku motoru, která by měla vysokou odolnost vůči teplu, dobrou mez tečení jakož i dostatečnou duktilitu při současně malé 45 náchylnosti ke korozi a současně s dobrou obrobitelností.

Podstata vynálezu

Uvedenou úlohu splňuje odlitek hlavy válce nebo odlitek bloku motoru provedený z hliníkové slitiny obsahující Si 6,80 až 7,20 % hmotn., Fe 0,35 až 0,45 % hmotn., Cu 0,30 až 0,40 % hmotn., Mn 0,25 až 0,30 % hmotn., Mg 0,35 až 0,45 % hmotn., Ni 0,45 až 0,55 % hmotn., Zn 0,10 až 0,15 % hmotn., Ti 0,11 až 0,15 % hmotn. a zbytek hliník, jakož i nevyhnutelné nečistoty, jednotlivě maximálně po 0,05 % hmotn., dohromady maximálně 0,15 % hmotn., podle vynálezu,

-2CZ 293797 B6 jehož podstatou je, že hliníková slitina obsahuje nejméně 1 % obj. následujících fází typu hliníknikl, hliník-měď, hliník-mangan, hliník-železo a směsných fází uvedených typů.

Odlitek hlavy válce nebo odlitek bloku motoru má s výhodou strukturu sestávající z 40 až 55 % obj. struktury matrice z a-hliníku, 40 až 55 % obj. eutektické fáze hliníku-křemíku, další fáze s 1 až 3 % obj. hliníku a podílů slitiny železa, mědi, hořčíku, niklu, křemíku a manganu, čímž se dosáhne zvlášť vysoké meze tečení a odolnosti vůči působení tepla.

Ke zlepšení tepelné vodivosti a duktility u odlitku hlavy válce nebo odlitku bloku motoru dojde zejména tehdy, když odlitek hlavy válce a odlitek bloku motoru má strukturu sestávající z 40 až 55 % obj. struktury matrice z α-hliníku a poměr Mn : Fe je nejméně 0,7 : 1. Pokud prvky hliníkové slitiny jsou přítomny v následujících poměrech

Si:Fe:Cu = 7:0,4:0,35,

Ni: Mg : Cu = 5 : 4 : 3,5, má odlitek hlavy válce nebo odlitek bloku motoru velmi dobré antikorozní vlastnosti.

Bylo zjištěno, že odlitky hlavy válců nebo bloku motoru mohou být snáze obráběny a mají vyšší tvrdost, když se vyrobí způsobem podle vynálezu tak, že hliníková slitina se vnese při teplotách 720 až 740 °C do licí formy, poté se hliníková slitina podrobí ochlazování s rychlostí ochlazení 0,1 až lOK.s’¹ a po ochlazení na teplotu místnosti se provádí tepelné zpracování, sestávající z popouštějícího žíhání při 530 °C po dobu 5 hodin, prudkého ochlazení ve vodě při 80 °C, jakož i umělého stárnutí při teplotě 160 až 200 °C po dobu 6 hodin.

Příklady provedení vynálezu

Dále je uvedeno několik příkladů provedení, ze kterých vyplývají přednosti zpracování, dané zvýšenou tvrdostí a s tím spojené lepší obrobitelnosti, jakož i menší náklonností ke korozi při zachovaných dobrých mechanických vlastnostech (tabulka 1). Pro srovnání se slitinami podle vynálezu byla zkoušena slitina hliníku-křemíku-niklu, známá z Aluminium-Taschenbuch, 14. Auflage, strana 35. Z toho vyplynulo, že se zde mohla naměřit pouze malá tepelná vodivost v důsledku vysokých eutektických podílů.

Posouzení zpracovatelnosti je založeno na srovnání tvrdosti, přičemž jednotlivé hodnoty byly měřeny podle Brinella vtiskem. Pro slitiny podle vynálezu vyplynula tvrdost HB 100 až 105 v protikladu k hodnotám HB 85 a 90 u srovnávané slitiny.

Obzvláště vysoké hodnoty tvrdosti se u slitiny podle vynálezu mohly dosáhnout speciálním kalením, které je definováno v nároku 4. Při tom byly dodrženy následující parametry:

teplota lití: 730 °C rychlost ochlazování asi 1 až 5 K.s'¹ popuštěcí žíhání 530 °C po dobu 5 hodin prudké ochlazení ve vodě s teplotou 80 °C umělé stárnutí při 180 °C po dobu 6 hodin.

Srovnání korozivity se slitinou obsahující měď (0,5 % mědi ze slitiny č. 6) ukázalo zřetelné zlepšení odolnosti vůči korozi oproti stavu techniky a zejména oproti běžně používaným slitinám, například slitina č. 5, která se až dosud používala pro výrobu odlitků válců a bloků motoru. Tedy vyšlo se z toho, že se pomocí slitiny podle vynálezu mohlo dosáhnout podstatné zlepšení vlastností působících proti korozi pomocí kompenzace mědi a niklu, přičemž pro příznivé vytvoření fází to znamená maximální zaformování popřípadě zaoblení fází, typu hliník-měď ahořčíkkřemík přispělo speciální tepelné zpracování, jak je výše uvedeno.

-3CZ 293797 B6

Pro dosažené hodnoty tvrdosti neměly rozhodující význam jen samotné použité typy fází, nýbrž i jejich rozdělení a jemnost, stejně tak jako množství, měřené v% obj. Množství se určovalo kvantitativními analýzami obrazů pomocí statisticky rozdělených broušených ploch, typy fází 5 byly zjišťovány pomocí zkoumání mikrosondami, zatímco slitina č. 6 odpovídající stavu techniky (tabulka 1) obsahovala pouze 0,5 % obj. fáze obsahující Cu, má slitina podle vynálezu jemně rozptýlené intermetalické fáze se středními délkami maximálně 20 pm typu hliník-nikl, hliníkměď a hliník-železomangan, přičemž objemový podíl je nejméně 1 % obj., což lze považovat za podstatný základ pro zvyšování tepelné odolnosti. Jemnost jednotlivých typů fází se mohla ovliv10 nit stávající teplotou lití a podmínkami ochlazování.